具有有源自驅動同步整流的dc/dc功率變換器的製作方法
2023-10-31 01:55:52
專利名稱：具有有源自驅動同步整流的dc/dc功率變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及DC/DC變換器，更具體地涉及具有無源自驅動整流的DC/DC。背景DC/DC功率變換器單元利用具有接收輸入電壓Vin的初級側的變壓器。初級側電壓 Vin通過變壓器耦合於次級側。次級側電路提供輸出電壓VOTT。初級側電路和次級側電路包含開關電晶體，所述開關電晶體需要PWM控制信號從而以各種操作模式操作DC/DC變換器。 在初級側電路和次級側電路之間需要提供電壓隔離。因此，提供給次級側電路開關電晶體的PWM信號必須要麼與初級側電壓隔離，要麼以自驅動方式從次級側提供。因此，需要在高功率密度內的高性能隔離的DC/DC功率變換器單元，從而以有效方式驅動次級側功率電晶體。這必須以減少次級側中的部件數量的方式完成，從而最好地利用DC/DC變壓器IC應用中的晶片面積。概述如本文披露和描述的那樣，本發明一個方面包括DC/DC電壓變換器，包括具有初級側和次級側的變壓器。連接於初級側的初級側電路包括第一對開關電晶體並接收輸入電壓，該第一對開關電晶體響應於來自變壓器的初級側的第一控制信號而受到控制。次級側電路連接於次級側並包括第二對開關電晶體並提供輸出電壓，該第二對開關電晶體響應來自變壓器的次級側的第二控制信號受到控制。驅動電路響應第二對開關電晶體的每個電晶體處的漏極/源極電壓和第二 PWM控制信號產生第二控制信號。信號成形電路響應第二對開關電晶體中的每個電晶體的漏極電壓提供第一和第二 PWM控制信號。
為了更全面地理解，現參考以下結合附圖進行的描述，在附圖中圖1是具有無源自驅動整流的現有技術DC/DC變換器的示意圖；圖2示出具有無源自驅動整流的DC/DC變換器的又一現有技術實施例；圖3示出在次級側上使用有源PWM驅動的DC/DC變換器的又一現有技術實施例；圖4示出在次級側上使用理想二極體有源自驅動整流的技術；圖5示出使用有源自驅動同步整流的DC/DC變換器的示意性框圖；圖6示出在半橋變換器中使用有源自驅動整流的DC/DC變換器；圖7示出使用有源自驅動整流的有源前向鉗位DC/DC變換器；圖8示出圖6和圖7的信號成形電路的一個實施例；以及圖9示出圖6和圖7的信號成形電路的又一實施例。
具體實施例方式現在參考附圖，其中在全部附圖中相同的附圖標記用來指代相同的元件，說明和描述了具有有源自驅動同步整流的DC/DC功率變換器的多個視圖和實施例，還描述了其它可能的實施例。這些附圖不一定是按比例繪製的，而且僅為說明目的起見，在某些實例中有幾處已將附圖放大和/或簡化。本領域普通技術人員將可理解基於可能實施例的以下示例的許多可能應用和變型。DC/DC功率變換器單元可利用其中初級側電路接收輸入電壓Vin的變壓器配置來提供。初級側電壓Vin通過變壓器耦合於次級側電路。次級側電路提供輸出電壓VOTT。初級側電路和次級側電路包含開關電晶體，所述開關電晶體需要PWM控制信號從而以各種操作模式操作DC/DC變換器。在初級側電路和次級側電路之間需要提供電壓隔離。因此，提供給次級側開關電晶體的PWM信號必須要麼是與初級側隔離的電壓，要麼以自驅動方式從次級側提供。因此，需要在高功率密度內的高性能隔離的DC/DC功率變換器單元，從而以有效方式驅動次級側功率電晶體。這必須以減少次級側中的部件數量的方式完成，從而最好地利用DC/DC變壓器IC應用中的晶片面積。現在參見附圖，尤其參見圖1和圖2，圖中示出在半橋電路配置中在DC/DC變換器的次級側上提供無源自驅動的已有技術。在如圖1所示的半橋電路配置中或如圖2所示的有源前向鉗位DC/DC電壓變換器配置中實現高密度方案是相當容易的，但這些類型的系統的性能相當低。在圖1所示的示例中，半橋DC/DC電壓變換器圖示為包括無源自驅動配置。 輸入電壓VIN102施加於節點104。一對電容器106、108連接在節點104和地之間。電容器 106連接在節點104和節點110之間。電容器108連接在節點110和地之間。第一開關功率電晶體112具有連接在節點104和節點114之間的漏極/源極路徑。第二開關功率電晶體116具有連接在節點114和地之間的漏極/源極路徑。變壓器118具有連接在節點110 和節點114之間的初級側。變壓器118的次級側分別在節點120和節點122連接於次級側電路。變壓器118的次級側另外包括中央抽頭節點124。電感器126連接在變壓器118的次級側的中央抽頭節點124和節點1 之間。電容器130連接在節點1 和地之間。次級側電路另外包括一對開關功率電晶體132、134。 