CN113726135A - 一种mos管分流关断的可控硅开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MOS管分流关断的可控硅开关电路，可控硅具有高反向耐压和大峰值电流承受能力，适用于对容性负载如电致发光器件的控制。可控硅在触发导通后即使撤除门极控制电压/电流，在一定工作电流以上（维持电流）会一直处于自锁导通状态而不会自行关断。在本发明容性负载驱动电源半桥开关电路中，可控硅导通时承担容性负载充放电的瞬时峰值大电流，在其两端并联MOS管并分担开关电路导通后的持续电流，对所述可控硅短接分流使它工作在维持电流以下从而在其门极无电流输入时能够关断，使所述开关电路能够正常工作并保证高峰值电流冲击下的可靠性。

Description

一种MOS管分流关断的可控硅开关电路

技术领域

本发明涉及电致发光器件和开关电源领域，具体是一种利用MOS管驱动分流关断的可控硅开关电路，用于驱动电致发光器件。

背景技术

电致发光器件为柔性可弯曲的轻薄面光源或线光源，多应用于装饰照明和广告领域，其结构为发光粉薄层包夹在两侧电极层，其中出光侧为透明电极，类似于平板电容器，在两侧电极层所加的电场作用下发光层内部电子被加速后碰撞发光中心发出可见光，其负载特性表现为容性。

对电致发光器件的高压交流驱动过程中，由于它的容性负载特性造成充/放电瞬间的尖峰大电流，可达到几十到一百安培以上，一般开关电路采用MOS管作为开关器件，MOS管为沟道导电的晶体管，瞬时大电流密度容易造成沟道烧毁，尤其是在晶体管工作温度较高的时候。因而开关电路的可靠性也难以保证，散热条件要求也很高。双极型晶体管（BJT）输入阻抗小，在开关电路中不便于控制；IGBT晶体管结合了MOS管高输入阻抗和BJT体导电的优势，但其承受峰值大电流的性能及性价比仍不如晶闸管（可控硅），不过一般可控硅在触发导通后就自锁不能自行关断，不能单独作为开关器件。虽然也有可关断晶闸管（GTO），但其体型较大，不便于驱动电源的小型化设计；另外一种晶闸管也可与MOS管的复合开关器件（MCT），也存在与GTO相同的问题。

为此，中国专利CN111130311A公开了一种电致发光屏驱动开关电源的延迟导通电路，该申请利用承受峰值电流容量较大的单向可控硅在开关电路输出端设计的一个延迟导通电路，在半桥开关电路中的MOS管开通后输出端延迟接通容性负载，使容性负载充放电大电流在开关电路MOS管完全导通后低阻状态时通过，降低了MOS管的开关损耗，这实际上相当于将MOS管的高峰值电流开关损耗，转移到了允许峰值电流更大的可控硅。不过所述延迟电路的延迟导通时间不稳定需要调试，同时在可控硅上也产生了功率损耗，降低了整体电功率效率，如果所述开关电路直接采用可控硅作为开关器件，则能够承担驱动容性负载产生的高峰值电流，也避免增加一级输出延迟导通电路的功率损耗。但仍需解决可控硅不能自行关断的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用MOS管分流关断的可控硅开关电路，该电路以单向可控硅作为开关器件，在单向可控硅两端并联MOS管并延迟导通/关断，由所述可控硅承担导通时的瞬时峰值大电流，MOS管承担开关电路导通后的持续电流，以保证开关电路驱动电致发光器件容性负载高峰值电流工作的可靠性。

实现本发明目的技术方案是：

一种利用MOS管分流关断的可控硅开关电路，包括可控硅和MOS管，与现有技术不同的是：在半桥电路两个开关器件可控硅的阳极、阴极两端分别并联一个MOS管，可控硅承受开关电路开通时容性负载的高峰值电流，MOS管通过开关电源控制单元的两路反相脉冲信号控制，分别将两路脉冲信号输入到两个开关电路控制单元中，其中一路脉冲延迟于另一路，分别控制可控硅的开关和并联MOS管的延迟开关。

所述控制单元由开关电路控制芯片组成；该控制单元的脉冲输出受脉冲输入信号同步控制，再由脉冲输出信号控制晶体管的开关，其中：

脉冲输入信号分为两路，其中一路经RC电路延迟和整形电路整形后再输入到开关电路控制单元产生延迟脉冲，控制可控硅并联MOS管的开关，实现对可控硅短接和分流的目的；

以上方式需要两个开关电路控制单元，结构比较繁复。另外一种MOS管延迟控制方案也可以是，将单个开关电路控制单元脉冲输出信号直接控制可控硅，再将所述脉冲输出信号分接到另一路经RC电路延迟并整形后的延迟脉冲控制可控硅并联的MOS管，使MOS管延迟导通、截止，实现对可控硅的分流和关断。

