具有隔离驱动电路的集成磁性元件制造技术

开关模式功率转换器包括功率隔离变压器（T10）和驱动变压器（T20），具有其共同被缠绕在具有中心分支和外部分支的磁芯上的各种绕组。功率变压器的初级绕组和一个或多个次级绕组被缠绕在中心分支上，以及驱动变压器的第一和第二绕组被缠绕在外部分支上。初级控制电路控制一个或多个初级开关来将输入电压提供给初级绕组。次级控制电路控制次级绕组和负载之间连接的次级开关。另一控制电路至少部分基于反馈信号来控制初级和次级控制电路的操作。驱动变压器绕组被进一步配置为提供初级控制电路和同步整流器控制电路之间的隔离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有隔离驱动电路的集成磁性元件
本专利技术一般涉及开关模式功率转换器。更具体而言，本专利技术涉及用于提供被集成到功率变压器或功率电感器中的隔离驱动电路的方法和装置。
技术介绍
开关模式功率转换器通常使用电感器、变压器、电容器或其一些组合，作为储能元件来以离散脉冲将能量从输入源传送到输出负载。添加额外电路以在电路的负载限制内维持恒定电压或恒定电流。使用变压器允许将输出与输入源电隔离。对于DC/DC电源设计人员来说，行业中的新挑战要求更高的效率和功率密度。这已导致同步整流器的使用，同步整流器通过用M0SFET装置替代输出中的整流二极管来实现。在各种转换器拓扑结构中使用自驱同步整流器因为其简单性而具有吸引力并且流行。这主要是由于缺少对于用于输入侧开关和同步整流器的驱动信号之间额外隔离的需求。然而，简单性具有其缺点。这些缺点包括:(a)同步整流器和初级侧开关之间的交叉传导；(b)得自于功率变压器的驱动电压，随输入电压中的变化而变化并因而需要额外的钳位电路，并导致额外的损耗；以及(c)驱动信号之间的定时很大程度上取决于电路寄生。一个解决方案是使用直接驱动用于同步整流器，其在用于初级开关(输入侧)和同步整流器(输出侧)的驱动信号之间具有良好控制的定时。因而此解决方案允许同步整流器甚至在高开关频率下的有效操作。直接驱动的同步整流器的再一个好处是，驱动电压(栅极到源级)是恒定的且不依 赖输入电压，在宽输入电压范围上进一步提高了效率。现有技术中已提出了各种隔离驱动电路。用于提供隔离的最常见的技术是使用驱动变压器。已提出了使用驱动变压器的各种解决方案，所有这些都需要用于驱动变压器的单独的磁芯。由5^^(1幻_0在编号5，907，481的美国专利中提出了一种解决方案，其中PWM信号被馈送到用于初级侧开关的开关控制电路中，并被馈送到驱动变压器中，其中其输出为同步整流器馈送开关控制电路。此解决方案的缺点是驱动变压器仅将PWM信号从转换器的一侧传送到另一侧，并需要额外的开关控制电路以及用于驱动开关的功率源。编号6，804, 125和7，102, 898的美国专利中，Brkovic提出了一种改进的隔离驱动电路，其使用向初级开关和同步整流器提供功率和适当延迟的驱动变压器。该电路利用驱动变压器绕组的漏电感以及初级开关(M0SFET)的输入电容来提供必要的延迟。此电路进一步公开了根据甚至具有位于输出侧上的控制和反馈电路的次级侧上所感测的条件禁用或启用初级绕组的装置。图1中示出 了现有技术的隔离式DC至DC转换器，其采用了具有半桥式初级电路和采用同步整流器^和^的全波次级电路的双端DC至DC转换器。图1中的电路包括开关Qi和Q2 (也称作初级可控功率开关)、电容器q和C2、功率隔离变压器1\、同步整流器Si和S2、输出电感器L以及电容器Q。利用滤波电容器Q和C2分割输入电压VIN。变压器?\的初级绕组Np的一端被连接到电容器Q和C2的共同节点，而第二端被连接到开关Qi和Q2的共同节点。两个次级绕组NS1和NS2在共同节点CT处被中心分接。共同节点CT被连接到包括跨越转换器和负载的输出所连接的电感器U和电容器Q的低通输出滤波器。绕组NS1的第二端被连接到同步整流器S”而绕组NS2的第二端被连接到同步整流器S2。选择变压器?\绕组的极性，使得当开关Qi接通时，同步整流器Si接通且S2断开。相反，当开关Q2接通，同步整流器Si断开且S2接通。初级开关％和Q2被例示为MOSFET (目前常用的)，但也可被实现为IGBT或其他可控开关。