CN108683336B - 一种反激式有源钳位驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种反激式有源钳位驱动电路，此电路简单、可靠、稳定。本发明的驱动电路的输入电压的升高或者降低的过程中，占空比也在随之改变，而钳位管驱动电路的驱动器的电压保持稳定，不随输入电压的变化而变化；无需再增加变压器绕组，且产品可集成化设计；无需增加器件，降低成本；不需要自举二极管，降低了产品的损耗，提高产品的效率。

Description

一种反激式有源钳位驱动电路

技术领域

本发明涉及到一种驱动电路，特别涉及到开关电源中反激式有源钳位电路的驱动电路。

背景技术

众所周知，反激式有源钳位电路根据钳位网络的不同，有两种电路结构，一种是高边钳位的反激式有源钳位电路，其钳位网络使用和主开关管一样的N沟道场效应管，另一种是低边钳位的反激式有源钳位电路，其钳位网络使用P沟道场效应管。由于P沟道场效应管成本高，且其漏源极电压应力通常不超过200VDC，因而其使用范围非常受限，通常我们都使用高边钳位的反激式有源钳位电路，这样一来，钳位网络中的N沟道场效应管需要隔离驱动，通常我们叫钳位网络中的N沟道场效应管为钳位管。

传统的高边钳位的反激式有源钳位电路的钳位管驱动有两种方式，一种称作栅极驱动自举电路，另外一种称作磁隔离驱动电路。

传统的栅极驱动自举电路的电路图如附图1所示，其工作原理是：脉冲信号控制N沟道场效应管Q1的导通和关断，当Q1导通的时候，Q1的漏极被拉低到地，此时Vcc通过D2对C3进行充电，电压充至Vcc。当Q1驱动脉冲为低电平的时候，Q1关断，Q1的漏极电压升高至Vin+NVo(其中N为原边和副边的匝数比)，因为C2电容上面的电压不能突变，C2两端的电压仍为Vg2，用于驱动辅管Q2的开通。

二极管D2的作用，是限制电容C3反馈电流给Vcc，从而让电容C3上面的电荷全部用于Q2的驱动。这个C3电容一般称为自举电容，二极管D2需要选用恢复特性好的超快恢复二极管，防止因其反向恢复造成C3电容上面电荷不足从而造成对N沟道场效应管Q2的驱动不足。

传统的栅极驱动自举电路，电路中D2因为存在反向恢复的过程，因此存在以下几点问题：

1.器件选型限制。肖特基二极管的反向恢复时间是10ns以内，其应力在200V以内；超快恢复二极管的反向恢复时间在100ns以内，其应力一般可以达到1000V。对于低压输入的DC-DC产品，D2可以选取肖特基二极管，对于AC-DC输入的产品，D2一般选取超快管；

2.反向恢复损耗。AC-DC输入的产品，D2选用超快管，在场效应管Q1关断之后，场效应管Q1的漏极电压迅速上升至(Vin+NVo)，二极管D2从正向导通到反向关断的时间内存在反向恢复损耗，牺牲了产品的效率；

3.影响自举电容电压。超快管的反向恢复时间是100ns以内，二极管D3反向恢复过程中，反向恢复电流抽取自举电容C3上的电荷，易造成自举电容C3的电压下降，严重将影响钳位管Q2的驱动。

传统的磁隔离驱动电路的电路图如附图2所示，其中电容C1为输入端隔直电容，T1为隔离变压器，Q0为被驱动的高边N沟道场效应管，Cgs为Q0的等效输入电容。V1是脉冲宽度调制驱动器的输出电压，Vp是变压器输入端的电压，Vs是该磁隔离驱动器的输出电压，图2所示电路波形请参考图3所示。假设稳态时该驱动器输出信号的周期为T，占空比为D，幅值为Vcc，同时假设变压器T1的输入输出匝比为1，那么稳态时输入端隔直电容C1上的电压为DVcc。其工作原理是：

在V1为高电平时，Vs也为高电平，其幅值为(V1-Vc1)，即(1-D)Vcc。

在V1为低电平时，Vs为负电平，其幅值为(-Vc1)，即DVcc。

传统的磁隔离驱动电路缺陷为：

1.当输入电压升高从而造成驱动器的占空比D较小时，Vs的高电平幅值(1-D)Vcc较大，可能超过Q0的Vgs能够承受的最大电压，从而造成Q0的损坏；

2.当前产品发展的目标是集成化和小型化，尤其是越来越多的变压器采用平面变压器的设计，平面变压器的限制是绕组的线径、匝数和绕组的数量，磁隔离驱动需要多加一个绕组，对产品的集成化和小型化设计很不利。

