CN1901373A - 一种隔离驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于开关电源功率开关管的驱动电路，尤其涉及一种需要变压器隔离的功率开关管驱动电路。包括：控制电路；驱动变压器；隔直电容；钳位电路，并联于驱动变压器的原边绕组；钳位开关控制电路，所述控制电路的驱动脉冲经过钳位开关控制电路驱动钳位电路的开关。保留了原边的隔直电容，使驱动变压器原边绕组以很平稳的电压来复位，驱动电路的输出波形无尖刺和振荡。本发明的钳位电路只是在驱动脉冲关断时才起作用，并且不用阻尼电阻，驱动电路效率高。添加的元器件少，成本低。在驱动脉冲关断时，钳位电路可以将驱动变压器原边的最大正向电压钳位在0.7V，从而可以避免由于LC振荡而使需要关断的功率开关管误导通。

Description

一种隔离驱动电路

技术领域

本发明涉及一种应用于开关电源功率开关管的驱动电路，尤其涉及一种需要变压器隔离的功率开关管驱动电路。

背景技术

开关电源现在已经被广泛应用，其关键器件功率开关管工作在高频高压状态下。由于电路拓扑本身的需要或者出于安全考虑，需要将来自控制电路的驱动脉冲与功率开关管进行隔离。

一种传统的功率开关管隔离驱动电路如图1中虚线框100所示，包括原边隔直电容C1，隔离驱动变压器T1和副边自举电容C2，自举二极管D2。

来自控制电路的驱动脉冲加在A点和原边参考地之间，通过隔离变换、负压自举后，在C点和副边参考地输出，用来驱动功率开关管Qsw。

当来自控制电路的驱动脉冲正常时，根据伏秒平衡原则可知原边隔直电容C1上的电压左正右负，存储有能量；驱动变压器原边有电流流过也存储有能量。

当驱动脉冲关断，A点电压保持在零与原边参考地短接。由于电容C1和驱动变压器原边电感Lp存储有能量，两者开始谐振，导致驱动变压器原副边出现振荡电压。由于振荡没有阻尼或寄生阻尼很小，此振荡电压持续时间会很长、幅值会很高，从而在C点出现幅值很高、持续时间很长(振荡周期远大于开关周期)的电压，使本来要关断的功率开关管Qsw又错误开通，导致电源输出无法关断或者功率开关管连接的主变压器饱和。

为了解决这个问题，比较简单的方法是在驱动变压器原、副边绕组并联阻尼电阻来阻止振荡。为了达到较好的阻止效果，此阻尼电阻必须选得很小，否则在驱动脉冲正常存在时阻尼电阻就会有比较大的损耗，使驱动电路效率很低。

又一种方法如美国专利：门极驱动电路。专利号US5438294，发布日期1995年8月1日。此专利电路没有隔直电容，驱动变压器原边一端直接连接控制电路来的驱动脉冲，驱动变压器另一端通过一个信号开关管(管体二极管或外并二极管)连接到原边控制地：信号开关管的漏极(D极)连接驱动变压器端，源极(S极)连接原边控制地，栅极(G极)连接控制电路驱动脉冲。

当驱动脉冲关断时，信号开关管也关断，驱动变压器原边电感与信号开关管节电容谐振复位，此时驱动变压器原边电压为负。当谐振反相使驱动变压器原边电压变正时，由于信号开关管体二极管或外并二极管存在，将驱动变压器原边正向电压钳位在0.7V，此电压不足以使后接的功率开关管误导通。但此种电路依靠信号开关管的节电容来谐振复位，由于此节电容很小会产生很高的复位电压尖峰，在正常驱动脉冲上会叠加毛刺，电压尖峰也可能会损坏信号开关管。

第三种方法如美国专利：开关电源驱动电路。专利号US6282102B1，发布日期2001年8月28日。此方法是在图1传统隔离驱动电路基础上，在驱动变压器的原边并联一个小感量值电感，此电感值比驱动变压器原边励磁电感值小至少一个数量级以上。这样当来自控制电路的驱动脉冲关断时，原边隔直电容就只与外并电感谐振，此谐振周期很短，在外并电感(驱动变压器原边)产生的振荡电压幅值也很低。此振荡电压幅值和能量不足以使外接功率开关管开通，即使开通，时间也很短不会造成严重后果。此专利电路只是减小了由于振荡而造成开关管误开通的机会和开通时间，原边所并电感在驱动脉冲正常存在时，也与隔直电容谐振，会造成很大的损耗。驱动变压器原边的谐振正相电压，不能被很好地控制在很低的水平。因此不能很好地避免误导通的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中，隔离驱动电路由于大的隔直电容存在，当来自控制电路的驱动关断时，隔直电容与驱动变压器励磁电感谐振，在驱动变压器原副边上产生幅值很高的振荡电压，而使需要关断的功率开关管误导通问题，提供一种隔离驱动电路。

