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一种功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路 Download PDF

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Abstract

一种功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路，包括脉宽调制驱动器、隔离驱动变压器T、隔直电容Cb、电容C1、二极管D和被驱动开关管Q构成的现有技术隔离栅驱动电路。本发明在上述电路的基础上增设了与电容C1并联的电阻R1，并且增设了电容C2与电阻R2并联并且连接二极管D的阴极，电容C2与电阻R2并联后的另一端在连接电容C1与被驱动开关管Q的栅极之间，电容C2、电阻R2和二极管D构成负压源，在开关管Q断开时提供一个稳定的负压，防止开关管在关断过程中由于各种串扰而产生误开启，提高了***的可靠性。

Description

一种功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路
技术领域
本发明涉及开关电路技术中的功率变换器，特别涉及一种功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路。
背景技术
现代电子设备对其供电装置(功率变换器)提出了轻便和高效率等方面的要求，使得功率变换器的功率密度和开关频率不断提高，功率容量更大的桥式拓扑、性能更优的新型器件如绝缘栅场效应管(IGBT)等被广泛应用。由于材料限制，传统硅基功率器件在许多方面已逼近甚至达到了其材料的本征极限，宽禁带器件如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等应用而生。这些都给功率变换器的驱动电路提出了更快、更高效、更可靠等更高的要求。在桥式拓扑中，当上管关段时产生极大的dv/dt，这将可能引起下管的误开启，造成上下管发生短路直通，因此有必要为在功率管关断期间为其提供反向的栅极电压；而IGBT关断期间，栅极电路中会产生高频振荡信号，这些信号轻则会使IGBT处于微通的状态,增加功率管的反向栅压功耗，重则将使上下管短路直通，因此必须为IGBT提供反向的栅极电压，加速IGBT的关断过程；而宽禁带器件固有常态下的开通特性，决定其栅极需一定的负压，使开关管保持关断。
图1是现有的一种隔离驱动电路，包括脉宽调制驱动器，原边隔直电容Cb，隔离变压器T，二极管D，副边隔直电容C1，所有元器件上的电压方向如图1所示。图1所示驱动电路稳态工作时各点的电压波形参见图2，其中Vi是脉宽调制驱动器的输出电压波形，假设稳态时占空比为d，幅值为M；V1和V2分别是电容Cb和电容C1两端的电压波形，幅值均为dM；Vp和Vs分别是变压器T原边和副边电压波形，Vg是隔离驱动电路输出端的电压波形，并假设隔离变压器T的原边绕组与副边绕组的匝比为1：1。这种隔离驱动电路的优点是输出电平与占空比d无关，且占空比可大于0.5。但这种磁隔离驱动电路也具有很明显的缺点，隔离驱动变压器T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，电压尖峰可能引起功率开关管的误动作，使控制失效。不仅如此，漏感引起的谐振电压尖峰过大还会导致功率管的栅极被击穿，对于更容易被击穿的宽禁带器件来说，尤其需要在器件截止时栅极存在一个负压。
发明内容
本发明在于克服现有技术之不足，提供一种功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路，在被驱动的功率开关管关断时能够产生一个负压，防止被驱动功率开关管的误开通，从而提高***的可靠性。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路，包括产生控制信号的脉宽调制驱动器、原边隔直电容Cb、隔离变压器T、副边隔直电容C1、二极管D以及被驱动的开关管Q，脉宽调制驱动器的输出正端通过隔直电容Cb连接隔离变压器T原边侧的同名端，隔离变压器T原边侧的非同名端连接脉宽调制驱动器的输出负端，隔离变压器T副边侧的同名端连接隔直电容C1的一端，隔直电容C1的另一端连接二极管D的阴极和被驱动开关管Q的栅极，被驱动开关管Q的源极与二极管D的阳极以及隔离变压器T副边侧的非同名端连接在一起，其特征在于：
在隔直电容C1的两端增设并联电阻R1，并增设电容C2与电阻R2并联，电容C2与电阻R2并联后的一端连接二极管D的阴极，电容C2与电阻R2并联后的另一端与上述隔直电容C1的另一端以及被驱动开关管Q的栅极连接在一起；在被驱动的开关管Q关断时，二极管D、电容C2和电阻R2构成负压产生电路并通过电阻R1与电阻R2的分压调整负压的大小，以避免被驱动的开关管Q的误导通。
所述电容C1以及电容C2的数值远大于被驱动开关管Q的栅极电容，需为被驱动开关管Q栅极电容的20倍以上，电阻R1以及电阻R2都采用数值为数百欧姆的大电阻。。
本发明的优点及显著效果：
1、在被驱动的MOS管关断时，传统驱动方案往往将MOS管栅极电荷通过大地完全泄放掉，或者由栅源泄放电阻和MOS管的栅源寄生电阻消耗掉，这样不仅增加了驱动电路的损耗，而且也降低了功率MOS管的可靠性。本发明在现有技术的基础上，通过在二极管D的阴极串联增加了一个电容C2与电阻R2的并联结构，构成了稳定的负压源，同时实现隔离和负压的栅驱动，防止了被驱动器件的误开通，从而提高***的可靠性，同时满足宽禁带器件的驱动要求。
