CN104734540A - 同步整流器和控制其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步整流器和控制其的方法。同步整流器包括至少一个整流开关(102、103)和用于控制所述至少一个整流开关只允许单向电流流动的控制电路(104)。控制电路包括用于感测至少一个整流开关的电流的交流分量的至少一个电流传感器(105、106)和用于至少部分地基于所感测的交流分量的方向而控制至少一个整流开关的至少一个驱动电路(107、108)。使用用于控制整流开关的交流分量，消除了将电流与任何非零常数或可调节阈值相比较的需要，由此能够避免与定义该阈值相关的问题。同步整流器例如可以是谐振转换器的一部分。

Description

同步整流器和控制其的方法
技术领域
本发明一般涉及同步整流。更具体地，本发明涉及一种同步整流器，其例如可以是但不必需是，谐振转换器的一部分。而且，本发明涉及一种用于控制同步整流器的方法。
背景技术
在要满足现代效率需求的许多情况下，同步整流器“SR”需要替代普通二极管或闸流晶体管整流器使用。在同步整流器中，整流二极管或闸流晶体管的操作被可控整流开关模仿，可控整流开关在导电状态下的压降小于二极管或闸流晶体管。可控整流开关可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管“MOSFET”。
同步整流器例如可以是开关模式电源“SMPS”的次级侧(secondaryside)的一部分。在许多传统开关模式电源拓扑中，例如回扫拓扑中，次级侧的操作与初级侧的操作同相，从而在初级侧的控制信号的帮助下，使得相对容易实现对同步整流器的控制。但是，结合谐振转换器，情况却更复杂，因为谐振转换器包括谐振电路，其由受初级开关控制的开关模式电压供电且其连接到谐振转换器的变压器的初级绕组。谐振电路的阻抗的绝对值和角度是频率依赖的。因此，供应到变压器的初级绕组的电流的幅度可以通过改变开关模式电压的基波分量的频率而受到控制。传送到谐振转换器的输出的功率量因此可以通过改变上述频率而受到控制。谐振电路的频率依赖阻抗导致谐振转换器的初级侧的操作和次级侧的操作之间的频率依赖相移，其中，相移取决于开关模式电压的基波分量的频率。由于频率依赖相移，所以初级开关的控制信号不直接可适用于控制谐振转换器的次级侧的整流开关。但是，谐振转换器提供显著优点，因为可安排用于初级和/或次级开关的零电压开关“ZVS”条件或零电流开关“ZCS”条件，并由此可降低开关损耗。
公开US7184280描述了一种在生成用于谐振器的次级侧的整流开关的控制信号时采用上述频率依赖相移的方法。但是，该方法依赖于具有谐振传感器的充分准确模型。模型与物理器件之间的不准确导致安全裕度增加，从而又导致整流开关中的损耗增加。
用于控制整流开关的另一种原理是基于测量整流开关的电流。例如，当使用MOSFET来模仿二极管时，MOSFET可以在电流开始流经其寄生二极管时被驱动且在电流停止时结束驱动。结合某些商业电路，电流测量基于电流导通整流开关上的压降。但是这个方法并非十分强健，因为其涉及在可以非常嘈杂的类似SMPS情况的环境中测量毫伏级信号。电流还可以使用变流器来测量。要测量的电流在变流器的初级绕组中流动，使用旁路电阻、或者反向并联二极管、或者包括一个或多个电元件的某些其它合适电子实体，变流器的次级绕组的电流可以被整流并且变换为电压信号。通过合适设计变流器，电压级可以在几伏范围内而非毫伏，这使得强健测量可行得多。为了检测电流正在流动的状态以及电流停止的状态，表示测量电流的信号通常与阈值相比较。当信号达到阈值时整流开关被控制处于导通状态，而当信号低于阈值时整流开关不被控制处于导通状态。但是，结合SMPS，上述原理并非没有问题。问题之一与当加载使得电流处于其阈值附近时的振荡行为的倾向有关。当电流降到低于阈值时，整流开关不再被控制为导通且电流流经整流开关的寄生二极管。必然结果是，整流开关上的压降增大。这导致SMPS的输出电压下降以及SMPS的控制采用控制动作以增加输出电压。控制动作的必然结果是，电流增大且其可能超出阈值。这导致整流开关被控制为导通且因此其压降降低。必然结果是，SMPS的输出电压增大，且SMPS的控制采取控制动作来降低输出电压。这又可能导致电流再次下降到阈值以下。上述的动作链可以自己重复且由此发生振荡行为。阈值可以基于负载而变化。这可以减轻上述问题，但增加了控制电路的复杂度。