现有的解决方案中，有的去掉隔直电容、通过在驱动变压器一端连接驱动MOS管和反并二极管来防止LC振荡，这样存在驱动变压器复位电压尖峰很高的问题；有的是在驱动变压器原边直接并联小阻值的电阻或小感量值的电感，来阻止驱动变压器原边电感与隔值电容谐振，但此小阻值电阻或小感量电感，只能衰减振荡或者减小振荡电压的能量，不能从根本上防止开关管误导通；而且在驱动脉冲存在时也在工作，这样存在驱动电路损耗大的问题。

本发明即保留了驱动变压器原边的隔直电容，当驱动脉冲为低电平时，驱动变压器能以很低很平稳的电压来复位；驱动变压器的原边并联一个钳位电路，驱动脉冲关断时此钳位电路工作，又能将LC谐振在驱动变压器原副边产生正向电压钳位在一个二极管的导通压降，防止后接功率开关管的误导通。

本发明具体是这样实现的：

一种隔离驱动电路，包括：

产生驱动脉冲的控制电路；

一个原边绕组，一个或多个副边绕组的驱动变压器；

连接于控制电路驱动脉冲和驱动变压器原边绕组之间的隔直电容；

其特征在于还包括：

钳位电路，并联于驱动变压器的原边绕组；

钳位开关控制电路，所述控制电路的驱动脉冲经过钳位开关控制电路驱动钳位电路的开关。

所述钳位电路由钳位二极管、钳位开关管串联组成。

所述控制电路的驱动脉冲为高电平时，钳位开关控制电路驱动钳位电路断开；

所述控制电路的驱动脉冲为低电平时，钳位开关控制电路驱动钳位电路闭合。

所述钳位开关管为N型开关管，可以是N沟道MOS管、也可以是N型三极管；

所述钳位开关控制电路通过一反相器将控制电路的驱动脉冲与所述钳位电路中的钳位开关管相连。

所述钳位开关管为P型开关管，可以是P型三极管、也可以是P型场效应管；

所述钳位开关控制电路将控制电路的驱动脉冲直接与所述钳位电路中的钳位开关管相连。

由电容、二极管组成的自举电路；电容的一端连接驱动变压器副边绕组的一端，另一端与二极管的阴极相连，二极管的阳极连接在驱动变压器副边绕组另一端。

由三极管、二极管组成的放电电路；三极管的集电极、发射极直接连接在功率开关管的栅极、源极；二极管阳极与三极管的发射极相连，阴极与三极管的基极相连。

采用本发明所述方法和电路，与现有技术相比，具有以下的进步和优点：

1.保留了原边的隔直电容，可以使驱动变压器原边绕组以很平稳的电压来复位，驱动电路的输出波形无尖刺和振荡。

2.钳位电路只是在驱动脉冲关断时才起作用，并且不用阻尼电阻，驱动电路效率高。

3.添加的元器件少，成本低。

4.在驱动脉冲关断时，钳位电路可以将驱动变压器原边的最大正向电压钳位在0.7V，从而可以避免由于LC振荡而使需要关断的功率开关管误导通。

总之，本发明既保留了传统驱动电路的优点，又解决了传统驱动电路存在的问题。

附图说明

图1是以前传统的驱动电路；

图2是本发明的原理框图；

图3是图2电路的关键点波形图；

图4是本发明的第一种实现形式；

图5是本发明的第二种实现形式；

图6是本发明应用于多路输出的实施例；

图7是本发明采用各种副边处理电路的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

图1是以前传统的驱动电路，其工作原理在此不详细描述。

本发明所述的电路由以下几部分组成

参考图2中虚线框200：

1.原边输入信号接口A，来自控制电路的驱动脉冲在A点和原边参考地进入本发明的电路。

