CN114221548A - 精密igbt栅极驱动隔离电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精密IGBT栅极驱动隔离电源，包含方波发生电路、同相积分电路、定点归零电路、基准信号电路、比较调制电路、场效应管栅极驱动电路、功率变换电路、峰值电压钳位吸收电路、浪涌抑制电路、软启动电路、输入过欠压保护电路、输出整流滤波电路。本发明可以抑制浪涌、检测输入过欠压、软启动，具有高稳定性、高精度、低纹波、低成本的特点，适用于IGBT栅极驱动器。

Description

精密IGBT栅极驱动隔离电源
技术领域
本发明涉及一种隔离电源，特别是一种精密IGBT栅极驱动隔离电源，属于IGBT驱动技术领域。
背景技术
随着绝缘栅双极性晶体管(IGBT)被广泛地应用于功率电子系统中，其栅极驱动器就显得尤为重要，其中对所用的DC-DC隔离电源的可靠性、稳定性、精度、成本提出了更高的要求。
现有IGBT栅极驱动器的隔离电源主要有：
1)隔离电源无反馈电路，不对输出电压进行闭环控制。基于IGBT 驱动器工作时负载没有显著变化，此种隔离电源输出电压是通过脉冲变压器线圈匝数和占空比确定。因此结构简单、成本较低，但由于无反馈回路调控脉宽调制信号(PWM)，在启动瞬间易造成电源输入电流或负载电流产生大电流冲击。
2)隔离电源使用基于光电耦合器反馈电路的专用集成电源芯片。此反馈电路需要反馈绕组、隔离光电耦合器等，使得脉冲变压器绕制复杂，成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种精密IGBT栅极驱动隔离电源，具有高稳定性、高精度、低纹波、低成本的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：包含方波发生电路、同相积分电路、定点归零电路、基准信号电路、比较调制电路、场效应管栅极驱动电路、功率变换电路、峰值电压钳位吸收电路、浪涌抑制电路、软启动电路、输入过欠压保护电路、输出整流滤波电路；
所述方波发生电路输出端连接施密特触发器U2输入端，施密特触发器U2输出端连接同相积分电路输入端，定点归零电路输入端连接方波发生电路输出端，定点归零电路输出端连接同相积分电路输出端，同相积分电路输出端连接比较调制电路的电压比较器U4、U5的反相端连接，基准信号电路与软启动电路连接，软启动电路与比较调制电路的电压比较器U4、U5的同相端连接，比较调制电路输出端与场效应管栅极驱动电路输入端连接，场效应管栅极驱动电路输出端与功率变换电路的平面变压器初级绕组同名端连接，峰值电压钳位吸收电路的二极管D13阳极连接功率变换电路的平面变压器初级绕组同名端，峰值电压钳位吸收电路的瞬态电压抑制二极管D11阳极连接功率变换电路的平面变压器初级绕组异名端，浪涌抑制电路一端与功率变换电路的平面变压器初级绕组异名端连接，浪涌抑制电路另一端与输入过欠压保护电路连接，输入过欠压保护电路与软启动电路连接，功率变换电路的平面变压器次级绕组与输出整流滤波电路连接。
进一步地，所述方波发生电路包含施密特触发器U1、电阻R26、电阻R27、二极管D1、二极管D2和电容C3，施密特触发器U1的输入端连接二极管D2的阳极、二极管D1的阴极和电容C3一端，电容 C3另一端接地，二极管D2的阴极连接电阻R27一端，二极管D1的阳极连接电阻R26一端，施密特触发器U1的输出端连接电阻R26另一端、电阻R27另一端并作为方波发生电路的输出端。
进一步地，所述同相积分电路包含运算放大器U3、电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C2和二极管D3，运算放大器U3的+脚连接电阻R3一端和电容C2一端，电阻R3另一端为同向积分电路的输入端，电容C2另一端接地，运算放大器U3的-脚连接电阻R1一端和电容 C1一端，电阻R1另一端接地，电容C1另一端连接运算放大器U3的输出端和二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接VCC，运算放大器 U3的输出端为同向积分电路的输出端。
进一步地，所述定点归零电路包含电阻R8、电阻R11和N沟道 MOSFET Q4,电阻R8的一端为定点归零电路的输入端，电阻R8的另一端连接电阻R11一端和N沟道MOSFET Q4的G极，电阻R11的另一端和N沟道MOSFET Q4的D极接地，N沟道MOSFET Q4的S极为定点归零电阻的输出端。
