CN204886740U - 一种全桥逆变硬开关驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种全桥逆变硬开关驱动电路，包括桥臂开通/关断触发脉冲产生电路、第一隔离变压器、第二隔离变压器以及桥臂驱动信号解调电路；本实用新型实现了从最初的前端电路产生的单路PWM信号到最终功率管驱动端驱动信号的变压器隔离传输。在信号的转换传输过程中，实现了死区时间的加入和设置、开通脉冲和关断脉冲的产生、在变压器副边侧驱动信号的解调复现以及异常保护。采用了变压器隔离方案，解决了大范围占空比变化时驱动电压偏移的弊端，该电路较简洁可靠的完成了全桥逆变的驱动。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种驱动电路，具体涉及一种实用的DC-AC全桥逆变硬开关驱动电路。
背景技术
随着开关电源行业的发展，对于交流测试电源的需求越来越大，要求交流测试电源输出响应更快，功率密度越来越高。当前交流测试电源的输出级通常采用DC-AC逆变全桥拓扑，其驱动电路是一个设计难点。由于安全要求，通常需要隔离驱动电路与主电路电气隔离。目前采用的大多是光耦合器隔离，由于光耦合器自身的局限性，其响应不够快，输出阻抗较高，不能用在开关频率太高的地方，而且一般采用双电源供电，增加了设计复杂度和不可靠因素。在交流测试电源中，其PWM波形的占空比变化范围很宽，如果采用常规的变压器隔离驱动方案，会在占空比较小和较大时在功率管驱动端产生较大的电压幅值，如附图1所示，不适用于驱动功率管，这限制了变压器隔离方案的适用范围。
发明内容
为了克服现有的变压器隔离驱动方案在传输较大或较小占空比信号时的弊端，本实用新型提供了一种全桥逆变硬开关驱动电路。针对上述问题，本实用新型采取的技术方案为：一种全桥逆变硬开关驱动电路，包括桥臂开通/关断触发脉冲产生电路、第一隔离变压器、第二隔离变压器以及桥臂驱动信号解调电路；所述开通/关断触发脉冲产生电路包括固定脉宽的脉冲产生电路及推挽型驱动电路，第一隔离变压器、第二隔离变压器的二次侧均设有第一次级线圈和第二次级线圈；前级PWM调制电路产生的PWM信号以及检测到电路异常时的保护信号，输入固定脉宽的脉冲产生电路，固定脉宽的脉冲产生电路输出的信号A、信号B、信号C、信号D分别经第一、第二、第三、第四推挽型驱动电路施加于第一隔离变压器初级线圈两端及第二隔离变压器初级线圈两端并耦合到四个次级线圈，第一隔离变压器的第一次级线圈两端、第一隔离变压器的第二次级线圈两端、第二隔离变压器的第一次级线圈两端、第二隔离变压器的第二次级线圈两端分别输出信号A1-B1、信号A2-B2、信号C1-D1、信号C2-D2，上述四组信号分别经四个桥臂驱动信号解调电路输入四个功率管提供驱动信号。电路异常的保护信号主要指：检测驱动电路的供电异常及功率输出短路异常。PWM信号经过桥臂开通/关断触发脉冲产生电路后，产生了用于驱动桥臂的脉宽固定的开通和关断触发脉冲，分别施加在隔离变压器的初级线圈的两端并耦合到次级线圈，然后输入桥臂驱动信号解调电路，经解调后的信号施加在桥臂的功率管驱动端产生互补且有死区时间的PWM驱动信号来控制功率管开关动作。保护信号有效时，可以在很短时间内同时关断上下桥臂进而关断输出进行可靠保护。
