CN109687693B - 一种隔离驱动器及高频开关电源 - Google Patents

一种隔离驱动器及高频开关电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种隔离驱动器及高频开关电源，其隔离驱动器包括：功率放大电路模块，隔离耦合变压器，上开关管驱动电路模块和下开关管驱动电路模块；上、下开关管驱动电路模块均包括负压辅助电源子模块和米勒钳位电路子模块；负压辅助电源子模块用于为米勒钳位电路子模块提供关断驱动辅助电源；米勒钳位电路子模块用于在隔离耦合后的驱动信号电压非正时将输出给开关管栅极的驱动信号钳位在负电压。上述方案采用米勒钳位电路对负电压的驱动信号进行钳位，降低米勒电容对驱动的影响，降低关断损耗，提高工作可靠性。

Description

一种隔离驱动器及高频开关电源
技术领域
本发明实施例涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种隔离驱动器及高频开关电源。
背景技术
高频开关电源(也称为开关型整流器)是通过MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)或IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的高频工作的电源，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。高频开关电源因具有效率高、体积小的优点，已逐步取代了线性电源。
高频开关电源的功率开关管(MOSFET或IGBT)的栅极需要驱动电路进行驱动。由于变压器隔离驱动的电路结构简单、且不需要另外添加辅助电源，因此广泛用于高频开关电源的功率开关管的栅极驱动。
高频开关电源中的功率开关管由于受到半导体技术和内部工艺的制约，米勒电容都不会很小，对功率开关管的驱动电路造成影响，使得高频开关电源的关断损耗增大，甚至误导通而损坏功率开关管，电路可靠性降低。
发明内容
针对以上的不足，本发明提供了一种隔离驱动器及高频开关电源，采用米勒钳位电路对负电压的驱动信号进行钳位，降低米勒电容对驱动的影响，降低关断损耗，提高工作可靠性。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种隔离驱动器，包括：
功率放大电路模块，用于将输入的驱动信号进行放大后输出给隔离耦合变压器；
隔离耦合变压器，用于将放大的驱动信号进行隔离耦合后输出给上开关管驱动电路模块和下开关管驱动电路模块；
上开关管驱动电路模块，用于对隔离耦合后的驱动信号进行处理后输出给上开关管栅极；
下开关管驱动电路模块，用于对隔离耦合后的驱动信号进行处理后输出给下开关管栅极；
所述上开关管驱动电路模块包括第一负压辅助电源子模块和第一米勒钳位电路子模块；所述第一负压辅助电源子模块用于为所述第一米勒钳位电路子模块提供关断驱动辅助电源；所述第一米勒钳位电路子模块用于在所述隔离耦合后的驱动信号电压非正时将输出给所述上开关管栅极的驱动信号钳位在负电压；
所述下开关管驱动电路模块包括第二负压辅助电源子模块和第二米勒钳位电路子模块；所述第二负压辅助电源子模块用于为所述第二米勒钳位电路子模块提供关断驱动辅助电源；所述第二米勒钳位电路子模块用于在所述隔离耦合后的驱动信号电压非正时将输出给所述下开关管栅极的驱动信号钳位在负电压。
优选地，所述隔离耦合变压器包括初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组；所述第一次级绕组的输出为所述上开关管驱动电路模块的输入，所述第二次级绕组的输出为所述下开关管驱动电路模块的输入；
所述功率放大电路模块包括第一功率放大电路子模块和第二功率放大电路子模块；
所述第一功率放大电路子模块的输出为所述隔离耦合变压器的初级绕组的第一输入管脚的输入，且所述第一功率放大电路子模块输入与所述隔离耦合变压器的第一次级绕组的输入相位相同；
