一种占空比可调节的一体化谐振驱动电路及控制方法转让专利
申请号 : CN202011450200.9
文献号 : CN112491251B
文献日 : 2021-12-03
发明人 : 彭晗 , 岳乔治
申请人 : 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种占空比可调节的一体化谐振驱动电路的控制方法,所述占空比可调节的一体化谐振驱动电路包括全桥控制电路、高频隔离变压器Tr、占空比控制电路以及被驱动功率管Q;
所述全桥控制电路包括一个直流电压源VC、第一桥臂、第二桥臂与第一至第四开关管S1~S4,第一开关管S1与第二开关管S2分别位于第一桥臂的高侧与低侧,第三开关管S3与第四开关管S4分别位于第二桥臂的高侧与低侧;第一开关管S1和第三开关管S3的漏极与直流电压源VC的正极相连接,第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极相连接,该点记为第一桥臂中点A;第三开关管S3源极与第四开关管S4的漏极相连接,该点记为第二桥臂中点B;第二开关管S2与第四开关管S4的源极与直流电压源VC的负极相连接;所述高频隔离变压器Tr包括一个原边绕组Lp、两个副边绕组L1、L2以及两个谐振电感Lr1、Lr2,原边绕组Lp的同名端接于第一桥臂的中点A,原边绕组Lp的异名端接于第二桥臂的中点B;副边第一绕组L1的同名端与第一谐振电感Lr1的一端连接,副边第一绕组L1的异名端与副边第二绕组L2的同名端以及被驱动功率器件Q的源极相连;副边第二绕组L2的异名端与第二谐振电感Lr2的一端连接;第一谐振电感Lr1和第二谐振电感Lr2的另一端分别与第五开关管S5和第七开关管S7的漏极相接;
所述占空比控制电路包括第五至第八开关管S5~S8,第五开关管S5的源极与第六开关管S6的源极连接,构成第一双向开关;第七开关管S7的源极与第八开关管S8的源极连接,构成第二双向开关;第六开关管S6的漏极与第八开关管S8的漏极、被驱动功率管Q的栅极连接;所述被驱动功率管Q输入电容Cgs与谐振电感Lr1或Lr2发生谐振;所述全桥控制电路的开关管S1~S4的驱动信号由输入PWM信号经过逻辑运算得到,所述被驱动功率管Q的驱动电压vgs_Q的占空比能够跟随输入PWM信号的占空比改变而改变;其特征在于,包括以下步骤:步骤1:第一开关管S1与第七开关管S7共同导通Tsw*(1‑d)‑td后关断,第四开关管S4导通一个PWM开关周期Tsw后关断;
步骤2:第一开关管S1关断后,第二开关管S2导通td后关断,第五开关管S5导通一个开关周期Tsw;
步骤3:第二开关管S2关断后,第一开关管S1导通Tsw*d‑td后关断;
步骤4:第二开关管S2导通Tsw+td直到下个控制周期T0;
步骤5:进入控制周期T0的后半周期,第三开关管S3的动作与前半周期第一开关管S1的开关情况相同,而第四开关管S4的动作与第二开关管S2相同;直到再次进入步骤1,进行循环;
步骤6:步骤5期间,第五开关管S5关断后,第七开关管S7导通一个开关周期Tsw;
其中,第一开关管S1与第二开关管S2互补导通,第三开关管S3与第四开关管S4互补导通,第五开关管S5与第七开关管S7互补导通,第六开关管S6的开关动作与第五开关管S5相同,第八开关管S8的开关动作与第七开关管S7相同;
开关周期Tsw为被驱动功率管Q的开关周期,等于输入PWM信号的周期TPWM,T0为控制周期,d为输入PWM信号的占空比,等于驱动电压vgs_Q的正压的占空比,td为开关谐振时间。
2.一种占空比可调节的一体化谐振驱动电路的控制方法,所述占空比可调节的一体化谐振驱动电路包括全桥控制电路、高频隔离变压器Tr、占空比控制电路以及被驱动功率管Q;