2、本发明结构简单，不需要引入新的电源或是驱动控制信号，即可实现产生固定负压的隔离栅驱动。
3、本发明可以适应各种占空比固定的驱动电路。
4、本发明在整个驱动过程中，电容C1和电容C2上的电压几乎不发生变化，驱动开关管Q开启和关断的电流直接由电容C1和C2提供，不需要经过驱动电阻，减小了开关管的驱动损耗。
附图说明
图1是现有的一种隔离驱动电路图；
图2是现有的一种隔离驱动电路的主要工作波形；
图3是本发明一种产生固定负压的隔离驱动电路图；
图4是本发明提出的隔离驱动电路的主要工作波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术进行详细说明。
参看图3，本发明包括与现有技术图1相同的产生控制信号的脉宽调制驱动器、隔离驱动变压器T、原边隔直电容Cb、副边隔直电容C1、二极管D以及被驱动的开关管Q，各个元器件上的电压方向如图1、3所示。脉宽调制驱动器的输出正端通过隔直电容Cb连接隔离变压器T原边侧的同名端，隔离变压器T原边侧的非同名端连接脉宽调制驱动器的输出负端，隔离变压器T副边侧的同名端连接隔直电容C1的一端，隔直电容C1的另一端连接二极管D的阴极和被驱动开关管Q的栅极，被驱动开关管Q的源极与二极管D的阳极以及隔离变压器T副边侧的非同名端连接在一起。脉宽调制驱动器用于产生一个初始的驱动信号(其产生的控制信号的占空比固定不变)，隔直电容Cb用于滤除这个驱动信号中的直流分量，隔离变压器T用于将变压器原边的信号传递到副边，同时实现隔离，电容C1用于保持电阻R1上的电压在开关过程中稳定。脉宽调制驱动器产生一个占空比为d，幅值为M的方波驱动信号。隔直电容Cb把脉冲调制驱动器所产生的这一驱动信号的直流分量给滤除，并使隔直电容Cb上的电压始终为dM。由于隔离变压器T原副边的匝比为1:1，之后会通过隔离变压器T将占空比同样为d，正向幅值为(1-d)M，负向幅值为dM的方波信号从变压器原边传递到变压器的副边。
本发明在图1的基础上，在副边侧隔直电容C1的两端增设并联电阻R1，并增设电容C2与电阻R2并联，电容C2与电阻R2并联后的一端连接二极管D的阴极，电容C2与电阻R2并联后的另一端与上述隔直电容C1的另一端以及被驱动开关管Q的栅极连接在一起。在被驱动的开关管Q关断时，二极管D、电容C2和电阻R2构成负压产生电路并通过电阻R1与电阻R2的分压调整负压的大小，可以避免被驱动的开关管Q的误导通。电容C1以及电容C2远大于被驱动开关管Q的栅极电容(一般为开关管Q的栅极电容的20倍以上)。同时用于分压的电阻R1以及电阻R2都相对较大(一般为数百欧姆)，流经这两个电阻的电流较小。因此在工作过程中电容C1以及电容C2两端的电压都几乎不发生变化。
当变压器副边电压VS为负，幅值为dM的时候此时Vg为负，二极管D导通，此时电阻R1和电阻R2串联进行分压，电阻R1上面的电压大小为R1*dM/(R1+R2)，电阻R2上面的电压为R2*dM/(R1+R2)。因此此时Vg的电压为负，其幅值为R2*dM/(R1+R2)。当变压器副边电压为正，幅值为(1-d)M的时候，被驱动开关管栅源之间的电压Vg为正，此时二极管D截止，被驱动开关管Q栅源间的电压Vg为隔离变压器变压器T副边的电压加上电容C1上的电压。
由于电容C1和电容C2相对开关管的栅源寄生电容较大，电容C1和电容C2上的电压不会由于给开关管的栅源寄生电容充放电而发生明显的变化。同时用于分压的电阻R1和电阻R2也较大，电容C1以及电容C2不会由于电阻R1和电阻R2形成自放电回路而产生明显的电压变化。因此可以认为，在整个开关驱动的过程中，电容C1以及电容C2上的电压均保持不变。因此电容C1上的电压V2始终为R1*dM/(R1+R2)，也就是当变压器副边电压为负时电阻R1的分压。
当隔离变压器T副边的电压VS为正，幅值为(1-d)M的时候，Vg两端的电压为正，二极管D截止。此时Vg的电压为隔离变压器T副边的电压加上电容C1两端的电压，其幅值为(1-d)M+R1*dM/(R1+R2)。
这样就可以提供给被驱动开关管Q一个占空比为d，正向幅值为(1-d)M+R1*dM/(R1+R2)，负向幅值为R2*dM/(R1+R2)的方波驱动信号，其相位与脉冲调制驱动器所产生的初始的控制信号相同。
在给定驱动信号占空比d的条件下，本发明隔离栅驱动电路可以通过调节电阻R1以及电阻R2的大小，来产生一个所需的驱动信号。该驱动信号正压和负压的幅值大小均可调。只要驱动信号的占空比d在工作过程中固定，所产生的驱动信号的正压及负压也可保持稳定。
本发明隔离栅驱动电路各个节点的主要工作波形如图4所示。其中Vi为脉宽调制驱动器输出的方波信号，其周期为T，占空比为d，幅值为M；V1为隔直电容Cb两端的电压为大小，为大小为dM的直流信号；Vp和Vs分别为隔离变压器T原边和副边的电压，它们均为占空比为d的方波信号，正向幅值均为(1-d)M，负向幅值均为dM；V2为电容C1两端电压，为大小为R1*dM/(R1+R2)的直流信号；Vg为被驱动开关管Q的栅源间的电压，为占空比为d的方波信号，其正向幅值为正向幅值为(1-d)M+R1*dM/(R1+R2)，负向幅值为R2*dM/(R1+R2)。对比图2中的波形可以发现，最后在Vg两端产生了有正有负的信号，而非图2中非正即零的信号，同时图4中Vg两端信号的正向幅值和负向幅值均可以通过R1和R2来进行调节。

