CN210157172U - 一种电容隔离驱动电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电容隔离驱动电路，包括第一电容C1、第二电容C2、第一三极管VT1、第二三极管VT2、功率开关管Q1、电阻R1和直流供电端VCC_1。将图腾柱结构移到现有电容隔离驱动电路的副边电路，利用三极管输入电容较小的特征，通过功率开关管Q1输入电容与第一三极管VT1输入电容串联，实现功率开关管Q1输入电容端电压的抬升；同时还在驱动控制系统输出的信号为低电平时，利用第二三极管VT2集电结将第一三极管VT1的基极电压钳位在‑0.7V左右，从而实现对功率开关管Q1输入电容端电压的钳位，省去钳位二极管。该实用新型可实现开关电源驱动电路的有效隔离，相比现有的电容隔离驱动电路成本更低、结构更简单、体积更小。

Description

一种电容隔离驱动电路

技术领域

本实用新型属于功率开关管驱动领域，涉及一种电容隔离驱动电路。

背景技术

如图1为现有的电容隔离驱动电路的示意图，包括第一电容C1、第二电容C2、二极管 D1、第一三极管VT1、第二三极管VT2、功率开关管Q1、电阻R1、直流供电端VCC_2、驱动控制系统和主功率电路。

第一三极管VT1的基极和第二三极管VT2的基极连接在一起，并与驱动控制系统的输出端相连接；第一三极管VT1的发射极和第二三极管VT1的发射极连接在一起，并与第一电容C1的负极相连；第一三极管的集电极与直流供电端VCC_2的正极相连，第二三极管的集电极与第二电容C2的正极相连；第二电容C2的正极与驱动控制系统的地GND_in相连，第二电容C2的负极与地GND_0相连；二极管D1的阳极与第二电容C2的负极相连，二极管D1的阴极与第一电容C1的正极相连；第一电容C1的正极与与功率开关管Q1的栅极相连；电阻R1的一端与功率开关管Q1的栅极相连，电阻R1的另一端与功率开关管Q1的源极相连；功率开关管Q1的源极与地GND_0相连，功率开关管Q1的漏极与主功率电路相连。

第一三极管VT1(NPN型三极管)与第二三极管(PNP型三极管)VT2的两基极连接在一起，第一三极管VT1(NPN型三极管)与第二三极管(PNP型三极管)VT2的两发射极连接在一起，第一三极管(NPN型三极管)的集电极与直流供电端的正极相连，第二三极管(PNP 型三极管)的集电极与地相连，此结构在开关电源电路中被称为图腾柱结构。

第一电容C1负极与第二电容C2正极之间电路为该电路的原边电路，第一电容C1正极与第二电容C2负极之间电路为该电路的副边电路，直流供电端VCC_2的参考地与原边电路的参考地为同一个地。

当驱动控制系统输出高电平时，第一三极管VT1和第二三极管VT2的结电容、第一电容C1、功率开关管Q1的输入电容、第二电容C2形成串联分压回路；设定驱动控制系统输出信号的幅值为V_in，第一三极管VT1发射结导通时的电压为V_be1(约为0.7V)，第一电容 C1的端电压为V_C1，第二电容C2的端电压为V_C2，功率开关管Q1输入电容为C_GS，功率开关管Q1输入电容的端电压为V_GS，则驱动控制系统信号为高电平时功率开关管Q1工作端电压幅值为V_GS＝V_in－V_be1－V_C1－V_C2。

图1所示电路存在的问题为：

当功率开关管Q1的输入电容很大时，由电容串联分压可知，若第一电容C1和第二电容 C2的容值较小(第一电容C1和第二电容C2的容值小于功率开关管Q1输入电容的10倍)，功率开关管Q1工作端电压幅值就不理想，可能不能驱动功率开关管Q1或者驱动功率开关管 Q1不理想(导通电阻较大，造成功率开关管通态损耗和开关损耗增大)；

当功率开关管Q1工作端电压幅值为理想状态，驱动输入电容较大的功率开关管Q1(如额定电流较大的MOS管、IGBT)时，需要很大容值的第一电容C1和第二电容C2，而同样的耐压条件下，电容的容值越大，体积就会越大，成本也会越高。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决现有电容隔离驱动电路所存在的不足，实现功率开关管工作端电压幅值为理想状态并降低成本。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种电容隔离驱动电路，用于开关电源中驱动控制系统与功率开关管之间的隔离传输控制，其特征在于：包括第一电容C1、第二电容C2、第一三极管VT1、第二三极管VT2、功率开关管Q1、电阻R1和直流供电端VCC_1；

