CN212323983U - 开关控制电路及电源设备 - Google Patents

Abstract

本申请适用于电力电子技术领域，提供了一种开关控制电路及电源设备，包括第一开关管、第二开关管、第一脉冲变压器、第二脉冲变压器、第一驱动电路和第二驱动电路。上述开关控制电路中采用两个脉冲变压器和两个驱动电路分别对两个开关管进行驱动，可以提高开关管控制的灵活性和安全性。当开关控制电路工作在非功率变换状态实时，驱动电路对开关管的控制端预置负压，保证开关管维持可靠的关断状态；而当开关控制电路工作在功率变换状态时，驱动电路对开关管的控制端施加设定的脉冲信号，保证开关管在关断过程中的驱动电压为负，促使开关管快速关断，有效防止米勒效应造成的开关管误导通。

Description

开关控制电路及电源设备

技术领域

本申请属于电力电子技术领域，尤其涉及一种开关控制电路及电源设备。

背景技术

半导体功率开关管作为电力电子产品中重要的核心器件，其工作状态决定了产品的关键性能指标。功率开关管的工作状态由其门极驱动电路决定，对门极驱动电路的要求是：驱动开关管导通时形成尽可能小的导通电阻，关断时形成尽可能大的开路电阻，以期达到理想的开关特性。然而，因半导体的物理特性和开关管门极驱动电路结构的限制，实际上，功率开关管不可能达到理想的开关特性，由于半导体物理特性是不可改变的，所以只能优化开关管门极驱动电路结构的设计。

图1和图2所示的电路为常见的开关管门极驱动电路，其中的开关管在系统未进行功率变换的关断状态时，其门极电压为非负，因米勒效应而易达到使其导通的门槛电压，造成开关管误导通而导致开关管等器件的损坏，降低系统工作的可靠性和安全性。

实用新型内容

本申请实施例提供了一种开关控制电路及电源设备，可以解决门极驱动电路中的开关管受到干扰造成误导通而导致开关管等器件损坏的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种开关控制电路，包括：

第一开关管，其高电位端与电源信号连接，其低电位端用于与主功率变压器原边绕组的第一端连接；

第二开关管，其高电位端用于与所述主功率变压器原边绕组的第二端连接，其低电位端接地；

第一脉冲变压器，其原边绕组用于接入第一脉冲信号；

第二脉冲变压器，其原边绕组用于接入第二脉冲信号；

第一驱动电路，其第一端与所述第一脉冲变压器副边绕组的同名端连接，其第二端与所述第一脉冲变压器副边绕组的异名端连接，其第三端与所述第一开关管的控制端连接，其第四端与所述第一开关管的低电位端连接，所述第一驱动电路用于接入所述第一脉冲变压器副边绕组的感应电压，以向所述第一开关管提供使所述第一开关管导通的正驱动电压和使所述第一开关管关断的负驱动电压；以及

第二驱动电路，其第一端与所述第二脉冲变压器副边绕组的同名端连接，其第二端与所述第二脉冲变压器副边绕组的异名端连接，其第三端与所述第二开关管的控制端连接，其第四端与所述第二开关管的低电位端连接，所述第二驱动电路用于接入所述第二脉冲变压器副边绕组的感应电压，以向所述第二开关管提供使所述第二开关管导通的正驱动电压和使所述第二开关管关断的负驱动电压。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一驱动电路包括第一电阻、第二电阻和第一稳压模块；

所述第一电阻的第一端作为所述第一驱动电路的第一端与所述第一脉冲变压器副边绕组的同名端连接，所述第一电阻的第二端作为所述第一驱动电路的第三端与所述第一开关管的控制端连接，所述第一稳压模块的第一端作为所述第一驱动电路的第二端与所述第一脉冲变压器副边绕组的异名端连接，所述第一稳压模块的第二端作为所述第一驱动电路的第四端与所述第一开关管的低电位端连接，所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二电阻的第二端与所述第一稳压模块的第一端连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一稳压模块包括第一稳压二极管和第一电容；

所述第一稳压二极管的阳极作为所述第一稳压模块的第一端与所述第二电阻的第二端连接，所述第一稳压二极管的阴极作为所述第一稳压模块的第二端与所述第一开关管的低电位端连接，所述第一电容与所述第一稳压二极管并联。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二驱动电路包括第三电阻、第四电阻和第二稳压模块；

