[发明专利]具有隔离驱动电路的集成磁性元件

说明书

技术领域

本发明一般涉及开关模式功率转换器。更具体而言，本发明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。

背景技术

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MOSFET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Svardsjo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（MOSFET）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S₁和S₂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Q₁和Q₂(也称作初级可控功率开关)、电容器C₁和C₂、功率隔离变压器T₁、同步整流器S₁和S₂、输出电感器L₀以及电容器C₀。利用滤波电容器C₁和C₂分割输入电压V_IN。变压器T₁的初级绕组N_p的一端被连接到电容器C₁和C₂的共同节点，而第二端被连接到开关Q₁和Q₂的共同节点。两个次级绕组N_S1和N_S2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L₀和电容器C₀的低通输出滤波器。绕组N_S1的第二端被连接到同步整流器S₁，而绕组N_S2的第二端被连接到同步整流器S₂。选择变压器T₁绕组的极性，使得当开关Q₁接通时，同步整流器S₁接通且S₂断开。相反，当开关Q₂接通，同步整流器S₁断开且S₂接通。初级开关Q₁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。