專利名稱：開關驅(qū)動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種開關驅(qū)動電路，且特別是有關于一種用以驅(qū)動全控型功率開關元件組合的開關驅(qū)動電路。
背景技術：
在大功率電子裝置(如工業(yè)電腦、服務器、電力設備等)的應用中，對產(chǎn)品的可靠性有著非常高的要求。通常用來衡量可靠性的指標是平均故障間隔時間(mean timebetween failures, MTBF)。電子裝置的平均故障間隔時間越大,則其可靠性越高。目前的電子設備的電力供應器中，通常采用光纖將控制信號傳遞到高壓側，來對電力供應器中的輸出端高壓側的功率開關元件進行開關控制。采用光纖而不用電性連接的傳遞方式，可同時實現(xiàn)對變壓模塊的高壓側與低壓側之間，以及高壓側各功率開關元件之間進行電性隔離，避免其間的電力雜訊干擾。 然而，相比于系統(tǒng)中其他電子元件，一般來說，光纖收發(fā)器有著非常低的平均故障間隔時間，因而光纖成為整個系統(tǒng)可靠性提升的瓶頸。其次，由于每一功率開關元件都需要與低壓側及同處高壓側的其他功率開關元件進行隔離，所以每個功率開關元件的驅(qū)動信號傳遞都需要一套光纖。因此，采用光纖進行隔離的方法，會大幅增加系統(tǒng)的成本和結構的復雜性。此外，由于光纖傳遞會給信號帶來較長的延時時間，進而導致在傳送相同信號時的一致性(或同步性)較差。在對一致性要求較高的情況下，會影響功率開關元件安全可
靠的工作。采用磁隔離來代替光纖，進行驅(qū)動信號傳遞，實現(xiàn)電氣隔離，可以大幅提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)成本、簡化系統(tǒng)結構、減少延時時間以及提高信號的一致性，有效解決了采用光纖隔離所帶來的主要問題。采用磁隔離傳遞串聯(lián)開關單元驅(qū)動信號的方法，在半控型功率開關元件的串聯(lián)驅(qū)動電路中曾有過應用。例如，將低壓側的驅(qū)動訊號經(jīng)過串聯(lián)的變壓器，將具有驅(qū)動能力的觸發(fā)脈沖傳遞到高壓側以驅(qū)動串聯(lián)的多個半控型功率開關元件。較常見的半控型功率開關元件如晶閘管(Silicon Controlled Rectifier, SCR) 由于半控型功率開關元件的特性，晶閘管對其驅(qū)動信號的要求為(1)只需提供一個非常窄的脈沖觸發(fā)其導通即可，無需關斷信號，因半控型功率開關元件無法透過驅(qū)動訊號進行關斷；以及(2)由于半控型功率開關元件的驅(qū)動訊號脈寬較窄，可同時通過脈沖變壓器傳遞驅(qū)動信號以及驅(qū)動功率。另一方面，全控型功率開關元件對驅(qū)動訊號的要求，與半控型功率開關元件存在許多差異，例如(1)全控型功率開關元件的開通、關斷均由驅(qū)動信號控制；(2)全控型功率開關元件在導通時需要提供一個穩(wěn)定的高電壓準位，在關斷時通常需要提供一個穩(wěn)定的低電壓準位；以及(3)對于全控型功率開關器件的驅(qū)動信號脈寬會比半控型功率開關元件(如SCR)采用的驅(qū)動信號來得寬，因此，在全控型功率開關器件上必須將驅(qū)動信號和驅(qū)動功率分開傳遞。因此，已知技術中采用磁隔離傳遞半控型功率開關元件(如SCR)的驅(qū)動信號的方法無法套用于全控型功率開關元件上。

發(fā)明內(nèi)容