所述第三电阻的第一端作为所述第二驱动电路的第一端与所述第二脉冲变压器副边绕组的同名端连接，所述第三电阻的第二端作为所述第二驱动电路的第三端与所述第二开关管的控制端连接，所述第二稳压模块的第一端作为所述第二驱动电路的第二端与所述第二脉冲变压器副边绕组的异名端连接，所述第二稳压模块的第二端作为所述第二驱动电路的第四端与所述第二开关管的低电位端连接，所述第四电阻的第一端与所述第三电阻的第二端连接，所述第四电阻的第二端与所述第二稳压模块的第一端连接。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二稳压模块包括第二稳压二极管和第二电容；

所述第二稳压二极管的阳极作为所述第二稳压模块的第一端与所述第四电阻的第二端连接，所述第二稳压二极管的阴极作为所述第二稳压模块的第二端与所述第二开关管的低电位端连接，所述第二电容与所述第二稳压二极管并联。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一脉冲变压器的原边绕组和所述第二脉冲变压器的原边绕组共地。

在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第一开关管和所述第二开关管为MOS管，或所述第一开关管和所述第二开关管为IGBT。

第二方面，本申请实施例提供了一种电源设备，包括上述第一方面任一项所述的开关控制电路。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

上述开关控制电路中采用两个脉冲变压器和两个驱动电路分别对两个开关管进行驱动，可以提高开关管控制的灵活性和安全性。当开关控制电路工作在非功率变换状态实时，驱动电路对开关管的控制端预置负压，保证开关管维持可靠的关断状态；而当开关控制电路工作在功率变换状态时，驱动电路对开关管的控制端施加设定的脉冲信号，保证开关管在关断过程中的驱动电压为负，促使开关管快速关断，有效防止米勒效应造成的开关管误导通。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是传统开关管门极驱动电路的结构示意图；

图2是另一传统开关管门极驱动电路的结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的开关控制电路的结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的开关控制电路处于功率变换状态时第一脉冲信号和第二脉冲信号的时序图；

图5是本申请一实施例提供的开关控制电路处于非功率变换状态时第一脉冲信号和第二脉冲信号的时序图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图3示出了本申请实施例提供的开关控制电路的结构示意图，开关控制电路可以包括第一开关管M1、第二开关管M2、第一脉冲变压器T1、第二脉冲变压器T2、第一驱动电路100和第二驱动电路200。

第一开关管M1的高电位端与电源信号连接，低电位端用于与主功率变压器T3原边绕组的第一端连接。第二开关管M2的高电位端用于与主功率变压器T3原边绕组的第二端连接，低电位端接地。第一脉冲变压器T1的原边绕组用于接入第一脉冲信号VDRV1；第二脉冲变压器T2的原边绕组用于接入第二脉冲信号VDRV2。

第一驱动电路100的第一端与第一脉冲变压器T1副边绕组的同名端连接，第一驱动电路100的第二端与第一脉冲变压器T1副边绕组的异名端连接，第一驱动电路100的第三端与第一开关管M1的控制端连接，第一驱动电路100的第四端与第一开关管M1的低电位端连接，第一驱动电路100用于接入第一脉冲变压器T1副边绕组的感应电压，以向第一开关管M1提供使第一开关管M1导通的正驱动电压和使第一开关管M1关断的负驱动电压。

第二驱动电路200的第一端与第二脉冲变压器T2副边绕组的同名端连接，第二驱动电路200的第二端与第二脉冲变压器T2副边绕组的异名端连接，第二驱动电路200的第三端与第二开关管M2的控制端连接，第二驱动电路200的第四端与第二开关管M2的低电位端连接，第二驱动电路200用于接入第二脉冲变压器T2副边绕组的感应电压，以向第二开关管M2提供使第二开关管M2导通的正驱动电压和使第二开关管M2关断的负驱动电压。

具体地，第一开关管M1和第二开关管M2共同驱动主功率变压器T3，当第一开关管M1和第二开关管M2同时导通时，才会有电流流过主功率变压器T3的原边绕组，驱动主功率变压器T3工作(有功率输出)。

