CN205725509U - 一种浮置栅极驱动电源的隔离电源电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种浮置栅极驱动电源的隔离电源电路，为逆变器的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和双扩散金属氧化物半导体(DMOS)晶体管的栅极驱动电源提供隔离电源。驱动电路给接收一个控制电压的隔离栅极驱动电源提供电源，并在响应于该控制电压，使用来自驱动电路的功率输出耦合到隔离栅双极型晶体管的栅极控制信号。该驱动电路包括耦接于电源电压、耦接于启动电路及谐振电路的整流电路，以及具有逻辑输出的功率信号，以及在一个共同节点上隔离栅极驱动电路。根据本实用新型的一个电路，给IGBT和DMOS晶体管的栅极驱动电源提供一个简单、有效和经济的隔离电源，如那些使用于电机的逆变器，不间断电源系统，和其他设备所使用的逆变器。绝缘栅极的电位相对于地是浮动。

Description

一种浮置栅极驱动电源的隔离电源电路

技术领域

本实用新型涉及电源领域，具体是一种使用于隔离栅极驱动电源的电源驱动电路。

背景技术

栅极驱动电源是一个接口电路用于提供控制电压(及此产生的电流)给双金属氧化物半导体(DMOS)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件用来驱动电机和其他设备。在操作期间，该栅极驱动电源的输入可以被一个逻辑电平信号或其他一些低电平信号带动。一个隔离栅极驱动电源是一种特殊的栅极驱动电源，就是输入与输出之间被隔离的，除此之外电路具有典型的栅极驱动电源的特性。

隔离栅极驱动电源普遍需要隔离电源。当电机驱动电路使用栅极驱动电源时，每一个IGBT都要使用一个隔离电源，加起来共六个之多。这种多个电源的设计方案电路复杂高，因而增加了设计困难和生产成本，降低了电路的可靠性和产品寿命。每个隔离电源电路的布线节点常带有高速切换信号会如天线一样造成射频干扰(RFI)，不利于在驱动电路附近的内部电路和射频接收的正常工作。之前提议有两个解决方案，一个使用直流到直流(DC/DC)转换器，另一个使用电荷泵。该直流到直流转换器具有较高的效率(90％-80％转换效率)，但它相对体积大、复杂和成本价格昂贵。而电荷泵相对简单和经济，但是转换效率低，只有40％。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高转换率的浮置栅极驱动电源的隔离电源电路，以解决上述背景技术中指出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种浮置栅极驱动电源的隔离电源电路，包括电压源V1、电压源V2、控制电压V3、隔离式栅极驱动电源IC1和隔离式栅极驱动电源IC2。所述电压源V1正极分别连接二极管D2负极、电阻R10、电感L14和三极管VT1集电极，电感L14另一端连接电容C3，电 容C3另一端分别连接电阻R10另一端、二极管D11负极和二极管D12正极，二极管D12负极分别连接隔离式栅极驱动电源IC1的VCC端和电容C13，隔离式栅极驱动电源IC1的INP端通过电阻R5连接到控制电压V3正极，控制电压V3负极连接隔离式栅极驱动电源IC1的INN端并接地，隔离式栅极驱动电源IC1的OUT端连接三极管VT1基极，隔离式栅极驱动电源IC1的COM端分别连接电容C13另一端、二极管D11正极、三极管VT1发射极、电阻R9、电感L15、三极管VT2集电极、二极管D2正极、电感L1和二极管D4负极，电感L1另一端连接接地电阻R1，二极管D4正极分别连接电压源V2负极、三极管VT2发射极、二极管D13正极、电容C6和隔离式栅极驱动电源IC1的COM端，电压源V2正极连接电压源V1负极并接地，所述隔离式栅极驱动电源IC1的OUT端连接三极管VT2基极，隔离式栅极驱动电源IC1的VCC端分别连接二极管D14负极和电容C6另一端，二极管D14正极分别连接电阻R9另一端、二极管D13负极和电容C5，电容C5另一端连接电感L15另一端。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：根据本实用新型的一个电路，给IGBT和DMOS晶体管的栅极驱动电源提供一个简单、有效、和经济的隔离电源，如那些使用于电机的逆变器，不间断电源系统，和其他设备所使用的逆变器。

