CN105515349A - 一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，包括变压器、结构相同的第一驱动支路和第二驱动支路，第一驱动支路和第二驱动支路分别连接在变压器一次侧的高电位输入端和低电位输入端。第一驱动支路和第二驱动支路均包括驱动放大以及自举电路、隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路及开关桥臂电路。本发明解决了在开关管驱动时，开关管共通和开关振铃等影响的问题，可以广泛应用于开关电源，特别是要求较高的程控交流电源、程控直流电源等仪器设备中。

Description

一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路

技术领域

本发明涉及程控直流电源开关管驱动的技术领域，尤其是一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路。

背景技术

程控电源在航天、国防、通信等行业的自动测试或系统中应用日益广泛，程控电源的发展趋势向输出电压更高、输出电流更大、程控精度更高、功能更全方向发展，特别是向小型化、高功率密度发展。因此，对程控直流电源的功率变换研究，尤其是对其开关管驱动电路及方法的研究特别重要。

程控直流电源的开关管工作状态具有以下几个主要特征：工作频率高达100kHz～200kHz，瞬态电流变化速率达到500A/μS，以及变换效率要求大于95％等。这些技术要求对开关管的开关驱动、开关损耗具有极大挑战性；因此，必须研究出适合这种较高要求的开关管驱动电路及方法。这些性能指标无疑会要求程控直流电源的开关驱动电路应具有工作频率高、开关速度快、抗干扰能力强等较高要求特性。

现有的程控直流电源的开关管驱动电路及方法一般是采用以下几种方法：

PWM直接驱动法，该驱动方法最简单，但在直接驱动中最困难的是如何使电路布线最优化，这是无法计算设计的。

晶体管推挽驱动法，这种驱动电路对控制电流毛刺、功率损耗有效，但开关频率难以提高。

变压器耦合驱动法，这种驱动方法对高压隔离十分必要，但存在变压器磁化电流以及变压器漏感振荡。

随着开关频率的上升，开关损耗越来越大，而高端程控直流电源对效率的要求却越来越高，对开关效率的要求往往高达95％，甚至高达98％以上，采用传统的开关驱动电路及方法，这么高的开关效率肯定是难以实现的。特别是对于1U高度且具有较大功率的程控直流电源等高端程控电源，已经不是开关损耗的问题，甚至是无法正常工作。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路。本发明采用如下技术方案：

一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，其特征在于，包括变压器、结构相同的第一驱动支路和第二驱动支路，第一驱动支路和第二驱动支路分别连接在变压器一次侧的高电位输入端和低电位输入端；

所述第一驱动支路和第二驱动支路均包括驱动放大以及自举电路、隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路及开关桥臂电路；

第一驱动支路的驱动放大以及自举电路输入两路同幅同频但相位相反的第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号，第一脉冲调制信号先经过自举处理再进行驱动放大处理，之后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路并控制其上开关管的通断；第二脉冲调制信号直接经驱动放大后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路的下开关管并控制其下开关管的通断；

第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号同时经过第二驱动支路并驱动本支路的开关桥臂电路，用来控制第二驱动支路开关桥臂电路的脉冲调制信号与第一驱动支路的相位相反，使得第一驱动支路和第二驱动支路的上开关管、下开关管交叉轮流导通。

优选地，所述第二驱动支路中，第二脉冲调制信号直接经驱动放大后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路；第一脉冲调制信号先经过自举处理再进行驱动放大处理，之后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路。

优选地，所述放大后的脉冲调制信号通过隔直耦合处理，避免驱动脉冲信号中的直流分量造成开关管的误导通；

再通过延迟加速电路，延迟开关管的导通，加速开关管的关断，确保下一个开关管的导通滞后于上一个开关管的关断，避免开关管的共通现象；

然后经过栅极电阻切换电路，栅极电阻切换电路使得开关管栅极泄放电阻小于栅极导通驱动电阻，开关管关断下降时间很短，开关管导通上升时间相对较长。

优选地，所述开关桥臂电路的上开关管和下开关管还连接有密勒电路和吸收电路，密勒电路用来减小开关管转换时间和开关损耗，吸收电路用来保护开关管。

优选地，所述隔直耦合电路包括并联的隔直耦合电容和反向稳压二极管，当脉冲调制信号正向导通瞬间，隔直耦合电容一方面阻断直流成分，另一方面将脉冲调制信号交流幅值完全耦合，使导通瞬间具有较高的脉冲幅度；

在导通维持区间内，脉冲幅度被稳压管降幅；

当脉冲调制信号逆向关断时，稳压管导通，脉冲调制信号全部回流驱动放大以及自举电路。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

