适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路

本发明涉及电力电子应用技术，公开一类开关变换器拓扑，具体公开适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路，属于发电、变电或配电的。

背景技术：

1、近年来，随着电力电子技术的发展，变换器对半导体器件驱动电路的要求相应提高。光耦、隔离驱动芯片等驱动方式逐步替代脉冲变压器，实现更加可靠、高效的器件驱动。相应地，由于开关器件驱动本身的隔离需求，上述电路需要隔离供电电路以保证正常工作。

2、半导体器件驱动电路和其他辅助电路的供电电路又称辅助电源。在各类变换器中，出于拓扑本身工作原理和系统安全稳定运行的种种原因，辅助电源需要采用隔离开关电源的形式，往往需要具有高于变换器母线电压的隔离耐压能力。除此以外，辅助电源还应具有工作稳定可靠、低噪声低干扰的特点。

3、辅助电源采用的拓扑通常为反激和推挽，这两种拓扑具有电路结构简单、支持多路同时输出的优点。为了保证辅助电源的耐压性能和可靠绝缘，电路中通常不采用光耦作为副边电压反馈。其中，反激拓扑为了保证副边电压稳定，采用原边电压反馈；推挽拓扑输出电压在输入电压恒定时根据变压器匝比自然稳定，且输出电压随负载电流增加有轻微下垂的趋势。对于上述两种拓扑，由于稳压工作原理的限制，为了保证稳压效果，要求所采用的高频隔离变压器拥有较小的漏感。低漏感设计要求变压器原、副边绕组采用紧密绕制的设计，这样的设计在工作频率、耐压要求较低的场合能够同时满足漏感和耐压的要求。

4、随着半导体开关器件的发展，其开关速度、耐压水平逐步提升。目前较为先进的器件已经能够达到10kv以上的耐压、100kv/us以上的开关速度。相应地，与之相配合的驱动所采用的辅助电源应当具有耐压性能；同时也应当具有低共模寄生电容的特性，保证开关器件产生高dv/dt的情况下，由辅助电源变压器共模寄生电容产生的漏电流足够低，防止产生干扰。为了满足上述要求，辅助电源变压器难以采用传统的低漏感设计，取而代之的有如下实现方案：原、副边绕组分隔绕制、变压器串联、开放磁路磁芯或空心变压器的方案。上述变压器设计无法满足常规反激、推挽拓扑的使用要求，与这类变压器设计相匹配的一般为谐振型拓扑，通过谐振产生足够的励磁电流或者补偿漏感。谐振变换器凭借其能够利用寄生参数进行工作，加之其出色的软开关特性，在无线充电、感应加热等场合得到了充分的应用。在众多谐振变换器方案中，自激谐振变换器通过利用变换器振荡产生的周期信号来驱动开关管，使变换器自行维持工作。

5、推挽变换器相较于单端变换器有输出功率大、波形对称的优点，相较于半桥、全桥拓扑有驱动更简单的优点。推挽型自激变换器最早被g. h. royer于1954年提出，由两颗bjt开关管和一个带有反馈线圈的变压器构成，该类推挽型自激变换器在之后被统称为royer振荡器或royer变换器。该拓扑最早被提出时，依赖于晶体管或变压器的饱和进行换向，实现自激振荡。随后便提出通过在输出端增加一个电感，将变换器改为电流源型royer振荡器以降低开关器件压力。p. j. baxandall于1959年提出利用谐振进行换向的改进型谐振royer振荡器，改进过后的谐振royer振荡器输出电压变为正弦，同时实现了开关管的零电压开关。1990年后，随着液晶显示器逐步发展，谐振royer振荡器作为液晶显示器背光冷阴极灯管的升压驱动电路被迅速大规模推广应用，jim williams对于谐振royer振荡器在该场合的应用进行了详细的分析，并设计了相应的调光电路。

6、随着功率mosfet器件逐渐成熟，谐振royer振荡器的开关器件由bjt换为mosfet后，取消了反馈线圈，并通过mosfet的漏极电压直接反馈，经过驱动电路对电压信号进行处理后驱动mosfet。mosfet的低导通电阻特性使谐振royer振荡器可以工作在更大的电流、更高的功率。如图5所示，现有自激并联谐振变换器的电路结构通过连接恒压电源的电阻对mosfet栅极充电，利用二极管连接另一颗mosfet的漏极对栅极进行放电，保证mosfet栅极电压幅值可控、mosfet快速关断，由于电阻恒定且电源恒压，电阻在mosfet关断时将流过恒定的电流，产生非必要的损耗；当开关频率上升或mosfet规格提高导致mosfet输入电容 ciss较大时，此方案为了保证栅极可以迅速充电，需要降低驱动电阻，提高了栅极驱动损耗。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路，通过对栅极驱动部分进行修改，优化了传统方案栅极驱动速度和损耗，解决了采用mosfet的谐振royer振荡器难以工作在更高的工作频率和采用更高规格mosfet增加栅极驱动损耗的技术问题，实现谐振royer振荡器在高频、高效电能转换场合中的应用。

