CN1408140A - 同步整流器的谐振栅驱动 - Google Patents

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Abstract

一种用于外部驱动同步整流电路(18)的谐振栅驱动。电路(18)包括第一和第二第一同步整流器回收开关(SQ3，SQ4)，以及第一和第二第二同步整流器回收开关(SQ5，SQ6)，还有至少一个电感器(LR)。所述至少一个电感器(LR)在第一和第二同步整流器(SQ1，SQ2)充电或放电时存储来自第一和第二同步整流器(SQ1，SQ2)的电容的能量。回收开关(SQ3，SQ4，SQ5，SQ6)将所存储的能量从所述至少一个电感器(LR)转移到输出端(22)，从而建立一种更加节省能量的电路。

Description

同步整流器的谐振栅驱动
技术领域
本发明一般涉及直流-直流(DC/DC)变换器，更具体地说，涉及利用外部驱动电路的同步整流器的谐振栅驱动。
发明背景
随着逻辑集成电路(IC)为了寻求高的工作频率而向低工作电压演化，以及随着系统整体尺寸不断缩小，对设计出体积更小、效率更高电源模块的需求更为迫切。为了提高效率、增大功率密度，同步整流成为这些类型的应用之必须。在最近十年中，随着低压半导体器件的进步，同步整流迅速普及成为一种实用技术。但是，随着工作频率的提高，开关损耗变得严重。
对同步整流应用来说，对整流器的输入电容器充放电所耗散的能量会很大。为了充分获得同步整流的好处，就必须选用漏源电阻小的器件。但是，低的漏源电阻通常会相对增大器件的管芯尺寸和输入电容。而且输入电容需要在纳秒级的时间内充放电。这意味着随着工作频率的提高，和栅极驱动电路有关的损耗变大。
已经有人提出用布局技术来尽量减小由于电流和电压交叠带来的开关损耗，以及典型半导体器件的输出电容带来的开关损耗。在“A MOS gate drive with resonant transition”IEE PESC91 ConferenceProceedings，Pp.527-532(“带谐振跃迁的MOS栅极驱动”，国际电子与电气工程师协会PESC91会议论文集527-532页)一文中，D.Maksimovic提出了基于准方波功率转换的谐振栅驱动。这个解决方案提供一种以无耗方式对MOS型器件的输入电容充放电的装置，但其代价是消耗了大量循环能量。类似的想法基于零电压开关(ZVS)准谐振变换器(QRC)，由H.S.Kim等人在“Novel High Efficiency BaseDrive Using Zero Voltage Switching Converter”IEEE PESC91Conference Proceedings，pp.545-550(“使用零电压开关变换器的新型高效率驱动”国际电子与电气工程师协会PESC91会议论文集545-550页)提出。B S Jacobson在“High Frequency Resonant Gate DriverWith Partial Energy Recovery”High Frequency Power ConversionConference Proceedings 1993，pp.133-141(“带部分能量回收的高频率谐振栅驱动器”高频率功率变换器会议论文集，1993，133-141页)中提出了第三种解决方案，方案中一小部分充放电能量被回收。前两种方案没有实现将大部分充放电能量回收的效率水平。第三种方案因为其基本工作原理而更适用于兆赫兹(MHz)级的开关频率，因此限制了其在同步整流电路中的应用。现在所需要的是对外部驱动同步整流电路作谐振栅驱动，它不会消耗大量的循环能量，它可以高效率地运用于兆赫级以上的开关频率。
本发明是一种新型的栅极驱动配置，它适合于需要外部驱动电路来驱动同步整流器的应用(非自驱动应用)。
发明概述
作为使用外部驱动同步整流方案的谐振栅驱动，本发明的技术优势在于易于适合于所有类型的布局技术。
