本實用新型涉及一種MOSFET/IGBT驅(qū)動技術(shù)，特別是一種基于線性光耦隔離的MOSFET/IGBT高速驅(qū)動電路。

背景技術(shù)：

驅(qū)動電路是控制電路和電力電子主器件聯(lián)系的橋梁，把控制信號轉(zhuǎn)換為適合電力電子器件直接控制輸入的波形和電壓。同時，由于電力電子器件主電路是大電流高電壓，而控制電路是小電流低電壓，為了避免主電路對控制電路的干擾或破壞，這兩者需要電方面的隔離，而驅(qū)動電路正是完成這種隔離任務(wù)的環(huán)節(jié)。

對于一般的電力電子器件驅(qū)動電路需要具備兩個基本的功能，一是具有隔離功能，二是進行波形變換和電平變換以適應(yīng)電力電子器件控制需要的功能。對于MOSFET/IGBT驅(qū)動電路來說，只需要具有隔離功能和電平變換功能就能滿足柵極直接控制輸入的需要。

目前MOSFET/IGBT驅(qū)動電路的主要問題是工作頻率不高，無論是采用高頻變壓器的磁隔離驅(qū)動電路，還是采用光耦隔離的集成驅(qū)動電路，其最高實測工作頻率都在100kHz左右，如果驅(qū)動信號的頻率再進一步升高，則輸出波形不正常，電力電子系統(tǒng)將不能正常工作。

在采用分離元件構(gòu)成光隔離驅(qū)動電路時，光耦是驅(qū)動電路的關(guān)鍵元件；如果采用開關(guān)型光耦，高頻開關(guān)型光耦的工作頻率可以達到幾MHz，能滿足要求，但工作電壓一般為5V，而驅(qū)動電路的工作電壓在12V及以上，電平不能兼容；如果采用線性光耦，線性光耦在12V及以上的電壓下都能正常工作，但工作頻率一般在幾十kHz，滿足不了高頻率的要求。所以，無論是集成型MOSFET/IGBT 驅(qū)動電路還是分離元件型MOSFET/IGBT驅(qū)動電路，目前都無法滿足高速驅(qū)動的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于線性光耦隔離的MOSFET/IGBT高速驅(qū)動電路，該高速驅(qū)動電路在光耦輸出回路上采用動態(tài)比較電路，從而縮短驅(qū)動信號的傳輸延時和提高上升下降沿的陡度，為MOSFET/IGBT柵極驅(qū)動提供高性能的驅(qū)動信號。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)解決方案是：一種基于線性光耦隔離的MOSFET/IGBT高速驅(qū)動電路，包括第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、線性光耦、第一PNP型三極管、第二PNP型三極管、第三PNP型三極管、第四PNP型三極管、第一NPN型三極管、第一電容、第二電容、MOSFET管、負載、驅(qū)動電路控制信號輸入端、控制信號電源正極、驅(qū)動電路電源正極、驅(qū)動電路電源負極、主電路電源正極和主電路電源負極，驅(qū)動信號控制信號輸入端通過第一電阻與第一PNP型三極管的基極相連，第一PNP型三極管的集電極接地，第一PNP型三極管的發(fā)射極與線性光耦基極的第一端相連，第二電阻的一端與控制信號電源正極相連，第二電阻的另一端與線性光耦基極的第二端相連，線性光耦的發(fā)射極與驅(qū)動電路電源負極相連，線性光耦的發(fā)射極還通過負載與主電路電源負極相連，線性光耦的集電極通過第三電阻與驅(qū)動電路電源正極相連，線性光耦的集電極還與第二PNP型三極管的集電極相連，第二PNP型三極管的發(fā)射極與驅(qū)動電路電源正極相連，第二PNP型三極管的基極通過第一電容與驅(qū)動電路電源正極相連，線性光耦的集電極還通過第四電阻與第三PNP型三極管的基極相連，第二電容通過導線分別連接于第四電阻的兩端，第三PNP型三極管的發(fā)射極與驅(qū)動電路電源正極相連，第三PNP型三極管的集電極通過第五電阻接地，第三PNP型三極管的集電極還分別與第一NPN型三極管的基極以及第四PNP型三極管的基極相連，第一NPN型三極管的集電極與驅(qū)動電路電源正極相連，第一NPN型三極管的發(fā)射極與第四PNP型三極管的發(fā)射極相連，第一NPN型三極管的發(fā)射極還與MOSFET管的柵極相連，第四PNP型三極管的集電極接地，MOSFET管的漏極與主電路電源正極相連，MOSFET管的源極通過負載與主電路電源負極相連。

