CN113783431A - 一种同步整流驱动电路、谐振自驱动电路及llc变换器 - Google Patents

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Abstract

本申请揭示了一种同步整流驱动电路、谐振自驱动电路及LLC变换器，该同步整流驱动电路包括第一MOSFET管、三个寄生电容Cgd、Cgs、Cds，以及谐振自驱动电路，其中：谐振自驱动电路包括电阻Ras、第一电容Cad、电感Lad、第二电容Cgd_ext和第三电容Cgs_ext；电感Lad的第一端、第二电容Cgd_ext的第一端以及第一MOSFET管的漏极电性连接，电感Lad的第二端与第一电容Cad的第一端电性连接，第一电容Cad的第二端、第二电容Cgd_ext的第二端、电阻Ras的第一端、第三电容Cgs_ext的第一端以及第一MOSFET管的栅极电性连接，电阻Ras的第二端、第三电容Cgs_ext的第二端以及第一MOSFET管的源极电性连接。本申请通过采用谐振电路自驱动的方法，大大降低了驱动器件成本。

Description

一种同步整流驱动电路、谐振自驱动电路及LLC变换器
技术领域
本发明属于电路设计技术领域，涉及一种同步整流驱动电路、谐振自驱动电路及LLC变换器。
背景技术
对于LLC变换器来说，同步整流技术能够极大降低整流环节的损耗，提高变换器效率。但是LLC谐振变换器的同步整流驱动信号和原边半桥驱动信号是有差别的，这给同步整流驱动的设计带来了极大的挑战。在额定负载下不同工作频率时LLC变换器的主要波形如图1A所示，其是额定负载下不同工作频率时LLC变换器的主要波形的示意图，对应的外驱动型的LLC变换器的电路结构如图1B所示，由图1B可知，现有的外驱动型的LLC变换器至少包括两个副边的MOS管SR1和SR2，两个MOS管SR1和SR2分别通过外接的驱动电路进行驱动。LLC变换器涉及到的驱动信号以及电流可以包括Q1的栅极驱动信号Vgs_Q1，Q2的栅极驱动信号Vgs_Q2，谐振电流i Lr，励磁电流i Lm，变压器副边电流i SEC，SR1的栅极驱动信号Vgs_SR1，SR2的栅极驱动信号Vgs_SR2。如果开关频率fs小于谐振频率fr，同步整流MOSFET(SR1或SR2)会比原边的开关提前关断。如果fs>fr，同步整流MOSFET会比原边开关推迟关断。如果fs＝fr，同步整流MOSFET的关断时刻与原边半桥开关相同。此外，SR1或SR2的导通时间T2还与负载轻重有关。因此，原边半桥的驱动信号不能直接用于同步整流。如果同步整流驱动信号与理想的驱动信号相差太大，会造成电流流经同步整流MOSFET的体二极管，使效率下降。
目前常用的同步驱动方案有以下几种：1、基于检测电流信号的同步整流方案，此方案尽管精确，但是需要额外的电流传感元件，而且会增加额外的损耗。2、大多数同步整流方案是基于检测同步整流MOSFET的漏源电压Vds_SR，此方案的精确度很大程度上受整流MOSFET的封装影响。在高频下，整流MOSFET的寄生电感对该方案的影响很大。3、直接将原边桥臂的驱动信号经过隔离与延迟直接驱动副边同步整流管。
传统的同步整流驱动可以满足大部分直流电源的缓启动控制需求。但其缺点为：前两种需要电流电压采样电路或者专用驱动芯片，增加了电源模块成本，第三种难以精确控制驱动信号的持续时间，会造成额外损耗。
发明内容
为了解决相关技术中的问题，本申请提供了一种同步整流驱动电路及谐振自驱动电路，包括：
第一方面，本申请提供了一种同步整流驱动电路，所述同步整流驱动电路包括第一MOSFET管、第一寄生电容Cgd、第二寄生电容Cgs、第三寄生电容Cds，以及谐振自驱动电路，其中：
所述谐振自驱动电路包括电阻Ras、第一电容Cad、电感Lad、第二电容Cgd_ext和第三电容Cgs_ext；
所述第一寄生电容Cgd的第一端、所述第一MOSFET管的漏极以及所述第三寄生电容的Cds的第一端电性连接，所述第一寄生电容Cgd的第二端、所述第一MOSFET管的栅极以及所述第二寄生电容Cgs的第一端电性连接，所述第二寄生电容Cgs的第二端、所述第一MOSFET管的源极以及所述第三寄生电容的Cds的第二端电性连接；