进一步地，所述基准信号电路包含电阻R4、电阻R5、电阻R28 和精密可编程电压基准源D10，电阻R5的一端连接VCC，电阻R5的另一端连接电阻R28一端和精密可编程电压基准源D10的阴极，电阻 R28另一端连接电阻R4一端和精密可编程电压基准源D10的参考极，精密可编程电压基准源D10的阳极和电阻R4的另一端接地，精密可编程电压基准源D10的阴极为基准信号电路的输出端。
进一步地，所述比较调制电路包含电压比较器U4、电压比较器 U5、电阻R19和电阻R25，电压比较器U4的输出端连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接VCC，电压比较器U5的输出端连接电阻R25 一端，电阻R25另一端连接VCC；
所述场效应管栅极驱动电路包含电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R24、N沟道MOSFET Q6、P沟道MOSFET Q8、电阻R31、电阻R23 和电容C7，电阻R21的一端连接电压比较器U4的输出端，电阻R21 的另一端连接电阻R20一端和P沟道MOSFET Q8的G极，电阻R20的另一端和P沟道MOSFET Q8的S极连接VCC，电阻R22的一端连接电压比较器U5的输出端，电阻R22的另一端连接电阻R24的一端和N 沟道MOSFET Q6的G极，电阻R24的另一端和N沟道MOSFETQ6的D 极接地，P沟道MOSFET Q8的D极和N沟道MOSFET Q6的S极连接作为场效应管栅极驱动电路的输出端。
进一步地，所述功率变换电路包含N沟道MOSFET Q7、电容C6 和平面变压器T1，N沟道MOSFET Q7的S极连接平面变压器T1的初级线圈的一端，平面变压器T1的初级线圈的另一端连接电容C6一端，电容C6另一端接地，N沟道MOSFET Q7的D极接地；
所述峰值电压钳位吸收电路包含瞬态电压抑制二极管D11、二极管D13、电阻R7和电容C4，瞬态电压抑制二极管D11的阳极、电容 C4一端、电阻R7一端连接平面变压器T1的初级线圈的另一端，瞬态电压抑制二极管D11的阴极、电容C4另一端、电阻R7另一端连接二极管D13阴极，二极管D13的阳极连接平面变压器T1的初级线圈的一端。
进一步地，所述浪涌抑制电路包含电阻R16、电阻R17、电阻R10、电阻R18、电阻R30、N沟道MOSFET Q5、P沟道MOSFET Q2和稳压二极管D12，电阻R16的一端连接电容C6一端、P沟道MOSFET Q2的D 极、二极管D12的阴极，电阻R16的另一端连接P沟道MOSFET Q2的S极、电阻R17一端，电阻R17另一端连接P沟道MOSFET Q2的G极、电阻R10一端，电阻R10另一端连接N沟道MOSFET Q5的S极，N沟道MOSFET Q5的G极连接电阻R18一端和电阻R30一端，电阻R18另一端和N沟道MOSFET Q5的D极接地，电阻R30的另一端连接二极管 D12的阳极。
进一步地，所述软启动电路包含电阻R6、电阻R2、电阻R29、电容C5、二极管D5和二极管D8，电阻R6一端为软启动电路的输入端，电阻R6的另一端连接电压比较器U4的+脚、二极管D5的阴极、电阻R2的一端和电容C5的一端，二极管D5的阳极连接二极管D8的阳极，二极管D8的阴极连接电阻R2的另一端、电阻R29的一端、电压比较器U5的+脚，电阻R29另一端和电容C5另一端接地；
所述输入过欠压保护电路包含稳压二极管D6、稳压二极管D9、二极管D4、电阻R9、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、N 沟道MOSFET Q3和P沟道MOSFET Q1，P沟道MOSFETQ1的S极、电阻R12一端、二极管D6的阴极、电阻R13的一端连接VCC，P沟道 MOSFET Q1的G极连接电阻R12另一端和电阻R9一端，电阻R9另一端连接N沟道MOSFET Q3的S极，N沟道MOSFETQ3的G极连接二极管D6的阳极、二极管D9的阴极、电阻R14一端、电阻R15一端，N 沟道MOSFETQ3的D极、二极管D9的阳极和电阻R15的另一端接地，电阻R14的另一端连接电阻R13的另一端和二极管D4的阳极。
