TW201725845A - 應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法 - Google Patents

應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

應用於電源轉換器的同步整流器包含一供電模組、一控制模組及一閘極驅動單元。該供電模組是用於根據來自該電源轉換器的二次側的一感應電壓,產生一供電電流,其中該供電電流是用於建立一供電電壓,且該感應電壓是對應於該電源轉換器的一次側的功率開關的控制信號;該控制模組是耦接於該供電模組,用於根據該供電電壓,開啟或關閉該供電模組;該閘極驅動單元是耦接於該供電模組,用於根據該感應電壓,產生控制該二次側的同步開關開啟與關閉的閘極控制信號,其中該供電電壓是用於驅動該閘極驅動單元。

Description

應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法
本發明是有關於一種應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法,尤指一種可產生與電源轉換器的二次側的輸出電壓無關的供電電壓以及不需要電源轉換器的一次側的輔助繞組的同步整流器及其操作方法。
當交流/直流電源轉換器應用於一充電系統時,該交流/直流電源轉換器的二次側的輸出電壓有時候會因為該充電系統必須為電連接於該充電系統的電子產品全力充電而下降至非常低的電位。當該交流/直流電源轉換器的二次側的輸出電壓降至非常低的電位時,如果該交流/直流電源轉換器的二次側的同步整流器需要該輸出電壓作為一供電電壓,則此時該同步整流器將因為該輸出電壓降至非常低而無法運作,導致該交流/直流電源轉換器的轉換效率降低和具有嚴重的發熱問題。
現有技術是利用該交流/直流電源轉換器的一次側的輔助繞組所產生的輔助電壓作為該同步整流器的供電電壓,但是該輔助繞組將會增加該交流/直流電源轉換器的成本以及設計複雜度。因此,對於該同步整流器的設計者而言如何改善現有技術的缺點將是一項重要課題。
本發明的一實施例提供一種應用於電源轉換器的同步整流器。該同步整流器包含一供電模組、一控制模組及一閘極驅動單元。該供電模組是用於根據來自該電源轉換器的二次側的一感應電壓,產生一供電電流,其中該供電電流是用於建立一供電電壓,且該感應電壓是對應於該電源轉換器的一次側的功率開關的控制信號;該控制模組是耦接於該供電模組,用於根據該供電電壓,開啟或關閉該供電模組;該閘極驅動單元是耦接於該供電模組,用於根據該感應電壓,產生控制該二次側的同步開關開啟與關閉的閘極控制信號,其中該供電電壓是用於驅動該閘極驅動單元。
本發明的另一實施例提供一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法,其中該同步整流器包含一供電模組、一控制模組及一閘極驅動單元。該操作方法包含該供電模組根據來自該電源轉換器的二次側的一感應電壓,產生一供電電流,其中該供電電流是用於建立一供電電壓,且該感應電壓是對應於該電源轉換器的一次側的功率開關的控制信號;該控制模組根據該供電電壓,開啟或關閉該供電模組。
本發明提供一種應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法。該同步整流器及該操作方法是利用一供電模組根據來自該電源轉換器的二次側的感應電壓,建立一閘極驅動單元的供電電壓,其中該電源轉換器的二次側的感應電壓是對應於該電源轉換器的一次側的功率開關的控制信號,所以該閘極驅動單元的供電電壓和該電源轉換器的二次側的輸出電壓無關。因此,相較於現有技術,因為該閘極驅動單元的供電電壓和該電源轉換器的二次側的輸出電壓無關,所以當該電源轉換器的二次側的輸出電壓下降至非常低時,該閘極驅動單元仍可正常運作。另外,因為本發明並不需要該電源轉換器的一次側的輔助繞組所產生的輔助電壓作為該閘極驅動單元的供電電壓,所以本發明具有較低的成本以及較簡單的設計。
請參照第1圖,第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器100的二次側SEC的同步整流器200的示意圖,其中電源轉換器100的一次側PRI僅一次側繞組102和一功率開關104顯示在第1圖中,且電源轉換器100是一交流/直流電源轉換器。如第1圖所示,同步整流器200包含一供電模組202、一控制模組204以及一閘極驅動單元206,供電模組202包含一高壓開關2022、一電壓限制單元2024、一閘極箝位單元2026以及一二極體2028,以及控制模組204包含一開關2042和一比較單元2044。如第1圖所示,電壓限制單元2024耦接於高壓開關2022的閘極與汲極之間,閘極箝位單元2026耦接於高壓開關2022的源極與閘極之間,以及二極體2028耦接於高壓開關2022的源極與同步整流器的接腳208之間,其中閘極箝位單元2026是一箝位電路;開關2042耦接於高壓開關2022的閘極與電源轉換器100的地端GND之間,以及比較單元2044耦接於開關2042和接腳208,其中開關2042是通過同步整流器的接腳210耦接至電源轉換器100 的地端GND。
