CN114982112A - Sepic转换器的同步整流元件的驱动用电源 - Google Patents

Sepic转换器的同步整流元件的驱动用电源 Download PDF

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CN114982112A CN202080025518.4A CN202080025518A CN114982112A CN 114982112 A CN114982112 A CN 114982112A CN 202080025518 A CN202080025518 A CN 202080025518A CN 114982112 A CN114982112 A CN 114982112A
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Abstract

稳定供给由同步整流型SEPIC电路构成的DC‑DC转换器的驱动用电源。在由电感器(2、5)、开关元件(3)、电容器(4)、同步整流元件(6)、输出电容器(7)构成的同步整流型SEPIC电路(1)中，具有驱动电压切换部(15)，该驱动电压切换部(15)用于与输出电压(Vo)与同步整流元件(6)的驱动电源电压(Vdrv)的大小关系无关地稳定供给同步整流元件(6)的驱动信号电压。驱动电压切换部(15)的特征在于，具有进行如下动作的单元：在输出电压(Vo)比驱动电源电压(Vdrv)高的设定中，切换连接以由输出电压(Vo)向第2驱动电路(10)供给电源，在输出电压(Vo)比驱动电压(Vdrv)低的设定时，切换连接以由驱动电压(Vdrv)供给电源。

Description

SEPIC转换器的同步整流元件的驱动用电源
技术领域
本发明涉及由SEPIC(single ended primary inductor converter：单端初级电感式转换器)电路构成的DC-DC转换器。
背景技术
作为从汽车的电池等不稳定的输入电源生成稳定的输出电压的单元，使用了升降压转换器。为了抑制电池的无用消耗而需要电源电路的高效率化，但是如图10所示，由通过在整流单元中使用P沟道MOSFET而实现了损耗降低的同步整流型SEPIC电路构成的DC-DC转换器公开于专利文献1、2中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP5937442公报
专利文献2：US7,352,158公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1是从驱动电压Vdrv供给P沟道MOSFET驱动电路的电源电压的结构，因此，如图11的(1)所示，在输出电压Vo比驱动电压Vdrv低的情况下，能够对同步整流用P沟道MOSFET进行导通/截止驱动。
但是，如图11的(2)所示，在输出电压Vo比驱动电压Vdrv高的设定中，在T2b的定时，第1驱动信号从Low切换为High，高于N沟道MOSFET 3的阈值Vth_Nch，因此，N沟道MOSFET3从截止切换为导通。另一方面，第2驱动信号从Low切换为High但无法高于P沟道MOSFET 6的阈值Vth_Pch(GND基准)，因此，P沟道MOSFET 6不从导通切换为截止。因此，电流从输出电压Vo端子经由PchMOSFET 6和第2电感器5向GND逆流，输出电压Vo无法比驱动电压Vdrv上升。因此，存在必须比驱动电压Vdrv更低地限制输出电压Vo的设定的问题。
此外，在专利文献2中，公开了一种从输出电压与GND之间供给同步整流用P沟道MOSFET的驱动电压的结构。由此，能够简化同步整流用P沟道MOSFET的驱动电路，能够产生比驱动电路的驱动电压高的输出电压Vo。
但是，由于同步整流用P沟道MOSFET的驱动单元的输出级电路的截止驱动侧由电阻构成，因此存在如下问题：难以高速地释放同步整流用P沟道MOSFET的栅极-源极间电容Cgs，难以应对车载用途中所要求的、例如2MHz以上的高速的开关动作。此外，存在P沟道MOSFET的导通电阻值越低则栅极-源极间电容Cgs越大的趋势。
