CN101667783A - 一种用于变换器的同步整流驱动装置及方法 - Google Patents

一种用于变换器的同步整流驱动装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于变换器的同步整流驱动装置及方法，该装置包括电流互感器检测模块、锁存器和与门，电流互感器检测模块耦合在锁存器与变换器的同步整流管之间，锁存器输出耦合至与门输入，与门输入还耦合有变换器的原边功率管的控制信号；电流互感器检测模块检测同步整流管中的电流，并在同步整流管中的电流反灌时产生上升沿信号输出至锁存器，锁存器接收上升沿信号后输出锁存信号至与门，与门将锁存信号与原边功率管的控制信号进行与运算产生驱动控制信号输出至同步整流管。本发明检测并锁定变换器整流支路电流试图反灌的信号，利用该信号将同步整流管关断，从而避免电流反灌现象的产生，保证电路的正常工作。

Description

一种用于变换器的同步整流驱动装置及方法
技术领域
本发明涉及一种用于变换器的同步整流驱动装置，本发明还涉及一种用于变换器的同步整流驱动方法。
背景技术
高效率是电能变换装置的一个重要的发展趋势，同步整流技术是低压大电流场合提高效率通常采用的一种方法，它的基本原理是采用低导通电阻的MOSFET替代整流二极管，以降低整流电路的导通损耗。
在LLC谐振变换器中，在工作频率不小于谐振频率时，副边整流管导通脉宽约为开关周期的一半，此时其驱动信号可与原边对应功率管一致；而在工作频率小于谐振频率时，副边整流管导通脉宽约为谐振周期的一半，小于原边对应功率管的导通脉宽，即存在整流管中电流为零的死区时间段。因此，在LLC谐振变换拓扑同步整流电路中，当工作频率低于谐振频率时，副边同步整流管的驱动信号不能直接由原边功率管的控制信号获得，否则会导致同步整流管导通脉宽过大，产生电流反灌等现象，严重影响电路的正常工作。合适的同步整流管驱动脉冲产生方法是LLC谐振变换器实现同步整流的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种能使变换器正常工作的用于变换器的同步整流驱动装置及方法。
本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
一种用于变换器的同步整流驱动装置，包括电流互感器检测模块、锁存器和与门，所述电流互感器检测模块耦合在锁存器与变换器的同步整流管之间，所述锁存器输出耦合至与门输入，所述与门输入还耦合有变换器的原边功率管的控制信号；所述电流互感器检测模块检测同步整流管中的电流，并在同步整流管中的电流反灌时产生上升沿信号输出至锁存器，锁存器接收所述上升沿信号后输出锁存信号至与门，所述与门将锁存信号与原边功率管的控制信号进行与运算产生驱动控制信号输出至同步整流管。
所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第三二极管、第四二极管；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述电流互感器副边第一绕组与第三二极管相连后跨接在变换器的负载上，所述第四二极管跨接在电流互感器副边第二绕组上，第四二极管阴极连接至锁存器输入端。
所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第三二极管、第一电阻、第四二极管；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述电流互感器副边第一绕组与第三二极管相连后跨接在变换器的负载上，所述第一电阻和第四二极管相连后跨接在电流互感器副边第二绕组上，第一电阻和第四二极管的中点连接至锁存器输入端。
所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第三二极管、至少一个第n1二极管、第四二极管；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述电流互感器副边第一绕组与第三二极管相连后跨接在变换器的负载上，所有第n1二极管相连后再与所述第四二极管相连再跨接在电流互感器副边第二绕组上，第四二极管和第n1二极管的连接点耦合至锁存器输入端。