所述电感Lad的第一端、所述第二电容Cgd_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的漏极电性连接，所述电感Lad的第二端与所述第一电容Cad的第一端电性连接，所述第一电容Cad的第二端、所述第二电容Cgd_ext的第二端、所述电阻Ras的第一端、所述第三电容Cgs_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的栅极电性连接，所述电阻Ras的第二端、所述第三电容Cgs_ext的第二端以及所述第一MOSFET管的源极电性连接。
可选的，所述谐振自驱动电路还包括输出电流采样电路，所述输出电流采样电路控制所述第一MOSFET管的开启与关断。
可选的，所述输出电流采样电路包括电流滞环比较电路以及第二MOSFET管，所述第二MOSFET管与所述电阻Ras并联，所述电流滞环比较电路与所述第二MOSFET管电性连接以控制所述第二MOSFET管的开启和关断。
可选的，所述第二MOSFET管的寄生电容Cds为所述第三电容Cgs_ext。
本申请还提供了一种谐振自驱动电路，与第一MOSFET管电性连接，所述谐振自驱动电路包括电阻Ras、第一电容Cad、电感Lad、第二电容Cgd_ext和第三电容Cgs_ext，其中：
所述电感Lad的第一端、所述第二电容Cgd_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的漏极电性连接，所述电感Lad的第二端与所述第一电容Cad的第一端电性连接，所述第一电容Cad的第二端、所述第二电容Cgd_ext的第二端、所述电阻Ras的第一端、所述第三电容Cgs_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的栅极电性连接，所述电阻Ras的第二端、所述第三电容Cgs_ext的第二端以及所述第一MOSFET管的源极电性连接。
可选的，所述第一MOSFET管配置有第一寄生电容Cgd、第二寄生电容Cgs、第三寄生电容Cds，所述第一寄生电容Cgd的第一端、所述第一MOSFET管的漏极以及所述第三寄生电容的Cds的第一端电性连接，所述第一寄生电容Cgd的第二端、所述第一MOSFET管的栅极以及所述第二寄生电容Cgs的第一端电性连接，所述第二寄生电容Cgs的第二端、所述第一MOSFET管的源极以及所述第三寄生电容的Cds的第二端电性连接。
可选的，所述谐振自驱动电路还包括输出电流采样电路，所述输出电流采样电路控制所述第一MOSFET管的开启与关断。
可选的，所述输出电流采样电路包括电流滞环比较电路以及第二MOSFET管，所述第二MOSFET管与所述电阻Ras并联，所述电流滞环比较电路与所述第二MOSFET管电性连接以控制所述第二MOSFET管的开启和关断。
可选的，所述第二MOSFET管的寄生电容Cds为所述第三电容Cgs_ext。
第三方面，本申请还提供了一种LLC变换器，所述LLC变换器至少包括副边的两个第一MOSTFE管，以及分别用于驱动一个所述第一MOSTFE管的谐振自驱动电路，所述谐振自驱动电路为第二方面以及第二方面各种可选方式中提供的谐振自驱动电路。
本申请至少可以实现如下有益效果：
本申请采用谐振电路自驱动的方法，通过额外增加上述少量元器件，即可实现同步整流的自驱动，这种驱动方式无需电压电流检测，可以通过调节元器件参数调节驱动占空比，大大降低了驱动器件成本。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1A是额定负载下不同工作频率时LLC变换器的主要波形的示意图；
图1B是现有外驱动型LLC变换器的电路示意图；
图2A是本申请一个实施例中提供的第一MOSFET管及寄生电容的电路示意图；
图2B是本申请一个实施例中提供的同步整流驱动电路的示意图；
图3是2B所示的自驱动电路的等效电路的示意图；
图4是通过控制相位角为180度驱动成的波形的示意图；
图5是本申请一个实施例中提供的输出电流采样电路的示意图；
