CN105305831B - 一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路，在传统的包括单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管电路的基础上，增设包括线性光耦OPTO、直流电压源DC₂、NPN三极管Q₃以及电阻R₂、R₃、R₄构成的栅极电容泄放回路，利用单片机模块输出的光耦控制信号控制栅极电容泄放，栅极电容泄放回路的输出端与电压抬升电路的输出端并联，在桥式变换器开关管的栅驱动停止工作、驱动电压为低电平的时候，将电压抬升电路短路，实现了栅驱动的短路可控以及数模隔离，使得隔离栅驱动在结束工作时栅源电压能够迅速降至零电压，避免了桥式变换器开关管的漏源直通而损坏的问题。

Description

一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路

技术领域

本发明涉及桥式变换器栅驱动电路，尤其涉及一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路。

背景技术

近年来，应用于混合动力汽车的电机驱动和能量存储技术高速发展，与此同时，电池充电机也成为混合动力汽车发展的一项关键性需求。

全桥拓扑结构在大功率的充电机中有广泛的应用，其中全桥功率开关管的驱动电路性能对于开关管工作时的特性有着重要的影响。全桥功率开关管的驱动电路主要分为两大类，即隔离驱动和非隔离驱动。非隔离驱动电路电路简单成本较低，且没有隔离器件上的额外损耗，因此可以得到更高的效率。然而由于电路中没有隔离，不能隔断前后级的相互影响，在一些例如电网电压存在浪涌的情况下，非隔离电路安全性相对较低，可靠性差。此外在全桥式电路中，由于变换器接输入正电压的上管的源级不是零电压，而非隔离驱动电路前后级共地，因此上管的驱动难以用非隔离驱动实现，这也是隔离驱动电路在全桥拓扑里得到广泛应用的主要原因。

常用的隔离驱动电路又分为三类，即脉冲变压器隔离驱动、光耦隔离驱动以及集成电路隔离驱动，其中脉冲变压器隔离驱动电路具有结构简单、不需要提供隔离电源、成本较低，对脉冲信号无传输延迟等优点，能够满足驱动电路电气隔离、快速性、较强驱动能力的要求，因此脉冲变压器隔离驱动的应用最为广泛。

为了达到不同的性能指标，脉冲变压器隔离驱动的电路形式多种多样，都是由最基本的隔离驱动形式演变而成，其中使用单路信号驱动功率开关管时，隔离变压器原边需要增加一个隔直电容来保证磁芯的有效复位，以避免磁饱和，而在副边需采用电压抬升电路使输出电压可驱动功率开关管，这样就导致在全桥变换器停止工作时，由于变压器副边电容上依然存在一个直流电压，使得功率开关管在电路停止工作很长一段时间内仍然保持导通状态，引起很大的直流损耗，甚至会损坏开关管。针对这个问题，现有的一些结构在功率开关管的栅源之间并入一个三极管，利用三极管的基极控制信号来控制栅源间的短路，给隔直变压器副边电容上的电荷提供泄放回路，这种结构简单易行，但是为维持三极管导通，其集电极和发射极之间需要一定压差，这样增加了电路的复杂，且不易得到很好的放电效果。

发明内容

为了实现全桥电路功率开关管的单路信号驱动、驱动隔离，并能在电路停止工作时避免全桥桥臂四只功率开关管的漏源直通，本发明提出一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路，实现了对驱动变压器副边电容的放电，同时降低了电路的复杂程度和成本。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路，包括单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管，单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管依次串联，其中单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路的公共接地端以及变压器原边的非同名端均连接输入端地，电压抬升电路中二极管的阳极和变压器副边的非同名端均连接桥式变换器开关管的源极；

其特征在于：增设包括线性光耦OPTO、直流电压源DC₂、NPN三极管Q₃以及电阻R₂、R₃、R₄构成的栅极电容泄放回路，栅极电容泄放回路的输入端与单片机模块的光耦控制信号输出端口连接，利用单片机模块输出的光耦控制信号控制栅极电容泄放，栅极电容泄放回路的输出端与电压抬升电路的输出端并联，在桥式变换器开关管的栅驱动停止工作、驱动电压为低电平的时候，将电压抬升电路短路；其中：

线性光耦OPTO含有输入二极管和输出三极管，其中输入二极管的正端连接电阻R₂的一端，输入二极管的负端连接NPN三极管Q₃的集电极，输出三极管发射极和集电极分别连接电压抬升电路中二极管D的阳极和阴极，直流电压源DC₂的正极连接电阻R₂的另一端，直流电压源DC₂的负极连接输入端地，NPN三极管Q₃基极连接电阻R₃的一端和电阻R₄的一端，NPN三极管Q₃的发射极连接电阻R₄的另一端并连接输入端地，电阻R₃的另一端连接单片机模块的光耦控制信号输出端口。

本发明具有如下优点：

1)本发明将隔离线性光耦OPTO加入单路信号驱动的全桥功率开关管驱动电路中，避免了电路停止工作时功率开关管直通的现象，提高了电路的可实现性，而且其结构简单，成本低，可靠性高。