2.原边隔直电容C1，此电容连接在驱动脉冲入口A和驱动变压器原边绕组第一端1之间。

3.驱动变压器T1，包括一个原边绕组；副边绕组可以有一个或多个，匝比也可以根据实际情况选取。

4.并联在驱动变压器原边的钳位电路，由钳位二极管D1和钳位开关管Q1串联组成。

5.原边输入信号接口C，钳位开关管Q1的驱动信号通过C点和原边参考地进入。来自控制电路的驱动脉冲，通过原边外接的钳位开关控制电路处理后，连接到C点。

6.副边输出信号接口D，在D点和副边参考地输出本发明产生的驱动脉冲，副边输出接口外接副边处理电路后，再连接到需要驱动的功率开关管Qsw。

本发明所述电路的工作原理如下所述

参考图2中虚线框200：

来自控制电路的驱动脉冲：通过A点和原边参考地进入本发明的电路；通过外接的钳位开关管控制电路后，由C点进入用来驱动钳位开关管Q1。C点和A点存在如下相位关系：当A点为高电平时，C点信号使钳位开关管Q1断开；当A点为低电平时，C点信号使钳位开关管Q1闭合。驱动脉冲从A点进入，经过隔直电容C1，驱动变压器原边电感Lp，回到原边控制电路的地。C1为隔直电容，驱动脉冲经过其后将会在上面产生压降，电压为左正右负。驱动脉冲经过C1后，根据伏秒平衡原则可知，会在驱动变压器的原边两端产生正负脉冲。驱动变压器原边Lp的正负脉冲耦合到副边Ls，所以副边输出(即D点和副边参考地)也是一个正负脉冲。当来自控制电路的驱动脉冲一直存在时，隔直电容C1上的电压就一直保持左正右负，这时不管Q1是否开通，由于D1存在，由D1和Q1组成的钳位电路不起作用。

当由于故障或其它原因导致控制电路驱动脉冲关断时，A点保持在低电平0V，相当于与原边参考地短接；根据上面的分析，这时钳位开关管Q1就一直保持闭合。由于A点相当于与原边地短接，电容C1和原边电感Lp构成LC谐振回路。刚开始谐振时，C1上电压左正右负，驱动变压器原边电压Vp为负值，由于二极管D1的存在钳位电路不起作用；当谐振使电压Vp由负变正到+0.7V时，D1导通钳位电路开始工作，将驱动变压器原边正向电压Vp钳位在0.7V，副边电压为原边电压的耦合也很低，这样就避免了由于LC振荡而使副边功率开关管Qsw的误导通。

结合图2的原理框图和图3的波形图，进一步详细描述本发明的硬件组成和电路工作过程。当开关电源正常工作时，假设控制电路产生幅值14V，正相占空比45％的驱动脉冲，通过电容C1的一端(A点)和原边参考地进入本发明电路。C点和原边参考地进入的信号用来驱动钳位开关管Q1。当A点为高电平时，经钳位开关控制电路处理的信号到C点使Q1断开，D1和Q1组成的钳位电路不起作用。此时驱动脉冲通过电容C1耦合到驱动变压器原边。当A点为低电平时，经钳位开关控制电路处理的信号到C点使Q1闭合，A点相当于与原边地短接。电容C1起到隔直作用，其上电压在驱动脉冲正常存在时左正右负，钳位电路也不起作用。当A点驱动脉冲为低电平时，C1上的电压用来给驱动变压器复位。根据变压器复位正反相伏秒值平衡原理可知，变压器原边产生正相幅值7.7V，正相占空比45％；反相幅值6.3V，反相占空比55％的正负脉冲，也就是B点波形。变压器原边的驱动脉冲耦合到副边，在D点和副边地输出。B点波形和D点波形同相位、同占空比，幅值比为驱动变压器原副边匝比。驱动变压器副边D点出来的驱动脉冲，经副边处理电路后，直接驱动功率开关管Qsw。当驱动变压器原、副边正相脉冲幅值超过一定值时，将会使需要驱动的功率开关管开通。

