CN109742952B

CN109742952B - 一种磁隔离驱动电路

Info

Publication number: CN109742952B
Application number: CN201811610097.2A
Authority: CN
Inventors: 王保均
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109742952A

Abstract

本发明公开了一种磁隔离驱动电路，变压器副边绕组连接的电路包括二极管D11、D12、D13、电阻R11、电容C11和三极管Q11，二极管D11的阳极连接副边绕组的一端，二极管D11的阴极连接第一输出端，副边绕组的另一端连接第二输出端，电阻R11和电容C11串联后一端连接于二极管D11的阳极，另一端和三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阳极与三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阴极连接第一输出端，三极管Q11的发射极与第一输出端电联接，三极管Q11的集电极连接二极管D13的阳极，二极管D13的阴极连接第二输出端。本发明当原边输入的高电平关闭时，电容C11充电完毕即可关断三极管Q11，使其提前退出饱和区，使得下一个周期能快速开通被驱动的功率开关器件。

Description

一种磁隔离驱动电路

技术领域

本发明涉及一种功率开关器件的驱动电路，尤其涉及一种功率开关器件的磁隔离驱动电路。

背景技术

功率开关器件在电力电子装置中占据着核心位置，它的可靠工作是整个装置正常运行的基础。功率开关器件的驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要部分。它对整个装置的性能有很大的影响，其作用是将控制电路输出的驱动脉冲信号放大到足以驱动功率开关器件，且进行必要的隔离。简而言之，驱动电路的基本任务就是将控制电路传来的驱动脉冲信号，转换为加在功率开关器件控制端和导通电流流出端之间的可以使其导通和关断的信号。

随着电力电子技术的快速发展，出现了很多新的性能优秀的拓扑，基于拓扑本身的需要或安全方面的考虑，需要将来自控制电路的驱动脉冲信号与功率开关器件进行隔离，因此，各种隔离驱动方案应运而生，其中磁隔离驱动方案具有电路简单、不易损坏、低成本、工作频率高、延时极小等优势，故磁隔离在当今的浮地驱动拓扑中有很高的使用率。

图1-1示出的是2006年10月12日公开的技术，公开号KR10-0820320的韩国专利申请文件中公开了一种双路互补的磁隔离驱动电路，用于单路驱动显然是可以的，这是LG公司的，较好地解决了被驱动的场效应管的快速关断问题，同样适用IGBT的驱动，以变压器T的副边绕组中的上绕组为例，上绕组是驱动上管Q1的，当上绕组感应出上正下负的电压时，上绕组上端的正电压通过二极管D3电联接Q1的栅极，上绕组的下端连接Q1的源极，Q1饱和导通；当上绕组感应出上负下正的电压时，由于D3的存在，这时Q3的基极处于负压，而Q3的发射极因为Q1的输入电容所储存的电荷，仍处于正电压，且在瞬间是和驱动电压相等的，那么Q3饱和导通，把Q1的输入电容所储存的电荷快速泄放至Q1的开启电压以下，D5的存在，是避免上绕组感应出上负下正的电压时，这个电压经过Q3的集电极至Q3的基极，会导致上绕组感应的电压被Q3的集电结短路，无法实现电荷快速泄放的功能，同时使得副边下绕组无法建立正压去驱动Q2。

图1-2示出的是2009年11月13日公开的技术，来自美的公司申请的实用新型专利，中国申请号200920262707.4说明书中的图2，采用的也是磁隔离驱动，该驱动电路与LG公司相比，节约了一只二极管，且采用了NPN型管子，理论上，会比与之配对的PNP型三极管速度更快一些，技术上更先进一些。

图1-3示出的是2011年10月24日公开的技术，来自中兴公司申请的发明专利，且已授权。参见中国申请号201110325112.0说明书中的图13，由于原图的线条细，截图后看不清，

图1-3进行了重画，严格遵守原图的连接关系与编号。该磁隔离驱动电路的变压器副边包括二极管D1和电阻R1组成的驱动回路，电阻R3、三极管Q1和二极管D2、分压电阻R2组成的泄放回路，以及二极管D3、分压电阻R4组成的公知的关断回路，事实上，该技术方案已被LG公司在2006年10月12日的KR10-0820320韩国专利公开。

图1-4示出的是2015年12月1日公开的技术，来自中国申请号201510873552.8说明书中的图3，是申请人的较早前的申请，该磁隔离驱动电路的变压器原边包括RCD去磁电路，副边包括二极管D2、电阻R5、电阻R6、电阻R7和MOS管Q2组成的驱动电路、加速关断电路，该电路使用了P沟道场效应管，事实上是图1-1中PNP型双极性三极管的等同替换，省去的一只二极管，也是因为场效应管的固有特性所决定的，技术进步小，其原边的驱动部分事实已被图1-2在2009年11月13日公开。

