CN201204547Y - 具有自驱式同步整流器的半桥llc谐振转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示一种具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其利用一直流移位器、一直流复位器和/或一差动变压器以驱动在次级电力回路中的同步整流器。该同步整流器的驱动电压可为双极性或单极性。在正确操作模式下，此具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器可降低整流器导通损失以提高转换器效率。

Description

具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器

技术领域

本实用新型揭示一种具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器。

背景技术

现有技术的电路图示于图1，其中第一开关晶体管M₁与第二开关晶体管M₂以半桥结构(half-bridge configuration)连接于输入电压源V_in与谐振电路(resonanttank)之间；LLC谐振电路包含磁化电感L_m、谐振电感L_r与谐振电容C_r；变压器T1包含一组初级线圈N_p与二组次级线圈N_s；第一整流二极管D₁与第二整流二极管D₂以中央抽头式全波整流器结构(center-tapped full-wave rectifier configuration)连接于次级线圈N_s与输出电容Co之间。

为便于说明，定义下列电路参数(circuit parameters)：f_s为M₁与M₂的切换频率； $f_r=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_r{C}_r}}$ 为L_r与C_r的谐振频率； $n=\frac{N_p}{N_s}$ 为T₁的初级对次级圈数比；V_o为输出电压；V_or＝nV_o为反射输出电压。就电路变数(circuit variables)而言，M₁与M₂的栅-源极电压

谐振电容电压

初级电压ν_p(t)与次级电压ν_s(t)的参考极性以及谐振电感电流

磁化电感电流

初级电流i_p(t)与次级电流i_s(t)的参考方向亦标明于图1。

依据f_s<f_r、f_s＝f_r与f_s>f_r的情况，

与i_s(t)的波形图分别示于图2a、图2b与图2c。因前半周期与后半周期之间有对称性，故仅说明前半周期的等效电路与关键波形。

首先说明t＝t₀、t＝t₁、t＝t_r与t＝t_s的物理意义如下：t＝t₀为一个谐振周期重新开始的时刻；t＝t₁为

从负值变成正值的时刻；t＝t_r为i_s(t)下降至0的时刻；t＝t_s为

下降至0的时刻。

无论f_s≤f_r或f_s>f_r，于t₀≤t≤t₁的期间，M₁与M₂皆关闭。因小于0且大于

故

流经M1的本体二极管；i_p(t)>0流进N_p的黑点端；i_s(t)>0流出

(zero-current-switched，ZCS)至导通状态；M1可于t₀≤t≤t₁的期间被零电压切换(zero-voltage-switched，ZVS)和/或在t＝t₁的时刻被零电流切换至导通状态以降低切换损失(switching loss)。

在f_s≤f_r的情况，i_s(t)于M1关闭前下降至0(即t_r<t_s)。于t₁≤t≤t_s的期间，M1开启但M2关闭。于t₁≤t≤t_r的期间，因

大于0且大于

故

流经M1的通道；i_p(t)>0流进N_p的黑点端；i_s(t)>0流出N_s的黑点端；D1导通但D2截

的时刻被零电流切换至导通状态。

在f_s>f_r的情况，i_s(t)于M1关闭后下降至0(即t_r>t_s)。于t₁≤t≤t_s的期间，M1开启但M2关闭。因

大于0且大于

故

流经M1的通道；i_p(t)>0

t_s≤t≤t_r的期间，M1与M2皆关闭。因

大于0且大于

故

流经M2的本体二极管；i_p(t)>0流进N_p的黑点端；i_s(t)>0流出N_s的黑点端；D1导通但D2

因开关晶体管与整流二极管能被零电压切换或被零电流切换，此种现有的转换器具有低切换损失。然而，此现有的转换器采用二极管为整流器，故导致较高的整流器导通损失(conduction loss)。本实用新型以同步整流器取代二极管整流器以降低整流器导通损失并揭示便宜有效的栅极驱动器。

理论上，初级开关晶体管与次级同步整流器可被初级集成电路控制器或次级集成电路控制器驱动。实务上，初级集成电路控制器较次级集成电路控制器有三项优点：(1)较易取得(2)较易与初级功率因素校正器配合(3)较易实现转换器的保护功能。因此，本实用新型提出以初级集成电路控制器驱动次级同步整流器的方法。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其利用初级集成电路控制器与栅极驱动器以驱动初级开关晶体管与次级同步整流器。