為解決已知技術的問題，本發(fā)明提出了一種采用磁隔離方式傳遞全控型功率開關元件組合驅(qū)動信號的開關驅(qū)動電路，用以為全控型功率開關元件組合提供快速、穩(wěn)定且可靠的驅(qū)動訊號。本發(fā)明的一方面是在提供一種開關驅(qū)動電路，用以驅(qū)動一全控型功率開關組合，該開關驅(qū)動電路包含一第一脈寬調(diào)變單元、一高壓隔離脈沖變壓模塊以及多個輸出模塊。高壓隔離脈沖變壓模塊包含一磁芯單元、繞設于該磁芯單元上的一一次側繞線以及多個二次側繞線。該一次側繞線耦接至該第一脈寬調(diào)變單元。多個輸出模塊各自包含一第二脈寬調(diào)變單元以及一驅(qū)動功率放大單元。該多個二次側繞線分別耦接至該多個輸出模塊的該第 二脈寬調(diào)變單元。該全控型功率開關組合包含多個全控型功率開關元件，該驅(qū)動功率放大單元耦接于該第二脈寬調(diào)變單元與其中一個全控型功率開關元件之間。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該全控型功率開關組合中的該多個全控型功率開關元件彼此串聯(lián)或耦接于一單相全橋電路中一個橋臂的上管與另一橋臂的下管，該多個輸出模塊分別產(chǎn)生相同相位且彼此隔離的多個驅(qū)動輸出訊號至該多個全控型功率開關元件。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，一驅(qū)動輸入訊號輸入至該開關驅(qū)動電路的一輸入端，該第一脈寬調(diào)變單元耦接該輸入端，用以將該驅(qū)動輸入訊號轉(zhuǎn)換為一窄脈寬訊號。于此實施例中，該驅(qū)動輸入訊號為一脈寬調(diào)變型訊號，該窄脈寬訊號包含多個正脈沖以及多個負脈沖，該多個正脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個上升緣，該多個負脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個下降緣。本發(fā)明的另一方面是在提供一種開關驅(qū)動電路，用以驅(qū)動一全控型功率開關組合，該全控型功率開關組合包含多個全控型功率開關元件，該開關驅(qū)動電路包含一第一脈寬調(diào)變單元、一高壓隔離脈沖變壓模塊以及多個輸出模塊。高壓隔離脈沖變壓模塊包含多個磁芯單元、多個一次側繞線以及多個二次側繞線。每一該多個磁芯單元上分別繞設有該多個一次側繞線其中的一以及該多個二次側繞線其中的一，該多個一次側繞線串接后耦接至該第一脈寬調(diào)變單元。多個輸出模塊各自包含一第二脈寬調(diào)變單元以及一驅(qū)動功率放大單元。該多個二次側繞線分別耦接至該多個輸出模塊的該第二脈寬調(diào)變單元。驅(qū)動功率放大單元耦接于該第二脈寬調(diào)變單元與其中一個全控型功率開關元件之間。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，該全控型功率開關組合中的該多個全控型功率開關元件彼此串聯(lián)，或耦接于一單相全橋電路中一個橋臂的上管與另一橋臂的下管，該多個輸出模塊分別產(chǎn)生相同相位且彼此隔離的多個驅(qū)動輸出訊號至該多個全控型功率開關元件。根據(jù)本發(fā)明的一實施例，一驅(qū)動輸入訊號輸入至該開關驅(qū)動電路的一輸入端，該第一脈寬調(diào)變單元耦接該輸入端，用以將該驅(qū)動輸入訊號轉(zhuǎn)換為一窄脈寬訊號。于此實施例中，該驅(qū)動輸入訊號為一脈寬調(diào)變型訊號，該窄脈寬訊號包含多個正脈沖以及多個負脈沖，該多個正脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個上升緣，該多個負脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個下降緣。