所述的固定脉宽的脉冲产生电路是这样的：PWM信号经第一双输入与非门接至死区时间设定电路，死区时间时间设定电路依次串接第一脉宽设定电路、第二脉宽设定电路，死区时间设定电路的输出信号及第一脉宽设定电路的输出信号共同接入第一双输入与非施密特触发器，第一双输入与非施密特触发器输出信号接至第三反相施密特触发器，第三反相施密特触发器的输出信号接入第三双输入与非门的一端，第三双输入与非门的另一端接入保护信号，第三双输入与非门输出信号A；第一脉宽设定电路的输出信号及第二脉宽设定电路的输出信号共同接入第二双输入与非施密特触发器，第二双输入与非施密特触发器的输出信号接入第二双输入与非门，第二双输入与非门的输出信号接入第四双输入与非门的一端，第四双输入与非门的另一端接入保护信号，第四双输入与非门输出信号C；第一双输入与非门的输出端接第三脉宽设定电路与第四脉宽设定电路的串联支路，第一双输入与非门的输出信号及第三脉宽设定电路的输出信号共同接入第三双输入与非施密特触发器，第三双输入与非施密特触发器输出信号B；第三脉宽设定电路的输出信号及第四脉宽设定电路的输出信号共同接入第四双输入与非施密特触发器，第四双输入与非施密特触发器输出信号D。该部分电路将原始PWM信号进行了处理和调制，首先将单路PWM信号处理成两路互补且加入死区时间的PWM信号，然后分别以两路互补PWM信号的上升沿和下降沿为基准产生了四路脉宽固定的信号。同现有的常见全桥硬开关驱动电路相比，正是由于产生了这四路固定脉宽的信号才能够实现使用隔离变压器进行传输占空比大范围变化的PWM信号，该部分电路是本实用新型的关键电路之一。
所述的第一推挽型驱动电路是这样的：包括一MOSFET反相驱动器、一PNP三极管、一NPN三极管及第二二极管、第三二极管；MOSFET反相驱动器的电源引脚接到系统供电电源，其地引脚接地；其输入端接信号A，其输出接至PNP三极管、NPN三极管的基极上，NPN三极管集电极接至系统供电电源，其发射极接PNP三极管的发射极，PNP三极管的集电极接地，且NPN三极管集电极与PNP三极管集电极间接有第二、第三二极管的串联支路，PNP三极管发射极与NPN三极管发射极的连接处引出第一推挽型驱动电路的输出端，经第三电容接至第一隔离变压器初级线圈的一端，第一隔离变压器初级线圈的另一端接至第二推挽型驱动电路的输出端，第二隔离变压器初级线圈的两端分别接至第三、第四推挽型驱动电路的输出端，第二、第三、第四推挽型驱动电路的结构同第一推挽型驱动电路。
该部分电路提高了PWM信号的驱动能力，满足了功率级功率管的上升沿和下降沿要求，降低了功率管的开关损耗。
为第一功率管提供驱动信号的桥臂驱动信号解调电路是这样的：包括第一PMOS管和第二PMOS管，其中第一PMOS管和第二PMOS管的源极分别接信号A1-B1，第一PMOS管和第二PMOS管的源极间接有第四电容和第三电阻的串联支路，第一PMOS管的栅极经第一稳压二极管接至第二PMOS管的源极，第一PMOS管的漏极经第四电阻接第一功率管的栅极，第一功率管的栅极经第二稳压二极管接至第二PMOS管的栅极，第二PMOS管的漏极接至第一功率管的漏极，并经第五电阻接第一功率管的栅极。为其他三个功率管提供驱动信号的桥臂驱动信号解调电路结构同上述桥臂驱动信号解调电路相同，在此不再赘述。
该电路实现了PWM驱动信号的解调，复原了PWM信号。同现有技术相比，该电路同时大大提高了功率管的栅极抗扰度。该部分是实现本实用新型功能的另一个关键电路。
所述的死区时间设定电路包括第一电阻、第一电容及第一反相施密特触发器，第一电阻一端接至第一双输入与非门的输出端，另一端经第一电容接地，第一电阻另一端同时接至第一反相施密特触发器的输入端。
该电路实现了在功率级桥式电路的同一侧桥臂的的互补驱动信号中加入死区时间。
所述的第一脉宽设定电路包括第二电阻、第二电容、第一二极管及第二反相施密特触发器，第二电阻一端接至第一反相施密特触发器的输出端，另一端经第二电容接地，第二电阻两端并联有第一二极管，第二电阻另一端同时接至第二反相施密特触发器的输入端。第二、第三、第四脉宽设定电路同第一脉宽设定电路，在此不再赘述。
该部分电路实现了PWM信号边沿信号的捕捉及产生以边沿为基准的固定脉宽的信号。
