一种基于高频载波的可控硅驱动电路及方法和系统与流程

1.本发明涉及电子领域，具体但不限于涉及一种基于高频载波的可控硅驱动电路及其驱动方法和负载驱动系统。


背景技术：

2.可控硅作为一种交流开关，在家电领域得到广泛的应用。相比于继电器，可控硅体积小，驱动功耗低，寿命长；相比于金属氧化物场效应管(mos)或绝缘栅双极型晶体管(igbt)，可控硅极具成本优势。因此，作为一种具有长期使用历史的分立器件，可控硅在家电领域具有广泛应用，如用于加热丝通断、风扇摇头、导风轮电机的开关、单相感应电机的分档调速等场合。
3.在很多应用中，可控硅控制端的门极控制参考地和微控制器不共地，而可控硅的隔离驱动和全控型器件一样依然是个复杂的问题。图1示出了一种典型的可控硅隔离驱动方案示意图。如图1所示，可控硅为双向可控硅，当可控硅传递功率的两端承受正压或负压，可控硅的控制端对参考地施加正向(或负向)的电压或电流时，可控硅即可被触发导通。光耦实现了两个不同参考地之间的信号隔离，但在这种方案中，需要在可控硅侧增加一套独立于原边侧电源vcc1的电源装置vcc2，方可产生用于驱动可控硅的信号。额外增加的供电电源对成本敏感的家电产品是个较大的负担。另外，光耦存在光衰失效问题，在可靠性要求高的场合，为了提高可靠性，可控硅的隔离驱动需要特别处理，这进一步提高了成本。
4.有鉴于此，需要提供一种新的结构或控制方法，以期解决上述至少部分问题。


技术实现要素：

5.至少针对背景技术中的一个或多个问题，本发明提出了一种基于高频载波的可控硅隔离驱动方法、驱动电路和负载驱动系统。
6.根据本发明的一个方面，一种可控硅驱动电路，包括：调制电路，基于调制信号输出受控振荡信号；隔离式传递装置，具有第一端和第二端，隔离式传递装置的第一端接收受控振荡信号，隔离式传递装置的第一端和第二端之间电气隔离，隔离式传递装置从第一端向第二端传递信号和能量；以及解调电路，具有输入端和输出端，其中解调电路的输入端耦接隔离式传递装置的第二端，解调电路的输出端耦接可控硅的控制端用于驱动可控硅。
7.在一个实施例中，调制电路包括振荡信号发生电路，当调制信号为第一状态时，振荡信号发生电路被使能，调制电路输出振荡信号，调制电路输出信号和能量；当调制信号为第二状态时，振荡信号发生电路被抑制，调制电路停止输出振荡信号，也停止输出能量。
8.在一个实施例中，受控振荡信号在调制信号为第一逻辑状态时输出方波信号或正弦波信号，受控振荡信号在调制信号为第二逻辑状态时输出恒定电平。
9.在一个实施例中，隔离式传递装置包括电容，其中电容的第一端耦接调制电路的输出端，电容的第二端耦接解调电路的输入端。
10.在一个实施例中，解调电路包括：第一二极管，第一二极管的阴极耦接电容的第二
端，第一二极管的阳极耦接可控硅的控制端；以及第二二极管，第二二极管的阳极耦接电容的第二端，第二二极管的阴极耦接可控硅的一端。
11.在一个实施例中，解调电路包括：第一二极管，第一二极管的阳极耦接电容的第二端，第一二极管的阴极耦接可控硅的控制端；以及第二二极管，第二二极管的阴极耦接电容的第二端，第二二极管的阳极耦接可控硅的一端和偏置电压的输出端。
12.在一个实施例中，可控硅的一端通过偏置电压或电容耦接调制电路的参考地。
13.在一个实施例中，隔离式传递装置包括：第一电容，第一电容的第一端耦接调制电路的输出端，第一电容的第二端耦接解调电路的第一输入端；以及第二电容，第二电容的第一端耦接调制电路的输出端，第二电容的第二端耦接解调电路的第二输入端。
14.在一个实施例中，解调电路包括全桥整流电路，其中全桥整流电路的第一输入端耦接第一电容的第二端，全桥整流电路的第二输入端耦接第二电容的第二端，全桥整流电路的第一输出端耦接可控硅的控制端，全桥整流电路的第二输出端耦接可控硅的一端。
15.在一个实施例中，隔离式传递装置包括第一线圈和与第一线圈电磁耦合的第二线圈，第一线圈和第二线圈之间相互隔离，其中第一线圈耦接调制电路的输出端，第二线圈耦接解调电路的输入端。