圖I繪示根據(jù)本發(fā)明的一實施例中一種開關驅(qū)動電路的功能方塊圖；圖2繪示根據(jù)本發(fā)明的一實施例中開關驅(qū)動電路中各訊號的波形示意圖；圖3繪示根據(jù)本發(fā)明第一具體實施例中高壓隔離脈沖變壓模塊與多個輸出模塊之間的架構示意圖；圖4繪示根據(jù)本發(fā)明第二具體實施例中高壓隔離脈沖變壓模塊與多個輸出模塊之間的架構示意圖；圖5繪示根據(jù)本發(fā)明的第一操作實例中開關驅(qū)動電路以及全控型功率開關組合 的不意圖；圖6繪示根據(jù)本發(fā)明的第一操作實例中開關驅(qū)動電路以及全控型功率開關組合的不意圖；以及圖7繪示根據(jù)本發(fā)明的第一操作實例中開關驅(qū)動電路以及全控型功率開關組合的示意圖。主要組件符號說明本發(fā)明100:開關驅(qū)動電路120 :第一脈寬調(diào)變單元140, 140a, 140b :高壓隔離脈沖變壓模塊142 :磁芯單元Wl : 一次側繞線W2 : 二次側繞線160 :輸出模塊162 :第二脈寬調(diào)變單元164 :驅(qū)動功率放大單元200, 200a, 200b, 200c :全控型功率開關組合202 :全控型功率開關元件204 :單相全橋電路220 :驅(qū)動級DRin :驅(qū)動輸入訊號NPW1、NPW2 :窄脈寬訊號DRcon :驅(qū)動控制訊號DRout, DRoutl, DRout2 :驅(qū)動輸出訊號
具體實施例方式以下將以附圖揭露本發(fā)明的多個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節(jié)將在以下敘述中一并說明。然而，應了解到，這些實務上的細節(jié)不應用以限制本發(fā)明。也就是說，在本發(fā)明部分實施方式中，這些實務上的細節(jié)是非必要的。此外，為簡化附圖起見，一些已知慣用的結構與元件在附圖中將以簡單示意的方式繪示。
請參閱圖1，其繪示根據(jù)本發(fā)明的一實施例中一種開關驅(qū)動電路100的功能方塊圖。如圖I所示，開關驅(qū)動電路100包含第一脈寬調(diào)變單元120、高壓隔離脈沖變壓模塊140以及多個輸出模塊160。其中，開關驅(qū)動電路100耦接于驅(qū)動級220與全控型功率開關組合200之間，用以將驅(qū)動級220提供的驅(qū)動輸入訊號DRin轉(zhuǎn)換為多個彼此隔離的驅(qū)動輸出訊號DRout，多個驅(qū)動輸出訊號DRout分別用以控制全控型功率開關組合200中的多個全控型功率開關元件202。于本揭示文件的實施例中，全控型功率開關元件202可為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。于本發(fā)明中為方便說明，僅示意地繪示兩輸出模塊160以及兩全控型功率開關元件202，但本揭示文件并不以兩組為限，實際應用中，開關驅(qū)動電路100可包含η組輸出模塊160對應η個全控型功率開關元件202，其中η為2以上的正整數(shù)。

其中，開關驅(qū)動電路100通過高壓隔離脈沖變壓模塊140在驅(qū)動輸入訊號DRin與驅(qū)動輸出訊號DRout之間進行磁隔離，避免驅(qū)動輸入訊號DRin與驅(qū)動輸出訊號DRout之間相互影響。此外，開關驅(qū)動電路100通過高壓隔離脈沖變壓模塊140在多個驅(qū)動輸出訊號DRout彼此間進行磁隔離，避免驅(qū)動輸出訊號DRout與其他驅(qū)動輸出訊號DRout之間相互影響。請一并參閱圖2，其繪示根據(jù)本發(fā)明的一實施例中開關驅(qū)動電路100中各訊號的波形示意圖。于圖2的實施例中，驅(qū)動級220提供驅(qū)動輸入訊號DRin輸入至開關驅(qū)動電路100的輸入端，第一脈寬調(diào)變單元120耦接至開關驅(qū)動電路100的輸入端。于此實施例中，驅(qū)動輸入訊號DRin為脈寬調(diào)變型(pulse-width modulation, PWM)訊號,第一脈寬調(diào)變單元120脈寬調(diào)變型的將驅(qū)動輸入訊號DRin轉(zhuǎn)換成窄脈寬訊號NPWl，其中窄脈寬訊號NPWl包含多個正脈沖(如圖2中的正脈沖Pl，P3)以及多個負脈沖(如圖2中的負脈沖P2，P4)，該多個正脈沖(P1，P3)分別對應驅(qū)動輸入訊號DRin的多個上升緣(rising edge),該多個負脈沖(P2，P4)分別對應驅(qū)動輸入訊號DRin的多個下降緣(falling edge)，如圖2所示。