CN101562404A - 谐振转换装置及其同步整流电路 - Google Patents

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Abstract

一种谐振转换装置，包括：一谐振电路、一桥式转换电路及一同步整流电路。其中，谐振电路包含一变压器，桥式转换电路是连接于变压器的一次侧，并且依据一开关信号来进行启闭运作。同步整流电路包含：二整流晶体管及二驱动电路，该二驱动电路是对应连接该二整流晶体管的通道，并且分别检测流经所连接的整流晶体管的电流而产生一检测信号，进而依据开关信号及检测信号来产生一驱动信号，以驱动所连接的整流晶体管。藉此，以提高谐振转换装置的效率。

Description

谐振转换装置及其同步整流电路
技术领域
本发明涉及一种谐振转换装置，特别是指一种具同步整流功能的谐振转换装置及其同步整流电路。
背景技术
谐振转换装置是应用在电源产品上，而为了提高谐振转换装置的效率，通常会搭配输出端同步整流电路来设计。并且，针对同步整流电路的驱动效果之好坏是会直接影响谐振转换装置的功率转换效率，甚至影响在轻载或空载时的稳定性。
而目前较常看见的谐振转换装置，大多是采用二极管来做为同步整流电路，如图1所示，为习知技术半桥LLC谐振转换装置的电路示意图。谐振转换装置包括：一半桥转换电路91、一谐振电路(Resonant Circuit)92、一同步整流电路93及一输出电路94。其中，半桥转换电路91是由第一开关晶体管Q1及第二开关晶体管Q2所组成的半桥架构，并且连接于一电压源Vin及谐振电路92之间，而第一开关晶体管Q1及第二开关晶体管Q2是依据一开关信号(HVG及LVG)来进行交互运作。谐振电路92是进一步包含一变压器Tr，并且为一LLC架构的谐振电路，其中变压器Tr的二次侧线圈是具有一第一绕组及一第二绕组；而LLC架构是由一谐振电感Lr、一激磁电感(由变压器Tr的一次侧线圈提供)及一谐振电容Cr所组成。同步整流电路93则是包含一第一整流二极管SD1及一第二整流二极管SD2，以分别对应连接于第一绕组及第二绕组，并连接输出电路94。如此一来，便可藉由一次侧第一开关晶体管Q1及第二开关晶体管Q2的交互运作，而将能量由一次侧传送至二次侧。
但是由于同步整流电路使用二极管的设计会导致较高的导通损失(Conduction Loss)，因此目前更已发展出采用整流晶体管搭配闸极驱动芯片的设计来取代整流二极管。请参考图2，为习知技术同步整流电路中整流晶体管与驱动芯片的电路连接示意图。其中，以实际上的同步整流电路93’来讲，第一整流晶体管SR1及第二整流晶体管SR2是用来取代原本第一整流二极管SD1及第二整流二极管SD2，并且分别再搭配连接一驱动芯片IC，以接受驱动芯片IC的驱动。而在图2中仅以一个驱动芯片IC来代表说明驱动芯片IC与第一整流晶体管SR1(或第二整流晶体管SR2)之间的架构关系。其中，第一整流晶体管SR1及第二整流晶体管SR2是为金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)。驱动芯片IC透过检测第一整流晶体管SR1(或第二整流晶体管SR2)的漏源电压(Vds)来间接进行检测电流，以依据所检测的电压信号来产生或关断驱动信号SR1D(或SR2D)，而控制第一整流晶体管SR1(或第二整流晶体管SR2)导通或截止。
然而，由于金属氧化半导体场效应晶体管的封装电感及电路板上电路走线的引线寄生电感(Lσ1及Lσ2)会影响驱动芯片IC检测电流的结果，于是驱动芯片IC所产生的驱动信号SR1D(或SR2D)便可能因而产生提前关断的现象，让谐振转换装置的同步整流效果不彰，进而影响谐振转换装置的转换效率。
