CN100429863C - 单端变换器中绝缘栅功率管的隔离驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及功率器件的驱动，提供一种由变压器隔离的。输出占空比可大范围变化的绝缘栅功率器件驱动电路。该驱动电路由隔离耦合变压器1、自给电源2、前置单元3和放大单元4组成。它由变压器提供隔离，由自给电源接收输入信号于平顶阶段传递的能量，由前置单元提供电平补偿，由放大单元将输入信号中的调制信号放大输出。它电路简单，无需配置任何辅助供电装置，就能够输出幅度确定的具有陡峭前后沿的驱动脉冲，特别适用于单端变换器中的大功率管的驱动。

Description

单端变换器中绝缘栅功率管的隔离驱动电路

技术领域

本发明属于开关电源中的功率管驱动技术领域，特别涉及单端变换器中的绝缘栅功率管的驱动。

背景技术

开关电源中大功率器件驱动电路(驱动器)的设计一向是电源领域的关键技术之一。对于MOSFET场效应晶体管和IGBT绝缘栅晶体管，它们具有绝缘的栅极结构，因而静态驱动功率接近于零。但由于它们具有较大的栅极电容Cgs以及由于密勒效应放大转换到栅极的漏极电容Cdg，因而需要较大的动态驱动功率。对驱动电路的较高设计要求，就是使用尽量简单的电路结构，同时满足其瞬间的较大电流驱动能力。

当PWM或PFM矩形脉冲调制信号与功率器件需要隔高时，一般有两种方法：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。

光电耦合器有两个缺点：反应较慢，并且需要隔离的辅助电源供电。

目前用变压器驱动绝缘栅大功率管大致有四种方法。美国International Rectifier(IR)公司编印的Application Notes中AN-950A《提供大占空比的、变压器隔离的HEXFET驱动器》一文介绍的方法，原理如图1所示，其中T3为被驱动的绝缘栅功率管。其优点是电路简单至极，缺点是它为了达到变压器输出的正负脉冲幅度一致，而使变压器工作在饱和状态。另一个缺点是它没有放大能力，因而前级的PWM调制信号必须有相当的功率能力才能快速地开通功率管。

第二种方法是在驱动变压器次级与功率管之间插入放大单元，并给其另外提供电源。典型的如中国专利CN1070069A《一种功率VMOS管双隔离驱动电路》公布的方法，原理如图2所示。其中单元6为有四只管子的缓冲电路；单元7为有三只管子和一个比较器的驱动部分，这部分另有单独的辅助电源供电；T3为被驱动的绝缘栅功率管。这个专利解决了隔离和速度问题，但电路较复杂并需要另备电源。有的设计者为电路的简单，只在变压器的初级设置缓冲电路，而取消了次级的信号处理部分，其缺点是驱动信号的波形变差。

第三种方法是采用超高频调制的方法，即用高于PWM信号几十倍频率的超高频作为载频，与PWM信号调制后送到变压器的初级；在变压器的次级，载频传递能量，解调后的PWM信号用于驱动功率管。典型电路如图3所示，其中UC3724/5是美国Unitrode公司生产的PWM信号超高频调制传送/接收驱动集成电路对，T3为被驱动的绝缘栅功率管。这种方法效果很好，不需要隔离电源，可以传送较高频率的PWM信号，既可驱动单端电路，也可驱动双端电路。缺点是电路复杂，成本较高。

第四种方法是本发明同一申请人在已经获得的中国专利ZL95101392.0《绝缘栅器件的隔离驱动器》中所提供的，该法极为有效，在驱动全桥或半桥等双端变换器时非常方便实用，具有隔离、高速、不需辅助电源的优点。但在应用于正激或反激等单端变换器时，由于变压器只能传递交流信号，隔离变压器传递到次级的信号，其信号幅度随占空比而线性变化，因此为维持基本相同的输出幅度，只适于在50％左右的占空比下工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种特别适用于单端变换器的隔离驱动电路，不仅电路简单、价格低康，而且不需要辅助电源，可在大范围变化的占空比下工作，输出幅度确定的具有低延迟和陡峭触发沿的驱动脉冲。

