CN1890853A - 具有带有有效栅极驱动的同步整流的未调整dc－dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种适合于中间总线电压转换器应用的未调节DC到DC转换器包括同步整流器，其被有效地驱动，以提供更快的转换时间和降低的损耗。DC到DC功率转换器包含变压器，其具有初级绕组以及至少第一和第二次级绕组。输入电路耦合到初级绕组，并且用于将交变极性方波施加到初级绕组。包括输出滤波器的输出电路被耦合到第一次级绕组的抽头。输出滤波器提供DC输出电压。第一同步整流器耦合到第一次级绕组的第一端，第二同步整流器耦合到第一次级绕组的第二端。第二次级绕组具有耦合到第一同步整流器的控制端子的第一端以及耦合到第二同步整流器的控制端子的第二端。第一缓冲器电路耦合在第一同步整流器的控制端子和第一次级绕组的第二端之间。第二缓冲器电路耦合在第二同步整流器的控制端子和第一次级绕组的第一端之间。第一和第二缓冲器电路在接通和断开状态之间分别提供第一和第二同步整流器的更快的转换。

Description

具有带有有效栅极驱动的 同步整流的未调整DC-DC转换器
技术领域
本发明涉及功率转换器电路，更具体而言，本发明涉及一种适于中间总线应用的未调节DC到DC功率转换器，其中同步整流器被有效地驱动，以提供更快的转换时间和降低的损耗。
背景技术
随着电子系统越来越复杂，对于电子系统通常需要在几个不同的离散电压和电流电平处所提供的功率。例如，电子系统可以包括需要诸如3V、5V、9V等电压的分立电路。此外，许多这些电路需要相对低的电压(例如，1V)，但是具有相对高的电流(例如，100A)。由于不希望在相对长的距离上以低电压传递高电流通过电子设备，因此，众所周知地在整个电子系统上分布中间总线电压，并且在电子系统内的功率消耗点处包括单独的负载点(“POL”)调节器，即DC/DC转换器。特别地，POL调节器被包括在每个分别的电子电路中，用来将中间总线电压转换到电子电路需要的电平。电子系统可以包括多个POL调节器，以将中间总线电压转换为多个电压电平中的每一个。理想地，POL调节器在物理上与相应电子电路相邻，以使通过电子系统的低电压、高电流线的长度最小化。可以通过使用使损耗最小化的低电流线将中间总线电压传送到多个POL调节器。
典型地，单独的功率转换器会从相对更高的标称输入电压源(例如，48伏)提供隔离的中间总线电压(例如，9伏)。只要输入电压源被调节，中间总线电压转换器就可以被调节。传统中间总线电压转换器包括变压器，以提供输入和输出电压之间的隔离。在变压器的输出侧，同步整流器将变压器上的周期电压转换成DC输出电压。鉴于他们低的通路电阻，同步整流器典型地由场效应晶体管(FET)提供。由于变压器上的周期电压包含没有中间零电压状态的100％占空度，因此同步整流器可以由跨越变压器的电压转换来触发。但是，传统中间总线电压转换器的缺点在于，同步整流器在接通和断开状态之间的转换较慢，这使得它们在稳定在断开状态之前将电流下降到地。这导致中间总线电压转换器的效率降低，这种现象在转换器在低负载或无负载条件下运行时加剧。
因此，有利的是具有一种适合于中间总线电压转换器应用的未调节DC到DC功率转换器，其中同步整流器被有效的驱动，以提供更快的转换时间和降低的损耗。
发明内容
本发明提供了一种适合于中间总线电压转换器应用的未调节DC到DC功率转换器，其中同步整流器被有效的驱动，以提供更快的转换时间和降低的损耗。
在本发明的一个实施例中，DC到DC功率转换器包含变压器，其具有初级绕组以及至少第一和第二次级绕组。输入电路被耦合到初级绕组，并且用于将交变极性方波电压施加到初级绕组。包括输出滤波器的输出电路被耦合到第一次级绕组的抽头。输出滤波器提供DC输出电压。第一同步整流器被耦合到第一次级绕组的第一端，第二同步整流器被耦合到第一次级绕组的第二端。第二次级绕组具有耦合到第一同步整流器的控制端子的第一端以及耦合到第二同步整流器的控制端子的第二端。第一缓冲器(snubber)电路被耦合在第一同步整流器的控制端子和第一次级绕组的第二端之间。第二缓冲器电路被耦合在第二同步整流器的控制端子和第一次级绕组的第一端之间。第一和第二缓冲器电路分别提供第一和第二同步整流器在接通和断开状态之间的更快转换。
