CN208589912U - 饱和自振荡推挽式隔离dc-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种饱和自振荡推挽式隔离DC‑DC转换器包括：DC输入；变压器，包括第一初级绕组和第二初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组以及第一反馈绕组和第二反馈绕组；第一场效应晶体管；第二场效应晶体管；以及驱动电路，连接至所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。所述驱动电路包括偏置电路，所述偏置电路在所述转换器的启动期间经由所述第一反馈绕组和所述第二反馈绕组向所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的栅极施加偏置电压，其中在所述转换器的启动之后所述偏置电压减小为零或者基本上为零；以及复位电路，当关断所述转换器时所述复位电路将所述偏置电路复位。所述转换器是自振荡推挽式DC‑DC转换器。

Description

饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器
技术领域
本实用新型涉及功率转换，更具体地，本实用新型涉及驱动饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器中的FET(场效应晶体管)的电路。
背景技术
双极结型晶体管(BJT)已经用作饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转 换器中的驱动开关。然而，因为BJT是电流控制器件，它们通常表现出 比诸如MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)之类的电压控制器 件更大的开关损耗。这些开关损耗成为在相对高的开关频率下操作的饱 和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器中的功耗的重要来源。
因此，当将BJT用在饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器中时， DC-DC转换器的变压器必须设计为具有大数量的初级匝数和/或大横截 面的芯面积以降低开关频率。另外，BJT典型地具有随温度广泛变化的 增益，其可能导致多种问题，包括难以在低操作温度下启动。
实用新型内容
本实用新型的优选实施例提供了一种电路，所述电路驱动具有相对高的开关频率的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器的开关，其允许减小变压器的总尺寸。另外，本实用新型的优选实施例要求变压器初级绕组上相对小数量的匝数，并且本实用新型的优选实施例通过使用要求非常小的栅极驱动电流的FET(具体地MOSFET)，减小了开关损耗。本实用新型的优选实施例还提供了DC-DC转换器在宽温度范围上的稳定操作以及在低温度下的可靠启动。
一种转换器包括：DC输入；变压器，包括第一初级绕组和第二初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组以及第一反馈绕组和第二反馈绕组；第一场效应晶体管；第二场效应晶体管；以及驱动电路，连接至所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。所述驱动电路包括偏置电路，所述偏置电路在所述转换器的启动期间经由所述第一反馈绕组和所述第二反馈绕组向所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的栅极施加偏置电压，其中在所述转换器的启动之后所述偏置电压减小为零或者基本上为零；以及复位电路，当关断所述转换器时所述复位电路将所述偏置电路复位。所述转换器是自振荡推挽式DC-DC转换器。
所述自振荡推挽式DC-DC转换器是罗耶(Royer)振荡器。
优选地，所述偏置电路包括串联连接在所述DC输入和地之间的电容器和电阻器。优选地，所述电容器的第一端子连接至所述DC输入。优选地，所述电容器的第二端子连接至所述电阻器的第一端子以及所述第一反馈绕组和第二反馈绕组的中心抽头。优选地，所述电阻器的第一端子连接至所述电容器的第二端子以及所述第一反馈绕组和所述第二反馈绕组的中心抽头。优选地，所述电阻器的第二端子接地。优选地，在所述电容器完全充电之后，所述电阻器将所述第一反馈绕组和所述第二反馈绕组的中心抽头处的电压减小为地电压或者基本上地电压。
优选地，所述复位电路包括与所述偏置电路并联连接在所述DC输入和接地之间的电阻器。
优选地，所述驱动电路还包括第一电阻器，连接在所述第一场效应晶体管的栅极和所述第一反馈绕组之间；以及第二电阻器，连接在所述第二场效应晶体管的栅极和所述第二反馈绕组之间。
优选地，所述转换器还包括连接至所述第一次级绕组和所述第二次级绕组的电容器。
优选地，所述转换器还包括连接至所述第一次级绕组和所述第二次级绕组的整流器电路。优选地，所述整流电路包括第一二极管和第二二极管。
根据参考附图的本实用新型优选实施例的以下详细描述，本实用新型的以上和其他特征、元件、特性、步骤和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是根据本实用新型优选实施例的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC 转换器的电路图。
