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发表于 2019-5-30 09:53:22
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关于电赛公开课
《模拟电路基础知识讲座》由 TI 邀请青岛大学傅强老师录制，深入浅出的介绍了模拟电路及电源相关的基础知识，帮助大家由浅入深地了解产品，更轻松的进行产品的选型和设计。
本课程共计80节视频内容，视频解析文字课40节，每周二、周四更新，欢迎同学观看学习。
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本节文字课程相关视频：
1. 脉冲变压器隔离
2. 光耦隔离
3. 自举升压与P型管驱动
电力半导体开关的驱动电路主要由两个作用，在 MOSFET 的驱动中我们实际讲解了其中一个作用，那就是驱动电路必须提供足够的功率去快速通断开关。本节将讲解驱动电路的另一个作用——隔离，内容包含为什么需要隔离，以及隔离的方法。
1、驱动电平的浮动现象
本节将通过分析桥式电路驱动电平的浮动现象，帮助大家理解为什么驱动需要隔离。如图1，将全桥电路中的开关全部换成了实际的N沟道增强性 MOSFET，直流电压PVCC取100V。
1) T2和T3驱动很好办，只需要在E和F上加载几伏的控制电压即可，T2和T3称为低压侧桥臂。
2) 想要驱动T1，必须在AC之间加载几伏的电压，这里就暂定5V好了。T4的情况与T1类似，下面只讨论T1。
3) 假定开关特性完全一致，C点电压在4个开关均不导通时，电压将是50V（T1和T2的绝缘电阻相等，各承受一半电压）。这意味着A点驱动电压要给上55V才行。
4) 当T1导通时，C点电压将上升到100V，这时A点驱动电压得105V。由于C点电压浮动，处于高压侧桥臂的 MOSFET 将很难驱动。
类似高压侧桥臂这种开关电平浮动的驱动方案大体有以下几种：
1) 对于高电压大功率电源，或者是不惜工本的情况，可以采用脉冲变压器隔离或光耦隔离的方案。
2) 在中小功率电路中使用更广泛的是两种低成本的方案，自举升压驱动和P型管驱动。
2、脉冲变压器隔离
变压器可以隔离一切电位，而仅仅把电位差给传递到二次侧。脉冲变压器的名称的由来：
（1）适用于高频，区别于工频变压器。
（2）工作波形一般不对称，区别于一般开关电源的主高频变压器。
（3）脉冲变压器一般需定制或自制，匝数比多为降压型。
如图2所示为使用脉冲变压器进行隔离驱动的H桥逆变电路。
（1）只有高侧的开关需要隔离驱动。
（2）O14代表控制T1和T4通断的控制信号，O23代表控制T2和T3通断的控制信号，O14和O23为对称互补信号。
（3）PVCC供电200V，VCC供电20V。
（5）T5导通，N2线圈流过向下的电流。N1线圈流过顺时针电流驱动T1（或T2）栅极。T5断开，T1（或T2）栅极电压通过R2泄放。
如图3所示为泄放电阻R2取值不同时，H桥输出电压波形的仿真。从仿真可以看出，驱动不仅是对珊极（寄生电容）充电，放电环节同样重要！！！
（1）当R2电阻值100kΩ时，由于栅极放电电流严重不足，MOSFET 开关根本没有完全实现通断，输出电压没有在正负直流母线电压之间变化。
（2）当R2电阻值1kΩ时，栅极放电电流不足，虽然输出电压勉强在正负直流母线电压之间变化，但是开关延迟严重。
（3）当R2电阻值100Ω时，栅极放电电流差强人意，输出电压基本在正负直流母线电压之间变化，开关延迟尚可接受。
（4）当R2电阻值10Ω时，栅极放电电流令人满意，输出电压完美的在正负直流母线电压之间变化，开关几乎无延迟。
如图4所示，可以改用图腾柱结构来驱动脉冲变压器，充电放电均为“主动式”。仿真波形如图5所示，H桥输出电压完美。
3、光耦隔离
光耦只能传递信号，无法传递功率，所以还需隔离电源进行前后级隔离供电。除非使用电池供电，否则各个电源的来源还是市电，所以最终提供光耦隔离驱动能量的还是变压器，只不过光耦需要的是电源变压器。
如图6所示为光耦隔离电路及其隔离供电电源。
（1）VCC_T1和GND_T1代表给一只光耦次级供电的隔离电源，他们与光耦前级的 GND 毫无电位关系。
（2）O1驱动发光二极管发光后，次级光电三极管流过电流，驱动负载。
如图7所示为采用光耦隔离驱动的H桥电路，O1和O2为反相互补信号。
参考图7，对光耦隔离中的电源进行分析：
