CN103795257A - 同步整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供同步整流电路,该同步整流电路即使采用低on电阻的同步整流元件,也能进行同步整流动作而不受电感成分影响。同步整流电路具有同步整流元件(QsRl)、根据在同步整流元件(QsRl)中流过的电流(isR)使同步整流元件(QsRl)接通/断开的同步整流用控制电路(ICl),其中,该同步整流电路具有电流检测电路(1a),该电流检测电路(1a)将在同步整流元件(0sRl)接通期间,流过同步整流元件(0sRl)的电流(isR)作为同步的电压波形检测出来,同步整流用控制电路(ICl)基于电流检测电路(1a)检测出的电压波形使同步整流元件(0sRl)断开。

Description

同步整流电路
技术领域
本发明涉及同步整流电路,该同步整流电路用于串联谐振变换器等的开关电源中。
背景技术
已经公知有这样的同步整流电路,该同步整流电路利用MOSFET等同步整流元件对串联谐振变换器等的开关电源装置的二次侧绕组电流进行同步整流(例如参照专利文献1)。图7示出了串联谐振变换器作为利用这种同步整流电路的开关电源装置的例子。
图7所示的串联谐振变换器具有:变压器T1、开关元件Q1、Q2、谐振电容器Cr、谐振电抗器Lr、同步整流元件QSR1、QSR2、同步整流用控制电路IC1、IC2、和输出电容器Co。
在变压器T1的一次侧电路上连接有开关元件Q1、Q2,使开关元件Q1、Q2交替接通,由此对由谐振电容器Cr、谐振电抗器Lr和变压器T1的励磁电感Np构成的串联谐振电路施加方形波电压。
二次侧整流电路是由同步整流元件QSR1、QSR2、同步整流用控制电路IC1、IC2构成的同步整流电路。同步整流元件QSR1、QSR2是绝缘栅型场效应晶体管(FET),分别连接于变压器T1的二次绕组Ns1、Ns2与输出电容器Co的负极侧端子(GND)之间。而且,同步整流元件QSR1、QSR2可以是双极晶体管、IGBT等其他半导体开关。此外,符号Da1、Da2是分别与同步整流元件QSR1、QSR2并联连接的二极管,是由FET构成的同步整流元件QSR1、QSR2各自的寄生二极管。而且,该二极管Da1、Da2还可以是与同步整流元件QSR1、QSR2分体构成的独立二极管。
同步整流用控制电路IC1具有差动电压检测功能,如图8所示,将同步整流元件QSR1中流过的电流iSR作为同步整流元件QSR1的漏-源间电压(VD-VS)检测出来,进行栅极控制。即,在同步整流元件QSR1的接通时,监视在on电阻Rds_on、中流过电流iSR时产生的饱和电压VRds_on。而且,通过比较导通阈电压VTH2和截止阈电压VTH1,来检测在同步整流元件QSR1中流过电流iSR,输出与其相应的栅极信号(VGATE)。而且,同步整流用控制电路IC2也是与同步整流用控制电路IC1相同的结构。
专利文献1:日本特开2001-292571号公报
但是,近年来,利用低on电阻化的同步整流元件QSR1、QSR2进行同步整流的情况下,称为on电阻Rds_on的电阻成分小,因此焊线或引线等电感成分Llead导致的电压下降会带来影响。图9的(a)是同步整流元件QSR1、QSR2接通时的等效电路。
如图9的(b)所示,同步整流元件QSR1、QSR2的阻抗zds_on由于该电感成分Llead而成为超前相位的阻抗,以下式表示。
[式1]
Zds_on=Rds_on+jωLlead
θ = arctan ( ωLlead R ds _ on )