上述电路中，图1-1和图1-3以及图1-4的技术方案是相同的，包括图1-2的技术方案，这类磁隔离驱动电路实现了低功耗，但是，当来自控制电路的正驱动脉冲信号关闭时，负脉冲到来时，图1-1中三极管Q3将导通，图1-2中三极管Q2将导通，图1-3中三极管Q1将导通，而图1-4中场效应管Q2将延时较久才导通，延时较久是以一个工作周期作为参照的，这是由于Q2的输入电容所决定的。以下仅以图1-3的Q1为例，方便说明。Q1导通后，使得被驱动的MOS管的栅极和源极、漏极的寄生电容C_iss中储存的能量通过泄放回路进行释放，寄生电容C_iss又叫输入电容，能量释放至该MOS管的开启电压以下，MOS管才视为关断，当下一个周期的正驱动脉冲信号来临时，三极管Q1退出饱和导通状态存在延时，由于三极管存在一个存储时间(storage time)，即三极管基极接收到关断信号，而集电极电流要延时才能下降直到关断，这是公知技术，在中国申请号为201110436359.X的0010段倒数第4行，也有陈述。双极性晶体管Q1的延时关断导致被驱动的MOS管开通不及时，这是这类电路的重要不足。

而图1-4的技术方案，当下一个周期的正驱动脉冲信号来临时，P沟道场效应管Q2要通过R5先泄放才能退出饱和区，Q2退出饱和区后，C、D端所连接的MOS管或IGBT才会导通，这期间，因D2的压降小，Ns1感应电压经过D2和R6以及R7被短路，能量消耗较大。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种磁隔离驱动电路，在实现功率开关器件加速关断的同时还能确保其在下一个周期不会出现开通不及时。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种磁隔离驱动电路，其特征在于：包括第一输入端Si1、第二输入端Si2、第一输出端So1、第二输出端So2、变压器B、原边绕组N_P、副边绕组N_S、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电阻R11、电容C11和三极管Q11；

原边绕组N_P的两端分别连接第一输入端Si1和第二输入端Si2，二极管D11的阳极连接副边绕组N_S的一端，二极管D11的阴极连接第一输出端So1，副边绕组N_S的另一端连接第二输出端So2，电阻R11和电容C11串联后一端连接于二极管D11的阳极，另一端和三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阳极与三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阴极连接第一输出端So1，三极管Q11的发射极与第一输出端So1电联接，三极管Q11的集电极连接二极管D13的阳极，二极管D13的阴极连接第二输出端So2。

进一步地，第一输出端So1和三极管Q11的发射极之间，以及二极管D12的阳极和三极管Q11的基极之间择一或者均连接一只电阻。

对于双路输出驱动两只功率开关器件的应用场合，其特征在于：还包括第三输出端So3、第四输出端So4、副边绕组N_T、二极管D21、二极管D22、二极管D23、电阻R21、电容C21和三极管Q21；

二极管D21的阳极连接副边绕组N_T的一端，二极管D21的阴极连接第三输出端So3，副边绕组N_T的另一端连接第四输出端So4，电阻R21和电容C21串联后一端连接于二极管D21的阳极，另一端和三极管Q21的基极电联接，二极管D22的阳极与三极管Q21的基极电联接，二极管D22的阴极连接第三输出端So3，三极管Q21的发射极与第三输出端So3电联接，三极管Q21的集电极连接二极管D23的阳极，二极管D23的阴极连接第四输出端So4；