因此，在供给大输出电流的情况下，栅极-源极间电容Cgs增大，开关损耗增加。即使假设减小栅极电阻而加快开关动作，这次栅极电阻的损耗也会变得过大，高速的开关动作变得困难。
这里，即使在驱动单元中使用了一般的驱动器1C(输出级由P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的组合构成的推挽结构)的情况下，也产生在输出电压设定值高于驱动器1C的电源电压值的条件下无法供给充分的驱动电压而无法对P沟道MOSFET进行截止驱动的问题。
本发明鉴于上述问题，其课题在于提供一种能够与输出电压设定范围无关地对SEPIC电路的同步整流用P沟道MOSFET进行控制的驱动用电源。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，根据本发明的一个方式，在作为同步整流型SEPIC的DC-DC转换器中，其特征在于，具有用于对同步整流用MOS晶体管进行驱动的驱动电路的驱动电压切换单元，所述驱动电压切换单元具有进行如下动作的单元：在用于向所述驱动电路供给电源的驱动电压比输出电压低的设定时，切换连接以由输出电压向所述驱动电路供给电源，在用于向所述驱动电路供给电源的驱动电压比输出电压高的设定时，切换连接以由驱动电压供给电源。
发明效果
根据本发明，通过切换为驱动电压和输出电压中的任意高电压来连接，能够确保用于对同步整流用MOS晶体管进行驱动的电源。由此，能够对P沟道MOSFET可靠地进行截止驱动。
附图说明
图1是示出由本发明实施方式1的SEPIC电路构成的DC-DC转换器的图。
图2是示出在图1所示的本发明实施方式1中、基于驱动电压与输出电压的电压大小关系的第1驱动信号和第2驱动信号的图。
图3是示出由本发明实施方式2的SEPIC电路构成的DC-DC转换器的图。
图4是示出由本发明实施方式3的SEPIC电路构成的DC-DC转换器的图。
图5是示出由本发明实施方式4的SEPIC电路构成的DC-DC转换器的图。
图6是示出在图5所示的本发明实施方式4中、输出电压Vo比驱动电压Vdrv高的情况下的第1驱动信号和第2驱动信号的图。
图7是示出在图5所示的本发明实施方式4中、输出电压Vo比驱动电压Vdrv高的情况下的各部件的动作波形的图。
图8是示出由本发明实施方式5的SEPIC电路构成的DC-DC转换器的图。
图9是示出由本发明实施方式6的SEPIC电路构成的DC-DC转换器的图。
图10是示出现有技术中的SEPIC电路的图。
图11是示出在图10所示的现有技术中、基于驱动电压与输出电压的电压大小关系的第1驱动信号和第2驱动信号的图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1的第1实施例由第1电感器2、N沟道MOSFET 3、耦合电容器4、第2电感器5、P沟道MOSFET 6、输出电容器7、输出负载8、第1驱动单元9、第2驱动单元10、AD转换器11、减法器12、滤波器运算单元13、PWM信号生成单元14和驱动电压切换部15构成。
此外，驱动电压切换部15由开关单元16、开关单元17和电压切换控制单元18构成，通过电压切换控制单元18对输出电压Vo和驱动电压Vdrv进行比较，在输出电压Vo低于驱动电压Vdrv的情况下，使开关单元16导通，使开关单元17断开。由此，第2驱动单元10以驱动电压Vdrv对P沟道MOSFET 6进行驱动。
此外，在输出电压Vo高于驱动电压Vdrv的情况下，使开关单元16截止，使开关单元17断开。由此，第2驱动单元10以输出电压Vo对P沟道MOSFET 4进行驱动。
另外，向第1驱动单元1的电源端子供给驱动电压Vdrv，根据从PWM信号生成单元输出的第1PWM信号来对N沟道MOSFET 3进行驱动。这里，N沟道MOSFET3的源极与GND侧连接，因此，栅极阈值电压Vth_Nch不受输出电压Vo的影响。
经由驱动电压切换部15向第2驱动单元10的电源端子供给驱动电压Vdrv或输出电压Vo的电压，根据第2PWM信号来对P沟道MOSFET 6进行驱动。