图10表示在on电阻Rds_on和通过[式1]求出的阻抗zds_on中分别流过电流iSR时各电压下降VRds_on、Vzds_on。由此可知,Vzds_on的相位比VRds_on超前。因此,当将同步整流元件QSR1的阻抗zds_on应用于同步整流用控制电路IC1的栅极控制时,如图11所示,通过饱和电压Vzds_on的超前相位,在电流iSR远没有成为零之前,变成截止阈电压VTH1,栅极信号(VGATE)截止。因此,不能获得充分的栅极宽度,在同步整流元件QSR1的二极管D1中流过的期间tVF变长,难以提高转换效率。而且,Vf是二极管D1的顺向电压。
今后,考虑同步整流元件QSR1、QSR2进一步低on电阻化,或者通过这些同步整流元件QSR1、QSR2的并行连接,使饱和电压VRds_on变得越来越小。例如,近年来的FET具有如下问题:on电阻Rds_on小到几mΩ,电感成分Llead小到几nH,饱和电压Vzds_on也小到几mV至十几mv,被噪声等所淹没,容易产生误动作,不耐用。此外,通过低on电阻化,使电感成分Llead进一步显著化,成为超前相位阻抗时,如图11所示,具有如下问题:不能获得充分的栅极宽度,不能期待同步整流的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供同步整流电路,该同步整流电路鉴于上述问题,解决现有技术的上述问题,即使采用低on电阻的同步整流元件,也能进行同步整流动作而不受电感成分影响。
本发明的同步整流电路,其具有同步整流元件和根据在该同步整流元件中流过的电流使所述同步整流元件接通/断开的同步整流用控制电路,其特征在于,该同步整流电路具有电流检测电路,该电流检测电路在所述同步整流元件接通的期间,将所述同步整流元件中流过的电流作为所同步的电压波形进行检测,所述同步整流用控制电路基于由所述电流检测电路检测出的所述电压波形,使所述同步整流元件断开。
另外,本发明的同步整流电路还可以构成为:所述同步整流用控制电路根据所述同步整流元件的饱和电压来使所述同步整流元件接通,并且根据所述同步整流元件的所述饱和电压和由所述电流检测电路检测出的所述电压波形来使所述同步整流元件断开。
另外,本发明的同步整流电路还可以构成为:所述电流检测电路具有:变压器,其具有与所述同步整流元件并联连接的一次侧绕组;和连接于该变压器的二次侧绕组间的相位调整用电容器,通过所述相位调整用电容器进行相位调整,使得所述相位调整用电容器的电压的相位与所述同步整流元件中流过的电流的相位相同。
另外,本发明的同步整流电路还可以构成为,在所述变压器的二次侧绕组间连接有相位调整用电阻和所述相位调整用电容器的串联电路。
另外,本发明的同步整流电路还可以构成为:设所述相位调整用电阻的电阻值为R、所述相位调整用电容器的静电电容为C、所述同步整流元件的on电阻为Rds_on、所述同步整流元件的电感成分为Llead时,所述相位调整用电阻和所述相位调整用电容器被设定为RC=Llead/Rds_on的关系。
另外,本发明的同步整流电路还可以构成为:所述电流检测电路具有第一开关元件,该第一开关元件连接于所述同步整流元件与所述一次侧绕组之间,且与所述同步整流元件同步地接通/断开。
另外,本发明的同步整流电路还可以构成为:所述电流检测电路具有第二开关元件,该第二开关元件与所述相位调整用电容器并联连接,当所述同步整流元件断开时,使相位调整用电容器复位。
根据本发明能够起到如下效果:即使电感成分显著化而成为超前阻抗,也能够确保充分的栅极宽度,即使采用低on电阻的同步整流元件,也能够进行正确的同步整流动作而不会受电感成分影响。
附图说明
图1是表示具有本发明的同步整流电路的实施方式的串联谐振变换器的电路结构的电路结构图。
图2是表示图1所示的电流检测电路的电路结构的电路结构图。
图3是表示图2的各部分的信号波形和动作波形的波形图。
图4是图2所示的电流检测电路的等效电路图。
图5是图1所示的串联谐振变换器的动作波形图。