基于上述两种传统的驱动电路，本发明人针对现有的隔离驱动装置深入研究，并经多次改进，本案由此产生。

发明内容

本发明公开一种反激式有源钳位电路驱动电路，尤其涉及到反激式有源钳位电路的钳位管驱动电路，此电路简单、可靠、稳定，不随输入电压的变化而变化，无需自举二极管，避免了反向恢复损耗，无需增加变压器绕组，可集成，节约成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种反激式有源钳位驱动电路，包括反激式有源钳位电路、钳位管驱动电路；反激式有源钳位电路包括一变压器，第一N沟道场效应管，第一电容、第二电容，第一二极管，一钳位网络，变压器包括原边绕组、副边绕组，钳位网络至少包括阳极和阴极，副边绕组异名端与第一二极管的阳极连接，第一二极管阴极与第二电容一端连接，并形成输出正，副边绕组同名端与第二电容另一端连接，并形成输出负；输入直流电源的正端同时与第一电容的一端、原边绕组同名端、钳位网络的阴极相连，原边绕组异名端与钳位网络的阳极、第一N沟道场效应管的漏极相连；第一N沟道场效应管的源极连接第一电容的另一端，连接点同时连接输入直流电源的负端，第一N沟道场效应管的栅极连接驱动控制信号；钳位网络至少包括第三电容、第四电容和第二N沟道场效应管，第三电容、第四电容和第二N沟道场效应管三者串联，串联方式为以下两种方式之一：

(1)方式一：第三电容的一端为钳位网络的阳极，第三电容的另一端连接第四电容的一端，第四电容的另一端连接第二N沟道场效应管的源极，第二N沟道场效应管的漏极为钳位网络的阴极，第二N沟道场效应管的栅极连接驱动器的输出端口；

(2)方式二：第四电容的一端为钳位网络的阳极，第四电容的另一端连接第二N沟道场效应管的源极，第二N沟道场效应管的漏极连接第三电容的一端，第三电容的另一端为钳位网络的阴极，第二N沟道场效应管的栅极连接驱动器的输出端口。

钳位管驱动电路包括一驱动器，驱动器包括但不仅限于以下端口：输入端口、输出端口、供电端口、浮地端口，输入端口接控制信号，输出端口为第二N沟道场效应管的栅极提供钳位控制信号，供电端口和浮地端口根据钳位网络的方式其连接方式分为两种：

(1)按照方式一的钳位网络，浮地端口接第四电容与第二N沟道场效应管的源极的连接节点，供电端口接第四电容与第三电容的连接节点；

(2)按照方式二的钳位网络，浮地端口接第四电容与第二N沟道场效应管的源极的连接节点，供电端口接钳位网络的阳极。

反激式有源钳位电路中，钳位管驱动电路的驱动器的电压由钳位网络的第四电容提供。

作为上述方案的第一种改进，其特征在于：在第四电容两端并联一第三二极管，第三二极管的阳极接第四电容与驱动器浮地端口的连接节点，第三二极管的阴极根据钳位网络的方式其连接方式分为两种分为两种：

(1)按照方式一的钳位网络，第三二极管的阴极接第四电容与第三电容的连接节点；

(2)按照方式二的钳位网络，第三二极管的阴极接钳位网络的阳极。

还包括一个整流滤波网络，整流滤波网络包括第四二极管和第五电容，第四二极管的阳极连接第三二极管的阴极，第四二极管的阴极连接第五电容的一端和驱动器的供电端口；第五电容的另一端连接到驱动器的浮地端口。

作为上述方案的第二种改进，其特征在于：在第三电容两端并联一稳压管，稳压管的连接方式根据钳位网络的不同有两种：

(1)按照方式一的钳位网络，稳压管的阳极接第三电容与第四电容的节点，稳压管的阴极接钳位网络的阳极；

(2)按照方式二的钳位网络，稳压管的阴极接第三电容和第二N沟道场效应管漏极的连接节点，稳压管的阳极接钳位网络的阴极。

作为上述方案的第三种改进，其特征在于：在第四电容两端并联一第三二极管，在第三电容两端并联一稳压管。第三二极管的阳极接第四电容与驱动器浮地端口的节点，第三二极管的阴极根据钳位网络的方式其连接方式分为两种分为两种：

