諧振切換功率轉換器的同步整流器的製作方法

2023-04-22 21:25:31

專利名稱：諧振切換功率轉換器的同步整流器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種同步整流器，且特別是有關於一種用於諧振切換功率轉 換器的同步整流器。
圖1為現有諧振切換功率轉換器的電路圖。為安全起見，諧振切換功率
轉換器包括變壓器IO用於給線性輸入電壓(line input voltage) V^與諧振 切換功率轉換器的輸出電壓V。間提供隔絕。開關20及30形成半橋式電路， 用以切換諧振迴路和變壓器10。電感器5以及電容器40形成諧振迴路。電 感器5可以是電感性元件或是變壓器10的一次側繞組Np的漏電感(leakage inductance)。電感器5的感應係數L和電容器40的電容C決定了諧振回3各 的諧振頻率f。。
變壓器IO將能量從變壓器10的一次側繞組Np轉移到二次側繞組Ns,、Ns2。 為了使功率轉換器輸出端產生輸出電壓Vo(DC電壓)，整流器61、 62和電容 器65對變壓器10執行整流和濾波功能。有關於諧振切換功率轉換器的詳細 技術可在名為 "Resonant Power Converters" (Marian K. Kazimierczuk和 Dariusz Czarkowski， 1995， John Wiley & Sons, Inc)的教科書中找到。
雖然功率轉換器的諧振切換可實現高效率和低電磁幹擾(EMI)的性能， 但整流器61和62的正向電壓(forward voltage)仍然會引起顯著的功率損 耗。因此，本發明針對用於諧振切換功率轉換器的同步整流器以實現更高的 效率。
背景技術：
發明內容本發明提供一種用以提高效率的諧振切換功率轉換器的同步整流器。同 步整流器包括連接到變壓器以及諧振切換功率轉換器的輸出且用於整流的功率電晶體和二極體；控制器根據啟動信號和截止信號產生驅動信號來控制功 率電晶體；因果電路根據啟動信號而產生截止信號。 一旦二極體被正向偏壓 即啟動信號被致能。啟動信號連接至致能驅動信號以開啟功率電晶體，而截 止信號則連接至禁能驅動信號以關閉功率電晶體。截止信號在啟動信號被禁 能之前被致能。在本發明的一實施例中，控制器包括內鎖電路(inner-lock circuit)。 此內鎖電路根據驅動信號的致能而產生內鎖信號。 一旦內鎖信號禁能就使驅 動信號致能。在本發明的 一 實施例中，控制器包括最大導通時間電路 (maximum-on—time circuit) 。 ot匕最大導通日於間電路用^乂產生——最大導通日於 間信號。其中，此最大導通時間信號用以關閉功率電晶體，從而限制功率晶 體管的最大導通時間。


圖1為現有的諧振切換功率轉換器的電路圖；圖2為本發明一實施例的具有整合式同步整流器(同步整流電路)的諧 振切換功率轉換器的電路圖；圖3為本發明的整合式同步整流器的電路圖；圖4為本發明一較佳實施例的整合式同步整流器的控制器的電路圖； 圖5為本發明一實施例的整合式同步整流器的控制器的最大導通時間電 路(以及消隱電^各)的電^各圖；圖6為本發明的控制器的因果電路的電路圖；圖7為本發明的整合式同步整流器的控制器的脈衝產生電路的電路圖 圖8為本發明的同步整流器的主要波形； 附圖中主要組件符號說明5-電感器；61、 62-整流器；119-或非門；150-D觸發器；170-消隱電路；250-二極體；315、 325-脈衝產生電3各； 370-電阻器； 40、 65、 275、 350、 351、 475-電容器; 50、 51、 52-整合式同步整流器； 118、 125、 160、 279、 479—與門；162、 200、 272、 472-電晶體；163、 273、 340、 473、 500-電流源； 271、 311、 321、 390、 471、 478-反相器;10、 15-變壓器； 100-控制器； 130、 380-比較器； 165-輸出緩衝器； 175-最大導通時間電路； 300-因果電路； 360-放大器；20、 30、 341、 342、 343-開關；A-陽極端；CK-時鐘輸入端；h-電流；IN-信號；Np-—次側繞組；OUT-輸出；RS-截止信號；Sf最大導通時間信號;Sr取樣信號；K-陰極端；EN-啟動信號；Is、 Isi、 Is「切換電流；L-內鎖端；NS1、 Ns廠二次側繞組；R-復位端；Sf消隱信號；Sf信號(D觸發器150的輸出)； S廠清除信號；Vf連線輸入電壓； V。-輸出電壓;VL-內鎖信號； VTH-閾值；Vc、 Vei、 驅動信號。
具體實施方式