實驗表明，線性光耦集電極和射極間的電壓變化速度以及集電極或射極上串聯(lián)的電阻大小有關(guān)。在線性光耦的發(fā)光二極管施加方波電流時，線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)的電阻越大，線性光耦的集電極和射極間的電壓下降沿的時間越短，而上升沿的時間越長；反過來，如果線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)的電阻越小，線性光耦的集電極和射極間的電壓下降沿的時間越長，而上升沿的時間越短。

當線性光耦工作在開關(guān)方式時，從線性光耦集電極和射極間電壓上升和下降特性看，線性光耦的集電極和射極相當于一個受控可變電阻和一個等效電容的并聯(lián)，線性光耦的集電極和射極間的輸出電壓相當于等效電容上的電壓。受控可變電阻的阻值受線性光耦中發(fā)光二極管控制，當發(fā)光二極管通過電流時，受控可變電阻阻值變??；當發(fā)光二極管沒有電流時，受控可變電阻阻值變大。如果保持線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)電阻的大小不變，當受控可變電阻阻值變小時，等效電容放電速度快于充電速度，等效電容電壓下降；當受控可變電阻阻值變大時，等效電容放電速度慢于充電速度，等效電容電壓上升。所以，等效電容上電壓的升降以及升降的速度受等效電容充電效應(yīng)和放電效應(yīng)的共同影響，放電效應(yīng)由受控可變電阻決定，而充電效應(yīng)由線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)電阻決定。

如果線性光耦集電極或射極上串聯(lián)電阻越大，等效電容上的充電速度越慢；當受控可變電阻阻值變小，則等效電容電壓下降的速度越快，當受控可變電阻阻值變大，等效電容電壓上升的速度越慢。反過來，如果線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)電阻越小，等效電容上的充電速度越快；當受控可變電阻阻值變小，則等效電容電壓下降的速度越慢，當受控可變電阻阻值變大，等效電容電壓上升的速度越快。這意味著，線性光耦的集電極或射極上串聯(lián)電阻如果是固定電阻值，不能同時滿足等效電容上電壓快速上升和下降的需要。

優(yōu)選的，第三電阻、第二PNP型三極管和第一電容組成變阻結(jié)構(gòu)支路。根據(jù)線性光耦集電極和射極間電壓的上升和下降改變等效電阻。當給1線性光耦的發(fā)光二極管通以電流時，線性光耦集電極和射極間的電壓下降，電源通過第三電阻給線性光耦充電；當線性光耦集電極和射極間的電壓下降時，第二PNP型三極管的集電極電位降低，由于第一電容電位的鉗制，第二PNP型三極管處于臨界關(guān)斷狀態(tài)，集射極間電阻值非常大，整個變阻結(jié)構(gòu)的等效電阻值由第三電阻決定。當線性光耦的發(fā)光二極管斷開電流時，線性光耦集電極和射極間的電壓升高，第二PNP型三極管集電極電位同時升高，由于第一電容電位的鉗制效應(yīng)，使得第二PNP型三極管的射極電壓高于基極電壓，即超過0.1V，第二PNP型三極管導通，第二PNP型三極管導通后電阻值很小，整個變阻結(jié)構(gòu)的等效電阻值由第二PNP型三極管導通后的集射極電阻決定。

