TW201421877A - 用以減少功率轉換器電磁干擾的雙閘極驅動電路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種降低功率轉換器電磁干擾的雙閘極驅動電路及控制方法。雙閘極驅動電路包含一開關及一切換控制電路。開關耦接功率轉換器的一變壓器，用來使變壓器切換，以調整功率轉換器的輸出。切換控制電路依據一回授訊號產生一第一切換訊號及一第二切換訊號，用來切換開關，進而使變壓器切換。回授訊號相關聯於功率轉換器的輸出。第二切換訊號在第一切換訊號致能後的一延遲時間之後致能。

Description

用以減少功率轉換器電磁干擾的雙閘極驅動電路及控制方法

本發明係有關於一種功率轉換器，尤其是關於功率轉換器之一雙閘極驅動電路及控制方法。

請參閱第一圖，其係習知功率轉換器的電路圖。如圖所示，功率轉換器包含一變壓器20，用於將一輸入電壓V_IN轉換為一輸出V_O。變壓器20具有一一次側繞組N_P及一二次側繞組N_S。二次側繞組N_S經由一輸出整流器40及一輸出電容器45，在功率轉換器的一輸出端產生輸出V_O。輸出整流器40的第一端耦接二次側繞組N_S的第一端。輸出電容器45耦接在輸出整流器40的第二端及二次側繞組N_S的第二端之間。輸出電容器45更耦接功率轉換器的輸出端。輸出V_O產生於輸出電容器45。

一次側繞組N_P的一第一端接收輸入電壓V_IN。電晶體15的汲極端及源極端分別耦接一次側繞組N_P的第二端及接地端 。也就是電晶體15耦接於一次側繞組N_P及接地端之間。電晶體15作為一開關，並依據一脈波切換訊號S_PWM使變壓器20切換，以調整功率轉換器的輸出V_O。脈波切換訊號S_PWM耦接電晶體15的閘極端，且脈波切換訊號S_PWM用於控制電晶體15切換，進而使變壓器20切換 。

二極體70、電容器71及電阻器72構成一第一緩衝電路（snubber circuit）。第一緩衝電路耦接變壓器20的一次側繞組N_P，以消弭變壓器20之一漏電感的電能。二極體70的陽極耦接一次側繞組N_P的第二端。電容器71耦接於二極體70的陰極及一次側繞組N_P的第一端之間。電阻器72與電容器71並聯。電容器81及電阻器82構成一第二緩衝電路。第二緩衝電路與輸出整流器40 並聯。習知功率轉換器設置緩衝電路之目的為降低電磁干擾（electromagnetic interference，EMI）。電阻器82的第一端耦接輸出整流器40的第一端及二次側繞組N_S的第一端。電容器81耦接於電阻器82的第二端及輸出整流器40的第二端之間。此外，寄生電容器17耦接於電晶體15的汲極端及源極端之間。

請參閱第二圖，其顯示第一圖之功率轉換器之電晶體15導通時，功率轉換器中的電流路徑。如圖所示，當電晶體15導通時，一充電電流I_C從輸入電壓V_IN流入變壓器20，以儲存電能至變壓器20。此時，因為二極體70的反向恢復時間Trr（reverse recovery time），一突波電流（surge current）I_SC1將從輸入電壓V_IN經由電容器71及二極體70流至電晶體15。充電電流I_C及突波電流I_SC1皆會流進電晶體15並造成雜訊。再者，因為輸出整流器40的反向恢復時間Trr，另一突波電流I_SC2會經由輸出整流器40逆向回流並產生電磁干擾。

如此即表示，電晶體15、二極體70及輸出整流器40的寄生元件（如寄生電容器Cj及導線接合電感器（wire-bond inductor）Lj，如第三圖表示）構成一諧振電路，而產生電磁干擾。此外，當電晶體15導通時，一切換電流I_T會流過電晶體15。

請參閱第三圖，其係第一圖之功率轉換器之諧振電路的等效電路圖。Zs為等效串聯阻抗，Zp為等效並聯阻抗。較大阻抗值的等效串聯阻抗Zs及/或較低阻抗值的等效並聯阻抗Zp可以減少諧振電路的Q值，並降低電磁干擾。

