CN113872419B - 隔离驱动电路及隔离驱动方法 - Google Patents

隔离驱动电路及隔离驱动方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种隔离驱动电路和隔离驱动方法。所述隔离驱动电路包括：原边发射电路、第一隔离电容环路与第二隔离电容环路、副边接收电路。所述隔离驱动电路和隔离驱动方法消除了环境磁场产生的感应电压的影响，避免了对功率级电路的误开通，提高了安全性。

Description

隔离驱动电路及隔离驱动方法
技术领域
本发明涉及一种电子电路，更具体地说，本发明涉及一种隔离驱动电路及方法。
背景技术
在大功率应用场合，功率开关器件通常需要承受很大的功率(如几千瓦到上百千瓦)。而控制电路的功率等级很小，其电压需要保持在安全电压等级以下，因此，控制电路输出的开关控制信号在输送至功率开关器件的控制端时，需要经过电气隔离。
现有技术通常在驱动器上采用隔离电容实现电气隔离。图1示出现有隔离驱动电路50的电路结构示意图。如图1所示，所述隔离驱动电路50包括：原边发射电路501，输出控制信号CTL；副边接收电路502，经由第一电容51、第二电容52、第三电容53和第四电容54在电阻55两端接收控制信号，并产生驱动信号GD，用以驱动功率开关器件(未图示)。然而，若隔离驱动器50处在一定强度的磁场环境中，由于电磁感应效应，第一电容51、第二电容52、第三电容53及第四电容54形成的环路将会形成一感应电压Vn。该感应电压Vn将会在电阻R上产生相应的电压，造成副边接收电路502对功率开关器件进行误开通，从而带来安全隐患。
发明内容
因此本发明的目的在于解决现有技术的上述技术问题，提出一种改进的隔离驱动电路。
根据本发明的实施例，提出了一种隔离驱动电路，包括：原边发射电路，提供控制信号；第一隔离电容环路与第二隔离电容环路，均设置在原边发射电路与副边接收电路之间；副边接收电路，采样经由第一隔离电容环路与第二隔离电容电路传输过来的信号的电压差。
根据本发明的实施例，还提出了一种隔离驱动方法，包括：在原边发射控制信号，并通过第一隔离电容环路将控制信号传输至副边，得到第一信号；在原边发射控制信号，并通过第二隔离电容环路将控制信号传输至副边，得到第二信号；采样第一信号和第二信号的电压差。
根据本发明各方面的上述隔离驱动电路和方法，消除了环境磁场产生的感应电压的影响，避免了对功率级电路的误开通，提高了安全性。
附图说明
图1为有隔离驱动电路50的电路结构示意图；
图2为根据本发明实施例的隔离驱动电路200的电路结构示意图；
图2A为根据本发明实施例的隔离驱动电路200A的电路结构示意图；
图2B为根据本发明实施例的隔离驱动电路200B的电路结构示意图；
图3为根据本发明实施例的隔离驱动电路300的电路结构示意图；
图4、图4A～图4C为根据本发明实施例的隔离驱动电路400的电路结构示意图；
图5为图4所示隔离驱动电路400中第一电容11至第八电容18与第一电阻21、第二电阻22的等效电路示意图；
图6为根据本发明实施例的隔离驱动电路600的电路结构示意图；
图7为图6所示隔离驱动电路600中第一电容11至第八电容18与电阻23的等效电路示意图；
图8示意性示出了根据本发明实施例的隔离驱动方法的流程图800。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
图2为根据本发明实施例的隔离驱动电路200的电路结构示意图。在图2所示实施例中，所述隔离驱动电路200包括：原边发射电路10，提供控制信号CTL；第一隔离电容环路210与第二隔离电容环路220，均设置在原边发射电路10与副边接收电路20之间；副边接收电路20，采样经由第一隔离电容环路210与第二隔离电容电路220传输过来的信号的电压差(如图2所示的第一电压V1与第二电压V2的电压差，即对第一电压V1和第二电压V2执行相减运算)。
在本发明的一个实施例中，所述第一隔离电容环路210包含第一电容对(第一电容11和第二电容12)与第二电容对(第三电容13和第四电容14)；所述第二隔离电容环路220包含第三电容对(第五电容15和第六电容16)与第四电容对(第七电容17和第八电容18)。
