CN105450027B - 用于功率开关驱动器应用的多用途电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了适于功率开关驱动器电路的多用途电源，该多用途电源获取输入电压并在四个输出端子处生成输出电压。两个输出端子可连接到电源轨，以驱动开关模式功率转换器。每个输出端子处相对于地的电压输出是不同的，允许通过调节电压轨连接到的输出端子来将电压轨设置为适于各种不同功率开关驱动器电路的电压。将基准电压施加到一个输出端子，以设置剩余输出端子处的电压值。

Description

用于功率开关驱动器应用的多用途电源
技术领域
本申请涉及适于功率开关驱动器应用的多用途电源，且具体地，涉及能够与功率开关驱动器电路的多个变型一起使用的功率开关驱动器电源电路。
背景技术
功率电子设备(例如，DC-DC转换器和开关模式电源)为了从给定输入电源处以预定值提供稳定的输出电压而使用高功率晶体管，且晶体管持续打开和闭合以调整输出电压。它们在开关(switching)不可中断电源、电动机和太阳能逆变器中的较高电流时具有重要的应用，并因此必须满足施加于它们所产生的输出电压的严格约束和要求。例如，输出电压偏离标称值大于预定容限可能是不可接受的。
使用功率开关驱动器电路控制功率电子设备中的高功率晶体管。功率开关驱动器电路提供给定功率电子设备连接到的输入电压以及从其输出反馈的电压情况下操作(即，打开和闭合)高功率晶体管所必需的适合的电子器件。通过调节打开和闭合晶体管的时间，可以调整功率转换器的电压输出。
已知若干类型的高功率晶体管，例如，隔离栅双极性晶体管(IGBT)、碳化硅(SIC)晶体管、以及金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。因此，有若干种功率电子设备的变型正被使用，其各自使用具体类型的高功率晶体管。
通常，各种类型的高功率晶体管需要用于向一对电压轨提供电势差的连接。在普遍承认的工业标准中，隔离栅双极性晶体管需要与保持在+15V和-10V处的轨的连接；碳化硅晶体管需要与保持在+20V和-5V处的轨的连接；以及金属氧化物场效应晶体管需要与保持在+15V和-5V处的轨的连接。
为了功率电子设备正确工作，因此有必要向它们的功率开关驱动电路提供如下的电源：适于设备中使用的具体类型晶体管，且能够输出电压以使得可以在电压轨之间保持合适的电势差。
已经意识到，希望提供与要求各种输入电压的功率电子应用一起使用的单个电源。
发明内容
在独立权利要求中限定了本发明，现在将要引用该独立权利要求。在从属权利要求中描述了有利特征。
在第一方案中，本发明涉及一种功率开关驱动器电源电路，所述功率开关驱动器电源电路在向功率电子设备供电的过程中使用，所述功率电子设备具有相同类型的一个或多个晶体管以及用于向所述一个或多个晶体管提供功率的高输入功率轨和低输入功率轨，所述晶体管类型是MOSFET、SIC或IGBT。所述功率开关驱动器电源电路包括：用于接收输入功率的一对输入端子；以及用于向所述功率电子设备输出功率的四个输出端子，其中，当输入电压施加到输入端子上时，所述四个输出端子中的每个输出端子保持在相对于地的显著不同的电压处，在第一输出端子和第二输出端子之间存在第一电压差，在第二输出端子和第三输出端子之间存在第二电压差，以及在第三输出端子和第四输出端子之间存在第三电压差。在使用中：所述四个输出端子中的一个输出端子连接到基准电压以设置所述四个输出端子相对于地各自保持的相应电压的值；剩余三个输出端子中的两个输出端子连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨，由此在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供输入电压差；以及从所述四个输出端子中选择连接到所述基准电压以及所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨的三个输出端子用于选择所述第一电压差、所述第二电压差以及所述第三电压差的不同组合，以根据所述晶体管类型是MOSFET、SIC还是IGBT来改变在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨上提供的所述输入电压差。
所述第一电压差可以基本上等于15V，所述第二电压差可以基本上等于5V，以及所述第三电压差可以基本上等于5V。
所述基准电压可以是地电压。
当所述晶体管类型是IGBT时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-10V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；当所述晶体管类型是SIC时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+20V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第三输出端子连接到所述基准电压，以及所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；以及当所述晶体管类型是MOSFET时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及所述第三输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨。
要求保护的功率开关驱动器电源电路还可包括变压器，所述变压器包括初级绕组和多个次级绕组，所述输入电压施加在所述初级绕组上，所述多个次级绕组操作用于在将输入电压施加在所述输入端子上时设置所述四个输出端子相对于彼此的电压。