所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第七二极管、第二电阻、第一电阻、第四二极管、比较器；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述第七二极管和第二电阻相连后跨接在电流互感器副边绕组上，用于使电流互感器复位，所述第四二极管和第一电阻相连后跨接在电流互感器副边绕组上，第一电阻和第四二极管的连接点耦合至比较器第一输入端，比较器第二输入端接有基准信号，比较器输出端耦合至锁存器输入。
所述锁存器输入还耦合有原边功率管的控制信号，所述原边功率管的控制信号用于对锁存器进行复位。
所述变换器包括第一同步整流管和第二同步整流管，所述电流互感器检测模块包括第一电流互感器检测模块和第二电流互感器检测模块，所述锁存器包括第一锁存器和第二锁存器，所述与门包括第一与门和第二与门；所述第一电流互感器检测模块耦合在第一锁存器与变换器的第一同步整流管之间，所述第一锁存器输出耦合至第一与门输入，所述第一与门输入还耦合有变换器的第一原边功率管的控制信号；所述第一电流互感器检测模块检测第一同步整流管中的电流，并在第一同步整流管中的电流反灌时产生第一上升沿信号输出至第一锁存器，第一锁存器接收所述第一上升沿信号后输出第一锁存信号至第一与门，所述第一与门将第一锁存信号与第一原边功率管的控制信号进行运算产生第一驱动控制信号输出至第一同步整流管；所述第二电流互感器检测模块耦合在第二锁存器与变换器的第二同步整流管之间，所述第二锁存器输出耦合至第二与门输入，所述第二与门输入还耦合有变换器的第二原边功率管的控制信号；所述第二电流互感器检测模块检测第二同步整流管中的电流，并在第二同步整流管中的电流反灌时产生第二上升沿信号输出至第二锁存器，第二锁存器接收所述上升沿信号后输出第二锁存信号至第二与门，所述第二与门将第二锁存信号与第二原边功率管的控制信号进行运算产生第二驱动控制信号输出至第二同步整流管。
所述变换器为全桥LLC谐振变换器或半桥LLC谐振变换器或工作于不连续导电模式下的反激变换器。
一种用于变换器的同步整流驱动方法，包括如下步骤：采用电流互感器和锁存器检测并锁定变换器的同步整流管电流试图反灌的信号，将所述信号与原边功率管的控制信号作与运算，得到同步整流管的驱动控制信号。
所述变换器为全桥LLC谐振变换器或半桥LLC谐振变换器或工作于不连续导电模式下的反激变换器。
本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明检测并锁定变换器整流支路电流试图反灌的信号，利用该信号将同步整流管关断，从而避免电流反灌现象的产生。保证电路的正常工作。本发明电路结构简单、成本低。
附图说明
图1是本发明具体实施方式一的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式一的特征工作波形示意图；
图3是本发明具体实施方式二的结构示意图；
图4是本发明具体实施方式三的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式一
如图1所示，一种LLC谐振变换器包括第一同步整流管SR1、第二同步整流管SR2、第一原边功率管Q1、第二原边功率管Q2、控制器等。本发明具体实施方式一的用于变换器的同步整流驱动装置包括第一电流互感器检测模块、第二电流互感器检测模块、第一锁存器Q3、第二锁存器Q4、第一与门AND1和第二与门AND2。
所述第一电流互感器检测模块耦合在第一同步整流管SR1与第一锁存器Q3之间，所述第一锁存器Q3输出耦合至第一与门AND1输入，所述第一与门AND1输入还耦合有第一原边功率管Q1的控制信号。
所述第一电流互感器检测模块检测第一同步整流管SR1中的电流，并在第一同步整流管SR1中的电流反灌时产生第一上升沿信号输出至第一锁存器Q3，第一锁存器Q3接收所述第一上升沿信号后输出第一锁存信号Vp1至第一与门AND1，所述第一与门AND1将第一锁存信号Vp1与第一原边功率管Q1的第一控制信号Vg1进行与运算产生第一驱动控制信号Vr1输出至第一同步整流管SR1的控制端。
所述第二电流互感器检测模块耦合在第二同步整流管SR2与第二锁存器Q4之间，所述第二锁存器Q4输出耦合至第二与门AND2输入，所述第二与门AND2输入还耦合有第二原边功率管Q2的第二控制信号Vg2。所述第二电流互感器检测模块检测第二同步整流管SR2中的电流，并在第二同步整流管SR2中的电流反灌时产生第二上升沿信号输出至第二锁存器Q4，第二锁存器Q4接收所述第二上升沿信号后输出第二锁存信号Vp2至第二与门AND2，所述第二与门AND2将第二锁存信号Vp2与第二原边功率管Q2的第二控制信号Vg2进行与运算产生第二驱动控制信号Vr2输出至第二同步整流管SR2的控制端。
