CN108988618A - 基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，可以同步驱动多个半导体开关管，该驱动电路包括：中央控制部，用于产生和输出弱脉冲信号；控制面板，与中央控制部电连接，具有用于控制中央控制部产生和输出弱脉冲信号的控制按钮；多个驱动芯片，与中央控制部电连接，用于将弱脉冲信号转化为强脉冲信号并传输；原边驱动电路，与多个驱动芯片电连接，用于将强脉冲信号转化为双极型脉冲信号；磁隔离变压器，具有与原边驱动电路电连接的原边绕组、多个隔离串联于原边绕组的磁芯以及缠绕于磁芯的副边绕组，用于传输双极型脉冲信号；副边驱动控制电路，与副边绕组电连接，用于接收双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路。
背景技术
在高功率电子技术领域，尤其是脉冲功率的技术上，通常需要开关管的串联与并联来实现高电压或者大电流输出，因此需要对多个开关管进行同步驱动，并且需要采用多组开关管的开通与关断来实现脉冲波形的调制，输出不同的脉冲波形。在常见的磁隔离驱动技术中，如果使用驱动芯片，则隔离供电是个棘手的问题，而如果不使用驱动芯片的话，由于磁芯的饱和，驱动信号的脉宽受到了极大的影响。在高压脉冲电源中，由于输出脉冲具有快速的电压或电流前沿，会产生很强的电磁干扰，从而导致开关管的误触发而形成短路故障。因此，需要在开关管关断时在门极施加负电压偏置，使其处于可靠关断状态，增强其抗干扰能力。并且在强电磁干扰下，要求结构更加简单，工作更加可靠的驱动电路。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路。
本发明提供了一种基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，用于同步驱动多个半导体开关管并产生高电压脉冲传输至负载，具有这样的特征，包括：中央控制部，用于产生和输出弱脉冲信号；控制面板，与中央控制部电连接，具有用于让用户选择控制模式控制从而让中央控制部产生和输出弱脉冲信号的控制按钮；多个驱动芯片，与中央控制部电连接，用于接收和传输脉冲信号；原边驱动电路，与多个驱动芯片电连接，用于将强脉冲信号转化为双极型脉冲信号；磁隔离变压器，具有与原边驱动电路电连接的原边绕组、多个隔离地串联于原边绕组的磁芯以及缠绕于磁芯上的副边绕组，用于传输双极型脉冲信号；副边驱动控制电路，与磁隔离变压器的副边绕组电连接，用于接收双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号；脉冲功率发生器，输出端与负载连接，用于将隔离驱动信号转化为高电压脉冲，并向负载输出高电压脉冲；以及直流电源，输出端与脉冲功率发生器的输入端相连，用于提供电能，其中，原边驱动电路采用逆变电路，用于产生幅值、脉宽、死区以及频率均可调的双极型脉冲信号，具有多个半导体开关管以及分别并联于各半导体开关管上的电容，副边驱动控制电路包括电压锁存模块以及过流保护模块，电压锁存模块包括两极均与副边绕组并联的半导体开关Q1和两极均与副边绕组并联的半导体开关Q2，或包括两极均与副边绕组并联的半导体开关和两极均与副边绕组并联的二极管，过流保护模块包括与半导体开关Q1的集电极串联的电阻R2、与电阻R2连接的半导体开关Sn、并联于半导体开关Sn上的三极管Q3、与三极管Q3连接的电阻R1以及与电阻R1连接的稳压管Z1。
在本发明提供的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，半导体开关Q1和Q2还与储能电容C1连接。
在本发明提供的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，三极管Q3的基极通过电阻R1和稳压管Z1与采样电阻R3的一端串联，采样电阻R3的另一端与三极管Q3的发射极连接。
在本发明提供的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，中央控制部采用单片机、RAM芯片、DSP芯片或FPGA芯片。
在本发明提供的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，驱动芯片采用IR2110芯片或TLP250芯片。
在本发明提供的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路中，还可以具有这样的特征：其中，半导体开关管采用MOSFET开关管或IGBT开关管。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，因为采用的多个开关管能够进行同步驱动，并能通过开关管的开通与关断实现脉冲波形的调制，所以，能够输出不同的脉冲波形。因为采用两个半导体开关作为电压锁存模块，所以，脉宽不受铁磁隔离的限制，能够驱动受控的半导体开关的电荷由原边绕组传输。因为采用的半导体开关Q2在正脉冲信号来临时储能电容C1充电，使得半导体开关Sn导通，所以，当信号消失时由于没有电荷的泄放通路，从而使得电压被维持。因为采用的MOSFET管具有的寄生二极管在负脉冲信号来临时会释放负压，且采用的稳压管Z1能够阻断泄放通路，所以，能够起到限制动作电流幅值的作用。因为采用的三极管Q3在电流超过设计的幅值时会导通，将门极电容上的电荷进行快速泄放，所以，能够降低驱动电压，从而抑制大电流，达到保护开关的目的。
