CN107844156A - 分压电路及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分压电路及其应用，分压电路由输入端、负电压跟随信号产生电路、电压跟随电路和输出端依次连接组成，输入端用于输入待分压的电压，负电压跟随信号产生电路用于产生一个相对于输入电压端正端为负的电压，作为后端电压跟随电路的跟随信号电压，电压跟随电路用于跟随负电压跟随信号产生电路产生的跟随信号电压，在正电压输出端口和负电压输出端口之间构建一个“虚地”形成参考地，从而在输出端形成功率半导体器件驱动所需的正输出与负输出，本发明驱动电路解决了行业驱动电源解决方案存在发热及其带来的可靠性问题，并使得驱动电源的设计更加简单，实现了单个驱动电源与IGBT、MOSFET、SiC等进行匹配设计的目的。

Description

分压电路及其应用
技术领域
本发明涉及一种分压电路以及由此分压电路构成的电路应用，特别涉及一种用于IGBT、MOSFET、SiC等功率半导体器件驱动应用场合的分压电路及其应用。
背景技术
功率半导体器件对于能源节约的意义已不容置疑，其在AC-DC电源、DC-DC电源、UPS、通用变频器、交流伺服驱动系统、电焊机等新能源领域都有重要的应用。在这些应用中，围绕功率半导体器件的设计将直接决定系统的性能，而功率半导体器件的驱动电源将对功率半导体器件的可靠运行有着重要影响。
目前，功率半导体器件的驱动应用场合中驱动电源解决方案有两种：
方案一、如图1所示，为双路输出的电源，以两路独立输出后共接模式获得驱动功率半导体器件所需正负输出电压；方案二、如图2所示，为单路输出的电源，输出通过齐纳二极管分压方式获得驱动功率半导体器件所需正负输出电压。
其中，方案一由于需要两路独立的输出，这对电源设计提出了更高的要求，尤其对于电源内部的变压器设计提出了挑战，变压器需要增加一个绕组，这给变压器的设计与制造带来诸多困难，比如变压器体积增加、制造工时的增加，都会导致生产成本的上升。方案二，需要使用齐纳二极管，虽然这是一种低成本的解决方案，但是其性能表现不佳，齐纳二极管会带来持续的发热和损耗，影响电路可靠性，而且通常齐纳二极管的一致性也不是很好、受温度影响较大、且稳压精度也不高，这就使得最终驱动电路正输出电压精度较低。
已经意识到，希望提供一种变压器易于设计、制造成本低、且电路可靠性高的驱动电源解决方案，这种驱动电源解决方案的正输出电压应具备较高的电压精度。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种分压电路及其应用，在保留上述方案二优势的基础上，有效解决其存在的问题，针对其应用的驱动电源解决方案给出一种变压器易于设计、制造成本低、且电路可靠性高的驱动电源解决方案，这种驱动电源解决方案的正输出电压具备较高的电压精度。
为了达到上述目的，本发明在单路输出电源的输出端增加一级分压电路，从而获得驱动功率半导体器件所需的正负输出电压，具体是通过以下技术方案实现的：
一种分压电路，其特征在于：包含输入电压正端口、输入电压负端口、正电压输出端口、负电压输出端口及参考地端口、负电压跟随信号产生电路和电压跟随电路；输入电压正端口和正电压输出端口连接，输入电压负端口和负电压输出端口连接，输入电压正端口和输入电压负端口与负电压跟随信号产生电路连接，负电压跟随信号产生电路和电压跟随电路连接，电压跟随电路和正电压输出端口、负电压输出端口及参考地端口连接；
输入电压正端口和输入电压负端口用于输入待分压的电压；
负电压跟随信号产生电路用于产生一个相对于输入电压正端口电压为负的电压，作为后端电压跟随电路的跟随信号电压；
电压跟随电路用于跟随负电压跟随信号产生电路产生的跟随信号电压，在正电压输出端口和负电压输出端口之间构建一个“虚地”形成参考地端口。
作为负电压跟随信号产生电路的第一种具体实施方式，包括可调节精密稳压器U1、电阻R1、电阻R2以及电阻R3；输入电压正端口依次连接可调节精密稳压器U1的阴极、可调节精密稳压器U1的阳极、电阻R3的一端、电阻R3的另一端和输入电压负端口，输入电压正端口还依次连接电阻R1的一端、电阻R1的另一端、电阻R2的一端、电阻R2的另一端和电压跟随电路，可调节精密稳压器U1的参考端与电阻R1的另一端连接。
优选的，可调节精密稳压器U1为可调节精密并联稳压器。
优选的，可调节精密稳压器U1的最大工作电压大于待分压的电压。
