CN106230414B - 一种基于线性光耦隔离的mosfet/igbt高速驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路，该高速驱动电路通过在线性光耦的集电极或射极使用变阻结构电路，在光耦的输出回路上采用动态电压比较电路，提高驱动信号的传输速度和上升下降沿的陡度，从而提高驱动电路的性能。本发明具有高速驱动速度快，体积小等优点。

Description

一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路

技术领域

本发明涉及一种MOSFET/IGBT驱动技术，特别是一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路。

背景技术

驱动电路是控制电路和电力电子主器件联系的桥梁，把控制信号转换为适合电力电子器件直接控制输入的波形和电压。同时，由于电力电子器件主电路是大电流高电压，而控制电路是小电流低电压，为了避免主电路对控制电路的干扰或破坏，这两者需要电方面的隔离，而驱动电路正是完成这种隔离任务的环节。

对于一般的电力电子器件驱动电路需要具备两个基本的功能，一是具有隔离功能，二是进行波形变换和电平变换以适应电力电子器件控制需要的功能。对于MOSFET/IGBT驱动电路来说，只需要具有隔离功能和电平变换功能就能满足栅极直接控制输入的需要。

目前MOSFET/IGBT驱动电路的主要问题是工作频率不高，无论是采用高频变压器的磁隔离驱动电路，还是采用光耦隔离的集成驱动电路，其最高实测工作频率都在100kHz左右，如果驱动信号的频率再进一步升高，则输出波形不正常，电力电子系统将不能正常工作。

在采用分离元件构成光隔离驱动电路时，光耦是驱动电路的关键元件；如果采用开关型光耦，高频开关型光耦的工作频率可以达到几MHz，能满足要求，但工作电压一般为5V，而驱动电路的工作电压在12V及以上，电平不能兼容；如果采用线性光耦，线性光耦在12V及以上的电压下都能正常工作，但工作频率一般在几十kHz，满足不了高频率的要求。所以，无论是集成型MOSFET/IGBT驱动电路还是分离元件型MOSFET/IGBT驱动电路，目前都无法满足高速驱动的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路，该高速驱动电路在光耦输出回路上采用动态比较电路，从而缩短驱动信号的传输延时和提高上升下降沿的陡度，为MOSFET/IGBT栅极驱动提供高性能的驱动信号。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、线性光耦、第一PNP型三极管、第二PNP型三极管、第三PNP型三极管、第四PNP型三极管、第一NPN型三极管、第一电容、第二电容、MOSFET管、负载、驱动电路控制信号输入端、控制信号电源正极、驱动电路电源正极、驱动电路电源负极、主电路电源正极和主电路电源负极，驱动信号控制信号输入端通过第一电阻与第一PNP型三极管的基极相连，第一PNP型三极管的集电极接地，第一PNP型三极管的发射极与线性光耦基极的第一端相连，第二电阻的一端与控制信号电源正极相连，第二电阻的另一端与线性光耦基极的第二端相连，线性光耦的发射极与驱动电路电源负极相连，线性光耦的发射极还通过负载与主电路电源负极相连，线性光耦的集电极通过第三电阻与驱动电路电源正极相连，线性光耦的集电极还与第二PNP型三极管的集电极相连，第二PNP型三极管的发射极与驱动电路电源正极相连，第二PNP型三极管的基极通过第一电容与驱动电路电源正极相连，线性光耦的集电极还通过第四电阻与第三PNP型三极管的基极相连，第二电容通过导线分别连接于第四电阻的两端，第三PNP型三极管的发射极与驱动电路电源正极相连，第三PNP型三极管的集电极通过第五电阻接地，第三PNP型三极管的集电极还分别与第一NPN型三极管的基极以及第四PNP型三极管的基极相连，第一NPN型三极管的集电极与驱动电路电源正极相连，第一NPN型三极管的发射极与第四PNP型三极管的发射极相连，第一NPN型三极管的发射极还与MOSFET管的栅极相连，第四PNP型三极管的集电极接地，MOSFET管的漏极与主电路电源正极相连，MOSFET管的源极通过负载与主电路电源负极相连。

