一种提高四模式FSBB效率的驱动电路及方法

一种提高四模式fsbb效率的驱动电路及方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术与电工技术领域，涉及一种提高四模式fsbb效率的驱动电路，特别涉及一种根据四模式四开关buck-boost变换器不同工作模式进行动态调整的驱动电路。


背景技术：

2.四开关buck-boost变换器是在双管buck-boost变换器的基础上，用同步整流管代替续流二极管而来的。同步整流管具有低导通压降以及电流双向流通的优势，使得四开关buck-boost变换器的效率得到了提升，同时可以实现能量的双向流动。但由于四开关buck-boost变换器中的开关管数量较多，开关管的开关损耗与导通损耗成为限制四开关buck-boost变换器效率提升的关键因素。由于四开关buck-boost变换器在buck模式与boost模式下均存在一个开关管常通的情况，此时不存在开关瞬态，可以适当提高常通开关管的正向驱动电压以降低导通电阻，实现开关管导通损耗的降低，从而提高变换器效率和功率密度。
3.目前文献中针对驱动电路中驱动电压的动态调整，常用的方法是采用两个输出电压不同的模块电源，并额外增加一对图腾柱结构电路，通过调节图腾柱结构电路中的控制管的开关时序，实现驱动电压绝对值的变化。这类方法常被用于改善开关管的开关特性，但是需要额外增设模块电源与驱动芯片，增加了成本与设计的复杂度，并会使得开关管的驱动电路面积增大，寄生电感增加；同时，该方法无法调节图腾柱结构电路中的驱动电平，该电平的大小由模块电源的输出电压所决定，因此驱动电压绝对值的调整范围将被限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种提高四模式fsbb效率的驱动电路，减小了四模式四开关buck-boost变换器中开关管在常通条件下的导通损耗，提升变换器效率；同时在开关管正常开关时动态改变正向驱动电压，确保了栅极可靠性。
5.本发明为实现上述目的采用如下技术方案：
6.本发明提出一种提高四模式fsbb效率的驱动电路，fsbb为四模式四开关buck-boost变换器，包括buck桥臂和boost桥臂，每个桥臂分别包括两个开关管，开关管的栅极连接驱动电路；驱动电路包括依次连接的正向驱动电压线性调节电路、正向驱动电压选择电路和图腾柱结构电路，所述图腾柱结构电路通过驱动电阻与开关管的栅极相连；正向驱动电压线性调节电路输出两路不同大小的正向驱动电压；正向驱动电压选择电路通过改变控制管的驱动信号选取一路正向驱动电压，并与图腾柱结构电路相连。
7.进一步的，正向驱动电压线性调节电路包括串联的隔离型模块电源和低压差线性调压器；其中，隔离型模块电源将fsbb的功率电路与驱动电路电气隔离，同时为驱动电路提供一个正向供电电压与负向供电电压；低压差线性调压器包括相互并联第一线性调压器和第二线性调压器，将模块电源提供的正向供电电压降压成不同大小的正向驱动电压。
8.进一步的，正向驱动电压选择电路包括第一控制管s1、第二控制管s2，第一控制管
s1、第二控制管s2分别串联所述第一线性调压器、第二线性调压器，通过改变控制管s1、s2的驱动信号，实现正向驱动电压的选取。
9.进一步的，图腾柱结构电路包括开通控制管s
on
和关断控制管s
off
，其中，开通控制管s
on
漏极与正向驱动电压相连，开通控制管s
on
源极与关断控制管s
off
漏极及驱动电阻相连，关断控制管s
off
源极与隔离型模块电源的负向供电电压相连，开通控制管s
on
和关断控制管s
off
栅极均接收给定的pwm信号。
10.进一步的，四模式四开关buck-boost变换器包括buck桥臂中的第一开关管q1、第二开关管q2，以及boost桥臂中的第三开关管q3、第四开关管q4；所述第一开关管q1、第四开关管q4的栅极与驱动电路相连。
11.本发明海工卡了一种提高四模式fsbb效率的驱动电路的驱动方法，
12.四模式四开关buck-boost变换器根据输入电压与输出电压的关系分别工作在buck模式、buck-boost降压模式、buck-boost升压模式以及boost模式，通过控制第一开关管q1、第四开关管q4中正向驱动电压选择电路的第一控制管s1、第二控制管s2，使正向驱动电压为推荐电压v
drv_1
或栅极耐压留有1v裕量后的电压v
