CN102497119A

CN102497119A - 混合型桥式整流器

Info

Publication number: CN102497119A
Application number: CN2011103832010A
Authority: CN
Inventors: 张军明
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-11-27
Filing date: 2011-11-27
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明涉及电能变换领域，旨在提供一种混合型桥式整流器。该整流器包括位于变压器输出侧的两个同步整流管和输出滤波电容，还有两个整流二极管与所述的两个同步整流管组成桥式结构，两个同步整流管的门极分别接于变压器的副边输出绕组的两端。本发明利用桥式整流所需要器件电压应力低的特点，采用第电压的二极管和同步管向结合的整流混合的方式，由于器件电压等级低，其导通压降远小于传统全波整流中的高电压的二极管压降，这样就降低了总的导通损耗。同时，由于二极管自己具有阻断作用，可以大大降低同步整流管驱动的复杂性，大大降低同步整流驱动电路的复杂性和成本。在较低的成本下，获得较高的效率。

Description

混合型桥式整流器

技术领域

本发明涉及电能变换领域，具体涉及混合式整流电路，是一种二极管整流和同步整流相结合的整流电路。

背景技术

LLC变流器由于其独有的一些拓扑特性，在开关电源中得到广泛应用。在较低电压输出场合，全波整流(Center-tapped rectifier)是LLC输出整流器的一个常用方式，如图1所示。全波整流电路包括2个变压副边绕组以及二个整流二极管(图1中的D1以及D2)。

目前，在电力电子的发展过程中，低压大电流输出的应用场合已经成为一个非常重要的发展方向。在这种场合下，变流器二次侧整流器的损耗占了整体损耗的大部分，尤其是采用二极管整流的电路，其导通压降引起的损耗占输出功率的比例为VF/Vo，其中VF为整流器件的正向导通压降，Vo为输出电压。即使当今最好的肖特基二极管，它的正向导通压降也有0.3V，当输出电压为2V时候，仅此一项的损耗达到输出功率的15％，限制了效率的提高并引起严重发热，影响电源的可靠性。

为降低二极管型整流器的损耗，目前在低输出电压场合普遍采用同步整流器技术。所谓同步整流是以导通电阻很小(最小可以达到几个毫欧)的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET或MOS场效应管)来代替二极管的技术，但是MOSFET需要额外的驱动信号来保证其开通和关断。因此同步整流的驱动方案是限制同步整流广泛应用的一个主要原因。如果同步整流的驱动方案比较复杂，或者驱动的电路的损耗比较大，都会影响到同步整流的效果。

理想的同步整流器应该实现与二极管型整流器一样的电气功能而大大降低导通损耗。但是由于MOSFET开通后可以双向导电，区别于二极管，需要精确控制器门极信号，最好仅使得同步整流的MOSFET有正向电流(从源极流向漏极)时，使得MOSFET导通，避免控制不当对电路的工作带来影响。图2所示是一个采用同步整流的全波整流电路的示意图。同步管SR1以及SR2的驱动信号需要由同步管驱动电路来提供。

由于LLC电路是一种电流型输出电路，由于其输出仅存在滤波电容，变压器输出绕组(或者称二次侧绕组)电压被输出电压箝位，因此其电压极性变化只能在同步整流管切换后才能实现，因此不能采用电压控制型自驱动。只能通过电流检测的方式实现，也称为电流控制型驱动方法。目前通常采用电路互感器的方式或者采用电阻检测的方式(可以是MOSFET导通时自身的导通电阻)。额外的电流互感器会引入额外的电路损耗，尤其是在输出电流较大的场合，而且体积较大，成本高，不利于提高功率密度及降低成本。

同时，全波整流器中，2个整流管耐压至少是输出电压的2倍。考虑到变压器的2个副边绕组Ns1以及Ns2(图2中所示)耦合不可能为100％，两者之间存在寄生的漏感，需要耐压更高的整流管。更有，在全部整流电路中，如果同步整流管驱动信号出现延时关断，会引起巨大的反向电流并在同步管上产生很高的尖刺电压，导致器件损坏。

因此，仍有必要研究一种适合LLC电路的整流电路，具备较高的效率和低的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，如何采用利用最简化同步管驱动方式，实现高效率的全桥整流器内同步管的驱动。为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种混合型桥式整流器，包括位于变压器输出侧的两个同步整流管和输出滤波电容，还包括两个整流二极管，与所述的两个同步整流管组成桥式结构；其中，两个同步整流管的门极分别接于变压器的副边输出绕组的两端。