16.在一个实施例中，解调电路包括全桥整流电路，其中全桥整流电路的第一输入端耦接第二线圈的第一端，全桥整流电路的第二输入端耦接第二线圈的第二端，全桥整流电路的第一输出端耦接可控硅的控制端，全桥整流电路的第二输出端耦接可控硅的一端。
17.根据本发明的另一个方面，一种负载驱动系统包括负载、可控硅、交流电源以及如上任一实施例所述的可控硅驱动电路。
18.根据本发明的又一个方面，一种用于驱动可控硅的方法包括：通过二进制振幅键控方式产生受控振荡信号；基于受控振荡信号通过隔离方式同时将信号和能量从控制侧传递至可控硅的门极驱动侧；以及将门极驱动侧的信号进行解调用于驱动可控硅。
19.在一个实施例中，基于受控振荡信号通过隔离方式同时将信号和能量从控制侧传递至可控硅的门极驱动侧的方法包括通过容性耦合的方式将电流信号从电容的第一端传递到第二端，用于驱动可控硅。
20.在一个实施例中，容性耦合采用差分电容。
21.在一个实施例中，基于受控振荡信号通过隔离方式同时将信号和能量从控制侧传递至可控硅的门极驱动侧的方法包括通过感性耦合的方式将电压信号和能量从第一线圈传递到第二线圈，用于驱动可控硅。
22.本发明提出的可控硅驱动电路、驱动方法和负载驱动系统，同时解决了可控硅驱动信号隔离和驱动供电的问题，简化了系统的电源配置，增强了隔离通信的可靠性。
附图说明
23.附图用来提供对本发明的进一步理解，与说明描述一起用于解释本发明的实施例，并不构成对本发明的限制。在附图中：
24.图1示出了一种典型的可控硅隔离驱动方案示意图；
25.图2示出了根据本发明一实施例的可控硅驱动电路示意图；
26.图3示出了根据本发明一实施例的调制电路的输入输出信号波形示意图；
27.图4示出了根据本发明一实施例的包含容性传递介质的负载驱动系统示意图；
28.图5示出了根据本发明另一实施例的包含容性传递介质的负载驱动系统示意图；
29.图6示出了根据本发明又一实施例的包含容性传递介质的负载驱动系统示意图；
30.图7示出了根据本发明一实施例的包含感性传递介质的负载驱动系统示意图。
具体实施方式
31.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
32.该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。不同实施例的组合、不同实施例中的一些技术特征进行相互替换，相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
33.说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接。间接连接为通过中间媒介进行的连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容，也可通过说明书中实施例所描述的中间电路或部件的连接；间接连接还可包括可实现相同或相似功能的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、信号放大电路、跟随电路等电路或部件的连接。“多个”或“多”表示两个或两个以上。
34.图2示出了根据本发明一实施例的可控硅驱动电路示意图。优选地，该可控硅驱动电路为基于ook(ook，on-off keying)调制的高频载波控制的隔离式可控硅驱动电路。该隔离式可控硅驱动电路的第一侧为控制侧，提供控制信号，第二侧为可控硅t1的门极驱动侧，用于驱动可控硅t1，其中控制侧的参考地gnd与门极驱动侧的参考端ref不共地。在ook调制中，调制信号on/off为二进制信号，当调制信号为“on”的第一状态时，调制电路输出信号为第一状态，如高频振荡信号，当调制信号为“off”的第二状态时，调制电路输出信号为第二状态，如输出信号为低幅值或零值状态。可控硅驱动电路包括ook调制电路21、隔离式传递装置22和ook解调电路23。