第一脈寬調(diào)變單元120轉(zhuǎn)換完成的窄脈寬訊號NPWl傳送至高壓隔離脈沖變壓模塊140的一次側(primary side)。高壓隔離脈沖變壓模塊140以磁感應方式在二次側形成多個窄脈寬訊號NPW2，并分別輸出至多個輸出模塊160，借此實現(xiàn)在一次側(于部份實施例中可為低壓側)與二次側(于部份實施例中可為高壓側)之間的磁隔離效果。多個窄脈寬訊號NPW2分別傳送至各輸出模塊160中的第二脈寬調(diào)變單元162，第二脈寬調(diào)變單元162用以將其轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)變型(PWM)的驅(qū)動控制訊號DRcon。各輸出模塊160中的驅(qū)動功率放大單元164隨后對驅(qū)動控制訊號DRcon進行功率放大，并各自產(chǎn)生具有正、負驅(qū)動電位的驅(qū)動輸出訊號DRout并傳送到全控型功率開關組合200其中一個全控型功率開關元件202。請一并參閱圖3，其繪示根據(jù)本揭示文件第一具體實施例中高壓隔離脈沖變壓模塊140a與多個輸出模塊160之間的架構示意圖。如圖3所示，于第一具體實施例中高壓隔離脈沖變壓模塊140a(對應圖I與圖2中的高壓隔離脈沖變壓模塊140)包含一磁芯單元142、一次側繞線Wl以及多個二次側繞線W2，其中一次側繞線Wl繞設于磁芯單元142上并耦接至第一脈寬調(diào)變單元120。多個二次側繞線W2皆繞設于磁芯單元142上并分別耦接至各個輸出模塊160的第二脈寬調(diào)變單元162。
如此一來，如圖I、圖2以及圖3所示，高壓隔離脈沖變壓模塊140a便可將一次側的窄脈寬訊號NPWl以磁感應方式在二次側形成多個窄脈寬訊號NPW2，并分別輸出至多個輸出模塊160。借此，可在窄脈寬訊號NPWl與各窄脈寬訊號NPW2之間形成磁隔離，并且可在多個窄脈寬訊號NPW2彼此間形成磁隔離。隨后，多個窄脈寬訊號NPW2分別由各輸出模塊160中的第二脈寬調(diào)變單元162用以將其轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)變型的驅(qū)動控制訊號DRcon，并經(jīng)驅(qū)動功率放大單元164的功率放大形成具有正、負驅(qū)動電位的驅(qū)動輸出訊號DRout并傳送到全控型功率開關元件202。請一并參閱圖4，其繪示根據(jù)本發(fā)明第二具體實施例中高壓隔離脈沖變壓模塊140b (對應圖I與圖2中的高壓隔離脈沖變壓模塊140)與多個輸出模塊160之間的架構示意圖。如圖4所示，于第二具體實施例中高壓隔離脈沖變壓模塊140b包含多個磁芯單元142、多個一次側繞線Wl以及多個二次側繞線W2，每一磁芯單元142上分別繞設有其中一條一次側繞線Wl以及其中一條二次側繞線W2。上述多條一次側繞線Wl串接后耦接至該第一脈寬調(diào)變單元120，如圖4的實施例中，多條一次側繞線Wl彼此串聯(lián)并耦接至第一脈寬調(diào)變單元120。多個輸出模塊160各自包含第二脈寬調(diào)變單元162以及驅(qū)動功率放大單元164。 上述多個二次側繞線W2分別耦接至該多個輸出模塊160的第二脈寬調(diào)變單元162。驅(qū)動功率放大單元164則耦接于第二脈寬調(diào)變單元162與其中一個全控型功率開關元件202之間。如此一來，高壓隔離脈沖變壓模塊140b便可將一次側的窄脈寬訊號NPWl以磁感應方式在二次側形成多個窄脈寬訊號NPW2，并分別輸出至多個輸出模塊160。借此，可在窄脈寬訊號NPWl與各窄脈寬訊號NPW2之間形成磁隔離，并且可在多個窄脈寬訊號NPW2彼此間形成磁隔離。