一種負(fù)載適應(yīng)的電流尖峰限制型功率管開(kāi)通方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高頻直流變換器的功率管驅(qū)動(dòng)電路領(lǐng)域，尤其是在功率管開(kāi)通速度的 實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高頻直流變換器中，驅(qū)動(dòng)電路是連接控制電路與主電路之間的橋梁，功率管的 驅(qū)動(dòng)電路影響其開(kāi)關(guān)速度、電壓及電流尖峰，也影響著變換器的EMI和變換器的工作效率。 然而，開(kāi)通速度與開(kāi)通損耗及開(kāi)通電流尖峰之間相互矛盾，功率管的開(kāi)通速度越快，其帶來(lái) 的開(kāi)通損耗越小，電流尖峰越大；開(kāi)通速度越慢，開(kāi)通損耗越大，但開(kāi)通電流尖峰會(huì)相對(duì)較 小，因此，驅(qū)動(dòng)電路合理的設(shè)計(jì)顯得尤其重要。
[0003] 附圖1為傳統(tǒng)的電壓源驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)功率管Q開(kāi)通時(shí)，由于存在續(xù)流二極管D的反 向恢復(fù)電流與結(jié)電容C ds的放電電流，這樣會(huì)在功率開(kāi)關(guān)管上產(chǎn)生一個(gè)電流尖峰，而且開(kāi)通 的速度越快，電流尖峰就越大。在實(shí)際電路工作中，當(dāng)負(fù)載越大時(shí)，流過(guò)Q的電流也越大，相 應(yīng)的功率管Q的開(kāi)通電流尖峰也就越大。所以，在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)變換器 工作在額定負(fù)載下功率管的電流應(yīng)力不大于器件本身額定值的原則來(lái)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式 下的功率管在額定負(fù)載下承受最大的電流尖峰，隨著負(fù)載的減小，電流尖峰隨之減小，電流 裕量則相應(yīng)增加，尤其當(dāng)變換器工作在輕載下電感進(jìn)入斷續(xù)模式工作時(shí)，這種現(xiàn)象更為明 顯。因此，在實(shí)際功率管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，功率管的開(kāi)通完全可設(shè)計(jì)為隨負(fù)載減小而加快 開(kāi)通速度，加快開(kāi)通速度必會(huì)帶來(lái)電流尖峰增大的問(wèn)題，但只要保證功率管的電流尖峰不 大于額定負(fù)載下的電流尖峰即可。這種設(shè)計(jì)的特征是：功率管的開(kāi)通速度越快，開(kāi)通損耗就 越小，從而可以提高變換器在低于額定負(fù)載下的工作效率，而且輕載下提高的更為明顯。另 外，在傳統(tǒng)的電壓源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)完后，驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)與開(kāi)通速度完全固定，不會(huì) 因?yàn)樽儞Q器負(fù)載的不同進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)開(kāi)通速度，為此，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出了一種負(fù)載適應(yīng) 的電流尖峰限制型功率管開(kāi)通方法，驅(qū)動(dòng)電路可以根據(jù)負(fù)載的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率管的開(kāi)通 速度，以提高變換器的工作效率，尤其是在輕載下的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種負(fù)載適應(yīng)的電流尖峰限制型功率管開(kāi)通方法。
[0005] 本發(fā)明所述的一種電流尖峰限制型功率管開(kāi)通方法的技術(shù)方案是：在一個(gè)高頻 直流變換器的功率管驅(qū)動(dòng)電路中，構(gòu)造一個(gè)可控電流源并將其串聯(lián)在驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)通回路 中，利用構(gòu)造的可控電流源對(duì)功率管的結(jié)電容進(jìn)行充電以開(kāi)通功率管，而可控電流源的輸 出電流大小受變換器的負(fù)載大小控制，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載適應(yīng)的功率管開(kāi)通速度實(shí)時(shí)控制。
