CN105191102B - 开关模式驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种开关模式驱动电路10，包括：具有第一端子14.1和第二端子14.2的第一开关14，具有第一端子16.1和第二端子16.2的第二开关16，包括至少第一绕组部20.1和第二绕组部20.2的感性元件20，第一绕组部具有第一端部20.1.1和第二端部20.1.2，第二绕组部具有第一端部20.2.1和第二端部20.2.2，以及具有第一极18.1和第二极18.2的能量存储装置18；每个第一和第二开关的第一和第二端子以及每个第一和第二绕组部的第一和第二端部都串联连接在能量存储装置的第一和第二极上，并且第一和第二绕组部构成共模和差模结构中的一种。

Description

开关模式驱动电路
背景技术
本发明涉及一种用于感性元件的开关模式驱动电路及方法。本发明尤其涉及，但不限于，降压、升压和推挽驱动电路。
本领域所公知的驱动电路包括具有第一和第二端子的第一开关，具有第一和第二端子的第二开关，其中第一开关的一端、第二开关的一端和将被驱动的感性元件的一端相互连接到公共节点。在推挽结构中，采用晶体管作为第一和第二开关，在降压、升压和升降压结构中，采用二极管作为其中的一个开关。
在所有这些结构中，能量存储装置连接在第一和第二开关的端子之间，而不连接到公共节点。在推挽和降压结构中，能量存储装置包括DC电源。在升压结构中能量存储装置包括输出电容器，在升降压结构中能量存储装置可以包括DC电源和串联连接的输出电容器。
在正常操作期间，开关被以交替关系驱动为导通和关断，即，当第一开关导通时，第二开关关断，反之亦可。然而，公知的是，可能会发生第一和第二开关同时导通，从而致使能量存储装置短路。这会引起大电流而导致损坏，例如损坏开关。
常规的保护电路和方法旨在确保在一个开关导通之前，另一个开关完全关断。在推挽结构中，这可以通过在一个晶体管关断和另一个晶体管导通之前期间插入一些延迟来实现。在降压和升压结构中，通常采用快速切换二极管。在其它实施例中，采用包括磁芯的常规串联保护电感器。参考图1，下面将进行清楚和更具体的描述，这些技术不仅限制了驱动电路的最大频率，而且限制了驱动电路的效率。
发明目的
相应地，本发明的目的在于提供一种替代的驱动电路和方法，申请人相信其至少可以减少前述缺点，或者可以为公知电路和方法提供一种有益替代。
发明概述
根据本发明提供一种开关模式驱动电路，包括：
-包括第一端子和第二端子的第一开关；
-包括第一端子和第二端子的第二开关；
-感性元件，其包括至少第一绕组部和第二绕组部，第一绕组部具有第一端部和第二端部，第二绕组部具有第一端部和第二端部；以及
-具有第一极和第二极的能量存储装置，其中
-每个第一和第二开关的第一和第二端子以及每个第一和第二绕组部的第一和第二端部都串联连接在能量存储装置的第一和第二极之间；并且
-第一和第二绕组部构成共模和差模结构中的一种。
第一绕组部的第一端部可以连接到第一开关的第二端子，第一绕组部的第二端部可以连接到第二绕组部的第二端部，第二绕组部的第一端部可以连接到第二开关的第一端子。
第一绕组部和第二绕组部可以设置成至少部分双线结构、混合结构和共绕线结构中的一种。
至少一个第一开关和第二开关可以包括开关晶体管。在一些实施例中，每个第一开关和第二开关都包括开关晶体管。在其它实施例中，至少一个第一开关和第二开关包括二极管。
第一开关的第一端子可以连接到能量存储装置的第一极，第二开关的第二端子可以连接到能量存储装置的第二极。能量存储装置可以包括DC电源。
在其它实施例中，能量存储装置包括电容器。
在第一开关的第二端子和第二开关的第一端子之间可以设置与第一绕组部和第二绕组部并联的阻抗元件，优选的是电阻元件。
电路可以包括阻尼元件，其设置在a)能量存储装置的第一极和第二开关的第一端子之间和b)能量存储装置的第二极和第一开关的第二端子之间的至少其中之一。
