隔离驱动-视频课笔记

我们看这么一个 H 桥电路，A 点的电压，它是不定的，如果下面这个开关导通，它接到地上，它是 0V ，如果 T1 导通接到 PVCC 上，它是 200V ，如果 T1、T3 都不导通，又完全对称，那么我认为这点平分电压，100V ，当然它可能是别的电压值，那么我要去开通 T1 ，栅极 B 点的控制电位应该是多少伏呢，这就也是浮动的，所以我们需要对驱动进行隔离。

1.2、四种常用的隔离方案

脉冲变压器隔离、光耦隔离，自举升压还有 P 型管，其中前面两种是货真价实的隔离电路而后两种是两种变通方案。

2、脉冲变压器隔离

变压器我们知道它可以隔离一切电位而仅把电位差传给自己那么脉冲变压器的由来是因为它适用于高频因为你是脉冲控制信号是一个方波脉冲方波就包含高频而不能使用工频变压器它的波形也是不对称的区别于一般的开关电源的主高频变压器。另外脉冲变压一般买不到现成的需要定制或者自制而且匝数比多为降压型

我们来看这么一个 H 桥电路

只有高侧的开关 T1 和 T2 它由于这两点的电位是浮动的所以它需要隔离驱动而低压侧的桥臂两只管子是不需要的 O14 代表 1、4 对角线这两只开关的控制信号是一种控制信号我们是对角线交替导通那么 O23 代表这个对角线两只管子的控制信号那么 1、4 和 2、3 通过一个反向器进行变换也就是说它们是互补的交替导通的形式

2.1、脉冲变压器的工作原理

当 T5 导通的时候电源电流由 VCC 经过脉冲变压器的初级流到地那么脉冲变压器的次级就流过电流驱动开关的栅极那么当 T5 断开以后想关断这只开关是栅极通过 R2 进行放电。

2.2、泄放电阻对开关电路的影响

我们来看当泄放电阻非常大 100kΩ 几乎放不动电的时候我们发现输出电压的波形正确波形应该是几乎是 200V 方波但现在只有 20V 这说明开关根本没有正确地导通

为什么呢是因为我们的驱动不仅仅是对栅极这个寄生电路进行充电充电是开通放电是关断你如果放电环节这个放电电阻这么大你放不掉电实际上就一直没有关掉根本就没有驱动成功那么把泄放电阻减少到 1kΩ 成功是成功了但是很大的延迟开关延迟严重就是放电也太慢了我们减到 100Ω 的时候现在这个延迟还可以，差强人意减到 10Ω 以后非常完美的方波。

那么对脉冲变压器驱动进行改进我们使用图腾柱结构来驱动脉冲变压器：

充放电均为主动充电、放电都是很大电流那么现在输出波形非常完美 200V 方波

2.3、本课小结

（1）什么是驱动电平的浮动现象呢？

以 H 桥为例 A 点的电平是不定的下面开关导通是 0V 上面开关导通等于 200V 那么我如果开通高压桥臂我的栅极 B 就不知道该给多少电位

（2）脉冲变压器隔离的原理

变压器初级流过电流可以把能量传递给次级变压器次级接在栅源之间不管多少电位我总之能把一个电压加载在栅源之间从而控制开关的导通

（3）图腾柱驱动的意义

如果不采用图腾柱驱动栅极的放电电阻很大的情况下根本就没有可靠驱动而单纯减小放电电阻的办法会带来很大功耗所以这时候我们应该采用图腾柱驱动也就是说无论是充电还是放电都用开关来完成对栅极的充电电流、放电电流都用大电流采用图腾柱驱动以后完美方波。

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3、光耦隔离驱动

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3.1、光耦隔离驱动原理

图中 VCC_T1 和 GND_T1 代表给一只光耦的次级供电的电源，独立电源它跟光耦初级的电源毫无关系这两个 GND 不是同一个地。

驱动一个看 H 桥需要多少路隔电离源：

首先来看控制电路及低侧开关驱动电源 VDD 也就是说给控制信号的电源它和主电路共地供给低侧开关。高侧开关 VCC_T1 高侧一共有两个光耦需要供电 VCC_T1、GND_T1 VCC_T2、GND_T2 。