[0006] 所述的功率管是高頻直流變換器中的主開(kāi)關(guān)管，不包括為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)通速度實(shí)時(shí)調(diào) 節(jié)目的而增加的輔助開(kāi)關(guān)管。
[0007] 所述的高頻直流變換器包括高頻非隔離型直流-直流變換器和高頻隔離型直 流-直流變換器。
[0008] 所述的功率管是全控型功率開(kāi)關(guān)器件或半控型功率開(kāi)關(guān)器件，包括功率MOSFET， IGBT，GT0,晶閘管等，但不限于這幾類(lèi)。
[0009] 所述功率管驅(qū)動(dòng)電路，如附圖2所示，功率管的驅(qū)動(dòng)電路主要由正電源V。。，驅(qū)動(dòng)信 號(hào)源U pwm，開(kāi)關(guān)管(^和Q2，驅(qū)動(dòng)電阻Rgl、Rg2、R g3，限流電阻R。，二極管D1J2和穩(wěn)壓二極管VD i 以及可控電流源CCCS構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)脈沖源uPWM接驅(qū)動(dòng)電阻Rgl的左端，Rgl的右端接開(kāi)關(guān)管Q i 的柵極,Q1的漏極與驅(qū)動(dòng)電阻Rg2的左端及限流電阻R。的下端相連，電阻R。的上端接正電源 V。。，驅(qū)動(dòng)電阻Rg2的右端與開(kāi)關(guān)管Q 2的柵極相連，Q 2的漏極與二極管D 4勺陰極、D 2的陽(yáng)極、 穩(wěn)壓二極管VD1的陰極及驅(qū)動(dòng)電阻Rg3的左端相連接，VD i的陽(yáng)極接可控電流源CCCS的輸出 端，CCCS的另一端接地，二極管02的陰極接V驅(qū)動(dòng)電阻Rg3的右端接被驅(qū)動(dòng)的功率管Q的 柵極，另外，開(kāi)關(guān)管Q 1A2的源極和穩(wěn)壓二極管VD i的陽(yáng)極均接地。附圖2中的CgsXgd和Cds 為主功率開(kāi)關(guān)管Q的結(jié)電容，1^為電路回路寄生電感，D為續(xù)流二極管。
[0010] 所述的驅(qū)動(dòng)電路工作原理是這樣的：當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)源uPWM由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)， 開(kāi)關(guān)管仏迅速導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管Q 2則迅速關(guān)斷，可控電流源CCCS的輸出電流i給功率管的結(jié) 電容Cgs充電以開(kāi)通功率管Q，當(dāng)功率管Q的柵源極電壓u gs大于正電源V時(shí)，二極管D 2導(dǎo) 通，V。。將電壓Ugs箝位在V。。，同時(shí)穩(wěn)壓二極管VD^其進(jìn)行穩(wěn)壓保護(hù)作用。因此，從中可得 知iji大，u gs上升的越快，反之越慢，這樣i J勺大小決定了功率管Q的開(kāi)通速度。當(dāng)驅(qū)動(dòng) 信號(hào)源uPWM由高電平變低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管q 速關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管Q 2則迅速導(dǎo)通，寄生電容C gs 通過(guò)RjP Q2放電以關(guān)斷功率管Q。此處說(shuō)明的是所選的開(kāi)關(guān)管Q i、Q2的開(kāi)關(guān)速度要快于 被驅(qū)動(dòng)的功率管Q。
[0011] 所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)源uPWM是高頻直流變換器控制器所產(chǎn)生的高頻脈沖信號(hào)，如附圖 3所示，該信號(hào)由控制器的輸出信號(hào)Ura與載波信號(hào)u p比較產(chǎn)生，當(dāng)u大于u p時(shí)，輸出的u PWM 信號(hào)為高電平；當(dāng)小于Up時(shí)，輸出的uPJ言號(hào)為低電平，u_信號(hào)的占空比為α。
[0012] 所述的控制器的輸出信號(hào)Ura由控制器的環(huán)路產(chǎn)生，一般為電流環(huán)的輸出，載波信 號(hào)U p為三角波或者鋸齒波。