(1)按照方式一的钳位网络，第三二极管的阴极接第四电容与第三电容的连接节点；

(2)按照方式二的钳位网络，第三二极管的阴极接钳位网络的阳极。

还包括一个整流滤波网络，整流滤波网络包括第四二极管和第五电容，第四二极管的阳极连接第三二极管的阴极，第四二极管的阴极连接第五电容的一端和驱动器的供电端口；第五电容的另一端连接到驱动器的浮地端口。稳压管的连接方式根据钳位网络的不同有两种：

(1)按照方式一的钳位网络，稳压管的阳极接第三电容与第四电容的连接节点，稳压管的阴极接钳位网络的阳极；

(2)按照方式二的钳位网络，稳压管的阴极接第三电容和第二N沟道场效应管漏极的连接节点，稳压管的阳极接钳位网络的阴极。

本发明的工作原理将结合实例详细讲解，本发明带来的有益效果为：

1.输入电压的升高或者降低的过程中，占空比也在随之改变，而钳位管驱动电路的驱动器的电压保持稳定，不随输入电压的变化而变化；

2.无需再增加变压器绕组，且产品可集成化设计；

3.无需增加器件，降低成本；

4.不需要自举二极管，降低了产品的损耗，提高产品的效率。

附图说明

图1是现有技术栅极驱动自举电路的电路图；

图2是现有技术磁隔离驱动电路的电路图；

图3是图2的关键点的电压波形图；

图4是本发明的第一实施例原理图之一，钳位网络采用方式一；

图5是本发明的第一实施例原理图之一，钳位网络采用方式二；

图6是本发明的第一实施例波形；

图7是本发明的第二实施例的原理图之一，钳位网络采用方式一；

图8是本发明的第二实施例的原理图之一，钳位网络采用方式二；

图9是本发明的第三实施例的原理图之一，钳位网络采用方式一；

图10是本发明的第三实施例的原理图之一，钳位网络采用方式二；

图11是本发明的第四实施例的原理图之一，钳位网络采用方式一；

图12是本发明的第四实施例的原理图之一，钳位网络采用方式二。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步说明。

实施例一

图4和图5示出了本发明第一实施例的反激式有源钳位电路的钳位管驱动电路的原理图，包括一变压器T1，第一N沟道场效应管Q1，第一电容C1、第二电容C2，第一二极管D1，钳位网络1，变压器T1包括原边绕组Np和副边绕组Ns，钳位网络1至少包括阴极和阳极，副边绕组Ns异名端与第一二极管D1阳极连接，第一二极管D1阴极与第二电容C2一端连接，并形成输出正，副边绕组Ns同名端与第二电容C2另一端连接，并形成输出地0V；输入直流电源Vin的正端Vin+同时与第一电容C1一端、原边绕组Np同名端、钳位网络1的阴极相连，原边绕组Np异名端与钳位网络1的阳极、第一N沟道场效应管Q1的漏极相连；第一N沟道场效应管Q1的源极连接第一电容C1的另一端，连接点同时连接输入直流电源Vin的负端Vin-，第一N沟道场效应管Q1的栅极连接驱动控制信号，钳位网络1至少包括第三电容C3、第四电容C4和第二N沟道场效应管Q2，第三电容C3、第四电容C4和第二N沟道场效应管Q2三者串联，串联方式为以下两种方式之一：

(1)方式一：第三电容C3的一端为钳位网络1的阳极，第三电容C3的另一端连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端连接第二N沟道场效应管Q2的源极，第二N沟道场效应管Q2的漏极为钳位网络1的阴极，第二N沟道场效应管Q2的栅极连接钳位控制信号；

(2)方式二：第三电容C3的一端为钳位网络1的阴极，第三电容C3的另一端连接第二N沟道场效应管Q2的漏极，第二N沟道场效应管Q2的源极连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端为钳位网络1的阳极，第二N沟道场效应管Q2的栅极连接钳位控制信号。

钳位管驱动电路包括一驱动器U1，驱动器U1包括但不仅限于以下端口：输入端口IN、输出端口OUT、供电端口VB、浮地端口VS，输入端口IN接输入控制信号，输出端口OUT为第二N沟道场效应管Q2的栅极提供钳位控制信号，供电端口VB和浮地端口VS根据钳位网络1的方式不同分为两种：