1、驱动电路具有快速转换和高峰值电流驱动能力，克服了密勒效应，减小了开关转换时间和开关损耗。

2、驱动电路具有负电源下拉和关断加速功能，加快了开关管的关断速度，保证开关管可靠关断，提高驱动电路的抗干扰能力。

3、驱动电路的传输延迟时间少，减小了开关死区时间，提高了控制精度和效率。

4、合理设置了开关时间延迟、导通上升时间和关断下降时间，避免了开关管的共通短路。

附图说明

图1为应用于程控直流电源的开关管驱动电路框图。

图2为应用于程控直流电源的开关管驱动电路结构示意图。

图3为图2中N1输出及对应V1栅极驱动波形示意图。

图4为图2中N1输出及对应V2栅极驱动波形示意图。

图5为图2中N1的驱动输出波形示意图。

图6为图2中V1、V2的栅极驱动波形示意图。

具体实施方式

结合附图1至6对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，其特征在于，包括变压器、结构相同的第一驱动支路和第二驱动支路，第一驱动支路和第二驱动支路分别连接在变压器一次侧的高电位输入端和低电位输入端。第一驱动支路和第二驱动支路均包括驱动放大以及自举电路、隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路及开关桥臂电路；第一驱动支路的驱动放大以及自举电路输入两路同幅同频但相位相反的第一脉冲调制信号DriveA、第二脉冲调制信号DriveB。

在第一驱动支路中，将第一脉冲驱动信号DriveA首先进行自举处理后，再进行电压电流放大，以实现开关桥臂电路中上开关管V1的栅极非隔离驱动；而对第二脉冲驱动信号DriveB，则直接进行电压电流放大，该路信号用来驱动开关桥臂电路中低边开关管V2。

放大后的脉冲调制信号通过隔直耦合电路进行隔直耦合处理，避免驱动脉冲信号中的直流分量造成开关管的误导通。再通过延迟加速电路，延迟开关管的导通，加速开关管的关断，确保下一个开关管的导通滞后于上一个开关管的关断，以避免开关管的共通现象。延迟加速电路的输出信号再经过栅极电阻切换电路，进行阻尼变换处理，用以驱动开关桥臂电路。栅极电阻切换电路使得开关管栅极导通驱动电阻小于栅极泄放电阻，开关管导通上升时间很短，开关管关断下降时间相对较长，这样既能减小开关损耗，又能有效避免开关振铃产生。

第一脉冲驱动信号DriveA经过自举放大等一系列信号处理后用以驱动开关桥臂电路的上开关管V1，第二脉冲驱动信号DriveB经过直接放大等一系列信号处理后用以驱动开关桥臂电路的下开关管V2，实现开关桥臂上开关管V1、下开关管V2的轮流导通。

同时对上开关管V1、下开关管V2还需要增加密勒电路和吸收电路，密勒电路用来减小开关转换时间和开关损耗，吸收电路则用来保护开关管。

在第二驱动支路中，第一脉冲调制信号DriveA、第二脉冲调制信号DriveB同时经过另一组对称电路进行对称处理后，用来驱动另一组开关桥臂电路，但用来控制开关桥臂电路上开关管、下开关管的脉冲调制信号和第一驱动支路中相位相反。即将第二脉冲驱动信号DriveB首先进行自举处理后，再进行电压电流放大，以实现开关桥臂电路中上开关管V3的栅极非隔离驱动；而对第一脉冲驱动信号DriveA，则直接进行电压电流放大，该路信号用来驱动下开关管V4。实现开关桥臂上开关管V3、下开关管V4轮流导通。这样就实现了两组开关对管V1、V4和V3、V2的交叉轮流导通，从而实现H桥形式的全桥开关逆变功能。

图2中的驱动放大以及自举电路N1、驱动放大以及自举电路N2采用具有自举功能的驱动放大芯片。自举功能实现桥臂高边开关管的栅极非隔离驱动；其高低边脉冲输出电流均高达2.5A，保证脉冲驱动具有快速转换和高峰值电流驱动能力；脉冲输出延迟仅为10nS，驱动电路的传输延迟时间少，减小了开关死区时间，提高了控制精度和效率；脉冲输出电压幅度限制在10～20V，既能保证开关管的完全导通，又实现了栅极驱动电压保护功能。

图2中C4和VR1、C7和VR2、C14和VR3、C17和VR4分别构成隔直耦合电路，当脉冲调制信号正向导通瞬间，隔直耦合电容一方面阻断直流成分，另一方面将脉冲调制信号交流幅值完全耦合，使导通瞬间具有较高的脉冲幅度，在导通维持区间，脉冲幅度被稳压管降幅，为随后的关断提供方便；当脉冲调制信号逆向关断时，此时稳压管等效于一个正向二极管，脉冲调制信号全部回流到N1、N2内，对关断几乎没有任何影响。

图2中的R1、R2、C3和V11，R5、R6、C6和V13，R11、R12、C13和V15，以及R15、R16、C16和V17分别构成延迟加速电路，其功能是对导通信号进行延迟，对关断信号进行加速。

