CN1416611A - 逆向变换器中的同步整流 - Google Patents

Abstract

一种逆向变换器(100)，具有原边(112)，该原边包括主开关(Q1)、控制器件(116)、以及延时电路(110)。该逆向变换器还具有副边(114)，该副边包括控制整流开关(Q4)的驱动电路。所述驱动电路包括第一部分，该第一部分包括第一晶体管(Q2)、第一放电二极管(D2)、以及导通节点(D_ON)，所述驱动电路还包括第二部分，该第二部分包括第二晶体管(Q3)、第二放电二极管(D3)、以及关断节点(D_OFF)。所述控制器件通过导通节点和关断节点上的至少一个驱动电容器(C1、C2)连接到所述驱动电路。所述驱动电路具有逆向运行模式和正向运行模式。该逆向变换器包括很少的元件，且防止了主开关与整流开关同时导通。

Description

逆向变换器中的同步整流

技术领域

本发明涉及一种DC-DC变换器电路，更具体地说是涉及一种在连续模式下运行的同步逆向变换器电路。

背景技术

在各种电气设备的DC-DC电源中，为获得合适的整流输出电压，使用了功率整流器。典型地，在副边使用一个二极管来获得整流输出电压。

在授予Xia等人的美国专利No.5886881中描述了一种DC-DC变换器。所描述的正向DC-DC变换器可以用来执行同步整流和零电压切换。该电路只是为正向或正向派生的变换器设计的，不能用于逆向变换器。

在授予Yamashita等人的美国专利No.5726869中描述了另一种DC-DC变换器。其中公开了一种同步整流型正向DC-DC变换器，该变换器可以防止在同步整流开关与续流整流开关同时导通或同步整流开关与原边开关同时导通的情况下发生的损耗增加。

如果这些负责在变压器的副边整流的副边开关同时导通，FET和绕组将有可能被大电流损坏。此处，是用物理组件来防止交叉导通的，如饱和铁芯，这样会导致功率损耗增加，且变换器的体积增大。

在授予Aonuma等人的美国专利No.5999420中披露了另一种正向DC-DC变换器。

设计合适的整流电路的另一种方法是利用逆向拓扑结构。在采用逆向拓扑结构的变换器中，在储能阶段，原边将磁能存储在气隙或铁芯中或类似的组件中。在所谓逆变期间，该能量被馈送到副边。与其它变换器电路相比，采用逆向拓扑结构的功率变换器电路的主要优点在于其简单的结构，这使得其制造成本很低。

传统的逆向变换器包括：在原边有变压器的原边绕组和一个开关，在副边有连接到一个二极管和输出电容器的变压器的副边绕组，在该电容器上可以连接负载。

这样的变换器在二极管上具有很大的电压降。因此，在输出电容器上的输出电压很低的情况下，二极管上的电压降成为总的电压中一个不可忽略的部分，这使得功率变换器在这样的低压应用中效率不高。

无论功率等级如何，对减小逆向变换器的体积要求越来越强烈，从而加强了对变换器效率的要求。效率限制了在一个很小的空间内能够转换的功率量，其中发热必须限制在允许的范围内。肖特基二极管中的电压降大约为0.3V或更高。该电压降造成变换器中主要的一种损耗。如果通过采用具有小得多的电压降的组件将该电压降最小化，那么功率变换器的效率将会显著提高，举例来说，MOSFET就可以降低该电压降。

在瑞典专利申请No.9804454-8中，描述了一种连续模式的具有一个同步开关的逆向变换器。副边同步开关的驱动电路的控制信号是从逆向变换器的副边或一个辅助绕组直接取得的。驱动脉冲到达副边的一个副边开关，该驱动脉冲是由一个反相缓冲器电路产生的，从输出电压端子馈送。该脉冲发生电路产生同步开关的控制信号，该控制信号与输入电压无关。该电路的缺点是在有些条件下，副边开关的定时可能不正确。

发明概述

本发明的目的之一是克服上述的问题。

本发明的另一目的是提高逆向拓扑结构的电气DC变换器的效率。

上述目的通过一种在逆向变换器中进行同步整流的电路和方法得以实现。该变换器独立于原边输入电压，并且不需要变压器原边的辅助绕组。

下面是本申请中所用的术语的定义：

逆向变压器：可以是扼流变压器、自耦变压器、或全变压器。逆向变压器的原边绕组是指在变换器的正向阶段电流流经的绕组，副边绕组是指在逆向阶段电流流经的绕组。

逆向阶段：在逆向变换器中，逆向阶段是原边开关或主开关处于关闭状态，即不导通状态，而副边开关，即整流开关处于开启状态，即导通状态的时间。在一种称作不连续模式的情况下，当通过开关的电流等于零时，副边开关可以断开。