当由于故障或其它原因使来自控制电路的驱动脉冲关断，如图3中t0以后的时间段。则A点一直保持低电平相当于与原边地短接，C点电平一直使钳位开关Q1闭合(在关机情况下，C点电平使Q1保持闭合到输入电压降到很低，辅助电源消失，此时也就不必要考虑功率开关管Qsw是否会误开通)。在t0时刻，电容C1上电压左正右负，驱动变压器T1原边电压Vp为负(下正上负)，原边电流Ip从1脚流向2脚。原边电感Lp和电容C1开始谐振，谐振周期 $\mathrm{Tr}=2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{Lp}\·C1},$ 由于Lp和C1都很大，此谐振周期相对于驱动脉冲周期来说要大很多；到t1时刻，电容C1两端的电压谐振到零，即原边B点相对于原边参考地、副边D点相对于副边参考地的电压均为零，原边电感Lp电流Ip已经反相由2脚流向1脚。如果没有钳位电路D1、Q1的存在，谐振将使电容C1上的电压变为左负右正，驱动变压器原边电压Vp变为正，此电压将使后接的需要关断的功率开关管Qsw又错误开通，并且开通时间很长，引起输出电压波动或主变压器饱和。由于钳位电路起作用，Q1闭合，二极管D1将驱动变压器T1原边的最大正相电压Vp钳位在0.7V。此时原边电感Lp中的电流将通过二极管D1释放，不再对C1充电，又可以避免Lp和C1反复振荡。驱动变压器原边电压0.7V，副边电压也为0.7V(原副边匝比1∶1)，此电压不足以使后接功率开关管Qsw开通，从而避免了由于谐振而使需要关断的功率开关管错误开通的问题。

图4所示是本发明的第一种实现形式，如图4中虚线框300所示。将原理框图2中的钳位开关管Q1使用N型开关管：如N沟道MOS管、N型三极管等。N型开关管Q1在驱动电压为高时闭合，为低时关断。来自控制电路的驱动脉冲，一端直接到输入端口A，另一端通过反相器U1后到另一个输入端口C。所以C点是与A点完全反相。当A点为高电平时，C点为低电平，N型开关管Q1断开；当A点为低电平时，C点为高电平，N型开关管Q1闭合。其它电路的工作原理和过程，与图2完全相同。N型开关管Q1的驱动脉冲，直接由控制电路的驱动脉冲反相而来，比较方便。

图5所示是本发明的第二种实现形式，如图5中虚线框400所示。将原理框图2中的钳位开关管Q1使用P型开关管：如P型三极管、P型场效应管等。P型开关管Q1在驱动电压为低电平时闭合，为高电平时关断。来自控制电路的驱动脉冲，同时直接连接到输入端口A和输入端口C。所以C点波形是与A点波形完全相同。当来自控制电路的驱动脉冲为高电平时，A点和C点均为高电平时，P型开关管Q1断开；当来自控制电路的驱动脉冲为低电平时，A点和C点均为低电平时，P型开关管Q1闭合。其它电路的工作原理和过程，与图2完全相同。P型开关管Q1的驱动脉冲，直接由控制电路而来，特别方便。

图6所示是本发明应用于多路输出的实施例，如图6中虚线框500所示。驱动变压器T1副边输出有多个绕组S1…Sn(n≥2)，每个输出绕组后接副边处理电路后，可以用来同时驱动多个需要隔离的功率开关管Qsw1…Qswn(n≥2)。可以根据实际电路需要，调节驱动变压器T1的副边各绕组与原边的匝比和相位关系，这样在驱动变压器的副边输出D-D’，…E-E’就可以得到不同幅值、不同相位的驱动波形。

图7所示是本发明采用各种副边处理电路的实施例。从对原理框图2分析可知驱动变压器副边出来的是正负电压，如果驱动脉冲占空比比较大，则正脉冲的幅值就比较小，可能不足以开通功率开关管Qsw。如控制电路产生的一个幅值14V，占空比45％的驱动脉冲，在驱动变压器副边得到的驱动脉冲正相幅值就只有7.7V，正相占空比45％(驱动变压器匝比1∶1)。7.7V的驱动脉冲如果用来驱动高压大功率开关管Qsw，因为幅值低开通不彻底，会有比较大的损耗。在驱动变压器的副边添加一个自举电路(图中虚线框700内)，由电容C2和二极管D2组成。电容C2的一端连接驱动变压器副边第一端3脚，另一端与二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极连接在驱动变压器副边的第二端4脚。当驱动变压器T1的副边电压Vs为负时，二极管D2导通，电容C2上的电压左负右正，幅值为5.6V，即驱动变压器的副边负值6.3V减去二极管D2压降0.7V。当驱动变压器副边电压Vs为正时，二极管D2截止，D点电压(相对于二极管D2阳极)幅值为副边电压再叠加上电容C2上的电压，即13.3V。C2、D2相当于将驱动变压器副边负相电压叠加到正相电压上(减去一个二极管压降)，起到了自举作用。当来自控制电路的驱动脉冲关断时，钳位电路D1、Q1起作用，将驱动变压器原副边正相电压钳位在0.7V。相比于没有钳位电路的情况，可以很好地防止功率开关管Qsw误导通。

