一種基于圖騰柱結構的無損驅動電路設計

賈 強，亓迎川，馬攀偉，柳 鑫

(空軍預警學，湖北 武漢 430019)

0 引 言

目前隨著集成電路的發展，各類型的驅動電路及驅動芯片五花八門，且運用都比較成熟，但是大多數驅動芯片成本較高，外圍電路設計復雜，在使用過程中影響因素較多[1]。根據耦合方式的不同可以將驅動電路分為直接驅動和隔離驅動[2]。直接驅動電路包括推挽輸出驅動、TTL(Transistor-Transistor-Logic)驅動和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)驅動等；隔離型驅動包括磁耦合隔離驅動和光耦隔離驅動兩種形式[3]。其各有優缺點，并且適用場合也有很大的不同。磁耦合隔離驅動電路使用變壓器進行隔離，不需要獨立電源來對隔離器件供電，但其只能耦合交流電壓，不能耦合直流電壓，主要適用于各種功率的開關電源，并且磁耦合驅動電路對電路中的磁參數要求較高，設計較復雜[4]；光耦隔離驅動其易集成化，對驅動信號占空比、工作頻率無特殊要求，不需要過多的參數設計，使用方便，主要適用于高效開關電源和逆變電源[5,6]。

光耦隔離驅動一般是基于圖騰柱結構驅動電路結合具體的使用需求進行改進。文獻[7]為了增大電路的驅動能力，在驅動輸出端加了推挽電路，該電路雖然增加了電路的驅動能力，但推挽電路增加了電路的復雜性。文獻[8]在光耦隔離電路中加入了一個動態電壓比較器來提升電路的上升/下降沿變換速度，但該電路可靠性較低，可能出現占空比丟失。

在綜合上述文獻中電路的優缺點及圖騰柱結構自身顯著優點的基礎上，本文提出了一種基于圖騰柱結構的開關管無損驅動電路，理論分析和實驗結果均表明該電路驅動能力較強，穩定性較好，對波形的還原度較高，波形基本沒有損失和延時。

1 傳統圖騰柱驅動電路結構

一般的圖騰柱驅動電路結構如圖1所示，當P端有驅動信號時，光耦信號經整形和功率放大AMPL后使A點為高電平，三極管VQ1導通，使開關管導通；當P端沒有驅動信號時，A點為低電平，三極管VQ2導通，穩壓管D1兩端的電壓U1作為反壓加至開關的S、G兩級之間，使開關管反偏，實現關斷。該類型驅動電路最大的優點是能夠提升電路的電流驅動能力，迅速完成開關管門級電荷的充電和放電過程。基于這一優點，本文提出了一種基于圖騰柱結構的具有電壓保護功能的無損驅動電路。

圖1 傳統的圖騰柱驅動電路結構

2 新型驅動電路結構及工作原理

提出的基于圖騰柱結構的開關管無損驅動電路如圖2所示。該電路主要包括三部分，首先是光耦隔離部分，第二部分是電平轉換及驅動電路，第三部分是柵極過電壓保護電路。光耦隔離部分主要用來實現控制信號和開關管驅動信號之間的隔離；電平轉換及驅動電路部分采用由三極管VQ2和VQ3構成的圖騰柱結構作為基礎，這樣能保證電路具備足夠的驅動能力；柵極電壓保護保護電路可以實現開關管柵源間電壓不超過其耐壓值，電阻R7可防止開關管誤導通。

圖2 基于圖騰柱結構的新型驅動電路

驅動電路的工作原理如圖3所示，圖中“+”代表高電平，“-”代表低電平。當輸入為高電平時，工作通路如圖3(a)所示，光耦輸出為低電平，VQ1關斷，A點為高電平，VQ2導通，使開關管導通；當輸入為低電平時，工作通路如圖3(b)所示，光耦輸出為高電平，A點為低電平，VQ3導通，穩壓管D1兩端的電壓U1作用于開關管的S、G級，使開關管反偏，實現關斷。