優(yōu)選的，第四電阻、第二電容和第三PNP型三極管組成動態(tài)電壓比較器。第三PNP型三極管為電壓比較器，第四電阻和第二電容為信號傳輸支路。當線性光耦輸出電壓為高電平時，第三PNP型三極管基極為高電平，關(guān)斷，集電極輸出低電平，此時第二電容電壓約為零；當線性光耦輸出電壓由高電平變低電平時，第三PNP型三極管基極電壓比射極電壓低，導通，集電極輸出高電平，此時第二電容電壓逐漸升高，穩(wěn)定時第二電容的電壓約低于驅(qū)動電路電源的電壓；在這種情況下，當線性光耦的輸出信號由高電平向低電平變化時，動態(tài)電壓比較器即刻檢測到這種變化，動態(tài)電壓比較器輸出電壓由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平。

所以，動態(tài)電壓比較器既能在線性光耦輸出信號由高電平變低電平的起始階段檢測到信號的變化，也能在線性光耦輸出信號由低電平變高電平的起始階段檢測到信號的變化；這樣，無論是在檢測線性光耦輸出信號由低電平變高電平時，還是在檢測線性光耦輸出信號由高電平變低電平時，都幾乎沒有延時。

本實用新型的有益效果為：

(1)在線性光耦的集電極或射極串聯(lián)變阻結(jié)構(gòu)支路，加快線性光耦集電極和射極間電壓上升和下降速度；

(2)由第四電阻和第二電容并聯(lián)后接入電壓比較器，從而構(gòu)成動態(tài)電壓比較器，能夠動態(tài)檢測信號動態(tài)變化；

(3)在線性光耦的輸出信號后端設(shè)置動態(tài)電壓比較器，減小PWM脈沖信號上升沿和下降沿的傳輸延時。

附圖說明

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為線性光耦105的輸出信號波形；

圖中，101-驅(qū)動電路控制信號輸入端；102-第一電阻；103-控制信號電源正極；104-第二電阻；105-線性光耦；106-第一PNP型三極管；107-控制信號接地；108-第三電阻；109-第二PNP型三極管；110-第一電容；112-第四電阻；113-第二電容；114-第三PNP型三極管；115-第五電阻；116-驅(qū)動電路電源正極；117-第一NPN型三極管；118-第四PNP型三極管；119-驅(qū)動電路電源負極；120-主電路電源正極；121-MOSFET管；122-負載；123-主電路電源負極；201-線性光耦輸出信號由高電平變低電平起始轉(zhuǎn)折點；202-線性光耦輸出信號由高電平變低電平結(jié)束轉(zhuǎn)折點；203-線性光耦輸出信號由低電平變高電平結(jié)束轉(zhuǎn)折點；204-線性光耦輸出信號由低電平變高電平起始轉(zhuǎn)折點。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進一步詳細描述本實用新型的技術(shù)方案，但本實用新型的保護范圍不局限于以下所述。

實施例：

如圖1所示，一種基于線性光耦隔離的MOSFET/IGBT高速驅(qū)動電路，控制信號由驅(qū)動電路控制信號輸入端101輸入，當控制信號為高電平時，第一PNP型三極管106關(guān)斷，線性光耦105中的發(fā)光二極管沒有電流通過，線性光耦105的集電極和射極間處于高阻狀態(tài)，輸出信號為高電平，第一電容110電壓約為零。當控制信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，第一PNP型三極管106導通，線性光耦105中的發(fā)光二極管通過電流，線性光耦105的集電極和射極間處于低阻狀態(tài)，輸出信號電壓開始下降，第三電阻108為線性光耦105提供電流，由于第一電容110的鉗位效應(yīng)，第二PNP型三極管109關(guān)斷，不向線性光耦105提供電流。

