CN116780865A - 一种多路输出的隔离式谐振栅极驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多路输出的隔离式谐振栅极驱动电路，该驱动电路包括PWM发生器、MOS驱动网络、多绕组隔离变压器、钳位电路；其中，MOS驱动网络中作为驱动管的第一PMOS管、第二PMOS管的栅极控制信号分别由第一PWM发生器、第二PWM发生器和后接第一栅极驱动器、第二栅极驱动器提供，MOS驱动网络的输出经过多绕组隔离变压器输出给钳位电路，钳位电路的输出信号作为LLC‑DCX原边开关管和副边同步整流管的栅驱动信号，驱动LLC‑DCX的原边开关管和副边同步整流管。利用隔离式谐振栅极驱动电路中多绕组隔离变压器的励磁电感和LLC‑DCX初级侧功率开关管、次级侧整流管的栅极电容产生谐振，恢复存储在功率开关管和整流管栅极电容的能量，从而降低栅极驱动电路的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及直流变压器的栅极驱动电路，尤其涉及一种多路输出的隔离式谐振栅极驱动电路。
背景技术
开关电源趋向于高频率、高效率和更小尺寸的发展，但随着开关频率的提高，栅极损耗不断增大。在开关频率达到MHz级别的变换器中，栅极驱动损耗已经成为不可忽略的问题。因此，减小栅极驱动损耗是提高变换器效率、推动开关电源高频率和高功率密度发展的关键。
LLC-DCX有软开关特性，可实现原边MOSFET的ZVS和副边MOSFET的ZVS、ZCS，适用于高频、高效率和高功率密度的应用。然而，随着开关频率的提高，传统的电压源驱动器会导致与栅极电阻无关的栅极功率损耗增加。在过去的研究中，谐振栅极驱动电路仅适用于单个MOSFET驱动器，需要添加隔离或自举电路来驱动半桥桥臂中的高端MOSFET。这通常会增加元件数量并降低系统的可靠性。另一种技术能够提供两个隔离的互补驱动信号，但需要额外的谐振电感设计和大磁感设计，这在高频平面上难以实现，难以小型化。
为了解决这些问题，有必要设计一种高效率、高可靠性、小型化、能够提供多个互补驱动信号、适用于高频率的栅极驱动电路。这种新型电路应该具有减少栅极驱动损耗、提高效率、更小体积的优点，并且能够适用于LLC谐振桥式直流-直流变换器。
发明内容
技术问题：本发明针对现有LLC-DCX的栅极驱动电路的缺陷，提出一种多路输出的隔离式谐振栅极驱动电路，以提供多组隔离的互补驱动信号，减少了器件数量，降低了LLC-DCX的驱动损耗，从而提高了LLC-DCX的整体效率，同时增强了系统的稳定性。
技术方案：
一种多路输出的隔离式谐振栅极驱动电路，包括PWM发生器、MOS驱动网络、多绕组隔离变压器、钳位电路：
所述PWM发生器包括第一PWM发生器和第二PWM发生器；
所述MOS驱动网络包括第一PMOS管和第二PMOS管：
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极均和电源Vcc连接，所述第一PMOS管的漏极与所述多绕组隔离变压器的第一初级绕组的同名端连接，所述第二PMOS管的漏极与所述多绕组隔离变压器的第三初级绕组的异名端连接；
所述第一PMOS管的栅极控制信号由所述第一PWM发生器及其后接的第一栅极驱动器提供；所述第二PMOS管的栅极控制信号由所述第二PWM发生器及其后接的第二栅极驱动器提供；
所述MOS驱动网络的输出经过多绕组隔离变压器输出给所述钳位电路，所述钳位电路的输出信号作为LLC-DCX原边第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和副边第一同步整流管、第二同步整流管、第三同步整流管、第四同步整流管的栅驱动信号，驱动所述LLC-DCX原边第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及副边第一同步整流管、第二同步整流管、第三同步整流管、第四同步整流管。
利用隔离式谐振栅极驱动电路中多绕组隔离变压器的励磁电感和LLC-DCX初级侧功率开关管、次级侧整流管的栅极电容产生谐振，恢复存储在功率开关管和整流管栅极电容的能量，从而降低栅极驱动电路的损耗。