drv_2
，实现不同模式的切换。
13.进一步的，采集四开关buck-boost变换器的输入母线电压v
in
；根据输入母线电压v
in
与输出电压v
out
的关系，在数字控制器内运算选定工作模式，具体为：
14.当v
in-v
out
/d
max
＞0时，选择工作在buck模式；
15.当v
in-v
out
/d
max
＜0时，判断v
in-v
out
的值，若v
in-v
out
＞0，则选择进入buck-boost降压模式；若v
in-v
out
＜0，再判断v
in-v
out
*(1-d
min
)的值，当v
in-v
out
*(1-d
min
)＜0时，选择工作在boost模式；当v
in-v
out
*(1-d
min
)＞0时，选择工作在buck-boost升压模式，其中，d
max
与d
min
分别为最大极限占空比与最小极限占空比。
16.进一步的，当四开关buck-boost变换器工作在buck模式时，第四开关管q4的正向驱动电压选择电路中第一控制管s1关断，第二控制管s2开通，正向驱动电压为v
drv_2
。当四开关buck-boost变换器工作在buck-boost模式时，第一开关管q1、第四开关管q4的正向驱动电压选择电路中第一控制管s1开通，第二控制管s2关断，正向驱动电压为v
drv_1
。当四开关buck-boost变换器工作在boost模式时，第一开关管q1的正向驱动电压选择电路中第一控制管s1关断，第二控制管s2开通，正向驱动电压为v
drv_2
。
17.其中，正向驱动电压v
drv_1
为开关管器件手册中给出的推荐电压，正向驱动电压v
drv_2
为栅极耐压留有1v裕量后的电压。
18.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
19.(1)省去现有技术方案中的一部分模块电源与图腾柱结构电路，大大减小了驱动电路中元件的数量与设计复杂程度，有利于优化驱动电路布局；
20.(2)通过线性调压器可以实现正向驱动电压的灵活调整；
21.(3)在开关管常通时选用较高的正向驱动电压，可以降低该开关管的导通电阻，实现导通损耗的降低，提高了变换器效率；
22.(4)在开关管进行开关动作时选用器件手册推荐的正向驱动电压，可以兼顾开关损耗与栅极安全，提高了变换器的可靠性。
附图说明
23.图1是本发明中提出的一种提高四模式fsbb效率的驱动电路示意图；
24.图2是本发明中所述的正向驱动电压选择电路中控制管开关时序示意图；
25.图3是本发明中所述的开关管导通电阻随正向驱动电压变化示意图；
26.图4是本发明中所述的变换器在buck-boost模式下驱动电路示意图；
27.图5是本发明中所述的变换器在buck模式下驱动电路示意图；
28.图6是本发明中所述的变换器在boost模式下驱动电路示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
30.如图1所示是本发明中提出的一种提高四模式fsbb效率的驱动电路示意图，包括：与开关管栅极相连的驱动电路包括正向驱动电压线性调节电路，正向驱动电压选择电路，正向驱动电压与负向驱动电压之间的图腾柱结构电路以及驱动电阻。
31.其中，四模式四开关buck-boost(four switch buck-boost，fsbb)变换器包括buck桥臂中的第一开关管q1、第二开关管q2，以及boost桥臂中的第三开关管q3、第四开关管q4。buck桥臂与boost桥臂的中点通过电感l相连。boost两桥臂中间还连接电容co。四模式四开关buck-boost变换器的开关管q1～q4、电感l、电容co以及输入输出共同构成功率电路。
32.与开关管栅极相连的驱动电路适用于四模式四开关buck-boost变换器的第一开关管q1、第四开关管q4。
33.与开关管栅极相连的驱动电路，包括正向驱动电压线性调节电路，正向驱动电压选择电路，正向驱动电压与负向驱动电压之间的图腾柱结构电路以及驱动电阻。
34.正向驱动电压线性调节电路包括串联的隔离型模块电源和低压差线性调压器，隔离性模块电源将功率电路与驱动电路电气隔离同时，为驱动电路提供一个正向供电电压v
cc
与负向供电电压v
ee
，正向供电电压v
cc
连接低压差线性调压器，低压差线性调压器将模块电源提供的正向供电电压降压成正向驱动电压。本实施例中，低压差线性调压器数量为两个，分别将正向供电电压降压成推荐电压v
