專利名稱：一種絕緣柵功率管的隔離驅動器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于開關電源中的功率管驅動技術領域，特別涉及單端變換器中的絕緣柵功率管的驅動。
背景技術：
開關電源中大功率器件驅動器(驅動電路)的設計一向是電源領域的關鍵技術之一。對于VM0S場效應晶體管和IGBT絕緣柵晶體管，它們具有絕緣的柵極結構，因而靜態驅動功率接近于零。但由于它們具有較大的柵極電容Cgs以及由于密勒效應放大轉換到柵極的漏極電容Cdg，因而需要較大的動態驅動功率。對驅動器的較高設計要求，就是使用盡量簡單的電路結構，同時滿足其瞬間的較大電流驅動能力。
當PWM或PFM矩形脈沖調制信號與功率器件需要隔離時，一般有兩種方法采用光電耦合器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。
光電耦合器有兩個缺點反應較慢，并且需要隔離的輔助電源供電。
目前用變壓器驅動絕緣柵大功率管的、并且帶自給電源的方法大致有兩種。第一種方法是采用超高頻調制的方法，即用高于PWM信號幾十倍頻率的超高頻作為載頻，與PWM信號調制后送到變壓器的初級；在變壓器的次級，載頻傳遞能量，解調后的PWM信號用于驅動功率管。典型電路如圖1所示，其中UC3724/5是美國Unitrode公司生產的PWM信號超高頻調制傳送/接收驅動集成電路對，T3為被驅動的絕緣柵功率管。這種方法效果很好，不需要隔離電源，可以傳送較高頻率的PWM信號，既可驅動單端電路，也可驅動雙端電路。缺點是電路復雜，成本較高。
第二種方法是本實用新型同一發明人在已經獲得的中國專利CN2255696Y《簡單高效隔離式的絕緣柵大功率器件驅動電路》中所提供的，該法極為有效，在驅動全橋或半橋等雙端變換器時非常方便實用，具有隔離、高速、不需輔助電源的優點。但在應用于正激或反激等單端變換器時，由于變壓器只能傳遞交流信號，隔離變壓器傳遞到次級的信號，其信號幅度隨占空比而線性變化，因此為維持基本相同的輸出幅度，只適于在50％左右的占空比下工作。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種特別適用于單端變換器的隔離驅動器，不僅電路簡單、價格低廉，而且不需要輔助電源，可在大范圍變化的占空比下工作，輸出具有低延遲和陡峭觸發沿的驅動脈沖。
本實用新型的技術方案是驅動器由隔離耦合單元(1)、自給電源(2)、前置單元(3)和放大單元(4)組成，其中隔離耦合單元(1)由隔直電容C1和微型鐵氧體脈沖變壓器B1構成，其作用是隔離直流電平、接收輸入的PWM調制信號、并提供輸入和輸出間的電氣隔離；C1的右端和B1初級的上端相連，C1的左端和B1初級的下端是本單元的輸入端Vi1，輸入信號加在這里，B1次級的下端為公共端COM，上端為隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1。
自給電源(2)由二極管D1、D2和電容C2、C3組成半波倍壓整流濾波器，其作用是將隔離耦合單元(1)輸出的信號進行能量處理，即整流和濾波，提供放大單元(4)所需的能量；C2的左端為自給電源單元2的輸入端Vi2，與隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1相連；C2的右端與D1的負極和D2的正極連接在一起；D1的正極和C3的下端連在一起為公共端COM；D2的負極和C3的上端連接后作為自給電源(2)的輸出端Vo2。
前置單元(3)由電容C4和二極管D3組成，該單元的作用是對隔離耦合單元(1)輸出的信號進行幅值處理，給放大單元(4)中的三極管分配合適電平的推動脈沖。C4的左端作為前置單元(3)的輸入端Vi3與隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1相連，D3的正極作為公共端COM，C4的右端和D3的負極連接后作為前置單元(3)的輸出端Vo3；根據需要，也可在C4上并聯一個高阻值的泄放電阻R1，其值一般大于1M。
