隔离变压装置，开关驱动电路及脉冲电源系统的制作方法

本发明的实施例涉及隔离变压装置、开关驱动电路及脉冲电源系统。

背景技术：

共模干扰是开关电路中的典型问题，共模干扰的存在会给电路的正常工作带来很多负面影响，如：电磁干扰、误检测、误触发、电流波形失真等；尤其是在采用高速宽带隙半导体功率器件的情况下，共模干扰会更加严重。通常可通过在隔离变压器上增加容性耦合路径的方式来降低共模干扰，例如：使用双隔离变压结构来降低从原边电路至副边电路的电容。

图1为现有技术中的一种双隔离变压器100的结构示意图(侧视图)。参见图1，该双隔离变压器100包括原边线圈110、单匝线圈120、副边线圈130、第一环状磁芯140及第二环状磁芯150。该原边线圈110沿该第一环状磁芯140的周向缠绕在该第一环状磁芯140的表面；类似地，该副边线圈130沿该第二环状磁芯150的周向缠绕在该第二环状磁芯150的表面，该第一、第二环状磁芯140、150大致共轴地放置，该单匝线圈120大致沿该第一、第二环状磁芯140、150的轴向穿过第一、第二环状磁芯的中孔，以使该单匝线圈同时与该原边线圈和该副边线圈磁耦合。

从图1可以看出，这种双隔离变压器需要用到两个环状磁芯来增强线圈之间的磁耦合，因此，在水平和竖直方向上均需要占用较大的空间，这将给驱动电路整体的紧凑化、平面化带来一定的困难。

另外，由于环状磁芯周围的线圈主要依靠手工来缠绕，这将给相关产品的大规模生产及成本控制带来挑战。

因此，有必要提供新的隔离变压装置、开关驱动电路及脉冲电源系统来解决至少一个上述问题。

技术实现要素：

本发明的实施例一方面涉及一种隔离变压装置，其包括印制在第一基板上的初级线圈；印制在第二基板上的闭合线圈；及印制在第三基板上的次级线圈。该闭合线圈与所述初级线圈磁耦合；该次级线圈与所述闭合线圈磁耦合。

本发明的实施例另一方面涉及一种开关驱动电路，其包括：电压转换模块，耦合在该电压转换模块输出端的隔离变压模块，及耦合在该隔离变压模块输出端的门极驱动器。该电压转换模块用于将驱动电压转换成第一交流电压；该隔离变压模块用于将该第一交流电压转换成第二交流电压；该门极驱动器用于接收该第二交流电压并产生门极驱动信号。其中，该隔离变压模块包括：印制在第一基板上的初级线圈；印制在第二基板上的闭合线圈；及印制在第三基板上的次级线圈。该闭合线圈与所述初级线圈磁耦合；该次级线圈与所述闭合线圈磁耦合。

本发明的实施例另一方面涉及一种脉冲电源系统，其与负载耦合，且其包括：直流电压源、能量存储装置和开关电路模块。该直流电压源包括输出端，该输出端与所述负载耦合。该能量存储装置与所述直流电压源的输出端耦合；该开关电路模块耦合在所述直流电压源和所述能量存储装置之间，其用于从所述直流电压源向所述能量存储装置传输能量，或从所述能量存储装置向所述直流电压源传输能量。该开关电路模块包括：多个开关单元；及驱动电路，其耦合于所述开关单元且用于驱动所述开关单元。该驱动电路包括隔离变压装置，该隔离变压装置包括：印制在第一基板上的初级线圈；印制在第二基板上的闭合线圈；及印制在第三基板上的次级线圈。该闭合线圈与所述初级线圈磁耦合；该次级线圈与所述闭合线圈磁耦合。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1为现有技术中的双隔离变压器的结构示意图；

图2为根据本发明一具体实施例的隔离变压装置的立体示意图；

图3为根据本发明另一具体实施例的隔离变压装置的立体示意图；

图4为图3中所示的隔离变压装置的侧视图；

图5位根据本发明另一具体实施例的隔离变压装置的俯视图；

图6为根据本发明的一具体实施例的开关驱动电路的示意图；及

图7为根据本发明的一具体实施例的脉冲电源系统的示意图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本发明的实施例涉及一种隔离变压装置，其可广泛应用于开关驱动电路中，为各模块之间提供电气隔离。

