同步整流的隔离开关变换器及其同步整流自激励驱动电路
技术领域
本发明涉及开关变换器的同步整流技术,具体地,涉及用于隔离开关变换器的同步整流自激励驱动电路和方法。
背景技术
在开关变换器技术中,同步整流技术是低压大电流开关变换器的重要技术,它能大大提高开关变换器的效率,并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管,简称MOS管)属于电压控制型器件,它在导通时的伏安特性呈线性关系,用功率MOSFET做整流管时,要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能,故称之为同步整流。
在隔离开关变换器中,同步整流有自激励驱动(或称自驱动)和外部驱动两种方式。自驱动同步整流一般是指副边同步整流管的驱动电压直接或者间接地来自隔离功率变压器次级绕组的电压。常用自驱动同步整流方案如图1所示。在提供高输出电压的开关变换器中,此种驱动方式用变压器的单独次级绕组直接驱动同步整流管和续流管,可以获得好的驱动结果,但是在低输出电压的开关变换器中则驱动电压就显不足。为此,在低输出电压的开关变换器中,采取的方法还有在变压器主次级绕组上叠加驱动绕组来提高驱动电压,如图2所示。此种驱动方式虽然使正向驱动同步整流管和续流管的驱动电压得到了提高,但同时也使同步整流管和续流管在关断期间承受了一个大的负向电压,增加了同步整流管和续流管的驱动损耗,制约了开关变换器效率的提高。有鉴于此,在现有的自驱动同步整流方式中,更多的是采用一个次级辅助绕组来为同步整流管和续流管提供驱动电压,如图3所示。但是,此种驱动方式由于辅助绕组耦合漏感与MOS管的栅极结电容产生振荡,致使驱动波形上升沿和平顶部分振荡(参见如图4所示的驱动波形),导致驱动损耗增大。因此,由辅助绕组耦合磁路漏感与MOS管栅极结电容形成振荡的驱动电压波形大大降低了变换器的效率和工作的可靠性。
发明内容
本发明的主要目的就是针对现有技术的不足,提供一种用于隔离开关变换器的同步整流自激励驱动电路和方法,减小驱动损耗,提高变换器效率和工作的可靠性。
本发明的另一目的是提供一种具有该同步整流自激励驱动电路的隔离开关变换器。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种同步整流的隔离开关变换器的同步整流自激励驱动电路,包括变压器次级的辅助驱动绕组,所述辅助驱动绕组向所述隔离开关变换器的同步整流MOS管和同步续流MOS管提供栅极驱动电压,其特征在于,所述电路还包括整形互锁单元,所述辅助驱动绕组通过所述整形互锁单元耦合到所述同步整流MOS管和同步续流MOS管的栅极,在整个开关周期的整流阶段,所述辅助驱动绕组通过所述整形互锁单元将正电压施加到所述同步整流MOS管的栅极并将所述同步续流管的栅极电压箝位到零,在整个开关周期的续流阶段,所述辅助驱动绕组通过所述整形互锁单元将正电压施加到所述同步续流MOS管的栅极并将所述同步整流管的栅极电压箝位到零,所述整形互锁单元包括第一整形开关管(Q1)、第一隔离开关管(Q3)、第二整形开关管(Q2)与第二隔离开关管(Q4),所述辅助驱动绕组的第一同名端(P21)与第二隔离开关管(Q4)的漏极、第三驱动电阻(R3)的一端、第五驱动电阻(R5)的一端以及第一驱动电阻(R1)的一端相连,所述第三驱动电阻(R3)的另一端与所述第一隔离开关管(Q3)的栅极以及所述第一整形开关管(Q1)的漏极相连,所述第五驱动电阻(R5)的另一端与所述第二整形开关管(Q2)的栅极相连,所述第一驱动电阻(R1)的另一端与所述同步整流MOS管(Q5)的栅极相连;所述辅助驱动绕组的第二同名端(P22)与所述第一隔离开关管(Q3)的漏极、第四驱动电阻(R4)的一端、第六驱动电阻(R6)的一端以及第二驱动电阻(R2)的一端相连,所述第四驱动电阻(R4)的另一端与所述第二隔离开关管(Q4)的栅极、第二整形开关管(Q2)的漏极相连,所述第六驱动电阻(R6)的另一端与所述第一整形开关管(Q1)的栅极相连,所述第二驱动电阻(R2)的另一端与所述同步续流MOS管(Q6)的栅极相连;所述第一整形开关管(Q1)、所述第一隔离开关管(Q3)、所述第二整形开关管(Q2)、所述第二隔离开关管(Q4)、所述同步整流MOS管(Q5)和所述同步续流MOS管(Q6)的源极同接所述开关变换器主输出端的公共地(COM)。
