CN1132301C - 自驱动同步整流的方法和电路 - Google Patents

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Abstract

用于电源变换器的自驱动同步整流电路(42)。电路包括变压器(49,70),具有带有第一端子和第二端子的次级绕组,第一同步整流器(14),被耦合到第二变压器端子和具有一个控制端,以及第二同步整流器(16),被耦合到第一变压器端子和具有一个控制端。电路(42)还包第一开关(44),被耦合到第一同步整流器(14)控制端,以及第二开关(46),被耦合到第二同步整流器控制端。第一(44)和第二开关(46)被耦合到次级绕组。第一(14)和第二(16)同步整流器的切换过渡是通过所述变压器次级绕组的电压的极性倒置而发起的。

Description

自驱动同步整流的方法和电路
                     技术领域
本发明总的涉及逻辑集成电路,更具体地涉及用于电源变换器的、容易适合于所有类型的电路拓扑的、精巧的自驱动同步整流方案。
                     发明背景
由于逻辑集成电路(IC)在追求更高的工作频率时迁移到更低的工作电压,以及由于总的系统尺寸不断减小,要求具有更小的、和更高效率的功率模块的电源设计。在努力提高效率和增加功率密度的过程中,同步整流成为对于这种类型的应用项所必须的。同步整流是指使用诸如MOSFET的有源器件代替Schottky(肖特基)二极管作为电路中的整流元件。最近,自驱动同步方案在工业上被广泛采用为在输出电压为5伏和5伏以下的DC/DC模块中的用于驱动同步整流器的想要的方法。自驱动同步方案提供一种实现同步整流的简易的、低成本和可靠的方法。
大多数这些方案被设计成使用于通常被称为“D,1-D”(互补驱动)型拓扑的一个非常特别的拓扑组。参阅Cobos,J.A.,等“Severalalternatives for low output voltage on board converters(对于低输出电压的在电路板上的变换器的几种替换例)”,IEEE APEC 98Proceedings,pp.163-169。也参阅在1996年12月31日授权给Bowman等的题目为“Self-synchronized drive circuit for asynchronous rectifier in aclamped-mode power converter(用于箝位模式电源变换器中的同步整流器的自同步驱动电路)”的美国专利5,590,032以及在1993年12月28日授权给Loftus的题目为“Zero-voltage switching power converter with losslesssynchronous rectifier gate drive(带有无损同步整流器栅极驱动的零电压切换电源变换器)”的美国专利5,274,543。在这些类型的变换器中,在次级绕组中的电源变压器信号具有正确的形状和定时,以便直接驱动具有最小修正的同步整流器。图1A显示了这类变换器的例子,带有由同步整流电路12提供的有源正向箝位10和自驱动同步整流,同步整流电路包括在变压器18的次级绕组与输出端之间的两个同步整流器14和16。用于这种类型的变换器的变压器信号20具有方波形状,带有两个很容易辨认的时间间隔,每个时间间隔相应于同步整流器14和16之一的“接通”时间,如图1B所示。
在诸如硬切换的半桥式(HB),全桥式(HB)整流器,以及推挽拓扑和非“D,1-D”类型拓扑(例如,带有无源复位装置的正向箝位器)中,变压器电压具有可辨认的零电压间隔,使得实施自驱动同步整流成为不希望的。结果,必须使用带有这些电路拓扑的外部驱动电路。通过使用变压器电压驱动同步整流器,导致用于同步整流器14和16的MOSFET的寄生反向并联二极管在很大部分的续流时间间隔内导通,负面地影响模块的效率,这是不希望的。已经报道了对于谐振正向复位装置的某些自驱动实施方案。参阅Murakami,N.等的“A Highefficient low-profile 300 W power pack for telecommunicationsystems(用于电信系统的高效率低轮廓的300瓦电源块)”,IEEE APEC1994 Proceedings,pp.786-792,和Yamashita,N.等的“A Compact,high efficient 50 W on board power supply pack fortelecommunication systems(用于电信系统的精巧的高效率的低50瓦在电路板上的电源块)”,IEEE APEC 1995 Proceedings,pp.297-302。在这些实施例中,谐振复位装置间隔被调整成在续流时间间隔期间提供正确的栅极驱动信号。
