CN106100295A - 一种基于电荷保持的开关器件驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电荷保持的开关器件驱动电路，包括一变压器原边H桥以及一副边次级驱动电路；H桥包括第一MOS开关管、第二MOS开关管、第三MOS开关管以及第四MOS开关管；副边次级驱动电路包括第五MOS开关管、第六MOS开关管以及一开关。该基于电荷保持的开关器件驱动电路可以有效的降低驱动损耗，提高提高电力电子功率变换器的效率，以克服现有技术中已有功率半导体器件驱动电路驱动的驱动损耗较大、抗干扰能力不高等不足的缺陷。

Description

一种基于电荷保持的开关器件驱动电路
技术领域
本发明涉及一种用于驱动功率半导体器件的驱动电路，特别是一种基于电荷保持的开关器件驱动电路。
背景技术
随着电力电子技术的发展，功率半导体器件的工作频率越来越高，功率半导体的驱动损耗已经成为不可忽略的部分。降低电力电子功率变换器中功率半导体的驱动损耗可以有效提高电力电子功率变换器的效率和功率密度。
现有MOSFET驱动谐振驱动电路介绍及分析如下：
1 单管谐振门极驱动电路
图1所示是一种常用单管谐振门极驱动电路。该电路的优点有：S1、S2可以实现了软开通和零电流关断；开关周期中，二极管开通时间极短，控制开关的体二极管也不导通，有利于减小损耗。由于外接二极管的阻断作用，电感电流到零后不能反向，而
是一直保持为零直到下次开关动作，所以此阶段没有损耗；要驱动开关Sl、S2不存在交互导通，可以很容易控制驱动脉冲的时间，即逻辑电路简单。
该电路的缺点有:当功率开关完全开通或关断时，其门源极电压浮地，没有被钳位到电源电压或具有低阻抗的零电位，所以电路抗干扰性差，可能被误导通或关断。
2 基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路
基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路拓扑如图2所示。该电路采用反激变换器型 结构 ，主要由1个反激型变压器和6个半导体器件构成 ，变压器的原副边电感与功率Mosfet管的栅极电容谐振对栅极电容进行充放电。该驱动电路具有结构和控制简单、驱动速度快 、驱动效率高、驱动电路中的开关管实现部分软开关等优点。
3 同步Buck电路的谐振门极驱动电路
同步Buck电路的谐振门极驱动电路如图3所示。上管采用自举驱动，电感Ll、L2是绕在同一个磁芯上的集成电感。电路的优点是能够显著减小开关损耗，恢复门极驱动能量，减小驱动开关体二极管的损耗和反向恢复损耗。电路的缺点是虽然集成电感能够减小漏感，但它也增加了系统的体积。
上述现有技术可以分为单管驱动电路和双管驱动电路两大类。单管谐振门极驱动电路只能驱动一个功率MOSFET管；电路抗干扰性差，可能被误导通或关断。双功率管谐振门极驱动电路所需器件多，结构复杂。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于电荷保持的开关器件驱动电路，以降低辅助开关管的通态损耗、驱动变压器原边绕组的绕组损耗和磁元件的磁芯损耗，有效降低驱动电路的损耗。
本发明的技术方案是：一种基于电荷保持的开关器件驱动电路，包括一变压器原边H桥以及一副边次级驱动电路；所述H桥包括第一MOS开关管、第二MOS开关管、第三MOS开关管以及第四MOS开关管；所述第一MOS开关管的源极与所述第二MOS开关管的漏极相连，并连接至一变压器原边绕组的同名端；所述第三MOS开关管的源极与所述第四MOS开关管的漏极相连，并连接至所述变压器原边绕组的异名端；所述第一MOS开关管的漏极与所述第三MOS开关管的漏极相连；所述第二MOS开关管的源极与所述第四MOS开关管的源极相连；所述副边次级驱动电路包括第五MOS开关管、第六MOS开关管以及一开关；所述开关的一端接入所述变压器副边绕组的同名端，并接入所述第五MOS开关管的的栅极；所述开关的另一端作