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TW200814503A - Resonance converter and driving method for synchronous rectifier thereof - Google Patents

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TW200814503A
TW200814503A TW095132975A TW95132975A TW200814503A TW 200814503 A TW200814503 A TW 200814503A TW 095132975 A TW095132975 A TW 095132975A TW 95132975 A TW95132975 A TW 95132975A TW 200814503 A TW200814503 A TW 200814503A
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resonant
switch
resonant converter
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TW095132975A
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Hong-Shan Tao
Hong-Jian Gan
Jian-Ping Ying
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Delta Electronics Inc
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Description

200814503 九、發明說明： 【發明所屬之技術領城】 本案係指一種諧振轉換器及其同步整流驅動方 法，特別是指應用於電源供應器的LLC串聯諧振轉換 • 器。 【先前技術】 請參閱第一圖，其為一種習用由同步整流電晶體 所構成的LLC串聯為振轉換為之電路圖，其中llc 串聯諧振轉換器100主要係由開關電路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1〇〇中，開關電路110可 以是第一圖中由一對功率電晶體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12〇 是由一串聯諧振電感Ls、一串聯諧振電容cs以及變 壓器TX的一激磁電感Lm所構成；當然，對於熟習該 • 項技術者來說，串聯諧振電感Ls也可以由變壓器τχ 的漏感所構成。 在第一圖中’ LLC串聯諧振轉換器1 〇〇係利用開 關電路110、諧振電路120、變壓器ΤΧ以及全波整流 電路130而將輸入端的直流輪入電壓Vin轉換為輪出 端的輸出電壓Vo，其中藉由合適的參數設計與工作範 圍可以保證其一次侧的橋式電路之功率電晶體工作在 零電壓開關（ZVS)的條件下，同時可以使其二次侧負責 整流的電晶體實現零電流切換(ZCS)。而構成諧振電路 200814503 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 二 1/[2tt(Ls.Cs)1/2] (1) fm二 1/{2 7Γ [(Ls+Lm) · Cs)]1/2} (2) 變壓器TX透過一個一次侧繞組np和兩個同相串 聯連接的二次侧繞組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的同步整流電晶體 Q1和Q2所構成。電晶體Q1與Q2的源極連接到輸出 電壓Vo的接地端，電晶體Q1的汲極連接到二次侧繞 組ns2的反向同名端，電晶體Q2的汲極則連接到二次 側繞組nsl的正向同名端，此外二次侧繞組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的功率電晶體S1和S2 係工作在等脈波寬度、且其皆為50%。