图6本申请另一个实施例中提供的同步整流驱动电路的示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本申请提供了一种新型的LLC变换器，该LLC变换器至少包括副边的两个第一MOSTFE管，以及分别用于驱动一个所述第一MOSTFE管的谐振自驱动电路，采用谐振电路自驱动的方法，通过额外增加上述少量元器件，即可实现同步整流的自驱动，从而省略了额外的驱动电路。
请结合图2A和图2B所示，本申请提供了一种同步整流驱动电路，该同步整流驱动电路包括第一MOSFET管、第一寄生电容Cgd、第二寄生电容Cgs、第三寄生电容Cds，以及谐振自驱动电路。
这里所讲的第一MOSTFE管通常是指LLC变换器中副边的两个第一MOS管中的一个，比如图1B中的SR1或SR2。
所述第一寄生电容Cgd的第一端、所述第一MOSFET管的漏极以及所述第三寄生电容的Cds的第一端电性连接，所述第一寄生电容Cgd的第二端、所述第一MOSFET管的栅极以及所述第二寄生电容Cgs的第一端电性连接，所述第二寄生电容Cgs的第二端、所述第一MOSFET管的源极以及所述第三寄生电容的Cds的第二端电性连接。
所述谐振自驱动电路可以包括电阻Ras、第一电容Cad、电感Lad、第二电容Cgd_ext和第三电容Cgs_ext。
所述电感Lad的第一端、所述第二电容Cgd_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的漏极电性连接，所述电感Lad的第二端与所述第一电容Cad的第一端电性连接，所述第一电容Cad的第二端、所述第二电容Cgd_ext的第二端、所述电阻Ras的第一端、所述第三电容Cgs_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的栅极电性连接，所述电阻Ras的第二端、所述第三电容Cgs_ext的第二端以及所述第一MOSFET管的源极电性连接。
根据图2B可以将该同步整流驱动电路等效为图3所示的电路，输入为Vds_SR，输出为Vgs_SR，根据电路原理，可以求输入对输出的传递函数，得出其阻抗表达式、增益与相位关系。
Figure BDA0003215785990000041
Figure BDA0003215785990000051
通过合理的选择开关频率与谐振元件的参数，即可控制Vds与Vgs的相位角，通过控制相位角为180度即可使驱动成为图4波形所示。
通过调整Ras的值，即可调整驱动波形的直流偏置大小，如图4中的两条虚线所示，当直流偏置变化，由于MOS管具有开通关断阈值，可以调整实际同步整流工作的占空比。在本方案基础上通过样机进行试验，试验参数如下表1所示。
Figure BDA0003215785990000052
表1
可以看到，在本例中，选择了Cgd_ext为0，即不增加额外的Cgd元件，与此同时，为了便于LLC轻载效率的提升，本发明提出另一种扩展应用方法，即通过输出电流采样电路控制同步整流的开启与关断。也就是说，该谐振自驱动电路还包括输出电流采样电路，所述输出电流采样电路控制所述第一MOSFET管的开启与关断。
所述输出电流采样电路包括电流滞环比较电路以及第二MOSFET管，在一种可能的实现方式中，电流滞环比较电路可以参见图5所示，所述第二MOSFET管与所述电阻Ras并联，所述电流滞环比较电路与所述第二MOSFET管电性连接以控制所述第二MOSFET管的开启和关断，此时可以利用第二MOSFET管的Cds电容取代Cgs_ext，如图6所示，当第二MOSFET管导通后驱动被钳位，有效降低轻载下整个LLC电路的损耗。
综上所述，本申请提供的LLC变换器，采用谐振电路自驱动的方法，通过额外增加上述少量元器件，即可实现同步整流的自驱动，这种驱动方式无需电压电流检测，可以通过调节元器件参数调节驱动占空比，大大降低了驱动器件成本。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种同步整流驱动电路，其特征在于，所述同步整流驱动电路包括第一MOSFET管、第一寄生电容Cgd、第二寄生电容Cgs、第三寄生电容Cds，以及谐振自驱动电路，其中：