实验表明，线性光耦集电极和射极间的电压变化速度以及集电极或射极上串联的电阻大小有关。在线性光耦的发光二极管施加方波电流时，线性光耦的集电极或射极上串联的电阻越大，线性光耦的集电极和射极间的电压下降沿的时间越短，而上升沿的时间越长；反过来，如果线性光耦的集电极或射极上串联的电阻越小，线性光耦的集电极和射极间的电压下降沿的时间越长，而上升沿的时间越短。

当线性光耦工作在开关方式时，从线性光耦集电极和射极间电压上升和下降特性看，线性光耦的集电极和射极相当于一个受控可变电阻和一个等效电容的并联，线性光耦的集电极和射极间的输出电压相当于等效电容上的电压。受控可变电阻的阻值受线性光耦中发光二极管控制，当发光二极管通过电流时，受控可变电阻阻值变小；当发光二极管没有电流时，受控可变电阻阻值变大。如果保持线性光耦的集电极或射极上串联电阻的大小不变，当受控可变电阻阻值变小时，等效电容放电速度快于充电速度，等效电容电压下降；当受控可变电阻阻值变大时，等效电容放电速度慢于充电速度，等效电容电压上升。所以，等效电容上电压的升降以及升降的速度受等效电容充电效应和放电效应的共同影响，放电效应由受控可变电阻决定，而充电效应由线性光耦的集电极或射极上串联电阻决定。

如果线性光耦集电极或射极上串联电阻越大，等效电容上的充电速度越慢；当受控可变电阻阻值变小，则等效电容电压下降的速度越快，当受控可变电阻阻值变大，等效电容电压上升的速度越慢。反过来，如果线性光耦的集电极或射极上串联电阻越小，等效电容上的充电速度越快；当受控可变电阻阻值变小，则等效电容电压下降的速度越慢，当受控可变电阻阻值变大，等效电容电压上升的速度越快。这意味着，线性光耦的集电极或射极上串联电阻如果是固定电阻值，不能同时满足等效电容上电压快速上升和下降的需要。

优选的，第三电阻、第二PNP型三极管和第一电容组成变阻结构支路。根据线性光耦集电极和射极间电压的上升和下降改变等效电阻。当给1线性光耦的发光二极管通以电流时，线性光耦集电极和射极间的电压下降，电源通过第三电阻给线性光耦充电；当线性光耦集电极和射极间的电压下降时，第二PNP型三极管的集电极电位降低，由于第一电容电位的钳制，第二PNP型三极管处于临界关断状态，集射极间电阻值非常大，整个变阻结构的等效电阻值由第三电阻决定。当线性光耦的发光二极管断开电流时，线性光耦集电极和射极间的电压升高，第二PNP型三极管集电极电位同时升高，由于第一电容电位的钳制效应，使得第二PNP型三极管的射极电压高于基极电压，即超过0.1V，第二PNP型三极管导通，第二PNP型三极管导通后电阻值很小，整个变阻结构的等效电阻值由第二PNP型三极管导通后的集射极电阻决定。

优选的，第四电阻、第二电容和第三PNP型三极管组成动态电压比较器。第三PNP型三极管为电压比较器，第四电阻和第二电容为信号传输支路。当线性光耦输出电压为高电平时，第三PNP型三极管基极为高电平，关断，集电极输出低电平，此时第二电容电压约为零；当线性光耦输出电压由高电平变低电平时，第三PNP型三极管基极电压比射极电压低，导通，集电极输出高电平，此时第二电容电压逐渐升高，稳定时第二电容的电压约低于驱动电路电源的电压；在这种情况下，当线性光耦的输出信号由高电平向低电平变化时，动态电压比较器即刻检测到这种变化，动态电压比较器输出电压由低电平翻转为高电平。

