CN105610307B - 一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路 - Google Patents

一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路 Download PDF

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Abstract

一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路，包括脉宽调制驱动器、电容Cb、C1、变压器T1、二极管D以及开关管Q1。增设电阻R1与电容C1并联以及电容C2与电阻R2并联和Buck电路、辅助变压器TA、TB。TB设有2个副边，C2与R2并连后一端接二极管D的阴极，另一端通过TB其中一个副边连接Q1的栅极，Buck电路的正输出端串联TB和TA的两个原边后连接Buck电路的负输出端，T1原边同名端串联TA副边和TB的另一副边后连接T1原边的非同名端并接地。在Q1关断时，二极管D、电容C2、电阻R2构成负压产生源，Buck电路、辅助变压器TA和TB构成电压补偿网络，保证负压的稳定，避免Q1的误导通。

Description

一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路
技术领域
本发明涉及开关电路技术中的功率变换器，特别涉及一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路。
背景技术
现代电子设备对其供电装置(功率变换器)提出了轻便和高效率等方面的要求，使得功率变换器的功率密度和开关频率不断提高，功率容量更大的桥式拓扑、性能更优的新型器件如绝缘栅场效应管(IGBT)等被广泛应用。由于材料限制，传统硅基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限，宽禁带器件如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等应用而生。这些都给功率变换器的驱动电路提出了更快、更高效、更可靠等更高的要求。在桥式拓扑中，当上管关段时产生极大的dv/dt，这将可能引起下管的误开启，造成上下管发生短路直通，因此有必要为在功率管关断期间为其提供反向的栅极电压；而IGBT关断期间，栅极电路中会产生高频振荡信号，这些信号轻则会使IGBT处于微通的状态，增加功率管的反向栅压功耗，重则将使上下管短路直通，因此必须为IGBT提供反向的栅极电压，加速IGBT的关断过程；而宽禁带器件固有常态下的开通特性，决定其栅极需一定的负压，使开关管保持关断。
图1是现有的一种磁隔离驱动电路，包括脉宽调制驱动器，隔离驱动变压器T1，栅极并联二极管D，电容Cb，副边电容C1，电容电压的参考方向如图1所示。图1所示驱动电路稳态工作时各点的电压波形参见图2，其中Vin是脉宽调制驱动器的输出电压波形，假设稳态时占空比为d幅值为M；Vb和V1分别是电容Cb和第二电容C1两端的电压波形，幅值均为dM；Vp和Vs分别是变压器T1输入端和输出端电压波形，Vgs是磁隔离驱动电路输出端的电压波形，并假设隔离驱动变压器T1的原边与副边绕组匝比为1。这种磁隔离驱动电路的优点是输出电平与占空比d无关，且占空比可大于0.5。但这种磁隔离驱动电路也具有很明显的缺点，隔离驱动变压器T1由于绕制工艺的影响会产生一定的漏感，该漏感会与隔直电容在开通和关断瞬间产生谐振，最终导致驱动电路的输出电平上叠加一定的电压尖峰，电压尖峰可能引起功率开关管的误动作，使控制失效。不仅如此，漏感引起的谐振电压尖峰过大还会导致功率管的栅极被击穿，对于更容易被击穿的宽禁带器件来说，尤其需要在器件截止时栅极存在一个负压。
发明内容
本发明目的在于提供一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路，在被驱动开关管关断时产生一个负压，防止被驱动器件的误开通，从而提高系统的可靠性。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路，包括产生控制信号的脉宽调制驱动器、原边隔直电容Cb、隔离变压器T1、副边隔直电容C1、二极管D以及被驱动的开关管Q1，脉宽调制驱动器的正输出端通过隔直电容Cb连接隔离变压器T1原边绕组的同名端，隔离变压器T1原边绕组的非同名端连接脉宽调制驱动器的负输出端，隔离变压器T1副边绕组的同名端连接隔直电容C1的一端，隔直电容C1的另一端连接二极管D的阴极和被驱动开关管Q1的栅极，被驱动开关管Q1的源极与二极管D的阳极以及隔离变压器T1副边绕组的非同名端连接在一起，其特征在于：