綜上所述，第一具體實施例與第二具體實施例分別揭露透過單一磁芯單元以一對多方式對應多輸出模組的驅(qū)動I禹接架構，以及，透過多磁芯單兀以一對一方式對應多輸出模組的驅(qū)動耦接架構。以下以多個操作實例來說明本發(fā)明驅(qū)動一全控型功率開關組合的運作。請參閱圖5，其繪示根據(jù)本發(fā)明的第一操作實例中開關驅(qū)動電路100以及全控型功率開關組合200a (對應先前實施例中的全控型功率開關組合200)的示意圖。如圖5所示的第一操作實例中，全控型功率開關組合200a包含彼此串聯(lián)的多個全控型功率開關元件202,其可分別為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)。該多個輸出模塊160分別產(chǎn)生相同相位且彼此隔離的多個驅(qū)動輸出訊號DRoutl及DRout2至上述多個全控型功率開關元件202。請一并參閱圖3與圖4，于圖5的第一操作實施例中，各個輸出模塊160的第二脈寬調(diào)變單元162可耦接至二次側繞線W2 ( 二次側繞線W2采用相同的繞線方向)，借此，可形成相同相位的驅(qū)動輸出訊號DRoutl及DRout2。接著，請參閱圖6，其繪示根據(jù)本發(fā)明的第二操作實例中開關驅(qū)動電路100以及全控型功率開關組合200b (對應先前實施例中的全控型功率開關組合200)的示意圖。如圖6所示的第二操作實例中，全控型功率開關組合200a包含耦接于單相全橋電路204中相對兩側(分別為單相全橋電路中一個橋臂的上管與另一橋臂的下管)的多個全控型功率開關元件202,其可分別為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor, IGBT)。該多個輸出模塊160分別產(chǎn)生相同相位且彼此隔離的多個驅(qū)動輸出訊號DRoutl及DRout2，傳送至單相兩電平的單相全橋電路204中對管全控型功率開關元件202(如圖6所示)。相似于第一操作實例，各個輸出模塊160的第二脈寬調(diào)變單元162可耦接至二次側繞線W2的同名端(且二次側繞線W2可采相同的繞線方向)。請參閱圖7，其繪示根據(jù)本發(fā)明的第三操作實例中開關驅(qū)動電路100以及全控型功率開關組合200c (對應先前實施例中的全控型功率開關組合200)的示意圖。
如圖7所示的第三操作實例中，全控型功率開關組合200c包含兩電平橋臂電路的兩橋臂上的(上、下兩管)全控型功率開關元件202，其可分別為絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)。綜上所述，本發(fā)明提出了一種采用磁隔離方式傳遞全控型功率開關元件組合驅(qū)動信號的開關驅(qū)動電路，用以為全控型功率開關元件組合提供快速、穩(wěn)定且可靠的驅(qū)動訊號。雖然本發(fā)明已以實施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權利要求書所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種開關驅(qū)動電路，其特征在于，用以驅(qū)動一全控型功率開關組合，該開關驅(qū)動電路包含 一第一脈寬調(diào)變單兀； 一高壓隔離脈沖變壓模塊，其包含一磁芯單元、繞設于該磁芯單元上的一一次側繞線以及多個二次側繞線，其中該一次側繞線耦接至該第一脈寬調(diào)變單元；以及 多個輸出模塊，各自包含 一第二脈寬調(diào)變單元，該多個二次側繞線分別耦接至該多個輸出模塊的該第二脈寬調(diào)變單元；以及 一驅(qū)動功率放大單元，該全控型功率開關組合包含多個全控型功率開關元件，該驅(qū)動功率放大單元耦接于該第二脈寬調(diào)變單元與其中一個全控型功率開關元件之間。
