CN1794547A - Dc/dc变换器同步整流箝位驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及同步整流技术，特别涉及DC/DC变换器同步整流中的箝位驱动电路，包括变压器、整流开关管和续流开关管；所述续流开关管的源极和漏极分别与整流开关管的源极和变压器的副边绕组相连，所述整流开关管的漏极与变压器的副边绕组相连；还包括负向箝位驱动电路，用于为整流开关管或续流开关管的栅极－源极反向放电，将开关管的栅极箝位到一低电平。本发明通过在现有技术的基础上增加负向箝位驱动电路，可以很好地实现同步整流电路中，开关管正向驱动和负向驱动的电平箝位，以及正向和负向嵌位驱动管的栅源驱动电平箝位，提高变换器的可靠性，简化电路，降低成本。
Description
[技术领域]
本发明涉及同步整流技术，特别涉及DC/DC变换器同步整流中的箝位驱动电路。
[背景技术]
同步整流是低压大电流DC/DC变换器的关键技术。在DC/DC变换器的副边采用同步整流MOS晶体管(MOSFET)来代替肖特基(Schottky)二极管进行整流，能够大大降低整流导通损耗。但同步整流MOS晶体管门极需要对应的驱动电路要求较高：由于同步整流管栅极氧化层是由极薄的SiO2层构成，若栅源电压Vgs(包含负栅源负偏压)超过其最大栅源击穿电压，则器件可能永久失效。同步整流管的驱动电路多采用功率变压器绕组或附加绕组自驱动方式，但这种简洁的驱动方式很可能使得驱动电压超过最大栅源击穿电压从而导致同步整流管损坏。因此同步整流管的驱动多采用箝位驱动电路来抑制过高的驱动电压以保证同步整流管可靠工作。
图1为传统单端正激控制的同步整流箝位驱动电路。其中，主变压器T1包含原边主绕组W1、副边第二绕组W2和副边第三绕组W3。副边同步整流电路中整流开关管Q3的栅极驱动由第二绕组W2经第一电阻R1后直接供电。开关管Q4的栅极驱动由第三绕组W3与第二绕组W2串联后提供能量，因驱动绕组提供的电压变化范围比较大，有可能超过Q4栅源额定耐压，所以需进行限压。正向箝位开关管Q5、稳压电源Vp组成了驱动稳压电路，稳压源Vp的电压决定了正向箝位开关管Q5的栅极电压电平。在每个开关周期中，第三绕组W3的极性变化为下正上负时，即通过正向箝位开关管Q5给开关管Q4的栅极充电，当开关管Q4的栅极电平增加至接近稳压源Vp输出电压时，正向箝位开关管Q5的栅源电压低于其开启阀值，Q5关断，起到限压目的。当第三绕组W3的极性变化为上正下负时，即通过正向箝位开关管Q5给开关管Q4的栅源极反向放电。
当DC/DC模块输出电压比较低，采用上述箝位驱动电路时，为保证副边同步整流管完全导通，必须增加绕组以提高正向驱动电压，但同时会相应使得负向驱动电平Vn也相对较高。尽管上述电路可以将开关管Q4正向驱动电平箝位到Vp电压，但由于正向箝位开关管Q5的栅极电位在整个开关周期内都等于Vp电压，这样当第三绕组W3的极性变化为上正下负时，Q5栅源电压等于Vp+|Vn|，因此在部分输入电压区域内会超过其最大栅源击穿电压，导致Q5失效。同时变换器在输入电压较高、第三绕组W3的极性变化为上正下负时，负向驱动电压|Vn|也可能大于Q5和Q4最大负向栅源击穿电压，从而使得Q5和Q4失效。
[发明内容]
本发明的目的在于提供一种带有正向和负向箝位功能的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，可以克服现有技术的缺陷。
DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，包括变压器、整流开关管和续流开关管；所述续流开关管的源极和漏极分别与整流开关管的源极和变压器的副边绕组相连，所述整流开关管的漏极与变压器的副边绕组相连，特点是：
还包括负向箝位驱动电路，用于为整流开关管或续流开关管的栅极一源极反向放电，将开关管的栅极箝位到一低电平。
本发明电路还包括正向箝位电路：包括正向箝位开关管、第一二极管和第一稳压源；所述正向箝位开关管的漏极与第一二极管的阴极相连，其源极与所述续流开关管或整流开关管的栅极相连，其栅极与第一稳压源的正极相连；第一稳压源的负极与续流开关管或整流开关管的源极相连；第一二极管的阳极与变压器副边绕组相连。
