MOS管驱动变压器隔离电路分析和应用

基于IR2130的MOSFET驱动电路设计张加岭; 李善波; 侯颖钊; 赵杰; 张宁; 苗飞【期刊名称】《《电气传动自动化》》【年(卷),期】2017(039)006【总页数】5页(P32-35,44)【关键词】MOSFET; 驱动电路; IR2130; 设计【作者】张加岭; 李善波; 侯颖钊; 赵杰; 张宁; 苗飞【作者单位】国网徐州供电公司江苏徐州221000【正文语种】中文【中图分类】TM711 引言电力电子装置的小型化对功率开关器件的工作频率提出了越来越高的要求，各种全控型功率器件相继出现，已经在开关变换器中得到了广泛应用。

MOSFET是一种单极性器件，没有少数载流子的存储效应，工作频率可达几十kHz至MHz，具有驱动功率小、功率容量大等优点。

应用在逆变器上的MOSFET能比其他功率元件提供更好效益，其中包括高载流能力，并能与逆并联二极管配合使用。

本文提出了一种工作频率为16kHz且具有较强负载驱动能力和抗干扰能力的MOSFET隔离性驱动电路[1]。

2 MOSFET工作原理金属－氧化层半导体场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal－Oxide－Semiconductor Field－Effect Transistor，MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。

MOSFET根据其“通道”极性的不同分为“N 型”和“P型”两大类。

MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小。

其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。

图1 平面N沟道增强型MOSFET要使增强型N沟道MOSFET工作，需在 G、S之间加正电压 VGS，在D、S之间加正电压VDS，则可产生正向工作电流ID。

改变VGS的电压可控制工作电流ID。

若先不接VGS（即VGS＝0），在D与S极之间加一正电压VDS，则漏极D与衬底之间的PN结处于反向，漏源之间不能导电。

同步整流技术介绍开关电源的同步整流技术同步整流技术简介1概述近年来，为了适应微处理器的发展，模块化电源的发展呈现出两个明显的发展趋势：低电压和快速动态响应。

在过去的10年里，模块化电源极大地改善了分布式电源系统的外观。

即使在安装成本敏感的设备（如线路卡和单板）时，模块电源也提供了一个有吸引力的解决方案。

然而，高速处理器不断降低的工作电压需要一种新的电压方案来适应未来，特别是考虑到肖特级二极管整流模块的效率不能令人满意。

同步整流电路应运而生，以满足低压输出的要求。

由于普通肖特基二极管的正向压降大于0.3V，因此在低电压输出时，模块的效率不可能很高。

一些数据表明，使用肖特基二极管的隔离直流模块电源的效率可以根据以下公式估算：voutvout(0.1voutvcuvf)0.1vout——一次侧和控制电路的损耗vcu―印制板的线路损耗VF-整流器传导压降损失我们假设采用0.4v的肖特基整流二极管，印制板的线路损耗为0.1v，则1.8v的模块最大的估算效率为72%。

这意味着28%的能量被模块内部损耗了。

其中由于二极管导通压降造成的损耗占了约15%。

随着半导体工艺的发展，低压功率mos管的的有着越来越小的通态电阻，越来越低的开关损耗，现在ir公司最新的技术可以制作30v/2.5mω的mos管，在电流为15a时，导通压降为0.0375，比采用肖特基二极管低了一个数量级。

所以近年来对同步整流电路的研究已经引起了人们的极大关注。

在中大功率低压输出的dc-dc变换器的产品开发中，采用低压功率mosfet替代肖特基二极管的方案得到了广泛的认同。

今天，采用同步整流技术的on-board模块已经广泛应用于通讯的所有领域。

2同步整流电路的工作原理介绍开关电源的同步整流技术图1同步整流正激电路原理图（无复位绕组）同步整流电路与普通整流电路的区别在于它采用了mos管代替二极管，而mos管是它驱的开关器件，必须采用一定的方式控制mos管的开关。