发明内容
下面呈现了简化的发明内容，以便提供对各种发明实施例的一些方面的基本理解。该发明内容并非本发明的扩展概述。既不想标识本发明的关键或决定性的元素也不想描述本发明的范围。下面的发明内容仅仅以简化形式呈现本发明的一些概念，作为对本发明的示例和非限制实施例的更详细描述的序言。
根据本发明，提供一种新的同步整流器，其可以例如是但不必需是，谐振转换器或者其它开关模式电源的一部分。根据本发明的同步整流器包括：
至少一个整流开关，以及
控制电路，用于控制至少一个整流开关以只允许单向电流流动。
控制电路包括：
至少一个电流传感器，用于感测至少一个整流开关的电流的交流分量，交流分量基本无直流分量；以及
至少一个驱动电路，用于至少部分地基于所感测的整流开关的电流的交流分量的方向来控制至少一个整流开关。
使用感测的交流分量来控制整流开关，消除了将整流开关的电流与任何非零常数或可调节阈值进行比较的需要。由此，与定义阈值相关问题可以被避免。交流分量可以通过变流器而获得。原理上，还有可能使用另一类型的电流传感器，其基于例如霍尔效应且包括用于去除直流分量的滤波器。但是，基于变流器的实现强健且节约成本，因为变流器固有地消除了直流分量。
根据本发明，还提供一种新的谐振转换器。根据本发明的谐振转换器包括：
桥电路，用于接收输入电压并且包括至少一对初级开关，
谐振电路，其被连接到桥电路且能够由桥电路驱动，
变压器，包括初级绕组和次级绕组，所述初级绕组被连接到谐振电路，以及
根据本发明且连接到变压器的次级绕组并布置成提供谐振转换器的输出电压的同步整流器。
根据本发明，还提供一种新的用于控制同步整流器的方法，其中，所述同步整流器包括用于只允许单向电流流动的至少一个整流开关。根据本发明的方法包括：
感测至少一个整流开关的电流的交流分量，所述交流分量基本无直流分量，以及
至少部分地基于所感测的整流开关的电流的交流分量的方向来控制所述至少一个整流开关。
在所附的从属权利要求中描述了本发明的多个示例和非限制实施例。
当结合附图阅读时，通过下面的对具体示例和非限制实施例的描述，将最好地理解本发明的关于构造以及关于操作方法的各种示例和非限制实施例，以及其附加目标和优点。
动词“包括”在本文档中用作开放限制，其既不排除也不必需其它未引用特征的存在。所附从属权利要求中引用的特征可相互自由组合，除非另外明确规定。而且，应理解，贯穿本文档的“一”或“一个”的使用，即单数形式，不排除多数。
附图说明
下面结合附图来更加详细地解释本发明的示例和非限制实施例及其优点，在附图中：
图1a图示了根据本发明的示例和非限制实施例的包括同步整流器的谐振转换器的电路图，
图1b以示例情形示出了图1a中所示的同步整流器的整流开关的电流的交流分量的波形，
图1c以另一示例情形示出了图1a中所示的同步整流器的整流开关的电流的交流分量的波形，
图2图示了根据本发明的示例和非限制实施例的同步整流器的电路图，以及
图3示出了根据本发明的示例和非限制实施例的用于控制同步整流器的方法的流程图。
具体实施方式
