专利名称：一种磁隔离驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于开关电源功率开关管的磁隔离驱动电路，尤其涉及一种应用于碳化娃功率MOS管的磁隔离驱动电路,属于电气技术学科中的驱动电路技术领域。
背景技术：
磁隔离驱动电路广泛应用于工作电压较高的电源内部，用来驱动电源中功率开关管的开通与关断。随着对开关电源功率密度和效率的要求的不断提高，高压高频化是目前广泛应用的开关电源的发展趋势之一。而基于硅半导体材料的功率开关管经过几十年的飞速发展，性能接近其材料的理论极限，成为限制开关电源性能进一步优化发展的瓶颈。为解决这一问题，基于碳化硅半导体材料的功率开关管应运而生。碳化硅功率MOS管具有耐压高、导通电阻小，开关损耗小和工作频率高等优势，为开关电源的高频化小型化发展注入了新的动力。但碳化硅功率MOS管由于材料的差异和应用要求也导致其对驱动电路的要求与传统硅功率MOS管存在一些不同之处，具体包括需要更高驱动电压获得较低的导通电阻，关断时需要加入一定的负压以防止极易发生的误导通，减小驱动回路寄生参数和增大驱动电流能力以获得功率开关管高频开关动作等。图1是一种常见的磁隔离驱动电路，包括原边隔直电容C1，隔离驱动变压器T1，副边自举电容C2和自举二极管Dp图1所示驱动电路稳态工作时各点的电压波形如图2所示(忽略隔离驱动变压器T1的漏感影响)。其中Vin是控制电路输出的驱动脉冲电压波形，幅值为M1 ；VC1是电容C1两端电压波形，Vp和Vs分别是隔离驱动变压器原边和副边电压波形，Vc2是自举电容C2两端电压波形，Vd是磁隔离驱动电路输出端的电压波形，η是隔离驱动变压器T1的原边与副边绕组匝比。此磁隔离驱动电路的优点是输出电平不随驱动脉冲的占空比D的变化而变化，只与输入驱动脉冲电平信号的幅值M1和隔离驱动变压器T1的绕组匝比η有关。一般情况下，M1和η恒定，所以此驱动电路输出电平稳定。但此磁隔离驱动电路也具有很明显的缺点。隔离驱动变压器T1由于绕制工艺的影响会产生一定的漏感，该漏感会与隔直电容在开通和关断瞬间产生谐振，最终导致驱动电路的输出电平上叠加一定的电压尖峰，如图3所示，而MOS管的开通阈值通常为2 5V(碳化硅MOS管的阈值尤其较低)，电压尖峰可能引起功率开关管的误动作，使电源失效。另外，变压器副边、自举电容C2、驱动电阻&和被驱动MOS管栅源极电容Cgs构成的等效驱动回路如图4所示，其中，Lr为隔离驱动变压器的副边漏感值与线路中寄生电感值之和，在相同幅值M1情况下，L值越大，开通(或关断)瞬间被驱动MOS管的栅极电容充电(或放电)电流上升(或下降)速率变慢，限制了驱动电路的驱动电流能力，被驱动开关管的开通和关断速度越慢。由于隔离驱动变压器副边的漏感的存在，且通常远大于线路中的寄生电感，使得L较大，大大降低了被驱动MOS管的开通和关断速度，增大了被驱动MOS管高频应用时的开关损耗，尤其是对于碳化硅MOS管，其开关损耗小，适于高频应用的优势难以充分发挥。不仅如此，漏感引起的谐振电压尖峰过大还会导致MOS管的栅极被击穿，这一点对于碳化硅MOS管尤为突出，因为碳化硅MOS管的栅极击穿电压(-5V +25V)相对于硅MOS管(通常为-20V +30V)更低，更容易被栅极尖峰电压击穿。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有磁隔离驱动电路方案中存在的隔离变压器漏感引起功率开关管误动作和限制驱动电流能力、制约功率开关管开通和关断速度问题提供一种改进的磁隔离驱动电路，可以有效防止开关管误动作引起的电源失效，同时减小开关损耗，满足功率开关管的高频应用。