CN109495098B - 紧凑型电子开关驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种紧凑型电子开关驱动电路，包括：方波发生器、低电平边缘检测单元、高电平边缘检测单元、正脉冲电平转换单元、负脉冲电平转换单元、正脉冲驱动支路、负脉冲驱动支路；用于产生触发方波信号的方波发生器连接到低电平边缘检测单元和高电平边缘检测单元各自的输入端；所述正脉冲驱动支路、负脉冲驱动支路均由依次串联的驱动小信号单元、功率管单元和主电路取能单元组成，所述正脉冲电平转换单元、负脉冲电平转换单元均由推挽电路、高压MOS管、加速网络单元、耦合变压器组成。本发明减少了电子开关驱动电路体积，又加速了电子开关上升前沿，电子开关驱动电路所需功率大幅减小，尤其适合阵列MOSFET电子开关。

Description

紧凑型电子开关驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子器件应用技术领域，尤其涉及一种紧凑型电子开关驱动电路。
背景技术
小型化任意脉宽MOSFET电子开关多采用有源变压器耦合方式。这种驱动电路原理虽然可实现任意脉冲宽度，但是，不适合于阵列MOSFET电子开关。究其原因在于，这种驱动电路所需隔离电源数量庞大，很难实现小型化设计。如何克服上述技术问题成为本领域技术人员努力的方向。
发明内容
本发明目的是提供一种紧凑型电子开关驱动电路，该紧凑型电子开关驱动电路可实现驱动脉冲的任意宽度，无需大量隔离电源，驱动电路体积很小，驱动电源功率极小。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种紧凑型电子开关驱动电路，包括：方波发生器、低电平边缘检测单元、高电平边缘检测单元、正脉冲电平转换单元、负脉冲电平转换单元、正脉冲驱动支路、负脉冲驱动支路；用于产生触发方波信号的方波发生器连接到低电平边缘检测单元和高电平边缘检测单元各自的输入端，所述低电平边缘检测单元与负脉冲电平转换单元和负脉冲驱动支路依次连接，所述高电平边缘检测单元与正脉冲电平转换单元和正脉冲驱动支路依次连接；
所述高电平边缘检测单元进一步包括依次串联的第一与门、高电平微分模块、第一非门和第二非门，此第一与门的一个输入端与方波发生器连接，另一个输入端与接地之间设置有第一电容，所述第二非门与正脉冲电平转换单元连接；
所述低电平边缘检测单元进一步包括依次串联的第二与门、低电平微分模块、第三非门和第四非门，此第二与门的一个输入端与方波发生器之间设置有第五非门，另一个输入端与接地之间设置有第二电容，所述第四非门与负脉冲电平转换单元连接；
所述正脉冲驱动支路、负脉冲驱动支路均由依次串联的驱动小信号单元、功率管单元和主电路取能单元组成，所述耦合变压器初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，此至少2个次级线圈进一步分为至少1个VTp次级线圈和至少1个VTn次级线圈；
所述加速网络单元与耦合变压器的初级线圈串连连接，耦合变压器的VTp次级线圈和VTn次级线圈均连接到对应驱动支路的驱动小信号单元上；
所述驱动小信号单元进一步包括滤波模块、MOS管和位于滤波模块、MOS管之间的第一二极管，此滤波模块与VTn次级线圈连接，此MOS管的栅极和源极分别与VTp次级线圈的高电位输出端和低电位输出端连接；
所述主电路取能单元进一步包括存储电容、第二二极管和2个串联的限流电阻，所述存储电容与驱动小信号单元的MOS管的漏极连接，所述第二二极管位于2个串联的限流电阻的接点与MOS管与存储电容的接点之间，驱动小信号单元的MOS管的源极连接到功率管单元中功率管的栅极，所述功率管单元的漏极和源极分别作为主电路的正极和负极；