（1）由于低侧开关驱动没有隔离，所以控制电路VDD和主电路电源PVCC是共地的。
（2）在可靠性要求高的场合，低侧开关的驱动也是隔离的。
（3）高侧开关驱动电源VCC_T1和VCC_T2的“地”是完全独立的。
如图8所示，用两个仿真电压表观测各个地之间的电压差。
如图9所示为光耦隔离驱动的H桥电路的输出电压波形，以及各个地之间的电位波动。
（1）Vo1为逆变电路输出的方波电压，上升沿不完美是因为光耦后级没有再用一次图腾柱输出，导致 MOSFET 栅极驱动速度不够。
（2）控制信号的电压只有10V，但是各个地的压差达到200V，这就是为什么需要隔离电源。
4 自举升压驱动
当电源电路中有两个开关，构成高低压侧桥臂，并且控制方法是轮流导通时，就可以使用原理上非常巧妙的自举升压驱动芯片，例如图10所示的 TI 公司 UCC27200A 驱动芯片。
| 图10 UCC27200A 自举升压驱动简化的原理框图 |
1) T1和T2构成一对半桥，T2为低压侧桥臂，驱动毫无压力。T1的源极接在芯片的HS端，随着T2的通断，VHS电平将高低起伏，因此T1管难以驱动。
2) 在芯片内部，低压侧驱动单元的电源直接是12V控制电源VDD供电；高压侧驱动单元的电源HVcc则是由自举升压电容C所提供，且它的“地”是VHS。
3) 由于C的电平是随T1的源极（VHS）浮动的，所以高压侧驱动单元输出的驱动信号HO也会自动浮动电平，从而解决T1驱动问题，这也就是自举升压驱动名称的由来。
如何保证C上始终有电呢？答案在VDD→D→C→T2→GND 所构成的充电回路上。
1) 当T2导通时，VHS电压降到0，C可被VDD充12V电压。
2) 当T2断开时，VHS电压升高，HVCC同步升高，由于D反向截止，C不会对VDD漏电，C两端电压保持12V。
3) 由于C上储能始终是有限的，会被高压侧驱动电路用掉电荷，所以低压侧开关T2需要周期性导通（顺便）给C充电。并且，电路刚启动时，也必须先开通T2（以便给C充上电），而后才能去控制T1。
前面学过的电流可逆斩波电路在“电流可逆”工作状态下，两只开关互补导通，便可以使用自举升压驱动芯片进行驱动。常用的自举升压驱动芯片还有IR公司的IR2110，它与UCC27200A的主要区别是自举升压二极管D没有集成在芯片内部，注意要选取快恢复二极管。
5 P型管驱动
不满足自举升压驱动原理的小功率开关电路来说，例如如图11所示的使用二极管续流的 Buck 斩波电路，T1的源极电位VF1是浮动的，也存在难以驱动的问题，此时如果杀鸡用牛刀采用光耦或脉冲变压器去隔离，肯定是不经济合理的。
有一种简单方案是使用P型电力电子开关来解决电压浮动问题。如图12所示将桥式电路的高压侧桥臂开关换成PMOS管。
1) 对于T1和T4来说，栅极电压低于PVCC时，开关导通；栅极电压等于PVCC时，开关断开。栅极所需的控制电压不再是浮动的。
2) 利用三极管（或场效应管）T5和T6构成的反相器电路，可将T1和T4栅极控制电压变换为低压控制，注意T5和T6需为高耐压的三极管或场效应管。
3) 图13所示为瞬时现象仿真波形，注意观察4个 MOSFET 开关的栅极控制电压波形。
为了加快关断速度，实际 PMOS 的驱动还额外用开关管取代了电阻R1和R2以加快栅极电容的充电过程，图12所示的驱动电路用于低速场合和作为原理性说明是可行的。
欢迎大家留言作答以下题目，答案将在下期公开课公布。在答案公布前作答正确的同学，还将获得5枚赫兹币奖励哦~
课后问答：
选择题 :
1、脉冲变压器与普通工频变压器相比，有什么区别？
A. 体积大
B .工作频率高
C .一般需定制
2、脉冲变压器隔离使用图腾柱驱动最直接的原因是？
A .损耗小
B .效率高
C .加快开关关断速度
3、对于主电路为高压的全桥逆变电路，控制电路和驱动电路至少需要几路隔离直流电源？
A . 1
B .2
C .3
D .4
4、光耦隔离的优点是什么？
A .驱动速度快
B .隔离电源仅需工频变压器
C .驱动波形好
D .成本低
5、关于P型管驱动，以下说法正确的是？
A .全桥电路需要4个P型开关
B .Boost 电路使用P型管开关可以简化驱动电路
C .Buck 电路使用P型管开关可以简化驱动电路
参考答案：
1 BC
2 C
3 C
4 BC
5 C
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