图1a图示说明了根据本发明的示例和非限制实施例的包括同步整流器101的谐振转换器的电路图。谐振转换器包括桥电路114，用于接收输入电压Uin且被布置成生成开关模式电压。在这个示例例子中，桥电路包括一对初级开关115和116。还有可能桥电路是全桥，其包括两对初级开关。初级开关115和116例如可以是金属氧化物半导体场效应晶体管“MOSFET”。谐振转换器包括谐振电路117，其被连接到桥电路114且能够由桥电路驱动。谐振转换器包括变压器118，其包括初级绕组119和次级绕组120和121。初级绕组被连接到谐振电路117。在这个示例例子中，谐振电路117包括电感器126和电容器124和125。初级绕组119的寄生电感与电感器126串联，由此，初级绕组的寄生电感可以被认为是谐振电路117的一部分。还有可能将变压器118设计为使得初级绕组119的寄生电感足够独立因此不需要分离的电感器，诸如电感器126。还有可能变压器118的磁化电感构成谐振电路的一部分。谐振电路117的阻抗的绝对值和角度是频率依赖的。因此，供应给初级绕组119的电流的幅度可以通过改变由桥电路114产生的开关模式电压的基波分量的频率而受到控制。传送到谐振转换器的输出的功率量可以因此通过改变上述频率而受到控制。而且，谐振电路117导致桥电路114所产生的开关模式电压和初级绕组119中的电流的基波分量之间的相移。
同步整流器101被连接到变压器118的次级绕组120和121。同步整流器被布置成提供谐振转换器的输出电压Uout。同步整流器101包括整流开关102和103，以及用于控制整流开关对同步整流器的输入电流执行半波整流的控制电路104。在此例子下，同步整流器的输入电流是变压器118的次级绕组120和121的电流。整流开关102和103例如可以是金属氧化物半导体场效应晶体管“MOSFET”。控制电路104包括用于感测整流开关102的电流的交流分量的电流传感器105和用于感测整流开关103的电流的交流分量的传感器106，其中，所感测的交流分量基本无直流分量。同步整流器101包括用于至少部分地基于所感测的整流开关102的电流的交流分量的方向而控制整流开关102的驱动电路107以及用于至少部分地基于所感测的整流开关103的电流的交流分量的方向而控制整流开关103的驱动电路108。
在图1a中所示的示例谐振转换器中，每个电流传感器包括变流器和与变流器的次级绕组并联连接的旁路电阻器，以便提供响应于相应整流开关的电流的交流分量的电压信号。在图1a中，电流传感器105的变流器被标为附图标记110，电流传感器105的旁路电阻器被标为附图标记111。不是仅有旁路电阻器111，还可以有反向并联二极管、或者反向并联二极管电阻器链、或者包括一个或多个电元件的某些其它合适电实体，一个或多个电元件可能包括例如与变流器的次级绕组并联的旁路电容器。所感测的整流开关102的电流的交流分量被标为i1_ac，并且其在旁路电阻器111中的正方向被标为旁路电阻器111之下所示的箭头。变流器110可以具有铁磁或非铁磁的芯，并且变流器的详细设计取决于具体情况因素。每个电流传感器可以进一步包括与变流器的初级绕组并联的附加的电感器。电流传感器105的附加的电感器在图1a中被标为附图标记122。通过附加电感器122的帮助，有可能调节电流传感器105所导致的压降。每个驱动电路包括用于检测旁路电阻器所提供的电压信号的极性的比较器以及用于至少部分地基于比较器的输出信号而控制相应整流开关的信号路径。在图1a中，驱动电路107的比较器被标为附图标记112。
图1b示出第一示例情形下所感测的整流开关102的电流的交流分量i1_ac的波形，以及图1c示出第二示例情形下的i1_ac的波形，在第二示例情形中，谐振转换器的负载比第一示例情形大。