(1)按照方式一的钳位网络1，浮地端口VS接第四电容C4与第二N沟道场效应管Q2的源极的节点，供电端口VB接第四电容C4的另一端；

(2)按照方式二的钳位网络1，浮地端口VS接第四电容C4与第二N沟道场效应管Q2的源极的节点，供电端口VB接钳位网络1的阳极。

反激式有源钳位电路中，钳位管驱动电路的驱动器U1的电压由钳位网络1的第四电容C4提供。

同名端：图中绕组中以黑点标记的一端；

异名端：图中绕组中没有黑点标记的一端；

驱动控制信号：包括PWM脉冲宽度调制信号，PFM脉冲频率调制等各种方波；

钳位控制信号：包括PWM脉冲宽度调制信号，PFM脉冲频率调制等各种方波，与驱动控制信号相位不同，可以互补或者非互补；

结合图6的工作波形，阐述图4电路图的工作原理为：

t0时刻，Q1导通，Q2在此之前已经关断，输入电压Vin首先给激磁电感去磁，激磁电流I_Lm负向减小直到为0，之后输入电压Vin开始给激磁电感正向激磁，激磁电流I_Lm线性上升。

t1时刻Q1关断，进入死区时间，原边电流开始减小，Q1的寄生电容充电，Q2的寄生电容放电，钳位电容C3和C4两端的电压保持不变，并且C4两端的电压等于

t2时刻，Q1的漏源级电压充至超过(Vin+NVo)之后，原边的电流流过Q2的体二极管，同时副边整流二极管D1导通，漏感L_K和钳位电容(钳位电容是指C3和C4串联之后的电容，等于下文非具体说明外，钳位电容均指的是C3和C4串联之后的电容)谐振，同时Q1的漏源级电压被钳位在(Vin+NVo)。

t3时刻Q2零电压开通，钳位电容C3、C4和漏感L_K谐振，漏感电流I_LK继续给钳位电容C3和C4充电。激磁电流I_Lm继续减小到0之后，由于钳位电容C3和C4的作用开始反向激磁。

t4时刻Q2关断，谐振电流I_CR还未追上激磁电流I_Lm，副边还有电流存在，t4到t5时间段内Q2保持关断，谐振回路由原来的钳位电容C3、C4和漏感L_K谐振变为Q2和Q1的结电容与漏感L_K的谐振，谐振周期迅速减小。

t5时刻谐振电流I_CR追上激磁电流I_Lm，副边电流I_D1迅速降为0，t4到t5时间段内谐振回路抽取Q1结电容的能量，保证在t5时刻Q1零电压开通。

其中，第三电容C3和第四电容C4两端的电压等于NVO，左负而右正，第三电容C3和第四电容C4两端的电压稳定，纹波较小，第四电容C4上面的分压计算公式为：

通过合理设计第三电容C3和第四电容C4的值，就可以得到合适的VC4给钳位驱动电路的驱动器U1供电，用以驱动钳位管Q2。

实施例二

图7和图8为实施例一的第二种改进方式，以钳位网络采用方式一的图7为例，对实施例二进一步说明。实施例一中，当励磁电流较大或者第三电容C3远大于第四电容C4时，第四电容C4的纹波电压较大，甚至第四电容C4的电压可能至零。实施例二中在第四电容C4两端并联第三二极管D3，并增添由第四二极管D4、第五电容C5组成的整流滤波网络。通过整流滤波网络，第五电容C5两端可得到稳定的电压，使驱动器U1的供电电压保持稳定，继而使得第二N沟道场效应管Q2的栅极驱动电平稳定。方式一的钳位网络中，第三二极管D3的阳极与第四电容C4的一端、第五电容C5的一端、第二N沟道场效应管Q2的源极、驱动器U1的浮地端连接；第三二极管D3的阴极与第四电容C4的另一端、钳位网络的阳极、第四二极管D4的阳极连接；第四二极管D4的阴极与第五电容C5的另一端、驱动器的供电端连接；

若钳位网络采用方式二，则实施例一的第二种改进方式如图8所示，方式二的钳位网络中，第三二极管D3的阳极与第四电容C4的一端、第五电容C5的一端、第二N沟道场效应管Q2的源极、驱动器U1的浮地端连接；第三二极管D3的阴极与钳位网络的阳极、第四二极管D4的阳极连接；第四二极管D4的阴极与第五电容C5的另一端、驱动器U1的供电端连接。钳位网络采用方式二的原理与钳位网络采用方式一时基本一致。

