CN1295851C - 同步整流装置的有源缓冲电路 - Google Patents

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Abstract

本发明有关一种同步整流装置的有源缓冲电路，耦接于一同步整流器，其中该同步整流器具有一第一同步切换器及一第二同步切换器，且该同步整流器耦接于一功率转换器所具有的一变压器，该有源缓冲电路包括：一串联的一有源开关及一第一缓冲电容，是耦接于该第一同步切换器的一第一端及一第二端之间；以及一栅极驱动器，其是在该第一同步切换器的一非传导期间，用以将该有源开关导通一特定时间长度，该栅极驱动器包括：一辅助线圈；一电容，连接该辅助线圈的一端，其中，该辅助线圈及该电容是相互串联构成一串联分支，该串联分支是耦接于一电阻，且耦接于该有源开关的该第一端及该第二端之间。

Description

同步整流装置的有源缓冲电路
(1)技术领域
本发明有关一种电源供应装置，尤指一种同步整流器的有源缓冲电路，以降低同步整流器关闭时所造成的电压尖峰及高频谐波。
(2)背景技术
同步整流是广泛应用于低电压及高电流的直流/直流(DC/DC)转换器中。如已有技术所知，在习用的半波同步整流器中，同步金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)是选择性地开启或关闭，藉以与隔离功率变压器的二次侧电压同步。利用这种方法，功率变压器的二次侧电压便可以整流并传送至输出。然而，这个具有飞轮作用(freewheel)的同步金属氧化物半导体晶体管的漏极及源极间可能会存在高电压尖峰及高频率谐波。这类电压尖峰乃是因为具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管的体二极管(body diode)的不良逆向回复特性所造成、并且会在具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管上造成严重的电压应力。因此，需要采用较高额定的金属氧化物半导体晶体管来避免具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管的崩溃。因为较高电压额定的金属氧化物半导体晶体管会具有较大的传导电阻，其会导致具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管的较大传导损失，因此，已有技术出现了数种改进方式，皆是以压抑额外电路所关连的高电压尖峰及高频率谐波来作改善。
图1是表示一个具有电容C及电阻R的RC缓冲电路，其是广泛应用于同步整流器中，用以压抑电压尖峰及电压谐波。如图1所示，RC缓冲电路是耦接于具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)S1。电容C是用来降低具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的跨压的上升速度、并且吸收电压尖峰的能量。电阻R则是用来提供必要阻尼，藉以降低电压谐波。由于电容C所储存的能量均会在每个切换周期内、经由电阻R充分放电，因此RC缓冲电路便会产生极大的能量耗损。图中，符号T是用来表示隔离的功率变压器。符号N1及N2是用来表示隔离功率变压器T的一次侧线圈及二次侧线圈。
图2是表示一个RCD箝位电路，其是实施于一个半波同步整流器中。图中，箝位电容C是耦接于具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1及二极管D之间。因此，具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的电压尖峰便可以利用这个箝位电容C加以箝住。另外，电阻R是位于箝位电容C及输出电容Co之间。利用这种方法，电容C所储存的超额电压尖峰能量便可以经由电阻R传送给输出电容Co。也就是说，尖峰能量的一部分将会被保留下来。因此，这种RCD缓冲电路，相较于图1所示的RC缓冲电路，将会产生较低的能量耗损。
另外，在二极管整流器中经常用来降低电压尖峰的另一种方法是有源缓冲电路(active snubber circuit)。图3是表示使用有源缓冲电路的全桥式二极管整流器的示意图。其中，藉由串联有源切换开关Sa及缓冲电容Ca而构成的有源缓冲电路是耦接于整流器的输出端。而有源切换开关Sa的栅极驱动信号是经由逻辑电路、隔离变压器T1、及驱动电路，由一次侧的电路得到。驱动电路，在功率变压器的二次侧线圈输出高电压位准的时间内，是用来将有源切换开关Sa保持在开启状态。至于整流器二极管的逆向回复能量则是经由有源切换开关Sa的体二极管Da，传送至缓冲电容。另外，在有源切换开关Sa的传送期间，缓冲电容Ca所储存的超额逆向回复电路则是毫无损耗地传送至输出滤波器。因此，这种有源缓冲电路是有效的且无损耗的缓冲电路。然而，由于有源切换开关Sa的驱动信号是经由额外的隔离驱动电路、由一次侧得到，因此电路复杂性及元件成本将会大幅增加。
