專利名稱：用于非最佳復位次級電壓的自驅動同步整流電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種DC至DC功率轉換電路，更具體地說，涉及一種具有用于在一部分切換周期中保持在零電壓電平的非最佳復位次級電壓的自驅動同步整流電路的功率轉換器。
背景技術：
在本領域中公知一種自驅動同步整流電路以在DC至DC功率轉換電路中用于提供在正和負值之間交替的電壓的整流。附圖1提供了常規(guī)的自驅動同步整流電路的實例。
更具體地說，附圖1的自驅動同步整流電路提供在具有初級繞組22和次級繞組24的變壓器20的次級側上。自驅動同步整流電路包括第一和第二整流器12，14，每個整流器由MOSFET器件(例如n-溝道增強型MOSFET)形成。第一整流器12具有連接到變壓器次級繞組24的第一端A的漏極端子，第二整流器14具有連接到變壓器次級繞組的第二端B的漏極端子。第一整流器12的柵極端子通過限流電阻器16連接到變壓器次級繞組的第二端子B并通過電阻器17接地。第二整流器14的柵極端子通過限流電阻器18連接到變壓器次級繞組的第一端子A并通過電阻器19接地。第一和第二整流器12，14的源極端子耦合到地端。同步整流電路提供在正端子和地端之間的輸出電壓(Vout)。該正端子通過輸出存儲扼流圈26耦合到變壓器的第二端B。電容器28耦合在正端和地端之間以對整流的輸出電壓(Vout)的高頻分量進行濾波。
參考附圖2a的時序圖說明附圖1的自驅動同步整流電路的操作，附圖2a描述了變壓器的次級繞組的B和A端之間的電壓(VB-A)。在附圖2a中，電壓VB-A所示為具有預定的占空比的一系列的矩形脈沖，該脈沖在正電壓和負電壓之間交替變化。在電壓VB-A是正的時，即在端子B上的電壓相對于在端子A上的電壓是正的，第一整流器12接通而第二整流器14切斷。這使電流通路經(jīng)過第一整流器12、變壓器次級繞組24和存儲扼流圈26以給輸出端子輸送功率。相反，在電壓VB-A是負的時，即在端子B上的電壓相對于在端子A上的電壓是負的，第一整流器12切斷而第二整流器14接通。這就形成了通過第二整流器14和存儲扼流圈26將在該周期的前面部分中存儲在阻流器26中的磁化電流輸送給輸出端子的通路。
僅在正周期部分將功率輸送給變壓器的次級側。負周期部分用于使變壓器復位。第一整流器12一般被稱為“正向”同步整流器，因為它用于在正功率周期部分中從變壓器20給輸出端子傳輸電流。第二整流器14被稱為“續(xù)流(free wheeling)”同步整流器，因為它用于在負功率周期部分中并且在變壓器20正復位時給輸出端子傳輸電流。在以附圖2a所描述的次級電壓運行時，整流器12，14的柵極驅動通過MOSFET器件的體二極管與電流同步。換句話說，在次級電壓具有在附圖2a的形式的“最佳復位”波形時有很小的電流流經(jīng)MOSFET器件的體二極管。
附圖1的自驅動同步整流電路的嚴重缺陷在于在通過在變壓器20上的“非最佳復位”次級電壓驅動MOSFET器件驅動時它的效率極大地降低。附圖2b描述了一種“非最佳復位”次級電壓波形，其中在一個切換周期的一部分中電壓VB-A仍然保持在零電平。具體地說，在負電壓狀態(tài)之后(復位)和在接下來的正電壓狀態(tài)之前發(fā)生了零電壓狀態(tài)。在次級電壓VB-A為零時，第一整流器12和第二整流器14切斷。在切換周期的零電壓部分中通過第二整流器14的體二極管傳輸存儲扼流圈26的磁化電流。所不希望的是MOSFET器件12，14的體二極管在切換周期的主要部分中傳輸電流，這是因為它們產(chǎn)生了電壓降，這種電壓將導致了實質的功率損耗，即降低了效率。
