CN1866718A - 全桥式软切换转换器及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全桥式软切换转换器及其驱动方法，使用零电压切换(zero－voltage switching)技术并且使循环电流(circular current)导通于两n通道金氧半场效晶体管(n－channel MOSFET)所形成的回路，以驱动如冷阴极灯管(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)或信号输出装置等负载，并兼顾低切换损失与高效率的需求。

Description

全桥式软切换转换器及其驱动方法
技术领域
本发明公开了一种全桥式软切换(soft switching)转换器及其驱动方法，特别是涉及一种使用零电压切换技术并且使循环电流导通于两n通道金氧半场效晶体管所形成的回路的全桥式软切换转换器及其驱动方法，以驱动诸如冷阴极灯管或信号输出装置等负载。
背景技术
为了满足电子产品在高频操作时能够兼顾低切换损失与高效率的需求，软切换技术已经成为功率控制芯片产业的主流技术。
公知的全桥式软切换转换器如图1所示。该全桥式软切换转换器包括四个n通道金氧半场效晶体管QAN、QBN、QCN、QDN、以及一变压器TX。其中，晶体管QAN、QCN分别连接到一输入电压源Vin；晶体管QAN、QBN之间的节点VAB以及晶体管QCN、QDN之间的节点VCD连接到变压器TX的一次侧，而变压器TX的二次侧耦接到负载L。该负载L同时连接到一第一二极管D1的负端以及一第二二极管D2的正端。该第一二极管D1的正端接地。该第二二极管D2的负端则通过一反馈电阻RS接地。
图2提供了另一种全桥式软切换转换器，其除了QAP、QCP与采用p通道金氧半场效晶体管(p-channel MOSFET)之外，其余部分与图一相同。
图2也显示了用以驱动晶体管QAP、QBN、QCP、QDN的栅极驱动信号。在图2中，第一栅极驱动信号Drive_A与第二栅极驱动信号Drive_B为同相位且其工作周期(duty cycle)均大约为50％。为了确保零电压切换，第二栅极驱动信号Drive_B的工作周期略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，使得该两栅极驱动信号之间存在有一段导通死寂时间(turn-on dead time)。另外，第三栅极驱动信号Drive_C与该第四栅极驱动信号Drive_D为同相位且其工作周期均大约为50％。为了确保零电压切换，第四栅极驱动信号Drive_D的工作周期略小于该第三栅极驱动信号Drive_C的工作周期，使得该两栅极驱动信号之间存在有一段导通死寂时间。
图2的电路会使得零电压的循环电流产生在晶体管QAP、QCP之间以及晶体管QBN、QDN之间。然而，p信道晶体管比n信道晶体管的导通特性差，包括迁移率(mobility)、导通电阻与反应时间，影响到功率损耗与操作速度。
因此，需要一种全桥式软切换转换器及其驱动方法，以驱动如冷阴极灯管或信号输出装置等负载，并兼顾低切换损失与高效率的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全桥式软切换转换器及其驱动方法，其使用零电压切换技术并且使循环电流导通于两n通道金氧半场效晶体管所形成的回路，以兼顾低切换损失与高效率的需求。
为了实现上述目的，本发明公开了一种全桥式软切换转换器，包括：
一全桥式电路组态，包括：
一第一p通道金氧半场效晶体管，具有一第一栅极、一第一漏极与一第一源极，其中该第一栅极接收一第一栅极驱动信号，该第一源极连接到一输入电压源；
一第一n通道金氧半场效晶体管，具有一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，其中该第二栅极接收一第二栅极驱动信号，该第二漏极连接到该第一漏极，该第二源极接地；
一第二p通道金氧半场效晶体管，具有一第三栅极、一第三漏极与一第三源极，其中该第三栅极接收一第三栅极驱动信号，该第三源极连接到该输入电压源；
一第二n通道金氧半场效晶体管，具有一第四栅极、一第四漏极与一第四源极，其中该第四栅极接收一第四栅极驱动信号，该第四漏极连接到该第三漏极，该第四源极接地；
其中，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换；以及该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
为了实现上述目的，本发明还公开一种全桥式软切换驱动方法，包括以下步骤：
提供一第一栅极驱动信号至一第一p通道金氧半场效晶体管的一第一栅极；
提供一第二栅极驱动信号至一第一n通道金氧半场效晶体管的一第二栅极；
提供一第三栅极驱动信号至一第二p通道金氧半场效晶体管的一第三栅极；以及
提供一第四栅极驱动信号至一第二n通道金氧半场效晶体管的一第四栅极；
其中，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号实质为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换；以及该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号实质为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换