第一和第二绕组部可以构成为共模结构，感性元件可以包括变压器的初级绕组。
在其它实施例中，感性元件包括具有在构成差模结构的第一绕组部和第二绕组部之间的中间抽头的保护绕组。
中间抽头可以连接到将被驱动的感性元件，所述元件可以包括将被驱动的变压器的初级绕组。
本发明的范围还包括用于以交替切换模式驱动第一和第二开关的方法，该方法包括以下步骤，使包括第一绕组部和第二绕组部的绕组串联连接在第一和第二开关之间；并且使第一和第二绕组部构成为共模和差模结构中的一种。
附图说明
下面参考附图，仅以实例的方式对本发明作进一步描述，其中：
图1是现有技术的开关模式驱动电路的基本电路结构图，该电路包括操作在推挽模式中用于驱动变压器的初级绕组的第一和第二晶体管。
图2(a)至(c)是图1的结构图中所选点的波形图。
图3是开关模式驱动电路的输出级的示例实施例的基本电路结构图。
图4是开关模式驱动电路的推挽结构输出级的示例实施例的具体结构图。
图5(a)至(c)是图4的结构图中所选点的波形图。
图6是开关模式驱动电路的推挽结构输出级的另一示例实施例的电路结构图。
图7是包括推挽结构输出级的开关模式驱动电路的示例实施例的电路结构图。
图8是包括推挽结构输出级的开关模式驱动电路的另一示例实施例的电路结构图。
图9是开关模式驱动电路的降压结构输出级的示例实施例的电路结构图。
图10是开关模式驱动电路的降压结构输出级的另一示例实施例的电路结构图。
图11是开关模式驱动电路的升压结构输出级的示例实施例的电路结构图。
图12是开关模式驱动电路的升压结构输出级的另一示例实施例的电路结构图。
图13(a)至13(d)是绕组结构示例实施例的示意图。
具体实施方式
现有技术的开关模式驱动电路的输出级通常由图1中的附图标记 100示出。
该公知的输出级包括第一绝缘栅半导体开关装置114和第二绝缘栅半导体开关装置116。该第一和第二装置串联连接在DC电源的极118.1和118.2 之间的电路115中，第一装置114的源极114.2直接连接到第二装置的漏极116.1。包括将被驱动的变压器122的初级绕组120的支路117在公共节点119处连接到第一开关装置的源极114.2和第二开关装置的漏极116.1。
图2中，示出了图1中所选点处的信号随时间的波形图。图2(a) 示出的是点116.1处的电压。图2(b)示出的是电路115中和流过装置114和 116的电流。图2(c)示出的是支路117中和流过初级绕组120的电流。在正常操作期间，其中的一个开关装置导通而另一个关断。这样在DC电源、导通的开关和变压器122的初级绕组120之间形成了回路。这个回路称之为初级电路。为获得好性能，电源和开关的阻抗尽可能小。因而，初级绕组120两端的电压接近于电源电压，如图2(a)所示。
然而，图2(b)示出了短期间200内，两个开关装置114和116同时导通的情形。当两个开关装置导通时，在DC电源和两个串联连接的开关114 和116之间形成短路。由于前面提到的DC电源和开关装置的低阻抗以及说明书引言中提及的原因，所以在该期间200内，短路中的电流上升很快。如图2 (b)所示，在期间200内，短路中的电流值可能超过30A，这将导致一个或两个开关装置损坏。在传统方式中，如果在短路中加入常规的串联保护电感或电阻，该电感和阻抗同样会加到初级电路，这样会降低开关模式驱动电路的性能，这当然是不希望的。尤其是，由于两个开关装置都导通的期间200远远短于只有一个开关导通的期间，所以需要保护的频率大于驱动电路工作的频率。众所周知的是，具有磁芯的感性元件通常是有频率依赖性的，这使得高频时的感抗小于低频时的感抗。因此，通过在短路中加入常规的串联保护电感会导致初级电路在低频时的感抗增加，这是不希望的。