放大單元(4)是一種由三極管T1和、T2組成的有源推拉式放大電路，其作用是將接收到的PWM信號加以放大，用以驅動絕緣柵功率器件(5)；NPN管T1和PNP管T2的基極連接后作為本單元的輸入端Vi4與前置單元(3)的輸出端Vo3相連，T1管的集電極作為本單元的電源端Vcc與自給電源(2)的輸出端Vo2相連，T2管的集電極作為公共端COM，T1和T2射級接在一起作為本單元的輸出端Vo4，當然它也是本實用新型驅動器的輸出端。負載單元(5)為被驅動的VMOS管，其柵極G與放大單元(4)的輸出端Vo4相連，它的源極也是公共端COM。單元1到5的公共端COM都是連在一起的。在放大單元(4)中，三極管T1和T2構成互補的推拉式放大電路，兩管均工作于射極輸出器狀態。
前級的脈沖信號加在隔離耦合單元(1)的輸入端Vi1，隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1與自給電源(2)的輸入端Vi2和前置單元(3)的輸入端Vi3相連；自給電源(2)的輸出端Vo2接到放大單元(4)的電源端Vcc；前置單元(3)的輸出端Vo3和放大單元(4)的輸入端Vi4相連；放大單元(4)的輸出端Vo4與被驅動的絕緣柵功率器件(5)的柵極相連；單元(1-5)的公共端COM都連在一起。
驅動器前級輸出的矩形脈沖調制信號加在隔離耦合單元(1)的輸入端Vi1，通過隔直電容C1去除直流后，加在變壓器B1的初級，經變壓器B1電氣隔離后由次級輸出。輸出脈沖信號中的調制信息(即矩形脈沖的上升沿和下降沿信息)經前置單元(3)處理后，被放大單元(4)接收和放大后用以驅動絕緣柵功率器件(5)；脈沖信號的大部分能量在矩形脈沖的平頂階段被自給電源(2)接收后供放大單元(4)使用。
與現有單端驅動技術相比，本實用新型的優點是[1].不需要單獨的供電電源；[2].工作占空比寬，可達2～98％；[3].電路簡單，驅動的延遲時間很短；[4].輸出級屬于有源推拉式結構，因而具有陡峭的上升沿和下降沿。
圖1是使用美國Unitrode公司超高頻調制技術的驅動器原理圖。
圖2是本實用新型的一個實施例。
具體實施方式
以下結合附圖2的非限定性實施例對本實用新型作進一步的詳述。
圖中(1)為隔離耦合單元，(2)為自給電源單元，(3)為前置單元，(4)為放大單元。單元(1～4)這四部分組成了本實用新型的完整電路。隔離耦合單元(1)的次級輸出端Vo1連到自給電源(2)的輸入端Vi2和前置單元(3)的輸入端Vi3，自給電源(2)的輸出端Vo2與放大單元(4)的電源端Vcc相連，前置單元(3)的輸出端Vo3和放大單元(4)的輸入端Vi4相連，單元(1～4)的公共端COM都連在一起。
驅動器中各單元工作原理如下[1]、隔離耦合單元(1)的波形情況加在隔離耦合單元(1)的輸入端Vi1的信號一般都是圖2中左邊的單向脈動矩形波，零點為波形的最低點；由于電容C1的隔直作用，施加在變壓器B1初級的信號成為圖中以水平虛線為零基點的波形。如果變壓器B1的變比為1，則變壓器B1輸出端Vo1的波形與輸入端相同。設輸入端Vi1的輸入波形的幅值為Vm，高電平時功率管T3導通，低電平時截止；信號周期為T，導通的占空比為D，則高電平寬度為Ton＝DT，低電平寬度為Toff＝(1-D)T；變壓器B1輸出端Vo1輸出的高電平幅值為(1-D)Vm，輸出的低電平幅值為-DVm。
、自給電源(2)的工作本實施例是典型的半波倍壓整流電路。正常工作時，其輸出端Vo2亦即電容C3上保持有略帶紋波的直流電壓，其值略低于脈沖變壓器B1的次級輸出端Vo1輸出信號的峰峰值Vm。
倍壓整流電路是電容整流電路的一種，電容式整流電路屬于峰值整流電路，即整流二極管只在輸入電壓接近峰值時才開始導通。在輸入信號下降沿的初期和中期，二極管D1不導通，變壓器B1輸出信號通過電平補償電容C4加于放大單元(4)的輸入端Vi4，產生關斷驅動脈沖，關斷功率管T3。在輸入信號下降沿的末期和平頂期，D1導通，給電容C2充電。在輸入信號上升沿的初期和中期，二極管D2不導通，變壓器B1的輸出信號通過電平補償電容C4加于放大單元(4)的輸入端Vi4，產生開通驅動脈沖，開通功率管T3。在輸入信號上升沿的末期和平頂期，D2導通，給電容C3充電。
