專利名稱：簡單高效隔離式的絕緣柵大功率器件驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于開關(guān)電源中的功率管驅(qū)動技術(shù)領(lǐng)域。
開關(guān)電源中大功率器件驅(qū)動電路(驅(qū)動器)的設(shè)計一向是電源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。VMOS場效應(yīng)管(以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件)具有絕緣的柵極結(jié)構(gòu)，因而靜態(tài)驅(qū)動功率接近于零。但由于它們具有較大的柵極電容Cgs以及由于密勒效應(yīng)放大轉(zhuǎn)換到柵極的漏極電容Cdg，因而需要較大的動態(tài)驅(qū)動功率。
為可靠驅(qū)動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路，國外如美國國際整流器(IR)公司的文件AN-937、AN-978A所介紹的，國內(nèi)如93年11月第十屆電源學(xué)會論文集所介紹的，以及其它許多雜志的文章所披露的。
當(dāng)調(diào)制信號與功率器件不需要隔離時，驅(qū)動電路的設(shè)計是比較簡單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅(qū)動集成電路，如IR2110。當(dāng)需要電氣隔離時，一般有兩種方法采用光電耦合器，或是利用脈沖驅(qū)動變壓器來提供電氣隔離。
第一種方法的缺點A.光電耦合器的反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于1000ns)，盡管現(xiàn)在已有超高速光耦，但不僅價格較貴，而且速度仍不及本發(fā)明的電路；B.光電耦合器的輸出級還需要隔離的輔助電源供電。
第二種方法的最簡單電路如

圖1所示，這里是以半橋電路為例。這種方法很簡單，也不需要單獨的驅(qū)動電源，但缺點是只能驅(qū)動?xùn)旁措娙軨gs很小的小功率器件。如果絕緣柵器件T4、T5為大功率器件，于是其柵源電容Cgs較大，造成柵源極間的波形Vgs將變得極差，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應(yīng)驅(qū)動變壓器B1也應(yīng)取較大體積。
目前為了用隔離變壓器驅(qū)動大功率器件，都是在驅(qū)動變壓器次級與功率管之間插入放大單元，并給其另外提供電源。中國專利CN1070069A《一種功率VMOS管雙隔離驅(qū)動電路》公布了一種新的有效方法，原理如圖2所示。其中單元5為有四只管子的緩沖電路；單元6為有三只管子和一個比較器的驅(qū)動部分，這部分另有單獨的輔助電源。這個專利解決了隔離和速度問題，但電路較復(fù)雜并需要另備電源。
本實用新型的目的是提供一種不需要輔助電源并能輸出具有低延遲和陡峭觸發(fā)沿驅(qū)動脈沖的變壓器隔離式絕緣柵功率器件驅(qū)動電路。
本實用新型的技術(shù)方案是不需要任何外設(shè)的輔助電源，驅(qū)動電路僅由耦合脈沖變壓器、自給電源單元和放大單元三部分組成，其中變壓器由微型鐵氧體脈沖變壓器構(gòu)成，自給電源單元是一種整流濾波電路，放大單元是一種有源的推拉式放大電路。變壓器次級輸出端直接與自給電源單元和放大單元的輸入端相連，放大單元的電源端接到自給電源的輸出端，放大單元的輸出端與被驅(qū)動的絕緣柵功率器件的柵極相連。