同步整流器虽已广泛应用于低电压及高电流的直流/直流转换器中，然而，由于同步整流器的体二极管的不良逆向回复特性，使得同步整流器可能会存在高电压尖峰。很明显可看出，除了有源切换开关的驱动信号过于复杂以外，有源缓冲电路在应用于二极管整流器时皆可以获致完美效能，为消除这种电压尖峰，有必要提出一种结构简单且使用元件更少、使用有源缓冲电路的同步整流电路，以及有源切换开关的驱动电路。
(3)发明内容
本发明的主要目的为提出一种同步整流器的有源缓冲电路电路，藉以降低同步整流器关闭时所造成的电压尖峰及高频谐波。
本发明的另一目的为提出一种同步整流器的有源缓冲电路电路，且有源开关的驱动电路具有简易结构并使用较少元件。
根据本发明一方面提出一种同步整流装置的有源缓冲电路，耦接于一个同步整流器，其中该同步整流器具有一个第一个同步切换器及一个第二同步切换器，该有源缓冲电路包括：串联的一个有源开关及一个第一缓冲电容，是耦接于该第一同步切换器的源极端及漏极端之间；以及一个栅极驱动器，其是在该第一同步切换器的一个非传导期间，用以将该有源开关导通一特定时间长度，该栅极驱动器包括：一个辅助线圈；一个电容，连接该辅助线圈的一端，其中，该辅助线圈及该电容是耦接于该有源开关的栅极端及源极端之间；以及一个电阻，耦接于该有源开关的该栅极端及该源极端之间。
根据上述构想，其中该第一同步切换器及该第二同步切换器是为金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)。
根据上述构想，其中该有源开关系为一个N通道的半场效晶体管。
根据上述构想，其中该有源开关系一个P通道的半场效晶体管。
根据上述构想，其中该栅极驱动器还包括一个二极管，其是耦接于该电容。
根据上述构想，其中该同步整流器耦接于一个功率转换器所具有的一个变压器。
根据上述构想，其中该辅助线圈是由该变压器得到。
根据上述构想，其中该功率转换器还包括一个输出滤波器电路，其至少具有一个输出电感及一个输出电容，且该辅助线圈是由该输出电感得到。
根据上述构想，其中该有源缓冲电路还包括一个第一辅助二极管，其是耦接于该有源开关。
根据上述构想，其中该有源开关尚包括一个反向并联体二极管。
根据上述构想，其中该有源缓冲电路还包括具有一个第二辅助二极管及一个第二缓冲电容的一个串联分支，其中该分支是耦接于该第二同步切换器的一个第一端及一个第二端之间，且该第二缓冲电容是并联于该第一缓冲电容。
根据本发明另一方面提出一种同步整流装置的有源缓冲电路，耦接于一个同步整流器，其中该同步整流器具有一个第一同步切换器及一个第二同步切换器，该有源缓冲电路包括：串联的一个有源开关及第一缓冲电容，是耦接于该第一同步切换器的源极端及漏极端之间；以及一个辅助线圈用以供电给一个有源开关驱动电路，其中该有源开关驱动电路包括串联的一个电容和一个电阻，且该有源开关驱动电路产生一个驱动信号给该有源开关，藉以在该第一同步切换器的一个非传导期间，将该有源开关导通一个特定时间长度。
根据本发明又一方面提出一种同步整流装置的有源缓冲电路，耦接于一个同步整流器，其中该同步整流器具有一个第一同步切换器及一个第二同步切换器，该有源缓冲电路包括：串联的一个有源开关及一个第一缓冲电容，是耦接于该第一同步切换器的漏极端及一功率转换器的一个直流输出端之间；以及一个辅助线圈用以供电给一个有源开关驱动电路，其中该有源开关驱动电路包括串联的一个电容和一个电阻，且该有源开关驱动电路产生一个驱动信号给该有源开关，藉以在该第一同步切换器的一个非传导期间，将该有源开关导通一个特定时间长度。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1是习知的RC缓冲电路示意图；
图2是习知的RCD箝位电路示意图；
图3是应用于全桥式二极管整流器的有源缓冲电路示意图；
图4是本发明第一较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图；
图5A至图5G是根据图4的电路操作所绘制的一系列的电压及电流波形图；
图6是本发明第二较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图；
图7是本发明第三较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图；