在一个实施例中，公开了一种DC-DC功率变换器的外部驱动同步整流电路的谐振栅驱动技术。该同步整流电路包括：具有辅助变压器的外部驱动电路；第一和第二同步整流器；主变压器和输出端子。谐振栅驱动包括为每一个同步整流器而设的能量回收电路。每个能量回收电路包括第一和第二同步整流二极管、回收开关以及谐振电感器。第一同步整流二极管配置成稳定同步整流器两端的电压。谐振电感器用来存储对同步整流器的输入电容充放电所耗散的能量。第二同步整流二极管连接在谐振电感器和同步整流器之间，用来防止在某些情况下能量回流到同步整流器。谐振电感器连接到回收开关，后者将存储在谐振电感器的能量传递到输出端，由此使同步整流器更节省能量。
在另一个实施例中，每一个整流器的能量回收电路包括连接到能量回收电路的第一同步整流二极管的附加电阻。该电阻的作用是在电流通过第一同步二极管反向流动因而对同步整流器的输入电容再充电使同步整流器在不恰当的时候反向导通的情况下，确保电路正常工作。增加该电阻以后同步整流器栅极两端的电压就可以摆动到零以下，以解决反向电流的问题。
在再一个实施例中，能量回收电路将使用N型MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)来把同步整流器两端的电压限制在与同步整流器的输入电压不同的数值。
在再一个实施例中，能量回收电路将使用辅助线圈以这样的方式对同步整流器的栅极电容充电，使得向栅极电容充入的能量可以回收。辅助线圈有助于产生正确的同步整流器充电脉冲。
还公开了一种外部驱动的同步整流器的能量回收方法。该方法包括以下步骤：用至少一只电感器从同步整流器的输入电容中捕获能量；以及当回收开断开开时把能量从存储电感器转移到输出端。该方法还包括回收对所述同步整流器充放电所需的能量。
附图的简要说明
考虑联系附图进行的以下描述，将更清楚地理解本发明的上述特征，附图中：
图1表示先有技术的外部驱动同步整流的刚性开关全桥式变换器；
图2A表示带有利用本发明实施例的外部驱动同步整流的全波整流器；
图2B表示采用推挽电路布局的外部驱动同步整流器的电压波形；
图3表示具有二极管反向回收限流电阻的所述外部同步整流器的实施例；
图4表示两个谐振网络合并时所述外部驱动同步整流器的实施例；
图5表示带电压限制MOSFET的本发明的另一实施例；
图6A是带有辅助输出电感器绕组的本发明的另一实施例；
图6B示出表示图7A所示的谐振栅驱动操作情况的典型波形；
图7A表示具有辅助输出电感器绕组的本发明的可供选择的实施例；
图7B表示具有辅助输出电感器绕组的本发明的可供选择的另一实施例；
图8是利用本发明的典型半波整流器的实施方案；
图9A是利用本发明的补偿型变换器的实施方案；以及
图9B是利用本发明的补偿型的变换器的另一实施方案。
如果没有另外说明，各附图中相应的数字和符号指的是相应的部分。
最佳实施例的详细说明
下面是关于本发明的结构和方法的说明。首先讨论先有技术电路，接下来是关于本发明的几个最佳实施例和替换方案的说明，并讨论它们的优越性。
图1示出先有技术刚性开关全桥式变换器的外部驱动同步整流器的配置，总的标示为10。其中展示了同步整流器SQ1和SQ2、具有初级绕组11和次级绕组12的变压器Tx、电感器Lo、电容器Co、和外部驱动电路16。SQ1和SQ2连接到变压器Tx的次级绕组12。同步整流器SQ1和SQ2连接到外部驱动电路的变压器Tsx，以便导出为同步整流器SQ1和SQ2提供接通和断开信号的必要的定时信号。
在图1所示的先有技术实施方案中，由于对每个同步整流器SQ1和SQ2的输入电容充放电所带来的功率损耗大于或等于fs·Ciss_eq·Vgs2，这里fs是工作频率，Ciss_eq是SQ1和SQ2的等效输入电容，而Vgs是电容充电的最终电压。与电容Ciss_eq充放电相联系的能量损耗没有被回收，意味着整体说来，整流电路10的效率是不高的。因此，现在需要的就是寻求一种方法来回收由于对第一和第二同步整流器SQ1和SQ2的输入电容Ciss_eq充放电所消耗的能量。