請參閱第四圖，其係第一圖之功率轉換器之電晶體15 受控於脈波切換訊號S_PWM時，脈波切換訊號_SPWM與切換電流I_T的波形圖。當電晶體15被脈波切換訊號S_PWM導通時（邏輯高準位），一“諧振振鈴（ resonant ringing ）”產生於切換電流I_T的上升邊緣。而且，諧振振鈴電流會造成一輻射雜訊（radiated noise）及產生高電磁干擾。然，減少此電磁干擾的解決方法之一是減少形成於電晶體15的諧振電路的Q值。

本發明之目的之一，為提供一種雙閘極驅動電路及一種控制方法，以降低功率轉換器的電磁干擾。

本發明之功率轉換器的雙閘極驅動電路 包含開關及切換控制電路。開關耦接功率轉換器的變壓器用以使變壓器切換，以調整功率轉換器的輸出。切換控制電路依據一回授訊號產生一第一切換訊號及一第二切換訊號而控制開關切換，以使變壓器切換。回授訊號相關聯於功率轉換器的輸出。第二切換訊號於第一切換訊號致能後的一延遲時間之後致能。

本發明之功率轉換器的控制方法包含依據一回授訊號產生一切換訊號；依據切換訊號產生一第一切換訊號及一第二切換訊號； 依據 第一切換訊號及第二切換訊號使功率轉換器的一開關切換；及依據開關切換而切換功率轉換器的變壓器，以調整功率轉換器的輸出。回授訊號相關聯於功率轉換器的輸出。第二切換訊號於第一切換訊號致能後的一延遲時間之後致能。

10．．．開關

11．．．第一電晶體

12．．．第二電晶體

15．．．電晶體

17．．．寄生電容器

20．．．變壓器

40．．．輸出整流器

45．．．輸出電容器

50．．．切換控制電路

70．．．二極體

71．．．電容器

72．．．電阻器

81．．．電容器

82．．．電阻器

100．．．控制器

110．．．第一輸出緩衝器

120．．．第二輸出緩衝器

150．．．延遲電路

151．．．電流源

152．．．電容器

156．．．反相器

157．．．電晶體

159．．．及閘

Cj．．．寄生電容器

I_C．．．充電電流

I_SC1．．．突波電流

I_SC2．．．突波電流

I_T．．．切換電流

Lj．．．導線接合電感器

N_P．．．一次側繞組

N_S．．．二次側繞組

S_PWM．．．脈波切換訊號

S_W．．．切換訊號

S_W0．．．延遲切換訊號

S_W1．．．第一切換訊號

S_W2．．．第二切換訊號

T_D．．．延遲時間

V_CC．．．供應電壓

V_FB．．．回授訊號

V_IN．．．輸入電壓

V_O．．．輸出

Z_P．．．等效並聯阻抗

Z_S．．．等效串聯阻抗

第一圖：其係習知功率轉換器的電路圖；
第二圖：其顯示第一圖之功率轉換器之電晶體導通時，功率轉換器中的電流路徑；
第三圖：其係第一圖之功率轉換器之諧振電路的等效電路圖；
第四圖：其係第一圖之功率轉換器之電晶體受控於脈波切換訊號S_PWM時，脈波切換訊號S_PWM與切換電流I_T的波形圖；
第五圖：其係本發明雙閘極驅動電路運用於功率轉換器的架構電路圖；
第六圖：其係本發明雙閘極驅動電路之切換控制電路之實施例的電路圖；
第七圖：其係本發明雙閘極驅動電路之第一切換訊號S_W1及第二切換訊號S_W2的波形圖；及
第八圖：其係本發明雙閘極驅動電路之一延遲電路之一實施電路的電路圖。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱第五圖，其係本發明雙閘極驅動電路運用於功率轉換器的架構電路圖。如圖所示，此功率轉換器包含變壓器20，變壓器20具有一次側繞組N_P及二次側繞組N_S。二次側繞組N_S經由輸出整流器40及輸出電容器45於功率轉換器的輸出端產生輸出V_O。一次側繞組N_P的第一端接收輸入電壓V_IN。第一緩衝電路包含二極體70、電容器71及電阻器72，並耦接變壓器20的一次側繞組N_P，以消弭變壓器20之漏電感的電能。第二緩衝電路包含電容器81及電阻器82，並且與輸出整流器40並聯。

