CN111293861A - 一种有限双极性电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限双极性电路及方法，属于电力电子技术领域。利用PWM器件SG3525，反相器，与非门和双D触发器，便可输出频率可调的有限双极性软开关电路驱动信号。其中，SG3525产生宽度可调的驱动脉宽，同时利用该脉冲信号，并结合SG3525第四脚的脉冲信号，通过电平变换和反相器，与非门的逻辑运算，最后由双D触发器输出脉宽固定的驱动信号。通过一个外加的电平间接控制SG3525第六脚对地的等效电阻，从而可以改变驱动脉冲的频率。这一控制方法可以应用到任何一个需要使用有限双极性控制方式的软开关电路上，因此，应用领域极其广泛。

Description

一种有限双极性电路及方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体来说，涉及一种有限双极性电路及方法。

背景技术

在采用全桥电路做主电路的开关电源中，由于软开关控制模式在提升工作效率，降低电磁干扰，减少开关器件损耗，延长开关器件寿命等诸多技术指标上都优于硬开关控制模式，因此，越来越多的大功率开关电源普遍采用了全桥电路软开关控制模式。我们知道，在全桥软开关电路中，有全桥移相和有限双极性两种控制模式，采用全数字化控制方式，利用DSP或高速MCU都可以实现这两种控制模式，但这种方式相对于采用模拟控制方式成本高，技术要求要更高。如果要采用简单低廉的全桥软开关电路，在采用全桥移相控制方式时可以选用UC3895或UC3875等成熟芯片，可是，在采用有限双极性控制方式时，市场上并没有成熟且低廉的相关芯片可以选用。在开关电源的某些应用领域，采用有限双极性软开关电路比采用全桥移相软开关电路能更好地满足相关的技术要求。

如何采用有限的模拟器件，设计出频率可以自由调节的有限双极性软开关电路的驱动电路，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的问题，本发明提出一种有限双极性电路及方法，利用常规的模拟器件，通过巧妙的逻辑方法，就可以以低廉的成本输出频率可以自由调节的有限双极性软开关电路驱动信号。这一优良的控制方法可以应用到任何一个需要使用有限双极性控制方式的软开关电路上，从而克服现有技术所存在的上述技术难题。

本发明的技术方案是这样实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种频率可以自由调节的有限双极性驱动电路，该电路的初始驱动信号，来自于常规的硬开关驱动芯片SG3525，该芯片的第11脚和14脚输出脉宽宽度可以调节的互补方波信号，该对驱动信号经过放大隔离后可以做为全桥电路一对上下桥臂开关管的驱动信号。该驱动电路包括电源、SG3525芯片U4，电阻R8、电阻R11、电阻R14、电阻R17、电阻R15、电阻R16、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6。所述SG3525芯片U4的第1脚与电阻R8的一端连接、电阻R8的另一端与U4第16脚、电容C2以及电阻R15的一端连接，电容C2的另一端与控制电路地连接，U4的第2脚与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与控制电路地连接；U4的第3脚与控制电路地连接；U4的第4脚与电容C3一端连接，U4的第5脚通过电容C4与控制电路地连接并通过电阻R14与其第7脚连接；U4的第6脚与电阻R17一端连接，电阻R17的另一端与电阻R18一端以及U5第4脚连接，电阻R18的另一端与电阻R19一端连接，电阻R19的另一端与控制电路地连接；U4的第8脚通过电容C6与控制电路地连接；U4的第9脚通过电容C5与控制电路地连接；U4的第10脚通过电阻R16与控制电路地连接；U4的第11脚通过电阻R13输出驱动信号Q1；U4的第12脚与控制电路地连接；U4的第13，15脚与电源连接；U4的第14脚通过电阻R12输出驱动信号Q3；

全桥电路另外一对上下桥臂开关管的驱动信号，是一对脉宽宽度固定并留有死区的互补方波信号。该驱动电路包括电源、双D触发器U1，反相器U2，与非门U3,SG3525芯片U4，电阻R9、电阻R10、电阻R4、电阻R6、电阻R2、电阻R3、电阻R1、电阻R5、电阻R7、电容C1、电容C3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、三极管QD1。所述与非门U3第1脚与第2脚连接在一起，并与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与U4第14脚连接；U3第3脚与第12，13脚连接在一起；U3第4脚与第8，9脚连接在一起；U3第5脚与第6脚连接在一起，并与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与U4第11脚连接；U3的第7脚与控制电路地连接；U3第10脚与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与U1第3脚连接；U3第11脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与U1第11脚连接；电容C3的一端与U4第四脚连接，电容C3的另一端与二极管D3负极，三极管QD1基极连接，二极管D3正极与三极管QD1发射极连接，并与控制电路地连接；三极管QD1集电极与U2第1脚，电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电源正极连接；U2第2脚与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与二极管D2负极，U1第4，第10脚连接；二极管D2正极与电容C1，电阻R1的一端和二极管D1负极连接，电阻R1的另一端和二极管D1正极与控制电路电源地连接；电容C1的另一端，U1第5脚，第9脚，第14脚与电源正极连接；U1第6脚，第7脚，第8脚与电源地连接。U1第1脚与电阻R2连接，R2的另一端输出驱动信号Q4；U1第13脚与电阻R3连接，R3的另一端输出驱动信号Q2；