所述功率开关驱动器电源电路可包括三个输出级，每个输出级包括：次级绕组；与所述次级绕组串联设置的二极管；以及与所述次级绕组并联设置的电容器。所述电容器的第一端子连接到所述输出级的第一端子，以及所述电容器的第二端子连接到所述输出级的第二端子。
在使用中，包括所述三个输出级中每个输出级的第一端子和第二端子在内的六个端子中的两对端子连接在一起，以提供所述四个输出端子中的两个输出端子。
次级绕组的数目可以比输出端子的数目小1。
在第二方案中，本发明涉及一种***，包括：功率电子设备，所述功率电子设备具有相同类型的一个或多个晶体管以及用于向所述一个或多个晶体管供电的高输入功率轨和低输入功率轨，所述晶体管类型是MOSFET、SIC或IGBT；功率开关驱动器电源电路，用于在向所述功率电子设备供电时使用，所述功率开关驱动器电源电路包括：用于接收输入功率的一对输入端子；以及用于向所述功率电子设备输出功率的四个输出端子，其中，当输入电压施加到输入端子上时，所述四个输出端子中的每个输出端子保持在相对于地的显著不同的电压处，在第一输出端子和第二输出端子之间存在第一电压差，在第二输出端子和第三输出端子之间存在第二电压差，以及在第三输出端子和第四输出端子之间存在第三电压差。在使用中：所述四个输出端子中的一个输出端子连接到基准电压以设置所述四个输出端子相对于地各自保持的相应电压的值；剩余三个输出端子中的两个输出端子连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨，由此在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供输入电压差；以及从所述四个输出端子中选择连接到所述基准电压以及所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨的三个输出端子用于选择所述第一电压差、所述第二电压差以及所述第三电压差的不同组合，以根据所述晶体管类型是MOSFET、SIC或IGBT来改变在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨上提供的所述输入电压差。
在第三方案中，本发明涉及一种从功率开关驱动器电源电路向功率电子设备供电的方法，所述功率电子设备具有相同类型的一个或多个晶体管以及用于向所述一个或多个晶体管提供功率的高输入功率轨和低输入功率轨，所述晶体管类型是MOSFET、SIC或IGBT。该方法包括：提供功率开关驱动器电源电路，所述功率开关驱动器电源电路包括：用于接收输入功率的一对输入端子；以及用于向所述功率电子设备输出功率的四个输出端子，其中，当输入电压施加到输入端子上时，所述四个输出端子中的每个输出端子保持在相对于地的显著不同的电压处，在第一输出端子和第二输出端子之间存在第一电压差，在第二输出端子和第三输出端子之间存在第二电压差，以及在第三输出端子和第四输出端子之间存在第三电压差；从所述四个输出端子中选择连接到基准电压以及所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨的三个输出端子，由此选择所述第一电压差、所述第二电压差以及所述第三电压差的不同组合，以根据所述晶体管类型是MOSFET、SIC还是IGBT来在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨上提供输入电压差；将所述基准电压连接到所选输出端子，以设置相应电压的值，所述四个输出端子相对于地各自保持在所述相应电压的值处；以及将所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨连接到所选输出端子，以在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供输入电压差。
在本发明的第四方案中，提供了一种***，所述***包括电源和功率电子设备，所述电源包括：产生第一电压的第一输出级；产生第二电压的第二输出级；产生第三电压的第三输出级；连接到所述第一输出级的第一侧的第一输出端子；连接到所述第一输出级的第二侧并连接到所述第二输出级的第一侧的第二输出端子；连接到所述第二输出级的第二侧并连接到所述第三输出级的第一侧的第三输出端子；以及连接到所述第三输出级的第二侧的第四输出端子；且所述功率电子设备包括变压器，其中，从所述第一输出端子到所述第四输出端子中选择的一个端子连接到地；从所述第一输出端子到所述第四输出端子中选择的两个端子连接到所述晶体管，向所述晶体管供给正电压和负电压；以及从所述第一输出端子到所述第四输出端子中选择的一个端子未连接。
在本发明的第五方案中，提供了一种***，所述***包括电源和功率电子设备，所述电源包括：产生第一电压的第一输出级；产生第二电压的第二输出级；产生第三电压的第三输出级；连接到所述第一输出级的第二侧的第二输出端子；连接到所述第二输出级的第一侧的第三输出端子；连接到所述第二输出级的第二侧的第四输出端子；连接到所述第三输出级的第一侧的第五输出端子；以及连接到所述第三输出级的第二侧的第六输出端子；以及所述功率电子设备包括晶体管；其中从所述第一输出端子、所述第三输出端子和所述第五输出端子中选择的两个端子和从所述第二输出端子、所述第四输出端子和所述第六输出端子中选择的两个端子在所述电源外分别连接，以形成第一外部端子和第二外部端子，未选择的两个端子定义为第一设备上端子和第二设备上端子，从所述第一外部端子、所述第二外部端子、所述第一设备上端子和所述第二设备上端子中选择的一个端子连接到地，从所述第一外部端子、所述第二外部端子、所述第一设备上端子和所述第二设备上端子中选择的两个端子连接到所述晶体管，向所述晶体管供给正电压和负电压对，从所述第一外部端子、所述第二外部端子、所述第一设备上端子和所述第二设备上端子中选择的一个端子不连接到外部。