图3中，大体以附图标记10标出了根据本发明的驱动电路的输出级的第一示例实施例。输出级10包括包含第一端子14.1和第二端子14.2的第一开关14，包含第一端子16.1和第二端子16.2的第二开关16，以及包含至少第一绕组部20.1和第二绕组部20.2的感性元件20，该第一绕组部具有第一端部 20.1.1和第二端部20.1.2，该第二绕组部具有第一端部20.2.1和第二端部20.2.2。级10还包括具有第一极18.1和第二极18.2的能量存储装置18。第一开关14 和第二开关16中的每个开关的第一和第二端子以及第一绕组部20.1和第二绕组部20.2的每个绕组部的第一和第二端部都串联连接在能量存储装置18的第一极 18.1和第二极18.2之间。第一绕组部20.1和第二绕组部20.2构成为共模结构，图3中以圆点示出。在其它实施例中，第一和第二绕组部可以构成为差模结构，这将在下文进行描述。
图4中，示出了输出级的推挽结构的更详细实施例。第一开关14包括包含第一端子或漏极14.1、第二端子或源极14.2以及第三端子或栅极14.3的第一绝缘栅半导体装置。第二开关16包括包含第一端子或漏极16.1、第二端子或源极16.2以及第三端子或栅极16.3的第二绝缘栅半导体装置。第一装置14 的漏极14.1连接到DC电源18的第一极18.1。第二装置16的源极16.2连接到 DC电源的另一极18.2。此外，第一装置14的源极14.2连接到以变压器22的初级绕组20形式的将被驱动的感性元件的第一绕组部20.1的第一端部20.1.1。变压器22包括次级绕组24。第二装置16的漏极16.2连接到初级绕组20的第二绕组部20.2的第一端部20.2.1。第一绕组部20.1的第二端部20.1.2和第二绕组部20.2的第二端部20.2.2相互连接，并且第一绕组部20.1和第二绕组部20.2 构成共模结构，图4中以圆点示出。共模结构可以包括如图4的放大部分或者图13(a)中所示的双线绕组中的任一个，可替换的如图13(b)所示的混合结构，再可替换的如图13(c)所示的共绕线结构，进一步可替换的，如图13(d)所示的至少部分双线结构。级10还可以包括至少一个阻尼元件，优选以二极管 40和42形式的两个阻尼元件。可以在第一和第二绕组部的各自第一端部之间设置耗能元件44。元件44可以例如包括电阻元件。
再次参考图13(a)到(c)，两个绕组部20.1和20.2之间的耦合从图 13(a)到图13(c)减少，从而使得短路保护电感增加。图13(a)中示出的是双线结构，图13(c)中示出的是共绕线结构，其中第一和第二绕组部彼此相邻或并列设置在铁芯上，图13(b)示出的是前述双线结构和前述共绕线结构之间的混合结构。图13(d)中的保护电感小于图13(a)，这是因为初级绕组只有一部分是双线。可以理解，相应部分结构对于共绕线和混合结构都是可以的。所有这些结构使得可以设计初级绕组用于特定保护阻抗值。
图5示出了图4中所选点处的信号随时间的波形图。图5(a)示出的是点14.2和16.1处的电压，前者以实线示出，后者以虚线示出。图5(b)示出的是输出电路15中和流过装置14和16的电流。图5(c)示出的是流过变压器22的初级绕组20的第一部分20.1和第二部分20.2的电流总和。
将图2(a)和2(c)与图5(a)和5(c)相比较，可以看出，当每次只有一个开关导通时，输出级10的性能与输出级100的性能相似。就是说，前述初级电路的性能是相似的。
然而，如图5(b)尤其是500处可以清楚看到，当二者在期间502 都导通时，输出电路15中流过装置14和16的电流减小到低于10A。因此，前述感性元件的第一和第二部分在短路中形成限流保护阻抗，从而保护装置14和 16。即便是双线绕组在第一和第二绕组部之间具有很好的耦合，这种耦合也绝不完美，增加了短路电感。绕组的长度也增加了一些传输线延迟效应和一些电阻。所有这些效应导致短路中的电流受到限制。尤其是，双线绕组在两个绕组之间的磁耦合系数高达0.99以上，所以使得短路电感小于初级电路电感的大约 1％。短路电感和磁材料的耦合也可以忽略不计，使得增加到短路的电感是不依赖于频率的。这缓解了前面提到的常规串联保护电感的频率依赖问题。用于双线绕组中的导线长度也比常规串联元件的长度长。较长的导线导致传输线延迟效应，这比常规元件能够更好地抑制短路中的高频信号。传输线阻尼也可以用于抑制某些不希望的高频振铃(ringing)。
