CN105519270B - 一种脉宽信号放大电路 - Google Patents
一种脉宽信号放大电路Info
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Abstract
本发明公开了一种脉宽信号放大电路，输入脉宽信号经光电隔离电路隔离后，进入功率放大电路进行电压和电流的放大，电压电流放大后的脉宽信号经过限流电阻输出到功率管的栅极，完成对功率管的驱动；瞬态过压保护电路并接在功率管的栅、源极间，对栅、源极间的电压尖峰干扰信号进行抑制；负压产生电路产生5V，提供给光电隔离电路和功率放大电路。本发明电路结构简单可靠，简化了电源，消除了出现在功率管栅源极两端的尖峰脉冲电压，使得驱动电路适应的脉宽信号的频带加宽，不但能应用于绝缘栅双极型晶体管，而且能够应用于频率更高的金属氧化物场效应管。<pb pnum="1" />
Description
技术领域
本发明涉及功率元件的驱动技术，主要涉及功率电子器件开关控制信号的光电隔离、功率放大等技术。
背景技术
各种全控型功率电子器件如GTO、MOSFET和IGBT等相继出现和应用，极大地推动了电力电子技术的发展，专利“大容量绝缘栅双极型晶体管驱动电路”(专利号：02129368.6)提出了一种大容量绝缘栅双极型晶体管的驱动电路，包括光电隔离级(10)、功率放大级(20)、电源(V2、V3)、整形电路(1)、整形电路(2)、电平转换电路(30)，脉宽信号经光电隔离级10后输出信号，该输出信号分为两路，分别经整形电路后，上路信号经所述电阻R3后驱动所述MOS管T4，下路信号经所述电平转换电路后驱动所述MOS管T5，所述MOS管T4、T5工作于互补状态，T4管导通时，驱动电压V2经T4管加到IGBT的门极，使IGBT饱和导通，MOS管T5导通时，负电源-V3经所述MOS管T5，加到IGBT的门极，使IGBT关断，如图3所示。该专利公布的电路结构解决了大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的驱动问题，但电路结构复杂，增加了设计、加工和调试的难度，另外，该专利公布的电路输出由于没有过压保护电路，当IGBT管栅、源极之间的驱动电压出现高于20V的脉冲尖峰时，IGBT管会由于过压而损坏。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种脉宽信号放大电路，能够简化现有技术的电路结构，使电路的可靠性得到大幅度的提高，保证功率管的栅、源极不会由于过压而损坏。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括信号光电隔离电路、功率放大电路、负压产生电路及瞬态过压保护电路，输入脉宽信号经光电隔离电路隔离后，进入功率放大电路进行电压和电流的放大，电压电流放大后的脉宽信号经过限流电阻R3输出到功率管的栅极，完成对功率管的驱动。瞬态过压保护电路并接在功率管的栅、源极间，对栅、源极间的电压尖峰干扰信号进行抑制。负压产生电路产生5V，提供给光电隔离电路和功率放大电路，保证了功率放大电路放大后的电流和电压特性满足功率管导通和关断的要求。
所述光电隔离电路包括光电耦合器及第一上拉电阻R1、第二上拉电阻R2，光电耦合器的输入端阳极通过第一上拉电阻R1与脉宽信号共地的5V电源，阴极接脉宽输入信号，输入信号经光电耦合器光电隔离后，从光电耦合器集电极输出，经第二上拉电阻R2后上拉到负压产生电路生成的5V电源，然后输出到功率放大电路的输入端，光电耦合器发射极为输出信号的地，与后端的功率放大电路的地连接共地。为保证脉宽信号的可靠隔离与传输，第一上拉电阻阻值为500Ω～1kΩ，功率不小于0.25W，第二上拉电阻阻值为4.7kΩ～10kΩ，功率不小于0.25W。
