CN2914482Y - 具同步整流功能的半桥llc谐振转换器 - Google Patents

具同步整流功能的半桥llc谐振转换器 Download PDF

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CN2914482Y CNU2006201138715U CN200620113871U CN2914482Y CN 2914482 Y CN2914482 Y CN 2914482Y CN U2006201138715 U CNU2006201138715 U CN U2006201138715U CN 200620113871 U CN200620113871 U CN 200620113871U CN 2914482 Y CN2914482 Y CN 2914482Y
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Abstract

本实用新型是一种具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其具有：一第一开关；一第二开关；一第一变压器；一第一同步整流器；一第二同步整流器；一控制器；以及一第二变压器；如上述结构的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其控制器除可直接控制该第一同步整流器及第二同步整流器外，亦可借由该第二变压器的耦合亦可直接地控制该第一开关及第二开关。此外，使用具有低导通电阻的第一同步整流器及第二同步整流器取代整流器亦可大幅降低其功率消耗。且该控制器输出的控制讯号经由驱动变压器输出至初级侧，其信号延迟是经由第一开关及第二开关的电子电路及Power Mos本体开关延迟所形成。

Description

具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器
技术领域
本实用新型是有关于一种具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，尤指一种将控制器置于次级侧，除可直接控制第一同步整流器及第二同步整流器外，亦可直接地控制第一开关及第二开关的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器。
背景技术
公知的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器通常是将控制器及开关置于初级侧，将整流器置于次级侧，其控制器可直接控制该开关的导通或截止，但如欲使用该同步整流器则需借由变压器或光耦合器方式将控制信号耦合至次级侧进行控制；上述公知的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器具有下列缺点：1.整流器于导通时其功率消耗甚大；2.控制器无法直接地控制该同步整流器；3.其MOS开关与整流器是交互导通等，无法精确控制而易使电路整体损毁。
有鉴于此，需要一种具同电流谐振功能的半桥LLC谐振转换器，其将控制器置于次级侧，除可直接控制第一同步整流器及第二同步整流器外，亦可直接地控制第一开关及第二开关的具电流谐振功能的半桥LLC谐振转换器；此外，本实用新型使用具有低导通电阻的第一同步整流器及第二同步整流器取代一般整流器亦可大幅降低其功率消耗，以改善公知具电流谐振功能的半桥LLC谐振转换器的缺点。
实用新型内容
本实用新型的一目的是提供一种具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其将控制器置于次级侧，除可直接控制第一同步整流器及第二同步整流器外，亦可直接地控制第一开关及第二开关的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器。
本实用新型的另一目的是提供一种具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其使用具有低导通电阻的电力开关取代整流器以大幅降低其功率消耗。
为达上述的目的，本实用新型的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其具有：一第一开关，为一三端组件，其第一端耦接至一电源输入端；一第二开关，为一三端组件，其第三端耦接至另一电源输入端，第一端则耦接至该第一开关的第三端；一LLC谐振电路，其一端耦接至第一开关，另一端耦接至第一变压器；一第一变压器，其具有一初级线圈、一第一次级线圈及一第二次级线圈，其中该初级线圈是耦接至该LLC谐振电路；一第一同步整流器，其是耦接至该第一次级线圈；一第二同步整流器，其是耦接至该第二次级线圈；一控制器，其输入端耦接至该第一次级线圈的另一端，输出端则分别耦接至该第一同步整流器及该第二同步整流器的第二端；以及一第二变压器，其初级线圈的两端分别耦接至该控制器的输出端，其第一次级线圈的两端分别耦接至该第一开关的第二端及第三端，其第二次级线圈则耦接至该第二开关的第二端及第三端；该控制器除可直接控制该第一同步整流器及第二同步整流器外，借由该第二变压器的耦合亦可直接地控制该第一开关及第二开关。