专利名称：单端变换器中绝缘栅功率管的隔离驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明属于开关电源中的功率管驱动技术领域，特别涉及单端变换器中的绝缘栅功率管的驱动。
背景技术：
开关电源中大功率器件驱动电路(驱动器)的设计一向是电源领域的关键技术之一。对于VMOS场效应晶体管和IGBT绝缘栅晶体管，它们具有绝缘的栅极结构，因而静态驱动功率接近于零。但由于它们具有较大的栅极电容Cgs以及由于密勒效应放大转换到栅极的漏极电容Cdg，因而需要较大的动态驱动功率。对驱动电路的较高设计要求，就是使用尽量简单的电路结构，同时满足其瞬间的较大电流驱动能力。
当PWM或PFM矩形脉冲调制信号与功率器件需要隔离时，一般有两种方法采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。
光电耦合器有两个缺点反应较慢，并且需要隔离的辅助电源供电。
目前用变压器驱动绝缘栅大功率管大致有四种方法。美国International Rectifier(IR)公司编印的Application Notes中AN-950A《提供大占空比的、变压器隔离的HEXFET驱动器》一文介绍的方法，原理如图1所示，其中T3为被驱动的绝缘栅功率管。其优点是电路简单至极，缺点是它为了达到变压器输出的正负脉冲幅度一致，而使变压器工作在饱和状态。另一个缺点是它没有放大能力，因而前级的PWM调制信号必须有相当的功率能力才能快速地开通功率管。
第二种方法是在驱动变压器次级与功率管之间插入放大单元，并给其另外提供电源。典型的如中国专利CN1070069A《一种功率VMOS管双隔离驱动电路》公布的方法，原理如图2所示。其中单元6为有四只管子的缓冲电路；单元7为有三只管子和一个比较器的驱动部分，这部分另有单独的辅助电源供电；T3为被驱动的绝缘栅功率管。这个专利解决了隔离和速度问题，但电路较复杂并需要另备电源。有的设计者为电路的简单，只在变压器的初级设置缓冲电路，而取消了次级的信号处理部分，其缺点是驱动信号的波形变差。
第三种方法是采用超高频调制的方法，即用高于PWM信号几十倍频率的超高频作为载频，与PWM信号调制后送到变压器的初级；在变压器的次级，载频传递能量，解调后的PWM信号用于驱动功率管。典型电路如图3所示，其中UC3724/5是美国Unitrode公司生产的PWM信号超高频调制传送/接收驱动集成电路对，T3为被驱动的绝缘栅功率管。这种方法效果很好，不需要隔离电源，可以传送较高频率的PWM信号，既可驱动单端电路，也可驱动双端电路。缺点是电路复杂，成本较高。
第四种方法是本发明同一申请人在已经获得的中国专利ZL95101392.0《绝缘栅器件的隔离驱动器》中所提供的，该法极为有效，在驱动全桥或半桥等双端变换器时非常方便实用，具有隔离、高速、不需辅助电源的优点。但在应用于正激或反激等单端变换器时，由于变压器只能传递交流信号，隔离变压器传递到次级的信号，其信号幅度随占空比而线性变化，因此为维持基本相同的输出幅度，只适于在50％左右的占空比下工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种特别适用于单端变换器的隔离驱动电路，不仅电路简单、价格低廉，而且不需要辅助电源，可在大范围变化的占空比下工作，输出幅度确定的具有低延迟和陡峭触发沿的驱动脉冲。
本发明的技术方案是驱动电路的组成中有隔离耦合单元(1)、自给电源(2)和放大单元(4)；其中隔离耦合单元(1)由隔直电容C1和微型铁氧体脉冲变压器B1构成，其作用是隔离直流电平、接收输入的PWM调制信号、并提供输入和输出间的电气隔离；自给电源(2)由倍压整流滤波电路组成，其作用是将隔离耦合单元(1)输出的信号进行能量处理，即整流和滤波，提供放大单元(4)所需的能量；放大单元(4)是一种由三极管组成的有源推拉式放大电路，其作用是。将接收到的PWM信号加以放大，用以驱动绝缘栅功率器件(5)；本发明的创新是，驱动电路的组成还包括前置单元(3)，它由电容、二极管或电阻、三极管组成，该单元的作用是对隔离耦合单元(1)输出的信号进行幅值处理，给放大单元(4)中的各三极管分配合适电平的推动脉冲。