因此，希望提供一種具有自驅動同步整流電路的功率轉換器，該功率轉換器能夠克服已有技術的這些和其它缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有用于在一部分切換周期中通過保持在零電壓電平的非最佳復位次級電壓波形有效操作的自驅動同步整流電路的功率轉換器。
更具體地說，該功率轉換器電路包括具有初級繞組和次級繞組的變壓器，其中在它的一部分功率周期上給初級繞組輸送保持在零電壓電平的非最佳復位波形。第一同步整流器與次級繞組的第一端串聯(lián)并受在次級繞組的第二端上的電壓控制。第二同步整流器與次級繞組的第二端串聯(lián)，并通過存儲扼流圈進一步連接到功率轉換器的輸出端子。飽和電抗器串聯(lián)連接在第一同步整流器和次級繞組的第一端之間。開關器件連接到次級繞組的第一端并受在次級繞組的第二端上的電壓控制。開關器件進一步控制第二同步整流器。電容器連接到第二同步整流器，并通過開關器件的操作進行充電以在非最佳復位波形的零電壓電平部分中將第二同步整流器保持在導通狀態(tài)。一旦過渡到在零電壓電平部分之后的波形的正電壓電平部分，電容器通過開關器件放電。飽和電抗器阻止電流流經(jīng)第一同步整流器足夠長的時間周期以允許電容器放電。
在本發(fā)明的一種實施例中，第一同步整流器進一步包括具有通過飽和電抗器連接到次級繞組的第一端的漏極端子、連接到次級繞組的第二端的柵極端子和接地的源極端子。第二同步整流器進一步包括具有連接到次級繞組的第二端的漏極端子、柵極端子和接地的源極端子的第二MOSFET。第二MOSFET的漏極端子通過存儲扼流圈進一步連接到功率轉換器的輸出端子。開關器件進一步包括具有連接到第二MOSFET的柵極端子的漏極端子、連接到次級繞組的第一端的源極端子和連接到次級繞組的第二端的柵極端子的第三MOSFET。電容器連接在第二MOSFET的柵極端子和地端之間。通過流經(jīng)第三MOSFET的體二極管的電流對該電容器進行充電以在波形的零電壓電平部分將第二MOSFET保持在導通狀態(tài)。
在本發(fā)明第二實施例中，次級繞組進一步包括每個都具有相應的第一和第二端的第一次級繞組和第二次級繞組，其中初級繞組和次級繞組具有相反的極性。第一同步整流器進一步包括具有連接到第一次級繞組的第一端的漏極端子、連接到第二次級繞組的第一端的柵極端子和接地的源極端子的第一MOSFET。開關器件進一步包括具有連接到第二MOSFET的柵極端子的漏極端子、連接到第二次級繞組的第二端的源極端子和連接到第二次級繞組的第一端的柵極端子的第三MOSFET。觸發(fā)器電路耦合到第二次級繞組的第一和第二端。觸發(fā)器電路可替換地將第二次級繞組中的第一和第二端中的一個耦合到地端。
在本發(fā)明第三實施例中，次級繞組進一步包括每個都具有相應的第一和第二端的第一次級繞組和第二次級繞組，其中初級繞組和次級繞組具有相反的極性。第二次級繞組進一步包括連接地端的中心抽頭。第一同步整流器進一步包括具有連接到第一次級繞組的第一端的漏極端子、連接到第二次級繞組的第一端的柵極端子和接地的源極端子的第一MOSFET。開關器件進一步包括具有連接到第二MOSFET的柵極端子的漏極端子、連接到第二次級繞組的第二端的源極端子和接地的柵極端子的第三MOSFET。
通過下文對優(yōu)選實施例的詳細描述，本領域普通的技術人員能夠更加完整地理解本發(fā)明的用于非最佳復位次級電壓功率轉換器的自驅動同步整流電路及其附加的優(yōu)點和目的。下文將參考附圖，首先簡要地描述附圖。


