專利名稱：一種電壓自驅(qū)動同步整流電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，屬于電力電子同步整流技術領域。
背景技術：
同步整流技術已廣泛應用于超低壓大電流DC/DC變壓器中，由于低壓功率MOSFET屬于全控型器件，沒有反向阻斷的能力，因此必需在其柵極加上控制信號，以控制其開通和關斷。在傳統(tǒng)的同步整流正激變換器中，一般采用主變壓器副邊繞組電壓直接驅(qū)動同步整流管。當占空比比較小時，會出現(xiàn)續(xù)流同步整流管的驅(qū)動死區(qū)，即在驅(qū)動死區(qū)時間內(nèi)，續(xù)流同步整流管本身不能導通續(xù)流，真正導通續(xù)流的是續(xù)流同步整流管的體二極管。體二極管的導通壓降大，負載電流流過續(xù)流同步整流管的體二極管，造成較大的損耗，因此嚴重影響了變換器的轉換效率。為解決這一問題，IR等公司開發(fā)了專用于控制同步整流正激變換器的驅(qū)動控制芯片。但是，由于該技術要使用專用芯片，并需要一定的外圍電路，因此該方法的應用受到了一定限制。最近出現(xiàn)了一些同步整流電路新的驅(qū)動方法，比如香港大學電力電子實驗室提出的柵極電荷保持驅(qū)動技術、能量反饋副邊電流驅(qū)動技術，臺達電子工業(yè)股份有限公司提出的改進的柵極電荷保持驅(qū)動技術，以及伊博電源(杭州)有限公司提出的新型自驅(qū)動技術等，均存在驅(qū)動效果不足等問題。
圖1是傳統(tǒng)的電壓自驅(qū)動同步整流電路圖及其主要波形圖，其中D是主開關管S的體二極管，D1和D2分別是同步整流管S1和S2的體二極管。正激變換器采用磁復位電路，以確保變壓器勵磁磁通在每個開關周期開始時復位。正激變換器的復位方式很多，包括第三繞組復位、RCD復位、有源箝位復位、LCD無損復位以及諧振復位等，其中最常見的磁復位方式是第三繞組復位。如果采用第三繞組進行磁復位，在磁復位結束之后，變壓器副邊電壓降為零，并且保持為零，直到下一個開關周期開始。變壓器副邊電壓保持為零的這段時間叫做死區(qū)時間。在死區(qū)時間內(nèi)，負載電流流經(jīng)續(xù)流同步整流管，但在死區(qū)時間內(nèi)，該續(xù)流同步整流管柵極無驅(qū)動電壓，所以負載電流必須流經(jīng)續(xù)流同步整流管的體二極管，導通損耗非常大，這是傳統(tǒng)電壓自驅(qū)動同步整流技術的主要缺點。
一般來說，同步整流管的柵極門檻驅(qū)動電壓為2-4V，極限驅(qū)動電壓為20V，最佳柵極驅(qū)動電壓在10-15V之間。當輸出電壓低于2V或者高于6V時，副邊繞組電壓要么低于柵極門檻驅(qū)動電壓，不能有效驅(qū)動同步整流管，要么高于柵極極限驅(qū)動電壓，直接用來驅(qū)動同步整流管時容易燒毀同步整流管。所以傳統(tǒng)的電壓自驅(qū)動同步整流電路不僅存在續(xù)流同步整流管的驅(qū)動死區(qū)問題，還存在驅(qū)動不足的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，它可以極大地降低整流損耗，提高整流效率，不但解決了同步整流管的驅(qū)動死區(qū)問題，而且可以優(yōu)化同步整流管的驅(qū)動電壓，提高了變換器的轉換效率。
本發(fā)明是一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，主要包括一個主變壓器TX1，可有輔助繞組；一個主開關管S；一對同步整流管S1、S2，用于實現(xiàn)低整流損耗的同步整流技術；一個輔助MOS管S3，用來給同步整流管S2的柵極放電，加速其關斷；一個具有中心抽頭的驅(qū)動變壓器TX2，其原邊繞組用作輸出濾波電感，副邊繞組用于驅(qū)動同步整流管S1、S2。其中，二極管D為主開關管S的體二極管，二極管D1、D2和D3分別為同步整流管S1、S2和輔助MOS管S3的體二極管。