进一步地，所述输出整流滤波电路包含整流二极管D14、整流二极管D15、瞬态电压抑制二极管D7、瞬态电压抑制二极管D16、三极管Q9、三极管Q10、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容 C12、电容C13、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、磁珠L1 和磁珠L2，平面变压器T1的次级线圈的一端连接整流二极管D14的阳极，整流二极管D14的阴极连接瞬态电压抑制二极管D7的阴极、电容C8一端、电阻R32一端、三极管Q9的3脚，三极管Q9的1脚连接电阻R32的另一端和电容C9一端，三极管Q9的2脚连接磁珠 L1的一端，磁珠L1的另一端连接电容C12一端和电阻R34一端，平面变压器T1的次级线圈的另一端连接整流二极管D15的阴极，整流二极管D15的阳极连接瞬态电压抑制二极管D16的阳极、电容C11的一端、电阻R33的一端、三极管Q10的3脚，三极管Q10的1脚连接电容C10的一端和电阻R33的另一端，三极管Q10的2脚连接磁珠 L2的一端，磁珠L2的另一端连接电容C13一端和电阻R35一端，平面变压器T1的次级线圈的中间端连接瞬态电压抑制二极管D7的阳极、瞬态电压抑制二极管D16的阴极、电容C8另一端、电容C9另一端、电容C10另一端、电容C11另一端、电容C12另一端、电容C13另一端、电阻R34另一端和电阻R35另一端。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明使用常规元器件，成本低廉，能够在上电瞬间抑制浪涌，避免电源输入电流产生大电流冲击。启动时脉宽调制信号可以逐渐变宽，输出电压逐步增大，避免负载电流产生大电流冲击。对输入电压进行过压保护和欠压保护，并反馈故障信号，确保输出电压在允许范围内。稳定精密的脉宽调制信号和参数可控性高的平面变压器确保在无反馈回路调节的情况下，确保输出高精度电压，并且利于批量生产。晶体管有源滤波电路输出低纹波电压。因此具有高稳定性、高精度、低纹波、低成本的特点。
附图说明
图1是本发明的精密IGBT栅极驱动隔离电源的电路原理图。
图2是本发明的精密IGBT栅极驱动隔离电源的电路原理图局部附图1。
图3是本发明的精密IGBT栅极驱动隔离电源的电路原理图局部附图2。
图4是本发明的精密IGBT栅极驱动隔离电源的电路原理图局部附图3。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种精密IGBT栅极驱动隔离电源，包含方波发生电路、同相积分电路、定点归零电路、基准信号电路、比较调制电路、场效应管栅极驱动电路、功率变换电路、峰值电压钳位吸收电路、浪涌抑制电路、软启动电路、输入过欠压保护电路、输出整流滤波电路；
方波发生电路输出端连接施密特触发器U2输入端，施密特触发器U2输出端连接同相积分电路输入端，定点归零电路输入端连接方波发生电路输出端，定点归零电路输出端连接同相积分电路输出端，同相积分电路输出端连接比较调制电路的电压比较器U4、U5的反相端连接，基准信号电路与软启动电路连接，软启动电路与比较调制电路的电压比较器U4、U5的同相端连接，比较调制电路输出端与场效应管栅极驱动电路输入端连接，场效应管栅极驱动电路输出端与功率变换电路的平面变压器初级绕组同名端连接，峰值电压钳位吸收电路的二极管D13阳极连接功率变换电路的平面变压器初级绕组同名端，峰值电压钳位吸收电路的瞬态电压抑制二极管D11阳极连接功率变换电路的平面变压器初级绕组异名端，浪涌抑制电路一端与功率变换电路的平面变压器初级绕组异名端连接，浪涌抑制电路另一端与输入过欠压保护电路连接，输入过欠压保护电路与软启动电路连接，功率变换电路的平面变压器次级绕组与输出整流滤波电路连接。
如图2所示，方波发生电路包含施密特触发器U1、电阻R26、电阻R27、二极管D1、二极管D2和电容C3，施密特触发器U1的输入端连接二极管D2的阳极、二极管D1的阴极和电容C3一端，电容C3 另一端接地，二极管D2的阴极连接电阻R27一端，二极管D1的阳极连接电阻R26一端，施密特触发器U1的输出端连接电阻R26另一端、电阻R27另一端并作为方波发生电路的输出端。
同相积分电路包含运算放大器U3、电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C2和二极管D3，运算放大器U3的+脚连接电阻R3一端和电容 C2一端，电阻R3另一端为同向积分电路的输入端，电容C2另一端接地，运算放大器U3的-脚连接电阻R1一端和电容C1一端，电阻 R1另一端接地，电容C1另一端连接运算放大器U3的输出端和二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接VCC，运算放大器U3的输出端为同向积分电路的输出端。
定点归零电路包含电阻R8、电阻R11和N沟道MOSFET Q4,电阻 R8的一端为定点归零电路的输入端，电阻R8的另一端连接电阻R11 一端和N沟道MOSFET Q4的G极，电阻R11的另一端和N沟道MOSFET Q4的D极接地，N沟道MOSFET Q4的S极为定点归零电阻的输出端。