正向阶段：在逆向变换器中，正向阶段是当原边开关处于开启状态，而副边开关处于关闭状态的时间。

不连续模式：逆向变换器中的一种模式，其中，在开关周期的一些时间中，逆向变压器的磁能等于零。

连续模式：逆向变换器中的一种模式，其中，在开关周期中，逆向变压器的磁能从来不等于零。

开启状态：开关的导通状态。

关闭状态：开关的不导通状态。

开关：一种具有开启状态和关闭状态两种完全不同状态的元件。

储能控制开关：一种器件，依靠控制端子上的储能来工作，对MOSFET来说，控制端子是栅极。储能控制开关的实例有MOSFET和IGBT。

通常，逆向变换器具有一个原边，包括一个控制器件和作为主开关的第一元件。该变换器还具有一个副边，包括一个驱动电路和作为整流开关的第二元件。所述驱动电路具有开启部分，包括第一晶体管、所述第一晶体管的基极和发射极之间的第一二极管以及连接到控制器件的驱动电容器。该驱动电路还具有关闭部分，包括第二晶体管、所述第二晶体管的基极和发射极之间的第二二极管以及连接到控制器件的第二驱动电容器。

逆向变换器的原边控制的控制器件输出的驱动脉冲描述如下：

当接收到关闭信号，例如驱动脉冲的负前沿时，主开关被关闭。该关闭信号还启动驱动电路的开启部分，使得整流开关导通。

当接收到开启信号，例如驱动脉冲的正前沿时，主开关被开启。该开启信号还启动驱动电路的关闭部分，使得整流开关变为不导通。

此处描述的逆向变换器的优点之一是它包括很少的元件。

该逆向变换器的另一个优点是副边的第一和第二晶体管不会同时导通，虽然它们都被来自同一个控制器件的脉冲触发。这是由以下事实造成的，即只有在控制信号的关闭信号期间，第一晶体管才会处于开启状态，而只有在开启信号期间，关断晶体管才会处于开启状态。其它时间，第一和第二晶体管都处于关闭状态。

另一个优点是馈送到整流开关和驱动电路的电压不会随着逆向变换器的输入电压或输出电流而变化。

另一个优点是该逆向变换器防止主开关与整流开关同时导通。

还有一个优点是对整流开关的开启信号，特别是关闭信号应用延时非常简单。

本发明的其它目的和优点将在下面的说明中描述，一部分将通过说明而变得清楚，或者通过实践该发明而对其了解。该发明的目的和优点可以通过在权利要求中具体指出的方法、过程、手段和组合而得以实现和获得。

附图简述

虽然本发明的新颖性特征特别在权利要求中提出，但是，对本发明的透彻理解，包括其组织和内容以及上述的和其它的特征，将通过下面参照附图，对非限制性实施例的详细描述而实现，其中

图1是一种DC-DC变换器的电路图；

图2a-2d是时序图。

优选实施例

图1中示出逆向变换器100的电路图。在原边112，变换器100包括属于变压器T的原边绕组W1、主开关Q1、控制器件116、以及延时电路110。原边112的第一输入端子104连接到原边绕组W1的一边，用于在使用该变换器时连接到未示出的DC电压源的一个端子。原边绕组W1的另一变连接到主开关Q1的漏极端子d1或类似的连接点，例如，Q1可以是MOSFET晶体管。主开关Q1的源极端子s1或类似的点连接到原边112的第二输入端子102，该端子在使用该变换器时连接到上述外部DC电压源的另一个端子。控制器件116的输出端子连接到第一驱动电容C1的第一电容端子。控制器件116还连接到延时电路110的一个输入端，该延时电路110又将其输出端子连接到主开关Q1的栅极端子g1。

在副边114，逆向变换器100包括变压器T的副边线圈W2、晶体管Q2和Q3、储能控制整流开关Q4、以及两个二极管D2和D3。变换器的两边，即原边112和副边114通过变压器T、第一驱动电容C1以及第二驱动电容C2相互耦合。副边绕组W2的一端连接到变换器的第一输出端子108，期望的信号将在该端子108上传递。第一输出端子108还连接到一个晶体管，即导通晶体管Q2，的发射极端子e2，所述晶体管可以是PNP型的；还连接到一个二极管，即放电二极管D2，的阴极k2。放电二极管D2的阳极端子a2通过导通连接节点D_ON连接到导通晶体管Q2的基极端子b2。