如第1圖所示,當電源轉換器100的一次側PRI的功率開關104根據一控制信號CS開啟時,電源轉換器100的二次側SEC的二次側繞組106會根據流經電源轉換器100的一次側PRI的電流IPRI,產生一感應電壓SRVDS(對應功率開關104的控制信號CS)。如第1圖所示,當開關2042關閉時,高壓開關2022可通過同步整流器200的接腳212接收感應電壓SRVDS,以及根據感應電壓SRVDS,產生一供電電流SC,其中該供電電流SC是用於通過同步整流器200的接腳208對一電容214充電以建立一供電電壓VCC。因為感應電壓SRCDS的高電位可能會損壞高壓開關2022的閘極,所以電壓限制單元2024可限制感應電壓SRCDS至一預定電壓PV以保護高壓開關2022的閘極,其中預定電壓PV低於感應電壓SRVDS,且電壓限制單元2024是一接面場效電晶體(Junction Field Effect Transistor, JFET)。但本發明並不受限於電壓限制單元2024是一接面場效電晶體。閘極箝位單元2026包含一電晶體20262用於箝住高壓開關2022的閘極與源極之間的電壓,亦即閘極箝位單元2026可利用電晶體20262箝住高壓開關2022的閘極與源極之間的電壓以保護高壓開關2022並使高壓開關2022正常運作。但本發明並不受限於閘極箝位單元2026包含電晶體20262,亦即閘極箝位單元2026可包含至少一電晶體。二極體2028是用於當高壓開關2022關閉時,防止供電電壓VCC逆灌至閘極箝位單元2026和高壓開關2022。
請參照第1、2圖,當供電電壓VCC大於一上限值UL時,比較單元2044可使開關2042開啟,導致高壓開關2022關閉(因為高壓開關2022的閘極的電位被拉至地端GND的電位),此時電容214上的供電電壓VCC將會隨著耦接於二次側SEC的負載(未繪示於第1圖)而逐漸下降;當供電電壓VCC下降至小於一下限值LL時,比較單元2044可使開關2042關閉,導致高壓開關2022重新開啟,此時供電模組202可利用供電電流SC再次對電容214充電使供電電壓VCC上升。因此,如第2圖所示,供電電壓VCC將會在上限值UL和下限值LL之間變動。另外,在本發明的另一實施例中,比較單元2044是一遲滯比較器,所以比較單元2044可利用供電電壓VCC、上限值UL和比較單元2044的遲滯區間使供電電壓VCC在上限值UL和下限值LL之間變動。
如第1圖所示,閘極驅動單元206可通過同步整流器200的接腳212從二次側SEC的同步開關108的汲極接收感應電壓SRVDS,以及根據感應電壓SRVDS,產生控制二次側SEC的同步開關108開啟與關閉的閘極控制信號GCS,其中閘極控制信號GCS可通過同步整流器200的接腳216傳送至同步開關108的閘極,以及供電電壓VCC是用於驅動閘極驅動單元206。另外,因為電源轉換器100是一返馳式(flyback)電源轉換器,所以閘極控制信號GCS可使電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC不會同時導通。如第3圖所示,閘極控制信號GCS和控制信號CS因為一空檔時間DT而不會重疊,所以閘極控制信號GCS可防止電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC同時導通。另外,在本發明的另一實施例中,供電電壓VCC還可用於驅動應用於電源轉換器100的二次側SEC的一監控單元或其他需要供電電壓VCC 的電路(未繪示於第1圖),其中該監控單元可用於監控閘極控制信號GCS和控制信號CS的時序。
請參照第4圖,第4圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器100的二次側SEC的同步整流器400的示意圖。如第4圖所示,同步整流器400和同步整流器200的差別在於同步整流器400的閘極驅動單元206另被電源轉換器100的二次側SEC的輸出電壓VOUT所驅動,其中輸出電壓VOUT是通過一整流器218對電容214充電。另外,同步整流器400的的其餘操作原理都和同步整流器200相同,在此不再贅述。