第三電阻108的阻值越大，線性光耦105的集電極和射極間的電壓下降越快。

當控制信號為低電平時，第一PNP型三極管106導通，線性光耦105中的發(fā)光二極管通過電流，線性光耦105的集電極和射極間處于低阻狀態(tài)，輸出信號為低電平，第一電容110電壓約為驅(qū)動電路電源電壓。當控制信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，第一PNP型三極管106關(guān)斷，線性光耦105中的發(fā)光二極管沒有電流通過，線性光耦105的集電極和射極間處于高阻狀態(tài)，輸出信號電壓開始上升，由于第一電容110電壓此時約為驅(qū)動電源電壓，通過第一電容110施加到第二PNP型三極管109基極的電壓比射極電壓低，第二PNP型三極管109導通。

第二PNP型三極管109導通后，等效電阻很小，線性光耦105輸出電壓上升很快。

線性光耦105的輸出信號波形如圖2所示。在圖2中，201處為線性光耦105輸出信號高電平變低電平過渡過程的起始轉(zhuǎn)折點，202處為線性光耦105輸出信號高電平變低電平過渡過程的結(jié)束轉(zhuǎn)折點。204處為線性光耦105輸出信號低電平變高電平過渡過程的起始轉(zhuǎn)折點，203處為線性光耦105輸出信號低電平變高電平過渡過程的結(jié)束轉(zhuǎn)折點。t1為線性光耦105輸出信號高電平變低電平過渡過程的時間，t2為線性光耦105輸出信號低電平變高電平過渡過程的時間。

如果把電壓比較器的閾值設(shè)置為高電平，則線性光耦105輸出信號由高電平變低電平時，在201處電壓比較器即刻就能檢測出這樣的變化，并使電壓比較器的輸出電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)。線性光耦105輸出信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，在203處電壓比較器檢出變化，使電壓比較器的輸出電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這相當于在線性光耦105輸出信號由低電平變高電平的結(jié)束轉(zhuǎn)折點電壓比較器才能檢測到信號的改變。也就是說，當把電壓比較器的閾值設(shè)為高電平時，在線性光耦105輸出信號由高電平變低電平時，電壓比較器對信號的檢測幾乎沒有延時，而在線性光耦105輸出信號由低電平變高電平時，電壓比較器對信號的檢測有t2時間的延時。

如果把電壓比較器的閾值設(shè)置為低電平，則線性光耦105輸出信號由高電平變低電平時，在202處電壓比較器能檢測出這樣的變化，并使電壓比較器的輸出電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這相當于在線性光耦105輸出信號由高電平變低電平的結(jié)束轉(zhuǎn)折點電壓比較器才能檢測到信號的改變；線性光耦105輸出信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，在204處電壓比較器檢出變化，使電壓比較器的輸出電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)。也就是說，當把電壓比較器的閾值設(shè)為低電平時，在線性光耦105輸出信號由高電平變低電平時，電壓比較器對信號的檢測具有t1時間的延時，而在線性光耦105輸出信號由低電平變高電平時，電壓比較器對信號的檢測幾乎沒有延時。

如果把電壓比較器的閾值設(shè)在高電平和低電平之間，則在線性光耦105輸出信號由高電平變低電平和由低電平變高電平的信號檢測中都有延時。閾值越高，則線性光耦105輸出信號由高電平變低電平情況下信號檢測延時越短，而線性光耦105輸出信號由低電平變高電平情況下信號檢測延時越長。反之，閾值越低，則線性光耦105輸出信號由高電平變低電平情況下信號檢測延時越長，而線性光耦105輸出信號由低電平變高電平情況下信號檢測延時越短。

所以，靜態(tài)電壓比較不能同時消除線性光耦105輸出信號由高電平變低電平和有低電平變高電平的信號檢測的延時問題，而這樣的延時恰恰會引起PWM控制信號在驅(qū)動電路傳輸中占空比的失真。

為了能同時消除線性光耦105輸出信號由高電平變低電平和有低電平變高電平的信號檢測的延時，需要進行動態(tài)電壓比較，即當線性光耦105輸出信號由高電平變低電平時，在201處檢測出變化，電壓比較器輸出電壓翻轉(zhuǎn)；當線性光耦105輸出信號由低電平變高電平時，在204處檢測出變化，電壓比較器輸出電壓翻轉(zhuǎn)。

