[發明專利]具有隔離驅動電路的集成磁性元件有效

申請號：	201280024672.5	申請日：	2012-03-23
公開（公告）號：	CN103636108B	公開（公告）日：	2016-10-12
發明（設計）人：	M.布爾科維奇	申請（專利權）人：	派資本有限責任公司
主分類號：	H02M3/28	分類號：	H02M3/28
代理公司：	中國專利代理(香港)有限公司 72001	代理人：	蔣駿;徐紅燕
地址：	美國加利***	國省代碼：	美國;US
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摘要：
搜索關鍵詞：	具有隔離驅動電路集成磁性元件
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【說明書】：

技術領域

本發明一般涉及開關模式功率轉換器。更具體而言，本發明涉及用于提供被集成到功率變壓器或功率電感器中的隔離驅動電路的方法和裝置。

背景技術

開關模式功率轉換器通常使用電感器、變壓器、電容器或其一些組合，作為儲能元件來以離散脈沖將能量從輸入源傳送到輸出負載。添加額外電路以在電路的負載限制內維持恒定電壓或恒定電流。使用變壓器允許將輸出與輸入源電隔離。

對于DC/DC電源設計人員來說，行業中的新挑戰要求更高的效率和功率密度。這已導致同步整流器的使用，同步整流器通過用MOSFET裝置替代輸出中的整流二極管來實現。

在各種轉換器拓撲結構中使用自驅同步整流器因為其簡單性而具有吸引力并且流行。這主要是由于缺少對于用于輸入側開關和同步整流器的驅動信號之間額外隔離的需求。然而，簡單性具有其缺點。這些缺點包括：（a）同步整流器和初級側開關之間的交叉傳導；（b）得自于功率變壓器的驅動電壓，隨輸入電壓中的變化而變化并因而需要額外的鉗位電路，并導致額外的損耗；以及（c）驅動信號之間的定時很大程度上取決于電路寄生。

一個解決方案是使用直接驅動用于同步整流器，其在用于初級開關（輸入側）和同步整流器（輸出側）的驅動信號之間具有良好控制的定時。因而此解決方案允許同步整流器甚至在高開關頻率下的有效操作。直接驅動的同步整流器的再一個好處是，驅動電壓（柵極到源級）是恒定的且不依賴輸入電壓，在寬輸入電壓范圍上進一步提高了效率。

現有技術中已提出了各種隔離驅動電路。用于提供隔離的最常見的技術是使用驅動變壓器。已提出了使用驅動變壓器的各種解決方案，所有這些都需要用于驅動變壓器的單獨的磁芯。

由Svardsjo在編號5,907,481的美國專利中提出了一種解決方案，其中PWM信號被饋送到用于初級側開關的開關控制電路中，并被饋送到驅動變壓器中，其中其輸出為同步整流器饋送開關控制電路。此解決方案的缺點是驅動變壓器僅將PWM信號從轉換器的一側傳送到另一側，并需要額外的開關控制電路以及用于驅動開關的功率源。

編號6,804,125和7,102,898的美國專利中，Brkovic提出了一種改進的隔離驅動電路，其使用向初級開關和同步整流器提供功率和適當延遲的驅動變壓器。該電路利用驅動變壓器繞組的漏電感以及初級開關（MOSFET）的輸入電容來提供必要的延遲。此電路進一步公開了根據甚至具有位于輸出側上的控制和反饋電路的次級側上所感測的條件禁用或啟用初級繞組的裝置。

圖1中示出了現有技術的隔離式DC至DC轉換器，其采用了具有半橋式初級電路和采用同步整流器S₁和S₂的全波次級電路的雙端DC至DC轉換器。圖1中的電路包括開關Q₁和Q₂(也稱作初級可控功率開關)、電容器C₁和C₂、功率隔離變壓器T₁、同步整流器S₁和S₂、輸出電感器L₀以及電容器C₀。利用濾波電容器C₁和C₂分割輸入電壓V_IN。變壓器T₁的初級繞組N_p的一端被連接到電容器C₁和C₂的共同節點，而第二端被連接到開關Q₁和Q₂的共同節點。兩個次級繞組N_S1和N_S2在共同節點CT處被中心分接。共同節點CT被連接到包括跨越轉換器和負載的輸出所連接的電感器L₀和電容器C₀的低通輸出濾波器。繞組N_S1的第二端被連接到同步整流器S₁，而繞組N_S2的第二端被連接到同步整流器S₂。選擇變壓器T₁繞組的極性，使得當開關Q₁接通時，同步整流器S₁接通且S₂斷開。相反，當開關Q₂接通，同步整流器S₁斷開且S₂接通。初級開關Q₁和Q₂被例示為MOSFET（目前常用的），但也可被實現為IGBT或其他可控開關。