所述第二功率放大电路子模块的输出为所述隔离耦合变压器的初级绕组的第二输入管脚的输入，且所述第二功率放大电路子模块输入与所述隔离耦合变压器的第二次级绕组的输入相位相同。
优选地，所述第一功率放大电路的输入与所述第二功率放大电路的输入的相位差为180度。
优选地，所述第一负压辅助电源子模块包括串联的第一整流二极管和第一滤波储能电容；
所述第二负压辅助电源子模块包括串联的第二整流二极管和第二滤波储能电容。
优选地，所述第一米勒钳位电路子模块和所述第二米勒钳位电路子模块均包括负偏置电路。
优选地，所述负偏置电路包括并联电阻、串联电阻、并联电容和PNP型三极管；
所述并联电阻与所述并联电容并联，所述串联电阻与并联电阻和所述并联电容串联，且串联连接端与所述PNP型三极管的基极连接。
优选地，所述第一米勒钳位电路子模块的所述并联电阻、串联电阻和所述并联电容组成的电路与所述第一负压辅助电源子模块的第一整流二极管并联，且所述串联电阻与所述第一整流二极管的正极连接，所述并联电阻和并联电容与所述第一整流二极管的负极连接；
所述第二米勒钳位电路子模块的所述并联电阻、串联电阻和所述并联电容组成的电路与所述第二负压辅助电源子模块的第二整流二极管并联，且所述串联电阻与所述第二整流二极管的正极连接，所述并联电阻和并联电容与所述第二整流二极管的负极连接。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种高频开关电源，包括上述任意实施例所述的隔离驱动器，还包括上开关管和下开关管；所述上开关管的栅极与所述隔离驱动器的上开关驱动电路模块的输出端连接；所述下开关管的栅极与所述隔离驱动器的下开关驱动电路模块的输出端连接。
本发明的有益效果：
本发明实施例提供的隔离驱动器及包含该隔离驱动器的高频开关电源，在其上/下开关管驱动电路模块中均包括米勒钳位电路子模块，在驱动信号电压非正时将输出给上/下开关管栅极的驱动信号钳位在负电压，改善隔离驱动电路的关断效果，减小关断损耗，提高电路工作的可靠性。且电路结构简单、可靠性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一实施例中的隔离驱动器的结构示意图；
图2是本发明一具体实施方式中的高频开关电源的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种隔离驱动器。在一实施例中，如图1所示，该隔离驱动器包括：
功率放大电路模块100，用于将输入的驱动信号进行方法后输出给隔离耦合变压器200；
隔离耦合变压器200，用于将放大的驱动信号进行隔离耦合后输出给上开关管驱动电路模块300和下开关管驱动电路模块400；
上开关管驱动电路模块300，用于对隔离耦合后的驱动信号进行处理后输出给上开关管栅极；
下开关管驱动电路模块400，用于对隔离耦合后的驱动信号进行处理后输出给下开关管栅极；
所述上开关管驱动电路模块300包括第一负压辅助电源子模块301和第一米勒钳位电路子模块302；所述第一负压辅助电源子模块301用于为所述第一米勒钳位电路子模块302提供关断驱动辅助电源；所述第一米勒钳位电路子模块302用于在所述隔离耦合后的驱动信号电压非正时将输出给所述上开关管栅极的驱动信号钳位在负电压；
所述下开关管驱动电路模块400包括第二负压辅助电源子模块401和第二米勒钳位电路子模块402；所述第二负压辅助电源子模块401用于为所述第二米勒钳位电路子模块402提供关断驱动辅助电源；所述第二米勒钳位电路子模块402用于在所述隔离耦合后的驱动信号电压非正时将输出给所述下开关管栅极的驱动信号钳位在负电压。
本发明实施例中，上、下开关管均为功率开关管，可以但不仅限于由MOSFET或IGBT实现。
本发明实施例提供的隔离驱动器，在其上/下开关管驱动电路模块中均包括米勒钳位电路子模块，在驱动信号电压非正时将输出给上/下开关管栅极的驱动信号钳位在负电压，改善隔离驱动电路的关断效果，减小关断损耗，提高电路工作的可靠性。且电路结构简单、可靠性高。
