CN1620746A - 用于非最佳复位次级电压的自驱动同步整流电路 - Google Patents

用于非最佳复位次级电压的自驱动同步整流电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于非最佳复位次级电压的自驱动同步整流电路，其中的功率转换器具有自驱动同步整流电路，该自驱动同步整流电路能够以在一部分切换周期中保持在零电压电平的非最佳复位次级电压波形有效地运行。该功率转换器电路包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，其中在它的一部分功率周期上给初级绕组输送保持在零电压电平的非最佳复位波形。第一同步整流器与次级绕组的第一端串联并受在次级绕组的第二端上的电压控制。第二同步整流器与次级绕组的第二端串联，并通过存储扼流圈进一步连接到功率转换器的输出端子。饱和电抗器串联连接在第一同步整流器和次级绕组的第一端之间。开关器件连接到次级绕组的第一端并受在次级绕组的第二端上的电压控制。开关器件进一步控制第二同步整流器。电容器连接到第二同步整流器，并通过开关器件的操作进行充电以在非最佳复位波形的零电压电平部分中将第二同步整流器保持在导通状态。一旦过渡到在零电压电平部分之后的波形的正电压电平部分，电容器通过开关器件放电。饱和电抗器阻止电流流经第一同步整流器足够长的时间周期以允许电容器放电。

Description

用于非最佳复位次级电压的自驱动同步整流电路
相关的申请数据
依照35 U.S.C.§119(e)本专利申请要求2000年4月6日申请的临时专利申请No.60/195,019的优先权，以引用参考的方式将该申请的内容结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及一种DC至DC功率转换电路，更具体地说，涉及一种具有用于在一部分切换周期中保持在零电压电平的非最佳复位次级电压的自驱动同步整流电路的功率转换器。
背景技术
在本领域中公知一种自驱动同步整流电路以在DC至DC功率转换电路中用于提供在正和负值之间交替的电压的整流。附图1提供了常规的自驱动同步整流电路的实例。
更具体地说，附图1的自驱动同步整流电路提供在具有初级绕组22和次级绕组24的变压器20的次级侧上。自驱动同步整流电路包括第一和第二整流器12，14，每个整流器由MOSFET器件(例如n-沟道增强型MOSFET)形成。第一整流器12具有连接到变压器次级绕组24的第一端A的漏极端子，第二整流器14具有连接到变压器次级绕组的第二端B的漏极端子。第一整流器12的栅极端子通过限流电阻器16连接到变压器次级绕组的第二端子B并通过电阻器17接地。第二整流器14的栅极端子通过限流电阻器18连接到变压器次级绕组的第一端子A并通过电阻器19接地。第一和第二整流器12，14的源极端子耦合到地端。同步整流电路提供在正端子和地端之间的输出电压(Vout)。该正端子通过输出存储扼流圈26耦合到变压器的第二端B。电容器28耦合在正端和地端之间以对整流的输出电压(Vout)的高频分量进行滤波。
参考附图2a的时序图说明附图1的自驱动同步整流电路的操作，附图2a描述了变压器的次级绕组的B和A端之间的电压(VB-A)。在附图2a中，电压VB-A所示为具有预定的占空比的一系列的矩形脉冲，该脉冲在正电压和负电压之间交替变化。在电压VB-A是正的时，即在端子B上的电压相对于在端子A上的电压是正的，第一整流器12接通而第二整流器14切断。这使电流通路经过第一整流器12、变压器次级绕组24和存储扼流圈26以给输出端子输送功率。相反，在电压VB-A是负的时，即在端子B上的电压相对于在端子A上的电压是负的，第一整流器12切断而第二整流器14接通。这就形成了通过第二整流器14和存储扼流圈26将在该周期的前面部分中存储在阻流器26中的磁化电流输送给输出端子的通路。
仅在正周期部分将功率输送给变压器的次级侧。负周期部分用于使变压器复位。第一整流器12一般被称为“正向”同步整流器，因为它用于在正功率周期部分中从变压器20给输出端子传输电流。第二整流器14被称为“续流(free wheeling)”同步整流器，因为它用于在负功率周期部分中并且在变压器20正复位时给输出端子传输电流。在以附图2a所描述的次级电压运行时，整流器12，14的栅极驱动通过MOSFET器件的体二极管与电流同步。换句话说，在次级电压具有在附图2a的形式的“最佳复位”波形时有很小的电流流经MOSFET器件的体二极管。