导通晶体管Q2的集电极端子c2连接到另一个晶体管，即关断晶体管Q3的集电极端子，晶体管Q3可以是NPN型的；还连接到储能控制整流开关Q4的栅极端子g4。副边绕组W2的另一端连接到整流开关Q4的漏极端子d4。整流开关Q4的源极端子s4连接到变换器的第二输出端子106。关断晶体管Q3的发射极端子e3连接到第二输出端子106。另一个二极管，即二极管D3，的阳极端子a3也连接到第二输出端子106。该二极管的阴极端子k3通过关断连接节点D_OFF连接到关断晶体管Q3的基极端子b3。

控制器件116通过两个驱动电容C1和C2以及晶体管Q2、Q3来控制原边112的主开关Q1和副边114的整流开关Q4在期望的时候在开启和关闭状态之间切换。关闭连接节点D_OFF连接到第一驱动电容C1，导通连接节点D_ON连接到第二驱动电容C2。第二驱动电容C2连接到第一驱动电容C1，第一驱动电容C1又连接到控制器件116，如前所述。控制器件116还可以例如从变换器100的副边114的输出端子收集控制数据，完成该功能的必要电路在图中未示出。

连接到输入端子102、104的DC电压源可以用AC电源代替，该AC电源由AC电源与整流器构成，未示出。

变换器的原边112通过变压器T向副边114感应电压。

位于副边114的储能控制整流开关Q4于是由驱动电路馈电，该驱动电路从原边112接收信息，更具体地说，接收由控制器件116产生的驱动脉冲。驱动电路包括两个独立的部分，开启部分和关闭部分。所述信息通过驱动电容C1和C2被传到副边114。控制器件116的脉冲的负前沿或正前沿启动该两个部分。

开启部分包括导通晶体管Q2和连接在该导通晶体管Q2的基极b2和发射极e2之间的放电二极管D2。当控制器件116发送一个关闭信号，即信号的负前沿，到主开关Q1来禁止该主开关，使得其源极与漏极之间不能流过电流时，这一部分启动。所述负前沿还启动驱动电路，使得整流开关Q4导通。

关闭部分包括关断晶体管Q3和连接在该关断晶体管Q3的基极b3和发射极e3之间的放电二极管D3。当控制器件116发送一个开启信号，即信号的正前沿，到主开关Q1来开启该主开关，使得其源极与漏极之间可以流过电流时，这一部分启动。所述正前沿还启动驱动电路，使得整流开关Q4不导通。当控制器件116发送一个关闭信号，即具有负前沿的信号时，主开关Q1将再次被禁止，从而重复上述过程。

为了防止两个开关Q1和Q4同时导通，使用了延时电路110，其连接在主开关Q1与控制器件116之间。延时电路110对负前沿和正前沿可以具有不同的延时。该延时电路110可以包括一个简单的电路，例如串联的电阻，与主开关Q1的栅极或控制端子一起作为延时电路。延时电路110也可以更复杂，使得开启延时和关断延时可以调节。

晶体管Q2和Q3可用其它执行同样功能的元件代替。

图2a-2d是说明上述逆向变换器100的时序图。图2a的曲线示出信号Q1/Vg，即主开关Q1的栅极电压。图2d的曲线示出变换后的信号Q4/Vg，即整流开关Q4的栅极电压。图2b和2c的曲线分别示出两个晶体管Q2和Q3的集电极电流Q2/Ic、Q3/Ic。

变换器100执行的变换周期10可以分为4部分。

第一部分I是逆向阶段11的一部分，发生在主开关Q1栅极g1上的电压Q1/Vg很小时，见图2a的曲线，该部分由控制脉冲的负前沿控制。此时，主开关Q1处于关闭状态，变换器100转入逆向阶段。来自控制器件116的驱动脉冲通过电容C1和C2影响导通晶体管Q2，使其导通一段很短的时间，如图2b中的曲线所示。在一段时间内它导通，这段时间足够长，足够使整流开关Q4的栅极g4的电位变高，并充电和使整流开关Q4导通，见图2d中的曲线。整流开关将在整个逆向阶段导通。

