CN1523741A

CN1523741A - 磁隔离栅极驱动器

Info

Publication number: CN1523741A
Application number: CNA031060676A
Authority: CN
Inventors: 章进法; 王波; 甘鸿坚
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2003-02-20
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: CN1317813C

Abstract

一种磁隔离栅极驱动器，包括脉冲宽度调变驱动器，其可产生脉冲宽度调变信号；脉冲隔离变压器；输入端电容，是与变压器输入端串联；输出端电容，是与变压器输出端串联；输出端二极管，是与磁隔离栅极驱动器的输出端并联；输出端小功率金属氧化物半导体场效应晶体管，是与输出端电容串联，其源极连接至变压器输出端的一个端子而栅极连接至变压器输出端的另一个端子；所述变压器输出端、输出端电容、输出端二极管与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管构成一个串联回路。藉由前述电路，当电源在起动及关闭时，磁隔离栅极驱动器不会造成开关管的误导通，从而可有效防止整个电源的失效。

Description

磁隔离栅极驱动器

(1)技术领域

本发明涉及一种磁隔离驱动器，尤其涉及一种设置有功率金属氧化物半导体场效应晶体管从而具有较佳瞬态特性的磁隔离栅极驱动器。

(2)背景技术

磁隔离驱动器可用于高端功率金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动。习知常用的一种驱动器电路如图1所示。其中电容C1为输入端直流隔离电容，电容电压的参考方向如图1所示，T1为隔离变压器，QM为被驱动的金属氧化物半导体场效应晶体管，C3为QM的等效输入电容。S1是脉冲宽度调变驱动器(PWM Driver)的输出信号波形，S2是变压器输入端的波形，S3是该磁隔离驱动器的输出波形。图1所示电路工作波形请参阅图2所示，假设稳态时该驱动器输出信号S1的周期为T，占空比为D，幅值为V1，同时假设变压器T1的输入输出匝比为1，则稳态时输入端直流隔离电容C1上的电压为DV1。在S1为高电平时，S3也为高电平，其幅值为(V1-VC1)，即(1-D)V1。而在S1为低电平时，S3为负电平，其幅值为(-VC1)，即DV1。由此可见，这种隔离驱动器的线路简单，而且被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管有反向的驱动电压，抗干扰能力强。但其有待改进之处在于，在占空比D较大时，S3的高电平幅值(1-D)V1就较小，可能导致QM驱动电压的不足。这样，这种驱动器电路不适合应用在占空比变化较大的场合。

再请参阅图3，图3是另一个习知技术的磁隔离驱动器，该变压器的极性如图3所示，其中电容C1为输入端直流隔离电容，电容C2为输出端直流隔离电容，C3为等效的被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管输入电容。图3所示电路工作波形请参阅图4所示，其中S1是脉冲宽度调变驱动器的输出信号波形，S2是变压器输入端的波形，S3是该磁隔离驱动器的输出波形。假设稳态时驱动器输出信号S1的周期为T，占空比为D，幅值为V1，同时假设变压器T1的输入输出匝比为1，则稳态时输入端直流隔离电容C1上的电压为VC1＝DV1，而输出端直流隔离C2上的电压为VC2＝DV1，这两个电容电压的参考方向如图3所示。在S1为高电平时，S2和S3也为高电平。S2高电平幅值V2为(V1-VC1)，即(1-D)V1，是以S3高电平幅值V3＝V2+VC2，即为V1，可见此幅值与占空比D无关，也即不随PWM占空比的变化而变化。在S1变为零的时刻，变压器输入输出电压变为-DV1，是以二极管DR导通，S3短路，C3上电压立即变为零。

由于电容C1和C2的直流隔离，变压器T1可以在大的PWM占空比时实现磁重定。这样，该电路特性有：输出电压幅值在占空比变化时仍可保持不变；占空比可大于0.5及驱动损耗小。

该磁隔离驱动器主要缺点是，由于某些原因，在脉冲宽度调变驱动器的输出信号消失，即驱动信号S1将保持为零，同上所述，此时S3会立即变为零。但随后变压器T1在输入端的(-DV1)电压作用下将逐渐进入饱和。在变压器T1逐渐饱和时，变压器T1输入输出电压的幅值从DV1逐渐变小，而由于C2上的电压VC2仍为DV1，这样，施加于被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管的C3上的电压就将从零开始增加。直到当变压器T1饱和时，变压器T1输入输出电压变为0，电容C1上的电荷就迅速释放到零。这样，此时加于C3上的电压就是C2的电压DV1。可见，在驱动信号消失时，此驱动电路可能会引起被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管的较长时间的误导通。在此状态下，实际测量的S3如图5所示。因此，该种驱动电路不具有较佳的瞬态特性，当电源在起动及关闭时会造成开关管的误导通，从而可造成整个电源的失效。