输出电压VQUT被馈送到产生具有180度相移的两个输出信号0UTA和0UTB的控制电路(CONTROL CIRCUIT)中，该两个输出信号被馈送到产生分别用于驱动开关％、Q2、Si和S2的四个信号GQ^GQ^GSi和GS2的开关控制电路(SWITCH CONTROL CIRCUIT)中。示范图1中所示转换器中的电路操作的突出波形在图2中被图示。为了简化解释，假定所有电压波形(0UTA和0UTB除外)具有有限的上升和下降时间，且所有开关具有驱动信号的电压幅度的二分之一处的阈值电压。而且，为了解释的目的，上升和下降时间相对于开关周期Ts被夸大。在图2的波形中:tdl表示断开同步整流器S2和接通开关Qi之间的时间间隔。td2表示断开开关Qi和接通同步整流器S2之间的时间间隔。td3表示断开同步整流器Si和接通开关％之间的时间间隔。实践中，通常tdl~td3。td4表示断开开关Q2和接通同步整流器间的时间间隔。实践中，通常td2~td4。ta表示Vei从0到开关Qi的阈值电压的上升时间。这同样是电压VG1非零且为正，同时电压Vp仍为0的时间。tb表示Vei从驱动电压到开关％的阈值电压的下降时间。这同样是电压Vei非零且为正，同时电压vp非零且仍为正(Vin/2)的时间。td表示Ve2从驱动电压到开关Q2的阈值电压的上升时间。这同样是电压Ve2非零且为正，同时电压vp仍为0的时间。td表示Ve2从驱动电压到开关Q2的阈值电压的下降时间。这同样是电压Ve2非零且为正，同时电压vp非零且为负(_Vin/2 )的时间。tp表示Qi接通、电压Vp为正(Vin/2)、电压VS2为正、同时S2断开的时间。tn表示Q2接通、电压Vp为负(_ VIN/2)、电压VS1为正、同时Si断开的时间。Ts表示转换器的开关周期。D表示逻辑信号0UTA和0UTB的占空比，且被定义为半个开关周期Ts的一部分，在此期间信号0UTA和0UTB为逻辑高。0UTA和0UTB被相移了 180°，且决不会同时处于逻辑闻。在t=0处，信号0UTA变为高，同时信号0UTB为低。在同一时刻，电压Ves2开始下降，且当其降为0时，电压Vei开始上升。在时间ta之后，电压Vei达到Qi的阈值电压，且Qi被接通。在该时刻，电压VP开始上升到其正值Vin/2。注意，在时间ta期间，电压VP仍然为0(被在相反方向上在次级绕组NS1和NS2 二者中流动的输出电感器电流短路)。在时间tp期间，将功率通过开关Q1、初级绕组NP、次级绕组NS1、同步整流器Si和输出电感器U，从转换器的输入vIN传送到输出vQUT。在t=DTs/2处，信号0UTA变为零(逻辑低)，信号0UTB仍为低，电压Vei开始下降，并且在时间tb后，达到开关Qi的断开阈值，且Qi被断开。一旦电压Vei达到0，电压Ves2增加，并且在时间td2后，同步整流器S2在零电压VS2下被接通。注意，在时间tb期间，电压Vei一直下降，同时电压\处于Vin/2。在实际的实现中，电压在Vin/2下保持为正，直到Vei下降到零。在时间tx期间，输出电感器电流在两个次级绕组和导通同步整流器Si和S2之间被分割，引起跨越变压器T2的所有绕组的接近零的电压。在t=Ts/2处，信号0UTB变为高，同时信号0UTA为低。在同一时刻，电压Vesi开始下降，且当其降为0时，电压ve2开始上升。在时间t。之后，电压ve2达到q2的阈值电压，且Q2被接通。在该时刻，电压vp开始下降到其负值Vin/2。注意，在时间t。期间，电压Vp仍然为0(被在相反方向上在次级绕组NS1和NS2 二者中流动的输出电感器电流短路)。在时间tn期间，将功率通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关模式功率转换器，用于将来自输入源的输入电压转换为用于向被耦合到转换器负载端子的负载供应的输出电压，所述功率转换器包括：功率隔离变压器，进一步包括具有中心分支和外部分支的磁芯，功率变压器的一个或多个初级绕组和一个或多个次级绕组被缠绕在所述中心分支上；初级转换器电路，包括有效用以将所述输入电压供应给所述功率隔离变压器的一个或多个初级绕组的一个或多个初级可控功率开关；次级转换器电路，其与所述初级转换器电路完全隔离，并且包括可个别切换并被进一步耦合在所述一个或多个次级绕组和所述负载端子之间的一个或多个次级开关；初级开关控制电路，有效用以控制所述一个或多个初级可控功率开关的导通；次级开关控制电路，有效用以控制所述一个或多个次级开关的导通；控制电路，有效用以至少部分基于反馈信号来控制所述初级开关控制电路和所述次级开关控制电路的操作；以及驱动变压器，至少包括被缠绕在所述磁芯的外部分支上的第一和第二驱动变压器绕组，所述驱动变压器绕组被配置为提供用于控制所述初级和次级开关的功率，所述驱动变压器绕组进一步被配置为提供所述初级和次级控制电路之间的隔离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.23 US 61/4668241.