本发明实施例中，不对功率放大电路模块100的具体电路结构进行限定，可对输入信号进行放大后输出的功率放大电路均可用于本发明实施例提供给的隔离驱动器。
本发明实施例中，隔离耦合变压器包括初级绕组和次级绕组，通过初级绕组的输入管脚输入信号，并通过次级绕组的输出管脚输出信号。由于上、下开关管需要分别驱动，即分别由上开关管驱动电路模块和下开关管驱动电路模块驱动，因此，隔离耦合变压器200需要分别向这两个开关管驱动电路模块输出驱动信号。相应的，隔离耦合变压器包括第一次级绕组和第二次级绕组，其中，第一次级绕组的输出为上开关管驱动电路模块300的输入，第二次级绕组的输出为下开关管驱动电路模块400的输入。
相应的，上述功率放大电路模块100包括第一功率放大电路子模块和第二功率放大电路子模块；第一功率放大电路子模块的输出为所述隔离耦合变压器200的初级绕组的第一输入管脚的输入，且所述第一功率放大电路子模块输入与所述隔离耦合变压器200的第一次级绕组的输入相位相同；第二功率放大电路子模块的输出为所述隔离耦合变压器200的初级绕组的第二输入管脚的输入，且所述第二功率放大电路子模块输入与所述隔离耦合变压器200的第二次级绕组的输入相位相同。
进一步地，本发明实施例的驱动信号为PWM(脉冲宽度调制)信号，第一功率放大电路的输入与第二功率放大电路的输入的相位差为180度。
在上述任意方法实施例的基础上，第一负压辅助电源子模块301包括串联的第一整流二极管和第一滤波储能电容；第二负压辅助电源子模块401包括串联的第二整流二极管和第二滤波储能电容。
本发明实施例中，第一负压辅助电源301和第二负压辅助电源401可以被设置为额外的辅助电源。优选的，第一负压辅助电源301和第二负压辅助电源401由隔离耦合变压器供电。具体的，滤波储能电容与整流二极管串联，且滤波储能电容的一端与隔离耦合变压器的次级绕组的输出管脚连接，另一端与整流二极管的正极连接。
在上述任意方法实施例的基础上，第一米勒钳位电路子模块302和第二米勒钳位电路子模块402均包括负偏置电路。
本发明实施例不对负偏置电路的具体电路结构进行限定，凡能够起到关断钳位作用的负偏置电路均适用于本发明实施例提供的隔离驱动电路。
优选的，负偏置电路包括并联电阻、串联电阻、并联电容和PNP型三极管；并联电阻与并联电容并联，串联电阻与并联电阻和并联电容串联，且串联连接端与PNP型三极管的基极连接。
在此基础上，第一米勒钳位电路子模块的并联电阻、串联电阻和并联电容组成的电路与第一负压辅助电源子模块的第一整流二极管并联，且串联电阻与第一整流二极管的正极连接，并联电阻和并联电容与所述第一整流二极管的负极连接；第二米勒钳位电路子模块的所述并联电阻、串联电阻和所述并联电容组成的电路与所述第二负压辅助电源子模块的第二整流二极管并联，且所述串联电阻与所述第二整流二极管的正极连接，所述并联电阻和并联电容与所述第二整流二极管的负极连接。
本发明实施例还提供一种高频开关电源，包括上述任意实施例所述的隔离驱动器，还包括上开关管和下开关管；所述上开关管的栅极与所述隔离驱动器的上开关驱动电路模块的输出端连接；所述下开关管的栅极与所述隔离驱动器的下开关驱动电路模块的输出端连接。
下面结合图2所示的具体电路结构示意图，对本发明实施例的高频开关电源的一种具体实现方式进行说明。
在图2所示的高频开关电源中，其隔离驱动器主要包括以下四部分：
前级功率放大电路(即上述功率放大电路模块，由电阻R1、三极管Q1、三极管Q2、电阻R2、三极管Q3、三极管Q4和电容C1组成)，前级功率放大电路将驱动信号进行放大后驱动隔离耦合变压器；
隔离耦合变压器电路(即图2中的T1)，T1中：N1为初级绕组，次级绕组N2(即上述第一次级绕组)为开关管上管(即上开关管)提供驱动信号；次级绕组N3(即上述第二次级绕组)为开关管下管(即下开关管)提供驱动信号。隔离耦合变压器电路将前级放大的驱动信号进行耦合传输到后级的驱动电路；
开关管上管驱动电路(即上开关管驱动电路模块，由电阻R3、整流二极管D1、电容C2、电容C3、电阻R4、电阻R7、三极管Q5组成)，利用变压器耦合的驱动信号可靠地驱动开关Q6；