圖2為本發明一實施例的具有整合式同步整流器(同步整流電路)的諧 振切換功率轉換器的電^^圖。諧振切換功率轉換器包括具有一次側繞組Np和 二次側繞組Ns" &2的變壓器15。變壓器15的一次側繞組Np具有兩個用於切 換變壓器15的一次側繞組Np的開關20及30。整合式同步整流器51具有連 接到二次側繞組NS1的陰極端K。整合式同步整流器51的陽極端A連接到諧振 切換功率轉換器的輸出地(output ground)。具有陰極端K與陽極端A的整 合式同步整流器52也從二次側繞組Ns2連接到諧振切換功率轉換器的輸出地。整合式同步整流器51及52的內鎖端L會產生內鎖信號以防止整合式同 步整流器51及52同時開啟。 一旦切換電流(switching current) 151低於電 流閾值(current threshold)時，就使整合式同步整流器51禁能。 一旦切 換電流Is2低於電流閾值時，也使整合式同步整流器52禁能。圖3為本發明 的整合式同步整流器50的電路圖。如圖2所示，描述了整合式同步整流器 51或整合式同步整流器52的電路的實施例。整合式同步整流器50包括功率 電晶體200、 二極體250和控制器100。控制器100產生驅動信號Vg以控制功 率電晶體200。 二極體250並聯連接到功率電晶體200。此處，二極體250是 肖特基二極體(Schottky diode)或功率電晶體200的寄生器件(parasitic device)。功率電晶體200連接在陰極端K和陽極端A之間。陰極端K連接 至變壓器15的二次側繞組。陽極端A連接至諧振切換功率轉換器的輸出。控 制器100產生一信號用以致能驅動信號VG,且一旦二極體250被正向偏壓即 開啟功率電晶體200。控制器100產生另一信號以禁能驅動信號Ve，根據啟 動信號(EN)的周期(period)而關閉功率電晶體200,此啟動信號的周期由隨後介紹的陰極端K的電壓位準與閾值的比較結果所獲得。內鎖端L輸出內鎖信號入以顯示功率電晶體200的開啟或關閉狀態。截 止信號在啟動信號禁能之前被致能。圖4為本發明一較佳實施例的整合式同 步整流器50的控制器100的電路圖。閾值Vth連接到比校器130的正輸入端。 比較器130的負輸入端連接陰極端K。比較器130的輸出端產生啟動信號EN。 啟動信號EN和內鎖信號人通過與門(AND) 118連接到D觸發器150的時鐘 輸入端("ck" )。 D觸發器150的復位端("R，，)由或非門(NOR) 119的輸出 所控制。D觸發器150的輸出(信號SJ和啟動信號EN連接到與門(AND) 160。 D觸發器150的操作方式如同閂鎖電路(latch circuit)。與門160 的輸出連接到輸出緩沖器165。在輸出緩衝器165的輸出處產生驅動信號Vc 以控制圖3中的功率電晶體200。電晶體162和電流源163形成內鎖電路。 驅動信號Vc連接到電晶體162以產生內鎖信號Vu內鎖信號叭根據驅動信號 Vc的致能而產生。僅當內鎖信號、禁能時才可初始化驅動信號Ve並使其致能。 驅動信號Ve的最大導通時間由最大導通時間電路(MOT) 175所限制。驅 動信號Ve連接到最大導通時間電路175的輸入。最大導通時間信號Sm根據驅 動信號Ve致能後的一段延遲時間而產生。最大導通時間信號SM通過或非門119連接到D觸發器150的復位端("R"),用於清零D觸發器150。因此，驅動 信號Ve的最大導通時間是由最大導通時間電路175的延遲時間所限制的。一 旦陰極端K的電壓低於閾值電壓VTH，便產生驅動信號^以開啟功率電晶體200 (二極體250被開啟)。或非門119的另一輸入端連接到與門125的輸出端。與門125的第一輸 入端連接至消隱電路(blanking circuit, BLK ) 170的輸出(消隱信號SJ 。 消隱電路170的輸入連接到驅動信號Vu消隱電路170提供消隱時間以實現 驅動信號VG的最小導通時間。因果電路(PL) 300產生連接到與門125的第 二輸入端的截止信號RS。截止信號RS根據啟動信號EN而產生。截止信號RS 用於關閉驅動器信號Vc。當二極體250導通且被正向偏壓時，陰極端K的電壓低於閾值電壓VTH。因此，只有在二極體250開啟後，功率電晶體200才會 被開啟，如此便達到了功率電晶體200的柔性切換作用。再者，當二極體250 反向偏壓(reversely biased)時，驅動信號V。禁能，並使功率電晶體200 關閉。此外，根據因果電路300的操作，截止信號RS用以關閉功率電晶體 200。圖5為本發明一實施例的整合式同步整流器50的控制器100的最大導通 時間電路175 (以及消隱電路170)的電路圖。連接電流源273使電容器275 充電。連接電晶體272使電容器275放電。通過反相器271連接驅動信號Vc 以控制電晶體272。驅動信號V。進一步連接到與門279的輸入端。與門279 的另一輸入端連接電容器275。 一旦驅動信號Vc致能，與門279的輸出端OUT 產生最大導通時間信號SM (消隱信號SB),用以在延遲(消隱)時間之後禁 能驅動信號Ve。延遲(消隱)時間由電流源273的電流和電容器275的電容 值所決定。圖6為本發明的控制器100的因果電路300的電路圖。