在本发明的第六方案中，提供了从电源电路向不同类型的晶体管供电的方法，包括：a)提供电源电路，所述电源电路包括：产生第一电压的第一输出级；产生第二电压的第二输出级；产生第三电压的第三输出级；连接到所述第一输出级的第一侧的第一输出端子；连接到所述第一输出级的第二侧并连接到所述第二输出级的第一侧的第二输出端子；连接到所述第二输出级的第二侧并连接到所述第三输出级的第一侧的第三输出端子；以及连接到所述第三输出级的第二侧的第四输出端子；b)在所述第一输出端子到所述第四输出端子中确定正端子、接地端子、负端子和未连接端子，以使得能够提供适于所选晶体管的正电压和负电压；以及c)将所述正端子和所述负端子连接到所选晶体管，并将所述接地端子连接到地，以使得能够向所选晶体管供给所述正电压和所述负电压。
步骤b)可包括：确定所述第一输出端子是所述正端子；基于以下条件确定所述接地端子、所述负端子和所述未连接端子：i)对于第一选择晶体管，所述第二输出端子是接地端子，所述第三输出端子是所述未连接端子，且所述第四输出端子是所述负端子，从而提供等于所述第一电压的正电压和等于所述第二电压与所述第三电压之和的负电压，ii)对于第二选择晶体管，所述第二输出端子是未连接端子，所述第三输出端子是所述接地端子，且所述第四输出端子是所述负端子，从而提供等于所述第一电压与所述第二电压之和的正电压和等于所述第三电压的负电压，以及iii)对于第三选择晶体管，所述第二输出端子是接地端子，所述第三输出端子是所述负端子，且所述第四输出端子是所述未连接端子，从而提供等于所述第一电压的正电压和等于所述第二电压的负电压。
附图说明
现在将以仅作为示例的方式并参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出已知的DC-DC转换器；
图2示出具有多个输出的电源；
图3示出与电源的输出端子的连接；以及
图4示出了根据另一实施例具有多个输出的电源。
具体实施方式
图1示出了已知的DC-DC转换器。出于说明的目的示出了反激式转换器，然而也会接受在这种电路中使用其他的转换器拓扑结构，例如正向转换器。
转换器接受相对于0V轨的输入电压Vin。为了便于描述，方便地将剩余电路划分为两部分：开关电路102和转换器电路104。
通过开关电路102使输入Vin在转换器电路104上进行开关(switched)。在图1中，开关电路包括被控制处于导通状态或非导通状态的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)TR1。如本领域技术人员将会认识到的，当开关电路102中的晶体管TR1导通时，输入电压Vin被施加到转换器电路104中的变压器的初级绕组上，且由此在所产生的磁场中将能量存储在变压器中。当开关电路102中的晶体管TR1未导通时，允许电流流过变压器的次级绕组，并导致已转换的DC电压施加在输出和返回端子之间。已转换的电压是被用于在开关模式电源或功率电子设备中为例如晶体管供电的电压。
开关电路102包括脉宽调制(PWM)控制器U1，用于经由MOSFET TR1向初级绕组P1提供开关信号。可将这种PWM控制器提供为包括在图1所述的电路中的集成电路(IC)的一部分。TR1是主侧开关MOSFET，且负责响应于PWM控制器输出的信号使输入电压Vin在变压器TX1的初级绕组P1上进行开关。TR1的漏极连接到初级绕组P1，且源极与电阻器R16串联连接并连接到0V(地)功率轨。所示出的TR1是增强模式N通道MOSFET，然而可使用其他的晶体管类型。
转换器电路104包括具有初级绕组P1和次级绕组S1的反激式变压器TX1。围绕变压器铁芯(例如，由层叠的软铁制成的变压器铁芯)绕制初级绕组P1和次级绕组S1。在备选布置中，可以将其他材料用于铁芯，或者可以不存在铁芯(在该情况下，绕组可以是空心的)。图1的变压器未被隔离，因为返回端子处的电压被反馈到开关电路102，然而不具有该反馈的隔离性变压器也同等可用得很好。二极管D1和电容器C3是输出侧的相应输出组件。
电容器C1连接在输入电压端子和地之间，且用于平滑输入电压中出现的任何变化。
现在将更详细地描述图1中示出的PWM控制器U1。在本示例中，PWM控制器被作为集成电路提供。本领域技术人员将认识到的是，也可以使用其他PWM控制器。所示出的IC具有经由串联电阻器R3连接到MOSFET TR1的栅极的栅极驱动(Gdr)端子。可使用电阻器R3来调整设备的电磁兼容性(EMC)。输入管脚(Isns)连接到电阻器R16与TR1的源极端子之间的点。Isns是PWM控制器的电流感测(current sense)输入。该管脚连接到外部MOSFET的源极，并通过电流感测电阻器R16连接到地。其允许感测开关电流，以用于调整和电流定时。Vc管脚从PWM控制器的内部电压误差放大器提供输出。Vc管脚经由串联电阻器R1和电容器C1连接到地。R1和C1形成用于稳定转换器的外部补偿器网络。Vin管脚直接连接到高电压轨(Vin)，并经由电容器C6连接到0V或低电压轨。接地管脚(Gnd)直接连接到地。在该配置中，驱动电压管脚(Vdr)被示出为被旁路，通过电容器C7(1.0μF是适合的值)连接到地。使能和同步端子(EN/Sync)在连接到时使得可将振荡的输入信号施加到PWM控制器U1，且这种输入信号的下降沿与PWM控制器的内部振荡器同步。最后，Vfb管脚用于输出电压反馈。该管脚经由电阻器R11连接到输出电压，且经由电阻器R13连接到地。该电阻器配置创建了用于调整以及用于设置输出电压的分压器。将会认识到的是，可被用作PWM控制器的其他IC电路可具有这样的输入管脚或不同的输入管脚，以用于控制、感测和输出。