图2A示出根据本发明的使用谐振栅驱动的具有能量回收电路20的同步整流电路18。本发明在放电时回收存储在同步整流器SQ1和SQ2的等效输入电容Ciss_eq中的能量。如图所示，能量回收电路包含两只小的谐振电感器LR1和LR2和四只二极管D1、D2、D3和D4。谐振电感器LR1和LR2和四只二极管D1、D2、D3和D4用来存储由第一和第二同步整流器SQ1和SQ2的放电所析出的能量。为了将能量从谐振电感器LR1和LR2转移到输出端Vout，谐振电感器LR1和LR2被连接到回收开关SQ3和SQ5。回收开关SQ3和SQ5接下来连接到输出端Vout。任何驱动交叉传导能量和存储在谐振电感器LR1和LR2的所有能量被转移到回收开关SQ3和SQ4，然后转移到所述输出端子，由此提供了一种更节省能量的电路。在本实施例中，没有以任何方式回收对同步整流器的输入电容充电所需的能量。
图2B示出表示本发明的操作的基本波形，所述操作用于回收来自第一同步整流器SQ1放电的能量。在T0时刻以前，两个同步整流器都处于导通状态，负载电流通过被短路的次级绕组和同步整流器SQ1和SQ2续流(freewheel)。在T0时刻，来自初级绕组11的信号令回收开关SQ3导通。由于SQ4仍然导通，所以通过谐振电感LR1建立电流。在时刻T1，开关SQ4断开，流过LR1中的电流开始让同步整流器SQ1的输入电容放电。在此阶段，电感器LR1以谐振的方式将同步整流器的输入电容放电，开关SQ3将此能量转移到输出端Vout。当谐振电感器LR1复位的时候，这种谐振将第一同步整流器的栅极电压驱动到零值以下。二极管D1的功能是用来防止电压摆动到负值。
在T2时刻，谐振电感器LR1已经复位，而二极管D2将该谐振电感器与第一同步整流器SQ1的连接断开。由于回收开关SQ3和SQ4两者由同一信号驱动，所以SQ3的接通和SQ4的断开之间的延迟时间受到电阻R1的数值和开关SQ4的输入电容量的控制。如上所述，以相同的方式操作回收开关SQ5和谐振电感器LR2，以便从第二同步整流器SQ2的放电中回收能量。
在大多数实际实施方案中，当流过谐振电感器LR1和LR2的电流反向降低到零时，二极管D2和D4并不立即断开，电流反向流过二极管D2和D4(这就是反向回收效应)由此对同步整流器SQ1和SQ2的输入电容重新充电。如果该电容重新充电到1伏以上，则同步整流器SQ1和SQ2将企图反向导通造成有缺陷的操作。为了尽量减小这种效应，可以使用可饱和电感器来代替谐振电感器LR1和LR2，或者设置分别与二极管D1和D3串联的电阻R3和R4，如图3所示。加入电阻R3和R4使同步整流器SQ1和SQ2两端的电压摆向地电位以下。所以，当同步整流器SQ1和SQ2的输入电容被重新充电时，由于二极管D2和D3的反向回收效应，同步整流器SQ1和SQ2的电压将保持在地电位以下。这将确保同步整流电路30的能量回收电路的正确操作。
即使当两个谐振网络合并，只要如图4所示的同步整流器那样，将两个谐振网络合并成一个，也可以获得与本发明所提供的非常相似的功能。如图所示，在驱动回收开关SQ3和SQ4的同时也就引入了额外的时延，因为必须通过谐振电感器LR1使它们导通。很容易通过调整电阻R1和R2的数值去弥补这种时延，由此确保同步整流电路40的正确定时。
在某些应用场合，可能需要使同步整流器SQ1和SQ2两端的电压与二次电源所提供的电压Vccs数值有所不同。令电压错开的操作可以通过增加两个额外的N型MOSFET来实现，如图5所示。在图5中，Vccs2的电压数值低于Vccs，由此限制了同步整流器SQ1和SQ2两端的充电电压。
在本发明的先前的实施例中，仅以无耗方式实现了同步整流器SQ1和SQ2的放电(也就是说，将放电的能量回收后转移到输出端Vout)。如果对同步整流器SQ1和SQ2栅极电容的充电也要用无耗方式进行，那么，可以把附加绕组50加到输出电感LO上以便为同步整流器SQ1和SQ2提供正确的充电脉冲，如图6A所示。图6B所示的是描述图6A所示的同步整流电路工作情况的典型波形。重要的是要注意现在各驱动器受输出电感器LO的辅助绕组50所提供的脉冲源所驱动。正是这种脉冲源使同步整流器SQ1和SQ2栅极电容的充电也能用无耗方式进行。