drv_1
和栅极耐压留有1v裕量后的电压v
drv_2
。
35.正向驱动电压选择电路，包括第一控制管s1、第二控制管s2，分别连接低压差线性调压器，通过改变控制管s1、s2的驱动信号，实现正向驱动电压v
drv_1
或v
drv_2
的选取。
36.其中，s1是第一开关管q1正向驱动电压选择电路中第一控制管s
1(1)
的驱动信号，s2是第一开关管q1正向驱动电压选择电路中第二控制管s
2(1)
的驱动信号。s3是第四开关管q4正向驱动电压选择电路中第一控制管s
1(4)
的驱动信号，s4是第四开关管q4正向驱动电压选择电路中第二控制管s
2(4)
的驱动信号。
37.图腾柱结构电路，包括开通控制管s
on
和关断控制管s
off
，其中：开通控制管s
on
漏极与正向驱动电压相连，开通控制管s
on
源极与关断控制管s
off
漏极及驱动电阻相连，关断控制管s
off
源极与负向供电电压相连，开通控制管s
on
和关断控制管s
off
栅极均接收给定的pwm信号。
38.buck桥臂中的第二开关管q2以及boost桥臂中的第三开关管q3的栅极均接入第二驱动电路，第二驱动电路包括隔离性模块电源、线性调压器以及图腾柱结构电路，为q2、q3提供正向驱动电压v
drv_1
。
39.正向驱动电压v
drv_1
为开关管器件手册中给出的推荐电压，正向驱动电压v
drv_2
为栅极耐压留有1v裕量后的电压。
40.本发明还公开了一种提高四模式fsbb效率的驱动电路的驱动方法。
41.如图2所示是本发明中所述的正向驱动电压选择电路中控制管开关时序示意图，包括利用采样器采集四开关buck-boost变换器的输入母线电压v
in
；根据输入母线电压v
in
与输出电压v
out
的关系，在数字控制器内运算选定工作模式；根据不同的工作模式，控制开关管正向驱动电压选择电路中控制管的开关时序。
42.其中，d
max
与d
min
分别为最大极限占空比与最小极限占空比。
43.当v
in-v
out
/d
max
＞0时，选择工作在buck模式，此时第一开关管q1的第一控制管s
1(1)
的驱动信号s1置高，第二控制管s
2(1)
的驱动信号s2置零；第四开关管q4的第一控制管s
1(4)
的驱动信号s1置零，第二控制管s
2(4)
的驱动信号s2置高。
44.当v
in-v
out
/d
max
＜0时，判断v
in-v
out
的值，若v
in-v
out
＞0，则选择进入buck-boost降压模式；若v
in-v
out
＜0，再判断v
in-v
out
*(1-d
min
)的值，当v
in-v
out
*(1-d
min
)＜0时，选择工作在boost模式；当v
in-v
out
*(1-d
min
)＞0时，选择工作在buck-boost升压模式。
45.如图3所示是本发明中所述的开关管导通电阻随正向驱动电压变化示意图。
46.其中，横向坐标为正向驱动电压，纵向坐标为开关管导通电阻。开关管导通电阻随着正向驱动电压增大而减小。
47.如图4所示是本发明中所述的变换器在buck-boost模式下驱动电路示意图。
48.其中，第一开关管q1正向驱动电压选择电路中第一控制管s
1(1)
的驱动信号s1置高，第二控制管s
2(1)
的驱动信号s2置零。此时，第一开关管q1的正向驱动电压为v
drv_1
。第四开关管q4正向驱动电压选择电路中第一控制管s
1(4)
的驱动信号s3置高，第二控制管s
2(4)
的驱动信号s4置零。此时，第四开关管q4的正向驱动电压为v
drv_1
。
49.如图5所示是本发明中所述的变换器在buck模式下驱动电路示意图。
50.其中，第四开关管q4正向驱动电压选择电路中第一控制管s
1(4)
的驱动信号s3置零，第二控制管s
2(4)
的驱动信号s4置高。此时，第四开关管q4的正向驱动电压为v
drv_2
。
51.如图6所示是本发明中所述的变换器在boost模式下驱动电路示意图。
52.其中，第一开关管q1正向驱动电压选择电路中第一控制管s
1(1)
的驱动信号s1置零，第二控制管s
2(1)
的驱动信号s2置高。此时，第一开关管q1的正向驱动电压为v
drv_2
。
53.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。