[实用新型]一种可负压关断的变压器隔离式栅极驱动电路

说明书

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，涉及一种功率MOSFET/IGBT等绝缘栅器件的栅极驱动电路。

背景技术

金属-氧化层-半导体-场效晶体管（MOSFET）与绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等绝缘栅型半导体元件在开关电源、逆变器等各种电力电子电路中得到广泛应用。但是，功率MOSFET/IGBT存在导通损耗和开关损耗（为表述方便，下文只以功率MOSFET为例来说明本实用新型，但是应当理解，所述内容也同样适用于IGBT）。为了降低电路的损耗，功率MOSFET的栅极驱动电路必需满足：（1）触发脉冲要有足够快的上升和下降速度，开通瞬间能提供足够大的灌电流，关断时能提供阻抗尽可能低的栅源极间电容泄放回路以降低开关损耗；（2）导通期间驱动电路要能保证足够大且稳定的栅源极间电压，降低导通损耗；（3）关断期间栅源极间有一定的负压，避免干扰产生误导通；（4）驱动电路尽可能的结构简单，损耗小，体积小，成本低，易于集成化，必要时要有隔离。

现有的功率MOSFET驱动电路主要分为三类：直接驱动、自举电路驱动和隔离驱动。直接驱动结构简单，驱动特性好，但是不适用于功率MOSFET的源极浮动驱动。自举电路驱动利用自举电容的升压原理，已经集成化，适用于功率MOSFET的源级浮动驱动，由于集成电路的优势，驱动方式结构简单，功能强大，但是需要二次电源，占空比不能达到100%，有信号延迟，工作频率一般不超过1Mhz。隔离驱动分为光耦隔离驱动和变压隔离驱动。光耦隔离驱动体积小，易于集成化，但是响应慢，延迟大，适合工作在低频；变压器隔离驱动速度快，延迟小，但是具有漏感和磁饱和的现象，适合工作在高频。

变压器隔离驱动按照次级电路的能量利用方式分为四种：直接耦合式、二次电源式、自给电源调制式和蓄能电容式。其中，直接耦合式的功率MOSFET的驱动功率直接来自于变压器的原边，结构简单，但是上升、下降速度较慢，开关损耗大。二次电源式的驱动功率来自于二次侧的电源，变压器原边只传递驱动信号，可以得到很好地驱动波形，但是需要独立的二次侧电源，结构成本响应增加。自给电源调制式的驱动能量来自于变压器副边，是国外普遍采用的形式，已经集成化。以美国Unitrode公司的UC3724/UC3725芯片对为典型代表，其中UC3724用来产生高频载波信号，经脉冲变压器隔离后送到UC3725，UC3725将高频调制波解调后得到驱动信号，同时将其整流成直流电压用以提供驱动功率。这种驱动电路发热较重，适用于频率低于100Khz的情况，特别是占空比变化频繁、频率调制的场合，但是芯片价格较高，且低频需要的变压器体积较大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可负压关断的变压器隔离式栅极驱动电路。

为了达到上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种可负压关断的变压器隔离式栅极驱动电路，包括实现输入波形耦合传递和还原的变压器隔离单元、增大所述电路驱动功率的功率放大单元以及在关断时产生负压的负压单元。

所述变压器隔离单元包括电容C1、电阻R1、二极管D1、脉冲变压器T、电容C2、二极管D2以及电阻R2；其中，二极管D1、电阻R1和电容C1串联在变压器T的原边绕组上；二极管D1的正极与变压器T的原边绕组的一端相连，负极与电阻R1相连，电容C1的一端连接变压器T原边绕组的另一端，另一端连接原边匹配电阻R1；电阻R2与电容C2并联后，整体再与二极管D2串接在变压器T的副边，其中二极管D2的正极与变压器T的副边绕组的一端相连，负极与电容C2和电阻R2的并联节点相连；二极管D1的两端作为所述驱动电路的输入端。

所述功率放大单元包括二极管D3、电容C3、电阻R3、NPN型晶体管Q1以及PNP型晶体管Q2；其中，晶体管Q1和Q2组成图腾柱电路，晶体管Q1与Q2的基极与二极管D3的正极相连后一起连接到电阻R2和电容C2的并联节点上，二极管D3的负极连接晶体管Q1的集电极；电阻R3连接晶体管Q2的基极和集电极。

所述功率放大单元还包括两端分别连接晶体管Q1的集电极和Q2的集电极的电容C3。

所述负压单元包括电容C4、稳压二极管ZD、二极管D4、电阻R4和电阻R5；其中，二极管D4的正极与晶体管Q2的集电极相连，负极与稳压二极管ZD的负极相连，稳压二极管ZD的正极连接电容C4；电阻R4与R5串联后整体并联在稳压二极管ZD的正极和二极管D4的正极之间；电阻R5的两端为整个电路的输出端，其中电阻R5与二极管D4相连的一端连接待驱动器件的源极，另一端连接连接待驱动器件的栅极。

所述电容C2大于所述电容C3和所述电容C4之和。