CN103887973B - 控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法及系统，其中，该系统包括：倒灌阈值检测装置，设置在DC‑DC电源的副边，用于在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，产生第一驱动信号去控制倒灌控制驱动装置；倒灌控制驱动装置用于控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。通过运用本发明，解决了系统产生倒灌电流时，倒灌电流带来巨大的能量会在关闭的功率管上产生极高的电压尖峰应力，导致功率管发生雪崩击穿而损坏，从而严重影响系统可靠性的问题。通过使第一功率管和第二功率管交替处于打开或关闭状态，进而避免了功率管发生损坏，保证了系统的可靠性。

Description

控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法及系统

技术领域

本发明涉及通信及电力电子领域，具体而言，涉及一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法及系统。

背景技术

图1所示的为直流-直流（Direct Current-Direct Current，简称为DC-DC）电源，其中，图示左侧为该电源的原边输入端，图示的右侧为该电源的副边输出端。在输入电压迅速跌落的情况下，副边输出端的能量会向原边进行倒灌，由于电压跌落，控制芯片的驱动关断，副边同步整流管不打开，电感电流续流通路消失。由于电感电流不能突变，电感上存储的能量和输出电容存储的能量转换成功率管上的电压尖峰应力耗散掉。特别是在空载情况下，巨大的倒灌能量会在功率管上产生极高的尖峰应力，严重时导致功率管发生雪崩击穿而损坏，极大地影响系统的可靠性。

发明内容

本发明提供了一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法及系统，以至少解决相关技术中，DC-DC电源的副边输出端产生倒灌电流时，倒灌电流带来巨大的能量会在功率管上产生极高的电压尖峰应力，导致功率管发生雪崩击穿而损坏，严重影响系统的可靠性的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的系统，包括：倒灌阈值检测装置，设置在DC-DC电源的副边，用于在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，产生第一驱动信号去驱动倒灌控制驱动装置；所述倒灌控制驱动装置，与所述DC-DC电源的副边的第一功率管驱动器和第二功率管驱动器连接，用于控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

优选地，所述系统还包括：所述倒灌阈值检测装置，还用于在所述倒灌电流超过所述预设电流阈值的情况下，产生第二驱动信号去驱动倒灌能量泄放装置；所述倒灌能量泄放装置，用于根据所述第二驱动信号对所述倒灌电流进行泄放。

优选地，所述倒灌能量泄放装置的连接关系至少包括以下之一：所述倒灌能量泄放装置与第一电感的倒灌电流输出端和输出侧电容的低电平端连接，其中，所述第一电感设置在所述输出侧电容的高电平端；所述倒灌能量泄放装置与所述第一电感的倒灌电流输入端和所述输出侧电容的高电平端连接，其中，所述与第一电感设置在所述输出侧电容的低电平端；所述倒灌能量泄放装置与第二电感的两端连接，其中，所述第二电感为与所述第一电感互感的电感。

优选地，所述倒灌能量泄放装置包括：驱动器，泄放开关，电阻，其中，所述驱动器与所述泄放开关连接，所述电阻用于保护所述倒灌能量泄放装置。

优选地，所述泄放开关至少包括以下之一：金属-氧化层-半导体-场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称为MOSFET，或MOS管），三极管，电控开关。

优选地，所述倒灌能量泄放装置包括：功率管驱动器，MOS管，电阻，其中，所述功率管驱动器与所述MOS管的栅极连接，所述电阻与所述第三功率管的源极或漏极连接。

优选地，所述倒灌控制驱动装置包括以下之一：两路错相的脉冲发生器，单片机，数字电源控制器，集成电路。

优选地，所述倒灌阈值检测装置，还用于在所述倒灌电流恢复到小于或等于所述预设电流阈值的情况下，产生停止信号去驱动所述倒灌控制驱动装置和/或所述倒灌能量泄放装置停止工作。