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:在一些可选的实施例中，所述磁隔离驱动电路包括:产生驱动脉冲的控制电路，所述控制电路由第一直流电源VCCl供电，与所述控制电路连接的隔离驱动变压器T1，所述隔离驱动变压器T1的输入侧与输出侧同名端为同相；连接于控制电路与所述隔离驱动变压器T1输入侧同名端之间的第一电容C1，与所述隔离驱动变压器T1输出侧同名端串联的第二电容C2,连接于所述第二电容C2另一端子与所述隔离驱动变压器T1输出侧异名端之间的二极管D1 ;还包括:与所述二极管D1并联的驱动脉冲放大电路，所述驱动脉冲放大电路由第二直流电源VCC2供电，其中，所述二极管D1的阳极与所述第二直流电源VCC2的地端子GND2相连，与所述驱动脉冲放大电路输出端串联的驱动电阻Rg，驱动电阻Rg的另一端与被驱动MOS管Qsw的栅极相连，与所述第二直流电源VCC2正端子串联的电阻R1，与所述电阻R1的另一端串联的稳压管ZD1，其中，所述电阻R1与稳压管ZD1的连接点与所述被驱动MOS管Qsw的源极相连，与所述稳压管ZD1并联的电容C3，所述稳压管ZD1的阳极与所述第二直流电源VCC2的地端子相连，其中，所述驱动脉冲放大电路、驱动电阻Rg、被驱动MOS管Qsw与稳压管ZD1构成一个串联回路。所述驱动脉冲放大电路是专用的驱动脉冲放大电路集成芯片。所述驱动脉冲放大电路可以是由N型三极管与P型三极管构成的图腾柱电路；N型三极管发射极与P型三极管的发射极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输出端子，N型三极管基极与P型三极管的基极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输入端子，N型三极管的集电极连接所述第二直流电源VCC2正端子，P型三极管的集电极连接所述第二直流电源VCC2的地端子。所述驱动脉冲放大电路可以是由N型MOS管与P型MOS管构成的图腾柱电路#型MOS管源极与P型MOS管的源极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输出端子，N型MOS管栅极与P型MOS管的栅极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输入端子，N型MOS管的漏极连接所述第二直流电源VCC2正端子，P型MOS管的漏极连接所述第二直流电源VCC2的地端子。本发明的有益效果是:有效避免了隔离驱动变压器T1副边漏感对被驱动MOS管的开通和关断速度的影响，同时，驱动脉冲放大电路进一步增强了驱动电路的驱动电流能力，减小了 MOS管的开关损耗，提高了 MOS管的开关频率；由于稳压管ZD1的作用，在驱动脉冲关断时，所述磁隔离驱动电路的输出端驱动电压为一定幅值的负电压(幅值由稳压管的稳压值决定，通常为-2V -5V)，对于驱动回路中寄生电感和电容谐振引起的电压尖峰，所述负电压能够有效防止被驱动MOS管的误导通，有效提高了电源稳态和瞬态工作过程中的稳定性，同时减小了图4所示等效驱动回路中的等效寄生参数Lp因而减小谐振电压尖峰值，大大降低了被驱动MOS管被击穿的可能性，提高了电源工作的可靠性；输出驱动电压可以通过VCC2进行调节，且不随输入驱动脉冲信号占空比的变化而变化，适用于各种占空比信号的应用；所述磁隔离驱动电路结构简单，成本低廉；上述有益效果尤其能够充分发挥碳化硅MOS管的性能优势，使其工作在更高开关频率状态(相对传统硅MOS管)，同时又具有较高的可靠性。
图1是一种常见的磁隔离驱动电路。图2是图1电路稳态工作时的电路各点理想电压波形图。图3是图1电路稳态工作时的电路各点实际电压波形图。图4是MOS管驱动电路的实际等效驱动回路。图5是本发明的电路结构示意图。图6是图5所示电路虚线框300部分的关键点电压波形图。图7是本发明的驱动脉冲放大电路为专用集成驱动放大芯片实例图。图8是本发明的驱动脉冲放大电路为三极管图腾柱实例图。图9是本发明的驱动脉冲放大电路为MOS管图腾柱实例图。图中的主要符号名称:Vin控制电路输出驱动脉冲，Vci第一电容C1两端电压，Vp---变压器T1原边侧电压，Vs---变压器T1副边侧电压，Vc2---第二电容C2两端电压，Vd---二极管两端电压，D---驱动脉冲的占空比，T---驱动脉冲的周期，η---变压器T1的原边与副边绕组匝比，M1- -驱动脉冲电压Vin的高电平幅值，N--Vs实际电压波形的低电平幅值，Vdr-等效驱动脉冲信号，Lr-等效驱动回路中的等效寄生电感值，Rr-等效驱动回路中的等效电阻值，CgsMOS管Qsw栅源极电容，VgsMOS管Qsw栅源极电压，VCCUVCC2分别为第一直流电源、第二直流电源，GNDU GND2分别为第一直流电源的地端子、第二直流电源的地端子，Vtv-驱动脉冲放大电路的输出驱动脉冲，Vzd-稳压管ZD1两端电压，M2驱动脉冲Vfcv的高电平幅值，M3电压Vzd的幅值。
