CN107395184B - 一种监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，包括隔离采样电路、隔离数控电路、二极管阵列驱动电路和功率软开关电路；其中，隔离采样电路的第一、二端分别与隔离数控电路的第一、二端对应相连；隔离数控电路的第三、四端分别与二极管阵列驱动电路的第一、二端相连，第五端用于接入控制输入信号正极，第六端用于接入控制信号对应的地信号；功率软开关电路的第一、二端分别与二极管阵列驱动电路的第三、四端相连，第三、四端分别与隔离采样电路的第三、四端相连，第五、六端作为电源信号的输入、输出端；本发明实现了将控制信号与功率单元完全隔离，消除功率器件对控制信号的干扰，降低大功率场合的误动作几率。
Description
技术领域
本发明属于功率投切控制技术领域，更具体地，涉及一种监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路。
背景技术
高压信号或大功率电源投切过程中，当负载为容性时存在瞬时大电流的问题，容易对设备造成损坏。另外，当功率投切部分电压等级很高时，控制信号可能受到干扰，导致控制失效或弱电电路损坏，影响用电安全和稳定。一般采用一级或多级隔离处理，但使用过多的隔离电源影响设备的功率密度和复杂性。
现有技术中，控制信号通过光耦或三极管向功率开关管MOSFET提供驱动信号，控制功率管导通和关断。分压电阻检测的电压信号通过隔离调理后送到模拟量采集器中，监测实时电压的情况。采用三极管提供驱动信号不能做到隔离，控制信号很容易受到影响；采用光耦做隔离驱动，需要在光耦的输出侧提供单独的隔离电源，由于驱动信号与功率侧共源极，当需要多路功率开关管控制时，要求几路驱动信号不共地，因此需要多路隔离电源，或采用自举电路省去几路电源，但总体上还是需要多路电源；要实现电压监测，需要给反馈的模拟量信号提供满足相应电压调理范围的供电电源。一级隔离受隔离器件自身的隔离等级影响，当功率单元的电压等级很高时，隔离要求不能完全满足，可能影响监控电路的正常工作，而分两级隔离则需要更多的隔离电源或隔离处理，增大设备的功率密度和稳定性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，将对高压信号或大功率电源投切的监测和控制合并集成化，起到软开关目的的同时提高设备功率密度和稳定性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，包括隔离采样电路、隔离数控电路、二极管阵列驱动电路、功率软开关电路；
其中，隔离采样电路的第一、二端分别与隔离数控电路的第一、二端对应相连；隔离数控电路的第三、四端分别与二极管阵列驱动电路的第一、二端相连，第五端用于接入控制输入信号正极，第六端用于接入控制信号对应的地信号；功率软开关电路的第一、二端分别与二极管阵列驱动电路的第三、四端相连，第三、四端分别与隔离采样电路的第三、四端相连，第五、六端作为电源信号的输入、输出端；
其中，隔离采样电路用于监控外部的高压功率单元的投切电压，以在发生过压故障时控制功率软开关关断，起到保护作用，并向隔离数控电路提供一路隔离电源，作为第一级隔离的电源；
隔离数控电路用于将数字信号与二极管阵列驱动电路的控制信号进行隔离，作为第一级隔离的控制信号，使控制信号的前级不受功率单元影响，避免控制级器件损坏及误动作；二极管阵列驱动电路用于提供隔离的高压功率管驱动信号，并用于增加驱动信号的线性度，并将控制信号与高压功率单元完全隔离，实现第二级隔离；
功率软开关电路用于降低开关速度，增大导通时间常数，达到缓慢开通实现软起的目的。
优选的，上述监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其隔离采样电路包括供电电源、分压电路和隔离模块；分压电路由三个串联的分压电阻构成，用于将所外接的高压功率单元的高压转换为可测试范围内的电压，送到隔离模块；隔离模块的端子包括供电电源输入端、隔离电源输出端、采样信号输入端、采样信号隔离输出端；输入部分与输出部分完全隔离。
