CN103051160A

CN103051160A - 一种磁隔离驱动电路

Info

Publication number: CN103051160A
Application number: CN201210529780XA
Authority: CN
Inventors: 黄天华
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-10
Also published as: CN103051160B

Abstract

本发明公开了一种磁隔离驱动电路，包括脉冲信号输出电路、隔离驱动变压器、功率回路主开关管、第一电容、第二电容、第一二极管；还包括给所述的第二电容泄放电压的放电回路，所述的放电回路包括连接于隔离驱动变压器副边的电子开关和连接于隔离驱动变压器原边的控制电路，通过所述控制电路对隔离驱动变压器原边脉冲信号进行取样，控制电路将触发电子开关导通，对输出侧回路中的第二电容实施放电。本发明的原边脉冲信号检测同样可以实现在占空比变化或丢失时通过放电管对副边第二电容进行放电，因此能有效解决因占空比丢失而触发开关管误导通的问题。

Description

一种磁隔离驱动电路

技术领域

本发明涉及驱动电路技术领域，特别涉及磁隔离驱动电路。

背景技术

磁隔离驱动电路广泛应用于驱动悬浮地开关管，其作用是用来驱动主开关管的开通和关闭。许多行业的新发展的对开关电源的设计提出了许多新的要求。如更高的输入电压，更宽的输入范围。特别是在某些新兴行业，如光伏新能源行业，对高输入电压，宽输入范围的开关电源需求量十分可观。而在设计宽输入的开关电源时，开关电源占空比的变化范围意味着输入电压的变化范围。占空比变化的大小直接决定了开关电源的输入范围和带载能力。

常用磁隔离驱动电路如图1所示，其中C1是输入侧隔直电容，C2是输出侧电平转移电容，变压器T是磁隔离变压器，二极管D与开关管并联。

上述现有技术中存在的问题是：当脉冲信号失效时，输入侧电容C1上的电荷无法立刻释放，此自举电压加到隔离变压器输入端，输入侧电容C1将与隔离变压器发生振荡，随之输入侧电容C1两端的电压开始下降，隔离变压器输入侧和电压隔离变压器输出侧上的电压也逐渐减小。而输出侧电容C2两端的电压由于无快速放电回路，其上电压下降缓慢，这势必会使得输出电压Vout上升。当输出电压Vout上升到功率回路主开关管导通阀值时，将会导致开关管误操作，这可能造成电源失效，甚至危害到操作人员的人身安全。

公开号为CN1523741A，申请日为2003年2月20日，公开日为2004年8月5日的中国发明专利。能在一定条件下解决上述问题，但同时也存在以下缺点：

在脉冲信号的占空比较大的情况下，该电路方案存在影响磁隔离驱动稳态工作的潜在风险。其根本原因在于，驱动场效应管Q1的电压源自于变压器绕组。假设磁隔离驱动变压器原副边的匝比为N=1，从磁隔离驱动稳态理论分析可知，在脉冲信号为高电压，占空比为D的条件下；磁隔离驱动变压器的原边绕组电压V_P和副边电压V_S可由以下公式计算得到：

V_L=V_IN*(1-D)-----------1

V_S=V_L--------------2

从上述1、2式可以观察到，占空比D越大V_L的电压幅值越小。则V_S的值也相应减小。副边绕组直接驱动场效应管Q1，当占空比D增大到使1式的理论计算值V_L下降至场效应管Q1的阀值电压时，场效应管Q1关断。此时场效管Q1的漏源极开路，形成高阻抗状态。磁隔离驱动的输出电压几乎全部落在Q1的漏源极之间。开关管Q1M的栅极至源极的电压差几乎为0。开关管QM关断。最终导致磁隔离电路不能正常稳态工作。

公开号为CN101621246A，申请日为2009年6月22日，公开日为2010年1月6日的中国发明专利；在较小的占空比变化范围内，同样也能解决因占空比快速变化导致的副边C2电平转移电容的能量保持问题。但同时也存在以下缺点。

