专利名称：基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于功率场效应晶体管(MOSFET)开关的谐振驱动电路。更具体地说，本发明涉及一种基于反激变换器型的双功率MOSFET开关管互补谐振驱动电路。
背景技术：
在过去几十年，小功率变换器的开关频率不断的增加，已达到兆赫芝水平。高开关 频率提供快速的瞬态响应，小的元件尺寸和高功率密度。但是，高频率下工作也存在很多问 题过多的开关损耗，低效率和更短的电池工作时间。在高频应用中，功率MOSFET开关管的 驱动电路的性能很重要。随着开关频率的增加，驱动功率MOSFET开关管的损耗也成比例增 大。另一方面，为了降低功率管的通态损耗，要求其导通电阻越小越好。在现有半导体工艺 水平下，增大功率MOSFET开关管的体积才能获得低导通电阻，而体积大的功率MOSFET开关 管的GS电容也大。因此，驱动损耗变得很重要，特别是兆赫芝开关频率的变换器中。传统的功率MOSFET开关管的驱动电路，它的充放电回路是RC回路，在充放电过程 中，驱动能量全部损耗在电阻上。近年来无损栅极驱动电路倍受关注。为了减小功率MOSFET 开关管的驱动损耗，谐振栅极驱动是一个很有效的方法。但是现有的谐振驱动电路大多针 对单个功率MOSFET开关管，一些可同时驱动两个功率MOSFET开关管的谐振驱动电路也存 在元器件多，电路结构和控制复杂等局限。西班牙奥维多大学的J. Diaz和M. A. Perez等人 在文章"ANew Lossless Power MOSFET Driver Based on Simple DC/DC Converters，，[1] 提出了一种基于正激变换器型的谐振驱动电路，该电路只能驱动一个功率MOSFET开关管。 美国弗吉尼亚州立大学的Kaiwei Yao和Fred C. Lee在文章“A Novel Resonant Gate Driver for HighFrequency Synchronous Buck Converters，，[2]提出的适合同步整流 BUCK变换器的谐振驱动电路所需器件多，电路结构复杂。加拿大皇后大学的Zhihua Yang, Sheng Ye 禾口 YanfeiLiu 在文章"A New Dual Channel Resonant Gate Drive Circuit for SynchronousRectifiers"[3]提出的双功率MOSFET开关管谐振驱动电路所需器件多，电路 结构复杂。
发明内容
为了降低谐振驱动电路的复杂性，减小高频工作时的驱动损耗，本发明提出一种 双功率MOSFET开关管互补谐振驱动电路。利用一个反激变压器将两个功率MOSFET开关管 的驱动能量互相传递以驱动这两个功率MOSFET开关管，并用控制MOSFET管和二极管将驱 动电压箝位到一定值。电路结构简洁，控制简单，实现了能量回收利用，提高了驱动效率。为此，本发明采用以下的技术方案基于反激变换器型的双功率MOSFET开关管 互补谐振驱动电路，包括变压器Tl，控制MOSFET管Si，控制MOSFET管S2，控制MOSFET管 S3，二极管Dl，二极管D2，二极管D3，供电电源Vel，供电电源V。2，功率MOSFET管Ql和功率 MOSFET管Q2，其特征在于所述变压器Tl将两个功率MOSFET管Ql和Q2的驱动能量互相 传递以驱动这两个功率MOSFET管，控制MOSFET管Sl和二极管D1、D2、D3将功率MOSFET管Ql和Q2的驱动电压箝位到一定值。与现有技术相比，本发明的主要优点是1、驱动速度快，并可以充分利用驱动能量提高效率。2、器件较少，控制简单，降低了成本。3、可以驱动任意组合的一对互补工作的功率MOSFET开关管，这对功率开关管可 以是隔离的或非隔离的，也可以具有相同的参考点或不同的参考点。
