專利名稱：同步整流器驅(qū)動電路、其操作方法和并入其的功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請一般地涉及功率轉(zhuǎn)換器，并且更特別是，涉及自驅(qū)動同步整流器驅(qū)動電路、該自驅(qū)動同步整流器驅(qū)動電路的操作方法和并入該自驅(qū)動同步整流器驅(qū)動電路的功率轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
常規(guī)的自驅(qū)動同步整流器不適合于用在被設(shè)計為適應(yīng)相對大的輸入電壓范圍(比如，當(dāng)最大輸入電壓大于最小輸入電壓的大約三倍時)的功率轉(zhuǎn)換器中。這是因為當(dāng)輸入電壓位于所述范圍的上半部時用于同步整流器的箝位電壓變得過大，所述箝位電壓從變壓器得到并被設(shè)計為當(dāng)輸入電壓最小時剛好夠。同步整流器驅(qū)動電路系統(tǒng)中產(chǎn)生的功率耗散和發(fā)熱使得功率轉(zhuǎn)換器無效率地、難以進(jìn)行冷卻并遇到故障。避免所述問題的一種方式是避免從變壓器得到箝位電壓?？商鎿Q技術(shù)涉及將控制信號從轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)傳送到次級側(cè)。不幸的是，控制信號不僅必須被比如數(shù)字隔離電路隔離，而且還必須用比如RC延遲電路延遲。避免了上述效率、熱量和可靠性問題，但是所需的控制電路復(fù)雜，使得它的布局和制造成本對于許多實際應(yīng)用不實用。

發(fā)明內(nèi)容
一方面提供一種用于同步整流器的驅(qū)動電路。在一個實施例中，驅(qū)動電路包括
(I)第一驅(qū)動電路級，第一驅(qū)動電路級被構(gòu)造為從與同步整流器耦合的變壓器的次級繞組得到用于至少一個驅(qū)動信號的時序；和(2)第二驅(qū)動電路級，第二驅(qū)動電路級與第一驅(qū)動電路級耦合，并被構(gòu)造為利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于該至少一個驅(qū)動信號的功率，并將該至少一個驅(qū)動信號施加于同步整流器中的至少一個同步整流器開關(guān)的至少一個控制端子。另一方面提供一種驅(qū)動同步整流器的方法。在一個實施例中，該方法包括(I)通過第一驅(qū)動電路級從與同步整流器耦合的變壓器的次級繞組得到用于至少一個驅(qū)動信號的時序；(2)通過第二驅(qū)動電路級利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于該至少一個驅(qū)動信號的功率；和(3)將該至少一個驅(qū)動信號施加于同步整流器中的至少一個同步整流器開關(guān)的至少一個控制端子。又一方面提供一種功率轉(zhuǎn)換器。在一個實施例中，功率轉(zhuǎn)換器包括(I)初級側(cè)，初級側(cè)包括至少一個初級側(cè)開關(guān)，并被構(gòu)造為適應(yīng)大于最小輸入電壓的大約三倍的最大輸入電壓；(2)次級側(cè)，次級側(cè)包括具有至少一個同步整流器開關(guān)的同步整流器；(3)變壓器鐵心，變壓器鐵心將初級側(cè)與次級側(cè)耦合；和(4)用于同步整流器的驅(qū)動電路。在一個實施例中，驅(qū)動電路包括(I)第一驅(qū)動電路級，第一驅(qū)動電路級被構(gòu)造為從變壓器的次級繞組得到用于至少一個驅(qū)動信號的時序；和(2)第二驅(qū)動電路級，第二驅(qū)動電路級與第一驅(qū)動電路級耦合，并被構(gòu)造為利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于該至少一個驅(qū)動信號的功率，并將該至少一個驅(qū)動信號施加于至少一個同步整流器開關(guān)的至少一個控制端子。


現(xiàn)在參考結(jié)合附圖的以下描述，在附圖中圖1是具有同步整流器的功率轉(zhuǎn)換器的框圖，本文所述的各個實施例的驅(qū)動電路可與該同步整流器一起操作；圖2是用在正向轉(zhuǎn)換器中的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的示意圖；圖3是用在推-推轉(zhuǎn)換器中的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的示意圖；圖4是本文所述的同步整流器驅(qū)動電路的時序圖；圖5是用在正向轉(zhuǎn)換器中的、由其次級功率繞組驅(qū)動的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的示意圖；圖6是用在推-推轉(zhuǎn)換器中的、由其次級功率繞組驅(qū)動的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的不意圖；圖7是用在正向轉(zhuǎn)換器中的、其柵極放電二極管在第一可替換構(gòu)造中的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的示意圖；圖8是用在推-推轉(zhuǎn)換器中的、其柵極放電二極管在第一可替換構(gòu)造中的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的示意圖；圖9是用在正向轉(zhuǎn)換器中的、其柵極放電二極管在第二可替換構(gòu)造中的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的示意圖；圖10是用在推-推轉(zhuǎn)換器中的、其柵極放電二極管在第二可替換構(gòu)造中的同步整流器驅(qū)動電路的一個實施例的示意圖；和圖11是驅(qū)動同步整流器的方法的一個實施例的流程圖。