一种隔离开关变换器的同步整流自激励驱动方法,包括以下步骤:
a.在整个开关周期的整流阶段,变压器次级的辅助驱动绕组通过整形互锁单元将正电压施加到同步整流MOS管的栅极,并通过整形互锁单元将同步续流管的栅极电压箝位到零;
b.在整个开关周期的续流阶段,变压器次级的辅助驱动绕组通过整形互锁单元将正电压施加到同步续流MOS管的栅极,并通过整形互锁单元将同步整流管的栅极电压箝位到零。
一种同步整流的隔离开关变换器,包括位于变压器副边的同步整流MOS管、同步续流MOS管和前述的同步整流的隔离开关变换器的同步整流自激励驱动电路。
本发明有益的技术效果是:
根据本发明的同步整流自激励驱动电路和方法,在隔离开关变换器的整个开关周期中,通过整形互锁单元强制整形,互锁同步整流MOS管和同步续流MOS管的栅极驱动电压的死区时间,减小辅助驱动绕组耦合漏感与MOS管的栅极结电容产生的振荡,使同步整流MOS管和同步续流MOS管的驱动电压有效可靠的限制在正电压至零电压范围内,提高驱动电压上升沿的陡峭程度和平顶部分的平滑度,抑制驱动波形的振荡,从而减小驱动损耗,提高变换器效率和工作可靠性。本发明同步整流自激励驱动电路还具有很好的通用性,适用于例如采用三绕组去磁、RCD箝位电路、有源箝位、谐振复位及无损LCD缓冲器复位等的正激变换器,便于广泛应用。
附图说明
图1为现有技术采用同步整流自驱动方案的正激变换器;
图2为现有增加串联驱动绕组的同步整流自驱动电路示意图;
图3为现有的采用次级辅助绕组来为同步整流管和续流管提供驱动电压的电路示意图;
图4为现有的采用次级辅助绕组来为同步整流管和续流管提供驱动电压电路的驱动电压波形示意图;
图5为本发明一个实施例的同步整流自驱动电路示意图;
图6为本发明优选实施例的同步整流自驱动电路示意图;
图7a至7e为在多个实施例中所采用的不同的磁复位电路的示意图;
图8为本发明实施例的驱动电压波形示意图;
图9为本发明另一实施例的同步整流自驱动电路示意图;
图10为本发明又一实施例的同步整流自驱动电路示意图;
图11为本发明又一实施例的同步整流自驱动电路示意图;
图12为本发明又一实施例的同步整流自驱动电路示意图;
图13为本发明一个实施例的同步整流自驱动方法流程图。
具体实施方式
以下通过实施例结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
如图5所示,根据本发明的实施例,隔离开关变换器包含变压器、同步整流MOS管Q5、同步续流MOS管Q6、以及向同步整流MOS管和同步续流MOS管提供驱动信号的同步整流自驱动电路。变压器在初级具有主初级绕组,在次级具有主次级绕组和辅助驱动绕组,同步整流自驱动电路包括辅助驱动绕组和整形互锁单元,辅助驱动绕组通过整形互锁单元耦合到同步整流MOS管和同步续流MOS管的栅极,整形互锁单元在整个开关周期的整流阶段将辅助驱动绕组提供的正电压施加到同步整流MOS管的栅极并将同步续流管的栅极电压箝位到零,在整个开关周期的续流阶段将辅助驱动绕组提供的正电压施加到同步续流MOS管的栅极并将同步整流管的栅极电压箝位到零。由于在整个开关周期中,同步整流自驱动电路能够通过整形互锁单元在整流和续流阶段的对辅助驱动绕组输出驱动信号强制整形,互锁同步整流MOS管和同步续流MOS管的栅极驱动电压的死区时间,减小了辅助驱动绕组耦合漏感与MOS管的栅极结电容产生的振荡,使同步整流MOS管和同步续流MOS管的驱动电压有效可靠的限制在正电压至零电压范围内,提高了驱动电压上升沿的陡峭程度和平顶部分的平滑度,抑制了驱动波形的振荡,从而减小驱动损耗,提高了变换器效率和工作可靠性。