前级的脉冲信号加在隔离耦合单元(1)的输入端Vi1，隔离耦合单元(1)的输出端Vo1与自给电源(2)的输入端Vi2和前置单元(3)的输入端Vi3相连；自给电源(2)的输出端Vo2接到放大单元(4)的电源端Vcc；前置单元(3)的输出端Vo3和放大单元(4)的输入端Vi4相连；放大单元(4)的输出端Vo4与被驱动的绝缘栅功率器件(5)的栅极相连；单元(1-5)的公共端COM都连在一起。
驱动电路前级输出的矩形脉冲调制信号加在隔离耦合单元(1)的输入端Vi1，通过隔直电容C1去除直流后，加在变压器B1的初级，经变压器B1电气隔离后由次级输出。输出脉冲信号中的调制信息(即矩形脉冲的上升沿和下降沿信息)经前置单元(3)处理后，被放大单元(4)接收和放大后用以驱动绝缘栅功率器件(5)；脉冲信号的大部分能量在矩形脉冲的平顶阶段被自给电源(2)接收后供放大单元(4)使用。
与现有单端驱动技术相比，本发明的优点是[1].不需要单独的供电电源；[2].工作占空比宽，可达2～98％；[3].电路简单，驱动的延迟时间很短；[4].输出级属于有源推拉式结构，因而具有陡峭的上升沿和下降沿。
图1是美国IR公司提供的、变压器工作于饱和状态的宽占空比驱动电路。
图2是中国专利CN1070069A公布的隔离式VMOS绝缘栅功率器件驱动电路的方框图。
图3是使用美国Unitrode公司超高频调制技术的驱动电路原理图。
图4是本发明的原理图。
图5是本发明的一个实施例。
图6是采用全波倍压整流电路时的隔离耦合变压器(1c)和自给电源(2c)。
图7是采用共射极电略的前置单元(3A)。
图8是放大单元采用图腾柱结构时的前置单元(3B)和放大单元(4B)。
对本发明的基本原理4的说明如下图4中(1)为隔离耦合单元，(2)为自给电源单元，(3)为前置单元，(4)为放大单元。单元(1～4)这四部分组成了本发明的完整电路。隔离耦合单元(1)的次级输出端Vo1连到自给电源(2)的输入端Vi2和前置单元(3)的输入端Vi3，自给电源(2)的输出端Vo2与放大单元(4)的电源端Vcc相连，前置单元(3)的输出端Vo3和放大单元(4)的输入端Vi4相连，单元(1～4)的公共端COM都连在一起。隔离耦合单元(1)由电容C1和微型铁氧体脉冲变压器B1组成，C1与B1的初级串联；自给电源(2)是由二极管和电容组成的半波或全波倍压整流滤波器；前置单元(3)由电容、二极管或电阻、三极管等元件组成；放大单元(4)是一个推拉式的放大器，由互补共射电路或者图腾柱电路组成。负载单元(5)是被驱动的绝缘栅功率器件，这里是以VMOS管为例。
具体实施例方式
下面结合附图5的非限定性实施例对本发明作进一步的详述。
图5中隔离耦合单元(1)由隔直电容C1和微型铁氧体变压器B1组成，C1的右端和B1初级的上端相连，C1的左端和B1初级的下端是本单元的输入端Vi1，输入信号加在这里，B1次级的下端为公共端COM，上端为隔离耦合单元(1)的输出端Vo1。
自给电源(2)由二极管D1、D2和电容C2、C3组成半波倍压整流滤波器，C2的左端为自给电源单元2的输入端Vi2，与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连；C2的右端与D1的负极和D2的正极连接在一起；D1的正极和C3的下端连在一起为公共端COM；D2的负极和C3的上端连接后作为自给电源(2)的输出端Vo2。
前置单元(3)由电容C4和二极管D3组成，C4的左端作为前置单元(3)的输入端Vi3与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连，D3的正极作为公共端COM，C4的右端和D3的负极连接后作为前置单元(3)的输出端Vo3；根据需要，也可在C4上并联一个高阻值的泄放电阻R1，其值一般大于1M。
放大单元(4)由三极管T1和、T2组成，NPN管T1和PNP管T2的基极连接后作为本单元的输入端Vi4与前置单元(3)的输出端Vo3相连，T1管的集电极作为本单元的电源端Vcc与自给电源(2)的输出端Vo2相连，T2管的集电极作为公共端COM，T1和T2射级接在一起作为本单元的输出端Vo4，当然它也是本发明驱动电路的输出端。负载单元(5)为被驱动的VMOS管，其栅极G与放大单元(4)的输出端Vo4相连，它的源极也是公共端COM。单元1到5的公共端COM都是连在一起的。在放大单元(4)中，三极管T1和T2构成互补的推拉式放大电路，两管均工作于射极输出器状态。