                      发明概要
本发明完成技术优点为自驱动同步整流方案,可以容易地适用于所有类型的拓扑,包括硬切换的HB,FB和推挽变换器,而先前没有这种有效的自驱动同步整流方案可供这些变换器使用。
在一个实施例中,揭示了用于电源变换器的自驱动同步整流电路。电路包括具有初级和次级绕组的变压器,次级绕组具有第一端子和第二端子。电路包括第一同步整流器,被耦合到变压器第二端子和具有一个控制端;以及第二同步整流器,被耦合到变压器第一端子和具有一个控制端。第一开关被耦合到第一同步整流器控制端,以及第二开关被耦合到第二同步整流器控制端。第一和第二开关被耦合到次级绕组,其中第一和第二同步整流器的切换过渡是通过所述变压器次级绕组的电压的极性倒置而发起的。
在另一个实施例中,揭示了用于电源变换器的自驱动同步整流电路,电路包括具有初级和次级绕组的变压器,次级绕组具有第一端子和第二端子。电路包括第一同步整流器,具有源极、漏极和栅极,第一同步整流器的漏极被耦合到次级绕组的第二端子;以及第二同步整流器,具有源极、漏极和栅极,第二同步整流器的源极被耦合到第一同步整流器的源极,以及第二同步整流器的漏极被耦合到次级绕组的第一端子。电路包括第一开关,具有源极、漏极和栅极,第一开关的漏极被耦合到第一同步整流器的栅极,以及第一开关的源极被耦合到次级绕组的第一端子。第一开关的栅极被耦合到次级绕组的第二端子。电路还包括第二开关,具有源极、漏极和栅极,第二开关的源极被耦合到次级绕组的第二端子,以及第二开关的栅极被耦合到次级绕组的第一端子。第二开关的漏极被耦合到第二同步整流器的栅极。第一和第二同步整流器的切换过渡是通过所述变压器次级绕组的电压的极性倒置而发起的。
还揭示了由电源变换器通过使用带有初级绕组和次级绕组的变压器的自驱动同步整流器来整流交变电压的方法,其中次级绕组具有第一端子和第二端子。该方法包括以下步骤:提供交变的信号到变压器的初级绕组,第一同步整流器导通电流流过次级绕组的第二端子,以及第一开关控制第一同步整流器。第二同步整流器导通电流流过次级绕组的第一端子,以及第二开关控制第二同步整流器,其中第一和第二同步整流器的切换过渡是通过所述变压器次级绕组的电压的极性倒置而发起的。
                      附图简述
通过结合附图考虑以下的说明,将更清楚地了解本发明的以上特性,其中:
图1A显示现有技术的带有自驱动同步整流的有源正向箝位变换器;
图1B显示了对用于图1所示的“D,1-D”型变换器的典型的变压器电压;
图2A显示现有技术的带有无源复位装置的正向箝位电路;
图2B显示了图2A的变压器次级电压波形28;
图3A显示利用本发明的一个实施例的带有无源复位装置的正向箝位电路;
图3B显示用于图3A的带有无源复位装置的正向箝位电路的本发明的自驱动同步整流器的电压波形;
图4显示采用本发明的半波整流器以及可任选的外部电感;
图5显示被配置用于全波整流器的本发明;
图6显示采用现有技术自驱动方案的有源正向箝位变换器的典型波形;
图7显示采用本发明的自驱动同步整流方案的有源正向箝位电路;
图8显示采用本发明的自驱动方案的有源正向箝位-回扫电路;
图9显示采用本发明的自驱动同步整流方案的移相的ZVS全桥式电路;
图10显示使用于硬切换的半桥式、全桥式、或推挽式变换器的全波整流器的本发明的自驱动同步方案的一个实施例;
图11显示带有栅极驱动限流电阻94和96的用于全波整流器的本发明的自驱动同步整流方案的一个实施例;
图12显示带有可任选的栅极驱动限压器90和92的本发明的自驱动同步全波整流器的一个实施例;
图13显示硬切换的推挽型拓扑的同步整流器电流波形;