開關電晶體132具有連接在節點122和地之間的其漏極/源極路徑。開關電晶體132的柵極被連接成從節點120接收驅動信號。開關電晶體134具有連接在節點120和地之間的其漏極/源極路徑。電晶體134的柵極被連接成從節點122接收驅動信號。在圖1所示的無源自驅動配置中，電晶體132的柵極連接於電晶體134的漏極。同樣，電晶體134的柵極連接於電晶體132的漏極。圖2示出有源前向鉗位DC/DC電壓變換器配置。輸入電壓202連接在節點204和地之間。變壓器206具有連接在節點204和節點208之間的其初級側。電容器210連接在節點208和節點212之間。初級側開關功率電晶體由電晶體214和電晶體216構成。電晶體214具有連接在節點208和地之間的其漏極/源極路徑。電晶體216具有連接在節點 212和地之間的其漏極/源極路徑。變壓器206的次級側連接於節點218和節點220之間的次級側上。電感器222連接在節點218和輸出電壓節點2M之間。輸出電壓節點Vot由節點2M提供。電容器2 連接在節點2M和地之間。次級側包括一對電晶體228、230。電晶體2 具有連接在節點220和地之間的其漏極/源極路徑。電晶體228的柵極連接於節點218。電晶體230具有連接在節點218和地之間的其漏極/源極路徑以及連接於節點220的其柵極。在圖2的配置中，電晶體2 的柵極連接於電晶體230的漏極並由其驅動。電晶體230的柵極連接於電晶體228的漏極並由其驅動。圖1和圖2的每種方案提供相對高密度的方法，但它們具有非常低的效率。次級側上的每個電晶體處的柵極電壓隨著輸入電壓和輸出電壓而變化。這些類型的系統非常難以用來實現快速開關系統並在優化次級側上的電晶體的開關時間之間的死區時間(dead time)方面存在困難。另外，圖1和圖2的驅動器配置中無法提供關於預偏壓起動和高輕載效率的二極體模擬。現在參見圖3，圖3示出可用來克服針對圖1和圖2闡述的低性能問題的有源PWM 驅動配置。圖3的有源PWM驅動配置具有施加於節點304的輸入電壓302。一對電容器306、 308連接在節點304和地之間。電容器306連接在節點304和節點310之間。電容器308 連接在節點310和地之間。初級側開關功率電晶體312具有連接在節點304和節點314之間的其漏極/源極路徑。開關功率電晶體316具有連接在節點314和地之間的其漏極/源極路徑。初級側電路在節點310和節點314處連接於變壓器318的初級側端子。變壓器318的次級側在節點320和節點322處連接於次級側電路。次級側還包括中央抽頭節點324。電感器3 連接在節點3M和節點3 之間。電容器330連接在輸出電壓節點238和地之間。次級側另外包括開關功率電晶體332和開關功率電晶體334。功率電晶體332具有連接在節點322和地之間的其漏極/源極路徑。電晶體334具有連接在節點320和地之間的其漏極/源極路徑。電晶體332和334的柵極另外接收來自驅動電路 336的控制信號，該驅動電路336提供高電流驅動、最佳的死區時間控制以及二極體模擬。 驅動電路336響應從初級側接收作為信號SRPWMl和SRPWM2的PWM控制信號產生至電晶體 332,334的柵極的驅動控制信號。由於這些信號跨變壓器邊界從初級側提供至次級側，因此需要電壓隔離電路338。這種配置具有高性能特點，但它難以獲得高密度實現。電壓隔離電路338的使用限制了電路的密度並增加了伴隨產生的成本。現在參見圖4，圖4示出在次級側上使用理想二極體有源自驅動整流的DC/DC變換器的又一現有技術實施例。輸入電壓Vin402施加於節點404。電容器406連接在節點404 和節點408之間。電容器410連接在節點408和地之間。第一開關功率電晶體412具有連接在節點404和節點414之間的其漏極/源極路徑。電晶體416具有連接在節點414和地之間的其漏極/源極路徑。初級側電路在節點408和節點414處連接於變壓器418的初級側。變壓器418的次級側在節點420和節點422處連接於次級側電路。變壓器418的次級側另外包括中央抽頭節點424。電感器4 連接在中央抽頭節點4M和節點4 之間。 節點4 包括用於提供電壓Vqut的輸出電壓節點。電容器430連接在節點4 和地之間。 次級側包括一對開關功率電晶體432、434。電晶體432的漏極/源極路徑連接在節點422 和地之間。電晶體434的漏極/源極路徑連接在節點420和地之間。電晶體432、434的柵極連接於驅動電路436，該驅動電路436提供通過電晶體432、434柵極的高電流驅動和擊穿保護。一對低偏移、高增益、高速比較器438在分別監視節點422、420處的電晶體432、434 的漏極電壓的同時向驅動電路436提供驅動控制信號。