一种基于图腾柱结构的无损驱动电路设计

2019-01-17亓迎川马攀伟

通信电源技术 2018年11期

贾强，亓迎川，马攀伟，柳鑫

(空军预警学，湖北武汉 430019)

0 引言

目前随着集成电路的发展，各类型的驱动电路及驱动芯片五花八门，且运用都比较成熟，但是大多数驱动芯片成本较高，外围电路设计复杂，在使用过程中影响因素较多[1]。根据耦合方式的不同可以将驱动电路分为直接驱动和隔离驱动[2]。直接驱动电路包括推挽输出驱动、TTL(Transistor-Transistor-Logic)驱动和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)驱动等；隔离型驱动包括磁耦合隔离驱动和光耦隔离驱动两种形式[3]。其各有优缺点，并且适用场合也有很大的不同。磁耦合隔离驱动电路使用变压器进行隔离，不需要独立电源来对隔离器件供电，但其只能耦合交流电压，不能耦合直流电压，主要适用于各种功率的开关电源，并且磁耦合驱动电路对电路中的磁参数要求较高，设计较复杂[4]；光耦隔离驱动其易集成化，对驱动信号占空比、工作频率无特殊要求，不需要过多的参数设计，使用方便，主要适用于高效开关电源和逆变电源[5,6]。

光耦隔离驱动一般是基于图腾柱结构驱动电路结合具体的使用需求进行改进。文献[7]为了增大电路的驱动能力，在驱动输出端加了推挽电路，该电路虽然增加了电路的驱动能力，但推挽电路增加了电路的复杂性。文献[8]在光耦隔离电路中加入了一个动态电压比较器来提升电路的上升/下降沿变换速度，但该电路可靠性较低，可能出现占空比丢失。

在综合上述文献中电路的优缺点及图腾柱结构自身显著优点的基础上，本文提出了一种基于图腾柱结构的开关管无损驱动电路，理论分析和实验结果均表明该电路驱动能力较强，稳定性较好，对波形的还原度较高，波形基本没有损失和延时。

1 传统图腾柱驱动电路结构

一般的图腾柱驱动电路结构如图1所示，当P端有驱动信号时，光耦信号经整形和功率放大AMPL后使A点为高电平，三极管VQ1导通，使开关管导通；当P端没有驱动信号时，A点为低电平，三极管VQ2导通，稳压管D1两端的电压U1作为反压加至开关的S、G两级之间，使开关管反偏，实现关断。该类型驱动电路最大的优点是能够提升电路的电流驱动能力，迅速完成开关管门级电荷的充电和放电过程。基于这一优点，本文提出了一种基于图腾柱结构的具有电压保护功能的无损驱动电路。

图1 传统的图腾柱驱动电路结构

2 新型驱动电路结构及工作原理

提出的基于图腾柱结构的开关管无损驱动电路如图2所示。该电路主要包括三部分，首先是光耦隔离部分，第二部分是电平转换及驱动电路，第三部分是栅极过电压保护电路。光耦隔离部分主要用来实现控制信号和开关管驱动信号之间的隔离；电平转换及驱动电路部分采用由三极管VQ2和VQ3构成的图腾柱结构作为基础，这样能保证电路具备足够的驱动能力；栅极电压保护保护电路可以实现开关管栅源间电压不超过其耐压值，电阻R7可防止开关管误导通。

图2 基于图腾柱结构的新型驱动电路

驱动电路的工作原理如图3所示，图中“+”代表高电平，“-”代表低电平。当输入为高电平时，工作通路如图3(a)所示，光耦输出为低电平，VQ1关断，A点为高电平，VQ2导通，使开关管导通；当输入为低电平时，工作通路如图3(b)所示，光耦输出为高电平，A点为低电平，VQ3导通，稳压管D1两端的电压U1作用于开关管的S、G级，使开关管反偏，实现关断。

图3 新型驱动电路工作通路

3 硬件电路设计

根据实际的电路设计需求以及考虑成本，选取光耦芯片为H11L1。该芯片由发光二极管与光敏集成检测电路构成，集成有施密特触发器，具有响应速度快，抗噪声，数字逻辑兼容性等优势。其开关切换速度较快，小于4 μs，最高传输速率高达1 MHz，具有波形变换、脉冲波整形等功能，同时又具备光耦的特性，具有卓越的隔离能力。该芯片外围电路比较简单，如图4所示，仅需3～16 V的直流电源供电，在6脚和4脚之间接一个电阻构成次级电流回路，便可实现光耦隔离。需要注意该芯片内部是隔离的，因此其初级和次级管脚的地是相互隔离的，需要单独连接。

图4 H11L1光耦外围电路

选取的NPN三极管为ZTX651，PNP三极管为ZTX751，该系列的三极管耐压值都较高，且其开通时间仅为40 ns，满足设计需求。

根据开关管的导通特性及安全考虑，需要使驱动信号的高电平即开通电压为+15 V左右，低电平即关断电压为-9 V左右，因此选取稳压二极管D1的稳压值为9.1 V，选取主电路上端的电压为+24 V。为了能更好的实现驱动效果及让每个开关管之间互不干扰，对每一路驱动电路都需要隔离电源供电。驱动电源可以通过电源模块获得，也可以通过稳压芯片获得，但是电源芯片价格较昂贵且规格有限，本文采用稳压芯片来获得隔离驱动电源。

本文中设计的驱动电路共需要+12 V、+24 V两路电源。+12 V为光耦芯片供电，+24 V作为电平转换及电路的上端正电压，与稳压管配合来获得驱动电压。隔离驱动电源电路图如图5所示。

将由多抽头变压器产生的隔离电压经整流桥模块KPBC1501整流后，经滤波电容C1滤波，之后经三端稳压芯片L7824稳压，便可产生+24 V的直流电压。电容C1、C5的大小可根据负载的大小来确定，电容C2、C3、C4的作用是防止电路产生自激振荡。之后跟前级电路类似，将+24 V电压作为三端稳压芯片的输入，便可通过三端稳压芯片L7812产生+12 V的直流电压。

图5 辅助电源电路

最后根据设计的电路及选取的元器件型号用AD14软件绘制了PCB电路板，并搭建了具体的硬件电路，如图6所示，该图为四路驱动电路集成的硬件电路实物图。

图6 四路集成的驱动电路实物图

4 实验结果分析

本文运用函数发生器分别产生高频和低频方波信号，对电路的驱动能力及驱动损耗情况进行了测试。

图7所示为100 Hz时的控制信号和驱动信号波形，控制信号是由函数发生器产生的，驱动信号是开关管G、S级之间的信号。从图7(a)中可以看出，控制信号的高电平为9 V；从图7(b)中可以看出，驱动信号的高电平为+15 V，低电平为-9 V，满足开关管的驱动要求。

图8所示为20 kHz时对电路驱动能力测试波形，从图8(b)所示的波形可以看出驱动信号的高电平为+15 V，低电平为-9 V，同样满足开关管的驱动要求，说明该电路同样适用于高频驱动场合。图8(c)为20 kHz时半个周期内的驱动信号，从图中可以看出信号上升下降速度较快，上升时间为1 μs，下降时间为0.8 μs，对信号的损耗可忽略不计。