本实用新型实现了从最初的前端电路产生的单路PWM信号到最终功率管驱动端驱动信号的变压器隔离传输。在信号的转换传输过程中，实现了死区时间的加入和设置、开通脉冲和关断脉冲的产生、在变压器副边侧驱动信号的解调复现以及异常保护。采用了变压器隔离方案，解决了大范围占空比变化时驱动电压偏移的弊端，该电路较简洁可靠的完成了全桥逆变的驱动。
附图说明
图1现有的变压器隔离方案在传输大占空比信号时次级信号波形示意图；
图2为本实用新型电路原理框图；
图3为固定脉宽的脉冲产生电路的电路原理图；
图4为推挽型驱动电路的电路原理图；
图5为桥臂驱动信号解调电路的电路原理图；
图6为本实用新型关键信号波形示意图；
具体实施方式
一种全桥逆变硬开关驱动电路，如图2所示，包括桥臂开通/关断触发脉冲产生电路、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2以及桥臂驱动信号解调电路；所述开通/关断触发脉冲产生电路包括固定脉宽的脉冲产生电路及推挽型驱动电路，第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2的二次侧均设有第一次级线圈和第二次级线圈；前级PWM调制电路产生的PWM信号以及检测到电路异常时的保护信号，输入固定脉宽的脉冲产生电路，固定脉宽的脉冲产生电路输出的信号A、信号B、信号C、信号D分别经第一、第二、第三、第四推挽型驱动电路施加于第一隔离变压器初级线圈两端及第二隔离变压器初级线圈两端并耦合到四个次级线圈，第一隔离变压器T1的第一次级线圈两端、第一隔离变压器T1的第二次级线圈两端、第二隔离变压器T2的第一次级线圈两端、第二隔离变压器T2的第二次级线圈两端分别输出信号A1-B1、信号A2-B2、信号C1-D1、信号C2-D2，上述四组信号分别经四个桥臂驱动信号解调电路输入四个功率管M1、M4、M2、M3提供驱动信号。
如图3所示，所述的固定脉宽的脉冲产生电路是这样的：PWM信号经第一双输入与非门U3A接至死区时间设定电路，死区时间时间设定电路依次串接第一脉宽设定电路、第二脉宽设定电路，死区时间设定电路的输出信号及第一脉宽设定电路的输出信号共同接入第一双输入与非施密特触发器U1A，第一双输入与非施密特触发器U1A输出信号接至第三反相施密特触发器U2C，第三反相施密特触发器U2C的输出信号接入第三双输入与非门U3C的一端，第三双输入与非门U3C的另一端接入保护信号，第三双输入与非门U3C输出信号A；第一脉宽设定电路的输出信号及第二脉宽设定电路的输出信号共同接入第二双输入与非施密特触发器U1B，第二双输入与非施密特触发器U1B的输出信号接入第二双输入与非门U3B，第二双输入与非门U3B的输出信号接入第四双输入与非门U3D的一端，第四双输入与非门U3D的另一端接入保护信号，第四双输入与非门U3D输出信号C；第一双输入与非门U3A的输出端接第三脉宽设定电路与第四脉宽设定电路的串联支路，第一双输入与非门U3A的输出信号及第三脉宽设定电路的输出信号共同接入第三双输入与非施密特触发器U1C，第三双输入与非施密特触发器U1C输出信号B；第三脉宽设定电路的输出信号及第四脉宽设定电路的输出信号共同接入第四双输入与非施密特触发器U1D，第四双输入与非施密特触发器U1D输出信号D。所述的死区时间设定电路包括第一电阻R1、第一电容C1及第一反相施密特触发器U2A，第一电阻R1一端接至第一双输入与非门U3A的输出端，另一端经第一电容C1接地，第一电阻R1另一端同时接至第一反相施密特触发器U2A的输入端。