附图说明

图1为根据本实用新型用于驱动电机的三个功率控制电路的框图；

图2为图1中的一个功率控制电路框图；

图3为图2的功率控制电路的详细示意图；

图4为显示来自在操作图3该功率控制电路上的信号波形在不同的节点上的定时图；

图5为本实用新型的另一实施例的一个整流电路的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1～5，本实用新型实施例中，一种浮置栅极驱动电源的隔离电源电路，包括电压源V1、电压源V2、控制电压V3、隔离栅极驱动电源IC1和隔离栅极驱动电源IC2，所述电压源V1正极分别连接二极管D2负极、电阻R10、电感L14和三极管VT1集电极，电感L14另一端连接电容C3，电容C3另一端分别连接到电阻R10另一端、二极管D11负极和二极管D12正极，二极管D12负极分别连接隔离栅极驱动电源IC1的VCC端和电容C13，隔离栅极驱动电源IC1的INP端通过电阻R5连接电压源V3正极，电压源V3负极连接隔离栅极驱动电源IC1的INN端并接地，隔离栅极驱动电源IC1的OUT端连接三极管VT1基极，隔离栅极驱动电源IC1的COM端分别连接电容C13另一端、二极管D11正极、三极管VT1发射极、电阻R9、电感L15、三极管VT2集电极、二极管D2正极、电感L1和二极管D4负极，电感L1另一端连接接地电阻R1，二极管D4正极分别连接电压源V2负极、三极管VT2发射极、二极管D13正极、电容C6和隔离栅极驱动电源IC1的COM端，电压源V2正极连接电压源V1负极并接地，所述隔离栅极驱动电源IC1的OUT端连接三极管VT2基极，隔离栅极驱动电源IC1的VCC端分别连接二极管D14负极和电容C6另一端，二极管D14正极分别连接电阻R9另一端、二极管D13负极和电容C5，电容C5另一端连接电感L15另一端。

根据本实用新型的一个电路，为IGBT和DMOS晶体管的栅极驱动电源提供了一个简单、高效、和经济的隔离电源，如那些电机驱动电源(VSD)，不间断电源系统(UPS)，和其他设备所使用的逆变器。隔离栅极的电源相对于地是浮动(即它在栅极驱动电源的控制输入口是独立的电位，它可以连接到一个微控制器或单片机)。

本实用新型的工作原理是：请参阅图1～5，

图1显示了根据本实用新型用于驱动电机构建的三个功率控制电路(1，2，3)，这个功率控制电路包含下面进一步详细描述的本实用新型的具体体现。

这功率控制电路从一个马达控制器(未示出)接收输入(1，2，3)，并产生多个输 出去驱动各个电机器件元素。

图2显示出的图1的功率控制电路1的详细视图。由于功率控制电路2和3与功率控制电路1类似，不再对其重复作详细的讨论和分析。功率控制电路1在输入1端接收两个控制信号(CTL1和CTL 2)。该控制信号是耦合到两个绝缘的栅极驱动(IGD)220和222。根据本实用新型的构造，这两个IGD被耦合到两个驱动电路(224和226)。两个绝缘栅双极晶体管(228和230)被耦合到两个驱动(224和226)和隔离栅极驱动电源(220和222)，以产生一个输出232，其可以耦合到负载，例如在图1的这个马达上的一个器件元素。

图3是图2中的功率控制电路1的示意图。这个电路1使用“谐振转换器”原理，是一个既简单又经济和高效率的转换解决方案。更好的是，该电路1包含的一个上层电路102和一个下层电路104都是由同等值的元器件组成，既是上层电路和下层电路是一致的。在这种情况下，只需要详细说明这两个电路的其中一个。在电路1中，电阻R10，电感器L14，电容器C13，二极管dp1a12，二极管dp1a11和电容C3为一个上层栅极驱动电源108提供电源；而电阻器R9，电感器L15，电容器C6，二极管dp1a13，二极管dp1a14和电容C5为下层栅极驱动电源130提供电源。