下面配合附图和具体实施例对本发明的特征作详细说明，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为一公知全桥式软切换转换器示意图；
图2为另一公知全桥式软切换转换器及其驱动信号示意图；
图3为本发明的一具体实施例的全桥式软切换转换器及其驱动信号示意图；以及
图4为本发明另一具体实施例的全桥式软切换转换器示意图。
其中，附图标记：
Vin  输入电压源
QAN  n通道金氧半场效晶体管
QAP  p通道金氧半场效晶体管
QBN  n通道金氧半场效晶体管
QCN  n通道金氧半场效晶体管
QCP  p通道金氧半场效晶体管
QDN  n通道金氧半场效晶体管
VAB、VCD  节点
TX  变压器
L   负载
R5  反馈电阻
D1、D2  二极管
F   滤波电路
S   喇叭
具体实施方式
请参考图3，为本发明的一具体实施例的全桥式软切换转换器及其驱动信号示意图。该全桥式软切换转换器主要包括一全桥式电路组态。其中该全桥式电路组态包括：一第一p通道金氧半场效晶体管QAP，其具有一第一栅极、一第一漏极与一第一源极，其中该第一栅极接收一第一栅极驱动信号Drive_A，该第一源极连接到一输入电压源Vin；一第一n通道金氧半场效晶体管QBN，具有一第二栅极、一第二漏极与一第二二源极，其中该第二栅极接收一第二栅极驱动信号Drive_B，该第二漏极连接到该第一漏极，该第二源极接地；一第二p通道金氧半场效晶体管QCP，具有一第三栅极、一第三漏极与一第三源极，其中该第三栅极接收一第三栅极驱动信号Drive_C，该第三源极连接到该输入电压源；一第二n通道金氧半场效晶体管QDN，具有一第四栅极、一第四漏极与一第四源极，其中该第四栅极接收一第四栅极驱动信号Drive_D，该第四漏极连接至该第二漏极，该第四源极接地。
本发明具体实施例的全桥式软切换转换器还包括一变压器TX。该变压器TX具有一一次侧以及一二次侧，其中该一次侧耦接到该第一漏极与该第二漏极之间的一第一节点VAB以及该第三漏极与该第四漏极之间的一第二节点VCD，该二次侧耦接到至少一负载L。
第一栅极驱动信号Drive_A与第二栅极驱动信号Drive_B为同相位，第二栅极驱动信号Drive_B的工作周期大于50％且略小于第一栅极驱动信号Drive_A的工作周期，以确保零电压切换。第三栅极驱动信号Drive_C与第四栅极驱动信号Drive_D为同相位，第四栅极驱动信号Drive_D的工作周期大于50％且略小于第三栅极驱动信号Drive_C的工作周期，以确保零电压切换。
详细的说，当第一栅极驱动信号Drive_A与第二栅极驱动信号Drive_B均为低电位时，晶体管QAP导通而晶体管QBN截止；反之，当第一栅极驱动信号Drive_A与第二栅极驱动信号Drive_B均为高电位时，晶体管QAP截止而晶体管QBN导通。同理，当第三栅极驱动信号Drive_C与第四栅极驱动信号Drive_D均为低电位时，晶体管QCP导通而晶体管QDN截止；反之，当第三栅极驱动信号Drive_C与第四栅极驱动信号Drive_D均为高电位时，晶体管QCP截止而晶体管QDN导通。在变压器TX一次侧得到导通于n通道晶体管QBN与QDN所形成回路的零电压时的循环电流，且晶体管QAP、QBN、QCP、QDN可降低输入电压源Vin的直流电压需求。
较佳的，该负载L可连接到一反馈电阻Rs，以输出一反馈电流。图4为本发明另一具体实施例的全桥式软切换转换器示意图。在图4中，该全桥式软切换转换器主要包括一全桥式电路组态，其通过一滤波电路F而耦接到一信号输出装置，如喇叭S。
一般来说，本发明的全桥式软切换转换器以及其驱动方法可以用来驱动显示器产业中常用的背光光源——冷阴极灯管或是喇叭等信号输出装置，但并不受限于此。
在本发明的较佳具体实施例中，第一栅极驱动信号Drive_A与第二栅极驱动信号Drive_B为同相位而且该第二栅极驱动信号Drive_B的工作周期大约为75％且略小于第一栅极驱动信号Drive_A的工作周期，使得在两栅极驱动信号之间存在有一段导通死寂时间，以确保零电压切换。同理，第三栅极驱动信号Drive_C与第四栅极驱动信号Drive_D为同相位而且该第四栅极驱动信号Drive_D的工作周期大约为75％且略小于第三栅极驱动信号Drive_C的工作周期，使得在两栅极驱动信号之间存在有一段导通死寂时间，以确保零电压切换。
此外，在本较佳具体实施例中，第一栅极驱动信号Drive_A与该第三栅极驱动信号Drive_C的相位差为半个周期。
综上所述，本发明公开了一种全桥式软切换转换器及其驱动方法，使用零电压切换技术并且使循环电流导通于两n通道金氧半场效晶体管所形成的回路，可以巧妙利用电子迁移率较大的优点，例如纯硅在温度300K的环境中，电子迁移率μn为1500cm2/V-sec，而空穴的迁移率μp仅为475cm2/V-sec；因此本发明大幅降低晶体管的导通电阻、并且提升晶体管的操作速度，来作为诸冷阴极灯管或信号输出装置等负载的驱动电路，兼顾了低切换损失与高效率的需求。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (28)

1、一种全桥式软切换转换器，其特征在于，包括：
一全桥式电路组态，包括：
一第一p通道金氧半场效晶体管，具有一第一栅极、一第一漏极与一第一源极，其中该第一栅极接收一第一栅极驱动信号，该第一源极连接到一输入电压源；