更特别地，第一和第二缓冲器电路还包含各自的第一和第二电容器。第一和第二同步整流器包含各自的第一和第二MOSFET器件。第一和第二同步整流器的控制端子还包含第一和第二MOSFET器件的栅极端子。第一次级绕组的第一端被耦合到第一MOSFET器件的漏极端子，第一次级绕组的第二端被耦合到第二MOSFET器件的漏极端子。第一和第二电容器具有选择的电容，以对应于第一和第二MOSFET器件的大小。
在本发明的另一实施例中，一种提高DC到DC功率转换器的低负载效率的方法包括：在第一和第二同步整流器各自的断开状态期间，吸收穿过第一和第二同步整流器的电荷，以及在第一和第二同步整流器各自的接通状态期间，注入电荷到第一和第二同步整流器的控制端子。吸收步骤还包含对耦合到第一和第二同步整流器中相应一个上的第一和第二电容器进行充电。注入步骤还包含将第一和第二电容器放电到第二和第一同步整流器的相应控制端子。
通过参考下面对优选实施例的详细描述，为本领域技术人员提供了对适合于中间总线电压转换器应用的未调节DC到DC功率转换器的更完整的理解，以及它的其它优点和目的的实现，其中同步整流器被有效的驱动，以提供更快的转换时间和降低的损耗。
附图说明
图1是现有技术中DC到DC功率转换器的框图；
图2是曲线图，反映了现有技术中DC到DC功率转换器的同步整流器的漏极电压和栅极驱动；
图3是根据本发明一个实施例的DC到DC功率转换器的框图；
图4是曲线图，反映了图3中本发明的DC到DC功率转换器的同步整流器的漏极电压和栅极驱动；以及
图5是比较本发明的DC到DC功率转换器与现有技术中DC到DC功率转换器的效率的曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种适合于中间总线电压转换器应用的未调节DC到DC功率转换器，其中同步整流器被有效的驱动，以提供更快的转换时间和降低的损耗。在以下详细描述中，相同的元件标号被用于表示一个或多个图中所示的相同元件。
首先参考图1，其中示出了现有技术中的DC到DC功率转换器。图1的功率转换器提供与输入电压(VIN)隔离的DC输出电压(V0)，并且包括具有初级绕组32和多个次级绕组34、38的变压器30。在变压器的初级侧上是常规的全桥布局，两对初级功率开关12、14和16、18向初级绕组32提供交变电流。特别地，第一对功率开关12、14与输入电压(VIN)串连，其中开关12的源极端子和开关14的漏极端子之间的接点被耦合到初级绕组32的一端。同样，第二对功率开关16、18与输入电压(VIN)串连，其中开关16的源极端子和开关18的漏极端子之间的接点被耦合到初级绕组32的另一端。适当的控制电路24确定驱动信号到功率开关12、14、16、18的栅极端子的定时。具体地，控制电路24驱动对角相对的功率开关(即，开关12和18，或者14和16)，使得它们在交变半周期期间同时接通。这使得变压器30的初级绕组32被振幅为±VIN的交变极性方波驱动，从而在次级绕组34、38上产生相应的全波方波形。应该理解，常规半桥布局或者推挽式布局也能够有利地被应用在功率转换器中，如现有技术中所公知的那样。
在变压器30的次级侧上，次级绕组34具有中心抽头，其被耦合到包括电感器42和电容器44的输出滤波器。在电容器44两侧产生DC输出电压(V0)，其被传送到以负载电阻46(RL)表示的负载。次级绕组34的端点通过相应的同步整流器52、62而与地耦合。同步整流器52、62的栅极端子由次级绕组38驱动。特别地，次级绕组38的第一端通过包含电阻54、56的分压器而被耦合到同步整流器52的栅极端子，而次级绕组38的第二端通过包含电阻64、66的分压器而被耦合到同步整流器62的栅极端子。
当次级绕组34、38上的电压为正时，同步整流器52被接通，而同步整流器62被断开，从而形成了通过次级绕组34的下部分到输出滤波器的电流路径。相反地，当次级绕组34、38上的电压为负时，同步整流器52被断开，而同步整流器62被接通，从而形成了通过次级绕组34的上部分到输出滤波器的电流路径。输出滤波器提供DC输出电压(V0)，消除次级绕组34的中心抽头上的方波波纹。由于每个次级绕组34、38上的电压转换是相同的，所以同步整流器52、62的启动可以与变压器30上的波形同步。