优选的，上述监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其隔离数控电路中，控制信号DO+经过输入电阻R1连接到光耦开关芯片M3，控制信号地DOGND直接与光耦开关芯片连接；隔离模块输出电源正极经过高频吸收电容C3和电解电容C2连接到光耦开关芯片M3的输出正极，通过输出端口将信号送出到二极管阵列驱动电路。
优选的，上述监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其二极管阵列驱动电路，包括RC滤波电路和二极管阵列驱动芯片；RC滤波电路包括输入电阻R2和滤波电容C1，R2输入端与光耦开关芯片M3的输出端口连接引入驱动信号，其阻值由二极管阵列驱动芯片的输入电流范围和隔离模块输出隔离电压决定；譬如隔离电源输出+15V，二极管阵列驱动芯片输入电流10～20mA，电阻R2可选1k；二极管阵列驱动电路用于提供隔离的高压功率管驱动信号，并通过R2、C1构成的滤波电路增加驱动信号的线性度，并利用二极管阵列驱动芯片的隔离特性使控制信号与高压功率电路部分完全隔离，实现第二级隔离。
优选的，上述监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其功率软开关电路包括RC电路和功率开关管MOSFET；RC电路是由电阻R3和电容C4构成缓充电回路，用于使功率开关管栅极电压缓慢增大，以实现软开关，具体参数根据需要缓慢启动的速率确定；电阻R4连接功率开关管的栅极G和源极S，保证MOSFET正常开通；功率开关管MOSFET的漏极D用于连接所需投切控制的高压信号或电源的正极输入POWER+in，源极S用于连接所需投切控制的高压信号或电源的正极输出POWER+out。
优选的，上述监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其二极管阵列驱动芯片可采用单个二极管阵列驱动芯片驱动，单个驱动电压不足时，采用多个二极管阵列驱动芯片串联提高驱动能力，根据所选MOSFET驱动电压来确定；MOSFET可采用NPN型或PNP型，耐压等级根据MOSFET型号不同可存在差异。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其二极管阵列驱动电路具有增加驱动信号线性度的滤波缓冲功能，利用二极管阵列驱动芯片的线性关系，通过其所搭建的软启动电路增大导通时间常数，可使功率开关管缓慢开通，减缓负载侧接入大容性负载时开通瞬间的过电流情况，避免电气设备的损坏；
(2)本发明提供的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，通过隔离采样电路内置的隔离电源模块，向隔离数控电路提供一路隔离电源，作为第一级隔离的电源，隔离数控电路采用光耦开关芯片将数字信号和二极管阵列控制脚进行隔离，作为第一级隔离的控制信号，进而实现第一级隔离；二极管阵列驱动电路用于提供隔离的高压功率管驱动信号，并通过其所构成的缓冲电路增加驱动信号的线性度，并利用二极管阵列驱动芯片的隔离特性使控制信号与高压功率电路部分完全隔离，实现第二级隔离；控制信号通过光耦隔离间接控制隔离模块输出的隔离电源向二极管阵列驱动芯片供电，二极管阵列驱动芯片驱动MOSFET管开通也为光电隔离，将控制信号完全与功率部分隔离，消除功率器件对控制信号的干扰，降低大功率场合的误动作几率；
(3)本发明提供的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，通过隔离采样电路来监控功率开关单元投切电压，通过隔离处理采集到输入电压的实时值，并同步发送出去，以便出现过压故障时控制开关管关断，起到保护作用；由于监控和控制均采用隔离处理，集成过程中不会产生相互干扰；实现对高压信号或大功率电源投切的监测和控制合并集成化，利用隔离模块自带的一路隔离电源，省去了两级隔离电路所需要的多路隔离电源，仅需一路单电源供电即可，可增大装置整体功率密度。
附图说明
