CN109347328A - 一种磁隔离高频驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种磁隔离高频驱动电路，产生驱动脉冲的控制电路产生驱动脉冲送至变压器原边驱动放大电路，变压器原边驱动放大电路对驱动脉冲进行功率放大后送至隔离驱动变压器电路T1，隔离驱动变压器电路T1进行隔离传输后送至变压器副边驱动放大电路，变压器副边驱动放大电路根据驱动信号对开关管进行驱动，负压产生电路对开关管的源极电压进行抬升。

Description

一种磁隔离高频驱动电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，特别是一种磁隔离高频驱动电路。

背景技术

开关电源现在已被广泛应用于各个领域，其功率开关管工作在高频开关状态。由于拓扑本身原因或出于安全考虑需要将控制电路驱动脉冲与功率开关管进行隔离，在某些应用场合必须要求控制电路驱动脉冲与功率开关管进行磁隔离。

随着对开关电源功率密度和频率的提高，传统的硅基电力电子器件的性能已经逼近其材料极限，以氮化镓为代表的宽禁带半导体器件因其开关速度快、寄生参数小、电气参数优、具有天生抗辐照特性而受到越来越多关注，为开关电源的发展带来新的机遇。由GaNHEMT特性可知，GaN HEMT非常适合工作在高频场合。然而在高频下，杂散参数的影响变得更加明显，针对GaN晶体管开通阈值电压低、栅源极电压范围小(0V～5V)，对其驱动电路要求非常严格，传统的功率开关管磁隔离驱动电路已无法满足需求，需要对驱动电路进行升级优化。

传统的功率开关管磁隔离驱动电路如图1所示，包括原边隔直电容C1，隔离驱动变压器T1和副边电阻R1和R2。图1中控制芯片产生驱动脉冲时，驱动脉冲信号通过电容C1，驱动变压器T1传送到副边，使得功率开关管的脉冲方波跟随驱动信号的波形。

传统的磁隔离驱动电路存在的问题是传送到副边的驱动脉冲的电压幅值随着占空比的变化而变化，在占空比较大的的情况下，会出现副边驱动脉冲的电压幅值不足以开通功率开关管的情况。由于副边驱动脉冲的电压幅值变换范围较大，所以驱动电路不适合栅源极电压范围小(0V～5V)的GaN器件。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁隔离高频驱动电路，解决现有技术中当磁隔离驱动电路驱动脉冲占空比变化较大的情况下，副边驱动脉冲的电压幅值变化较大问题，同时解决副边脉冲容易受变压器漏感的影响产生尖峰，在驱动电压较低的GaN器件容易发生栅极损坏问题。

本发明的技术解决方案是：一种磁隔离高频驱动电路，包括产生驱动脉冲的控制电路、变压器原边驱动放大电路、隔离驱动变压器电路T1、变压器副边驱动放大电路、负压产生电路，其中：

产生驱动脉冲的控制电路产生驱动脉冲送至变压器原边驱动放大电路，变压器原边驱动放大电路对驱动脉冲进行功率放大后送至隔离驱动变压器电路T1，隔离驱动变压器电路T1进行隔离传输后送至变压器副边驱动放大电路，变压器副边驱动放大电路根据驱动信号对开关管进行驱动，负压产生电路对开关管的源极电压进行抬升。

所述的变压器副边驱动放大电路包括电阻R2、三极管Q3、三极管Q4、辅助供电的VCC2、电阻R4、电阻R5，其中：

隔离驱动变压器电路T1输出侧同名端接电阻R2一端，电阻R2另一端接三极管Q3的基极、三极管Q4基极，三极管Q3的集电极接直流电源VCC2供电，三极管Q3的发射极接三极管Q4的发射极、电阻R4一端、隔离驱动变压器电路T1输出侧异名端，三极管Q4的集电极连接GND2，电阻R4的另一端接功率开关管Q5的栅极、电阻R5一端，电阻R5的另一端接功率开关管Q5的源极。

所述的变压器副边驱动放大电路包括电阻R2、MOS管Q3、MOS管Q4、辅助供电的VCC2、电阻R4、电阻R5，其中：

隔离驱动变压器电路T1输出侧同名端接电阻R2一端，电阻R2另一端接MOS管Q3的栅极、MOS管Q4栅极，MOS极管Q3的漏极接直流电源VCC2供电，MOS管Q3的源极接MOS管Q4的源极、电阻R4一端、隔离驱动变压器电路T1输出侧异名端，MOS管Q4的漏极连接GND2，电阻R4的另一端接功率开关管Q5的栅极、电阻R5一端，电阻R5的另一端接功率开关管Q5的源极。

所述的负压产生电路包括电阻R3、稳压管Z1、C2，其中：

电阻R3一端接直流电源VCC2，另一端接变压器副边驱动放大电路中电阻R5一端、功率开关管Q5的源极以及Z1、C2并联后的一端，Z1、C2并联的另一端连接GND2。