輸出電壓的調 整係透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中加裝一個同步整流驅動信號產生電路 150，以產生合適的閘極驅動信號，藉以正確的開通與 關斷同步整流電晶體Q1和Q2。 在電晶體開關S1和S2的工作頻率f滿足下式的 條件下，第一圖的LLC串聯諧振轉換器在開關頻率小 於諧振頻率之狀態下的波形時序圖如第二圖所示。 200814503 二:=依為—份， 與S2的電壓波形、二側^ =中二個電晶體S1 流波形、全波敫冶Φ人、概1r，、激磁電流k的電 二=;:，13。中二個電一 與Q2的電壓波形。 電日日體Q1
反，:=，/為一次側電流ir與參考方向相 反力羊电曰曰體S1在zvs條件下開通 的時間間隔内，同步整流電晶體Q1 0 J h 這個時候激磁電感Lm上的電壓為—恆：二所：此 此Π内激磁電感Lm並不參與諧振，其激磁電流 Im主現線性增加。而由於諧振電感Ls與諧振電容α 的諧振，同步整流電晶體Q1中的電流^呈現屯準正s 形狀。 當㈣i時，因為工作電晶體的週期長於譜振電感 Ls與谐振電容Cs的諧振週期，—次側電流ir在同步 整流電晶體Q1關斷前才下降到等於激磁電流im，因 此這個時候同步整流電晶體Q1應該關斷。由於諧振過 程係由讀振電容Cs、譜振電感Ls、以及激磁電感Lm 共同參與’因此為了簡化分析’在假SLm遠大於Ls 的條件下’可將一次侧電流i r曲線視為近似於一直線。 當t=t2時，電晶體S1.關斷，電晶體S2的體二極 體開始導通。而在t=t3時，電晶體S1上的電壓降為體 二極體上的電壓，電晶體S2則在ZVS條件下導通。 200814503 ^接3 AA t〈 U和V t 4的時間間隔内’可以分柄到 同樣的工作過程。和同步 斤 熊和雷法、、由π . 電晶雖Ql同樣的工作狀 法土 $ ylQ2也發生在同步整流電晶體Q2上。電 或14〜。時，同步整流 rec 口為在ti〜t2 裳、且都日日體QUQ2的電流下降為 军且都發生在電晶體S1或S2 ra ll_ 導通脈波寬产V V Φ 關刖，因此它們的 古主失間ς gQi、VgQi要比電晶體si和幻來的小。 閱弟一圖’同步整流電晶體Q1和Q2的驅動
.ί，、（源極流至汲極）降到零（ω時關 斷’亦即在u的死區時(tl，不導通。否則，。： 同步整流電晶體φ與吸同時導通、二次侧繞組⑽ 和ns2短路的現象，使得電路不能正常和安全地工作。 因此，同步整流電晶體Q!和Q2的驅動信號不能簡單 地利用-次側功率元件S1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kec 的死區時，二次側繞組上的電壓並非為零，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於開關頻率 fs，則輸出整流電流irec中的死區…亦即同步整流電晶 體Q1和Q2都不導通的時段將消失。此時，為一 準正弦整流電流，而同步整流電晶體Qi和q2的驅動 脈波係與相應的開關S1和S2的驅動脈波同步，如第 三圖所示。另外，當LLC串聯諧振轉換器工作在高於 諧振頻率時，上述irec中的死區為零，同步整流電晶體 Q1和Q2的驅動彳g说可以簡單地利用一次侧功率元件 8 200814503 S1和S2的驅動信號來獲得。 請參閱第四圖，其為一種習用LLC串聯諧振轉換 器的同步整流驅動方案之電路圖，與第一圖相比，相 同的電路元件皆標示著相同的圖示符號。此外，LLC 串聯諧振轉換器400還多裝設了同步電路410、恆定 脈寬產生器420、以及及閘430。 在第四圖中，當電晶體SI、S2的開關頻率低於諧 振頻率時，恆定寬度脈波產生器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係由諧振 參數Ls、Cs所決定，脈波上升沿透過同步電路410與 信號VSYN同步。同步信號VSYN可以是變壓器TX的 二次侧繞組電壓信號、也可以是半橋或全橋開關電路 的某一臂之上下功率元件驅動信號，當然也可以透過 檢測同步整流電晶體之體二極體的導通電壓來獲取。 