图6是表示具有本发明的同步整流电路的实施方式的其他变换器的电路结构的电路结构图。
图7是表示现有串联谐振变换器的电路结构的电路结构图。
图8是用于说明图7所示的同步整流用控制电路的动作的信号波形图。
图9是用于说明考虑了电感成分的图7所示的同步整流元件的阻抗的说明图。
图10是用于说明阻抗成分导致的饱和电压的相位变化的波形图。
图11是用于说明考虑了电感成分的图7所示的同步整流用控制电路的动作的信号波形图。
标号说明
1a、1b:电流检测电路
2:反转电路
3:延迟电路
C:相位调整用电容器
Co:输出电容器
IC1、IC2:同步整流用控制电路
Q1、Q2:开关元件
QSR1、QSR2:同步整流元件
R:相位调整用电阻
SWa:开关元件(第一开关元件)
SWb:开关元件(第二开关元件)
T1、T2、T3、Tr:变压器
具体实施方式
下面,参照附图具体说明本发明的实施方式。
参照图1,具有本实施方式的同步整流电路的串联谐振变换器具有:变压器T1、开关元件Q1、Q2、谐振电容器Cr、谐振电抗器Lr、同步整流元件QSR1、QSR2、电流检测电路1a、1b、同步整流用控制电路IC1、IC2、和输出电容器Co。
在变压器T1的一次侧电路上连接有开关元件Q1、Q2,使开关元件Q1、Q2交替接通,由此对由谐振电容器Cr、谐振电抗器Lr和变压器T1的励磁电感Np构成的串联谐振电路施加方形波电压。
二次侧整流电路是由同步整流元件QSR1、QSR2、电流检测电路1a、1b、同步整流用控制电路IC1、IC2构成的同步整流电路。同步整流元件QSR1、QSR2是绝缘栅型场效应晶体管(FET),分别连接于变压器T1的二次绕组Ns1、Ns2与输出电容器Co的负极侧端子(GND)之间。而且,同步整流元件QSR1、QSR2可以是双极晶体管、IGBT等其他半导体开关。此外,符号Da1、Da2是分别与同步整流元件QSR1、QSR2并联连接的二极管,是由FET构成的同步整流元件QSR1、QSR2各自的寄生二极管。而且,该二极管Da1、Da2还可以是与同步整流元件QSR1、QSR2分体构成的独立二极管。
参照图2,电流检测电路1a具有:变压器Tr、相位调整用电阻R、相位调整用电容器C、开关元件SWa、SWb、反转电路2和延迟电路3。
变压器Tr由具有互反极性的一次绕组Np和二次绕组Ns构成,二次绕组Ns的匝数被设定得比一次绕组Np多。一次绕组Np的一端与同步整流元件QSR1的漏极相连接,一次绕组Np的另一端经由开关元件SWa与同步整流元件QSR1的源极相连接。即,一次绕组Np和开关元件SWa的串联电路与同步整流元件QSR1并联连接。此外,在二次绕组Ns间连接有相位调整用电阻R和相位调整用电容器C的串联电路,开关元件SWb与相位调整用电容器C并联连接。
作为开关元件SWa、开关元件SWb,可以采用FET、双极晶体管、IGBT等半导体开关。开关元件SWa通过同步整流元件QSR1的栅极信号(VGATE)进行接通断开控制,开关元件SWb通过由反转电路2和延迟电路3判定及延迟的同步整流元件QSR1的栅极信号(VGATE)进行接通断开控制。而且,电流检测电路1b的结构也与电流检测电路1a相同。
同步整流用控制电路IC1具有差动电压检测功能,检测同步整流元件QSR1的漏极电压(饱和电压Vzds_on)和相位调整用电容器C的电压Vc的差动电压Vdet,进行栅极控制。即,监视在同步整流元件QSR1中流过电流iSR时产生的饱和电压Vzds_on与相位调整用电容器C的电压Vc的差动电压Vdet。通过将差动电压Vdet与导通阈电压VTH2和截止阈电压VTH1进行比较,来检测在同步整流元件QSR1中流过电流iSR,输出与其相应的栅极信号(VGATE)。而且,同步整流用控制电路IC2也是与同步整流用控制电路IC1相同的结构。