副边绕组N_S的一端为同名端，副边绕组N_T的另一端为同名端。

进一步地，第三输出端So3和三极管Q21的发射极之间，以及二极管D22的阳极和三极管Q21的基极之间择一或者均连接一只电阻。

针对本申请涉及的技术术语，本申请和现有技术可能有多种命名，以下各条中的技术术语表示的含义相同，各条中所罗列内容并未穷尽：

(1)功率开关器件、开关器件、功率开关管、功率管、开关管；

(2)正驱动脉冲信号、高电平驱动脉冲信号、高电平。

本发明的工作原理将在具体实施例中进行分析，在此不赘述。

本发明的磁隔离驱动电路的有益效果为：

加速关断的三极管能提前退出饱和区，从而在下一个驱动周期到来时，能加速被驱动的功率开关器件的开通。

附图说明

图1-1为现有韩国LG公司的KR10-0820320专利提供的磁隔离驱动电路图；

图1-2为现有美的公司的200920262707.4专利提供的磁隔离驱动电路图；

图1-3为现有中兴公司的201110325112.0专利提供的磁隔离驱动电路图；

图1-4为本申请人的201510873552.8专利申请提供的磁隔离驱动电路图；

图2-1为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图；

图2-2为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图的等效方案一；

图2-3为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图的等效方案二；

图2-4为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图的等效方案三；

图3为本发明第二实施例磁隔离驱动电路原理图。

具体实施方式

为了使得本领域的技术人员更加容易理解本发明，下面结合具体的实施方式对本发明进行说明。

第一实施例

请参阅图2-1，图2-1为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图。

本实施例的磁隔离驱动电路包括第一输入端Si1、第二输入端Si2、第一输出端So1、第二输出端So2、变压器B、原边绕组N_P、副边绕组N_S、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电阻R11、电容C11和三极管Q11；

为了方便分析工作原理，假设本实施例驱动的功率开关器件为MOS管，IGBT的本质是MOS管与高耐压双极性晶体管(Bipolar Junction Transistor)复合而成，本质上被直接驱动的仍是MOS管，第一输出端So1连接的是MOS管的栅极，第二输出端So2连接的是MOS管的源极，并且在图2-1中原边绕组N_P和副边绕组N_S标上表示同名端的黑点。需要说明的是，本实施例副边绕组N_S的同名端在上面和在下面是等效的，这仅取决于原边脉冲的极性而已。本实施例的工作原理如下：

当第一输入端Si1和第二输入端Si2输入的为高电平，通过变压器B的隔离变换，副边绕组N_S感应电压的方向为上正下负，二极管D11导通，在第一输出端So1和第二输出端So2之间产生驱动信号，用于驱动MOS管,由于MOS管的输入电容较大，在上升沿中容易产生振铃，D11还有消除振铃的作用,必要时在D11前面或后面串联电阻，起到阻尼作用，这里姑且称为阻尼电阻，阻尼电阻与MOS管的输入电容形成一个RC充电网络，调节阻尼电阻的阻值，可以获得MOS管较好的开通时间，其下降沿较好，可以获得良好的电磁兼容性。

当第一输入端Si1和第二输入端Si2输入的高电平关闭时，转换为极性相反的负电平时，副边绕组N_S的感应电压方向也同步变为上负下正，二极管D11截止，MOS管的栅极和漏极之间的寄生电容C_iss,即输入电容所储存的电荷无法通过D11向副边绕组N_S泄放，输入电容两端的电压为第一输出端So1为正，第二输出端So2为负，为了分析方便，设So2为地，那么这时的电流方向是：So1经Q11发射极，至Q11基极，对C11充电，并经过C11经过R11到达N_S的上端，N_S的上端为负压，N_S的下端为相对正压，已接地，这时，Q11因为有基极电流，处于放大状态，合理地设计参数，Q11可以工作在接近饱和状态，那么，输入电容所储存的电荷除了上述的电流途径，大部份经过Q11发射极，至Q11集电极，再经过正向导通的D13，至地。C11的端电压为左负、右正。

设Q11饱和压降为0.3V，D13的导通压降为0.7V，那么，第一输出端So1的正电压被放至1V左右，为Q11饱和压降和D13导通压降之和，被驱动的MOS管的开启电压一般高于1V，在这个1V电压下，MOS管截止。这个1V的电压经过Q11的发射结，电容C11、R11回到N_S的上端负压,C11的端电压上升至与充电源接近相等时，充电源就是1V电压到N_S的上端负压之和，如负压为15V,那么之和就是16V，对C11的充电消失，Q11的基极电流为零，Q11退出放大状态，处于截止状态。这样，当下一个周期的正驱动脉冲信号来临时，Q11已提前退出放大状态，正驱动脉冲信号经过D11后正常驱动MOS管。

正驱动脉冲信号来临时，D11相当于一个恒压源，导通电压可能为0.15V至1.1V，取决于D11的型号，那么电容C11的端电压，左负、右正通过D12,以及R11同样对MOS产生驱动，同时，C11的端电压放至0V左右。以便下一个负脉冲信号时的充电。

调节电容C11的容值和电阻R11的阻值，能实现电容C11充电在MOS管的输入电容放电后完成，从而实现了下一个周期能快速开通被驱动的MOS管。很显然，在Q11的基极至发射极并联一只电阻，可以让Q11的关断来得更利落。

电联接代表的含义除了直接联接，还包括间接连接(即两个电联接对象之间还可以连接其它的元器件)，并且包括通过感应耦合等方式联接。对于本领域的技术人员而言，还容易想到图2-2至图2-4的等效方案。