所述的功率放大电路采用功率管专用集成电路UC3705，光电隔离电路产生的输出接集成电路的反相输入端INVNI，另一输入端NI接负压产生电路生成的5V电源，逻辑地LogicGnd接光电耦合器输出地GND，电源引脚Vs和VC接电源+20V，输出电源地PwrGnd接20V电源地，光电隔离电路输出的隔离信号经功率放大电路后，接限流电阻R3的一端，R3另一端接功率管的栅极G。功率管的源极S接负压产生电路产生的5V电源。
所述负压产生电路包括稳压管二极管D2、限流电阻R4和滤波电容C1、C2，外部提供的20V电源通过限流电阻R4接稳压二极管D2的阴极，其阳极接20V电源地，滤波电容C1、C2一起并接在稳压二极管两端，对稳压二极管两端产生的5V电源进行滤波。5V电源分别提供给光电隔离电路和功率放大电路的输入端NI，同时又直接连接功率管的源极，作为源极的基准电压。
所述的瞬态过压保护电路为瞬态电压抑制二极管D1，瞬态电压抑制二极管D1一端接限流电阻R3的另一端，另一端接负压产生电路产生的5V电源，该瞬态电压抑制二极管取最大箝位电压19～21V、峰值脉冲功率为500W的双向瞬态电压抑制二极管。
本发明的有益效果是：本电路结构上采用成熟的集成电路，简单可靠，通过增加负压产生电路，简化了电源，只需要提供20V就能完成整个驱动的工作，另外通过增加瞬态电压抑制二极管D1消除了出现在功率管栅源极两端的尖峰脉冲电压。通过如此改进，使得驱动电路适应的脉宽信号的频带加宽，不但能应用于绝缘栅双极型晶体管，而且能够应用于频率更高的金属氧化物场效应管Mosfet。
附图说明
图1是脉宽信号放大电路的电路结构图。
图2是脉宽信号放大电路的电路原理图。
图3是现有技术的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1和图2所示，本发明包括信号光电隔离电路1、功率放大电路2、负压产生电路3及瞬态过压保护电路四部分，输入脉宽信号经光电隔离电路1隔离后，进入功率放大电路2进行电压和电流的放大，电压电流放大后的脉宽信号经过限流电阻R3先后输出到功率管的栅极，完成对功率管的驱动。瞬态过压保护电路并接在功率管的栅、源极间，对栅、源极间的电压尖峰干扰信号进行抑制。为了保证功率管关断迅速可靠，关断时需要负压进行关断，在此通过负压产生电路产生5V，提供给光电隔离电路和功率放大电路，保证了功率放大电路放大后的电流和电压特性满足功率管导通和关断的要求。
所述光电隔离电路包括光电耦合器及第一上拉电阻R1、第二上拉电阻R2，光电耦合器的输入端阳极接第一上拉电阻R1后接与脉宽信号共地的5V电源，阴极接脉宽输入信号，输入信号经光电耦合器光电隔离后，从光电耦合器集电极输出，经第二上拉电阻R2后上拉到负压产生电路生成的5V电源，然后输出到功率放大电路的输入端，光电耦合器发射极为输出信号的地，与后端的功率放大电路的地连接共地。为保证脉宽信号的可靠隔离与传输，第一上拉电阻R1和第二上拉电阻R2阻值要求，其中第一上拉电阻阻值为500Ω～1kΩ，功率不小于0.25W，第二上拉电阻阻值为4.7kΩ～10kΩ，功率不小于0.25W。
为了达到简化驱动电路的目的，所述的功率放大电路为一由整形电路、驱动放大电路组成的集成电路，采用功率管专用集成电路UC3705。该集成电路的最大输出峰值电流为2A，脉宽信号的上升沿和下降沿延时为40ns，其输入端有使输出反相和不反相两种输入方式可选择，使输出反相的输入端为INVNI端，使输出不反相的输入端为NI端，可根据实际需要灵活选取输出脉宽信号的极性。本发明中光电隔离电路产生的输出接集成电路的反相输入端INVNI，另一输入端NI接负压产生电路生成的5V电源，逻辑地LogicGnd接光电耦合器输出地GND，电源引脚Vs和VC接电源+20V，输出电源地PwrGnd接20V电源地，光电隔离电路输出的隔离信号经功率放大电路后，接限流电阻R3的一端，R3另一端接功率管的栅极G，限流电阻R3的作用是限制驱动功率管的电流，防止驱动电流过大而烧坏功率管。功率管的源极S接负压产生电路产生的5V电源，功率放大电路输出的高电平为20V，则功率管的栅、源极电压Vgs＝15V。功率放大电路输出低电平0V时，则Vgs＝-5V，满足功率管通断的电压要求。同时，通过功率放大集成电路中复合晶体管对电流的放大作用，可使功率放大电路的最大输出电流达2A，满足功率管通断的电流要求。