开关管下管驱动电路(即下开关管驱动电路模块，由电阻R5、整流二极管D2、电容C4、电容C5、电阻R6、电阻R8、三极管Q7组成)，利用变压器耦合的驱动信号可靠地驱动开关Q8。
PWM1和PWM2是两路相位相差180度的驱动信号，PWM1经R1连接到Q1(NPN型三极管)和Q2(PNP型三极管)的基极，Q1的集电极连接到驱动辅助电源VCC，Q2的集电极连接到驱动辅助电源GND，经Q1和Q2组成互补功率放大后经C1连接到隔离耦合变压器T1的初级1脚；PWM2经R2连接到Q3(NPN型三极管)和Q4(PNP型三极管)的基极，Q3的集电极连接到驱动辅助电源VCC，Q4的集电极连接到驱动辅助电源GND，经Q3和Q4组成互补功率放大后连接到隔离耦合变压器T1的初级2脚，变压器隔离耦合，在次级绕组产生两路隔离驱动信号(即经隔离耦合后的驱动信号)。
隔离耦合变压器T1由3个隔离组绕组成。N1为初级绕组，次级绕组N2为开关管上管的提供驱动信号，次级绕组N3为开关管下管的提供驱动信号。变压器的第1脚和第3脚、第6脚为同名端，产生的驱动信号相位相同。
当PWM1为高电平时，PWM2为低电平；经变压器N2输出的信号和PWM1相位相同，PWM1为高电平时输出正驱动电压信号，死区时间为零电压，和PWM2信号相同的为负驱动电压；负电压通过D1整流C3滤波储能，建立一个负电源(为米勒钳位电路提供一个负的关断驱动辅助电源)；当驱动信号为正电压时，经R4//C2连接到Q5的基极，Q5截止；经R3连接到开关管Q6的栅极，驱动开关管Q6导通；当驱动信号转为零电压时，R4//C2与R7分压给Q5的基极一个负的偏置电压，Q5导通，抽走开关管Q6的栅极电荷和米勒电容耦合到栅极电荷，Q6快速关断并将门极钳位到一个负电压；当驱动信号为负电压时，Q5继续导通，并接门极钳位到输入的负电压，保证开关管Q6的可靠关断。
当PWM2为高电平时，PWM1为低电平；经变压器N3输出的信号和PWM2相位相同，PWM2为高电平时输出正驱动电压信号，死区时间为零电压，和PWM1信号相同的为负驱动电压；负电压通过D2整流C5滤波储能，建立一个负电源(为米勒钳位电路提供一个负的关断驱动辅助电源)；当驱动信号为正电压时，经R6//C4连接到Q7的基极，Q7截止；经R5连接到开关管Q8的栅极，驱动开关管Q8导通；当驱动信号转为零电压时，R6//C4与R8分压给Q7的基极一个负的偏置电压，Q7导通，抽走开关管Q8的栅极电荷和米勒电容耦合到栅极电荷，Q8快速关断并将门极钳位到一个负电压；当驱动信号为负电压时，Q7继续导通，并接门极钳位到输入的负电压，保证开关管Q8的可靠关断。
上述电路结构中，由(D1、C3，D2、C5)整流二极管和滤波储能电容组成的米勒钳位电路负压辅助电源，以及由(R4、C2、R7、Q5，R6、C4、R8、Q7)电阻电容并联和电阻串联的负偏置电路和PNP三极管组成关断开关电路(即米勒钳位电路)。
以上对本发明实施例所提供的一种隔离驱动器及高频开关电源进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种隔离驱动器，其特征在于，包括：
功率放大电路模块，用于将输入的驱动信号进行放大后输出给隔离耦合变压器；
隔离耦合变压器，用于将放大的驱动信号进行隔离耦合后输出给上开关管驱动电路模块和下开关管驱动电路模块；
上开关管驱动电路模块，用于对隔离耦合后的驱动信号进行处理后输出给上开关管栅极；
下开关管驱动电路模块，用于对隔离耦合后的驱动信号进行处理后输出给下开关管栅极；
所述上开关管驱动电路模块包括第一负压辅助电源子模块和第一米勒钳位电路子模块；所述第一负压辅助电源子模块用于为所述第一米勒钳位电路子模块提供关断驱动辅助电源；所述第一米勒钳位电路子模块用于在所述隔离耦合后的驱动信号电压非正时将输出给所述上开关管栅极的驱动信号钳位在负电压；
所述下开关管驱动电路模块包括第二负压辅助电源子模块和第二米勒钳位电路子模块；所述第二负压辅助电源子模块用于为所述第二米勒钳位电路子模块提供关断驱动辅助电源；所述第二米勒钳位电路子模块用于在所述隔离耦合后的驱动信号电压非正时将输出给所述下开关管栅极的驱动信号钳位在负电压；