其第一实施例中，开关管Q为N沟道的场效应管，开关管Q的驱动电压由磁隔离驱动变压器的第三绕组提供。当变压器原边绕组因原边电压而进入饱和状态时原副边的绕组两端电压立刻消失。场效应管Q则会立即关断。此时将失去对C2电容的放电功能。另外此电路还有一个缺点是，在占空比较小时第三绕组会存在驱动不足的风险。而按说明书中所描述，通过改变第三绕组与原边的匝比m来解决此问题，但是要认识到，这种解决方式会增加开关管Q的栅源电压差，增加管子栅源极被击穿的风险。特别是在各种动态测试中，该场效应管Q的栅源电压常常临近过压的边缘。其第二实施例中通过增加输出电平转移电容C3来解决磁隔离驱动变压器磁饱和引起的问题，然而该实施例中电平转移电容C3的充电电压即是第三绕组同名为正时的电压。因此，在占空比较大情况下，电平转移电容C3在占空比丢失的情况下，其维持电压将不足以保持场效应管Q继续导通。

公开号为CN101267156A，申请日为2008年4月29日，公开日为2008年9月17日的中国发明专利与公开号为CN101621246A的中国发明专利存在相同的问题，在此不再累述。

公开号为CN102307003A，申请日为2011年9月14日，公开日为2012年1月4日的中国发明专利，所解决的问题是滤波电容C3的放电问题。此电路相对于电平转移电容而言，所产生的效果与“CN101267156A”、“CN101621246A”专利相同。因此，该电路同样存在放电管的驱动电压不稳定的缺点。同时此电路方案的另一个缺点是使用了一个新的驱动变压器，而一个变压器的制作成本是比较高的，在一些成本比较敏感的场合，此方案将使成本增加。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种磁隔离驱动电路，能有效解决能有效解决因占空比丢失而触发开关管误导通的问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：一种磁隔离驱动电路，包括脉冲信号输出电路、隔离驱动变压器、功率回路主开关管、第一电容、第二电容、二极管；所述的脉冲信号输出电路与所述的第一电容、所述的隔离驱动变压器输入绕组串联组成输入侧回路；所述的功率回路主开关管与所述的第二电容、所述的隔离驱动变压器输出绕组串联组成输出侧回路，所述的二极管与所述的功率回路主开关管并联；还包括给所述的第二电容泄放电压的放电回路，所述的放电回路包括连接于隔离驱动变压器副边的电子开关和连接于隔离驱动变压器原边的控制电路，通过所述控制电路对隔离驱动变压器原边脉冲信号进行取样，控制电路将触发电子开关导通，对输出侧回路中的第二电容实施放电。优选地，所述的电子开关为NPN型三极管，所述的三极管的集电极与发射极并联于所述的第二电容，其中发射极连接于所述的隔离驱动变压器输出绕组的同名端，集电极连接于所述的驱动电路的正输出端；所述的三极管的基极和集电极还连接所述控制电路。

优选地，所述的电子开关为NPN型三极管，所述的三极管的集电极与发射极并联于所述的第一二极管，其中发射极连接于所述的第一二极管的阳极，集电极连接于所述第一二极管的阴极；所述的三极管的基极和集电极还连接所述控制电路。

优选地，所述的电子开关为PNP型三极管，所述的三极管的集电极与发射极并联于所述的第二电容，其中集电极连接于所述的隔离驱动变压器输出绕组的同名端，发射极连接于所述的驱动电路的正输出端；所述的三极管的基极和集电极还连接所述控制电路。