图2中的R3、R4和V12，R7、R8和V14，R13、R14和V16，以及R17、R18和V18分别构成栅极电阻自动切换电路，当脉冲调制信号正向导通时，栅极驱动电阻阻值等效于两个电阻之和，当脉冲调制信号逆向关断时，栅极关断电阻阻值则分别近似为R4、R8、R14、R18各一个电阻，因此栅极关断电阻小于栅极导通电阻，从而关断下降时间也小于导通上升时间，避免开关管的共通短路。

图2中的C5、C8、C15、C18和其对应开关管栅极电容分别构成密勒电路，以进一步克服密勒效应，减小开关转换时间和开关损耗。

图2中的R9、R10、C9和C10，以及R19、R20、C19和C20分别构成吸收电路，用于抑制开关管上的电压电流尖峰，保护开关管；电阻采用TO220封装耐高温电阻，以减小体积；电容采用高频性能较好的电容，提高吸收效果，避免开关振荡和降低开关噪声。

图2中的开关管V1～V4采用低栅极电容、低反射电容和低漏源阻抗的MOSFET场效应开关管，选用低栅极电容开关管，可以减小开关上升、下降时间，提高开关频率，并降低开关损耗；选用低反射电容开关管，可以有效避免开关管漏源极间较大的开关电流对开关管栅极的反射影响，避免开关管的振荡、误导通问题；采取H桥方式，使得在同等工作电压、电流的条件下，可以选用更低耐压、更低漏源阻抗的MOSFET场效应开关管，大大降低开关损耗，提高开关效率。

由采用本发明的程控直流电源电路测试本发明驱动电路工作在200kHz时的关键点波形示意图如图3至图6所示，关键参数数据结果见下表：

从上表中可以看出，本发明样机电路在100～200kHz工作频率范围内都具有较低的导通上升时间和关断下降时间，以及较短的输入输出延迟时间和开关死区时间，且关断下降时间远小于导通上升时间。从图3至图6同样可以验证，本发明电路具有上述特性；并且还可以看出驱动电路的波形对称性和对开关冲击的抑制性能都十分良好，反映了该驱动电路良好的传输驱动特性，达到了本发明的设计目标。

本发明采用满足了高端程控直流电源对驱动电路的特殊要求，避免了寄生振荡、共通等一系列问题，使驱动电路具有快速转换和高峰值电流驱动能力，保证开关管可靠关断，提高驱动电路的抗干扰能力，克服了密勒效应，减小了开关转换时间和开关损耗，大大提高了开关效率，并提高了控制精度和输出调整速度。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (5)

1.一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，其特征在于，包括变压器、结构相同的第一驱动支路和第二驱动支路，第一驱动支路和第二驱动支路分别连接在变压器一次侧的高电位输入端和低电位输入端；

所述第一驱动支路和第二驱动支路均包括驱动放大以及自举电路、隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路及开关桥臂电路；

第一驱动支路的驱动放大以及自举电路输入两路同幅同频但相位相反的第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号，第一脉冲调制信号先经过自举处理再进行驱动放大处理，之后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路并控制其上开关管的通断；第二脉冲调制信号直接经驱动放大后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路的下开关管并控制其下开关管的通断；

第一脉冲调制信号和第二脉冲调制信号同时经过第二驱动支路并驱动本支路的开关桥臂电路，用来控制第二驱动支路开关桥臂电路的脉冲调制信号与第一驱动支路的相位相反，使得第一驱动支路和第二驱动支路的上开关管、下开关管交叉轮流导通。

2.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，其特征在于，所述第二驱动支路中，第二脉冲调制信号直接经驱动放大后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路；第一脉冲调制信号先经过自举处理再进行驱动放大处理，之后依次经过隔直耦合电路、延迟加速电路、栅极电阻切换电路，最后进入开关桥臂电路。

3.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，其特征在于，所述放大后的脉冲调制信号通过隔直耦合处理，避免驱动脉冲信号中的直流分量造成开关管的误导通；

再通过延迟加速电路，延迟开关管的导通，加速开关管的关断，确保下一个开关管的导通滞后于上一个开关管的关断，避免开关管的共通现象；

然后经过栅极电阻切换电路，栅极电阻切换电路使得开关管栅极泄放电阻小于栅极导通驱动电阻，开关管关断下降时间很短，开关管导通上升时间相对较长。

4.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，其特征在于，所述开关桥臂电路的上开关管和下开关管还连接有密勒电路和吸收电路，密勒电路用来减小开关管转换时间和开关损耗，吸收电路用来保护开关管。

5.根据权利要求1所述的一种应用于程控直流电源的开关管驱动电路，其特征在于，所述隔直耦合电路包括并联的隔直耦合电容和反向稳压二极管，当脉冲调制信号正向导通瞬间，隔直耦合电容一方面阻断直流成分，另一方面将脉冲调制信号交流幅值完全耦合，使导通瞬间具有较高的脉冲幅度；

在导通维持区间内，脉冲幅度被稳压管降幅；

当脉冲调制信号逆向关断时，稳压管导通，脉冲调制信号全部回流驱动放大以及自举电路。