同步整流开关的基于感应补偿的控制的制作方法

本申请涉及同步整流开关，特别是涉及同步整流开关的精确控制。

背景技术：

同步整流开关的精确控制在需要谐振电流经过该开关的零交叉点检测的情况下是难以实现的。这包括在LLC转换器的次级侧上的同步整流开关的精确控制，其中经过次级侧同步整流开关的谐振电流的精确零交叉点检测直接影响效率。

图1示出被实施为MOSFET Q1的示例性同步整流开关。由于其中包括MOSFET Ts的封装的电感（Lpkg），可在封装端子d', s'处测量的漏-源电压V_d's'具有相对于经过MOSFET Ts的电流i_SR的超前相位差。该封装在图1中用图形示为虚线框。如果感测的V_d's'电压用于检测谐振电流I_SR的零交叉点，那么MOSFET Ts将关断，同时该器件仍传导电流。这种切换条件导致低效率。

图2更详细地示出这个问题，其中V_d's'是在封装端子d', s'处测量的漏-源电压，i_SR是经过MOSFET Ts的谐振电流，V_ds是实际的MOSFET漏-源电压，V_gsSR是施加于MOSFET Ts的栅极的控制电压，V_th对应于MOSFET Ts的阈值电压，t_on是MOSFET Ts导通的实际时间，以及t_θ代表由于V_d's'和I_SR之间的相位差在切断周期中的可变性。在固定频率处，V_d's'和I_SR之间的相位差是固定的并且因此可以容易补偿。然而，当切换频率改变时，该相位差也成比例地改变，其进一步使零交叉点检测复杂化。这在图2中由两个不同的V_d's'曲线（a）和（b）示出，其中的每一个对应于不同的切换频率。

已经提出几种方法来解决精确零交叉点检测。这些方法涉及复杂的感测电路或控制算法。因此一种简单且精确的解决方案是所希望的。

技术实现要素：

根据电子器件的实施例，该电子器件包括包含有源控制切换元件的同步整流电路，在工作期间谐振电流流过该有源控制切换元件。该有源控制切换元件布置在封装中，该封装将杂散电感添加到同步整流电路的主电流路径。该电子器件还包括固定电感器，该固定电感器磁性耦合到杂散电感或与该杂散电感串联的附加的电感，使得该固定电感器不在同步整流电路的主电流路径中并且经过固定电感器磁性耦合到的电感的电流的变化在固定电感器处感应出参考电压，其在有源控制切换元件的不同切换频率处与谐振电流的零交叉点同相。

根据控制电子器件的方法的实施例，该电子器件包括具有有源控制切换元件的同步整流电路，在工作期间谐振电流流过该有源控制切换元件，该有源控制切换元件布置在封装中，该封装将杂散电感添加到同步整流电路的主电流路径，该方法包括：将固定电感器磁性耦合到杂散电感或与该杂散电感串联的附加的电感，使得该固定电感器不在同步整流电路的主电流路径中并且经过固定电感器磁性耦合到的电感的电流的变化在固定电感器处感应出参考电压，其在有源控制切换元件的不同切换频率处与谐振电流的零交叉点同相；以及基于在固定电感器处感应出的电压的零交叉点来控制有源控制切换元件的切换。

本领域技术人员在阅读了以下详细描述以及查看了附图之后将认识到附加的特征和优点。

附图说明

图中的元件不必要相对于彼此按比例。类似的参考数字指定对应的相似部分。各种所示的实施例的特征可以被组合，除非它们互相排斥。实施例在图中被描绘并且在接着的描述中被详述。