具體實施例方式如上所述，自驅(qū)動同步整流器不適合于用在被設(shè)計為適應(yīng)相對大的輸入電壓范圍的功率轉(zhuǎn)換器中，這是因為當(dāng)輸入電壓位于所述范圍的上半部時用于同步整流器的箝位電壓變得過大。例如，假定輸入電壓范圍為18-75V、期望的DC輸出電壓為5V、變壓器具有2 I匝數(shù)比、柵極電荷(Qg)為50nC、切換頻率為400kHz、柵-源電壓(Vgs)為6. 5V并且輸入電壓為75V，則同步整流器的驅(qū)動電路中的每個開關(guān)上的平均電壓為29V，通過驅(qū)動電路中的每個開關(guān)的平均電流為O. 02A，并且驅(qū)動電路的每個開關(guān)中所耗散的最終功率為O. 58ff,0. 58W對于實際的功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用而言太高。本文介紹的是用于自驅(qū)動同步整流器的驅(qū)動電路的各個實施例，其在該驅(qū)動電路中產(chǎn)生降低的電壓，相應(yīng)地降低該驅(qū)動電路中的功率耗散和發(fā)熱并提高功率轉(zhuǎn)換器的總體效率和可靠性?？偟貋碇v，驅(qū)動電路利用新穎的兩級結(jié)構(gòu)。第一級被構(gòu)造為提供用于至少一個驅(qū)動信號的正確時序。第二級被構(gòu)造為利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于至少一個驅(qū)動信號的功率?；痉€(wěn)定的電壓源的使用使得可避免基于變壓器的電壓源中固有的相對大的電壓變化，因此，使得可避免在較高輸入電壓時經(jīng)歷大的功率耗散。基本穩(wěn)定的電壓源的使用還避免從初級側(cè)得到信號以及因此隔離和延遲信號所需的所得電路系統(tǒng)的需要。因此，所述系統(tǒng)和方法的各個實施例產(chǎn)生相對簡單的、成本有效的、可靠的解決方案，其使得自驅(qū)動同步整流器可在被設(shè)計為適應(yīng)大的輸入電壓范圍的功率轉(zhuǎn)換器中高效率地工作。
圖1是具有同步整流器的功率轉(zhuǎn)換器100的框圖，本文所述的各個實施例的驅(qū)動電路可與該同步整流器一起操作。功率轉(zhuǎn)換器具有初級側(cè)Iio和次級側(cè)120。具有鐵心130的變壓器隔離初級側(cè)110和次級側(cè)120。初級側(cè)110包括一個或多個初級側(cè)開關(guān)115，初級側(cè)開關(guān)115被構(gòu)造為接收輸入140處的功率，并在變壓器鐵心130中和周圍形成調(diào)制磁場。次級側(cè)120包括一個或多個同步整流器開關(guān)125和整流器驅(qū)動電路127，整流器驅(qū)動電路127被構(gòu)造為生成一個或多個驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號驅(qū)動一個或多個同步整流器開關(guān)125，以使得它們對來自與變壓器鐵心130相關(guān)聯(lián)的調(diào)制磁場的功率進(jìn)行傳送和整流，并將它傳遞到DC輸出150。目的是設(shè)計一個或多個驅(qū)動信號，以使得高效率地、沒有不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力地驅(qū)動一個或多個同步整流器開關(guān)125。將描述的功率轉(zhuǎn)換器100的各個實施例包括正向轉(zhuǎn)換器和推-推轉(zhuǎn)換器，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明的原理的情況下，本文所公開的驅(qū)動電路可應(yīng)用于其它轉(zhuǎn)換器類型或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2是用在正向變換器中的同步整流器驅(qū)動電路(比如，圖1的同步整流器驅(qū)動電路127)的一個實施例的示意圖。次級功率繞組TlA與轉(zhuǎn)換器的變壓器鐵心(未示出，但是在圖1中標(biāo)記為130)磁耦合。第一同步整流器開關(guān)Ql耦合在次級功率繞組TlA與DC輸出150 (也被表示為未引用的輸出電容器兩端的輸出電壓Vo)之間。第二同步整流器開關(guān)Q2被耦合在次級功率繞組TlA兩端，并耦合到DC輸出150。第一同步整流器開關(guān)Ql和第二同步整流器開關(guān)Q2被構(gòu)造為協(xié)作以對從次級功率繞組TlA接收的功率進(jìn)行整流。在示出的實施例中，第一同步整流器開關(guān)Ql和第二同步整流器開關(guān)Q2是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。輸出電感器LI和未引用的輸出電容器被構(gòu)造為協(xié)作以使整流的功率平滑，以在DC輸出150處產(chǎn)生輸出電壓Vo。次級輔助繞組TlB還與轉(zhuǎn)換器的變壓器鐵心(未示出，但是在圖1中標(biāo)記為130)磁耦合。