本發明之雙閘極驅動電路包含一開關10及一切換控制電路50。開關10耦接於一次側繞組N_P的第二端及接地端之間，並用於使變壓器20切換，以調整功率轉換器的輸出V_O。開關10可以包含兩個電晶體或包含具有兩個閘極端的一電晶體。然，此實施例之開關10包含兩個電晶體11與12。

具有第一閘極端的第一電晶體11具有一高導通阻抗（R_DS-ON），具有第二閘極端的第二電晶體12具有一低導通阻抗。第一電晶體11的高導通阻抗高於第二電晶體12的低導通阻抗 。 第二電晶體12與第一電晶體11相並聯，第一電晶體11的汲極端及第二電晶體12的汲極端皆耦接一次側繞組N_P的第二端及二極體70的陽極。第一電晶體11及第二電晶體12的源極端皆耦接於接地端。切換控制電路50依據一回授訊號V_FB產生一第一切換訊號S_W1及一第二切換訊號S_W2，以使開關10切換，進而調整功率轉換器的輸出V_O。回授訊號V_FB相關聯於功率轉換器的輸出V_O。第一切換訊號S_W1耦接第一電晶體11的第一閘極端，以驅動第一電晶體11，第二切換訊號S_W2耦接第二電晶體12的第二閘極端，以驅動第二電晶體12。

請參閱第六圖，其係本發明雙閘極驅動電路之切換控制電路50之實施例電路圖。如圖所示，一控制器100依據回授訊號V_FB產生一切換訊號S_W，經由一第一輸出緩衝器110，切換訊號S_W用於產生第一切換訊號S_W1。換句話說第一輸出緩衝器110接收切換訊號S_W，並依據切換訊號S_W產生第一切換訊號S_W1。

經由一延遲電路(DLY)150及一第二輸出緩衝器120，切換訊號S_W更用於產生第二切換訊號S_W2。延遲電路150接收切換訊號S_W，並延遲切換訊號S_W一延遲時間T_D（如第七圖所示），以產生一延遲切換訊號S_W0。第二輸出緩衝器120接收延遲切換訊號S_W0，並產生第二切換訊號S_W2。因此，第二輸出緩衝器120依據切換訊號S_W產生第二切換訊號S_W2。故，切換訊號S_W係作為一基準切換訊號，而用於產生第一切換訊號S_W1及第二切換訊號S_W2。

請參閱第七圖，其係本發明雙閘極驅動電路之第一切換訊號S_W1及第二切換訊號S_W2的波形圖。如圖所示，當第一切換訊號S_W1致能時，第二切換訊號S_W2將於延遲時間T_D後致能，其中延遲時間T_D是由第六圖所示之延遲電路150所控制。再者，第一切換訊號S_W1及第二切換訊號S_W2會被同時禁能。

因此，當第一切換訊號S_W1致能時，開關10（如第五圖所示）將被導通並具有一高阻抗，以降低諧振電路的Q值及電磁干擾。依據本發明的實施例，具有高導通阻抗（R_DS-ON）的第一電晶體11會被已致能的第一切換訊號S_W1所導通。爾後，開關10將進一步被導通而具有一低阻抗，以達到高效率。依據本發明的實施例，第一電晶體11被導通後，第二切換訊號S_W2將被致能，而導通具有低導通阻抗的第二電晶體12。因為第二電晶體12並聯於第一電晶體11，且第二電晶體12的導通阻抗較低，所以當第二電晶體12導通時，開關10的阻抗會變為低阻抗 。

請參閱第八圖，其係本發明之雙閘極驅動電路之延遲電路之一實施電路的電路圖。如圖所示，延遲電路150包含一電流源151、一電容器152、一反相器156、一電晶體157及一及閘 159。電流源151的第一端耦接供應電壓V_CC，電流源151的第二端耦接電容器152的第一端。電容器152的第二端耦接於接地端。電流源151用來對電容器152充電。電晶體157的汲極端耦接電流源151的第二端及電容器152的第一端。電晶體157的源極端耦接於接地端。切換訊號S_W經由反相器156耦接電晶體157的閘極端，以控制電晶體157。切換訊號S_W更耦接及閘159的第一輸入端。及閘159的第二輸入端耦接電容器152。及閘159的輸出端產生延遲切換訊號S_W0。

當切換訊號S_W致能時，電晶體157截止，電流源151對電容器152充電，並在延遲時間T_D後（如第七圖所示）在及閘159的輸出端產生延遲切換訊號S_W0。其中，延遲時間T_D是由電流源151的電流大小及電容器152的電容量決定。當切換訊號S_W禁能而使電晶體157導通時，電晶體157用於對電容器152放電。