图1示出封装后的同步整流开关的示意图。

图2示出与图1中所示的封装后的同步整流开关的操作相关联的电压和电流波形。

图3示出用于同步整流开关的直接感应补偿电路的实施例的示意图。

图4示出与图3中所示的同步整流开关的操作相关联的电压和电流波形。

图5A示出用于封装后的同步整流开关的直接感应补偿电路的实施例的透视图。

图5B示出图5A中所示的直接感应补偿电路的实施例的平面图。

图6示出用于同步整流开关的间接感应补偿电路的实施例的示意图。

图7示出用于同步整流开关的间接感应补偿电路的另一实施例的示意图。

图8示出用于同步整流开关的间接感应补偿电路的又另一实施例的示意图。

图9示出用于封装后的同步整流开关的间接感应补偿电路的基于电路板的实施例的不同视图。

图10示出用于同步整流开关感应补偿电路的相位调谐和保护电路的实施例的示意图。

图11示出用于同步整流开关感应补偿电路的模拟控制器的实施例的示意图。

图12示出LLC转换器的实施例的示意图，对于LLC转换器，感应补偿电路用于精确控制该LLC转换器的次级侧同步整流开关。

图13示出与图12和图11中所示的LLC转换器的操作相关联的电压和电流波形。

图14示出用于同步整流开关感应补偿电路的数字控制器的实施例的示意图。

图15示出与由图14中所示的数字控制器控制的同步整流开关的操作相关联的电压和电流波形。

具体实施方式

根据本文描述的实施例，经过同步整流开关的谐振电流的零交叉点通过利用固定电感器补偿切换电路的杂散电感而被检测。固定电感器磁性耦合到杂散电感或与该杂散电感串联的附加的电感，但是没有在同步整流电路的主电流路径中。这样，感测的补偿电压在不同切换频率处与经过该器件的电流同相，并且固定电感器不必须被定尺寸成适应该开关的全功率。结果，同步整流开关的控制对切换频率的变化立即作出反应并且是相对温度不敏感的。另外，在补偿网络中不需要有源开关。接下来更详细地描述直接补偿和间接补偿方法。

图3示出直接补偿方法的实施例。在图3中，电子器件包括包含有源控制切换元件102的同步整流电路100，在工作期间谐振电流(I_DS)流过该有源控制切换元件102。在一个实例中，同步整流电路100是LLC转换器，并且有源控制切换元件102是LLC转换器的次级侧同步整流开关。通常，有源控制切换元件102布置在封装中，该封装将杂散电感(L_stray)添加到同步整流电路100的主电流路径(I_DS)。图3中的虚线表示在封装处可用的外部测量点。各种封装类型可用于容纳有源控制切换元件102。为了便于说明，该封装未在图3中示出。有源控制切换元件102被示为具有集成的体二极管104的MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），但可以是IGBT（绝缘栅双极晶体管）或其他类型的有源控制切换元件。

在每种情况下，固定电感器L_com磁性耦合到杂散电感L_stray或与该杂散电感L_stray串联的附加的电感，使得该固定电感器L_com没有在同步整流电路100的主电流路径I_DS中。根据一个实施例，固定电感器L_com在一个端子106处电连接到固定电感器L_com磁性耦合到的电感，而没有与有源控制切换元件102的主功率路径I_DS直接串联。在图3中，固定电感器L_com被示为磁性耦合到封装的杂散电感L_stray，其中k是耦合因子。经过固定电感器L_com磁性耦合到的电感的电流的变化在固定电感器L_com处感应出参考电压V_com，其在有源控制切换元件102的不同切换频率处与谐振电流I_DS的零交叉点同相。

图4示出主要感兴趣的电压和电流波形。固定耦合的电感器L_com补偿沿杂散电感L_stray的电压降，由此在封装的端子处的相移V_D'S'测量被补偿的V_com测量代替，其在宽范围的切换频率处总是与经过有源控制切换元件102的谐振（换向）电流I_DS同相。

利用直接补偿方法，固定电感器L_com磁性耦合到封装的杂散电感L_stray。因此，固定电感器L_com和耦合因子k应当被调谐至特定器件封装和L_stray值。固定电感器L_com可以被设计到器件封装本身中，或者可以是在该器件封装外面的外部电感器。在一个实例中，固定电感器L_com可以被实施为PCB（印刷电路板）上的铜轨迹（track）型电感器。耦合因子k的值根据固定电感器L_com的设计及其与杂散电感L_stray的接近度以及插在L_com和L_stray之间的材料的磁导率而变化。然而，由于这些参数可以是固定的，因此在直接补偿方法的情况下k的值也应当是常数值。测量的电压V_com仅是感测点，因此不需要固定电感器L_com来传导任何真实电流并且因此可以在物理上是小的。这样，由于杂散电感L_stray在同步整流电路100的主电流路径I_DS中而固定电感器L_com没有在主电流路径I_DS中，因此固定电感器L_com和杂散电感L_stray可能不匹配。