前級輸出的矩形脈沖調(diào)制信號加在變壓器的初級，經(jīng)變壓器隔離后，其脈沖信號中的調(diào)制信息(即矩形脈沖的上升沿和下降沿信息)被放大單元接收，經(jīng)放大后用以驅(qū)動絕緣柵功率器件；脈沖信號的大部分能量在矩形脈沖的平頂階段被自給電源單元接收后供放大單元使用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點是[1].不需要單獨的供電電源；[2].電路筒單；[3].因為電路簡單，驅(qū)動的延遲時間可以做到幾十ns以內(nèi)；[4].輸出級屬于有源推拉式結(jié)構(gòu)，因而具有陡峭的上升沿和下降沿，當(dāng)驅(qū)動四只IRF360時，只需幾十ns即可開通它們；[5].因為電路簡單、額外損耗小，因而效率高，由一塊脈寬調(diào)制集成電路(如SG3525等)至少可以驅(qū)動四只甚至到八只IRF360這樣的大功率VMOS管。
圖1是僅適于驅(qū)動小功率絕緣柵器件的變壓器隔離的半橋式驅(qū)動電路，這是公所周知的現(xiàn)有技術(shù)。
圖2是中國專利CN1070069A公布的隔離式VMOS絕緣柵功率器件驅(qū)動電路的方框圖。
圖3是本實用新型的基本原理圖。
圖4是本實用新型的一個實施例。
對本實用新型的基本原理圖圖3的說明如下圖3中(1)為耦合脈沖變壓器，(2)為自給電源單元，(3)為放大單元，變壓器1的輸出端直接連到自給電源單元2和放大單元3的輸入端，這三部分組成了本實用新型的電路。自給電源單元2由二極管D1和電容C1組成半波整流濾波器；放大單元3是一個推拉式的放大器，具體電路可以有多種形式。波形X1或X2是輸入的矩形脈沖調(diào)制信號，負(fù)載單元4是被驅(qū)動的絕緣柵功率器件，這里是以VMOS管為例。
以下結(jié)合附圖4的實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳述。
圖4中耦合脈沖變壓器1由微型鐵氧體變壓器構(gòu)成，輸入信號加在它的初級，次級的下端為公共端COM，上端為變壓器1的輸出端。自給電源單元2由二極管D1和電容C1組成半波整流濾波器，D1的正極為自給電源單元2輸入端，與變壓器1的次級輸出端相連；C1的上端與D1的負(fù)極連接后作為自給電源單元2的輸出端；D1的下端也為公共端COM。放大單元3由三極管T1、T2和二極管D2、D3組成，NPN管T1和PNP管T2的射級接在一起作為放大單元3、亦即本實用新型驅(qū)動器的輸出端Vo；D2的負(fù)極與T1的基極連接，D2的正極與T2的基極連在一起作為放大單元3的輸入端Vt，該端也與變壓器1的次級輸出端相連；T1的集電極作為放大單元3的電源端Vc，與自給電源單元2的輸出端也就是電容C1的上端相連；D3的正極與T2的集電極連接，D3的負(fù)極也是公共端COM。負(fù)載單元4為被驅(qū)動的VMOS管，其柵極G與放大單元3的輸出端Vo相連，它的源極也是公共端COM。單元1到4的公共端COM都是連在一起的。在放大單元3中，三極管T1和T2構(gòu)成互補的推拉式放大電路，兩管均工作于射極輸出器狀態(tài)；二極管D2和D3為反向隔離管，當(dāng)脈沖變壓器1的次級輸出端輸出的信號為負(fù)時，D2防止T1管發(fā)射結(jié)的反向擊穿可能，D3防止T2管的集電結(jié)正向?qū)ā?br> 正常工作時，自給電源單元2的電容C1上保持有略帶紋波的直流電壓，其值略低于脈沖變壓器1的次級輸出端輸出信號的峰值。在輸入信號的上升沿AB段，因為電容C1上的電壓高于脈沖變壓器1的次級輸出端輸出信號的電壓，整流二極管D1不導(dǎo)通，輸入調(diào)制信號只需提供微弱功率的觸發(fā)信號，通過脈沖變壓器1、再經(jīng)二極管D2送往三極管T1進(jìn)行放大，輸出陡峭的上升沿驅(qū)動信號，開通功率管T3。在B點以后，輸入信號通過脈沖變壓器1經(jīng)二極管D1給電容C1充電，提供放大電路所需的能量，放大單元3所需的能量主要在輸入信號的平頂部分CD段由輸入調(diào)制信號通過脈沖變壓器1提供。