附图1的自驱动同步整流电路的严重缺陷在于在通过在变压器20上的“非最佳复位”次级电压驱动MOSFET器件驱动时它的效率极大地降低。附图2b描述了一种“非最佳复位”次级电压波形，其中在一个切换周期的一部分中电压VB-A仍然保持在零电平。具体地说，在负电压状态之后(复位)和在接下来的正电压状态之前发生了零电压状态。在次级电压VB-A为零时，第一整流器12和第二整流器14切断。在切换周期的零电压部分中通过第二整流器14的体二极管传输存储扼流圈26的磁化电流。所不希望的是MOSFET器件12，14的体二极管在切换周期的主要部分中传输电流，这是因为它们产生了电压降，这种电压将导致了实质的功率损耗，即降低了效率。
因此，希望提供一种具有自驱动同步整流电路的功率转换器，该功率转换器能够克服已有技术的这些和其它缺陷。
发明内容
本发明提供一种具有用于在一部分切换周期中通过保持在零电压电平的非最佳复位次级电压波形有效操作的自驱动同步整流电路的功率转换器。
更具体地说，该功率转换器电路包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，其中在它的一部分功率周期上给初级绕组输送保持在零电压电平的非最佳复位波形。第一同步整流器与次级绕组的第一端串联并受在次级绕组的第二端上的电压控制。第二同步整流器与次级绕组的第二端串联，并通过存储扼流圈进一步连接到功率转换器的输出端子。饱和电抗器串联连接在第一同步整流器和次级绕组的第一端之间。开关器件连接到次级绕组的第一端并受在次级绕组的第二端上的电压控制。开关器件进一步控制第二同步整流器。电容器连接到第二同步整流器，并通过开关器件的操作进行充电以在非最佳复位波形的零电压电平部分中将第二同步整流器保持在导通状态。一旦过渡到在零电压电平部分之后的波形的正电压电平部分，电容器通过开关器件放电。饱和电抗器阻止电流流经第一同步整流器足够长的时间周期以允许电容器放电。
在本发明的一种实施例中，第一同步整流器进一步包括具有通过饱和电抗器连接到次级绕组的第一端的漏极端子、连接到次级绕组的第二端的栅极端子和接地的源极端子。第二同步整流器进一步包括具有连接到次级绕组的第二端的漏极端子、栅极端子和接地的源极端子的第二MOSFET。第二MOSFET的漏极端子通过存储扼流圈进一步连接到功率转换器的输出端子。开关器件进一步包括具有连接到第二MOSFET的栅极端子的漏极端子、连接到次级绕组的第一端的源极端子和连接到次级绕组的第二端的栅极端子的第三MOSFET。电容器连接在第二MOSFET的栅极端子和地端之间。通过流经第三MOSFET的体二极管的电流对该电容器进行充电以在波形的零电压电平部分将第二MOSFET保持在导通状态。
在本发明第二实施例中，次级绕组进一步包括每个都具有相应的第一和第二端的第一次级绕组和第二次级绕组，其中初级绕组和次级绕组具有相反的极性。第一同步整流器进一步包括具有连接到第一次级绕组的第一端的漏极端子、连接到第二次级绕组的第一端的栅极端子和接地的源极端子的第一MOSFET。开关器件进一步包括具有连接到第二MOSFET的栅极端子的漏极端子、连接到第二次级绕组的第二端的源极端子和连接到第二次级绕组的第一端的栅极端子的第三MOSFET。触发器电路耦合到第二次级绕组的第一和第二端。触发器电路可替换地将第二次级绕组中的第一和第二端中的一个耦合到地端。
在本发明第三实施例中，次级绕组进一步包括每个都具有相应的第一和第二端的第一次级绕组和第二次级绕组，其中初级绕组和次级绕组具有相反的极性。第二次级绕组进一步包括连接地端的中心抽头。第一同步整流器进一步包括具有连接到第一次级绕组的第一端的漏极端子、连接到第二次级绕组的第一端的栅极端子和接地的源极端子的第一MOSFET。开关器件进一步包括具有连接到第二MOSFET的栅极端子的漏极端子、连接到第二次级绕组的第二端的源极端子和接地的栅极端子的第三MOSFET。
通过下文对优选实施例的详细描述，本领域普通的技术人员能够更加完整地理解本发明的用于非最佳复位次级电压功率转换器的自驱动同步整流电路及其附加的优点和目的。下文将参考附图，首先简要地描述附图。
附图说明
附图1所示为已有技术的自驱动同步整流电路的示意图；