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该第一开关及第二开关皆置于初级侧；该第一同步整流器及第二同步整流器皆置于次级侧，其皆为一具低导通电阻的电力开关。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该电力开关可为N通道金氧半场效晶体管、N通道接面场效晶体管、P通道金氧半场效晶体管或P通道接面场效晶体管；其中该第一端是该场效晶体管的汲极，该第二端是该场效晶体管的闸极，该第三端是该场效晶体管的源极。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该第一变压器是置于初级侧，其为一电力变压器；而该第二变压器是置于次级侧，其为一驱动变压器，且该第二变压器的第一次级线圈及第二次级线圈的极性相反。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该控制器是置于次级侧，为一震荡控制器，其根据该第一同步整流器及该第二同步整流器的输出电压调整其输出至该第一开关、第二开关、第一同步整流器及第二同步整流器的输出频率。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该第一开关导通后间隔一第一延迟时间后该第一同步整流器才导通，且于该第一同步整流器截止后该第一开关间隔一第二延迟时间后才截止。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该LLC谐振电路进一步包括一电感器及一电容器；其中该电感器为该第一变压器的初级线圈的漏电感或一实质电感器。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该电感器的一端是耦接至该第一开关的第三端，另一端则耦接至该初级线圈，该第一电容器的一端是耦接至该电源输入端，另一端则耦接至该第二电容器及该初级线圈的另一端，该第二电容器的一端是耦接至该第一电容器的另一端，另一端则接地。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该电感器的一端是耦接至该第一开关的第三端，该电感器的另一端是耦接至该第一变压器的初级线圈，该电容器的一端耦接至该初级线圈的另一端，该电容器的另一端则接地。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该电感器的一端是耦接至该第一开关的第三端，该电感器的另一端是耦接至该第一变压器的初级线圈，该电容器进一步具有一第一电容器及一第二电容器，其中该第一电容器的一端耦接至正电源，另一端则耦接至该初级线圈，该第二电容器的一端耦接至该初级线圈的另一端则接地。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该第一同步整流器的第一端耦接至该第一变压器次级线圈的一端，其第二端则耦接至该控制器的输出端，第三端则耦接至该控制器的输入端及输出电压；该第二同步整流器的一端耦接至该第二次级线圈的另一端，第二端耦接至该控制器的另一输出端，第三端则耦接至该控制器的输入端及输出电压。
所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其中，所述该第一同步整流器的第一端耦接至该第一变压器次级线圈的一端，其第二端则耦接至该控制器的输出端，第三端则耦接至该第二同步整流器的第三端；该第二同步整流器的第一端耦接至该第二次级线圈的另一端，第二端耦接至该控制器的另一输出端，而该第二次级线圈的另一端则耦接至该控制器的输入端及输出电压。
本实用新型将控制器置于次级侧，除可直接控制第一同步整流器及第二同步整流器外，亦可直接地控制第一开关及第二开关的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器；此外，本实用新型使用具有低导通电阻的第一同步整流器及第二同步整流器取代一般整流器亦可大幅降低其功率消耗，以改善公知具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器的缺点。
附图说明
图1为本实用新型一较佳实施例的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器的方块示意图；
图2(a)-图2(d)为本实用新型一较佳实施例的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器的电路示意图；
图3为本实用新型的控制器60控制该第一MOS开关、第二MOS开关、第一同步整流器及第二同步整流器的导通示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的结构、特征及其目的，兹附以图式及较佳具体实施例的详细说明如后。