电路各单元工作原理如下[1]、隔离耦合单元(1)中变压器B1的波形情况加在隔离耦合单元(1)的输入端Vi1的信号一般都是图4或图5中左边的单向脉动矩形波，零点为波形的最低点；由于电容C1的隔直作用，施加在变压器B1初级的信号成为图中以水平细线为零基点的波形。如果变压器B1的变比为1，则变压器输出端Vo1的波形与输入端相同。设输入端Vi1的输入波形的幅值为Vm，高电平时功率管T3导通，低电平时截止；信号周期为T，导通的占空比为D，则高电平宽度为Ton＝DT，低电平宽度为Toff＝(1-D)T；变压器B1输出端Vo1输出的高电平幅值为(1-D)Vm，输出的低电平幅值为-DVm。
、自给电源(2)的工作本实施例是典型的半波倍压整流电路。正常工作时，其输出端Vo2亦即电容C3上保持有略带纹波的直流电压，其值略低于脉冲变压器B1的次级输出端Vo1输出信号的峰峰值Vm。
倍压整流电路是电容整流电路的一种，电容式整流电路属于峰值整流电路，即整流二极管只在输入电压接近峰值时才开始导通。在输入信号上升沿的初期和中期，二极管D2不导通，变压器B1输出信号通过电平补偿电容C4加于放大单元(4)的输入端Vi4，产生开通驱动脉冲，开通功率管T3。在输入信号上升沿的末期和平顶期，D2导通，给电容C3充电。在输入信号下降沿的初期和中期，二极管D1不导通，变压器B1的输出信号通过电平补偿电容C4加于放大单元(4)的输入端Vi4，产生关断驱动脉冲，关断功率管T3。在输入信号下降沿的末期和平顶期，D1导通，给电容C2充电。
在刚一开始开通或关断功率管T3时，整流二极管D1和D2是不导通的，信号源只通过变压器B1传递一个触发信号，经前置单元(3)送往放大单元(4)。放大单元(4)开通或关断功率管T3的能量是利用储存在自给电源(2)中电容C3上的电荷。在信号源的上升(或下降)沿来期以及平顶期，自给电源(2)工作，C3上的电荷是这个时期存储的。
、前置单元(3)的工作原理由于调制输入信号的占空比D是可变的，所以变压器B1输出的高低电平脉冲信号的幅度(1-D)Vm和DVm也是变化的，无法满足驱动的要求，因此需要有一个电平的补充，使得当调制输入信号的占空比D变化时，送到放大单元(4)输入端的高低电平脉冲都有足够的和固定的幅度。电容C4和二极管D3恰好能满足这一要求，在变压器B1输出低电平(负电平)时，D3导通，维持电容C4上一个右正左负的电压DVm。电容C4上的电压和变压器B1输出的电压相叠加，在前置单元(3)的输出端Vo3上，正好是正脉冲时等于Vm，负脉冲时等于零。
、放大单元(4)的工作原理这是最典型的互补型射极输出器结构，无需赘述。
本发明的特点之一是在变压器B1的初级串联了一个隔直电容C1，这样就可以接收各种导通脉宽D的信号。
本发明的特点之二在于，在输入信号的上升沿和下降沿，输入信号只通过脉冲变压器B1提供微小功率的触发信号，因而输出驱动信号延迟很少，失真极微；放大电路所需的能量主要在输入信号的平顶段由变压器B1提供，因为有功率输出，波形将有些畸变，但这段信号稍有失真对驱动功率管T3是毫无影响的。
本发明的第三个特点是，采用了简单的前置单元来进行电平的移动，用以补偿变压器B1输出的高低电平不定的信号，输出具有确定幅值的推动脉冲送往放大单元(4)。
本发明提供的驱动电路也可以应用在双端变换器的驱动上。
图5只是本发明实施例的一种。其中的自给电源(2)、前置单元(3)和放大单元(4)都可以根据需要采取其它的电路结构。
图6是由全波倍压整流器构成的自给电源(2c)以及相应的隔离耦合变压器(1c)。自给电源(2c)由电容C5、C6和二极管D4、D5组成。二极管D4的正极和D5的负极连接后作为本单元的输入端Vi2与变压器B1次级的上端相连；电容C6的下端和C5的左端连接后与变压器B1的下端相连；电容C5的右端与二极管D5的正极相连后作为公共端COM；二极管D4的负极与电容C6的上端相连后作为本单元的输出端点Vo2。当使用这种结构的电源时，就不能再使用原来的前置单元(3)了，可以将本单元的输入端Vi2兼作为前置单元的输出端Vo3，直接与放大单元(4)的输入端Vi4相连就可以了。这时，实际上是电容C5和二极管D5同时起到了前置单元的电平补偿作用在图5的实施例中，由于自给电源(2)中电容C2右端上的电压波形与前置单元(3)的输出端Vo3上的波形基本是一样的，因而前置单元(3)不是必须另设的，可以省去，这时只要将电容C2的右端与放大单元(4)的输入端Vi4连在一起就可以了。