这个上层电路102包括一个控制电压106，一个上层栅极驱动电路108，启动电路110，一个谐振转换器112和一个整流电路114。栅极驱动108的输出116是耦合到IGBT 118。上层电路102经由一个正极电源轨122耦合到第一个供电电源120，同时下层电路104是经由在IGBT128的一个负极电源轨126耦合到第二个供电电源124。这个控制电压106既是图2中提出的CTL1电压，其可以从单片机或其他电路衍生。

这个控制电压106可被调整到有可选性的脉冲宽度(即接通时间和关闭时间)，使电路(在节点5)的输出可以通过控制来选择开关时间。控制电压106和控制电压107可以通过调节使得上层电路102和下层电路104交替开关的时间不出现重叠，从而允许输出去模拟输入。这两个控制电压(106，107)只有几伏的电压电平，而在节点5的输出会是一个有相似波形但相对高得多的电压电平。

电路1可以根据一个启动状态和一个稳态来描述。在启动时，栅极驱动108的电源是由启动电路110的电阻器R10供给。在启动后，谐振变换器112接管并会提供高于启动电源的电源。这个栅极驱动108在启动时需要较少的电源，在稳定(运行)状态需要较大的电源。多个IGBTs(118，128)开始切换后，从来自控制电压的输入他们会在节点5产生一个方波。IGBT1 118两端的电压相当于正轨102(+170伏)和节点5之间的电压差。方波在节点5的振幅是340伏，并也是谐振转换器112的输入。当电压从0伏切换到340伏时，电流将通过电感L14，电容C3，二极管dp1a12将C13充电至正极电压。该上述电流将会将C3的正极端充电到340伏以上。在此刻，电流会开始反向流动。在同一时间，电流环路通过二极管dp1a11会关闭。在接下来的半个周期中，通过二极管dp1a11电流再次逆转，再次给C13充电。这种振荡将会持续，直到在串联谐振转换器112(L14，C3)的能量被转移到C13。

切换IGBT 118的功率与开关频率成正比，并且谐振转换器112传送的功率也是和开关频率成正比的。多个谐振转换器，比如谐振转换器112，都是由带有短升降时间的脉冲波形(在一种情况下脉冲波形为方波)驱动。电流会流过串联LC网络(L14，C3)和驱动信号在每一次转变中的负荷。这个电路在其共振的自然频率比脉冲频率高。由于能量转移发生在切换时，输出的功率与频率成正比。这使得在电源的需求和供给之间提供了理想的跟踪。

图4显示的是与图3中的电路运作相关的信号波形。图4中的信号波形显示了图3中不同节点的电压振幅与时间(微秒单位)绘制的。例如，波形202显示了在节点7和节点5之间的电压，波形204显示了在节点8上的电压，波形206显示了在节点10和节点9之间的电压，波形208显示了在节点11和节点5之间的电压，波形210显示了在节点6和节点5之间的电压，以及波形212显示了在节点5上的电压。波形212是相似于控制电压106的波形，但是控制电压的电平都是很低(0-15伏)。

图5显示整流器电路114的另一个实施例，在有必要的情况下或许能用于提供负极驱动。为了清楚起见，在图5中只复述了图3中部分相关的示意图。

在整流器电路114中，二极管dp1a11不返回到公共节点(5)，反而是耦合到另一个电容C300。这个电容器C300的另一端耦合到公共节点5上。因此，如显示在图5中的负节点Vss被产生了。一个齐纳二极管Z302也被耦合在公共节点5与Vss之间。因此，一个栅极驱动电源108也被连接到Vss。其结果是，栅极驱动电源的输出116可以提供正反两级控制电压。在一个实施例中，齐纳二极管可具有在约6至8伏范围的击穿电压。

本实用新型给电源提供一个低成本的电路可避免过多和复杂的线路，并可置其于栅极驱动电源和IGBT的连接处。对于那些掌握了一定技能的人士来说，在不脱离本实用新型的范围的情况下,对上述的方法和实施例进行修改或更改是有可能发生。因此，此处的披露和描述旨在示例而不限制本实用新型的范围提出以下的声明。

本实用新型声明是：

1。一种驱动电路，用于向隔离栅极驱动电源提供电源，其中隔离栅极驱动电源接收一个控制电压，并且在响应于此控制电压时，使用来自驱动电路的功率输出连接到隔离栅双极晶体管(IGBT)的栅极控制信号，该驱动电路包括：