如图3所示，基准信号电路包含电阻R4、电阻R5、电阻R28和精密可编程电压基准源D10，电阻R5的一端连接VCC，电阻R5的另一端连接电阻R28一端和精密可编程电压基准源D10的阴极，电阻 R28另一端连接电阻R4一端和精密可编程电压基准源D10的参考极，精密可编程电压基准源D10的阳极和电阻R4的另一端接地，精密可编程电压基准源D10的阴极为基准信号电路的输出端。
比较调制电路包含电压比较器U4、电压比较器U5、电阻R19和电阻R25，电压比较器U4的输出端连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接VCC，电压比较器U5的输出端连接电阻R25一端，电阻R25 另一端连接VCC；
场效应管栅极驱动电路包含电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R24、N沟道MOSFETQ6、P沟道MOSFET Q8、电阻R31、电阻R23 和电容C7，电阻R21的一端连接电压比较器U4的输出端，电阻R21 的另一端连接电阻R20一端和P沟道MOSFET Q8的G极，电阻R20的另一端和P沟道MOSFET Q8的S极连接VCC，电阻R22的一端连接电压比较器U5的输出端，电阻R22的另一端连接电阻R24的一端和N 沟道MOSFET Q6的G极，电阻R24的另一端和N沟道MOSFET Q6的D极接地，P沟道MOSFET Q8的D极和N沟道MOSFET Q6的S极连接作为场效应管栅极驱动电路的输出端。
功率变换电路包含N沟道MOSFET Q7、电容C6和平面变压器T1， N沟道MOSFET Q7的S极连接平面变压器T1的初级线圈的一端，平面变压器T1的初级线圈的另一端连接电容C6一端，电容C6另一端接地，N沟道MOSFET Q7的D极接地；
峰值电压钳位吸收电路包含瞬态电压抑制二极管D11、二极管 D13、电阻R7和电容C4，瞬态电压抑制二极管D11的阳极、电容C4 一端、电阻R7一端连接平面变压器T1的初级线圈的另一端，瞬态电压抑制二极管D11的阴极、电容C4另一端、电阻R7另一端连接二极管D13阴极，二极管D13的阳极连接平面变压器T1的初级线圈的一端。
浪涌抑制电路包含电阻R16、电阻R17、电阻R10、电阻R18、电阻R30、N沟道MOSFETQ5、P沟道MOSFET Q2和稳压二极管D12，电阻R16的一端连接电容C6一端、P沟道MOSFET Q2的D极、二极管D12的阴极，电阻R16的另一端连接P沟道MOSFET Q2的S极、电阻 R17一端，电阻R17另一端连接P沟道MOSFET Q2的G极、电阻R10 一端，电阻R10另一端连接N沟道MOSFET Q5的S极，N沟道MOSFET Q5的G极连接电阻R18一端和电阻R30一端，电阻R18另一端和N 沟道MOSFET Q5的D极接地，电阻R30的另一端连接二极管D12的阳极。
软启动电路包含电阻R6、电阻R2、电阻R29、电容C5、二极管 D5和二极管D8，电阻R6一端为软启动电路的输入端，电阻R6的另一端连接电压比较器U4的+脚、二极管D5的阴极、电阻R2的一端和电容C5的一端，二极管D5的阳极连接二极管D8的阳极，二极管D8 的阴极连接电阻R2的另一端、电阻R29的一端、电压比较器U5的+ 脚，电阻R29另一端和电容C5另一端接地；
输入过欠压保护电路包含稳压二极管D6、稳压二极管D9、二极管D4、电阻R9、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、N沟道 MOSFET Q3和P沟道MOSFET Q1，P沟道MOSFET Q1的S极、电阻R12 一端、二极管D6的阴极、电阻R13的一端连接VCC，P沟道MOSFET Q1 的G极连接电阻R12另一端和电阻R9一端，电阻R9另一端连接N沟道MOSFET Q3的S极，N沟道MOSFET Q3的G极连接二极管D6的阳极、二极管D9的阴极、电阻R14一端、电阻R15一端，N沟道MOSFET Q3的D极、二极管D9的阳极和电阻R15的另一端接地，电阻R14的另一端连接电阻R13的另一端和二极管D4的阳极。