所以，动态电压比较器既能在线性光耦输出信号由高电平变低电平的起始阶段检测到信号的变化，也能在线性光耦输出信号由低电平变高电平的起始阶段检测到信号的变化；这样，无论是在检测线性光耦输出信号由低电平变高电平时，还是在检测线性光耦输出信号由高电平变低电平时，都几乎没有延时。

本发明的有益效果为：

(1)在线性光耦的集电极或射极串联变阻结构支路，加快线性光耦集电极和射极间电压上升和下降速度；

(2)由第四电阻和第二电容并联后接入电压比较器，从而构成动态电压比较器，能够动态检测信号动态变化；

(3)在线性光耦的输出信号后端设置动态电压比较器，减小PWM脉冲信号上升沿和下降沿的传输延时。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明线性光耦的输出信号波形示意图；

图中，101-驱动电路控制信号输入端；102-第一电阻；103-控制信号电源正极；104-第二电阻；105-线性光耦；106-第一PNP型三极管；107-控制信号接地；108-第三电阻；109-第二PNP型三极管；110-第一电容；112-第四电阻；113-第二电容；114-第三PNP型三极管；115-第五电阻；116-驱动电路电源正极；117-第一NPN型三极管；118-第四PNP型三极管；119-驱动电路电源负极；120-主电路电源正极；121-MOSFET管；122-负载；123-主电路电源负极；201-线性光耦输出信号由高电平变低电平起始转折点；202-线性光耦输出信号由高电平变低电平结束转折点；203-线性光耦输出信号由低电平变高电平结束转折点；204-线性光耦输出信号由低电平变高电平起始转折点。。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例：

如图1所示，一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路，控制信号由驱动电路控制信号输入端101输入，当控制信号为高电平时，第一PNP型三极管106关断，线性光耦105中的发光二极管没有电流通过，线性光耦105的集电极和射极间处于高阻状态，输出信号为高电平，第一电容110电压约为零。当控制信号由高电平变为低电平时，第一PNP型三极管106导通，线性光耦105中的发光二极管通过电流，线性光耦105的集电极和射极间处于低阻状态，输出信号电压开始下降，第三电阻108为线性光耦105提供电流，由于第一电容110的钳位效应，第二PNP型三极管109关断，不向线性光耦105提供电流。

第三电阻108的阻值越大，线性光耦105的集电极和射极间的电压下降越快。

当控制信号为低电平时，第一PNP型三极管106导通，线性光耦105中的发光二极管通过电流，线性光耦105的集电极和射极间处于低阻状态，输出信号为低电平，第一电容110电压约为驱动电路电源电压。当控制信号由低电平变为高电平时，第一PNP型三极管106关断，线性光耦105中的发光二极管没有电流通过，线性光耦105的集电极和射极间处于高阻状态，输出信号电压开始上升，由于第一电容110电压此时约为驱动电源电压，通过第一电容110施加到第二PNP型三极管109基极的电压比射极电压低，第二PNP型三极管109导通。

第二PNP型三极管109导通后，等效电阻很小，线性光耦105输出电压上升很快。

线性光耦105的输出信号波形如图2所示。在图2中，201处为线性光耦105输出信号高电平变低电平过渡过程的起始转折点，202处为线性光耦105输出信号高电平变低电平过渡过程的结束转折点。204处为线性光耦105输出信号低电平变高电平过渡过程的起始转折点，203处为线性光耦105输出信号低电平变高电平过渡过程的结束转折点。t1为线性光耦105输出信号高电平变低电平过渡过程的时间，t2为线性光耦105输出信号低电平变高电平过渡过程的时间。