图2示出了根据本发明的电源200输出级的实施例。从电池或DC源向电源提供输入电压Vin。虽然图2中仅示意性地示出了电压输入，在使用中，当设置为与初级绕组以及输入电压Vin和0V端子串联的开关电路导通时，该电压输入使得电流被驱动通过变压器TX 21的初级绕组。要注意到，可以在高电压轨(Vin)和低电压轨(0V)之间设置电容器(图2中未示出)。
在变压器TX21的铁芯上设置三个次级绕组S21、S22和S23，提供了以阶梯状配置布置的三个单独的输出电压级。因此，在绕组S21、S22和S23中的每个绕组上划分组合次级绕组上的压降。次级绕组可在物理上以不重叠的方式放置，且相对于通过变压器铁芯中的磁通所产生的磁电路彼此串联设置。在备选实施例中，假设每个次级绕组本身在铁芯上保持彼此电隔离，次级绕组可在变压器铁芯上彼此贯通或重叠。
第一次级绕组S21设置在变压器铁芯的第一端处。次级绕组S21的一端电连接到二极管D21的一个端子，且二极管D21的另一端子连接到节点21a。节点21a连接到第一输出端子210。如图中所示，二极管D21在次级绕组和第一输出端子之间正向偏置。次级绕组S21的另一端电连接到节点21b。电容器C21连接在节点21a和21b之间，使得可与组合次级绕组S2并联。节点21b连接到第二输出端子220。
以类似的方式布置第二次级绕组S22，第二次级绕组S22位于变压器铁芯的中间。次级绕组S22的一端电连接到二极管D22的一个端子，且二极管D22的另一端子连接到节点22a。节点22a连接到第二输出端子220。如图中所示，二极管D22在第二次级绕组S22和第二输出端子220之间正向偏置。次级绕组S22的另一端连接到节点22b。电容器C22连接在节点22a和22b之间，使得可与包括S22和D22的组合次级绕组和二极管单元并联。节点22b连接到第三输出端子230。
还类似地布置位于变压器铁芯的第二端的第三次级绕组S23。次级绕组S23的一端电连接到二极管D23的一个端子，且二极管D23的另一端子连接到节点23a。节点23a连接到第三输出端子230，且二极管D23在第三次级绕组和第三输出端子之间正向偏置，如图所示。次级绕组S23的另一端连接到节点23b。电容器C23连接在节点23a和23b之间，使得可与包括S23和D23的组合次级绕组和二极管单元并联。节点23b连接到第四输出端子。因此，变压器铁芯上的次级绕组的数目比输出端子的数目小1。
本领域技术人员将会认识到的是，二极管D21、D22、D23固定了电流能够循环通过次级绕组S21、S22、S23并进入到电容器C21、C22、C23中的方向。电容器以电容器端子之间建立的时变电场的形式存储和释放能量。在这样做时，在次级绕组中没有出现电流时，它们提供能量，且在出现这样的电流时存储能量。
在变压器的任一端与次级绕组并联的电容器(即，C21和C23)分别具有一个端子连接到输出端子210和240。因此，输出端子210连接到节点21a，且输出端子240连接到节点23b。如图2中所示，剩余的相邻电容端子对连接在一起。电容器C21的第二端子连接到电容器C22的第一端子，且电容器C22的第二端子连接到电容器C23的剩余端子。输出端子220和230位于在这些相邻的电容器端子相遇处。该布置是通过将节点21b和22a连接到另一节点220a以及通过将节点22b和23a连接到另一节点230a来实现的。节点220a因而连接到输出端子220，以及节点230a连接到输出端子230。
当变压器TX21的初级绕组通过开关电路102连接到输入电压时，由所施加的电压Vin驱动通过初级绕组的电流在变压器中建立磁场，且磁场中相对于时间的改变，在次级绕组S21、S22和S23中的每个绕组上感生电势差。对于理想的变压器而言，每个次级绕组中感生的电压与次级绕组的绕数成正比，且可通过初级绕组上的绕数与次级绕组上的总绕数的比率来设置在次级绕组中感生的组合电压。能量在变压器中存储在通过铁芯的磁通中，且虽然在每个次级绕组中感生了电压，由于反向偏置的二极管D21、D22、D23，没有电流能够流过次级绕组。因此，在向初级绕组通电时，向在输出端子210、220、230、240中的任何输出端子对之间连接的电负载供给在适当的电容器C21、C22、C23中存储的能量。
当通过开关电路102将初级绕组与输入电压断开时，在它们之间循环的电流(因而是通过这些绕组的磁通)降到零。次级绕组S21、S22和S23通过建立反向电压对磁通中的该改变做出反应，该反向电压驱动电流通过次级线圈，因为二极管D21、D22、D23现在是正向偏置的。该电流对电容器C21、C22、C23充电，并同时为输出端子210、220、230、240中任何输出端子对之间连接的任何电负载供电。因此，能量从变压器的场传递到电容器，且还传递到在输出端子210、220、230和240之间连接的任何电负载。
因为开关电路循环打开和闭合输入电压，由此为变压器TX21的初级绕组交替供电和断电，输出端子交替通过电容器中存储的电荷或通过次级绕组中建立的反向电压保持在一电势处。电容器C21、C22、C23用于减少施加在输出端子210、220、230、240中任何输出端子对上由该循环产生的电压变化，提供可被视为恒定DC输出的输出电压。因此，当正确调节电容和开关时间(或开关的工作周期)时，在输出端子210、220、230、240中每个输出端子对之间提供预定且基本上恒定的电压。
此外，在将基准电压施加到输出端子210、220、230、240中的一个输出端子时，剩余输出端子响应于通过绕组的磁通来相对于该电压调节其自身，因为所有的次级绕组都位于变压器的公共铁芯上。方便地，可以通过将相关输出端子连接到地轨来将这种基准电压选择为0V。因此，在实际中可将电源输出级200的相邻输出级连接到公共地，该公共地被施加在相邻输出级中间的输出端子(例如输出端子220或230)处。