作为一种改进，所述输出滤波电容的一侧与两个同步整流管的源极相接，输出滤波电容的另一侧与两个整流二极管的负极相接；其中，第一同步整流管的漏极、第一整流二极管的正极(阳极)和第二同步整流管的门极接于副边输出绕组的一端，第二同步整流管的漏极、第二整流二极管的正极和第一同步整流管的门极接于副边输出绕组的另一端。

作为一种改进，还包括两个驱动阻抗，所述两个同步整流管的门极分别通过一个驱动阻抗连接至副边输出绕组；所述驱动阻抗由两个电阻和两个电容组成，两个电阻和两个电容相互串联后并联，电容串联的中点与电阻串联的中点连接，所述同步整流管的门极接于两个串联电阻的中点，驱动阻抗的一端接至副边输出绕组，另一端则接至两个同步整流管的源极。

作为一种改进，其中一个电容，连接于同步整流管的门极与源极之间，是同步管自身的门极与源极的寄生电容。

作为一种改进，整流器的变压器还包括一个辅助绕组，其两端分别连接于两个同步整流管的门极；两个同步整流管的门极与副边输出绕组之间各有一个二极管或稳压管，该二极管或稳压管的负极与副边输出绕组相接，正极与同步整流管的门极相接；所述同步整流管的门极与其源极之间分别反并联一个二极管或稳压管，即二极管或稳压管的负极与同步整流管的门极相接，正极与同步整流管的源极相接。

本发明中，所述同步整流管是MOS场效应管。

本发明的有益效果在于：利用桥式整流所需要器件电压应力低的特点，采用第电压的二极管和同步管向结合的整流混合的方式，由于器件电压等级低，其导通压降远小于传统全波整流中的高电压的二极管压降，这样就降低了总的导通损耗。同时，由于二极管自己具有阻断作用，可以大大降低同步整流管驱动的复杂性，大大降低同步整流驱动电路的复杂性和成本。在较低的成本下，获得较高的效率。

附图说明

图1带全波整流输出的LLC谐振变流器；

图2同步整流的全波整流电路示意图；

图3本发明一个具体实施例；

图4图3所示实施例稳态工作波形；

图5本发明在输出电压较高场合的一个具体实施例；

图6本发明在输出电压较高场合的另一个具体实施例。

具体实施方式

本发明提出一种混合型同步整流电路，采用桥式结构，包括2个低压的整流二极管以及2个低压同步整流管，其中同步整流管的驱动可以方便的通过变压器副边绕组来实现驱动。

为更好的理解本发明内容，以下结合图3所示的一个实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。

图3所示是本发明一个具体实施例，包括由2个MOS场效应管SR1、SR2以及2个整流二极管D1、D2组成的桥式混合式同步整流电路，Ns1是变压器的副边输出绕组。由于输出滤波电容通常电容量很大，可以用电压源Vo表示。在输出电压不超过MOSFET(SR1/SR2)的门极最大电压限制情况下，两个同步整流管可以通过变压器副边绕组Ns1的两端直接驱动，如图3所示。其断续模式下稳态工作波形如图4所示。同样，在临界断续或者连续模式下，驱动也能正常工作。

从图4的波形看，电流流经一个二极管以及一个同步整流管，如电流的正半周流过D1以及SR2，负半周流过D2以及SR2。由于D1/D2/SR1/SR2的耐压仅为输出电压，因此器件的电压应力比图1或者图2所示的全波整流小一倍以上，因此具有更小的电压降。对照图所示的全波二极管整流，图3所示的混合式全桥整流电路，如果抵押二极管D1以及同步管SR2的压降小于图1所示的高电压的二极管的压降，就减小了器件损耗。而且同步管SR2的驱动非常简单。

如果输出电压较高，超过MOSFET门极可以承受的最大电压，图3所示的同步管驱动方式需要进行适当的调整，如图5所示。变压器输出绕组与同步管门极之间通过一个驱动阻抗匹配驱动电压，也就是说将输出电压匹配到同步管门极允许的范围之内。驱动阻抗包括2个电阻R1和R2，R1和R2决定驱动电压的稳态值，同时驱动阻抗包括一个与R1并联的电容C1，电容C1与另一个电容Cgs形成分压决定瞬态情况下的门极驱动电压。电容Cgs可以是同步管门极自身门极与源极之间的寄生电容Cgs，也可以是外加电容，或者是寄生电容与外加电容之和两者之和。这样，门极驱动可以在较快的速度下获得较好的驱动波形。