请一并参照图1及图2(a)~图2(d)，其分别绘示本实用新型一较佳实施例的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器的方块及电路示意图。如图所示，本实用新型的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，包括：一第一开关10；一第二开关20；一LLC谐振电路30；一第一变压器40；一第一同步整流器50；一第二同步整流器60；一控制器70；以及一第二变压器80所组合而成。
其中，该第一开关10是为一三端组件，其可为任何电力开关，例如但不限于为一N通道金氧半场效晶体管、N通道接面场效晶体管、P通道金氧半场效晶体管或P通道接面场效晶体管，以下称第一MOS开关10，其具有一具低导通电阻，例如但不限于10mΩ，其第一端是耦接至电源输入端(+电源输入端)，第二端及第三端则分别耦接至该第二变压器80的两端(请参照后述第二变压器80的说明)，其可接受该控制器70的控制而开启或截止。其中，该第一端是该第一MOS开关10的汲极(Drain)，该第二端是该第一MOS开关10的闸极(Gate)，该第三端是该第一MOS开关10的源极(Source)。
该第二开关20亦为一三端组件，其可为任何电力开关，例如但不限于为一N通道金氧半场效晶体管、N通道接面场效晶体管、P通道金氧半场效晶体管或P通道接面场效晶体管，以下称第二MOS开关20，其具有一具低导通电阻，例如但不限于10mΩ，其第三端是耦接至电源另一输入端(-电源输入端)，第一端则耦接至该LLC谐振电路30的电感器31的一端，其第二端则耦接至该第二变压器80，以接受该控制器70的控制而开启或截止。其中，该第一端是该第二MOS开关20的汲极(Drain)，该第二端是该第二MOS开关20的闸极(Gate)，该第三端是该第二MOS开关20的源极(Source)。
该LLC谐振电路30其进一步包括一电感器31及一电容器32，其中该电感器31可为该第一变压器40的初级线圈41的漏电感或一实质电感器。如图2(a)~图2(d)所示，是以该电感器31为一实质电感器为例加以说明，若该电感器31为该初级线圈41的漏电感则于图2(a)~图2(d)中将不会绘出该电感器31。该电感器31的一端是耦接至该第一开关10的第三端，该电容器32的一端是耦接至该电感器31的另一端，该电容器32的另一端则耦接至该第一变压器40的初级线圈41。
如图2(b)所示，该电感器31的一端是耦接至该第一开关10的第三端，该电感器31的另一端是耦接至该第一变压器40的初级线圈41，该电容器32的一端耦接至该初级线圈41的另一端，该电容器32的另一端则接地。
如图2(c)所示，该电感器31的一端是耦接至该第一开关10的第三端，该电感器31的另一端是耦接至该第一变压器40的初级线圈41，此外，该电容器32进一步具有一第一电容器321及一第二电容器322，其中该第一电容器321的一端耦接至正电源(Vcc)，另一端则耦接至该第二电容器322及该初级线圈41的另一端，该第二电容器322的一端耦接至该第一电容器321的另一端，另一端则接地。
该第一变压器40例如但不限于为一电力变压器，其具有一初级线圈41、一第一次级线圈42及一第二次级线圈43，其中该初级线圈41的两端分别耦接至该LLC谐振电路30，可将直流输入电压耦合至该第一次级线圈42及第二次级线圈43。
该第一同步整流器(synchronous rectifier，简称SR)50，其可为任何电力开关，例如但不限于为一N通道金氧半场效晶体管、N通道接面场效晶体管、P通道金氧半场效晶体管或P通道接面场效晶体管，其具有一具低导通电阻，例如但不限于10mΩ，其第一端耦接至该第一变压器次级线圈42的一端，其第二端则耦接至该控制器70输出端，第三端则耦接至该第二同步整流器60的第三端；而该第一次级线圈42的另一端则耦接至该控制器70的输入端及输出电压(V0)，其闸极可接受该控制器70的控制以输出该第一次级线圈42所感应的直流电源。其中，该第一端是该第一同步整流器50的汲极(Drain)，该第二端是该第一同步整流器50的闸极(Gate)，该第三端是该第一同步整流器50的源极(Source)。
该第二同步整流器(synchronous rectifier，简称SR)60，其可为任何电力开关，例如但不限于为一N通道金氧半场效晶体管、N通道接面场效晶体管、P通道金氧半场效晶体管或P通道接面场效晶体管，其具有一具低导通电阻，例如但不限于10mΩ，其第一端耦接至该第二次级线圈43的另一端，第二端则耦接至该控制器70的另一输出端，第三端则耦接至该第一同步整流器50的第三端，而该第二次级线圈43的另一端则耦接至该控制器70的输入端及输出电压(V0)，其闸极可接受该控制器70的控制以输出该第二次级线圈43所感应的直流电源。其中，该第一端是该第二同步整流器60的汲极(Drain)，该第二端是该第二同步整流器60的闸极(Gate)，该第三端是该第二同步整流器60的源极(Source)。
此外，该第一同步整流器50及该第二同步整流器60的连接方法亦可如图2(d)所示，其中，该第一同步整流器50的第三端耦接至该第一变压器40的第一次级线圈42的一端，其第二端则耦接至该控制器70的输出端，第一端则耦接至该控制器70的输入端及输出电压(V0)；该第二同步整流器60的第三端耦接至该第二次级线圈43的另一端，第二端耦接至该控制器70的另一输出端，第一端则耦接至该控制器70的输入端及输出电压(V0。