优选地，所述系统应用在副边采用同步整流方式的DC-DC电源中。

根据本发明的一个方面，提供了一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法，包括：检测倒灌电流是否超过预设电流阈值；如果是，则发送驱动信号以控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

优选地，发送驱动信号以控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小包括：在所述倒灌电流超过所述预设电流阈值的情况下，产生所述驱动信号，其中，所述驱动信号用于控制第一功率管驱动器和第二功率管驱动器；根据所述驱动信号控制所述第一功率管和所述第二功率管交替的处于打开或关闭状态以平衡所述第一功率管和所述第二功率管的倒灌电流应力和所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

优选地，在检测倒灌电流是否超过预设电流阈值之后，还包括：在所述倒灌电流超过所述预设电流阈值的情况下，通过倒灌能量泄放装置释放所述倒灌电流，其中，所述倒灌能量泄放装置用于对所述倒灌电流进行泄放。

优选地，所述方法还包括：在所述倒灌电流恢复到小于或等于所述预设电流阈值的情况下，产生停止信号以取消控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

优选地，所述方法应用在副边采用同步整流方式的DC-DC电源中。

本发明采用了倒灌阈值检测装置去检测倒灌电流与预设电流阈值的关系，并在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，驱动所述倒灌控制驱动装置去控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态，以控制所述倒灌电流的释放，缓解释放强度。通过运用本实施例，解决了DC-DC电源的副边输出端产生倒灌电流时，倒灌电流带来巨大的能量会在功率管上产生极高的电压尖峰应力，导致功率管发生雪崩击穿而损坏，严重影响系统的可靠性的问题，通过使第一功率管和第二功率管交替处于打开或关闭状态，进而避免了功率管发生损坏，保证了系统的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的DC-DC电源的电路及倒灌电流流向的示意图；

图2是根据本发明实施例的控制倒灌电流产生功率管电压应力的系统的结构框图一；

图3是根据本发明实施例的控制倒灌电流产生功率管电压应力的系统的结构框图二；

图4是根据本发明实施例的控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法的流程图一；

图5是根据本发明实施例的控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法的流程图二；

图6是根据本发明优选实施例的抑制倒灌电流产生功率管电压应力的系统的电路示意图；

图7是根据本发明优选实施例的倒灌阈值检测装置的信号流向示意图；

图8是根据本发明优选实施例的倒灌能量泄放装置的信号流向及结构示意图；

图9是根据本发明优选实施例的倒灌控制驱动装置的信号流向示意图；

图10是根据本发明优选实施例的倒灌能量泄放装置连接节点示的意图一；

图11是根据本发明优选实施例的倒灌能量泄放装置连接节点的示意图二；

图12是根据本发明优选实施例的两个驱动器交替打开的信号图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于相关技术中DC-DC电源的副边输出端产生倒灌电流时，倒灌电流带来巨大的能量会在功率管上产生极高的电压尖峰应力，导致功率管发生雪崩击穿而损坏，严重影响系统的可靠性的问题，本实施例提供了一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的系统，该系统的结构框图如图2所示，包括：

倒灌阈值检测装置10，设置在DC-DC电路的副边，用于在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，产生第一驱动信号去驱动倒灌控制驱动装置；

倒灌控制驱动装置20，与DC-DC电路的副边的第一功率管驱动器1和第二功率管驱动器2连接，用于控制第一功率管3和第二功率管4不同时处于打开或关闭状态以控制倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

本实施例采用了倒灌阈值检测装置10去检测倒灌电流与预设电流阈值的关系，并在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，驱动倒灌控制驱动装置20去控制第一功率管3和第二功率管4不同时处于打开或关闭状态，以控制倒灌电流产生的功率管电压应力的强度，缓解释放强度。通过运用本实施例，解决了DC-DC电源的副边输出端产生倒灌电流时，如果强行关闭功率管，倒灌电流带来巨大的能量会在功率管上产生极高的电压尖峰应力，导致功率管发生雪崩击穿而损坏；如果保持功率管常开，功率管将会承受较大的电流应力，此两种措施都会严重影响系统可靠性的问题。通过使第一功率管3和第二功率管4交替处于打开或关闭状态，进而避免了功率管发生损坏，保证了系统的可靠性。