请再参考图3，为习知技术半桥LLC谐振转换装置的运作波形图。透过图3可以进一步清楚了解半桥LLC谐振转换装置在搭配整流晶体管及驱动芯片时的运作状态。其中，由于半桥LLC谐振转换装置的前半周期与后半周期之间是具有对称性，因此以下就仅以前半周期来举例说明。
假设半桥LLC谐振转换装置上的组件都为理想状况，而依据时间点来区分不同的状态的分析如下：
状态(t0～t1)：时间t0为一个谐振周期重新开始的时间。而在此状态下的第一开关晶体管Q1及第二开关晶体管Q2皆截止，并且谐振电流(iLr)先流经第一开关晶体管Q1的结电容(图未示)，直至第一开关晶体管Q1的漏源电压(Vds)为零，谐振电流(iLr)再流经第一开关晶体管Q1的本体二极管(图未示)。其中，谐振电流(iLr)是以近似正弦波的形式慢慢增加，而激磁电感上的电流(iLm)则以线性形式上升。而另一方面，由于变压器Tr二次侧的电压信号开始反转，第二整流晶体管SR2开始导通，，因而在此狀态下，激磁电感的电压被输出电压Vout所箝制，所以只有谐振电感Lr与谐振电容Cr产生谐振，并且谐振电流(iLr)会大于激磁电感上的电流(iLm)，而成为流经第二整流晶体管SR2的电流(iSR2)。最后，当时间为t1时，开关信号HVG会控制第一开关晶体管Q1在零电压条件下导通。
状态(t1～t2)：在此状态下，除了第一开关晶体管Q1已是导通，而谐振电流(iLr)是会直接流经第一开关晶体管Q1的通道而持续增加之外，其余组件的运作大致与状态(t0～t1)时相同。但是，由于先前提过，金属氧化半导体场效应晶体管的封装电感及电路板上电路走线的引线寄生电感(Lσ1及L σ2)会影响驱动芯片IC检测电流的结果，因此在到达时间t2之前，驱动芯片IC即可能因检测电流的影响而提前一段时间T即关断驱动信号SR2D，形成由第二整流晶体管SR2的本体二极管来进行整流。如此一来，将会导致产生较高的导通损失，并且降低同步整流效果。而等到抵达时间t2时，谐振电流(iLr)会与激磁电感上的电流(iLm)达到相等，所以变压器Tr无能量转移，且流经第二整流晶体管SR2的电流(iSR2)将会下降到零。
状态(t2～t3)：此状态下的第一开关晶体管Q1持续导通。而由于此时谐振电流(iLr)大于零且等于激磁电感上的电流(iLm)，变压器Tr视为开路而无能量转移，激磁电感的电压将不会被输出电压Vout箝制住，所以激磁电感将会参与谐振电感Lr与谐振电容Cr的谐振。而在此狀态结束时，即控制第一开关晶体管Q1在零电压条件下截止。
由以上说明可知，目前在谐振转换装置中，随然已有利用整流晶体管来进行同步整流的设计，但是其中驱动芯片透过检测整流晶体管的漏源电压来间接检测电流的设计方式，会使得同步整流驱动无法获得较佳的效果，并且在效率方面仍有进一步改善的空间。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于，在驱动控制方面，除了能直接检测流经整流晶体管的电流之外，更进一步要导入变压器一次侧的开关信号来进行判断运算，进而根据运算结果来驱动整流晶体管。
为了解决上述问题，根据本发明所提出的一方案，提供一种谐振转换装置，包括：一谐振电路、一桥式转换电路及一同步整流电路。其中，谐振电路是包含一变压器，桥式转换电路是连接于变压器的一次侧，并且依据一开关信号来进行启闭运作。而同步整流电路进一步包含：二整流晶体管及二驱动电路。其中，该二整流晶体管是分别连接变压器的二次侧线圈的一第一绕组及一第二绕组，而该二驱动电路则是对应连接该二整流晶体管的通道，并且分别产生一驱动信号来驱动所连接的整流晶体管。其中，该二驱动电路是分别检测流经所连接的整流晶体管的电流而产生一检测信号，并且依据变压器一次侧的桥式转换电路的开关信号及检测信号来产生驱动信号。
