一种场控型电力电子器件的高速驱动电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种电力电子器件的高速驱动电路。

背景技术：

图腾柱电路一般用于驱动电力mos管(metaloxidesemiconductor，金属氧化物半导体管)或igbt管(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)，为电力mos管或igbt管提供足够的灌电流和拉电流。

在传统的图腾柱电路中，一般通过一个nmos管连接一个pmos管构成，nmos管的源极与pmos管的源极相连，nmos管的漏极接电源电压，pmos管的漏极接地或负电压。该电路的优点是可以使用一个控制信号同时施加在nmos管和pmos管的栅极，从而控制nmos管和pmos管的导通或关断。当控制信号为高电平的时候，nmos管导通，pmos管关断，电源通过nmos管的导通电阻给电力电子器件igbt的栅射极电容充电；当控制信号为低电平时，nmos管关断，pmos管导通，电源通过pmos管的导通电阻使电力电子器件igbt的栅射极电容放电。图腾柱电路的优点是电力电子器件igbt的栅射极电容充放电的电阻都很小，但有以下三个缺点：

一、控制信号的上升沿和下降沿不能同时做到很陡，如果上升沿做的很快，则下降沿就慢，相反，如果下降沿做的很快，则上升沿就很慢，无法保证两者都同时很快；

二、控制信号在地电位附近或电源电压附近变化较慢，这会使得电路对电力电子器件igbt的控制可能是开通很或关断较慢；

三、nmos管和pmos管的源极电压跟随栅极电压动态变化，使nmos管或pmos管处于临界开通状态。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种场控型电力电子器件的高速驱动电路，旨在提高驱动电路的驱动速度和输出频率。

为实现上述目的，本实用新型提供一种场控型电力电子器件的高速驱动电路，所述电路包括依次连接的信号隔离子电路、放大子电路和开关子电路；

所述开关子电路包括连接于所述放大子电路的第一电容和第二电容，所述第一电容通过第一电阻连接于第一二极管和第二二极管，所述第一电容还连接有pmos管，所述第二电容通过第二电阻连接于第三二极管和第四二极管，所述第二电容还连接有nmos管，所述pmos管和所述nmos管分别通过第三电阻和第四电阻连接于电力电子器件；所述pmos管连接于第一电源电压，所述nmos管接地。

优选地，所述第一电容的一端连接于所述放大子电路、另一端连接于所述pmos管的栅极和第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接于所述第一二极管的阴极和所述第二二极管阳极，所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极连接于所述第一电源电压；

所述pmos管的源极连接于所述第一电源电压，所述pmos管的漏极连接于所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接于所述电力电子器件的栅极；

所述第二电容的一端连接于所述放大子电路、另一端连接于所述nmos管的栅极和所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接于所述第三二极管的阴极和所述第四二极管的阳极，所述第三二极管的阳极和所述第四二极管的阴极接地；

所述nmos管的漏极连接于所述第四电阻的一端，所述第四电阻的另一端连接于所述电力电子器件的栅极，所述nmos管的源极接地。

优选地，所述开关子电路还包括第三电容和第五二极管；所述第三电容的一端连接于第一电源电压和所述pmos管的源极，另一端接地；

所述第五二极管的阳极接地、阴极连接于所述电力电子器件的栅极、所述第三电阻的另一端和所述第四电阻的另一端。

优选地，所述pmos管和所述nmos管为低阈值电压的场效应管。

优选地，所述信号隔离子电路包括高速光耦器件。

优选地，所述高速光耦器件为tlp117；所述tlp117的第一引脚为控制信号输入端用以连接控制信号；其第四引脚接地；其第五引脚连接于所述放大子电路，用以输出第一控制电压至所述放大子电路；其第六引脚连接于第二电源电压。

优选地，所述放大子电路包括比较器、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第四电容；

所述比较器的比较输出端通过第五电阻连接于所述开关子电路的所述第一电容和所述第二电容，所述比较器的同相输入端连接于所述tlp117的第五引脚，所述比较器的反相输入端连接于所述第六电阻的一端和第七电阻的一端，所述第六电阻的另一端连接于第二电源电压，所述第七电阻的另一端接地，所述比较器的电压端连接于所述第二电源电压，所述比较器的地端接地；