惟以上所述者，僅為本發明一實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10．．．開關

11．．．第一電晶體

12．．．第二電晶體

20．．．變壓器

40．．．輸出整流器

45．．．輸出電容器

50．．．切換控制電路

70．．．二極體

71．．．電容器

72．．．電阻器

81．．．電容器

82．．．電阻器

N_P．．．一次側繞組

N_S．．．二次側繞組

S_W1．．．第一切換訊號

S_W2．．．第二切換訊號

V_FB．．．回授訊號

V_IN．．．輸入電壓

V_O．．．輸出

Claims (15)

1. 一種功率轉換器的控制方法，其包含：
   依據一回授訊號產生一切換訊號；
   依據該切換訊號產生一第一切換訊號及一第二切換訊號；
   依據該第一切換訊號及該第二切換訊號使該功率轉換器的一開關切換；及
   依據該開關切換而使該功率轉換器的一變壓器切換，以調整該功率轉換器的一輸出；
   其中，該回授訊號相關聯於該功率轉換器的該輸出，該第二切換訊號於該第一切換訊號致能後的一延遲時間之後致能。
2. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中當該第一切換訊號致能時，該開關的一阻抗為一高阻抗，當該第二切換訊號致能時，該開關的該阻抗變為一低阻抗。
3. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該延遲時間是由一延遲電路所產生。
4. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該第一切換訊號及該第二切換訊號同時禁能。
5. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該開關包含具有雙閘極端的一電晶體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之控制方法，其中該開關包含一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體及該第二電晶體分別具有一閘極端，該開關耦接該變壓器而使該變壓器切換。
7. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中該第一電晶體及該第二電晶體耦接該變壓器，以控制該變壓器切換；該第二電晶體並聯於該第一電晶體；該第一電晶體具有一高導通阻抗，該第二電晶體具有一低導通阻抗；該第一切換訊號及該第二切換訊號分別用於導通該第一電晶體及該第二電晶體。
8. 一種功率轉換器的雙閘極驅動電路，其包含：
   一開關，該開關耦接該功率轉換器的一變壓器，而控制該變壓器切換，以調整該功率轉換器的一輸出；及
   一切換控制電路，該切換控制電路依據一回授訊號產生一第一切換訊號及一第二切換訊號，而使該開關切換，進而切換該變壓器；
   其中，該回授訊號相關聯於該功率轉換器的該輸出，該第二切換訊號於該第一切換訊號致能後的一延遲時間之後致能。
9. 如申請專利範圍第8項所述之雙閘極驅動電路，其中該開關包含具有雙閘極端的一電晶體。
10. 如申請專利範圍第8項所述之雙閘極驅動電路，其中當該第一切換訊號致能時，該開關的一阻抗為一高阻抗，當該第二切換訊號致能時，該開關的該阻抗變為一低阻抗。
11. 如申請專利範圍第8項所述之雙閘極驅動電路，其中該第一切換訊號及該第二切換訊號同時禁能。
12. 如申請專利範圍第8項所述之雙閘極驅動電路，其中該切換控制電路包含：
    一控制器，該控制器依據該回授訊號產生一切換訊號，該切換訊號用於產生該第一切換訊號及該第二切換訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之雙閘極驅動電路，其中該切換控制電路更包含：
    一第一輸出緩衝器，該第一輸出緩衝器接收該切換訊號，並依據該切換訊號產生該第一切換訊號；
    一延遲電路，該延遲電路延遲該切換訊號於該延遲時間，而產生一延遲切換訊號；及
    一第二輸出緩衝器，該第二輸出緩衝器接收該延遲切換訊號，並依據該延遲切換訊號產生該第二切換訊號。
14. 如申請專利範圍第8項所述之雙閘極驅動電路，其中該開關包含一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體及該第二電晶體分別具有一閘極端。
15. 如申請專利範圍第14項所述之雙閘極驅動電路，其中該第一電晶體及該第二電晶體耦接該變壓器，以控制該變壓器切換；該第二電晶體並聯於該第一電晶體；該第一電晶體具有一高導通阻抗，該第二電晶體具有一低導通阻抗；該第一切換訊號及該第二切換訊號分別用於導通該第一電晶體及該第二電晶體。