图2图形化地示出图1中现有技术的DC到DC功率转换器的同步整流器52、62其中一个的漏极电压和栅极驱动电压。沿着水平轴，刻度表示每单位10ns，沿着垂直轴，刻度表示每单位1伏。理想地，栅极驱动信号将迅速地从高转换为低，这迅速地断开同步整流器并切断通过该同步整流器到地的电流。但是，实际上，转换并没有那么快速。如图2所示，栅极驱动以大约70ns从高转换到低。漏极电压上升到峰值电压32伏，于是表现出频率大约为2.5MHz的振动阻尼振荡(oscillatory ringing)。阻尼振荡由变压器电感和同步整流器电容之间的变压器共振中所存储的能量引起。在无负载条件下，功率转换器吸收(draw)11w的功率。
现在参考图3，根据本发明的一个实施例显示了DC到DC功率转换器。本发明的DC到DC转换器在大多数方面与现有技术的功率转换器相似，除了电流缓冲器电路被耦合到同步整流器52、62的栅极端子之外。特别地，包含串连耦合的电容器72和电阻器74的第一缓冲器电路被连接在同步整流器52的栅极端子和同步整流器62的漏极端子之间。包含串连耦合的电容器82和电阻器84的第二缓冲器电路被连接在同步整流器62的栅极端子和同步整流器52的漏极端子之间。为电容器72和82选择的电容的大小取决于被用于提供同步整流器52、62的MOSFET器件的大小。如在现有技术中所公知的，MOSFET器件典型地具有与其大小相关的特殊栅极电极充电(gate charge)特性。更大的MOSFET器件通常需要更高的栅极电极充电，以驱动器件导通，因此更大的电容器被用在缓冲器电路中。相反的情况对于更小的MOSFET器件也是成立的。
现在结合图4描述图3的功率转换器内缓冲器电路的操作，图4以图形形式显示了同步整流器52、62其中一个的漏极电压和栅极驱动电压(使用与图2相同的刻度)。当变压器改变状态时，同步整流器52被接通，而同步整流器62被断开。如图4中所示，同步整流器52的漏极电压迅速地上升，并且该电压对被耦合到同步整流器52的漏极端子的第二缓冲器电路的电容器82充电。反过来，通过除了提供来自次级绕组38的电流路径之外还提供通向同步整流器62的栅极端子的第二电流路径，电容器82上的电压帮助接通同步整流器62。在本发明的功率转换器的漏极电压上不再有现有技术的功率转换器的漏极电压上存在的电压波纹(比较图2和图4)。这是因为漏极端子处的过剩能量流入电容器82，并且进入到同步整流器62的栅极端子，这导致栅极端子上的电压更快速地上升，并因此更快速地接通同步整流器。相反地，当同步整流器52的漏极电压下降时，这反映变压器状态的另一个变化，电容器82放电，并使得栅极驱动电压下降，并因此更快速地断开同步整流器62。应该理解，另一缓冲器电路的操作是相同的。
如图4所示，栅极驱动以大约20ns从高转换到低。漏极电压上升到峰值电压29伏，并且振动阻尼振荡不再存在。在无负载条件下，功率转换器吸收7.5W的功率，这表示从现有技术的功率转换器损耗降低超过30％。图5示出了比较本发明的DC到DC功率转换器和现有技术的DC到DC功率转换器的效率的曲线图。更特别地，曲线图表示了相对于沿水平轴的输出功率(W)所测量的沿垂直轴的功率耗散(W)，其中包含方形符号的曲线反映现有技术的功率转换器的性能，而包含三角符号的曲线反映具有缓冲器电路的本发明功率转换器的性能。如图5所示，在低输出功率级，器件之间在功率耗散-即功率损耗-上存在相当大的差异。这反映了缓冲器电路在降低功率转换器的功率耗散方面是有利的。在较高功率级，曲线汇合，这反映了缓冲器电路在其它方面不影响功率转换器的性能。
这样已经描述了一种适合于中间总线电压转换器应用的未调节DC到DC功率转换器的一个优选实施例，其中同步整流器被有效地驱动，以提供更快的转换时间和降低的损耗，对于本领域技术人员很明显地已经获得了该系统的某些优点。还应该理解，在本发明的范围和精神内可以作出各种改变、调整以及其可选实施例。通过以下权利要求书进一步限定本发明。

Claims (17)

1.一种直流到直流功率转换器，包括：
变压器，具有初级绕组和至少第一和第二次级绕组；
输入电路，被耦合到所述初级绕组并且用于将交变极性方波电压施加到所述初级绕组；