Claims (2)

1.一种功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路，包括产生控制信号的脉宽调制驱动器、原边隔直电容Cb、隔离变压器T、副边隔直电容C1、二极管D以及被驱动的开关管Q，脉宽调制驱动器的输出正端通过隔直电容Cb连接隔离变压器T原边侧的同名端，隔离变压器T原边侧的非同名端连接脉宽调制驱动器的输出负端，隔离变压器T副边侧的同名端连接隔直电容C1的一端，隔直电容C1的另一端连接二极管D的阴极和被驱动开关管Q的栅极，被驱动开关管Q的源极与二极管D的阳极以及隔离变压器T副边侧的非同名端连接在一起，其特征在于：
在隔直电容C1的两端增设并联电阻R1，并增设电容C2与电阻R2并联，电容C2与电阻R2并联后的一端连接二极管D的阴极，电容C2与电阻R2并联后的另一端与上述隔直电容C1的另一端以及被驱动开关管Q的栅极连接在一起；在被驱动的开关管Q关断时，二极管D、电容C2和电阻R2构成负压产生源并通过电阻R1与电阻R2的分压调整负压的大小，避免被驱动的开关管Q的误导通。
2.根据权利要求1所述的功率变换器的功率开关管隔离栅驱动电路，其特征在于：电容C1以及电容C2的数值远大于被驱动开关管Q的栅极电容，需为被驱动开关管Q栅极电容的20倍以上，电阻R1以及电阻R2都采用数值为数百欧姆的大电阻。
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