所述全桥控制电路包括一个直流电压源VC、第一桥臂、第二桥臂与第一至第四开关管S1~S4,第一开关管S1与第二开关管S2分别位于第一桥臂的高侧与低侧,第三开关管S3与第四开关管S4分别位于第二桥臂的高侧与低侧;第一开关管S1和第三开关管S3的漏极与直流电压源VC的正极相连接,第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极相连接,该点记为第一桥臂中点A;第三开关管S3源极与第四开关管S4的漏极相连接,该点记为第二桥臂中点B;第二开关管S2与第四开关管S4的源极与直流电压源VC的负极相连接;所述高频隔离变压器Tr包括一个原边绕组Lp、两个副边绕组L1、L2以及两个谐振电感Lr1、Lr2,原边绕组Lp的同名端接于第一桥臂的中点A,原边绕组Lp的异名端接于第二桥臂的中点B;副边第一绕组L1的同名端与第一谐振电感Lr1的一端连接,副边第一绕组L1的异名端与副边第二绕组L2的同名端以及被驱动功率器件Q的源极相连;副边第二绕组L2的异名端与第二谐振电感Lr2的一端连接;第一谐振电感Lr1和第二谐振电感Lr2的另一端分别与第五开关管S5和第七开关管S7的漏极相接;
所述占空比控制电路包括第五至第八开关管S5~S8,第五开关管S5的源极与第六开关管S6的源极连接,构成第一双向开关;第七开关管S7的源极与第八开关管S8的源极连接,构成第二双向开关;第六开关管S6的漏极与第八开关管S8的漏极、被驱动功率管Q的栅极连接;所述被驱动功率管Q输入电容Cgs与谐振电感Lr1或Lr2发生谐振;所述全桥控制电路的开关管S1~S4的驱动信号由输入PWM信号经过逻辑运算得到,所述被驱动功率管Q的驱动电压vgs_Q的占空比能够跟随输入PWM信号的占空比改变而改变;其特征在于,包括以下步骤:步骤1:第一开关管S1与第五开关管S5导通Tsw*d后关断;
步骤2:第一开关管S1与第五开关管S5关断后,第二开关管S2导通td后关断,第七开关管S7导通Tsw后关断;
步骤3:第二开关管S2关断后,第一开关管S1导通Tsw*(1‑d)后关断;
步骤4:第一开关管S1关断后,第二开关管S2导通Tsw‑td后关断;
步骤5:第七开关管S7关断后,第五开关管S5导通Tsw*(1‑d),直到下一个控制周期T0;
其中,第三开关管S3的开关动作与第一开关管S1相同,在时间上滞后一个PWM开关周期Tsw,第一开关管S1与第二开关管S2互补导通,第三开关管S3与第四开关管S4互补导通,第五开关管S5与第七开关管S7互补导通,第六开关管S6的开关动作与第五开关管S5相同,第八开关管S8的开关动作与第七开关管S7相同;
开关周期Tsw为被驱动功率管Q的开关周期,等于输入PWM信号的周期TPWM,T0为控制周期,d为输入PWM信号的占空比,等于驱动电压vgs_Q的正压的占空比,td为开关谐振时间。
3.如权利要求1或2所述的控制方法,其特征在于,被驱动功率管Q的开关周期Tsw和控制周期T0的关系为:T0=2Tsw。
4.如权利要求1或2所述的控制方法,其特征在于,开关谐振时间td等于被驱动功率管Q的输入电容Cgs与谐振电感Lr1、Lr2谐振周期TR的一半。
说明书 :
一种占空比可调节的一体化谐振驱动电路及控制方法
技术领域
背景技术
寸,从而减小装置体积、提升功率密度。然而,驱动的开关损耗和栅极驱动损耗随着开关频
率的提高成比例的增加,也就需要更大的驱动电源模块,直接导致了驱动电路功率密度的
降低,成为限制系统功率密度的重要原因。现有的一体化谐振驱动电路虽然能够将功率器
件输入电容的能量循环利用以降低驱动损耗,但是受隔离变压器的限制,其输出电压占空
比只能为固定值50%。当输出电压占空比改变时,由于变压器所加正负电压时长的不对称,
势必会导致变压器的磁通向一个方向积累而饱和,从而影响驱动的正常工作。这就大大限
制了隔离谐振驱动电路的使用场合。
发明内容
振驱动电路占空比固定导致应用场合受限的技术问题。
第二桥臂的高侧与低侧;第一开关管S1和第三开关管S3的漏极与直流电压源VC的正极相连
接,第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极相连接,连接点记为第一桥臂中点A;和第三
开关管S3源极与第四开关管S4的漏极相连接,连接点记为第二桥臂中点B;第二开关管S2与
第四开关管S4的源极与直流电压源VC的负极相连接;输入的PWM信号经过逻辑运算处理为全
桥控制电路的四个开关管S1~S4的驱动信号。
的中点B;副边第一绕组L1的同名端与第一谐振电感Lr1的一端连接,副边第一绕组L1的异名
端与副边第二绕组L2的同名端以及被驱动功率器件Q的源极相连;副边第二绕组L2的异名端