在輸入信號的下降沿DE段，輸入調(diào)制信號仍只提供觸發(fā)信號，通過變壓器1使三極管T2立即導(dǎo)通并迅速泄放被驅(qū)動的功率管T3的柵極電容Cgs上的電荷，從而關(guān)斷功率管T3。本發(fā)明的關(guān)鍵之處就在于，在輸入信號的上升沿和下降沿，輸入信號只通過脈沖變壓器1提供微小功率的觸發(fā)信號，因而輸出驅(qū)動信號廷遲很少，失真極微；放大電路所需的能量主要在輸入信號的平頂部分CD段由變壓器1提供，因為有功率輸出，波形將有些畸變，但這段信號稍有失真對驅(qū)動功率管T3是毫無影響的。
如果圖4的負(fù)載單元4由P溝道VMOS管組成，電路有兩種修改方法。第一種，自給電源單元2和放大單元3中的二極管D1、D2和D3均反接，同時三極管T1改為PNP型，而三極管T2改為NPN型。第二種方法，電路不變，但放大單元3的輸出端Vo和公共端COM分別改接P溝管的源極S和柵極G。當(dāng)然，無論是哪一種方法，輸入信號的極性都需相應(yīng)變化。
最后再提及幾點實施中需注意的事情。.以上所述的是驅(qū)動單管的情況，如果被驅(qū)動的是半橋電路，單元1的脈沖變壓器應(yīng)再加一個和原次級繞組同樣匝數(shù)的新次級繞組，并在該繞組后接同樣的自給電源單元2和放大單元3，組成一個半橋驅(qū)動器；這個驅(qū)動器中的兩個放大單元3的輸出端Vo分別驅(qū)動半橋功率電路的上下兩個功率管；注意，這兩個繞組在與其各自后面的自給電源單元2和放大單元3連接時，應(yīng)使得它們的同名端相反，類似于圖1中變壓器B1的情況。顯然，如果有四個次級繞組，并各自配以相應(yīng)的自給電源單元2和放大單元3，就可以構(gòu)成一個全橋驅(qū)動器，用以驅(qū)動全橋功率電路中的四只功率管；其中四個次級繞組的同名端應(yīng)這樣安排位于全橋功率電路中每組對角上兩個功率管的相對應(yīng)的兩個次級繞組應(yīng)具有相同的同名端，而與這兩組對角功率管相對應(yīng)的兩組次級繞組之間的同名端應(yīng)相反。.關(guān)于輸入脈沖調(diào)制信號X1和X2，當(dāng)驅(qū)動單管時，兩種型式的信號都可以；當(dāng)驅(qū)動半橋或全橋功率電路時，必須用X2。在使用調(diào)制信號X1驅(qū)動單管時，必須保證脈沖變壓器1磁通復(fù)位，因此當(dāng)變壓器1的初次級間的耦合不夠緊時，可能需要加繞一個與初級繞組耦合良好的去磁繞組，去磁繞組和初級繞組應(yīng)該采用雙線并繞的方法繞制；這個繞組和一個二極管串聯(lián)后再并接于與變壓器1的初級相聯(lián)系的前級電路的低壓供電電源兩端，二極管的方向應(yīng)保證在靜態(tài)、即變壓器不工作時去磁繞組不導(dǎo)通(即當(dāng)二極管的正極與去磁繞組的一端相連時，二極管的負(fù)極接前級供電電源的正極，去磁繞組的另一端接供電電源的負(fù)極；當(dāng)二極管的負(fù)極與去磁繞組的一端相連時，二極管的正極接前級供電電源的負(fù)極，去磁繞組的另一端接供電電源的正極)，這是所屬領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的。.被驅(qū)動的也可以是其它絕緣柵功率器件，如IGBT(絕緣柵雙極性大功率管)，此時，驅(qū)動電路的輸出端Vo應(yīng)接IGBT管的柵極，驅(qū)動電路的公共端COM接它的發(fā)射極。.在本實施例中，自給電源單元2中的二極管D1可以省略(斷開，其余連接不用變)，此時自給電源的整流管利用的是三極管T1的集電結(jié)和二極管D2的串聯(lián)。
