CN103151906B - 无需额外电源的自举驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无需额外电源的自举驱动电路，该电路包括功率单元、开关单元、自举单元、驱动单元；所述功率单元用以输出直流电压；所述开关单元与功率单元相连，用以控制与功率单元的连通与关断；所述自举单元与所述开关单元相连，用以提供驱动电能，输出驱动电源；所述自举单元包括一储能电容；所述驱动单元与所述自举单元相连，用以在所述驱动电源的驱动下输出控制信号。本发明根据自举单元中储能电容的充放电，完成了自举驱动过程，不需额外电源，形成了无需额外电源的自举驱动电路，克服了一般驱动单元需要额外电源，降低了功率损耗，满足了电路的要求，适合三相AC-DC变换器需要驱动控制的应用场合。

Description

无需额外电源的自举驱动电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种驱动电路，具体涉及一种无需额外电源的自举驱动电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电力电子变换器功率等级的不断提高，功率器件的驱动耗能也不断增加。原则上，每个可控的功率开关都需要属于自己的隔离驱动电源，为此需要隔离电源。隔离电源包括线性电源和开关电源，隔离的驱动电源数量越多，隔离电源的设计难度越大，成本和体积都上升，甚至影响系统的工作效果。

现有的一种自举驱动电路如图1所示，其包括有控制芯片，在控制芯片的高端开关驱动输出供电端与电源之间连接有自举二极管，在高端开关驱动输出电路供电端与低端开关驱动输出电路供电端之间连接有自举电容，在控制芯片的高端开关脉冲输出端、低端开关脉冲输出端上分别连接有高端开关MOS管、低端开关MOS管，高端开关MOS管的源极与低端开关MOS管的漏极连接后作为驱动输出端，该驱动输出端与低端开关驱动输出电路供电端连接，在高端开关MOS管的源极与所述两个开关驱动输出电路供电端之间连接有附加供电电路。

从现有的自举驱动电路可知，传统的功率器件驱动单元需要额外的供电电源，这使得其应用范围不够广，使用不够灵活，而且成本高。随着实践应用的扩大，需要驱动单元的驱动的功率器件越来越多，传统的自举驱动电路已越来越无法满足需求，因此设计一种结构简单、功能全面、不需要额外电源的自举驱动电路已成为本领域技术人员的当务之急。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无需额外电源的自举驱动电路，用以合理准确地测量协作无线信道的特性。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无需额外电源的自举驱动电路。

一种无需额外电源的自举驱动电路，包括功率单元、开关单元、自举单元、驱动单元；所述功率单元用以输出直流电压；所述开关单元与功率单元相连，用以控制与功率单元的连通与关断；所述自举单元与所述开关单元相连，用以提供驱动电能，输出驱动电源；所述自举单元包括一储能电容；所述驱动单元与所述自举单元相连，用以在所述驱动电源的驱动下输出控制信号。

作为本发明的一种优选方案，所述自举单元包括储能电容C3、稳压二极管WD1、二极管D1，其中储能电容C3与二极管D1串联，稳压二极管WD1与储能电容C3并联。

作为本发明的另一种优选方案，所述自举单元还包括一电阻R4，所述电阻R4串联在二极管D1和储能电容C3之间。

作为本发明的再一种优选方案，所述驱动单元包括光电耦合器，所述光电耦合器包括功率器件功率侧和控制器件控制侧，所述功率器件功率侧接受所述驱动电源的驱动，所述控制器件控制侧输出所述控制信号。

作为本发明的再一种优选方案，所述开关单元包括第二桥式整流电路、功率器件；所述第二桥式整流电路和功率器件并联；所述功率器件的门极与所述驱动单元中的功率器件功率侧相连，用以接收所述驱动电源。

作为本发明的再一种优选方案，所述功率单元包括电感L1、第一桥式整流电路、稳压电容C1、C2；所述电感L1与第一桥式整流电路相连，所述稳压电容C1、C2串联后与第一桥式整流电路并联；所述第一桥式整流电路包括二极管D3、D4、D5、D6，其中二极管D3和D4串联构成第一串联电路，二极管D5和D6串联构成第二串联电路；所述第一串联电路和第二串联电路并联构成第一桥式整流电路；所述二极管D3的阴极引出端为功率单元的第一输出端，所述稳压电容C2的正极引出端为功率单元的第二输出端。

