CN106533207B - 应用于电源转换器的同步整流器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于电源转换器的同步整流器及其操作方法。所述同步整流器包含一栅极耦合效应抑制单元。所述栅极耦合效应抑制单元是在所述电源转换器开机且所述电源转换器的一次侧的功率开关开启时，抑制耦合至耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，其中在所述电源转换器开机时，所述二次侧用于驱动所述同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述同步整流器。因此，在所述电源转换器开机且所述功率开关开启时，本发明可确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，所以本发明不仅可防止所述一次侧和所述二次侧同时导通，且也可避免所述电源转换器无法启动或故障。

Description

应用于电源转换器的同步整流器及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种应用于电源转换器的同步整流器及其操作方法，尤其涉及一种可在电源转换器开机时确保电源转换器的一次侧和电源转换器的二次侧不会同时导通的同步整流器及其操作方法。

背景技术

在交流/直流电源转换器开机且所述交流/直流电源转换器的一次侧的功率开关开启时，所述交流/直流电源转换器的二次侧的二次侧绕组会根据流经所述交流/直流电源转换器的一次侧的电流，产生一感应电压。此时，因为在所述交流/直流电源转换器开机且所述功率开关开启时，所述交流/直流电源转换器的二次侧用于驱动应用于所述交流/直流电源转换器的同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述同步整流器，所以所述同步整流器无法产生一栅极控制信号以关闭耦接所述交流/直流电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管，也就是说此时所述金属氧化物半导体晶体管的栅极是一浮动状态。因此，如果通过所述金属氧化物半导体晶体管栅极与漏极间的寄生电容耦合至所述金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压没有被抑制，则所述金属氧化物半导体晶体管可能被开启，导致所述交流/直流电源转换器的一次侧和所述交流/直流电源转换器的二次侧同时导通。因此，如何在所述交流/直流电源转换器开机且所述功率开关开启时确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭已成为同步整流器的设计者的一项重要课题。

发明内容

本发明的一实施例公开一种应用于电源转换器的同步整流器。所述同步整流器包含一栅极耦合效应抑制单元。所述栅极耦合效应抑制单元是用于在所述电源转换器开机且所述电源转换器的一次侧的功率开关开启时，抑制耦合至耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，其中在所述电源转换器开机时，所述二次侧用于驱动所述同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述同步整流器。

本发明的另一实施例公开一种应用于电源转换器的同步整流器的操作方法，其中所述同步整流器包含一栅极耦合效应抑制单元。所述操作方法包含开机所述电源转换器且开启所述电源转换器的一次侧的功率开关；所述电源转换器的二次侧的二次侧绕组根据流经所述一次侧的电流，产生一感应电压；所述栅极耦合效应抑制单元抑制耦合至耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，其中在所述电源转换器开机时，所述二次侧用于驱动所述同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述同步整流器。

本发明公开一种应用于电源转换器的同步整流器及其操作方法。所述同步整流器及所述操作方法是在所述电源转换器开机且所述电源转换器的一次侧的功率开关开启时，抑制耦合至耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭。如此，因为在所述电源转换器开机且所述功率开关开启时，本发明可确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，所以本发明不仅可防止所述电源转换器的一次侧和所述电源转换器的二次侧同时导通，且也可避免所述电源转换器无法启动或故障。

