專利名稱：諧振轉換器及其同步整流驅動方法
技術領域：
本發明涉及一種諧振轉換器及其同步整流驅動方法，特別是涉及應用于電源供應器的LLC串聯諧振轉換器。
技術背景請參閱圖1，其為一種現有技術的由同步整流晶體管所構成的LLC串聯 諧振轉換器的電路圖，其中LLC串聯諧振轉換器100主要由開關電路110、 諧振電路120、變壓器TX、以及全波整流電路130所構成。在LLC串聯諧振轉換器100中，開關電路IIO可以是圖1中由一對功率 晶體管S1及S2所構成的半橋電路，也可以是一個全橋電路。此外，諧振電 路120是由串聯諧振電感Ls、串聯諧振電容Cs以及變壓器TX的激磁電感 Lm所構成；當然，對于本領域技術人員來說，串聯諧振電感Ls也可以由變 壓器TX的漏感構成。在圖1中，LLC串聯諧振轉換器IOO利用開關電路110、諧振電路120、 變壓器TX以及全波整流電路130而將輸入端的直流輸入電壓Vin轉換為輸 出端的輸出電壓Vo，其中通過合適的參數設計與工作范圍可以保證其一次 側的橋式電路的功率晶體管工作在零電壓開關(ZVS)的條件下，同時可以使 其二次側負責整流的晶體管實現零電流切換(ZCS)。而構成諧振電路120的 三個諧振參數決定了諧振電路120本身的兩個諧振頻率fs和fm，如下面式(1) 與式(2)所述fs,2兀(Ls Cs)l/2] (1) fm二l/(2兀[(Ls+Lm) Cs)]1/2} (2)變壓器TX通過一個一次側繞組np和兩個同相串聯連接的二次側繞組 nsl和ns2，而將開關電路110和諧振電路120與全波整流電路130隔離。全 波整流電路130是由一對連接到輸出電容Co的同步整流晶體管Ql和Q2構 成的。晶體管Ql與Q2的源極連接到輸出電壓Vo的接地端，晶體管Ql的 漏極連接到二次側繞組ns2的反向同名端，晶體管Q2的漏極則連接到二次 側繞組nsl的正向同名端，此外二次側繞組nsl和ns2的共同連接點則構成 了輸出電壓Vo的高壓端。LLC串聯諧振轉換器100的功率晶體管Sl和S2工作在等脈波寬度、且 其均為50%。輸出電壓的調整通過改變工作頻率的模式而獲得，因此需要引 入一個頻率調變控制電路140。另外，還需要在全波整流電路130中加裝--個同步整流驅動信號產生電路150，以產生合適的柵極驅動信號，借以正確 的開通與關斷同步整流晶體管Ql和Q2。在晶體管開關Sl和S2的工作頻率f滿足下式的條件下，圖1的LLC串 聯諧振轉換器在開關頻率小于諧振頻率的狀態下的波形時序圖如圖2所示。fm《f《fs (3)在圖2中，橫軸為時間，縱軸分為四個部分，由上而下的波形依序為開關電路110中兩個晶體管Sl與S2的電壓波形、 一次側電流ir與激磁電流im的電流波形、全波整流電路130中兩個晶體管Ql與Q2的電流波形、以及 全波整流電路130中兩個晶體管Ql與Q2的電壓波形。在時間tt()時，因為一次側電流^與參考方向相反，功率晶體管Sl在 ZVS條件下開通。而在to到t,的時間間隔內，同步整流晶體管Ql有電流導 通，因此這個時候激磁電感Lm上的電壓為恒定值。所以，此段時間內激磁 電感Lm并不參與諧振，其激磁電流im呈現線性增加。而由于諧振電感Ls 與諧振電容Cs的諧振，同步整流晶體管Q1中的電流i(^呈現準正弦形狀。當t=t,時，因為工作晶體管的周期長于諧振電感Ls與諧振電容Cs的諧 振周期， 一次側電流ir在同步整流晶體管Ql關斷前才下降到等于激磁電流 im，因此這個時候同步整流晶體管Ql應該關斷。由于諧振過程由諧振電容 Cs、諧振電感Ls、以及激磁電感Lm共同參與，因此為了簡化分析，在假定 Lm遠大于Ls的條件下，可將一次側電流ir曲線視為近似于直線。當t-t2時，晶體管S1關斷，晶體管S2的體二極管開始導通。而在t^t3 時，晶體管Sl上的電壓降為體二極管上的電壓，晶體管S2則在ZVS條件下導通。在t3〈t^4和t,t〈t5的時間間隔內，可以分析到同樣的工作過程。