根据本发明的另一个方面，提供了一种有限双极性电路驱动信号产生电路及方法。其信号产生过程及原理包括以下步骤：

1.上电阶段：由于外围控制电路的作用，SG3525之9脚电平被拉低，Q1和Q3没有任何输出；对于双D触发器U1来说，由于在上电的瞬间，电容C1两端电压等于0，电源正极于是通过电容C1和二极管D2给U1的第四脚和第十脚加入一个电源电压，使得双D触发器的R＝1，S＝0，从而双D触发器U1的Q1和Q2端都没有输出。也就是说，在上电瞬间，全桥电路的驱动电路没有任何输出信号，保证了主电路开关器件的安全性。

2.在外围控制电路的作用下，给U4的第九脚一个适当的电压，从而U4的第11脚，第14脚输出一个脉宽宽度与九脚电压大小正相关的方波驱动信号Q1和Q3。

3.Q2波形输出阶段：在上电完成后，由于电源通过电阻R1对电容C1充电，随着电容C1两端电压的逐渐升高，双D触发器U1的第四脚和第十脚电压下降到零，从而其两个R输入端R1＝0，R2＝0，这时，Q2输出波形是这样产生的：当SG3525 U4的14脚输出高电平时，该高电平经过电阻R9加载到与非门U3的两个输入端第1脚和第2脚。该高电平信号经过U3的两次反相后，形成一个上升沿输入到双D触发器U1的第11脚CP2端，由于这时的R2＝0，且S2＝0，因此输出信号Q2的电平与D2相等，输出高电平，即便SG3525 U4的14脚输出电平由高变低时，双D触发器U1的第11脚CP2端收到一个下降沿信号，按照D触发器的工作原理，我们知道，Q2的输出维持不变。

4.Q2波形关断阶段：SG3525 U4的第11脚和第14脚输出的是带有死区的方波波形，其第4脚在死区的起始时间输出一个幅度大约为4V的窄脉冲，该窄脉冲经过电容C3和三极管QD1的电平变换和反相，然后经过反相器U2的再次反相，输出到双D触发器U1的第四脚和第十脚，从而导致R1，R2由原来的0变化到1，由于S2＝0，Q2＝0；也就是说，只要SG3525 U4第4脚在死区的起始时间输出一个幅度大约为4V的窄脉冲，就会使得Q2＝0；在第4脚输出的窄脉冲消失后，R2由1变化到0，S2＝0，这时Q2继续维持在0不变。直到CP2收到SG3525 U4的第14脚输出的高电平时，才重新由0变化到1。

Q4电平周期性变化的分析过程和Q2的分析过程完全一致。

5.关于有限双极性驱动波形的频率调制

本发明的一个突出优点就是驱动波形的频率大小是可以调节的。在外围电路的调节下，改变网络节点NETF2的电压大小，就可以改变流过光耦U5的发光二极管的电流，从而改变了SG3525 U4的第6脚对地等效电阻大小。由SG3525的工作原理可知，其输出的驱动波形频率也由此发生了变化。

本发明的有益效果为：

本发明通过利用常规的模拟器件实现了输出有限双极性驱动波形的功能。并且，该驱动波形不仅可以通过调脉宽来调节全桥电路的输出功率，而且还能够调节驱动波形的工作频率。可以用在任意的全桥电路上面，因此，应用范围极其广泛。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，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是根据本发明实施例的一种有限双极性信号驱动的全桥电路。

图2是根据本发明实施例的一种有限双极性信号的驱动波形时序图。其中Q1和Q3的波形脉宽是可以调节的，Q2和Q4的波形脉宽是固定的，不可以调节的。这四个驱动波形的工作频率始终都是一致的。

图3是根据本发明实施例的一种有限双极性驱动信号产生原理图。

具体实施方式

为进一步说明本实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其它可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