附图说明

图1是本发明的第一实施例公开一种应用于电源转换器的同步整流器的示意图。

图2是说明栅极耦合效应抑制单元是N型金属氧化物半导体晶体管的示意图。

图3是说明栅极控制信号与控制信号的示意图。

图4是本发明的第二实施例公开一种应用于电源转换器的同步整流器的操作方法的流程图。

其中，附图标记说明如下：

100 电源转换器

102 一次侧绕组

104 功率开关

106 二次侧绕组

108 金属氧化物半导体晶体管

200 同步整流器

202 电压限制单元

204 空档时间控制单元

206 栅极驱动单元

208 栅极耦合效应抑制单元

210、211、212、214 接脚

CS 控制信号

Cgd 寄生电容

DT 空档时间

GND 地端

GCS 栅极控制信号

IPRI 电流

PRI 一次侧

PV 预定电压

SEC 二次侧

SRVDS 感应电压

VCC 驱动电压

400-408 步骤

具体实施方式

请参照图1，图1是本发明的第一实施例公开一种应用于电源转换器100的同步整流器200的示意图，其中电源转换器100的一次侧PRI仅一次侧绕组102和一功率开关104显示在图1中，且电源转换器100是一交流/直流电源转换器。如图1所示，同步整流器200包含一电压限制单元202，一空档时间(dead time)控制单元204，一栅极驱动单元206及一栅极耦合效应抑制单元208。如图1所示，当电源转换器100开机且功率开关104开启时，电源转换器100的二次侧SEC的二次侧绕组106会根据流经电源转换器100的一次侧PRI的电流IPRI，产生一感应电压SRVDS(对应功率开关104的控制信号CS)。如图1所示，电压限制单元202可通过同步整流器200的接脚210接收感应电压SRVDS，并限制感应电压SRVDS于一预定电压PV，其中预定电压PV低于感应电压SRVDS，且电压限制单元202是一钳位电路。但本发明并不受限于电压限制单元202是钳位电路。在本发明的另一实施例中，如果感应电压SRVDS的电压值较低，则因为感应电压SRVDS不会损害空档时间控制单元204及栅极耦合效应抑制单元208，所以同步整流器200并不需要电压限制单元202。如图1所示，因为在电源转换器100开机且功率开关104开启时，电源转换器100的二次侧SEC用于驱动同步整流器200的驱动电压VCC尚不足以驱动空档时间控制单元204和栅极驱动单元206，所以栅极驱动单元206无法产生一栅极控制信号GCS以关闭耦接电源转换器100的二次侧SEC的金属氧化物半导体晶体管108，其中驱动电压VCC通过同步整流器200的接脚211传送至空档时间控制单元204和栅极驱动单元206，以及栅极控制信号GCS通过同步整流器200的接脚214传送至金属氧化物半导体晶体管108，也就是说此时金属氧化物半导体晶体管108的栅极是一浮动状态。因此，如果通过一寄生电容Cgd耦合至金属氧化物半导体晶体管108栅极的感应电压SRVDS没有被抑制，则金属氧化物半导体晶体管108可能被开启，导致电源转换器100的一次侧PRI和电源转换器100的二次侧SEC同时导通(因为电源转换器100是一返驰式(flyback)电源转换器，所以电源转换器100的一次侧PRI和电源转换器100的二次侧SEC不能同时导通)。因此，同步整流器200的栅极耦合效应抑制单元208是用于在电源转换器100开机且功率开关104开启(空档时间控制单元204和栅极驱动单元206还未被驱动电压VCC驱动)时，利用预定电压PV(对应通过寄生电容Cgd耦合至金属氧化物半导体晶体管108栅极的感应电压SRVDS)抑制通过寄生电容Cgd耦合至金属氧化物半导体晶体管108栅极的感应电压SRVDS以确保金属氧化物半导体晶体管108被关闭。也就是说在空档时间控制单元204和栅极驱动单元206还未被驱动电压VCC驱动之前，当功率开关104开启(电源转换器100的一次侧PRI开启)时，栅极耦合效应抑制单元208可利用预定电压PV将金属氧化物半导体晶体管108栅极的电平拉至一地端GND以确保金属氧化物半导体晶体管108被关闭(电源转换器100的二次侧SEC关闭)。

请参照图2，图2是说明栅极耦合效应抑制单元208是一N型金属氧化物半导体晶体管的示意图。如图2所示，在空档时间控制单元204和栅极驱动单元206还未被驱动电压VCC驱动之前，当功率开关104开启(电源转换器100的一次侧PRI开启)时，预定电压PV(对应通过寄生电容Cgd耦合至金属氧化物半导体晶体管108栅极的感应电压SRVDS)可开启N型金属氧化物半导体晶体管。因为预定电压PV可开启N型金属氧化物半导体晶体管，所以导通的N型金属氧化物半导体晶体管可将金属氧化物半导体晶体管108栅极的电平拉至地端GND以确保金属氧化物半导体晶体管108被关闭。另外，本发明并不受限于栅极耦合效应抑制单元208是N型金属氧化物半导体晶体管，也就是说栅极耦合效应抑制单元208也可为一双极结型晶体管(bipolar junction transistor,BJT)，一不需驱动电压VCC驱动的电路，一由感应电压SRVDS驱动的电路，或一由预定电压PV驱动的电路。另外，在本发明的另一实施例，当感应电压SRVDS较低(此时同步整流器200并不需要电压限制单元202)时，栅极耦合效应抑制单元208可利用感应电压SRVDS将金属氧化物半导体晶体管108栅极的电平拉至地端GND以确保金属氧化物半导体晶体管108被关闭。

