CN104953994B - 一种功率开关管的驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种功率开关管的驱动电路，包括：控制电路、开关电路、变压器和直流电压；控制电路与开关电路连接、控制开关电路的开通和关断；开关电路与变压器的至少一个初级绕组连接，在开关电路开通时，给所述初级绕组提供电压；变压器的至少一个次级绕组与至少一个直流电压串联，串联后的所述次级绕组和直流电压连接至至少一个功率开关管；在开关电路关断时，将所述次级绕组获得的电压和所述直流电压叠加后给所述功率开关管的控制端充电或放电，使得所述功率开关管获得控制电压，以控制所述功率开关管开启或关断。该驱动电路损耗小、可靠性高，可实现对功率开关管的高频率的开关控制。

Description

一种功率开关管的驱动电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及功率开关管的驱动电路。

背景技术

功率转换频率越来越高，功率开关管的驱动，如果采用现有的驱动方式，则损耗会变得很大，不利于转换效率提高，也降低了驱动芯片的可靠性。如图1所示，为示意的一种功率开关管的驱动电路框图，驱动芯片驱动功率开关管Q1开启和关断。如图2所示，为现有的驱动芯片的驱动波形示意图，为矩形波，驱动芯片损耗大，尤其当开关频率高达1MHz时，驱动芯片可靠性差。

因此，需要提高一种损耗小、可靠性高的功率开关管的驱动电路。

发明内容

本发明实施例提供一种功率开关管的驱动电路，以使得驱动电路的损耗小、可靠性高，实现功率开关管的高频率的开关。

本发明是实施例提供了一种功率开关管的驱动电路，包括：控制电路、开关电路、变压器和至少一个第一直流电压；所述控制电路与所述开关电路连接，所述控制电路控制所述开关电路的开通和关断；所述开关电路与所述变压器的至少一个初级绕组连接，在所述开关电路开通时，给所述变压器的初级绕组提供电压；

所述变压器的至少一个次级绕组与至少一个第一直流电压串联，串联后的所述变压器的次级绕组和第一直流电压连接至至少一个第一功率开关管；

在所述开关电路关断时，将所述变压器的次级绕组获得的电压和所述第一直流电压叠加后给所述至少一个第一功率开关管的控制端充电或放电，使得所述第一功率开关管获得控制电压，以控制所述第一功率开关管开启或关断。

优选地，该功率开关管的驱动电路，还包括：至少一个第二直流电压；

所述变压器的至少一个初级绕组与所述至少一个第二直流电压串联，串联后的所述变压器的初级绕组和第二直流电压连接至第二功率开关管；

在所述开关电路关断时，将所述变压器的至少一个初级绕组获得的电压和所述第二直流电压叠加后给所述至少一个第二功率开关管的控制端充电或放电，使得所述第二功率开关管获得控制电压，以控制所述第二功率开关管开启或关断。

优选地，所述开关电路为全桥开关拓扑电路、半桥开关拓扑电路、推挽电路或有源钳位开关电路。

优选地，当所述开关电路开通或关断时，所述开关电路中的开关管为零电压开关。

优选地，所述变压器的磁芯开气隙，用于存储给所述变压器的各绕组提供电压所需的能量。

优选地，所述控制电路控制所述开关电路周期性的开通和关断。

优选地，所述第一直流电压由第一偏置产生电路产生，所述第一偏置产生电路分别与所述变压器的次级绕组和所述第一功率开关管连接；

其中，所述第一偏置产生电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、二极管D1和第一电容Cb1，所述第一电容Cb1和第一电阻R1并联，所述第一电容Cb1和第一电阻R1与所述变压器的次级绕组串联，所述第二电阻R2和二极管D1串联，所述第二电阻R2、二极管D1与所述第一电容Cb1、第一电阻R1、变压器的次级绕组并联，所述第一直流电压即为所述第一电容Cb1两端的电压；