在根据本发明的示例和非限制实施例的谐振转换器中，当所感测的交流分量i1_ac具有图1a中的旁路电阻器111之下所示的箭头的方向时，驱动电路107被布置成控制整流开关102处于导通状态。箭头的方向对应于图1b和1c中i1_ac的正值。相应地，当所感测的整流开关103的电流的交流分量i2_ac具有电流传感器106的旁路电阻器之下所示的箭头的方向时，驱动电路108被布置成控制整流开关103处于导通状态。图1b和1c中所示的每个量130a和130b实际上对应于整流开关102的电流即包括直流分量的电流所要超过的阈值，以便整流开关102被控制处于导通状态。如从图1b和1c所能看出的，使用基本无直流分量的交流分量i1_ac的必然结果是，阈值自动根据负载而适应。整流开关102的电流在图1c中所示的时间间隔131期间是零。考虑到因为旁路电阻器111消耗变流器110所存储的能量，所感测的交流分量i1_ac在此时间间隔131期间不恒定，所感测的交流分量i1_ac从实际交流分量偏离。在时间间隔131期间所感测的i1_ac大约为i1_ac_0×e–tR/L，其中i1_ac_0是时间间隔131开始处的i1_ac，使得忽略了开关峰值，t是从时间间隔131开始测量的时间，R是旁路电阻器111的电阻，并且L是变流器110的磁化电感和变流器的次级绕组的寄生电感之和。在其中存在附加电感器122的情况下，附加电感器也具有在时间间隔131期间的操作的效果。
在根据本发明的示例和非限制实施例的谐振转换器中，同步整流器101的控制电路104进一步包括电压传感器，其被布置成感测整流开关102和103的电流输出端子的电压。控制电路104被布置成只有当所感测的所考虑的整流开关的电流输出端子的电压低于预先确定的限制时控制每个整流开关处于导通状态。在图1a中，电压传感器之一被标为附图标记109。电压传感器109指示整流开关102的电流输出端子的电压是否低于上述的预先确定的限制。预先确定的限制是有利地选取的，使得当整流开关102的电流输出端子的电压低于预先确定的限制时整流开关102上的电压不在整流开关102的寄生二极管的反方向中。
在根据本发明的示例和非限制实施例的谐振转换器中，同步整流器101的每个驱动电路包括与门，其一个输入被布置成接收表示相应整流开关的电流的交流分量的方向的信号，并且其另一个输入被布置成接收表示整流开关的电流输出端子的电压是否低于预先确定的限制的信号。在图1a中，驱动电路107的与门被标为附图标记113。
在根据本发明的示例和非限制实施例的谐振转换器中，同步整流器101的控制电路104包括用于接收表示初级开关115和116的控制信号S1和S2的信息的信号输入。控制电路被布置成仅当初级开关中特定一个处于导通状态时允许每个整流开关处于导通状态。在图1a中所示的示例例子中，仅当初级开关115处于导通状态时整流开关102被允许导通，并且仅当初级开关116处于导通状态时整流开关103被允许导通。这可以被实现，例如使得每个驱动电路包括与门，其一个输入被布置成接收表示适当初级开关是否处于导通状态的状态信号。在其中谐振转换器在其初级侧包括全桥的情况下，状态信号表示适当的两个初级开关是否处于导通状态。从与门的输出到相应整流开关的栅极的信号路径可以进一步包括自适应装置，用于使与门的输出信号自适应为合适用于驱动整流开关的栅极。在图1a中，驱动电路107的自适应装置被标为附图标记123。
图2图示了根据本发明的示例和非限制实施例的同步整流器201的电路图。在这个示例情况中，同步整流器是半波整流器。同步整流器包括整流开关202和用于控制整流开关以只允许单向电流流动的控制电路204。控制电路204包括电流传感器205，用于感测整流开关202的电流的交流分量i_ac，其中该交流分量基本无直流分量。控制电路204包括驱动电路207，用于基于所感测的交流分量i_ac的方向来控制整流开关202。电流传感器205包括变流器210和与变流器的次级绕组并联的旁路电阻器211，以便提供响应于交流分量i_ac的电压信号。驱动电路207包括比较器212，用于检测电压信号的极性和相应地用于控制整流开关202。
图3示出了根据本发明的示例和非限制实施例的用于控制包括用于只允许单向电流流动的至少一个整流开关的同步整流器的方法的流程图。该方法包括下面的动作：
动作301：感测至少一个整流开关的电流的交流分量，该交流分量基本无直流分量，以及
动作302：至少部分地基于所感测的整流开关的电流的交流分量的方向来控制至少一个整流开关。