這種實現提供一種理想的二極體有源自驅動技術，這種技術提供具有自動二極體模擬和最佳死區時間控制的高性能、高密度方案。然而，這種方案不易實現並且由於比較器438造成的長的傳播延時而難以實現快速截止。現在參見圖5，圖5示出具有有源自驅動同步整流的DC/DC電壓變換器502。DC/ DC變換器502由初級側電路504和次級側電路506構成，初級側電路504和次級側電路506 經由變壓器508耦合在一起。將輸入電壓Vin提供給初級側電路504並經由變壓器508將其耦合於次級側電路506。次級側電路506提供輸出電壓VOTT。驅動器510監視來自次級側電路506的各路信號並將驅動控制信號提供給次級側電路506中的開關功率電晶體。驅動器510從信號成形電路512接收驅動控制信號。信號成形電路512響應從次級側電路506 中的各個節點監測到的電壓來將控制信號提供給驅動器510。現在參見圖6，圖6提供在半橋變換器電路中具有有源自驅動整流的DC/DC電壓變換器的示圖。這種配置提供易於實現的高性能、高密度配置。該裝置與50%佔空比總線變換器良好地工作。另外，當佔空比小於50%時，提供二極體快速恢復式整流(freewheeling)。 輸入電壓Vin602提供於節點604。第一電容器606連接在節點604和節點608之間。第二電容器610連接在節點608和地之間。第一開關功率電晶體612具有連接在節點604和節點614之間的其漏極/源極路徑。第二開關功率電晶體616具有連接在節點614和地之間的其漏極/源極路徑。變壓器618具有在節點608和節點614處連接於初級側電路的其初級側。變壓器618的次級側在節點620和節點622處連接於次級側電路。該次級側另外包括中央抽頭節點624。電感器擬6連接在中央抽頭節點擬4和節點擬8之間。節點擬8 包括提供輸出電壓Vqut的輸出電壓節點。電容器630連接在節點擬8和地之間。第一開關功率電晶體632具有連接在節點622與地之間的其漏極/源極路徑。第二開關功率電晶體 634具有連接在節點620和地之間的其漏極/源極路徑。電晶體632和電晶體634的每一個的柵極被連接成從驅動電路636接收驅動信號。驅動電路636在預偏壓起動過程中提供高電流驅動、最佳死區時間控制和二極體模擬能力。還連接驅動電路636以監測每個電晶體632、634的漏極電壓和源極電壓。驅動器 636包括電容器638。驅動器636分別從信號成形電路640、642接收第一 PWM信號(PWMl) 和第二 PWM信號(PWlC)。信號成形電路640監測在節點620處電晶體634的漏極處的電壓。信號成形電路642則監測在節點622處電晶體632的漏極處的漏極電壓，並響應於此產生成形的信號。現在參見圖7，在關聯實施例中，DC/DC變換器包括在有源前向鉗位變換器中的有源自驅動整流。在該有源前向鉗位變換器配置中，在節點704將輸入電壓702施加於變壓器706的初級側的輸入。變壓器706的初級側的另一輸入來自節點708。電容器710連接在節點708和節點712之間。第一開關電晶體功率714具有連接在節點708和地之間的其漏極/源極路徑。第二開關功率電晶體716具有連接在節點712和地之間的其漏極/源極路徑。變壓器706的次級側在節點718和節點720處連接於次級側電路。電感器722連接在節點718和節點7M之間。節點7M包括用於提供輸出電壓Vqut的輸出電壓節點。電容器7 連接在節點7M和地之間。次級側上的第一開關功率電晶體7 具有連接在節點
7720和地之間的其漏極/源極路徑。第二開關功率電晶體730具有連接在節點718和地之間的其漏極/源極路徑。電晶體728、730的每一個的柵極被連接成從驅動控制電路732接收驅動控制信號。驅動電路732在預偏壓起動過程中提供高電流驅動、最佳死區時間控制和二極體模擬能力。驅動電路分別經由控制線734、736向電晶體728、730的柵極提供驅動控制信號。驅動電路732監測每個電晶體728、730的各個漏極電壓和源極電壓。驅動電路 732還包括電容器738。該驅動電路732還分別從信號成形電路740、742接收PWM 1控制信號和PWM 2控制信號。信號成形電路740監測在節點718處開關功率電晶體730的漏極電壓。信號成形電路742監測在節點720處開關功率電晶體728的漏極電壓並響應於此產生成形的信號。現在參見圖8，圖8示出圖6和圖7中討論的信號成形電路的一個實施例。在圖8 的實施例中，信號成形電路包括具有到此的輸入和輸出的比較器802。電阻器804連接在自驅動比較器802的輸入和地之間。自驅動比較器接收輸入信號INB，該輸入信號INB通過電阻器805連接於來自次級側開關功率電晶體之一的漏極電壓。