由NCP1014构成的10瓦隔离式空调控制器开关电源，其电路采用常见的反激式拓扑结构,如图2所示。

FR1为熔断电阻器，D1－4为输入级整流管，C1及C2为输入级滤波电容，L1为输入级EMI差模抑制电感。

D5、C3和R1分别为吸收电路超快恢复二极管、高压陶瓷电容和功率电阻。

T1为EE22铁氧体磁芯高频功率开关变压器。

U1为NCP1014单片开关电源IC，D6、R2和C4分别为辅助电源整流二极管、限流电阻和电解滤波电容。

U2、R3和ZD1分别为次级电压反馈高压隔离光耦、限流电阻和电压参考稳压二极管.D7和C6分别为12伏输出电源超快恢复整流二极管和电解滤波电容。

U3和C7分别为5伏输出电源稳压IC和电解滤波电容。

C5为安规Y2电容。

■ 电路设计要点以图2为例，介绍用NCP1014设计空调控制器开关电源电路的基本要点。

● 高频功率开关变压器T1高频开关变压器是开关电源核心器件之一，其参数的设计直接影响到开关电源的许多性能。

设计时须全面综合考虑开关电源各个方面因素。

采用不连续模式时，开关变压器的电感量应选择少一些,反之，采用连续模式时，变压器电感量应选择大一些。

变压器匝比的选择应结合需要的最大占空比、功率开关管和次级整流二极管的反向耐压值来考虑。

一般来讲,功率小的开关电源采用不连续的工作模式。

● 初级输入滤波电容C1和C2C1和C2可选用普通的电解电容，主要作用是对输入电压平滑滤波，滤除100赫兹纹波电压,为开关电源提供相对稳定的直流电压.宽电压输入范围时,C1和C2至少要保证开关电源每瓦有2微法以上的电容量.● 差模抑制电感L1L1与输入电容C1和C2一起构成Л型滤波电路，起到抑制开关电源EMI的作用。

推荐L1采用带铁氧体磁芯的电感，L1的电感量应大于或等于设计值，所能承受的有效值电流也要留出一定余量。

http：///2007/10/20071019121121109563。

html● 初级RCD吸收电路R1、C3和D5其主要作用是用来吸收功率开关管关断时产生的上升沿尖峰电压能量,减少尖峰电压幅值,防止功率开关管过电压击穿。

Power Electronics •电力电子Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 223【关键词】隔离电源 SG3525 PWM 过流保护随着科学技术的迅速发展，日常生活和工业生产中电气设备越来越多，高压设备击穿空气放电和大功率电机启动停止产生大量干扰，对供电电源也提出了新的要求。

开关电源因转化效率高，体积小等优势得到广泛的应用，国外开关电源研究起步较早，1955年美国科学家罗耶提出了利用磁芯饱和的特点来进行自激振荡的晶体管直流变换器；1964年美国提出串联开关电源，促进开关电源的发展；1988年，国外科学家提出移相全桥变换器的概念；2000年，Hiromitsu 提出了带有变压器隔离的半桥变换器。

相比而言国内发展相对缓慢，2007年，钱荔提出了推挽全桥双向DCDC 变换器；2016年史春玉提出软开关推挽正激变换器。

带变压器的隔离电源可以实现两个模块之间的电源线隔离，防止危险信号的相互串扰，实现每个模块独立供电，防止一个模块因受高压放电或其它原因导致的损坏波及其它模块，提高了电路的可靠性。

目前市场上常见的变压器隔离电源是将实验的输入电源采用1:1的工频变压器与市电进行隔离，这样工作人员不论接触哪条线都不会发生触电的危险，但是工频变压器体积较大。

本文用SG3525为控制核心，提高隔离变压器的工作频率，隔离变压器的工作频率不再是50Hz ，减小变压器体积，采用半桥的变压器驱动方式，输出经过全桥整流与滤波，设计相关过流保护电路，并给出实验结果及分析。