圖3 新型驅動電路工作通路

3 硬件電路設計

根據實際的電路設計需求以及考慮成本，選取光耦芯片為H11L1。該芯片由發光二極管與光敏集成檢測電路構成，集成有施密特觸發器，具有響應速度快，抗噪聲，數字邏輯兼容性等優勢。其開關切換速度較快，小于4 μs，最高傳輸速率高達1 MHz，具有波形變換、脈沖波整形等功能，同時又具備光耦的特性，具有卓越的隔離能力。該芯片外圍電路比較簡單，如圖4所示，僅需3～16 V的直流電源供電，在6腳和4腳之間接一個電阻構成次級電流回路，便可實現光耦隔離。需要注意該芯片內部是隔離的，因此其初級和次級管腳的地是相互隔離的，需要單獨連接。

圖4 H11L1光耦外圍電路

選取的NPN三極管為ZTX651，PNP三極管為ZTX751，該系列的三極管耐壓值都較高，且其開通時間僅為40 ns，滿足設計需求。

根據開關管的導通特性及安全考慮，需要使驅動信號的高電平即開通電壓為+15 V左右，低電平即關斷電壓為-9 V左右，因此選取穩壓二極管D1的穩壓值為9.1 V，選取主電路上端的電壓為+24 V。為了能更好的實現驅動效果及讓每個開關管之間互不干擾，對每一路驅動電路都需要隔離電源供電。驅動電源可以通過電源模塊獲得，也可以通過穩壓芯片獲得，但是電源芯片價格較昂貴且規格有限，本文采用穩壓芯片來獲得隔離驅動電源。

本文中設計的驅動電路共需要+12 V、+24 V兩路電源。+12 V為光耦芯片供電，+24 V作為電平轉換及電路的上端正電壓，與穩壓管配合來獲得驅動電壓。隔離驅動電源電路圖如圖5所示。

將由多抽頭變壓器產生的隔離電壓經整流橋模塊KPBC1501整流后，經濾波電容C1濾波，之后經三端穩壓芯片L7824穩壓，便可產生+24 V的直流電壓。電容C1、C5的大小可根據負載的大小來確定，電容C2、C3、C4的作用是防止電路產生自激振蕩。之后跟前級電路類似，將+24 V電壓作為三端穩壓芯片的輸入，便可通過三端穩壓芯片L7812產生+12 V的直流電壓。

圖5 輔助電源電路

最后根據設計的電路及選取的元器件型號用AD14軟件繪制了PCB電路板，并搭建了具體的硬件電路，如圖6所示，該圖為四路驅動電路集成的硬件電路實物圖。

圖6 四路集成的驅動電路實物圖

4 實驗結果分析

本文運用函數發生器分別產生高頻和低頻方波信號，對電路的驅動能力及驅動損耗情況進行了測試。

圖7所示為100 Hz時的控制信號和驅動信號波形，控制信號是由函數發生器產生的，驅動信號是開關管G、S級之間的信號。從圖7(a)中可以看出，控制信號的高電平為9 V；從圖7(b)中可以看出，驅動信號的高電平為+15 V，低電平為-9 V，滿足開關管的驅動要求。

圖8所示為20 kHz時對電路驅動能力測試波形，從圖8(b)所示的波形可以看出驅動信號的高電平為+15 V，低電平為-9 V，同樣滿足開關管的驅動要求，說明該電路同樣適用于高頻驅動場合。圖8(c)為20 kHz時半個周期內的驅動信號，從圖中可以看出信號上升下降速度較快，上升時間為1 μs，下降時間為0.8 μs，對信號的損耗可忽略不計。

圖7 100 Hz時驅動能力測試

圖8 20 kHz時驅動能力測試

5 結 論

本文在分析了傳統圖騰柱驅動結構的基礎上，提出了一種基于圖騰柱結構的無損開關管驅動電路，并對其硬件電路進行設計，用給定信號對電路的驅動能力進行了測試，理論分析和實驗結果均表明，該電路具有以下幾個優點：

(1)電路結構簡單，外圍電路較少，使用和設計較方便；

(2)驅動能力較強，驅動電壓和驅動電流均能滿足開關管的驅動要求，較可靠；

(3)對信號損失較小，控制信號和驅動信號吻合度較高，基本可以實現零損耗驅動。