如果想要在输出端子上输出相反极性的电压，可在设计阶段通过给予相关次级绕组相反的极性并改变串联二极管的正向偏置的方向来实现。此外，可以向图2的布置提供更多的输出级，其中，如图2布置中针对那些次级绕组示出的，每个额外的次级绕组与二极管串联并与电容器并联。对于每个额外的次级绕组，可提供额外的输出端子。
在图2的实施例中，包括次级绕组S21、S22和S23的变压器TX 21形成具有多个次级绕组的反激式转换器的一部分。然而，可以使用其他隔离型电源拓扑结构，例如正向转换器。
虽然未在图2中示出，可提供反馈来提高电源输出的稳定性。这种反馈可源自于次级导体S21、S22、S23中任一个或全部次级导体上的输出电压，并且可通过直接电连接或通过电隔离路线(例如，经由光耦合器)传送到开关电路202。开关电路202例如可以使用以上关于图1描述的PWM控制器来处理反馈信号并相应地调节开关元件(例如，晶体管)的行为。
在优选实施例中，每个输出端子保持相对于地的显著不同的电压，其中，第一输出端子210和第二输出端子220之间有第一电压差，第二输出端子220和第三输出端子230之间有第二电压差，第三输出端子230和第四输出端子240之间有第三电压差。组件被配置为使得第一输出端子210保持在比第二输出端子220的电势高15V的电势处，还使得第二输出端子220保持在比第三输出端子230的电势高5V的电势处，以及还使得第三输出端子230保持在比第四输出端子240的电势高5V的电势处。图3对此进行了示出，其第一(最左边的)列示出了输出端子210、220、230和240，以及其之间的相对电势差。要注意到，图3中示出的输出端子与图2中示出的类似标记的输出端子相同。通过这种方式，该三个次级绕组S21、S22和S23担当分压器，在所有次级绕组上的组合压降是25V。
为了获得图3中示出的输出端子之间的电压差，次级绕组S21、S22、S23上分别的绕数NS21、NS22、NS23必须具有以下关系：NS21＝3NS22，以及NS22＝NS23。电容器C21、C22和C23的电容将取决于诸如输出电流和开关频率之类的因素。例如，可以给出具有以下值的电容器：C21＝10μF、C22＝33μF以及C23＝33μF。
利用该布置，可以提供各种电源电压。这是通过将四个输出端子之一连接到基准电压以设置相应电压的值来实现的，该四个输出端子相对于地各自保持在该相应电压的值处。在该情况下，基准电压是0V，虽然可以使用其他基准电压值。因此，如图3的第二列示出的，如果将0V基准电压连接到输出端子220，输出端子210提供+15V的电压，以及输出端子240提供相对于地的-10V的电压。通过将输出端子210和240连接到功率电子设备的相应高输入功率轨和低输入功率轨，可以使用这两个输出端子来为IGBT开关驱动器提供电源需求。不使用剩余节点230，且在该配置不做出到该节点的连接。
备选地，如图3的第三列示出的，如果将0V基准电压连接到输出端子230，输出端子210提供+20V的电压，以及输出端子240提供相对于地的-5V的电压。通过将输出端子210和240连接到相应的电压轨，可以使用这两个输出端子来为SIC开关驱动器提供电源需求。在该配置中没有使用剩余输出端子220。
在图3的第4列(最右边)示出了另一备选。如果将0V基准电压连接到输出端子220，输出端子210提供+15V的电压，以及输出端子230提供相对于地的-5V的电压。通过将输出端子210和230连接到相应的电压轨，可以使用这两个输出端子来为MOSFET开关驱动器提供电源需求。在该配置中没有使用剩余输出端子240。
作为上述输出级配置的结果，相同的电源能够取决于电压轨所连接到的输出端子和连接到地基准的输出端子来为IGBT、SIC和MOSFET开关提供输出电压。因此，对连接到基准电压以及高输入功率轨和低输入功率轨的三个输出端子的选择用于选择改变在功率轨上提供的电压的第一电压差、第二电压差和第三电压差的不同组合。直接地，通过调节至输出端子的连接来为开关模式功率转换器或功率电子设备的不同变型重新配置电源。
在所有三种这些配置配置中使用了相同的基本电源：采用相同的输入电压，利用相同的开关电路、变压器以及初级绕组和次级绕组。电子组件(例如，二极管和电容器)具有相同的值。这种布置因此提高了电源的产生效率，因为其仅必须对单个电源而不是多个单独的电源提供合格性测试，该多个单独的电源要与利用不同类型晶体管的各个开关驱动器变型一起使用。
此外，与常规开关驱动器电源相比减少了上市时间，因为仅需要开发与所有的开关驱动器变型兼容使用的单个类型的电源。此外，减少了与制造有关的成本，因为始终使用相同的过程来产生相同的电源，而不是为不同的变型制造不同的电源。与营销电源相关联的成本也降低了，因为该电源广泛适用于所有的开关驱动器变型，并因此与产生各自要求以具体用户为目标的三个或更多个单独的电源的情况相比，可以以广泛的市场作为目标。
还存在输出连接电压的其他排列，这些排列可根据本实施例的电源导出。例如，如果将0V基准电压施加到输出端子240，则电源可以在输出端子210、220和230处分别提供+25V、+10V和+5V的电压。如果将0V基准电压施加到输出端子210，则电源可以在节点220、230和240处分别提供-15V、-20V和-25V的电压。虽然这些电压不是通常承认的用于功率开关驱动器的电压，能够输出这些电源的电源在其他应用中仍是有用的。