所述谐振自驱动电路包括电阻Ras、第一电容Cad、电感Lad、第二电容Cgd_ext和第三电容Cgs_ext；
所述第一寄生电容Cgd的第一端、所述第一MOSFET管的漏极以及所述第三寄生电容的Cds的第一端电性连接，所述第一寄生电容Cgd的第二端、所述第一MOSFET管的栅极以及所述第二寄生电容Cgs的第一端电性连接，所述第二寄生电容Cgs的第二端、所述第一MOSFET管的源极以及所述第三寄生电容的Cds的第二端电性连接；
所述电感Lad的第一端、所述第二电容Cgd_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的漏极电性连接，所述电感Lad的第二端与所述第一电容Cad的第一端电性连接，所述第一电容Cad的第二端、所述第二电容Cgd_ext的第二端、所述电阻Ras的第一端、所述第三电容Cgs_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的栅极电性连接，所述电阻Ras的第二端、所述第三电容Cgs_ext的第二端以及所述第一MOSFET管的源极电性连接。
2.根据权利要求1所述的同步整流驱动电路，其特征在于，所述谐振自驱动电路还包括输出电流采样电路，所述输出电流采样电路控制所述第一MOSFET管的开启与关断。
3.根据权利要求2所述的同步整流驱动电路，其特征在于，所述输出电流采样电路包括电流滞环比较电路以及第二MOSFET管，所述第二MOSFET管与所述电阻Ras并联，所述电流滞环比较电路与所述第二MOSFET管电性连接以控制所述第二MOSFET管的开启和关断。
4.根据权利要求3所述的同步整流驱动电路，其特征在于，所述第二MOSFET管的寄生电容Cds为所述第三电容Cgs_ext。
5.一种谐振自驱动电路，与第一MOSFET管电性连接，其特征在于，所述谐振自驱动电路包括电阻Ras、第一电容Cad、电感Lad、第二电容Cgd_ext和第三电容Cgs_ext，其中：
所述电感Lad的第一端、所述第二电容Cgd_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的漏极电性连接，所述电感Lad的第二端与所述第一电容Cad的第一端电性连接，所述第一电容Cad的第二端、所述第二电容Cgd_ext的第二端、所述电阻Ras的第一端、所述第三电容Cgs_ext的第一端以及所述第一MOSFET管的栅极电性连接，所述电阻Ras的第二端、所述第三电容Cgs_ext的第二端以及所述第一MOSFET管的源极电性连接。
6.根据权利要求5所述的谐振自驱动电路，其特征在于，所述第一MOSFET管配置有第一寄生电容Cgd、第二寄生电容Cgs、第三寄生电容Cds，所述第一寄生电容Cgd的第一端、所述第一MOSFET管的漏极以及所述第三寄生电容的Cds的第一端电性连接，所述第一寄生电容Cgd的第二端、所述第一MOSFET管的栅极以及所述第二寄生电容Cgs的第一端电性连接，所述第二寄生电容Cgs的第二端、所述第一MOSFET管的源极以及所述第三寄生电容的Cds的第二端电性连接。
7.根据权利要求6所述的谐振自驱动电路，其特征在于，所述谐振自驱动电路还包括输出电流采样电路，所述输出电流采样电路控制所述第一MOSFET管的开启与关断。
8.根据权利要求7所述的谐振自驱动电路，其特征在于，所述输出电流采样电路包括电流滞环比较电路以及第二MOSFET管，所述第二MOSFET管与所述电阻Ras并联，所述电流滞环比较电路与所述第二MOSFET管电性连接以控制所述第二MOSFET管的开启和关断。
9.根据权利要求8所述的谐振自驱动电路，其特征在于，所述第二MOSFET管的寄生电容Cds为所述第三电容Cgs_ext。
10.一种LLC变换器，其特征在于，所述LLC变换器至少包括副边的两个第一MOSTFE管，以及分别用于驱动一个所述第一MOSTFE管的谐振自驱动电路，所述谐振自驱动电路为权利要求5-9中任一所述的谐振自驱动电路。
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