当第一脉冲信号VDRV1由低电平变为高电平时，第一脉冲变压器T1的副边绕组感生出高电平脉冲进入第一驱动电路100，第一驱动电路100对第一开关管M1的栅极施加正驱动电压(正驱动电压大于第一开关管M1的门槛电压)，使第一开关管M1导通；当第一脉冲信号VDRV1由高电平变为低电平时，第一脉冲变压器T1的副边绕组相当于导线，此时第一驱动电路100对第一开关管M1的栅极施加负驱动电压(小于零的电压)，第一开关管M1关断。第二开关管M2的工作原理与第一开关管M1相同，第二开关管M2关断时，第二驱动电路200对第二开关管M2的栅极施加的信号同样为负驱动电压(小于零的电压)。

第一开关管M1关断时，由于米勒电容的存在，会使第二开关管M2的门极电压抬升，且关断越快，第二开关管M2的门极电压抬升越高，当第二开关管M2的门极电压采用0V关断时，有可能抬升电压超过门槛电压而使第二开关管M2导通，此时就会发生第二开关管M2误导通。而该开关控制电路中的第二开关管M2关断的电压为负压，抬升的电压可以和负压相抵，使第二开关管M2的门极电压很难抬升到门槛电压，避免了第二开关管M2误导通的风险；另外，采用负压关断，关断时由于负压的存在，使得关断速度更快，可以减小关断损耗；同时，使用两个脉冲变压器分别对两个开关管进行驱动，保证两个驱动信号(第一脉冲信号VDRV1和第二脉冲信号VDRV2)互不影响，在开关控制电路工作在非功率变换状态实时，施加在第一开关管M1上的第一脉冲信号VDRV1和施加在第二开关管M2上的第二脉冲信号VDRV2为异步信号，实现第一开关管M1和第二开关管M2控制端的预制负压，同时保证第一开关管M1和第二开关管M2不会同时导通，主功率变压器T3没有功率输出。

本申请的一个实施例中，第一驱动电路100可以包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一稳压模块110。其中，第一电阻R1的第一端作为第一驱动电路100的第一端与第一脉冲变压器T1副边绕组的同名端连接，第一电阻R1的第二端作为第一驱动电路100的第三端与第一开关管M1的控制端连接，第一稳压模块110的第一端作为第一驱动电路100的第二端与第一脉冲变压器T1副边绕组的异名端连接，第一稳压模块110的第二端作为第一驱动电路100的第四端与第一开关管M1的低电位端连接，第二电阻R2的第一端与第一电阻R1的第二端连接，第二电阻R2的第二端与第一稳压模块110的第一端连接。

具体地，当第一脉冲信号VDRV1由低电平变为高电平时，第一脉冲变压器T1的副边绕组感生出高电平脉冲，经过第一电阻R1对第一开关管M1栅极与源极之间的电容进行充电，当第一开关管M1栅极与源极之间电压大于门槛电压时，第一开关管M1导通，此时第一稳压模块110进行负压势能存储；当第一脉冲信号VDRV1由高电平变为低电平时，第一脉冲变压器T1的副边绕组相当于导线，此时第一稳压模块110的负压势能加载到第一开关管M1的栅极与源极之间，使第一开关管M1栅极上的电压小于源极上的电压，使第一开关管M1形成负驱动电压(第一开关管M1栅极的电压小于源极的电压)关断。

本申请的一个实施例中，第一稳压模块110可以包括第一稳压二极管Z1和第一电容C1。其中，第一稳压二极管Z1的阳极作为第一稳压模块110的第一端与第二电阻R2的第二端连接，第一稳压二极管Z1的阴极作为第一稳压模块110的第二端与第一开关管M1的低电位端连接，第一电容C1与第一稳压二极管Z1并联。

具体地，当第一脉冲信号VDRV1由低电平变为高电平时，第一脉冲变压器T1的副边绕组感生出高电平脉冲，经过第一电阻R1对第一开关管M1栅极与源极之间的电容进行充电，当第一开关管M1栅极与源极之间电压大于门槛电压时，第一开关管M1导通，此时第一电容C1被充电，最终第一电容C1两端电压与第一稳压二极管Z1的稳压值相同；当第一脉冲信号VDRV1由高电平变为低电平时，第一脉冲变压器T1的副边绕组相当于导线，第一电容C1的第一端与第一开关管M1的栅极等电位，第一电容C1的第二端与第一开关管M1的源极等电位，此时第一开关管M1的栅极电压小于源极电压，第一开关管M1形成负驱动电压(第一开关管M1栅极的电压小于源极的电压)关断。