一种磁隔离高频驱动方法，包括如下步骤：

(1)当产生驱动脉冲的控制电路输出的驱动脉冲为高电平时，驱动脉冲经过串联的电阻R1、三极管Q1放大后通过电容C1、隔离驱动变压器电路T1的原边侧回到第一直流电源VCC1的地端子GND1，驱动脉冲经隔离驱动变压器电路T1的副边耦合出变压器副边高电平，变压器副边高电平通过R2使Q3导通，经过Q3放大后在功率开关管Q5上产生驱动电压，功率开关管Q5开通；

(2)当产生驱动脉冲的控制电路输出的驱动脉冲为低电平时，三极管Q2导通，电容C1上电荷通过三极管Q2和隔离驱动变压器T1的原边放电，变压器T1原边产生负驱动脉冲，负驱动脉冲经隔离驱动变压器电路T1的副边耦合出变压器副边负驱动脉冲，变压器副边低电平通过R2使Q4导通，功率开关管Q5关断，负压产生电路使得功率开关管Q5的栅源电压维持负压关断。

所述的Q3、Q4为三极管或者MOS管。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明克服现有技术的不足，解决现有技术中当磁隔离驱动电路驱动脉冲占空比变化较大的情况下，副边驱动脉冲的电压幅值变化较大问题，同时解决副边脉冲容易受变压器漏感的影响产生尖峰，在驱动电压较低的GaN器件容易发生栅极损坏问题；继承了传统磁隔离驱动电路的相关优点，副边驱动脉冲的电压幅值不受占空比变化影响，同时驱动电路加入负压，能有效防止开关管的误导通。

附图说明

图1为传统磁隔离驱动电路原理图；

图2为本发明磁隔离驱动电路原理图；

图3为本发明磁隔离驱动电路分析图；

图4为本发明磁隔离驱动电路MOS管原理图。

具体实施方式

现有技术主要通过变压器副边增加自举电容解决副边驱动脉冲的电压幅值变化较大问题，但这种电路受变压器漏感影响较大，容易受变压器漏感的影响产生尖峰。本发明解决了现有技术中当磁隔离驱动电路驱动脉冲占空比变化较大的情况下，副边驱动脉冲的电压幅值变化较大问题，同时优化了副边脉冲容易受变压器漏感的影响产生尖峰，在驱动电压较低的GaN器件容易发生栅极损坏问题。

一种磁隔离高频驱动电路，包括：产生驱动脉冲的控制电路、变压器原边驱动放大电路、隔离驱动变压器电路T1、变压器副边驱动放大电路、负压产生电路，其特征在于还包括：产生驱动脉冲的控制电路产生驱动脉冲送至变压器原边驱动放大电路，变压器原边驱动放大电路对驱动脉冲进行功率放大后送至隔离驱动变压器电路T1，隔离驱动变压器电路T1进行隔离传输后送至变压器副边驱动放大电路，变压器副边驱动放大电路根据驱动信号对开关管进行驱动，负压产生电路对开关管的源极电压进行抬升。

如图2所示为本发明磁隔离驱动电路原理图，变压器副边驱动放大电路包括R2、三极管Q3、三极管Q4、辅助供电的VCC2、R4、R5，其中：隔离驱动变压器电路T1输出侧同名端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接三极管Q3的基极、三极管Q4基极，三极管Q3的集电极接直流电源VCC2供电，三极管Q3的发射极接三极管Q4的发射极、电阻R4一端、隔离驱动变压器电路T1输出侧异名端，三极管Q4的集电极连接GND2，电阻R4的另一端接功率开关管Q5的栅极、电阻R5一端，电阻R5的另一端接功率开关管Q5的源极。

另外，本发明驱动脉冲放大电路可以是由N型MOS管与P型MOS管构成的图腾柱电路；如图4所示为本发明磁隔离驱动电路MOS管原理图，变压器副边驱动放大电路包括R2、MOS管Q3、MOS管Q4、辅助供电的VCC2、R4、R5，其中：隔离驱动变压器电路T1输出侧同名端连接电阻R2一端，电阻R2另一端接MOS管Q3的栅极、MOS管Q4栅极，MOS极管Q3的漏极接直流电源VCC2供电，MOS管Q3的源极接MOS管Q4的源极、电阻R4一端、隔离驱动变压器电路T1输出侧异名端，MOS管Q4的漏极连接GND2，电阻R4的另一端接功率开关管Q5的栅极、电阻R5一端，电阻R5的另一端接功率开关管Q5的源极。

如图1所示为传统磁隔离驱动电路，本发明电路如图2所示主要由产生驱动脉冲的控制电路、变压器原边驱动放大电路、隔离驱动变压器电路T1、变压器副边驱动放大电路、负压产生电路组成。下面结合图3，对本发明的隔离驱动电路原理图进行展开说明：