在设置时，上述的倒灌控制驱动装置20可以以多种方式实现，例如，两路错相的脉冲发生器、单片机、数字电源控制器、集成电路等。

如图1所示，通过控制第一功率管3（也可以称作第一同步整流管）和第二功率管4（也可以称作第二同步整流管）是防止功率管发生雪崩击穿而损坏实现的一种方式，为了进一步减小功率管被损坏的风险，在一个优选实施例中，上述装置还可以如图3所示，还包括倒灌能量泄放装置30，其中，倒灌阈值检测装置20，还用于在倒灌电流超过预设阈值的情况下，产生第二驱动信号去驱动倒灌能量泄放装置；倒灌能量泄放装置30，用于根据第二驱动信号对倒灌电流进行泄放。

在设置倒灌能量泄放装置30时，可以将倒灌能量泄放装置30与第一电感5的倒灌电流输出端（C点）和输出侧电容6的低电平端（D点）连接，通过该方式连接的倒灌能量泄放装置30可以从副边电路上泄放倒灌电流，进而减小倒灌电流产生的强大的能量，进而减小倒灌电流产生的功率管电压应力。优选的，还可以将倒灌能量泄放装置30与第二电感的两端连接，其中，第二电感为与第一电感5互感的电感，通过此种方式进行连接进而泄放倒灌电流，可以通过互感的方式减小倒灌电流产生的强大的能量。

倒灌能量泄放装置30可以通过电路的方式实现，例如，该倒灌能量泄放装置30可以包括转换驱动器，泄放开关，电阻，其中，该转换驱动器用于控制泄放开关，所述电阻用于保护所述倒灌能量泄放装置处于安全状态。其中，泄放开关可以包括多种，例如，MOS管，三极管，电控开关等，但并不限于此。

当上述泄放开关为MOS管时，则驱动器为功率管驱动器，该功率管驱动器与MOS管的栅极连接，电阻可以随意设置在功率管的高电平输出侧或低电平输出侧。

通过上述控制倒灌电流的系统的调节后，倒灌电流恢复到小于或等于预设阈值时，倒灌阈值检测装置10产生停止信号去驱动倒灌控制驱动装置20和/或倒灌能量泄放装置30停止工作。

本实施例还提供了一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法，该方法可以适用于上述控制倒灌电流的系统，该方法的流程可以如图4所示，包括步骤S402至步骤S404。

步骤S402，检测倒灌电流是否超过预设电流阈值；

步骤S404，如果是，则发送驱动信号以控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

在实施过程中，步骤S404可以进一步包括如下过程：在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，产生驱动信号，其中，驱动信号用于控制第一功率管驱动器和第二功率管驱动器；根据驱动信号控制第一功率管和第二功率管交替的处于打开或关闭状态以平衡第一功率管和第二功率管的电流应力和电压尖峰应力。在一个优选实施例中，上述过程还可以如图5所示，还包括步骤S406，即在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，还可以通过倒灌能量泄放装置释放倒灌电流。

经过上述方法的调整，当倒灌电流恢复到小于或等于预设电流阈值时，产生停止信号以取消控制倒灌电流的释放，则此时的副边输出端的功率管已没有被击穿而损坏的危险了。

上述实施例中提到的副边的图示只是全波整流图示，当然还可以包括全桥整流、倍流整流、混合整流等形式，只要其副边是同步整流的都可以采用上述方法，本领域技术人员可以根据实际情况进行设计。下面结合优选实施例对本发明进行说明。