为了解决上述问题，根据本发明所提出的另一方案，提供一种同步整流电路，其是应用于一谐振转换装置，并连接于谐振转换装置的一变压器的二次侧线圈，变压器的一次侧是连接一桥式转换电路，而同步整流电路包括：二整流晶体管及二驱动电路。其中，该二整流晶体管是分别连接变压器的二次侧线圈的一第一绕组及一第二绕组，而该二驱动电路是对应连接该二整流晶体管的通道，并且分别产生一驱动信号来驱动所连接的整流晶体管。其中，该二驱动电路是分别检测流经所连接的整流晶体管的电流而产生一检测信号，并且依据桥式转换电路的一开关信号及检测信号来产生该驱动信号。
藉此，本发明可达到的功效在于，可有效地提高轻载或空载时的稳定性、改善同步整流驱动的效果，进而提高谐振转换装置的效率。
以上之概述与接下来的详细说明及附图，皆是为了能进一步说明本发明为达成预定目的所采取的方式、手段及功效。而有关本发明的其它目的及优点，将在后续的说明及图式中加以阐述。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明进一步详细说明：
图1为习知技术半桥LLC谐振转换装置的电路示意图；
图2为习知技术同步整流电路中整流晶体管与驱动芯片的电路连接示意图；
图3为习知技术半桥LLC谐振转换装置的运作波形图；
图4为本发明谐振转换装置的实施例方块图；
图5为半桥LLC谐振转换装置的实施例电路示意图；
图6为本发明驱动电路的实施例电路示意图；
图7A为本发明驱动信号的第一实施例波形产生示意图；
图7B为本发明驱动信号的第二实施例波形产生示意图；及
图8为本发明谐振转换装置的实施例运作波形图。
具体实施方式
本发明是利用整流晶体管来做为谐振转换装置中的同步整流之用，而在整流晶体管的闸极端驱动控制的部分，则是利用直接检测流经整流晶体管的电流的信号，以及变压器一次侧的开关信号来加以运算，以产生驱动信号来达到驱动整流晶体管的作用。其中在整流晶体管的设计上，例如是可采用N通道金属氧化半导体场效应晶体管(N Channel MOSFET)或其它适用的晶体管来设计。
请参考图4，为本发明谐振转换装置的实施例方块图。本实施例提供一种谐振转换装置，其包括：一谐振电路11、一桥式转换电路12、一同步整流电路13及一输出电路14。并且针对谐振转换装置的实施例电路方面，则请一并再参考图5及图6，为本发明半桥LLC谐振转换装置及其驱动电路的实施例电路示意图。
谐振电路11是包含一变压器Tr，并且如图5所示的是为一LLC架构的谐振电路11。其中，LLC架构是由一谐振电感Lr、一激磁电感(由变压器Tr的一次侧线圈提供)及一谐振电容Cr所组成。而变压器Tr的二次侧线圈是具有一第一绕组及一第二绕组。当然，谐振电路11在实际设计上亦可是采用LC架构的方式来设计。
桥式转换电路12是连接于变压器Tr的一次侧，用来连接一电压源Vin，并且依据一开关信号(HVG，LVG)来进行启闭运作。如图5所示，桥式转换电路12是例如以对称半桥转换电路来设计，其包括：一第一开关晶体管Q1及一第二开关晶体管Q2。其中，第一开关晶体管Q1是接收开关信号(HVG)的控制，而第二开关晶体管Q2是接收开关信号(LVG)的控制，并且开关信号(HVG，LVG)是固定占空比的互补信号。而熟悉该项技术者应可了解，桥式转换电路12更可是设计为全桥转换电路的态样，在此并非为本实施例所限制。
同步整流电路13进一步包含：一第一整流晶体管SR1、一第二整流晶体管SR2、第一驱动电路DR1及一第二驱动电路DR2。其中，第一整流晶体管SR1及第二整流晶体管SR2是分别连接于变压器Tr的二次侧线圈的第一绕组及第二绕组，并且连接于输出电路14，以输出一输出电压Vout给一负载15。而第一驱动电路DR1及第二驱动电路DR2是分别对应连接于第一整流晶体管SR1及第二整流晶体管SR2的通道，以分别产生一驱动信号(SR1_D及SR2_D)来驱动所连接的第一整流晶体管SR1及第二整流晶体管SR2。值得一提的是，第一驱动电路DR1及第二驱动电路DR2在运作时，是检测各自所连接的第一整流晶体管SR1及第二整流晶体管SR2的流经电流而来产生一检测信号(SR1_S及SR2_S)，并且再依据变压器Tr一次侧的开关信号(LVG，HVG)以及检测信号(SR1_S及SR2_S)来产生驱动信号(SR1_D及SR2_D)。