一第一n通道金氧半场效晶体管，具有一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，其中该第二栅极接收一第二栅极驱动信号，该第二漏极连接到该第一漏极，该第二源极接地；
一第二p通道金氧半场效晶体管，具有一第三栅极、一第三漏极与一第三源极，其中该第三栅极接收一第三栅极驱动信号，该第三源极连接到该输入电压源；
一第二n通道金氧半场效晶体管，具有一第四栅极、一第四漏极与一第四源极，其中该第四栅极接收一第四栅极驱动信号，该第四漏极连接到该第三漏极，该第四源极接地；
其中，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号实质为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换；该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号实质为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
2、根据权利要求1所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，还包括：
一变压器，具有一一次侧以及一二次侧，其中该一次侧耦接到该第一漏极与该第二漏极之间的一第一节点以及该第三漏极与该第四漏极之间的一第二节点，该二次侧耦接一负载。
3、根据权利要求2所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，该负载系连接至一反馈电阻，以输出一反馈电流。
4、根据权利要求2所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，该负载为一冷阴极灯管。
5、根据权利要求1所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，还包括：
一滤波电路，具有一输入侧以及一输出侧，其中该输入侧耦接到该第一漏极与该第二漏极之间的一第一节点以及该第三漏极与该第四漏极之间的一第二节点，该输出侧耦接一信号输出装置。
6、根据权利要求5所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，该信号输出装置为一喇叭。
7、根据权利要求1所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号实质为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
8、根据权利要求1所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号实质为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
9、根据权利要求1所述的全桥式软切换转换器，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第三栅极驱动信号的相位差为半个周期。
10、一种全桥式软切换驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一第一栅极驱动信号至一第一p通道金氧半场效晶体管的一第一栅极；
提供一第二栅极驱动信号至一第一n通道金氧半场效晶体管的一第二栅极；
提供一第三栅极驱动信号至一第二p通道金氧半场效晶体管的一第三栅极；以及
提供一第四栅极驱动信号至一第二n通道金氧半场效晶体管的一第四栅极；
其中，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号实质为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换；该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号实质为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
11、根据权利要求10所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，还包括以下步骤：
提供一具有一一次侧以及一二次侧的变压器，该一次侧耦接于该第一p通道金氧半场效晶体管与该第一n通道金氧半场效晶体管之间的一第一节点以及该第二p通道金氧半场效晶体管与该第二n通道金氧半场效晶体管之间的一第二节点，而该二次侧耦接于一负载。
12、根据权利要求11所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，该负载连接一反馈电阻，以输出一反馈电流。
13、根据权利要求11所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，该负载为一冷阴极灯管。
14、根据权利要求10所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，还包括以下步骤：
提供一具有一输入侧以及一输出侧的滤波电路，该输入侧分别耦接于该第一p通道金氧半场效晶体管与该第一n通道金氧半场效晶体管之间的一第一节点以及该第二p通道金氧半场效晶体管与该第二n通道金氧半场效晶体管之间的一第二节点，该输出侧耦接于一信号输出装置。