对低电压应用来说，输出电感LO上的辅助绕组50的匝数太多，不利于实际应用。为了减少辅助绕组50的匝数，可以使用本发明的图7A和图7B所示的实施例，具体说就是，在同步整流电路70中，辅助绕组50连接到电压端子Vout的正端，这与图6A所示的将辅助绕组50连接到电压端子Vout的回流端的情形正好相反，这使得辅助绕组50的匝数可以减少。
在图7B所示的同步整流电路中，脉冲源电压不一定摆向负值。这里辅助绕组匝数比小于1/(1-Vo*N/Vin)，其中N是主变压器的匝数比，脉冲源电压总是正的。对于这种情况，同步整流器SQ1和SQ2输入电容的真正的无耗充电是不可能的。然而，即使在这种情况下，与对同步整流器SQ1和SQ2的电容充电相关的损耗也会大幅度减小。而且，因为没有将辅助绕组50接地，在发生短路的情况下，也不会丧失驱动能力。
全波整流器谐振栅驱动的实施例已经展示过。但是，本发明经过修改后还可应用于半波整流器和非绝缘电路布局。图8示出半波整流器谐振栅驱动的实施例。增加了第二辅助绕组52，以便将本发明应用到半波整流器。再说一遍，正如以上所述，两个谐振网络可以合并，辅助绕组50和52可以接到电路的不同地方。
存储在无隔离级的补偿式变换器90(降压变换器)主开关和同步整流器SQ1和SQ2的输入电容中的放电能量的回收也可以使用本发明的实施例完成。该实施例由图9A表示。如果需要，同步整流器SQ1和SQ2的输入电容的充电也可以以无耗方式进行，如图9B所示。
本发明谐振栅驱动的新颖的方法和系统提供有效地从同步整流器SQ1和SQ2的充放电中回收能量的优点。本发明的另一个优点是能够回收电路的大量的循环能量。本发明还有一个优点是本发明对有效地用于宽的开关频率范围的适应性。本发明还有一个优点是使本发明适合于各种类型电路布局的能力。
虽然已经参考图解说明的实施例描述了本发明，但是这种描述并不意味着构成对本发明范围的限定。对于本专业的技术人员来说，参阅本说明书后，结合图解说明的实施例以及其它实施例进行各种各样的修改将是显而易见的事情。同步整流器SQ1和SQ2以及开关SQ3，SQ4，SQ5和SQ6这里被表示为MOSFET，但可以预期，其它FET或开关器件也会适合用于本发明。因此，这意味着，作为附件的权利要求书将包括任何上述修改或实施例。

Claims (30)

1.一种用于直流-直流功率变换器的外部驱动同步整流电路，所述电路包括：
具有初级和次级绕组的主变压器，所述次级绕组具有第一端子和第二端子；
工作时与所述第一变压器的所述第一端子连接的第一同步整流器；
工作时与所述第一变压器的所述第二端子连接的第二同步整流器；
具有定时电路和辅助变压器的外部驱动电路，其特征在于所述辅助变压器包括初级和次级辅助变压器绕组，所述辅助变压器次级绕组具有第一端子和第二端子；
用来回收与每一个所述同步整流器的所述输入电容充放电相联系的能量损耗的能量回收电路；以及
输出电压端子。
2.如权利要求1所述的外部驱动同步整流电路，其特征在于还包括：
具有栅极的第一开关，所述第一开关连接到电压源；
具有栅极的第二开关，所述第二开关连接到电压源；
串联连接在所述第一开关的所述栅极和所述辅助变压器的所述次级绕组的所述第一端子之间的第一电阻；以及
串联连接在所述第二开关的所述栅极和所述辅助变压器的所述次级绕组的所述第二端子之间的第二电阻。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于所述能量回收电路包括：
连接到所述返回电压端的第一二极管；
连接到所述第一二极管和所述第一同步整流器的所述栅极的第二二极管；
连接到所述返回电压端的第三二极管；
连接到所述第三二极管和所述第二同步整流器的所述栅极的第四二极管；