这样通过二进制信号的控制，可以把对可控硅开关的控制通过载波控制加载进去，例如，当可控硅t1需要导通时，调制电路21输出高频振荡信号，当可控硅t1需要关断时，调制电路21输出低幅值信号或恒定电压，调制电路21提供高频载波信号。ook调制电路21接收调制信号on/off，提供受调制信号on/off调制的受控振荡信号，作为可控硅t1的受控门极开关信号。其中当调制信号on/off为第一状态“on”时，受控门极开关信号为高频振荡信号，当调制信号on/off为第二状态off时，受控门极开管信号为恒定电平如零值。在一个实施例中，调制电路21包括振荡信号发生电路，如高频方波振荡器，当调制信号on/off为高电平或其他特定波形的第一状态时，振荡信号发生电路被使能，调制电路21输出高频振荡信号，如高频方波信号，调制电路21通过隔离式传递装置22输出信号和能量；当调制信号on/off为低电平或其他波形的第二状态时，振荡信号发生电路被抑制，调制电路停止向隔离式传递装置22输出信号和能量。高频振荡信号中的高频可用于指振荡信号的频率高于二值调制信号的频率，也可指本领域中常规的具有特定较高频率范围的含义。
35.隔离式传递装置22也称传递介质，为可以传递高频信号和能量的介质或装置，传递的物理信号可以是磁或电等信号。隔离式传递装置22具有第一端和第二端，其中第一端耦接调制电路21，第二端耦接解调电路23，隔离式传递装置22的第一端和第二端之间电隔
离。隔离式传递装置22可以通过容性耦合的方式从控制侧向门极驱动侧传递信号，将控制侧的电流信号从电容的第一端传递到第二端，用于驱动可控硅t1，同时实现驱动信号的传递和电能的传递。隔离式传递装置22也可以通过感性耦合从控制侧向门极驱动侧传递信号，通过隔离线圈的电磁耦合实现非共地可控硅门极驱动侧和控制侧的信号隔离，通过感性耦合的方式将电压信号和能量从第一线圈传递到第二线圈，用于驱动可控硅，同时实现驱动信号的传递和电能的传递。当容性或感性的隔离式传递装置在控制侧接收高频振荡信号时，隔离式传递装置的门极驱动侧也产生相应的振荡信号，其波形与控制侧的振荡信号的波形相对应，可以为同向的电流信号或波形反相的电压信号，该耦合产生的电流振荡信号或电压振荡信号包含能量，由此容性或感性的隔离式传递装置在门极驱动侧无需额外的独立电源即可驱动可控硅t1。
36.解调电路23接受隔离式传递装置22传递的振荡信号，解调成单边信号驱动可控硅。解调电路23作为门极驱动电路，用于驱动可控硅t1。可控硅可以是单向可控硅或双向可控硅。
37.在上述实施例的可控硅驱动方式中，可控硅驱动电路通过二进制振幅键控方式产生受控的振荡信号，基于受控振荡信号通过隔离方式同时将信号和能量从控制侧传递至可控硅的门极驱动侧，并将门极驱动侧的信号进行解调用于驱动可控硅。通过这种方式，简化了系统的电源配置，同时实现隔离通信。
38.图3示出了根据本发明一实施例的调制电路的输入输出信号波形示意图。调制电路基于二进制调制信号on/off输出受控振荡信号mod。当调制信号on/off为“on”的状态，即高电平状态时，受控振荡信号mod提供高频方波信号，即此时调制电路输出方波信号。当二进制调制信号on/off为“off”的状态，即低电平状态时，受控振荡信号mod为零值信号，调制电路的输出信号维持低电平。当然二值调制信号的“on”逻辑状态或“off”逻辑状态也可以通过其他的波形来表示，如“on”逻辑状态用低电平表示，“off”逻辑状态用高电平表示，或各自用用不同的波形表示。在调制信号为第一逻辑状态时，受控振荡信号除了提供高频方波信号，也可以提供正弦波、梯形波等振荡信号。当调制信号为第二逻辑状态时，受控振荡信号也可以维持高电平恒压状态。这种调制方式可称为ook调制方式，当然该名称仅用于指代，该种类型的调制方式也可以具有其他的命名，如二值调制高频载波方式等。