在開關頻率高於諧振頻率時，驅動信號與電晶體 S1和S2的驅動信號同步，恆定脈寬信號VFOT和電晶 體S1(與S2)的驅動信號Vg經過及閘430的處理之後 得到完整的同步整流驅動信號。 第四圖之方案的優點在於線路簡單，而且只需要 一個同步電路410和一個恆定脈寬產生器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 流電晶體的最佳控制。 請參閱第五圖，其為另一種習用LLC串聯諧振轉 換器的同步整流驅動方案之電路圖，與第一圖相比， 200814503 相同的電路元件皆標示著相同的圖示符號。此外，與 第四圖相比，LLC串聯諧振轉換器500中移除了及閘 430，但多裝設了比較器510與或閘520。 在第五圖中，當同步整流電晶體從源極到汲極流 過電流時，會在其通道電阻上產生一個壓降，這個壓 降VdS(〇n)和固定的參考電壓Vref在比較器510上進行 比較，而產生脈波信號VCOm。在輕載狀況下，由於壓 降Vds(on)很小，不易得到比較信號，所以透過與第四 圖相同的同步電路410與固定脈寬產生器420產生恆 定脈寬信號 VFOT 〇 恆定脈寬信號V FOT和VeQm信號經 過或閘520的處理而得到完整的同步整流驅動信號。 第五圖之方案的優點在於可以自適應地得到同步 整流電晶體的驅動脈波。但是，由於Vds(on)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Vref必須很低，很容易受到干擾影響。尤其是在LLC 電路工作於輕載、起動、動態時或者保護電路動作時， 由於Vds(on)產生振盪或是受到干擾，將使得比較器 510的輸出VC()m出現錯誤信號，若錯誤信號惡劣時還 會造成同步整流電晶體共同短路的現象。 職是之故，申請人鑑於前述二種習知技術之缺 失，乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神， 終構思出本案，以下為本案之簡要說明。 【發明内容】 本案之構想為提出一種諧振轉換器及其同步整流 200814503 1::::该谐振轉換器包括由至少二個第-開關所 一鐵灰/關電路、具有—譜振頻率的—譜振電路、 電路，其。中7 :第二開關所構成的-全波整流 合吝、二荨弟—開關於電流流經其源-汲極間時皆 “2:1:電壓’該同步整流驅動方法包括下 率nif 轉換器之工作頻率小於該譜振頻 路的备轉換器連接於一輕載時，利用該諧振電 流電路的i等ΐ決恆定寬度脈衝來驅動該全波整 ,4弟—開關；在該諧振轉換器之工作頻率 :=振頻率、且該諧振轉換器連接於-重载時 全電壓與—參考電壓進行比較以驅動該 工作；==等第t開關;及在該諧振轉換器之 料 1:-開關的相同信號來驅動該全波整流電路的 口只矛弟—開關。 了解·’、’藉由下列圖式及詳細說明，俾得更深入之 【實施方式】 器心1:::: ’其為本案所提LLC串聯諧振轉換 比，方?之電路圖，與第-圖相 -j-, * 兀件自“示著相同的圖示符號，此處 不加以贅述。惟，土从a 乂 口T仃現此處 具有一棒劈 要/主忍的疋，第六圖中雖然係以只 但同橋電路以構成輸人端的開關電路， /、有一個橋臂的一全橋電路以構成輸入 11 200814503 端的開關電路。另外，實施例中的電路雖然皆係以電 晶體開關來作為開關元件，但不影響申請專利範圍中 以[開關]來定義其上位概念的各種變形例。除此之 外，LLC串聯諧振轉換器600中多裝設了一同步整流 驅動電路60，用以實施本案之同步整流驅動方法。 本案所提出的同步整流驅動方法為，首先，在該 諧振轉換器60Ό之工作頻率小於諧振頻率、且諧振轉 換器600連接於一輕載時，利用諧振電路的諧振參數 以決定一恆定寬度脈衝來驅動全波整流電路的同步整 流電晶體Q1與Q2。其次，在諧振轉換器600之工作 頻率小於諧振頻率、且諧振轉換器600連接於一重載 時，針對同步整流電晶體Q1與Q2的通道電阻電壓 Vds(on)與參考電壓Vref進行比較以驅動全波整流電路 的同步整流電晶體Q1與Q2。