如图4所示，输出整流滤波电路包含整流二极管D14、整流二极管D15、瞬态电压抑制二极管D7、瞬态电压抑制二极管D16、三极管 Q9、三极管Q10、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、磁珠L1和磁珠L2，平面变压器T1的次级线圈的一端连接整流二极管D14的阳极，整流二极管D14的阴极连接瞬态电压抑制二极管D7的阴极、电容C8 一端、电阻R32一端、三极管Q9的3脚，三极管Q9的1脚连接电阻R32的另一端和电容C9一端，三极管Q9的2脚连接磁珠L1的一端，磁珠L1的另一端连接电容C12一端和电阻R34一端，平面变压器T1 的次级线圈的另一端连接整流二极管D15的阴极，整流二极管D15的阳极连接瞬态电压抑制二极管D16的阳极、电容C11的一端、电阻 R33的一端、三极管Q10的3脚，三极管Q10的1脚连接电容C10的一端和电阻R33的另一端，三极管Q10的2脚连接磁珠L2的一端，磁珠L2的另一端连接电容C13一端和电阻R35一端，平面变压器T1的次级线圈的中间端连接瞬态电压抑制二极管D7的阳极、瞬态电压抑制二极管D16的阴极、电容C8另一端、电容C9另一端、电容C10 另一端、电容C11另一端、电容C12另一端、电容C13另一端、电阻 R34另一端和电阻R35另一端。
本发明的精密IGBT栅极驱动隔离电源的工作原理为：
方波发生电路是由施密特触发器U1构成的多谐振荡器，输出高频矩形脉冲信号，记为S1(t)，其中二极管D1、二极管D2将电容C3 的充电和放电回路分开，通过调节R26、R27、C3可以改变振荡周期T 及占空比D，为确保电源工作于断续模式，需要满足矩形脉冲信号S1(t) 占空比D大于50％，即TD＞T1-D。
充电时间
Figure BDA0003339933700000131
放电时间
Figure BDA0003339933700000132
周期T＝TD+T1-D
占空比
Figure BDA0003339933700000133
式中，VCC为供电电源电压，VT+为施密特触发器U1的正向触发阈值电压，VT-为施密特触发器U1的负向触发阈值电压。
矩形脉冲信号S1(t)经过施密特触发器U1，得到占空比小于50％的矩形脉冲信号，记为S2(t)，输入同相积分电路，输出同相积分信号，记为S3(t)，其中R1＝R3，C1＝C2，二极管D3将信号S3(t)峰值异常过大时钳位于VCC。
Figure BDA0003339933700000134
定点归零电路在矩形脉冲信号S1(t)为高电平时拉低同相积分电路输出信号S3(t)值0，确保每个周期的初始值S3(0)＝0，因此可以调整 R1、R3、C1、C2，使得S3(t)为占空比小于50％三角脉冲信号，且S3(t)最大值小于等于VCC。
基准信号电路输出基准电压信号，记为S4(t)，
Figure BDA0003339933700000135
式中，Uref为精密可编程电压基准源D10的基准电压。
软启动电路将信号S4(t)经过由电阻R6、电容C5组成的延时电路，输出由上电时初始值VCC逐渐降低至S4(t)的调制信号，记为S5(t)，
Figure BDA0003339933700000141
同时经过电阻R2、R29分压生成另一调制信号，记为S6(t)，
Figure BDA0003339933700000142
二极管D5、D8分别隔离信号S5(t)、S6(t)之间的影响，以及对输入过欠压保护电路的影响。其中延时时间
Figure BDA0003339933700000143
比较调制电路将同相积分电路输出信号S3(t)分别与软启动电路输出信号S5(t)、S6(t)通过电压比较器U4、电压比较器U5进行比较，分别输出占空比大于50％的脉宽调制信号S7(t)、S8(t)，由于S5(t)、S6(t)之间的压差，S7(t)、S8(t)并不同时跳变，并且S5(t)、S6(t)在延时时间Δt内由初始值VCC逐渐降低，使得S7(t)、S8(t)的脉宽逐渐变小。
场效应管栅极驱动电路将脉宽调制信号S7(t)、S8(t)进行功率放大，以满足场效应管的要求的驱动信号，记为S9(t)。调整电阻R20、电阻 R21、电阻R22、电阻R24使N沟道MOSFET Q6、P沟道MOSFET Q8相对于其阈值电压具有合适的导通栅极电压。S7(t)、S8(t)的脉宽逐渐变小，使得S9(t)的脉宽也逐渐变大，输出电压逐步增大，避免负载电流产生大电流冲击。S7(t)、S8(t)并不同时跳变，可以避免两种类型MOSFET 栅极阈值电压的不同而引起的直通现象。电容C7作为加速电容，可以提高开关速度。
功率变换电路为反激式变换电路，采用较绕线变压器漏感低、散热好的平面变压器，对于无闭环控制的隔离电源，参数易于控制，精度高，一致性高，大大减小了由于元器件公差造成的输出偏差，利于批量生产。电容C6为容值较大滤波电容，滤除输入电源低次纹波，提供稳定的电压。
峰值电压钳位吸收电路吸收由平面变压器一次侧漏感和N沟道 MOSFET Q7关断时的峰值电流引起的叠加在Q7漏极上的峰值电压，以确保正常工作。