在本发明的一个实施例中，所述隔离驱动电路200的副边接收电路20产生驱动信号GD，用以驱动功率级30。
在本发明的一个实施例中，原边发射电路10在其正输出端101(+)和负输出端102(-)之间提供控制信号CTL。在图2所示实施例中，副边接收电路20具有第一接收端201、第二接收端202、第三接收端203和第四接收端204，其中第一接收端201和第二接收端202之间设置有第一电阻21，接收第一隔离电容环路210传输过来的控制信号CTL，以在其两端产生第一电压V1；第三接收端203和第四接收端204之间设置有第二电阻22，接收第二隔离电容环路220传输过来的控制信号CTL，以在其两端产生第二电压V2；所述副边接收电路20对第一电压V1和第二电压V2执行相减运算。
在本发明的一个实施例中，第一电容对(第一电容11和第二电容12)被串联设置在原边发射电路10的正输出端101和副边接收电路20的第一接收端201之间；第二电容对(第三电容13和第四电容14)被串联设置在原边发射电路10的负输出端102和副边接收电路20的第二接收端202之间；第三电容对(第五电容15和第六电容16)被串联设置在原边发射电路10的负输出端102和副边接收电路20的第三接收端203之间；第四电容对(第七电容17和第八电容18)被串联设置在原边发射电路10的正输出端101和副边接收电路20的第四接收端204之间。
在本发明的一个实施例中，第一电容11至第八电容18均为半导体级别的电容，通过半导体掩膜工艺制作。
在本发明的一个实施例中，原边发射电路10、第一电容11、第三电容13、第五电容15以及第七电容17形成在原边裸片上，如图2虚线框IC1所示；副边接收电路20、第二电容12、第四电容14、第六电容16以及第八电容18形成在副边裸片上，如图2虚线框IC2所示。
在本发明的一个实施例中，原边发射电路10、副边接收电路20、第一隔离电容环路210以及第二隔离电容环路220被共同包封在一个封装轮廓内。
在本发明的一个实施例中，第一电容对、第二电容对、第三电容对或第四电容对的两个电容可以合并为一个电容，即第一隔离电容环路210可以包括设置在原边发射电路10和副边接收电路20之间的第一电容11和第三电容13，第二隔离电容环路220可以包括设置在原边发射电路10和副边接收电路20之间的第五电容15第七电容17，如图2A所示的隔离驱动电路200A。第一电容11、第三电容13、第五电容15、第七电容17中的一个或者多个可以与原边发射电路10一起形成在原边裸片上，也可以与副边接收电路20一起形成在副边裸片上。
在本发明的另一个实施例中，部分电容对的两个电容合并为一个电容，其他电容对的两个电容不合并为一个电容，如图2B所示的隔离驱动电路200B。第一隔离电容环路210可以包括设置在原边发射电路10和副边接收电路20之间的第一电容11、第二电容12和第三电容13，第二隔离电容环路220可以包括设置设置在原边发射电路10和副边接收电路20之间的第五电容15、第七电容17和第八电容18。
上述图2A和图2B所示实施例示出了各电容对的部分结合，但是本领域技术人员应当意识到，第一至第四电容对可以以任意适合的方式进行组合，并将控制信号CTL传递至副边接收电路20。为叙述简明，这里不再详述。
在本发明的一个实施例中，所述第一隔离电容环路210的面积与第二隔离电容环路220的面积相等。
在本发明的一个实施例中，原边发射电路10可以包括两个发射电路，如图3所示的隔离驱动电路300。在图3所示实施例中，所述隔离驱动电路300包括：第一发射电路10-1和第二发射电路10-2，均提供控制信号CTL；第一隔离电容环路210，设置在第一发射电路10-1和副边接收电路20之间；第二隔离电容环路220，设置在第二发射电路10-2与副边接收电路20之间；副边接收电路20，采样经由第一隔离电容环路210与第二隔离电容电路220传输过来的信号的电压差(如图3所示的经由第一隔离电容环路210传递的第一电压V1和经由第二隔离电容电路220传递的第二电压V2的电压差，即对第一电压V1和第二电压V2执行相减运算)。
