CN103023282B - 一种隔离驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及驱动电路技术领域，特别涉及一种改进的驱动功率开关管的隔离驱动电路。包括：驱动控制电路、防反电路、驱动变压器、副边处理电路。本发明的技术保证了占空比变化范围较大的时候隔离驱动电路仍能正常工作，并且输出波形无尖刺和振荡，幅值被限制在安全驱动范围内。本发明具有可靠易实现的优点，添加的元件少，不需要增加控制电路，成本低。

Description

一种隔离驱动电路
技术领域
本发明涉及驱动电路技术领域，特别涉及一种改进的隔离驱动电路。
背景技术
磁隔离驱动器可以用于高端功率金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动，习知常用的一种驱动器电路如图1所述。其中电容C1为输入端隔直电容，电容电压的参考极性如图1所示，T1为隔离变压器，Q0为被驱动的金属氧化物半导体场效应晶体管，C3为Q0的等效输入电容。V1是脉冲宽度调变驱动器的输出信号波形，Vp是变压器输入端的波形，Vs是该磁隔离驱动器的输出波形，图1所示电路工作波形请参阅图2所示。假设稳态时该驱动器输出信号V1的周期为T，占空比为D，幅值为Vcc1，同时假设变压器T1的输入输出匝比为1，则稳态时输入端直流隔直电容C1上的电压为DVcc1。在V1为高电平时，Vs也为高电平，其幅值为(V1-VC1)，即（1-D）Vcc1。而在V1为低电平时，Vs为负电平，其幅值为（-VC1），即DVcc1。由此可见这种隔离驱动器的线路简单，而且被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管有反向的驱动电压，抗干扰能力强。但其有待改进之处在于，在占空比D较小时，Vs的高电平幅值（1-D）V就较大，可能超过Q0的Vgs能够承受的最大电压。
同时当所述控制或驱动芯片发出的脉冲方波波形占空比快速减小时，所述原边隔直电容和隔离变压器原边励磁电感产生谐振，从而使所述隔离变压器原边绕组两端电压也会剧烈变化。从而使Vs剧烈变化。使得开关管不能够被可靠驱动。特别是当C1变化为负值时，在V1为高电平时，Vs也为高电平，其幅值为(V1-VC1)，有可能会超过栅源极能够承受的最大电压。而在V1为低电平时，Vs为负电平，其幅值为（-VC1），也即为高电平，开关管被误开通。
基于上述分析这种驱动器电路不适合应用在占空比变化较大的场合。本发明人针对现有的隔离驱动装置进行深入研究，并经多次改进，本案由此产生。
发明内容
为了解决现有技术中存在的磁隔离驱动器不适合应用在占空比变化较大的场合，本发明提供一种隔离驱动电路，包括：产生驱动脉冲的驱动控制电路、包含原边绕组和副边绕组的驱动变压器、连接于所述驱动控制电路和所述驱动变压器原边绕组之间的防反电路、并联于所述驱动变压器副边绕组的副边处理电路。
上述防反电路由一电容和一第一二极管组成，其连接方式为所述电容和所述第一二极管并联。并且所述第一二极管的阴极和所述驱动控制电路的一输出端相连，所述第一二极管的阳极和所述驱动变压器的绕组相连。
上述副边处理电路包括一输出电压箝位电路，所述电压箝位电路由一第二二极管和一PNP型三极管以及一稳压二极管组成，其连接方式为：所述三极管的发射极和所述第二二极管的阴极相连，所述三极管的基极和稳压二极管的阴极相连，所述三极管的集电极和所述稳压二极管的阳极相连并且与所述驱动变压器的副边绕组的第一端口相连，所述第二二极管的阳极和所述驱动变压器的副边绕组的第二端口相连。
上述副边处理电路还包括一放电回路，所述放电回路由一第三二极管、一第四二极管和一第二三极管组成，其连接方式为：所述第四二极管和所述第二三极管串联后与所述驱动变压器的副边绕组的第一端口相连，所述第二三极管的集电极和基极分别与所述驱动变压器的副边绕组的第二端口相连，并在所述第二三极管的集电极和基极之间串接所述第三二极管。