所述的第一脉宽设定电路包括第二电阻R2、第二电容C2、第一二极管D1及第二反相施密特触发器U2B，第二电阻R2一端接至第一反相施密特触发器U2A的输出端，另一端经第二电容C2接地，第二电阻R2两端并联有第一二极管D1，第二电阻R2另一端同时接至第二反相施密特触发器U2B的输入端。
如图4所示，所述的第一推挽型驱动电路是这样的：包括一MOSFET反相驱动器U4、一PNP三极管Q2、一NPN三极管Q1及第二二极管D2、第三二极管D3；MOSFET反相驱动器(U4)的电源引脚接到系统供电电源VCC，其地引脚接地GND；其输入端接信号A，其输出接至PNP三极管Q2、NPN三极管Q1的基极上，NPN三极管Q1集电极接至系统供电电源VCC，其发射极接PNP三极管Q2的发射极，PNP三极管Q2的集电极接地GND，且NPN三极管Q1集电极与PNP三极管Q2集电极间接有第二、第三二极管D2、D3的串联支路，PNP三极管Q2发射极与NPN三极管Q1发射极的连接处引出第一推挽型驱动电路的输出端，经第三电容C3接至第一隔离变压器T1初级线圈的一端，第一隔离变压器T1初级线圈的另一端接至第二推挽型驱动电路的输出端，第二隔离变压器T2初级线圈的两端分别接至第三、第四推挽型驱动电路的输出端，第二、第三、第四推挽型驱动电路的结构同第一推挽型驱动电路。
如图5所示，为第一功率管M1提供驱动信号的桥臂驱动信号解调电路是这样的：包括第一PMOS管Q3和第二PMOS管Q4，其中第一PMOS管Q3和第二PMOS管Q4的源极分别接信号A1-B1，第一PMOS管Q3和第二PMOS管Q4的源极间接有第四电容C4和第三电阻R3的串联支路，第一PMOS管Q3的栅极经第一稳压二极管D4接至第二PMOS管Q4的源极，第一PMOS管Q3的漏极经第四电阻R4接第一功率管M1的栅极，第一功率管M1的栅极经第二稳压二极管R5接至第二PMOS管Q4的栅极，第二PMOS管Q4的漏极接至第一功率管M1的漏极，并经第五电阻R5接第一功率管M1的栅极。
Claims (6)
1.一种全桥逆变硬开关驱动电路，其特征在于：包括桥臂开通/关断触发脉冲产生电路、第一隔离变压器(T1)、第二隔离变压器(T2)以及桥臂驱动信号解调电路；所述开通/关断触发脉冲产生电路包括固定脉宽的脉冲产生电路及推挽型驱动电路，第一隔离变压器(T1)、第二隔离变压器(T2)的二次侧均设有第一次级线圈和第二次级线圈；前级PWM调制电路产生的PWM信号以及检测到电路异常时的保护信号，输入固定脉宽的脉冲产生电路，固定脉宽的脉冲产生电路输出的信号A、信号B、信号C、信号D分别经第一、第二、第三、第四推挽型驱动电路施加于第一隔离变压器初级线圈两端及第二隔离变压器初级线圈两端并耦合到四个次级线圈，第一隔离变压器(T1)的第一次级线圈两端、第一隔离变压器(T1)的第二次级线圈两端、第二隔离变压器(T2)的第一次级线圈两端、第二隔离变压器(T2)的第二次级线圈两端分别输出信号A1-B1、信号A2-B2、信号C1-D1、信号C2-D2，上述四组信号分别经四个桥臂驱动信号解调电路输入四个功率管(M1、M4、M2、M3)提供驱动信号。
2.根据权利要求1所述的全桥逆变硬开关驱动电路，其特征在于：所述的固定脉宽的脉冲产生电路是这样的：PWM信号经第一双输入与非门(U3A)接至死区时间设定电路，死区时间时间设定电路依次串接第一脉宽设定电路、第二脉宽设定电路，死区时间设定电路的输出信号及第一脉宽设定电路的输出信号共同接入第一双输入与非施密特触发器(U1A)，第一双输入与非施密特触发器(U1A)输出信号接至第三反相施密特触发器(U2C)，第三反相施密特触发器(U2C)的输出信号接入第三双输入与非门(U3C)的一端，第三双输入与非门(U3C)的另一端接入保护信号，第三双输入与非门(U3C)输出信号A；第一脉宽设定电路的输出信号及第二脉宽设定电路的输出信号共同接入第二双