图4中的电源400示出了本发明的另一实施例。从电池或DC源向电源提400供输入电压Vin。和图2一样，虽然该输入电压在图4中仅是示意性地示出的，在使用中，当与变压器TX 41的初级绕组和输入电压Vin端子串联提供的开关电路导通时，该输入电压驱动电流通过变压器TX 41的初级绕组。要注意到，可以在高电压轨(Vin)和低电压轨(0V)之间提供电容器(图4中未示出)。在变压器TX 41上提供三个次级绕组S41、S42、S43。
第一次级线圈S41设置在变压器铁芯的第一端处。次级线圈S41的一端电连接到二极管D41的一个端子，且二极管D41的另一端子连接到节点41a。节点41a连接到第一输出端子410。如图中所示，二极管D41在次级线圈S41和第一输出端子之间正向偏置。二极管D41以图中示出的方向偏置。次级线圈S41的另一端电连接到节点41b。电容器C41连接在节点41a和41b之间，使得可与包括S41和D41的组合次级线圈和二极管单元并联。节点41a因而连接到输出端子410，以及节点41b连接到输出端子420。
以类似的方式设置第二次级线圈S42，第二次级线圈S42位于变压器铁芯的中间。因此，次级线圈S42的一端电连接到二极管D42的一个端子，且二极管D42的另一端子连接到节点42a。节点42a连接到输出端子430。如图中所示，二极管D42在次级线圈S42和输出端子430之间正向偏置。次级线圈S42的另一端连接到节点42b。电容器C42连接在节点42a和42b之间，使得可与包括S42和D42的组合次级线圈和二极管单元并联。节点42a因而连接到输出端子430，以及节点42b连接到输出端子440。
还类似地设置位于变压器铁芯的第二端的第三次级线圈S43。因此，次级线圈S43的一端电连接到二极管D43的一个端子，且二极管D43的另一端子连接到节点43a。节点43a连接到输出端子450。如图中所示，二极管D43在次级线圈S43和输出端子450之间正向偏置。次级线圈S43的另一端连接到节点43b。电容器C43连接在节点43a和43b之间，使得可与包括S43和D43的组合次级线圈和二极管单元并联。节点43a因而连接到输出端子450，以及节点43b连接到输出端子460。
关于可以如何连接输出端子以获得所想要的电源电压，在本实施例中提供的六个分别的输出端子410、420、430、440、450、460允许增加灵活性。例如，可以向不同的输出端子施加不同的基准电压，其结果是修改了针对该级在其他输出端子处相对于地的电压。此外，通过将两个或更多个输出端子连接到相同的基准电压或将其彼此连接，可以重新创建类似于图2中所示的阶梯状布置的部分阶梯状布置。然而，在这种实施例中，电源将会要求更多的连接管脚并因此可能具有更大的物理尺寸，且还将会要求更复杂的连接以进行使用。
上述实施例不限于利用IGBT、SIC或MOSFET技术的功率电子设备的电源，而是可以容易地与其他功率开关技术(例如，砷化镓设备)一起使用。
对上述示例实施例的各种修改是可能的，且对于本领域技术人员而言将在不背离本发明由以下权利要求限定的范围的情况下进行。

Claims (17)

1.一种功率开关驱动器电源电路，所述功率开关驱动器电源电路在向功率电子设备供电的过程中使用，所述功率电子设备具有相同类型的一个或多个晶体管以及用于向所述一个或多个晶体管供电的高输入功率轨和低输入功率轨，晶体管类型包括第一类型、第二类型和第三类型，所述功率开关驱动器电源电路包括：
用于接收输入功率的一对输入端子；以及
用于向所述功率电子设备输出功率的四个输出端子，其中，当输入电压施加到所述输入端子上时，所述四个输出端子中的每个输出端子保持在相对于地的显著不同的电压处，在第一输出端子和第二输出端子之间存在第一电压差，在第二输出端子和第三输出端子之间存在第二电压差，以及在第三输出端子和第四输出端子之间存在第三电压差，
其中，在使用中：
所述四个输出端子中的一个输出端子连接到基准电压以设置所述四个输出端子相对于地各自保持的相应电压的值；
剩余三个输出端子中的两个输出端子连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨，由此在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供输入电压差；以及
其中，通过从所述四个输出端子中选择连接到所述基准电压以及所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨的三个输出端子来选择所述第一电压差、所述第二电压差以及所述第三电压差的不同组合，以根据所述晶体管类型是第一类型、第二类型还是第三类型来改变在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供的所述输入电压差，
其中，所述第一电压差基本上等于15V，所述第二电压差基本上等于5V，所述第三电压差基本上等于5V，以及所述基准电压是地电压，
其中，在使用中：
当所述晶体管类型是第一类型时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-10V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；
当所述晶体管类型是第二类型时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+20V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第三输出端子连接到所述基准电压，以及所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；以及