输出电路，包含耦合到所述第一次级绕组的抽头的输出滤波器，所述输出滤波器提供直流输出电压，第一同步整流器耦合到所述第一次级绕组的第一端，第二同步整流器耦合到所述第一次级绕组的第二端，所述第二次级绕组具有耦合到所述第一同步整流器的控制端子的第一端以及耦合到所述第二同步整流器的控制端子的第二端；
第一缓冲器电路，耦合在所述第一同步整流器的所述控制端子和所述第一次级绕组的所述第二端之间；以及
第二缓冲器电路，耦合在所述第二同步整流器的所述控制端子和所述第一次级绕组的所述第一端之间；
其中所述第一和第二缓冲器电路分别提供所述第一和第二同步整流器在接通和断开状态之间的更快转换。
2.根据权利要求1的功率转换器，其中所述第一和第二缓冲器电路还包含各自的第一和第二电容器。
3.根据权利要求1的功率转换器，其中所述第一和第二同步整流器包含各自的第一和第二MOSFET器件。
4.根据权利要求3的功率转换器，其中所述第一和第二同步整流器的控制端子还包括所述第一和第二MOSFET器件的栅极端子。
5.根据权利要求3的功率转换器，其中所述第一次级绕组的第一端被耦合到所述第一MOSFET器件的漏极端子，并且所述第一次级绕组的第二端被耦合到所述第二MOSFET器件的漏极端子。
6.根据权利要求3的功率转换器，其中所述第一和第二缓冲器电路包括各自的电容对应于所述第一和第二MOSFET器件的大小的第一和第二电容器。
7.根据权利要求1的功率转换器，其中所述输入电路还包括全桥布局。
8.一种直流到直流功率转换器，包括：变压器，具有初级绕组和至少第一和第二次级绕组；输入电路，被耦合到所述初级绕组并且用于将交变极性方波电压施加到所述初级绕组；以及输出电路，包含被耦合到所述第一次级绕组的抽头的输出滤波器，其中所述输出滤波器提供直流输出电压，第一同步整流器被耦合到所述第一次级绕组的第一端，第二同步整流器被耦合到所述第一次级绕组的第二端，所述第二次级绕组具有耦合到所述第一同步整流器的控制端子的第一端以及耦合到所述第二同步整流器的控制端子的第二端，改进包含：
第一缓冲器电路，被耦合在所述第一同步整流器的所述控制端子和所述第一次级绕组的所述第二端之间；以及
第二缓冲器电路，被耦合在所述第二同步整流器的所述控制端子和所述第一次级绕组的所述第一端之间；
其中所述第一和第二缓冲器电路分别提供所述第一和第二同步整流器在接通和断开状态之间的更快转换。
9.根据权利要求8的功率转换器，其中所述第一和第二缓冲器电路还包括各自的第一和第二电容器。
10.根据权利要求8的功率转换器，其中所述第一和第二同步整流器包括各自的第一和第二MOSFET器件。
11.根据权利要求10的功率转换器，其中所述第一和第二同步整流器的所述控制端子还包括所述第一和第二MOSFET器件的栅极端子。
12.根据权利要求10的功率转换器，其中所述第一次级绕组的所述第一端被耦合到所述第一MOSFET器件的漏极端子，并且所述第一次级绕组的所述第二端被耦合到所述第二MOSFET器件的漏极端子。
13.根据权利要求10的功率转换器，其中所述第一和第二缓冲器电路包括各自的电容对应于所述第一和第二MOSFET器件的大小的电容器。
14.根据权利要求8的功率转换器，其中所述输入电路还包括全桥布局。
15.一种用于提高隔离的直流到直流功率转换器的低负载效率的方法，其中所述直流到直流功率转换器包括：变压器，具有初级绕组和至少第一和第二次级绕组，在其上施加交变极性方波电压；以及输出电路，包含耦合到所述第一次级绕组的抽头的输出滤波器，所述输出滤波器提供直流输出电压，第一同步整流器被耦合到所述第一次级绕组的第一端，第二同步整流器被耦合到所述第一次级绕组的第二端，所述第二次级绕组具有耦合到所述第一同步整流器的控制端子的第一端以及耦合到所述第二同步整流器的控制端子的第二端，所述方法包括；
在所述第一和第二同步整流器各自的断开状态期间，吸收所述第一和第二同步整流器上的电荷；并且
在所述第一和第二同步整流器各自的接通状态期间，注入电荷到所述第一和第二同步整流器的所述控制端子。
16.根据权利要求15的方法，其中所述吸收步骤还包含对耦合到所述第一和第二同步整流器中相应一个上的第一和第二电容器进行充电。
17.根据权利要求16的方法，其中所述注入步骤还包含将所述第一和第二电容器放电到所述第二和第一同步整流器各自的控制端子。
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