附图2a-2b所示分别为用于最佳复位正向转换器和非最佳复位正向转换器的次级电压波形；
附图3所示为根据本发明第一实施例的自驱动同步整流电路的示意图；
附图4所示为根据本发明第二实施例的自驱动同步整流电路的示意图；
附图5所示为根据本发明第三实施例的自驱动同步整流电路的示意图。
具体实施方式
本发明能够满足对自驱动同步整流电路的需要，这种自驱动同步整流电路通过在一部分切换周期中保持在零电压电平的非最佳复位次级电压有效运行。在下文的详细描述中，相同的单元标号用于描述在一个或多个附图中所示的类似单元。
现在参考附图3，示出了根据本发明构造的自驱动同步整流电路的一种实施例。该实施例希望使用在附图2b中所示的非最佳复位次级电压。同步整流电路不同于已有技术的电路，其中第二整流器14的栅极端子由第三MOSFET器件32驱动。MOSFET器件32具有连接到变压器次级绕组24的B侧的栅极端子、连接到变压器次级绕组的A侧的源极端子和通过限流电阻器18连接到第二整流器14的栅极端子的漏极端子。电容器34连接在第二整流器14的栅极端子和地端之间。饱和电抗器36串联连接在变压器次级绕组24的A侧和第一整流器12的漏极端子之间。饱和电抗器36可以包括铁氧体磁头，这种铁氧体磁头开始出现高阻抗，然后通过流过的电流使阻抗下降迅速地变得饱和。换句话说，饱和电抗器36起磁性开关的作用，该磁性开关在阻塞周期(开关切断)中具有高阻抗特性，而在饱和(开关切断)时具有低阻抗特性。
现在参考就附图2b中所示的正向转换器切换周期来描述附图3的自驱动同步整流电路的操作。在电压VB-A变为正之前，即在变压器端B上电压相对于在端A的端部上电压变为正之前，第二整流器14接通并且第一整流器12切断。在电压VB-A从零切换到正时，第三MOSFET器件32接通，由此允许电容器34放电。饱和电抗器36在很短暂的时间周期(比如几百纳秒)中提供高阻抗以允许电容器34的放电时间。只要饱和电抗器36饱和，电流开始流经第一整流器12。如果不存在饱和电抗器36，则第一整流器12和第二整流器14两者同时导通。这就在变压器次级绕组24上造成短路，这种短路可能损坏同步整流电路。饱和电抗器36保护同步整流电路以免受到这种可能的短路的损坏。一旦饱和电抗器36饱和，则电流开始流经第一整流器12、变压器次级绕组24和存储扼流圈26以给同步整流电路的输出端子输送功率。同时，第一整流器12的栅极端子通过限流电阻器16保持在正电压。
在电压VB-A从正切换到负时，即在变压器端B上的电压相对于在端A上电压为负时，第一整流器12切断。流经第一整流器12的负载电流下降为零，在第一整流器12上的漏极电压开始上升。第二整流器14的栅极端子通过流经第三MOSFET器件32的体二极管和限流电阻器18的电流进行充电，使第二整流器14接通。电容器34将电荷保持在第二整流器14的栅极端子上，由此将第二整流器14保持接通。这就形成以与已有技术的电路相同的方式将在切换周期的前面部分中存储在扼流圈26中的磁化电流通过第二整流器14和存储扼流圈26输出到输出端子的通路。在该周期的负部分结束时，电压VB-A从负切换到零。然而，第二整流器14通过存储在电容器34中的电荷仍然保持接通。结果，在该周期的前面部分中存储在扼流圈26中的电流继续经过第二整流器14，而不经过第二整流器14的体二极管。在电压VB-A从零到正切换回来时，该周期再次重复。
附图4所示为根据本发明的自驱动同步整流电路的第二实施例。除了初级绕组22以外，变压器20还包括第一次级绕组24和第二次级绕组25。第一和第二次级绕组24，25具有相反的极性。第一整流器12具有通过饱和电抗器36连接到第一次级绕组24的第一端A的漏极端子，而第二整流器14具有连接到第一次级绕组24的第二端B的漏极端子。第一整流器12的栅极端子通过限流电阻器16连接到第二次级绕组25的第一端A。与前述实施例一样，由第三MOSFET器件32驱动第二整流器14的栅极端子。MOSFET器件32具有连接到第二次级绕组25的第一端A的栅极端子、连接到第二次级绕组25的第二端B的源极端子和通过限流电阻器18连接到第二整流器14的栅极端子的漏极端子。
第二实施例进一步包括两个附加的MOSFET器件42，44以提供触发器件。具体地说，MOSFET器件42具有连接到第二次级绕组25的第一端A的漏极端子、连接到第二次级绕组25的第二端B的栅极端子和接地的源极端子。同样地，MOSFET器件44具有连接到第二次级绕组25的第二端B的漏极端子、连接到第二次级绕组25的第一端A的栅极端子和接地的源极端子。MOSFET器件42，44起可替换地将第二次级绕组25的一侧连接到地端的作用。