图2-2为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图的等效方案一，与图2-1不同之处在于在三极管Q11的发射极增加了限流电阻R12；图2-3为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图的等效方案二，与图2-1不同之处在于在三极管Q11的基极增加了限流电阻R13；图2-4为本发明第一实施例磁隔离驱动电路原理图的等效方案三，与图2-1不同之处在于在三极管Q11的发射极增加了限流电阻R12、基极增加了限流电阻R13。这些等效方案工作原理与

图2-1相同，不再赘述。

第二实施例

图3为本发明第二实施例，本实施例提供的为一种互补的磁隔离驱动电路，能够提供两路互补的驱动信号。

本实施例的磁隔离驱动电路包括第一输入端Si1、第二输入端Si2、第一输出端So1、第二输出端So2、第三输出端So3、第四输出端So4、变压器B、原边绕组N_P、副边绕组N_S、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电阻R11、电容C11和三极管Q11、副边绕组N_T、二极管D21、二极管D22、二极管D23、电阻R21、电容C21和三极管Q21；

原边绕组N_P的两端分别连接第一输入端Si1和第二输入端Si2；二极管D11的阳极连接副边绕组N_S的同名端，二极管D11的阴极连接第一输出端So1，副边绕组N_S的异名端连接第二输出端So2，电阻R11和电容C11串联后一端连接于二极管D11的阳极，另一端和三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阳极与三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阴极连接第一输出端So1，三极管Q11的发射极与第一输出端So1电联接，三极管Q11的集电极连接二极管D13的阳极，二极管D13的阴极连接第二输出端So2；二极管D21的阳极连接副边绕组N_T的异名端，二极管D21的阴极连接第三输出端So3，副边绕组N_T的同名端连接第四输出端So4，电阻R21和电容C21串联后一端连接于二极管D21的阳极，另一端和三极管Q21的基极电联接，二极管D22的阳极与三极管Q21的基极电联接，二极管D22的阴极连接第三输出端So3，三极管Q21的发射极与第三输出端So3电联接，三极管Q21的集电极连接二极管D23的阳极，二极管D23的阴极连接第四输出端So4。

本实施例副边电路包括两组，各组电路与图2-1相同，由于副边绕组N_S和副边绕组N_T同名端的位置设计相反，使得第一输入端Si1和第二输入端Si2、第三输出端So3和第四输出端So4输出的驱动信号互补，能够解决图2-1的磁隔离驱动电路因工作环境差而导致的异常动作。

需要说明的是，本实施例副边电路的两组电路也可如图2-2至图2-4一样进行等效替换，此处不再画图展示并说明。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制。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，还可以做出若干等同变换、改进和润饰，如将电阻R11和电容C11的位置交换、将电阻R21和电容C21的位置交换等，这些等同变换、改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。另外，专利中涉及到的所有“电联接”和“连接”关系，均并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构，本发明中明确用“电联接”的地方只是为了强调此含义，但并不排除用“连接”的地方也具备这样的含义。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

Claims

1.一种磁隔离驱动电路，其特征在于：包括第一输入端Si1、第二输入端Si2、第一输出端So1、第二输出端So2、变压器B、原边绕组N_P、副边绕组N_S、二极管D11、二极管D12、二极管D13、电阻R11、电容C11和三极管Q11；

原边绕组N_P的两端分别连接第一输入端Si1和第二输入端Si2，二极管D11的阳极连接副边绕组N_S的一端，二极管D11的阴极连接第一输出端So1，副边绕组N_S的另一端连接第二输出端So2，电阻R11和电容C11串联后一端连接于二极管D11的阳极，另一端和三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阳极与三极管Q11的基极电联接，二极管D12的阴极连接第一输出端So1，三极管Q11的发射极与第一输出端So1电联接，三极管Q11的集电极连接二极管D13的阳极，二极管D13的阴极连接第二输出端So2；

调节电容C11的容值和电阻R11的阻值，能实现电容C11充电在MOS管的输入电容放电后完成，从而实现下一个周期能快速开通被驱动的MOS管。

2.根据权利要求1所述的磁隔离驱动电路，其特征在于：第一输出端So1和三极管Q11的发射极之间，以及二极管D12的阳极和三极管Q11的基极之间择一或者均连接一只电阻。

3.根据权利要求1或2所述的磁隔离驱动电路，其特征在于：还包括第三输出端So3、第四输出端So4、副边绕组N_T、二极管D21、二极管D22、二极管D23、电阻R21、电容C21和三极管Q21；

4.根据权利要求3所述的磁隔离驱动电路，其特征在于：第三输出端So3和三极管Q21的发射极之间，以及二极管D22的阳极和三极管Q21的基极之间择一或者均连接一只电阻。