而由图4及图5的架构上来看，熟悉该项技术者应可以了解谐振转换装置的运作原理，也就是当变压器Tr一次侧的第一开关晶体管Q1接收到开关信号(HVG)而导通时，相对的是由二次侧的第二整流晶体管SR2及第二驱动电路DR2来进行运作；反之，才由二次侧的第一整流晶体管SR1及第一驱动电路DR1来进行运作，如此达成交互运作的关系。
此外，由于谐振转换装置的前半周期与后半周期之间是具有对称性，因此以下的说明就仅以前半周期来举例说明。并且由于谐振转换装置在前半周期是产生开关信号(HVG)，于是就以第二驱动电路DR2的相关符号来代表，而图6所示的驱动电路便可假设是第二驱动电路DR2，用以产生驱动信号(SR2_D)来驱动第二整流晶体管SR2。而附带一提的是，图6中括号内的符号是代表后半周期接收开关信号(LVG)时，第一驱动电路DR1对照的相关符号。
由图6驱动电路的架构可知，第二驱动电路DR2包括：一电流检测电路131、一隔离变压器132及一运算处理单元133。其中，电流检测电路131进一步包含：一电流互感器CT、一箝位电路(包含一第一二极管D1及一直流电源DC)及一复位电路(包含一复位电阻R1及一第二二极管D2)。
电流互感器CT的一次侧线圈是串联连接于第二整流晶体管SR2的通道，以检测流经第二整流晶体管SR2的电流。箝位电路中的第一二极管D1的正端是连接电流互感器CT的二次侧线圈的正极端，第一二极管D1的负端是连接直流电源DC的正端，而直流电源DC的负端是连接电流互感器CT的二次侧线圈的负极端。复位电路中的第二二极管D2的正端是连接电流互感器CT二次侧线圈的负极端，第二二极管D2的负端是连接负位电阻R1的一端，而复位电阻R1的另一端是连接电流互感器CT的二次侧线圈的正极端。
如此一来，当电流互感器CT的一次侧有电流时，电流互感器CT的二次侧透过箝位电路而将能量传递至直流电源DC。而当电流互感器CT的一次侧没有电流时，电流互感器CT的二次侧则透过复位电路来进行复位。于是，在此一运作原理下，电流检测电路131即可藉由第二二极管D2及复位电阻R1之接点来提供实际电流经状况的检测信号。
隔离变压器132的一次侧是用来检测属于变压器Tr一次侧的开关信号(HVG)，而隔离变压器132的二次侧则可产生一同步开关信号(HVG_S)，藉以让属于变压器Tr二次侧的第二驱动电路DR2得以接收到同步开关信号(HVG_S)，而不会有延迟的情形。
运算处理单元133则是进一步包含：一单稳态触发器1331、一或门1332、一与门1333及一驱动器1334。其中，单稳态触发器1331的输入端是连接隔离变压器132的二次侧，以接收同步开关信号(HVG_S)，并且产生一脉冲信号；或门1332的一输入端是连接单稳态触发器1331的输出端，以接收脉冲信号，而或门1332的另一输入端是连接电流检测电路131，以接收检测信号(SR2_S)；与门1333的一输入端是连接隔离变压器132的二次侧，以接收同步开关信号(HVG_S)，与门1333的另一输入端则是连接或门1332的一输出端；最后，驱动器1334是连接与门1333的一输出端，以依据与门1333所输出的信号来产生驱动信号(SR2_D)。