39.在另一个实施例中，二进制调制信号on/off为受控的高频调制信号，即直接采用幅值较低波形如图3中信号mod的逻辑信号作为二进制调制信号来输入调制电路，该受控高频调制信号可以从其它类型的调制信号如低频调制信号调制而来。调制电路包括开关，当二进制调制信号为“on”时，开关导通，原边的电压源施加至隔离式传递装置的第一端，当二进制调制信号on/off为“off”的状态时，开关关断，隔离式传递装置第一端电压接地，采用二进制调制信号on/off控制开关的导通和关断进而产生频率/波形与二进制调制信号on/off变化一致的振荡信号。
40.图4示出了根据本发明一实施例的包含可控硅驱动电路的负载驱动系统示意图。负载驱动系统包括可控硅t1、负载rl、交流电源vac和可控硅驱动电路。其中可控硅驱动电路包含容性传递介质作为隔离式传递装置。可控硅t1、负载rl和交流电源vac等部件相互串联构成电路环路，用于为交流负载rl提供可控的驱动。可控硅t1作为交流开关，通过控制可控硅t1的导通，调节流经负载rl的驱动电能，进而控制负载rl，例如控制加热丝的通断，风
扇的转向等。可控硅驱动电路包括调制电路41、电容c1、解调电路43和偏置电压voffset，用于产生门极驱动信号至可控硅的控制端，实现可控硅的导通和关断。其中电容c1的第一端耦接调制电路41的输出端，电容c1的第二端耦接解调电路43的输入端。解调电路43可包括第一二极管d1和第二二极管d2，其中第一二极管d1的阴极耦接电容c1的第二端，第一二极管d1的阳极耦接可控硅t1的控制端(门极)。第二二极管d2的阳极耦接电容c1的第二端，第二二极管d2的阴极耦接可控硅的一端。其中可控硅t1的一端指不包括其控制端(门极端)的一端。二极管d1和d2构成半波直流电路，将高频电流信号解调出来施加至可控硅t1的门极，从而实现可控硅t1的触发。具体地，当调制电路41接收到的调制信号on/off为“off”状态时，调制电路41中的高频方波振荡器不工作，电容c1中没有电流，可控硅t1门极也没有电流，因此可控硅t1不被触发；当调制信号on/off为“on”状态时，高频方波振荡器启振，在方波的上升沿，电容c1上产生幅值为dv/dt的电流，该电流流经二极管d1至可控硅t1的门极、以及偏置电压源voffset到参考地gnd；在方波的下降沿，电容c1产生反向的dv/dt电流流经二极管d2和偏置电压源voffset到地gnd。如此反复，电容c1的电荷充放电平衡，可控硅t1有净电流流经门极，当该电流足够大时，可控硅t1被正常触发。控制侧的参考地gnd和可控硅t1门极侧的参考端ref(即可控硅t1的一端)也可以不存在偏置电压voffset，而可以用一个电容代替。上述二极管d1和d2的接法适合可控硅t1工作在二三象限的场合，所需驱动电流较低，因此具有较低的驱动功耗。
41.图5示出了根据本发明另一实施例的包含可控硅驱动电路的负载驱动系统示意图。与图4中的负载驱动系统和可控硅驱动电路相比，可控硅t1工作在一四象限，解调电路中的第一二极管d1和第二二极管d2的极性接法与图4中的极性相反。具体地，第一二极管d1的阳极耦接电容c1的第二端，第一二极管d1的阴极耦接可控硅t1的控制端，第二二极管d2的阴极耦接电容c1的第二端，第二二极管d2的阳极耦接可控硅t1的一端。
42.图6示出了根据本发明又一实施例的包含容性传递介质的负载驱动系统示意图。在这个实施例中，可控硅驱动电路采用差分电容和全波整流。隔离式传递装置62包括第一电容c1和第二电容c2，其中第一电容c1的第一端耦接调制电路61的第一输出端，第一电容c1的第二端耦接解调电路63的第一输入端。第二电容c2的第一端耦接调制电路61的第二输出端，第二电容c2的第二端耦接解调电路63的第二输入端。调制电路61的第一输出端和第二输出端提供的可控振荡信号在震荡时其波形反相，即在振荡期间，当第一输出端输出高电平时，第二输出端输出低电平，当第一输出端输出低电平时，第二输出端输出高电平，两个信号分别施加在第一电容c1和第二电容c2上，形成差分电容。解调电路63包括一全桥整流电路，具体地，包括四个二极管d1、d2、d3和d4，其中全桥整流电路的第一输入端(二极管d1阳极，d2的阴极)耦接第一电容c1的第二端，全桥整流电路的第二输入端(二极管d3的阳极，d4的阴极)耦接第二电容c2的第二端，全桥整流电路的第一输出端(二极管d1和d3的阴极)耦接可控硅t1的控制端，全桥整流电路的第二输出端(二极管d2和d4的阳极)耦接可控硅t1的一端。