图8是本发明第四较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图；
图9是本发明第五较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图；
图10是本发明第六较佳实施例的应用于中心分接(center-tapped)同步整流器电路的有源缓冲电路示意图；
图11是本发明第七较佳实施例的应用于电流加倍器的(current-double)同步整流器电路的有源缓冲电路示意图；以及
图12是本发明第八较佳实施例的应用于同步切换器后调整器电路的有源缓冲电路示意图。
(5)具体实施方式
虽然本发明可以具有许多不同形式的实施例，但是，部分较佳实施例仍将详细说明如下。需要注意的是，本发明的发明揭示是用来作为本发明原理的范例，而不是用来将本发明的更广泛特征限制在所述的特定实施例中。
请参考图4，其是本发明第一较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图。其中，半波同步整流器具有变压器T，其具有一次侧线圈N1及二次侧线圈N2。这个同步整流器包括具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1以及正向同步金属氧化物半导体晶体管S2，皆是耦接于变压器T，而二次侧线圈N2的正端是连接至参考点，至于二次侧线圈N2的负端是连接至正向金属氧化物半导体晶体管S2的漏极，其源极也是连接至参考点。另外，同步整流器电路更具有一个输出滤波器，其具有输出电感L及输出电容Co。输出电感L的第一端连接至二次侧线圈N2的正端、而输出电感L的第二端则连接至输出电容Co的正端，而电容Co的负端也连接至参考点。这个半波同步整流器的开启及关闭是同步于二次侧线圈N2的电压信号。在这个期间，二次侧线圈N2的电压会整流成施加于输出滤波器的一系列正电压脉冲，且在输出电容Co的两端也可以大致得到一个直流电压。
本发明的有源缓冲电路是耦接于具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1。其中，有源缓冲电路是由使用N通道金属氧化物半导体晶体管的有源开关Sa、第一辅助二极管Da1、第一缓冲电容Ca1、以及有源开关Sa的栅极驱动器所构成。有源开关Sa的源极连接至具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的漏极、而有源开关Sa的漏极则连接至第一缓冲电容Ca1的第一端。第一缓冲电容Ca1的另一端是连接至具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的源极。第一辅助二极管Da1是并联于有源开关Sa。然而，熟悉本技术的人员当了解，第一辅助二极管Da1当然也可以是有源开关Sa本身的寄生二极管。
有源开关Sa的栅极驱动器是由耦接变压器T的辅助线圈Nx、电容Cx、二极管Dx、以及电阻Rx所构成。辅助线圈Nx的一端是耦接于电容Cx，且其极性与二次侧线圈N2的正负相同。电容Cx的另一端是耦接于有源开关Sa的栅极。再者，辅助线圈Nx的另一端是耦接于有源开关Sa的源极。二极管Dx是并联于电容Cx，其中，阴极是连接至辅助线圈Nx，而阳极则是连接至有源开关Sa的栅极。电阻Rx则是耦接于有源开关Sa的栅极及源极。
图5A至图5G则是根据图4的电路操作所绘制的一系列的电压及电流波形图。其中，图5A是表示施加至二次侧线圈N2的电压，图5B是表示具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的栅极电压，图5C是表示辅助线圈Nx的电压，图5D是表示有源开关Sa的栅极电压，图5E是流经第一缓冲电容Ca1的电流，图5F是表示第一缓冲电容Ca1的电压，图5G是表示具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的源极电压。
有源缓冲电路应用于同步整流器时的操作原理详细说明如下。在t＝t1时，变压器T的二次侧线圈N2的电压为正、且辅助线圈Nx的电压也为正。辅助线圈Nx的正电压会经由电阻Rx、对电容Cx进行充电。由于电容Cx的启始电压为0，辅助线圈Nx的正电压VNX将会完全施加于有源开关Sa的栅极，直到有源开关Sa在时间t1开启。在t1至t4期间，辅助线圈Nx的电压会对电容Cx连续充电、且有源开关Sa的栅极电压也会逐步减少。在t＝t4时，电容Cx的电压会充电至高准位、且有源开关Sa的栅极电压也会降低至低准位，藉以使有源开关Sa能够关闭。有源开关Sa的传导时间是利用电容Cx及电阻Rx加以决定。在t＝t5时，辅助线圈Nx的电压会由正变为负、且负辅助线圈电压加上电容Cx的电压将会施加至有源开关Sa的栅极，藉以将有源开关Sa关闭。而在t5至t6期间，电容Cx是经由电阻Rx进行放电。在t＝t6时，电容Cx的电压会放电至0、且二极管将会再度正向偏压。而有源开关Sa将会保持关闭状态，直到下一个操作周期来临。