在根据本发明的示例和非限制实施例的方法中，只在所感测的整流开关的电流的交流分量具有预先确定的对应于其中允许电流流经整流开关的方向的方向时，整流开关被控制处于导通状态。
根据本发明的示例和非限制实施例的方法进一步包括感测整流开关的电流输出端子的电压，并且仅当所感测的整流开关的电流输出端子的电压低于预先确定的限制时允许整流开关处于导通状态。
在根据本发明的示例和非限制实施例的方法中，整流开关的电流的交流分量是通过变流器以及通过与变流器的次级绕组并联连接的旁路电阻器而感测的，以便提供响应于整流开关的电流的交流分量的电压信号。
根据本发明的示例和非限制实施例的方法包括检测上述电压信号的极性并且至少部分地基于所检测到的电压信号的极性来控制整流开关。
在根据本发明的示例和非限制实施例的方法中，整流开关是通过与门的输出信号而控制的，与门的一个输入接收表示所检测的上述电压信号的极性的信号，并且与门的一个或多个其它输入接收下述至少一个：a)表示整流开关的电流输出端子的电压是否低于预先确定的限制的信号，b)从同步整流器外部接收的一个或多个控制信号。
在根据本发明的示例和非限制实施例的方法中，同步整流器是谐振转换器的一部分，该谐振转换器包括：
桥电路，用于接收输入电压且包括至少一对初级开关，
谐振电路，其被连接到桥电路且能够被桥电路驱动，
变压器，其包括连接到谐振电路的初级绕组和连接到同步整流器的次级绕组。
根据本发明的示例和非限制实施例的方法进一步包括接收表示初级开关的控制信号的信息，并且只在初级开关中的特定一个处于导通状态时允许整流开关处于导通状态。整流开关可以例如通过与门的输出信号而受到控制，该与门的一个输入接收表示初级开关中的特定一个是否处于导通状态的信号。
上面给出的描述中所提供的具体、非限制示例不应为解释为限制所附权利要求的范围和/或适用性。

Claims (18)

1.一种同步整流器(101、201)，包括：
至少一个整流开关(102、103、202)，以及
控制电路(104、204)，用于控制所述至少一个整流开关以只允许单向电流流动，
其特征在于，所述控制电路包括：
至少一个电流传感器(105、106、205)，用于感测所述至少一个整流开关的电流的交流分量，所述交流分量基本无直流分量，以及
至少一个驱动电路(107、108、207)，用于至少部分地基于所感测的整流开关的电流的交流分量的方向来控制所述至少一个整流开关。
2.根据权利要求1所述的同步整流器，其中，所述驱动电路被布置成仅当所感测的整流开关的电流的交流分量具有预先确定的方向时控制所述整流开关处于导通状态。
3.根据权利要求1或2所述的同步整流器，其中，所述控制电路进一步包括至少一个电压传感器(109)，所述至少一个电压传感器(109)被布置成感测所述至少一个整流开关(102)的电流输出端子的电压，并且所述控制电路被布置成仅当所述整流开关的电流输出端子的电压低于预先确定的限制时允许所述整流开关处于导通状态。
4.根据权利要求1或2所述的同步整流器，其中，所述电流传感器(105、205)包括变流器(110、210)和包括一个或多个电元件且与所述变流器的次级绕组并联连接的电实体(111、211)，以便提供响应于所述整流开关的电流的交流分量的电压信号。
5.根据权利要求4所述的同步整流器，其中，所述驱动电路(107、207)包括用于检测所述电压信号的极性的比较器(112、212)和用于至少部分地基于所述比较器的输出信号来控制所述整流开关(102、202)的信号路径。
6.根据权利要求5所述的同步整流器，其中，所述信号路径包括与门(113)，所述与门(113)的一个输入被布置成接收所述比较器(112)的输出信号，并且所述与门(113)的一个或多个其它输入被布置成接收下述至少一个：a)指示所述整流开关(102)的电流输出端子的电压是否低于预先确定的限制的信号，b)从所述同步整流器外部接收的一个或多个控制信号。
7.一种谐振转换器，包括：