在图3所示实施例中，所述第一隔离电容环路210包含第一电容对(第一电容11和第二电容12)与第二电容对(第三电容13和第四电容14)；所述第二隔离电容环路220包含第三电容对(第五电容15和第六电容16)与第四电容对(第七电容17和第八电容18)。但是本领域技术人员应当意识到，第一隔离电容环路210与第二隔离电容环路220也可以包括单独的电容，来取代电容对，如前述图2A和图2B所示的实施例等。
在本发明的一个实施例中，所述第一隔离电容环路210的面积与第二隔离电容环路220的面积相等。
在隔离驱动电路200/300运行时，若电路处在具有一定磁场强度的环境中，则在第一隔离电容环路210中将产生感应电压Vn1；在第二隔离电容环路220中将产生感应电压Vn2；感应电压Vn1和Vn2，如图3中虚线所示。当第一隔离电容环路210的面积与第二隔离电容环路220的面积几乎相等、且两者靠得足够近时，Vn1≈Vn2。也就是说，第一电压V1与第二电压V2的电磁感应电压分量可以互相抵消。因此，由于电磁场作用产生的感应电压在副边接收电路20接收到的实际有效电压为零，隔离驱动电路对后级(如功率级)电路的误开通隐患被清除。
图4为根据本发明实施例的隔离驱动电路400的电路结构示意图。在图4所示实施例中，所述隔离驱动电路400包括：原边发射电路10，提供控制信号CTL；第一隔离电容环路210与第二隔离电容环路220，均设置在原边发射电路10和副边接收电路20之间；副边接收电路20，采样经由第一隔离电容环路210与第二隔离电容电路220传输过来的信号的电压差(如副边接收电路20正接收端201(+)与参考地之间第一电压V1与副边接收电路20负接收端202(-)与参考地之间第二电压V2的电压差)。在图4所示实施例中，第一隔离电容环路210包含设置在原边发射电路10的正输出端101(+)与副边接收电路20的正接收端201(+)之间的第一电容对(第一电容11和第二电容12或者其中一个电容)、设置在原边发射电路10的负输出端102(-)与副边接收电路20的负接收端202(-)之间的第二电容对(第三电容13和第四电容14或者其中一个电容)；第二隔离电容环路220包含设置在原边发射电路10的负接收端102(-)与副边接收电路20的负接收端202(-)之间的第三电容对(第五电容15和第六电容16或者其中一个电容)、设置在原边发射电路10的正输出端101(+)与副边接收电路20的正接收端201(+)之间的第四电容对(第七电容17和第八电容18或者其中一个电容)。
在本发明的一个实施例中，所述第一电容对和第二电容对执行差分传输功能，所述第三电容对和第四电容对也执行差分传输功能，以减小干扰。
在本发明的一个实施例中，所述隔离驱动电路400还包括，第一电阻21，设置在副边接收电路20的正接收端201和副边参考地之间；第二电阻22，设置在副边接收电路30的负接收端202和副边参考地之间。
在隔离驱动电路400运行时，若其处在具有一定磁场强度的环境中，则：在第一电容11、第二电容12、第七电容17和第八电容18形成的大环路中将产生感应电压Vnb；在第三电容13、第四电容14、第七电容17、第八电容18构成的中环路中将产生感应电压Vnm；在第五电容15、第六电容16、第七电容17和第八电容18形成的小环路中将产生感应电压Vns；各感应电压Vnb、Vnm和Vns如图5中虚线所示。如果第一隔离电容环路210的面积等于第二隔离电容环路220的面积，则第一电容11、第二电容12、第七电容17、第八电容18行成的大环路面积(S1，如图4A阴影部分所示)等于第三电容13、第四电容14、第七电容17、第八电容18构成的中环路面积(S2，如图4B阴影部分所示)与第五电容15、第六电容16、第七电容、第八电容构成的小环路面积(S3，如图4C阴影部分所示)之和，即S1＝S2+S3，则大环路的感应电压Vnb将等于中环路的感应电压Vnm与小环路的感应电压Vns之和，即Vnb＝Vnm+Vns。使得副边接收电路20正负接收端接收到的信号，其电磁感应电压成分被抵消，环境磁场对副边接收电路20的影响被消除。第一电容11至第八电容18与第一电阻21、第二电阻22的等效电路示意图如图5。
在本发明一个实施例中，第一电容11、第二电容12、第三电容13、第四电容14形成的环路面积，第三电容13、第四电容14、第五电容15、第六电容16形成的环路面积，及第五电容15、第六电容16、第七电容17、第八电容18形成的环路面积，三者相等。