图7是采用共射极放大器的前置单元(3A)，它由电阻R2、R3和三极管T4组成。其中电阻R2的左端作为本单元的输入端Vi3，R2的右端与三极管的基极连接；电阻R3的上端为电源端Vcc，与自给电源(2)的输出端Vo2相连，R3的下端与三极管的集电极相连后作为本单元的输出端Vo3；三极管的发射极为公共端COM。当使用这种结构的前置单元时，变压器B1次级的同名端应颠倒。
图8示出了一种采用图腾柱结构的放大单元(4B)，放大单元(4B)由两只NPN三极管T5和T6组成；T5的集电极作为本单元的电源端Vcc，与自给电源(2)的输出端Vo2相连；T5的发射极和T6的集电极相连作为本单元的输出端Vo4；T6的发射极是公共端COM；本放大单元(4B)有两个输入端，即第一输入端Vi41是T5的基极，第二输入端Vi42是T6的基极。为满足图腾柱结构的触发要求，相应的前置单元(3)也应使用与图7形式基本一致的前置单元(3B)，单元(3A)原来的输出端Vo3在前置单元(3B)里改称第一输出端Vo31，与放大单元(4B)的第一输入端Vi41相连；前置单元(3B)比图7的前置单元(3A)多用一个电阻R4，其左端与R2连在一起成为前置单元(3B)的输入端Vi3，与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连；电阻R4的右端作为前置单元(3B)的第二输出端Vo32，与放大单元(4B)的第二输入端Vi42相连。当使用图7电路时，变压器B1次级的同名端也应颠倒。
本发明提供的驱动电路，当做成单独的组件实施时，隔离耦合单元(1)可以不在组件之中。当组件为薄膜形式的IC时，则电容C2、C3、C4一般也都不在IC器件内，要由器件的使用者自行加上。
权利要求
1.一种隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，它由隔离耦合单元(1)、自给电源(2)和放大单元(4)组成，其特征在于驱动电路的组成还包括前置单元(3)；隔离耦合单元(1)的输出端Vo1与自给电源(2)的输入端Vi2、前置单元(3)的输入端Vi3相连，自给电源(2)的输出端Vo2与放大单元(4)的电源端Vcc相连，前置单元(3)的输出端Vo3和放大单元(4)的输入端Vi4相连，放大单元(4)的输出端Vo4与负载单元(5)中的被驱动的大功率管T3的栅极相连，所有各单元的公共端COM都连在一起。
2.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于隔离耦合单元(1)由隔直电容C1和微型铁氧体变压器B1组成，C1的右端和B1初级的上端相连，本单元的输入端Vil是C1的左端和B1初级的下端，B1次级的下端为公共端COM，上端为隔离耦合单元(1)的输出端Vo1。
3.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于自给电源(2)由二极管D1、D2和电容C2、C3组成半波倍压整流电路；C2的左端为自给电源(2)的输入端Vi2，与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连，C2的右端与D1的负极和D2的正极连接在一起；D1的正极和C3的下端连在一起为公共端COM；D2的负极和C3的上端连接后作为自给电源(2)的输出端Vo2。
4.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于前置单元(3)由电容C4和二极管D3组成，C4的左端作为前置单元(3)的输入端Vi3与隔离耦合单元(1)的输出端Vo1相连，D3的正极作为公共端COM，C4的右端和D3的负极连接后作为前置单元(3)的输出端Vo3；