1 系统组成小功率高压隔离电源的设计与实现文/赵韶华 王妍力 雷腾飞隔离电源系统主要包括过流保护电路、SG3525控制电路、半桥驱动电路、整流滤波电路等部分。

隔离电源系统结构图如图1所示。

直流电源为系统提供直流电源9-15V ，SG3525为控制核心，提供逆变所需的PWM 波，隔离变压器采用半桥驱动，变压器输出经过桥式整流电路DB207整流成直流，再经滤波输出，最后得到所需直流电压。

单片机驱动功率mos管
'单片机驱动功率MOS管'
MOS管(金属氧化物半导体场效应管)是一种广泛应用于电力电子领域的功率器件。

由于其具有开关速度快、耐压能力强、驱动电路简单等优点,非常适合用于电源转换、电机控制等场合。

单片机驱动功率MOS管是指利用单片机的数字输出端口来控制MOS管的通断,实现对电路中电流的调节。

具体的驱动方式有以下几种:
1. 直接驱动
如果单片机的输出电流能够满足MOS管的驱动要求,可以直接连接到MOS管的栅极端,高电平打开MOS管,低电平关闭MOS管。

但一般单片机输出电流较小,这种方式适用范围有限。

2.光耦驱动
利用光耦将单片机的数字信号隔离转换为高电平驱动信号,再连接到MOS管的栅极。

这种方式可以有效隔离控制电路和功率电路,提高抗干扰能力。

3.功率驱动器驱动
使用专门的MOS管驱动器IC,它能够将单片机的低电平逻辑信号转换为足够大的栅极驱动电压和电流,可靠驱动大功率MOS管。

目前市面上有各种功率等级的MOS驱动器IC可供选择。

4.变压器驱动
通过小信号变压器将单片机的方波信号耦合到控制电路中,产生足够大的驱动电压,从而驱动MOS管。

这种方式具有很好的电气隔离性能。

无论采用何种驱动方式,都需要保证栅极驱动信号的时序正确,避免出现通断过程中的交叉导通现象,造成MOS管损坏。

同时,还要注意串联一个限流电阻以防止过大的栅极电流损坏MOS管。

单片机驱动功率MOS管是实现电能转换和控制的重要环节,选择合适的驱动电路将确保整个系统的可靠性和效率。

浅谈脉冲驱动变压器
在开关电源设计中，常常会用到驱动变压器来实现隔离、浮地、增大驱动能力等目的，是电源中非常重要的一部分，如果设计不好直接决定整个项目的成败，以及电源产品的品质好坏。

 1、采用驱动变压器的原因
 在开关电源设计中有较常用的电路拓扑：外驱BUCK、外驱BOOST、推挽、半桥、全桥、双管反激、双管正激等，这些电路拓扑中的开关管需要浮地、或互补、或同频同相同幅驱动，在手头只有较常规的单输出PWM控制芯片，又不想再增加成本引进新驱动芯片的情况下，采用驱动变压器是最好的选择，它不仅用作开关电源半导件元器件的驱动电脉冲（如功率MOSFET 或IGBT），还可用作电压隔离和阻抗匹配。

此外，在二次侧同步整流管的驱动电路也常常选择使用驱动变压器来实现他激驱动控制。

其实大多数开关电源加驱动变压器的最主要目的是为了隔离和实现浮地，上管跟下管不共地时，IC只能直接推动下管，上管就必须隔离驱动了。

其实，现在也有很多专用的隔离驱动IC，也可以获得和驱动变压器相近的效果，但是这种集成的隔离驱动IC有些明显的缺陷，就是导通和关断有很大的延迟、需要增加额外的驱动电源、以及设计难度大。

而驱动变压器则不同，这种变压器耦合方式的优点是延迟非常低，无需增加额外的驱动电源，而且通过匝比设计，还可以在很高的压差下工作。

相比于专用的隔离驱动IC，这种变压器驱动可设计的方式更多样，可以随时调整。

 图1驱动变压器电路图。

IGBT驱动器常用的隔离方式及技术发展作者：海飞乐技术时间：2018-05-23 12:06 绝缘栅双极性晶体管（IGBT）是MOS栅器件结构与双极性晶体管相结合的复合型功率开关器件，兼具功率MOSFET的高速、高输入阻抗与双极性晶体管的低导通电阻性能，是高压、大电流功率变换应用中的主要功率半导体器件。