图5A和5B示出直接补偿方法的示例性封装实施方式。根据该实施例，有源控制切换元件102被封装在TO（晶体管轮廓）型封装110（例如TO-220封装）中。TO-220封装是意图用于功率半导体的功率封装并且是穿通孔设计的实例，而不是表面安装技术型封装。封装110的顶部具有金属突出物（metal tab）112，该金属突出物112具有在将封装110安装到热沉（未示出）中使用的孔114。TO-220封装110具有三个引线116, 118, 120，其从材料122（例如模塑料）突出，所述材料122包住有源控制切换元件102。所述端子包括栅极引线116、漏极（集电极）引线118和源极（发射极）引线120。端子116, 118, 120是封装110的整个杂散电感L_stray的部件。类似的具有两个、四个、五个或七个引线的封装也是可用的。

根据该实施例，固定电感器L_com布置在封装110外面，如图5A中示意性示出的。在该实例中，固定电感器L_com磁性耦合到漏极和源极引线118, 120的杂散电感L_stray。图5B示出固定电感器L_com的实施方式实施例，其中固定电感器L_com包括在电路板132（例如PCB）上的绕组130。电路板132可以置于极接近封装110，使得绕组130磁性耦合到源极（发射极）和/或漏极（集电极）引线118, 120的杂散电感L_stray。例如，电路板132可以被胶粘或以其他方式附着到引线116, 118, 120。绕组130的一个端子134可以电连接到漏极（集电极）引线118，而没有与有源控制切换元件102的主功率路径直接串联。有源控制切换元件102可以被封装在不同类型的穿通孔封装（例如诸如TO-247）中，并且固定电感器L_com可以附着到封装110的外部表面，嵌入在封装材料122中，或者甚至布置在封装110内部，其具有外部接触点用于直接补偿方法。

图6示出根据间接补偿方法的同步整流电路100的实施例。根据该实施例，附加的（串联）电感器(L_series)在有源控制切换元件102的源极（发射极）和地(GND)之间与有源控制切换元件102串联连接。固定电感器L_com磁性耦合到串联电感器L_series以提供补偿的电压测量V_com。固定电感器L_com在一个端子106处电连接到杂散电感L_stray，而没有与有源控制切换元件102的主功率路径(I_DS)直接串联。固定电感器L_com与封装的杂散电感L_stray磁性隔离。

图7示出根据间接补偿方法的同步整流电路100的另一实施例。根据该实施例，串联电感器L_series在有源控制切换元件的漏极侧与封装的杂散电感串联连接，并且固定电感器L_com的一个端子电连接在串联电感器和杂散电感之间，而没有与有源控制切换元件的主功率路径(I_DS)直接串联。

图8示出根据间接补偿方法的同步整流电路100的又另一实施例。图8中所示的实施例类似于图7中所示的实施例。然而不同的是，串联电感器L_series布置在封装的顶部上，并且固定电感器L_com布置在串联电感器L_series的顶部上，如图8中示意性示出的。而且，固定电感器L_com的一个端子106电连接到串联电感器L_series的相对端子，如图7中所示。串联电感器L_series直接保持在有源控制切换元件102的主功率路径(I_DS)中。

图6到8示出间接补偿方法的不同配置。在每种情况下，固定电感器L_com电连接在同步整流电路100的漏极（集电极）电势处以维持与在直接补偿方法中相同的待补偿的感应电压。利用间接补偿方法，固定电感器L_com的机械设计在可用空间方面以及在与器件封装的杂散电感L_stray的耦合方面是较少限制的。串联电感器L_series的值应当尽可能小，因为串联电感器L_series添加到器件的总串联电感。此外，串联电感器L_series的设计应当确保L_series的电流载送能力匹配有源控制切换元件102的电流载送能力。图6中所示的配置（其中串联电感器L_series在开关102的源极侧）可能涉及附加的电路，因为附加的接触可以可用于感测不同于公共地（源极）的电势。