所述容性负载为电致发光屏。

所述脉冲整形电路为图腾柱结构或MOS管驱动芯片，其工作电压由控制单元的开关电路控制芯片输出脉冲整流后提供。

本发明的有益效果是：针对电致发光器件容性负载特性，设计可控硅开关电路并通过并联MOS管分流关断的驱动电源，同样也适用于其它容性负载的驱动，特别地，适用于但不仅仅局限于电致发光器件等容性负载的驱动。

附图说明

图1是并联MOS管延迟导通-截止的可控硅半桥开关电路原理图，将SCR1和SCR2两路共地信号经过IR2110脉冲同步变换变成两路不共地信号并从HO和LO高低两端输出控制两路可控硅开关。MOS管的漏极和源极分别并联到可控硅的阳极和阴极两端。

图2是可控硅与MOS管的控制脉冲波形图，SCR1与SCR2是具有一定频率和占空比的控制脉冲，MOS1和MOS2是分别利用SCR1与SCR2经过RC电路延迟0.1%周期左右的时间，再经过整形得到的脉冲，两个MOS管的控制脉冲分别落后于各自所并联的可控硅。可控硅和MOS管的触发脉冲都呈互补状态，也存在一段驱动脉冲都为低电平的死区时间。

图3是半桥电路控制单元输入脉冲发生电路原理图，利用PWM脉冲发生电路或者PWM芯片（例如SG3525）产生两路脉冲HIN和LIN。

图4是MOS管分流关断可控硅开关电路的另一种输出脉冲延迟控制电路图，将控制单元输出脉冲延迟并经图腾柱电路整形后控制两个MOS管。图腾柱电路主要用于加速脉冲上升、下降沿以减小所控制MOS管的开关损耗。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。

开关电源电路通过晶体管的开（导通）和关（截止）两种工作状态实现频率变换和脉宽调制（PWM）控制输出电压/电流或功率等功能。本发明加入MOS管分流关断可控硅的半桥电路，使开关电路中开的瞬间尖峰电流经由可控硅承担，MOS管并联在可控硅两端在延迟导通后短接所述可控硅并在截止时实现关的控制，并分担峰值电流过后一定时间的持续电流，控制MOS管的导通时间可使得MOS管与可控硅的损耗和工作温度相同或相近达到相对平衡，进一步保证驱动电路的可靠性。

以交流输出开关电源常用的半桥电路为例，一般都采用高输入阻抗的MOS管便于控制，两个MOS管串联接入直流电源两端、并在外部两路反相脉冲控制下交替导通-截止形成交流输出。与电源正极和与地相连的MOS管分别称为高端、低端晶体管。本发明以两个可控硅为开关器件来承担驱动容性负载的高峰值电流，如图1（a）、（b）所示分别为可控硅与MOS管并联的半桥开关电路及其控制单元电路原理图。由于可控硅在触发导通后不能自行关断，在所述可控硅两端各并联上一个MOS管，所述MOS管延迟导通后分流短接可控硅的阳极-阴极两端，从而在MOS管再延迟截止时可控硅也已经关断。按照图2对两个可控硅和两个MOS管驱动脉冲时序图，适当控制MOS管导通、截止的延迟时间使得可控硅在一个工作周期内可靠地开、关，以保证开关电路安全工作，每个MOS管在它所控制的可控硅导通峰值电流通过后，在外部控制电路的控制下导通，同时要在开关电路工作的当前半周期结束前，也就是下一个半周期另外一个可控硅导通前截止。MOS管还可承当峰值电流过后的持续电流减少可控硅的功率损耗。

由于半桥电路的高、低端晶体管不共地，可由一个半桥电路控制的专用芯片（例如IR2110）将两路共地反相矩形脉冲，转换为分别控制所述高、低端晶体管所需要的两路不同回路的脉冲，且两路不共地的输出脉冲与两路共地输入脉冲分别保持同步，对这一过程称为脉冲分路同步转换。本发明中由两路共地输入的初始脉冲经所述分路转换后控制的高、低两端可控硅。另外再对这两路输入共地脉冲经阻容RC电路延迟整形后，再经过所述分路转换得到另两路同步延迟的脉冲，来控制并联在可控硅两端的MOS管，短接所并联的可控硅并使其导通后随着所述MOS管的截止而关断。这种控制方法同样适合于其它结构的开关电路，特别地，适合于全桥开关电路。