而在上述中，本实施例将单稳态触发器1331与电流检测电路131透过或门1332来运算的设计，可以一并对照图7A，为本发明驱动信号的第一实施例波形产生示意图。在轻载或空载时，电流检测电路131中的电流互感器CT所输出的检测信号(SR2_S)容易受到检测电流反流的影响，使得检测信号(SR2_S)的驱动上升缘会抖动不固定，而容易引起震荡。于是，透过本实施例的设计，当单稳态触发器1331接收到同步开关信号(HVG_S)的上升缘时，单稳态触发器1331随即会产生脉冲信号。如此一来，单稳态触发器1331的脉冲信号便能与电流检测电路131的检测信号(HVG_S)进行“或”逻辑运算，藉以确保第二驱动电路DR2能产生图7A中的驱动信号之波形，使整个谐振转换装置较为稳定。
补充说明的是，单稳态触发器1331在设计上可以透过其中电阻(Rd)及电容(Cd)来调整所输出的脉冲信号之宽度，也就是如图7A中所示的最小导通时间(tw)。而较佳的调整是不要超过实际的最大开关频率(fs)，以在轻载或空载时稳定即可，对此本实施例并无加以限制。
此外，本实施例进一步将或门1332的输出端与同步开关信号(HVG_S)透过与门1333来运算的设计，则可以一并对照图7B，为本发明驱动信号的第二实施例波形产生示意图。在开关频率(fs)是大于谐振频率(fr)的状况下，电流检测电路131中的电流互感器CT进行复位往往需要一段时间，而如图7B中所示的检测信号会有所延迟才下降，如此将会影响效率且不安全。而为了避免因电流互感器CT的复位延迟，而使得或门1332的输出相对延迟，以致于影响驱动信号(SR2_D)关断时间，透过本实施例的设计，便可将或门1332的输出端与同步开关信号(HVG_S)进行“及”逻辑运算，以在同步开关信号(HVG_S)下降时，即能确保第二驱动电路DR2产生如图7B中的驱动信号的波形而及时关断。
驱动器1334是接收与门1333的输出信号，并且用来产生驱动第二整流晶体管SR2的驱动信号(SR2_D)。其中，驱动器1334在设计上可因应控制上的需求而进一步加以运算处理之后才来输出，例如：将与门1333的输出信号进行反向处理之后才输出。对此，在本实施例中也无加以限制。
最后，熟悉该项技术者应可以了解，本实施例中的运算处理单元133除了可以是采用上述的电路架构来设计之外，在可以达到上述的效果的前提下更可以其它的电路态样来实现，甚至是以单芯片控制器的方式来达成亦无不可。
综上所述，本发明依据上面所述的谐振转换装置的设计架构来运作，其所产生的相关波形可参考图8，为本发明谐振转换装置的实施例运作波形图。其中所示的驱动信号(SR2_D及SR1_D)之波形即能有效地进行同步整流驱动，以确保可靠的开启及关断。藉此，可以提高轻载或空载时的稳定性、改善同步整流驱动的效果，进而提高谐振转换装置的效率。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书所记载的内容所作出简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明权利要求所涵盖范围之内。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明之权利范围。

Claims (10)

1.一种谐振转换装置，包括：
一谐振电路，包含一变压器；
一桥式转换电路，连接于该变压器的一次侧，并且依据一开关信号来进行启闭运作；及
一同步整流电路，包含：
二整流晶体管，分别连接该变压器的二次侧线圈的一第一绕组及一第二绕组；及
二驱动电路，对应连接该二整流晶体管的通道，并且分别产生一驱动信号来驱动所连接的整流晶体管；
其中，该二驱动电路分别检测流经所连接的整流晶体管的电流而产生一检测信号，并且依据该开关信号及该检测信号来产生该驱动信号。
2.如权利要求1所述的谐振转换装置，其特征在于，该每一驱动电路包含一电流检测电路，而该电流检测电路进一步包括：
一电流互感器，该电流互感器的一次侧线圈连接该整流晶体管的通道，以检测流经该整流晶体管的电流；