作为上述负电压跟随信号产生电路第一种具体实施方式的改进，在电阻R1两端并联有调节参考地端口电压的电阻Rtrim。
作为负电压跟随信号产生电路的第二种具体实施方式，包括齐纳二极管Z1和电阻Rz；输入电压正端口依次连接齐纳二极管Z1的阴极、齐纳二极管Z1的阳极、电阻Rz的一端、电阻Rz的另一端和输入电压负端口，齐纳二极管Z1的阳极和电压跟随电路连接。
作为电压跟随电路的一种具体的实施方式，包括运算放大器U2；运算放大器U2的正供电引脚5与输入电压正端口连接，运算放大器U2的负供电引脚2与输入电压负端口连接，运算放大器U2的输出端4与参考地端口连接，运算放大器U2的同相输入端1与负电压跟随信号产生电路连接，运算放大器U2的反相输入端3与参考地端口连接。
优选的，运算放大器U2最大工作电压大于待分压的电压。
作为上述电压跟随电路具体实施方式的改进之一，还包括连接于运算放大器U2的输出端4和参考地端口之间的隔离电阻Riso。
作为上述电压跟随电路具体实施方式的改进之二，运算放大器U2为具备输出过流保护功能的单位增益稳定运算放大器。
作为上述分压电路的应用之一，将其连接至单路输出电源的输出端或内置于单路输出电源中获得正负双路输出。
作为上述分压电路的应用之一，将其设计成为一个三端电路模块或半导体器件。
作为上述负电压跟随信号产生电路具体实施方式的改进应用之一，在电阻R1与电阻R2的连接处引出一个连接点，将其设计成为一个四端电路模块或半导体器件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)在保留了现有驱动电源解决方案二优势的基础上，解决了其存在发热问题，提高了电路的可靠性和效率，负电压跟随信号产生电路采用第一种具体实施方式时还大幅提高了驱动电源正输出的电压精度；
(2)电压跟随电路增加隔离电阻后，解决了运算放大器启机过流损毁与电压跟随电路的自激振荡问题；
(3)本发明所述分压电路或由其设计而成的半导体元器件，使得被应用的驱动电源的设计更加简单，简化了其制造工艺，更加便于批量化生产；
(4)本发明的应用提供了一种新的驱动电源解决方案，实现单个驱动电源与IGBT、MOSFET、SiC等不同功率半导体器件进行匹配设计的目的，满足不同功率半导体器件对驱动电源正输出电压的要求。
附图说明
图1为现有驱动电源解决方案一的电路简图；
图2为现有驱动电源解决方案二的电路简图；
图3为本发明第一实施例的分压电路电路原理图；
图4为本发明第一实施例的半导体器件的引脚简图；
图5为本发明第一实施例构成的驱动电源解决方案一电路框图(分压电路外置)；
图6为本发明第一实施例构成的驱动电源解决方案二电路框图(分压电路内部集成)；
图7为本发明第一实施例构成的驱动电源解决方案二样品效率曲线图；
图8为本发明第二实施例的分压电路电路原理图；
图9为本发明第二实施例的半导体器件的引脚简图；
图10为本发明一种简化的分压电路原理图；
图11为本发明另一种简化的分压电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。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。
第一实施例
图3所示为本发明第一实施例的分压电路原理图，包括负电压跟随信号产生电路301、电压跟随电路302。
负电压跟随信号产生电路301包括可调节精密稳压器U1、电阻R1、电阻R2以及电阻R3，可调节精密稳压器U1的阴极(U1的引脚2)与电阻R1的一端相连，接在输入电压正端口+Vbus，正电压输出端口VCC与输入电压正端口+Vbus相连，作为分压电路的正输出，可调节精密稳压器U1的参考端(U1的引脚1)与电阻R1的另一端和电阻R2的一端相连，可调节精密稳压器U1的阳极(U1的引脚3)与电阻R2的另一端、电阻R3的一端相连，作为后端电压跟随电路的跟随信号电压，电阻R3的另一端与输入电压负端口-Vbus相连，负电压输出端口VEE与输入电压负端口-Vbus相连，作为分压电路的负输出。
电压跟随电路302包括运算放大器U2、隔离电阻Riso，运算放大器U2的正供电脚5接至输入电压正端口+Vbus，运算放大器U2的负供电脚2接至输入电压负端口-Vbus，隔离电阻Riso的一端与运算放大器U2的输出端(U2的引脚4)相连，隔离电阻Riso的另一端与运算放大器U2的反相输入端(U2的引脚3)相连，并作为驱动电源的参考地端口0V。