(1)当产生驱动脉冲的控制电路输出的驱动脉冲为高电平时，驱动脉冲经过串电阻R1、三极管Q1放大后通过电容C1、隔离驱动变压器电路T1的原边侧回到第一直流电源VCC1的地端子GND1，驱动脉冲经隔离驱动变压器电路T1的副边耦合出变压器副边高电平，变压器副边高电平通过R2使Q3导通，经过三极管Q3放大后在功率开关管Q5上产生驱动电压，功率开关管Q5开通；其中，当驱动脉冲为高电平时，变压器T1原边侧电压Vp的高电平幅值为(1-D)*M1，假设变压器变比为1：1，可得出变压器副边的电压Vs的高电平幅值为(1-D)*M1，变压器高电平通过R2使Q3导通，电源VCC2在功率开关管上驱动电压Vgs为VCC2-Vz，功率开关管Q5开通。

(2)当产生驱动脉冲的控制电路输出的驱动脉冲为低电平时，三极管Q2导通，电容C1上电荷通过三极管Q2和隔离驱动变压器T1的原边放电，变压器T1原边产生负驱动脉冲，负驱动脉冲经隔离驱动变压器电路T1的副边耦合出变压器副边负驱动脉冲，变压器副边低电平通过R2使Q4导通，功率开关管Q5栅极电压为-VZ1，功率开关管Q5关断，负压产生电路使得功率开关管Q5的栅源电压维持负压关断，其中，当驱动脉冲为低电平时，变压器T1原边侧电压Vp的高电平幅值为-D*M1，假设变压器变比为1：1，可得出变压器副边的电压Vs的高电平幅值为-D*M1，变压器副边三极管Q3截至，三极管Q4导通，功率开关管Q5上驱动电压Vgs为-Vz，功率开关管Q5截至。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种磁隔离高频驱动电路，其特征在于包括产生驱动脉冲的控制电路、变压器原边驱动放大电路、隔离驱动变压器电路T1、变压器副边驱动放大电路、负压产生电路，其中：

产生驱动脉冲的控制电路产生驱动脉冲送至变压器原边驱动放大电路，变压器原边驱动放大电路对驱动脉冲进行功率放大后送至隔离驱动变压器电路T1，隔离驱动变压器电路T1进行隔离传输后送至变压器副边驱动放大电路，变压器副边驱动放大电路根据驱动信号对开关管进行驱动，负压产生电路对开关管的源极电压进行抬升。

2.根据权利要求要求1所述的一种磁隔离高频驱动电路，其特征在于：所述的变压器副边驱动放大电路包括电阻R2、三极管Q3、三极管Q4、辅助供电的VCC2、电阻R4、电阻R5，其中：

隔离驱动变压器电路T1输出侧同名端接电阻R2一端，电阻R2另一端接三极管Q3的基极、三极管Q4基极，三极管Q3的集电极接直流电源VCC2供电，三极管Q3的发射极接三极管Q4的发射极、电阻R4一端、隔离驱动变压器电路T1输出侧异名端，三极管Q4的集电极连接GND2，电阻R4的另一端接功率开关管Q5的栅极、电阻R5一端，电阻R5的另一端接功率开关管Q5的源极。

3.根据权利要求要求1所述的一种磁隔离高频驱动电路，其特征在于：所述的变压器副边驱动放大电路包括电阻R2、MOS管Q3、MOS管Q4、辅助供电的VCC2、电阻R4、电阻R5，其中：

隔离驱动变压器电路T1输出侧同名端接电阻R2一端，电阻R2另一端接MOS管Q3的栅极、MOS管Q4栅极，MOS极管Q3的漏极接直流电源VCC2供电，MOS管Q3的源极接MOS管Q4的源极、电阻R4一端、隔离驱动变压器电路T1输出侧异名端，MOS管Q4的漏极连接GND2，电阻R4的另一端接功率开关管Q5的栅极、电阻R5一端，电阻R5的另一端接功率开关管Q5的源极。

4.根据权利要求3所述的一种磁隔离高频驱动电路，其特征在于：所述的负压产生电路包括电阻R3、稳压管Z1、C2，其中：

电阻R3一端接直流电源VCC2，另一端接变压器副边驱动放大电路中电阻R5一端、功率开关管Q5的源极以及Z1、C2并联后的一端，Z1、C2并联的另一端连接GND2。

5.一种磁隔离高频驱动方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)当产生驱动脉冲的控制电路输出的驱动脉冲为高电平时，驱动脉冲经过串联的电阻R1、三极管Q1放大后通过电容C1、隔离驱动变压器电路T1的原边侧回到第一直流电源VCC1的地端子GND1，驱动脉冲经隔离驱动变压器电路T1的副边耦合出变压器副边高电平，变压器副边高电平通过R2使Q3导通，经过Q3放大后在功率开关管Q5上产生驱动电压，功率开关管Q5开通；

(2)当产生驱动脉冲的控制电路输出的驱动脉冲为低电平时，三极管Q2导通，电容C1上电荷通过三极管Q2和隔离驱动变压器T1的原边放电，变压器T1原边产生负驱动脉冲，负驱动脉冲经隔离驱动变压器电路T1的副边耦合出变压器副边负驱动脉冲，变压器副边低电平通过R2使Q4导通，功率开关管Q5关断，负压产生电路使得功率开关管Q5的栅源电压维持负压关断。

6.根据权利要求5所述的一种磁隔离高频驱动方法，其特征在于：所述的Q3、Q4为三极管或者MOS管。