最後，在諧振轉換器600 之工作頻率大於或等於諧振頻率時，利用用於分別驅 動功率電晶體S1、S2的相同信號來驅動全波整流電路 的同步整流電晶體Q1與Q2。 為了實現前述之同步整流驅動方法，申請人提出 第一種同步整流驅動電路60的電路配置；如第六圖所 示，同步整流驅動電路60係由二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係由一參考電壓源Vref、一比較器510以及一及閘 430所構成。參考電壓源Vref的一端連接於同步整流電 晶體Q2的源極，另一端連接於比較器510的第一輸入 12 200814503 端。比較器510的第二輸入端連接於同步整流電晶體 Q2的汲極，輸出端連接於及閘430的第二輸入端。及 閘430的第一輸入端連接於功率電晶體S2的閘極’輸 出端連接於同步整流電晶體Q2的閘極。 以下說明子驅動電路601實行本案之同步整流驅 動方法時的作動。如第六圖所示，當同步整流電晶體 Q2流過從源極到汲極的電流時，會在其通道電阻上產 生一通道電阻壓降。此通道電阻壓降Vds(on)透過比較 态510和參考電壓vref進行比較，產生一脈波信號 Vcom。VC()m信號和功率電晶體S2的驅動信號vg，S2經 過及閘430處理之後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，工作頻率會高於諧振頻率，此時如果通 道電阻壓降Vds(〇n)受到干擾，使得比較器51〇輸出# 號Vc〇m出現錯誤，則採用本案的這種同步整流驅動方 法將可以避免由於脈波信號Vc〇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。 請參閱第七圖，其為本案所提LLC串聯諧振轉換 器的第二種同步整流驅動方案之電路圖，由於在輕载 狀況下的通道電阻壓降Vds(on)报小，不易得到比較作 號，所以引入一輔助電路703以產生一恆定脈寬信^ VF0T，其中輔助電路703係由與第四圖相同的同步電 路410以及恆定脈寬產生器42〇所構成。此外，還2 第六圖的子驅動電路601中加入一或閘520，其中或 閘520的第一輸入端連接於辅助電路7〇3，第二輪入 13 200814503 端連接於比較器510的輸出端，或閘520的輸出端連 接於及閘430的第二輸入端。 恆定脈寬信號VFOT和脈波信號Vec)m信號經過或 閘520的處理而得到信號VOR，脈波信號Vc()m與功率 電晶體S2的驅動信號Vg，S2經過及閘430的處理之後 獲得完整的同步整流驅動信號。 本案所提出的二個實施例係分別利用兩個及閘、 以及兩個及閘與兩個或閘來實現同步整流驅動信號的 自適應式控制。然而，在實現具體電路之時並不僅限 於此等邏輯閘架構；亦即，可實現本案同步整流驅動 方法的任何同步整流驅動電路60之電路架構，皆為本 發明的申請專利範圍所涵蓋。 本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修 飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。 【圖式簡單說明】 第一圖：一種習用由同步整流電晶體所構成的 LLC串聯諧振轉換器之電路圖； 第二圖：第一圖的LLC串聯諧振轉換器在開關頻 率小於諧振頻率之狀態下的波形時序圖； 第三圖：第一圖的LLC串聯諧振轉換器在開關頻 率大於或等於諧振頻率之狀態下的波形時序圖； 第四圖··一種習用LLC串聯諧振轉換器的同步整 流驅動方案之電路圖； 第五圖：另一種習用LLC串聯諧振轉換器的同步 14 200814503 ^ 整流驅動方案之電路圖； 第六圖：本案所提LLC串聯諧振轉換器的第一種 同步整流驅動方案之電路圖；及 第七圖:本案所提LLC串聯諧振轉換器的第二種 同步整流驅動方案之電路圖。 【主要元件符號說明】 100 LLC串聯諧振轉換器 0 110開關電路 120諧振電路 130同步整流電路 140頻率調變控制電路 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恆定脈寬產生器 430及閘 520或閘 602子驅動電路 703輔助電路 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 15