该控制器70是置于次级侧且分别耦接至该第一同步整流器50及该第二同步整流器60及输出电压(V0)，其可为一震荡控制器(oscillatorcontroller)，其可根据输出电压(V0)调整其输出频率至该第一MOS开关10、第二MOS开关20、第一同步整流器50及第二同步整流器60的输出频率；其中该控制器70输出一组差动讯号至该第一同步整流器50及该第二同步整流器60的闸极。
该第二变压器80，例如但不限于为一驱动变压器，其具有一初级线圈81、一第一次级线圈82及一第二次级线圈83，其中该第一次级线圈82及第二次级线圈83极性相反。该初级线圈81的两端分别耦接至该控制器70的输出端用以接收该差动讯号并输出互为反相的控制讯号至该第一MOS开关10及第二MOS开关20。该第一次级线圈82的一端耦接至该第一MOS开关10的闸极，另一端则接至其第三端，其第二次级线圈83则耦接至该第二MOS开关20的闸极，另一端则接至另一直流电源输入端，该第一MOS开关10可接受该正相控制讯号的控制而导通，而该第二MOS开关20可接受该反相控制讯号的控制而导通，因此，借由该控制器70的控制，可使该第一MOS开关10开启或截止一第一延迟时间后该第一同步整流器50跟着开启或截止；于该第二MOS开关20截止或开启一第二延迟时间后该第二同步整流器60跟着截止或开启。其中该第一延迟时间及该第二延迟时间可依设计上的需要而改变。
于运作时，上述结构的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其控制器70除可直接控制该第一同步整流器50及第二同步整流器60外，借由该第二变压器80的耦合亦可直接地控制该第一MOS开关10及第二MOS开关20，使该第一MOS开关10开启或截止一第一延迟时间后该第一同步整流器50跟着开启或截止；于该第二MOS开关20截止或开启一第二延迟时间后该第二同步整流器60跟着截止或开启。
此外，因为本实用新型使用具有低导通电阻的第一同步整流器50及第二同步整流器60取代一般整流器，亦可大幅降低其功率消耗，如上所述该第一同步整流器50及第二同步整流器60具有10mΩ的导通电阻，假设该整流器具有0.5V导通电压，而其输出电流则为10A，因此，本实用新型的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器于导通时其第一同步整流器50或第二同步整流器60上的功率消耗＝Io 2×RDS(on)＝102×10×10-3＝1W；而公知具半桥LLC谐振转换器于导通时其整流器上的功率消耗＝Io×xVf＝10×0.5＝5W；本实用新型的第一同步整流器50或第二同步整流器60上的功率消耗仅为公知半桥LLC谐振转换器的整流器的1/5，足证本实用新型较公知具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器确具进步性。
请参照图3，其绘示本实用新型的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器的控制器70控制该第一MOS开关10、第二MOS开关20、第一同步整流器50及第二同步整流器60的导通示意图。如图所示，于图中A点处，该控制器70送出一由低电位变高电位的讯号至该第一MOS开关10、该第二MOS开关20、第一同步整流器50及第二同步整流器60，该第一MOS开关10立即导通，而该第一同步整流器50则经过例如但不限于约0.4微秒的延迟后才导通，此信号延迟是经由第一同步整流器50的Power Mos开关延迟所形成，且该第二MOS开关20及该第二同步整流器60则截止并分别输出与该第一MOS开关10及该第一同步整流器50反相的讯号。
于图中B点处，该控制器70送出一由高电位变低电位的讯号至该第一MOS开关10、该第二MOS开关20、第一同步整流器50及第二同步整流器60，该第一同步整流器50立即截止而该第一MOS开关10则经过例如但不限约0.15微秒的延迟后才截止，另该第二同步整流器60则立即导通而该第二MOS开关20则经过例如但不限约0.15微秒的延迟后才导通，其中，该0.15微秒信号延迟是经由该第一MOS开关10及第二MOS开关20的电子电路及Power Mos开关本体的延迟所形成，其可依设计上的需要而改变。因此，于图中A及B点间，该第一MOS开关10及该第一同步整流器50或该第二MOS开关20及该第二同步整流器60是同时导通或截止，如此，亦可改善公知具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器的MOS开关与整流器交互导通的缺点。
本实用新型所揭示者，乃较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本实用新型的技术思想而为熟习该项技艺的人所易于推知者，俱不脱本实用新型的权利要求书的保护范畴。

Claims (12)