优选地，所述控制电路包括：光电耦合器、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第三电容、第一电压源；所述的光电耦合器的发射极连接于所述的三极管的基极，集电极连接于所述的三极管的集电极；所述的光电耦合器的原边二极管阳极与所述的第一电阻的一端连接，所述的光电耦合器的原边二极管阴极接地；所述的第二三极极管的发射极连接于所述的第一电阻的另一端，第二三极极管基极连接于所述的第三三极管的集电极，第二三极管集电极连接于所述的第一电压源的正端；所述的第二电阻并联于所述的第二三极管的基极与集电极之间；所述的第三三极管的基极经第三电阻连接至所述的脉冲信号输出电路的正输出端，第三三极管发射极接地；所述的第三电容并联于所述的第三三极管的基极与发射极之间；所述的第一电压源的负端接地。

进一步的，所述控制电路还包括第一稳压二极管，所述的第一稳压二极管连接在第三三极管的基极和第三电阻之间，第一稳压二极管的阳极接第三三极管的基极，第一稳压二极管的阴极接第三电阻。

进一步的，所述控制电路还包括将第二压二极管；所述的第二二极管连接在第三三极管的基极和第三电阻之间，第二二极管的阴极接第三三极管的基极，第二二极管的阳极接第三电阻。

进一步的，所述控制电路所述的控制电路还包括第四三极管、第四电阻；所述的第四三极管的集电极连接于所述的光电耦合器的集电极，第四三极管的基极连接于所述的三极管的集电极，第四三极管的发射极经所述的第四电阻连接于所述的隔离驱动电路的负输出端。

更优的，所述的控制电路还包括第二光电耦合器；第二光电耦合器的原边二极管阳极经第四电阻接第二三极管的集电极，第二光电耦合器的原边二极管阴极接地，第二光电耦合器的集电极接第四三极管的发射极，第二光电耦合器的发射极接所述的隔离驱动电路的负输出端。

通过所述控制电路对隔离驱动变压器原边脉冲信号进行监视，原边脉冲信号为高电平时，脉冲信号为第三电容C3充电，在脉冲信号为低电平时，通过第三电容C3所储存有能量保持第三三极管TR3饱和导通。只有当信号脉冲保持低电平时的时间超过设定的个工作周期时即判断为电源出现故障的条件成立，而此时第三电容C3所储存的能量经消耗后难以继续维持第三三极管TR3饱和导通，控制电路将触发副边电平转移C2的放电回路，对副边电平转移电容实施放电。

通过上述过程能得到以下点好处：

1、由于本发明的原边脉冲信号检测同样可以实现在占空比变化或丢失时通过放电管对副边第二电容进行放电，因此能有效解决因占空比丢失而触发开关管误导通的问题。

2、由于采用了原边脉冲信号检测来控制副边第二电容的放电过程，所述控制电路对放电开关管的控制与脉冲占空比大小无关。因此能解决上述已有专利中通过第三绕组驱动放电开关管驱动电压不稳定的问题。

3、由于放电开关管的控制电路的在稳态工作过程不受占空比大小的影响，因此能使磁隔离驱动电路工作于大占空比。

4、由于所述的控制电路采用的是光电耦合器进行原副边隔离的方式，一个普通的光电耦合器及其周边副助器件成本远低于使用变压器隔离的成本，因此本发明无需增加变压器，有助于降低成本。