一个启动电路耦合到电源电压；

一个谐振电路耦合于启动电路和电源电压；

一个整流电路耦接于启动电路和谐振电路，并具有逻辑输出耦接于隔离栅极驱动的功率信号，整流器也耦接于隔离栅极驱动电源和一个共同节点上的隔离栅双极晶体管，其中整流器构成谐振电路和公共节点之间的双向电流路径。

2。声明1的驱动电路，其中的启动电路是一个电阻器，具有一个与电源电压和一个二端耦合到的谐振电路和整流电路的第一端子的电阻器。

3。声明1的驱动电路，其中所述谐振电路包括：

一个电感耦合到电源电压；

一种电容耦合到电感、启动电路和整流电路。

4。声明1的驱动电路，其中所述整流电路包括：

第一个二极管的第一个阴极耦合到启动电路和谐振电路，并该二级管的第一阳极耦合到一个公共节点；

第二个二极管的阳极耦合到启动电路、谐振电路和第一个二极管的第一个阴极，该第二个二极管的第二个阴极耦合到一个电源节点，用于向隔离栅极驱动电源提供电源；

一个电容器的第一端连接到该电源节点和第二端连接到该公共节点。

5。一种驱动电路，用于向隔离栅极驱动电源提供电源，其中隔离栅极驱动电源接收控制电压，并且在响应于控制电压时，使用来自驱动电路的功率输出连接到隔离栅双极晶体管的栅极控制信号，该驱动电路包括：

第一个启动电路耦合到电源电压；

第一个谐振电路耦合到启动电路和电源电压；

第一个整流电路耦合到启动电路和谐振电路，并具有逻辑输出一个耦合到隔离栅极驱动的功率信号，该整流器还耦合到一个公共节点的隔离栅极驱动电源，其中整流器包括：

第一个二极管的第一个阴极耦合到启动电路和谐振电路，并该二级管的第一阳极耦合到一个公共节点；

第一个电容器耦合在第一个阴极端与公共节点的中间。

第二个二极管的阳极耦合到启动电路、谐振电路和第一个二极管第一个阴极，该第二个二极管的第二个阴极耦合到一个电源节点，用于向隔离栅极驱动电源提供电源；

第二个电容器的第一端耦合在第二个阳极与电源节点，并第二端耦合到公共节点。

第一个齐纳二极管耦合在公共节点和第一阳极之间，其中耦合到第一阳极创建一个Vss节点也是耦合到隔离式栅极驱动电源。

6。驱动电路的声明5，其中隔离栅双极型晶体管给DMOS晶体管取代。

7。驱动电路的声明1，其中隔离栅双极型晶体管给DMOS晶体管取代。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种浮置栅极驱动电源的隔离电源电路，包括电压源V1、电压源V2、控制电压V3、隔离式栅极驱动电源IC1和隔离式栅极驱动电源IC2，其特征在于，所述电压源V1正极分别连接二极管D2负极、电阻R10、R L14和三极管VT1集电极，电感L14另一端连接电容C3，电容C3另一端分别连接电阻R10另一端、二极管D11负极和二极管D12正极，二极管D12负极分别连接隔离式栅极驱动电源IC1的VCC端和电容C13，隔离式栅极驱动电源IC1的INP端通过电阻R5连接控制电压V3正极，控制电压V3负极连接隔离式栅极驱动电源IC1的INN端并接地，隔离式栅极驱动电源IC1的OUT端连接三极管VT1基极，隔离式栅极驱动电源IC1的COM端分别连接电容C13另一端、二极管D11正极、三极管VT1发射极、电阻R9、电感L15、三极管VT2集电极、二极管D2正极、电感L1和二极管D4负极，电感L1另一端连接接地电阻R1；二极管D4正极分别连接电压源V2负极、三极管VT2发射极、二极管D13正极、电容C6和隔离式栅极驱动电源IC1的COM端，电压源V2正极连接电压源V1负极并接地，所述隔离式栅极驱动电源IC1的OUT端连接三极管VT2基极，隔离式栅极驱动电源IC1的VCC端分别连接二极管D14负极和电容c6另一端，二极管D14正极分别连接电阻r9另一端、二极管D13负极和电容C5，电容C5另一端连接电感L15另一端。