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第一输出端，并连接至所述第六MOS开关管的漏极；所述第六MOS开关管的源极接地，并作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第二输出端；所述第六MOS开关管的栅极连接至所述变压器副边绕组的异名端，并作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第三输出端；所述第五MOS开关管的源极接地，并作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第四输出端。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、常用无损驱动方案中辅助开关管的通态损耗及驱动磁件的损耗所占比例很大，占80%以上；本发明所提出的技术方案降低了驱动变压器原边的电流，保持副边的电流不变（只有保证副边的电流不变才能保证主功率电路的管子的驱动速度一样），降低了原边电流有效值，有效降低辅助开关管通态损耗和驱动变压器的绕组损耗，同时降低了驱动变压器的交流磁通密度Bac，从而降低磁芯损耗。
2、所驱动的Mos管的Ciss越大，本发明优势越明显。
3、本发明所提出的技术方案可以驱动单管也可以驱动双管或者多管，适用范围广。
附图说明
图1为现有技术中直接驱动电路的电路图。
图2为现有技术中正激驱动电路的电路图。
图3为现有技术中有隔离变压器的互补驱动的电路图。
图4为本发明中基于电荷保持的低损驱动电路的拓扑图。
图5为本发明中主电路和无损驱动电路波形图。
图6为本发明中工作模态一时的等效图。
图7为本发明中工作模态二时的等效图。
图8为本发明中工作模态三时的等效图。
图9为本发明中工作模态四时的等效图。
图10为本发明中工作模态五（t4~t5）时的等效图。
图11为本发明中工作模态五（t5~t6）时的等效图。
图12为本发明中工作模态六时的等效图。
图13为本发明中工作模态七时的等效图。
图14为本发明中工作模态八时的等效图。
图15为本发明中工作模态九时的等效图。
图16为本发明中工作模态十时的等效图。
图17为本发明中工作模态十一时的等效图。
图18为本发明中工作模态十二时的等效图。
图19为本发明一实施例中的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种基于电荷保持的低损驱动电路，如图4所示，包括一变压器原边H桥以及一副边次级驱动电路；变压器原边H桥包括第一MOS开关管M1、第二MOS开关管M2、第三MOS开关管M3以及第四MOS开关管M4；第一MOS开关管M1的源极与第二MOS开关管M2的漏极相连，并连接至一变压器T原边绕组的同名端；第三MOS开关管M3的源极与第四MOS开关管M4的漏极相连，并连接至变压器T原边绕组的异名端；第一MOS开关管M1的漏极与第三MOS开关管M3的漏极相连；第二MOS开关管M2的源极与第四MOS开关管M4的源极相连；
副边次级驱动电路包括第五MOS开关管Q3、第六MOS开关管Q4、第一电容Cgs_Q1、第二电容Cgs_Q2、第三电容Cds_Q3、第四电容Cds_Q4以及开关S；
第一电容Cgs_Q1的一端与开关S的一端相连，并作为基于电荷保持的开关器件驱动电路的第一输出端，与被驱动的开关管Q1的栅极相连；第一电容Cgs_Q1的另一端接地，并作为基于电荷保持的开关器件驱动电路的第二输出端，且与被驱动的开关管Q1的源极相连；开关S的另一端接入变压器T副边绕组的同名端；第六MOS开关管Q4的漏极与第四电容Cds_Q4的一端相连，并接入第一电容Cgs_Q1的一端；第六MOS开关管Q4的源极与第四电容Cds_Q4的另一端相连，并接地；第六MOS开关管Q4的栅极接入变压器T副边绕组的异名端；第五MOS开关管Q3的栅极接入变压器T副边绕组的同名端；第五MOS开关管Q3的源极与第三电容Cds_Q3的一端相连，并接地；第五MOS开关管Q3的漏极与第三电容Cds_Q3的另一端相连，并接入变压器T副边绕组的异名端；第二电容Cgs_Q2的一端接入变压器T副边绕组的异名端，并作为基于电荷保持的开关器件驱动电路的第三输出端，接入被驱动的开关管Q2的栅极；第二电容Cgs_Q2的另一端接地，并作为基于电荷保持的开关器件驱动电路的第四输出端，接入被驱动的开关管Q2的源极。