浪涌抑制电路中的电阻R16作为限流电阻，上电时将对容值较大的滤波电容C6的充电电流限制在较小的范围，待滤波电容C6两端电压UC6大于稳压二极管D12的稳压值UZ_D12，并使N沟道MOSFET Q5的栅极电压高于其阈值电压UGS(th)_Q5时，即
Figure BDA0003339933700000151
Figure BDA0003339933700000152
Q5的漏-源极导通，使得R17两端电压小于P沟道MOSFETQ2 的阈值电压，Q2的漏-源极导通，直接为滤波电容C6供电，此时 UC6≈VCC(MOSFET的导通电阻远小于R16)，电阻R16无电流经过。因此调整电阻R16和D12的稳压值，可以避免上电时电源输入电流产生大电流冲击。
输入过欠压保护电路检测供电电源VCC，并在过压、欠压时能够及时禁止脉宽调制信号S7(t)、S8(t)，拉低驱动信号S9(t)，停止电源工作。供电电源上电或欠压，
Figure BDA0003339933700000153
或电容C6 两端电压
Figure BDA0003339933700000154
时，不能够使Q5漏-源极导通，使得N沟道MOSFET Q3栅-源极电压为
Figure BDA0003339933700000155
高于其栅极阈值电压UGS(th)_Q3，Q3漏-源极导通，使得P沟道MOSFET Q1栅-源极电压为
Figure BDA0003339933700000156
低于其阈值电压，Q1漏-源极导通，经过二极管D5、D8将信号调制信号S5(t)、S6(t)置于VCC，高于信号S3(t)，使得脉宽调制信号 S7(t)＝VCC、
Figure BDA0003339933700000157
P沟道MOSFET Q8栅-源极电压为VCC，高于其阈值电压，Q8关断，N沟道MOSFET Q6栅-源极电压为
Figure BDA0003339933700000161
高于其阈值电压，Q6导通，N沟道MOSFET Q7栅-源极电压为0，低于其阈值电压，Q7关断，电源停止工作。供电电源高于
Figure BDA0003339933700000162
Figure BDA0003339933700000163
而低于UZ_D6+UGS(th)_Q3时，其中UZ_D6为稳压二极管 D6的稳压值，Q5漏-源极导通，通过二极管D4将Q3栅-源极电压拉低至0，低于其栅极阈值电压，Q3关断，进而Q1关断，不能将S5(t)、 S6(t)置于VCC，电源正常工作。供电电源高于UZ_D6+UGS(th)_Q3时，Q3 栅-源极电压为
Figure BDA0003339933700000164
高于其栅极阈值电压UGS(th)_Q3，Q3漏-源极导通，使得P沟道MOSFET Q1栅-源极电压为
Figure BDA0003339933700000165
低于其阈值电压， Q1漏-源极导通，经过二极管D5、D8将信号调制信号S5(t)、S6(t)置于 VCC，高于信号S3(t)，使得脉宽调制信号S7(t)＝VCC、
Figure BDA0003339933700000166
P沟道MOSFET Q8栅-源极电压为VCC，高于其阈值电压，Q8关断，N 沟道MOSFET Q6栅-源极电压为
Figure BDA0003339933700000167
高于其阈值电压，Q6导通， N沟道MOSFET Q7栅-源极电压为0，低于其阈值电压，Q7关断，电源停止工作。其中
Figure BDA0003339933700000168
稳压二极管D9的稳压值UZ_D9≥UGS(th)_Q3。若供电电源继续升高，高于 UZ_D6+UZ_D9时，稳压二极管D9、D12将供电电源钳位于UZ_D9+UZ_D6。
输出整流滤波电路将功率变换电路输出电压进行整流、滤波，达到低纹波、高精度的要求。D14、D15采用肖特基整流二极管，具有极短的反向恢复时间，满足频率需求。瞬态电压抑制二极管D7、瞬态电压抑制二极管D16分别对输出正、负电压进行快速电压保护。C8、C11为输出滤波电容。电阻R32阻值相对于三极管Q9的共射电流放大系数较大，和电容C9组成的时间常数R32C9较大，使三极管Q9的基极纹波很小，从而发射极电流的纹波很小。同样，电阻R33阻值相对于三极管Q9的共射电流放大系数较大，和电容C10组成的时间常数 R33C10较大，使三极管Q10的基极纹波很小，从而发射极电流的纹波很小。磁珠L1和电容C12、磁珠L2和电容C13分别对正、负电压的高次纹波进行滤波。电阻R34、电阻R35在电源输出失电后对负载中电容进行放电。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：包含方波发生电路、同相积分电路、定点归零电路、基准信号电路、比较调制电路、场效应管栅极驱动电路、功率变换电路、峰值电压钳位吸收电路、浪涌抑制电路、软启动电路、输入过欠压保护电路、输出整流滤波电路；