作为本发明的再一种优选方案，所述功率单元包括电感L1’、L2’、L3’，第三桥式整流电路，稳压电容C1’、C2’；所述第三桥式整流电路包括二极管D1’、D2’、D3’、D4’、D5’、D6’，其中二极管D1’和二极管D4’串联构成第一串联电路，二极管D2’和二极管D5’串联构成第二串联电路，二极管D3’和二极管D6’串联构成第三串联电路；所述第一串联电路、第二串联电路和第三串联电路并联构成第三桥式整流电路；所述电感L1’与二极管D1’的阳极相连，电感L2’与二极管D2’的阳极相连，电感L3’与二极管D3’的阳极相连；所述稳压电容C1’、C2’串联后与第三桥式整流电路并联,稳压电容C1’的阳极与二极管D3’的阴极相连，稳压电容C2’的负极与二极管D6’的阳极相连；二极管D1’的阳极引出端为功率单元的第一输出端，二极管D2’的阳极引出端为功率单元的第二输出端，二极管D3’的阳极引出端为功率单元的第三输出端，二极管D1’的阴极引出端为功率单元的第四输出端，二极管D4’的阳极引出端为功率单元的第五输出端，所述稳压电容C2’的正极引出端为功率单元的第六输出端。

如上所述，本发明所述的无需额外电源的自举驱动电路，具有以下有益效果：本发明根据自举单元中储能电容的充放电，完成了自举驱动过程，不需额外驱动电源，形成了无需额外电源的自举驱动电路，克服了一般驱动电路需要额外电源，降低了功率损耗，满足了电路的要求，尤其适合电力电子领域中具有三相AC-DC变换器的需要驱动控制的应用场合。

附图说明

图1为现有的自举驱动电路的电路结构原理图。

图2为实施例一所述的用于单相供电系统的无需额外电源的自举驱动电路的电路结构原理图。

图3为实施例二所述的用于三相供电系统的无需额外电源的自举驱动电路的电路结构原理图。

元件标号说明

1、功率单元；            2、开关单元；

3、自举单元；            4、驱动单元；

1’、功率单元；          2’、开关自举驱动单元；

3’、开关自举驱动单元；  4’、开关自举驱动单元。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明公开了一种无需额外电源的自举驱动电路，该电路包括功率单元、开关单元、自举单元与驱动单元，功率单元的输出端为直流电压，另有引出端与开关单元相连；开关单元的输出端与自举单元的第一输出端和第三输出端相连；自举单元的输出端与驱动单元的功率侧的输入端相连。其中，功率单元环节为使用桥式不可控整流电路；开关环节可以使用桥式电路；自举单元可以使用电容储能的电路；驱动单元可以使用光耦隔离电路或磁耦合隔离电路。本发明的自举驱动电路无需额外的供电电源，减少了采用额外器件的需求，充分利用了功率单元的能量，通用性强，结构简单，成本低。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种无需额外电源的自举驱动电路，如图2所示，包括功率单元1、开关单元2、自举单元3、驱动单元4；所述功率单元用以输出直流电压；所述开关单元与功率单元相连，用以控制与功率单元的连通与关断；所述自举单元与所述开关单元相连，用以提供驱动电源，并输出驱动信号；所述自举单元包括一储能电容；所述驱动单元与所述自举单元相连，用以在所述驱动信号的驱动下输出控制信号。

下面对各个单元进行分别描述：

【自举单元】

所述自举单元3包括储能电容C3、稳压二极管WD1、二极管D1，其中储能电容C3与二极管D1串联，稳压二极管WD1与储能电容C3并联。所述自举单元3还包括限流电阻R4，限流电阻R4串联在限流二极管D1和储能电容C3之间，稳压二极管WD1与储能电容C3并联。自举单元的输入端接受开关单元的输出信号。