图2示出了与图1的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器中的晶体管相关联的示波器迹线。
具体实施方式
图1示出了根据本实用新型优选实施例的饱和自振荡推挽式隔离 DC-DC转换器。图1的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器有时称作罗耶振荡器。如图1所示，所述DC-DC转换器包括输入电压Vin、输出电压Vout 和变压器TX1，所述变压器具有第一初级绕组P1和第二初级绕组P2、第一次级绕组S1和第二次级绕组S2以及第一反馈绕组F1和第二反馈绕组F2。二极管D1和D2对次级绕组S1和S2的电压进行整流，并且输出电容器C2存储能量并平滑经整流的电压。
如图1所示，所述DC-DC转换器也包括FET驱动电路，所述FET驱动电路具有第一至第四电阻器R1至R4以及电容器C1，所述电容器提供电压以驱动FETTR1和TR2。
在所述DC-DC转换器的启动期间，电容器C1初始地开始充电，其施加与反馈绕组的中心抽头(即，第一反馈绕组F1和第二反馈绕组F2之间的点)处的输入电压Vin相等或基本上相等的DC偏置电压。经由反馈绕组 F1和F2以及电阻器R3和R4将正DC偏置电压施加至FETTR1和TR2的栅极端子。由于FET TR1和TR2之间固有的微小制造差异(例如，正常制造容限内的变化)，一个FET TR1或TR2可能具有略低的栅极阈值电压VGS(th)，其使得所述FET首先接通。这里，假设FET TR1具有比FET TR2低的栅极阈值电压VGS(th)，使得FET TR1首先接通。
当FET TR1接通时，电流流过第一初级绕组P1，并且在变压器TX1中感应出磁场。这增加了变压器TX1的磁通量，并且导致了在第二初级绕组 P2、第一次级绕组S1和第二次级绕组S2以及第一反馈绕组F1和第二反馈绕组F2中感应的电压。因此，在第一反馈绕组f1两端感应出负电压，并且在第二反馈绕组F2两端感应出正电压。第二反馈绕组F2两端的正电压将FET TR1接通，使得FET TR1处于饱和模式，并且第一反馈绕组F1两端的负电压将FETTR2关断，使得FET TR2处于关断模式。在FET的关断模式期间，使所述FET关断，使得在所述FET的源极端子和漏极端子之间没有或者基本上没有电流流过。第二初级绕组P2两端感应的电压此时不会影响DC-DC转换器的操作，因为使FET TR2关断，防止了电流流过所述第二初级绕组P2。当将电容器C1完全充电(即，在电路启动之后)时，通过电阻器R1将反馈绕组的中心抽头(即，第一反馈绕组F1和第二反馈绕组 F2之间的点)处的DC偏置电压减小为地电压或者基本上为地电压。
在第一初级绕组P1中流过的FET TR1的漏极电流Id(TR1)随着变压器TX1 的芯中的磁通量而增加，直到所述芯达到饱和为止。当变压器TX1的芯中的磁通量达到其峰值Bsat时，所述第一初级绕组P1的电感下降为零。因为当变压器TX1的芯中的磁通量达到其峰值Bsat时所述磁通量停止变化，所以第一反馈绕组F1和第二反馈绕组F2两端的电压幅度下降为零或者基本上为零。这导致了FET TR1关断，并且使得由第一初级绕组P1感应的磁场瓦解，从而引起变压器TX1的磁通量的相反变化。因为在第一反馈绕组F1 的两端感应出正电压并且在第二反馈绕组F2的两端感应出负电压，所以，然后，FET TR1和TR2的开关反转。第一反馈绕组F1两端的正电压将FET TR2 接通，并且第二反馈绕组F2两端的负电压将FET TR1关断。
因为当FET TR1和TR2关断时通过负电压驱动FET TR1和TR2的栅极端子，而不是简单地不施加电压或者施加不足以驱动FET TR1和TR2饱和的电压，所以FET TR1和TR2的栅极电容迅速放电，这导致FET TR1和TR2迅速关断。图2示出了与FET TR1相关联的示波器迹线。如图2所示，FET TR1 迅速地接通和关断，从而提供了基本上方波。
第一初级绕组P1和第二初级绕组P2中的电流收到其DC电阻和FET TR1和TR2的漏极-源极导通电阻RDS(on)的限制。如果输出电压Vout短路或者过载，则第一初级绕组P1和第二初级绕组P2两端的电压下降，因为负载处的电流需求超过了由第一初级绕组P1和第二初级绕组P2的DC电阻以及FET TR1和TR2的漏极-源极导通电阻RDS(on)提供的电流限制。第一反馈绕组F1和第二反馈绕组F2两端的电压以及因此FET TR1和TR2的栅极端子处的电压根据第一初级绕组P1和第二初级绕组P2两端的降低的电压而下降。一旦FET TR1和TR2的栅极端子处的电压下降为小于它们各自的栅极阈值电压VGS(th)两者，DC-DC转换器中的振荡随着通过电阻器R1耗散的仅少量功率就停止。然而，DC-DC转换器只需要再一次通过上述启动顺序来重新启动。优选地，这通过简单地随时断开输入电压Vin使得电容器C1经由电阻器R1放电来实现。
优选地，FET TR1和TR2具有低的漏极-源极导通电阻RDS(on)，以减小损耗和功耗。根据本实用新型的优选实施例，选择输出电容器C2的尺寸以显著地减小或者最小化对于输出电压Vout的负载瞬变，例如以防止 DC-DC转换器不希望地停工，因为负载瞬变引起短路或者过载情况。