上述副边处理电路另一实施方式为由三个二极管、一三极管和一稳压管组成，其连接方式为所述第五二极管、第六二极管和所述第二稳压二极管串联，并且所述第六二极管的阴极和稳压二极管的阴极相连，所述稳压二极管的阳极和所述驱动变压器副边绕组的一端相连，所述第五二极管的阳极和第六二极管的阳极相连后与三极管的基极相连，所述第五二极管的阴极和所述第七二极管的阳极相连后与所述驱动变压器副边绕组的另一端相连，所述三极管的发射极与第六二极管的阴极相连，集电极和所述稳压二极管的阳极相连。
本发明具有驱动速度快、适合应用在占空比变化较大的场合等优点，同时不需偏置电源和主动器件，因而线路简单。可广泛应用于控制与驱动需要隔离的PWM型电力电子线路中，如Flyback,forward,Halfbridge型开关电源等。
附图说明
图1是一已知技术的隔离驱动电路。
图2是图1中关键点的波形图。
图3是本发明第一实施例。
图4是本发明第一实施例的关键点的波形图。
图5是本发明的第二实施例。
图6是本发明的第三实施例。
图7是本发明的第四实施例。
具体实施方式
本发明提供一种隔离驱动电路，在隔离变压器原边绕组连接一防反电路，由电容并联一二极管组成，同时在隔离变压器的副边绕组并联一副边处理电路，防止占空比突变时，如突变为零，电容和变压器励磁电感发生谐振，电容上的电压在谐振振荡中极性发生变化，隔离变压器输出电压超过功率开关管栅源极能够承受的最大电压值；以下结合附图，对本发明展开说明。
本发明所述的电路由以下几部分组成，参考图3中的虚框300：
1、驱动控制电路，产生驱动功率开关管Q0的驱动脉冲。
2、A、B组成原边输入信号接口，来自驱动控制电路的驱动脉冲从输入信号接口进入本发明的电路。
3、原边防反电路301，此电路由电容C1和二极管D1并联组成，连接在A点和隔离变压器T1之间，并且二极管D1的阴极和A点连接，阳极和变压器绕组第一端1连接。
4、隔离变压器T1，匝比根据实际情况选取，以保证开关管可靠开通。
5、副边处理电路302，为一电压箝位电路，并联在隔离变压器T1的副边绕组和功率开关管的栅源极之间，由二极管D2，三极管Q1和稳压二极管DZ1组成，其中二极管D2的阳极和隔离变压器T1的第三端3连接，阴极和三极管Q1的发射极连接，稳压二极管DZ1并联在三极管Q1的基极和发射极之间，并且其阴极和三极管Q1的基极相连，阳极和三极管Q1的集电极相连然后与隔离变压器T1的第四端4连接。隔离变压器T1的输出经过电压箝位电路302的处理之后与功率开关管的栅源极并联。
本发明所述电路的工作原理如下：来自驱动控制电路的驱动脉冲通过A、B进入本发明的隔离驱动电路。若驱动脉冲为单极信号，存在直流偏置，防反电路301的作用在与滤除其中的直流偏置，得到其的交流分量以防止隔离变压器出现偏磁以致饱和的情况。当来自驱动控制电路的驱动脉冲V1的占空比突然变小时，隔直电容C1和原边绕组Lp构成谐振回路，刚开始谐振时隔直电容上的电压VC1为左正右负，二极管D1截止，当谐振使隔直电容C1上电压VC1变为左负右正，并且达到二极管D1的导通电压时，二极管D1导通,导通的二极管D1使隔直电容两端的电压VC1箝位在二极管D1的饱和通态压降,如0.7V，这样隔离变压器原边的电压Vp=（V1+0.7）V，耦合到副边的电压也很低，这样就避免了由于谐振使原边绕组两端产生较高的驱动电压而使副边输出电压超过功率开关管Q0栅源极能够承受的最大电压。同时也能够保证控制电路关断时，功率开关管Q0能够可靠关断。