附图说明

图1为传统磁隔离驱动原理图；

图2为本发明第一实施例原理图；

图3为第二实施例原理图；

图4为第三实施例原理图；

图5为第四实施例原理图；

图6为第四实施例原理图

图7为第五实施例原理图；

图8为第六实施例原理图；

图9为第一实施例的实际测试波形。

具体实施方式

第一实施例

图2为本发明第一实施例原理图，该电路放电回路的开关为一只NPN型三极管TR1，所述的三极管TR1的集电极与发射极并联于所述的第二电容C2。

该NPN型三极管TR1的控制电路包括：光电耦合器Q1、第一三极管TR2、第二三极管TR3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第三电容C3、第一稳压二极管ZD、第一电压源VDC1；所述的光电耦合器Q1的发射极连接于所述的P型三极管的基极，集电极连接于所述的P型三极管的集电极；所述的光电耦合器Q1的原边二极管阳极与所述的第一电阻R1的一端连接，阴极接地；所述的第二三极极管的发射极连接于所述的第一电阻R1的另一端，基极连接于所述的第二三极管TR3的集电极，集电极连接于所述的第一电压源VDC1的正端；所述的第二电阻R2并联于所述的第二三极管TR2的基极与集电极之间；所述的第二三极管TR3的基极经所述的第一稳压二极管ZD的阳、阴极后串联第三电阻R3，连接至所述的脉冲信号输出电路的输出端，发射极接地；所述的第三电容C3并联于所述的第二三极管TR3的基极与发射极之间；所述的第一电压源VDC1的负端接地。

该电路的工作原理为：原边脉冲信号为高电平时，通过击穿稳压二极管DZ为电容C3充电，电容C3电压逐步上升；当C3电容电压上升至三极管TR3B-E结导通电压时，三极管TR3饱和导通。此时三极管TR2的基极通过三极管TR3的C-E结连接于地；三极管TR2关断。原边脉冲信号为低电平时，电容C3通过本身储存的电荷继续为三极管TR3提供导通电压。限流电阻R1的作用是调节电容C3放电的速度。电容C3为一定值，限流电阻R1的取值增大，电容C3的放电时间增长。限流电阻R1的取减小，电容C3的放电时间缩短。在本方案中取电容C3的放电时间为脉冲周期的2至3倍即可。当原边脉冲信号出现丢失，且时间超过电容C3对三极管TR3保持开通时间，三极管TR3关断。输入电压源VDC1通过限流电阻R1向三极管TR2的基极注入电荷，三极管TR2导通。与此同时，输入电压源VDC1通过三极管TR2和限流电阻R1向光电耦合器原边的发光二极管注入电流。通过光电耦合器的光耦合作用，原边电流信号促使光电耦合器副边导通。此时，磁隔离变压器副边的电平转移电容C2储存有电荷，电容C2上的电压通过光电耦合器的副边导通通路向开关三极管TR1的基极注入电流，开关三极管TR1导通，并对电容C2提供快速的放电通路。至此，本方案完成了对电容C2的能量泄放。

图9为本实施例的实验结果展示。如图中所示，示波器2通道中的PWM信号即为原边脉冲信号波型；1通道中的VC2信号为副边第二电容两端电压波型。在磁隔离驱动电路稳态工作过程中，副边第二电容C2两端的电压差为一恒定值。当原边PWM信号丢失时间超过即定值时，所述的控制电路立即控制放电开关对所述的副边第二电容进行放电；电容C2两端压差瞬速下降到0，从而解决了副边功率开关管误导通的问题。

实验条件：脉冲工作频率60KHz、脉冲幅值14VDC、脉冲占空比0.5、R2取值33K、C3取值10nF、三极管TR1、TR2、TR3为FMMT491三极管、ZD为12V稳压二极管、R1取值100、C1、C2电容取值1uF、驱动变压器匝比取值1、原副边电感均取值2.5Mh、VDC1电压源取值20VDC。

第二实施例

图3为本发明第二实施例原理图。

该电路在第一实施例的基础上，删除稳压二极管ZD，另外，控制电路部分还增加：第四三极管TR4、第四电阻R4；所述的第四三极管TR4的集电极的连接于所述的光电耦合器Q1的集电极，基极连接于所述的三极管TR1的集电极，发射极经所述的第四电阻R4连接于所述的隔离驱动变压器的输出端，其它的连接关系相同。