所述第一电流互感器检测模块包括第一电流互感器CT1、第三二极管D3、第一电阻R1、第四二极管D4；所述第一电流互感器CT1原边绕组与第一同步整流管SR1耦合，所述第一电流互感器CT1副边第一绕组与第三二极管D3相连后跨接在变换器的负载RL上，所述第一电阻R1和第四二极管D4相连后跨接在第一电流互感器CT1副边第二绕组上，第一电阻R1和第四二极管D4的连接点连接至第一锁存器Q3输入端。
所述第二电流互感器检测模块包括第二电流互感器CT2、第五二极管D5、第三电阻R3、第六二极管D6；所述第二电流互感器CT2原边绕组与第二同步整流管SR2耦合，所述第二电流互感器CT2副边第一绕组与第五二极管D5相连后跨接在变换器的负载RL上，所述第三电阻R3和第六二极管D6相连后跨接在第二电流互感器CT2副边第二绕组上，第三电阻R3和第六二极管D6的连接点连接至第二锁存器Q4输入端。
如图2所示，上述用于变换器的同步整流驱动装置的工作原理如下：采用第一电流互感器CT1检测第一同步整流管SR1中的电流。当第一同步整流管SR1中的电流从源极流向漏极时，第三二极管D3截止，第一电流互感器CT1副边电流流过第四二极管D4和第一电阻R1进行磁复位，Vs1为低电平信号-Vd，其中，Vd为二极管的管压降。当同步整流管SR1中的电流从漏极流向源极时(即出现电流反灌时)，第三二极管D3导通，将第一电流互感器CT1副边第一绕组1电压箝位于变换器的输出电压，第一电流互感器CT1副边第二绕组2输出电压为Vo*m2/m1，其中Vo为变换器的输出电压，m1为第一电流互感器CT1副边第一绕组1的匝数，m2为第一电流互感器CT1副边第二绕组2的匝数。此时第一电流互感器检测模块产生第一上升沿信号送入第一锁存器Q3(沿触发锁存器)，第一锁存器Q3接收所述第一上升沿信号后输出第一锁存信号Vp1至第一与门AND1，所述第一与门AND1将第一锁存信号Vp1与第一原边功率管Q1的第一控制信号Vg1进行与(and)运算产生第一驱动控制信号Vr1输出至第一同步整流管SR1的控制端。
第二同步整流管SR2的第二驱动控制信号的产生原理与第一同步整流管SR1的第一驱动控制信号类似，此处不再赘述。
本具体实施方式还采用原边功率管的控制信号对锁存器进行复位。例如：当锁存器高电平复位时，采用第一原边功率管控制信号Vg1对锁存器进行复位；当锁存器低电平复位时，采用第二原边功率管控制信号Vg2对锁存器进行复位。
在图1中，第一电流互感器CT1原边绕组也可以放在第一同步整流管右侧。所述第三二极管D3可以放在第一电流互感器CT1副边第一绕组的下端，但此时第三二极管D3阴极与第一电流互感器CT1副边第一绕组相连，阳极与变换器的负载RL相连，以保证电流流向。所述第四二极管D4可以放在第一电流互感器CT1副边第二绕组的上端，但此时第四二极管D4阴极与第一电流互感器CT1副边第二绕组相连，阳极与第一电阻R1相连，以保证电流流向。对第二电流互感器检测模块也可以做出类似的变形，此处不再赘述。
本具体实施方式以变换器包括两个同步整流管为例进行说明。如果变换器仅包括一个同步整流管，则电流互感器检测模块、锁存器、与门也仅需一个，电路结构相同。
本发明检测并锁定变换器整流支路电流试图反灌的信号，利用该信号将同步整流管关断，从而避免电流反灌现象的产生。
具体实施方式二
如图3所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：用图3中虚框中所示n个串联的二极管(n为整数，n≥0)第n1二极管Dn1和第n2二极管Dn2分别替换图1中的第一电阻R1和第三电阻R3。本具体实施方式可以控制电流互感器感应能量损耗大小。而且第n1二极管Dn1的数目与第n2二极管Dn2的数目可以不同。
当n≥1时，如图3所示，本具体实施方式中，所述第一电流互感器检测模块包括第一电流互感器CT1、第三二极管D3、至少一个第n1二极管Dn1、第四二极管D4；所述第一电流互感器CT1原边绕组与第一同步整流管SR1耦合，所述第一电流互感器CT1副边第一绕组与第三二极管D3相连后跨接在变换器的负载RL上，所述第四二极管D4和所有第n1二极管Dn1相连后跨接在第一电流互感器CT1副边第二绕组上，第n1二极管Dn1和第四二极管D4的连接点连接至第一锁存器Q3输入端。所述第二电流互感器检测模块包括第二电流互感器CT2、第五二极管D5、至少一个第n2二极管Dn2、第六二极管D6；所述第二电流互感器CT2原边绕组与第二同步整流管SR2耦合，所述第二电流互感器CT2副边第一绕组与第五二极管D5相连后跨接在变换器的负载RL上，所述第六二极管D6和所有第n2二极管Dn2相连后跨接在第二电流互感器CT2副边第二绕组上，第n2二极管Dn2和第六二极管D6的连接点连接至第二锁存器Q4输入端。