所述正脉冲电平转换单元、负脉冲电平转换单元均由推挽电路、高压MOS管、加速网络单元、耦合变压器组成；所述推挽电路包括第一功率MOS管、第二功率MOS管和第三功率MOS管，第二功率MOS管与第三功率MOS管并联，第一功率MOS管与第二功率MOS管和第三功率MOS管串联。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明紧凑型电子开关驱动电路，其可实现驱动脉冲的任意宽度，无需大量隔离电源，驱动电路体积很小，驱动电源功率极小；供电电源大幅减小，而且电源功率很小，这种驱动电路设计的核心：首先，检测触发信号的前沿和后沿，为脉冲宽度控制提供依据；其次，利用主电路为驱动电路电容器储能，从而可以省去隔离电源；且采用来自耦合变压器和主电路取能单元前后双脉冲注入功率，无需额外供电电源，既大大减少了电子开关驱动电路体积，又加速了电子开关上升前沿，电子开关驱动电路所需功率大幅减小，尤其适合阵列MOSFET电子开关。
附图说明
附图1为本发明紧凑型电子开关驱动电路局部结构示意图；
附图2为本发明各点电压波形图；
附图3为本发明正脉冲电平转换电路结构示意图；
附图4为本发明负脉冲电平转换电路结构示意图；
附图5为本发明功率能量***与功率器件结构示意图。
以上附图中：1、方波发生器；2、低电平边缘检测单元；3、高电平边缘检测单元；4、正脉冲电平转换单元；5、负脉冲电平转换单元；6、正脉冲驱动支路；7、负脉冲驱动支路；81、第一与门；82、高电平微分模块；83、第一非门；84、第二非门；85、第一电容；91、第二与门；92、低电平微分模块；93、第三非门；94、第四非门；95、第五非门；96、第二电容；10、推挽电路；11、高压MOS管；12、加速网络单元；13、耦合变压器；14、驱动小信号单元；141、滤波模块；142、MOS管；143、第一二极管；15、功率管单元；151、功率管；16、主电路取能单元；161、存储电容；162、第二二极管；163、限流电阻。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：一种紧凑型电子开关驱动电路，包括：方波发生器1、低电平边缘检测单元2、高电平边缘检测单元3、正脉冲电平转换单元4、负脉冲电平转换单元5、正脉冲驱动支路6、负脉冲驱动支路7；用于产生触发方波信号的方波发生器1连接到低电平边缘检测单元2和高电平边缘检测单元3各自的输入端，所述低电平边缘检测单元2与负脉冲电平转换单元5和负脉冲驱动支路7依次连接，所述高电平边缘检测单元3与正脉冲电平转换单元4和正脉冲驱动支路6依次连接；
所述高电平边缘检测单元3进一步包括依次串联的第一与门81、高电平微分模块82、第一非门83和第二非门84，此第一与门81的一个输入端与方波发生器1连接，另一个输入端与接地之间设置有第一电容85，所述第二非门84与正脉冲电平转换单元4连接；
所述低电平边缘检测单元2进一步包括依次串联的第二与门91、低电平微分模块92、第三非门93和第四非门94，此第二与门91的一个输入端与方波发生器1之间设置有第五非门95，另一个输入端与接地之间设置有第二电容96，所述第四非门94与负脉冲电平转换单元5连接；
所述正脉冲驱动支路6、负脉冲驱动支路7均由依次串联的驱动小信号单元14、功率管单元15和主电路取能单元16组成，所述耦合变压器13初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，此至少2个次级线圈进一步分为至少1个VTp次级线圈和至少1个VTn次级线圈；
所述加速网络单元12与耦合变压器13的初级线圈串连连接，耦合变压器13的VTp次级线圈和VTn次级线圈均连接到对应驱动支路的驱动小信号单元14上；
所述驱动小信号单元14进一步包括滤波模块141、MOS管142和位于滤波模块141、MOS管142之间的第一二极管143，此滤波模块141与VTn次级线圈连接，此MOS管142的栅极和源极分别与VTp次级线圈的高电位输出端和低电位输出端连接；
所述主电路取能单元16进一步包括存储电容161、第二二极管162和2个串联的限流电阻163，所述存储电容161与驱动小信号单元14的MOS管142的漏极连接，所述第二二极管162位于2个串联的限流电阻163的接点与MOS管142与存储电容的接点之间，驱动小信号单元14的MOS管的源极连接到功率管单元15中功率管151的栅极，所述功率管单元15的漏极和源极分别作为主电路的正极和负极。