在隔直电容C1的两端增设并联电阻R1，并增设电容C2与电阻R2并联以及Buck电路、辅助变压器TA、辅助变压器TB，其中辅助变压器TB设有两个副边绕组，电容C2与电阻R2并联后的一端连接二极管D的阴极，电容C2与电阻R2并联后的另一端连接辅助变压器TB的其中一个副边绕组的同名端，该副边绕组的非同名端连接在隔直电容C1与被驱动开关管Q1栅极的连接端上，Buck电路的正输出端连接辅助变压器TB原边绕组的同名端，变压器TB原边绕组的非同名端连接辅助变压器TA原边绕组的同名端，变压器TA原边绕组的非同名端连接Buck电路的负输出端，辅助变压器TA副边绕组的非同名端连接在隔直电容Cb与隔离变压器T原边绕组同名端的连接端上，辅助变压器TA副边绕组的同名端连接辅助变压器TB另一个副边绕组的非同名端，该副边绕组的同名端连接在隔离变压器T1原边绕组的非同名端与脉宽调制驱动器负输出端的连接端上并接地；在被驱动的开关管Q1关断时，二极管D、电容C2、电阻R2构成负压产生源，Buck电路、辅助变压器TA和辅助变压器TB构成电压补偿网络，作为对负压进行调整和补偿的辅助电源，保证负压的稳定，避免被驱动的开关管Q1的误导通。
所说电容C2的数值应>>被驱动开关管Q1的栅极电容，需为被驱动开关管Q1栅极电容的20倍以上，电阻R1以及电阻R2都采用数值为数百欧姆的大电阻。
本发明具有如下优点：
1、在被驱动MOS管关断时，传统驱动方案往往将MOS管栅极电荷通过大地完全泄放掉，或者由栅源泄放电阻和MOS管的栅源寄生电阻消耗掉，这样不仅增加了驱动电路的损耗，而且也降低了功率MOS管的可靠性。本发明所采用的驱动方案，是将MOS管栅极上面的电荷在MOS管关断时，由二极管D、电容C2、电阻R2构成负压产生源，Buck电路、辅助变压器TA和辅助变压器TB构成电压补偿网络，作为对负压进行调整和补偿的辅助电源，保证负压的稳定，防止被驱动器件的误开通，从而提高系统的可靠性，同时满足宽禁带器件的驱动要求。
2、在被驱动功率MOS管开通时，与传统的驱动方案相比，本发明由于省去了栅极驱动电阻，这样就不存在栅极驱动电阻上面的损耗，降低了驱动电路的损耗，提高了系统的效率。
3、本发明由基本的Buck电路对所述的负压进行补偿，不受占空比影响，即在不对称半桥以及其他控制方法中也可以适用。
4、本发明隔离驱动电路的输出驱动信号幅值与占空比无关，所述隔离驱动电路的产生的负压幅值与占空比无关，Buck电压调整的输出与脉宽调制驱动器的输出有关。
附图说明
图1是现有的一种磁隔离驱动电路图；
图2是现有的一种磁隔离驱动电路的主要工作波形；
图3是本发明一种产生固定负压的隔离驱动电路图；
图4是本发明所使用的现有技术Buck电路的电路图；
图5是本发明提出的一种产生固定负压的隔离驱动电路的电压补偿网络；
图6是本发明不连接图5时的磁隔离驱动电路；
图7是本发明电路不接Buck电路和辅助变压器TA、TB时的主要工作波形；
图8是本发明电路连接Buck电路和辅助变压器TA、TB后的主要工作波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行展开说明：
参看图3，一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路，包括产生控制信号的脉宽调制驱动器101、原边隔直电容Cb、隔离变压器T1、副边隔直电容C1、二极管D以及被驱动的开关管Q1，脉宽调制驱动器101的正输出端通过隔直电容Cb连接隔离变压器T1原边绕组的同名端，隔离变压器T1原边绕组的非同名端连接脉宽调制驱动器的负输出端，隔离变压器T1副边绕组的同名端连接隔直电容C1的一端，隔直电容C1的另一端连接二极管D的阴极和被驱动开关管Q1的栅极，被驱动开关管Q1的源极与二极管D的阳极以及隔离变压器T1副边绕组的非同名端连接在一起，二极管D反向偏置截止。
本发明在隔直电容C1的两端增设并联电阻R1，并增设电容C2与电阻R2并联以及Buck电路102、辅助变压器TA、辅助变压器TB，其中辅助变压器TB设有两个副边绕组，电容C2与电阻R2并联后的一端连接二极管D的阴极，电容C2与电阻R2并联后的另一端连接辅助变压器TB的其中一个副边绕组的同名端，该副边绕组的非同名端连接在隔直电容C1与被驱动开关管Q1栅极的连接端上(图示标号103)，Buck电路102的正输出端连接辅助变压器TB原边绕组的同名端，变压器TB原边绕组的非同名端连接辅助变压器TA原边绕组的同名端，变压器TA原边绕组的非同名端连接Buck电路102的负输出端，辅助变压器TA副边绕组的非同名端连接在隔直电容Cb与隔离变压器T原边绕组同名端的连接端上，辅助变压器TA副边绕组的同名端连接辅助变压器TB另一个副边绕组的非同名端，该副边绕组的同名端连接在隔离变压器T1原边绕组的非同名端与脉宽调制驱动器负输出端的连接端上并接地；在被驱动的开关管Q1关断时，二极管D、电容C2、电阻R2构成负压产生源，Buck电路102、辅助变压器TA和辅助变压器TB构成电压补偿网络，作为对负压进行调整和补偿的辅助电源，保证负压的稳定，避免被驱动的开关管Q1的误导通。