由流过的电流iSR所产生的同步整流元件QSR1的饱和电压Vzds_on通过电流检测电路1a的变压器Tr来进行放大,变换成能抵抗噪声等的影响、容易检测的大信号。这里,饱和电压Vzds_on成为超前相位,但通过相位调整用电阻R和相位调整用电容器C的串联电路,将电流iSR与相位调整用电容器C的电压Vc校正为相同相位。即,作为通过变压器Tr不是放大包含同步整流元件QSR1的电感成分Llead影响的电压下降(饱和电压Vzds_on)、而是放大同步整流元件QSR1的on电阻Rds_on所生成的电压下降VRds_on后的大信号值,对相位调整用电容器C的电压Vc进行处理。因此,相位调整用电容器C的电压Vc相比于饱和电压Vzds_on,处于支配地位,同步整流用控制电路IC1相当于对检测电流iSR进行了监视。
参照图3,在时刻t1,电流iSR开始流过。此时,同步整流元件QSR1还没有接通,二极管Da中开始流过电流。此时,开关元件Swb接通,相位调整用电容器C的电压Vc为0V。因此,与导通阈电压VTH2比较的差动电压Vdet成为饱和电压Vzds_on。通过在二极管Da中流过电流,二极管Da的顺向电压上升,在时刻t2,差动电压Vdet(饱和电压Vzds_on)变成导通阈值VTH2时,同步整流用控制电路IC1输出栅极信号(VGATE)。
当在时刻t2输出栅极信号(VGATE)时,同步整流元件QSR1从断开状态转变为接通状态。时刻t2至时刻t3期间是同步整流元件QSR1的开关时间。此外,通过栅极信号(VGATE)同时接通开关元件Swa,此时从二极管Da的顺向电压转变为同步整流元件QSR1的on电压Vzds_on时的电压被施加给变压器Tr的一次侧,从变压器Tr的二次侧输出根据匝数比Ns/Np放大的二次侧电压。
在时刻t3,同步整流元件QSR1完全接通,在该时机,开关元件SWb断开,相位调整用电容器C开始进行工作。即,延迟电路3的延迟时间被设定为反转的栅极信号(VGATE)使得同步整流元件QSR1导通而完全接通的期间(时刻t2至时刻t3)。
饱和电压Vzds_on是超前相位电压,通过变压器Tr得到的放大的二次侧电压也是超前相位电压。因此,通过相位调整用电阻R和相位调整用电容器C的串联电路,使二次侧电压的相位滞后,在相位调整用电容器C产生相位与在同步整流元件QSR1中流过的电流iSR的相位相同的电压Vc。用以在相位调整用电容器C产生相位与电流iSR的相位相同的电压Vc的、相位调整用电阻R和相位调整用电容器C的设定在后面叙述。
同步整流用控制电路IC1继续监视同步整流元件QSR1的漏极电压Vzds_on与相位调整用电容器C的电压Vc的差动电压Vdet。而且,在时刻t4,差动电压Vdet达到截止阈值VTH1时,同步整流用控制电路IC1停止栅极信号(VGATE)的输出,使同步整流元件QSR1从接通状态转变为断开状态,同步整流动作结束。此外,在同时使开关元件SWa断开且经过延迟电路3所致的延迟时间后的时刻t5,准备下面的同步整流动作,并且开关元件SWb接通。
下面,利用图4对相位调整用电阻R和相位调整用电容器C的设定进行详细说明。
图4的(a)表示图2所示的电流检测电路1a、1b的等效电路。这里,在开关元件SWa、变压器Tr的一次侧绕组Np只流过比电流iSR小的电流,且为了更详细地检测饱和电压Vzds_on,通过使开关元件SWa的on电阻RSWs_on比ωLp充分小,如图4的(b)所示,能够看做省略了开关元件SWa的on电阻RSWs_on的等效电路。而且,Lp是变压器Tr的一次侧励磁电感。此外,设开关频率为f时,ω=2πf。
设同步整流元件QSR1中流过的电流iSR为iSR(t)、电容器C的电压Vc为Vc(t)时,二次侧闭合电路网的电压下降能够以下式[式2]表示。
[式2]