所述第四电容的一端连接于所述第二电源电压，另一端接地。

优选地，所述第一电源电压的值为9v～20v，所述第二电源电压的值为4v～9v。

优选地，所述第一电源电压的值为15v，所述第二电源电压的值为5v。

本实用新型技术方案的有益效果为：

1、将pmos管的源极接电源、nmos管的源极接地或负电源，pmos管和nmos管的漏极通过第三电阻和第四电阻连接，驱动控制信号从第三电阻和第四电阻中间位置输出的，使得pmos管或nmos管在工作过程中处于全开或全关状态，可加快场控型电力电子器件的栅射极或栅源极间的电容充放电速度；

2、pmos管的栅极与放大子电路之间连接的第一电容，能够使用低位信号电压控制pmos管的栅极的高位信号的变化，实现不同电压等级间的信号传递；

3、nmos管的栅极与放大子电路之间连接的第二电容，第二电容的好处是能够使nmos管的栅极控制电压的门槛电压值在栅极控制信号的上电平和下电平的中间值，而中间值的变化速度最快，这样放大子电路输出的第二控制电压v2能够加速nmos管的导通和关断；

4、pmos管的栅极连接于第一电源电压构成的充放电支路和nmos管的栅极接地地或负电源构成的充放电支路，这种充放电支路能够使pmos管的栅极和nmos管的栅极保持合适的电压，使pmos管和nmos管栅极电压变化保持在一个合理的范围。

附图说明

图1为本实用新型场控型电力电子器件的高速驱动电路的电路原理示意图；

图2为本实用新型场控型电力电子器件的的高速驱动电路的电路结构示意图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

本实用新型主要用于为场控型电力电子器件提供高速驱动能力。

如图1、图2所示，本实用新型实施例提供一种场控型电力电子器件的高速驱动电路，所述电路包括依次连接的信号隔离子电路101、放大子电路102和开关子电路103；

如图2所示，开关子电路103包括连接于所述放大子电路102的第一电容c1和第二电容c2，所述第一电容c1通过第一电阻r1连接于第一二极管d1和第二二极管d2，所述第一电容c1还连接有pmos管m1，所述第二电容c2通过第二电阻r2连接于第三二极管d3和第四二极管d4，所述第二电容c2还连接有nmos管m2，所述pmos管m1和所述nmos管m2分别通过第三电阻r3和第四电阻r4连接于电力电子器件q1；所述pmos管m1连接于第一电源电压vcc1，所述nmos管m2接地gnd。

信号隔离子电路101将输入控制信号iin转化成第一控制电压v1；放大子电路102对第一控制电压v1进行放大，以输出第二控制电压v2；开关子电路103通过第二控制电压v2，产生第三控制电压v3以控制电力电子器件q1的导通和关断。该电力电子器件q1可以为igbt或mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)。

由于本实用新型实施例将pmos管m1的源极接第一电源电压vcc1、nmos管m2的源极接地gnd或负电源，pmos管m1和nmos管m2的漏极通过第三电阻r3和第四电阻r4连接，驱动控制信号从第三电阻r3和第四电阻r4中间位置输出的，使得pmos管m1或nmos管m2在工作过程中处于全开或全关状态，可加快场控型电力电子器件q1的栅射极或栅源极间的电容充放电速度。

pmos管m1的栅极与放大子电路102之间连接的第一电容c1，能够使用低位信号电压控制pmos管m1的栅极的高位信号的变化，实现不同电压等级间的信号传递。nmos管m2的栅极与放大子电路102之间连接的第二电容c2，第二电容c2的好处是能够使nmos管m2的栅极控制电压的门槛电压值在栅极控制信号的上电平和下电平的中间值，而中间值的变化速度最快，这样放大子电路输出的第二控制电压v2能够加速nmos管m2的导通和关断。

pmos管m1的栅极连接于第一电源电压vcc1构成的充放电支路和nmos管m2的栅极接地地gnd或负电源构成的充放电支路，这种充放电支路能够使pmos管m1的栅极和nmos管m2的栅极保持合适的电压，使pmos管m1和nmos管m2栅极电压变化保持在一个合理的范围。