驱动器作为IGBT与控制器之间的接口电路，对系统的功耗和可靠性等方面有着极大的影响。

驱动器的主要功能是放大控制信号以及为IGBT提供保护；为了保证控制器安全可靠工作，工业标准要求在驱动器中实现控制器与功率部分的安全可靠隔离。

另外，在常用的半桥式电路中，由于上管源极为浮地，上、下管的驱动信号也要隔离才能保证电路正常工作。

因此，隔离方式的设计直接关系到IGBT驱动器的可靠性。

常用的隔离方式包括：电平移位、光耦隔离、光纤隔离和脉冲变压器隔离等，各自不同的特点决定了其适用于不同的应用场合。

本文对它们的基本原理、特点以及应用技术等方面进行全面的分析与比较，得出IGBT驱动器中有关隔离技术的设计要点。

1.IGBT驱动器常用的隔离方式1.1电平移位方式电平移位（Level shifter）式隔离方式电路原理如图1所示，图2为采用电平移位的自举式（bootstrap）驱动半桥集成电路（HVIC）的外部连接图，其工作原理为：当图1中的N型MOS管关断时，通过图2中的电阻R1、二极管D1给接在输出电源与地之间的电容 C1充电，此时输入与输出是共地的；而当N型MOS管开通时，P型MOS管开通，电容C1通过P型MOS管加在负载端为其供电，此时的高端IGBT或MOSFET的源极为浮地状态，从而实现输出与输入的隔离。

由此可见，电平移位式隔离方式不是严格意义上的隔离，而是一种准隔离的方式。

此种方式的特点是电路元件少，无需单独的隔离元件与隔离电源，成本相对较低，便于集成化，在半桥式集成驱动器（HVIC）中广泛采用此种方式来实现高端开关器件的浮地驱动，比如：IR2110。

多mos管串联栅极驱动电路方案咱来唠唠多MOS管串联时的栅极驱动电路方案哈。

一、电容自举方案。

1. 基本原理。

想象一下，这个方案就像是给MOS管搭了个小电梯。

咱们先有个电容，这个电容就像是个能量小仓库。

当下面的MOS管导通的时候呢，电源电压就会通过一个二极管给这个电容充电。

这个二极管就像个小门卫，只让电流往电容那边跑，不让它倒回来。

等电容充满电了，它就可以把储存的能量用来驱动串联的上一级MOS管的栅极啦。

就好像把能量从下往上传递，让上一级的MOS管也能开心地导通。

2. 电路元件选择。

电容的大小很关键哦。

如果电容太小，可能储存的能量不够，上一级MOS管的栅极电压就上不去，它就不能好好导通。

一般来说，得根据MOS管的栅极电容大小、开关频率这些来选。

比如说，如果MOS管的栅极电容比较大，那咱就得选个相对大一点的电容，就像要给一个大胃口的家伙准备足够的食物一样。

二极管也要挑好。

它得能承受住充电时的电流，而且正向导通压降要小。

要是正向导通压降太大，那充电效率就低了，就像水管中间有个小堵塞，水流就不畅快了。

二、隔离驱动方案。

1. 工作机制。

这个方案就像是给各个MOS管之间建了个隔音墙。

咱们用隔离器件，像光耦或者变压器。

光耦就像是个光的信使，它能把控制信号从一边传到另一边，而且两边电气上是隔离的。

比如说，咱们要控制串联的MOS管，就把控制信号通过光耦传到下一个MOS管的栅极驱动电路那里。

变压器呢，就像是个能量传递的小魔法盒，它能把电能从一个绕组传到另一个绕组，也能起到隔离的作用。

这样就可以避免各个MOS管之间互相干扰，就像大家住在各自隔音很好的房间里，互不打扰。

2. 设计要点。

对于光耦来说，它的速度和传输比要合适。

如果速度太慢，那MOS管的开关速度就会受影响，就像个慢吞吞的邮递员，信件总是不能及时送到。

传输比要是不合适，可能就不能很好地把控制信号传递过去，就像信使把话传错了一样。

用变压器的时候呢，要注意它的匝数比和磁芯的选择。

UC284芯片资料介绍及维修方法和设计汇总第一节:UC2845D 芯片介绍① 管脚介绍Unitrode 公司的UC2845□（是贴片）是一种高性能固定频率电流 型控制器,包含误差放大器、PW 比较器、PW M 存器、振荡器、内部 基准电源和欠压锁定等单元，其结构图45D1脚：是误差放大器的输出端,外接阻容元件用于改善误差放器的 增益和频率特性。

