基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路的製作方法
2023-08-10 08:34:46
專利名稱：基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種直流功率變換技術領域的裝置，具體是一種基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路。
背景技術：
隨著大功率電力電子技術的發展，高壓變頻器、高壓動態無功補償裝置的應用逐漸增多，此類設備大多採用多模塊鏈式結構，單個模塊上的直流電壓在1000V 2500V之間，高電壓輸入直流/直流變換器可以有效解決模塊內部低壓電路板供電問題。小功率，高電壓輸入的直流/直流變換器，反激拓撲較為合適，反激拓撲中的開關器件(場效應管)要承受的電壓為輸入電壓與副邊反射電壓之和，目前性能較好的高耐壓場效應管，可承受漏源電壓最大在1700V，無法直接應用在輸入的電壓高於1700V的場合， 兩個場效應管串聯雖然在整體耐壓上可以滿足要求，但由於兩個場效應管漏極電位不同， 一般需將上管驅動電路做光電或電磁隔離處理，再施加驅動脈衝信號。典型的光電隔和電磁隔離如如圖I和圖2所示。圖I中脈衝發生器輸出控制場效應管開關的控制信號，由於脈衝發生器和串聯下場效應管在同一地電位，脈衝發生器輸出的控制信號可以直接對串聯下場效應管進行驅動 (脈衝發生器有一定驅動能力，若驅動能力不足，則需在中間加入功率放大電路)。由於上場效應管漏極電位與脈衝發生器的地電位不同，電位差最大為下管場效應管漏源電壓，因此脈衝發生器對串聯上場效應管的驅動信號，通過光耦傳遞給上場效應管的驅動電路，一般上管驅動電路為有源驅動，因此還要在電路中增加一個隔離電源，隔離電源的輸入端和脈衝發生器、串聯下場效應管共地即可，隔離電源的輸出端地電位和串聯上場效應管驅動電路等電位。此種光電隔離驅動方式電路構成複雜，還要增加一個隔離電源，同時串聯上場效應管的驅動信號受光耦響應延遲的影響，在開關頻率高的情況下影響尤為突出，電路的開關頻率受到限制。圖2採用了變壓器電磁隔離的方式，這種方式直接通過變壓器原副邊的磁耦合將控制脈衝傳遞給串聯上場效應管，雖然此種方案省略了隔離電源，但受到變壓器磁復位的限制，即佔空比受限，及脈衝信號在變壓器傳遞的過程中存在的波形畸變，都會影響整體驅動效果。以上兩種驅動方式或因光耦響應延遲或因變壓器造成的驅動波形畸變，使上下管開關時序和理論設計有偏差，主要是上管驅動延時造成，嚴重時會導致管子承受電壓不均， 場效應管過壓失效。
發明內容
本發明針對上述不足，提供一種基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路，解決串聯場效應管的驅動難題，電路無需隔離電源，上下管驅動脈衝時序與理論設計時序一致，場效應管不會因分壓不均而過壓失效，同時驅動佔空比沒有限制，驅動電路參數不受場效應管分布參數的影響。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括濾波電容、柵極電壓鉗位電路、 上管驅動電路以及由依次串聯的原邊繞組和兩個場效應管組成的輸出電路，其中濾波電容、柵極電壓鉗位電路和輸出電路分別設置於高壓直流輸入端的正負極，柵極電壓鉗位電路的柵極電壓鉗位端與上管驅動電路的第一埠相連，上管驅動電路的第二埠和第三埠分別與第二場效應管的柵極和第一場效應管的漏極相連。所述的上管驅動電路包括儲能電容、第一穩壓二極體、第一二極體和第二二極體，其中第一二極體與儲能電容串聯連接於上管驅動電路的第一埠和第四埠之間，第一穩壓二極體反向連接於上管驅動電路的第二埠和第三埠之間，第二二極體的陽極和陰極分別與第一穩壓二極體的陽極以及第一二極體的陽極相連。所述的柵極電壓鉗位電路包括兩個串聯的兆歐級電阻，該柵極電壓鉗位電路的