大功率开关管Qsw的栅—源(G-S)间节电容往往很大，如果没有放电电路，关断速度会很慢，会造成比较大的关断损耗。由三极管VT3和二极管D3组成放电电路(如图7中虚线框800所示)。三极管VT3的C、E直接连接在功率开关管Qsw的G、S端；二极管D3阳极与VT3的E极相连，阴极与VT3的B极相连。在驱动变压器副边电压Vs为正时，驱动电流由驱动变压器3脚、开关管Qsw的栅—源节电容、二极管D3流向变压器4脚，将开关管Qsw开通。此时由于二极管D3的电流由阳极流向阴极产生0.7V的压降，三极管VT3由于PN节反偏不开通，放电电路不起作用。当驱动脉冲为低电平时，副边电压Vs变为负值，Qsw栅-源节电容上的电压，通过驱动变压器副边，二极管D3形成回路。很小的电流由二极管D3的阴极流向阳极，使VT3的BE节正偏，VT3饱和开通。Qsw节电容上的电荷通过VT3的C-E快速释放，从而起到快速关断Qsw的作用。当来自控制电路的驱动脉冲关断时，钳位电路D1、Q1起作用，将驱动变压器原副边正相电压钳位在0.7V。可以很好地防止开关管Qsw误导通。

图7中的副边处理电路700、800可以同时使用，也可以单独使用，也可以不用。

使用了本发明的驱动电路，相比于以前的驱动电路，在驱动脉冲关断时，可以防止由于LC谐振而使驱动变压器原副边出现过高的正相电压，将最高电压钳位在0.7V，从而可以防止需要关断的功率开关管误导通。

Claims (7)

1、一种隔离驱动电路，包括：

产生驱动脉冲的控制电路；

一个原边绕组，一个或多个副边绕组的驱动变压器；

连接于控制电路驱动脉冲和驱动变压器原边绕组之间的隔直电容；

其特征在于还包括：

钳位电路，并联于驱动变压器的原边绕组；

钳位开关控制电路，所述控制电路的驱动脉冲经过钳位开关控制电路驱动钳位电路的开关。

2、如权利要求1所述隔离驱动电路，其特征在于：

所述钳位电路由钳位二极管、钳位开关管串联组成。

3、如权利要求1所述隔离驱动电路，其特征在于：

所述控制电路的驱动脉冲为高电平时，钳位开关控制电路驱动钳位电路断开；

所述控制电路的驱动脉冲为低电平时，钳位开关控制电路驱动钳位电路闭合。

4、如权利要求1或2或3所述隔离驱动电路，其特征在于：

所述钳位开关管为N型开关管，可以是N沟道MOS管、也可以是N型三极管；

所述钳位开关控制电路通过一反相器将控制电路的驱动脉冲与所述钳位电路中的钳位开关管相连。

5、如权利要求1或2或3所述隔离驱动电路，其特征在于：

所述钳位开关管为P型开关管，可以是P型三极管、也可以是P型场效应管；

所述钳位开关控制电路将控制电路的驱动脉冲直接与所述钳位电路中的钳位开关管相连。

6、如权利要求1或2或3所述隔离驱动电路，其特征在于还包括：

由电容、二极管组成的自举电路；

电容的一端连接驱动变压器副边绕组的一端，另一端与二极管的阴极相连，二极管的阳极连接在驱动变压器副边绕组另一端。

7、如权利要求1或2或3所述隔离驱动电路，其特征在于还包括：

由三极管、二极管组成的放电电路；

三极管的集电极、发射极直接连接在功率开关管的栅极、源极；

二极管阳极与三极管的发射极相连，阴极与三极管的基极相连。

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