圖2(a)是本發(fā)明的電壓自驅(qū)動同步整流電路圖，其主變壓器TX1副邊繞組的正同名端與同步整流管S2的漏極、驅(qū)動變壓器TX2原邊繞組的正同名端之間的連接點相連，因此主變壓器TX1的正同名端和驅(qū)動變壓器TX2的正同名端具有相同的極性。驅(qū)動變壓器TX2的原邊繞組作為輸出濾波電感，驅(qū)動繞組(副邊繞組)的中心抽頭與輸出地連接，驅(qū)動繞組Ns1的同名端與同步整流管S1的柵極相連接，用來直接驅(qū)動同步整流管S1；驅(qū)動繞組Ns2的異名端與二極管D的陽極相連，二極管D的陰極與同步整流管S2的柵極相連接，用來驅(qū)動同步整流管S2；輔助MOS管S3用來給同步整流管S2的柵極放電，加速其關斷，它的源極與輸出地連接，漏極與同步整流管S2的柵極連接，柵極與主變壓器TX1輔助繞組的同名端相連，主變壓器TX1輔助繞組的異名端與輸出地相連；同步整流管S1、S2的源極都與輸出地連接，同步整流管S1的漏極與主變壓器TX1副邊繞組的異名端連接，同步整流管S2的漏極與驅(qū)動變壓器TX2原邊繞組的正同名端相連接。
對于同步整流正激變換器，無論采取何種磁復位方式，輸出濾波電感電壓和主開關管的柵極驅(qū)動電壓的時序是一致的。根據(jù)電壓驅(qū)動同步整流器的驅(qū)動特點，整流管和續(xù)流管的柵極驅(qū)動電壓可以從輸出濾波電感電壓耦合而得。因此，選擇合適的耦合繞組匝數(shù)，就可以得到適當?shù)尿?qū)動電壓幅值。這樣不但解決了續(xù)流同步整流管的驅(qū)動死區(qū)問題，而且可以優(yōu)化同步整流管的驅(qū)動電壓。
圖1是傳統(tǒng)的電壓自驅(qū)動同步整流電路及其主要外施波形圖；圖2(a)是本發(fā)明的電壓自驅(qū)動同步整流電路圖；圖2(b)是本發(fā)明的電壓自驅(qū)動同步整流電路的主要外施波形圖；圖3是圖2(a)改進電路圖；圖4是圖2(a)的一個特例電路圖；圖5是圖4的改進電路圖；圖6是圖2(a)在雙管正激變換器中應用的電路圖；圖7是圖6的改進電路圖；圖8是圖6的一個特例電路圖；圖9是圖8的改進電路圖。
具體實施例方式
實施例1圖2中，t0時刻，主開關管S導通，主變壓器TX1副邊電壓為正，驅(qū)動變壓器TX2原邊電壓為正。繞組Ns1的正電壓驅(qū)動S1導通，繞組Ns2上的電壓保持為負，關斷S2，負載電流流經(jīng)S1。
t1時刻，主開關管S關斷，主變壓器TX1開始磁復位，這時它的副邊電壓為負；t2時刻，磁復位結束，主變壓器TX1的副邊電壓為0。在這段時間里，驅(qū)動變壓器TX2原邊電壓為負，繞組Ns1的負電壓關斷S1，繞組Ns2的正電壓驅(qū)動S2，負載電流流經(jīng)S2。
t0’時刻，下一個開關周期開始。t2至t0’的這個時間稱為死區(qū)。在死區(qū)時間里，驅(qū)動變壓器TX2原邊電壓為負，繞組Ns1的負電壓繼續(xù)關斷S1，繞組Ns2的正電壓繼續(xù)驅(qū)動S2。
輔助MOS管S3的作用是加速同步整流管S2的關斷，避免主變壓器TX1副邊出現(xiàn)瞬時短路。當主開關管S導通時，主變壓器TX1副邊繞組電壓應上升為正。但是，當主開關管S開通時，因為S2在上一個開關周期末保持導通，若不外加一個輔助MOS管S3，主變壓器TX1副邊就會出現(xiàn)暫時的短路現(xiàn)象。因此在下一個開關周期開始時，必須關斷S2，這就應該外加一個輔助MOS管S3，在下一個開關周期開始之時，開通S3，使得S2的柵極驅(qū)動電壓降低為0，S2關斷，并且一直保持S2關斷，直到主開關管S關斷。
二極管D的作用是避免驅(qū)動變壓器TX2副邊出現(xiàn)短路回路。當主開關管S導通時，繞組Ns1電壓為正，繞組Ns2電壓為負。繞組Ns1的正電壓對S1的柵極寄生電容充電。如果沒有二極管D4，那么繞組Ns2的負電壓通過S3的體二極管形成短路回路。
因為有負電壓加在同步整流管S2的柵極，同步整流管S2的關斷過程加快，從而減小了同步整流管S1和S2的共同導通的時間。同樣由于有負電壓加在同步整流管S2的柵極，增加了同步整流管S2的抗干擾能力，使驅(qū)動電路更加穩(wěn)定。
實施例2因為同步整流管S2的關斷總是存在一定的延時，同步整流管S1和S2可能存在一定的共同導通時間。為了避免同步整流管S1和S2的共同導通帶來的額外損耗，提出了圖3所示的改進電路，即在圖2(a)中，在主變壓器TX1副邊繞組的正同名端和S2的漏極與驅(qū)動變壓器TX2原邊繞組的正同名端的連接點之間串入一個飽和電感L，以限制共同導通帶來的電流尖峰，從而降低導通損耗。
實施例3圖4是圖2(a)所示電壓自驅(qū)動同步整流電路的一個特例。如果主變壓器TX1副邊繞組電壓幅值在10-15V，即為同步整流管的最佳柵極驅(qū)動電壓，就可以直接利用主變壓器TX1副邊繞組電壓直接驅(qū)動輔助MOS管S3。此時，輔助MOS管S3的柵極與主變壓器TX1副邊繞組的正同名端連接，源極與輸出地連接，漏極與同步整流管S2的柵極連接。其工作原理和圖2(a)所示電路基本相同，適合于輸出為3-6V的變換器。圖4所示的特例中，主變壓器TX1不需要輔助繞組，簡化了主變壓器TX1的設計。