通过改变所述第一电阻R1和第二电阻R2的比例关系，调节所述第一直流电压的大小。

优选地，所述第一直流电压由第二偏置产生电路产生，所述第二偏置产生电路分别与所述变压器的次级绕组和所述第一功率开关管连接，所述第一功率开关管接地；

其中，所述第二偏置产生电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和第二电容Cb2，所述第二电容Cb2和第三电阻R3并联，所述第二电容Cb2和第三电阻R3与所述变压器的次级绕组串联，所述第四电阻R4连接第一直压源VCC，所述第一直流电压即为所述第二电容Cb2两端的电压；

通过改变所述第三电阻R3和第四电阻R4的比例关系，调节所述第一直流电压的大小。

优选地，所述第二直流电压由第三偏置产生电路产生，所述第三偏置产生电路分别与所述变压器的初级绕组和所述第二功率开关管连接，所述第二功率开关管接地；

其中，所述第三偏置产生电路包括第五电阻、第六电阻和第三电容，所述第三电容和第五电阻并联，所述第三电容和第五电阻与所述变压器的初级绕组串联，所述第六电阻连接第二直压源，所述第二直流电压即为所述第三电容两端的电压；

通过改变所述第五电阻和第六电阻的比例关系，调节所述第二直流电压的大小。

可见，本发明实施例提供的功率开关管的驱动电路，通过控制开关电路开通时，给变压器的初级绕组提供电压，并控制开关电路关断时，将变压器的次级绕组获得的电压与直流电压一并给功率开关管的控制端充电或放电，使得功率开关管获得控制电压，以开启或关断功率开关管，由于开关电路是零电压开关，损耗很低，从而，提高了驱动电路的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为示意的一种功率开关管的驱动电路框图；

图2为现有的驱动芯片的驱动波形示意图；

图3为本发明实施例提供的一种功率开关管的驱动电路；

图4a为示例的一个功率开关管的驱动电路示意图；

图4b为图4a示例的功率开关管的驱动电路中的开关电压和驱动信号电压的时序图；

图5为示例的另一个功率开关管的驱动电路示意图；

图6为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图；

图7为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图；

图8为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图；

图9为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图；

图10a为示例的功率开关管的驱动电路中的一个直流电压偏置产生电路示意图；

图10b为示例的功率开关管的驱动电路中的另一个直流电压偏置产生电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图3，为本发明实施例提供的一种功率开关管的驱动电路。该驱动电路包括：控制电路1、开关电路2和变压器3，以及直流电压V1V2V3V4。在图3中，为变压器T1。控制电路1与开关电路2连接，控制电路1控制开关电路2的开通和关断；开关电路2与变压器3的初级绕组L1连接，在开关电路2开通时，给变压器3的初级绕组L1提供电压。

变压器的次级绕组与直流电压串联，串联后的变压器的次级绕组和直流电压连接至功率开关管。在图3中，变压器有两个次级绕组，分别是L2和L3，每个次级绕组与一直流电压串联，串联后的次级绕组和直流电压连接至一功率开关管，在图3中仅示例了次级绕组L2串联直流电压V3，然后连接至功率开关管Qp1。次级绕组L3串联直流电压V4后，也可以连接至另一功率开关管(图3中未示出)。

在开关电路2关断时，将次级绕组L2获得的电压和直流电压叠加后给功率开关管Qp1充电或放电，使得功率开关管Qp1的控制端获得控制电压，以控制功率开关管Qp1开启或关断。

由于在开关管的死区时间内，次级绕组和直流电压给各功率开关管控制端充放电，使功率开关管获得了控制电压，可以控制功率开关管开启或关断。由于开关电路中的开关管开通或关断时所承受的电压几乎为0，不会产生开关损耗，则驱动电路中的开关管实现了软开关或称零电压开关（Zero Voltage Switch，ZVS）。

功率开关管Qp1可以是金属-氧化层半导体场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）或绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)等。例如，对于MOSFET，在开关电路中的开关管的死区时间内，电感电流给各MOSFET的输入电容充电，一直充到电容的电压和直流源VCC相等，则需要开通的开关电路中的开关管两端的电压为0，此时开启该开关管,开关管不会产生开关损耗。