该电路的工作原理为：原边脉冲信号为高电平时，脉冲电压通过限流电阻R1向三极管TR3的基极注入电流，TR3饱和导通。三极管TR2的基极通过三极管TR3的C-E结通路连接于地，三极管TR2关断。输入电压源VDC1通过限流电阻R2和三极管TR3组成的通路进行放电。当电容C3足够小，原边脉冲信号为低电平时，三极管TR3关断，输入电压源VDC1通过电流电阻R2向三极管TR2的基极注入电流，三极管TR2导通。输入电压源VDC1通过三极管TR2和限流电阻R1向光电耦合器的原边发光二极管注入电流。与此同时，磁隔离驱动变压器的原副边绕组电压于同名端为参考端均为正电压。N型三极管TR4的发射极电压为比基极电压少一个D1二极管的管压降，三极管TR4关断。因此，即使是光电耦合器的发光二极管内有电流流过。当电容C3足够大，使得三极管TR3的饱和导通时间为大于开关工作周期的设定值，同样不影响磁隔离驱动电路的稳态工作。但由于增加了一个开关三极管TR4，使得电容C2上的电压不能通过开关三极管TR4和光电耦合器的副边通路向三极管TR1的基极注入电流，三极管TR1关断。

综上所述，在脉冲信号为稳态工作时，不影响磁隔离电路的正常的。当原边脉冲信号出现丢失，磁隔离驱动原边电容C1向原边绕组LP释放能量，原边电感两端电压开始下降。且导致三极管TR4的集电极对基极的电压差上升，当电压差达到三极管TR4的开通电压时，三极管TR4导通。于此同时，光电耦合器的副边开关也处于导通将态。电容C2的电压将通过三极管TR4，光电耦合器的副边通路向三极管TR1的基极注入电流。三极管TR1导通；并对电容C2提供快速的放电通路。

第三实施例

图4为本发明的第三实施例原理图.

该电路与第一实施例的不同之处在于：所述的三极管TR1的集电极与发射极并联于所述的二极管，具体地：三极管TR1的集电极连接于二极管D1的阴极、发射极连接于二极管D1的阳极。两者的工作原理相同，在此不再赘述，本实施例同样能实现发明目的。

第四实施例

图5为本发明的第四实施例原理图。

该电路与第二实施例的不同之处在于：所述的三极管TR1的集电极与发射极并联于所述的二极管，具体地：三极管TR1的集电极连接于二极管D1的阴极、发射极连接于二极管D1的阳极。两者的工作原理相同，在此不再赘述，本实施例同样能实现发明目的。

图6第四实施例的另一种变形。

该电路与第四实施例的不同之处在于，增加了一个光电耦合器Q2，同时改变了原有电阻R4的连接位置。具体地：所述的光电耦合器Q2原边发光二极管的阳极与电阻R4串联，阴极接地。所述的电阻R4的另一端连接到所述开关管TR2的发射极。所述的光电耦合器Q2的副边集电极连接于所述开关管TR4的发射极；发射极连接于所述的变压器T1副边绕组LS的异名端。在第四实施例中，只有使用高速光耦才能解决负载大范围变化时所带来的开关管误导通风险。而高速光耦通常是比较昂贵的。图6所提供的方法中光电耦合器只需一些低速光耦即可。整个方案的工作原理与第四实施例基本相同；所述的光电耦合器Q2与Q1的工作状态同步。

第五实施例

图7为本发明的第五实施例原理图。

该电路与第一实施例的不同之处在于：放电回路的开关为一只PNP型三极管TR1，所述的三极管TR1的集电极与发射极并联于所述的第二电容C2，基极连接于光电耦合器副边的集电极，同时集电极还与光电耦合器的发射极相连接。两者的工作原理相同，在此不再赘述，本实施例同样能实现发明目的。