图1是实施例提供的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路的功能框图示意图；
图2是实施例提供的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路的电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例提供的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，包括隔离采样电路1、隔离数控电路2、二极管阵列驱动电路3和功率软开关电路4；具体如图1所示；实施例中，隔离采样电路1、隔离数控电路2、二极管阵列驱动电路3和功率软开关电路4集成在一块电路板上；其中，隔离采样电路的第一、二端分别与隔离数控电路的第一、二端对应相连；隔离数控电路的第三、四端分别与二极管阵列驱动电路的第一、二端相连，第五端用于接入控制输入信号正极，第六端用于接入控制信号对应的地信号；功率软开关电路的第一、二端分别与二极管阵列驱动电路的第三、四端相连，第三、四端分别与隔离采样电路的第三、四端相连，第五、六端作为电源信号的输入、输出端；
其中，隔离采样电路用于监控外部的高压功率单元的投切电压，以在发生过压故障时控制功率软开关关断，起到保护作用，并向隔离数控电路提供一路隔离电源，作为第一级隔离的电源；
隔离数控电路用于将数字信号与二极管阵列驱动电路的控制信号进行隔离，作为第一级隔离的控制信号，使控制信号的前级不受功率单元影响，避免控制级器件损坏及误动作；二极管阵列驱动电路用于提供隔离的高压功率管驱动信号，并用于增加驱动信号的线性度，并将控制信号与高压功率单元完全隔离，实现第二级隔离；
功率软开关电路用于降低开关速度，增大导通时间常数，达到缓慢开通实现软起的目的。
如图2中所示意的，隔离采样电路包括分压电路、隔离模块和供电电源；本实施例中，分压电路由R5、R6和R7三个分压电阻构成，用于将功率软开关电路输出的高压转换为可测试范围内的电压，送到隔离模块。
隔离模块端子包括供电电源输入端、隔离电源输出端、采样信号输入端、采样信号隔离输出端；其输入部分与输出部分完全隔离，隔离电压等级在2k以上；电源输入与供电电源相连，隔离电源输出正端Pout+与光耦开关芯片的第三引脚相连；输出负端Pout-与二极管阵列驱动芯片的第二引脚即输入地端相连；信号输入正端Sin+和负端Sin-分别接到分压电阻R7两端；信号输出正端Sout+和Sout-分别用于连接外部的模拟信号输入正极AI+和模拟地。
供电电源包括用于接入外部电源的电源正极端子、电源地端子和滤波电容；滤波电容包括并联的高频吸收电容C5和电解电容C6，这两个滤波电容并联后与电源正极和负极相连。
本实施例的隔离数控电路2包括光耦开关芯片M3、电阻R1、电容C2和C3；控制输入信号DO+经过输入电阻R1连接到光耦开关芯片的第一引脚，控制信号地DOGND直接与光耦开关芯片的第二引脚连接；隔离采样电路1的隔离模块的电源输出端子与电容C3、C2相连，输出电源经过高频吸收电容C3和电解电容C2后，连接到光耦开关芯片M3第三引脚的输出正极，光耦开关芯片M3的第四引脚将驱动信号发送到二极管阵列驱动电路。
二极管阵列驱动电路3包括RC滤波电路和二极管阵列驱动芯片；其中，RC滤波电路包括输入电阻R2和滤波电容C1，通过R2、C1构成的滤波缓冲电路增加驱动信号的线性度；输入电阻R2的一端与M3的第四引脚连接，接入驱动信号；其阻值根据二极管阵列驱动芯片的输入电流范围和隔离模块输出隔离电压确定；譬如隔离模块输出隔离电压为15V；二极管阵列驱动芯片输入电流范围为10～20mA，则输入电阻R2可采样1k阻值的电阻。
二极管阵列驱动芯片输出驱动电压的大小与输入电流成线性关系，单个二极管阵列驱动芯片的驱动电压不足时，可采用两个或多个二极管阵列驱动芯片串联以提高驱动能力。