从而，本实施例的驱动电路损耗小、可靠性高，可实现对功率开关管的高频率的开关控制。

在本实施例中，初级绕组L1也可以串联直流电压V1或V2后连接至另一功率开关管，也可以在开关电路关断时，将初级绕组获得的电压和直流电压叠加后给该功率开关管充电，使得该功率开关管获得控制电压，以控制该功率开关管开启或关断。

本实施例中的变压器的磁芯开气隙，用于存储给变压器的各绕组提供电压所需的能量。

本实施例中，控制电路1控制开关电路周期性的开通和关断，能量周期性地在变压器和功率开关管的输入电容之间循环，以驱动功率开关管；同时，通过开关电路周期性地给变压器补给能量，以维持功率开关管的驱动信号电压幅度不会衰减。

开关电路2可以是全桥开关拓扑电路、半桥开关拓扑电路、推挽电路或有源钳位开关电路，下面通过实施例详细介绍这几种开关电路：

请参阅图4a，为示例的一个功率开关管的驱动电路示意图。在图4a中，Q1、Q2、Q3和Q4组成全桥开关拓扑。驱动电路的驱动信号为：Vgs11和Vgs31两个信号互补，但两信号之间存在一定死区，即此时两者同时为低电平；Vgs21和Vgs41两个信号互补，但两信号之间存在一定死区，即此时两者同时为低电平；Vgs11和Vgs21相位相差180度或者说时序相差半个周期；Vgs21和Vgs41相位相差180度或者说时序相差半个周期。L1、L2和L3相互紧密耦合，构成驱动变压器，L1为初级绕组（励磁）绕组，其余为次级绕组。次级绕组数目不限于2个，根据实际需要驱动的功率开关数目具体确定。励磁绕组两端及各次级绕组，都接一个直流电压。全桥开关通过L1给变压器励磁，变压器次级绕组和直流电压串联后输出驱动信号（Vgs3～Vgs4)，接至功率开关的控制极，以驱动功率开关。励磁绕组两端，也可以串联直流电压后,输出驱动信号（Vgs1和gs2)，去驱动功率开关。为简单起见，图中只画了一个功率开关管。C1和C2为隔直电容。励磁电感量和死区合适的话，可实现ZVS软开关。如图4b所示的开关电压和驱动信号电压的时序图，Vgs1～Vgs4分别用来驱动功率开关管。每个信号都有较缓的边沿速率，使得驱动电路的开关管可以实现ZVS,大幅降低损耗。

请参阅图5，为示例的另一个功率开关管的驱动电路示意图。此图励磁开关拓扑为半桥。其中，C1、C2也可以只接其中一个。驱动电路的驱动信号为Vgs11和Vgs31，两个信号之间存在一定死区，即此时Q1、Q3同为关断状态；Vgs11和Vgs31相位相差180度或者说时序相差半个周期；L1、L2和L3相互紧密耦合，构成驱动变压器，L1为初级绕组（励磁）绕组，其余为次级绕组。次级绕组数目不限于2个，根据实际需要驱动的功率开关数目具体确定。各次级绕组，各接一个直流电压。开关Q1、Q3通过L1给变压器励磁，变压器次级绕组和直流电压串联后输出驱动信号（Vgs3～Vgs4)，接至功率开关的控制极，以驱动功率开关。桥臂中点电压，也可以串联直流电压后,输出驱动信号，去驱动功率开关。为简单起见，图中只画了一个功率开关管。励磁电感量和死区合适的话，可实现ZVS软开关。

请参阅图6，为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图。Vgs1～Vgs4可以分别用来驱动功率开关管。驱动电路的驱动信号为Vgs31和Vgs41，两个信号之间存在一定死区，即此时Q3、Q4两者同时为关断状态；Vgs31和Vgs41相位相差180度或者说时序相差半个周期；L1、L12、L2、L3相互紧密耦合，构成驱动变压器，L1、L12为初级绕组（励磁）绕组，其余为次级绕组。次级绕组数目不限于2个，根据实际需要驱动的功率开关数目具体确定。各次级绕组，各接一个直流电压。开关Q3、Q4通过L1、L12给变压器励磁，变压器次级绕组和直流电压串联后输出驱动信号（Vgs3～Vgs4)，接至功率开关的控制极，以驱动功率开关。Q3、Q4的漏极电压，也可以串联直流电压后，输出驱动信号，去驱动功率开关。为简单起见，图中只画了一个功率开关管。励磁电感量和死区合适的话，可实现ZVS软开关。