从而，所述第一和第三二极管调节所述第一和第二同步整流器两端的电压。
4.如权利要求3所述的电路，其特征在于所述能量回收电路还包括：
工作时与所述辅助变压器的所述第一端子连接的第一回收开关；
工作时与所述辅助变压器的所述第二端子连接的第二回收开关；
与所述第四二极管和所述第一回收开关串联连接的用来存储能量的第一电感器；以及
与所述第二二极管和所述第三开关串联连接的用来存储能量的第二电感器。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述电路还包括：与所述第一变压器的所述次级绕组的所述第一端子和所述输出电压端子串联连接的第三电感器；以及与所述输出电压端子并联连接的电容器。
6.如权利要求1所述的电路，其特征在于所述电路还包括与所述第一变压器的所述次级绕组连接的中心抽头，由此将所述中心抽头与所述第三电感器串联连接。
7.一种用于外部驱动同步整流器的能量回收电路，所述外部驱动同步整流器具有：第一和第二同步整流器、第一和第二开关、第一和第二电阻、主变压器和辅助变压器、具有绕组的电感器、输出电容器、以及具有正端和返回端的输出端子，所述能量回收电路包括：
具有带栅极的第一回收开关的第一同步整流器回收电路，所述第一回收开关的所述栅极连接到所述变压器的所述第一端子，所述第一回收开关启动向所述输出端子的能量转移；以及
具有带栅极的第二回收开关的第二同步整流器回收电路，所述第二回收开关的所述栅极连接到所述辅助变压器的所述第二端子，所述第一回收开关启动向所述输出端子的能量转移；
从而，将所述第一和第二同步整流器放电所需的所述第一和第二同步整流器输入电容的能量回收。
8.如权利要求7所述的能量回收电路，其特征在于所述第一同步整流器回收电路包括：工作时与所述第一同步整流器连接的第一同步整流第一二极管，从而所述第一同步整流第一二极管调节所述第一同步整流器两端的电压。
9.如权利要求7所述的能量回收电路，其特征在于所述第二同步整流器回收电路包括：工作时与所述第二同步整流器连接的第二同步整流器的第一二极管，从而所述第二同步整流器的第一二极管调节所述第一同步整流器的电压。
10.如权利要求8所述的能量回收电路，其特征在于所述第一同步整流器回收电路还包括：
与所述第一回收开关连接的第一谐振电感器；以及
与所述第一谐振电感器串联连接的第一同步整流器的第二二极管；
从而将来自所述第一同步整流器的能量存储在所述第一谐振电感器，所述第一同步整流器的第二二极管的作用是防止所述能量回流到所述第一同步整流器，同时防止所述能量来回循环而进一步造成能量损失。
11.如权利要求9所述的能量回收电路，其特征在于所述第二同步整流器回收电路还包括：
与所述第二回收开关连接的第二谐振电感器；以及
与所述第二谐振电感器串联连接的第二同步整流器的第二二极管；
从而将来自所述第二同步整流器的能量存储在所述第一谐振电感器，所述第二同步整流器的第二二极管的作用是防止所述能量回流到所述第二同步整流器，同时防止所述能量来回循环而进一步造成能量损失。
12.如权利要求7所述的能量回收电路，其特征在于还包括：
与所述第一和第二回收开关连接的存储电感器；以及
与所述存储电感器串联连接的输出二极管，所述输出二极管的作用是防止能量回流到所述第一和第二回收开关；
从而将所述能量从所述第一和第二同步整流器转移到所述存储电感器供所述同步整流电路使用。
13.如权利要求7所述的能量回收电路，其特征在于：所述第一和第二回收开关的定时受到所述第一和第二电阻的影响。
14.如权利要求7所述的能量回收电路，其特征在于还包括：
与所述第一同步整流器的第一二极管连接的第一回收电阻；以及
与所述第二同步整流器的第一二极管连接的第二回收电阻；
从而控制所述第一和第二同步整流器的电压以便将反向流过所述第一同步整流器的第一二极管和第二同步整流器的第一二极管的电流的影响减至最小。
15.如权利要求10所述的能量回收电路，其特征在于还包括：
连接在所述第一同步整流器和所述第一同步整流器的第二二极管之间的第三回收开关；以及