如圖2所示，第一驅(qū)動電路開關(guān)S1、第二驅(qū)動電路開關(guān)S2、第三驅(qū)動電路開關(guān)S3、第四驅(qū)動電路開關(guān)S4與次級輔助繞組TlB耦合。在示出的實施例中，第一驅(qū)動電路開關(guān)S1、第二驅(qū)動電路開關(guān)S2、第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4是M0SFET。第一驅(qū)動電路開關(guān)SI和第二驅(qū)動電路開關(guān)S2的控制端子(比如，柵極)與Vgs耦合，Vgs是基本不穩(wěn)定的電壓源。第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4的控制端子(比如，柵極)與電壓源Vcc耦合。電壓源Vcc是基本穩(wěn)定的電壓源。在示出的實施例中，利用電壓源Vcc來驅(qū)動(比如，在與功率轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)的一個或多個集成電路或者IC中實施的)控制電路系統(tǒng)。如圖2所示，二極管D3和D4與第一驅(qū)動電路開關(guān)S1、第二驅(qū)動電路開關(guān)S2、第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4以及第一同步整流器開關(guān)Ql和第二同步整流器開關(guān)Q2的控制端子(比如，柵極)耦合。二極管D3、D4分別與第一驅(qū)動電路開關(guān)SI和第三驅(qū)動電路開關(guān)S3的源極耦合。因此，第一驅(qū)動電路開關(guān)S1、第二驅(qū)動電路開關(guān)S2、第三驅(qū)動電路開關(guān)S3、第四驅(qū)動電路開關(guān)S4以及二極管D3和D4構(gòu)成圖2的驅(qū)動電路實施例，該驅(qū)動電路實施例提供兩個驅(qū)動信號，分別提供給同步整流器開關(guān)Q1、Q2中的每個。在操作中，第一驅(qū)動電路開關(guān)SI和第二驅(qū)動電路開關(guān)S2構(gòu)成驅(qū)動電路的第一級。這樣，第一驅(qū)動電路開關(guān)SI和第二驅(qū)動電路開關(guān)S2被構(gòu)造為提供用于圖2的驅(qū)動電路實施例生成的兩個驅(qū)動信號的正確時序。在圖2的實施例中，第一驅(qū)動電路開關(guān)SI和第二驅(qū)動電路開關(guān)S2使用Vgs作為用于驅(qū)動信號的正確時序的源。第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4構(gòu)成驅(qū)動電路的第二級。第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4被構(gòu)造為利用Vcc作為基本穩(wěn)定的電壓源，以提供用于驅(qū)動信號的功率。第一驅(qū)動電路開關(guān)SI和第二驅(qū)動電路開關(guān)S2與第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4的控制端子耦合，因此被構(gòu)造為使第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4根據(jù)正確的時序切換由Vcc提供的功率。通過第三驅(qū)動電路開關(guān)S3和第四驅(qū)動電路開關(guān)S4的切換生成的驅(qū)動信號然后被傳遞到第一同步整流器開關(guān)Ql和第二同步整流器開關(guān)Q2的控制端子。在一些實施例中，驅(qū)動電路表現(xiàn)出動態(tài)降低的功耗，該功耗大約為常規(guī)驅(qū)動電路的1/4功耗。以下表I闡述了示例性常規(guī)功率轉(zhuǎn)換器和利用本文所述的新穎的兩級驅(qū)動電路的一個實施例的功率轉(zhuǎn)換器的隨著輸入電壓變化的效率和相對改進(jìn)
權(quán)利要求
1.一種用于同步整流器的驅(qū)動電路，包括 第一驅(qū)動電路級，所述第一驅(qū)動電路級被構(gòu)造為從與所述同步整流器耦合的變壓器的次級繞組得到用于至少一個驅(qū)動信號的時序；和 第二驅(qū)動電路級，所述第二驅(qū)動電路級與所述第一驅(qū)動電路級耦合，并被構(gòu)造為利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于所述至少一個驅(qū)動信號的功率，并將所述至少一個驅(qū)動信號施加于所述同步整流器中的至少一個同步整流器開關(guān)的至少一個控制端子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電路，還包括至少一個二極管，所述至少一個二極管與所述第二驅(qū)動電路級耦合，并被構(gòu)造為提高斷開所述第二驅(qū)動電路級中的至少一個開關(guān)的速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的驅(qū)動電路，其中，所述至少一個二極管與所述變壓器的次級功率繞組耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電路，其中，所述次級繞組是次級輔助繞組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電路，其中，所述同步整流器是功率轉(zhuǎn)換器的一部分，所述功率轉(zhuǎn)換器的一部分被構(gòu)造為適應(yīng)比最小輸入電壓的大約三倍大的最大輸入電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電路，其中，所述基本穩(wěn)定的電壓源是Vcc。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動電路，其中，所述同步整流器是以下之一的一部分 正向轉(zhuǎn)換器；和 推-推轉(zhuǎn)換器。