与第二谐振电感L2的一端连接;第一谐振电感Lr1和第二谐振电感L2的另一端分别与第五开
关管S5和第七开关管S7的漏极相接。
向开关;第六开关管S6的漏极与第八开关管S8的漏极、被驱动功率管Q的栅极连接。
的电压,与传统全桥电路控制不同,第一桥臂中点A与第二桥臂中点B之间的电压uAB在一个
控制周期T0内可分为四段,包括两段连续的正压与两段连续的负压,每个阶段之间均留出
一小段开关谐振时间td,此时第二开关管S2与第四开关管S4导通,第一开关管S1与第三开关
管S3关断,将原边绕组Lp的电压钳位在零电位。
同。
压之间,使隔离变压器Tr原边绕组输入电压不变的情况下,驱动输出电压的极性发生变化。
的能量得以循环利用,开关损耗得以降低。
循环;
第五开关管S5导通Tsw*d后关断;
补导通,第五开关管S5与第七开关管S7互补导通,第六开关管S6的动作与第五开关管S5相
同,第八开关管S8的动作与第七开关管S7相同。进一步地,所述开关周期Tsw表示被驱动功率
管Q的开关周期,等于输入PWM信号的周期TPWM。
于减小驱动的体积。
芯的饱和。
附图说明
具体实施方式
不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
条桥臂与四个开关管,第一开关管S1与第二开关管S2分别位于第一桥臂的高侧与低侧,第三
开关管S3与第四开关管S4分别位于第二桥臂的高侧与低侧;第一开关管S1和第三开关管S3
的漏极与直流电压源VC的正极相连接,第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极相连接,
该点记为第一桥臂中点A;第三开关管S3的源极与第四开关管S4的漏极相连接,该点记为第
二桥臂中点B;第二开关管S2与第四开关管S4的源极与直流电压源VC的负极相连接;所述高
频隔离变压器Tr包括一个原边绕组Lp、两个副边绕组L1、L2以及两个谐振电感Lr1、Lr2,谐振电
感Lr1、Lr2为隔离变压器的漏感。原边绕组Lp的同名端接于第一桥臂的中点A,原边绕组Lp的
异名端接于第二桥臂的中点B;副边第一绕组L1的同名端与第一谐振电感Lr1的一端连接,副
边第一绕组L1的异名端与副边第二绕组L2的同名端、被驱动功率器件Q的源极相连;副边第
二绕组L2的异名端与第二谐振电感L2的一端连接;第一谐振电感Lr1和第二谐振电感L2的另
一端分别与第五开关管S5和第七开关管S7的漏极相接;所述占空比控制电路包括四个开关
管,第五开关管S5的源极与第六开关管S6的源极连接,构成第一双向开关;第七开关管S7的
源极与第八开关管S8的源极连接,构成第二双向开关;第六开关管S6的漏极与第八开关管S8
的漏极、被驱动功率管Q的栅极连接;D5~D8表示开关管S5~S8的体二极管。
阻尼电阻,Rsg表示隔离变压器绕线电阻与被驱动功率管Q的栅极电阻Rg的总和。
动电压vgs_Q等于
为:
V。
t3]、[t3‑t4]、[t4‑t5]、[t5‑t6]、[t6‑t7]、[t7‑t8],下面以控制方法1为例,对各个模态的工作
原理具体分析。为了简化分析过程,下述开关过程均为忽略损耗的理想情况。
应电压也被钳位在‑VC。此时开关管S5与S6导通,副边绕组L1工作,输出电压为‑VC。故此阶段
vgs_Q保持在‑VC,被驱动功率管Q保持关断状态。
通。隔离变压器Tr原边电压uAB=0,则副边绕组L1与L2的感应电压也为0。由于开关管S5关断,
故谐振电感Lr1断路,无法与输入电容Cgs发生谐振。开关管S7处于导通状态,输入电容Cgs与
谐振电感Lr2构成串联谐振电路。忽略损耗的影响,t2时刻(t2‑t1=TR/2),电流iLr2=0,驱动
电压vgs_Q由‑VC上升至VC,功率器件Q开通。
的源极相连接,异名端通过双向开关S7与功率管Q的栅极相连接,故输出电压为VC。在此阶
段,驱动电压vgs_Q=VC不变,Q保持导通。
成串联谐振,至t4时刻,驱动电压vgs_Q由VC下降为‑VC,功率管Q关断。
边第二绕组L2回路断开。那么输入电容Cgs将与谐振电感Lr1发生谐振,驱动电压vgs_Q上升。忽
略损耗影响,t6时刻,vgs_Q=VC,功率管Q开通。
在本发明的保护范围之内。