上述电路中，磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为电容C1与隔离驱动变压器T1副边电压之和，即磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为(1-d)M+dM*R1/(R1+R2)；当脉宽调制驱动信号为零时，二极管D正向偏置导通，磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为电阻R2和电阻R1串联分压，此时电阻R2和电阻R1的串联电压为隔离驱动变压器T1副边电压，即磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为-dM*R2/(R1+R2)，电压参考方向如图3所示，从而产生负压。所述磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs幅值随着占空比的变化而变化时，Buck电路通过辅助变压TB对负压电压进行补偿，使得磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs幅值稳定，幅值参见图5隔离驱动电路连接Buck电压调整网络时的主要工作波形，其中C为可设定的常数。
图4是一种常见的Buck电路，图5是图4Buck电路与辅助变压器TA、TB共同构成负压补偿网络，图6是本发明不连接图5时的磁隔离驱动电路。
图7所示为磁隔离驱动电路不接Buck电路和辅助变压器TA、TB负压补偿网络时的主要工作波形。其中Vin是脉宽调制驱动器的输出电压波形，假设稳态时占空比为d，幅值为M；并假设隔离驱动变压器T1的原边与副边绕组匝比为1；Vb是电容Cb两端的电压，其电压参考方向如图3所示，幅值为dM；Vp和Vs分别是隔离驱动变压器T1输入端和输出端电压波形，其电压参考方向如图3所示，当脉宽调制驱动信号为正时，隔离驱动变压器T1输入端和输出端电压幅值为(1-d)M，当脉宽调制驱动信号为零时，隔离驱动变压器T1输入端和输出端电压幅值为dM；V1和V2分别是电容C1和电容C2两端的电压，其电压参考方向如图3所示，幅值分别为dM*R1/(R1+R2)和dM*R2/(R1+R2)；Vgs是磁隔离驱动电路输出端的电压波形，其电压参考方向如图3所示.当脉宽调制驱动信号为正时，所述二极管D的阳极与被驱动开关管Q1的源极和隔离驱动变压器T1副边侧的另一端相连，故二极管D反向偏置截止，磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为电容C1与隔离驱动变压器T1副边电压之和，即磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为(1-d)M+dM*R1/(R1+R2)；当脉宽调制驱动信号为零时，二极管D正向偏置导通，磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为电阻R2和电阻R1串联分压，此时电阻R2和电阻R1的串联电压为隔离驱动变压器T1副边电压，即磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs为-dM*R2/(R1+R2)，电压参考方向如图3所示，从而产生负压并使得所产生的负压负值固定。
图8所示为磁隔离驱动电路连接Buck电路和辅助变压器TA、TB负压补偿网络时的主要工作波形。由图7可知，磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs其幅值会随着占空比的变化而变化，从而引入了辅助变压器TB的第二副边绕组的异名端与所述被驱动开关管Q1栅极相连，其电压参考方向如图3。该副边绕组的同名标注端与电容C2的负极相连，电阻R2并联在电容C2两侧；辅助变压器TA和辅助变压器TB的第一副边绕组串联后连接到隔离驱动变压器T1的原边两端，其电压参考方向如图3所示。隔离驱动变压器T1的原边与电容Cb连接的一端和副边与电容C1连接的一端为同名端，辅助变压器TA的副边与电容Cb连接的一端和原边与Buck电路连接的一端为同名端，辅助变压器TB的副边与脉宽调制驱动器相连的一端和原边与Buck电路连接的一端为同名端，辅助变压器TB的一个副边绕组与电容C2相连的一端和原边与Buck电路连接的一端为同名端。磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs幅值随着占空比的变化而变化时，Buck电路通过辅助变压TB对负压电压进行补偿，使得磁隔离驱动电路输出端的电压Vgs幅值稳定，幅值参见图8隔离驱动电路连接Buck电压调整网络时的主要工作波形，其中C为可设定的常数。
本发明技术在传统隔离驱动电路的基础上，在自举二极管D的阴极串联电容C2，用以在开关管栅极关断时产生负压；并在电容C2的负极串联辅助变压器TB的其中一个副边绕组，使得原边占空比变化时对所述负压进行补偿，保证负压电路在栅极关断时产生的负压稳定，防止被驱动器件的误导通，保护被驱动器件的安全，提高了系统的可靠性，同时满足宽禁带器件的驱动要求，并且在不对称半桥以及其他新型控制方法中也可以适用。本发明隔离驱动电路的输出驱动信号幅值与占空比无关，隔离驱动电路的产生的负压幅值与占空比无关。