当所述晶体管类型是第三类型时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及所述第三输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨。
2.根据权利要求1所述的功率开关驱动器电源电路，还包括变压器，所述变压器包括初级绕组和多个次级绕组，所述输入电压施加在所述初级绕组上，所述多个次级绕组操作用于设置在将输入电压施加在所述输入端子上时所述四个输出端子相对于彼此的电压。
3.根据权利要求2所述的功率开关驱动器电源电路，包括三个输出级，每个输出级包括：
次级绕组；
与所述次级绕组串联设置的二极管；以及
与所述次级绕组并联设置的电容器；
其中，所述电容器的第一端子连接到所述输出级的第一端子；以及
所述电容器的第二端子连接到所述输出级的第二端子。
4.根据权利要求3所述的功率开关驱动器电源电路，其中，在使用中：
包括所述三个输出级中每个输出级的第一端子和第二端子在内的六个端子中的两对端子连接在一起，以提供所述四个输出端子中的两个输出端子。
5.根据权利要求2所述的功率开关驱动器电源电路，其中，次级绕组的数目比输出端子的数目小1。
6.一种包括功率电子设备和功率开关驱动器电源电路的***，
其中所述功率电子设备具有相同类型的一个或多个晶体管以及用于向所述一个或多个晶体管供电的高输入功率轨和低输入功率轨，晶体管类型包括第一类型、第二类型和第三类型；以及
所述功率开关驱动器电源电路，用于在向所述功率电子设备供电时使用，所述功率开关驱动器电源电路包括：
用于接收输入功率的一对输入端子；以及
用于向所述功率电子设备输出功率的四个输出端子，其中，当输入电压施加到所述输入端子上时，所述四个输出端子中的每个输出端子保持在相对于地的显著不同的电压处，在第一输出端子和第二输出端子之间存在第一电压差，在第二输出端子和第三输出端子之间存在第二电压差，以及在第三输出端子和第四输出端子之间存在第三电压差，
其中：
所述四个输出端子中的一个输出端子连接到基准电压以设置所述四个输出端子相对于地各自保持的相应电压的值；
剩余三个输出端子中的两个输出端子连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨，由此在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供输入电压差；以及
其中，通过从所述四个输出端子中选择连接到所述基准电压以及所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨的三个输出端子来选择所述第一电压差、所述第二电压差以及所述第三电压差的不同组合，以根据晶体管类型是第一类型、第二类型还是第三类型来改变在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供的所述输入电压差，
其中，所述第一电压差基本上等于15V，所述第二电压差基本上等于5V，所述第三电压差基本上等于5V，以及所述基准电压是地电压，
其中，在使用中：
当所述晶体管类型是第一类型时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-10V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；
当所述晶体管类型是第二类型时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+20V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第三输出端子连接到所述基准电压，以及所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；以及
当所述晶体管类型是第三类型时，所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及所述第三输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨。
7.根据权利要求6所述的***，其中，所述功率开关驱动器电源电路还包括变压器，所述变压器包括初级绕组和多个次级绕组，所述输入电压施加在所述初级绕组上，所述多个次级绕组操作用于设置在将输入电压施加在所述输入端子上时所述四个输出端子相对于彼此的电压。
8.根据权利要求7所述的***，其中，所述功率开关驱动器电源电路还包括三个输出级，每个输出级包括：
次级绕组；
与所述次级绕组串联设置的二极管；以及
与所述次级绕组并联设置的电容器；
其中，所述电容器的第一端子连接到所述输出级的第一端子；以及
所述电容器的第二端子连接到所述输出级的第二端子。
9.根据权利要求8所述的***，其中，在使用中：
包括所述三个输出级中每个输出级的第一端子和第二端子在内的六个端子中的两对端子连接在一起，以提供所述四个输出端子中的两个输出端子。
10.根据权利要求7所述的***，其中，次级绕组的数目比输出端子的数目小1。
11.一种从功率开关驱动器电源电路向功率电子设备供电的方法，所述功率电子设备具有相同类型的一个或多个晶体管以及用于向所述一个或多个晶体管供电的高输入功率轨和低输入功率轨，晶体管类型包括第一类型、第二类型和第三类型，所述方法包括：
a)提供功率开关驱动器电源电路，所述功率开关驱动器电源电路包括：
用于接收输入功率的一对输入端子；以及
用于向所述功率电子设备输出功率的四个输出端子，其中，当输入电压施加到所述输入端子上时，所述四个输出端子中的每个输出端子保持在相对于地的显著不同的电压处，在第一输出端子和第二输出端子之间存在第一电压差，在第二输出端子和第三输出端子之间存在第二电压差，以及在第三输出端子和第四输出端子之间存在第三电压差，