本实施例中，功率软开关电路4包括RC电路和功率开关管MOSFET；其中，RC电路是由电阻R3和电容C4构成的缓充电回路，使功率开关管栅极电压缓慢增大，以实现软开关，具体参数根据需要缓慢启动的速率确定；电阻R4串联在功率开关管的栅极G与源极S之间，保证MOSFET正常开通。功率开关管MOSFET的漏极D用于连接所需投切控制的高压信号或电源的正极输入POWER+in，源极S用于连接所需投切控制的高压信号或电源的正极输出POWER+out。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其特征在于，包括隔离采样电路、隔离数控电路、二极管阵列驱动电路、功率软开关电路；
所述隔离采样电路的第一、二端分别与隔离数控电路的第一、二端对应相连；隔离数控电路的第三、四端分别与二极管阵列驱动电路的第一、二端相连，第五端用于接入控制输入信号正极，第六端用于接入控制信号对应的地信号；功率软开关电路的第一、二端分别与二极管阵列驱动电路的第三、四端相连，第三、四端分别与隔离采样电路的第三、四端相连，第五、六端作为电源信号的输入、输出端；
所述隔离采样电路用于监控外部的高压功率单元的投切电压，以在发生过压故障时控制功率软开关关断，并向隔离数控电路提供一路隔离电源，作为第一级隔离的电源；
所述隔离采样电路包括供电电源、分压电路和隔离模块；分压电路由多个串联的分压电阻构成，用于将所外接的高压功率单元的高压转换为可测试范围内的电压，送到隔离模块；隔离模块的端子包括供电电源输入端、隔离电源输出端、采样信号输入端、采样信号隔离输出端；输入部分与输出部分完全隔离；所述隔离电源输出端的正端Pout+与光耦开关芯片相连接，所述隔离电源输出端的负端Pout-与二极管阵列驱动芯片相连接；
所述隔离数控电路用于将数字信号与二极管阵列驱动电路的控制信号进行隔离，作为第一级隔离的控制信号，使控制信号的前级不受功率单元影响，避免控制级器件损坏及误动作；
所述二极管阵列驱动电路用于提供隔离的高压功率管驱动信号，并用于增加驱动信号的线性度，并将控制信号与高压功率单元完全隔离，实现第二级隔离；
所述功率软开关电路用于降低开关速度，增大导通时间常数，达到缓慢开通实现软起的目的。
2.如权利要求1所述的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其特征在于，通过输入电阻R1将控制信号接入到光耦开关芯片，控制信号地直接与光耦开关芯片连接；隔离模块输出电源正极经过高频吸收电容C3和电解电容C2连接到光耦开关芯片M3的输出正极，通过输出端口将驱动信号发送到二极管阵列驱动电路。
3.如权利要求2所述的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其特征在于，所述二极管阵列驱动电路包括RC滤波电路和二极管阵列驱动芯片；
所述RC滤波电路包括输入电阻R2和滤波电容C1，所述输入电阻R2输入端与光耦开关芯片M3的输出端口连接引入驱动信号；二极管阵列驱动电路用于提供隔离的高压功率管驱动信号，并通过所述输入电阻R2、所述滤波电容C1构成的滤波电路增加驱动信号的线性度，并利用二极管阵列驱动芯片的隔离特性使控制信号与高压功率电路部分完全隔离，实现第二级隔离。
4.如权利要求2所述的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其特征在于，所述功率软开关电路包括RC电路和功率开关管MOSFET；RC电路是由电阻R3和电容C4构成的缓充电回路，用于使功率开关管MOSFET栅极电压缓慢增；电阻R4连接功率开关管的栅极G和源极S，保证功率开关管MOSFET正常开通；功率开关管MOSFET的漏极D用于连接所需投切控制的高压信号或电源的正极输入POWER+in，源极S用于连接所需投切控制的高压信号或电源的正极输出POWER+out。
5.如权利要求3所述的监控一体化二极管阵列驱动功率软开关电路，其特征在于，所述二极管阵列驱动芯片采用单个二极管阵列驱动芯片驱动；
当单个驱动电压不足时，采用多个二极管阵列驱动芯片串联提高驱动能力；MOSFET采用NPN型或PNP型。
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