如果输出电压较高，也可以采用一个变压器的辅助绕组，如图6所示。变压器的一个辅助绕组Ns2的两端分别连接于同步管SR1以及SR2的两个门极，同步管的门极与源极反并联一个二极管或者稳压管，如Ds3反并联与SR1的门极与源极，Ds4反并联与SR2的门极与源极。Ds3/Ds4也可以是稳压管，其稳压值小于同步管(SR)门极所能承受的最大电压。两个同步管的门极分别通过一个二极管耦合到另一个同步管的漏极，其中二极管的阳极连接到同步管的门极，阴极连接到另一个同步管的漏极。对SR1，通过二极管Ds1连接到SR2的漏极，其中二极管Ds1的阳极连接到同步管SR2的门极，Ds1的阴极连接到同步管SR2的漏极；对SR2，通过二极管Ds2连接到SR1的漏极，其中二极管Ds2的阳极连接到同步管SR1的门极，Ds2的阴极连接到同步管SR1的漏极。

其稳态波形与图4类似，当变压器副边电流i_sec为正时，电流流过二极管D1以及SR2，这样，SR1的门极电压迅速被Ds1以及SR2放到零，SR1截止，变压器辅助绕组Ns2感应的输出电压通过Ds3对SR2的门极充电，SR2导通。这里Ds4如果是稳压管，可以保护SR2的门极不会被过电压损坏。

在电流的负半周，电流流过二极管D2以及SR1，这样，SR2的门极电压迅速被Ds2以及SR1放到零，SR2截止，变压器辅助绕组Ns2感应的输出电压通过Ds4对SR1的门极充电，SR1导通。这里Ds3如果是稳压管，可以保护SR1的门极不会被过电压损坏。

虽然本发明仅列举了部分实施例子，但这不代表本发明只能采用列举的方式方能实现。上述实施例是为了更好的理解本发明的本质而非穷举实施例。在不违背本发明实质的前提下，本领域技术人员可以有更多的实施方式。

Claims

1.一种混合型桥式整流器，包括位于变压器输出侧的两个同步整流管和输出滤波电容，其特征在于，还包括两个整流二极管，与所述的两个同步整流管组成桥式结构；其中，两个同步整流管的门极分别接于变压器的副边输出绕组的两端。

2.根据权利要求1所述的混合型桥式整流器，其特征在于，所述输出滤波电容的一侧与两个同步整流管的源极相接，输出滤波电容的另一侧与两个整流二极管的负极相接；其中，第一同步整流管的漏极、第一整流二极管的正极和第二同步整流管的门极接于副边输出绕组的一端，第二同步整流管的漏极、第二整流二极管的正极和第一同步整流管的门极接于副边输出绕组的另一端。

3.根据权利要求2所述的混合型桥式整流器，其特征在于，还包括两个驱动阻抗，所述两个同步整流管的门极分别通过一个驱动阻抗连接至副边输出绕组；

所述驱动阻抗由两个电阻和两个电容组成，两个电阻和两个电容相互串联后并联，电容串联的中点与电阻串联的中点连接，所述同步整流管的门极接于两个串联电阻的中点，驱动阻抗的一端接至副边输出绕组，另一端则接至两个同步整流管的源极。

4.如权利要求3所述的驱动阻抗，其中一个电容连接于同步整流管的门极与源极之间，是同步管自身的门极与源极的寄生电容。

5.根据权利要求2所述的混合型桥式整流器，其特征在于，整流器的变压器还包括一个辅助绕组，其两端分别连接于两个同步整流管的门极；

两个同步整流管的门极与副边输出绕组之间各有一个二极管或稳压管，该二极管或稳压管的负极与副边输出绕组相接，正极与同步整流管的门极相接；

所述同步整流管的门极与其源极之间分别反并联一个二极管或稳压管，即二极管或稳压管的负极与同步整流管的门极相接，正极与同步整流管的源极相接。

6.根据权利要求1至5任意一项中所述的混合型桥式整流器，其特征在于，所述同步整流管是MOS场效应管。