进一步的，所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管，其栅极与变压器副边绕组电连接，其源极和漏极跨接于所述续流开关管的栅极和源极。
在本发明的一个实施例中，所述负向箝位驱动电路还包括第二电阻，串连连接于负向箝位开关管的栅极与变压器副边绕组之间。
本发明中，所述负向箝位开关管是MOSFET晶体管。
在本发明另一个实施例中，所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管，其漏极与变压器副边绕组电连接，其源极和栅极跨接于续流开关管的栅极和源极。
上述实施例电路中，还包括第二稳压源和第二二极管；所述第二稳压源的负极与所述负向箝位开关管的栅极相连，其正极与续流开关管的源极相连；所述第二二极管的阳极与所述负向箝位开关管的漏极相连，其阴极与变压器副边绕组相连。
作为本发明的另一种实施例，所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管，其栅极与变压器副边绕组电连接，其源极和漏极跨接于整流开关管的栅极和源极。
在本发明一个实施例中，所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管，其漏极与变压器副边绕组电连接，其源极和栅极跨接于整流开关管的栅极和源极。
上述实施例电路还包括第二稳压源和第二二极管；所述第二稳压源的负极与所述负向箝位开关管的栅极相连，其正极与整流开关管的源极相连；所述第二二极管的阳极与所述负向箝位开关管的漏极相连，其阴极与变压器副边绕组相连。
本发明中，所述变压器包括两个串连连接的副边绕组：第二绕组和第三绕组，第二绕组的异名端与第三绕组的同名端相连；所述开关管的源极、稳压源的负极与第二绕组的异名端相耦合；正向箝位开关管的漏极与第三绕组的异名端相耦合。
本发明电路还包括与第二绕组和第三绕组串连连接的第四绕组，第四绕组的异名端与第二绕组的同名端相连；所述整流开关管的源极与第四绕组的异名端相连，其栅极通过第一电阻与第四绕组的同名端相连。
本发明通过在现有技术的基础上增加负向箝位驱动电路，可以很好地实现同步整流电路中，开关管正向驱动和负向驱动的电平箝位，以及正向和负向嵌位驱动管的栅源驱动电平箝位，提高变换器的可靠性，简化电路，降低成本。
[附图说明]
图1是现有技术中正激同步整流电路箝位驱动电路的电路结构原理图。
图2是本发明第一种实施例的电路结构原理图。
图3是本发明主电路中开关管的驱动信号波形图。
图4是本发明第二种实施例的电路结构原理图。
图5是本发明第三种实施例的电路结构原理图。
图6是本发明第四种实施例的电路结构原理图。
图7是本发明第五种实施例的电路结构原理图。
图8是本发明第六种实施例的电路结构原理图。
[具体实施方式]
下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步阐述。
一种DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，包括变压器T1、整流开关管Q3、续流开关管Q4、正向箝位电路和负向箝位电路。续流开关管Q4的源极和漏极分别与整流开关管Q3的源极和变压器T1的副边绕组相连，整流开关管Q3的漏极与变压器T1的副边绕组相连。其中，正向箝位电路包括正向箝位开关管Q5、第一二极管D1和第一稳压源Vp。正向箝位驱动电路用于续流管Q4栅极-源极驱动电平箝位，使得驱动电平不会超过其最大栅源击穿电压，从而导致Q5失效。负向箝位驱动电路主要包括负向箝位开关管Q6，用于为整流开关管Q3或续流开关管Q4的栅极-源极反向放电，将其栅极箝位到一低电平。
上述的整流开关管Q3、续流开关管Q4和正向箝位开关管Q5均采用N沟道MOSFET晶体管。本领域的技术人员知道，上述开关管也可以采用P沟道MOSFET晶体管，但是对于同步整流电路而言，如果采用P沟道MOS管，驱动电路将非常复杂，不符合成本要求，即使采用也无实用价值。负向箝位开关管Q6采用P沟道MOSFET晶体管。但如果正向箝位开关管Q5均采用P沟道MOSFET晶体管，则负向箝位开关管Q6均采用N沟道MOSFET晶体管。
现实应用中，变压器T1的副边一般采用多绕组形式，一个作为主绕组，其它作为驱动绕组，如以下实施例：
实施例一：