第一三极管VT1的集电极与直流供电端VCC_1相连，作为电容隔离驱动电路的供电端；第一电容C1的负极连接驱动控制系统的输出端，作为所述电容隔离驱动电路的输入端；第一三极管VT1的基极和第二三极管VT2的基极相连接，两基极的连接点与第一电容C1的正极相连接；第一三极管VT1的发射极和第二三极管VT2的发射极相连接，作为电容隔离驱动电路的输出端，两发射极的连接点与功率开关管Q1的栅极相连；第二电容C2的正极与驱动控制系统的地GND_in相连，电阻R1的两端分别与功率开关管Q1的栅极和源极相连；第二三极管VT2的集电极、第二电容C2的负极和功率开关管Q1的源极与地GND_0相连。

优选地，第一电容C1和第二电容C2为贴片陶瓷电容。

优选地，第一三极管VT1和第二三极管VT2为输入电容值是10pF～1nF的MOS管。

本实用新型所提的方案，其工作原理在具体实施例中进行详细说明，综合本实用新型的工作原理，本实用新型克服了现有技术中电容隔离驱动电路的不足，其有益效果为：

(1)当功率开关管的输入电容很大时，功率开关管工作端电压幅值较理想；

(2)当功率开关管工作端电压幅值为理想状态时，减小电容体积、降低成本。

附图说明

图1为现有技术的电容隔离驱动电路的原理图；

图2为本实用新型实施例电容隔离驱动电路的电路原理图；

图3为本实用新型实施例正常工作时稳态电路波形图。

具体实施方式

本实用新型的发明构思为：将现有的电容隔离驱动电路中的图腾柱结构移到电容隔离驱动电路的副边电路，利用三极管的输入电容较小的特征，通过功率开关管输入电容与第一三极管输入电容串联，实现功率开关管输入电容端电压的抬升；同时还在驱动控制系统输出的信号为低电平时，利用第二三极管集电结将第一三极管的基极电压钳位在-0.7V左右(第二三极管集电结的导通压降)，从而实现对功率开关管输入电容端电压的钳位，无需额外设置钳位二极管。

图2为本实用新型实施例电容隔离驱动电路的电路原理图，如图所示，包括第一电容C1、第二电容C2、第一三极管VT1、第二三极管VT2、功率开关管Q1、电阻R1、直流供电端VCC_1、驱动控制系统和主功率电路。驱动控制系统用于输出驱动功率开关管Q1的信号，直流供电端VCC_1用于向副边电路稳压输出+12V直流电压或者电阻输出+12V直流电压，地GND_in为驱动控制系统的参考地，地GND_o为副边电路的参考地，直流供电端VCC_1的地与副边电路的参考地为同一个参考地。

该实施例的其连接关系如下：

第一三极管VT1的集电极与直流供电端VCC_1相连，作为电容隔离驱动电路的供电端；第一电容C1的负极连接驱动控制系统的输出端，作为所述电容隔离驱动电路的输入端；第一三极管VT1的基极和第二三极管VT2的基极相连接，两基极的连接点与第一电容C1的正极相连接；第一三极管VT1的发射极和第二三极管VT2的发射极相连接，作为电容隔离驱动电路的输出端，两发射极的连接点与功率开关管Q1的栅极相连；第二电容C2的正极与驱动控制系统的地GND_in相连，电阻R1的两端分别与功率开关管Q1的栅极和源极相连；功率开关管Q1的漏极与主功率电路相连，第二三极管VT2的集电极、第二电容C2的负极和功率开关管Q1的源极与地GND_0相连。

本实施例的工作原理如下：

当功率开关管Q1由关断转为开通时，第一电容C1、第一三极管VT1发射结电容、功率开关管Q1的输入电容与第二电容C2形成一个回路。第一三极管VT1的发射结正偏时，第一三极管VT1的发射结结电容主要是扩散电容，容值很小(一般为100pF以内)，由电容的容抗特性可知，第一三极管VT1的发射结电容与功率开关管Q1的输入电容(容值较大，一般为1nF以上)串联等效容值约为第一三极管VT1的发射结电容(等效电容为pF级)；又由电容的容抗特性可知，串联电路的电容容值与电容分压成反比，也就是容值越大，分压越小，第一三极管会产生较大的分压效果。此时第一电容C1端电压、第二电容C2端电压保持不变，第一三极管VT1发射结正偏、第一三极管VT1集电结反偏，第一三极管VT1工作在电流放大状态；第二三极管VT2因发射结反偏而截至，功率开关管Q1的输入电容通过第一三极管VT1的发射结电容作用被快速充电，待功率开关管Q1的输入电容端电压充电至功率开关管Q1的开启电压时，功率开关管Q1导通，直至功率开关管Q1的输入电容充电至功率开关管Q1工作端电压幅值。