具体实施例方式为了清楚说明本发明中的技术方案，下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述:图5示出了本发明提供的一种磁隔离驱动电路结构示意图，该磁隔离驱动电路包括:产生驱动脉冲的控制电路，所述控制电路由第一直流电源VCCl供电，与所述控制电路连接的隔离驱动变压器T1，所述隔离驱动变压器T1的输入侧与输出侧同名端为同相；连接于控制电路与所述隔离驱动变压器T1输入侧同名端之间的第一电容C1,与所述隔离驱动变压器T1输出侧同名端串联的第二电容(:2，连接于所述第二电容(:2另一端子与所述隔离驱动变压器T1输出侧异名端之间的二极管D1 ;还包括:与所述二极管D1并联的驱动脉冲放大电路，所述驱动脉冲放大电路由第二直流电源VCC2供电，其中，所述二极管D1的阳极与所述第二直流电源VCC2的地端子GND2相连，与所述驱动脉冲放大电路输出端串联的驱动电阻Rg,驱动电阻Rg的另一端与被驱动MOS管Qsw的栅极相连，与所述第二直流电源VCC2正端子串联的电阻R1,与所述电阻R1的另一端串联的稳压管ZD1，其中，所述电阻R1与稳压管ZD1的连接点与所述被驱动MOS管Qsw的源极相连，与所述稳压管ZD1并联的电容C3，所述稳压管ZD1的阳极与所述第二直流电源VCC2的地端子相连，其中，所述驱动脉冲放大电路、驱动电阻Rg、被驱动MOS管Qsw与稳压管ZD1构成一个串联回路。图5所示的磁隔离驱动电路中的虚线框200部分电路与图1所示传统磁隔离驱动电路中的虚线框100部分电路一致。虚线框200部分电路稳态工作时各点的理想电压波形如图2所示。图5所示磁隔离驱动电路的工作原理是:稳态正常工作时，来自控制电路的驱动脉冲Vin经过第一电容C1和隔离驱动变压器T1的原边侧回到第一直流电源VCCl的地端子GNDl0 C1为隔直电容，驱动脉冲经过其后会在上面产生压降Va，电压为左正右负，理想情况下，由于驱动脉冲的周期时间较小，认为电容C1上的电压Va保持恒定。Vin为低电平时，则易得I1 = _VP。根据变压器的伏秒平衡原则可知，第一电容C1两端电压Va的幅值为D -M1,变压器T1原边侧电压Vp的高电平幅值为(1-D) -M1，低电平幅值为-D.M115根据变压器的原边与副边电压转换关系可知，变压器T1的副边侧电压Vs的高电平幅值为(1-D) -H-M1,低电平幅值为-D.η-M10当变压器T1的副边侧为低电平时，二极管D1导通，对第二电容C2充电，C2上产生一个右正左负的压降Vc2，理想情况下，由于驱动脉冲的周期时间较小，认为电容C2上的电压Vc2保持恒定且二极管D1的正向管压降为零，因此\2的幅值为D.η.M115因此，在变压器T1的副边侧为高电平时，二极管D1两端的电压Vd为T1的副边侧电压Vs与电容C2上的电压Vc2之和，因此Vd的高电平幅值为D.η.M1+(1-D).η.M1 = η.M1，低电平幅值为零。虚线框200部分电路实际稳态工作电压波形如图3所示。由于变压器绕制工艺的原因，变压器T1中不可避免会存在漏感，变压器T1的副边侧漏感在驱动脉冲导通和关断的瞬时会与电容C2发生谐振，因此会在稳态工作理想电压波形的导通和关断时刻叠加一个电压尖峰，此时变压器T1的副边侧电压Vs的低电平峰值为-N，则电容C2被充电后的电压幅值为N。所以，通过电压Vs和电压Vc2的叠加可知，二极管D1的高电平平台幅值为η.Ml,jg电平平台幅值为N-D.n M，在图1所示的驱动电路中，该低电平平台幅值可能导致被驱动MOS管Qsw的误导通。图5所示磁隔离驱动电路中虚线框300部分电路的工作原理如下:虚线框300部分电路关键点稳态工作的理想电压波形如图6所示。二极管D1两端电压Vd进入驱动脉冲放大电路，该驱动脉冲放大电路由第二直流电源VCC2供电，直流电源VCC2与直流电源VCCl是两路隔离的直流电源。