如图2所示，变压器T1包括两个串连连接的副边绕组：作为副边主绕组的第二绕组W2和作为副边续流管驱动绕组的第三绕组W3。第二绕组W2的异名端与第三绕组W3的同名端相连。整流开关管Q3的漏极与第二绕组W2的异名端相连，其栅极通过第一电阻R1与第二绕组W2的同名端相连，其源极与续流开关管Q4的源极相连。续流开关管Q4的漏极与变压器T1副边第二绕组W2的同名端相连。第一二极管D1的阳极与变压器T1副边第三绕组W3的异名端相连，其阴极与正向箝位开关管Q5的漏极相连。正向箝位开关管Q5的源极与开关管Q4的栅极相连，其栅极与稳压源Vp的正极相连。稳压源Vp的负极与续流开关管Q4的源极相连。还包括电感L1和第一电容C1，电感L1的同名端与开关管Q4的漏极相连，其异名端与第一电容C1的一端、以及负载的一端相连，第一电容C1的另一端与开关管Q4的源极、以及负载的另一端相连。
负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管Q6。负向箝位开关管Q6为P沟道MOSFET晶体管，其栅极与变压器T1副边第三绕组W3异名端相连，其源极与续流开关管Q4的栅极相连，其漏极与续流开关管Q4的源极相连。
在上述电路中，变压器T1原边还包括主开关管Q1、箝位管Q2和第二电容C2。主开关管Q1的漏极与变压器T1原边绕组W1的异名端以及第二电容C2的一端相连，其源极与电源AC一端、以及箝位管Q2的源极相连。第二电容C2的另一端与箝位管Q2的漏极相连。变压器T1原边绕组W1的同名端与电源AC的另一端相连。图3为主开关管Q1和箝位管Q2的驱动波形图，在t1时刻，Vg2信号为零电平，钳位管Q2关断；紧接着t2时刻，Vg1信号为高电平，主开关管Q1导通，变压器T1原边绕组W1电压极性为上正下负，该电压耦合到副边绕组，正电压加在Q6栅极上，使Q6导通将续流管Q4栅极电荷释放，Q4关断；同时副边绕组正电压通过R1给Q3提供激励，整流管Q3导通；t3时刻Vg1为零电平，主开关管Q1关断；紧接着Vg2信号为低电平，钳位管Q2导通，此时第二电容C2上电压减去输入电源电压即为变压器原边绕组电压，其电压极性为上负下正，使变压器实现磁复位，同时该电压耦合到副边绕组，将整流管Q3和Q6关断，此上负下正绕组电压通过D1、Q5给Q4的栅极充电，Q4导通，电感L1中电流通过Q4续流，当Q4栅极电平增加至接近Z1电平时，Q5的栅源电压低于其开启阀值，Q5关断，起到限压目的；在t5时刻，Vg2信号为零电平，进入下一周期。
副边同步整流电路中整流开关管Q3的栅极驱动由作为主绕组的第二绕组W2经第一电阻R1后直接供电。续流开关管Q4作为续流管，其栅极驱动由作为驱动绕组的第三绕组W3与第二绕组W2串联后提供能量。正向箝位开关管Q5、稳压电源Vp组成了正向箝位驱动电路。负向箝位开关管Q6是续流开关管Q4的负向箝位驱动电路。在每个开关周期中，第三绕组W3极性变化为下正上负时，即通过二极管D1、正向箝位开关管Q5给续流开关管Q4的栅极充电，此时Q6的栅极电平高于源极电平，Q6关断。当Q4栅极电平增加至接近Vp输出电压时，Q5的栅源电压低于其开启阀值，Q5关断，起到限压目的。当第三绕组W3的极性变化为上正下负时，由于二极管D1反偏，续流管Q4栅极电平高于D1阳极电平，此时Q6源极电平高于其栅极电平，Q6导通，即通过Q6给Q4的栅源极反向放电，将Q4栅极电位箝位到地。同时由于此时D1截止，Q5的漏极和源极电位也相应的被箝位到地，使得Q4和Q5的最大栅源电压在整个开关周期内都等于Vp电压，工作稳定可靠，且可将Q4双向驱动信号中负半周箝位到地，降低同步整流管驱动损耗。由于Q4栅极放电电流不经过Q5，因此也可以降低正向箝位开关管Q5的导通损耗。
实施例二：
如图4所示，本实施例电路是在实施例一电路的基础上，增加了一个调节Q6开关速度的电阻。所述第二电阻R2，串连连接在负向箝位开关管Q6的栅极与变压器T1副边绕组W3异名端之间。第二电阻R2起到调节续流管Q4放电速度的作用，有利于提高变换器的效率和改善Q6栅源驱动波形。
实施例三：
如图5所示，本实施例电路与实施例一相比，多了一个与第二绕组W2和第三绕组W3串连连接的第四绕组W4，第四绕组W4的异名端与第二绕组W2的同名端相连。且整流开关管Q3的源极与第二绕组W2同名端相连，其栅极与第四绕组W4的同名端相连，其漏极与续流开关管Q4的漏极相连。