附圖1所示為已有技術的自驅動同步整流電路的示意圖；附圖2a-2b所示分別為用于最佳復位正向轉換器和非最佳復位正向轉換器的次級電壓波形；附圖3所示為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的自驅動同步整流電路的示意圖；附圖4所示為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的自驅動同步整流電路的示意圖；附圖5所示為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的自驅動同步整流電路的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明能夠滿足對自驅動同步整流電路的需要，這種自驅動同步整流電路通過在一部分切換周期中保持在零電壓電平的非最佳復位次級電壓有效運行。在下文的詳細描述中，相同的單元標號用于描述在一個或多個附圖中所示的類似單元。
現(xiàn)在參考附圖3，示出了根據(jù)本發(fā)明構造的自驅動同步整流電路的一種實施例。該實施例希望使用在附圖2b中所示的非最佳復位次級電壓。同步整流電路不同于已有技術的電路，其中第二整流器14的柵極端子由第三MOSFET器件32驅動。MOSFET器件32具有連接到變壓器次級繞組24的B側的柵極端子、連接到變壓器次級繞組的A側的源極端子和通過限流電阻器18連接到第二整流器14的柵極端子的漏極端子。電容器34連接在第二整流器14的柵極端子和地端之間。飽和電抗器36串聯(lián)連接在變壓器次級繞組24的A側和第一整流器12的漏極端子之間。飽和電抗器36可以包括鐵氧體磁頭，這種鐵氧體磁頭開始出現(xiàn)高阻抗，然后通過流過的電流使阻抗下降迅速地變得飽和。換句話說，飽和電抗器36起磁性開關的作用，該磁性開關在阻塞周期(開關切斷)中具有高阻抗特性，而在飽和(開關切斷)時具有低阻抗特性。
現(xiàn)在參考就附圖2b中所示的正向轉換器切換周期來描述附圖3的自驅動同步整流電路的操作。在電壓VB-A變?yōu)檎?，即在變壓器端B上電壓相對于在端A的端部上電壓變?yōu)檎埃诙髌?4接通并且第一整流器12切斷。在電壓VB-A從零切換到正時，第三MOSFET器件32接通，由此允許電容器34放電。飽和電抗器36在很短暫的時間周期(比如幾百納秒)中提供高阻抗以允許電容器34的放電時間。只要飽和電抗器36飽和，電流開始流經(jīng)第一整流器12。如果不存在飽和電抗器36，則第一整流器12和第二整流器14兩者同時導通。這就在變壓器次級繞組24上造成短路，這種短路可能損壞同步整流電路。飽和電抗器36保護同步整流電路以免受到這種可能的短路的損壞。一旦飽和電抗器36飽和，則電流開始流經(jīng)第一整流器12、變壓器次級繞組24和存儲扼流圈26以給同步整流電路的輸出端子輸送功率。同時，第一整流器12的柵極端子通過限流電阻器16保持在正電壓。
在電壓VB-A從正切換到負時，即在變壓器端B上的電壓相對于在端A上電壓為負時，第一整流器12切斷。流經(jīng)第一整流器12的負載電流下降為零，在第一整流器12上的漏極電壓開始上升。第二整流器14的柵極端子通過流經(jīng)第三MOSFET器件32的體二極管和限流電阻器18的電流進行充電，使第二整流器14接通。電容器34將電荷保持在第二整流器14的柵極端子上，由此將第二整流器14保持接通。這就形成以與已有技術的電路相同的方式將在切換周期的前面部分中存儲在扼流圈26中的磁化電流通過第二整流器14和存儲扼流圈26輸出到輸出端子的通路。在該周期的負部分結束時，電壓VB-A從負切換到零。然而，第二整流器14通過存儲在電容器34中的電荷仍然保持接通。結果，在該周期的前面部分中存儲在扼流圈26中的電流繼續(xù)經(jīng)過第二整流器14，而不經(jīng)過第二整流器14的體二極管。在電壓VB-A從零到正切換回來時，該周期再次重復。
附圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的自驅動同步整流電路的第二實施例。除了初級繞組22以外，變壓器20還包括第一次級繞組24和第二次級繞組25。第一和第二次級繞組24，25具有相反的極性。第一整流器12具有通過飽和電抗器36連接到第一次級繞組24的第一端A的漏極端子，而第二整流器14具有連接到第一次級繞組24的第二端B的漏極端子。第一整流器12的柵極端子通過限流電阻器16連接到第二次級繞組25的第一端A。與前述實施例一樣，由第三MOSFET器件32驅動第二整流器14的柵極端子。MOSFET器件32具有連接到第二次級繞組25的第一端A的柵極端子、連接到第二次級繞組25的第二端B的源極端子和通過限流電阻器18連接到第二整流器14的柵極端子的漏極端子。
第二實施例進一步包括兩個附加的MOSFET器件42，44以提供觸發(fā)器件。具體地說，MOSFET器件42具有連接到第二次級繞組25的第一端A的漏極端子、連接到第二次級繞組25的第二端B的柵極端子和接地的源極端子。同樣地，MOSFET器件44具有連接到第二次級繞組25的第二端B的漏極端子、連接到第二次級繞組25的第一端A的柵極端子和接地的源極端子。MOSFET器件42，44起可替換地將第二次級繞組25的一側連接到地端的作用。
應用在第二次級繞組25上控制第三MOSFET器件32和第一和第二整流器12，14的柵極的電壓，附圖4的自驅動同步整流電路的第二實施例的操作類似于前述的實施例。在電壓VB-A變?yōu)檎?，第二整流?4接通，而第一整流器12切斷。在電壓VB-A從零切換到正時，由于在第二次級繞組25的第一端A上的正電壓的緣故，第一整流器12和第三MOSFET器件32接通，該正電壓使電容器34放電。此外，MOSFET器件44接通，由此將在第二次級繞組25的第二端B接地。只要飽和電抗器36飽和，則電流開始流經(jīng)第一整流器12、第一次級繞組24和存儲扼流圈26以給同步整流電路的輸出端子輸送功率。在電壓VB-A從正切換到負時，第一整流器12和MOSFET器件44切斷。此外，MOSFET器件42接通，由此將第二次級繞組25的第一端A接地。與前文一樣，第二整流器14的柵極端子通過流經(jīng)第三MOSFET器件32的體二極管和限流電阻器18的電流充電，由此對電容器34進行充電并接通第二整流器14。與已有技術電路的方式一樣，這就形成了將在切換周期的前面部分中存儲在扼流圈26中的磁化電流經(jīng)過第二整流器14和存儲扼流圈26輸送到輸出端子的通路。在電壓VB-A從負切換到零時，通過存儲在電容器34中的電荷第二整流器14仍然保持接通，在該周期的前面部分中存儲在扼流圈26中的電流繼續(xù)流經(jīng)第二整流器14。
附圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的自驅動同步整流電路的第三實施例。在本實施例中，變壓器20包括第一次級繞組24和第二次級繞組45。第二次級繞組45具有接地的中心抽頭，由此有效地形成了兩個分離的繞組。第一次級繞組24和第二次級繞組45具有相反的極性。第一整流器12的柵極端子通過限流電阻器16連接到第二次級繞組45的第一端A。如前述實施例一樣，通過第三MOSFET器件32驅動第二整流器14的柵極端子。MOSFET器件32具有接地的柵極端子、連接到第二次級繞組45的第二端B的源極端子和通過限流電阻器18連接到第二整流器14的柵極端子的漏極端子。