(3)发明内容

本发明的目的在于提供一种设置有功率金属氧化物半导体场效应晶体管的磁隔离栅极驱动器，该磁隔离栅极驱动器具有较佳的瞬态特性，当电源在起动及关闭时不会造成开关管的误导通，从而可有效防止整个电源的失效。

本发明磁隔离栅极驱动器包括有：脉冲宽度调变驱动器(PWM Driver)，其可产生脉冲宽度调变信号；脉冲隔离变压器，是与所述脉冲宽度调变驱动器相连接；输入端电容，是与所述变压器输入端串联；输出端电容，是与所述变压器输出端串联；输出端二极管，是与磁隔离栅极驱动器的输出端并联；输出端小功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其是与所述输出端电容串联，其源极连接至变压器输出端的一个端子而栅极连接至变压器输出端的另一个端子；所述变压器输出端、输出端电容、输出端二极管与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管构成一个串联回路。

依据上述发明特征，本发明磁隔离栅极驱动器藉由变压器输出端、输出端电容、输出端二极管与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管构成一个串联回路，从而使得磁隔离栅极驱动器当驱动信号消失后，被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管上的驱动信号也同时消失。这样，在故障保护、停机等状态，脉冲宽度调变信号消失时刻，被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管上的驱动信号随之消失，从而消除了误导通的问题。

(4)附图说明

图1是习知的磁隔离驱动器的电路图。

图2是图1所示磁隔离驱动器的主要工作波形图。

图3是另一习知磁隔离驱动器的电路图。

图4是图3所示磁隔离驱动器的主要工作波形图。

图5是图3所示电路在脉冲宽度调变信号消失时输出驱动信号的运作波形图。

图6是本发明磁隔离栅极驱动器的第一实施例电路图。

图7是图6所示电路在脉冲宽度调变信号消失时输出驱动信号的运作波形图。

图8是本发明磁隔离栅极驱动器的第二实施例电路图。

图9是本发明磁隔离栅极驱动器的第三实施例电路图。

(5)具体实施方式

请参阅图6所示，图中示出了本发明磁隔离栅极驱动器的第一实施例。该磁隔离栅极驱动器是包括：一个用以产生脉冲宽度调变信号的脉冲宽度调变驱动器(PWM Driver)、一个具有如图所示极性的脉冲隔离变压器T1、分别与变压器输入输出端串联的隔直电容C1、C2及一个输出端小功率金属氧化物半导体场效应晶体管Q1。其中所述小功率金属氧化物半导体场效应晶体管Q1是与输出端电容C2串联，其源极与输出端的一个端子相连接，而栅极与输出端的另一个端子相连接，且该输出端电容C2、二极管D1与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管Q1构成一个串联回路，被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极连接于输出端二极管D1的阴极，源极连接于二极管D1的阳极。

此驱动电路稳态工作时，其波形与图2相同。当脉冲宽度调变驱动器发出的驱动信号S1的幅值为V1，其占空比为D时，C1上电压VC1为DV1。假设T1的输入输出端匝比为1，那么C2上电压VC2也为DV1。在S1为高电平时，变压器输出端电压为(1-D)V1，在此电压作用下，Q1一直导通，那么施加于被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管上的信号S3的电压为(VC2+(1-D)V1)，即为V1。一旦S1电平变为0，VC1即反向施加于变压器输入端，使S2电压为(-DV1)，这样Q1的闸源电压为(-DV1)，Q1就截止。但同时，其寄生体二极管正向导通，二极管D1也导通，使驱动器件上的电荷可以通过短路迅速释放，使S3电平立即变为0。

由于某些原因，比如电源因为故障而关机，S1就开始保持为零。在关机的时刻，变压器T1的输入端电压变为-VC1，Q1截止，而此刻VC2仍为DV1。那么，变压器输出端与电容C2的电压的和就变为零，C3上的电荷通过C2，变压器输出端和Q1的体二极管短路，其电压就迅速变为零。随后，如图3电路的原理，由于电容C1上的电压连续施加在变压器输入端，变压器将逐步进入饱和，其输入输出电压幅值将逐渐减少到零。而在此阶段，Q1的闸源极承受负电压，故Q1维持在关断状态，同时其体二极管也因为承受反向电压而关断，C2电压不会施加于输出端。由此可见，当驱动信号消失后，VC2不会加至C3上，S3就不会受C2电压的影响，从而不会造成如图3所示电路中出现的误触发问题。

因此，Q1的加入不仅不会影响驱动器稳态时的工作特性，而且在大占空比变化时，被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管仍然具有好的驱动波形。而在脉冲宽度调变输入信号因故消失后，被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管上的驱动信号也随之消失，从而避免了习知技术中的长时间误导通现象。请结合参阅图7所示，该图示出了本发明磁隔离栅极驱动器在脉冲宽度调变信号消失时输出驱动信号的运作波形图。