续流开关管Q4的漏极通过整流开关管Q3与变压器T1副边第二绕组W2的同名端相耦合，其源极与变压器T1副边第二绕组W2的异名端相连。第一二极管D1的阳极与变压器T1副边第三绕组W3的异名端相连，其阴极与正向箝位开关管Q5的漏极相连。正向箝位开关管Q5的源极与开关管Q4的栅极相连，开关管Q5的栅极与稳压源Vp的正极相连。稳压源Vp的负极与续流管Q4的源极相连。负向箝位开关管Q6的栅极与变压器T1副边第三绕组W3异名端相连，其源极与开关管Q4的栅极相连，其漏极与续流管Q4的源极相连。
上述电路的工作原理与实施例一中电路的工作原理相同，只是将副边主电路中的整流开关管Q3放在上方。此电路适合输出电压较高的场合。
实施例四：
如图6所示，本实施例中电路与实施例三中电路的区别在于：负向箝位驱动电路包括：负向箝位开关管Q6、第二稳压源Vc和第二二极管D2。负向箝位开关管Q6的栅极与第二稳压源Vc的负极相连，并通过第二稳压源Vc与续流开关管Q4的源极相耦合，其源极与续流开关管Q4的栅极相连，其漏极与第二二极管D2的阳极相连，并通过二极管D2与变压器T1副边第三绕组W3的异名端相耦合。其工作原理是：
在每个开关周期中，当第三绕组W3极性变化为下正上负时，即通过D1、Q5给Q4的栅极充电，此时负向箝位开关管Q6源极电平高于栅极电平，Q6开通，但是由于二极管阳极电压低于其阴极电压，二极管处于关断状态，因此由稳压源Vc、负向放电开关管Q6和二极管D2组成的开关管Q4栅极放电通路处于关断状态。当Q4栅极电平增加至接近Z1电平时，Q5的栅源电压低于其开启阀值，Q5关断，起到限压目的。当第三绕组W3的极性变化为上正下负时，由于二极管D1反偏，续流管Q4栅极电平高于D1阳极电平，此时Q6源极电平高于其栅极电平(即负向稳压源Vc的电压)，Q6导通，当Q4栅极电平减小至接近Vc电平时，Q6的栅源电压低于其开启阀值，Q6关断，起到反向限压目的，将Q4栅极电位箝位到稳压源Vc所设定的一低电平值，Q4关断。同时由于此时D1截止，Q5的漏极和源极电位也相应的被箝位到稳压源Vc所设定的一低电平值，使得续流管Q4、正向嵌位开关管Q5和负向嵌位开关管Q6的最大栅源电压在整个开关周期内都等于Vp+|Vc|电压，工作稳定可靠，且可将Q4双向驱动信号中负半周箝位到一低电平，降低同步整流管驱动损耗。由于Q4栅极放电电流不经过Q5，因此也可以降低Q5导通损耗。
实施例五：
如图7所示，变压器T1包括三个串连连接的副边绕组：第二绕组W2、第三绕组W3和第四绕组W4。第二绕组W2的同名端与第四绕组W4的异名端相连，其异名端与第三绕组W3的同名端相连。续流开关管Q4的源极与第二绕组W2的异名端相连，其栅极通过第一电阻R1与第三绕组W3的异名端相连，其漏极与整流开关管Q3的漏极相连。整流开关管Q3的源极与变压器T1副边第四绕组W4的异名端相连。第一二极管D1的阳极与变压器T1副边第四绕组W4的同名端相连，其阴极与正向箝位开关管Q5的漏极相连。正向箝位开关管Q5的源极与整流开关管Q3的栅极相连，其栅极与稳压源Vp的正极相连。稳压源Vp的负极与整流开关管Q3的源极相连。还包括电感L1和第一电容C1，电感L1的同名端与续流开关管Q4的漏极相连，其异名端与第一电容C1的一端、以及负载的一端相连，第一电容C1的另一端与开关管Q4的源极、以及负载的另一端相连。
负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管Q6。负向箝位开关管Q6的栅极与变压器T1副边第四绕组W4同名端相连，其源极与整流开关管Q3的栅极相连，其漏极与整流开关管Q3的源极相连。
上述电路的工作原理与实施例一电路的工作原理相似。
实施例六：
如图8所示，本实施例电路与实施例五的不同之处仅仅在于负向箝位驱动电路：包括负向箝位开关管Q6、第二稳压源Vc和第二二极管D2。负向箝位开关管Q6的栅极与第二稳压源Vc的负极相连，并通过第二稳压源Vc与整流开关管Q3的源极相耦合，其源极与整流开关管Q3的栅极相连，其漏极与第二二极管D2的阳极相连，并通过二极管D2与变压器T1副边第四绕组W4的同名端相耦合。
上述电路的工作原理与实施例四电路的工作原理相似。
Claims (12)
1、DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，包括变压器(T1)、整流开关管(Q3)和续流开关管(Q4)；所述续流开关管(Q4)的源极和漏极分别与整流开关管(Q3)的源极和变压器(T1)的副边绕组相连，所述整流开关管(Q3)的漏极与变压器(T1)的副边绕组相连，其特征在于：
