CN101325363A - 自带动态电源的谐振驱动模块控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自带动态电源的谐振驱动模块控制方法，采用的技术方案为：把传统的硬开关驱动改进为谐振软开关驱动，可用低于Ugs的动态电源+Von电容泵供电驱动电压Ugs，在非驱动时段，栅极电压Ugs为－Voff负偏压，能够有效克服Ci的“米勒效应”，降解半桥或全桥直通的危害；驱动时段的电源Von电容泵，以及非驱动时段负偏压－Voff电容泵，均是由隔离变压器次级绕组供电，即变压器既传递驱动频率f，也传递两个动态电容泵电源+Von和－Voff。其优点为抗干扰能力很强，结合模块的自带负偏压驱动，有较高的可靠性，损耗小，效率较高，性价比较优。

Description

自带动态电源的谐振驱动模块控制方法
技术领域
本发明涉及开关电源的控制方法，特别涉及一种专为非共地的电力电子开关驱动专用的低损耗谐振式驱动模块的控制方法。
背景技术
开关电源最重要的部位是电力电子开关，这是弱电控制强电的关键部位，可以用代表强电开关的D极、S极和代表弱电驱动的G极来表达，见图1所示。当栅极施加高电平驱动电压Ugs(一般不超过20伏)时段，见图1(C)中的t1至t2、T3至t4、t5至t6时段，使电力电子开关强电受控，于是有ids表示电力电子开关是导通(ON)的，而在没有驱动电压Ugs(无控制讯号)的时段，见图1(C)中的时段t1、T2至t3、t4至t5、t6以后等，常开的电力电子是断路(OFF)的。
电力电子开关的S极允许接地(零电位)称为共地控制，这时驱动电压Ugs的联接比较简单，可以用并联的方法联接。但是，对于非共地的电力电子开关，例如桥式或半桥式的上开关管，又例如BUCK、CUK拓扑中S极不共地的电力电子开关的驱动就十分麻烦了。为了解决非共地的电力电子开关驱动问题，促进电力电子技术的发展，大致有三种类型：变压器隔离方式、光耦隔离方式、悬浮电容泵隔离方式，见图2所示。
图2所示的典型驱动方式中，成本最低，最广泛应用的是(a)变压器TR隔离驱动拓扑。特别适应高频率小功率驱动方式；如果需扩大驱动电流，往往习惯用NPN-PNP互补射随图腾柱方式，见图3所示。
图3中非共地悬浮电源Von(一般为12伏至18V)，驱动电流流过限流电阻Rg，消耗了驱动功率，称为驱动功耗电量ΔPg，用下式表达：
ΔPg＝Ci·U2gs·f
上式中显然可见：驱动损耗电量ΔPg，正比于频率f，正比于输入电容Ci，尤其是还正比于驱动电压Ugs的平方。如何减小驱动损耗电量ΔPg？选择Ci小的电力电子开关管，可能导致开关管饱和导通电阻Rds(ON)较高，导通损耗也加大；减小频率可能导致电感磁芯加大加重；最有效积极的方法应关注降低驱动电压Ugs。，由图4看出，驱动电压Ugs取决于电源Von，在电力电子开关饱和导通允许前提下，选用尽量低的电源Von是有积极意义的。
发明内容
本发明目的在于提供一种自带动态电源的谐振驱动模块控制方法，既可解决非共地电力电子开关的隔离式高频驱动方法，又区别于传统硬开关互补射随图腾柱驱动方法的缺点。
本发明采用的技术方案为：把传统的硬开关驱动改进为谐振软开关驱动，可用低于Ugs的动态电源Von电容泵供电驱动电压Ugs。在非驱动时段，驱动电压Ugs为-Voff负偏压，能够有效克服Ci的“米勒效应”，降解半桥或全桥直通的危害；驱动时段的电源Von电容泵，以及非驱动时段负偏压-Voff电容泵，均是由隔离变压器次级绕组供电，即变压器既传递驱动频率f，也传递两个动态电容泵电源+Von和-Voff。