Vc ( t ) = RC dVc ( t ) dt = Ns Np { R ds _ on · i SR ( t ) + L lead di SR ( t ) dt }
进行拉普拉斯变换,
Vc ( s ) + RC { sVc ( s ) - Vc ( t = 0 ) } = Ns Np [ R ds _ on · l SR ( s ) + L lead { s l SR ( s ) - i SR ( t = 0 ) } ]
这里,电流iSR在t=0时为0,因此iSR(t=0)=0。此外,在t=0时,开关元件SWb接通,相位调整用电容器C短路,因此Vc(t=0)=0。因此,[式2]能够以[式3]表示。
[式3]
Vc ( s ) = Ns Np R ds _ on · l SR ( s ) 1 + sL lead R ds _ on 1 + sRC
因此可知,当设定RC=Llead/Rds_on时,如下式[式4]所示,作为与电流iSR相似的电压波形以变压器Tr的匝数比(Ns/Np)放大的值,能够得到相位调整用电容器C的电压Vc
[式4]
Vc ( s ) = Ns Np R ds _ on · l SR ( s )
进行拉普拉斯变换,
Vc ( t ) = Ns Np R ds _ on · i SR ( t ) = Ns Np V ds _ on ( t ) .
图5表示具有本实施方式的同步整流电路的串联谐振变换器的动作波形。根据图5,在输出栅极信号(VGATE)、同步整流元件QSR1、QSR2处于接通状态的期间,能够确认电流iSR和相位调整用电容器C的电压Vc为相似波形。
而且,虽然对将本实施方式的同步整流电路应用于串联谐振变换器的例子进行了说明,但只要是从同步整流元件QSR1、QSR2中流过的电流iSR为0开始、以0结束这种变换器,就能够在不连续模式的回扫变换器(参照图6的(a))或正向变换器(参照图6的(b))等中应用本实施方式的同步整流电路。通过变压器T1的漏电感的效果,图6的(a)所示的回扫变换器的二次侧开关电流从0开始。此外,在如图6的(b)所示的称作相移的正向变换器中,变压器T3的二次侧的同步整流元件QSR1、QSR2中流过的电流iSR也是从0开始,以0结束。
而且,本实施方式在电流检测电路1a、1b中构成为通过电阻R和电容器C的串联电路进行相位调整,但电阻R也不一定是必须的,还可以利用电容器C和电流检测变压器Tr的二次侧绕组电阻Rr来进行相位调整。
如上面说明的那样,本实施方式的同步整流电路具有同步整流元件QSR1、QSR2、和根据在同步整流元件QSR1、QSR2中流过的电流iSR使同步整流元件QSR1、QSR2接通/断开的同步整流用控制电路IC1、IC2,其中,该同步整流电路具有电流检测电路1a、1b,该电流检测电路1a、1b将在同步整流元件QSR1、QSR2接通期间,流过同步整流元件QSR1、QSR2的电流iSR作为同步的电压波形检测出来,同步整流用控制电路IC1、IC2基于由电流检测电路1a、1b检测出的电压波形使同步整流元件QSR1、QSR2断开。根据该结构,即使电感成分Llead显著化而成为超前相位阻抗,也能够确保充分的栅极宽度,即使采用低on电阻的同步整流元件QSR1、QSR2,也能够进行正确的同步整流动作而不会受电感成分影响。
另外,根据本实施方式,同步整流用控制电路IC1、IC2根据同步整流元件QSR1、QSR2的饱和电压Vzds_on使同步整流元件QSR1、QSR2接通,并且根据饱和电压Vzds_on和电流检测电路1a、1b检测出的电压波形Vc,即根据同步整流元件QSR1的漏极电压Vzds_on与相位调整用电容器C的电压Vc的差动电压Vdet,使同步整流元件QSR1、QSR2断开。