应用在第二次级绕组25上控制第三MOSFET器件32和第一和第二整流器12，14的栅极的电压，附图4的自驱动同步整流电路的第二实施例的操作类似于前述的实施例。在电压VB-A变为正之前，第二整流器14接通，而第一整流器12切断。在电压VB-A从零切换到正时，由于在第二次级绕组25的第一端A上的正电压的缘故，第一整流器12和第三MOSFET器件32接通，该正电压使电容器34放电。此外，MOSFET器件44接通，由此将在第二次级绕组25的第二端B接地。只要饱和电抗器36饱和，则电流开始流经第一整流器12、第一次级绕组24和存储扼流圈26以给同步整流电路的输出端子输送功率。在电压VB-A从正切换到负时，第一整流器12和MOSFET器件44切断。此外，MOSFET器件42接通，由此将第二次级绕组25的第一端A接地。与前文一样，第二整流器14的栅极端子通过流经第三MOSFET器件32的体二极管和限流电阻器18的电流充电，由此对电容器34进行充电并接通第二整流器14。与已有技术电路的方式一样，这就形成了将在切换周期的前面部分中存储在扼流圈26中的磁化电流经过第二整流器14和存储扼流圈26输送到输出端子的通路。在电压VB-A从负切换到零时，通过存储在电容器34中的电荷第二整流器14仍然保持接通，在该周期的前面部分中存储在扼流圈26中的电流继续流经第二整流器14。
附图5所示为根据本发明的自驱动同步整流电路的第三实施例。在本实施例中，变压器20包括第一次级绕组24和第二次级绕组45。第二次级绕组45具有接地的中心抽头，由此有效地形成了两个分离的绕组。第一次级绕组24和第二次级绕组45具有相反的极性。第一整流器12的栅极端子通过限流电阻器16连接到第二次级绕组45的第一端A。如前述实施例一样，通过第三MOSFET器件32驱动第二整流器14的栅极端子。MOSFET器件32具有接地的栅极端子、连接到第二次级绕组45的第二端B的源极端子和通过限流电阻器18连接到第二整流器14的栅极端子的漏极端子。
应用在第二次级绕组25上控制第三MOSFET器件32和第一和第二整流器12，14的栅极的电压，附图5的自驱动同步整流电路的第三实施例的操作类似于前述的实施例。在电压VB-A变为正之前，第二整流器14接通，而第一整流器12切断。在电压VB-A从零切换到正时，由于在第二次级绕组45的第一端A上的正电压的缘故，第一整流器12和第三MOSFET器件32接通，这使电容器34放电。只要饱和电抗器36饱和，则电流开始流经第一整流器12、第一次级绕组24和存储扼流圈26以给同步整流电路的输出端子输送功率。在电压VB-A从正切换到负时，第一整流器12和MOSFET器件32切断。与前文一样，第二整流器14的栅极端子通过流经第三MOSFET器件32的体二极管和限流电阻器18的电流充电，由此对电容器34进行充电并接通第二整流器14。与已有技术电路的方式一样，这就形成了将在切换周期的前面部分中存储在扼流圈26中的磁化电流经过第二整流器14和存储扼流圈26输送到输出端子的通路。在电压VB-A从负切换到零时，第二整流器14通过存储在电容器34中的电荷仍然保持接通，在该周期的前面部分中存储在扼流圈26中的电流继续流经第二整流器14。
在前述的实施例中，使用第二次级绕组25，45控制整流器12，14以及第三MOSFET器件32的栅极，由此提供了一定的优点。首先，可以选择第一和第二次级绕组24，25的匝数比以实现较宽范围的输出电压VOUT的可量测性而不影响第一和第二整流器12，14和第三MOSFET器件32的栅极特性。其次，第二次级绕组25提供了与第一次级绕组24的隔离，这允许输出端子与其它的DC至DC功率转换器的并联连接而不必使用隔离二极管来保护同步整流器12，14。
虽然已经描述了使用非最佳复位驱动电压的自驱动同步整流电路的优选实施例，但是很显然，对于本领域的普通技术人员来说已经实现了前述系统的某些优点。还应该理解的是在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以对本发明作出各种变化、修改和变型实施例。通过下面的权利要求进一步定义本发明。

Claims (17)