同时稳态时，假设稳态时该驱动器输出信号V1的周期为T，占空比为D，幅值为VCC1，同时假设隔离变压器T1的输入输出匝比为1，则稳态时输入端直流隔直电容C1上的电压为DV1。此时，图3中V1和Vp的电压波形如图4所示。在V1为高电平时，Vp也为高电平，其幅值为(V1-VC1)，即（1-D）V1。Vp的正幅值为VCC1(1-D)，当D很小时，会使隔离变压器副边绕组输出电压Vs超过功率开关管栅源极之间所能承受的最大电压，此时电压箝位电路可以保证功率开关管Q0的安全工作。其中DZ1稳压值可以选为略低于Q0的最大栅源极电压Vgs_max-0.7V，如18V，这样当Vp>VDZ1时，Q2的发射极-基极导通，进而使其发射极-集电极导通，起到为DZ1分流的作用。
图5为本发明的第二实施例，功率开关管Q0的栅-源间结电容往往很大，如果没有放电回路关断速度会很慢，造成比较大的关断损耗。本实施例在第一实施例的副边处理电路中加入了一种低阻抗放电回路。此部分电路如图5中电路503所示，由D3，D4以及PNP型三极管Q2组成。二极管D3的阴极和三极管Q2的基极相连后与变压器的第三端（3）相连，二极管D3的阴极和三极管Q2的集电极相连后与功率开关管Q0门极（G）相连，三极管Q2的发射极和二极管D4的阳极相连后与隔离变压器T1的第四端4相连。
隔离变压器副边电压Vs为正时，功率开关管Q0导通，有电流流过二极管D3，形成导通压降0.7V，使Q2截止，放电回路不起作用。
当隔离变压器副边电压Vs为负时，D3两端的电压VD3为Vs-Vgs，D3截止，Q2发射极-基极导通使Q2发射极-集电极导通，形成Q0关断的门极放电回路Q2-D4,Q0节电容上的电荷通过放电回路快速释放，从而加速Q0的关断，降低关断损耗。其中，D3防止Vs为负时Q2的反向导通，并避免Q2的基极-发射极PN结被反向击穿。
将图5中的502,503电路做进一步简化，为图6中602，Vs为正时，D2截止，D4导通。当功率开关管Q0栅源极电压大于(VDZ1+0.7)V时，稳压二极管DZ1、D3导通，三极管的发射极-基极导通，，使栅源极电压箝位在(VDZ1+1.4)V，实现了副边电压箝位的功能。当Vs为负时，D2导通，此时电路与图5中500结构相似。其原理在此不再重复。
图7为本发明的又一实施例，电阻R1起到调整Q0开通速度和DZ1箝位时的限流作用；R3起到调整Q0关断速度的作用。
综上，可以发现该驱动电路特点如下：
（1）采用变压器隔离，延时小，驱动速度快；
（2）可以保证在较宽的占空比范围内可靠驱动；
（3）防止死区及驱动控制电路死锁期间的误导通；
（4）抗干扰性强；
（5）不需要偏置电源、无主动器件，线路简单,可靠性高。
可广泛应用于控制与驱动需要隔离的PWM型电力电子线路（如Flyback,forward,Halfbridge型开关电源等）中。

Claims (1)

1.一种隔离驱动电路，包括：
一产生驱动脉冲的驱动控制电路，所述驱动脉冲用来驱动一功率开关管；
一包含原边绕组和副边绕组的驱动变压器，所述原边绕组与所述驱动控制电路连接，所述副边绕组与所述功率开关管连接；其特征在于还包括：
一连接于所述驱动控制电路和所述驱动变压器原边绕组之间的防反电路；
一并联于所述驱动变压器副边绕组与所述功率开关管之间的副边处理电路，所述副边处理电路为一电压箝位电路,所述副边处理电路更包括一放电回路,所述功率开关管的节电容上的电荷通过放电回路快速释放，加速所述功率开关管的关断，
其特征在于所述副边处理电路由四个二极管、一三极管和一第二稳压管二极管组成，其连接方式为第五二极管、第六二极管和所述第二稳压二极管串联，并且所述第六二极管的阴极和稳压二极管的阴极相连，所述第二稳压二极管的阳极和所述驱动变压器副边绕组的一端相连，所述第五二极管的阳极和第六二极管的阳极相连后与三极管的基极相连，所述第五二极管的阴极和第七二极管的阳极相连后与所述驱动变压器副边绕组的另一端相连，所述三极管的发射极与所述第七二极管的阴极相连，所述三极管的集电极与第八二极管的阳极连接后和所述稳压二极管的阳极相连。
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