根据本发明的实施例，提供了一种频率可以自由调节的有限双极性驱动电路。如图3所示，在一个实施例中，所述电路的初始驱动信号，来自于常规的硬开关驱动芯片SG3525，该芯片的第11脚和14脚输出脉宽宽度可以调节的互补方波信号，该对驱动信号经过放大隔离后可以做为全桥电路一对上下桥臂开关管的驱动信号。该驱动电路包括电源、SG3525芯片U4，电阻R8、电阻R11、电阻R14、电阻R17、电阻R15、电阻R16、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6。所述SG3525芯片U4的第1脚与电阻R8的一端连接、电阻R8的另一端与U4第16脚、电容C2以及电阻R15的一端连接，电容C2的另一端与控制电路地连接，U4的第2脚与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与控制电路地连接；U4的第3脚与控制电路地连接；U4的第4脚与电容C3一端连接，U4的第5脚通过电容C4与控制电路地连接并通过电阻R14与其第7脚连接；U4的第6脚与电阻R17一端连接，电阻R17的另一端与电阻R18一端以及U5第4脚连接，电阻R18的另一端与电阻R19一端连接，电阻R19的另一端与控制电路地连接；U4的第8脚通过电容C6与控制电路地连接；U4的第9脚通过电容C5与控制电路地连接；U4的第10脚通过电阻R16与控制电路地连接；U4的第11脚通过电阻R13输出驱动信号Q1；U4的第12脚与控制电路地连接；U4的第13，15脚与电源连接；U4的第14脚通过电阻R12输出驱动信号Q3；

全桥电路另外一对上下桥臂开关管的驱动信号，是一对脉宽宽度固定并留有死区的互补方波信号。该驱动电路包括电源、双D触发器U1，反相器U2，与非门U3,SG3525芯片U4，电阻R9、电阻R10、电阻R4、电阻R6、电阻R2、电阻R3、电阻R1、电阻R5、电阻R7、电容C1、电容C3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、三极管QD1。所述与非门U3第1脚与第2脚连接在一起，并与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与U4第14脚连接；U3第3脚与第12，13脚连接在一起；U3第4脚与第8，9脚连接在一起；U3第5脚与第6脚连接在一起，并与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与U4第11脚连接；U3的第7脚与控制电路地连接；U3第10脚与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与U1第3脚连接；U3第11脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与U1第11脚连接；电容C3的一端与U4第四脚连接，电容C3的另一端与二极管D3负极，三极管QD1基极连接，二极管D3正极与三极管QD1发射极连接，并与控制电路地连接；三极管QD1集电极与U2第1脚，电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电源正极连接；U2第2脚与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与二极管D2负极，U1第4，第10脚连接；二极管D2正极与电容C1，电阻R1的一端和二极管D1负极连接，电阻R1的另一端和二极管D1正极与控制电路电源地连接；电容C1的另一端，U1第5脚，第9脚，第14脚与电源正极连接；U1第6脚，第7脚，第8脚与电源地连接。U1第1脚与电阻R2连接，R2的另一端输出驱动信号Q4；U1第13脚与电阻R3连接，R3的另一端输出驱动信号Q2；

在一个实施例中，提供了一种有限双极性电路驱动信号产生电路及方法。其信号产生过程及原理包括以下步骤：

1.上电阶段：由于外围控制电路的作用，SG3525之9脚电平被拉低，Q1和Q3没有任何输出；对于双D触发器U1来说，由于在上电的瞬间，电容C1两端电压等于0，电源正极于是通过电容C1和二极管D2给U1的第四脚和第十脚加入一个电源电压，使得双D触发器的R＝1，S＝0，从而双D触发器U1的Q1和Q2端都没有输出。也就是说，在上电瞬间，全桥电路的驱动电路没有任何输出信号，保证了主电路开关器件的安全性。

2.在外围控制电路的作用下，给U4的第九脚一个适当的电压，从而U4的第11脚，第14脚输出一个脉宽宽度与九脚电压大小正相关的方波驱动信号Q1和Q3。

3.Q2波形输出阶段：在上电完成后，由于电源通过电阻R1对电容C1充电，随着电容C1两端电压的逐渐升高，双D触发器U1的第四脚和第十脚电压下降到零，从而其两个R输入端R1＝0，R2＝0，这时，Q2输出波形是这样产生的：当SG3525 U4的14脚输出高电平时，该高电平经过电阻R9加载到与非门U3的两个输入端第1脚和第2脚。该高电平信号经过U3的两次反相后，形成一个上升沿输入到双D触发器U1的第11脚CP2端，由于这时的R2＝0，且S2＝0，因此输出信号Q2的电平与D2相等，输出高电平，即便SG3525U4的14脚输出电平由高变低时，双D触发器U1的第11脚CP2端收到一个下降沿信号，按照D触发器的工作原理，我们知道，Q2的输出维持不变。