和同步整流晶體管Q1同樣的工作狀態和電流波形、2也發生在同步整流晶體 管Q2上。電流^和i()2則構成了輸出整流電流U。因為在t, t2或tft5時，同步整流晶體管Ql或Q2的電流下降為零、且都發生在晶體管Sl或S2關 斷前，因此它們的導通脈波寬度VgQ1、 VgQ,要比晶體管Sl和S2小。請參閱圖2，同步整流晶體管Ql和Q2的驅動脈波必須在其電流(從源 極流至漏極)降到零(t,)時關斷，亦即在iree的死區時(t, t2)不導通。否則，會 出現同步整流晶體管Ql與Q2同時導通、二次側繞組nsl和ns2短路的現象， 使得電路不能正常和安全地工作。因此，同步整流晶體管Ql和Q2的驅動 信號不能簡單地利用一次側功率元件Sl和S2的驅動信號來獲得，也不能使 用變壓器TX的繞組來獲得。這是因為在irec的死區時，二次側繞組上的電 壓并非為零，而是激磁電感Lm上的諧振電壓。如果LLC串聯諧振轉換器工作在大于開關頻率fs，則輸出整流電流 中的死區，亦即同步整流晶體管Q1和Q2都不導通的時段將消失。此時，w 為準正弦整流電流，而同步整流晶體管Ql和Q2的驅動脈波與相應的開關 Sl和S2的驅動脈波同步，如圖3所示。另外，當LLC串聯諧振轉換器工作 在高于諧振頻率時，上述U中的死區為零，同步整流晶體管Q1和Q2的驅 動信號可以簡單地利用一次側功率元件Sl和S2的驅動信號來獲得。請參閱圖4，其為一種現有技術LLC串聯諧振轉換器的同步整流驅動方 案的電路圖，與圖1相比，相同的電路元件均標示相同的附圖標記。此外， LLC串聯諧振轉換器400還多裝設了同步電路410、恒定脈寬產生器420、 以及與門430。在圖4中，當晶體管S1、 S2的開關頻率低于諧振頻率時，恒定寬度脈 波產生器420產生同步整流驅動信號，這個同步整流驅動信號的脈波寬度由 諧振參數Ls、 Cs決定，脈波上升沿通過同步電路410與信號VsYN同步。同 步信號VsvN可以是變壓器TX的二次側繞組電壓信號、也可以是半橋或全橋 開關電路的某一臂的上下功率元件驅動信號，當然也可以通過檢測同步整流 晶體管的體二極管的導通電壓來獲取。在開關頻率高于諧振頻率時，驅動信號與晶體管Sl和S2的驅動信號同 步，恒定脈寬信號Vtot和晶體管Sl(與S2)的驅動信號Vg經過與門430的處 理之后得到完整的同步整流驅動信號。
圖4的方案的優點在于線路簡單，而且只需要一個同步電路410和一個 恒定脈寬產生器420即可完成。然而，缺點是自適應能力差，無法根據電路 參數的變化而自動調整驅動脈波寬度，不能達到對同步整流晶體管的最佳控 制。請參閱圖5，其為另一種現有技術LLC串聯諧振轉換器的同步整流驅動 方案的電路圖，與圖1相比，相同的電路元件均標示著相同的附圖標記。此 外，與圖4相比，LLC串聯諧振轉換器500中移除了與門430，但多裝設了 比較器510以及或門520。在圖5中，當同步整流晶體管從源極到漏極流過電流時，會在其溝道電 阻上產生一個壓降，這個壓降VJon)和固定的參考電壓V^在比較器510上 進行比較，而產生脈波信號Ve。m。在輕載狀況下，由于壓降Vds(on)很小，不 易得到比較信號，所以通過與圖4相同的同步電路410與固定脈寬產生器420 產生恒定脈寬信號VF0T。恒定脈寬信號Vfot和Ve。m信號經過或門520的處 理而得到完整的同步整流驅動信號。