1.一种功率转换器电路，包括：
具有初级绕组和次级绕组的变压器，所说的次级绕组具有第一端和第二端，在它的一部分功率周期上给所说的初级绕组输送保持在零电压电平的周期电压波形；
与所说的次级绕组的第一端串联并受在所说的次级绕组的所说的第二端上的电压控制的第一同步整流器；
与所说的次级绕组的第二端串联的第二同步整流器，所说的第二同步整流器通过存储扼流圈进一步连接到所说的功率转换器电路的输出端子；
串联连接在所说的第一同步整流器和所说的次级绕组的所说的第一端之间的饱和电抗器；
连接到所说的次级绕组的所说的第一端并受在所说的次级绕组的所说的第二端上的电压控制的开关器件，所说的开关器件进一步控制所说的第二同步整流器；以及
连接到所说的第二同步整流器的电容器，所说的电容器通过所说的开关器件的操作进行充电以在所说的周期电压波形的所说的零电压电平部分中将所说的第二同步整流器保持在导通状态，其中一旦过渡到在所说的零电压电平部分之后的所说的周期电压波形的正电压电平部分，所说的电容器通过所说的开关器件放电，并且所说的饱和电抗器阻止电流流经所说的第一同步整流器足够长的时间周期以允许所说的电容器放电。
2.权利要求1所述的功率转换器电路，其中所说的周期波形进一步包括非最佳复位波形。
3.权利要求1所述的功率转换器电路，其中所说的第一同步整流器进一步包括具有连接到所说的次级绕组的所说的第一端的漏极端子、连接到所说的次级绕组的所说的第二端的栅极端子和接地的源极端子的第一MOSFET。
4.权利要求3所述的功率转换器电路，其中所说的第二同步整流器进一步包括具有连接到所说的次级绕组的所说的第二端的漏极端子、栅极端子和接地的源极端子的第二MOSFET，所说的第二MOSFET的所说的漏极端子通过所说的存储扼流圈进一步连接到所说的功率转换器电路的所说的输出端子。
5.权利要求3所述的功率转换器电路，其中所说的饱和电抗器串联连接在所说的第一MOSFET的所说的漏极端子和所说的次级绕组的所说的第一端之间。
6.权利要求4所述的功率转换器电路，其中所说的开关器件进一步包括具有连接到所说的第二MOSFET的所说的栅极端子的漏极端子、连接到所说的次级绕组的所说的第一端的源极端子和连接到所说的次级绕组的所说的第二端的栅极端子的第三MOSFET。
7.权利要求6所述的功率转换器电路，其中所说的电容器连接在所说的第二MOSFET的所说的栅极端子和地端之间。
8.权利要求7所述的功率转换器电路，其中通过流经所说的第三MOSFET的体二极管的电流对所说的电容器进行充电以在所说的周期电压波形的所说的零电压电平部分中将所说的第二MOSFET保持在所说的导通状态。
9.权利要求1所述的功率转换器电路，其中所说的第一和第二同步整流器进一步包括n-沟道增强型MOSFET。
10.权利要求1所述的功率转换器电路，其中所说的开关器件进一步包括n-沟道增强型MOSFET。
11.权利要求1所述的功率转换器电路，其中所说的次级绕组进一步包括第一次级绕组和第二次级绕组，并且每个绕组都具有相应的第一和第二端。
12.权利要求11所述的功率转换器电路，其中所说的第一和第二次级绕组具有相反的极性。
13.权利要求11所述的功率转换器电路，其中所说的第一同步整流器进一步包括具有连接到所说的第一次级绕组的所说的第一端的漏极端子、连接到所说的第二次级绕组的所说的第一端的栅极端子和接地的源极端子的第一MOSFET。
14.权利要求13所述的功率转换器电路，其中所说的开关器件进一步包括具有连接到所说的第二MOSFET的所说的栅极端子的漏极端子、连接到所说的第二次级绕组的所说的第二端的源极端子和连接到所说的第二次级绕组的所说的第一端的栅极端子的第三MOSFET。
15.权利要求17所述的功率转换器电路，进一步包括耦合到所说的第一和第二次级绕组的第一和第二端的触发器电路，所说的触发器电路将所说的第二次级绕组的所说的第一和第二端交替地耦合到地端。
16.权利要求11所述的功率转换器电路，其中所说的第二次级绕组进一步包括接地的中心抽头。
17.权利要求16所述的功率转换器电路，其中所说的开关器件进一步包括具有连接到所说的第二MOSFET的所说的栅极端子的漏极端子、连接到所说的第二次级绕组的所说的第二端的源极端子和接地的栅极端子的第三MOSFET。
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