图2为根据本发明一具体实施例的隔离变压装置200的立体示意图。参见图2，该隔离变压装置200包括初级线圈210、闭合线圈220及次级线圈230。该初级线圈210印制在第一基板261上，该闭合线圈220印制在该第二基板262上，该次级线圈230印制在第三基板263上。该闭合线圈220同时与初级线圈210和次级线圈230磁耦合。

第一、第二、第三基板261、262和263可能位于不同的平面内，也可能大致位于同一平面内。初级线圈、闭合线圈和次级线圈可能被印制在相应基板上的同一层内，也可能被印制在相应基板上的不同层内。

隔离变压装置200进一步包括第一平面磁芯240和第二平面磁芯250。第一平面磁芯240设置于初级线圈210和闭合线圈220之间，用于加强初级线圈210和闭合线圈220之间的磁耦合。第二磁芯250设置于闭合线圈220和次级线圈230之间，用于加强闭合线圈220和次级线圈230之间的磁耦合。

具体地，第一平面磁芯240包括：第一磁柱241、第二磁柱242、第一上部243和第一下部244。初级线圈210围绕在第一磁柱251周围，闭合线圈220围绕在第二磁柱242周围。第一、第二磁柱241、242彼此相对且通过第一上部243和第一下部244互相连通；具体地，第一上部243从第一磁柱241的第一端延伸至第二磁柱242的第一端，第一下部244从第一磁柱241的第二端延伸至第二磁柱242的第二端。在图2所示的实施例中，第一、第二、第三基板大致位于同一平面内，第一上部243位于该第一、第二、第三基板所在平面的第一侧，且第一下部244位于该平面的第二侧，也即：该平面位于第一上部243和第一下部244之间。在一些实施例中，第一上部243、第一下部244大致具有扁平的形状，进一步地，大致与该平面平行。在一些实施例中，第一磁柱241、第二磁柱242、第一上部243和第一下部244大致组成一个横截面为矩形的空心柱状体。

类似地，第二平面磁芯250包括：第三磁柱251、第四磁柱252、第二上部253和第二下部254。闭合线圈220围绕在第三磁柱251周围，次级线圈230围绕在第四磁柱252周围。第三、第四磁柱251、252彼此相对且通过第二上部253和第二下部254互相连通；具体地，第二上部253从第三磁柱251的第一端延伸至第四磁柱252的第一端，第二下部254从第三磁柱251的第二端延伸至第四磁柱252的第二端。在图2所示的实施例中，第一、第二、第三基板大致位于同一平面内，第二上部253位于该第一、第二、第三基板所在平面的第一侧，该第二下部254位于该平面的第二侧；也即：该平面位于第二上部253和第二下部254之间。第二上部253、第二下部254大致成扁平形状，进一步地，大致与该平面平行。在一些实施例中，第三磁柱251、第四磁柱252、第二上部253和第二下部254大致组成一个横截面为矩形的空心柱状体。

在一些实施例中，初级线圈210包括印制在第一基板上261的呈第一螺旋形的第一导线，闭合线圈220包括印制在第二基板262上的呈环形的第二导线，次级线圈230包括印制在第三基板263上的呈第二螺旋形的第三导线。第一磁柱241从第一螺旋形的中孔穿过，第二、第三磁柱242、251从第二导线的中孔穿过，第四磁柱252从第二螺旋形的中孔穿过。

在图2所示的实施例中，闭合线圈220为单匝闭合线圈。在其他实施例中，闭合线圈也可能为多匝闭合线圈。

在一些实施例中，如图3和图4所示，第一、第二、第三基板各自为同一母板上的一部分，也就是说它们被一体化设置成同一块母板。参见图3和图4，隔离变压装置800包括母板860、初级线圈810、闭合线圈820、次级线圈830、第一平面磁芯840和第二平面磁芯850。