由上述分析可知，有源开关Sa将会在具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的关闭期间导通一段时间。经由有源开关Sa这类的控制逻辑电路，具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1存在的电压尖峰便可以无损耗且有效率地消除。由于有源开关Sa的关闭是在具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的开启之前，而第一缓冲电容Ca1可以得到一个固定的直流电压，其大小与二次侧线圈N2呈现的脉冲电压维持相同，因此，第一缓冲电容Ca1可以选择为足够大，藉以有效率地消除电压尖峰、且不会在电路中造成任何多余能量损失。因此，本发明所提供的有源缓冲电路便可以利用非常简易的结构及较少元件数目的栅极驱动电路、无损耗且有效率地消除电压尖峰。
图6是本发明第二较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图。其中，有源缓冲电路的有源开关Sa可以应用P通道金属氧化物半导体晶体管，而不是N通道金属氧化物半导体晶体管。有源开关Sa的漏极连接至具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的漏极，而有源开关Sa的源极则是连接至第一缓冲电容Ca1的第一端。由于P通道金属氧化物半导体晶体管的栅极电压为负，因此有源开关Sa的驱动电路必须要进行部分变动。辅助线圈端Nx的极性将会反转，且二极管Dx的极性也会反转。
图7是本发明第三较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图。其中，有源缓冲电路的架构非常类似于图4的架构，惟一例外的是辅助线圈Nx是耦接于输出电感L，而不是变压器T。
图8是本发明第四较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图。其中，连接至具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管的源极端的第一缓冲电容Ca1也可以连接至功率转换器的正直流输出端。当电压尖峰对第一缓冲电容Ca1进行充电时，充电电流不仅会流经第一缓冲电容Ca1，并且也会流入正直流输出端。因此，尖峰能量会有一部分直接传送至输出负载。
图9是本发明第五较佳实施例的应用于半波同步整流器电路的有源缓冲电路示意图。图中，第二有源缓冲电路可以进一步耦接于正向同步金属氧化物半导体晶体管S2，藉以使正向金属氧化物半导体晶体管S2及具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的电压尖峰均可以有效率地消除，并且，同步整流器的有源缓冲电路也可以进一步简化。如图9所示，正向同步金属氧化物半导体晶体管S2的有源开关是以第二辅助二极管Da2加以取代，其中，第二辅助二极管Da2的阳极端是连接至正向同步金属氧化物半导体晶体管S2的漏极、而阴极端则是连接至并联于第一缓冲电容Ca1的第二缓冲电容Ca2。第二缓冲电容Ca2可以经由第二辅助二极管Da2、吸收正向同步金属氧化物半导体晶体管S2的尖峰能量，且储存能量可以经由有源开关Sa进行放电。利用这种方法，本实施例仅仅需要一个具有栅极驱动器的有源开关。另外，当正向同步金属氧化物半导体晶体管S2及具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1在电路布局中是配置地足够接近时，第一缓冲电容Ca1及第二缓冲电容Ca2也可以组合为单一电容。
需要注意的是，本发明也可以实施于其他型式的同步整流器，而不只是半波同步整流器。
首先，有源缓冲电路可以实施于中心分接的同步整流器中。如图10所示，包括有源开关Sa及第一缓冲电容Ca1的串联分支是耦接于二次侧的同步金属氧化物半导体晶体管S1。再者，包括第二辅助二极管Da2及第二缓冲电容Ca2的另一个串联分支也可以耦接于二次侧的同步金属氧化物半导体晶体管S2。电容Ca1及Ca2是并联，因此也可以组合为单一电容。有源开关Sa的驱动电路排列与图9所示的排列相同。
另外，本发明也可以实施于电流加倍器的同步整流器中。如图11所示，串联的有源开关Sa及第一缓冲电容Ca1是耦接于同步金属氧化物半导体晶体管S1，且串联的第二辅助二极管Da2及第二缓冲电容Ca2是耦接于第二同步金属氧化物半导体晶体管S2。其中，有源缓冲电路的元件排列与图9所示的排列相同。