第六实施例

图8为本发明的第六实施例原理图。该电路是第一实施例的一种变型，在该方案中将稳压二极管替换为一只普通的二极管D2。二极管的接入方式与稳压二极管的相反，通过D2二极管对脉冲信号的整流作用，同样能为C3电容进行充电。这种处理方法的好处是，在起动过程中能有效避免因脉冲信号幅值变化而引起的C3电容充电不足的问题。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，如使用N型的开关管，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种磁隔离驱动电路，包括脉冲信号输出电路、隔离驱动变压器、功率回路主开关管、第一电容、第二电容、第一二极管；所述的脉冲信号输出电路与所述的第一电容、所述的隔离驱动变压器输入绕组串联组成输入侧回路；所述的功率回路主开关管与所述的第二电容、所述的隔离驱动变压器输出绕组串联组成输出侧回路，所述的第一二极管的阳极与所述输出侧回路的负输出端连接，所述的第一二极管的阴极与所述输出侧回路的正输出端连接；其特征在于：还包括给所述的第二电容泄放电压的放电回路，所述的放电回路包括连接于隔离驱动变压器副边的电子开关和连接于隔离驱动变压器原边的控制电路，通过所述控制电路对隔离驱动变压器原边脉冲信号进行取样，控制电路将触发电子开关导通，对输出侧回路中的第二电容实施放电。

2.根据权利要求1所述磁隔离驱动电路，其特征在于：所述的电子开关为NPN型三极管，所述的三极管的集电极与发射极并联于所述的第二电容，其中发射极连接于所述的隔离驱动变压器输出绕组的同名端，集电极连接于所述的驱动电路的正输出端；所述的三极管的基极和集电极还连接所述控制电路。

3.根据权利要求1所述磁隔离驱动电路，其特征在于：所述的电子开关为NPN型三极管，所述的三极管的集电极与发射极并联于所述的第一二极管，其中发射极连接于所述的第一二极管的阳极，集电极连接于所述第一二极管的阴极；所述的三极管的基极和集电极还连接所述控制电路。

4.根据权利要求1所述磁隔离驱动电路，其特征在于：所述的电子开关为PNP型三极管，所述的三极管的集电极与发射极并联于所述的第二电容，其中集电极连接于所述的隔离驱动变压器输出绕组的同名端，发射极连接于所述的驱动电路的正输出端；所述的三极管的基极和集电极还连接所述控制电路。

5.根据权利要求1~4任一所述的所述磁隔离驱动电路，其特征在于：所述控制电路包括：光电耦合器、第二三极管、第三三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第三电容、第一电压源；所述的光电耦合器的发射极连接于所述的三极管的基极，集电极连接于所述的三极管的集电极；所述的光电耦合器的原边二极管阳极与所述的第一电阻的一端连接，所述的光电耦合器的原边二极管阴极接地；所述的第二三极极管的发射极连接于所述的第一电阻的另一端，第二三极极管基极连接于所述的第三三极管的集电极，第二三极管集电极连接于所述的第一电压源的正端；所述的第二电阻并联于所述的第二三极管的基极与集电极之间；所述的第三三极管的基极经第三电阻连接至所述的脉冲信号输出电路的正输出端，第三三极管发射极接地；所述的第三电容并联于所述的第三三极管的基极与发射极之间；所述的第一电压源的负端接地。

6.根据权利要求5所述的磁隔离驱动电路，其特征在于：还包括第一稳压二极管，所述的第一稳压二极管连接在第三三极管的基极和第三电阻之间，第一稳压二极管的阳极接第三三极管的基极，第一稳压二极管的阴极接第三电阻。

7.根据权利要求5所述的磁隔离驱动电路，其特征在于：还包括将第二压二极管；所述的第二二极管连接在第三三极管的基极和第三电阻之间，第二二极管的阴极接第三三极管的基极，第二二极管的阳极接第三电阻。

8.根据权利要求5所述的磁隔离驱动电路，其特征在于：所述的控制电路还包括第四三极管、第四电阻；所述的第四三极管的集电极连接于所述的光电耦合器的集电极，第四三极管的基极连接于所述的三极管的集电极，第四三极管的发射极经所述的第四电阻连接于所述的隔离驱动电路的负输出端。

9.根据权利要求8所述的磁隔离驱动电路，其特征在于：所述的控制电路还包括第二光电耦合器；第二光电耦合器的原边二极管阳极经第四电阻接第二三极管的集电极，第二光电耦合器的原边二极管阴极接地，第二光电耦合器的集电极接第四三极管的发射极，第二光电耦合器的发射极接所述的隔离驱动电路的负输出端。