请参照图3，图3是说明栅极控制信号GCS与控制信号CS的示意图。如图3所示，空档时间控制单元204是用于根据预定电压PV(对应功率开关104的控制信号CS)，决定一空档时间DT；栅极驱动单元206是用于根据空档时间DT，产生用于控制金属氧化物半导体晶体管108开启与关闭的栅极控制信号GCS，其中栅极控制信号GCS是通过同步整流器200的接脚214传送至金属氧化物半导体晶体管108。如图3所示，栅极控制信号GCS和控制信号CS并不会重叠以防止电源转换器100的一次侧PRI和电源转换器100的二次侧SEC同时导通。另外，在本发明的另一实施例中，当感应电压SRVDS较低(此时同步整流器200并不需要电压限制单元202)时，空档时间控制单元204是根据感应电压SRVDS，决定空档时间DT。

请参照图1和图4，图4是本发明的第二实施例公开一种应用于电源转换器的同步整流器的操作方法的流程图。图4的方法是利用图1的电源转换器100与同步整流器200说明，详细步骤如下：

步骤400：开始；

步骤402：电源转换器100开机且电源转换器100的一次侧PRI的功率开关104开启；

步骤404：电源转换器100的二次侧SEC的二次侧绕组106根据流经一次侧PRI的电流IPRI，产生感应电压SRVDS；

步骤406：栅极耦合效应抑制单元208抑制耦合至耦接电源转换器100的二次侧SEC的金属氧化物半导体晶体管108栅极的感应电压SRVDS以关闭金属氧化物半导体晶体管108；

步骤408：结束。

在步骤402和步骤404中，如图1所示，当电源转换器100开机且功率开关104开启时，电源转换器100的二次侧SEC的二次侧绕组106会根据流经电源转换器100的一次侧PRI的电流IPRI，产生感应电压SRVDS(对应功率开关104的控制信号CS)。如图1所示，电压限制单元202可通过同步整流器200的接脚210接收感应电压SRVDS，并限制感应电压SRVDS于预定电压PV。但在本发明的另一实施例中，如果感应电压SRVDS的电压值较低，则因为感应电压SRVDS不会损害空档时间控制单元204及栅极耦合效应抑制单元208，所以同步整流器200并不需要电压限制单元202。在步骤406中，如图1所示，因为在电源转换器100开机且功率开关104开启时，电源转换器100的二次侧SEC用于驱动同步整流器200的驱动电压VCC尚不足以驱动空档时间控制单元204和栅极驱动单元206，所以栅极驱动单元206无法产生栅极控制信号GCS以关闭耦接电源转换器100的二次侧SEC的金属氧化物半导体晶体管108，也就是说此时金属氧化物半导体晶体管108的栅极是浮动状态。因此，同步整流器200的栅极耦合效应抑制单元208可在电源转换器100开机且功率开关104开启(空档时间控制单元204和栅极驱动单元206还未被驱动电压VCC驱动)时，利用预定电压PV(对应通过寄生电容Cgd耦合至金属氧化物半导体晶体管108栅极的感应电压SRVDS)抑制通过寄生电容Cgd耦合至金属氧化物半导体晶体管108栅极的感应电压SRVDS以确保金属氧化物半导体晶体管108被关闭。也就是说在空档时间控制单元204和栅极驱动单元206还未被驱动电压VCC驱动之前，当功率开关104开启(电源转换器100的一次侧PRI开启)时，栅极耦合效应抑制单元208可利用预定电压PV将金属氧化物半导体晶体管108栅极的电平拉至地端GND以确保金属氧化物半导体晶体管108被关闭(电源转换器100的二次侧SEC关闭)。

另外，在本发明的另一实施例，当感应电压SRVDS较低(此时同步整流器200并不需要电压限制单元202)时，栅极耦合效应抑制单元208可利用感应电压SRVDS将金属氧化物半导体晶体管108栅极的电平拉至地端GND以确保金属氧化物半导体晶体管108被关闭。

