端接变压器4的原边同名端。
[0024] 变压器4用于实现栅极驱动信号的隔离，原边非同名端连接输入隔离电路3和输 入端地，副边非同名端连接电压抬升电路5中二极管D的阳极和桥式变换器开关管6的源 极。
[0025] 电压抬升电路5用于将变压器4副边输出的平均电压为零的交流信号中加入直流 量，它包括电容(：2和二极管D，其中电容C2-端接变压器副边同名端，另一端接二极管D的 阴极，二极管阳极接变压器4副边非同名端和桥式变换器开关管6的源极。电压抬升电路 5与桥式变换器开关管6以及栅极电容泄放回路7以并联的形式连接在一起。
[0026] 桥式变换器开关管6用于通过其开通关断，控制全桥电路的电压转换，它由功率NM0S管Μ组成，其栅极接电压抬升电路5的输出端（二极管D的阴极），若此开关管在全桥 变换器桥臂中为上管，则漏极连接全桥输入高电压，源级连接下管的漏级；若此开关管在全 桥变换器桥臂中为下管，则漏极连接上管源级，源极连接输出端地。
[0027] 栅极电容泄放回路7用于控制变压器副边电容C2上电荷的泄放，使功率开关管栅 源间电压快速降至低电压，避免功率开关管漏源直通。它由线性光耦0ΡΤ0、直流电压源DC2、 NPN三极管Q3以及电阻R2、R3、R4组成，线性光耦OPTO用来实现隔离以及功率开关管的栅源 短路，直流电压源DC2、NPN三极管％以及电阻1?2、私、1?4是线性光耦的驱动电路，其中线性光 耦0ΡΤ0的输入二极管正端连接电阻R2的一端，线性光耦0ΡΤ0的输入二极管负端连接NPN 三极管Q3的集电极端，线性光耦0ΡΤ0的输出三极管发射极端和集电极端并联在电压抬升 电路5的输出端，分别连接在二极管D的阳极和阴极端。直流电压源DC2的正极连接电阻1?2 的另一端，负极连接输入端地。NPN三极管Q3基极端连接电阻R3的一端和电阻R4的一端， 发射极端连接&的另一端以及输入端地。电阻R3的另一端连接单片机模块1的光耦控制 信号输出端。
[0028] 为了简化分析，假设所有元件均为理想状态且忽略变压器的漏感。
[0029] 当电路正常工作时，单片机模块1输出栅极驱动控制PWM信号到互补驱动电路2， 此PWM信号的峰值与直流电压源DQ的电压值大致相同，当PWM信号为正时，NPN三极管Q1 导通，PNP三极管Q2截止，互补驱动电路2的输出为直流电压源DCi的电压值；当PWM信号 为零时，NPN三极管仏截止，PNP三极管Q2导通，互补驱动电路2的输出为零，因此互补驱动 电路2的输出跟随单片机输出的PWM信号。输入隔呙电路3作用是将互补驱动电路2输出 波形的直流分量隔离，使输入变压器原边的平均电压为零，其中电阻R1用于调节变压器原 边波形的建立时间。信号自变压器4副边输出后，其正负幅值相同，平均电压为零。由于当 输出信号为负时，二极管D导通，其负极电压为输出端地电压，当输出信号为正时，二极管D 截止，由稳定状态下电容C2上电压基本恒定可得，此恒定电压为变压器4副边输出信号峰 峰值的一半，因此电压抬升电路5输出在桥式变换器开关管6栅源间的电压被抬升，与互补 驱动电路2输出波形一致，达到可以驱动功率开关管Μ的要求。
[0030] 当电路停止工作时，单片机模块1的栅极驱动控制信号端输出零电压到互补驱动 电路2,ΝΡΝ三极管仏截止，ΡΝΡ三极管Q2导通，此时变压器4原边隔直电容Ci上的电荷通 过电阻&和三极管Q2迅速泄放，若变压器4副边上电容C2上电荷没有快速泄放的回路，其 电压只能缓慢的降低（见图2)，此过程长达数百毫秒，其间功率开关管Μ的栅源间电压还将 有很长一段时间大于开关管的阈值电压，导致漏源导通，引起很大的直通损耗，甚至损坏开 关管。设电路停止工作时刻为t= 0,电容(：2上的初始电压为V。，t时刻电容C2上的电压为 vc(t)，流过电容(：2电流为i(t)，功率开关管栅源等效电阻为Rtni，有：
[0031]
[0032]