因此，本发明的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路驱动电荷由原边绕组传输，不需要供电源，带有负压偏置有良好的抗干扰能力，过流保护模块结构简单可靠性高，尤其适用于强电磁环境，在保证半导体器件的电-热应力的条件下，通过减低驱动电压这种经典的过流保护方式，防止了由于短路引起的开关管损坏，保证了设备的可靠工作，另外，使用较少的电子元件，保证了多个开关管的驱动同步性，还解决了磁芯限制信号脉宽的问题，并减少了电路的复杂性，提高了电磁兼容的能力。
附图说明
图1是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的整体原理示意图；
图2是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的信号发生部分原理示意图；
图3是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的副边驱动控制电路示意图；
图4是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的信号示意图；
图5是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的相关应用的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
实施例：
图1是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的整体原理示意图。
如图1所示，本实施例的一种基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路100，用于同步驱动多个半导体开关管，包括：中央控制部1、控制面板2、多个驱动芯片3、原边驱动电路4、磁隔离变压器5、副边驱动控制电路6、脉冲功率发生器7以及直流电源8。
中央控制部1，用于产生和输出弱脉冲信号。
中央控制部1采用单片机、RAM芯片、DSP芯片或FPGA芯片。
控制面板2，与中央控制部1电连接，具有用于让用户选择控制模式从而让1中央控制部产生和输出弱脉冲信号的控制按钮。
多个驱动芯片3，与中央控制部1电连接，用于将弱脉冲信号转化为强脉冲信号并进行传输。
驱动芯片采用IR2110芯片或TLP250芯片。
图2是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的信号发生部分原理示意图，图3是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的信号示意图。
如图2和图3所示，原边驱动电路4，与多个驱动芯片3电连接，用于将强脉冲信号转化为双极型脉冲信号。
原边驱动电路4采用逆变电路，用于产生幅值、脉宽、死区以及频率均可调的双极型脉冲信号，具有多个半导体开关管以及分别并联于各半导体开关管上的电容。
半导体开关管采用MOSFET开关管或IGBT开关管。
磁隔离变压器5，具有与原边驱动电路4电连接的原边绕组、多个隔离地串联于原边绕组的磁芯以及缠绕于磁芯上的副边绕组，用于传输双极型脉冲信号。
图4是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的副边驱动控制电路示意图。
如图4所示，副边驱动控制电路6，与磁隔离变压器5的副边绕组电连接，用于接收双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号。
副边驱动控制电路6包括电压锁存模块601以及过流保护模块602。
电压锁存模块601包括两极均与副边绕组并联的半导体开关Q1和两极均与副边绕组并联的半导体开关Q2，或包括两极均与副边绕组并联的半导体开关和两极均与副边绕组并联的二极管。
半导体开关Q1和Q2还与储能电容C1连接。
过流保护模块602包括与半导体开关Q1的集电极串联的电阻R2、与电阻R2连接的半导体开关Sn、并联于半导体开关Sn上的三极管Q3、与三极管Q3连接的电阻R1以及与电阻R1连接的稳压管Z1。
三极管Q3的基极通过所述电阻R1和稳压管Z1与采样电阻R3的一端串联，所述采样电阻R3的另一端与所述三极管Q3的发射极连接。
图5是本发明的实施例中的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的相关应用的原理示意图。
如图5所示，本实施例的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路100还可用于同步驱动脉冲功率发生器7中的多个开关管，从而向负载9输出高电压脉冲，该负载9与脉冲功率发生器7的输出端连接，并且脉冲功率发生器7的输入端与直流电源8相连，该直流电源8用于提供脉冲功率发生器7工作所需的电能。
本实施例的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路的工作过程：
本实施例的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路100中，控制按钮控制中央控制部1产生和输出弱脉冲信号，并通过驱动芯片3将弱脉冲信号转化为强脉冲信号，经由原边驱动电路4转化为双极型脉冲信号传输至副边驱动控制电路6，而后生成隔离驱动信号由脉冲功率发生器7接收生成高电压脉冲传输至负载9。