所述自举单元为以储能电容C3为核心的电路，输出端与驱动单元的输入端相连。

所述二极管D1可为反向快恢复二极管，反向耐压值为800V。

所述电阻R4可为插件电阻，阻值为1kΩ。

所述电容C3可为铝电解电容，22μF/450V。

所述稳压二极管WD1可为普通稳压二极管。

【驱动单元】

所述的驱动单元4包括二极管D2、电阻R5、R6、R7、光电耦合器OP1。二极管D2和电阻R5并联，电阻R5的一端与光电耦合器OP1的第5引脚相连，电阻R5的另一端与功率器件S1的门极相连；电阻R7与光电耦合器OP1的第1引脚相连；电阻R4的一端与光电耦合器OP1的第4引脚相连，电阻R4的另一端与功率器件S1的门极相连。所述光电耦合器OP1包括光电耦合相连的功率器件功率侧和控制器件控制侧，所述功率器件功率侧接收所述驱动信号，所述控制器件控制侧输出所述控制信号。所述光电耦合器OP1的第6引脚与自举单元中的电容C3的正极相连。所述功率器件功率侧接收所述驱动信号，所述控制器件控制侧输出所述控制信号。

所述驱动单元的驱动电源输入端(即光电耦合器OP1的第6引脚)输入的是用以驱动功率器件的驱动电源，驱动单元的输出端(即光电耦合器OP1的第5引脚)与功率器件的控制端(即功率器件的门极)相连。

所述二极管D2可为普通二极管。

所述电阻R5、R6可为贴片电阻，阻值为100Ω。

所述电阻R7可为贴片电阻，阻值可为1kΩ。

所述光电耦合器OP1可为低速或高速光电耦合器。

本实施例中，输入交流电压为220V，所有元器件均采用高精度。

【开关单元】

所述开关单元2包括第二桥式整流电路B2、功率器件S1和保护电阻R1、R2、R3；所述第二桥式整流电路和功率器件并联；所述功率器件的门极与所述驱动单元中的功率器件功率侧相连，用以接收所述驱动信号；所述保护电阻R1、R2、R3串联后与功率器件S1并联。

所述第二桥式整流电路B2为桥式不可控整流电路。所述桥式不可控整流电路可为二极管式不可控整流桥，采用封装模块。

所述的保护电阻R1、R2、R3为插件电阻，阻值为100kΩ，是高阻值电阻。

所述的功率器件S1可为IGBT，功率器件S1的门极接受驱动信号。

【功率单元】

所述功率单元1包括升压电感L1、第一桥式整流电路B1、稳压电容C1、C2；所述升压电感与第一桥式整流电路相连，所述稳压电容C1、C2串联后与第一桥式整流电路并联；所述第一桥式整流电路包括二极管D3、D4、D5、D6，其中二极管D3和D4串联构成第一串联电路，二极管D5和D6串联构成第二串联电路；所述第一串联电路和第二串联电路并联构成第一桥式整流电路；所述二极管D3、D5的阴极引出端为功率单元的第一输出端，所述二极管D4、D6的阳极引出端为功率单元的第二输出端，所述稳压电容C2的正极引出端为功率单元的第三输出端。

所述第一桥式整流电路B1为桥式不可控整流电路。所述桥式不可控整流电路为二极管型桥式整流电路。

所述电感L1可以为非晶体材料，采用平面结构设计，感值为750μH。

所述不可控整流桥(即桥式不可控整流电路)可为二极管式不可控整流桥，采用封装模块。

所述电容C1、C2可为铝电解电容，2200μF/450V。

本发明所述的无需额外电源的自举驱动电路根据自举单元中储能电容的充放电，完成了自举驱动过程，不需额外电源，形成了无需额外电源的自举驱动电路，克服了一般驱动电路需要额外电源，降低了功率损耗，满足了电路的要求，适合电力电子领域各种需要驱动控制的应用场合。

本发明所述的无需额外电源的自举驱动电路具有设计结构新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点；此外实用本发明可实现利用主电路能量完成给驱动单元供电的功能，减少了电路使用的外部要求，具有应用方便，结构简单，控制容易与成本低廉的优点。采用本发明所述的无需额外电源的自举驱动电路来产生具有隔离效果的工作电源，可以有效利用功率单元能量，使用方便，设计巧妙，具有良好的应用前景。