所述隔离耦合变压器包括初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组，所述第一负压辅助电源子模块包括串联的第一整流二极管和第一滤波储能电容，所述第二负压辅助电源子模块包括 串联的第二整流二极管和第二滤波储能电容，所述第一米勒钳位电路子模块和所述第二米勒钳位电路子模块均包括负偏置电路，所述负偏置电路包括并联电阻、串联电阻、并联电容和PNP型三极管；
其中，所述第一整流二极管的正极与所述第一滤波储能电容的一端连接，所述第一滤波储能电容的另一端与所述第一次级绕组的异名端连接，所述第一整流二极管的负极、所述第一米勒钳位电路子模块的并联电阻和并联电容的一端均与所述第一次级绕组的同名端连接，所述第一米勒钳位电路子模块的并联电阻和并联电容的另一端、串联电阻的一端均与所述第一米勒钳位电路子模块的PNP型三极管的基极连接，所述第一米勒钳位电路子模块的串联电阻的另一端与所述第一整流二极管的正极连接，所述第一米勒钳位电路子模块的PNP型三极管的集电极与所述第一整流二极管的正极连接，发射极与上开关管的栅极连接；
所述第二整流二极管的正极与所述第二滤波储能电容的一端连接，所述第二滤波储能电容的另一端与所述第二次级绕组的同名端连接，所述第二整流二极管的负极、所述第二米勒钳位电路子模块的并联电阻和并联电容的一端均与所述第二次级绕组的异名端连接，所述第二米勒钳位电路子模块的并联电阻和并联电容的另一端、串联电阻的一端均与所述第二米勒钳位电路子模块的PNP型三极管的基极连接，所述第二米勒钳位电路子模块的串联电阻的另一端与所述第二整流二极管的正极连接，所述第二米勒钳位电路子模块的PNP型三极管的集电极与所述第二整流二极管的正极连接，发射极与下开关管的栅极连接。
2.根据权利要求1所述的隔离驱动器，其特征在于：
所述第一次级绕组的输出为所述上开关管驱动电路模块的输入，所述第二次级绕组的输出为所述下开关管驱动电路模块的输入；
所述功率放大电路模块包括第一功率放大电路子模块和第二功率放大电路子模块；
所述第一功率放大电路子模块的输出为所述隔离耦合变压器的初级绕组的第一输入管脚的输入，且所述第一功率放大电路子模块输入与所述隔离耦合变压器的第一次级绕组的输入相位相同；
所述第二功率放大电路子模块的输出为所述隔离耦合变压器的初级绕组的第二输入管脚的输入，且所述第二功率放大电路子模块输入与所述隔离耦合变压器的第二次级绕组的输入相位相同。
3.根据权利要求2所述的隔离驱动器，其特征在于，所述第一功率放大电路的输入与所述第二功率放大电路的输入的相位差为180度。
4.一种高频开关电源，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的隔离驱动器，还包括上开关管和下开关管；
所述上开关管的栅极与所述隔离驱动器的上开关驱动电路模块的输出端连接；
所述下开关管的栅极与所述隔离驱动器的下开关驱动电路模块的输出端连接。
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Denomination of invention: An isolated driver and high frequency switching power supply

Effective date of registration: 20220712

Granted publication date: 20200207

Pledgee: Industrial and Commercial Bank of China Limited Foshan Shiwan sub branch

Pledgor: AEROSPACE BAYKEE (GUANGDONG) TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2022980010313