优选实施例

本优选实施例涉及抑制倒灌电流产生功率管电压应力的方法和系统，该方法通过对系统产生倒灌电流进行控制和泄放，抑制倒灌电流产生功率管电压应力。该方法主要对DC-DC电源中由于输入电压迅速跌落等情况产生的倒灌电流进行控制，来抑制倒灌电流在功率管上产生的电压尖峰应力。

本实施例提出的抑制倒灌电流产生功率管电压应力的系统的电路示意图可以如图6所示，可以包括以下几个部分：倒灌阈值检测装置、倒灌控制驱动装置和倒灌能量泄放装置。其中，倒灌阈值检测装置检测系统倒灌电流触发倒灌能量泄放装置和倒灌控制驱动装置开始和结束工作的阈值条件；倒灌能量泄放装置包括一个驱动器、一个电阻和一个功率管；倒灌控制驱动装置产生脉冲驱动，来控制功率管的打开和关断。

本实施例提供的电路简单，有效，且成本低。接下来将结合附图对本优选实施例提供的上述系统进行阐述，并针对该系统的实现方法进行说明。

本实施例的工作原理是：当系统倒灌产生时，此时原副边驱动信号已经消失。图7所示的倒灌阈值检测装置检测到系统倒灌产生的电流超过预设的阈值条件，从该倒灌阈值检测装置的右侧和左侧分别输出信号，将倒灌开始信号传送给图8所示的倒灌能量泄放装置和图9所示的倒灌控制驱动装置。

倒灌开始信号到达至倒灌能量泄放装置时，可以通过多种方法进行泄放，例如，如图8所示，倒灌能量泄放装置接收到倒灌开始信号，通过内部驱动器输出高电平，将功率管打开，将一部分倒灌能量通过电阻和功率管泄放，电阻起到限流作用的同时，也将倒灌能量逐渐通过电阻以热量的形式耗散掉。图8所示的倒灌能量泄放装置的A和B两个端子的可以分别连接在输出电感前端C点和D点（如图10所示）或者通过电感耦合连接至耦合电感的E点和F点（如图11所示）。当然，上述实现方式都只是一种优选的实施方式，可以根据实际情况进行不同的设置。

与此同时，倒灌开始信号到达至倒灌控制驱动装置时，如图9所示，对副边功率管的驱动器Driver5、Driver6来说，此时驱动控制器的正常驱动已经关断，倒灌控制驱动装置输出两路错相式脉冲驱动，将两路功率管交替打开，帮助倒灌能量泄放装置未完全泄放的能量通传送到输入端，其中，Driver5和Driver6交替打开的信号图可以如图12所示。输出两路错相式脉冲驱动的实施方法可以通过两路错相的脉冲发生器、单片机、数字电源控制信号或专用集成电路产生。错相式脉冲驱动的频率和占空比可以通过电路设置进行调节。交替打开的功率管，分担了电流应力，而且如果此时功率管常开，功率管将会承受较大的电流应力；功率管常关，则较大电压尖峰应力会对功率管带来冲击。脉冲式驱动则平衡了功率管的电流应力和电压尖峰应力。

当倒灌阈值检测装置检测到系统倒灌能量至某个阈值，认为倒灌消失或者减轻到一定程度，倒灌能量不会再造成功率管尖峰应力超标而产生损坏的风险时，向倒灌能量泄放装置和倒灌控制驱动装置发出关断信号，使其工作停止，系统恢复正常状态。

本实施例的倒灌能量泄放装置可以泄放掉部分倒灌能量，使流过功率管的能量较小，这样会抑制倒灌能量在功率管上产生的电压尖峰应力。与此同时，错相式脉冲驱动在能量疏堵之间进行交替切换，在泄放掉电流能量的同时也产生了抑制电压应力的效果。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

本发明实施例可以对倒灌能量进行分流，使流过功率管的倒灌能量较小，抑制了功率管上的电压应力；还可以通过错相式脉冲驱动兼顾平衡功率管的电压应力和电流应力，使系统工作安全可靠，电路实现简单，成本低廉。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的系统，其特征在于，包括：