請參照第1-3圖和第5圖,第5圖是本發明的第三實施例說明一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法的流程圖。第5圖的方法是利用第1圖的電源轉換器100與同步整流器200說明,詳細步驟如下:
步驟500:  開始;
步驟502:  供電模組202根據來自電源轉換器100的二次側SEC的感應電壓SRVDS,產生供電電流SC以建立供電電壓VCC;
步驟504:  供電電壓VCC是否大於上限值UL;如果是,進行步驟506;如果否,跳回步驟502;
步驟506:  控制模組204關閉供電模組202;
步驟508:  供電電壓VCC是否小於下限值LL;如果是,進行步驟510;如果否,跳回步驟506;
步驟510:  控制模組204開啟供電模組202;跳回步驟502。
在步驟502中,如第1圖所示,當電源轉換器100的一次側PRI的功率開關104根據控制信號CS開啟時,電源轉換器100的二次側SEC的二次側繞組106會根據流經電源轉換器100的一次側PRI的電流IPRI,產生感應電壓SRVDS(對應功率開關104的控制信號CS)。如第1圖所示,當控制模組204的開關2042關閉時,供電模組202的高壓開關2022可通過同步整流器200的接腳212接收感應電壓SRVDS,以及根據感應電壓SRVDS,產生供電電流SC,其中該供電電流SC是用於通過同步整流器200的接腳208對電容214充電以建立供電電壓VCC。
在步驟506中,請參照第1、2圖,當供電電壓VCC大於上限值UL時,控制模組204的比較單元2044可使開關2042開啟,導致高壓開關2022關閉(因為高壓開關2022的閘極的電位被拉至地端GND的電位),此時電容214上的供電電壓VCC將會隨著耦接於二次側SEC的負載(未繪示於第1圖)而逐漸下降;在步驟510中,當供電電壓VCC下降至小於下限值LL時,比較單元2044可使開關2042關閉,導致高壓開關2022重新開啟,此時供電模組202可利用供電電流SC再次對電容214充電使供電電壓VCC上升。因此,如第2圖所示,供電電壓VCC將會在上限值UL和下限值LL之間變動。
如第1圖所示,由於供電電壓VCC可用於驅動閘極驅動單元206,所以閘極驅動單元206可根據感應電壓SRVDS,產生控制二次側SEC的同步開關108開啟與關閉的閘極控制信號GCS,其中閘極控制信號GCS可使電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC不會同時導通(如第3圖所示,閘極控制信號GCS和控制信號CS因為一空檔時間DT而不會重疊,所以閘極控制信號GCS可防止電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC同時導通)。
綜上所述,本發明所提供的應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法是利用供電模組根據來自電源轉換器的二次側的感應電壓,建立閘極驅動單元的供電電壓,其中電源轉換器的二次側的感應電壓是對應於電源轉換器的一次側的功率開關的控制信號,所以閘極驅動單元的供電電壓和電源轉換器的二次側的輸出電壓無關。因此,相較於現有技術,因為閘極驅動單元的供電電壓和電源轉換器的二次側的輸出電壓無關,所以當電源轉換器的二次側的輸出電壓下降至非常低時,本發明的閘極驅動單元仍可正常運作。另外,因為本發明並不需要電源轉換器的一次側的輔助繞組所產生的輔助電壓作為閘極驅動單元的供電電壓,所以本發明具有較低的成本以及較簡單的設計。   以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧電源轉換器
102‧‧‧一次側繞組
104‧‧‧功率開關
106‧‧‧二次側繞組
108‧‧‧同步開關
200、400‧‧‧同步整流器
202‧‧‧供電模組
204‧‧‧控制模組
206‧‧‧閘極驅動單元
208、210、212、216‧‧‧接腳
214‧‧‧電容
218‧‧‧整流器
2022‧‧‧高壓開關
2024‧‧‧電壓限制單元
2026‧‧‧閘極箝位單元
2028‧‧‧二極體
2042‧‧‧開關
2044‧‧‧比較單元
20262‧‧‧電晶體
CS‧‧‧控制信號
DT‧‧‧空檔時間
GND‧‧‧地端
GCS‧‧‧閘極控制信號
IPRI‧‧‧電流
LL‧‧‧下限值
PRI‧‧‧一次側
PV‧‧‧預定電壓
SEC‧‧‧二次側
SC‧‧‧供電電流
SRVDS‧‧‧感應電壓