所述方波发生电路输出端连接施密特触发器U2输入端，施密特触发器U2输出端连接同相积分电路输入端，定点归零电路输入端连接方波发生电路输出端，定点归零电路输出端连接同相积分电路输出端，同相积分电路输出端连接比较调制电路的电压比较器U4、U5的反相端连接，基准信号电路与软启动电路连接，软启动电路与比较调制电路的电压比较器U4、U5的同相端连接，比较调制电路输出端与场效应管栅极驱动电路输入端连接，场效应管栅极驱动电路输出端与功率变换电路的平面变压器初级绕组同名端连接，峰值电压钳位吸收电路的二极管D13阳极连接功率变换电路的平面变压器初级绕组同名端，峰值电压钳位吸收电路的瞬态电压抑制二极管D11阳极连接功率变换电路的平面变压器初级绕组异名端，浪涌抑制电路一端与功率变换电路的平面变压器初级绕组异名端连接，浪涌抑制电路另一端与输入过欠压保护电路连接，输入过欠压保护电路与软启动电路连接，功率变换电路的平面变压器次级绕组与输出整流滤波电路连接。
2.根据权利要求1所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述方波发生电路包含施密特触发器U1、电阻R26、电阻R27、二极管D1、二极管D2和电容C3，施密特触发器U1的输入端连接二极管D2的阳极、二极管D1的阴极和电容C3一端，电容C3另一端接地，二极管D2的阴极连接电阻R27一端，二极管D1的阳极连接电阻R26一端，施密特触发器U1的输出端连接电阻R26另一端、电阻R27另一端并作为方波发生电路的输出端。
3.根据权利要求1所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述同相积分电路包含运算放大器U3、电阻R1、电阻R3、电容C1、电容C2和二极管D3，运算放大器U3的+脚连接电阻R3一端和电容C2一端，电阻R3另一端为同向积分电路的输入端，电容C2另一端接地，运算放大器U3的-脚连接电阻R1一端和电容C1一端，电阻R1另一端接地，电容C1另一端连接运算放大器U3的输出端和二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接VCC，运算放大器U3的输出端为同向积分电路的输出端。
4.根据权利要求1所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述定点归零电路包含电阻R8、电阻R11和N沟道MOSFET Q4,电阻R8的一端为定点归零电路的输入端，电阻R8的另一端连接电阻R11一端和N沟道MOSFET Q4的G极，电阻R11的另一端和N沟道MOSFET Q4的D极接地，N沟道MOSFET Q4的S极为定点归零电阻的输出端。
5.根据权利要求1所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述基准信号电路包含电阻R4、电阻R5、电阻R28和精密可编程电压基准源D10，电阻R5的一端连接VCC，电阻R5的另一端连接电阻R28一端和精密可编程电压基准源D10的阴极，电阻R28另一端连接电阻R4一端和精密可编程电压基准源D10的参考极，精密可编程电压基准源D10的阳极和电阻R4的另一端接地，精密可编程电压基准源D10的阴极为基准信号电路的输出端。
6.根据权利要求1所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述比较调制电路包含电压比较器U4、电压比较器U5、电阻R19和电阻R25，电压比较器U4的输出端连接电阻R19一端，电阻R19另一端连接VCC，电压比较器U5的输出端连接电阻R25一端，电阻R25另一端连接VCC；
所述场效应管栅极驱动电路包含电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R24、N沟道MOSFETQ6、P沟道MOSFET Q8、电阻R31、电阻R23和电容C7，电阻R21的一端连接电压比较器U4的输出端，电阻R21的另一端连接电阻R20一端和P沟道MOSFET Q8的G极，电阻R20的另一端和P沟道MOSFET Q8的S极连接VCC，电阻R22的一端连接电压比较器U5的输出端，电阻R22的另一端连接电阻R24的一端和N沟道MOSFET Q6的G极，电阻R24的另一端和N沟道MOSFET Q6的D极接地，P沟道MOSFET Q8的D极和N沟道MOSFET Q6的S极连接作为场效应管栅极驱动电路的输出端。