在剛一開始開通或關斷功率管T3時，整流二極管D1和D2是不導通的，信號源只通過變壓器B1傳遞一個觸發信號，經前置單元(3)送往放大單元(4)。放大單元(4)開通或關斷功率管T3的能量是利用儲存在自給電源(2)中電容C3上的電荷。在信號源的上升(或下降)沿末期以及平頂期，自給電源(2)工作，C3上的電荷是這個時期存儲的。
、前置單元(3)的工作原理由于調制輸入信號的占空比D是可變的，所以變壓器B1輸出的高低電平脈沖信號的幅度(1-D)Vm和DVm也是變化的，無法滿足驅動的要求，因此需要有一個電平的補充，使得當調制輸入信號的占空比D變化時，送到放大單元(4)輸入端的高低電平脈沖都有足夠的和固定的幅度。電容C4和二極管D3恰好能滿足這一要求，在變壓器B1輸出低電平(負電平)時，D3導通，維持電容C4上一個右正左負的電壓DVm。電容C4上的電壓和變壓器B1輸出的電壓相疊加，在前置單元(3)的輸出端Vo3上，正好是正脈沖時等于Vm，負脈沖時等于零。
、放大單元(4)的工作原理這是最典型的互補型射極輸出器結構，無需贅述。
權利要求1.一種隔離式的絕緣柵功率器件驅動器，它由隔離耦合單元(1)、自給電源(2)、前置單元(3)和放大單元(4)組成，其特征在于隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1與自給電源(2)的輸入端Vi2、前置單元(3)的輸入端Vi3相連，自給電源(2)的輸出端Vo2與放大單元(4)的電源端Vcc相連，前置單元(3)的輸出端Vo3和放大單元(4)的輸入端Vi4相連，放大單元(4)的輸出端Vo4與負載單元(5)中的被驅動的大功率管T3的柵極相連，所有各單元的公共端COM都連在一起；隔離耦合單元(1)由隔直電容C1和微型鐵氧體變壓器B1組成，C1的右端和B1初級的上端相連，本單元的輸入端Vi1是C1的左端和B1初級的下端，B1次級的下端為公共端COM，上端為隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1；自給電源(2)由二極管D1、D2和電容C2、C3組成半波倍壓整流電路；C2的左端為自給電源(2)的輸入端Vi2，與隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1相連，C2的右端與D1的負極和D2的正極連接在一起；D1的正極和C3的下端連在一起為公共端COM；D2的負極和C3的上端連接后作為自給電源(2)的輸出端Vo2；前置單元(3)由電容C4和二極管D3組成，C4的左端作為前置單元(3)的輸入端Vi3與隔離耦合單元(1)的輸出端Vo1相連，D3的正極作為公共端COM，C4的右端和D3的負極連接后作為前置單元(3)的輸出端Vo3；放大單元(4)由三極管T1和、T2組成，NPN管T1和PNP管T2的基極連接后作為本單元的輸入端Vi4與前置單元(3)的輸出端Vo3相連，T1管的集電極作為本單元的電源端Vcc與自給電源(2)的輸出端Vo2相連，T2管的集電極作為公共端COM，T1和T2射級接在一起作為本單元的輸出端Vo4，當然它也是本實用新型驅動器的輸出端。
專利摘要本實用新型涉及功率器件的驅動，提供一種由變壓器隔離的、輸出占空比可大范圍變化的絕緣柵功率器件驅動器。該驅動器由隔離耦合變壓器1、自給電源2、前置單元3和放大單元4組成。它由變壓器提供隔離，由自給電源接收輸入信號在平頂階段傳遞的能量，由前置單元提供電平補償，由放大單元將輸入信號中的調制信號放大輸出。它電路簡單，無需配置任何輔助供電裝置，就能夠輸出幅度確定的具有陡峭前后沿的驅動脈沖，特別適用于單端變換器中的大功率管的驅動。
文檔編號H02M1/08GK2699577SQ20032010285
公開日2005年5月11日 申請日期2003年11月6日 優先權日2003年11月6日
發明者陳亞寧 申請人:李希珍