进一步的，在本实施例中，为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的基于电荷保持的低损驱动电路，下面结合主电路以及无损驱动电路驱动控制方法进行说明。
工作时序分析，如图5所示，为主电路以及无损驱动电路波形图。
模态一（t 0 ~t 1 ）：
在本实施例中，t 0 时刻前Q1导通。t 0 时刻M1、M4导通，M1、M4导通过程可实现零电压开通软开关，故Vds_M1=Vds_M4=0，Vds_M2=Vds_M=Vin；变压器T励磁，原边绕组励磁电流i p 线性上升，t 1 时刻达到最大值。在t 1 时刻前使双向开关S导通，由于Von比Q3的开启电压大(Von为Q1栅源极电压)，故Q3导通，Q4关断。Q1导通，故Q1中Vgs=Von ；Q3导通，故Vds_Q3=0。如图6所示，为该模态的工作等效图。
模态二（t 1 ~t 2 ）
在本实施例中，t1~t5期间M1、M4关断，关断过程不能实现软开关，Vds_M1=Vds_M4=Vds_M2=Vds_M=Vin。励磁电流i p 通过M2、M3寄生二极管续流。故变压器副边流过励磁电流i s ，i s 对变压器副边电感充电。i s 方向如图所示，从Q1流向Q3，i s 使Q1的结电容Cgs1放电，Vgs从t 1 时刻开始下降，i s 流过Q3产生较小的导通压降Vdson；t 2 时刻后Vgs小于Q1的开启电压Vgsth_Q1，使Q1关断；如图7所示，为该模态的工作等效图。
模态三（t 2 ~t 3 ）
在本实施例中，t 2 时刻后Vgs小于Q1的开启电压Vgsth_Q1，使Q1关断。t 3 时刻后Vgs小于Q3的开启电压Vgsth_Q3，使Q3关断。如图8所示，为该模态的工作等效图。
模态四（t 3 ~t 4 ）
在本实施例中，t 3 时刻后Vgs小于Q3的开启电压Vgsth_Q3，使Q3关断，i s 对Q3的结电容Cds3充电，Vds_Q3从Vdson开始上升。如图9所示，为该模态的工作等效图。
模态五（t 4 ~t 5 ）
在本实施例中，t 4 时刻前使Q2导通。t 4 时刻Vds_Q3(Vgs_Q4)大于Q4的开启电压，Q4导通，i s 流过Q4产生一个反压-VD；t 5 时刻Vds_Q3充电至最大值Von并保持不变。如图10所示，为该模态的工作等效图。
模态五（t 5 ~t 6 ）
在本实施例中，t 5 时刻前 M2、M3导通，导通过程为硬导通，不能实现软开关；Vds_M2=Vds_M3=0，Vds_M1=Vds_M4=Vin。变压器原边励磁电流励i p 开始下降，t 6 时刻i p 下降为0。t 5 时刻双向开关S关断，副边不流过励磁电流。t 5 时刻Vds_Q3充电至最大值Von。t 5 时刻后Vds_Q3=Von保持不变。t 5 时刻后Q1的结电容Cgs1放电至零。Q4导通且不留过电流，故Vgs=0。如图11所示，为该模态的工作等效图。
模六（t 6 ~Ts/2）
在本实施例中，t 6 时刻M1导通，M2关断，M1导通和M2关断过程均可实现软开关，M3保持导通状态、M4保持关断状态，全桥电路不工作。原副边均不流过电流。Q2，Q4导通，Vgs=0，Vds=Von。如图12所示，为该模态的等效电路图。
模态七（Ts/2~t 8 ）
在本实施例中，Ts/2时刻M1关断、M2导通，M3保持导通状态、M4保持关断状态，M1关断和M2导通过程均可实现软开关。变压器励磁电流i p <0，i p 线性增大，t 8 时刻i p 达到最大值。Q2、Q4导通，Vgs=0，Vds_Q3=Von。t 8 时刻前闭合双向开关S。如图13所示，为该模态的等效电路图。
模态八（t 8 ~t 9 ）