当功率开关管Q1由开通转为关断时，第一电容C1、第二电容C2、第二三极管VT2的集电结形成一个回路，此时第一三极管VT1、第二三极管VT2的基极电压对副边电路地的电压被钳位到约为-0.7V(第二三极管的基-集极电压)，同时第二三极管VT2的发射结和集电结都正向偏置，第二三极管VT2工作在饱和状态，功率开关管Q1的输入电容电荷通过第二三极管VT2快速放电至第二三极管VT2射-集极电压(Vce)，由于第二三极管VT2饱和导通，所以Vce接近于0。由于第二三极管VT2基极对地CND_o的电压被钳位在-0.7V左右，因此在功率开关管Q1的输入电容电压放电至接近0V时，第二三极管VT2的发射结仍处于正偏工作状态。

设定功率开关管Q1开通时为T_ON，关断时为T_OFF，驱动控制系统输出信号的幅值为V_in，第一三极管VT1发射结导通时的电压为V_be1(约为0.7V)，第二三极管VT2的集-射极电压为 V_CE2，第一电容C1的端电压为V_C1，第二电容C2的端电压为V_C2，功率开关管Q1输入电容为C_GS，功率开关管Q1输入电容的端电压为V_GS，则功率开关管Q1输入电容端电压可有下式表示：

T_ON时间段内：V_GS＝V_in－V_be1－V_C1－V_C2

T_OFF时间段内：V_GS＝V_CE2

注：在T_OFF时间段内第二三极管处于饱和导通状态，因此在此时间段内V_CE2≈0V，进而得出在T_OFF时间段内，V_GS≈0V。

图3为本实用新型第一实施例正常工作时稳态电路波形图，仿真电路图元件参数设置时，各参数为：原边电路驱动信号的高电平为12V，低电平为0V，第一电容C1、第二电容C2的容值相等，功率开关管Q1的输入电容约为第一电容C1、第二电容C2容值的两倍，第一三极管VT1选用FMMT491，其输入电容约为100pF。由图3仿真波形图数据可知第一三极管 VT1基极对地电压为-0.65V与分析一致，功率开关管Q1开通时其输入电容端电压为9.8V，与分析基本一致，功率开关管Q1关断时输入电容端电压为-5.8mV约为0V。

本实用新型的实施方式不限于此，按照本实用新型的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明中具体实施电路还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本实用新型权利保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (3)

1.一种电容隔离驱动电路，用于开关电源中驱动控制系统与功率开关管Q1之间的隔离传输控制，其特征在于：包括第一电容C1、第二电容C2、第一三极管VT1、第二三极管VT2、电阻R1和直流供电端VCC_1；

所述第一三极管VT1的集电极与所述直流供电端VCC_1相连，作为所述电容隔离驱动电路的供电端；所述第一电容C1的负极连接驱动控制系统的输出端，作为所述电容隔离驱动电路的输入端；所述第一三极管VT1的基极和所述第二三极管VT2的基极相连接，两基极的连接点与所述第一电容C1的正极相连接；所述第一三极管VT1的发射极和所述第二三极管VT2的发射极相连接，作为所述电容隔离驱动电路的输出端，两发射极的连接点与所述功率开关管Q1的栅极相连；所述第二电容C2的正极与所述驱动控制系统的地GND_in相连，所述电阻R1的两端分别与所述功率开关管Q1的栅极和源极相连；所述第二三极管VT2的集电极、所述第二电容C2的负极和所述功率开关管Q1的源极与地GND_0相连。

2.根据权利要求1所述的电容隔离驱动电路，其特征在于：所述第一电容C1和所述第二电容C2为贴片陶瓷电容。

3.根据权利要求1所述的电容隔离驱动电路，其特征在于：所述第一三极管VT1和所述第二三极管VT2为输入电容值是10pF～1nF的MOS管。

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