所述负压产生电路包括稳压管二极管D2、限流电阻R4和滤波电容C1、C2，该电路通过外部提供的20V电源产生5V电源分别提供给光电隔离电路和功率放大电路的输入端NI，同时又直接连接功率管的源极，作为源极的基准电压。根据功率管对关断的要求，采用负压关断可以使关断迅速和彻底，其关断负压在-10V～0V之间，负压越大，关断越迅速和彻底，综合考虑光耦隔离电路后端的上拉电源和功率放大电路的一路输入信号用电，产生5V电源作为负压和电源。外部提供的20V电源通过限流电阻R4接稳压二极管D2的阴极，其阳极接20V电源地，滤波电容C1、C2一起并接在稳压二极管两端，对稳压二极管两端产生的5V电源进行滤波。
所述的瞬态过压保护电路为瞬态电压抑制二极管D1，瞬态电压抑制二极管D1一端接限流电阻R3的另一端，另一端接负压产生电路产生的5V电源，该5V电源同时又接到功率管的源极作为关断负压，正常情况下功率管的栅源极电压Vgs高电平为15V，瞬态电压抑制二极管不工作，当功率管的栅源极电压Vgs由于干扰出现超过20V的尖峰脉冲时，能瞬间导通，保证Vgs始终不高于20V，这样功率管的栅极不会由于过压而损坏。为满足上述的工作条件，该瞬态电压抑制二极管取最大箝位电压19～21V、峰值脉冲功率为500W的双向瞬态电压抑制二极管即可满足要求。
实施例1：
根据图2所示电路原理图，该电路实现方式如下：1)光耦隔离电路，光电耦合器需要选用高速、高隔离电压的光电隔离器件，保证高频脉宽信号传输的稳定和可靠，本实施例中采用超高速、隔离电压为2500V的隔离器件6N137，其内部有一个850nm波长AlGaAsLED和一个集成检测器组成，传输速度为10MB/s，满足脉宽信号传输的要求，电阻R1、R2分别选用1KΩ/0.25W、10KΩ/0.25W即可满足要求。光耦隔离后信号上升沿的延时为12ns，下降沿的延时为50ns，一个脉宽周期中由光耦隔离造成的延时总共62ns，这为脉宽信号的高频传输提供了保证。该光电耦合器件也可选择其它无源的高速光电隔离器件如TLP521来完成。
2)功率放大电路，主要对光电耦合电路隔离输出的信号进行功率放大，主要包括整形电路和放大电路两部分，本实施例中选用功率放大专用集成电路器件UC3705，该集成电路的输入端有两个引脚，两信号通过逻辑运算后再进行放大输出，可以灵活选择输出驱动信号的极性。光电隔离电路产生的输出接集成电路的反相输入端INVNI，另一输入端NI接负压产生电路生成的5V电源，逻辑地LogicGnd接光电耦合器输出地GND，电源引脚Vs和VC接电源+20V，输出电源地PwrGnd接20V电源地，光电隔离电路输出的隔离信号经功率放大电路后，通过限流电阻R3接功率管的栅极G。该器件输出信号的最大电流峰值值为2A，满足大多数功率管的要求。
3)负压产生电路，根据功率管对关断的要求，采用负压关断可以使关断迅速和彻底，其关断负压在-10V～0V之间，负压越大，关断越迅速和彻底，再综合考虑光耦隔离电路中6N137后端的上拉电源和功率放大电路的一路输入信号用电，产生5V电源作为负压和电源。由稳压二极管管D2(1N4732)、电容C1(25V/0.1uF)、C2(25V/10uF)、电阻R4(310Ω/0.5W)组成，从20V电源得到5V，作为脉宽信号放大后的负端，如图2中标有S的一端，当UC3705输出高电平20V时，VGS为15V，输出低电平0V时，VGS为-5V，满足了功率模块对驱动信号的电压要求。
