CN105939096A - 开关元件的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供开关元件的驱动电路，在任何占空比范围内均能基于固定的栅极电压稳定地驱动开关元件。开关元件的驱动电路具有：第1电容器，其在变压器的第1二次绕组的一端产生高于另一端的电压时进行充电，在第1二次绕组的另一端产生高于一端的电压时经由电阻进行放电；第2电容器，其在第1二次绕组的一端产生高于另一端的电压时经由电阻进行放电，在第1二次绕组的另一端产生高于一端的电压时进行充电；第2晶体管，其根据已充电的第2电容器的电压与第1二次绕组的电压的合计电压，接受驱动电源的供电而导通，由此使开关元件导通；以及第1晶体管，其根据已充电的第1电容器的电压与第1二次绕组的电压的合计电压而导通，由此使开关元件截止。

Description

开关元件的驱动电路

技术领域

本发明涉及开关元件的驱动电路，其在任何占空比范围内均能基于固定的栅极电压稳定地驱动开关元件。

背景技术

作为现有的开关元件的驱动电路，例如，已知有专利文献1中记载的驱动电路。图9是表示现有的开关元件的驱动电路的电路结构的图。

在图9中，根据脉冲信号，晶体管Q6与晶体管Q7交替地导通、截止，导通截止信号经由变压器T的一次绕组P和二次绕组S被施加到开关元件Q8的栅极，能够使得开关元件Q8导通、截止。

这样，当驱动开关元件Q8时，在脉冲变压器驱动中，不论是在如图10(a)所示的脉冲信号的占空比为50％以下的情况下，还是在如图10(b)所示的脉冲信号的占空比为50％以上的情况下，变压器T的二次侧的电压与时间之积均是平衡的。即，在脉冲信号的1个周期内，正值的峰值电压Va的面积与负值的峰值电压Vb的面积相等。

【专利文献1】：日本特开2001-345194号公报

然而，当要想获得占空比为50％以上的脉冲信号时，由于电压与时间之积的平衡，很难获得期望的峰值电压Va。如果进一步将占空比扩大，则峰值电压Va无法达到开关元件Q8的栅极阈值电压。因此，存在无法驱动开关元件Q8的情况。

发明内容

本发明的课题在于提供开关元件的驱动电路，其在任何占空比范围内均能基于固定的栅极电压稳定地驱动开关元件。

本发明的开关元件的驱动电路的特征在于，具有：变压器，其具有被输入驱动信号的一次绕组和驱动开关元件的第1二次绕组；第1电容器，其在所述第1二次绕组的一端产生高于另一端的电压时进行充电，在所述第1二次绕组的另一端产生高于一端的电压时经由电阻进行放电；第2电容器，其在所述第1二次绕组的一端产生高于另一端的电压时经由所述电阻进行放电，在所述第1二次绕组的另一端产生高于一端的电压时进行充电；驱动电源；第2晶体管，其根据已经充电的所述第2电容器的电压与所述第1二次绕组的电压的合计电压，接受所述驱动电源的供电而导通，由此使所述开关元件导通；以及第1晶体管，其根据已经充电的所述第1电容器的电压与所述第1二次绕组的电压的合计电压而导通，由此使所述开关元件截止。

根据本发明，第2晶体管根据已经充电的第2电容器的电压与第1二次绕组的电压的合计电压，接受驱动电源的供电而导通，由此使开关元件导通，第1晶体管根据已经充电的第1电容器的电压与第1二次绕组的电压的合计电压而导通，由此使开关元件截止。即，在任何占空比范围内都能够从驱动电源向开关元件施加固定的栅极电压，因此能够稳定地驱动开关元件。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的开关元件的驱动电路的电路结构的图。