图9示出间接补偿方法的示例性封装实施方式。根据该实施例，有源控制切换元件102布置在封装200（例如像SuperSO8或S2O8的表面安装型封装）中，其附着到电路板202，例如PCB。电路板202具有端子/焊盘204，封装200的对应端子206附着到所述端子/焊盘204。电路板202还具有添加的第一绕组208，其将封装200的输出连接到形成在电路板202的第一层212中的输出金属迹线210。形成在电路板202的第一层212中的第一绕组208对应于本文先前描述的串联电感器L_series，并且与封装200的杂散电感L_stray串联。形成在电路板202的第二层216中的第二绕组214磁性耦合到第一绕组208。在图9中，串联电感器绕组208和封装200布置在电路板202的第一侧处并且固定电感器绕组214布置在电路板202的与第一侧相对的第二侧处。而且，串联电感器绕组208被实施为形成在电路板202的第一层212中的铜迹线，并且固定电感器绕组214具有一匝或多匝并形成在电路板202的第二层216中。进一步根据该实施例，固定电感器绕组214通过延伸穿过电路板的导电通孔218在一个端子106处电连接到串联电感器绕组214。

接下来描述的是供本文先前描述的同步整流电路和固定电感器使用的控制、相位调谐和保护电路的各种实施例。

图10示出供同步整流电路100和固定电感器L_com使用的实施例相位调谐和保护电路300。对于直接或间接补偿方法，固定电感器L_com（直接补偿方法）或固定电感器L_com及串联L_series（间接补偿方法）的设计应当通过杂散电感L_stray来补偿相位差。而且，固定电感器L_com（直接补偿方法）或固定电感器L_com及串联L_series（间接补偿方法）应当符合特定器件封装，例如SuperSO8、TO-220、TO-247等。然而，即使在同一批下制造的具有相同封装的相同器件也可能具有个别的L_stray中的变化。这可能影响相位补偿精确度，其可能在已经固定了L_com（直接补偿方法）或L_com及L_series（间接补偿方法）的设计之后通过添加用于调谐相位差的低值串联电容器C_tun而被增加。如此，C_tun补偿不同于预期的标称值的杂散电感，并调谐零交叉点。

高值电阻器R_lim可以被添加成与固定电感器L_com串联，用于限制经过L_com感测路径至地的电流流动。此外，两个反向并联齐纳二极管ZD_pos和ZD_neg可以与C_tun并联放置，用于限制可通过C_tun及感测电路的其余部分看到的最大正/负电压。其他二极管类型也是可能的，只要它们的阈值电压不是太低使得它们在正常工作期间接通。由于C_tun可以是非常低的值，接近齐纳二极管ZD_pos、ZD_neg的组合输出电容以及感测电路的输入电容，因此从这些器件添加的并联电容可能在选择C_tun值的过程中具有影响。

各种类型的控制电路可以用于控制施加到有源控制切换元件102的栅极的切换信号。在每种情况下，控制电路可操作用于基于参考电压V_com的零交叉点来控制有源控制切换元件102的切换。

图11示出单个比较器控制器400的实施例。相关联的LLC转换器402在图12中示出。固定电感器L_com磁性耦合到有源控制切换元件SR1和SR2的杂散电感L_stray或与这些杂散电感串联的附加的电感。每个有源控制切换元件SR1和SR2电连接到LLC转换器402的次级变压器绕组的一个端子，并且在LLC转换器402的次级侧提供同步整流。接下来仅描述有源控制切换元件SR1的控制。相同的控制适用于有源控制切换元件SR2连同晶体管M2。