在N沟道MOSFET 3导通并且P沟道MOSFET 6截止的期间内，对第1电感器2和第2电感器5激励能量，在N沟道MOSFET 3截止并且P沟道MOSFET 6导通的期间内，通过向输出电容器7和输出负载8供给被激励的能量来产生输出电压Vo。
AD转换器11检测输出电压Vo，并转换为规定的比特数的数字值，将数字值转换值输出到减法器12。
减法器12产生输出目标值与数字值转换值的差分值，并输出到滤波器运算单元13。滤波器运算单元13根据差分值来进行PI、PID运算，将运算值输出到PWM信号生成单元14。
PWM信号生成单元14生成具有与运算值对应的占空比的第1PWM信号和第2PWM信号。
接着，参照示出基于驱动电压与输出电压的电压大小关系的第1驱动信号和第2驱动信号的图2的时序图来说明详细的整体动作。
这里，假定对第1电感器2和第2电感器5选定了大致相等的电感器值。在输出电压Vo的设定比驱动电压Vdrv低的情况下，向第1驱动单元9的电源电压供给驱动电压Vdrv，经由驱动电压切换部15的开关单元16向第2驱动单元10的电源电压供给驱动电压Vdrv。
在T1a的定时，第1驱动信号从High切换为Low，低于N沟道MOSFET 2的阈值Vth_Nch，因此，N沟道MOSFET 2从导通切换为截止。此外，第2驱动信号从High切换为Low，低于P沟道MOSFET 6的阈值Vth_Pch(GND基准)，因此，P沟道MOSFET 4从截止切换为导通。
在T2a的定时，第1驱动信号从Low切换为High，高于N沟道MOSFET 3的阈值Vth_Nch，因此，N沟道MOSFET 3从截止切换为导通。此外，第2驱动信号从Low切换为High，高于P沟道MOSFET 6的阈值Vth_Pch(GND基准)，因此，P沟道MOSFET 6从导通切换为截止。
另一方面，在输出电压Vo的设定比驱动电压Vdrv高的情况下，向第1驱动单元的电源电压供给驱动电压Vdrv，经由驱动电压切换部15的开关单元17向第2驱动单元10的电源电压供给输出电压Vo。
在T1b的定时，第1驱动信号从High切换为Low，低于N沟道MOSFET 3的阈值Vth_Nch，因此，N沟道MOSFET 3从导通切换为截止。此外，第2驱动信号从High切换为Low，低于P沟道MOSFET 6的阈值Vth_Pch(GND基准)，因此，P沟道MOSFET 6从截止切换为导通。
在T2b的定时，第1驱动信号从Low切换为High，高于N沟道MOSFET 2的阈值Vth_Nch，因此，N沟道MOSFET 2从截止切换为导通。此外，第2驱动信号从Low切换为High，高于P沟道MOSFET 6的阈值Vth_Pch(GND基准)，因此，P沟道MOSFET 6从导通切换为截止。
这样，针对现有技术1，由于能够与输出电压值无关地向第2驱动单元供给最佳的电源电压，因此能够在较大的输出电压范围内构成高效率的电源电路。
此外，针对现有技术2，由于能够在第2驱动单元中使用由P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的组合构成了输出级电路的、推挽输出的一般的驱动器1C，因此能够应对高速的动作，也能够应对车载用途中所要求的2MHz以上的开关动作。
此外，也能够通过将第2驱动单元10和驱动电压切换单元15集成在同一半导体基板上来实现成本降低。并且，如果使用由一个芯材构成了电感器2和电感器5的元件，则能够进一步得到安装的集成化和成本降低的效果。
(实施方式2)
图3所示的实施方式2与图1的实施方式1的不同点在于，从驱动电压切换单元15变更为15a。驱动电压切换单元15a通过二极管16a和二极管17a的阴极公共连接来构成。
驱动电压切换单元15a由二极管16a和二极管17a的或电路(OR电路)构成，对输出电压Vo与驱动电压Vdrv进行比较，在输出电压Vo低于驱动电压Vdrv的情况下，从二极管16a向第2驱动单元10的电源端子供给驱动电压Vdrv。由此，以驱动电压Vdrv对P沟道MOSFET 6进行驱动。
此外，在输出电压Vo高于驱动电压Vdrv的情况下，从二极管17a向第2驱动单元10的电源端子供给输出电压Vo。由此，以输出电压Vo对P沟道MOSFET 6进行驱动。