當線性光耦105工作在開關(guān)方式下，線性光耦105導通時，由第三電阻108為線性光耦105提供充電電流；線性光耦105關(guān)斷時，由第二PNP型三極管109 導通后為線性光耦105充電。線性光耦105在導通時充電電流小，線性光耦的集電極和射極間的電壓下降快，線性光耦105在關(guān)斷時充電電流大，線性光耦105的集電極和射極間的電壓上升快。

線性光耦105的輸出信號經(jīng)過第四電阻112和第二電容113并聯(lián)支路傳輸后送入第三PNP型三極管114基極。當線性光耦105的輸出信號為高電平時，第三PNP型三極管114基極為高電平，關(guān)斷，集電極輸出低電平；而此時第二電容113上的電壓約為零。當線性光耦105的輸出信號由高電平向低電平變化時，由于第二電容113上的電壓不能突變，所以第三PNP型三極管基極電壓也隨線性光耦105輸出信號電壓的下降而降低，第三PNP型三極管114基極電壓低于射極電壓，導通，集電極電壓開始升高；一方面電源通過第三PNP型三極管114的射基PN結(jié)向113電容充電，使第二電容113的電壓升高，以保持第三PNP型三極管114射基PN結(jié)的電壓差為0.1V，另一方面，線性光耦105的輸出信號的電壓繼續(xù)降低，使第三PNP型三極管114基極電壓有下降的趨勢，迫使第三PNP型三極管114射基PN結(jié)流過電流，從而使第三PNP型三極管114導通。在線性光耦105輸出信號電壓由高電平向低電平變化的過程中，能夠保持第三PNP型三極管114一直導通，第三PNP型三極管114集電極電壓快速上升，直到變?yōu)楦唠娖健?/p>

當線性光耦105的輸出信號為低電平時，第三PNP型三極管114基極為低電平，導通，集電極輸出高電平，而此時第二電容113上的電壓約為驅(qū)動電路電源電壓。當線性光耦105的輸出信號由低電平向高電平變化時，由于第二電容113上的電壓不能突變，所以第三PNP型三極管114基極電壓也隨線性光耦105輸出信號電壓的上升而被推升，第三PNP型三極管114基極電壓高于射極電壓，關(guān)斷，集電極電壓開始降低；一方面第二電容113通過第四電阻112放電，使第二電容113的電壓不斷降低，另一方面，線性光耦105的輸出信號的電壓繼續(xù)升高，使第三PNP型三極管114基極電壓保持高于射極電壓，從而使第三PNP型三極管114關(guān)斷。在線性光耦105輸出信號電壓由低電平向高電平變化的過程中，能夠保持第三PNP型三極管114一直關(guān)斷，第三PNP型三極管114集電極電壓快速下降，直到變?yōu)榈碗娖健?/p>

第四電阻112、第二電容113和第三PNP型三極管114實際上構(gòu)成了動態(tài)電壓比較器，當線性光耦105輸出電壓開始變化時，無論是由高電平向低電平開始變化，還是由低電平向高電平開始變化，動態(tài)電壓比較器都能檢測出這種變化，并使動態(tài)電壓比較器的輸出電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)。動態(tài)電壓比較器能同時縮短方波信號上升沿和下降沿的傳輸延時。

第三PNP型三極管114集電極輸出信號傳輸給第一NPN型三極管117和第四PNP型三極管118的基極，由于第一NPN型三極管117為NPN型，第四PNP型三極管118為PNP型，所以，當?shù)谌齈NP型三極管集電極114輸出信號為高電平時，第一NPN型三極管117導通，第四PNP型三極管118關(guān)斷，121MOSFET開關(guān)管獲得高電平開通信號；當?shù)谌齈NP型三極管114集電極輸出信號為低電平時，第一NPN型三極管117關(guān)斷，第四PNP型三極管118開通，121MOSFET開關(guān)管獲得低電平關(guān)斷信號。

以上所述實施例僅表達了本實用新型的具體實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本實用新型專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。