本发明的技术方案是：

驱动电路的组成中有隔离耦合单元(1)、自给电源(2)和放大单元(4)；

其中隔离耦合单元(1)由隔直电容C1和微型铁氧体脉冲变压器B1构成，其作用是隔离直流电平、接收输入的PWM调制信号、并提供输入和输出间的电气隔离；

自给电源(2)由倍压整流滤波电路组成，其作用是将隔离耦合单元(1)输出的信号进行能量处理，即整流和滤波，提供放大单元(4)所需的能量；

放大单元(4)是一种由三极管组成的有源推拉式放大电路，其作用是。将接收到的PWM信号加以放大，用以驱动绝缘栅功率器件(5)；

本发明的创新是，驱动电路的组成还包括前置单元(3)，它由电容、二极管或电阻、三极管组成，该单元的作用是对隔离耦合单元(1)输出的信号进行幅值处理，给放大单元(4)中的各三极管分配合适电平的推动脉冲。前置单元可以采取两种结构之一。

第一种前置单元(3)由电容C4和二极管D3组成，其中C4的左端作为前置单元(3)的输入端Vi3与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连，D3的正极作为公共端COM，C4的右端和D3的负极连接后作为前置单元(3)的输出端Vo3；根据需要，也可在C4上并联一个高阻值的泄放电阻R1，其值一般大于1M。

第二种前置单元(3A)由电阻R2、R3和三极管T4组成。其中电阻R2的左端作为本单元的输入端Vi3，R2的右端与三极管T4的基极连接；电阻R3的上端为电源端Vcc，与自给电源(2)的输出端Vo2相连，R3的下端与三极管T4的集电极相连后作为本单元的输出端Vo3；三极管T4的发射极为公共端COM。当使用这种结构的前置单元时，变压器B1次级的同名端应颠倒。

前级的脉冲信号加在隔离耦合单元(1)的输入端Vi1，隔离耦合单元(1)的输出端Vo1与自给电源(2)的输入端Vi2和前置单元(3)的输入端Vi3相连；自给电源(2)的输出端Vo2接到放大单元(4)的电源端Vcc；前置单元(3)的输出端Vo3和放大单元(4)的输入端Vi4相连；放大单元(4)的输出端Vo4与被驱动负载单元(5)、也就是MOSFET的栅极相连；单元(1-5)的公共端COM都连在一起。

驱动电路前级输出的矩形脉冲调制信号加在隔离耦合单元(1)的输入端Vi1，通过隔直电容C1去除直流后，加在变压器B1的初级，经变压器B1电气隔离后由次级输出。输出脉冲信号中的调制信息(即矩形脉冲的上升沿和下降沿信患)经前置单元(3)处理后，被放大单元(4)接收和放大后用以驱动绝缘栅功率器件(5)；脉冲信号的大部分能量在矩形脉冲的平顶阶段被自给电源(2)接收后供放大单元(4)使用。

与现有单端驱动技术相比，本发明的优点是：

[1].不需要单独的供电电源；

[2].工作占空比宽，可达2～98％；

[3].电路简单，驱动的延迟时间很短；

[4].输出级属于有源推拉式结构，因而具有陡峭的上升沿和下降沿。

附图说明

图1是美国IR公司提供的、变压器工作于饱和状态的宽占空比驱动电路。

图2是中国专利CN1070069A公布的隔离式VMOS绝缘栅功率器件驱动电路的方框图。

图3是使用美国Unitrode公司超高频调制技术的驱动电路原理图。

图4是本发明的原理图。

图5是本发明的一个实施例。

图6是采用共发射极电路的前置单元(3A)。

对本发明的基本原理图图4的说明如下：

图4中(1)为隔离耦合单元，(2)为自给电源单元，(3)为前置单元，(4)为放大单元。单元(1～4)这四部分组成了本发明的完整电路。

隔离耦合单元(1)的次级输出端Vo1连到自给电源(2)的输入端Vi2和前置单元(3)的输入端Vi3，自给电源(2)的输出端Vo2与放大单元(4)的电源端Vcc相连，前置单元(3)的输出端Vo3和放大单元(4)的输入端Vi4相连，单元(1～4)的公共端COM都连在一起。

隔离耦合单元(1)由电容C1和微型铁氧体脉冲变压器B1组成，C1与B1的初级串联；自给电源(2)是由二极管和电容组成的半波或全波倍压整流滤波器；前置单元(3)由电容、二极管或电阻、三极管等元件组成；放大单元(4)是一个推拉式的放大器，由互补共射电路或者图腾柱电路组成。负载单元(5)是被驱动的绝缘栅功率器件，这里是以VMOS管为例。

具体实施方式

下面结合附图5的非限定性实施例对本发明作进一步的详述。

图5中隔离耦合单元(1)由隔直电容C1和微型铁氧体变压器B1组成，C1的右端和B1初级的上端相连，C1的左端和B1初级的下端是本单元的输入端Vi1，输入信号加在这里，B1次级的下端为公共端COM，上端为隔离耦合单元(1)的输出端Vo1。