2脚：是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V 基准 电压进行比较，产生误差（控制）电压，误差（控制）电压变大，第6 脚输出脉冲变窄，占空比降低，抑制输出电压的增加，从而使输 出电压稳定，而控制脉冲宽度，脉宽越宽，电源输出电压越高，Vref 比较器高低门限为 36V/3.4V 。

3脚：电流检测输入端。

在外围电路中，在功率开关管（如MoS f ）的源 极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电 压，此电压送入3脚，控制脉宽。

此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V 时,缩小脉冲宽度 使电源处于间歇工作状态,UC2845就停止输出，有效地保护了功 率开关管。

4脚：定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f = 当上电后，5VDC I 过Rt 电阻给Ct 充电，使④脚电压近（Rt?C ）似线性上升，当电压上升到2.8V 时,在振荡器内部，将定时电容 器CT 上的电压突然放掉，当电压下降到1.4V 时，电压又开始上 升,这样就形成一个锯齿波电压。

5脚：为公共地端。

6脚：为推挽输出端，输出的频率是振荡频率的1/2,内部为图腾柱式, 上升、下降时间仅为50ns,驱动能力为士 1A 。

8 127 6 34 5ucc G N D -L 一 5V 基准 UREF 2.5VDVre C T /R T I 振荡器 UFB COMP I I ISENSE i ［误差放大器 J R 内部偏 > -- % 7脚：Vcc 是电源。

驱动电路得比较电力电子器件得驱动电路就是电力电子主电路与控制电路之间得接口，就是电力电子装置得重要环节，对整个装置得性能有很大得影响。

电力电子器件对驱动电路得一般性要求①驱动电路应保证器件得充分导通与可靠关断以减低器件得导通与开关损耗。

②实现与主电路得电隔离。

③具有较强得抗干扰能力，目得就是防止器件在各种外扰下得误开关。

④具有可靠得保护能力当主电路或驱动电路自身出现故障时（如过电流与驱动电路欠电压等），驱动电路应迅速封锁输出正向驱动信号并正确关断器件以保障器件得安全。

按照驱动电路加在电力电子器件控制端与公共端之间信号得性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型与电压驱动型两类。

晶闸管就是半控型器件，一般其驱动电路成为触发电路，下面分别分析晶闸管得触发电路，GTO、GTR、电力MOSFET 与IGBT得驱动电路。

1晶闸管得触发电路晶闸管得触发电路得工作原理如下：1由V1、V2构成得脉冲放大环节与脉冲变压器TM与附属电路构成得脉冲输出环节两部分组成。

2当VI、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管得门极与阴极之间输出触发脉冲。

3 VD1与R3就是为了VI、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存得能量而设得。

4为了获得触发脉冲波形中得强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。

晶闸管得触发电路特点：触发脉冲宽度要保证晶闸管可靠导通，有足够得幅值也不能超过晶闸管门级得电压、电流与功率定额等参数。

2 GTO驱动电路GTO寻开通控制与普通晶闸管相似，下图为典型得直接耦合式GTC B动电路，其工作原理可分析如下：50kHz50V1电路得电源由高频电源经二极管整流后提供,VD1与C1提供+5V电压,VD2、VD3 C2 C3构成倍压整流电路提供+15V电压,VD4与C4提供-15V电压。

2V1 开通时,输出正强脉冲;V2开通时,输出正脉冲平顶部分；3V2 关断而V3开通时输出负脉冲;V3关断后R3与R4提供门极负偏压。