本实施例所述的无需额外电源的自举驱动电路的工作方法为：

工频电压经过第一整流桥输出直流电压。同时，在工频电压正半周，当控制器发出功率器件关断信号时，驱动单元端为低电平信号，不能使第一光电耦合器工作，第一功率器件的门极信号通过第六电阻被拉低到零，功率器件关断。功率单元电流经过第一升压电感、第二不可控整流桥、第一二极管、第四电阻、第三储能电容、第二不可控整流桥、第二电容、第一不可控整流桥构成回路，第三储能电容电压升高，存储能量，并在第一稳压二极管的作用下钳位电压；当控制器发出功率器件导通信号时，驱动单元端为高电平信号，经过第七电阻使第一光电耦合器工作，第三电容作为电源释放能量，此电压通过第五电阻拉高第一功率器件的门极电压，触发其导通，另一部分能量通过第六电阻回馈到主电路中。同时，功率单元电流经第一升压电感、第二不可控整流桥、第一功率器件与第一电阻、第二电阻、第三电阻构成的保护电路的并联支路、第二不可控整流桥、第二电容、第一不可控整流桥构成回路，第一二极管两端电压为负，被迫关断。在工频电压负半周，当控制器发出功率器件关断信号时，驱动单元端为低电平信号，不能使第一光电耦合器工作，第一功率器件的门极信号通过第六电阻被拉低到零，功率器件关断。功率单元电流经过第一不可控整流桥、第一电容、第二不可控整流桥、第一二极管、第四电阻、第三储能电容、第二不可控整流桥、第一电感构成回路，第三储能电容电压升高，存储能量，并在第一稳压二极管的作用下钳位；当控制器发出功率器件导通信号时，驱动单元端为高电平信号，经过第七电阻使第一光电耦合器工作，第三电容作为电源释放能量，此电压通过第五电阻拉高第一功率器件的门极电压，触发其导通，另一部分回路通过第六电阻回馈到主电路中。同时，功率单元电流经第一不可控整流桥、第一电容、第二不可控整流桥、第一功率器件与第一电阻、第二电阻、第三电阻构成的保护电路的并联支路、第二不可控整流桥、第一升压电感构成回路，第一二极管两端电压为负，被迫关断。

实施例二

本实施例提供一种可以应用在三相交流供电系统的无需额外电源的自举驱动电路，即三相部分有源功率因数校正电路(PFC)中的无需额外电源的自举驱动电路。由于在三相部分有源功率因数校正电路(PFC)中，需要使用双向可控开关，每只双向可控开关需要一只隔离的驱动电源。如果采用传统方案，则需要三只隔离的驱动电源；而如果采样实施例一所述无需额外电源的自举驱动电路，则既可以省却额外电源，还可以节省硬件成本，并可提高可靠性。

本实施例提供的无需额外电源的自举驱动电路如图3所示，包括功率单元1’和开关自举驱动单元2’、开关自举驱动单元3’、开关自举驱动单元4’，其中开关自举驱动单元为开关单元、自举单元、驱动单元的总称。

如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于，所述功率单元包括升压电感L1’、L2’、L3’，第三桥式整流电路B3，稳压电容C1、C2；所述第三桥式整流电路包括二极管D1’、D2’、D3’、D4’、D5’、D6’，其中二极管D1’和D4’串联构成第一串联电路，二极管D2’和D5’串联构成第二串联电路，二极管D3’和D6’串联构成第三串联电路；所述第一串联电路、第二串联电路和第三串联电路并联构成第三桥式整流电路；所述升压电感L1’与二极管D1’的阳极、D4的阴极相连，升压电感L2’与二极管D2’的阳极’、D5的阴极相连，升压电感L3’与二极管D3’的阳极、D6的阴极相连；所述稳压电容C1、C2串联后与第三桥式整流电路并联；二极管D1’的阳极引出端为功率单元的第一输出端，二极管D2’的阳极引出端为功率单元的第二输出端，二极管D3’的阳极引出端为功率单元的第三输出端，二极管D1’的阴极引出端为功率单元的第四输出端，二极管D4’的阳极引出端为功率单元的第五输出端，稳压电容C2的阳极引出端为功率单元的第六输出端。功率单元1’的第一和第六输出端与开关自举驱动单元2’的输入端相连；功率单元1’的第二和第六与开关自举驱动单元3’的输入端相连；功率单元1’的第三和第六输出端与开关自举驱动单元4’的输入端相连。