一种开关模式功率转换器，用于将来自输入源的输入电压转换为用于向被稱合到转换器负载端子的负载供应的输出电压，所述功率转换器包括: 功率隔离变压器，进一步包括具有中心分支和外部分支的磁芯，功率变压器的一个或多个初级绕组和一个或多个次级绕组被缠绕在所述中心分支上； 初级转换器电路，包括有效用以将所述输入电压供应给所述功率隔离变压器的一个或多个初级绕组的一个或多个初级可控功率开关； 次级转换器电路，其与所述初级转换器电路完全隔离，并且包括可个别切换并被进一步耦合在所述一个或多个次级绕组和所述负载端子之间的一个或多个次级开关； 初级开关控制电路，有效用以控制所述一个或多个初级可控功率开关的导通； 次级开关控制电路，有效用以控制所述一个或多个次级开关的导通； 控制电路，有效用以至少部分基于反馈信号来控制所述初级开关控制电路和所述次级开关控制电路的操作；以及 驱动变压器，至少包括被缠绕在所述磁芯的外部分支上的第一和第二驱动变压器绕组，所述驱动变压器绕组被配置为提供用于控制所述初级和次级开关的功率，所述驱动变压器绕组进一步被配置为提供所述初级和次级控制电路之间的隔离。2.如权利要求1的开关模式功率转换器，除在接通和断开转变期间外，跨越初级绕组的电压具有与所述可控功率开关的驱动电压类似形状的电压波形。3.如权利要求2的开关模式功率转换器，所述磁芯包括具有中心分支和两个外部分支的E形磁芯。4.如权利要求3的开关模式功率转换器，包括: 用于每个初级可控功率开关的初级开关控制电路； 所述驱动变压器进一步包括缠绕在所述磁芯的外部分支上的两个或更多驱动变压器绕组，第一驱动变压器绕组被连接到所述控制电路，另一个驱动变压器绕组被连接到初级开关控制电路以控制所述初级可控开关的操作，以及提供用于控制所述初级可控功率开关的功率， 所述驱动变压器绕组进一步被配置为提供初级开关控制电路和同步整流器控制电路之间的隔离。5.如权利要求2的开关模式功率转换器，所述驱动变压器的绕组在所述外部分支上与彼此紧密耦合，以及进一步与所述功率变压器的绕组松散耦合，其中，在足以启动被耦合到所述功率变压器的所述可控开关的接通或断开的短时间段内，在所述驱动变压器的绕组和所述功率变压器的绕组中提供不同的电压波形。6.如权利要求5的开关模式功率转换器，进一步包括有源箝位电路，有效用以箝位不依赖于所述输入电压的用于功率开关、控制电路和同步整流器的驱动电压。7.如权利要求5的开关模式功率转换器，驱动变压器绕组以分布式方式被缠绕在所述磁芯的外部分支和中心分支二者上。8.如权利要求2的开关模式功率转换器，所述磁芯进一步包括所述中心分支中的间隙，在其上关联变压器绕组。9.如权利要求8的开关模式功率转换器，进一步包括有源箝位电路，有效用以箝位如由所述外部分支所感应的驱动电压的一部分。10. 如权利要求9的开关模式功率转换器，所述驱动变压器进一步有效用以经由第一驱动变压器绕组向控制电路和同步整流器控制电路提供功率。11.如权利要求1的开关模式功率转换器，包括: 输出电感器，进一步包括具有至少一个内部分支的电感器磁芯，被缠绕在内部分支上的绕组，除在其接通和断开转变期间外，所述绕组具有与所述初级可控开关的驱动电压波形的形状类似的形状的电压波形， 所述驱动变压器的绕组在所述电感器磁芯的外部分支上与彼此紧密耦合，以及进一步与所述输出电感器的绕组松散耦合，其中，在足以启动被耦合到所述功率变压器的所述可控开关的接通或断开的短时间段内，在所述驱动变压器的绕组和所述输出电感器的绕组中提供不同的电压波形。12.如权利要求11的开关模式功率转换器，所述驱动变压器绕组以分...

【专利技术属性】
技术研发人员：M布尔科维奇，
申请(专利权)人：保尔王有限公司，
类型：
国别省市：