本申请的一个实施例中，第二驱动电路200可以包括第三电阻R3、第四电阻R4和第二稳压模块210。其中，第三电阻R3的第一端作为第二驱动电路200的第一端与第二脉冲变压器T2副边绕组的同名端连接，第三电阻R3的第二端作为第二驱动电路200的第三端与第二开关管M2的控制端连接，第二稳压模块210的第一端作为第二驱动电路200的第二端与第二脉冲变压器T2副边绕组的异名端连接，第二稳压模块210的第二端作为第二驱动电路200的第四端与第二开关管M2的低电位端连接，第四电阻R4的第一端与第三电阻R3的第二端连接，第四电阻R4的第二端与第二稳压模块210的第一端连接。

具体地，当第二脉冲信号VDRV2由低电平变为高电平时，第二脉冲变压器T2的副边绕组感生出高电平脉冲，经过第三电阻R3对第二开关管M2栅极与源极之间的电容进行充电，当第二开关管M2栅极与源极之间电压大于门槛电压时，第二开关管M2导通，此时第二稳压模块210进行负压势能存储；当第二脉冲信号VDRV2由高电平变为低电平时，第二脉冲变压器T2的副边绕组相当于导线，此时第二稳压模块210的负压势能加载到第二开关管M2的栅极与源极之间，使第二开关管M2栅极上的电压小于源极上的电压，使第二开关管M2形成负驱动电压(第二开关管M2栅极的电压小于源极的电压)关断。

本申请的一个实施例中，第二稳压模块210可以包括第二稳压二极管Z2和第二电容C2。其中，第二稳压二极管Z2的阳极作为第二稳压模块210的第一端与第四电阻R4的第二端连接，第二稳压二极管Z2的阴极作为第二稳压模块210的第二端与第二开关管M2的低电位端连接，第二电容C2与第二稳压二极管Z2并联。

具体地，当第二脉冲信号VDRV2由低电平变为高电平时，第二脉冲变压器T2的副边绕组感生出高电平脉冲，经过第三电阻R3对第二开关管M2栅极与源极之间的电容进行充电，当第二开关管M2栅极与源极之间电压大于门槛电压时，第二开关管M2导通，此时第二电容C2被充电，最终第二电容C2两端电压与第二稳压二极管Z2的稳压值相同；当第二脉冲信号VDRV2由高电平变为低电平时，第二脉冲变压器T2的副边绕组相当于导线，第二电容C2的第一端与第二开关管M2的栅极等电位，第二电容C2的第二端与第二开关管M2的源极等电位，此时第二开关管M2的栅极电压小于源极电压，第二开关管M2形成负驱动电压(第二开关管M2栅极的电压小于源极的电压)关断。

本申请的一个实施例中，第一脉冲变压器T1的原边绕组和第二脉冲变压器T2的原边绕组共地。

具体地，两个脉冲变压器的原边绕组共地可以减少原边供电电源的数量，降低开关控制电路的复杂度和成本。

本申请的一个实施例中，第一开关管M1和第二开关管M2为MOS管或IGBT，第一开关管M1和第二开关管M2除了选用MOS管或IGBT外，还可以选用其他功率开关器件。

上述开关控制电路共有两个状态，分别为非功率变换状态(主功率变压器T3没有输出功率)和功率变换状态(主功率变压器T3有输出功率)。

当开关控制电路处于功率变换状态时，第一信号源输出的第一脉冲信号VDRV1和第二信号源输出的第二脉冲信号VDRV2为同步信号(如图4所示)，驱动第一开关管M1和第二开关管M2同步导通或关断，进而驱动和调节主功率变压器T3的输出功率。

当开关控制电路处于非功率变换状态时，主功率变压器T3输出功率为零，此时第一开关管M1和第二开关管M2不能同时导通，当主功率变压器T3输出功率为零时，第一开关管M1和第二开关管M2不能同时导通，当第一信号源输出的第一脉冲信号VDRV1为高电平时，第二信号源输出的第二脉冲信号VDRV2为低电平；当第一信号源输出的第一脉冲信号VDRV1为低电平时，第二信号源输出的第二脉冲信号VDRV2为高电平或低电平(如图5所示)。

当开关控制电路处于非功率变换状态时，第一脉冲信号VDRV1驱动第一开关管M1周期性导通和关断，第二脉冲信号VDRV2驱动第二开关管M2周期性导通和关断，在保证主功率变压器T3输出功率为零的前提下，可以实现第一电容C1和第二电容C2上持续存在预置负压，为功率输出做准备，当开关控制电路由非功率变换状态转变为功率变换状态时，在第一个开关周期开始就能实现开关管在关断期间的负压关断。