图1本发明的基于反激变换器型的双功率MOSFET开关管互补谐振驱动的具体实 现电路图。图2本发明的基于反激变换器型的双功率MOSFET开关管互补谐振驱动的另一种 具体实现电路图。图3本发明的驱动电路在一种控制时序下的原理波形图。图4本发明的驱动电路在另一种控制时序下的原理波形图。图5本发明应用于BUCK电路的电路图。图6本发明应用于BOOST电路的电路图。图7本发明应用于FLYBACK电路的电路图。图8本发明应用于半桥LLC电路的电路图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参照附图1，本发明的基于反激变换器型的双功率MOSFET开关管互补谐振驱动 的具体实现电路图，包括变压器Tl，控制MOSFET管Si，控制MOSFET管S2，控制MOSFET管 S3，二极管Dl，二极管D2，二极管D3，供电电源Vel，供电电源V。2，功率MOSFET管Ql和功率 MOSFET 管 Q2。图1的驱动电路采用这样的连接方式所述功率MOSFET管Ql的栅极接二极管Dl 的阴极、控制MOSFET管Sl的源极和变压器Tl原边绕组m的同名端；控制MOSFET管Sl的 漏极接供电电源Vel的正极；变压器Tl原边绕组m的非同名端接控制MOSFET管S2的漏极； 控制MOSFET管S2的源极接二极管Dl的阳极、功率MOSFET管Ql的源极和供电电源Vel的 负极；功率MOSFET管Q2的栅极接二极管D2的阳极、二极管D3的阴极和变压器Tl副边绕 组N2的非同名端；二极管D2的阴极接供电电源Ve2的正极；变压器Tl副边绕组N2的同名 端接控制MOSFET管S3的漏极；控制MOSFET管S3的源极接二极管D3的阳极、功率MOSFET 管Q2的源极和供电电源Ve2的负极；控制MOSFET管Sl的栅源极、控制MOSFET管S2的栅源 极和控制MOSFET管S3的栅源极接各自的控制驱动信号；信号时序在图3和图4中说明。参照附图2，本发明的基于反激变换器型的双功率MOSFET开关管互补谐振驱动的 另一种具体实现电路图，与图1相比，变压器Tl原边的电路采用了不同的连接方式，其余结 构不变。图2中变压器Tl原边的电路采用这样的连接方式所述变压器Tl原边的电路还 能采用以下连接方式功率MOSFET管Ql的栅极接二极管Dl的阴极、控制MOSFET管Sl的源极和控制MOSFET管S2的漏极；控制MOSFET管Sl的漏极接供电电源Vel的正极；控制 MOSFET管S2的源极接变压器Tl原边绕组m的同名端；变压器Tl原边绕组m的非同名 端接二极管Dl的阳极、功率MOSFET管Ql的源极和供电电源Vel的负极。
参照附图3，本发明的驱动电路在一种控制时序下的原理波形图。Vgssi是控制 MOSFET管Sl的驱动电压；Vgs S2是控制MOSFET管S2的驱动电压；Vgs S3是控制MOSFET管S3 的驱动电压山是流过变压器Tl原边绕组m的电流，方向是从同名端流入；ι2是流过变压 器Tl副边绕组N2的电流，方向是从非同名端流出；Vgsjjl是功率MOSFET管Ql的栅源电压； Vgs—Q2是功率MOSFET管Q2的栅源电压。一个完整的开关周期从、到t8，忽略控制MOSFET管 Sl和二极管D1、D2、D3的导通压降。该控制时序下电路的工作过程为、时刻之前(t广、阶 段)控制MOSFET管S1 S3都是断态，功率MOSFET管Ql通态，Vgs Q1等于Vel，功率MOSFET管 Q2断态，Vgs Q2为0 JcTt1阶段、时刻，控制MOSFET管Si、S2开通，供电电源Vel给变压器 Tl原边的电感充电一直到、时刻控制MOSFET管Sl关断；、、2阶段A1时刻，控制MOSFET 管Sl关断，变压器Tl原边的电感与功率MOSFET管Ql的GS电容发生谐振，电流I1给功率 MOSFET管Ql的GS电容放电直到Vgs Q1为0，二极管Dl导通给变压器Tl原边的电感电流I1 续流直到t2时刻控制MOSFET管S2关断；t2 t3阶段t2时刻，控制MOSFET管S2关断，变压 器Tl原边的电流I1转换到副边，控制MOSFET管S3的体二极管导通后控制MOSFET管S3开 通，变压器Tl副边的电感与功率MOSFET管Q2的GS电容发生谐振，电流I2给功率MOSFET 管Q2的GS电容充电直到该电容上的电压等于V。2，此时二极管D2导通给变压器Tl副边的 电感电流I2续流，电流I2为0后控制MOSFET管S3关断，；t3 t4阶段控制MOSFET管Sl S3 都是断态，功率MOSFET管Ql断态，Vgs Q1为0，功率MOSFET管Q2通态，Vgs Q2等于Ve2 ；Ct5 阶段t4时刻，控制MOSFET管S3开通，变压器Tl副边的电感与功率MOSFET管Q2的GS电 容发生谐振，电流I2给功率MOSFET管Q2的GS电容放电直到Vgs Q2为0，二极管D3导通给 变压器Tl副边的电感电流I2续流直到t5时刻控制MOSFET管S3关断；t:t6阶段t5时刻， 控制MOSFET管S3关断，变压器Tl副边的电流I2转换到原边，控制MOSFET管S2的体二极 管导通后控制MOSFET管S2开通，变压器Tl原边的电感与功率MOSFET管Ql的GS电容发 生谐振，电流I1给功率MOSFET管Ql的GS电容充电直到电流I1为0，控制MOSFET管S2关 断；Ct7阶段:t6时刻，控制MOSFET管Sl开通，供电电源Vcl给功率MOSFET管Ql的GS电 容充电直到Vgsjil等于Vcl，t7时刻控制MOSFET管Sl关断，电路的工作过程开始新一轮的循 环。