本实施例中的一个功率单元1’可以配备3个开关自举驱动单元，从而实现三相电路中的自举驱动。同理可推知，本发明还可应用于多相需要自举驱动的电路。

本实施例在实施例一所述的无需额外电源的自举驱动电路基础上做了进一步改进，其属于三相无需额外电源的自举驱动电路，可用于三相部分有源PFC中，可看作是由三组结构相同的单相无需额外电源的自举驱动电路组成。

本实施例是能够实现三相无需额外电源的功率器件自举驱动电路，使得该自举驱动电路的应用范围更广。

本发明采用一种由功率单元、开关单元、自举单元与驱动单元构成，由功率单元在功率开关关断时向自举单元充能，并由此能量释放开通功率开关，避免了额外的电源电路，充分利用了功率单元的能量；同时整个电路较为简单，所需器件较少，同时具有良好的拓扑性，可方便的应用于三相电路的功率器件驱动中，在自举驱动电路的技术领域实现了创新。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种无需额外电源的自举驱动电路，其特征在于，所述无需额外电源的自举驱动电路包括：

功率单元，用以输出直流电压；

开关单元，与功率单元相连，用以控制与功率单元的连通与关断；

自举单元，与所述开关单元相连，用以提供驱动电能，输出驱动电源；所述自举单元包括一储能电容；

驱动单元，与所述自举单元相连，用以在所述驱动电源的驱动下输出控制信号；所述驱动单元包括光电耦合器，所述光电耦合器包括功率器件功率侧和控制器件控制侧，所述功率器件功率侧接受所述驱动电源的驱动，所述控制器件控制侧输出所述控制信号；

所述开关单元包括第一桥式整流电路、功率器件；所述第一桥式整流电路和功率器件并联；所述功率器件的门极与所述驱动单元中的功率器件功率侧相连，用以接收所述驱动电源。

2.根据权利要求1所述的无需额外电源的自举驱动电路，其特征在于：所述自举单元包括储能电容C3、稳压二极管WD1、二极管D1，其中储能电容C3与二极管D1串联，稳压二极管WD1与储能电容C3并联。

3.根据权利要求2所述的无需额外电源的自举驱动电路，其特征在于：所述自举单元还包括一电阻R4，所述电阻R4串联在二极管D1和储能电容C3之间。

4.根据权利要求1所述的无需额外电源的自举驱动电路，其特征在于：所述功率单元包括电感L1、第二桥式整流电路、稳压电容C1、C2；所述电感L1与第二桥式整流电路相连，所述稳压电容C1、C2串联后与第二桥式整流电路并联；所述第二桥式整流电路包括二极管D3、D4、D5、D6，其中二极管D3和D4串联构成第一串联电路，二极管D5和D6串联构成第二串联电路；所述第一串联电路和第二串联电路并联构成第二桥式整流电路；所述二极管D3的阴极、D5的阴极引出端为功率单元的第一输出端，所述二极管D4的阳极、D6的阳极引出端为功率单元的第二输出端，所述稳压电容C2的正极、C1的负极引出端为功率单元的第三输出端。

5.根据权利要求1所述的无需额外电源的自举驱动电路，其特征在于：所述功率单元包括电感L1’、L2’、L3’，第三桥式整流电路，稳压电容C1’、C2’；所述第三桥式整流电路包括二极管D1’、D2’、D3’、D4’、D5’、D6’，其中二极管D1’和二极管D4’串联构成第一串联电路，二极管D2’和二极管D5’串联构成第二串联电路，二极管D3’和二极管D6’串联构成第三串联电路；所述第一串联电路、第二串联电路和第三串联电路并联构成第三桥式整流电路；所述电感L1’与二极管D1’的阳极相连，电感L2’与二极管D2’的阳极相连，电感L3’与二极管D3’的阳极相连；所述稳压电容C1’、C2’串联后与第三桥式整流电路并联,稳压电容C1’的正极与二极管D3’的阴极相连，稳压电容C2’的负极与二极管D6’的阳极相连；二极管D1’的阳极引出端为功率单元的第一输出端，二极管D2’的阳极引出端为功率单元的第二输出端，二极管D3’的阳极引出端为功率单元的第三输出端，二极管D1’的阴极引出端为功率单元的第四输出端，二极管D4’的阳极引出端为功率单元的第五输出端，所述稳压电容C2’的阳极引出端为功率单元的第六输出端。