上述正脉冲电平转换单元4、负脉冲电平转换单元5均由推挽电路10、高压MOS管11、加速网络单元12、耦合变压器13组成。
上述推挽电路10包括第一功率MOS管、第二功率MOS管和第三功率MOS管，第二功率MOS管与第三功率MOS管并联，第一功率MOS管与第二功率MOS管和第三功率MOS管串联。
turn-on和turn-off分别代表功率管开通和关断信号。二者的高电平持续时间分别反映了原驱动信号TR的高电平时间和低电平时间。turn-on和turn-off脉冲分别用于触发Tp11、Tp12、Tp21、Tp22和Tn11、Tn12，如图1和3所示。
有源变压器也可以实现任意脉冲宽度，但是，这种方案不适合于MOSFET阵列开关。原因是这种电路需要大量的隔离供电电源，限制了电子开关的小型化。
本实施例在阵列电子开关（功率器件串联数很多）的应用场合中有独特优势。它不仅可以为电子开关栅极提供任意脉宽驱动功率，而且还无需隔离电源。这种电子开关的驱动能量来源于主电路对电容器Ck1和Ck2的电容器储存能量。
实施例2：一种紧凑型电子开关驱动电路，包括：方波发生器1、低电平边缘检测单元2、高电平边缘检测单元3、正脉冲电平转换单元4、负脉冲电平转换单元5、正脉冲驱动支路6、负脉冲驱动支路7；用于产生触发方波信号的方波发生器1连接到低电平边缘检测单元2和高电平边缘检测单元3各自的输入端，所述低电平边缘检测单元2与负脉冲电平转换单元5和负脉冲驱动支路7依次连接，所述高电平边缘检测单元3与正脉冲电平转换单元4和正脉冲驱动支路6依次连接；
所述高电平边缘检测单元3进一步包括依次串联的第一与门81、高电平微分模块82、第一非门83和第二非门84，此第一与门81的一个输入端与方波发生器1连接，另一个输入端与接地之间设置有第一电容85，所述第二非门84与正脉冲电平转换单元4连接；
所述低电平边缘检测单元2进一步包括依次串联的第二与门91、低电平微分模块92、第三非门93和第四非门94，此第二与门91的一个输入端与方波发生器1之间设置有第五非门95，另一个输入端与接地之间设置有第二电容96，所述第四非门94与负脉冲电平转换单元5连接；
所述正脉冲驱动支路6、负脉冲驱动支路7均由依次串联的驱动小信号单元14、功率管单元15和主电路取能单元16组成，所述耦合变压器13初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和至少2个次级线圈，此至少2个次级线圈进一步分为至少1个VTp次级线圈和至少1个VTn次级线圈；
所述加速网络单元12与耦合变压器13的初级线圈串连连接，耦合变压器13的VTp次级线圈和VTn次级线圈均连接到对应驱动支路的驱动小信号单元14上；
所述驱动小信号单元14进一步包括滤波模块141、MOS管142和位于滤波模块141、MOS管142之间的第一二极管143，此滤波模块141与VTn次级线圈连接，此MOS管142的栅极和源极分别与VTp次级线圈的高电位输出端和低电位输出端连接；
所述主电路取能单元16进一步包括存储电容161、第二二极管162和2个串联的限流电阻163，所述存储电容161与驱动小信号单元14的MOS管142的漏极连接，所述第二二极管162位于2个串联的限流电阻163的接点与MOS管142与存储电容的接点之间，驱动小信号单元14的MOS管的源极连接到功率管单元15中功率管151的栅极，所述功率管单元15的漏极和源极分别作为主电路的正极和负极。
上述功率管单元15中的功率管151由第一功率MOS管和第二功率MOS管并联组成。
上述正脉冲电平转换单元4、负脉冲电平转换单元5均由推挽电路10、高压MOS管11、加速网络单元12、耦合变压器13组成。
turn-on和turn-off分别代表功率管开通和关断信号。二者的高电平持续时间分别反映了原驱动信号TR的高电平时间和低电平时间。turn-on和turn-off脉冲分别用于触发Tp11、Tp12、Tp21、Tp22和Tn11、Tn12，如图1和3所示。
有源变压器也可以实现任意脉冲宽度，但是，这种方案不适合于MOSFET阵列开关。原因是这种电路需要大量的隔离供电电源，限制了电子开关的小型化。