如果把电压比较器的阈值设置为高电平，则线性光耦105输出信号由高电平变低电平时，在201处电压比较器即刻就能检测出这样的变化，并使电压比较器的输出电压发生翻转。线性光耦105输出信号由低电平变为高电平时，在203处电压比较器检出变化，使电压比较器的输出电压发生翻转，这相当于在线性光耦105输出信号由低电平变高电平的结束转折点电压比较器才能检测到信号的改变。也就是说，当把电压比较器的阈值设为高电平时，在线性光耦105输出信号由高电平变低电平时，电压比较器对信号的检测几乎没有延时，而在线性光耦105输出信号由低电平变高电平时，电压比较器对信号的检测有t2时间的延时。

如果把电压比较器的阈值设置为低电平，则线性光耦105输出信号由高电平变低电平时，在202处电压比较器能检测出这样的变化，并使电压比较器的输出电压发生翻转，这相当于在线性光耦105输出信号由高电平变低电平的结束转折点电压比较器才能检测到信号的改变；线性光耦105输出信号由低电平变为高电平时，在204处电压比较器检出变化，使电压比较器的输出电压发生翻转。也就是说，当把电压比较器的阈值设为低电平时，在线性光耦105输出信号由高电平变低电平时，电压比较器对信号的检测具有t1时间的延时，而在线性光耦105输出信号由低电平变高电平时，电压比较器对信号的检测几乎没有延时。

如果把电压比较器的阈值设在高电平和低电平之间，则在线性光耦105输出信号由高电平变低电平和由低电平变高电平的信号检测中都有延时。阈值越高，则线性光耦105输出信号由高电平变低电平情况下信号检测延时越短，而线性光耦105输出信号由低电平变高电平情况下信号检测延时越长。反之，阈值越低，则线性光耦105输出信号由高电平变低电平情况下信号检测延时越长，而线性光耦105输出信号由低电平变高电平情况下信号检测延时越短。

所以，静态电压比较不能同时消除线性光耦105输出信号由高电平变低电平和有低电平变高电平的信号检测的延时问题，而这样的延时恰恰会引起PWM控制信号在驱动电路传输中占空比的失真。

为了能同时消除线性光耦105输出信号由高电平变低电平和有低电平变高电平的信号检测的延时，需要进行动态电压比较，即当线性光耦105输出信号由高电平变低电平时，在201处检测出变化，电压比较器输出电压翻转；当线性光耦105输出信号由低电平变高电平时，在204处检测出变化，电压比较器输出电压翻转。

当线性光耦105工作在开关方式下，线性光耦105导通时，由第三电阻108为线性光耦105提供充电电流；线性光耦105关断时，由第二PNP型三极管109导通后为线性光耦105充电。线性光耦105在导通时充电电流小，线性光耦的集电极和射极间的电压下降快，线性光耦105在关断时充电电流大，线性光耦105的集电极和射极间的电压上升快。

线性光耦105的输出信号经过第四电阻112和第二电容113并联支路传输后送入第三PNP型三极管114基极。当线性光耦105的输出信号为高电平时，第三PNP型三极管114基极为高电平，关断，集电极输出低电平；而此时第二电容113上的电压约为零。当线性光耦105的输出信号由高电平向低电平变化时，由于第二电容113上的电压不能突变，所以第三PNP型三极管基极电压也随线性光耦105输出信号电压的下降而降低，第三PNP型三极管114基极电压低于射极电压，导通，集电极电压开始升高；一方面电源通过第三PNP型三极管114的射基PN结向113电容充电，使第二电容113的电压升高，以保持第三PNP型三极管114射基PN结的电压差为0.1V，另一方面，线性光耦105的输出信号的电压继续降低，使第三PNP型三极管114基极电压有下降的趋势，迫使第三PNP型三极管114射基PN结流过电流，从而使第三PNP型三极管114导通。在线性光耦105输出信号电压由高电平向低电平变化的过程中，能够保持第三PNP型三极管114一直导通，第三PNP型三极管114集电极电压快速上升，直到变为高电平。