单个比较器控制器400还包括单个高速比较器406，其相对于信号Vpul比较参考电压V_com。Vpul信号是V_{G_M1}信号的修改型式，所述V_{G_M1}信号是用于晶体管M1的初级侧驱动信号。信号V_{G_M1}进入由电阻器R1、电容器Cpul和电阻器R2形成的RCR网络。RCR网络将方波信号变成脉冲型信号，其利用V_{G_M1}触发V_{G_SR1}的接通，但是C_pul一被充电就回到零电压，然后当V_{G_M1}切断并且通过R₁和R₂给C_pul放电时生成负脉冲。

图13示出在两个不同的切换频率Fsw1和Fsw2下单个比较器控制器400的操作。模拟波形示出补偿的感测信号V_com总是与I_SR1的零交叉点同相，其触发信号V_{G_SR1}切断。而初始V_DS总是在零交叉点中以各种相位差超前I_SR1。在没有本文描述的感应补偿技术的情况下，这种相位差就会导致早切断情形。图13还示出V_com和V_pul之间的电压比较。这里，V_{G_SR1}利用来自V_{G_M1}的正V_pul信号来触发导通。然后一旦在有源控制切换元件SR1的传导周期期间电容器C_pul被完全充电并且V_com变为负（如通过I_SR1的负电流看到的），信号V_pul就降回到零电压。一旦检测到零交叉点并且V_com变为正，即使V_{G_M1}继续导通，V_{G_SR1}也被切断。该控制是内在安全的，因为即使V_{G_SR1}比V_{G_M1}长并且没有检测到零交叉事件，一旦V_{G_M1}被切断，负脉冲就迫使V_com高于V_pul，并且因此在所有情况下迫使V_{G_SR1}的关断。

图14示出基于逻辑的控制器500的实施例。基于逻辑的控制器基于NOR（或非）选通的置位-复位（SR）锁存器502，其在检测到置位信号时保持输出V_Gdriv为正，并且当检测到复位信号时根据逻辑技术仅切换为零或负。用于该电路502的复位信号是高速比较器504的输出，其相对于地/MOSFET源极点比较参考电压V_com信号。置位点由初级侧栅极信号V_{G_M1}触发，并且该信号通过脉冲发生器506，所述脉冲发生器506可以生成特定长度的脉冲。通常，置位点的长度应当是<< V_{G_M1}。此外，复位信号还受锁定（lock out）电路508控制，其将复位信号保持为它先前的值，同时置位为正。这将保护复位信号在开始时不受来自切换振荡的错误触发。SR锁存器502的输出V_Gdriv是用于有源控制切换元件102的栅极驱动器的控制信号。

图15示出在两个不同的切换频率Fsw1和Fsw2下基于逻辑的控制器500的操作。这里，V_{G_M1}触发置位脉冲，所述置位脉冲触发V_{G_SR1}接通。信号V_{G_SR1}保持导通直到检测到参考电压V_com信号的零交叉为止，并且复位信号被触发，其关断V_{G_SR1}，并且当置位信号被触发时整个过程再次开始。不同于单个比较器控制器400，V_{G_SR1} 即使在V_{G_M1}关断时仍可以保持导通。这在Fsw2波形中示出，其中切换频率高于LLC转换器402的谐振频率并且I_SR1在V_{G_M1}关断之前没有到达零。在这一点上，I_SR1从负方向自然传导到正方向中，迫使零电流交叉事件，其触发复位信号。

使用例如"第一"、"第二"等的术语来描述各种元件、区域、区段等，并且这些术语也并不旨在是限制性的。在整个描述中，类似的术语指代类似的元件。

如本文使用的，术语"具有"、"包括"、"包含"、"含有"等是开放式术语，其表示所声明的元件或者特征的存在，但并不排除附加的元件或者特征。冠词"一"、"一个"和"该"旨在包括复数以及单数，除非上下文另有清楚表示。

应当理解的是，除非另外特别指出，否则本文所描述的各种实施例的特征可以相互组合。

虽然本文已经示出和描述了特定实施例，但本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，多种替换和/或等效实施方式可替代所示出和描述的特定实施例。本申请旨在涵盖本文所讨论的特定实施例的任何改编或变型。因此，意图的是，本发明仅由权利要求及其等同物限制。