在本发明的一个实施例中，第一电阻21和第二电阻22可以合并为一个电阻23，如图6所示的隔离驱动电路600，所述电阻23被设置在副边接收电路20的正接收端201和负接收端202之间。此时各电容与电阻的耦接关系参见图7所示的等效电路示意图。图6所示的隔离驱动电路600的其他电路结构与图4所示的隔离驱动电路400相似，为叙述简明，这里不再详述。
图8示意性示出了根据本发明实施例的隔离驱动方法的流程图800。所述方法包括：
步骤801，在原边发射控制信号，并通过第一隔离电容环路将控制信号传输至副边，得到第一信号。
步骤802，在原边发射控制信号，并通过第二隔离电容环路将控制信号传输至副边，得到第二信号。
步骤803，采样第一信号和第二信号的电压差。
在本发明的一个实施例中，第一隔离电容环路的面积和第二隔离电容环路的面积相等。
在本发明的一个实施例中，第一隔离电容环路包括设置在原边和副边之间的第一电容对和第二电容对。其中所述第一电容对和第二电容对为执行差分功能。
在本发明的一个实施例中，第二隔离电容环路包括设置在原边和副边之间的第三电容对和第四电容对。其中所述第三电容对和第四电容对为执行差分功能。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种隔离驱动电路，包括：
原边发射电路，提供控制信号；
第一隔离电容环路与第二隔离电容环路，均设置在原边发射电路与副边接收电路之间，其中第一隔离电容环路与第二隔离电容环路均为可形成感应电压的环路；
副边接收电路，采样经由第一隔离电容环路与第二隔离电容电路传输过来的信号的电压差。
2.如权利要求1所述的隔离驱动电路，其中：
所述原边发射电路、副边接收电路、第一隔离电容环路以及第二隔离电容环路被共同包封在一个封装轮廓内。
3.如权利要求1所述的隔离驱动电路，其中所述第一隔离电容环路的面积与第二隔离电容环路的面积相等。
4.如权利要求1所述的隔离驱动电路，其中：
第一隔离电容环路包括：设置在原边发射电路的正输出端和副边接收电路的第一接收端之间的第一电容对、设置在原边发射电路的负输出端和副边接收电路的第二接收端之间的第二电容对；
第二隔离电容环路包括：设置在原边发射电路的负输出端和副边接收电路的第三接收端之间第三电容对、设置在原边发射电路的正输出端和副边接收电路的第四接收端之间第四电容对；其中
第一电容对、第二电容对、第三电容对或第四电容对包括一个电容或者两个电容。
5.如权利要求1所述的隔离驱动电路，其中：
第一隔离电容环路包含：设置在原边发射电路的正输出端与副边接收电路的正接收端之间的第一电容对、设置在原边发射电路的负输出端与副边接收电路的负接收端之间的第二电容对；
第二隔离电容环路包含：设置在原边发射电路的负接收端与副边接收电路的负接收端之间的第三电容对、设置在原边发射电路的正输出端与副边接收电路的正接收端之间的第四电容对；其中
第一电容对、第二电容对、第三电容对或第四电容对包括一个电容或者两个电容。
6.如权利要求5所述的隔离驱动电路，还包括：
电阻，设置在副边接收电路的正接收端和负接收端之间。
7.如权利要求1所述的隔离驱动电路，其中：
所述原边发射电路包括第一发射电路和第二发射电路，均提供控制信号；
所述第一隔离电容环路设置在第一发射电路和副边接收电路之间；
所述第二隔离电容环路设置在第二发射电路与副边接收电路之间。
8.一种隔离驱动方法，包括：
在原边发射控制信号，并通过第一隔离电容环路将控制信号传输至副边，得到第一信号；
在原边发射控制信号，并通过第二隔离电容环路将控制信号传输至副边，得到第二信号；
采样第一信号和第二信号的电压差；其中第一隔离电容环路与第二隔离电容环路均为可形成感应电压的环路。
9.如权利要求8所述的隔离驱动方法，其中：
第一隔离电容环路的面积和第二隔离电容环路的面积相等。
10.如权利要求8所述的隔离驱动方法，其中：
第一隔离电容环路包括设置在原边和副边之间的第一电容对和第二电容对；
第二隔离电容环路包括设置在原边和副边之间的第三电容对和第四电容对。
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