在图6的示例实施例中，第一装置14的源极14.2和第二装置16的漏极16.1通过具有中间抽头点28的分离保护感性元件或绕组26彼此连接。第一绕组部20.1的第二端部20.1.2和第二绕组部20.2的第二端部20.2.2彼此连接，并且第一绕组部20.1和第二绕组部20.2构成差模结构，由图6中的圆点示出。差模结构可以包括如图6的放大部分或者图13(a)中所示的双线绕组中的任一个，可替换的如图13(b)所示的混合结构，再可替换的如图13(c)所示的共绕线结构。抽头点28连接到以变压器32的初级绕组30形式的将被驱动的感性元件。变压器还具有次级绕组34。在这个实施例中，绕组26构成短路中的限流保护阻抗以保护装置14和16。保护绕组26将使得初级电路中电感增加，但是可以认为，它将为短路增加大约四倍的电感。还可以认为，通过使用了电感比初级绕组30的电感小得多(典型地小于初级绕组电感的1％)的保护绕组26，所以保护绕组26的电感对初级电路的影响较小，同时还保护了短路中的开关。
同样，在该示例实施例中，可以加入图4中的阻尼元件40和42中的一个或两个，也可以加入耗能元件44。
在图7中以60标出，示出的是包括图4的输出级10的驱动电路一个示例实施例。在电路60中，通过利用具有双线次级绕组64.1和64.2以及初级绕组66的栅极驱动变压器62的外部驱动电路，装置14和16以推挽模式驱动。在一个实施例中，装置14和16可以以包括变压器22的次级绕组24的电路的谐振频率被驱动，该次级绕组24可以弱耦合到初级绕组20的第一和第二部20.1和20.2。
在图8中以70标出，示出的是包括图4的输出级10的驱动电路另一个示例实施例。电路70通过将栅极驱动绕组72.1和72.2与变压器22的初级绕组的第一和第二部20.1和20.2或者次级绕组24弱耦合而形成自振荡。为优化性能，必须使用施加到晶体管14和16栅极的电压信号以及变压器22中的电流之间的正确相位差。该正确相位可以通过多种方式获得，例如，通过适当选择栅极绕组和初级绕组部件之间的耦合以及栅极绕组和初级绕组部件之间的取向。
图9中示出了与图4中类似的输出级的示例实施例，但是在降压结构中，第二开关装置包括二极管，而且感性元件20可以或者可以不构成变压器的一部分。图10中示出了与图6中类似的输出级的示例实施例，但是在降压结构中，第二开关装置包括二极管16，而且感性元件30可以或者可以不构成变压器的一部分。
图11中示出了与图4中类似的输出级的示例实施例，但是在升压结构中，第一开关装置包括二极管14，能量存储装置包括电容器18，而且感性元件20可以或者可以不构成变压器的一部分。图12中示出了与图6中类似的输出级的示例实施例，但是在升压结构中，第一开关装置包括二极管14，能量存储装置包括电容器18，而且感性元件30可以或者可以不构成变压器的一部分。

Claims (12)

1.一种开关模式驱动电路，包括：
-包括第一端子(14.1)和第二端子(14.2)的第一开关(14)；
-包括第一端子(16.1)和第二端子(16.2)的第二开关(16)；
-感性元件(20)，包括第一绕组，该第一绕组包括第一绕组部(20.1)和第二绕组部(20.2)，第一绕组部具有第一端部(20.1.1)和第二端部(20.1.2)，第二绕组部具有第一端部(20.2.1)和第二端部(20.2.2)；
-具有第一极(18.1)和第二极(18.2)的能量存储装置(18)；
-输出电路(15)，其包括连接到能量存储装置的第一和第二极的第一开关、第二开关、第一绕组部以及第二绕组部的串联连接；以及