如果INB低於例如0. 7伏的截止閾值，則輸出OUTB變低並保持低長達最少200納秒。如果自驅動比較器802的輸入大於例如0. 9伏的導通閾值，則OUTB信號變高並保持高長達最少200納秒。可調整電阻器 805以針對集成電阻器804和比較器802實現的不同輸出電壓將相同的閾值匹配到驅動器 IC。現在參見圖9，圖6和圖7的信號成形電路640、642、740和742可包括數種配置。 圖9中示出一種這樣的配置。電路的節點902連接於相聯的開關功率電晶體的漏極電壓而節點904連接於相聯的開關功率電晶體的源極電壓。電容器906連接在節點902和節點 908之間。電阻器910連接在節點908和節點912之間。齊納二極體914的陰極連接於節點912而其陽極連接於節點904。電阻器916與電容器906和電阻器910並聯於節點902 和節點912之間。電阻器918與齊納二極體914並聯於節點912和節點904之間。比較器 920的非反相輸入端連接於節點912並且其反相輸入端被連接成接收基準電壓922，所述基準電壓922連接在比較器920的反相輸入端和節點904之間。比較器920的輸出從節點 924提供PWM信號，該PWM信號被提供給相聯電路的驅動電路。反饋電阻器擬6連接在節點 924處的比較器輸出和節點912處其非反相輸入之間。使用圖6-圖8的前述電路，可通過形成變壓器次級繞組信號分別針對驅動電晶體 Ql和Q2產生同步MOSFET驅動PWM信號，從而省去來自初級側控制器的PWM信號的需要。 這允許在電路的次級側產生PWM信號而無需圖3所示實現中所必須的在初級側和次級側之間的電壓隔離。另外，能獲得比關於圖1、2和圖4所述的實現更高的有源驅動電路性能。已細閱本公開的本領域內技術人員能理解，該具有有源自驅動同步整流的DC/DC 功率變換器提供有效的、低密度配置。應當理解的是，本文中的附圖和詳細描述應被認為是解說性而不是限制方式的，而且不旨在受限於所公開的特定形式和示例。反之，如所附權利要求所限定地，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，所包括的是對本領域的普通技術人員而言顯而易見的任何進一步修改、變化、重新排列、替換、替代物、設計選擇以及實施例。因此，旨在使所附權利要求被解釋為包含所有這些進一步修改、變化、重新排列、替換、 替代物、設計選擇以及實施例。
權利要求
1.一種DC/DC電壓變換器，包括 包含初級側和次級側的變壓器；連接於初級側的初級側電路，所述初級側電路包括第一對開關電晶體並接收輸入電壓，所述第一對開關電晶體響應於來自變壓器的初級側的第一控制信號受到控制；連接於次級側的次級側電路，所述次級側電路包括第二對開關電晶體並提供輸出電壓，所述第二對開關電晶體響應來自變壓器的次級側的第二控制信號受到控制；響應第二對開關電晶體的每個電晶體處的漏極和源極電壓以及第一和第二 PWM控制信號產生第二控制信號的驅動電路；以及響應第二對開關電晶體中的每個電晶體的漏極電壓提供第一和第二 PWM控制信號的信號成形電路。
2.如權利要求1所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述變壓器、初級側電路和次級側電路處於半橋配置。
3.如權利要求1所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述變壓器、初級側電路和次級側電路處於有源前向鉗位配置。
4.如權利要求1所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述驅動電路提供高電流驅動。
5.如權利要求1所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述驅動電路提供第二對開關電晶體之間的死區時間控制。
6.如權利要求1所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述驅動電路提供第二對電晶體的二極體模擬。
7.如權利要求1所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述信號成形電路還包括 響應第二對開關電晶體的第二電晶體的漏極電壓產生第一 PWM信號的第一信號成形電路；以及響應第二對開關電晶體的第一電晶體的漏極電壓產生第二 PWM信號的第二信號成形電路。
8.如權利要求7所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述第一信號成形電路還進一步響應所述第二電晶體的源極電壓產生第一 PWM信號，並且所述第二信號成形電路還進一步響應所述第一電晶體的源極電壓產生第二 PWM信號。