[0033] 联立式⑴和式⑵得：
[0034]
[0035] 此微分方程的解为：
[0036]
,4)
[0037] 此电压也是功率开关管Μ的栅源电压。
[0038] 在电路中加入栅极电容泄放回路7后，设光耦输出三极管的导通电阻为则电 容两端的电压为：
[0039]
(5)
[0040] 由于^6的值很小，因此加入栅极电容泄放回路7之后功率开关管栅源电压下降的 速度很快，在电容(：2为几微法量级时，栅源电压在数十纳秒即可降至阈值电压以下，大大提 高了电路停止工作时功率开关管关断的响应速度。由于二极管D存在导通压降，栅源电压 随后一段时间保持以绝对值较小的负电平（见图3)。
[0041] 以上分析表明，由于光耦0ΡΤ0输出三极管的导通电阻&6远小于功率开关管栅源 等效电阻为Rt"，采用本发明的驱动电路在停止工作时，功率开关管关断的响应速度远快于 未采用本发明的一般电路。除此之外，由于线性光耦0ΡΤ0具有隔离特性，采用本发明的驱 动电路可以应用在全桥拓扑结构中不同位置，不受漏极和源级对地压差的限制，灵活并且 实用。
【主权项】
1. 一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路，包括单片机模块、互补驱 动电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管，单片机模块、互补驱动 电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管依次串联，其中单片机模 块、互补驱动电路、输入隔离电路的公共接地端以及变压器原边的非同名端均连接输入端 地，电压抬升电路中二极管的阳极和变压器副边的非同名端均连接桥式变换器开关管的源 极； 其特征在于：增设包括线性光耦OPTO、直流电压源DC2、NPN三极管％以及电阻R2、R3、R4构成的栅极电容泄放回路，栅极电容泄放回路的输入端与单片机模块的光耦控制信号输 出端口连接，利用单片机模块输出的光耦控制信号控制栅极电容泄放，栅极电容泄放回路 的输出端与电压抬升电路的输出端并联，在桥式变换器开关管的栅驱动停止工作、驱动电 压为低电平的时候，将电压抬升电路短路；其中： 线性光耦OPTO含有输入二极管和输出三极管，其中输入二极管的正端连接电阻私的 一端，输入二极管的负端连接NPN三极管％的集电极，输出三极管发射极和集电极分别连 接电压抬升电路中二极管D的阳极和阴极，直流电压源DC2的正极连接电阻1?2的另一端， 直流电压源〇(： 2的负极连接输入端地，NPN三极管Q3基极连接电阻R3的一端和电阻R4的一 端，NPN三极管Q3的发射极连接电阻R4的另一端并连接输入端地，电阻R3的另一端连接单 片机模块的光耦控制信号输出端口。
【专利摘要】一种采用隔离变压器的桥式变换器单路信号栅驱动电路，在传统的包括单片机模块、互补驱动电路、输入隔离电路、变压器、电压抬升电路和桥式变换器开关管电路的基础上，增设包括线性光耦OPTO、直流电压源DC2、NPN三极管Q3以及电阻R2、R3、R4构成的栅极电容泄放回路，利用单片机模块输出的光耦控制信号控制栅极电容泄放，栅极电容泄放回路的输出端与电压抬升电路的输出端并联，在桥式变换器开关管的栅驱动停止工作、驱动电压为低电平的时候，将电压抬升电路短路，实现了栅驱动的短路可控以及数模隔离，使得隔离栅驱动在结束工作时栅源电压能够迅速降至零电压，避免了桥式变换器开关管的漏源直通而损坏的问题。
【IPC分类】H02M1/34, H02M1/092, H02M3/335
【公开号】CN105305831
【申请号】CN201510658282
【发明人】孙伟锋, 苏畅, 俞居正, 钱钦松, 陆生礼, 时龙兴
【申请人】东南大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月12日