Claims (1)

  1. 200814503 十、申請專利範圍： 1.一種諧振轉換器，包括： 一開關電路，由至少一橋臂所構成，該橋臂包括 二個第一開關； 一諧振電路，耦接於該開關電路，該諧振電路具 有一諧振頻率； 一變壓器，其一次侧耦接於該諧振電路； 一全波整流電路，耦接於該變壓器之二次侧，該 全波整流電路由二個第二開關所構成，該等第二開關 於電流流經其源-汲極間時皆會產生一通道電阻電壓； 及 一同步整流驅動電路，耦接於該開關電路與該全 波整流電路，其中： 在該諧振轉換器之工作頻率小於該諧振頻率、且 該諧振轉換器連接於一重載時，該同步整流驅動電路 針對該通道電阻電壓與一參考電壓進行比較以驅動該 全波整流電路的該等第二間關；及 在該諧振轉換器之工作頻率大於或等於該譜振頻 率時，該同步整流驅動電路利用用於分別驅動該橋臂 之該等第一開關的相同信號以驅動該全波整流電路的 該等第二開關。 2·如申請專利範圍第1項之諧振轉換器，其中該開關 電路係選自一半橋電路與一全橋電路其中之一，且該 第一開關係為一功率電晶體。 3·如申請專利範圍第1項之諧振轉換器，其中該諧振 16 200814503 諧振電感及一激磁電感彼此 電路係由一諧振電容、 串聯所構成。 (如申請專利範圍帛！項之譜振轉換器，其中該第二 開關係為一功率電晶體。 Silt利範1項之諧振轉換器，其中在該諧 小於該譜振頻率、且該諧振轉換 於-㈣時’麟振電路的諧振參數決定一怪 2見度脈衝，用以驅動該全波整流電路的該等第二開 利軸i項之諧振轉換器，其中該同步 係由二個子驅動電路所構成，每-子驅 關=耦接於其中-第-開關與對應的—第二開 關，且母一子驅動電路包括： :t:!壓源，一端連接於該第二開關的輪出端. ^ ϋ人端連接於該參考電壓源的另 ==連於_二開關的輸入端;及 接於該第二開關的控制端。^輪出知，輸出端連 7·如申請專利範圍第6項之嗜 開關與該第二開關皆為雷、曰 ' 、抑，其中該第一 輪出端與㈣端分·為^晶體=、等_之輸入端、 8.如申請專利範圍第1項之;:枳：及？、源極與閘極。 整流驅動電路係由二個子換②’其中該同步 動電路係麵接於其中―帛迅路所構成，每—子驅 弟一開關與對應的一第二開 17 200814503 關，且每一子驅動電路包括： 一參考電壓源，一端連接於該第二開關的輸出端； 一比較器，第一輸入端連接於該參考電壓源的另 一端，第二輸入端連接於該第二開關的輸入端； 一及閘，第一輸入端連接於該第一開關的控制 端，輸出端連接於該第二開關的控制端； 一或閘，輸出端連接於該及閘之第二輸入端，第 二輸入端連接於該比較器之輸出端；及 一輔助電路，連接於該或閘之第一輸入端。 9·如申請專利範圍第8項之諧振轉換器，其中該輔助 電路包括一同步電路以及一恆定脈寬產生器。 10·如申請專利範圍第8項之諧振轉換器，其中該第一 開關與該第二開關皆為電晶體，該等開關之輸入端、 輸出端與控制端分別係為電晶體之汲極、源極與閘極。 11·一種諧振轉換器之同步整流驅動方法，該諧振轉換 器包括由至少二個第一開關所構成的一開關電路、具 有一諧振頻率的一諧振電路、一變壓器、以及由二個 第二開關所構成的一全波整流電路，其中該等第二開 關於電流流經其源·没極間時皆會產生一通道電阻電 壓，該同步整流驅動方法包括下列步驟： (a) 在該諧振轉換器之工作頻率小於該諧振頻率、 且該諧振轉換器連接於一輕載時，利用該諧振電路的 諧振參數以決定一恆定寬度脈衝來驅動該全波整流電 路的該等第二開關; (b) 在該諧振轉換器之工作頻率小於該諧振頻率、 18 200814503
    馨 且該諧振轉換器連接於一重載時，針對該通道電阻電 壓與一參考電壓進行比較以驅動該全波整流電路的該 等第二開關；及 (C)在該諧振轉換器之工作頻率大於或等於該諧振 頻率時，利用用於分別驅動該等第一開關的相同信號 來驅動該全波整流電路的該等第二開關。 19
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