2、本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

3、适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路，包括：参考电压发生电路、谐振槽路、第一mosfet开关管、第二mosfet开关管以及栅极驱动电路；参考电压发生电路，接在输入端口正极和负极之间，用于根据输入端口的电压生成栅极驱动参考电压；谐振槽路，用于为驱动电路提供谐振条件、维持驱动电路正常运行，在输入端口电压的作用下向两个mosfet开关管的栅极电容提供能量或储存两个mosfet开关管栅极电容释放的能量；第一mosfet开关管的漏极连接所述谐振槽路的一端，第一mosfet开关管的源极连接输入端口的负极；第二mosfet开关管的漏极连接所述谐振槽路的另一端，第二mosfet开关管的源极连接输入端口的负极；栅极驱动电路，由共栅极连接的第一mosfet驱动管、第二mosfet驱动管，第一mosfet驱动管、第二mosfet驱动管的栅极共同接入所述参考电压发生电路生成的栅极驱动参考电压，第一mosfet驱动管的漏极连接所述第二mosfet开关管的漏极，第二mosfet驱动管的漏极连接所述第一mosfet开关管的漏极，第一mosfet驱动管的源极连接第一mosfet开关管的栅极，第二mosfet驱动管的源极连接第二mosfet开关管的栅极。

4、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，输入端口的正极和谐振槽路之间连接有输入电感。

5、根据谐振电感或作为负载的线圈、绕组的结构不同，适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路可分为有抽头型和无抽头型。若采用变压器或负载为感应加热、无线充电等应用的线圈构建谐振槽路，且变压器原边绕组或线圈的励磁电感满足变换器谐振运行的需求，谐振电感可以省去，并用绕组或线圈的励磁电感代替。

6、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，选用具有中心抽头的谐振电感构建谐振槽路，实现有抽头型驱动电路拓扑，谐振槽路由具有中心抽头的谐振电感、谐振电容和负载并联组成，谐振电感的一端、谐振电容的一极以及负载的一端相连接构成谐振槽路的一端，谐振电感的另一端、谐振电容的另一极以及负载的另一端相连接构成谐振槽路的另一端，谐振电感的中心抽头连接输入电感的一端，输入电感的另一端连接输入端口的正极。

7、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，选用原边绕组具有中心抽头的变压器构建谐振槽路，实现有抽头型驱动电路拓扑，谐振槽路包括：原边绕组具有中心抽头的变压器、谐振电容和负载，原边绕组励磁电感的一端与谐振电容的一极相连接构成谐振槽路的一端，原边绕组励磁电感的另一端与谐振电容的另一极相连接构成谐振槽路的另一端，原边绕组励磁电感的中心抽头连接输入电感的一端，输入电感的另一端连接输入端口的正极，所述负载接在变压器副边绕组两端之间。

8、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，选用原边绕组具有中心抽头的变压器构建谐振槽路，实现有抽头型驱动电路拓扑，谐振槽路包括：原边绕组具有中心抽头的变压器、谐振电容和负载，原边绕组励磁电感的一端、谐振电容的一极以及负载的一端相连接构成谐振槽路的一端，原边绕组励磁电感的另一端、谐振电容的另一极以及负载的另一端相连接构成谐振槽路的另一端，原边绕组励磁电感的中心抽头连接输入电感的一端，输入电感的另一端连接输入端口的正极，变压器副边绕组空载。

9、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，选用原边绕组无中心抽头的变压器构建谐振槽路，实现无抽头型驱动电路拓扑，谐振槽路包括：变压器、谐振电容和负载，输入电感包括第一输入电感和第二输入电感，变压器原边绕组励磁电感的一端与谐振电容的一极相连接构成谐振槽路的一端，变压器原边绕组励磁电感的另一端与谐振电容的另一极相连接构成谐振槽路的另一端，第一输入电感的一端连接第二mosfet开关管的漏极，第二输入电感的一端连接第一mosfet开关管的漏极，第一输入电感的另一端、第二输入电感的另一端均连接输入端口的正极，负载接在变压器副边绕组两端之间。