[0013] 所述的可控電流源為電流控制電流源（CCCS)，如附圖4所示，指令電流為隨負(fù)載 變化的電流環(huán)給定信號(hào):U f，iTOf經(jīng)過(guò)一個(gè)調(diào)節(jié)器G產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)通調(diào)節(jié)電壓u ρ調(diào)節(jié)電壓w 經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓控制電流源產(chǎn)生開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流去開(kāi)通功率管Q。因?yàn)閕 ?決定了 Q的開(kāi)通 速度，而又由i 調(diào)節(jié)，這樣Q的開(kāi)通速度隨負(fù)載變化得以實(shí)時(shí)控制。但這種電流控制 電流源不限于上述方法。
[0014] 所述的電壓控制電流源電路可由LT3086及外圍電路構(gòu)成，如附圖5所示，外圍電 路由芯片LT6650、電容C sl、電容Cs2、電容Cs3、電容Cs4、電容C s5和電阻R sl、Rmqn構(gòu)成，其中芯 片LT6650、電容Cs2、C s3構(gòu)成的一個(gè)400mv微電壓源。LT6650的IN引腳與正電源V電容 Cs2的上端、電容Csl的正極、LT3086的IN引腳及和引腳相連；電容Cs2的下端、LT6650 的GND引腳及電容C s3的下端相連且均接地；LT6650的OUT引腳及FB引腳與電容C s3的上端 和LT3086的SET引腳相連接，電容Cs3的下端接地；LT3086的IN引腳和引腳及電容 Csl的正極連接且共同與正電源V相連接，電容C sl的負(fù)極接地；LT3086的I MQN引腳與I UM 引腳共同與電阻Rsl、R_的上端相連，電阻R sl的下端接電容C s4的上端，電阻1?_的下端與 電容Cs4的下端且接于地；LT3086的GND引腳接地；LT3086的TRACK引腳接實(shí)時(shí)控制電壓 W;LT3086的OUT引腳接電容C s5的正極，C s5的負(fù)極接地，LT3086的OUT引腳輸出驅(qū)動(dòng)控制 電流1。";該電壓控制電流源即為T(mén)RACK引腳電壓u』空制OUT引腳輸出電流i m且二者關(guān)系 曲線(xiàn)如附圖6所示。
[0015] 所述的調(diào)節(jié)器G可由一個(gè)正電壓以咸去控制器的電流環(huán)輸出信號(hào)u構(gòu)成，如附 圖7所示。
[0016] 以下結(jié)合附圖2~附圖8說(shuō)明本發(fā)明的工作原理。
[0017] 在一個(gè)高頻直流變換器中，若輸入輸出電壓保持恒定，變換器的工作占空比α與 負(fù)載電流i。的關(guān)系曲線(xiàn)如附圖8所示，圖中A點(diǎn)是變換器電感電流連續(xù)與斷續(xù)的臨界工作 點(diǎn)，A點(diǎn)右邊是電感電流連續(xù)工作區(qū)，A點(diǎn)左側(cè)則為電感電流斷續(xù)區(qū)。在連續(xù)區(qū)，占空比α 隨負(fù)載電流增大緩慢上升，上升斜率??；在斷續(xù)區(qū)，占空比α隨負(fù)載電流增大快速上升，上 升斜率大。假設(shè)輕載條件下，變換器工作在B點(diǎn)附近，滿(mǎn)載下則工作在C點(diǎn)附近，則有 <ic^，（i rem<irem)JP α?< α ω，根據(jù)附圖 3 的關(guān)系，有 ucaW)<ucaW)，信號(hào) 1^經(jīng)調(diào) 節(jié)器G調(diào)節(jié)得到調(diào)節(jié)電壓U1^ > u ，uj言號(hào)經(jīng)電壓控制電流源（附圖5與附圖6)調(diào)節(jié)得 到i??> i 這意味著在B點(diǎn)功率管的驅(qū)動(dòng)開(kāi)通電流大于C點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)通電流，驅(qū)動(dòng)開(kāi) 通電流越大，功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通速度越快，由此可得，在變換器工作在B點(diǎn)附近時(shí)功率管的 開(kāi)通速度大于工作在C點(diǎn)附近時(shí)功率管的開(kāi)通速度?？梢?jiàn)，驅(qū)動(dòng)電流隨負(fù)載電流i。減 小而增大，這樣就實(shí)現(xiàn)了負(fù)載適應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通速度實(shí)時(shí)控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，變換器 在額定負(fù)載下功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通速度與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一致，就能夠獲得在小于額定負(fù)載下 功率開(kāi)關(guān)管有更高的開(kāi)通速度，尤其是輕載下，開(kāi)通速度更快，但是要確保輕載下開(kāi)通速度 快帶來(lái)的電流尖峰不超過(guò)額定負(fù)載下的電流尖峰。隨著開(kāi)通速度的加快，開(kāi)通損耗減小，從 而提高了變換器的工作