Claims (2)

1.一种产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路，包括产生控制信号的脉宽调制驱动器、原边隔直电容Cb、隔离变压器T1、副边隔直电容C1、二极管D以及被驱动的开关管Q1，脉宽调制驱动器的正输出端通过隔直电容Cb连接隔离变压器T1原边绕组的同名端，隔离变压器T1原边绕组的非同名端连接脉宽调制驱动器的负输出端，隔离变压器T1副边绕组的同名端连接隔直电容C1的一端，隔直电容C1的另一端连接二极管D的阴极和被驱动开关管Q1的栅极，被驱动开关管Q1的源极与二极管D的阳极以及隔离变压器T1副边绕组的非同名端连接在一起，其特征在于：
在隔直电容C1的两端增设并联电阻R1，并增设电容C2与电阻R2并联以及Buck电路、辅助变压器TA、辅助变压器TB，其中辅助变压器TB设有两个副边绕组，电容C2与电阻R2并联后的一端连接二极管D的阴极，电容C2与电阻R2并联后的另一端连接辅助变压器TB的其中一个副边绕组的同名端，该副边绕组的非同名端连接在隔直电容C1与被驱动开关管Q1栅极的连接端上，Buck电路的正输出端连接辅助变压器TB原边绕组的同名端，变压器TB原边绕组的非同名端连接辅助变压器TA原边绕组的同名端，变压器TA原边绕组的非同名端连接Buck电路的负输出端，辅助变压器TA副边绕组的非同名端连接在隔直电容Cb与隔离变压器T原边绕组同名端的连接端上，辅助变压器TA副边绕组的同名端连接辅助变压器TB另一个副边绕组的非同名端，该副边绕组的同名端连接在隔离变压器T1原边绕组的非同名端与脉宽调制驱动器负输出端的连接端上并接地；在被驱动的开关管Q1关断时，二极管D、电容C2、电阻R2构成负压产生源，Buck电路、辅助变压器TA和辅助变压器TB构成电压补偿网络，作为对负压进行调整和补偿的辅助电源，保证负压的稳定，避免被驱动的开关管Q1的误导通。
2.根据权利要求1所述的产生固定负压的功率开关管隔离栅驱动电路，其特征在于：电容C2数值＞＞被驱动开关管Q1的栅极电容，需为被驱动开关管Q1栅极电容的20倍以上，电阻R1以及电阻R2都采用数值为数百欧姆的大电阻。
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