本实施例在阵列电子开关（功率器件串联数很多）的应用场合中有独特优势。它不仅可以为电子开关栅极提供任意脉宽驱动功率，而且还无需隔离电源。这种电子开关的驱动能量来源于主电路对电容器Ck1和Ck2的电容器储存能量。
采用上述紧凑型电子开关驱动电路时，其供电电源大幅减小，而且电源功率很小。这种驱动电路设计的核心：首先，检测触发信号的前沿和后沿，为脉冲宽度控制提供依据；其次，利用主电路为驱动电路电容器储能，从而可以省去隔离电源；且采用来自耦合变压器和主电路取能单元前后双脉冲注入功率，无需额外供电电源，既大大减少了电子开关驱动电路体积，又加速了电子开关上升前沿，电子开关驱动电路所需功率大幅减小，尤其适合阵列MOSFET电子开关。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种紧凑型电子开关驱动电路，其特征在于：包括：方波发生器（1）、低电平边缘检测单元（2）、高电平边缘检测单元（3）、正脉冲电平转换单元（4）、负脉冲电平转换单元（5）、正脉冲驱动支路（6）、负脉冲驱动支路（7）；用于产生触发方波信号的方波发生器（1）连接到低电平边缘检测单元（2）和高电平边缘检测单元（3）各自的输入端，所述低电平边缘检测单元（2）与负脉冲电平转换单元（5）和负脉冲驱动支路（7）依次连接，所述高电平边缘检测单元（3）与正脉冲电平转换单元（4）和正脉冲驱动支路（6）依次连接；
所述高电平边缘检测单元（3）进一步包括依次串联的第一与门（81）、高电平微分模块（82）、第一非门（83）和第二非门（84），此第一与门（81）的一个输入端与方波发生器（1）连接，另一个输入端与接地之间设置有第一电容（85），所述第二非门（84）与正脉冲电平转换单元（4）连接；
所述低电平边缘检测单元（2）进一步包括依次串联的第二与门（91）、低电平微分模块（92）、第三非门（93）和第四非门（94），此第二与门（91）的一个输入端与方波发生器（1）之间设置有第五非门（95），另一个输入端与接地之间设置有第二电容（96），所述第四非门（94）与负脉冲电平转换单元（5）连接；
所述正脉冲驱动支路（6）、负脉冲驱动支路（7）均由依次串联的驱动小信号单元（14）、功率管单元（15）和主电路取能单元（16）组成，耦合变压器（13）初级侧和次级侧分别具有一个初级线圈和2个次级线圈，此2个次级线圈进一步分为1个VTp次级线圈和1个VTn次级线圈；
加速网络单元（12）与耦合变压器（13）的初级线圈串连连接，耦合变压器（13）的VTp次级线圈和VTn次级线圈均连接到对应驱动支路的驱动小信号单元（14）上；
所述驱动小信号单元（14）进一步包括滤波模块（141）、MOS管（142）和位于滤波模块（141）、MOS管（142）之间的第一二极管（143），此滤波模块（141）与VTn次级线圈连接，此MOS管（142）的栅极和源极分别与VTp次级线圈的高电位输出端和低电位输出端连接；
所述主电路取能单元（16）进一步包括存储电容（161）、第二二极管（162）和2个串联的限流电阻（163），所述存储电容（161）与驱动小信号单元（14）的MOS管（142）的漏极连接，所述第二二极管（162）位于2个串联的限流电阻（163）的接点与MOS管（142）与存储电容的接点之间，驱动小信号单元（14）的MOS管的源极连接到功率管单元（15）中功率管的栅极，所述功率管单元（15）的漏极和源极分别作为主电路的正极和负极；
所述正脉冲电平转换单元（4）、负脉冲电平转换单元（5）均由推挽电路（10）、高压MOS管（11）、加速网络单元（12）、耦合变压器（13）组成；所述推挽电路（10）包括第一功率MOS管（101）、第二功率MOS管（102）和第三功率MOS管（103），第二功率MOS管（102）与第三功率MOS管（103）并联，第一功率MOS管（101）与第二功率MOS管（102）和第三功率MOS管（103）串联。
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