实施方式2是经由二极管16a或17a对P沟道MOSFET 6进行驱动的结构，产生由于二极管的正向电压VF引起的电压降，因此，优选使用低正向电压的肖特基二极管等。
(实施方式3)
图4所示的实施方式3与图3的实施方式2的不同点在于，从驱动电压切换单元15a变更为15b，驱动电压切换单元15b中构成的二极管17b的阳极连接部位发生了变更。
实施方式3将二极管17b的阳极与P沟道MOSFET 6的漏极和电感5、电容器4的连接点连接，使阴极与驱动电压Vdrv进行或连接(OR连接)，由此能够生成比实施方式2高的驱动电压。
由于P沟道MOSFET 6进行导通动作时的漏极-源极间的电压降被加到输出电压Vo，因此，存在如下效果：在输出电压Vo高于驱动电压Vdrv的情况下，从二极管17b向第2驱动单元10的电源端子供给的电压能够以比实施方式2高出P沟道MOSFET 6的漏极-源极间的导通电压的量来供给。因此，截止时的P沟道MOSFET 6的栅极端子电压比实施方式3高，能够更迅速地对栅极端子电容进行充电，因此，能够使P沟道MOSFET 6高速地截止。
(实施方式4)
图5所示的实施方式4与图4的实施方式3的不同点在于，从驱动电压切换单元15b变更为15c，在与电感5、电容器4、二极管17c的阳极的连接点和P沟道MOSFET6的漏极端子之间追加第3电感器20c。这里，第3电感器20c可以是铁氧体磁珠等电感值较小的电感器，也可以用基板布线的电感等代替。
在实施方式4中，将电感器20c与P沟道MOSFET 6串联连接，由此能够将第2驱动单元10的驱动输出的High侧电压设定得比输出电压Vo高，因此，能够实现比实施例3更高速的开关，能够构成更高效率的电源。
图6示出输出电压Vo比驱动电压Vdrv高的情况下的第1驱动信号和第2驱动信号。图7是相同条件下的N沟道MOSFET 3、P沟道MOSFET 6、二极管D17c的动作波形图。
如果在图7所示的时刻T1c，P沟道MOSFET 6关断、P沟道MOSFET 6导通，则电感器20c产生电动势，到时刻T1'c的期间为止，充电电流经由二极管17c流过电容器19。由此，如图6所示，具有能够以高出第3电感器20c的充电电压的量供给P沟道MOSFET 6的第2驱动信号的High侧电压的效果。因此，能够迅速地对P沟道MOSFET 6的栅极端子电容进行充电，能够使P沟道MOSFET 6高速地截止。
(实施方式5)
图8所示的实施方式5与图5的实施方式4的不同点在于，从驱动电压切换单元15c变更为15d，将第3电感器20d的插入部位插入到电容器4、第2电感器5和P沟道MOSFET 6的漏极端子的连接点之间。此外，驱动电压切换单元15d的二极管17d的阳极连接到电容器4与第2电感器5的连接点。这里，与实施方式4同样，第3电感器20d可以是铁氧体磁珠等电感值较小的电感器，也可以用基板布线的电感等代替。
在实施方式5中，将电感器20d与P沟道MOSFET 6串联连接，由此能够将第2驱动单元10的驱动输出的High侧电压设定得比输出电压Vo高，因此能够获得与实施例4相同的效果。
(实施方式6)
图9所示的实施方式6与图3的实施方式2的不同点在于，从驱动电压切换单元15变更为15e，将驱动电压切换单元15e的二极管17e的阳极端子从输出电压Vo连接变更为与电感3、电容器4、N沟道MOSFET 3的漏极端子的连接点。
这里，二极管17e的阳极端子电压的脉冲电压值成为输入电压Vi与输出电压Vo之和，以高出输入电压Vi的量来供给P沟道MOSFET 6的第2驱动信号的电压。因此，能够使截止时的P沟道MOSFET 6的栅极端子电压比输出电压Vo高，能够迅速地对栅极端子电容进行充电，因此能够使P沟道MOSFET 6高速地截止。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是上述实施方式是用于对本发明的技术思想进行具体化的例示，不将各个结构、组合等确定于上述的内容。本发明能够在不脱离宗旨的范围内以各种方式来变更并实施。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的驱动用电源适合用于SEPIC转换器的同步整流元件的驱动用电源等。因此，能够用于使用了该驱动用电源的车载装置的电源等。