在一个实施例中，当调制电路61接收到的调制信号on/off为“off”状态时，调制电路不输出振荡信号，电容c1的第一端电压和电容c2的第一端电压保持恒定，电容c1和c2上不产生电流，可控硅t1不被驱动。当调制电路61接收到的调制信号on/off为“on”状态时，调制电路61输出高频振荡信号。当第一电容c1的第一端上电压进入振荡信号的波形上升沿时，第二电容c2的第一端上电压进入波形下降沿，电容c1上产生电流流经二极管d1、可
控硅t1门极到可控硅一端ref、再经二极管d4流入电容c2，电容c1和c2上电流平衡。当第一电容c1的第一端上电压进入波形下降沿时，第二电容c2的第一端上电压进入波形上升沿，电容c2上产生电流流经二极管d3、可控硅t1门极到可控硅一端ref、再经二极管d2流入电容c1。这样，在调制信号on/off的“on”状态下，可控硅t1的门极持续输入驱动电流使可控硅t1被触发导通，用于为负载rl提供能量。该实施例采用差分电容，不需要如图4或图5中偏置电压源或电容的存在，适应性广。
43.图7示出了根据本发明一实施例的负载驱动系统示意图。其中隔离式传递装置采用感性介质传递信号和能量，同时实现控制侧和门极驱动侧的隔离。可控硅驱动电路包括调制电路71、隔离式传递装置72和解调电路73。其中隔离式传递装置72可包括第一线圈l1(或原边线圈)和与第一线圈l1耦合的第二线圈l2(或副边线圈)，第一线圈l1和第二线圈l2之间相互隔离，其中第一线圈l1耦接调制电路71的输出端，第二线圈l2耦接解调电路73的输入端。解调电路73包括全桥整流电路，其中全桥整流电路的第一输入端耦接第二线圈l2的第一端，全桥整流电路的第二输入端耦接第二线圈l2的第二端，全桥整流电路的第一输出端耦接可控硅t1的控制端，全桥整流电路的第二输出端耦接可控硅的一端。如图所示，调制电路71的输出端耦接原边第一线圈l1，用于在第一线圈l1的第一端和第二端之间提供振荡信号。副边的解调电路73用于将第二线圈l2提供的振荡信号进行整流后驱动可控硅t1门极。当调制电路71输入的调制信号为“off”时，调制电路71中的振荡电路被抑制，不输出振荡信号，隔离式传递装置72不能传递能量，解调电路73输出零电流，可控硅t1不被触发。当调制信号为“on”时，调制电路71中的振荡器启振，输出高频振荡信号，当线圈l1之间的振荡信号从高电平向低电平切换时，线圈l2上产生正向电压，该电压驱使电流从第二线圈l2第一端流向二极管d1、再流向可控硅t1门极、可控硅t1一端、二极管d4最后流向第二线圈l2的第二端，形成电流回路。当线圈l1之间的振荡信号从低电平向高电平切换时，线圈l2上产生负向电压，该电压驱使电流从第二线圈l2第二端流向二极管d3、再流向可控硅t1门极、可控硅t1一端、二极管d2最后流向第二线圈l2的第一端，形成电流回路。这样，当调制电路71输出的可控振荡信号提供振荡信号时，能量通过线圈l1和l2从控制侧向门极驱动侧传递，解调电路73输出一个功率足够大的电流或电压，触发可控硅t1导通，交流负载rl被驱动。
44.通过上述实施例中的驱动方式和电路结构，可以省去一套可控硅门极驱动侧的隔离电源，简化了电源系统，同时能可靠地解决非共地系统的通信处理，避免现有技术中光耦的光衰失效问题。
45.本领域技术人员应当知道，说明书或附图所涉逻辑控制中的“高电平”与“低电平”等逻辑控制可相互调换或改变而实现与上述实施例相同的功能或目的。
46.这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。说明书中所涉及的效果或优点等相关描述可因具体条件参数的不确定或其它因素影响而可能在实际实验例中不能体现，效果或优点等相关描述不用于对发明范围进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。