还包括负向箝位驱动电路，用于为整流开关管(Q3)或续流开关管(Q4)的栅极-源极反向放电，将开关管的栅极箝位到一低电平。
2、根据权利要求1所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于还包括正向箝位电路：包括正向箝位开关管(Q5)、第一二极管(D1)和第一稳压源(Vp)；所述正向箝位开关管(Q5)的漏极与第一二极管(D1)的阴极相连，其源极与所述续流开关管(Q4)或整流开关管(Q3)的栅极相连，其栅极与第一稳压源(Vp)的正极相连；第一稳压源(Vp)的负极与续流开关管Q4)或整流开关管(Q3)的源极相连；第一二极管(D1)的阳极与变压器(T1)副边绕组相连。
3、根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管(Q6)，其栅极与变压器(T1)副边绕组电连接，其源极和漏极跨接于所述续流开关管(Q4)的栅极和源极。
4、根据权利要求3所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：还包括第二电阻(R2)，串连连接于负向箝位开关管(Q6)的栅极与变压器(T1)副边绕组之间。
5、根据权利要求3所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：所述负向箝位开关管(Q6)是MOSFET晶体管。
6、根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管(Q6)，其漏极与变压器(T1)副边绕组电连接，其源极和栅极跨接于续流开关管(Q4)的栅极和源极。
7、根据权利要求6所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：还包括第二稳压源(Vc)和第二二极管(D2)；所述第二稳压源(Vc)的负极与所述负向箝位开关管(Q6)的栅极相连，其正极与续流开关管(Q4)的源极相连；所述第二二极管(D2)的阳极与所述负向箝位开关管(Q6)的漏极相连，其阴极与变压器(T1)副边绕组相连。
8、根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管(Q6)，其栅极与变压器(T1)副边绕组电连接，其源极和漏极跨接于整流开关管(Q3)的栅极和源极。
9、根据权利要求1或2所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：所述负向箝位驱动电路包括负向箝位开关管(Q6)，其漏极与变压器(T1)副边绕组电连接，其源极和栅极跨接于整流开关管(Q3)的栅极和源极。
10、根据权利要求9所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：还包括第二稳压源(Vc)和第二二极管(D2)；所述第二稳压源(Vc)的负极与所述负向箝位开关管(Q6)的栅极相连，其正极与整流开关管(Q3)的源极相连；所述第二二极管(D2)的阳极与所述负向箝位开关管(Q6)的漏极相连，其阴极与变压器(T1)副边绕组相连。
11、根据权利要求2所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于所述变压器(T1)包括两个串连连接的副边绕组：第二绕组(W2)和第三绕组(W3)，第二绕组(W2)的异名端与第三绕组(W3)的同名端相连；所述开关管(Q4)的源极、稳压源(Vp)的负极与第二绕组(W2)的异名端相耦合；正向箝位开关管(Q5)的漏极与第三绕组(W3)的异名端相耦合。
12、根据权利要求11所述的DC/DC变换器同步整流箝位驱动电路，其特征在于：还包括与第二绕组(W2)和第三绕组(W3)串连连接的第四绕组(W4)，第四绕组(W4)的异名端与第二绕组(W2)的同名端相连；所述整流开关管(Q3)的源极与第四绕组(W4)的异名端相连，其栅极通过第一电阻(R1)与第四绕组(W4)的同名端相连。
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