2)由于线性光耦OPTO具有隔离作用，在驱动功率开关管时，不要求源极接地，因此对于在电路中源极电压不为恒定值的功率开关管，本发明依然可以正常的驱动。

3)由于线性光耦OPTO输出三极管的导通时间极短，因此在电路停止工作时可以快速泄放驱动变压器副边电容上的电荷，提高了电路关断的响应时间，有效避免了功率开关管的直通现象。

4)线性光耦的输入驱动信号可以由功率开关管的驱动停止信号同步给出，简化了全桥变换器的整体控制。

5)本发明有效提高了桥式变换器的可靠性和稳定性，延长使用寿命。

附图说明

图1是本发明电路工作原理图；

图2是一般驱动电路在停止工作时的波形；

图3是采用了本发明电路在停止工作时的波形。

具体实施方式

如图1，本发明采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路，包括单片机模块1、互补驱动电路2、输入隔离电路3、变压器4、电压抬升电路5和桥式变换器开关管6，以上电路为桥式变换器栅驱动电路的一种已知结构，其中单片机模块1、互补驱动电路2、输入隔离电路3、变压器4、电压抬升电路5和桥式变换器开关管6依次串联，单片机模块1、互补驱动电路2、输入隔离电路3的公共接地端与变压器4的原边非同名端一起，连接输入端地，电压抬升电路5中二极管的阳极和变压器4副边的非同名端均连接桥式变换器开关管6的源极。

在上述电路的基础上，本发明增设了栅极电容泄放回路7，栅极电容泄放回路7的输入端(光耦的驱动控制端)与单片机模块1的光耦控制信号输出端串联，利用单片机的输出信号控制栅极电容泄放，栅极电容泄放回路7的输出端(光耦输出三极管的集电极和发射极两端)与电压抬升电路5的输出端并联，在栅驱动停止工作、驱动电压为低电平的时候，将电压抬升电路短路。

单片机模块1用于给功率开关管M和线性光耦OPTO提供工作波形，它由一块单片机系统模块MCU组成，系统接入输入端地，系统的两组输出一组为栅极驱动控制信号，接入互补驱动电路2，给全桥电路功率开关管M提供工作驱动信号，另一组输出为光耦控制信号，接入栅极电容泄放回路7，在工作驱动信号停止的时候给出开关管6栅源短接信号，使开关管6栅源短接给变压器副边电容C₂上的电荷提供泄放回路。

互补驱动电路2用于提高单片机系统输出的功率开关管栅极驱动信号的驱动能力，它包括一个直流电压源DC₁、一只PNP三极管Q₁、一只NPN三极管Q₂、其中Q₁和Q₂基极互连、Q₁集电极连接直流电压源DC₁的正极，Q₂集电极连接输入端地，组成一组互补驱动对管。单片机模块1输出的栅极驱动信号接入互补驱动对管Q₁和Q₂的基极，互补驱动的输出信号由Q₁和Q₂发射极接入输入隔离电路3。

输入隔离电路3用于将互补驱动电路2输出的信号中的直流量隔离滤去，避免变压器磁芯饱和，它包括电阻R₁，电容C₁，其中电阻R₁一端接互补驱动电路2的输出信号，电阻R₁另一端接电容C₁一端，电容C₁的另一端接变压器4的原边同名端。

变压器4用于实现栅极驱动信号的隔离，原边非同名端连接输入隔离电路3和输入端地，副边非同名端连接电压抬升电路5中二极管D的阳极和桥式变换器开关管6的源极。

电压抬升电路5用于将变压器4副边输出的平均电压为零的交流信号中加入直流量，它包括电容C₂和二极管D，其中电容C₂一端接变压器副边同名端，另一端接二极管D的阴极，二极管阳极接变压器4副边非同名端和桥式变换器开关管6的源极。电压抬升电路5与桥式变换器开关管6以及栅极电容泄放回路7以并联的形式连接在一起。

桥式变换器开关管6用于通过其开通关断，控制全桥电路的电压转换，它由功率NMOS管M组成，其栅极接电压抬升电路5的输出端(二极管D的阴极)，若此开关管在全桥变换器桥臂中为上管，则漏极连接全桥输入高电压，源级连接下管的漏级；若此开关管在全桥变换器桥臂中为下管，则漏极连接上管源级，源极连接输出端地。

栅极电容泄放回路7用于控制变压器副边电容C₂上电荷的泄放，使功率开关管栅源间电压快速降至低电压，避免功率开关管漏源直通。它由线性光耦OPTO、直流电压源DC₂、NPN三极管Q₃以及电阻R₂、R₃、R₄组成，线性光耦OPTO用来实现隔离以及功率开关管的栅源短路，直流电压源DC₂、NPN三极管Q₃以及电阻R₂、R₃、R₄是线性光耦的驱动电路，其中线性光耦OPTO的输入二极管正端连接电阻R₂的一端，线性光耦OPTO的输入二极管负端连接NPN三极管Q₃的集电极端，线性光耦OPTO的输出三极管发射极端和集电极端并联在电压抬升电路5的输出端，分别连接在二极管D的阳极和阴极端。直流电压源DC₂的正极连接电阻R₂的另一端，负极连接输入端地。NPN三极管Q₃基极端连接电阻R₃的一端和电阻R₄的一端，发射极端连接R₄的另一端以及输入端地。电阻R₃的另一端连接单片机模块1的光耦控制信号输出端。