第二部分II也是逆向阶段11的一部分，发生在主开关Q1仍然处于关闭状态时。整流开关Q4处于导通状态，且晶体管Q2和Q3是关闭且无效的。

第三部分III是正向阶段12的一部分，发生在控制器件116发送一个正前沿给主开关Q1的栅极g1，且变换器110转入正向阶段时。驱动脉冲的正前沿通过电容C1和开始导通一段很短时间的关断晶体管Q3起作用。其导通时间足够长，足够使整流开关Q4的栅极g4放电并关闭该整流开关。

第四部分IV也是正向阶段12的一部分，发生在主开关Q1导通、整流开关Q4关闭、且晶体管Q2和Q3关闭之时。

在未示出的第二实施例中，第一驱动电容C1连接在控制器件116与导通连接节点D_ON之间，且第二驱动电容C2连接在导通连接节点D_ON与关闭连接节点D_OFF之间。两个电容的电容值最好与第一实施例中所用的不同。

在未示出的第三实施例中，第一驱动电容C1连接在控制器件116与关闭连接节点D_OFF之间，且第二驱动电容C2连接在控制器件116与导通连接节点D_ON之间。两个电容的电容值最好与第一和第二实施例中所用的不同。

在该第二和第三实施例中，逆向变换器100的功能基本上与第一

实施例中的功能相同。

本发明不限于结合图1、2a、2b、2c和2d所描述的实施方案，在不偏离所附权利要求范畴的前提下，可以很容易地进行修改。

虽然以上说明和描述了本发明的具体实施例，但是应当理解，对于本领域的技术人员来说，其它各种优点、修改和改变将是显而易见的。因此，本发明的范围不限于上述具体的细节、代表性的器件、以及所说明的实例。因此，不偏离由所附权利要求所定义的本发明的主旨和范畴，可以进行各种修改。因此，应当理解，所附权利要求将覆盖所有这样的落在本发明的真实范畴和主旨之内的修改和改变。

Claims (12)

1.一种逆向变换器，具有一个原边，该原边包括一个主开关、一个控制器件、以及一个延时电路，该逆向变换器还具有一个副边，该副边包括一个驱动电路和一个整流开关，其特征在于所述控制器件通过至少一个驱动电容器连接到所述驱动电路。

2.根据权利要求1的逆向变换器，其特征在于所述驱动电路包括：

导通部分，设置为当主开关被关闭时被启动，以使整流开关导通，以及

关闭部分，设置为当主开关被开启时被启动，以使整流开关不导通。

3.根据权利要求2的逆向变换器，其特征在于所述导通部分包括一个第一晶体管、连接在该第一晶体管基极与发射极之间的第一放电二极管，且所述驱动电容器连接到该第一晶体管的基极。

4.根据权利要求3的逆向变换器，其特征在于所述第一晶体管是PNP型晶体管。

5.根据权利要求2-4任一项的逆向变换器，其特征在于所述关闭部分包括一个第二晶体管、连接在该第二晶体管基极与发射极之间的第二放电二极管，且所述驱动电容器连接到该第二晶体管的基极。

6.根据权利要求5的逆向变换器，其特征在于所述第二晶体管是NPN型晶体管。

7.根据前述任一项权利要求的逆向变换器，其特征在于所述主开关包括MOSFET。

8.根据前述任一项权利要求的逆向变换器，其特征在于所述整流开关是储能控制元件。

9.根据前述任一项权利要求的逆向变换器，其特征在于所述整流元件包括MOSFET或IGBT。

10.根据前述任一项权利要求的逆向变换器，其特征在于所述延时电路连接在所述主开关与控制器件之间，且所述驱动电容器连接到所述控制器件。

11.一种方法，用于操作一种具有原边的逆向变换器，该原边包括一个主开关和一个控制器件，该逆向变换器还具有一个副边，该副边包括一个驱动电路和一个整流开关，所述控制器件产生具有延时的驱动脉冲，这些脉冲被传到主开关，用于控制该主开关使其处于开启状态或关断状态，这些脉冲还被传到所述驱动电路，用于控制整流开关，使其处于开启状态或关断状态，其特征在于所述驱动脉冲从所述控制器件容性传输到驱动电路。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于所述驱动脉冲具有负前沿和正前沿，用于当分别通过延时电路和驱动电路接收到负前沿时关闭主开关且开启整流开关，而当接收到正前沿时开启主开关且关闭整流开关。

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