15、根据权利要求14所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，该信号输出装置为一喇叭。
16、根据权利要求10所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
17、根据权利要求10所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
18、根据权利要求10所述的全桥式软切换驱动方法，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第三栅极驱动信号的相位差为半个周期。
19、一种冷阴极灯管的全桥式软驱动电路，其特征在于，包括：
一全桥式电路组态，包括：
一第一p通道金氧半场效晶体管，具有一第一栅极、一第一漏极与一第一源极，其中该第一栅极接收一第一栅极驱动信号，该第一源极连接到一输入电压源；
一第一n通道金氧半场效晶体管，具有一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，其中该第二栅极接收一第二栅极驱动信号，该第二漏极连接到该第一漏极，该第二源极接地；
一第二p通道金氧半场效晶体管，具有一第三栅极、一第三漏极与一第三源极，其中该第三栅极接收一第三栅极驱动信号，该第三源极连接到该输入电压源；
一第二n通道金氧半场效晶体管，具有一第四栅极、一第四漏极与一第四源极，其中该第四栅极接收一第四栅极驱动信号，该第四漏极连接到该第三漏极，该第四源极接地；以及
一变压器，具有一一次侧以及一二次侧，其中该一次侧耦接于该第一漏极与该第二漏极之间的一第一节点以及该第三漏极与该第四漏极之间的一第二节点，该二次侧耦接于该冷阴极灯管；
其中，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换；该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
20、根据权利要求19所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该冷阴极灯管连接到一反馈电阻，以输出一反馈电流。
21、根据权利要求19所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
22、根据权利要求19所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
23、根据权利要求19所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第三栅极驱动信号的相位差为半个周期。
24、一种信号输出装置的全桥式软驱动电路，其特征在于，包括：
一全桥式电路组态，包括：
一第一p通道金氧半场效晶体管，具有一第一栅极、一第一漏极与一第一源极，其中该第一栅极接收一第一栅极驱动信号，该第一源极连接到一输入电压源；
一第一n通道金氧半场效晶体管，具有一第二栅极、一第二漏极与一第二源极，其中该第二栅极接收一第二栅极驱动信号，该第二漏极连接到该第一漏极，该第二源极接地；
一第二p通道金氧半场效晶体管，具有一第三栅极、一第三漏极与一第三源极，其中该第三栅极接收一第三栅极驱动信号，该第三源极连接到该输入电压源；
一第二n通道金氧半场效晶体管，具有一第四栅极、一第四漏极与一第四源极，其中该第四栅极接收一第四栅极驱动信号，该第四漏极连接到该第三漏极，该第四源极接地；以及
一滤波电路，具有一输入侧以及一输出侧，其中该输入侧耦接于该第一漏极与该第二漏极之间的一第一节点以及该第三漏极与该第四漏极之间的一第二节点，该输出侧耦接于该信号输出装置；
其中，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换；该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大于50％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
25、根据权利要求24所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该信号输出装置为一喇叭。
26、根据权利要求24所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第二栅极驱动信号为同相位而且该第二栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第一栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
27、根据权利要求24所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该第三栅极驱动信号与该第四栅极驱动信号为同相位而且该第四栅极驱动信号的工作周期大约为75％且略小于该第三栅极驱动信号的工作周期，以确保零电压切换。
28、根据权利要求24所述的全桥式软驱动电路，其特征在于，该第一栅极驱动信号与该第三栅极驱动信号的相位差为半个周期。
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