所述多绕组隔离变压器，其初级包括第一初级绕组、第二初级绕组、第三初级绕组：
所述第一初级绕组的同名端连接所述第一PMOS管的漏极，所述第一初级绕组的异名端连接第四钳位管的栅极、第三钳位管的漏极、第二电容和所述第二初级绕组的同名端；所述第二初级绕组的同名端连接第四钳位管的栅极、第三钳位管的漏极、第二电容和所述第一初级绕组的异名端，所述第二初级绕组的异名端连接第四钳位管的漏极、第三钳位管的栅极、第四电容和所述第三初级绕组的同名端；所述第三初级绕组的同名端连接第四钳位管的漏极、第三钳位管的栅极、第四电容和所述第二初级绕组的异名端，所述第三初级绕组的异名端和所述第二PMOS管的漏极连接；
所述多绕组隔离变压器，其次级包括第一次级绕组、第二次级绕组、第三次级绕组：所述第一次级绕组和第三电容并联；所述第二次级绕组和第一电容并联；所述第三次级绕组的同名端连接第五钳位管的栅极、第六钳位管的漏极和栅极等效电容,第三次级绕组的异名端连接第五钳位管的漏极、第六钳位管的栅极和栅极等效电容；
所述钳位电路包括第三钳位管、第四钳位管、第五钳位管、第六钳位管：
所述第三钳位管的漏极连接第四钳位管的栅极、第二电容、所述第一初级绕组的异名端和所述第二初级绕组的同名端，其栅极连接第四钳位管的漏极、第四电容、所述第二初级绕组的异名端和所述第三初级绕组的同名端，其源极接地；
所述第四钳位管的源极接地，其栅极连接第三钳位管的漏极、第二电容、所述第一初级绕组的异名端和所述第二初级绕组的同名端，其漏极连接第三钳位管的栅极、第四电容、所述第二初级绕组的异名端和所述第三初级绕组的同名端；
所述第五钳位管的源极接地,其栅极连接第六钳位管的漏极、所述第三次级绕组的同名端和第二栅极等效电容，其漏极连接所述第三次级绕组的异名端、第六钳位管的栅极和第一栅极等效电容；
所述第六钳位管的源极接地，其栅极连接第五钳位管的漏极、所述第三次级绕组的异名端和第一栅极等效电容，其漏极连接所述第三次级绕组的同名端、第五钳位管的栅极和第二栅极等效电容；
优选的，所述LLC-DCX原边为谐振频率下的谐振电感、励磁电感和谐振电容串联拓扑；其中LLC拓扑为谐振电感、励磁电感和谐振电容串联拓扑。
有益效果：本发明的优点如下：
1)本发明适用于所有桥式变换器，利用隔离式谐振栅极驱动电路中多绕组隔离变压器的励磁电感和桥式变换器的初级侧功率开关管、次级侧整流管的栅极电容产生谐振，恢复存储在功率开关管和整流管栅极电容的能量，从而降低栅极驱动电路的损耗，提高电路的整体效率；
2)本发明能够工作在MHz频率之内，提供的栅极驱动信号可实现LLC-DCX原边MOSFET的ZVS和副边MOSFET的ZVS、ZCS，减小开关损耗，有利于电源开关小型化。
3)本发明可以提供多组互补的栅极驱动信号，能够提供驱动全桥变换器所需的所有信号，不同于其他驱动电路只能提供一个或一组栅极驱动信号；
4)本发明所用器件数量少，只需要两个PMOS驱动管，两个或四个NMOS钳位管，一个多绕组隔离变压器，成本低，可靠性高；
5)驱动电路控制时序简单，两个PMOS驱动管需要两个互补的方波信号，其余钳位管不需要额外的控制信号驱动；
附图说明：
图1是本发明的电路图；
图2是本发明电路的不钳位电路图；
图3是本发明适用的一种LLC-DCX；
图4是本发明电路的主要驱动信号时序波形图；
图5是本发明电路的不钳位结构的主要驱动信号时序波形图；
图6是本发明栅驱动电路的实际输出波形；
图7是传统驱动IC的驱动损耗和本发明电路驱动损耗对比。
具体实施例：
如图1，隔离式谐振栅极驱动电路包括PWM发生器、MOS驱动网络、多绕组隔离变压器、钳位电路，PWM发生器接栅极驱动器产生的控制信号PWM1、PWM2分别控制PMOS功率管Q1、Q2，PWM1、PWM2为相位相差180度的两个信号，通过改变其占空比，可以产生满足需要的栅极驱动信号，两个PMOS驱动管将信号传输到多绕组隔离变压器，初级绕组P2上的信号用于驱动全桥变换器的低压侧MOS管，次级绕组B1、B2上的信号用于驱动全桥变换器的高压侧MOS管，次级绕组B3上的信号用于驱动同步整流管。可以通过改变各个绕组的匝数比和次级绕组的数量，使驱动信号和全桥变换器中功率开关管的驱动电压匹配。利用隔离式谐振栅极驱动电路中多绕组隔离变压器的励磁电感和LLC-DCX初级侧功率开关管、次级侧整流管的栅极电容产生谐振，恢复存储在功率开关管和整流管栅极电容的能量，从而降低栅极驱动电路的损耗。