4.Q2波形关断阶段：

SG3525 U4的第11脚和第14脚输出的是带有死区的方波波形，其第4脚在死区的起始时间输出一个幅度大约为4V的窄脉冲，该窄脉冲经过电容C3和三极管QD1的电平变换和反相，然后经过反相器U2的再次反相，输出到双D触发器U1的第四脚和第十脚，从而导致R1，R2由原来的0变化到1，由于S2＝0，Q2＝0；也就是说，只要SG3525 U4第4脚在死区的起始时间输出一个幅度大约为4V的窄脉冲，就会使得Q2＝0；在第4脚输出的窄脉冲消失后，R2由1变化到0，S2＝0，这时Q2继续维持在0不变。直到CP2收到SG3525U4的第14脚输出的高电平时，才重新由0变化到1。

产生Q4电平的过程和Q2的产生过程和机制完全一致。

5.关于有限双极性驱动波形的频率调制

在外围电路的调节下，改变网络节点NETF2的电压大小，就可以改变流过光耦U5的发光二极管的电流，从而改变了SG3525 U4的第6脚对地等效电阻大小，其输出的驱动波形频率也由此发生了变化。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过利用常规的模拟器件实现了输出有限双极性驱动波形的功能。并且，该驱动波形不仅可以通过调脉宽来调节全桥电路的输出功率，而且还能够调节驱动波形的工作频率。可以用在任意的全桥电路上面，因此，应用范围极其广泛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有限双极性电路及方法，其特征在于，该电路的初始驱动信号，来自于硬开关驱动芯片SG3525，该芯片的第11脚和14脚输出脉宽宽度可以调节的互补方波信号；另一对上下桥臂开关管的驱动信号，是一对脉宽宽度固定并留有死区的互补方波信号，该驱动信号来自于双D触发器U1。

2.根据权利要求1所述的一种有限双极性电路及方法，其特征在于，该驱动电路包括电源、SG3525芯片U4，电阻R8、电阻R11、电阻R14、电阻R17、电阻R15、电阻R16、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6。所述SG3525芯片U4的第1脚与电阻R8的一端连接、电阻R8的另一端与U4第16脚、电容C2以及电阻R15的一端连接，电容C2的另一端与控制电路地连接，U4的第2脚与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与控制电路地连接；U4的第3脚与控制电路地连接；U4的第4脚与电容C3一端连接，U4的第5脚通过电容C4与控制电路地连接并通过电阻R14与其第7脚连接；U4的第6脚与电阻R17一端连接，电阻R17的另一端与电阻R18一端以及U5第4脚连接，电阻R18的另一端与电阻R19一端连接，电阻R19的另一端与控制电路地连接；U4的第8脚通过电容C6与控制电路地连接；U4的第9脚通过电容C5与控制电路地连接；U4的第10脚通过电阻R16与控制电路地连接；U4的第11脚通过电阻R13输出驱动信号Q1；U4的第12脚与控制电路地连接；U4的第13，15脚与电源连接；U4的第14脚通过电阻R12输出驱动信号Q3。

3.根据权利要求1所述的一种有限双极性电路及方法，其特征在于，

另一对上下桥臂开关管的驱动信号，是一对脉宽宽度固定并留有死区的互补方波信号。该驱动电路包括电源、双D触发器U1，反相器U2，与非门U3,SG3525芯片U4，电阻R9、电阻R10、电阻R4、电阻R6、电阻R2、电阻R3、电阻R1、电阻R5、电阻R7、电容C1、电容C3、二极管D1、二极管D2、二极管D3、三极管QD1。所述与非门U3第1脚与第2脚连接在一起，并与电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端与U4第14脚连接；U3第3脚与第12，13脚连接在一起；U3第4脚与第8，9脚连接在一起；U3第5脚与第6脚连接在一起，并与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与U4第11脚连接；U3的第7脚与控制电路地连接；U3第10脚与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与U1第3脚连接；U3第11脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与U1第11脚连接；电容C3的一端与U4第四脚连接，电容C3的另一端与二极管D3负极，三极管QD1基极连接，二极管D3正极与三极管QD1发射极连接，并与控制电路地连接；三极管QD1集电极与U2第1脚，电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端与电源正极连接；U2第2脚与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与二极管D2负极，U1第4，第10脚连接；二极管D2正极与电容C1，电阻R1的一端和二极管D1负极连接，电阻R1的另一端和二极管D1正极与控制电路电源地连接；电容C1的另一端，U1第5脚，第9脚，第14脚与电源正极连接；U1第6脚，第7脚，第8脚与电源地连接。U1第1脚与电阻R2连接，R2的另一端输出驱动信号Q4；U1第13脚与电阻R3连接，R3的另一端输出驱动信号Q2。

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