请参考图6,在一个较优的实施例中,整形互锁单元包括第一、二整形MOS管Q1、Q2和第一、二隔离MOS管Q3、Q4。变压器含有带有接线端P1、P2的主初级绕组、带有接线端P11、P12的主次级绕组和带有接线端P21、P22的辅助驱动绕组。其中,主初级绕组的接线端P1、主次级绕组的接线端P11和辅助驱动绕组的接线端P21互为同名端,称为第一同名端,它们在电气上同相位,具有相同的极性;主初级绕组的另一接线端P2、主次级绕组的另一接线端P12和辅助驱动绕组的另一接线端P22互为同名端,称为第二同名端,它们也在电气上同相位,具有相同的极性。第一同名端和第二同名端极性相反。其中,辅助驱动绕组的第一同名端P21与第二隔离MOS管Q4的漏极、第三驱动电阻R3的一端、第五驱动电阻R5的一端以及第一驱动电阻R1的一端相连,第三驱动电阻R3的另一端与第一隔离MOS管Q3的栅极以及第一整形MOS管Q1的漏极相连,第五驱动电阻R5的另一端与第二整形MOS管Q2的栅极相连,第一驱动电阻R1的另一端与同步整流MOS管Q5的栅极相连;辅助驱动绕组的第二同名端P22与第一隔离MOS管Q3的漏极、第四驱动电阻R4的一端、第六驱动电阻R6的一端以及第二驱动电阻R2的一端相连,第四驱动电阻R4的另一端与第二隔离MOS管Q4的栅极、第二整形MOS管Q2的漏极相连,第六驱动电阻R6的另一端与第一整形MOS管Q1的栅极相连,第二驱动电阻R2的另一端与同步续流MOS管Q6的栅极相连;第一整形开关管Q1、第一隔离开关管Q3、第二整形开关管Q2、第二隔离开关管Q4、同步整流MOS管Q5和同步续流MOS管Q6的源极连在一起,都与开关变换器主输出端的公共地COM端相连。
变压器的主初级绕组、主次级绕组、辅助驱动绕组之间的匝数比可根据实际输出电压以及同步整流/续流管栅极驱动电压的要求,通过电磁原理确定。电源电压正端VIN+接到初级绕组接线端P1,初级绕组接线端P2通过开关晶体管Q8接到电源电压负端VIN-。
隔离开关变换器可以是单端的正激变换器,其中,变压器原边优选还设置有磁复位电路。具体如图7a至7e所示,磁复位电路可以采用的复位方式包括RCD复位、第三绕组复位、有源箝位复位、无损LCD缓冲器复位以及谐振复位等。
开关变换器中,开关晶体管Q8由控制电路(未图示)控制,控制电路为开关晶体管Q8的栅极提供脉冲宽度调制(PWM)控制信号。PWM控制信号开启开关晶体管Q8的周期称为正周期,在正周期期间,电流从变压器的主初级绕组P1P2流过;PWM控制信号关闭开关晶体管Q8的周期称为负周期,在负周期期间,磁复位电路发生作用,以确保变压器励磁磁通在下一个开关正周期开始时复位。
在一个开关周期的正周期开始时,电流从变压器的主初级绕组流过,主初级绕组的第一同名端P1为正,主次级绕组的第一同名端P11为正,辅助驱动绕组的第一同名端P21为正,此正电压通过第三驱动电阻R3施加在第一隔离MOS管Q3的栅极,使第一隔离MOS管Q3的漏极与源极导通,这样一来,就使辅助驱动绕组的第二同名端P22经过第一隔离MOS管Q3接到输出公共地COM,也使第一整形MOS管Q1的栅极经过第六驱动电阻R6和第一隔离MOS管Q3接到输出公共地COM,同时也使续流MOS管Q6的栅极经过第二驱动电阻R2和第一隔离MOS管Q3接到输出公共地COM,这样就使同步续流管Q6因其驱动电压被箝位到零而断开;同时,辅助驱动绕组的第一同名端P21正电压还通过第五驱动电阻R5施加在第二整形MOS管Q2的栅极上,使第二整形MOS管Q2的漏极与源极导通,把第二隔离MOS管Q4的栅极电压强制拉到地,使第二隔离MOS管Q4可靠的断开;同时辅助驱动绕组的第一同名端P21正电压还经过第一驱动电阻R1施加在同步整流MOS管Q5的栅极上,使同步整流管Q5因驱动电压为正而导通,从而完成一个整流阶段。