如图2，对图1栅极驱动电路进行的改变，去掉了钳位管Q5、Q6，增加了次级绕组B4，仍能和图1电路实现相同的功能。
如图3，这是本发明适用的一种LLC-DCX，本发明的多路输出驱动信号能为全桥变换器的原边开关管和副边同步整流管提供合适的栅极驱动信号，使其功能正常发挥。图1或图2的输出信号Vgs2、Vgs4、Vgs3、VHB2、Vgs1、VHB1、Vgsr1、Vgsr2和图3的栅极信号相对应，MOS管S1、S2、S3、S4构成全桥拓扑结构，Lr1、Lr2为变压器的漏感，Lm1、Lm2为变压器的励磁电感，Cr为谐振电容，SR1、SR2、SR3、SR4为副边同步整流管，Co为输出电容、RL为负载。通过隔离式谐振栅极驱动电路提供的驱动信号可实现LLC全桥变换器原边MOSFET的ZVS和副边MOSFET的ZVS、ZCS，适用于高频、高效率、高功率密度的应用。
如图4，这是图1电路中主要驱动信号时序波形图包括控制信号、电流和输出电压信号。第一行、第二行的PWM1、PWM2为MOS驱动网络Q1、Q2的控制信号，第三行、第四行的Vgs4/Vgsr1、Vgs2/Vgsr2、Vgs1-VHB3和Vgs3-VHB2为栅极驱动电路的输出信号。图中标快速开关的区间为LC谐振阶段，开关状态切换的能量通过谐振转移，不需要从电源吸收能量，驱动损耗的能量消耗降低。励磁阶段向电源回收和释放能量，没有将能量释放到地，有利于能量循环。第五、六、七行为多绕组隔离变压器的初级绕组和次级绕组上的电流波形，从电流波形可以看出谐振和励磁过程的进行。
如图5，这是图2电路中主要驱动信号时序波形图包括控制信号、电流和输出电压信号。和图4基本相同，次级绕组去掉了钳位管去掉了钳位管Q5、Q6，增加了次级绕组B4，因此Vgsr2、Vgsr1的不在被钳位，在一半周期为负压，同时谐振时间翻倍。
如图6，这是本发明谐振栅极驱动电路的输出信号的波形，与图4中的输出波形一致，可以通过调节PWM1、PWM2的频率和占空比改变输出波形，从而达到变换器控制信号的需求。
如图7，这是本发明隔离式谐振栅极驱动电路和传统IC驱动电路驱动LLC-DCX的驱动损耗随便开关频率变化的折线对比图，从图中可以看出本发明电路的驱动损耗远小于传统的驱动损耗，并且开关频率越高，本发明电路降低的驱动损耗越多，优势越明显。
本发明工作过程如下：
在t0-t1期间，Cg4、Cg1、Cgsr1上的初始电压为高，钳位MOSFETQ3、Q6导通，所有其他MOSFET关断，Cg4、Cg1、Cgsr1和变压器的励磁电感谐振，Cg4、Cg1、Cgsr1以谐振方式放电，谐振电感以谐振方式充电，栅源电压下降，谐振电感上的电流上升。能量从栅极电容器转移到谐振电感器，直到栅极电容器完全放电。
在t1-t2期间，电感电流是连续的，谐振电感给栅极电容Cg2、Cg3、Cgsr2充电，直到钳位管Q4、Q5开启，钳位MOSFETQ4、Q5实现ZVS，Cg2、Cg3、Cgsr2和变压器电感谐振，形成回路，谐振电感能量向栅极电容转移，栅极电压不断上升，直到Vgs2、Vgs3-VHB2和Vgsr2的电压被Vcc钳位。
在t2-t3期间：在变压器中的电流向上流经PMOSQ1的体二极管进入电源，栅极电压被Vcc钳位，此时Q1导通，实现ZVS。在这个过程中，变压器中的能量被回收，变压器中的电流流入电源直到电流为零。
在t3-t4期间，驱动管Q1、钳位管Q4导通，电源向励磁电感励磁，电流向和t3-t4期间相反，直到Q1关断，前半个周期结束。
下半周期从t4到t8的谐振和励磁过程与上半周期从t0到t4的类似，它们共同构成一个完整的周期并形成循环。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种多路输出的隔离式谐振栅极驱动电路，其特征在于，包括PWM发生器、MOS驱动网络、多绕组隔离变压器、钳位电路：
所述PWM发生器包括第一PWM发生器和第二PWM发生器；
所述MOS驱动网络包括第一PMOS管和第二PMOS管：