圖5的方案的優點在于可以自適應地得到同步整流晶體管的驅動脈波。 但是，由于VJon)電壓幅值很低，為了達到最佳的同步整流驅動效果，參考 電壓值V^必須很低，很容易受到干擾影響。尤其是在LLC電路工作于輕載、 起動、動態時或者保護電路動作時，由于Vds(on)產生振蕩或是受到干擾，將 使得比較器510的輸出Ve。m出現錯誤信號，若錯誤信號惡劣時還會造成同步 整流晶體管共同短路的現象。發明內容本發明的構想為提出一種諧振轉換器及其同步整流驅動方法，該諧振轉 換器包括由至少兩個第一開關所構成的開關電路、具有諧振頻率的諧振電 路、變壓器、以及由兩個第二開關所構成的全波整流電路，其中各第二開關 于電流流經其源-漏極間時均會產生溝道電阻電壓，該同步整流驅動方法包括下列步驟在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該諧振轉換器連 接于輕載時，利用該諧振電路的諧振參數以決定恒定寬度脈沖來驅動該全波 整流電路的各第二開關；在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該 諧振轉換器連接于重載時，針對該溝道電阻電壓與參考電壓進行比較以驅動
該全波整流電路的各第二開關；及在該諧振轉換器的工作頻率大于或等于該 諧振頻率時，利用用于分別驅動各第一開關的相同信號來驅動該全波整流電 路的各第二開關。在一個實施例中，諧振轉換器的開關電路選自半橋電路與全橋電路其中 之一，且第一開關為功率晶體管。在一個實施例中，諧振轉換器的諧振電路由諧振電容、諧振電感及激磁 電感彼此串聯構成。在一個實施例中，諧振轉換器的第二開關為功率晶體管。在一個實施例中，諧振轉換器的諧振轉換器的工作頻率小于諧振頻率、 且該諧振轉換器連接于輕載時，諧振電路的諧振參數決定恒定寬度脈沖，用 以驅動全波整流電路的所述第二開關。在一個實施例中，諧振轉換器的同步整流驅動電路由兩個子驅動電路構 成，每一子驅動電路耦接于其中一個第一開關與對應的第二開關，且每一子 驅動電路包括參考電壓源， 一端連接于該第二開關的輸出端；比較器，第一輸入端連接于該參考電壓源的另一端，第二輸入端連接于該第二開關的輸入端；以及與門，第一輸入端連接于該第一開關的控制端，第二輸入端連接 于該比較器的輸出端，輸出端連接于該第二開關的控制端。在一個實施例中，諧振轉換器的第一開關與第二開關均為晶體管，各開 關的輸入端、輸出端與控制端分別為晶體管的漏極、源極與柵極。在一個實施例中，諧振轉換器的同步整流驅動電路由兩個子驅動電路構 成，每一子驅動電路耦接于其中一個第一開關與對應的第二開關，且每一子 驅動電路包括參考電壓源， 一端連接于該第二開關的輸出端；比較器，第 一輸入端連接于該參考電壓源的另一端，第二輸入端連接于該第二開關的輸 入端；與門，第一輸入端連接于該第一開關的控制端，輸出端連接于該第二 開關的控制端；或門，輸出端連接于該與門的第二輸入端，第二輸入端連接 于該比較器的輸出端；以及輔助電路，連接于該或門的第一輸入端。在一個實施例中，諧振轉換器的輔助電路包括同步電路以及恒定脈寬產 生器。在一個實施例中，諧振轉換器的第一開關與第二開關均為晶體管，各開 關的輸入端、輸出端與控制端分別為晶體管的漏極、源極與柵極。 