如图2所示，所述第一电容c1的一端连接于所述放大子电路102、另一端连接于所述pmos管m1的栅极和第一电阻r1的一端，所述第一电阻r1的另一端连接于所述第一二极管d1的阴极和所述第二二极管d2阳极，所述第一二极管d1的阳极和所述第二二极管d2的阴极连接于所述第一电源电压vcc1；所述pmos管m1的源极连接于所述第一电源电压vcc1，所述pmos管m1的漏极连接于所述第三电阻r3的一端，所述第三电阻r3的另一端连接于所述电力电子器件q1的栅极；所述第二电容c2的一端连接于所述放大子电路102、另一端连接于所述nmos管m2的栅极和所述第二电阻r2的一端，所述第二电阻r2的另一端连接于所述第三二极管d3的阴极和所述第四二极管d4的阳极，所述第三二极管d3的阳极和所述第四二极管d4的阴极接地gnd；所述nmos管m2的漏极连接于所述第四电阻r4的一端，所述第四电阻r4的另一端连接于所述电力电子器件q1的栅极，所述nmos管m2的源极接地gnd。

在本实用新型实施例中，pmos管m1与nmos管m2的连接方式与现有技术中的图腾柱连接方式相反。pmos管m1在上端，当其栅极电压低于其源极电压时导通，当其栅极电压高于其源极电压时关断；nmos管m2在下端，当其栅极电压高于其源极电压时导通，当其栅极电压低于其源极电压时关断；所以，pmos管m1与nmos管m2的需要通过不同控制信号分开控制。当电力电子器件q1需要导通时，pmos管m1导通，nmos管m2关断，第一电源电压vcc1通过pmos管m1的通态电阻、第三电阻r3为电力电子器件q1的栅射电容充电；为了提高充电速度，第三电阻r3的阻值较小，主要对充电回路限流，使充电电流不超过pmos管m1的最大容许值。当电力电子器件q1需要关断时，pmos管m1关断，nmos管m2导通，电力电子器件q1的栅射电容通过nmos管m2的通态电阻、第四电阻r4放电；为了提高放电速度，第四电阻r4的阻值较小，主要对放电回路限流，使放电电流不超过nmos管m2的最大容许值。这样，电力电子器件q1的栅射电容的充放电速度都很快，以提高电力电子器件q1的驱动速度。

如图2所示，所述开关子电路103还包括第三电容c3和第五二极管d5；所述第三电容c3的一端连接于第一电源电压vcc1和所述pmos管m1的源极，另一端接地gnd；所述第五二极管d5的阳极接地gnd、阴极连接于所述电力电子器件q1的栅极、所述第三电阻r3的另一端和所述第四电阻r4的另一端。

优选地，所述pmos管m1和所述nmos管m2为低阈值电压的场效应管。低阈值电压的场效应管可保证在第二控制电压v2下正常通断。

当控制信号的频率足够快或第一电阻r1和第二电阻r2足够大时，nmos管m2的栅极电压在约±0.5v2间变化，pmos管m1的栅极电压在第一电源电压vcc1±0.5v2间变化。pmos管m1和nmos管m2的栅极阈值电压点都在对栅源极电容充放电曲线上变化最快的区间，避开了电容充放电末尾的缓慢区间，从而使pmos管m1和nmos管m2的开关速度加快，以提高对电力电子器件q1的驱动速度。

在对电力电子器件q1的栅射极电容进行充放点过程中，pmos管m1和nmos管m2都处于全开全关的状态，使得本实用新型实施例的驱动电路对对电力电子器件q1的栅射极电容的充放电速度更快，以提高对电力电子器件q1的驱动速度。

优选地，所述信号隔离子电路101包括高速光耦器件。

如图2所示，所述高速光耦器件为tlp117；所述tlp117的第一引脚1为控制信号输入端用以连接控制信号iin；其第四引脚4接地gnd；其第五引脚5连接于所述放大子电路102，用以输出第一控制电压v1至所述放大子电路102；其第六引脚6连接于第二电源电压vcc2。