在该控制时序下，本发明的驱动电路损耗较低。参照附图4，本发明的驱动电路在另一种控制时序下的原理波形图。与图3相比， 控制MOSFET管Si、S2和S3的控制时序不同，其余不变。图4中控制MOSFET管Si、S2和S3的控制时序采用如下的方式控制MOSFET管 Sl从t6时刻一直导通到下一个工作周期的、时刻，其余时刻控制MOSFET管Sl关断；控 制MOSFET管S2在t:、阶段导通，其余时刻控制MOSFET管S2关断；控制MOSFET管S3在 t:t5阶段导通，其余时刻控制MOSFET管S3关断。该控制时序的驱动信号较易实现。参照附图5，本发明应用于BUCK电路的电路图，Ql是主功率MOSFET管，Q2是同步 整流MOSFET管，Ql与Q2互补工作。参照附图6，本发明应用于BOOST电路的电路图，Ql是主功率MOSFET管，Q2是同 步整流MOSFET管，Ql与Q2互补工作。
参照附图7，本发明应用于FLYBACK电路的电路图，Ql是主功率MOSFET管，Q2是 同步整流MOSFET管，Ql与Q2互补工作。参照附图8，本发明应用于半桥LLC电路的电路图，本发明提出的谐振驱动电路可 以应用于半桥的两个桥臂上互补工作的功率MOSFET管Ql和Q2，也可以应用于中心抽头结 构整流电路的两个互补工作的同步整流MOSFET管Q3和Q4。最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导 出或联想到的所有变形，均应认为是发明的保护范围。 应该理解到的是上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何 不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
一种基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路，包括变压器T1，控制MOSFET管S1，控制MOSFET管S2，控制MOSFET管S3，二极管D1，二极管D2，二极管D3，供电电源Vc1，供电电源Vc2，功率MOSFET管Q1和功率MOSFET管Q2，其特征在于所述变压器T1将两个功率MOSFET管Q1和Q2的驱动能量互相传递以驱动这两个功率MOSFET管，控制MOSFET管S1和二极管D1、D2、D3将功率MOSFET管Q1和Q2的驱动电压箝位到一定值。
2.根据权利要求1所述的基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路，其特征在 于所述功率MOSFET管Ql的栅极接二极管Dl的阴极、控制MOSFET管Sl的源极和变压器 Tl原边绕组m的同名端；控制MOSFET管Sl的漏极接供电电源Vcl的正极；变压器Tl原 边绕组附的非同名端接控制MOSFET管S2的漏极；控制MOSFET管S2的源极接二极管Dl 的阳极、功率MOSFET管Ql的源极和供电电源Vcl的负极；功率MOSFET管Q2的栅极接二极 管D2的阳极、二极管D3的阴极和变压器Tl副边绕组N2的非同名端；二极管D2的阴极接 供电电源Vc2的正极；变压器Tl副边绕组N2的同名端接控制MOSFET管S3的漏极；控制 MOSFET管S3的源极接二极管D3的阳极、功率MOSFET管Q2的源极和供电电源Vc2的负极； 控制MOSFET管Sl的栅源极、控制MOSFET管S2的栅源极和控制MOSFET管S3的栅源极接 各自的控制驱动信号。