UL‧‧‧上限值
VCC‧‧‧供電電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
500-510‧‧‧步驟
第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器的二次側的同步整流器的示意圖。 第2圖是說明供電電壓在上限值和下限值之間變動的示意圖。 第3圖是說明閘極控制信號和控制信號的關係的示意圖。 第4圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器的二次側的同步整流器的示意圖。 第5圖是本發明的第三實施例說明一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法的流程圖。
100‧‧‧電源轉換器
102‧‧‧一次側繞組
104‧‧‧功率開關
106‧‧‧二次側繞組
108‧‧‧同步開關
200‧‧‧同步整流器
202‧‧‧供電模組
204‧‧‧控制模組
206‧‧‧閘極驅動單元
208、210、212、216‧‧‧接腳
214‧‧‧電容
2022‧‧‧高壓開關
2024‧‧‧電壓限制單元
2026‧‧‧閘極箝位單元
2028‧‧‧二極體
2042‧‧‧開關
2044‧‧‧比較單元
20262‧‧‧電晶體
CS‧‧‧控制信號
GND‧‧‧地端
GCS‧‧‧閘極控制信號
IPRI‧‧‧電流
LL‧‧‧下限值
PRI‧‧‧一次側
PV‧‧‧預定電壓
SEC‧‧‧二次側
SC‧‧‧供電電流
SRVDS‧‧‧感應電壓
UL‧‧‧上限值
VCC‧‧‧供電電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種應用於電源轉換器的同步整流器,包含: 一供電模組,用於根據來自該電源轉換器的二次側的一感應電壓,產生一供電電流,其中該供電電流是用於建立一供電電壓,且該感應電壓是對應於該電源轉換器的一次側的功率開關的控制信號; 一控制模組,耦接於該供電模組,用於根據該供電電壓,開啟或關閉該供電模組;及 一閘極驅動單元,耦接於該供電模組,用於根據該感應電壓,產生控制該二次側的同步開關開啟與關閉的閘極控制信號,其中該供電電壓是用於驅動該閘極驅動單元。
  2. 如請求項1所述的同步整流器,其中該供電電壓另用於驅動應用於該電源轉換器的二次側的一監控單元。
  3. 如請求項1所述的同步整流器,其中該供電模組包含: 一高壓開關,用於根據該感應電壓,產生該供電電流; 一電壓限制單元,耦接於該同步開關和該高壓開關,用於限制該感應電壓至一預定電壓以保護該高壓開關的閘極; 一閘極箝位單元,耦接於該電壓限制單元和該高壓開關,用於箝住該高壓開關的閘極與源極之間的電壓;及 一二極體,耦接於該閘極箝位單元、該高壓開關和該閘極驅動單元,用於當該高壓開關關閉時,防止該供電電壓逆灌至該閘極箝位單元和該高壓開關。
  4. 如請求項3所述的同步整流器,其中該閘極箝位單元包含至少一電晶體。
  5. 如請求項3所述的同步整流器,其中該電壓限制單元是一接面場效電晶體(Junction Field Effect Transistor, JFET)。
  6. 如請求項1所述的同步整流器,其中該控制模組包含: 一開關,耦接於該供電模組; 一比較單元,用於當該供電電壓大於一上限值時,通過該開關關閉該供電模組,以及當該供電電壓小於一下限值時,通過該開關開啟該供電模組。
  7. 如請求項1所述的同步整流器,其中該閘極驅動單元另被該電源轉換器的二次側的輸出電壓所驅動。
  8. 一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法,其中該同步整流器包含一供電模組、一控制模組及一閘極驅動單元,該操作方法包含: 該供電模組根據來自該電源轉換器的二次側的一感應電壓,產生一供電電流,其中該供電電流是用於建立一供電電壓,且該感應電壓是對應於該電源轉換器的一次側的功率開關的控制信號;及 該控制模組根據該供電電壓,開啟或關閉該供電模組。
  9. 如請求項8所述的操作方法,另包含: 該閘極驅動單元根據該感應電壓,產生控制該二次側的同步開關開啟與關閉的閘極控制信號,其中該供電電壓是用於驅動該閘極驅動單元。
  10. 如請求項8所述的操作方法,其中該控制模組根據該供電電壓,開啟或關閉該供電模組包含: 當該供電電壓大於一上限值時,該控制模組關閉該供電模組;及 當該供電電壓小於一下限值時,該控制模組開啟該供電模組。
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