图2是用于说明本发明的实施例1的开关元件的驱动电路的工作的图。

图3是用于说明本发明的实施例1的开关元件的驱动电路的工作的图。

图4是本发明的实施例1的开关元件的驱动电路的各部分的时序图。

图5是表示本发明的实施例1的开关元件的驱动电路的占空比较小时和占空比较大时的开关元件的栅极波形的图。

图6是表示本发明的实施例2的开关元件的驱动电路的电路结构的图。

图7是本发明的实施例2的开关元件的驱动电路的各部分的时序图。

图8是表示本发明的实施例3的开关元件的驱动电路的电路结构的图。

图9是表示现有的开关元件的驱动电路的电路结构的图。

图10是表示现有的开关元件的驱动电路的占空比较小时和占空比较大时的开关元件的栅极脉冲波形的图。

标号说明

Ta、Tb、Tc：变压器；P：一次绕组；S、S1：二次绕组；C1～C4、C11：电容器；R1～R6、R11、R12：电阻；Q1、Q2、Q4～Q7、Q3、Q3a、Q3b、Q8：开关元件；Vcc、Vcc1、Vcc2：直流电源；D1～D4：二极管。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例1

图1是表示本发明的实施例1的开关元件的驱动电路的电路结构的图。在图1中，变压器Ta具有：与端子a和端子b连接且被输入驱动信号的一次绕组P、以及与端子c和端子d连接的二次绕组S。二次绕组S的两端连接有电容器C1和二极管D1的串联电路。

电容器C1的一端连接着二次绕组S的一端和电容器C2的一端。电容器C1的另一端连接着基极电阻R1的一端和二极管D1的正极。基极电阻R1的另一端连接着双极型pnp晶体管Q1的基极、双极型npn晶体管Q2的基极、以及基极电阻R2的一端。

电容器C2的另一端与基极电阻R2的另一端和二极管D2的负极相连接。二次绕组S的另一端与二极管D1的负极、晶体管Q1的发射极、晶体管Q2的发射极、二极管D2的正极、以及电阻R3的一端相连接。

电阻R3的另一端与开关元件Q3的栅极相连接。晶体管Q2的集电极与电源Vcc的正极相连接，晶体管Q1的集电极与电源Vcc的负极和开关元件Q3的源极相连接。

另外，电容器C1的与变压器Ta的端子c相连接的一侧为正电压，电容器C2的与二极管D2的负极相连接的一侧为正电压。对于基极电阻R1，从开关元件Q1的基极朝向电容器C1的方向为正电流方向，对于基极电阻R2，从电容器C2朝向晶体管Q2的基极的方向为正电流方向。

接着，参照图2、图3以及图4的时序图对这样构成的实施例1的开关元件的驱动电路的工作进行说明。

另外，在图4中，Vab表示端子a和端子b之间的电压，Vcd表示端子c和端子d之间的电压，C1v表示电容器C1的两端电压，C2v表示电容器C2的两端电压，R1i表示流过基极电阻R1的电流，R2i表示流过基极电阻R2的电流，Q3g表示被施加到开关元件Q3的栅极的电压。

首先，参照图2对图4的期间T1的工作进行说明。在图2中，示出了如下状态下的电流的情形：在变压器Ta的端子a和端子b之间，以端子a的电压大于端子b的电压的方式施加脉冲电压，在变压器Ta的二次侧产生了图2或图3的电压Va。

当由于施加的电压Vab使得电流从变压器Ta的端子a流到端子b时，由于同时在变压器Ta的二次侧产生的电压Vcd而产生了电流，一种是电流按照Ta→C1→D1→Ta这样的第1路径流动，电容器C1被快速充电，电压C1v上升。另一种是电流R2i按照Ta→C2→R2→Q2的基极→Q2的发射极→Ta这样的第2路径流动。

此时，二极管D1与晶体管Q2的基极-发射极间的正向电压大致相等，因此，基极电阻R1的两端电压相等，电流R1i几乎不流过基极电阻R1，因此可以忽视流过基极电阻R1的电流路径。

另外，通过第2路径，晶体管Q2导通，按照Vcc→Q2→R3→Q3的栅极这样的路径对开关元件Q3的输入电容Ciss进行充电，从而开关元件Q3导通。此时，开关元件Q3的栅极电压Q3g为Vcc。

另外，当基于变压器Ta的相反极性而流过电流时在Ta→D2→C2→Ta这样的第3路径中，电容器C2已经基于电压Vb被充电，因此，通过变压器Ta的二次侧输出Va，在第2路径上，经由基极电阻R2，基于合计电压Vs(正值电压Va+负值电压Vb，参考图10)驱动晶体管Q2。利用变压器Ta的输出和电容器C2的电荷，经由基极电阻R2驱动晶体管Q2，因此第2路径是电容器C2的电荷放电路径。