本發明還提供了一種諧振轉換器的同步整流驅動方法，該諧振轉換器包 括由至少兩個第一開關所構成的開關電路、具有諧振頻率的諧振電路、變壓 器、以及由兩個第二開關所構成的全波整流電路，其中各第二開關于電流流 經其源-漏極間時均會產生溝道電阻電壓，該同步整流驅動方法包括下列歩 驟(a)在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該諧振轉換器連接于輕載時，利用該諧振電路的諧振參數以決定恒定寬度脈沖來驅動該全波整流 電路的各第二開關；(b)在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該諧 振轉換器連接于重載時，針對該溝道電阻電壓與參考電壓進行比較以驅動該 全波整流電路的各第二開關；及(C)在該諧振轉換器的工作頻率大于或等于該 諧振頻率時，利用用于分別驅動所述第一開關的相同信號來驅動該全波整流 電路的各第二開關。本發明的諧振轉換器及其同步整流驅動方法可以避免由于脈波信號 Vc。m的錯誤信號而造成同步整流電路中的各開關被不正確地驅動的現象發 生。本發明通過下列附圖及詳細說明，能夠得到更深入的了解。
圖1: 一種現有技術由同步整流晶體管所構成的LLC串聯諧振轉換器的 電路圖；圖2:圖1的LLC串聯諧振轉換器在開關頻率小于諧振頻率的狀態下的 波形時序圖；圖3:圖1的LLC串聯諧振轉換器在開關頻率大于或等于諧振頻率的狀 態下的波形時序圖；圖4:一種現有技術LLC串聯諧振轉換器的同步整流驅動方案的電路圖;圖5:另一種現有技術LLC串聯諧振轉換器的同步整流驅動方案的電路圖；圖6:本發明所提出的LLC串聯諧振轉換器的第一種同步整流驅動方案 的電路圖；及圖7:本發明所提出的LLC串聯諧振轉換器的第二種同步整流驅動方案 的電路圖。
主要元件符號說明100: LLC串聯諧振轉換器110:開關電路120:諧振電路130:同步整流電路140:頻率調制控制電路150:同步整流驅動信號產生電路400: LLC串聯諧振轉換器410:同步電路420:恒定脈寬產生器430:與門500: LLC串聯諧振轉換器 510:比較器 60:同步整流驅動電路600: LLC串聯諧振轉換器601:子驅動電路700: LLC串聯諧振轉換器701:子驅動電路520:或門602:子驅動電路703:輔助電路具體實施方式
請參閱圖6，其為本發明所提出的LLC串聯諧振轉換器的第一種同步整流驅動方案的電路圖，與圖1相比，相同的電路元件均標示著相同的附圖標記，此處不加以贅述。不過要注意的是，圖6中雖然以只具有一個橋臂的半橋電路來構成輸入端的開關電路，但同樣可利用具有兩個橋臂的全橋電路來 構成輸入端的開關電路。另外，實施例中的電路雖然均以晶體管開關來作為 開關元件，但不影響權利要求范圍中以"開關"來定義其上位概念的各種變型示例。除此之外，LLC串聯諧振轉換器600中多裝設了同步整流驅動電路 60，用以實施本發明的同步整流驅動方法。本發明所提出的同步整流驅動方法為，首先，在該諧振轉換器600的工 作頻率小于諧振頻率、且諧振轉換器600連接于輕載時，利用諧振電路的諧
振參數以決定恒定寬度脈沖來驅動全波整流電路的同歩整流晶體管Ql與Q2。其次，在諧振轉換器600的工作頻率小于諧振頻率、且諧振轉換器600 連接于重載時，針對同步整流晶體管Ql與Q2的溝道電阻電壓Vds(on)與參 考電壓V^進行比較以驅動全波整流電路的同步整流晶體管Q1與Q2。最后， 在諧振轉換器600的工作頻率大于或等于諧振頻率時，利用用于分別驅動功 率晶體管Sl、 S2的相同信號來驅動全波整流電路的同步整流晶體管Ql與 Q2。為了實現前述的同步整流驅動方法，申請人提出第一種同步整流驅動電 路60的電路配置；如圖6所示，同步整流驅動電路60由兩個相同的子驅動 電路601與602所構成。現以子驅動電路601為例進行說明，子驅動電路601由參考電壓源V^、 比較器510以及與門430所構成。