请参阅图7，为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图。Vgs3～Vgs4分别用来驱动功率开关管。驱动电路的驱动信号为Vgs31和Vgs41，两个信号之间存在一定死区，即此时Q3、Q31两者同时为关断状态；Vgs31和Vgs41相位相差180度或者说时序相差半个周期；L1、L2、L3相互紧密耦合，构成驱动变压器，L1为初级绕组（励磁）绕组，其余为次级绕组。次级绕组数目不限于2个，根据实际需要驱动的功率开关数目具体确定。各次级绕组，各接一个直流电压。开关Q3、Q31通过L1给变压器励磁，变压器次级绕组和直流电压串联后输出驱动信号（Vgs3～Vgs4)，接至功率开关的控制极，以驱动功率开关。为简单起见，图中只画了一个功率开关管。励磁电感量和死区合适的话，可实现ZVS软开关。

请参阅图8，为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图。Vgs3～Vgs4分别用来驱动功率开关管。驱动电路的驱动信号为Vgs31和Vgs41，两个信号之间存在一定死区，即此时Q3、Q31两者同时为关断状态；Vgs31和Vgs41相位相差180度或者说时序相差半个周期；L1L2L3相互紧密耦合，构成驱动变压器，L1为初级绕组（励磁）绕组，其余为次级绕组。次级绕组数目不限于2个，根据实际需要驱动的功率开关数目具体确定。各次级绕组，各接一个直流电压。开关Q3、Q31通过L1给变压器励磁，变压器次级绕组和直流电压串联后输出驱动信号（Vgs3～Vgs4)，接至功率开关的控制极，以驱动功率开关。为简单起见，图中只画了一个功率开关管。励磁电感量和死区合适的话，可实现ZVS软开关。

请参阅图9，为示例的又一个功率开关管的驱动电路示意图。Vgs3～Vgs4分别用来驱动功率开关管。驱动电路的驱动信号为Vgs31。L1、L2、L3相互紧密耦合，构成驱动变压器，L1为初级绕组（励磁）绕组，其余为次级绕组。次级绕组数目不限于2个，根据实际需要驱动的功率开关数目具体确定。各次级绕组，各接一个直流电压。开关Q3通过L1给变压器励磁，变压器次级绕组和直流电压串联后输出驱动信号（Vgs3～Vgs4)，接至功率开关的控制极，以驱动功率开关。为简单起见，图中只画了一个功率开关管。励磁电感量和死区合适的话，可实现ZVS软开关。其中，C1、C2也可以只用一个，甚至一个也不用。

上述实施例中的驱动电路串联的直流电压可以通过偏置产生电路产生。如图10a所示，为示例的功率开关管的驱动电路中的一个直流电压偏置产生电路示意图，在绕组和Qp1之间增加D1、R2、R1和Cb1四个器件，即可在电容Cb1上获得所需直流电压。电容Cb1和电阻R1并联，电容Cb1和电阻R1与变压器的次级绕组串联，电阻R2和二极管D1串联，电阻R2、二极管D1与所述电容Cb1、电阻R1、变压器的次级绕组并联，直流电压即为所述电容Cb1两端的电压。所需电压大小可通过改变R1和R2两个电阻的比例关系来调节。

如图10b所示，为示例的功率开关管的驱动电路中的另一个直流电压偏置产生电路示意图，对于功率开关管接地的情况，不需要通过二极管整流获得直流电压，直接从直压源VCC获取即可。具体地，偏置产生电路包括电阻R3、电阻R4和电容Cb2，电容Cb2和电阻R3并联，电容Cb2和电阻R3与变压器的次级绕组串联，电阻R4连接直流源VCC，直流电压即为电容Cb2两端的电压，通过改变电阻R3和电阻R4的比例关系，调节第一直流电压的大小。