實施例4與圖3是圖2(a)的改進電路相同，圖5是圖4的改進電路。在主變壓器TX1副邊繞組的正同名端與S2的漏極、驅(qū)動變壓器TX2原邊繞組的正同名端的連接點之間串入一個飽和電感L，以限制同步整流管S1和S2共同導通帶來的額外損耗和電流尖峰。
實施例5至8的電路圖分別是圖6、圖7、圖8、圖9，圖6至圖9分別是圖2(a)所示的本發(fā)明的電壓自驅(qū)動同步整流電路在雙管正激變換器中的應用電路、改進電路、特例電路、特例電路的改進電路圖。
上面已經(jīng)非常具體地闡述了本發(fā)明所述的電壓自驅(qū)動同步整流電路及其可能應用的其它實例。但是，這些并不是對本發(fā)明的應用范圍的限制。對于本技術領域的一般技術人員來說，可以在不脫離本發(fā)明的精神的前提下，做出種種變化。因此，本發(fā)明的范圍應由所附的權利要求說明書決定。
權利要求
1.一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，主要包括一個主變壓器TX1，一個主開關管S，一對同步整流管S1、S2，一個輔助MOS管S3，一個具有中心抽頭的驅(qū)動變壓器TX2，其特征在于，所述主變壓器TX1副邊繞組的正同名端與同步整流管S2的漏極、驅(qū)動變壓器TX2原邊繞組的正同名端之間的連接點相連；所述驅(qū)動變壓器TX2的原邊繞組作為輸出濾波電感，驅(qū)動繞組的中心抽頭與輸出地連接，驅(qū)動繞組Ns1的同名端與同步整流管S1的柵極相連接，用于驅(qū)動同步整流管S1，驅(qū)動繞組Ns2的異名端與二極管D的陽極相連，二極管D的陰極與同步整流管S2的柵極相連接，用于驅(qū)動同步整流管S2；輔助MOS管S3用來給同步整流管S2的柵極放電，加速其關斷，它的源極與輸出地連接，漏極與同步整流管S2的柵極連接，柵極與主變壓器TX1副邊繞組的正同名端相連；同步整流管S1、S2用于實現(xiàn)低整流損耗的同步整流技術，它們的源極都與輸出地連接，同步整流管S1的漏極與主變壓器TX1副邊繞組的異名端連接，同步整流管S2的漏極與驅(qū)動變壓器TX2原邊繞組的正同名端相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，其特征在于，所述主變壓器TX1有輔助繞組，用于驅(qū)動輔助MOS管S3，所述輔助MOS管S3的源極與輸出地連接，漏極與同步整流管S2的柵極連接，柵極與主變壓器TX1輔助繞組的同名端相連，主變壓器TX1輔助繞組的異名端與輸出地連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，其特征在于，所述主變壓器TX1副邊繞組的正同名端與同步整流管S2的漏極、驅(qū)動變壓器TX2原邊繞組的正同名端的連接點之間串有一個飽和電感L。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，其特征在于，二極管D為主開關管S的體二極管，二極管D1、D2和D3分別為同步整流管S1、S2和輔助MOS管S3的體二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電壓自驅(qū)動同步整流電路，主要包括一個主變壓器TX1；一個主開關管S；一對同步整流管S1、S2，用于實現(xiàn)低整流損耗的同步整流技術；一個輔助MOS管S3，用來給同步整流管S2的柵極放電，加速其關斷；一個具有中心抽頭的驅(qū)動變壓器TX2，其原邊繞組用作輸出濾波電感，驅(qū)動繞組用于驅(qū)動同步整流管S1、S2。其中，二極管D為主開關管S的體二極管，二極管D1、D2和D3分別為同步整流管S1、S2和輔助MOS管S3的體二極管。本發(fā)明不但解決了同步整流續(xù)流管S2的驅(qū)動死區(qū)問題，而且優(yōu)化了同步整流管的驅(qū)動電壓波形，極大地改善了同步整流管的驅(qū)動性能。
文檔編號H02M3/24GK1545196SQ20031011224
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月21日 優(yōu)先權日2003年11月21日
發(fā)明者張波, 張 波 申請人:華南理工大學