自给电源(2)由二极管D1、D2和电容C2、C3组成半波倍压整流滤波器，C2的左端为自给电源单元2的输入端Vi2，与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连；C2的右端与D1的负极和D2的正极连接在一起；D1的正极和C3的下端连在一起为公共端COM；D2的负极和C3的上端连接后作为自给电源(2)的输出端Vo2。

前置单元(3)由电容C4和二极管D3组成，C4的左端作为前置单元(3)的输入端Vi3与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连，D3的正极作为公共端COM，C4的右端和D3的负极连接后作为前置单元(3)的输出端Vo3；根据需要，也可在C4上并联一个高阻值的泄放电阻R1，其值一般大于1M。

放大单元(4)由三极管T1和、T2组成，NPN管T1和PNP管T2的基极连接后作为本单元的输入端Vi4与前置单元(3)的输出端Vo3相连，T1管的集电极作为本单元的电源端Vcc与自给电源(2)的输出端Vo2相连，T2管的集电极作为公共端COM，T1和T2射级接在一起作为本单元的输出端Vo4，当然它也是本发明驱动电路的输出端。负载单元(5)为被驱动的VMOS管，其栅极G与放大单元(4)的输出端Vo4相连，它的源极也是公共端COM。单元1到5的公共端COM都是连在一起的。在放大单元(4)中，三极管T1和T2构成互补的推拉式放大电路，两管均工作于发射极输出器状态。

电路各单元工作原理如下：

[1]、隔离耦合单元(1)中变压器B1的波形情况：

加在隔离耦合单元(1)的输入端Vi1的信号一般都是图4或图5中左边的单向脉动矩形波，零点为波形的最低点；由于电容C1的隔直作用，施加在变压器B1初级的信号成为图中以水平细线为零基点的波形。如果变压器B1的交比为1，则变压器输出端Vo1的波形与输入端相同。设输入端Vi1的输入波形的幅值为Vm，高电平时功率管T3导通，低电平时截止；信号周期为T，导通的占空比为D，则高电平宽度为Ton＝DT，低电平宽度为Toff＝(1-D)T；变压器B1输出端Vo1输出的高电平幅值为(1-D)Vm，输出的低电平幅值为-DVm。

[2]、自给电源(2)的工作：

本实施例是典型的半波倍压整流电路。正常工作时，其输出端Vo2亦即电容C3上保持有略带纹波的直流电压，其值略低于脉冲变压器B1的次级输出端Vo1输出信号的峰峰值Vm。

倍压整流电路是电容整流电路的一种，电容式整流电路属于峰值整流电路，即整流二极管只在输入电压接近峰值时才开始导通。在输入信号上升沿的初期和中期，二极管D2不导通，变压器B1输出信号通过电平补偿电容C4加于放大单元(4)的输入端Vi4，产生开通驱动脉冲，开通功率管T3。在输入信号上升沿的末期和平顶期，D2导通，给电容C3充电。在输入信号下降沿的初期和中期，二极管D1不导通，变压器B1的输出信号通过电平补偿电容C4加于放大单元(4)的输入端Vi4，产生关断驱动脉冲，关断功率管T3。在输入信号下降沿的末期和平顶期，D1导通，给电容C2充电。

在刚一开始开通或关断功率管T3时，整流二极管D1和D2是不导通的，信号源只通过变压器B1传递一个触发信号，经前置单元(3)送往放大单元(4)。放大单元(4)开通或关断功率管T3的能量是利用储存在自给电源(2)中电容C3上的电荷。在信号源的上升(或下降)沿末期以及平顶期，自给电源(2)工作，C3上的电荷是这个时期存储的。

[3]、前置单元(3)的工作原理：

由于调制输入信号的占空比D是可交的，所以变压器B1输出的高低电平脉冲信号的幅度(1-D)Vm和DVm也是变化的，无法满足驱动的要求，因此需要有一个电平的补充，使得当调制输入信号的占空比D变化时，送到放大单元(4)输入端的高低电平脉冲都有足够的和固定的幅度。电容C4和二极管D3恰好能满足这一要求，在变压器B1输出低电平(负电平)时，D3导通，维持电容C4上一个右正左负的电压DVm。电容C4上的电压和变压器B1输出的电压相叠加，在前置单元(3)的输出端Vo3上，正好是正脉冲时等于Vm，负脉冲时等于零。