附图说明
图1是弱电G极控制强电D极和S极通断的电力电子开关示意图。
图2是非共地的电力电子开关隔离驱动的典型拓扑示意图。
图3为传统硬开关互补射随圈腾柱驱动拓扑示意图。
图4为自带动态电源的谐振驱动模块拓扑示意图。
图5为自带动态电源的谐振驱动模块控制方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
从图3可见，当输入高电平时，Vs1(NPN型晶体管)从悬浮电源Von取得集电极电流Ic，从射极输出Ie，经限流电阻Rg，向电容性负载Ci供电，这是驱动电力电子开关VQ的驱动电压Ugs。而当输入低电平时，Vs2(PNP型晶体管)导通将电容性负载Ci贮存电荷经电阻Rg限流，经Vs2(PNP型晶体管)管导通放电。于是，电源Von的驱动功耗全部消耗在电阻Rg发热。另外，NPN型晶体管和PNP型晶体管均为硬开关，还存在直通危险，可能导致电源Von短路的危害。实现驱动电压Ugs波形看到毛刺和拖尾，其中毛刺是硬开关寄生振荡干扰，而拖尾可能导致电子开关HVT硬开关损耗发热，影响效率。
从图4可见，输入电流iIN只流过隔离磁芯B的原方绕组N1，经副方绕组N2变压后，由晶体管VS01和晶体管VS02的E-B端与电容C1、C2形成整流，并由二极管DZ1和DZ2并联稳压得到动态电容泵电源Von和Voff，当输入电流iIN输入高电平时晶体管VS01(PNP)使晶体管VS1(NPN)导通，把动态电容泵电源Von经二极管D1-电感Lr-电容Ci驱动电压Ugs使电力电子开关VQ饱和导通，并由齐纳二极管DZ11保护栅极G不致于过激励而损坏，由于二极管D1的存在，驱动电压Ugs得以在电容Ci维持，得到平顶且干净的波形。由于电感Lr-电容Ci谐振作用，在保证足够使电力电子管VQ饱和导通的前提下，动态电源VQN小于电压驱动电压Ugs，这是谐振驱动的驱动功率损耗较小，效率较高的关键之一。且由于晶体管Vs1和Vs2均为软开关，又由于二极管DV1、DV2、D1和D2的开关延时造成的死区时延，避免了晶体管VS1和VS2直通的危害。解决了图3硬开关驱动损耗较大，又有直通危险等问题。
图4还有一个优点是当输入电流i1N低电平时，G极贮存电荷迅速由电容Ci-电感lr-晶体管Vs2-(-Voff)使驱动电压Ugs得到负5伏左右的负偏置，对于克制电力电子管VQ的“米勒效应”，消除半桥或全桥电路直通危害具有关键作用。
在图5中，是“输入高频电流i1N”作控制源，电动驱动方式的抗干扰能力，优于“输入高频电压Uin”的电压驱动方式。实用上，以每一个电力电子开关VQ为主，按图4制造成模块，则i1N流过每个隔离磁环B的原方绕组N1，可以用一条高频闭环馈线实现，其抗干扰能力很强，结合模块的自带负偏压驱动，有较高的可靠性，由于是软开关谐振驱动，损耗小，效率较高，性价比较优，有较强的竞争能力。

Claims (1)

1、一种自带动态电源的谐振驱动模块控制方法，其特征是，将传统的硬开关驱动改进为谐振软开关驱动，可用低于Ugs的动态电源Von电容泵供电驱动电压Ugs，在非驱动时段，驱动电压Ugs为-Voff负偏压；在驱动时段的电源Von电容泵，以及非驱动时段负偏压-Voff电容泵，均是由隔离变压器次级绕组供电，即变压器既传递驱动频率f，也传递两个动态电容泵电源+Von和-Voff。
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