電壓鉗位端上設有第二穩壓二極體。 所述的第一場效應管通過在柵極設置控制驅動電路實現導通控制。本發明通過在串聯場效應管的反激拓撲中加入作為二極體電容混合網絡的上管驅動電路和作為電阻穩壓管的柵極電壓鉗位電路，解決串聯場效應管的驅動難題，電路無需隔離電源，上下管驅動脈衝時序與理論設計時序一致，場效應管不會因分壓不均而過壓失效，同時驅動佔空比沒有限制，驅動電路參數不受場效應管分布參數的影響。
圖I為現有光耦隔離驅動電路。圖2為現有變壓器光電隔離驅動電路。圖3為本發明的電路圖。圖4為實施例關鍵電壓波形示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。實施例如圖3所示，本實施例包括濾波電容Cl、柵極電壓鉗位電路I、上管驅動電路2以及由依次串聯的原邊繞組T和兩個場效應管Ml、M2組成的輸出電路3，其中濾波電容Cl、 柵極電壓鉗位電路I和輸出電路3分別設置於高壓直流輸入端的正負極，柵極電壓鉗位電路I的電壓鉗位端與上管驅動電路2的第一埠①相連，上管驅動電路2的第二埠②和第三埠③分別與第二場效應管M2的柵極和第一場效應管Ml的漏極相連。所述的上管驅動電路2包括儲能電容C2、第一穩壓二極體ZD1、第一二極體Dl和第二二極體D2，其中第一二極體Dl與儲能電容C2串聯連接於上管驅動電路2的第一埠 ①和第四埠④之間，第一穩壓二極體ZDl反向連接於上管驅動電路2的第二埠②和第三埠③之間，第二二極體D2的陽極和陰極分別與第一穩壓二極體ZDl的陽極以及第一二極體Dl的陽極相連。
所述的柵極電壓鉗位電路I包括兩個串聯的兆歐級電阻R1、R2，該分壓電路I的
電壓鉗位端上設有第二穩壓二極體ZD2。所述的第一場效應管Ml通過在柵極設置控制驅動電路4實現導通控制，該控制驅動電路4採用常規場效應管控制器或晶片。所述的上管驅動電路2也適用於串聯絕緣柵雙極型電晶體，即本實施例中兩個場效應管Ml和M2替換為兩個串聯絕緣柵雙極型電晶體。柵極電壓鉗位電路及上管驅動電路內元器件參數也做相應調整即可，主要是儲能電容C2的容值要與串聯上絕緣柵雙極性電晶體的輸入電容容值匹配。本實施例工作過程如下如圖3和圖4所示，為本發明電路工作原理，分為初始啟動狀態，開通過程，關斷過
程三部分。初始狀態TO Tl :當電路直流電壓輸入時，首先經過濾波電容Cl穩壓濾波，直流電壓經過電阻R1、電阻R2分壓，使得電阻Rl電阻R2串聯中點電壓為輸入直流電壓的一半或更高(此電壓由電阻Rl和電阻R2的阻值比例決定，兩個電阻阻值均在兆歐以上)，此電壓記為VT，第二穩壓二極體ZD2的穩壓值可調整至VT，起到保護作用，使得電阻Rl和電阻 R2串聯中點電壓不會高於VT。第一場效應管Ml漏極的初始電壓小於VT 3至5V(此3至 5V電壓由第二場效應管M2開啟閾值電壓決定)，儲能電容C2電壓低於第一場效應管Ml漏極電壓O. 5V左右(此O. 5V電壓為第二二極體D2導通壓降)。第二場效應管M2漏極電壓與輸入直流電壓相等。開通過程Tl T2 :當控制驅動電路4開通第一場效應管Ml時，第一場效應管Ml 漏源極電壓迅速下降，接近0V，在下降的過程中，儲能電容C2電壓大於第一場效應管Ml漏極電壓，第二二極體D2反向截止。在第一場效應管Ml漏極電壓下降的過程中，第二場效應管M2柵極電壓也隨之下降，第一二極體Dl正嚮導通，由於第一二極體Dl的反向耐壓要求很低，可承受30V即可(其反向電壓受第一穩壓二極體鉗位到15V)，正嚮導通電流又很小， 則第一二極體Dl的元件選擇可用正嚮導通延遲在I 2納秒的二極體，相對於整個場效應管的開通時間幾十納秒或幾百納秒而言，可以認為第一二極體Dl導通是無延遲的。儲能電容C2電荷通過第一二極體Dl向第二場效應管M2的柵源間電容轉移(由於電阻Rl阻值很大，在開通過程中第二場效應管M2柵源電容電荷的增加全部來自於儲能電容C2，儲能電容 C2的容值根據實際輸入電壓和第二場效應管M2柵源電容值選擇，由於儲能電容C2隻在開通時起作用，即向第二場效應管M2柵源電容提供電荷，只要容值足夠大即可，無論第二場效應管M2的柵源電容的分布性差異多大，都不會影響管子開通)，最終使第二場效應管M2 柵源極間電壓達到第一穩壓二極體ZDl的穩壓值(典型值為15V)。