一箝位电路，包含一第一二极管及一直流电源，该第一二极管的正端连接该电流互感器的二次侧线圈的正极端，而该第一二极管的负端连接该直流电源的正端，该直流电源的负端连接该电流互感器的二次侧线圈的负极端；及
一复位电路，包含一复位电阻及一第二二极管，该第二二极管的正端连接该电流互感器二次侧线圈的负极端，而该第二二极管的负端连接该复位电阻的一端，并且该复位电阻的另一端连接该电流互感器的二次侧线圈的正极端；
其中，该电流检测电路藉由该第二二极管与该复位电阻的接点来提供该检测信号。
3.如权利要求2所述的谐振转换装置，其特征在于，该每一驱动电路进一步包含一隔离变压器，该隔离变压器检测该开关信号，以产生一同步开关信号。
4.如权利要求3所述的谐振转换装置，其特征在于，该每一驱动电路包含一运算处理单元，该运算处理单元进一步包含：
一单稳态触发器，连接该隔离变压器，用来接收该同步开关信号，并产生一脉冲信号；
一或门，该或门的一输入端连接该单稳态触发器，以接收该脉冲信号，而该或门的另一输入端连接该电流检测电路，以接收该检测信号；
一与门，该与门的一输入端连接该隔离变压器，以接收该同步开关信号，而该与门的另一输入端连接该或门的一输出端；及
一驱动器，连接该与门的一输出端，并且依据该与门的输出端的信号来产生该驱动信号。
5.如权利要求1所述的谐振转换装置，其特征在于，进一步包含：
一输出电路，连接该二整流晶体管，并且输出一输出电压给一负载。
6.如权利要求1所述的谐振转换装置，其特征在于，该谐振电路为LLC架构的谐振电路及LC架构之谐振电路的其中之一种，该桥式转换电路为对称半桥转换电路及全桥转换电路的其中一种。
7.一种同步整流电路，其用于一谐振转换装置，并连接于该谐振转换装置的一变压器的二次侧线圈，而该变压器的一次侧连接一桥式转换电路，该同步整流电路包括：
二整流晶体管，分别连接该变压器的二次侧线圈的一第一绕组及一第二绕组；及
二驱动电路，对应连接该二整流晶体管的通道，并且分别产生一驱动信号来驱动所连接的整流晶体管；
其中，该二驱动电路分别检测流经所连接的整流晶体管的电流而产生一检测信号，并且依据该桥式转换电路的一开关信号及该检测信号来产生该驱动信号。
8.如权利要求7所述的同步整流电路，其特征在于，该每一驱动电路包含一电流检测电路，而该电流检测电路进一步包括：
一电流互感器，该电流互感器的一次侧线圈连接该整流晶体管的通道，
以检测流经该整流晶体管的电流；
一箝位电路，包含一第一二极管及一直流电源，该第一二极管的正端连接该电流互感器的二次侧线圈的正极端，而该第一二极管的负端连接该直流电源的正端，该直流电源的负端连接该电流互感器的二次侧线圈的负极端；及
一复位电路，包含一复位电阻及一第二二极管，该第二二极管的正端连接该电流互感器二次侧线圈的负极端，而该第二二极管的负端连接该复位电阻的一端，并且该复位电阻的另一端连接该电流互感器的二次侧线圈的正极端；
其中，该电流检测电路藉由该第二二极管与该复位电阻之接点来提供该检测信号。
9.如权利要求8所述的同步整流电路，其特征在于，该每一驱动电路进一步包含一隔离变压器，该隔离变压器检测该开关信号，以产生一同步开关信号。
10.如权利要求9所述的同步整流电路，其特征在于，该每一驱动电路包含一运算处理单元，该运算处理单元进一步包含：
一单稳态触发器，连接该隔离变压器，用来接收该同步开关信号，并产生一脉冲信号；
一或门，该或门的一输入端连接该单稳态触发器，以接收该脉冲信号，而该或门的另一输入端连接该电流检测电路，以接收该检测信号；
一与门，该与门的一输入端连接该隔离变压器，以接收该同步开关信号，而该与门的另一输入端连接该或门的一输出端；及
一驱动器，连接该与门的一输出端，并且依据该与门之输出端的信号来产生该驱动信号。
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