3.2、光耦隔离驱动的电源进行分析

我们这里画不下这么多电源低侧能不隔离就先不隔离了而高侧开关驱动电源 VCC_T1、VCC_T2、GND_T1、GND_T2 是完全独立的。

用两个电压表来观测隔离电源的地和我的电路的地有多少电压差：

对电路进行仿真这是逆变桥 H 桥得到的方波可以看到它的上升沿就++电流上升部分是不完美的为什么呢因为我们这个地方没有用图腾柱这个驱动想要开通栅极 VCC 是流经电阻再流到栅极的所以它的开通不迅速但是关断迅速因为关断是直接通过这么关断的这是个强零弱一电路++

如果达到良好的驱动效果在光耦的后一级我们还要加一级图腾柱驱动。我们来看控制电压的信号我们控制信号只给了 10V 但是各个地也就是隔离电源的地和我的整个板子 GND 的电压差 200V 电压差而且是波动的这就是为什么我这个光耦隔离需要隔离电源。

3.3、本课小结

光耦驱动的本质 光只负责隔离信号、传递信号提供驱动能量用隔离电源这些隔离电源我在图里面画的是电池但实际中我们还是用变压器从市电得来也就是光耦隔离的本质你还得使用变压器使用独立的电源变压器。

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4、自举升压驱动

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由于自举电容它必须时常充电它并不是一个真正的电池所以它只适用于高低侧开关交替导通的场合。

4.1、 TI 的 UCC27200 这是一个典型的自举升压驱动芯片

内部集成了快恢复二极管它用来控制一个半桥上下桥臂 T1、T2 低侧开关必须先导通当 T2 导通以后 12V 电源通过二极管对自举升压电容 C 进行充电充上 12V 电，那么而后 T2 断开， ++肯定是 T2 断开你才希望导通 T1++。

4.2、自举升压驱动原理

T2 断开以后电容的电位不是接到地上而是接在 LOAD 这个地方这个电容的 12V 电将给高侧的 DRIVE HI 这个模块进行供电用来驱动 T1 就是这个电容现在充当了高侧开关的驱动电源那么这一点的电压到底是多少呢不管是多少它接在负载上它总之会把源极电压抬升 12V 再来供电。

4.3、P 型管驱动电路

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4.4、以 Buck 电路为例用PMOS作高侧开关管

这是个降压电路所以它最高是 20V 。但是这个 NMOS 管它的源极电压 VF1 是浮动的当开关导通的时候它被接到了 20V 上这点电压是 20V 当二极管导通的时候它被接到了地，接近是 0V 所以虽然它电压不高 ++但是由于源极电压浮动栅极依然不好去控制它++ 这个时候我们可以用 PMOS 来代替 NMOS 作为开关管

那么这个时候对于 PMOS 来说它的源极电压是固定的 20V 我的栅极电压给 20V 的时候它是关断的低于 20V 足够多够门限电压以后它是导通的我们还可以增加一个开关 T1 构成的反相器电路这样可以++让我们的控制信号并不需要在 0V、20V 之间切换++ 它用一个 TTL 电平就可以达到这点输出电压 0V 和 20V

4.4.1、PMOS构成BUCK仿真波形

VF1 的电平是浮动的开关导通的时候 19.8 接近 20V。

++SD1 导通的时候是 -256mV 为什么呢？++ 二极管导通这是 0V 二极管导通管压降所以这个电压就是略微有点负电压值。

控制信号是 5V TTL 电平 5V，50% 占空比输出电压 50% 占空比，20V Buck 电路输出电压 10V 符合理论值

栅极控制电压在 0V 和 20V 之间浮动因为我采用了一个反相器这是 PMOS 构成的 Buck 电路。对于桥式电路也可以用 PMOS 对于总电压 200V 以下的桥式电路我们也可以用 P 型管来代替 N 型管的方法来驱动

高侧换成 PMOS 我们特别要注意构成反相器的开关 T5 和 T6 的耐压值你也得满足 PVCC 电压等级才可以

4.5、本课小结

（1）自举升压驱动的原理

对于半桥电路来说如果我先开通低压桥臂就可以让 12V 电源对自举升压电容 C 进行充电那么当 T2 断开以后 C 上面充的 12V 电的电平就自动往上浮动它总之就是个 12V 电源来给高压桥臂的电源模块进行供电这就是自举升压驱动原理
（2）P 型管驱动原理

即使对于电压不高的电路比如 Buck 电路它的开关的源极 VF1 电压是浮动的所以我们很难给栅极一个合适的电位来进行驱动这样的话我们可以用 PMOS 来代替 NMOS PMOS 的源极在这它的电位是固定的 20V 我们用一个反相器做出一个 0V 和 20V 的控制信号就可以实现对 PMOS 的可靠开通与关断控制这就是 PMOS 管代替 NMOS 的驱动原理。