7.根据权利要求1所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述功率变换电路包含N沟道MOSFET Q7、电容C6和平面变压器T1，N沟道MOSFET Q7的S极连接平面变压器T1的初级线圈的一端，平面变压器T1的初级线圈的另一端连接电容C6一端，电容C6另一端接地，N沟道MOSFET Q7的D极接地；
所述峰值电压钳位吸收电路包含瞬态电压抑制二极管D11、二极管D13、电阻R7和电容C4，瞬态电压抑制二极管D11的阳极、电容C4一端、电阻R7一端连接平面变压器T1的初级线圈的另一端，瞬态电压抑制二极管D11的阴极、电容C4另一端、电阻R7另一端连接二极管D13阴极，二极管D13的阳极连接平面变压器T1的初级线圈的一端。
8.根据权利要求7所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述浪涌抑制电路包含电阻R16、电阻R17、电阻R10、电阻R18、电阻R30、N沟道MOSFET Q5、P沟道MOSFET Q2和稳压二极管D12，电阻R16的一端连接电容C6一端、P沟道MOSFET Q2的D极、二极管D12的阴极，电阻R16的另一端连接P沟道MOSFET Q2的S极、电阻R17一端，电阻R17另一端连接P沟道MOSFET Q2的G极、电阻R10一端，电阻R10另一端连接N沟道MOSFET Q5的S极，N沟道MOSFETQ5的G极连接电阻R18一端和电阻R30一端，电阻R18另一端和N沟道MOSFET Q5的D极接地，电阻R30的另一端连接二极管D12的阳极。
9.根据权利要求6所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述软启动电路包含电阻R6、电阻R2、电阻R29、电容C5、二极管D5和二极管D8，电阻R6一端为软启动电路的输入端，电阻R6的另一端连接电压比较器U4的+脚、二极管D5的阴极、电阻R2的一端和电容C5的一端，二极管D5的阳极连接二极管D8的阳极，二极管D8的阴极连接电阻R2的另一端、电阻R29的一端、电压比较器U5的+脚，电阻R29另一端和电容C5另一端接地；
所述输入过欠压保护电路包含稳压二极管D6、稳压二极管D9、二极管D4、电阻R9、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、N沟道MOSFET Q3和P沟道MOSFET Q1，P沟道MOSFET Q1的S极、电阻R12一端、二极管D6的阴极、电阻R13的一端连接VCC，P沟道MOSFET Q1的G极连接电阻R12另一端和电阻R9一端，电阻R9另一端连接N沟道MOSFET Q3的S极，N沟道MOSFET Q3的G极连接二极管D6的阳极、二极管D9的阴极、电阻R14一端、电阻R15一端，N沟道MOSFET Q3的D极、二极管D9的阳极和电阻R15的另一端接地，电阻R14的另一端连接电阻R13的另一端和二极管D4的阳极。
10.根据权利要求7所述的精密IGBT栅极驱动隔离电源，其特征在于：所述输出整流滤波电路包含整流二极管D14、整流二极管D15、瞬态电压抑制二极管D7、瞬态电压抑制二极管D16、三极管Q9、三极管Q10、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13、电阻R32、电阻R33、电阻R34、电阻R35、磁珠L1和磁珠L2，平面变压器T1的次级线圈的一端连接整流二极管D14的阳极，整流二极管D14的阴极连接瞬态电压抑制二极管D7的阴极、电容C8一端、电阻R32一端、三极管Q9的3脚，三极管Q9的1脚连接电阻R32的另一端和电容C9一端，三极管Q9的2脚连接磁珠L1的一端，磁珠L1的另一端连接电容C12一端和电阻R34一端，平面变压器T1的次级线圈的另一端连接整流二极管D15的阴极，整流二极管D15的阳极连接瞬态电压抑制二极管D16的阳极、电容C11的一端、电阻R33的一端、三极管Q10的3脚，三极管Q10的1脚连接电容C10的一端和电阻R33的另一端，三极管Q10的2脚连接磁珠L2的一端，磁珠L2的另一端连接电容C13一端和电阻R35一端，平面变压器T1的次级线圈的中间端连接瞬态电压抑制二极管D7的阳极、瞬态电压抑制二极管D16的阴极、电容C8另一端、电容C9另一端、电容C10另一端、电容C11另一端、电容C12另一端、电容C13另一端、电阻R34另一端和电阻R35另一端。
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