接着，参照图3，对图4的期间T2的工作进行说明。首先示出了如下状态下的电流的情形：在期间T2内，在变压器Ta的端子a和端子b之间，以端子b的电压大于端子a的电压的方式施加脉冲电压，在变压器Ta的二次侧产生了图2或图3的电压Vb。

当由于施加的电压Vab使得电流从变压器Ta的端子b流到端子a时，由于同时在变压器Ta的二次侧产生的电压Vcd而产生了电流，一种是电流按照Ta→D2→C2→Ta这样的第3路径流动，电容器C2被快速充电，电压C2v上升。另一种是电流R1i按照Ta→Q1的发射极→Q1的基极→R1→C1→Ta这样的第4路径流动。

此时，二极管D2与晶体管Q1的基极-发射极间的正向电压大致相等，因此，基极电阻R2的两端电压相等，电流R2i几乎不流过基极电阻R2，因此可以忽视流过基极电阻R2的电流路径。

另外，通过第2路径，晶体管Q1导通，并且按照Q3的栅极→R3→Q1的栅极的路径，对开关元件Q3的输入电容Ciss进行放电，使开关元件Q3截止。

另外，由于电容器C1已经在第1路径中基于电压Va进行充电，因此，通过变压器Ta的二次侧输出Vb，在第4路径上，经由基极电阻R1，基于合计电压Vs(正值电压Va+负值电压Vb，参考图10)驱动晶体管Q1。利用变压器Ta的输出和电容器C1的电荷，经由基极电阻R1驱动晶体管Q1，因此第4路径是电容器C1的电荷放电路径。

在期间T1内，电容器C1基于电压Va进行快速充电，利用已经基于电压Vb进行充电的电容器C2的电压与变压器Ta的二次侧电压Va的合计电压，经由基极电阻R2驱动晶体管Q2，使开关元件Q3导通。

在期间T2内，利用电容器C1已经基于电压Va进行充电后的电压Va与变压器Ta的二次侧电压Vb的合计电压，经由基极电阻R1驱动晶体管Q1，使开关元件Q3截止，并使电容器C2快速充电。

这样，根据实施例1的开关元件的驱动电路，在期间T1内，电容器C1通过第1路径进行快速充电，在期间T2内，电容器C2通过第3路径进行快速充电，因此能够可靠地进行充电。另外，在期间T1内，电容器C2通过第2路径经由基极电阻R2进行放电，在期间T2内，电容器C1通过第4路径经由基极电阻R1进行放电。

即，对于电容器C1和C2而言，都是充电速度远大于放电速度，因此，晶体管Q1、Q2经由各自的基极电阻R1、R2，始终以电压Va与电压Vb的大致合计值(由于存在放电导致的电压倾斜，因此使用了“大致”)被驱动。

并且，在期间T1内，基极电阻R1的两端电压大致相等，在期间T2内，基极电阻R2的两端电压大致相等，因此，在各个期间内电流几乎不流过基极电阻R1、R2。因此，能够对充电路径和放电路径进行分离，能够稳定地对电容器C1、C2进行充放电。

因此，晶体管Q1、Q2被稳定地驱动，在任何占空比范围内都能够以固定的电源Vcc稳定地驱动开关元件Q3。另外，结构变得简单。

图5(a)示出了占空比较小时例如占空比为4.7％时的开关元件Q3的栅极波形。图5(b)示出了占空比较大时例如占空比为93.6％时的开关元件Q3的栅极波形。图5(b)所示的占空比为93.6％时的电压Va远大于现有的图10(b)所示的电压Va，因此能够稳定地驱动开关元件Q3的栅极。

实施例2

图6是表示本发明的实施例2的开关元件的驱动电路的电路结构的图。图7是本发明的实施例2的开关元件的驱动电路的各部分的时序图。

图1所示的实施例1与图6所示的实施例2的不同点在于，图1所示的实施例1的开关元件的驱动电路的变压器Ta的一次绕组P和二次绕组S为同相，与之相对，图6所示的实施例2的开关元件的驱动电路的变压器Tb的一次绕组P和二次绕组S1为反相。