同理，初级绕组连接功率开关管的电路中，其直流电压也可以以类似图10b所示的直流电压偏置产生电路产生，在此不再赘述。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种功率开关管的驱动电路，其特征在于，包括：控制电路、开关电路、变压器和至少一个第一直流电压；所述控制电路与所述开关电路连接，所述控制电路控制所述开关电路的开通和关断；所述开关电路与所述变压器的至少一个初级绕组连接，在所述开关电路开通时，给所述变压器的初级绕组提供电压；

所述变压器的至少一个次级绕组与至少一个第一直流电压串联，串联后的所述变压器的次级绕组和第一直流电压连接至至少一个第一功率开关管；

在所述开关电路关断时，将所述变压器的次级绕组获得的电压和所述第一直流电压叠加后给所述至少一个第一功率开关管的控制端充电或放电，使得所述第一功率开关管获得控制电压，以控制所述第一功率开关管开启或关断。

2.如权利要求1所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，还包括：至少一个第二直流电压；

所述变压器的至少一个初级绕组与所述至少一个第二直流电压串联，串联后的所述变压器的初级绕组和第二直流电压连接至第二功率开关管；

在所述开关电路关断时，将所述变压器的至少一个初级绕组获得的电压和所述第二直流电压叠加后给所述至少一个第二功率开关管的控制端充电或放电，使得所述第二功率开关管获得控制电压，以控制所述第二功率开关管开启或关断。

3.如权利要求2所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述开关电路为全桥开关拓扑电路、半桥开关拓扑电路、推挽电路或有源钳位开关电路。

4.如权利要求3所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，当所述开关电路开通或关断时，所述第一功率开关管和所述第二功率开关管为零电压开关。

5.如权利要求4所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述变压器的磁芯开气隙，用于存储给所述变压器的各绕组提供电压所需的能量。

6.如权利要求4所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述控制电路控制所述开关电路周期性的开通和关断。

7.如权利要求1所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述第一直流电压由第一偏置产生电路产生，所述第一偏置产生电路分别与所述变压器的次级绕组和所述第一功率开关管连接；

其中，所述第一偏置产生电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、二极管D1和第一电容Cb1，所述第一电容Cb1和第一电阻R1并联，所述第一电容Cb1和第一电阻R1与所述变压器的次级绕组串联，所述第二电阻R2和二极管D1串联，所述第二电阻R2、二极管D1与所述第一电容Cb1、第一电阻R1、变压器的次级绕组并联，所述第一直流电压即为所述第一电容Cb1两端的电压；

通过改变所述第一电阻R1和第二电阻R2的比例关系，调节所述第一直流电压的大小。

8.如权利要求1所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述第一直流电压由第二偏置产生电路产生，所述第二偏置产生电路分别与所述变压器的次级绕组和所述第一功率开关管连接，所述第一功率开关管接地；

其中，所述第二偏置产生电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和第二电容Cb2，所述第二电容Cb2和第三电阻R3并联，所述第二电容Cb2和第三电阻R3与所述变压器的次级绕组串联，所述第四电阻R4连接第一直压源VCC，所述第一直流电压即为所述第二电容Cb2两端的电压；

通过改变所述第三电阻R3和第四电阻R4的比例关系，调节所述第一直流电压的大小。

9.如权利要求2所述的功率开关管的驱动电路，其特征在于，所述第二直流电压由第三偏置产生电路产生，所述第三偏置产生电路分别与所述变压器的初级绕组和所述第二功率开关管连接，所述第二功率开关管接地；

其中，所述第三偏置产生电路包括第五电阻、第六电阻和第三电容，所述第三电容和第五电阻并联，所述第三电容和第五电阻与所述变压器的初级绕组串联，所述第六电阻连接第二直压源，所述第二直流电压即为所述第三电容两端的电压；

通过改变所述第五电阻和第六电阻的比例关系，调节所述第二直流电压的大小。