在下一阶段,在负周期开始时,变压器极性发生反转,变压器主初级绕组的第二同名端P2变为正,主次级绕组的第二同名端P12为正,辅助驱动绕阻的第二同名端P22也为正,此正电压通过第四驱动电阻R4施加在第二隔离MOS管Q4的栅极,使第二隔离MOS管Q4的漏极与源极导通,这样一来就使辅助驱动绕组的第一同名端P21经过隔离MOS管Q4接到输出公共地COM,也使第二整形MOS管Q2的栅极经过第五驱动电阻R5和第二隔离MOS管Q4接到输出公共地COM,同时也使整流MOS管Q5的栅极经过第一驱动电阻R1和第二隔离MOS管Q4接到输出公共地COM,这样就使同步整流管Q5因驱动电压被箝位到零而断开;同时辅助驱动绕组的第二同名端P22正电压还通过第六驱动电阻R6施加在第一整形MOS管Q1的栅极上,使整形MOS管Q1的漏极与源极导通,把第一隔离MOS管Q3的栅极电压强制拉到地,使第一隔离MOS管Q3可靠的断开;同时辅助驱动绕组的第二同名端P22正电压还经过第二驱动电阻R2施加在同步续流MOS管Q6的栅极上,使同步续流管Q6因驱动电压为正而导通,为储能电感Lf提供续流回路,从而完成一个续流阶段。
以上构成一个完整的开关周期,驱动电压波形如图8所示。可以看出,在整个开关周期中,第一整形MOS管Q1与第一隔离MOS管Q3整形互锁,第二整形MOS管Q2与第二隔离MOS管Q4整形互锁,即通过强制整形,互锁同步整流MOS管Q5和同步续流MOS管Q6的栅极驱动电压的死区时间,减小辅助驱动绕组耦合漏感与MOS管Q5、Q6的栅极结电容产生的振荡,使整流MOS管Q5和续流MOS管Q6的驱动电压有效可靠的限制在正电压至零电压范围内,提高驱动电压上升沿的陡峭程度和平顶部分的平滑度,从而抑制驱动波形的振荡。
如图9所示,在另一实施例中,与上一实施例的区别在于,整形互锁单元增加了第一二极管D1和第二二极管D2,第一整形开关管Q1、第二整形开关管Q2、同步整流MOS管Q5、同步续流MOS管Q6的源极以及第一二级管D1、第二二极管D2的阳极同接开关变换器主输出端的公共地COM,第一隔离MOS管Q3的源极与主次级绕组的第二同名端P12相连,第二隔离MOS管Q4的源极与主次级绕组的第一同名端P11相连,第一二级管D1的阴极与辅助驱动绕组的第一同名端P21相连,第二二极管D2的阴极与辅助驱动绕组的第二同名端P22相连。
如图10所示,在另一实施例中,与上一实施例的区别在于,辅助驱动绕组的第一同名端P21与第二隔离开关管Q4的源极而非漏极相连,辅助驱动绕组的第二同名端P22与第一隔离开关管Q3的源极而非漏极相连,第一隔离MOS管Q3的漏极与主次级绕组的第二同名端P12相连,第二隔离MOS管Q4的漏极与主次级绕组的第一同名端P11相连。
如图11所示,在又一些实施例中,前述实施例中的整形MOS管和隔离MOS管用双极型晶体管代替。在另外一些实施例中,整形开关管采用MOS管,隔离开关管采用双极型晶体管;或者整形开关管采用双极型晶体管,隔离开关管采用MOS管。
如图12所示,在另一些实施例中,辅助驱动绕组还可以耦合自输出储能电感Lf。
本发明在另一方面还提供一种用于隔离开关变换器的同步整流自激励驱动方法。如图13所示,在一个实施例中,同步整流自激励驱动方法包括以下步骤:
a.在整个开关周期的整流阶段,变压器次级的辅助驱动绕组通过整形互锁单元将正电压施加到同步整流MOS管的栅极,并通过整形互锁单元将同步续流管的栅极电压箝位到零;
b.在整个开关周期的续流阶段,变压器次级的辅助驱动绕组通过整形互锁单元将正电压施加到同步续流MOS管的栅极,并通过整形互锁单元将同步整流管的栅极电压箝位到零。
在该同步整流自激励驱动方法中,更优的步骤可参考前述电路实施例的内容来具体实施,此处不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。