3.根据权利要求2所述的基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路，其特征在 于所述变压器Tl原边的电路还能采用以下连接方式功率MOSFET管Ql的栅极接二极管 Dl的阴极、控制MOSFET管Sl的源极和控制MOSFET管S2的漏极；控制MOSFET管Sl的漏 极接供电电源Vcl的正极；控制MOSFET管S2的源极接变压器Tl原边绕组m的同名端；变 压器Tl原边绕组m的非同名端接二极管Dl的阳极、功率MOSFET管Ql的源极和供电电源 Vcl的负极。
4.根据权利要求2或3所述的基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路，其特征 在于所述的谐振驱动电路采用以下控制时序t0时刻之前控制MOSFET管Sf S3都是断 态，功率MOSFET管Ql通态，Vgs_Ql等于Vcl，功率MOSFET管Q2断态，Vgs_Q2为0 ；t(Ttl 阶段t0时亥lj，控制MOSFET管S1、S2开通，供电电源Vcl给变压器Tl原边的电感充电一直 到tl时刻控制MOSFET管Sl关断；tl t2阶段tl时刻，控制MOSFET管Sl关断，变压器Tl 原边的电感与功率MOSFET管Ql的GS电容发生谐振，电流11给功率MOSFET管Ql的GS电 容放电直到Vgs_Ql为0，二极管Dl导通给变压器Tl原边的电感电流Il续流直到t2时刻 控制MOSFET管S2关断；t2 t3阶段t2时刻，控制MOSFET管S2关断，变压器Tl原边的电 流Il转换到副边，控制MOSFET管S3的体二极管导通后控制MOSFET管S3开通，变压器Tl 副边的电感与功率MOSFET管Q2的GS电容发生谐振，电流12给功率MOSFET管Q2的GS电 容充电直到该电容上的电压等于Vc2，此时二极管D2导通给变压器Tl副边的电感电流12 续流，电流12为0后控制MOSFET管S3关断；t3 t4阶段控制MOSFET管Sl S3都是断态， 功率MOSFET管Ql断态，Vgs_Ql为0，功率MOSFET管Q2通态，Vgs_Q2等于Vc2 ；t4 t5阶 段t4时刻，控制MOSFET管S3开通，变压器Tl副边的电感与功率MOSFET管Q2的GS电容 发生谐振，电流12给功率MOSFET管Q2的GS电容放电直到Vgs_Q2为0，二极管D3导通给 变压器Tl副边的电感电流12续流直到t5时刻控制MOSFET管S3关断；t5 t6阶段t5时 亥IJ，控制MOSFET管S3关断，变压器Tl副边的电流12转换到原边，控制MOSFET管S2的体 二极管导通后控制MOSFET管S2开通，变压器Tl原边的电感与功率MOSFET管Ql的GS电容发生谐振，电流Il给功率MOSFET管Ql的GS电容充电直到电流Il为0，控制MOSFET管 S2关断；t6 t7阶段t6时亥lj，控制MOSFET管Sl开通，供电电源Vcl给功率MOSFET管Ql 的GS电容充电直到Vgs Ql等于Vcl，t7时刻控制MOSFET管Sl关断，电路的工作过程开始 新一轮的循环。
5.根据权利要求4所述的基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路，其特征在于 电路的控制MOSFET管Si、S2和S3的控制时序还可以采用如下的方式控制MOSFET管Sl 从t6时刻一直导通到下一个工作周期的tl时刻，其余时刻控制MOSFET管Sl关断；控制 MOSFET管S2在t(Tt2阶段导通，其余时刻控制MOSFET管S2关断；控制MOSFET管S3在 trt5阶段导通，其余时刻控制MOSFET管S3关断。
全文摘要
本发明涉及一种基于反激变换器型的开关管互补谐振驱动电路，包括变压器T1，控制MOSFET管S1，控制MOSFET管S2，控制MOSFET管S3，二极管D1，二极管D2，二极管D3，供电电源Vc1，供电电源Vc2，功率MOSFET管Q1和功率MOSFET管Q2，其特征在于所述变压器T1将两个功率MOSFET管Q1和Q2的驱动能量互相传递以驱动这两个功率MOSFET管，控制MOSFET管S1和二极管D1、D2、D3将功率MOSFET管Q1和Q2驱动电压箝位到一定值。本发明可以驱动任意组合的一对互补工作的功率MOSFET开关管，驱动效率高，驱动速度快，器件少，控制简单，具有较好的使用价值。
文档编号H02M3/335GK101826799SQ20101030109
公开日2010年9月8日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者李镇福, 林维明, 郭晓君 申请人:福州大学