本实施例增加了隔离电阻Riso，隔离电阻Riso的作用有两点：其一，保护运算放大器U2，限制输入电压正端口和输入电压负端口前级的驱动电源启机瞬间对外接电容的充电电流，防止运算放大器U2启机过流损毁；其二，隔离驱动电源后端的容性负载，从而避免电压跟随电路发生自激振荡。增加隔离电阻Riso可以大大提高电路的可靠性。
本实施例可调节精密稳压器U1采用并联稳压器，最好保证可调节精密稳压器U1的最大工作电压大于待分压的电压使得待分压的电压不会损伤可调节精密稳压器U1。
本实施例运算放大器U2最大工作电压最好大于待分压的电压，由于运算放大器U2的工作电压取自待分压的电压，运算放大器U2最大工作电压大于待分压的电压才能保证待分压的电压不会损伤运算放大器U2。
本发明第一实施例的工作原理：
电阻R1和电阻R2用于设置精密稳压器U1的输出电压，电阻R3用于设置精密稳压器U1的偏置电流，最终将在精密稳压器U1的阳极产生一个相对于输入电压正端口+Vbus的精准负电压，作为后端电压跟随电路302的跟随信号电压；电压跟随电路302跟随负电压跟随信号产生电路301产生的跟随信号电压，在正电压输出端口VCC与负电压输出端口VEE之间构建一个“虚地”作为输出的参考地端口0V，从而实现了将待分压的电压分压为正负输出的两路输出电压，分别由正电压输出端口VCC和参考地端口0V以及负电压输出端口VEE和参考地端口0V输出。
本发明第一实施例的分压电路，主要应用于功率半导体器件驱动场合，需要结合其他电路才能构成一个完整的驱动电源解决方案。图5为本发明第一实施例构成的驱动电源解决方案一电路框图，所述方案主要包括单路输出电源与分压电路501，即本发明第一实施例，因为应用场合的要求，单路输出电源通常为非稳压的高隔离电源，通过分压电路501，在输出端构建一个“虚地”0V，从而获得驱动功率半导体器件的正电压、负电压。分压电路501是一个独立的电路，与单路输出电源可以选择不同的组合方式：分压电路在单路输出电源外放置，即为图5所示本发明第一实施例构成的驱动电源解决方案一电路框图；分压电路直接集成在单路输出电源内，作为单路输出电源的一部分，即为图6所示本发明第一实施例构成的驱动电源解决方案二电路框图。
根据图6得到的样品，其效率曲线图如图7所示，实际指标如下表1所示：
表1图6样品指标
通过图7和表1可以看出，图6样品与市场上现有的驱动电源产品QA241(采用图1方案)，在产品性能上全面提升，如效率、正输出电压精度、隔离电压等，同时样品能满足UL60950加强绝缘的要求。
第二实施例
图8所示的电路为本发明第二实施例的分压电路原理图，包括负电压跟随信号产生电路、电压跟随电路，与第一实施例的区别之处在于：负电压跟随信号产生电路在第一实施例R1与R2连接处引出一个连接点，通过在该连接点与输入电压正端口+Vbus直接并接电阻Rtrim，达到调节输出参考电压的作用，从而可以获得适应应用于不同功率半导体器件驱动要求的驱动电源解决方案，通过调整电阻Rtrim可以实现单个驱动电源与IGBT、MOSFET、SiC等不同功率半导体器件进行匹配设计的目的，满足不同功率半导体器件对驱动电源正输出电压的要求。
第二实施例与第一实施例在其它原理相同，本领域的技术人员可以根据第一实施例的原理进行分析与理解，故不再赘述。
本发明实施例，分压电路由精密稳压器、运算放大器以及电阻构成，使用目前的制造技术可以将其制作成为一个电路模块，或是使用目前半导体技术将电路集成化，设计成一款引脚简图如图9所示的四端半导体器件，与单路输出电源配合使用组成一个完整的驱动电源解决方案，这样将大大的简化驱动电源的设计与制造、并实现较高的性价比。本实施例分压电路作为独立的电路、电路模块或半导体器件也可以如同第一实施例一样，与单路输出电源以内置或者外置的方式进行自由组合，形成一个完整的驱动电源解决方案。
需要说明的是，本发明第一实施例、第二实施例所述分压电路，均包含负电压跟随信号产生电路、电压跟随电路，应当指出的是，负电压跟随信号产生电路、电压跟随电路可以由功能相同的电路模块来充当。
图10所示为本发明一种简化的分压电路原理图，包括负电压跟随信号产生电路1001、电压跟随电路1002。电压跟随电路1002与图3相同，负电压跟随信号产生电路1001包括齐纳二极管Z1和电阻Rz；输入电压正端口依次连接齐纳二极管Z1的阴极、齐纳二极管Z1的阳极、电阻Rz的一端、电阻Rz的另一端和输入电压负端口，齐纳二极管Z1的阳极和电压跟随电路连接。负电压跟随信号产生电路1001的工作原理为：使用齐纳二极管Z1稳压，产生一个相对稳定的跟随信号电压，电压跟随电路1002跟随此电压，在输出端产生参考地0V。该分压电路与单路输出电源配合，组成一个驱动电源解决方案，在对电压精度要求不高的应用中依然具有一定的优势。