驱动脉冲放大电路的功能是根据输入电压Vd的占空比D和周期Τ，输出与Vd相同相位、占空比和相同周期的新驱动脉冲Vtv，同时提高驱动脉冲的电流能力。Vdrv的高电平幅值为M2，低电平幅值为零，其中M2的大小由直流电源VCC2和驱动脉冲放大电路的结构共同决定。由于驱动脉冲放大电路的作用，电压Vd中叠加的由变压器T1副边侧漏感与电容C2谐振产生的电压尖峰被消除，有效避免了电压尖峰可能导致的被驱动MOS管Qsw的误动作。第二直流电源VCC2、电阻R1和稳压管ZD1构成一个串联回路，由稳压管ZDi的稳压特性可知，稳态工作时稳压管ZD1两端保持恒定电压Vzd，Vzd的极性为上正下负，幅值为M3，M3的大小由稳压管ZD1的额定稳压值决定。电容C3的作用是维持稳压管ZD1两端电压Vzd在瞬态变化过程中维持恒定。驱动脉冲放大电路、驱动电阻Rg、被驱动MOS管Qsw的栅源极与稳压管ZD1构成一个串联回路。驱动脉冲电压Vtv经驱动电阻Rg传输到Qsw的栅源极，然后经过稳压管ZD1回到驱动脉冲放大电路的地端子GND2。由MOS管的驱动特性可知，驱动电阻Rg上仅在导通和关断瞬时流过很大的尖峰电流，稳态工作时，驱动电阻Rg上几乎不流过电流，因此两端电压为零。所以，被驱动MOS管Qsw的栅源极电压Vgs为Vto与稳压管两端电压Vzd之差，Vgs的高电平幅值为M2-M3，低电平幅值为-M3。由图4所示MOS管驱动电路的实际等效驱动回路可知，图5所示磁隔离驱动电路的等效驱动回路中不包含变压器T1的副边侧漏感，因此等效电感Lr的值大幅减小，驱动脉冲电压上叠加的电压尖峰值减小，降低了被驱动MOS管栅极被尖峰电压击穿的可能性，提高了电源工作的可靠性。根据电感特性可知V = Lr.(dk/dt)，其中，V为电感两端电压。在L相同的情况下，Lr越小，则电感电流的变化率dijdt越大，从而可以使Qsw的导通和关断速度越快，开关损耗越小，且驱动脉冲放大电路也进一步增强了驱动脉冲的电流能力，因而Qsw能够工作在更高的开关频率状态下。此外，Vgs的低电平幅值为-M3，而传统驱动电路的低电平幅值为零，这可以进一步加快Qsw的关断速度，同时防止由于驱动回路中寄生参数k谐振引起的开关管误动作。在图7所示的可选例中，驱动脉冲放大电路选用专用集成驱动放大芯片，如IXDN609等。该专用集成驱动放大芯片能够输出与输入驱动脉冲信号相同相位、相同占空比和相同周期的新驱动脉冲信号，同时，驱动芯片内部集成了电流放大电路，增强了驱动脉冲的电流能力。其它电路的工作原理和过程与图5完全相同。在图8所示的可选例中，驱动脉冲放大电路选用N型三极管Q1与P型三极管Q2构成的图腾柱电路。N型三极管发射极与P型三极管的发射极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输出端子，N型三极管基极与P型三极管的基极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输入端子，N型三极管的集电极连接所述第二直流电源VCC2正端子，P型三极管的集电极连接所述第二直流电源VCC2的地端子GND2。在驱动脉冲放大电路的输入为高电平时，三极管Q1导通，Q2关断，驱动脉冲放大电路输出为由VCC2的幅值决定的高电平，幅值SM2-M3 ;而当驱动脉冲放大电路的输入为低电平时，三极管Q1关断，Q2导通，驱动脉冲放大电路输出为由稳压管ZD1的稳压值Vzd决定的低电平，幅值为-M3 ;即该图腾柱电路能够输出与输入驱动脉冲信号相同相位、相同占空比和相同周期的新驱动脉冲信号。而且由于三极管％和92的电流放大作用，新驱动脉冲的电流能力得到增强。其它电路的工作原理和过程与图5完全相同。在图9所示的可选例中，驱动脉冲放大电路选用N型MOS管Q1与P型MOS管Q2构成的图腾柱电路。N型MOS管源极与P型MOS管的源极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输出端子，N型MOS管栅极与P型MOS管的栅极相连作为所述驱动脉冲放大电路的输入端子，N型MOS管的漏极连接所述第二直流电源VCC2正端子，P型MOS管的漏极连接所述第二直流电源VCC2的地端子GND2。