5.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于放大单元(4)由三极管T1和、T2组成，NPN管T1和PNP管T2的基极连接后作为本单元的输入端Vi4与前置单元(3)的输出端Vo3相连，T1管的集电极作为本单元的电源端Vcc与自给电源(2)的输出端Vo2相连，T2管的集电极作为公共端COM，T1和T2射级接在一起作为本单元的输出端Vo4，当然它也是本发明驱动电路的输出端。
6.根据权利要求1或3所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于自给电源(2)还可由全波倍压整流器构成，即自给电源单元(2c)由电容C5、C6和二极管D4、D5组成；二极管D4的正极和D5的负极连接后作为本单元的输入端Vi2与隔离耦合单元(1)中变压器B1次级的上端相连；电容C6的下端和C5的左端连接后与变压器B1次级的下端相连；电容C5的右端与二极管D5的正极相连后作为公共端COM；二极管D4的负极与电容C6的上端相连后作为本单元的输出端Vo2；并且当使用这种结构的自给电源时，就不必使用单独的前置单元(3)了，本单元的输入端Vi2可以兼作为前置单元的输出端Vo3，直接与放大单元(4)的输入端Vi4相连就可以了。
7.根据权利要求1或4所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于前置单元(3)中的电容C4和二极管D3也可以省去，这时只要将电容C2的右端与二极管D1的负极和D2的正极的连接点作为前置单元的输出端，与放大单元4的输入端Vi4连在一起就可以了。
8.根据权利要求1或4所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于前置单元(3)也可采用共射极放大器，即前置单元(3A)由电阻R2、R3和三极管T4组成；其中电阻R2的左端作为本单元的输入端Vi3，R2的右端与三极管T4的基极连接；电阻R3的上端为电源端Vcc，与自给电源(2)的输出端Vo2相连，R3的下端与三极管的集电极相连后作为本单元的输出端Vo3；三极管的发射极为公共端COM。
9.根据权利要求1或5所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于放大单元(4)也可采用图腾柱结构，为满足图腾柱结构的触发要求，相应的前置单元(3)也应适当改变为(3B)的形式；前置单元(3B)由电阻R2、R3、R4和三极管T4组成，电阻R3的上端为电源端Vcc，R3的下端和三极管T4的集电极相连后是该单元的一个输出端Vo31，电阻R2的右端与三极管T4的基极相连，电阻R2的左端与R4的左端连在一起成为输入端Vi3，R4右端作为该单元的另一个输出端Vo32；图腾柱结构的放大单元(4B)由两只NPN三极管T5和T6组成，T5的集电极作为本单元的电源端Vcc，与自给电源(2)的输出端Vo2相连；T5的基极为本单元的输入端Vi41与前置单元(3B)的输出端Vo31相连；T5的发射极和T6的集电极相连作为本单元的输出端Vo4；T6的基极是本单元的另一个输入端Vi42，与前置单元(3B)的输出端Vo32相连，T6的发射极是公共端COM。
10.根据权利要求1所述的隔离式的绝缘栅功率器件驱动电路，其特征在于本发明提供的驱动电路，当做成单独的组件实施时，隔离耦合单元(1)可以不在组件之中；当组件为薄膜形式的IC时，则电容C2、C3、C4、C5、C6一般也都不在IC器件内，要由组件的使用者自行加上。
全文摘要
本发明涉及功率器件的驱动，提供一种由变压器隔离的、输出占空比可大范围变化的绝缘栅功率器件驱动电路。该驱动电路由隔离耦合变压器1、自给电源2、前置单元3和放大单元4组成。它由变压器提供隔离，由自给电源接收输入信号于平顶阶段传递的能量，由前置单元提供电平补偿，由放大单元将输入信号中的调制信号放大输出。它电路简单，无需配置任何辅助供电装置，就能够输出幅度确定的具有陡峭前后沿的驱动脉冲，特别适用于单端变换器中的大功率管的驱动。
文档编号H02M1/08GK1614863SQ20031010351
公开日2005年5月11日 申请日期2003年11月6日 优先权日2003年11月6日
发明者陈亚宁 申请人:陈亚宁