当n＝0时，如图3所示，本具体实施方式中，所述第一电流互感器检测模块包括第一电流互感器CT1、第三二极管D3、第四二极管D4；所述第一电流互感器CT1原边绕组与第一同步整流管SR1耦合，所述第一电流互感器CT1副边第一绕组与第三二极管D3相连后跨接在变换器的负载RL上，所述第四二极管D4跨接在第一电流互感器CT1副边第二绕组上，第四二极管D4的阴极连接至第一锁存器Q3输入端。所述第二电流互感器检测模块包括第二电流互感器CT2、第五二极管D5、第六二极管D6；所述第二电流互感器CT2原边绕组与第二同步整流管SR2耦合，所述第二电流互感器CT2副边第一绕组与第五二极管D5相连后跨接在变换器的负载RL上，所述第六二极管D6跨接在第二电流互感器CT2副边第二绕组上，第六二极管D6的阴极连接至第二锁存器Q4输入端。
具体实施方式三
如图4所示，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：省去了第一电流互感器副边第一绕组、第二电流互感器副边第二绕组，并另外设置了电流互感器复位电路。
如图4所示，本具体实施方式中，所述第一电流互感器检测模块包括第一电流互感器CT1、第七二极管D7、第二电阻R2、第一电阻R1、第四二极管D4、第一比较器CMP1；所述第一电流互感器CT1原边绕组与第一同步整流管SR1耦合，第七二极管D7和第二电阻R2相连后跨接在第一电流互感器CT1副边绕组上，用于使第一电流互感器CT1复位，所述第四二极管D4和第一电阻R1相连后跨接在第一电流互感器CT1副边绕组上，第一电阻R1和第四二极管D4的连接点耦合至第一比较器第一输入端+，第一比较器第二输入端-接有基准信号Vref，第一比较器输出端耦合至第一锁存器Q3输入。
如图4所示，本具体实施方式中，所述第二电流互感器检测模块包括第二电流互感器CT2、第八二极管D8、第四电阻R4、第三电阻R3、第六二极管D6、第二比较器CMP2；所述第二电流互感器CT2原边绕组与第二同步整流管SR2耦合，第八二极管D8和第四电阻R4相连后跨接在第二电流互感器CT2副边绕组上，用于使第二电流互感器CT2复位，所述第六二极管D6和第三电阻R3相连后跨接在第二电流互感器CT2副边绕组上，第六二极管D6和第三电阻R3的连接点耦合至第二比较器CMP2第一输入端+，第二比较器CMP2第二输入端-接有基准信号Vref，第二比较器输出端耦合至第二锁存器Q4输入。
本具体实施方式的工作原理简述如下：当第一同步整流管SR1的电流从源极流向漏极时，第一电流互感器CT1副边的电流经过第四二极管D4和第一电阻R1，检测输出低电平信号-Vd。当第一同步整流管SR1电流从漏极流向源极时，第一电流互感器CT1副边电流经过第七二极管D7和第二电阻R2，检测输出高电平信号，再经过第一比较器CMP1整形后得到第一上升沿信号，送入第一锁存器D1。第一锁存器Q3接收所述第一上升沿信号后输出第一锁存信号Vp1至第一与门AND1，所述第一与门AND1将第一锁存信号Vp1与第一原边功率管Q1的第一控制信号Vg1进行与(and)运算产生第一驱动控制信号Vr1输出至第一同步整流管SR1的控制端。第二同步整流管SR2的第二驱动控制信号的产生原理与第一同步整流管SR1的第一驱动控制信号类似，此处不再赘述。
本发明可应用于所有的变换器，但在全桥LLC谐振变换器或半桥LLC谐振变换器或工作于不连续导电模式(Discontinuous Current Mode，DCM)下的反激变换器效果较好。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：包括电流互感器检测模块、锁存器和与门，所述电流互感器检测模块耦合在锁存器与变换器的同步整流管之间，所述锁存器输出耦合至与门输入，所述与门输入还耦合有变换器的原边功率管的控制信号；所述电流互感器检测模块检测同步整流管中的电流，并在同步整流管中的电流反灌时产生上升沿信号输出至锁存器，锁存器接收所述上升沿信号后输出锁存信号至与门，所述与门将锁存信号与原边功率管的控制信号进行与运算产生驱动控制信号输出至同步整流管。