在驱动脉冲放大电路的输入为高电平时，MOS管Q1导通，Q2关断，驱动脉冲放大电路输出为由VCC2的幅值决定的高电平，幅值为M2-M3 ;而当驱动脉冲放大电路的输入为低电平时，MOS管Q1关断，Q2导通，驱动脉冲放大电路输出为由稳压管ZD1的稳压值Vzd决定的低电平，幅值为-M3 ;即该图腾柱电路能够输出与输入驱动脉冲信号相同相位、相同占空比和相同周期的新驱动脉冲信号。而且由于MOS管Q1和Q2的电流放大作用，新驱动脉冲的电流能力得到增强。其它电路的工作原理和过程与图5完全相同。使用了本发明的驱动电路，能够提闻开关速度，减小开关损耗，提闻MOS管工作的开关频率，同时防止了寄生参数引起的开关管误动作，提高了开关管工作的可靠性。尤其是能够充分满足碳化硅MOS管的驱动要求，发挥其性能优势。
权利要求
1.本发明涉及一种磁隔离栅极驱动电路，包括:产生驱动脉冲的控制电路，所述控制电路由第一直流电源(VCCl)供电，与所述控制电路连接的隔离驱动变压器(T1),所述隔离驱动变压器(T1)的输入侧与输出侧同名端为同相，连接于控制电路与所述隔离驱动变压器(T1)输入侧同名端之间的第一电容(C1),与所述隔离驱动变压器(T1)输出侧同名端串联的第二电容(C2),连接于所述第二电容(C2)另一端子与所述隔离驱动变压器(T1)输出侧异名端之间的二极管(D1);其特征在于，还包括: 与所述二极管(D1)并联的驱动脉冲放大电路，所述驱动脉冲放大电路由第二直流电源(VCC2)供电，所述二极管(D1)的阳极与所述第二直流电源VCC2的地端子相连，与所述驱动脉冲放大电路输出端串联的驱动电阻(Rg)，驱动电阻(Rg)的另一端与被驱动MOS管(Qsw)的栅极相连，与所述第二直流电源(VCC2)正端子串联的电阻(R1),与所述电阻(R1)的另一端串联的稳压管(ZD1),其中，所述电阻(R1)与稳压管(ZD1)的连接点与所述被驱动MOS管(Qsw)的源极相连，与所述稳压管(ZD1)并联的第三电容(C3),所述稳压管(ZD1)的阳极与所述第二直流电源(VCC2)的地端子相连，其中，所述驱动脉冲放大电路、驱动电阻(Rg)、被驱动MOS管(Qsw)与稳压管(ZD1)构成一个串联回路。
2.按权利要求1所述的磁隔离栅极驱动电路，其特征在于，所述驱动脉冲放大电路是专用的驱动脉冲放大电路集成芯片。
3.按权利要求1所述的磁隔离栅极驱动电路，其特征在于，所述驱动脉冲放大电路可以是由N型三极管与P型三极管构成的图腾柱电路；N型三极管发射极与P型三极管的发射极相连作为所述驱动脉冲放大电路输出端子，N型三极管基极与P型三极管的基极相连作为所述驱动脉冲放大电路输入端子，N型三极管的集电极连接所述第二直流电源(VCC2)正端子，P型三极管的集电极连接所述第二直流电源(VCC2)地端子。
4.按权利要求1所述的磁隔离栅极驱动电路，其特征在于，所述驱动脉冲放大电路可以是由N型MOS管与P型MOS管构成的图腾柱电路；N型MOS管源极与P型MOS管源极相连作为所述驱动脉冲放大电路输出端子，N型MOS管栅极与P型MOS管的栅极相连作为所述驱动脉冲放大电路输入端子，N型MOS管的漏极连接所述第二直流电源(VCC2)正端子，P型MOS管的漏极连接所述第二直流电源(VCC2)地端子。
全文摘要
本发明涉及一种应用于开关电源功率开关管的磁隔离驱动电路，尤其涉及一种应用于碳化硅功率MOS管的磁隔离驱动电路。包括控制电路；第一电容C1；隔离驱动变压器T1；第二电容C2；二极管D1；驱动脉冲放大电路，并联于二极管D1；稳压管ZD1；电容C3，并联于稳压管ZD1；电阻R1和驱动电阻Rg。本发明有效避免了变压器T1副边漏感对开关管的影响，减小了驱动电压尖峰值，降低了开关管被击穿的可能性；驱动电流能力强，提高开关管的开关频率。驱动脉冲含有负电压，能够有效防止被驱动开关管的误导通，提高电源的工作稳定性。适用于各种占空比信号；电路结构简单，成本低廉，尤其能够充分发挥碳化硅MOS管的性能优势。
文档编号H02M1/08GK103095108SQ20131005727
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者赵斌, 秦海鸿, 聂新, 马策宇, 袁源 申请人:南京航空航天大学