再者，本发明也可以实施于同步切换器后调整器电路中。同步切换器后调整器电路是多重输出功率转换器的常用手段，藉以实施辅助输出的紧密调整。如图12所示，包括串联有源开关Sa及第一缓冲电容Ca1的有源缓冲电路是耦接于第一输出的、具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1的漏极及源极。因此，发生于第一输出的具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S1、同步切换器S3、以及第二输出的具有飞轮作用的同步金属氧化物半导体晶体管S2的全部电压尖峰及高频谐波便可以有效率地消除。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种同步整流装置的有源缓冲电路，耦接于一个同步整流器，其中该同步整流器具有一个第一个同步切换器及一个第二同步切换器，该有源缓冲电路包括：
串联的一个有源开关及一个第一缓冲电容，是耦接于该第一同步切换器的源极端及漏极端之间；以及
一个栅极驱动器，其是在该第一同步切换器的一个非传导期间，用以将该有源开关导通一特定时间长度，该栅极驱动器包括：
一个辅助线圈；
一个电容，连接该辅助线圈的一端，其中，该辅助线圈及该电容是耦接于该有源开关的栅极端及源极端之间；以及
一个电阻，耦接于该有源开关的该栅极端及该源极端之间。
2.如权利要求1所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该第一同步切换器及该第二同步切换器是为金属氧化物半导体晶体管。
3.如权利要求1所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该有源开关是为一个N通道的半场效晶体管或一个P通道的半场效晶体管。
4.如权利要求1所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该栅极驱动器还包括一个二极管，其是耦接于该电容。
5.如权利要求1所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该同步整流器耦接于一个功率转换器所具有的一个变压器。
6.如权利要求5所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该辅助线圈是由该变压器得到。
7.如权利要求5所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该功率转换器还包括一个输出滤波器电路，其至少具有一个输出电感及一个输出电容，且该辅助线圈是由该输出电感得到。
8.如权利要求1所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该有源缓冲电路还包括一个第一辅助二极管，其是耦接于该有源开关。
9.如权利要求1所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于该有源开关还包括一个反向并联体二极管。
10.如权利要求1所述的同步整流装置的有源缓冲电路，其特征在于：
该有源缓冲电路还包括具有一个第二辅助二极管及一个第二缓冲电容的一个串联分支，其中该分支是耦接于该第二同步切换器的源极端及漏极端之间，且该第二缓冲电容是并联于该第一缓冲电容。
11.一种同步整流装置的有源缓冲电路，耦接于一个同步整流器，其中该同步整流器具有一个第一同步切换器及一个第二同步切换器，该有源缓冲电路包括：
串联的一个有源开关及第一缓冲电容，是耦接于该第一同步切换器的源极端及漏极端之间；以及
一个辅助线圈用以供电给一个有源开关驱动电路，其中该有源开关驱动电路包括串联的一个电容和一个电阻，且该有源开关驱动电路产生一个驱动信号给该有源开关，藉以在该第一同步切换器的一个非传导期间，将该有源开关导通一个特定时间长度。
12.一种同步整流装置的有源缓冲电路，耦接于一个同步整流器，其中该同步整流器具有一个第一同步切换器及一个第二同步切换器，该有源缓冲电路包括：
串联的一个有源开关及一个第一缓冲电容，是耦接于该第一同步切换器的漏极端及一功率转换器的一个直流输出端之间；以及
一个辅助线圈用以供电给一个有源开关驱动电路，其中该有源开关驱动电路包括串联的一个电容和一个电阻，且该有源开关驱动电路产生一个驱动信号给该有源开关，藉以在该第一同步切换器的一个非传导期间，将该有源开关导通一个特定时间长度。
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