在电力电子电路或系统中，电力电子器件q1的射极(或源极)的电位往会浮动，由于与地线之间有电位差，驱动电路与电力电子器件q1之间需要隔离。而光隔离的传输速度比电磁隔离的传输速度更快，所以，在本实用新型实施例中，选择目前速度很快的光耦器件tlp117作为信号隔离。

如图2所示，所述放大子电路102包括比较器a、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7和第四电容c4；所述比较器a的比较输出端通过第五电阻r5连接于所述开关子电路103的所述第一电容c1和所述第二电容c2，所述比较器a的同相输入端连接于所述tlp117的第五引脚5，所述比较器a的反相输入端连接于所述第六电阻r6的一端和第七电阻r7的一端，所述第六电阻r6的另一端连接于第二电源电压vcc2，所述第七电阻r7的另一端接地gnd，所述比较器a的电压端连接于所述第二电源电压vcc2，所述比较器a的地端接地gnd；所述第四电容c4的一端连接于所述第二电源电压vcc2，另一端接地gnd。

比较器a对光耦器件tlp117的输出信号进行放大，以满足信号高速传输的要求，所以通过比较器a对其驱动能力进行放大，可满足后续元器件的驱动要求。同时，比较器a内部使用正反馈，使得其速度比运放器件更快。

在一些实施例中，所述第一电源电压vcc1的值为9v～20v，所述第二电源电压vcc2的值为4v～9v。

在具体实施例中，所述第一电源电压vcc1的值为15v，所述第二电源电压vcc2的值为5v。

本实用新型实施例的工作原理为：

在静止状态时，第二控制电压v2为高电平，nmos管m2的栅极电压为高电平，nmos管m2导通，同时，第一电源电压vcc1通过第一二极管d1、第一电阻r1为第一电容c1和pmos管m1的栅源极电容充电，当第一电容c1和pmos管m1的栅源极电容的电压比第一电源电压vcc1小第一二极管d1结电压(约0.7v)时，停止充电，pmos管m1保持微导通状态。

在稳态时，当第二控制电压v2从高电平(约5v)变为低电平(约0v)时，第二控制电压v2与第二电容c2上的电压叠加后，nmos管m2的栅极电压由正电压变为负电压，nmos管m2关断，同时nmos管m2的栅源极电容通过第三二极管d3和第二电阻r2充电，当nmos管m2的栅源极电容电压等于第三二极管d3的结电压(约0.7v)时，停止充电。而当第二控制电压v2从高电平(约5v)变为低电平(约0v)时，第二控制电压v2与第一电容c1上的电压叠加后，pmos管m1的栅极电压低于第一电源电压vcc1，pmos管m1的栅源极的电压为负，使pmos管m1导通为电力电子器件q1的栅射电容充电，同时pmos管m1的栅源极电容通过第一二极管d1和第一电阻r1充电，当栅源极电容电压等于第一二极管d1的结电压(约-0.7v)时，停止充电，即可使pmos管m1保持微导通状态，补充电力电子器件q1的栅射电容的漏电流，维持电力电子器件q1的栅射电容电压不变，使电力电子器件q1保持导通。

当第二控制电压v2从低电平(约0v)变为高电平(约5v)时，第二控制电压v2与第二电容c2上的电压叠加后，nmos管m2的栅极电压变为高电压，nmos管m2导通，为电力电子器件q1的栅射电容放电，同时nmos管m2的栅源极电容通过第四二极管d4和第二电阻r2放电，当其栅源极电容电压等于第四二极管d4的结电压(约0.7v)时，停止放电。当第二控制电压v2从低电平(约0v)变为高电平(约5v)时，第二控制电压v2与第一电容c1上的电压叠加，使pmos管m1的栅极电压高于第一电源电压vcc1，pmos管m1的栅源极的电压为正，使pmos管m1关断，同时pmos管m1的栅源极电容通过第一二极管d1和第一电阻r1充电，当栅源极电容电压等于第一二极管d1d1的结电压(约-0.7v)时，停止充电。

应当理解的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，不能因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。