为了简化分析，假设所有元件均为理想状态且忽略变压器的漏感。

当电路正常工作时，单片机模块1输出栅极驱动控制PWM信号到互补驱动电路2，此PWM信号的峰值与直流电压源DC₁的电压值大致相同，当PWM信号为正时，NPN三极管Q1导通，PNP三极管Q₂截止，互补驱动电路2的输出为直流电压源DC₁的电压值；当PWM信号为零时，NPN三极管Q₁截止，PNP三极管Q₂导通，互补驱动电路2的输出为零，因此互补驱动电路2的输出跟随单片机输出的PWM信号。输入隔离电路3作用是将互补驱动电路2输出波形的直流分量隔离，使输入变压器原边的平均电压为零，其中电阻R1用于调节变压器原边波形的建立时间。信号自变压器4副边输出后，其正负幅值相同，平均电压为零。由于当输出信号为负时，二极管D导通，其负极电压为输出端地电压，当输出信号为正时，二极管D截止，由稳定状态下电容C₂上电压基本恒定可得，此恒定电压为变压器4副边输出信号峰峰值的一半，因此电压抬升电路5输出在桥式变换器开关管6栅源间的电压被抬升，与互补驱动电路2输出波形一致，达到可以驱动功率开关管M的要求。

当电路停止工作时，单片机模块1的栅极驱动控制信号端输出零电压到互补驱动电路2，NPN三极管Q₁截止，PNP三极管Q₂导通，此时变压器4原边隔直电容C₁上的电荷通过电阻R₁和三极管Q₂迅速泄放，若变压器4副边上电容C₂上电荷没有快速泄放的回路，其电压只能缓慢的降低(见图2)，此过程长达数百毫秒，其间功率开关管M的栅源间电压还将有很长一段时间大于开关管的阈值电压，导致漏源导通，引起很大的直通损耗，甚至损坏开关管。设电路停止工作时刻为t＝0，电容C₂上的初始电压为V₀，t时刻电容C₂上的电压为v_C(t)，流过电容C₂电流为i(t)，功率开关管栅源等效电阻为R_tm，有：

联立式(1)和式(2)得：

此微分方程的解为：

此电压也是功率开关管M的栅源电压。

在电路中加入栅极电容泄放回路7后，设光耦输出三极管的导通电阻为r_ce，则电容两端的电压为：

由于r_ce的值很小，因此加入栅极电容泄放回路7之后功率开关管栅源电压下降的速度很快，在电容C₂为几微法量级时，栅源电压在数十纳秒即可降至阈值电压以下，大大提高了电路停止工作时功率开关管关断的响应速度。由于二极管D存在导通压降，栅源电压随后一段时间保持以绝对值较小的负电平(见图3)。

以上分析表明，由于光耦OPTO输出三极管的导通电阻r_ce远小于功率开关管栅源等效电阻为R_tm，采用本发明的驱动电路在停止工作时，功率开关管关断的响应速度远快于未采用本发明的一般电路。除此之外，由于线性光耦OPTO具有隔离特性，采用本发明的驱动电路可以应用在全桥拓扑结构中不同位置，不受漏极和源级对地压差的限制，灵活并且实用。

Claims (1)

1.一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路，包括单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管，单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管依次串联，其中单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路的公共接地端以及变压器原边的非同名端均连接输入端地，电压抬升电路中二极管的阳极和变压器副边的非同名端均连接桥式变换器开关管的源极；

其特征在于：增设包括线性光耦OPTO、直流电压源DC₂、NPN三极管Q₃以及电阻R₂、R₃、R₄构成的栅极电容泄放回路，栅极电容泄放回路的输入端与单片机模块的光耦控制信号输出端口连接，利用单片机模块输出的光耦控制信号控制栅极电容泄放，栅极电容泄放回路的输出端与电压抬升电路的输出端并联，在桥式变换器开关管的栅驱动停止工作、驱动电压为低电平的时候，将电压抬升电路短路；其中：

线性光耦OPTO含有输入二极管和输出三极管，其中输入二极管的正端连接电阻R₂的一端，输入二极管的负端连接NPN三极管Q₃的集电极，输出三极管发射极和集电极分别连接电压抬升电路中二极管D的阳极和阴极，直流电压源DC₂的正极连接电阻R₂的另一端，直流电压源DC₂的负极连接输入端地，NPN三极管Q₃基极连接电阻R₃的一端和电阻R₄的一端，NPN三极管Q₃的发射极连接电阻R₄的另一端并连接输入端地，电阻R₃的另一端连接单片机模块的光耦控制信号输出端口。