应可理解，以上虽然揭示了本发明的一个实施例，而本发明还可以采用其他实施方式。如亦可设计成如图8或图9所示的磁隔离栅极驱动器。请参阅图8所示，其与图6所示的第一实施例不同之处在于：该磁隔离栅极驱动器的变压器极性与图6所示变压器极性相反，因此其所产生的输出驱动信号与磁隔离栅极驱动器的信号反相。再请参阅图9所示，其又揭示了另一种实施情况，图中变压器极性可以采用如图6及图8所示的任一方式，而不同之处在：其输出端电容C2串联于二极管D1的阳极和小功率金属氧化物半导体场效应晶体管Q1的漏极之间。在以上图8及图9所述的实施例中，所述磁隔离栅极驱动器的变压器输出端、输出端电容、二极管与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管均构成一个串联回路。另外，输入端电容C1及输出端电容C2及输出端均可以进一步地并联其他电阻。在以上图6、图8及图9所述的实施例中，为了抑制可能出现在变压器T1绕组上的振荡电压，从而避免Q1的误触发，可以在电容C1上并联一个二极管，此二极管的阳极是接于电容C1与变压器T1的接点端，而其阴极则接于电容C1的另一端。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是熟习本发明技术的人士根据本发明的精神所作出的种种等效变化或等效替换，皆应涵盖在权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种磁隔离栅极驱动器，是连接至被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管用以对其实现隔离脉冲宽度调变驱动，其特征在于，包括有：

脉冲宽度调变驱动器，用以产生脉冲宽度调变信号；

脉冲隔离变压器，是与所述脉冲宽度调变驱动器相连接；

输入端电容，是与所述变压器输入端串联；

输出端电容，是与所述变压器输出端串联；

输出端二极管，是与所述磁隔离栅极驱动器的输出端并联；

输出端小功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其是与所述输出端电容串联，其源极连接至变压器输出端的一个端子而栅极连接至变压器输出端的另一个端子；及

所述变压器输出端、输出端电容、输出端二极管与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管构成一个串联回路，当脉冲宽度调变信号消失时，通过所述变压器输出端、输出端电容、与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管的体二极管释放被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管输入电容上的电荷，被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管上的驱动信号随之消失。

2.如权利要求1所述的磁隔离栅极驱动器，其特征在于，脉冲隔离变压器的极性相同。

3.如权利要求1所述的磁隔离栅极驱动器，其特征在于，脉冲隔离变压器的极性相反。

4.如权利要求1至3之任一项所述的磁隔离栅极驱动器，其特征在于，所述输出端电容是串联于二极管的阴极和小功率金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极之间。

5.如权利要求1至3之任一项所述的磁隔离栅极驱动器，其特征在于，所述输出端电容是串联于二极管的阳极和小功率金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极之间。

6.如权利要求1至3之任一项所述的磁隔离栅极驱动器，其特征在于，所述输入端电容、输出端电容及其输出端均选择性地进一步并联电阻。

7.如权利要求1至3之任一项所述的磁隔离栅极驱动器，其特征在于，所述输入端电容上进一步并联一二极管，此二极管的阳极是接于输入端电容与变压器的接点端，而其阴极则接于输入端电容的另一端。

8.一种变压器隔离驱动电路，是连接至脉冲宽度调变驱动器及被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管上，用以对被驱动金属氧化物半导体场效应晶体管实现隔离的脉冲宽度调变驱动，其特征在于，包括有：

脉冲隔离变压器；

输入端电容，是与所述变压器输入端串联；

输出端电容，是与所述变压器输出端串联；

输出端二极管，是与磁隔离栅极驱动器的输出端并联；

所述变压器输出端、输出端电容、输出端二极管与小功率金属氧化物半导体场效应晶体管构成一个串联回路。

9.如权利要求8所述的变压器隔离驱动电路，其特征在于，脉冲隔离变压器的极性相同。

10.如权利要求8所述的变压器隔离驱动电路，其特征在于，脉冲隔离变压器的极性相反。

11.如权利要求8至10之任一项所述的变压器隔离驱动电路，其特征在于，所述输出端电容是串联于二极管的阴极和小功率金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极之间。

12.如权利要求8至10之任一项所述的变压器隔离驱动电路，其特征在于，所述输出端电容是串联于二极管的阳极和小功率金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极之间。

13.如权利要求8至10之任一项所述的变压器隔离驱动电路，其特征在于，所述输入端电容、输出端电容及其输出端均选择性地进一步并联电阻。

14.如权利要求8至10之任一项所述的变压器隔离驱动电路，其特征在于，所述输入端电容上进一步并联一二极管，此二极管的阳极是接于输入端电容与变压器的接点端，而其阴极则接于输入端电容的另一端。