输入与非施密特触发器(U1B)，第二双输入与非施密特触发器(U1B)的输出信号接入第二双输入与非门(U3B)，第二双输入与非门(U3B)的输出信号接入第四双输入与非门(U3D)的一端，第四双输入与非门(U3D)的另一端接入保护信号，第四双输入与非门(U3D)输出信号C；第一双输入与非门(U3A)的输出端接第三脉宽设定电路与第四脉宽设定电路的串联支路，第一双输入与非门(U3A)的输出信号及第三脉宽设定电路的输出信号共同接入第三双输入与非施密特触发器(U1C)，第三双输入与非施密特触发器(U1C)输出信号B；第三脉宽设定电路的输出信号及第四脉宽设定电路的输出信号共同接入第四双输入与非施密特触发器(U1D)，第四双输入与非施密特触发器(U1D)输出信号D。
3.根据权利要求1所述的全桥逆变硬开关驱动电路，其特征在于：所述的第一推挽型驱动电路是这样的：包括一MOSFET反相驱动器(U4)、一PNP三极管(Q2)、一NPN三极管(Q1)及第二二极管(D2)、第三二极管(D3)；MOSFET反相驱动器(U4)的电源引脚接到系统供电电源(VCC)，其地引脚接地(GND)；其输入端接信号A，其输出接至PNP三极管(Q2)、NPN三极管(Q1)的基极上，NPN三极管(Q1)集电极接至系统供电电源(VCC)，其发射极接PNP三极管(Q2)的发射极，PNP三极管(Q2)的集电极接地(GND)，且NPN三极管(Q1)集电极与PNP三极管(Q2)集电极间接有第二、第三二极管(D2、D3)的串联支路，PNP三极管(Q2)发射极与NPN三极管(Q1)发射极的连接处引出第一推挽型驱动电路的输出端，经第三电容(C3)接至第一隔离变压器(T1)初级线圈的一端，第一隔离变压器(T1)初级线圈的另一端接至第二推挽型驱动电路的输出端，第二隔离变压器(T2)初级线圈的两端分别接至第三、第四推挽型驱动电路的输出端，第二、第三、第四推挽型驱动电路的结构同第一推挽型驱动电路。
4.根据权利要求1所述的全桥逆变硬开关驱动电路，其特征在于：为第一功率管(M1)提供驱动信号的桥臂驱动信号解调电路是这样的：包括第一PMOS管(Q3)和第二PMOS管(Q4)，其中第一PMOS管(Q3)和第二PMOS管(Q4)的源极分别接信号A1-B1，第一PMOS管(Q3)和第二PMOS管(Q4)的源极间接有第四电容(C4)和第三电阻(R3)的串联支路，第一PMOS管(Q3)的栅极经第一稳压二极管(D4)接至第二PMOS管(Q4)的源极，第一PMOS管(Q3)的漏极经第四电阻(R4)接第一功率管(M1)的栅极，第一功率管(M1)的栅极经第二稳压二极管(R5)接至第二PMOS管(Q4)的栅极，第二PMOS管(Q4)的漏极接至第一功率管(M1)的漏极，并经第五电阻(R5)接第一功率管(M1)的栅极。
5.根据权利要求2所述的全桥逆变硬开关驱动电路，其特征在于：所述的死区时间设定电路包括第一电阻(R1)、第一电容(C1)及第一反相施密特触发器(U2A)，第一电阻(R1)一端接至第一双输入与非门(U3A)的输出端，另一端经第一电容(C1)接地，第一电阻(R1)另一端同时接至第一反相施密特触发器(U2A)的输入端。
6.根据权利要求5所述的全桥逆变硬开关驱动电路，其特征在于：所述的第一脉宽设定电路包括第二电阻(R2)、第二电容(C2)、第一二极管(D1)及第二反相施密特触发器(U2B)，第二电阻(R2)一端接至第一反相施密特触发器(U2A)的输出端，另一端经第二电容(C2)接地，第二电阻(R2)两端并联有第一二极管(D1)，第二电阻(R2)另一端同时接至第二反相施密特触发器(U2B)的输入端。
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