b)从所述四个输出端子中选择连接到基准电压以及所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨的三个输出端子，由此选择所述第一电压差、所述第二电压差以及所述第三电压差的不同组合，以根据所述晶体管类型是第一类型、第二类型还是第三类型来在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供输入电压差；
c)将所述基准电压连接到所选输出端子，以设置所述四个输出端子相对于地各自保持的相应电压的值；以及
d)将所述功率电子设备的所述高输入功率轨和所述低输入功率轨连接到所选输出端子，以在所述高输入功率轨和所述低输入功率轨之间提供输入电压差，
其中，所述第一电压差基本上等于15V，所述第二电压差基本上等于5V，所述第三电压差基本上等于5V，以及所述基准电压是地电压，
当所述晶体管类型是第一类型时，将所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并将所述第一输出端子连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，将所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及将所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-10V处并将所述第四输出端子连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；
当所述晶体管类型是第二类型时，将所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+20V处并将所述第一输出端子连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，将所述第三输出端子连接到所述基准电压，以及将所述第四输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并将所述第四输出端子连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨；以及
当所述晶体管类型是第三类型时，将所述第一输出端子基本上保持在相对于地的+15V处并将所述第一输出端子连接到所述功率电子设备的所述高输入功率轨，将所述第二输出端子连接到所述基准电压，以及将所述第三输出端子基本上保持在相对于地的-5V处并将所述第三输出端子连接到所述功率电子设备的所述低输入功率轨。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述功率开关驱动器电源电路还包括变压器，所述变压器包括初级绕组和多个次级绕组，所述输入电压施加在所述初级绕组上，所述多个次级绕组操作用于设置在将输入电压施加在所述输入端子上时所述四个输出端子相对于彼此的电压。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述功率开关驱动器电源电路还包括三个输出级，每个输出级包括：
次级绕组；
与所述次级绕组串联设置的二极管；
以及与所述次级绕组并联设置的电容器；
其中，所述电容器的第一端子连接到所述输出级的第一端子；以及
所述电容器的第二端子连接到所述输出级的第二端子。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将包括所述三个输出级中每个输出级的第一端子和第二端子在内的六个端子中的两对端子连接在一起，以提供所述四个输出端子中的两个输出端子。
15.根据权利要求12任一项所述的方法，其中，次级绕组的数目比输出端子的数目小1。
16.一种从电源电路向不同类型的晶体管供电的方法，包括：
a)提供电源电路，所述电源电路包括：
产生第一电压的第一输出级；
产生第二电压的第二输出级；
产生第三电压的第三输出级；
连接到所述第一输出级的第一侧的第一输出端子；
连接到所述第一输出级的第二侧并连接到所述第二输出级的第一侧的第二输出端子；
连接到所述第二输出级的第二侧并连接到所述第三输出级的第一侧的第三输出端子；以及
连接到所述第三输出级的第二侧的第四输出端子；
b)在所述第一输出端子到所述第四输出端子中确定正端子、接地端子、负端子和未连接端子，以提供适于所选晶体管的正电压和负电压；以及
c)将所述正端子和所述负端子连接到所选晶体管，并将所述接地端子连接到地，以向所选晶体管供给所述正电压和所述负电压。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，步骤b)包括：
确定所述第一输出端子是所述正端子；
基于以下条件确定所述接地端子、所述负端子和所述未连接端子：
i)对于第一所选晶体管，所述第二输出端子是接地端子，所述第三输出端子是所述未连接端子，且所述第四输出端子是所述负端子，从而提供等于所述第一电压的正电压和等于所述第二电压与所述第三电压之和的负电压，
ii)对于第二所选晶体管，所述第二输出端子是未连接端子，所述第三输出端子是所述接地端子，且所述第四输出端子是所述负端子，从而提供等于所述第一电压与所述第二电压之和的正电压和等于所述第三电压的负电压，以及
iii)对于第三所选晶体管，所述第二输出端子是接地端子，所述第三输出端子是所述负端子，且所述第四输出端子是所述未连接端子，从而提供等于所述第一电压的正电压和等于所述第二电压的负电压。
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