桥电路(114)，用于接收输入电压并且包括至少一对初级开关(115、116)，
谐振电路(117)，所述谐振电路(117)被连接到所述桥电路并且能够由所述桥电路驱动，
变压器(118)，所述变压器(118)包括初级绕组(119)和次级绕组(120、121)，所述初级绕组被连接到所述谐振电路，以及
根据权利要求1或2所述并且连接到所述变压器的次级绕组并且布置成提供所述谐振转换器的输出电压的同步整流器(101)。
8.根据权利要求7所述的谐振转换器，其中，所述同步整流器的所述控制电路(104)包括信号输入，用于接收指示所述初级开关的控制信号(S1、S2)的信息，并且所述控制电路被布置成仅当所述初级开关中的特定一个处于导通状态时允许所述整流开关处于所述导通状态。
9.根据权利要求8所述的谐振转换器，其中，所述同步整流器是根据权利要求6所述的，并且所述与门的输入之一被布置成接收指示所述初级开关中的所述特定一个是否处于所述导通状态的信号。
10.一种用于控制同步整流器的方法，其中，所述同步整流器包括用于只允许单向电流流动的至少一个整流开关，其特征在于，所述方法包括：
感测(301)所述至少一个整流开关的电流的交流分量，所述交流分量基本无直流分量，以及
至少部分地基于所感测的整流开关的电流的交流分量的方向来控制(302)所述至少一个整流开关。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，仅当所感测的整流开关的电流的交流分量具有预先确定的方向时，控制所述整流开关处于导通状态。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述方法进一步包括感测所述整流开关的电流输出端子的电压，并且仅当所感测的整流开关的电流输出端子的电压低于预先确定的限制时，允许所述整流开关处于所述导通状态。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述整流开关的电流的交流分量通过变流器和通过包括一个或多个电元件并且与所述变流器的次级绕组并联连接的电实体来感测，以便提供响应于所述整流开关的电流的交流分量的电压信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括检测所述电压信号的极性以及至少部分地基于所检测到的电压信号的极性来控制所述整流开关。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述整流开关通过与门的输出信号来控制，所述与门的一个输入接收指示所检测到的电压信号的极性的信号，并且所述与门的一个或多个其它输入接收下述至少一个：a)指示所述整流开关的电流输出端子的电压是否低于预先确定的限制的信号，b)从所述同步整流器外部接收的一个或多个控制信号。
16.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述同步整流器是谐振转换器的一部分，所述谐振转换器包括：
桥电路，用于接收输入电压并且包括至少一对初级开关，
谐振电路，所述谐振电路被连接到所述桥电路并且能够由所述桥电路驱动，
变压器，所述变压器包括连接到所述谐振电路的初级绕组和连接到所述同步整流器的次级绕组。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述方法进一步包括接收指示所述初级开关的控制信号的信息，并且仅当所述初级开关中的特定一个处于导通状态时允许所述整流开关处于所述导通状态。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述整流开关通过与门的输出信号被控制，所述与门的一个输入接收指示所述初级开关中的所述特定一个是否处于所述导通状态的信号。
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