实施例的作用与效果
根据本实施例涉及的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，因为采用的磁隔离变压器具有的多个磁芯使其具有分压作用，所以，可以通过人为的改变匝数比来提高驱动信号的上升沿以提高驱动速度，还可以通过人为的改变匝数比使其电压升高，从而提高副边输出的信号的电压幅值。因为采用的多个开关管能够进行同步驱动，并能通过开关管的开通与关断实现脉冲波形的调制，所以，能够输出不同的脉冲波形。因为采用两个半导体开关作为电压锁存模块，所以，脉宽不受铁磁隔离的限制，能够驱动受控的半导体开关的电荷由原边绕组传输。因为采用的半导体开关Q2在正脉冲信号来临时储能电容C1充电，使得半导体开关Sn导通，所以，当信号消失时由于没有电荷的泄放通路，能够使得电压被维持。因为采用的MOSFET管具有的寄生二极管在负脉冲信号来临时会释放负压，且采用的稳压管Z1能够阻断泄放通路，所以，能够起到限制动作电流幅值的作用。因为采用的三极管Q3在电流超过设计的幅值时会导通，将门极电容上的电荷进行快速泄放，所以，能够降低驱动电压使半导体开关等效阻值增大或立即关断，从而抑制大电流，达到保护开关的目的。根据本实施例涉及的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，因为采用了电容作为储能元件，所以，不需要采用额外的驱动芯片以及供电源。因此，本实施例的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路驱动电荷由原边绕组传输，不需要供电源，带有负压偏置有良好的抗干扰能力，过流保护模块结构简单可靠性高，尤其适用于强电磁环境，在保证半导体器件的电-热应力的条件下，通过减低驱动电压这种经典的过流保护方式，防止了由于短路引起的开关管损坏，保证了设备的可靠工作，另外，使用较少的电子元件，保证了多个开关管的驱动同步性，还解决了磁芯限制信号脉宽的问题，并减少了电路的复杂性，提高了电磁兼容的能力。
根据本实施例涉及的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，因为采用的采样电阻R3在发生短路时电流激增，使得采样电阻R3采样后通过三极管将高压驱动信号的电压幅值降低，所以能够是使半导体开关Sn关断。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，用于同步驱动多个半导体开关管，其特征在于，包括：
中央控制部，用于产生和输出弱脉冲信号；
控制面板，与所述中央控制部电连接，具有用于让用户选择控制模式从而让所述中央控制部产生和输出所述弱脉冲信号的控制按钮；
多个驱动芯片，与所述中央控制部电连接，用于将所述弱脉冲信号转化为强脉冲信号并进行传输；
原边驱动电路，与所述多个驱动芯片电连接，用于将所述强脉冲信号转化为双极型脉冲信号；
磁隔离变压器，具有与所述原边驱动电路电连接的原边绕组、多个隔离地串联于所述原边绕组的磁芯以及缠绕于所述磁芯上的副边绕组，用于传输所述双极型脉冲信号；
副边驱动控制电路，与所述磁隔离变压器的副边绕组电连接，用于接收所述双极型脉冲信号并生成隔离驱动信号，
其中，所述原边驱动电路采用逆变电路，用于产生幅值、脉宽、死区以及频率均可调的所述双极型脉冲信号，具有多个所述半导体开关管以及分别并联于各所述半导体开关管上的电容，
所述副边驱动控制电路包括电压锁存模块以及过流保护模块，
所述电压锁存模块包括两极均与所述副边绕组并联的半导体开关Q1和两极均与所述副边绕组并联的半导体开关Q2，或包括两极均与所述副边绕组并联的半导体开关和两极均与所述副边绕组并联的二极管，
所述过流保护模块包括与所述半导体开关Q1的集电极串联的电阻R2、与所述电阻R2连接的半导体开关Sn、并联于所述半导体开关Sn上的三极管Q3、与所述三极管Q3连接的电阻R1以及与所述电阻R1连接的稳压管Z1。
2.根据权利要求1所述的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，其特征在于：
其中，所述半导体开关Q1和Q2还与储能电容C1连接。
3.根据权利要求1所述的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，其特征在于：
其中，所述三极管Q3的基极通过所述电阻R1和稳压管Z1与采样电阻R3的一端串联，所述采样电阻R3的另一端与所述三极管Q3的发射极连接。
4.根据权利要求1所述的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，其特征在于：
其中，所述中央控制部采用单片机、RAM芯片、DSP芯片或FPGA芯片。
5.根据权利要求1所述的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，其特征在于：
其中，所述驱动芯片采用IR2110芯片或TLP250芯片。
6.根据权利要求1所述的基于磁隔离的带过流保护和负电压偏置的同步驱动电路，其特征在于：
其中，所述半导体开关管采用MOSFET开关管或IGBT开关管。
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