标号说明
1、1a、1b、1c、1d、1e：SEPIC转换器；
2：第1电感器；
3：N沟道MOSFET；
4：电容器；
5：第2电感器；
6：P沟道MOSFET；
7：输出电容器；
8：负载；
9：第1驱动单元；
10：第2驱动单元；
11：AD转换器；
12：减法器；
13：滤波器运算单元；
14：PWM信号生成单元；
15、15a、15b、15c、15d、15e：驱动电压切换部；
16、16a、16b、16c、16d、16e：二极管；
17、17a、17b、17c、17d、17e：二极管；
18：电压切换控制单元；
10：电容器；
20c、20d：第3电感器。

Claims (7)

1.一种DC-DC转换器，其为同步整流型SEPIC，其特征在于，
该DC-DC转换器具有用于对同步整流用MOS晶体管进行驱动的驱动电路的驱动电压切换单元，
所述驱动电压切换单元具有进行如下动作的单元：在用于向所述驱动电路供给电源的驱动电压比输出电压低的设定时，切换连接以由所述输出电压向所述驱动电路供给电源，在用于向所述驱动电路供给电源的驱动电压比所述输出电压高的设定时，切换连接以由所述驱动电压供给电源。
2.一种DC-DC转换器，其由同步整流型SEPIC电路构成，该同步整流型SEPIC电路具有：
第1电感器，其连接在输入电源与耦合电容器的第1端子之间；
第1开关元件，其连接在所述耦合电容器的第1端子与接地端之间；
第2电感器，其连接在所述耦合电容器的第2端子与所述接地端之间；
第2开关元件，其连接在所述耦合电容器的第2端子与输出端子之间；
驱动单元，其用于对所述第2开关元件进行驱动；以及
驱动电压，其用于向所述驱动单元供给电源，
该DC-DC转换器的特征在于，
该DC-DC转换器具有所述驱动单元的驱动电压切换单元，
所述驱动电压切换单元根据输出电压比所述驱动电压高的设定，切换连接以由所述输出电压或比所述输出电压高的电压源向所述驱动单元进行电源供给，根据所述输出电压比所述驱动电压低的设定，切换连接以由所述驱动电压向所述驱动单元进行电源供给。
3.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其特征在于，
所述驱动电压切换单元具有：第1整流单元，其连接在所述驱动电压与所述驱动单元之间；以及第2整流单元，其连接在所述输出电压与所述驱动单元之间。
4.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其特征在于，
所述驱动电压切换单元具有：第1整流单元，其连接在所述驱动电压与所述驱动单元之间；以及第2整流单元，其连接在所述输出电压与所述驱动单元之间，
所述第2整流单元连接到所述耦合电容器的第2端子和第2开关元件的连接点。
5.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其特征在于，
第3电感器，所述第3电感器连接在所述耦合电容器的第2端子和所连接的第2电感器的连接点与所述第2开关元件之间，
所述第2整流单元连接到所述耦合电容器的第2端子和第2电感器的连接点。
6.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其特征在于，
第3电感器，所述第3电感器的一端与所述耦合电容器的第2端子连接，另一端连接到第2电感器和所述第2开关元件的连接点，
所述第2整流单元连接到所述耦合电容器的第2端子和第3电感器的连接点。
7.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其特征在于，
所述驱动电压切换单元具有：第1整流单元，其连接在所述驱动电压与所述驱动单元之间；以及第2整流单元，其连接在所述耦合电容器的第1端子和第1开关元件的连接点与所述驱动单元之间。
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