另外,根据本实施方式,电流检测电路1a、1b具有:变压器Tr,其具有与同步整流元件QSR1、QSR2并联连接的一次侧绕组Np;和连接于该变压器Tr的二次侧绕组Ns间的相位调整用电容器C,通过相位调整用电容器C进行相位调整,使相位调整用电容器C的电压Vc的相位与同步整流元件QSR1、QSR2中流过的电流iSR的相位相同。根据该结构,电流检测电路1a、1b,将相位调整用电容器C的电压Vc作为与整流元件QSR1、QSR2中流过的电流iSR同步的电压波形检测出来。
另外,根据本实施方式,变压器Tr的二次侧绕组Ns间连接有与相位调整用电阻R和相位调整用电容器C的串联电路。根据该结构,能够采用静电电容小的相位调整用电容器C,能够降低成本。
另外,根据本实施方式,设相位调整用电阻R的电阻值为R、相位调整用电容器C的静电电容为C、同步整流元件QSR1、QSR2的on电阻为Rds_on、同步整流元件QSR1、QSR2的电感成分为Llead时,相位调整用电阻R和所述相位调整用电容器C被设定为RC=Llead/Rds_on的关系。根据该结构,能够根据同步整流元件QSR1、QSR2的特性,简单地选择构成相位调整用串联电路的相位调整用电阻R和相位调整用电容器C。
另外,根据本实施方式,电流检测电路1a、1b具有第一开关元件SWa,该第一开关元件SWa连接于同步整流元件QSR1、QSR2和一次侧绕组Np之间,与同步整流元件QSR1、QSR2同步地接通/断开。
另外,根据本实施方式,电流检测电路1a、1b具有第二开关元件SWb,该第二开关元件SWb与相位调整用电容器C并联连接,当同步整流元件QSR1、QSR2断开时,使相位调整用电容器C复位。
以上,利用具体的实施方式说明了本发明,但本实施方式只是一个例子,当然在不脱离本发明主旨的范围内能够变更来实施。

Claims (6)

1.一种同步整流电路,其具有:
同步整流元件;和
同步整流用控制电路,其根据流过该同步整流元件的电流,使所述同步整流元件接通/断开,
该同步整流电路的特征在于,
该同步整流电路具有电流检测电路,该电流检测电路将在所述同步整流元件接通的期间,流过所述同步整流元件的电流作为同步的电压波形进行检测,
所述同步整流用控制电路基于由所述电流检测电路检测出的所述电压波形,使所述同步整流元件断开。
2.根据权利要求1所述的同步整流电路,其特征在于,
所述同步整流用控制电路根据所述同步整流元件的饱和电压,使所述同步整流元件接通,并且根据所述同步整流元件的所述饱和电压和由所述电流检测电路检测出的所述电压波形,使所述同步整流元件断开。
3.根据权利要求1或2所述的同步整流电路,其特征在于,
所述电流检测电路具有:
变压器,其具有与所述同步整流元件并联连接的一次侧绕组;和
相位调整用电容器,其连接于该变压器的二次侧绕组之间,
通过所述相位调整用电容器进行相位调整,使得所述相位调整用电容器的电压的相位与流过所述同步整流元件的电流的相位相同。
4.根据权利要求3所述的同步整流电路,其特征在于,
在所述变压器的二次侧绕组之间连接有相位调整用电阻和所述相位调整用电容器的串联电路。
5.根据权利要求4所述的同步整流电路,其特征在于,
在设所述相位调整用电阻的电阻值为R、所述相位调整用电容器的静电电容为C、所述同步整流元件的接通电阻为Rds_on以及所述同步整流元件的电感成分为Llead时,所述相位调整用电阻和所述相位调整用电容器被设定为RC=Llead/Rds_on的关系。
6.根据权利要求3至5中的任意一项所述的同步整流电路,其特征在于,
所述电流检测电路具有第一开关元件,该第一开关元件连接于所述同步整流元件与所述一次侧绕组之间,且与所述同步整流元件同步地接通/断开。
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