10、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，选用原边绕组无中心抽头的变压器构建谐振槽路，实现无抽头型驱动电路拓扑，谐振槽路包括：变压器、谐振电容和负载，输入电感包括第一输入电感和第二输入电感，变压器原边绕组励磁电感的一端、谐振电容的一极以及负载的一端相连接构成谐振槽路的一端，变压器原边绕组励磁电感的另一端、谐振电容的另一极以及负载的另一端相连接构成谐振槽路的另一端，第一输入电感的一端连接第二mosfet开关管的漏极，第二输入电感的一端连接第一mosfet开关管的漏极，第一输入电感的另一端、第二输入电感的另一端均连接输入端口的正极，变压器副边绕组空载。

11、作为采用变压器构建谐振槽路的有抽头型驱动电路拓扑以及无抽头型驱动电路拓扑，变压器原边绕组或线圈的励磁电感不能满足变换器谐振运行的需求时，谐振槽路还包括与谐振电容并联的谐振电感。

12、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，根据电路输入电压和设计使用的栅极驱动电压的大小关系，参考电压发生电路可以采用直通型、降压型和升压型；当电路输入端口电压和设计使用的栅极驱动电压差别不大时，采用直通型参考电压发生电路，直通型参考电压发生电路包括但不限于：并联在参考电压端口的旁路电容、连接在输入端口正极与参考电压端口之间的rc或lc滤波器；当电路输入端口电压显著高于设计使用的栅极驱动电压时，采用降压型参考电压发生电路，降压型参考电压发生电路包括但不限于：齐纳二极管稳压电路、线性降压电路以及开关降压电路；当电路输入端口电压显著低于设计使用的栅极驱动电压时，采用升压型参考电压发生电路，升压型参考电压发生电路包括但不限于：电荷泵、开关升压电路以及自供电升压型参考电压发生电路。

13、作为适用于高压开关器件的高频辅助电源变压器驱动电路的进一步优化方案，自供电升压型参考电压发生电路包括：启动二极管、电容、第一充电二极管、第二充电二极管、第一充电电阻、第二充电电阻、齐纳二极管，启动二极管的阳极连接输入端口的正极，启动二极管的阴极连接电容的正极，第一充电二极管的阳极连接第一mosfet开关管的漏极，第一充电二极管的阴极连接第一充电电阻的一端，第二充电二极管的阳极连接第二mosfet开关管的漏极，第二充电二极管的阴极连接第二充电电阻的一端，第一充电电阻的另一端、第二充电电阻的另一端以及齐纳二极管的阴极均与电容的正极相连接，电容的负极以及齐纳二极管的阳极均连接输入端口的负极。

14、作为进一步优化方案，可以将mosfet开关管替换为其他压控型开关器件，如hemt、igbt等。

15、作为进一步优化方案，可以在栅极驱动电路中添加改善栅极驱动特性的器件，如用于钳位栅极电压的齐纳管、用于控制开关速度的驱动电阻、电容、二极管等。

16、本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

17、（1）本发明所提高频辅助电源变压器驱动电路，通过与两只mosfet开关管构成推挽电路结构的两只mosfet驱动管优化栅极驱动电路，结构简单，提高栅极驱动的驱动能力，使royer振荡器可以应用于更高功率或更高频率的应用场合，相较于以往采用mosfet的谐振royer振荡器方案器件数量基本不变，保持了royer振荡器结构简单的优点。

18、（2）本发明所提高频辅助电源变压器驱动电路，在保证mosfet驱动电压稳定可控的前提下，大大提高了mosfet开关管栅极电压的充电电流，加快了栅极电压的上升速度，在更高的工作频率和采用更高规格的mosfet开关管时能够避免栅极驱动速度过慢的问题。

19、（3）本发明所提高频辅助电源变压器中，栅极驱动电路仅在mosfet开关管的栅极电压上升、下降沿产生驱动电流，避免了传统谐振royer振荡器方案中驱动电阻长时间导通造成的损耗。

20、（4）本发明所提高频辅助电源变压器驱动电路，通过有抽头电感或无抽头电感构建的谐振槽路为mosfet开关管栅极电容充放电，相较于传统方案中栅极驱动参考电压需要通过电阻给mosfet开关管栅极进行充电，且有持续的驱动电流的栅极参考电压生成方式，本发明生成栅极驱动参考电压的过程中无负载电流，可以降低参考电压发生电路的压力，在输入电压和栅极驱动电压不匹配的场合中能够使用更加简单的电路结构。

21、（5）本发明所提高频辅助电源变压器驱动电路，对栅极驱动电路的改进使栅极电压在开关管导通时间内更加稳定、不变，在开关管关断时间内更加接近于零，使对于栅极驱动电压要求更加严格的gan hemt可以应用于该电路中。