在本实施例中，t 8 ~t 12 内M1、M2、M3、M4均关断，M1、M4导通过程和M2、M3关断过程均不能实现软开关；i p 通过M1、M4的寄生二极管续流。双向开关S闭合，变压器副边流过励磁电流i s ，方向从Q2流向Q4。i s 流过Q4，产生导通压降Vdson，故Vds=Vdson。t 8 时刻i s 从Q2流向Q4，Q3结电容Cds3通过i s 放电，Vds_Q3从t 8 时刻开始下降。如图14所示，为该模态的等效电路图。
模态九（t 9 ~t 10 ）
在本实施例中，t 9 时刻后Vds_Q3(Vgs_Q4)下降至小于Q4的开启电压，Q4关断。 励磁电流i s 对Q1的结电容Cds1充电，Vgs从t 9 时刻开始上升。如图15所示，为该模态的等效电路图。
模态十（t 10 ~t 12 ）
在本实施例中，t 10 时刻Vds上升至Q3的开启电压Vgsth_Q3，t 10 时刻后Q3导通。 微少的励磁电流i s 流过Q3，在漏、源极产生一个反压－VD，故在t10~t12内Vds_Q3=－VD。t 11 时刻Vds上升至Q1的开启电压Vgsth_Q1，t 11 时刻后Q1导通。Q1导通后关断Q2。如图16所示，为该模态的等效电路图。
模态十一（t 12 ~t 13 ）
在本实施例中，t 12 时刻前M1、M4导通，M2、M3关断，t12时刻关断双向开关S，驱动电路不流过励磁电流。M1、M4导通， 励磁电流i p 线性下降，t 13 时刻下降至零。t 12 时刻Vgs线性上升至最大值Von，Q1结电容Cgs1完成充电，t 12 时刻后Vgs=Von保持不变。如图17所示，为该模态的等效电路图。
模态十二（t 13 ~t 14 ）
在本实施例中，t 13 时刻M1关断、M2导通，M1关断和M2导通过程均可实现软开关；变压器原边励磁电流为零，变压器原边励磁电流也为零。Q1、Q3导通，Vgs=Von、Vds_Q3=0保持不变。如图18所示，为该模态的等效电路图。
进一步，如图19所示，为本实施例中，基于电荷保持的开关器件驱动电路对应的具体电路原理图。 该电路的原理为:主电路为全桥电路，需要驱动的MOS管有全桥电路的四个桥臂Q1、Q2、Q3、Q4和同步整流管SR1、SR2，通过本实施例中提出的无损驱动电路驱动全桥电路的四个桥臂的MOS管和两个同步整流MOS管。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于电荷保持的开关器件驱动电路，其特征在于，包括一变压器原边H桥以及一副边次级驱动电路；所述H桥包括第一MOS开关管、第二MOS开关管、第三MOS开关管以及第四MOS开关管；所述第一MOS开关管的源极与所述第二MOS开关管的漏极相连，并连接至一变压器原边绕组的同名端；所述第三MOS开关管的源极与所述第四MOS开关管的漏极相连，并连接至所述变压器原边绕组的异名端；所述第一MOS开关管的漏极与所述第三MOS开关管的漏极相连；所述第二MOS开关管的源极与所述第四MOS开关管的源极相连；所述副边次级驱动电路包括第五MOS开关管、第六MOS开关管以及一开关；所述开关的一端接入所述变压器副边绕组的同名端，并接入所述第五MOS开关管的的栅极；所述开关的另一端作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第一输出端，并连接至所述第六MOS开关管的漏极；所述第六MOS开关管的源极接地，并作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第二输出端；所述第六MOS开关管的栅极连接至所述变压器副边绕组的异名端，并作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第三输出端；所述第五MOS开关管的源极接地，并作为所述基于电荷保持的开关器件驱动电路的第四输出端。
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