參考電壓源V,ef的一端連接于同步整流晶 體管Q2的源極，另一端連接于比較器510的第一輸入端。比較器510的第 二輸入端連接于同步整流晶體管Q2的漏極，輸出端連接于與門430的第二 輸入端。與門430的第一輸入端連接于功率晶體管S2的柵極，輸出端連接 于同步整流晶體管Q2的柵極。以下說明子驅動電路601實行本發明的同步整流驅動方法時的動作。如 圖6所示，當同步整流晶體管Q2流過從源極到漏極的電流時，會在其溝道 電阻上產生溝道電阻壓降。此溝道電阻壓降Vds(on)通過比較器510和參考電壓V^進行比較，產生脈波信號Ve。m。 Ve。m信號和功率晶體管S2的驅動信號Vg，s2經過與門430處理之后可獲得完整的同步整流驅動信號。而當串聯諧振轉換器工作在起動、動態或者保護電路動作時，工作頻率會高于諧振頻率，此時如果溝道電阻壓降V^(on)受到干擾，使得比較器510輸出信號V,出 現錯誤，則采用本發明的這種同步整流驅動方法將可以避免由于脈波信號 Vc。m的錯誤信號所造成同步整流電路中的各開關被不正確地驅動的現象發 生。請參閱圖7，其為本發明所提出的LLC串聯諧振轉換器的第二種同步整 流驅動方案的電路圖，由于在輕載狀況下的溝道電阻壓降VJon)很小，不易 得到比較信號，所以引入輔助電路703以產生恒定脈寬信號VpoT，其中輔助 電路703由與圖4相同的同步電路410以及恒定脈寬產生器420所構成。此
外，還在圖6的子驅動電路601中加入或門520，其中或門520的第一輸入 端連接于輔助電路703，第二輸入端連接于比較器510的輸出端，或門520 的輸出端連接于與門430的第二輸入端。恒定脈寬信號Vtot和脈波信號Ve。m信號經過或門520的處理而得到信 號VoR，脈波信號Ve。m與功率晶體管S2的驅動信號Vg，s2經過與門430的處理之后獲得完整的同步整流驅動信號。本發明所提出的兩個實施例分別利用兩個與門、以及兩個與門與兩個或 門來實現同步整流驅動信號的自適應式控制。然而，在實現具體電路時并不 僅限于此等邏輯柵架構；亦即，可實現本發明同步整流驅動方法的任何同歩 整流驅動電路60的電路架構，均為本發明的權利要求范圍所涵蓋。本發明可由本領域技術人員進行各種修改，然而均不脫離所附權利要求 的范圍。
權利要求
1.一種諧振轉換器，包括開關電路，由至少一個橋臂所構成，該橋臂包括兩個第一開關；諧振電路，耦接于該開關電路，該諧振電路具有諧振頻率；變壓器，其一次側耦接于該諧振電路；全波整流電路，耦接于該變壓器的二次側，該全波整流電路由兩個第二開關所構成，各第二開關于電流流經其源-漏極間時均會產生溝道電阻電壓；及同步整流驅動電路，耦接于該開關電路與該全波整流電路，其中在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該諧振轉換器連接于重載時，該同步整流驅動電路針對該溝道電阻電壓與參考電壓進行比較以驅動該全波整流電路的各第二開關；及在該諧振轉換器的工作頻率大于或等于該諧振頻率時，該同步整流驅動電路利用用于分別驅動該橋臂的各第一開關的相同信號以驅動該全波整流電路的各第二開關。
2. 如權利要求1所述的諧振轉換器，其中該開關電路選自半橋電路與全 橋電路其中之一，且該第一開關為功率晶體管。
3. 如權利要求1所述的諧振轉換器，其中該諧振電路由諧振電容、諧振 電感及激磁電感彼此串聯所構成。
4. 如權利要求1所述的諧振轉換器，其中該第二開關為功率晶體管。