[4]、放大单元(4)的工作原理：

这是最典型的互补型发射极输出器结构，无需赘述。

本发明的特点之一是在变压器B1的初级串联了一个隔直电容C1，这样就可以接收各种导通脉宽D的信号。

本发明的特点之二在于，在输入信号的上升沿和下降沿，输入信号只通过脉冲变压器B1提供微小功率的触发信号，因而输出驱动信号延迟很少，失真极微；放大电路所需的能量主要在输入信号的平顶段由变压器B1提供，因为有功率输出，波形将有些畸变，但这段信号稍有失真对驱动功率管T3是毫无影响的。

本发明的第三个特点是，采用了简单的前置单元来进行电平的移动，用以补偿变压器B1输出的高低电平不定的信号，输出具有确定幅值的推动脉冲送往放大单元(4)。

本发明提供的驱动电路也可以应用在双端变换器的驱动上。

图5只是本发明实施例的一种。其中的自给电源(2)、前置单元(3)和放大单元(4)都可以根据需要采取其它的电路结构。

图6是采用共发射极放大器的前置单元(3A)，它由电阻R2、R3和三极管T4组成。其中电阻R2的左端作为本单元的输入端Vi3，R2的右端与三极管的基极连接；电阻R3的上端为电源端Vcc，与自给电源(2)的输出端Vo2相连，R3的下端与三极管的集电极相连后作为本单元的输出端Vo3；三极管的发射极为公共端COM。当使用这种结构的前置单元时，变压器B1次级的同名端应颠倒。

Claims (4)

1.一种隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，它由隔离耦合单元(1)、自给电源(2)和放大单元(4)组成，其特征在于：

驱动电路的组成还包括前置单元(3)；

前置单元(3)可以采取两种结构之一，第一种由第四电容(C4)和第三二极管(D3)组成，第四电容(C4)的左端作为前置单元(3)的输入端(Vi3)，第三二极管(D3)的正极作为公共端(COM)，第四电容(C4)的右端和第三二极管(D3)的负极连接后作为前置单元(3)的输出端(Vo3)；第二种结构的前置单元(3A)，由第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四三极管(T4)组成，其中第二电阻(R2)的左端作为前置单元的输入端(Vi3)，第二电阻(R2)的右端与第四三极管(T4)的基极连接；第三电阻(R3)的上端为电源端(Vcc)，与自给电源(2)的输出端(Vo2)相连，第三电阻(R3)的下端与第四三极管(T4)的集电极相连后作为前置单元的输出端(Vo3)；第四三极管(T4)的发射极为公共端(COM)；

隔离耦合单元(1)的输出端(Vo1)与自给电源(2)的输入端(Vi2)和前置单元(3)的输入端(Vi3)相连，自给电源(2)的输出端(Vo2)与放大单元(4)的电源端(Vcc)相连，前置单元(3)的输出端(Vo3)和放大单元(4)的输入端(Vi4)相连，放大单元(4)的输出端(Vo4)与负载单元(5)中的被驱动的大功率管第三三极管(T3)的栅极相连，所有各单元的公共端(COM)都连在一起。

2.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于：

隔离耦合单元(1)由第一电容(C1)和微型铁氧体变压器(B1)组成，第一电容(C1)的右端和变压器(B1)初级绕组的上端相连，本单元的输入端(Vi1)是第一电容(C1)的左端和变压器(B1)初级绕组的下端，变压器(B1)次级绕组的下端为公共端(COM)，上端为隔离耦合单元(1)的输出端(Vo1)。

3.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于：

自给电源(2)由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第二电容(C2)、第三电容(C3)组成半波倍压整流电路；第二电容(C2)的左端为自给电源(2)的输入端(Vi2)，与隔离耦合单元(1)的输出端(Vo1)相连，第二电容(C2)的右端与第一二极管(D1)的负极和第二二极管(D2)的正极连接在一起；第一二极管(D1)的正极和第三电容(C3)的下端连在一起为公共端(COM)；第二二极管(D2)的负极和第三电容(C3)的上端连接后作为自给电源(2)的输出端(Vo2)。

4.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于：

放大单元(4)由第一三极管(T1)和第二三极管(T2)组成，NPN管第一三极管(T1)和PNP管第二三极管(T2)的基极连接后作为本单元的输入端(Vi4)与前置单元(3)的输出端(Vo3)相连，第一三极管(T1)管的集电极作为本单元的电源端(Vcc)与自给电源(2)的输出端(Vo2)相连，第二三极管(T2)管的集电极作为公共端(COM)，第一三极管(T1)和第二三极管(T2)发射级接在一起作为本单元的输出端(Vo4)，当然它也是本发明驱动电路的输出端。

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