倒灌阈值检测装置，设置在直流-直流电源的副边，用于在倒灌电流超过预设电流阈值的情况下，产生第一驱动信号去驱动倒灌控制驱动装置；

所述倒灌控制驱动装置，与所述直流-直流电源的副边的第一功率管驱动器和第二功率管驱动器连接，用于控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小；

所述系统还包括：所述倒灌阈值检测装置，还用于在所述倒灌电流超过所述预设电流阈值的情况下，产生第二驱动信号去驱动倒灌能量泄放装置；

所述倒灌能量泄放装置，用于根据所述第二驱动信号对所述倒灌电流进行泄放；

其中，所述倒灌能量泄放装置的连接关系至少包括以下之一：

所述倒灌能量泄放装置与第一电感的倒灌电流输出端和输出侧电容的低电平端连接，其中，所述第一电感设置在所述输出侧电容的高电平端；

所述倒灌能量泄放装置与所述第一电感的倒灌电流输入端和所述输出侧电容的高电平端连接，其中，所述第一电感设置在所述输出侧电容的低电平端；

所述倒灌能量泄放装置与第二电感的两端连接，其中，所述第二电感具有一互耦电感。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述倒灌能量泄放装置包括：驱动器，泄放开关，第一电阻，其中，所述驱动器与所述泄放开关连接，所述第一电阻用于保护所述倒灌能量泄放装置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述泄放开关至少包括以下之一：金属-氧化层-半导体-场效应晶体管MOS管，三极管，电控开关。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述倒灌能量泄放装置还包括：第二电阻，其中，所述驱动器与所述MOS管的栅极连接，所述第二电阻与所述MOS管的源极或漏极连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述倒灌控制驱动装置包括以下之一：

两路错相的脉冲发生器，单片机，数字电源控制器，集成电路。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的系统，其特征在于，

所述倒灌阈值检测装置，还用于在所述倒灌电流恢复到小于或等于所述预设电流阈值的情况下，产生停止信号去驱动所述倒灌控制驱动装置和/或所述倒灌能量泄放装置停止工作。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统应用在副边采用同步整流方式的直流-直流电源中。

8.一种控制倒灌电流产生功率管电压应力的方法，其特征在于，包括：

检测倒灌电流是否超过预设电流阈值；

如果是，则发送驱动信号以控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小；

在检测倒灌电流是否超过预设电流阈值之后，还包括：在所述倒灌电流超过所述预设电流阈值的情况下，通过倒灌能量泄放装置释放所述倒灌电流，其中，所述倒灌能量泄放装置用于对所述倒灌电流进行泄放；

其中，所述倒灌能量泄放装置的连接关系至少包括以下之一：

所述倒灌能量泄放装置与第一电感的倒灌电流输出端和输出侧电容的低电平端连接，其中，所述第一电感设置在所述输出侧电容的高电平端；

所述倒灌能量泄放装置与所述第一电感的倒灌电流输入端和所述输出侧电容的高电平端连接，其中，所述第一电感设置在所述输出侧电容的低电平端；

所述倒灌能量泄放装置与第二电感的两端连接，其中，所述第二电感为具有一互耦电感。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，发送驱动信号以控制第一功率管和第二功率管不同时处于打开或关闭状态以控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小包括：

在所述倒灌电流超过所述预设电流阈值的情况下，产生所述驱动信号，其中，所述驱动信号用于控制第一功率管驱动器和第二功率管驱动器；

根据所述驱动信号控制所述第一功率管和所述第二功率管交替的处于打开或关闭状态以平衡所述第一功率管和所述第二功率管的倒灌电流应力和所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

10.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述倒灌电流恢复到小于或等于所述预设电流阈值的情况下，产生停止信号以取消控制所述倒灌电流产生的功率管电压应力的大小。

11.根据权利要求8至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法应用在副边采用同步整流方式的直流-直流电源中。