实施例三

图9和图10是本发明的第一实施例的第二种改进方式，钳位网络分别采用方式一和方式二。实施例一中，当第二N沟道场效应管Q2的驱动电流较大时，第四电容C4电压容易逐步降低，第三电容C3电压容易逐步抬升。实施例二中，通过在第三电容上面并联一个稳压管D2，可以分别维持第三电容和第四电容两端电压的稳定，以便第四电容给驱动器稳定供电。D2的阴极连接C3的一端，D2的阳极连接C3的另一端。

实施例四

图11、图12为实施例一的第三种改进方式，钳位网络分别采用方式一和方式二。本改进方式为第一种改进方式与第二种改进方式结合的另一种改进方式。

以上公开的仅为本发明的优选实施例，但是本发明并非局限于此，如在钳位电路上面增加第五电容等方法，任何本领域的技术人员在未脱离本发明的核心思想的前提下对本发明进行的若干修饰均应该落在本发明权利要求的保护范围之类。

Claims (5)

1.一种反激式有源钳位驱动电路，包括反激式有源钳位电路、钳位管驱动电路；所述的反激式有源钳位电路包括一变压器、第一N沟道场效应管、第一电容、第二电容和第一二极管，变压器包括原边绕组、副边绕组，副边绕组异名端与第一二极管的阳极连接，第一二极管阴极与第二电容一端连接，并形成输出正，副边绕组同名端与第二电容另一端连接，并形成输出负；输入直流电源的正端同时与第一电容的一端、原边绕组同名端相连，原边绕组异名端与第一N沟道场效应管的漏极相连；第一N沟道场效应管的源极连接第一电容的另一端，连接点同时连接输入直流电源的负端，第一N沟道场效应管的栅极连接驱动控制信号，其特征在于：所述的反激式有源钳位电路还包括钳位网络，所述的钳位网络的阳极连接所述原边绕组的异名端，所述钳位网络的阴极连接输入直流电源的正端；

所述的钳位管驱动电路包括一驱动器，所述的驱动器包括以下端口：输入端口、输出端口、供电端口、浮地端口，所述的输入端口接钳位控制信号，所述的输出端口为所述的钳位网络提供控制信号，所述的钳位网络通过供电端口为所述的驱动器提供供电电压，所述的钳位网络同时通过浮地端口为所述的驱动器提供参考地。

2.根据权利要求1所述的一种反激式有源钳位驱动电路，其特征在于：所述的钳位网络包括第三电容、第四电容和第二N沟道场效应管，所述的第三电容、第四电容和第二N沟道场效应管的连接关系为以下两种方式之一：

方式一：所述的第三电容的一端为所述的钳位网络的阳极，所述的第三电容的另一端连接所述的第四电容的一端，所述的第四电容的另一端连接所述的第二N沟道场效应管的源极，所述的第二N沟道场效应管的漏极为所述的钳位网络的阴极，所述的第二N沟道场效应管的栅极连接所述驱动器的输出端口；所述的第四电容的一端连接所述驱动器的供电端口，为所述驱动器提供供电电压；所述第二N沟道场效应管的源极连接所述驱动器的浮地端口；

方式二：所述的第四电容的一端为所述的钳位网络的阳极，所述的第四电容的另一端连接所述的第二N沟道场效应管的源极，所述的第二N沟道场效应管的漏极连接所述的第三电容的一端，所述的第三电容的另一端为所述的钳位网络的阴极，所述的第二N沟道场效应管的栅极连接所述驱动器的输出端口；所述的第四电容的一端连接所述驱动器的供电端口，为所述驱动器提供供电电压；所述第二N沟道场效应管的源极连接所述驱动器的浮地端口。

3.根据权利要求2所述的一种反激式有源钳位驱动电路，其特征在于：所述的第四电容的两端并联了第三二极管，所述的第三二极管的阴极接所述的第四电容的一端，所述的第三二极管的阳极接所述的第四电容的另一端；还包括一个整流滤波网络，所述的整流滤波网络包括第四二极管和第五电容，所述第四二极管的阳极连接第三二极管的阴极，第四二极管的阴极连接第五电容的一端和驱动器的供电端口；第五电容的另一端连接到驱动器的浮地端口。

4.根据权利要求2或3所述的一种反激式有源钳位驱动电路，其特征在于：所述的钳位网络的第三电容两端并联一稳压管，所述的稳压管的阴极接所述的第三电容的一端，所述的稳压管的阳极接所述的第三电容的另一端。

5.根据权利要求4所述的一种反激式有源钳位驱动电路，其特征在于：所述的钳位网络的第四电容和第三电容分别是一个电容，或者分别由多个电容串联或并联构成。