2.根据权利要求1所述的用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第三二极管、第四二极管；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述电流互感器副边第一绕组与第三二极管相连后跨接在变换器的负载上，所述第四二极管跨接在电流互感器副边第二绕组上，第四二极管阴极连接至锁存器输入端。
3.根据权利要求1所述的用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第三二极管、第一电阻、第四二极管；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述电流互感器副边第一绕组与第三二极管相连后跨接在变换器的负载上，所述第一电阻和第四二极管相连后跨接在电流互感器副边第二绕组上，第一电阻和第四二极管的中点连接至锁存器输入端。
4.根据权利要求1所述的用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第三二极管、至少一个第n1二极管、第四二极管；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述电流互感器副边第一绕组与第三二极管相连后跨接在变换器的负载上，所有第n1二极管相连后再与所述第四二极管相连再跨接在电流互感器副边第二绕组上，第四二极管和第n1二极管的连接点耦合至锁存器输入端。
5.根据权利要求1所述的用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：所述电流互感器检测模块包括电流互感器、第七二极管、第二电阻、第一电阻、第四二极管、比较器；所述电流互感器原边绕组与同步整流管耦合，所述第七二极管和第二电阻相连后跨接在电流互感器副边绕组上，用于使电流互感器复位，所述第四二极管和第一电阻相连后跨接在电流互感器副边绕组上，第一电阻和第四二极管的连接点耦合至比较器第一输入端，比较器第二输入端接有基准信号，比较器输出端耦合至锁存器输入。
6.根据权利要求1-5任一所述的用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：所述锁存器输入还耦合有原边功率管的控制信号，所述原边功率管的控制信号用于对锁存器进行复位。
7.根据权利要求1-5任一所述的用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：
所述变换器包括第一同步整流管和第二同步整流管，所述电流互感器检测模块包括第一电流互感器检测模块和第二电流互感器检测模块，所述锁存器包括第一锁存器和第二锁存器，所述与门包括第一与门和第二与门；
所述第一电流互感器检测模块耦合在第一锁存器与变换器的第一同步整流管之间，所述第一锁存器输出耦合至第一与门输入，所述第一与门输入还耦合有变换器的第一原边功率管的控制信号；所述第一电流互感器检测模块检测第一同步整流管中的电流，并在第一同步整流管中的电流反灌时产生第一上升沿信号输出至第一锁存器，第一锁存器接收所述第一上升沿信号后输出第一锁存信号至第一与门，所述第一与门将第一锁存信号与第一原边功率管的控制信号进行运算产生第一驱动控制信号输出至第一同步整流管；
所述第二电流互感器检测模块耦合在第二锁存器与变换器的第二同步整流管之间，所述第二锁存器输出耦合至第二与门输入，所述第二与门输入还耦合有变换器的第二原边功率管的控制信号；所述第二电流互感器检测模块检测第二同步整流管中的电流，并在第二同步整流管中的电流反灌时产生第二上升沿信号输出至第二锁存器，第二锁存器接收所述上升沿信号后输出第二锁存信号至第二与门，所述第二与门将第二锁存信号与第二原边功率管的控制信号进行运算产生第二驱动控制信号输出至第二同步整流管。
8.根据权利要求1-5任一所述的用于变换器的同步整流驱动装置，其特征在于：所述变换器为全桥LLC谐振变换器或半桥LLC谐振变换器或工作于不连续导电模式下的反激变换器。
9.一种用于变换器的同步整流驱动方法，其特征在于：包括如下步骤：采用电流互感器和锁存器检测并锁定变换器的同步整流管电流试图反灌的信号，将所述信号与原边功率管的控制信号作与运算，得到同步整流管的驱动控制信号。
10.根据权利要求9所述的用于变换器的同步整流驱动方法，其特征在于：所述变换器为全桥LLC谐振变换器或半桥LLC谐振变换器或工作于不连续导电模式下的反激变换器。
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