初级线圈810、闭合线圈820和次级线圈830印制在母板860上，它们的结构和功能分别与图2所示的实施例中的初级线圈210、闭合线圈220和次级线圈230相类似，此处不再赘述。

第一平面磁芯840包括第一磁柱841、第二磁柱842、第一上部843和第一下部844；第二平面磁芯850包括第三磁柱851、第四磁柱852、第二上部853和第二下部854。第一平面磁芯840和第二平面磁芯850的结构和功能分别与图2中所示的第一平面磁芯240、第二平面磁芯250相类似，此处不再赘述。

初级线圈810的中孔处的母板上开设有贯穿母板860厚度方向的第一通孔，第一平面磁芯840的第一磁柱841从该第一通孔中穿过，使得初级线圈810围绕在其周围。闭合线圈820的中孔处的母板上开设有贯穿母板860厚度方向的第二通孔、第三通孔，第一平面磁芯840的第二磁柱842从该第二通孔中穿过，第二平面磁芯850的第三磁柱851从该第三通孔中穿过，使得闭合线圈820围绕在第二、第三磁柱周围。次级线圈830的中孔处的母板上开设有贯穿母板860厚度方向的第四通孔，第二平面磁芯850的第四磁柱852从该第四通孔中穿过，使得次级线圈830围绕在其周围。母板860位于第一平面磁芯840的第一上部843和第一下部844之间，且位于第二平面磁芯850的第二上部853和第二下部854之间。在一些其他实施例中，第二、第三通孔可以合并为第五通孔(未示出)，第二磁柱842和第三磁柱851可以同时从该第五通孔中通过。

在一些实施例中，可以通过在初级线圈和次级线圈之间设置多个依次磁耦合的闭合线圈来进一步减小绕组匝间电容，以进一步抑制共模干扰。

具体地，闭合线圈包括n个依次排列的闭合子线圈，其中，n为大于等于二的自然数。该n个闭合子线圈依次磁耦合；即：第一闭合子线圈与第二闭子线圈磁耦合，第二闭合子线圈和第三闭合子线圈磁耦合……以此类推，第n-1个闭合子线圈和第n个闭合子线圈磁耦合。另外，n个闭合子线圈中的第一闭合子线圈与初级线圈磁耦合，n个闭合子线圈中的最后一个闭合子线圈与次级线圈磁耦合。

在一些实施例中，隔离变压变压装置进一步包括n+1个平面磁芯分别位于初级线圈和第一闭合线圈之间、所述第n-1线圈和所述第n线圈之间及所述第n线圈与所述次级线圈之间，用于加强互相磁耦合的线圈之间的磁耦合。具体地，n+1个平面磁芯中的第一个耦合于初级线圈和第一闭合子线圈之间，n+1个平面磁芯中的最后一个耦合于最后一个闭合子线圈和次级线圈之间，及其他每个平面磁芯分别耦合于每两个相邻的闭合子线圈之间。

下面将结合图5进行详细的描述，在图5所示的实施例中n＝3。参见图5，隔离变压器300包括初级线圈310、次级线圈330、第一闭合子线圈321、第二闭合子线圈322、第三闭合子线圈323、第一磁芯340、第二磁芯350、第三磁芯360、第四磁芯370。初级线圈310和第一闭合子线圈321通过第一磁芯340互相磁耦合；第一闭合子线圈321通过第二磁芯350与第二闭合线圈322磁耦合；第二闭合线圈322通过第三磁芯360与第三闭合线圈323磁耦合；第三闭合线圈323通过第四磁芯370与次级线圈330磁耦合。

隔离变压器300的其他元件及其他结构与图2中所示的隔离变压器200相类似，此处不再赘述。

本发明的实施例还涉及一种包括上述隔离变压器的开关驱动电路，其可用于驱动功率半导体开关器件，例如：硅功率开关器件、碳化硅功率开关器件、氮化镓功率开关器件等，使得当这些开关器件在高频的工作状态下，共模噪声仍然能被有效地抑制。