本实用新型的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特点是包含：一第一开关晶体管与一第二开关晶体管，其中该第一开关晶体管与该第二开关晶体管连接于一第一节点，再串接于一外部电源与一初级接地端之间；一LLC谐振电路，其包含串接的一谐振电容、一谐振电感与一磁化电感，其由一电力变压器的一初级线圈提供，串接于该第一节点与该初级接地端之间；一电力回路，包含串接的该电力变压器的一第一次级线圈、一第一同步整流晶体管、一第二同步整流晶体管与该电力变压器的一第二次级线圈，该第一同步整流晶体管与该第二同步整流晶体管连接于一第二节点，该第二节点连接一次级接地端，该第一次级线与该第二次级线圈连接于一电压输出端，该电压输出端与该次级接地端之间跨接一滤波电容；一初级集成电路控制器；一栅极驱动器连接该第一开关晶体管的栅极与该第二开关晶体管的栅极与该初级集成电路控制器；以及一差动电压器连接该初级集成电路控制器、该栅极驱动器、该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极。

栅极驱动器由集成电路基础型(IC-based)或变压器基础型(transformer-based)驱动组件(driver module)与差动变压器(differential transformer)组成；或者由直流移位器(DC shifter)、直流复位器(DC restorer)与差动变压器组成。

初级开关晶体管的驱动电压为单极性；次级同步整流器的驱动电压可为双极性或单极性。

本实用新型的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器的优点是在正确操作模式下，可降低整流器导通损失以提高转换器效率。

附图说明

为能更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点，以下将配合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细描述，其中：

图1是现有的半桥LLC谐振转换器的电路图。

图2a、2b、2c是电压与电流的波形图，分别对应于f_s<f_r、f_s＝f_r与f_s>f_r的情况。

图3a与图3b是第一实施例的电路图与驱动电压波形图。

图4a与图4c是第二实施例的电路图与驱动电压波形图。

图4b与图4c是第三实施例的电路图与驱动电压波形图。

图5a与图5b是第四实施例的电路图与驱动电压波形图。

图6a与图6c是第五实施例的电路图与驱动电压波形图。

图6b与图6c是第六实施例的电路图与驱动电压波形图。

具体实施方式

首先以图2a至图2c的分析说明切换频率与谐振频率间的关系对转换器操作的影响。

在f_s≤f_r的情况，于t_r≤t≤t_s的期间，M₁开启但M₂关闭。因 $\frac{{\mathrm{di}}_{L_m}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}<\frac{V_{\mathrm{or}}}{L_m}\&DoubleRightArrow;v_s\left(t\right)=\frac{L_m}{n}\frac{{\mathrm{di}}_{L_m}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}<V_o,$ 故D₁截止。若D₁以第一同步整流器SR₁取代，则SR₁与M₁同步开启。输出电压V_o与次级电压v_s(t)间的电压差除以SR₁的微小导通电阻(conduction resistance)将导致巨大击穿电流(shoot-through current)而烧毁第一同步整流器SR₁。

在f_s>f_r的情况，于t_s≤t≤t_r的期间，M₁与M₂皆关闭。因 $\frac{{\mathrm{di}}_{L_m}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{or}}}{L_m}\&DoubleRightArrow;v_s\left(t\right)=\frac{L_m}{n}\frac{{\mathrm{di}}_{L_m}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=V_o,$ 故D₁导通。若D₁以第一同步整流器SR₁取代，则SR₁与M₁同步关闭。i_s(t)将流经SR₁的本体二极管且转换器仍可安全操作。因此，本实用新型所揭示的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器仅适用在f_s>f_r的情况。

初级的第一开关与第二开关可由P通道金属氧化半导体场效应晶体管(p-channel metal oxide semiconductor field effect transistor，PMOS)、N通道金属氧化半导体场效应晶体管(NMOS)、P型接面场效应晶体管(p-type junction field effecttransistor，p-JFET)以及N型接面场效应晶体管(n-JFET)实作，但需注意晶体管电极的极性。采用相同的原理，次级的第一同步整流器与第二同步整流器可由PMOS、NMOS、p-JFET或n-JFET实作，但需注意晶体管电极的极性。为说明方便，初级的第一开关与第二开关与次级的第一同步整流器与第二同步整流器采用NMOS实作，分别表示为M₁、M₂、SR₁、SR₂。

第一实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图3a与图3b，其中初级集成电路控制器U₁输出两个对地参考(ground-referenced)的驱动电压ν_B(t)与ν_A(t)；第一开关晶体管M₁与第二开关晶体管M₂以半桥结构(half-bridge configuration)连接于输入电压源V_in与谐振电路(resonant tank)之间，M₁与M₂的连接点记为P，其电压记为V_p；LLC谐振电路包含磁化电感L_m、谐振电感L_r与谐振电容C_r；变压器T2包含一组初级线圈N_p与二组次级线圈N_s；第一同步整流器SR₁与第二同步整流器SR₂以共源极结构(common-source configuration)连接于次级线圈N_s与次级接地端之间，二组次级线圈N_s连接于电压输出端V_o，电压输出端V_o与次级接地端跨接滤波电容。