應用在第二次級繞組25上控制第三MOSFET器件32和第一和第二整流器12，14的柵極的電壓，附圖5的自驅動同步整流電路的第三實施例的操作類似于前述的實施例。在電壓VB-A變?yōu)檎?，第二整流?4接通，而第一整流器12切斷。在電壓VB-A從零切換到正時，由于在第二次級繞組45的第一端A上的正電壓的緣故，第一整流器12和第三MOSFET器件32接通，這使電容器34放電。只要飽和電抗器36飽和，則電流開始流經(jīng)第一整流器12、第一次級繞組24和存儲扼流圈26以給同步整流電路的輸出端子輸送功率。在電壓VB-A從正切換到負時，第一整流器12和MOSFET器件32切斷。與前文一樣，第二整流器14的柵極端子通過流經(jīng)第三MOSFET器件32的體二極管和限流電阻器18的電流充電，由此對電容器34進行充電并接通第二整流器14。與已有技術電路的方式一樣，這就形成了將在切換周期的前面部分中存儲在扼流圈26中的磁化電流經(jīng)過第二整流器14和存儲扼流圈26輸送到輸出端子的通路。在電壓VB-A從負切換到零時，第二整流器14通過存儲在電容器34中的電荷仍然保持接通，在該周期的前面部分中存儲在扼流圈26中的電流繼續(xù)流經(jīng)第二整流器14。
在前述的實施例中，使用第二次級繞組25，45控制整流器12，14以及第三MOSFET器件32的柵極，由此提供了一定的優(yōu)點。首先，可以選擇第一和第二次級繞組24，25的匝數(shù)比以實現(xiàn)較寬范圍的輸出電壓VOUT的可量測性而不影響第一和第二整流器12，14和第三MOSFET器件32的柵極特性。其次，第二次級繞組25提供了與第一次級繞組24的隔離，這允許輸出端子與其它的DC至DC功率轉換器的并聯(lián)連接而不必使用隔離二極管來保護同步整流器12，14。
雖然已經(jīng)描述了使用非最佳復位驅動電壓的自驅動同步整流電路的優(yōu)選實施例，但是很顯然，對于本領域的普通技術人員來說已經(jīng)實現(xiàn)了前述系統(tǒng)的某些優(yōu)點。還應該理解的是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以對本發(fā)明作出各種變化、修改和變型實施例。通過下面的權利要求進一步定義本發(fā)明。
權利要求
1.一種功率轉換器電路，包括具有初級繞組和次級繞組的變壓器，所說的次級繞組具有第一端和第二端，在它的一部分功率周期上給所說的初級繞組輸送保持在零電壓電平的周期電壓波形；與所說的次級繞組的第一端串聯(lián)并受在所說的次級繞組的所說的第二端上的電壓控制的第一同步整流器；與所說的次級繞組的第二端串聯(lián)的第二同步整流器，所說的第二同步整流器通過存儲扼流圈進一步連接到所說的功率轉換器電路的輸出端子；串聯(lián)連接在所說的第一同步整流器和所說的次級繞組的所說的第一端之間的飽和電抗器；連接到所說的次級繞組的所說的第一端并受在所說的次級繞組的所說的第二端上的電壓控制的開關器件，所說的開關器件進一步控制所說的第二同步整流器；以及連接到所說的第二同步整流器的電容器，所說的電容器通過所說的開關器件的操作進行充電以在所說的周期電壓波形的所說的零電壓電平部分中將所說的第二同步整流器保持在導通狀態(tài)，其中一旦過渡到在所說的零電壓電平部分之后的所說的周期電壓波形的正電壓電平部分，所說的電容器通過所說的開關器件放電，并且所說的飽和電抗器阻止電流流經(jīng)所說的第一同步整流器足夠長的時間周期以允許所說的電容器放電。
2.權利要求1所述的功率轉換器電路，其中所說的周期波形進一步包括非最佳復位波形。
3.權利要求1所述的功率轉換器電路，其中所說的第一同步整流器進一步包括具有連接到所說的次級繞組的所說的第一端的漏極端子、連接到所說的次級繞組的所說的第二端的柵極端子和接地的源極端子的第一MOSFET。
4.權利要求3所述的功率轉換器電路，其中所說的第二同步整流器進一步包括具有連接到所說的次級繞組的所說的第二端的漏極端子、柵極端子和接地的源極端子的第二MOSFET，所說的第二MOSFET的所說的漏極端子通過所說的存儲扼流圈進一步連接到所說的功率轉換器電路的所說的輸出端子。
5.權利要求3所述的功率轉換器電路，其中所說的飽和電抗器串聯(lián)連接在所說的第一MOSFET的所說的漏極端子和所說的次級繞組的所說的第一端之間。