8.—種驅(qū)動同步整流器的方法，包括 通過第一驅(qū)動電路級從與所述同步整流器耦合的變壓器的次級繞組得到用于至少一個驅(qū)動信號的時序； 通過第二驅(qū)動電路級利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于所述至少一個驅(qū)動信號的功率；和 將所述至少一個驅(qū)動信號施加于所述同步整流器中的至少一個同步整流器開關(guān)的至少一個控制端子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括利用與所述第二驅(qū)動電路級耦合的至少一個二極管來提高斷開所述第二驅(qū)動電路級中的至少一個開關(guān)的速度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述至少一個二極管與所述變壓器的次級功率繞組耦合。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述次級繞組是次級輔助繞組。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述同步整流器是功率轉(zhuǎn)換器的一部分，所述功率轉(zhuǎn)換器的一部分被構(gòu)造為適應(yīng)比最小輸入電壓的大約三倍大的最大輸入電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述基本穩(wěn)定的電壓源是Vcc。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述同步整流器是以下之一的一部分 正向轉(zhuǎn)換器；和 推-推轉(zhuǎn)換器。
15.—種功率轉(zhuǎn)換器,包括 初級側(cè)，所述初級側(cè)包括至少一個初級側(cè)開關(guān)，并被構(gòu)造為適應(yīng)比最小輸入電壓的大約三倍大的最大輸入電壓；次級側(cè)，所述次級側(cè)包括具有至少一個同步整流器開關(guān)的同步整流器； 變壓器鐵心，所述變壓器鐵心將所述初級側(cè)與所述次級側(cè)耦合；以及 用于所述同步整流器的驅(qū)動電路，包括 第一驅(qū)動電路級，所述第一驅(qū)動電路級被構(gòu)造為從所述變壓器的次級繞組得到用于至少一個驅(qū)動信號的時序；和 第二驅(qū)動電路級，所述第二驅(qū)動電路級與所述第一驅(qū)動電路級耦合，并被構(gòu)造為利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于所述至少一個驅(qū)動信號的功率，并將所述至少一個驅(qū)動信號施加于所述至少一個同步整流器開關(guān)的至少一個控制端子。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，還包括至少一個二極管，所述至少一個二極管與所述第二驅(qū)動電路級耦合，并被構(gòu)造為提高斷開所述第二驅(qū)動電路級中的至少一個開關(guān)的速度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述至少一個二極管與所述變壓器的次級功率繞組耦合。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述次級繞組是次級輔助繞組。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，所述基本穩(wěn)定的電壓源是Vcc。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述同步整流器是以下之一的一部分 正向轉(zhuǎn)換器；和 推-推轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及同步整流器驅(qū)動電路、其操作方法和并入其的功率轉(zhuǎn)換器，并具體公開了一種用于同步整流器的驅(qū)動電路、驅(qū)動同步整流器的方法和并入驅(qū)動電路或方法的功率轉(zhuǎn)換器。在一個實施例中，驅(qū)動電路包括(1)第一驅(qū)動電路級，第一驅(qū)動電路級被構(gòu)造為從與同步整流器耦合的變壓器的次級繞組得到用于至少一個驅(qū)動信號的時序；和(2)第二驅(qū)動電路級，第二驅(qū)動電路級與第一驅(qū)動電路級耦合，并被構(gòu)造為利用基本穩(wěn)定的電壓源來提供用于該至少一個驅(qū)動信號的功率，并將該至少一個驅(qū)動信號施加于同步整流器中的至少一個同步整流器開關(guān)的至少一個控制端子。
文檔編號H02M7/12GK103051214SQ20111030878
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者殷蘭蘭, 趙小儉 申請人:世系動力公司