当M₁开启但M₂关闭时，M₁的源极电位为V_in；当M₁关闭但M₂开启时，M₁的源极电位为0。因此，M₁的源极电位V_p为一变动电位(fluctuating potential)。

因M₁的开启需要M₁的栅极与源极间的电压差高于栅-源极临界电压(gate-source threshold voltage)，故一集成电路基础型(IC-based)或一变压器基础型(transformer-based)驱动组件U₂必须被用以将ν_B(t)与ν_A(t)转换成M₁与M₂的单极性栅-源极电压

与

具有1:1:1初级对次级圈数比的差动变压器T₃的初级线圈将ν_B(t)减去ν_A(t)以产生SR₁与SR₂的双极性栅-源极电压

与

次级同步整流器栅极所受电压如表一：

表一

ν_B(t)、ν_A(t)、

与

的电压波形如图3b。

第二实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图4a与图4c，其中二极管D₅₂与电阻R₅的组合、二极管D₆₂与电阻R₆的组合、二极管D₅₁与PNP双极晶体管Q₅的组合及二极管D₆₁与PNP双极晶体管Q₆的组合分别构成SR₁与SR₂的半波整流器(half-wave rectifier)与快速关闭电路(fast turn-off circuit)。

当 $V_{T_3}\left(t\right)=V_{\mathrm{cc}}$ 时，D₅₂、D₅₁、Q₆导通但Q₅、D₆₂、D₆₁截止；SR₁开启但SR₂关闭。当 $V_{T_3}\left(t\right)=0$ 时，D₅₂、D₅₁、D₆₂、D₆₁截止但Q₅、Q₆导通；SR₁与SR₂皆关闭。当 $V_{T_3}\left(t\right)=-V_{\mathrm{cc}}$ 时，D₆₂、D₆₁、Q₅导通但Q₆、D₅₂、D₅₁截止；SR₂开启但SR₁关闭。对应于T₃的双极性驱动电压，SR₁与SR₂的单极性驱动电压列于表二：

表二

第三实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图4b与图4c，其中差动变压器T₅包含一组初级线圈与一组次级线圈；二极管D₇与二极管D₈的组合构成SR₁与SR₂的信号分配器(signal distributor)。

当 $V_{T_5}\left(t\right)=V_{\mathrm{cc}}$ 时，D₈导通但D₇截止；SR₁开启但SR₂关闭。当 $V_{T_5}\left(t\right)=0$ 时，D₇与D₈皆截止；SR₁与SR₂皆关闭。当 $V_{T_5}\left(t\right)=-V_{\mathrm{cc}}$ 时，D₇导通但D₈截止；SR₂开启但SR₁关闭。对应于T₅的双极性驱动电压，SR₁与SR₂的单极性驱动电压列于表三：

                表三

第四实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图5a与图5b，其中初级集成电路控制器U₁通过直流移位器与直流复位器的组合电路可直接驱动第一开关晶体管M₁与第二开关晶体管M₂；电容C₄与脉波变压器(pulse transformer)T₄构成一直流移位器(DC shifter)；电容C₃与二极管D₃构成一直流复位器(DC restorer)。

因M₁的源极电位V_p为一变动电位但M₂的源极电位为一接地电位(groundingpotential)，故差动变压器T₃不能直接比较M₁的栅-源极电压与M₂的栅-源极电压

因此，一直流移位器与一直流复位器必须被用以将

转换成对地的参考(ground-referenced)驱动电压ν_B(t)。

C₄的跨电压可从伏-秒乘积平衡等式(volt-seconds product equilibrium equation)被推导：

$(V_{\mathrm{cc}}-V_{C_4})D=V_{C_4}(1-D)\&DoubleRightArrow;V_{C_4}=D{V}_{\mathrm{cc}}$

其中，D为M₁的负荷比(duty ratio)。因 $D\&ap;0.5\&DoubleRightArrow;V_{C4}=D{V}_{\mathrm{cc}}\&ap;0.5V_{\mathrm{cc}},$ 故

在一个切换周期内可被视为一固定电压源。

具有1:1初级对次级圈数比的T₄的次级线圈的跨电压可被表示为：

$v_w\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{cc}}-V_{C_4},& M_1\mathrm{on\; and}{D}_3\mathrm{off}\\ -V_{C_4},& M_1\mathrm{off\; and}{D}_3\mathrm{on}\end{array}\right.$