5. 如權利要求1所述的諧振轉換器，其中在該諧振轉換器的工作頻率小 于該諧振頻率、且該諧振轉換器連接于輕載時，該諧振電路的諧振參數決定 恒定寬度脈沖，用以驅動該全波整流電路的各第二開關。
6. 如權利要求1所述的諧振轉換器，其中該同步整流驅動電路由兩個子 驅動電路所構成，每一子驅動電路耦接于其中一個第一開關與對應的第二開 關，且每一子驅動電路包括參考電壓源， 一端連接于該第二開關的輸出端；比較器，第一輸入端連接于該參考電壓源的另一端，第二輸入端連接于 該第二開關的輸入端；及與門，第一輸入端連接于該第一開關的控制端，第二輸入端連接于該比較器的輸出端，輸出端連接于該第二開關的控制端。
7. 如權利要求6所述的諧振轉換器，其中該第一開關與該第二開關均為 晶體管，各幵關的輸入端、輸出端與控制端分別為晶體管的漏極、源極與柵 極。
8. 如權利要求1所述的諧振轉換器，其中該同步整流驅動電路由兩個子 驅動電路所構成，每一子驅動電路耦接于其中一個第一開關與對應的第二開 關，且每一子驅動電路包括參考電壓源， 一端連接于該第二開關的輸出端；比較器，第一輸入端連接于該參考電壓源的另一端，第二輸入端連接于 該第二開關的輸入端；與門，第一輸入端連接于該第一開關的控制端，輸出端連接于該第二開 關的控制端；或門，輸出端連接于該與門的第二輸入端，第二輸入端連接于該比較器 的輸出端；及輔助電路，連接于該或門的第一輸入端。
9. 如權利要求8所述的諧振轉換器，其中該輔助電路包括同步電路以及 恒定脈寬產生器。
10. 如權利要求8所述的諧振轉換器，其中該第一開關與該第二開關均 為晶體管，各開關的輸入端、輸出端與控制端分別為晶體管的漏極、源極與 柵極。
11. 一種諧振轉換器的同步整流驅動方法，該諧振轉換器包括由至少兩 個第一開關所構成的開關電路、具有諧振頻率的諧振電路、變壓器、以及由 兩個第二開關所構成的全波整流電路，其中各第二開關于電流流經其源-漏極間時均會產生溝道電阻電壓，該同步整流驅動方法包括下列步驟(a) 在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該諧振轉換器連接于 輕載時，利用該諧振電路的諧振參數以決定恒定寬度脈沖來驅動該全波整流 電路的各第二開關-,(b) 在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該諧振轉換器連接于 重載時，針對該溝道電阻電壓與參考電壓進行比較以驅動該全波整流電路的 所述第二開關及 (C)在該諧振轉換器的工作頻率大于或等于該諧振頻率時，利用用于分別 驅動各第一開關的相同信號來驅動該全波整流電路的各第二開關。
全文摘要
本發明提供一種諧振轉換器及其同步整流驅動方法，該諧振轉換器包括由至少兩個第一開關所構成的開關電路、具有諧振頻率的諧振電路、變壓器、以及由兩個第二開關所構成的全波整流電路，其中各第二開關于電流流經其源-漏極間時均會產生溝道電阻電壓，該同步整流驅動方法包括下列步驟在該諧振轉換器的工作頻率小于該諧振頻率、且該諧振轉換器連接于重載時，針對該溝道電阻電壓與參考電壓進行比較以驅動該全波整流電路的各第二開關；及在該諧振轉換器的工作頻率大于或等于該諧振頻率時，利用用于分別驅動各第一開關的相同信號來驅動該全波整流電路的各第二開關。本發明可以避免同步整流電路中的各開關被不正確驅動的現象發生。
文檔編號H02M3/24GK101154891SQ200610139690
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月28日 優先權日2006年9月28日
發明者應建平, 甘鴻堅, 陶洪山 申請人:臺達電子工業股份有限公司