因此，当将与图4相同的脉冲信号施加到变压器Tb的端子a和端子b之间时，二次绕组S1相对于一次绕组P反相卷绕，由此变压器Tb的端子c和端子d之间产生了将电压Vab反转后的电压Vcd。因此，图7所示的电压C1v、C2v、电流R1i、R2i、电压Q3g是将图4所示的电压C1v、C2v、电流R1i、R2i、电压Q3g反转后得到的。

因此，相对于实施例1的开关元件的驱动电路而言，实施例2的开关元件的驱动电路只是进行反转后的工作，其效果与实施例1的效果相同。

实施例3

图8是表示本发明的实施例3的开关元件的驱动电路的电路结构的图。在图8中，变压器Tc具有：一次绕组P、与一次绕组P同相的第1二次绕组S、以及与一次绕组P反相的第2二次绕组S1。

对应于第1二次绕组S，设置有电源Vcc1、电容器C1、C2、晶体管Q1、Q2、基极电阻R1、R2、电阻R3、以及低压侧用的开关元件Q3a，即设置有图1所示的结构。

对应于第2二次绕组S1，设置有电源Vcc2、电容器C3、C4、晶体管Q4、Q5、基极电阻R4、R5、电阻R6、以及高压侧用的开关元件Q3b，即设置有图6所示的结构。

在该开关元件的驱动电路中，开关元件Q3a和开关元件Q3b以图腾柱(totempole)的方式连接，形成半桥结构，能够使开关元件Q3a和开关元件Q3b交替地进行导通、截止动作。并且，在任何占空比范围内都能够以固定的电源Vcc稳定地驱动开关元件Q3a、Q3b的栅极。

Claims (4)

1.一种开关元件的驱动电路，其特征在于，具有：

变压器，其具有被输入驱动信号的一次绕组和驱动第1开关元件的第1二次绕组；

第1电容器，其在所述第1二次绕组的一端产生了高于另一端的电压时进行充电，在所述第1二次绕组的另一端产生了高于一端的电压时经由电阻进行放电；

第2电容器，其在所述第1二次绕组的一端产生了高于另一端的电压时经由所述电阻进行放电，在所述第1二次绕组的另一端产生了高于一端的电压时进行充电；

第1驱动电源；

第2晶体管，其根据已经充电的所述第2电容器的电压与所述第1二次绕组的电压的合计电压，接受所述第1驱动电源的供电而导通，由此使所述第1开关元件导通；以及

第1晶体管，其根据已经充电的所述第1电容器的电压与所述第1二次绕组的电压的合计电压而导通，由此使所述第1开关元件截止。

2.根据权利要求1所述的开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述电阻是串联连接第1电阻和第2电阻而成的，所述第1电阻连接在所述第1电容器和所述第1晶体管之间，所述第2电阻连接在所述第2电容器和所述第2晶体管之间，

所述第2晶体管在所述第2电容器经由所述第2电阻进行放电时导通，经由所述第1驱动电源使所述第1开关元件导通，

所述第1晶体管在所述第1电容器经由所述第1电阻进行放电时导通，使所述第1开关元件截止。

3.根据权利要求1或2所述的开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述开关元件的驱动电路具有：

第1二极管，其连接于所述第1电阻与所述第1晶体管的基极及发射极的串联电路的两端；以及

第2二极管，其连接于所述第2电阻与所述第2晶体管的基极及发射极的串联电路的两端。

4.根据权利要求1或2所述的开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述变压器还具有驱动第2开关元件的第2二次绕组，

所述开关元件的驱动电路具有：

第3电容器，其在所述第2二次绕组的一端产生了高于另一端的电压时进行充电，在所述第2二次绕组的另一端产生了高于一端的电压时经由第4电阻进行放电；

第4电容器，其在所述第2二次绕组的一端产生了高于另一端的电压时经由所述第4电阻进行放电，在所述第2二次绕组的另一端产生了高于一端的电压时进行充电；

第2驱动电源；

第4晶体管，其根据已经充电的所述第4电容器的电压与所述第2二次绕组的电压的合计电压，接受所述第2驱动电源的供电而导通，由此使所述第2开关元件导通；以及

第3晶体管，其根据已经充电的所述第3电容器的电压与所述第2二次绕组的电压的合计电压而导通，由此使所述第2开关元件截止。