所述并联MOS管不仅解决了可控硅关断的问题，也可分担一部分开关电路的工作电流。所述开关电路对容性负载充放电的高峰值电流发生在电路中主开关器件可控硅刚导通的瞬间，电流峰值过后还会有一定时间的拖尾，由于可控硅导通后相当于一个正向偏置的二极管，大电流通过时导通压降在1V以上，功率损耗和发热也比较严重，调节控制所述并联MOS管栅极控制脉冲的延迟时间还可以控制所述MOS管分担的功率损耗。所述MOS管如果过早导通则会受到高峰值电流的冲击，所述可控硅的高峰值电流容量不能充分发挥，反之所述MOS管如果导通延迟时间过长则所述可控硅单独承担更多的持续功率损耗，因此所述MOS管与所述可控硅达到相近的工作温升为所述MOS管导通延迟时间调节的最佳平衡点。

实施例1：

所述半桥开关电路的IR2110专用芯片（芯片A）将两路共地的输入矩形脉冲（初始脉冲）进行分路转换输出高、低端分路的不共地脉冲，由这两路输出脉冲控制所述半桥电路的可控硅。由于两路输出脉冲与两路输入脉冲分别保持同步，如图3所示，将输入脉冲经过一个RC延迟电路再经比较器整形，可形成一对落后于初始脉冲的延迟脉冲，将所述延迟脉冲输入到另外一个IR2110半桥芯片（芯片B），则芯片B输出分路转换后的脉冲也比芯片A产生同样的延迟，由芯片B的输出脉冲控制并联在可控硅两端的MOS管，可实现所述MOS管的延迟导通与关断，包括对所述可控硅的关断。

产生两路共地反相矩形脉冲可以有多种方法。如其中一种方法是利用PWM芯片SG3525产生一定频率脉冲的电路，如图3所示，一定占空比的两路反相可控硅控制脉冲。两路反相脉冲也可由比较器产生一路脉冲再经反相器产生另一路反相脉冲，或利用施密特触发器芯片（如CD4583）产生。

利用可编程芯片如微控制器也可直接产生以上两对所述初始脉冲和延迟脉冲，在不同的工作电压下，经过电平转换后再输入到半桥芯片。这种方式可以准确地调节两路脉冲之间的延时并具有较大的灵活性。但可编程芯片一般与半桥芯片的工作电压不同且需要较大的工作电流，需要单独为可编程芯片供电提供电源，同时可编程芯片在高压大电流开关电路中容易受到干扰，要求有防EMI（电磁干扰）设计。

实施例2：

以上实施例1对所述MOS管可以进行可靠的延迟控制，但需要两个半桥芯片IR2110的电路分别控制可控硅和MOS管，电路比较繁复。如果使用一个半桥芯片的输出除控制可控硅以外，将输出脉冲分到另外一路延迟并整形后再控制MOS管的延迟开关，则可简化电路避免半桥芯片的重复使用。但是延迟-整形电路也需要供电在一定电压下工作，尤其是半桥电路高端的电路需要隔离供电。不过采用图4所示的RC延迟+图腾柱电路的方法，所需要的工作电流不大，所述图腾柱电路主要用于加速脉冲上升、下降沿以减小所控制MOS管的开关损耗，可由半桥芯片IR2110输出脉冲的高电平通过一个二极管和一个容量合适的储能电容供电，其容量约为所驱动MOS管栅极电容的20倍左右，不超过所述半桥芯片的输出电流负载能力，如图4所示。

对半桥电路高、低端MOS管可分别采取图4这种半桥芯片供电、RC延迟和图腾柱整形的脉冲延迟电路实现延迟开关控制，延迟时间可按MOS管和可控硅分担的热损耗温升相同为原则、通过选择合适RC参数来调节，合理地保证两种晶体管的协同工作及其可靠性。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种MOS管分流关断的可控硅开关电路，包括可控硅和MOS管，其特征是：在可控硅的阳极、阴极两端并联MOS管，可控硅作为开关器件承受开关电路开通时容性负载的高峰值电流，并联MOS管延迟开关短接和关断可控硅；将两路脉冲信号输入到开关电路两个控制单元中，其中一路脉冲延迟于另一路，分别控制可控硅的开关和并联MOS管的延迟开关。

2.根据权利要求1所述的可控硅开关电路，其特征是：所述控制单元由开关电路控制芯片组成；该控制单元通过脉冲输入信号和脉冲输出信号控制开关晶体管的开关，其中：

脉冲输入信号分为两路，其中一路经RC电路延迟后，再输入到脉冲整形电路整形产生延迟脉冲，控制可控硅并联MOS管的开关，实现对可控硅短接和分流的目的；

所述脉冲输出信号将经RC电路延迟并整形后的延迟脉冲控制可控硅并联的MOS管，使MOS管延迟导通、截止，实现对可控硅的分流和关断。

3.根据权利要求1所述的可控硅开关电路，其特征是：所述容性负载为电致发光屏。

4.根据权利要求1所述的可控硅开关电路，其特征是：所述脉冲整形电路为图腾柱结构或MOS管驱动芯片，其工作电压由控制单元的开关电路控制芯片输出脉冲整流后提供。

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