4)瞬态过压保护电路为瞬态电压抑制二极管D1，瞬态电压二极管D1一端接限流电阻R3的后端，另一端接负压产生电路产生的5V电源，该5V电源同时又接到功率管的源极作为关断负压，正常情况下功率的栅源极电压Vgs高电平为15V，瞬态电压抑制二极管不工作，当功率管的栅源极电压Vgs由于干扰出现超过20V的尖峰脉冲时，能瞬间导通，保证Vgs始终不高于20V，这样功率管的栅极不会由于过压而损坏。为满足上述的工作条件，该瞬态电压抑制二极管取最大箝位电压19～21V、峰值脉冲功率为500W的双向瞬态电压抑制二极管即可满足要求。该实施例选取瞬态电压抑制二极管为TVS50D，其最大箝位电压为19V，峰值脉冲功率为500W。
5)限流电阻R3作用是限制驱动功率管的电流，防止驱动电流过大而烧坏功率管，一般根据功率管额定电压和额定电流的大小在5～10Ω之间选取，本实施例中选取10Ω。
本发明简化了背景技术所述专利电路的结构，电路结构的简化使电路的可靠性得到大幅度的提高；在驱动电路的输出端增加了瞬态电压抑制电路，保证了功率管的栅、源极不会由于过压而损坏；简化了驱动电路的电源，外部只需提供一个20V电源驱动电路就可正常工作。
Claims (6)
1.一种脉宽信号放大电路，包括信号光电隔离电路、功率放大电路、负压产生电路及瞬态过压保护电路，其特征在于：输入脉宽信号经光电隔离电路隔离后，进入功率放大电路进行电压和电流的放大，电压电流放大后的脉宽信号经过限流电阻输出到功率管的栅极，完成对功率管的驱动；瞬态过压保护电路并接在功率管的栅、源极间，对栅、源极间的电压尖峰干扰信号进行抑制；负压产生电路产生5V，提供给光电隔离电路和功率放大电路。
2.根据权利要求1所述的脉宽信号放大电路，其特征在于：所述的光电隔离电路包括光电耦合器及第一上拉电阻R1、第二上拉电阻R2，光电耦合器的输入端阳极通过第一上拉电阻R1与脉宽信号共地的5V电源，阴极接脉宽输入信号，脉宽输入信号经光电耦合器光电隔离后，从光电耦合器集电极输出，经第二上拉电阻R2后上拉到负压产生电路生成的5V电源，然后输出到功率放大电路的输入端，光电耦合器发射极为输出信号的地，与后端的功率放大电路的地连接共地。
3.根据权利要求2所述的脉宽信号放大电路，其特征在于：所述的第一上拉电阻阻值为500Ω～1kΩ，功率不小于0.25W，第二上拉电阻阻值为4.7kΩ～10kΩ，功率不小于0.25W。
4.根据权利要求1所述的脉宽信号放大电路，其特征在于：所述的功率放大电路采用集成电路UC3705，光电隔离电路产生的输出接集成电路的反相输入端INVNI，另一输入端NI接负压产生电路生成的5V电源，逻辑地LogicGnd接光电耦合器输出地GND，电源引脚Vs和VC接电源+20V，输出电源地PwrGnd接20V电源地，光电隔离电路输出的隔离信号经功率放大电路后，接限流电阻R3的一端，R3另一端接功率管的栅极G，功率管的源极S接负压产生电路产生的5V电源。
5.根据权利要求1所述的脉宽信号放大电路，其特征在于：所述的负压产生电路包括稳压管二极管D2、限流电阻R4和滤波电容C1、C2，外部提供的20V电源通过限流电阻R4接稳压二极管D2的阴极，稳压二极管D2的阳极接20V电源地，滤波电容C1、C2一起并接在稳压二极管两端，对稳压二极管两端产生的5V电源进行滤波；5V电源分别提供给光电隔离电路和功率放大电路的输入端NI，同时又直接连接功率管的源极，作为源极的基准电压。
6.根据权利要求1所述的脉宽信号放大电路，其特征在于：所述的瞬态过压保护电路为瞬态电压抑制二极管D1，瞬态电压抑制二极管D1一端接限流电阻R3的另一端，瞬态电压抑制二极管D1的另一端接负压产生电路产生的5V电源，该瞬态电压抑制二极管取最大箝位电压19～21V、峰值脉冲功率为500W的双向瞬态电压抑制二极管。
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