所述第一PMOS管和所述第二PMOS管的源极均和电源Vcc连接，所述第一PMOS管的漏极与所述多绕组隔离变压器的第一初级绕组的同名端连接，所述第二PMOS管的漏极与所述多绕组隔离变压器的第三初级绕组的异名端连接；
所述第一PMOS管的栅极控制信号由所述第一PWM发生器及其后接的第一栅极驱动器提供；所述第二PMOS管的栅极控制信号由所述第二PWM发生器及其后接的第二栅极驱动器提供；
所述MOS驱动网络的输出经过多绕组隔离变压器输出给所述钳位电路，所述钳位电路的输出信号作为LLC-DCX原边第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和副边第一同步整流管、第二同步整流管、第三同步整流管、第四同步整流管的栅驱动信号，驱动所述LLC-DCX原边第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管及副边第一同步整流管、第二同步整流管、第三同步整流管、第四同步整流管；
所述多绕组隔离变压器，其初级包括第一初级绕组、第二初级绕组、第三初级绕组：
所述第一初级绕组的同名端连接所述第一PMOS管的漏极，所述第一初级绕组的异名端连接第四钳位管的栅极、第三钳位管的漏极、第二电容和所述第二初级绕组的同名端；所述第二初级绕组的同名端连接第四钳位管的栅极、第三钳位管的漏极、第二电容和所述第一初级绕组的异名端，所述第二初级绕组的异名端连接第四钳位管的漏极、第三钳位管的栅极、第四电容和所述第三初级绕组的同名端；所述第三初级绕组的同名端连接第四钳位管的漏极、第三钳位管的栅极、第四电容和所述第二初级绕组的异名端，所述第三初级绕组的异名端和所述第二PMOS管的漏极连接；
所述多绕组隔离变压器，其次级包括第一次级绕组、第二次级绕组、第三次级绕组：所述第一次级绕组和第三电容并联；所述第二次级绕组和第一电容并联；所述第三次级绕组的同名端连接第五钳位管的栅极、第六钳位管的漏极和栅极等效电容,第三次级绕组的异名端连接第五钳位管的漏极、第六钳位管的栅极和栅极等效电容；
所述钳位电路包括第三钳位管、第四钳位管、第五钳位管、第六钳位管：
所述第三钳位管的漏极连接第四钳位管的栅极、第二电容、所述第一初级绕组的异名端和所述第二初级绕组的同名端，其栅极连接第四钳位管的漏极、第四电容、所述第二初级绕组的异名端和所述第三初级绕组的同名端，其源极接地；
所述第四钳位管的源极接地，其栅极连接第三钳位管的漏极、第二电容、所述第一初级绕组的异名端和所述第二初级绕组的同名端，其漏极连接第三钳位管的栅极、第四电容、所述第二初级绕组的异名端和所述第三初级绕组的同名端；
所述第五钳位管的源极接地,其栅极连接第六钳位管的漏极、所述第三次级绕组的同名端和第二栅极等效电容，其漏极连接所述第三次级绕组的异名端、第六钳位管的栅极和第一栅极等效电容；
所述第六钳位管的源极接地，其栅极连接第五钳位管的漏极、所述第三次级绕组的异名端和第一栅极等效电容，其漏极连接所述第三次级绕组的同名端、第五钳位管的栅极和第二栅极等效电容。
2.如权利要求1所述的一种多路输出的隔离式谐振栅极驱动电路，其特征在于，所述LLC-DCX原边为谐振频率下的谐振电感、励磁电感和谐振电容串联拓扑；其中LLC拓扑为谐振电感、励磁电感和谐振电容串联拓扑。
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2023
- 2023-06-12 CN CN202310685994.4A patent/CN116780865A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117155082A (zh) * | 2023-10-30 | 2023-12-01 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 一种驱动电路 |
| CN117155082B (zh) * | 2023-10-30 | 2024-02-27 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 一种驱动电路 |
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