上述的开关控制电路可以应用于双管正激、全桥或半桥等拓扑结构电路中，以提高双管正激、全桥或半桥等拓扑结构电路的稳定性和安全性。

本申请还公开了一种电源设备，可以包括上述所述的开关控制电路。

具体地，电源设备可以为逆变焊接电源、UPS电源、三相或单相并网逆变器电源以及变频器等，电源设备使用该开关控制电路能够有效防止开关管误导通，提高电源设备的稳定性和安全性。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种开关控制电路，其特征在于，包括：

第一开关管，其高电位端与电源信号连接，其低电位端用于与主功率变压器原边绕组的第一端连接；

第二开关管，其高电位端用于与所述主功率变压器原边绕组的第二端连接，其低电位端接地；

第一脉冲变压器，其原边绕组用于接入第一脉冲信号；

第二脉冲变压器，其原边绕组用于接入第二脉冲信号；

第一驱动电路，其第一端与所述第一脉冲变压器副边绕组的同名端连接，其第二端与所述第一脉冲变压器副边绕组的异名端连接，其第三端与所述第一开关管的控制端连接，其第四端与所述第一开关管的低电位端连接，所述第一驱动电路用于接入所述第一脉冲变压器副边绕组的感应电压，以向所述第一开关管提供使所述第一开关管导通的正驱动电压和使所述第一开关管关断的负驱动电压；以及

第二驱动电路，其第一端与所述第二脉冲变压器副边绕组的同名端连接，其第二端与所述第二脉冲变压器副边绕组的异名端连接，其第三端与所述第二开关管的控制端连接，其第四端与所述第二开关管的低电位端连接，所述第二驱动电路用于接入所述第二脉冲变压器副边绕组的感应电压，以向所述第二开关管提供使所述第二开关管导通的正驱动电压和使所述第二开关管关断的负驱动电压。

2.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一驱动电路包括第一电阻、第二电阻和第一稳压模块；

所述第一电阻的第一端作为所述第一驱动电路的第一端与所述第一脉冲变压器副边绕组的同名端连接，所述第一电阻的第二端作为所述第一驱动电路的第三端与所述第一开关管的控制端连接，所述第一稳压模块的第一端作为所述第一驱动电路的第二端与所述第一脉冲变压器副边绕组的异名端连接，所述第一稳压模块的第二端作为所述第一驱动电路的第四端与所述第一开关管的低电位端连接，所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端连接，所述第二电阻的第二端与所述第一稳压模块的第一端连接。

3.根据权利要求2所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一稳压模块包括第一稳压二极管和第一电容；

所述第一稳压二极管的阳极作为所述第一稳压模块的第一端与所述第二电阻的第二端连接，所述第一稳压二极管的阴极作为所述第一稳压模块的第二端与所述第一开关管的低电位端连接，所述第一电容与所述第一稳压二极管并联。

4.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述第二驱动电路包括第三电阻、第四电阻和第二稳压模块；

所述第三电阻的第一端作为所述第二驱动电路的第一端与所述第二脉冲变压器副边绕组的同名端连接，所述第三电阻的第二端作为所述第二驱动电路的第三端与所述第二开关管的控制端连接，所述第二稳压模块的第一端作为所述第二驱动电路的第二端与所述第二脉冲变压器副边绕组的异名端连接，所述第二稳压模块的第二端作为所述第二驱动电路的第四端与所述第二开关管的低电位端连接，所述第四电阻的第一端与所述第三电阻的第二端连接，所述第四电阻的第二端与所述第二稳压模块的第一端连接。

5.根据权利要求4所述的开关控制电路，其特征在于，所述第二稳压模块包括第二稳压二极管和第二电容；

所述第二稳压二极管的阳极作为所述第二稳压模块的第一端与所述第四电阻的第二端连接，所述第二稳压二极管的阴极作为所述第二稳压模块的第二端与所述第二开关管的低电位端连接，所述第二电容与所述第二稳压二极管并联。

6.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一脉冲变压器的原边绕组和所述第二脉冲变压器的原边绕组共地。

7.根据权利要求1所述的开关控制电路，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管为MOS管，或所述第一开关管和所述第二开关管为IGBT。

8.一种电源设备，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的开关控制电路。

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