连接在所述第二同步整流器和所述第二同步整流器的第二二极管之间的第四回收开关；
从而将所述第一和同步整流器的电压限制到与电源电压不同的电压数值。
16.如权利要求15所述的能量回收电路，其特征在于：所述第三和第四回收开关包括具有栅极的MOSFET，其中所述栅极连接到电压源。
17.如权利要求7所述的能量回收电路，其特征在于还包括：电感器LO的第一辅助绕组，从而回收对所述第一和第二同步整流器充电所需的的所述第一和第二同步整流器的输入电容能量。
18.如权利要求17所述的能量回收电路，其特征在于：所述第一辅助绕组连接到所述输出端子的所述返回端。
19.如权利要求17所述的能量回收电路，其特征在于还包括：
连接到所述输出电感器绕组的第一充电二极管；以及
连接到所述第一辅助绕组的第二充电二极管。
20.如权利要求17所述的能量回收电路，其特征在于：所述辅助绕组包括脉冲源，所述脉冲源为所述第一和第二同步整流器提供正确的充电脉冲。
21.如权利要求20所述的能量回收电路，其特征在于：所述辅助绕组连接到所述输出端子的所述正端，从而降低低电压同步整流电路的所述辅助绕组的所述匝数。
22.如权利要求21所述的能量回收电路，其特征在于所述电路还包括：
与所述第一和第二回收开关连接的辅助绕组二极管；以及
与所述辅助绕组二极管串联连接的第二电容器。
23.如权利要求17所述的能量回收电路，其特征在于还包括第二辅助绕组，从而所述能量回收电路可适用于半波整流器。
24.如权利要求23所述的能量回收电路，其特征在于还包括：
与所述第二回收开关串联连接并连接到所述输出电感器绕组的第一辅助二极管；以及
与所述第一开关串联连接并连接到所述第二辅助绕组的第二辅助二极管。
25.一种用于外部驱动同步整流器的能量回收电路，所述外部驱动同步整流器具有第一和第二同步整流器、第一和第二开关、第一和第二电阻、主变压器和辅助变压器、具有绕组的电感器、输出电容器、以及具有正端子和返回端子的输出端子，所述能量回收电路包括：
具有带栅极的第一回收开关的第一同步整流器回收电路，所述第一回收开关的所述栅极连接到所述辅助变压器的所述第一端子，所述第一回收开关启动向所述输出端子的能量转移；以及
具有带栅极的第二回收开关的第二同步整流器回收电路，所述第二回收开关的所述栅极连接到所述辅助变压器的所述第二端子，所述第一回收开关启动向所述输出端子的能量转移；
从而，回收将所述第一和第二同步整流器放电所需的所述第一和第二同步整流器的输出电容的能量，并且所述能量回收电路适合于补偿型变换器。
26.如权利要求25所述的能量回收电路，其特征在于还包括：
与所述第一同步整流器连接的第一二极管；
与所述第二同步整流器连接的第二二极管；
可控地与所述第一同步整流器连接的第三二极管；
与所述第二回收开关连接的第四二极管；
串联连接在所述第三二极管和所述第一回收开关之间的第一电感器；以及
串联连接在所述第二同步整流器的所述栅极和所述第四二极管之间的第二电感器。
27.如权利要求26所述的能量回收电路，其特征在于还包括：
与所述输出端连接的辅助绕组；以及
与所述电压端串联连接的输出二极管。
28.一种用于自驱动同步整流电路的能量回收电路的能量回收方法，所述自驱动同步整流电路具有第一和第二同步整流器以及输出端子的，所述能量回收电路具有第一和第二开关以及至少一个存储电感器，所述方法包括如下步骤：
捕获所述同步整流器电容中的能量并存储在所述至少一个存储电感器中；以及
将所述同步整流器的所述电容中的所述能量从所述至少一个存储电感器转移到输出端。
29.如权利要求28所述的方法，其特征在于：捕获所述同步整流器的电容中的能量的所述步骤包括捕获所述同步整流器的充电能量。
30.如权利要求28所述的方法，其特征在于：捕获所述同步整流器电容中的能量的所述步骤包括捕获所述同步整流器的放电能量。
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