此過程中，第二場效應管M2柵源極間電壓高於開啟閾值電壓後，第二場效應管M2即可導通，第一場效應管Ml，第二場效應管M2基本同時開通，開通過程中不存在兩個管子分壓不均的情況，即第一場效應管Ml和第二場效應管M2的開通時序和設計預期完全相同。兩隻場效應管完全開通後，儲能電容C2兩端電壓高於第二場效應管M2柵極電壓O. 5V(此電壓為第一二極體Dl的導通壓降)，繞組T承受輸入直流電壓。關斷過程T3 T5 :當控制驅動電路4關斷第一場效應管Ml時，第一場效應管Ml 漏極電壓逐漸上升，上升過程中，第二二極體D2正嚮導通，儲能電容C2兩端電壓隨著第一場效應管Ml漏極電壓一起上升，為下一次開通第二場效應管M2儲存電荷。在第一場效應管Ml漏極電壓上升過程中，由於第二場效應管M2柵源間電容電荷沒有洩放途徑(第一二極體Dl反向截止，電阻R2電阻值在兆歐以上，在關斷過程中可忽略此通路)第二場效應管 M2柵源極間電壓基本不變，第二場效應管M2仍處於導通狀態，當第一場效應管Ml漏極電壓升到接近於VT時，即T4時刻，第二場效應管M2柵極電壓已經達到VT，受第二穩壓二極體ZD2的鉗位作用，第二場效應管M2柵源電荷從第二穩壓二極體ZD2途徑洩放，第二場效應管M2柵源極間電壓降低，最後降至開啟電壓，第二場效應管M2關斷。至此第二場效應管 M2，第一場效應管Ml兩隻管子關斷，第一場效應管Ml漏源極間電壓最大為VT，第二場效應管M2承受電壓為其餘直流電壓與VT的差值。三個過程中儲能電容C2兩端電壓，第一場效應管漏源極電壓、第二場效應管M2漏極對第一場效應管Ml源極電壓波形見圖3。通過以上開通關斷分析知本發明電路無需隔離電源，上下管驅動脈衝時序與理論設計時序一致，場效應管不會因分壓不均而過壓失效，同時驅動佔空比沒有限制，驅動電路參數不受場效應管分布參數的影響。
權利要求
1.一種基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路，其特徵在於，包括濾波電容、柵極電壓鉗位電路、上管驅動電路以及由依次串聯的原邊繞組和兩個場效應管組成的輸出電路，其中濾波電容、柵極電壓鉗位電路和輸出電路分別設置於高壓直流輸入端的正負極，柵極電壓鉗位電路的柵極電壓鉗位端與上管驅動電路的第一埠相連，上管驅動電路的第二埠和第三埠分別與第二場效應管的柵極和第一場效應管的漏極相連；所述的上管驅動電路包括儲能電容、第一穩壓二極體、第一二極體和第二二極體，其中第一二極體與儲能電容串聯連接於上管驅動電路的第一埠和第四埠之間，第一穩壓二極體反向連接於上管驅動電路的第二埠和第三埠之間，第二二極體的陽極和陰極分別與第一穩壓二極體的陽極以及第一二極體的陽極相連。
2.根據權利要求I所述的基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路，其特徵是，所述的柵極電壓鉗位電路包括兩個串聯的兆歐級電阻，該柵極電壓鉗位電路的電壓鉗位端上設有第二穩壓二極體。
3.根據權利要求I所述的基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路，其特徵是，所述的第一場效應管通過在柵極設置控制驅動電路實現導通控制。
全文摘要
一種直流功率變換技術領域的基於高電壓輸入反激拓撲的串聯場效應管驅動電路，包括濾波電容、柵極電壓鉗位電路、上管驅動電路以及由依次串聯的原邊繞組和兩個場效應管組成的輸出電路，其中濾波電容、柵極電壓鉗位電路和輸出電路分別設置於高壓直流輸入端的正負極，柵極電壓鉗位電路的柵極電壓鉗位端與上管驅動電路的第一埠相連，上管驅動電路的第二埠和第三埠分別與第二場效應管的柵極和第一場效應管的漏極相連。本發明解決串聯場效應管的驅動難題，電路無需隔離電源，上下管驅動脈衝時序與理論設計時序一致，場效應管不會因分壓不均而過壓失效，同時驅動佔空比沒有限制，驅動電路參數不受場效應管分布參數的影響。
文檔編號H02M1/08GK102594103SQ20121007517
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月20日 優先權日2012年3月20日
發明者劉文華, 張秀娟, 李建國, 王天宇 申請人:思源清能電氣電子有限公司