图14显示本发明的一个实施例,附加有饱和电感60和62,以减小双脉动;
图15显示对于具有饱和电感的本发明的典型波形;以及
图16显示另一个实施例,对于开关44和46有不同的变压器连接。
在不同的图上相应的数字和符号是指相应的部件,除非另外指明。
                   优选实施例描述
以下是本发明的结构和方法的说明。首先讨论现有技术电路,接着说明本发明的几个优选实施例和替换例,以及讨论优点。
参照图2A,图上显示了带有无源复位装置的正向箝位电路22,其变压器次级电压波形28示于图2B。把现有技术的自驱动同步方案加到这个拓扑上的一个问题是,用来代替在续流阶段期间导通的整流器26的同步整流器,在续流阶段结束以前关断(相应于图2B的波形28的时间间隔30)。同步整流器MOSFET 26的寄生的反向并联二极管导通,增加了损耗。MOSFET必须在整个续流阶段期间保持接通和导通,以便对于这种类型的变换器有效地实行自驱动同步整流,并且得到高效率。
本发明通过加上两个开关44和46(示于图3上的带有无源复位装置的正向箝位电路中),而解决现有技术的这个问题。优选地,开关44和46是比用作为同步整流器14和16的MOSFET更小的MOSFET。开关44和46被用来分别驱动同步整流器14和16。在这种驱动方案中,同步整流器14和16在变压器信号衰减到零时保持接通和导通,这与传统的现有技术的自驱动方案相反。按照本发明,同步整流器14和16在变压器电压切换极性时被关断。同步整流器14和16通过驱动开关44和46的反向并联二极管被接通,以及在变压器电压通过开关44和46切换极性时被关断。优选地,电感L0被串联耦合在同步整流器16与输出电压端子47之间,以平滑电流纹波,以及电容C0被跨接在电源电压之间,以平滑电压,如图所示。
初看起来,整个自驱动同步整流方案似乎有固有的缺陷。参照图3B,在时间T<t0时,整流器14被关断以及整流器16导通。在时间T=t0时,主开关48接通,以及试图发起新的切换周期。假定理想变压器49(没有泄漏电感和没有串联电阻)以及在次级电路中没有所有的寄生参量,主开关48接通,成为短路。顺序为如下:在主开关接通的时候,整流器14的反向二极管瞬时地试图导通,使整流器16仍旧接通,导致变压器49的次级绕组之间形成的短路。整流器16需要变压器49的电压倒转极性,以便关断,但这个电压在整流器16关断以前不能倒置。然而,这个概念假定理想的元件和电路配置。所以,如果杂散电感和电阻被引入到讨论中,则可以容易地看到(实验和通过仿真),在几千赫的切换频率下,在典型的变换器配置中发现的杂散电感和电阻允许在次级绕组中增大足够的电压来关断整流器16。整流器14接通而成为瞬时的“短路”。
本发明的驱动方案在切换过渡期间造成“贯通”电流(由于短路引起的峰值电流),这可以被补偿,将在这里描述。对于大多数电路板安装的电源模块所设计用于的电流大小和切换频率,这种贯通电流不太严重。贯通电流是由于接通同步整流器14和16“过迟”而造成的,以及它没有在允许同步整流器的寄生反向并联二极管导通时由于所有同步整流器所固有的反向复位效应而增大的贯通电流那样严重,正如在传统的自驱动同步方案的情形那样。
然而,如果贯通电流干扰了电路的正常运行,则可以加上任选的外部电感60和/或62,分别与同步整流器14和16串联,如图4所示。正向外部电感60和64优选地是一圈的、允许饱和的铁氧体电感,或更典型的具有方形环材料的饱和电感。通过使用饱和电感,使得电感对电路的总的性能的影响最小化,而同时消除了贯通电流。
使用于全波整流器的本发明的实施方案类似于半波整流器的那种实施方案,它如图5所示。
在如图1所示的传统的自驱动同步整流器方案中,同步整流器14和16在变压器电压减小到零时关断,所以在换向阶段76和78期间,MOSFET的反向并联二极管导通,如图6所示。被使用于同步整流器14和16的MOSFET的寄生反向并联二极管是很慢关断的,以及对于这种类型的应用关断得不够快,以及产生贯通电流。这些电流可能是非常严重的,特别是在满负载时,这与模块的性能冲突。将会看到,阻止同步整流被使用在较高的切换频率(>500kHz)的一个结果是由同步整流器14和16中的反向复位造成的损耗。本发明的自驱动方案解决反向复位问题,如前面讨论的。