6.權利要求4所述的功率轉換器電路，其中所說的開關器件進一步包括具有連接到所說的第二MOSFET的所說的柵極端子的漏極端子、連接到所說的次級繞組的所說的第一端的源極端子和連接到所說的次級繞組的所說的第二端的柵極端子的第三MOSFET。
7.權利要求6所述的功率轉換器電路，其中所說的電容器連接在所說的第二MOSFET的所說的柵極端子和地端之間。
8.權利要求7所述的功率轉換器電路，其中通過流經(jīng)所說的第三MOSFET的體二極管的電流對所說的電容器進行充電以在所說的周期電壓波形的所說的零電壓電平部分中將所說的第二MOSFET保持在所說的導通狀態(tài)。
9.權利要求1所述的功率轉換器電路，其中所說的第一和第二同步整流器進一步包括n-溝道增強型MOSFET。
10.權利要求1所述的功率轉換器電路，其中所說的開關器件進一步包括n-溝道增強型MOSFET。
11.權利要求1所述的功率轉換器電路，其中所說的次級繞組進一步包括第一次級繞組和第二次級繞組，并且每個繞組都具有相應的第一和第二端。
12.權利要求11所述的功率轉換器電路，其中所說的第一和第二次級繞組具有相反的極性。
13.權利要求11所述的功率轉換器電路，其中所說的第一同步整流器進一步包括具有連接到所說的第一次級繞組的所說的第一端的漏極端子、連接到所說的第二次級繞組的所說的第一端的柵極端子和接地的源極端子的第一MOSFET。
14.權利要求13所述的功率轉換器電路，其中所說的開關器件進一步包括具有連接到所說的第二MOSFET的所說的柵極端子的漏極端子、連接到所說的第二次級繞組的所說的第二端的源極端子和連接到所說的第二次級繞組的所說的第一端的柵極端子的第三MOSFET。
15.權利要求17所述的功率轉換器電路，進一步包括耦合到所說的第一和第二次級繞組的第一和第二端的觸發(fā)器電路，所說的觸發(fā)器電路將所說的第二次級繞組的所說的第一和第二端交替地耦合到地端。
16.權利要求11所述的功率轉換器電路，其中所說的第二次級繞組進一步包括接地的中心抽頭。
17.權利要求16所述的功率轉換器電路，其中所說的開關器件進一步包括具有連接到所說的第二MOSFET的所說的柵極端子的漏極端子、連接到所說的第二次級繞組的所說的第二端的源極端子和接地的柵極端子的第三MOSFET。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于非最佳復位次級電壓的自驅動同步整流電路，其中的功率轉換器具有自驅動同步整流電路，該自驅動同步整流電路能夠以在一部分切換周期中保持在零電壓電平的非最佳復位次級電壓波形有效地運行。該功率轉換器電路包括具有初級繞組和次級繞組的變壓器，其中在它的一部分功率周期上給初級繞組輸送保持在零電壓電平的非最佳復位波形。第一同步整流器與次級繞組的第一端串聯(lián)并受在次級繞組的第二端上的電壓控制。第二同步整流器與次級繞組的第二端串聯(lián)，并通過存儲扼流圈進一步連接到功率轉換器的輸出端子。飽和電抗器串聯(lián)連接在第一同步整流器和次級繞組的第一端之間。開關器件連接到次級繞組的第一端并受在次級繞組的第二端上的電壓控制。開關器件進一步控制第二同步整流器。電容器連接到第二同步整流器，并通過開關器件的操作進行充電以在非最佳復位波形的零電壓電平部分中將第二同步整流器保持在導通狀態(tài)。一旦過渡到在零電壓電平部分之后的波形的正電壓電平部分，電容器通過開關器件放電。飽和電抗器阻止電流流經(jīng)第一同步整流器足夠長的時間周期以允許電容器放電。
文檔編號H02M3/335GK1620746SQ01809146
公開日2005年5月25日 申請日期2001年4月4日 優(yōu)先權日2000年4月6日
發(fā)明者阿姆利特·P.·帕特爾 申請人:大動力公司