综上所述，本发明所公开的应用于电源转换器的同步整流器及其操作方法是在电源转换器开机且功率开关开启时，抑制耦合至耦接电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保金属氧化物半导体晶体管关闭。因为在电源转换器开机且功率开关开启时，本发明可确保金属氧化物半导体晶体管关闭，所以本发明不仅可防止电源转换器的一次侧和电源转换器的二次侧同时导通，且也可避免电源转换器无法启动或故障。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于电源转换器的同步整流器，其特征在于包含：

一栅极耦合效应抑制单元，用于在所述电源转换器开机且所述电源转换器的一次侧的功率开关开启时，抑制耦合至耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，其中在所述电源转换器开机时，所述二次侧用于驱动所述同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述同步整流器；

一空档时间控制单元，用于根据一预定电压，决定一空档时间；及

一栅极驱动单元，用于根据所述空档时间，产生用于控制所述金属氧化物半导体晶体管开启与关闭的栅极控制信号。

2.如权利要求1所述的同步整流器，其特征在于，另包含：

一电压限制单元，用于限制所述感应电压于所述预定电压。

3.如权利要求2所述的同步整流器，其特征在于，所述电压限制单元是一钳位电路。

4.一种应用于电源转换器的同步整流器，其特征在于包含：

一栅极耦合效应抑制单元，用于在所述电源转换器开机且所述电源转换器的一次侧的功率开关开启时，抑制耦合至耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭；

一空档时间控制单元，用于根据所述感应电压，决定一空档时间；及

一栅极驱动单元，用于根据所述空档时间，产生用于控制所述金属氧化物半导体晶体管开启与关闭的栅极控制信号；

其中在所述电源转换器开机时，所述二次侧用于驱动所述同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述空档时间控制单元和所述栅极驱动单元。

5.如权利要求1所述的同步整流器，其特征在于，所述栅极耦合效应抑制单元是一N型金属氧化物半导体晶体管，一双极结型晶体管，一不需所述驱动电压驱动的电路，或一由所述感应电压驱动的电路。

6.如权利要求1所述的同步整流器，其特征在于，抑制耦合至所述金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，是所述栅极耦合效应抑制单元将所述金属氧化物半导体晶体管栅极拉至一地端以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭。

7.一种应用于电源转换器的同步整流器的操作方法，其中所述同步整流器包含一栅极耦合效应抑制单元，一空档时间控制单元，和一栅极驱动单元，所述操作方法包含：

开机所述电源转换器且开启所述电源转换器的一次侧的功率开关；

所述空档时间控制单元根据一预定电压，决定一空档时间；

所述栅极驱动单元根据所述空档时间，产生用于控制耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管开启与关闭的栅极控制信号；

所述电源转换器的二次侧的二次侧绕组根据流经所述一次侧的电流，产生一感应电压；及

其特征在于还包含：

所述栅极耦合效应抑制单元抑制耦合至所述金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，其中在所述电源转换器开机时，所述二次侧用于驱动所述同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述同步整流器。

8.如权利要求7所述的操作方法，其特征在于，另包含：

一电压限制单元限制所述感应电压于所述预定电压。

9.如权利要求7所述的操作方法，其特征在于，所述栅极耦合效应抑制单元抑制耦合至所述金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，是所述栅极耦合效应抑制单元将所述金属氧化物半导体晶体管栅极拉至一地端以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭。

10.一种应用于电源转换器的同步整流器的操作方法，其中所述同步整流器包含一栅极耦合效应抑制单元，一空档时间控制单元，和一栅极驱动单元，所述操作方法包含：

开机所述电源转换器且开启所述电源转换器的一次侧的功率开关；

所述空档时间控制单元根据一感应电压，决定一空档时间；

所述栅极驱动单元根据所述空档时间，产生用于控制耦接所述电源转换器的二次侧的金属氧化物半导体晶体管开启与关闭的栅极控制信号；

所述电源转换器的二次侧的二次侧绕组根据流经所述一次侧的电流，产生所述感应电压；及

其特征在于还包含：

所述栅极耦合效应抑制单元抑制耦合至所述金属氧化物半导体晶体管栅极的感应电压以确保所述金属氧化物半导体晶体管关闭，其中在所述电源转换器开机时，所述二次侧用于驱动所述同步整流器的驱动电压尚不足以驱动所述空档时间控制单元和所述栅极驱动单元。