参见图6，开关驱动电路400包括电压转换模块410、隔离变压模块420、门极驱动器430。该电压转换模块410用于将驱动电压转换590成第一交流电压510。该隔离变压模块420耦合在该电压转换模块410的输出端，用于将该第一交流电压510转换成第二交流电压520。该门极驱动器430耦合在该隔离变压模块420的输出端，用于接收该第二交流电压520并向开关器件540发送门极驱动信号530。

隔离变压模块420的具体结构和功能与图2、图3或图5中所示的隔离变压器200、800或300相类似，此处不再赘述。

本发明的实施例还涉及一种脉冲电源系统，其用于向负载提供脉冲电压。图7为根据本发明一具体实施例的脉冲电源系统600的示意图。参见图7，脉冲电源系统600大致包括：直流电压源610、能量存储装置620和开关电路模块630，该脉冲电源系统600用于向负载700提供脉冲电压。负载700耦合在直流电压源610的输出端，能量存储装置620可操作地耦合在直流电压源610的输出端。开关电路模块630耦合在直流电压源610和能量存储装置620之间，其用于从直流电压源610向能量存储装置620传输能量，或从能量存储装置620向直流电压源610传输能量。该能量存储装置可以为电容器620。

直流电压源610用于输出能量，即：直流电压；在图7所示的实施例中，直流电压源610包括电池611、逆变器612、变压器613、整流器614和电容co。电池611用于输出一个直流低电压，逆变器612用于将该直流低电压转换成交流低电压，变压器613用于将交流低电压转换成交流高电压，整流器614用于将该交流高电压转换成直流高电压。电容co用于稳定该直流高电压。

开关电路630包括多个开关单元651、652，谐振电感ld，及耦合于开关单元的驱动电路640，该驱动电路640用于驱动开关单元651、652；每个开关单元包括开关和并联在开关两端的二极管。具体地，在一些实施例总，该驱动电路640可耦合于开关的门极，通过向门极发送驱动信号来驱动该开关单元。驱动电路640控制开关单元中的开关进行周期性地开通或关断，以在第一模式下将能量从直流电压源610向能量存储装置620传输，或在第二模式下将能量从能量存储装置620向直流电压源610传输，从而在负载700的两端形成脉冲电压。

在图7所示的实施例中，多个开关单元包括第一开关单元651和第二开关单元652，其互相串联地耦合在直流电压源610和能量存储装置620之间。第一开关单元651包括第一开关s1和与其并联的第一二极管d1；第二开关单元652包括第二开关s2和与其并联的第二二极管d2。在一些实施例中，开关器件s1、s2包括功率半导体开关器件。在一些实施例中，开关器件s1、s2包括硅开关器件、碳化硅开关器件、氮化镓开关器件或其组合。

第一二极管d1和第二二极管d2反向串联。在一些实施例中，第一二极管d1的负极可能与第二二极管d2的负极相连接，第一二极管d1的正极与直流电压源610的输出端连接，第二二极管d2的正极通过谐振电感ld与能量存储装置620连接。

在图7所示的实施例中，第一二极管d1的正极与第二二极管d2的正极连接，第一二极管d1的负极与直流电压源610的输出端连接，第二二极管d2的负极通过谐振电感ld与能量存储装置620连接。

在第一模式下，驱动电路640使第一开关s1开通、第二开关s2关断，这时，能量从直流电源610经由第一开关s1、第二二极管d2和谐振电感ld向能量存储装置620传输，能量存储装置620接收并存储来自直流电源610的能量，能量存储装置620两端的电压快速上升，在负载700两端形成脉冲电压的上升沿。

在第二模式下，驱动电路640使第一开关s1关断、第二开关s2开通，这时，能量从能量存储装置620经由谐振电感ld、第二开关s2、第一二极管d1向直流电源610传输。这样，能量存储装置620两端的电压迅速下降，在负载700两端形成脉冲电压的下降沿。

不同于现有技术中的通过电阻来消耗能量，上述实施例中，通过一个能量存储装置，如：电容器，和开关电路，来构成一个有源放电电路，从而能够实现电源的快速放电，以满足快速或超快速脉冲电源的性能要求。

驱动电路640的结构与功能与图6中所示的开关驱动电路400的结构与功能相类似，此处不再赘述。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。