[發明專利]用于電力轉換器的自動增強的自驅動同步整流

有效

• 申請號: 201680032813.6
• 申請日: 2016-07-15
• 公開（公告）號: CN107690747B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 庫溫·拉姆;索萬·桑;阮科;陳凱
• 申請（專利權）人: 克蘭電子公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司 11204
• 代理人: 王達佐;王艷春

提供用于有源鉗位正向轉換器的自驅動同步整流電路的系統和方法，其中，有源鉗位正向轉換器包括自動增強的同步MOSFET和最大化的輸入電壓范圍。用于同步MOSFET的柵信號源自于單極性磁耦合信號而不是雙極性的磁耦合信號。通過利用MOSFET柵源電壓(Vgs)的無極性特性，在低壓線路電壓處單極性信號被保持用于MOSFET的充分增強驅動，以及由于線路變化在高壓線幅度處單極性信號被自動地變換成雙極性信號以使輸入電壓范圍最大。在不需要正向轉換器的變電器上的額外線圈的前提下，電路允許對諸如12伏特的DC或者15伏特的DC的更高輸出電壓的高效標定。

技術領域

本公開大體涉及電力轉換器。

背景技術

DC/DC轉換器是一種將輸入DC電壓變換成不同的輸出DC電壓的電源。這種轉換器一般包括變電器，其中變電器經由開關電路電聯接在電壓源與負載之間。被稱為正向轉換器的轉換器包括連接在電壓源與變電器的初級線圈之間的主開關，從而當開關閉合以及導電時，該轉換器將正向電力傳輸提供至變電器的次級線圈。開關一般使用金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)裝置。

電力轉換器設計通常被諸如效率、輸入電壓范圍、輸出電壓、功率密度以及覆蓋區(footprint)面積的各種要求約束。這些約束需要對某些性能作出妥協。例如，實現較高的效率可能需要更狹窄的輸入電壓范圍。為進一步提高效率，通常采用有源重置方案以及同步整流。這些同步整流方案能夠被有源控制或者自驅動。

正向轉換器的限制是可能需要重置變電器芯子來防止飽和(即，在主開關斷開時期期間將變電器的磁化電流放電)。該限制由變電器芯子激發的單極性特性引起。存在用于重置正向轉換器的變電器的技術。一例這類技術是包括與初級線圈并聯的電阻電容二極管(RCD)網絡。RCD網絡按照供給的源電壓與開關的工作周期將開關上的電壓鉗位至最小的峰值電壓，從而消除對空耗時間需要同時允許寬范圍的工作周期。這趨向于減少施加至開關的電壓壓力。然而，由于在開關的閉合時期期間積累在變電器中的磁能的耗散，所以該變電器重置技術降低了轉換器的效率。該磁能被RCD網絡部分地變換為熱量，而不是再循環。

變電器重置的另一個方法是使用電容器與輔助開關的串聯，其中該串聯在初級端上或者在次級端上跨接變電器線圈(稱為“有源鉗位”或者“有源重置”)。當主開關斷開時，輔助開關閉合；或者當主開關閉合時，輔助開關斷開。因此，變電器中的磁能被傳輸至鉗位電容器，以及鉗位電容器與磁化電感諧振，從而維持重置電壓的必要電平。因為空耗時間幾乎為零，所以該有源鉗位重置提供了變電器的無耗散重置以及在穩態條件下的主開關上的最小電壓壓力。因此，有源鉗位方法適合于自驅動同步整流。

在采用同步整流器的開關電源電路中，二極管被功率晶體管代替，從而獲得更低的導通壓降。同步整流器通常使用n溝道MOSFET而不是二極管，從而避免二極管的導通壓降，這可對低輸出電壓電源是重要的。當二極管已從陽極至陰極導電時，晶體管被偏壓以導電，以及相反地，當二極管從陰極至陽極被阻斷時，晶體管被截止以阻斷電流。雖然MOSFET通常用作這個目的，但是雙極晶體管以及其它有源半導體開關可同樣是合適的。

在這些同步整流器電路中，柵信號能夠被自驅動(即，柵信號能夠被關聯于電力電路)，或者被控制驅動(即，柵信號源自于電路中的一些點以及在被送至MOSFET柵驅動器之前經歷一些有源處理電路)。在電力轉換器中，在主電力開關(開關)的不導電時期期間導電的同步整流器可稱為續流(freewheeling)同步整流器或者“捕捉(catch)”同步整流器。在主電力開關(開關)的導電時期期間導電的同步整流器可稱為正向同步整流器。

圖1示出傳統的正向轉換器10中的同步整流器。在該示例中，DC電壓輸入Vin通過MOSFET電力開關Q1連接至變電器T的初級線圈12。還提供鉗位電路結構來限制重置電壓。具體地，MOSFET電力開關Q1被鉗位電容器Creset與MOSFET開關裝置Q2的串聯分路。Q1和Q2的導電時隙是互相排斥的。在MOSFET電力開關Q1的不導電時隙期間，電容器Creset的電壓慣性限制磁化電感兩端出現的重置電壓的幅度。