-驱动装置(62、66、64.1、64.2)，其用于使第一开关(14)和第二开关(16)以交替切换的模式进行切换，以使得在第一个切换过渡期间第一开关从导通切换为关断而第二开关从关断切换为导通，并且在下一个切换过渡期间第一开关从关断切换为导通而第二开关从导通切换为关断，其中在一些切换过渡的至少一部分期间第一开关和第二开关同时导通达一个短时间段(502)；并且其中第一绕组部和第二绕组部构成共模结构并且至少部分地设置成双线结构，以构成保护限流阻抗来降低在短时间段(502)期间流过第一开关和第二开关的电流。
2.如权利要求1所述的开关模式驱动电路，其中第一绕组部的第一端部连接到第一开关的第二端子，第一绕组部的第二端部连接到第二绕组部的第二端部，并且其中第二绕组部的第一端部连接到第二开关的第一端子。
3.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中第一开关和第二开关中的至少一个包括开关晶体管。
4.如权利要求3所述的开关模式驱动电路，其中第一开关和第二开关中的每一个都包括开关晶体管。
5.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中第一开关和第二开关中的至少一个包括二极管。
6.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中第一开关的第一端子连接到能量存储装置的第一极，第二开关的第二极连接到能量存储装置的第二极。
7.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中能量存储装置包括DC电源。
8.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中能量存储装置包括电容器。
9.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中在第一开关的第二端子和第二开关的第一端子之间设置与第一绕组部和第二绕组部并联的阻抗元件。
10.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中在a)能量存储装置的第一极和第二开关的第一端子和b)能量存储装置的第二极和第一开关的第二端子中的至少之一之间设置阻尼元件。
11.如权利要求1或2所述的开关模式驱动电路，其中第一绕组包括变压器的初级绕组，所述变压器也包括次级绕组。
12.一种开关模式驱动电路的驱动方法，该驱动电路包括：包括第一端子(14.1)和第二端子(14.2)的第一开关(14)；包括第一端子(16.1)和第二端子(16.2)的第二开关(16)；感性元件(20)，包括第一绕组，该第一绕组包括第一绕组部(20.1)和第二绕组部(20.2)，第一绕组部具有第一端部(20.1.1)和第二端部(20.1.2)，第二绕组部具有第一端部(20.2.1)和第二端部(20.2.2)；具有第一极(18.1)和第二极(18.2)的能量存储装置(18)；以及输出电路(15)，其包括连接到能量存储装置的第一和第二极的第一开关、第二开关、第一绕组部以及第二绕组部的串联连接，其中第一和第二绕组部构成共模结构并且至少部分地设置成双线结构；该方法包括：
-使第一开关(14)和第二开关(16)以交替切换的模式进行切换，以使得在第一个切换过渡期间第一开关从导通切换为关断而第二开关从关断切换为导通，并且在下一个切换过渡期间第一开关从关断切换为导通而第二开关从导通切换为关断，其中在一些切换过渡的至少一部分期间第一开关和第二开关同时导通达一个短时间段(502)；并且
-利用第一绕组部和第二绕组部构成保护限流阻抗以降低短时间段(502)期间流过第一开关和第二开关的电流。
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