图11所示为本发明另一种简化的分压电路原理图，包括负电压跟随信号产生电路1101、电压跟随电路1102。较图10不同之处在于电压跟随电路1102中去掉了电阻Riso，运算放大器U2为具备输出过流保护功能的单位增益稳定运算放大器。其工作原理为负电压跟随信号产生电路1001使用齐纳二极管Z1稳压，电压跟随电路1102使用一个具备输出过流保护功能的单位增益稳定运算放大器，保证电路在启机时不发生过流损坏、并且在应用中不发生自激。
相比于第一实施例、第二实施例，图10、图11所示实施例在性能表现上不如前者，但是电路使用的器件数得到减少，对于一些低成本应用这也是一个不错的选择。
上述实施方式不应视为对本发明的限制，实施例可交叉组合，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种分压电路，其特征在于：包含输入电压正端口、输入电压负端口、正电压输出端口、负电压输出端口及参考地端口、负电压跟随信号产生电路和电压跟随电路；输入电压正端口和正电压输出端口连接，输入电压负端口和负电压输出端口连接，输入电压正端口和输入电压负端口与负电压跟随信号产生电路连接，负电压跟随信号产生电路和电压跟随电路连接，电压跟随电路和正电压输出端口、负电压输出端口及参考地端口连接；
输入电压正端口和输入电压负端口用于输入待分压的电压；
负电压跟随信号产生电路用于产生一个相对于输入电压正端口电压为负的电压，作为后端电压跟随电路的跟随信号电压；
电压跟随电路用于跟随负电压跟随信号产生电路产生的跟随信号电压，在正电压输出端口和负电压输出端口之间构建一个“虚地”形成参考地端口。
2.根据权利要求1所述的分压电路，其特征在于：负电压跟随信号产生电路包括可调节精密稳压器U1、电阻R1、电阻R2以及电阻R3；输入电压正端口依次连接可调节精密稳压器U1的阴极、可调节精密稳压器U1的阳极、电阻R3的一端、电阻R3的另一端和输入电压负端口，输入电压正端口还依次连接电阻R1的一端、电阻R1的另一端、电阻R2的一端、电阻R2的另一端和电压跟随电路，可调节精密稳压器U1的参考端与电阻R1的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的分压电路，其特征在于：可调节精密稳压器U1为可调节精密并联稳压器。
4.根据权利要求2所述的分压电路，其特征在于：可调节精密稳压器U1的最大工作电压大于待分压的电压。
5.根据权利要求2所述的分压电路，其特征在于：在电阻R1两端并联有调节参考地端口电压的电阻Rtrim。
6.根据权利要求1所述的分压电路，其特征在于：负电压跟随信号产生电路包括齐纳二极管Z1和电阻Rz；输入电压正端口依次连接齐纳二极管Z1的阴极、齐纳二极管Z1的阳极、电阻Rz的一端、电阻Rz的另一端和输入电压负端口，齐纳二极管Z1的阳极和电压跟随电路连接。
7.根据权利要求1所述的分压电路，其特征在于：电压跟随电路包括运算放大器U2；运算放大器U2的正供电引脚5与输入电压正端口连接，运算放大器U2的负供电引脚2与输入电压负端口连接，运算放大器U2的输出端4与参考地端口连接，运算放大器U2的同相输入端1与负电压跟随信号产生电路连接，运算放大器U2的反相输入端3与参考地端口连接。
8.根据权利要求7所述的分压电路，其特征在于：运算放大器U2最大工作电压大于待分压的电压。
9.根据权利要求7所述的分压电路，其特征在于：还包括连接于运算放大器U2的输出端4和参考地端口之间的隔离电阻Riso。
10.根据权利要求7所述的分压电路，其特征在于：运算放大器U2为具备输出过流保护功能的单位增益稳定运算放大器。
11.权利要求1至10所述的分压电路应用，其特征在于：将其连接至单路输出电源的输出端或内置于单路输出电源中获得正负双路输出。
12.权利要求1至10所述的分压电路应用，其特征在于：将其设计成为一个三端电路模块或半导体器件。
13.权利要求2所述的分压电路应用，其特征在于：在电阻R1与电阻R2的连接处引出一个连接点，将其设计成为一个四端电路模块或半导体器件。
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