2.根據(jù)權利要求I所述的開關驅(qū)動電路，其特征在于，該全控型功率開關組合中的該多個全控型功率開關元件彼此串聯(lián)，或耦接于一單相全橋電路中一個橋臂的上管與另一橋臂的下管，該多個輸出模塊分別產(chǎn)生相同相位且彼此隔離的多個驅(qū)動輸出訊號至該多個全控型功率開關元件。
3.根據(jù)權利要求I所述的開關驅(qū)動電路，其特征在于，一驅(qū)動輸入訊號輸入至該開關驅(qū)動電路的一輸入端，該第一脈寬調(diào)變單元耦接該輸入端，用以將該驅(qū)動輸入訊號轉(zhuǎn)換為一窄脈寬訊號。
4.根據(jù)權利要求3所述的開關驅(qū)動電路，其特征在于，該驅(qū)動輸入訊號為一脈寬調(diào)變型訊號，該窄脈寬訊號包含多個正脈沖以及多個負脈沖，該多個正脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個上升緣，該多個負脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個下降緣。
5.一種開關驅(qū)動電路，其特征在于，用以驅(qū)動一全控型功率開關組合，該全控型功率開關組合包含多個全控型功率開關元件，該開關驅(qū)動電路包含 一第一脈寬調(diào)變單兀； 一高壓隔離脈沖變壓模塊，其包含多個磁芯單元、多個一次側繞線以及多個二次側繞線，每一該多個磁芯單元上分別繞設有該多個一次側繞線其中之一以及該多個二次側繞線其中之一，該多個一次側繞線均耦接至該第一脈寬調(diào)變單元；以及 多個輸出模塊，各自包含 一第二脈寬調(diào)變單元，該多個二次側繞線分別耦接至該多個輸出模塊的該第二脈寬調(diào)變單元；以及 一驅(qū)動功率放大單元，耦接于該第二脈寬調(diào)變單元與其中一個全控型功率開關元件之間。
6.根據(jù)權利要求5所述的開關驅(qū)動電路，其特征在于，該全控型功率開關組合中的該多個全控型功率開關元件彼此串聯(lián)或耦接于一單相全橋電路中一個橋臂的上管與另一橋臂的下管，該多個輸出模塊分別產(chǎn)生相同相位且彼此隔離的多個驅(qū)動輸出訊號至該多個全控型功率開關元件。
7.根據(jù)權利要求5所述的開關驅(qū)動電路，其特征在于，一驅(qū)動輸入訊號輸入至該開關驅(qū)動電路的一輸入端，該第一脈寬調(diào)變單元耦接該輸入端，用以將該驅(qū)動輸入訊號轉(zhuǎn)換為一窄脈寬訊號。
8.根據(jù)權利要求7所述的開關驅(qū)動電路，其特征在于，該驅(qū)動輸入訊號為一脈寬調(diào)變型訊 號，該窄脈寬訊號包含多個正脈沖以及多個負脈沖，該多個正脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個上升緣，該多個負脈沖分別對應該驅(qū)動輸入訊號的多個下降緣。
全文摘要
一種開關驅(qū)動電路，用以驅(qū)動一全控型功率開關組合，開關驅(qū)動電路包含第一脈寬調(diào)變單元、高壓隔離脈沖變壓模塊以及多個輸出模塊。高壓隔離脈沖變壓模塊包含一磁芯單元以一對多方式連接到多個輸出模塊，或是包含多個磁芯單元以一對一方式連接到多個輸出模塊。多個輸出模塊各自包含第二脈寬調(diào)變單元以及驅(qū)動功率放大單元。該全控型功率開關組合包含多個全控型功率開關元件，該驅(qū)動功率放大單元耦接于該第二脈寬調(diào)變單元與其中一個全控型功率開關元件之間。
文檔編號H02M1/08GK102801286SQ20121029746
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月20日 優(yōu)先權日2012年8月20日
發(fā)明者甘鴻堅, 付煒亮, 王明, 應建平 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司