本同步自驱动方案的附加优点是,被加上的用来关断同步整流器的附加的开关44和46对于栅极驱动信号起到的有源阻尼器的作用。开关44和46提供对于来自寄生振荡的同步整流器14和16的数据信号的缓冲,该寄生振荡通常由于与杂散电感和输出电容交互作用而出现在变压器次级绕组。传统的现有技术自驱动方案通常加上附加部件,以使得这个影响最小化。
图7和8分别显示本发明的自驱动同步整流器42用于正向有源箝位变换器80和用于正向有源箝位回扫变换器82的实施方案。图9显示本发明的自驱动同步整流器42用于移相零电压切换(ZVS)全电桥84和用于正向有源箝位回扫变换器82的实施方案。
本发明对于各种各样的许多电路拓扑能很好地起作用。然而,没有某些附加的修改,这些概念不能直接被应用到硬切换半桥式、全桥式、和推挽拓扑,因为在续流阶段期间,负载电流流过同步整流器14和16,这不是前面讨论的任意拓扑的情形。图10显示了本发明用于推挽型拓扑的全波整流器的实施方案。在这个实施方案中,加上两个附加开关90和92。开关90和92优选地包括P型MOSFET,以及它在续流阶段期间接通同步整流器14和16。如果在栅极驱动时的贯通电流是一个关心的问题,则电阻94和96可被放置成分别与开关90和92串联,以减小贯通电流,如图11所示。
在大多数应用项中,必须把栅极驱动信号箝位到预定的数值,以便不超过栅极的击穿电压。图12显示了本发明的这个实施例。在这个实施方案中,加上一对电压限幅器,优选地包括N型MOSFET,以便把同步整流器的栅极上的电压限制到VCC栅极电压减去门限电压(1到2伏)。
在对于硬切换半桥式、全桥式、和推挽拓扑实施这种自驱动方案时,可能导致由栅极驱动的多个脉动。为了了解这种现象,接着,讨论在这些拓扑中分别流过同步整流器14和16的电流66和64,以及示于图13。过渡TR1和TR2以相同的极性增大了在寄生电感和电阻上的电压。在这些寄生电感和电阻上增大的电压是在过渡TR2期间关断开关14的电压。所以,同样的现象试图在在过渡TR1期间关断开关14,导致栅极驱动电压的多脉动。为了减小多脉动,可以加上饱和电感60和62,分别与同步整流器14和16串联,如图14所示。如果饱和电感60和62被假定为具有方形材料,以及它们的饱和电感值被假定为支配次级电路的运行,则代表自驱动同步整流器的运行的波形是如图15所示。可以看到,在过渡TR2期间在开关44的栅极处产生比起在在过渡TR1期间大得多的电压,正如希望的那样。但正如前面说明的,以典型的DC/DC模块的切换频率和电流水平,在电路配置中的杂散电感和电阻足以产生足够的电压来启动切换过渡。所以,除了饱和电感60与62以外,需要增大驱动开关的栅极电压的抗干扰性(图14)。如图16所示地缩放加到驱动开关的驱动电压,造成附加的抗干扰性。
本自驱动同步整流器方案的新颖方法和系统给出了有效地提供用于电源变换器的自驱动同步整流器的优点,其中同步整流器在变压器次级绕组上的电压近似为零时继续导通。本发明的另一个优点是使方案适用于任何类型的变换器拓扑的能力。本发明的再一个优点是开关44和46对于栅极驱动信号起到有源阻尼器的作用,提供对于来自寄生振荡的同步整流器14和16的栅极信号的缓冲,消除了为使得这个影响最小化而对于附加部件的需要。
虽然参照说明性实施例描述了本发明,但这个说明不打算认为是限制意义的。在说明性实施例的组合中的各种修改,以及本发明的其它实施例,对于本领域技术人员在参考本说明后将是显而易见的。本发明是对于DC-DC电源变换器的使用描述的,但对于其它类型的电源变换器,也得出技术优点。同步整流器方14和16;开关44、46、90、和92;以及电压驱动器98和100被显示为MOSFET;然而,期望另一种类型的FET或切换器件将适合于在本发明中使用。另外,在本揭示内容中,栅极驱动开关44和46被显示为被连接在变压器(49,70)的次级绕组的输出端处。然而,为了缩放驱动电压,开关44和46可以从变压器绕组中的任何地方抽头。例如,对于非常低的电压应用项,可能必须延伸变压器次级绕组,以便提升驱动信号。而且,这个概念可以容易地延伸到电流加倍整流器电路以及谐振型变换器。所以,打算由附属权利要求包括任何这样的修改或实施例。

Claims (8)

1.用于电源变换器的自驱动同步整流电路,其特征在于包括:
具有初级和次级绕组的变压器,所述次级绕组具有第一端子和第二端子;
第一同步整流器,具有源极、漏极和栅极,所述第一同步整流器的所述漏极被耦合到所述次级绕组的所述第二端子;
第二同步整流器,具有源极、漏极和栅极,所述第二同步整流器的源极被耦合到所述第一同步整流器的所述源极,所述第二同步整流器的所述漏极被耦合到所述次级绕组的所述第一端子;
第一开关,具有源极、漏极和栅极,所述第一开关的所述漏极被耦合到所述第一同步整流器的所述栅极,所述第一开关的所述源极被耦合到所述次级绕组的所述第一端子,所述第一开关的所述栅极被耦合到所述次级绕组的所述第二端子;以及
第二开关,具有源极、漏极和栅极,所述第二开关的所述源极被耦合到所述次级绕组的所述第二端子,所述第二开关的所述栅极被耦合到所述次级绕组的所述第一端子,以及所述第二开关的所述漏极被耦合到所述第二同步整流器的所述栅极;
其中所述第一和第二同步整流器的切换过渡是通过所述变压器次级绕组的电压的极性倒置而发起的。
2.权利要求1的电路,其特征在于,还包括:
第一电感,串联在所述次级绕组的所述第一端子和输出电压端相之间;
电容,被耦合在所述输出电压端和返回电压端之间;
第二电感,被耦合在所述第二同步整流器的所述漏极与所述次级绕组的所述第一端子之间;以及
第三电感,被耦合在所述次级绕组的所述第二端子和所述第一同步整流器的所述漏极之间。
3.权利要求1的电路,其特征在于,还包括:
第三开关,被耦合到所述第一同步整流器,所述第二开关被耦合到所述第三开关;以及
第四开关,被耦合到所述第二同步整流器,所述第一开关被耦合到所述第四开关。
4.权利要求3的电路,其特征在于,还包括:
第一限压器,被耦合到所述第一同步整流器;
所述第一限压器的栅极被耦合到电压源;以及
第二限压器,被耦合到所述第二同步整流器,所述第二限压器的栅极被耦合到一个电压源,其中所述第一和第二限压器提供栅极电压限制。
5.由电源变换器通过使用带有初级绕组和次级绕组的变压器的自驱动同步整流器来整流交变电压的方法,所述次级绕组具有第一端子和第二端子,所述方法包括以下步骤:
提供交变的信号到所述变压器的所述初级绕组;
由一个第一同步整流器的漏极导通电流流过所述次级绕组的第二端子,该第一同步整流器具有源极、漏极和栅极;
由一个第二同步整流器的源极、漏极导通电流流过所述次级绕组的所述第一端子,该第二同步整流器具有源极、漏极和栅极;
使用一个第一开关来控制所述第一同步整流器,该第一开关具有源极、漏极和栅极,其中所述第一开关的所述漏极连接到所述第一同步整流器的所述栅极,所述第一开关的所述源极连接到所述次级绕组的所述第一端子,所述第一开关的所述栅极连接到所述次级绕组的所述第二端子;
使用一个第二开关来控制所述第二同步整流器,该第二开关具有源极、漏极和栅极,其中所述第二开关的所述源极连接到所述次级绕组的所述第二端子,所述第二开关的所述栅极连接到所述次级绕组的所述第一端子,所述第二开关的所述漏极连接到所述第二同步整流器的所述栅极;以及
通过所述变压器次级绕组的电压的极性倒置来发起所述第一和第二同步整流器的切换过渡。
6.权利要求5的方法,其特征在于还包括以下步骤:
利用一个串联在所述次级绕组的所述第一端子和一个输出电压端子之间的第一电感与一个连接到所述输出电压端子和一个返回电压端子之间的电容来平滑一个输出电压;
利用一个连接在所述第二同步整流器的所述漏极和所述次级绕组的所述第一端子之间的第二电感与一个连接在所述次级绕组的所述第二端子和所述第一同步整流器的所述漏极之间的第三电感来消除击穿电流。
7.权利要求5的方法,其特征在于还包括以下步骤:
在一个续流阶段,利用一个连接到所述第一同步整流器的第三开关与一个连接到所述第二同步整流器的第四开关来接通所述第一和第二同步整流器,其中所述第二开关连接到所述第三开关,而所述第一开关连接到所述第四开关。
8.权利要求7的方法,其特征在于,还包括以下步骤:
利用一个连接到所述第一同步整流器的第一限压器和一个连接到所述第二同步整流器的一个第二限压器来提供对栅极电压的限制,其中所述第一限压器的栅极连接到一个电压源,而所述第二限压器的栅极连接到一个电压源。
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