9.一種DC/DC電壓變換器，包括 包含初級側和次級側的變壓器；連接於初級側的初級側電路，所述初級側電路包括第一對開關電晶體並接收輸入電壓，所述第一對開關電晶體響應於來自變壓器的初級側的第一控制信號受到控制；連接於次級側的次級側電路，所述次級側電路包括第二對開關電晶體並提供輸出電壓，所述第二對開關電晶體響應來自變壓器的次級側的第二控制信號受到控制；響應第二對開關電晶體的每個電晶體處的漏極和源極電壓以及第一和第二 PWM控制信號產生第二控制信號的驅動電路；響應第二對開關電晶體的第二電晶體的漏極電壓產生第一 PWM信號的第一信號成形電路；以及響應第二對開關電晶體的第一電晶體的漏極電壓產生第二 PWM信號的第二信號成形電路。
10.如權利要求9所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述變壓器、初級側電路和次級側電路處於半橋配置。
11.如權利要求9所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述變壓器、初級側電路和次級側電路處於有源前向鉗位配置。
12.如權利要求9所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述驅動電路提供高電流驅動。
13.如權利要求9所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述驅動電路提供第二對開關電晶體之間的死區時間控制。
14.如權利要求9所述的DC/DC電壓變換器，其特徵在於，所述驅動電路提供第二對電晶體的二極體模擬。
15.一種運作DC/DC電壓變換器的方法，所述方法包括以下步驟接收輸入電壓；切換接收輸入電壓的變壓器的初級側上的第一對電晶體；將變壓器的初級側上的電壓耦合於所述變壓器的次級側；響應驅動信號切換所述變壓器的次級側上的第二對電晶體；響應所述第二對電晶體的漏極電壓和源極電壓以及第一 PWM信號和第二 PWM信號以在所述變壓器的次級側上產生驅動信號；以及響應第二對開關電晶體中的每個電晶體的漏極電壓產生第一和第二 PWM控制信號。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，還包括在所述第二對開關電晶體之間提供死區時間控制的步驟。
17.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，還包括提供所述第二對電晶體的二極體模擬的步驟。
18.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述產生第一PWM和第二 PWM控制信號的步驟還包括以下步驟響應第二對開關電晶體中的第二電晶體的漏極電壓產生第一 PWM信號；以及響應第二對開關電晶體中的第一電晶體的漏極電壓產生第二 PWM信號。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述產生第一PWM信號的步驟還包括進一步響應所述第二電晶體的源極電壓產生第一 PWM信號的步驟，並且其中所述產生第二 PWM 信號的步驟還包括進一步響應所述第一電晶體的源極電壓來產生第二 PWM信號的步驟。
20.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述產生第一PWM和第二 PWM控制信號的步驟還包括將所述第二對電晶體的漏極電壓信號成形以產生第一 PWM和第二 PWM控制信號的步驟。
全文摘要
一種DC/DC電壓變換器包括具有初級側和次級側的變壓器。初級側電路連接於初級側並包括第一對開關電晶體並接收輸入電壓，所述第一對開關電晶體響應於來自變壓器的初級側的第一控制信號受到控制。次級側電路連接於次級側並包括第二對開關電晶體並提供輸出電壓，所述第二對開關電晶體響應來自變壓器的次級側的第二控制信號受到控制。驅動電路響應第二對開關電晶體的每個電晶體處的漏極和源極電壓以及第一和第二PWM控制信號產生第二控制信號。信號成形電路響應第二對開關電晶體中的每個電晶體的漏極電壓提供第一和第二PWM控制信號。
文檔編號H02M3/335GK102263509SQ20111015030
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月23日 優先權日2010年5月24日
發明者F·格林費德, 梁志翔, 裘衛紅, 詹曉東 申請人:英特賽爾美國股份有限公司