權(quán)利要求1.一種隔離式的絕緣柵功率器件驅(qū)動電路，它由耦合脈沖變壓器(1)提供隔離，由放大單元(3)將變壓器(1)傳送的觸發(fā)信號放大后用于驅(qū)動絕緣柵功率器件(4)，其特征在于驅(qū)動電路還有一個自給電源單元(2)，它由二極管D1和電容C1組成半波整流濾波電路，其中D1的正極作為自給電源單元(2)的輸入端而接變壓器(1)的次級輸出端，C1的上端接D1的負(fù)極后作為自給電源單元(2)的輸出端，C1的下端作為電路的公共端COM；變壓器(1)的次級輸出端不僅直接與自給電源單元(2)的輸入端即二極管D1的正極相連，還直接與放大單元(3)的輸入端Vt相連；自給電源單元(2)的輸出端即電容C1的上端與放大單元(3)的電源端VC相連；放大單元(3)的輸出端Vo與需要驅(qū)動的絕緣柵功率器件(4)的柵極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離式的絕緣柵功率器件驅(qū)動電路，其特征在于脈沖變壓器(1)的次級也可以有兩個或者四個繞組，并且每個繞組后都接同樣的自給電源單元(2)和放大單元(3)，組成半橋式驅(qū)動器或全橋式驅(qū)動器，用于驅(qū)動半橋式或全橋式功率電路中的兩個或四個絕緣柵功率器件；當(dāng)脈沖變壓器(1)有兩個次級繞組時，這兩個繞組與其各自后面的自給電源單元(2)和放大單元(3)在連接時應(yīng)保持相反的同名端；當(dāng)脈沖變壓器(1)有四個次級繞組時，在連接時這四個次級繞組的同名端應(yīng)這樣安排位于全橋功率電路中每組對角上兩個功率管的相對應(yīng)的兩個次級繞組應(yīng)具有相同的同名端，而與這兩組對角功率管相對應(yīng)的兩組次級繞組之間的同名端應(yīng)相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離式的絕緣柵功率器件驅(qū)動電路，其特征在于當(dāng)驅(qū)動單管時，脈沖變壓器(1)可以有一個去磁繞組，該繞組與初級繞組采用雙線并繞的方法繞制；去磁繞組和一個二極管串聯(lián)后再并接于與變壓器(1)的初級相聯(lián)系的前級電路的供電電源兩端，二極管的方向應(yīng)保證在靜態(tài)、即變壓器不工作時去磁繞組不導(dǎo)通。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離式的絕緣柵功率器件驅(qū)動電路，其特征在于被驅(qū)動的大功率絕緣柵型器件除VMOS功率場效應(yīng)管以外，還可以是IGBT絕緣柵雙極性大功率管；此時，驅(qū)動電路的輸出端Vo應(yīng)接它的柵極，驅(qū)動電路的公共端COM接它的發(fā)射極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離式的絕緣柵功率器件驅(qū)動電路，其特征在于整流二極管D1也可以省去，這時是利用三極管T1的集電結(jié)和二極管D2的串連兼做整流管。
專利摘要本實用新型涉及功率器件的驅(qū)動，提供一種由變壓器隔離的絕緣柵功率器件驅(qū)動器，該驅(qū)動器不需要輔助電源，由耦合脈沖變壓器1的次級直接與自給電源單元2和放大單元3的輸入端相連而組成，變壓器在輸入脈沖調(diào)制信號的前后沿只傳遞調(diào)制信息，在輸入信號的平頂階段則傳遞驅(qū)動所需要的能量。它電路簡單，無需配置任何輔助供電裝置，就能夠輸出具有陡峭前后沿的驅(qū)動脈沖，用以驅(qū)動單管、半橋或全橋電路，同時具有極快的響應(yīng)時間。
文檔編號H03K17/12GK2255696SQ95202460
公開日1997年6月4日 申請日期1995年2月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月15日
發(fā)明者陳亞寧, 魏順長 申請人:陳亞寧, 魏順長