当线性光耦105的输出信号为低电平时，第三PNP型三极管114基极为低电平，导通，集电极输出高电平，而此时第二电容113上的电压约为驱动电路电源电压。当线性光耦105的输出信号由低电平向高电平变化时，由于第二电容113上的电压不能突变，所以第三PNP型三极管114基极电压也随线性光耦105输出信号电压的上升而被推升，第三PNP型三极管114基极电压高于射极电压，关断，集电极电压开始降低；一方面第二电容113通过第四电阻112放电，使第二电容113的电压不断降低，另一方面，线性光耦105的输出信号的电压继续升高，使第三PNP型三极管114基极电压保持高于射极电压，从而使第三PNP型三极管114关断。在线性光耦105输出信号电压由低电平向高电平变化的过程中，能够保持第三PNP型三极管114一直关断，第三PNP型三极管114集电极电压快速下降，直到变为低电平。

第四电阻112、第二电容113和第三PNP型三极管114实际上构成了动态电压比较器，当线性光耦105输出电压开始变化时，无论是由高电平向低电平开始变化，还是由低电平向高电平开始变化，动态电压比较器都能检测出这种变化，并使动态电压比较器的输出电压发生翻转。动态电压比较器能同时缩短方波信号上升沿和下降沿的传输延时。

第三PNP型三极管114集电极输出信号传输给第一NPN型三极管117和第四PNP型三极管118的基极，由于第一NPN型三极管117为NPN型，第四PNP型三极管118为PNP型，所以，当第三PNP型三极管集电极114输出信号为高电平时，第一NPN型三极管117导通，第四PNP型三极管118关断，121MOSFET开关管获得高电平开通信号；当第三PNP型三极管114集电极输出信号为低电平时，第一NPN型三极管117关断，第四PNP型三极管118开通，121MOSFET开关管获得低电平关断信号。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路，其特征在于，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、线性光耦、第一PNP型三极管、第二PNP型三极管、第三PNP型三极管、第四PNP型三极管、第一NPN型三极管、第一电容、第二电容、MOSFET管、负载、驱动电路控制信号输入端、控制信号电源正极、驱动电路电源正极、驱动电路电源负极、主电路电源正极和主电路电源负极，驱动信号控制信号输入端通过第一电阻与第一PNP型三极管的基极相连，第一PNP型三极管的集电极接地，第一PNP型三极管的发射极与线性光耦基极的第一端相连，第二电阻的一端与控制信号电源正极相连，第二电阻的另一端与线性光耦基极的第二端相连，线性光耦的发射极与驱动电路电源负极相连，线性光耦的发射极还通过负载与主电路电源负极相连，线性光耦的集电极通过第三电阻与驱动电路电源正极相连，线性光耦的集电极还与第二PNP型三极管的集电极相连，第二PNP型三极管的发射极与驱动电路电源正极相连，第二PNP型三极管的基极通过第一电容与驱动电路电源正极相连，线性光耦的集电极还通过第四电阻与第三PNP型三极管的基极相连，第二电容通过导线分别连接于第四电阻的两端，第三PNP型三极管的发射极与驱动电路电源正极相连，第三PNP型三极管的集电极通过第五电阻接地，第三PNP型三极管的集电极还分别与第一NPN型三极管的基极以及第四PNP型三极管的基极相连，第一NPN型三极管的集电极与驱动电路电源正极相连，第一NPN型三极管的发射极与第四PNP型三极管的发射极相连，第一NPN型三极管的发射极还与MOSFET管的栅极相连，第四PNP型三极管的集电极接地，MOSFET管的漏极与主电路电源正极相连，MOSFET管的源极通过负载与主电路电源负极相连。

2.根据权利要求1所述一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路，其特征在于，第三电阻、第二PNP型三极管和第一电容组成变阻结构支路。

3.根据权利要求1所述一种基于线性光耦隔离的MOSFET/IGBT高速驱动电路，其特征在于，第四电阻、第二电容和第三PNP型三极管组成动态电压比较器。

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