1.一种具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，具有：
一第一开关，为一三端组件，其第一端耦接至一电源输入端；
一第二开关，为一三端组件，其第三端耦接至另一电源输入端，第一端则耦接至该第一开关的第三端；
一LLC谐振电路，其一端耦接至第一开关，另一端耦接至另一电源输入端；
一第一变压器，其具有一初级线圈、一第一次级线圈及一第二次级线圈，其中该初级线圈是耦接至该LLC谐振电路；
一第一同步整流器，其是耦接至该第一次级线圈；
一第二同步整流器，其是耦接至该第二次级线圈；
一控制器，其输入端耦接至该第一次级线圈的另一端，输出端则分别耦接至该第一同步整流器及该第二同步整流器的第二端；以及
一第二变压器，其初级线圈的两端分别耦接至该控制器的输出端，其第一次级线圈的两端分别耦接至该第一开关的第二端及第三端，其第二次级线圈则耦接至该第二开关的第二端及第三端；
该控制器除直接控制该第一同步整流器及第二同步整流器外，借由该第二变压器的耦合亦直接地控制该第一开关及第二开关。
2.如权利要求1所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该第一开关及第二开关皆置于初级侧；该第一同步整流器及第二同步整流器皆置于次级侧，其皆为一具低导通电阻的电力开关。
3.如权利要求2所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该电力开关可为N通道金氧半场效晶体管、N通道接面场效晶体管、P通道金氧半场效晶体管或P通道接面场效晶体管；其中该第一端是该场效晶体管的汲极，该第二端是该场效晶体管的闸极，该第三端是该场效晶体管的源极。
4.如权利要求1所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该第一变压器是置于初级侧，其为一电力变压器；而该第二变压器是置于次级侧，其为一驱动变压器，且该第二变压器的第一次级线圈及第二次级线圈的极性相反。
5.如权利要求1所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该控制器是置于次级侧，为一震荡控制器，其根据该第一同步整流器及该第二同步整流器的输出电压调整其输出至该第一开关、第二开关、第一同步整流器及第二同步整流器的输出频率。
6.如权利要求1所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该第一开关导通后间隔一第一延迟时间后该第一同步整流器才导通，且于该第一同步整流器截止后该第一开关间隔一第二延迟时间后才截止。
7.如权利要求1所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该LLC谐振电路进一步包括一电感器及一电容器；其中该电感器为该第一变压器的初级线圈的漏电感或一实质电感器。
8.如权利要求7所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该电感器的一端是耦接至该第一开关的第三端，另一端则耦接至该初级线圈，该第一电容器的一端是耦接至该电源输入端，另一端则耦接至该第二电容器及该初级线圈的另一端，该第二电容器的一端是耦接至该第一电容器的另一端，另一端则接地。
9.如权利要求7所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该电感器的一端是耦接至该第一开关的第三端，该电感器的另一端是耦接至该第一变压器的初级线圈，该电容器的一端耦接至该初级线圈的另一端，该电容器的另一端则接地。
10.如权利要求7所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该电感器的一端是耦接至该第一开关的第三端，该电感器的另一端是耦接至该第一变压器的初级线圈，该电容器进一步具有一第一电容器及一第二电容器，其中该第一电容器的一端耦接至正电源，另一端则耦接至该初级线圈，该第二电容器的一端耦接至该初级线圈的另一端则接地。
11.如权利要求1所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该第一同步整流器的第一端耦接至该第一变压器次级线圈的一端，其第二端则耦接至该控制器的输出端，第三端则耦接至该控制器的输入端及输出电压；该第二同步整流器的一端耦接至该第二次级线圈的另一端，第二端耦接至该控制器的另一输出端，第三端则耦接至该控制器的输入端及输出电压。
12.如权利要求1所述的具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述该第一同步整流器的第一端耦接至该第一变压器次级线圈的一端，其第二端则耦接至该控制器的输出端，第三端则耦接至该第二同步整流器的第三端；该第二同步整流器的第一端耦接至该第二次级线圈的另一端，第二端耦接至该控制器的另一输出端，而该第二次级线圈的另一端则耦接至该控制器的输入端及输出电压。
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