電容器350藉由 啟動信號EN,且通過開關341和電流源340被充電。因此，在電容器350處 產生斜坡信號(ramp signal)。啟動信號EN用於通過脈衝產生電路315、 325和反相器311、 321而產生取樣信號(sample signal )Sl和清除信號(clear signal) S2。取樣信號SI用於通過開關342對電容器350的信號進行取樣並 送至電容器351。取樣後，清除信號S2用於通過開關343對電容器350進行 清除。電容器351的信號的位準與啟動信號EN的致能周期有關。電容器351 的信號通過緩衝放大器360和電阻器370連接到比較器380的正輸入端。電 流源500進一步連接電阻器370用以在電阻器370處產生電壓降。比較器380 的另一輸入端(負輸入端)連接到斜坡信號。比較器380的輸出端連接到反 相器390。反相器390產生截止信號RS以禁能驅動信號Vg。調整電流源500 的電流Ib用於產生截止信號RS。截止信號RS在啟動信號EN禁能之前被致能。 保持信號的位準與啟動信號EN的周期有關。根據斜坡信號與保持信號的比較結果，比較器380將產生截止信號RS。因此，因果電路300會產生截止信號 RS以禁能驅動信號Ve，並根據啟動信號EN的周期而關閉功率電晶體200。圖7為圖6中脈衝產生電3各315或325的脈衝產生電路的實施例。連接 電流源473使電容器475充電。連接電晶體472使電容器475放電。信號IN 通過反相器471控制電晶體472。信號IN進一步連接到與門479的一輸入端。 通過反相器478將與門479的另一輸入端連接至電容器475。輸出脈衝信號 的脈寬由電流源473的電流和電容器475的電容值所決定。圖8為本發明的同步整流器的主要波形。變壓器15的切換電流Is包括 Is!和Is"驅動信號L和Ve2分別是整合式同步整流器51和整合式同步整流器 52的驅動信號VG。顯而易見，對於本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，可 對本發明結構做各種修改和變更。鑑於上述情況，只要對本發明的修改和變 更落在申請專利範圍或它們的等同項以內則視為本發明涵蓋了這些修改和變 更。
權利要求
1、一種諧振切換功率轉換器的同步整流器，其特徵在於，包括一功率電晶體和一二極體，連接至一變壓器和該諧振切換功率轉換器的一輸出，用以整流；一控制器，根據一啟動信號和一截止信號產生一驅動信號以控制該功率電晶體；以及一因果電路，根據該啟動信號產生該截止信號，其中該二極體被正向偏壓時該啟動信號被致能，該啟動信號用以致能該驅動信號以導通該功率電晶體，而該截止信號用以禁能該驅動信號以關閉該功率電晶體。
2、 根據權利要求l所述的諧振切換功率轉換器的同步整流器，其特徵在 於，該截止信號在該啟動信號禁能之前致能。
3、 根據權利要求l所述的諧振切換功率轉換器的同步整流器，其特徵在 於，該因果電路包括一充電電路，在該啟動信號致能時產生一斜坡信號； 一取樣電路，根據該斜坡信號的位準產生一保持信號；以及 一比較器，根據該斜坡信號與該保持信號的比較結果產生該截止信號， 其中該保持信號的位準與該啟動信號的周期有關。
4、 根據權利要求1所述的諧振切換功率轉換器的同步整流器，其特徵在 於，該控制器包括一閂鎖電路，用以產生該驅動信號以控制該功率電晶體，其中該驅動信 號根據該啟動信號的致能而致能，且該驅動信號根據該截止信號的致能而禁 能。
5、 根據權利要求l所述的諧振切換功率轉換器的同步整流器，其特徵在 於，該控制器包括一內鎖電路，根據該驅動信號的致能而產生一內鎖信號，其中該內鎖信 號禁能時該驅動信號致能。
6、 根據權利要求1所述的諧振切換功率轉換器的同步整流器，其特徵在 於，該控制器包括一最大導通時間電路，用以產生一最大導通時間信號，其中該最大導通 時間信號用以關閉該功率電晶體，從而限制該功率電晶體的最大導通時間。
7、 根據權利要求l所述的諧振切換功率轉換器的同步整流器，其特徵在 於，該控制器包括一最小導通時間電路，用以產生一消隱信號，其中當該驅動信號被產生 時，將該消隱信號連接至一閂鎖電路以產生具有最小導通時間的該驅動信號。
全文摘要
本發明提供了一種用以提高效率的諧振切換功率轉換器的同步整流器。該同步整流器包括連接到變壓器以及諧振切換功率轉換器的輸出且用於整流的功率電晶體和二極體；控制器根據啟動信號和截止信號產生驅動信號來控制功率電晶體；因果電路根據啟動信號而產生截止信號；一旦二極體被正向偏壓即啟動信號被致能。啟動信號連接至致能驅動信號以開啟功率電晶體，而截止信號則連接至禁能驅動信號以關閉功率電晶體。
文檔編號H02M7/217GK101552566SQ20091013534
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月20日 優先權日2008年11月20日
發明者楊大勇, 林天麒, 王周升, 蘇英傑, 許智達 申請人:崇貿科技股份有限公司