当D₃导通时，C₃被充电至

因此，C₃的跨电压 $V_{C_3}=V_{C_4}\&ap;{0.5V}_{\mathrm{cc}}$ 在一个切换周期内亦可被视为一固定电压源。

节点B与初级接地端间的电压差可被表示为：

$v_B\left(t\right)=V_{C_3}+v_w\left(t\right)=V_{C_4}+\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{cc}}-V_{C_4},& M_1\mathrm{on\; and}{D}_3\mathrm{off}\\ -V_{C_4},& M_1\mathrm{off\; and}{D}_3\mathrm{on}\end{array}\right.=\left\{\begin{array}{cc}{V}_{\mathrm{cc}},& M_1\mathrm{on\; and}{D}_3\mathrm{off}\\ 0,& M_1\mathrm{off\; and}{D}_3\mathrm{on}\end{array}\right.$

第四实施例的次级电路与第一实施例次级电路相同，

与

具有相同的电压波形。

第五实施例与第六实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图6a至图6c，其初级的电路与第四实施例相同，次级的电路分别与第二实施例与第三实施例相同，可由前述实施例类推其作动，此处不再重新叙述。

以上所述的实施例仅为说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技艺的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，当不能以其限定本实用新型的专利范围，即凡根据本实用新型所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本实用新型的专利范围内。

Claims (9)

1.一种具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于包含：

一第一开关晶体管与一第二开关晶体管，其中该第一开关晶体管与该第二开关晶体管连接于一第一节点，再串接于一外部电源与一初级接地端之间；

一LLC谐振电路，其包含串接的一谐振电容、一谐振电感与一磁化电感，其由一电力变压器的一初级线圈提供，串接于该第一节点与该初级接地端之间；

一电力回路，包含串接的该电力变压器的一第一次级线圈、一第一同步整流晶体管、一第二同步整流晶体管与该电力变压器的一第二次级线圈，该第一同步整流晶体管与该第二同步整流晶体管连接于一第二节点，该第二节点连接一次级接地端，该第一次级线与该第二次级线圈连接于一电压输出端，该电压输出端与该次级接地端之间跨接一滤波电容；

一初级集成电路控制器；

一栅极驱动器连接该第一开关晶体管的栅极与该第二开关晶体管的栅极与该初级集成电路控制器；以及

一差动电压器连接该初级集成电路控制器、该栅极驱动器、该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极。

2.根据权利要求1所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该栅极驱动器为一集成电路基础型或一变压器基础型的栅极驱动器。

3.根据权利要求2所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一个初级线圈与二个次级线圈，该差动电压器的二个该次级线圈的一端连接于该次级接地端，该差动电压器的二个该次级线圈的另二端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器。

4.根据权利要求3所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于还包含二个结合电路，任一该结合电路为一半波整流器与一快速关闭电路的结合，二个该结合电路分别连接于该差动电压器与该第一同步整流晶体管的栅极，以及该差动电压器与该第二同步整流晶体管的栅极之间，其中任一该结合电路的该半波整流器包含一二极管与一电阻，任一该结合电路的该快速关闭电路包含一二极管与一PNP双极晶体管。

5.根据权利要求2所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一初级线圈与一次级线圈，该差动电压器的该次级线圈的二端间连接一信号分配器的二个信号输出端，该信号分配器的一输入端连接于该第二节点，该信号分配器的二个该信号输出端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器，该信号分配器包含二个二极管，以共阳极方式连接，其中二个该二极管的阴极为二个该输出端，二个该二极管的共阳极连接该第二节点。

6.根据权利要求1所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该栅极驱动器包含为一直流移位器与一直流复位器，该直流移位器包含一电容与一脉波变压器，该直流复位器包含一电容与一二极管。

7.根据权利要求6所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一个初级线圈与二个次级线圈，该差动电压器的二个该次级线圈的一端连接于该次级接地端，该差动电压器的二个该次级线圈的另二端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器。

8.根据权利要求7所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于还包含二个结合电路，任一该结合电路为一半波整流器与一快速关闭电路的结合，二个该结合电路分别连接于该差动电压器与该第一同步整流晶体管的栅极，以及该差动电压器与该第二同步整流晶体管的栅极之间，其中任一该结合电路的该半波整流器包含一二极管与一电阻，任一该结合电路的该快速关闭电路包含一二极管与一PNP双极晶体管。

9.根据权利要求6所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一初级线圈与一次级线圈，该差动电压器的该次级线圈的二端间连接一信号分配器的二个信号输出端，该信号分配器的一输入端连接于该第二节点，该信号分配器的二个该信号输出端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器，该信号分配器包含二个二极管，以共阳极方式连接，其中二该二极管的阴极为二个该输出端，二个该二极管的共阳极连接该第二节点。

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