电容器C1的尺寸设置电路开始的时间量。也就是说，较大值的电容器C1增加在DC-DC转换器的启动期间将正DC偏置电压施加至FET TR1和 TR2的栅极端子的时间。当断开输入电压Vin时电阻器R1对电容器C1放电，而一旦电容器C1已经放电，电阻器R2允许电容器C1充电，并且将FETTR1 和TR2的栅极端子上的DC偏置电压减小为零或者基本上为零。较高值的电阻器R1和R2减小了DC-DC转换器的静态功耗。电阻器R3和R4抑制施加以驱动FET TR1和TR2的栅极端子的电压，以减小由于第一反馈绕组F1和第二反馈绕组F2的电感以及FET TR1和TR2的固有栅极电容所限定的LC电路而导致的栅极“阻尼振荡”。优选地，电阻器R3和R4的值大到足以减小不想要的振荡，但是小到足以避免栅极驱动电压的过度摆动。如果电阻器R3和R4的值太高，可能驱动FET TR1和TR2处于它们的“电阻”模式，这增加了它们的功耗。
变压器TX1上的初级绕组(即，第一初级绕组P1和第二初级绕组P2 的总匝数)和反馈绕组(即，第一反馈绕组F1和第二反馈绕组F2的总匝数)的匝数比设置了FET TR1和TR2的开关频率和栅极驱动电压。通过以下等式确定了栅极驱动电压Vgs的绝对值：
并且，可以通过以下等式计算开关频率f：
其中Vp是初级绕组处的电压，Nf是反馈匝数，Np是初级匝数，B是变压器芯的峰值磁通量密度，以及Ae是变压器芯的有效横截面积。相对于初级绕组的一半确定了开关频率f的以上等式，即仅第一初级绕组P1和第二初级绕组P2之一。然而优选地，第一初级绕组P1具有与第二初级绕组 P2相同的匝数。另外优选地，第一次级绕组S1具有与第二次级绕组S2相同的匝数，并且优选地第一反馈绕组F1具有与第二反馈绕组F2相同的匝数。
因此，DC-DC转换器能够在相对高的开关频率下操作，尽管开关频率的范围受到各种因素的限制。例如，DC-DC转换器的开关频率范围也受到芯损耗、电阻器R3和R4的值、FETTR1和TR2的栅极电容等的限制。
根据本实用新型的优选实施例，FET TR1和TR2的每一个的漏极-源极导通电阻RDS(on)具有正的热系数，以提供在DC-DC转换器的推挽式布置中的自平衡效果、DC-DC转换器在宽温度范围内的稳定操作以及DC-DC转换器甚至在低温度下的可靠启动。
本实用新型的优选实施例可以应用于N沟道FET和P沟道FET两者。如果使用P沟道FET，输入电压Vin的电源轨线反转。
根据本实用新型的优选实施例，可以将齐纳二极管放置为与FET TR1 和TR2的栅极和源极端子平行以钳位最大栅极驱动电压Vgs。
应该理解的是前述描述只是本实用新型的说明。在不脱离本实用新型的情况下，本领域技术人员可以设想各种替代和修改。因此，本实用新型意欲包含落在所附权利要求范围内的所有这些替代、修改和变化。

Claims (7)

1.一种饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器，包括：
DC输入；
变压器，包括第一初级绕组和第二初级绕组、第一次级绕组和第二次级绕组以及第一反馈绕组和第二反馈绕组；
第一场效应晶体管；
第二场效应晶体管；以及
驱动电路，连接至所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，所述驱动电路包括：
偏置电路，所述偏置电路包括串联连接在所述DC输入和地之间的电容器和电阻器，并且所述偏置电路在所述转换器的启动期间经由所述第一反馈绕组和所述第二反馈绕组向所述第一场效应晶体管和第二场效应晶体管的栅极施加偏置电压，其中在所述转换器的启动之后所述偏置电压减小为零或者基本上为零；以及
复位电路，当关断所述转换器时所述复位电路将所述偏置电路复位；其中
所述转换器是自振荡推挽式DC-DC转换器；
所述电容器的第一端子连接至所述DC输入；
所述电容器的第二端子连接至所述电阻器的第一端子以及所述第一反馈绕组和第二反馈绕组的中心抽头；
所述电阻器的第一端子连接至所述电容器的第二端子以及所述第一反馈绕组和所述第二反馈绕组的中心抽头；
所述电阻器的第二端子接地；以及
在所述电容器完全充电之后，所述电阻器将所述第一反馈绕组和所述第二反馈绕组的中心抽头处的电压减小为地电压或者基本上为地电压。
2.根据权利要求1所述的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器，其中所述自振荡推挽式DC-DC转换器是罗耶振荡器。
3.根据权利要求1所述的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器，其中所述复位电路包括与所述偏置电路并联连接在所述DC输入和地之间的另外的电阻器。
4.根据权利要求1所述的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器，其中所述驱动电路还包括：
第一电阻器，连接在所述第一场效应晶体管的栅极和所述第一反馈绕组之间；以及
第二电阻器，连接在所述第二场效应晶体管的栅极和所述第二反馈绕组之间。
5.根据权利要求1所述的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器，还包括连接至所述第一次级绕组和所述第二次级绕组的电容器。
6.根据权利要求1所述的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器，还包括连接至所述第一次级绕组和所述第二次级绕组的整流器电路。
7.根据权利要求6所述的饱和自振荡推挽式隔离DC-DC转换器，其中所述整流器电路包括第一二极管和第二二极管。
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