专利名称：：具自驱式同步整流器的半桥llc谐振转换器的制作方法
技术领域：
：本发明揭示一种具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器。
背景技术：
：现有技术的电路图显示于图l，其中第一开关晶体管M,与第二开关晶体管M2以半桥结构(half-bridgeconfiguration)连接于输入电压源Vin与谐振电路(resonanttank)之间；LLC谐振电路包含磁化电感Lm、谐振电感"与谐振电容C,;变压器T,包含一组一次侧线圈Np与二组二次侧线圈Ns;第一整流二极管D,与第二整流二极管D2以中央抽头式全波整流器结构(center-tappedfull-waverectifierconfiguration)连接于二次侧线圈N,与输出电容C。之间。为便于说明，定义下列电路参数(circuitparameters):t为M,与M2的切换频率；^^为Lr与Cr的谐振频率；II=^为T,的一次侧对二次侧圈数比；V。为输出电压；V。r-nV。为反射输出电压。就电路变量(circuitvariables)而言，M,与M2的栅-源极电压V^(t)与V^(t)、谐振电容电压ve,(t)、一次侧电压Vp(t)与二次侧电压、(t)的参考极性以及谐振电感电流、(t)、磁化电感电流、(t)、一次侧电流ip(t)与二次侧电流"t)的参考方向也标明于图1。依据f^f。f^fr与fj&的情况，VcMs'(t)、VcMs2(t)、、(t)、、(t)与"(t)的波形图分别示于第2a图、第2b图与第2c图。因前半周期与后半周期之间有对称性，故仅说明前半周期的等效电路与关键波形。首先说明t二t。、t=t,、1=、与1=、的物理意义如下t^t。为一个谐振周期重新开始的时刻；t:t,为、(t)从负值变成正值的时刻；t-tr为i力)下降至0的时刻；t^t,为V^(t)下降至0的时刻。无论f;《f,或f,〉fr，在t^t《t,的期间，M,与M2皆关闭。因、(t)小于o且大于ijt)，故、(t)流经M,的本体二极管；ip(t)〉0流进Np的黑点端；"(t)〉0流出Ns的黑点端；D,导通但D2截止。LJ皮Vw箝制；未能参加^与Cr的谐振。、(t)与"t)皆为正弦波；、(t)的上升斜率为^。D,在t-t。的时刻被零电流切换(zero-current-switched,ZCS)至导通状态；M,可在tQStSt,的期间被零电压切换(zero-voltage-switched,ZVS)且/或在t=t,的时刻被零电流切换至导通状态以降低切换损失(switchingloss)。在f;^fr的情况，"t)在M,关闭前下降至0(即、〈t》。在t，^t《"的期间，M,开启但M2关闭。在t,St^"的期间，因、(t)大于0且大于、(t)，故、(t)流经M，的沟道；ip(t)〉0流进Np的黑点端；i力)〉0流出N,的黑点端；D,导通但D2截止。LJ皮V。,箝制；未能参加L,与Cr的谐振。、(t)与"(t)皆为正弦波；、(t)的上升斜率为&。D,在t=、的时刻被零电流切换至截止状态。在tfSt《ts的期间，因、(t)大于0且等于iLm(t)，故、(t)流经M，的沟道；ip(t)=0;is(t)=0;D,与D2皆截止。k未被V。r箝制；能参加Lr与Cf的谐振。i,,(t)与、(t)的上升斜率小于i。D2在t-、的时刻被零电流切换至导通状态。在f,〉fr的情况，"(t)在M,关闭后下降至0(即tr〉、)。在t,^t^ts的期间，M,开启但M2关闭。因、(t)大于0且大于、(t)，故、(t)流经M,的沟道；ip(t)>0流进Np的黑点端；i力hO流出Ns的黑点端；D,导通但D2截止。LJ皮V。,箝制；未能参加"与Cr的谐振。、W与"t)皆为正弦波；、(t)的上升斜率为^。在t^t^、的期间，M,与M2皆关闭。因、(t)大于0且大于i"(t)，故、(t)流经M2的本体二极管；ip(t)〉0流进Np的黑点端；"(t)X)流出Ns的黑点端；D,导通但D2截止。^被V。r箝帝l」；未能参加Lr与Cr的谐振。、(t)与i,(t)皆为正弦波；、(t)的上升斜率为i。"(t)在t-tr的时刻以零电流切换从D,换流(commutate)至D2。因开关晶体管与整流二极管能被零电压切换或被零电流切换，此现有转换器具有低切换损失。然而，此现有转换器采用二极管为整流器，故导致较高的整流器导通损失(conductionloss)。本发明以同步整流器取代二极管整流器以降低整流器导通损失并揭示便宜有效的栅极驱动器。理论上，一次侧开关晶体管与二次侧同步整流器可被一次侧集成电路控制器或二次侧集成电路控制器驱动。实际上，一次侧集成电路控制器较二次侧集成电路控制器有三项优点(1)较易取得(2)较易与一次侧功率因素校正器配合(3)较易实现转换器的保护功能。因此，本发明提出以一次侧集成电路控制器驱动二次侧同步整流器的方法。
发明内容为解决上述问题，本发明揭示一种具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其利用一次侧集成电路控制器与栅极驱动器以驱动一次侧开关晶体管与二次侧同步整流器。栅极驱动器由集成电路基础型(IC-based)或变压器基础型(transformer-based)驱动模块(drivermodule)与差动变压器(differentialtransformer)组成；或者由直流移位器(DCshifter)、直流复位器(DCrestorer)与差动变压器组成。一次侧开关晶体管的驱动电压为单极性；二次侧同步整流器的驱动电压可为双极性或单极性。图1示出了现有半桥LLC谐振转换器的电路图。图2a、2b、2c示出了电压与电流的波形图；分别对应于f;〈fr、f,fr与fpf;的情况。图3a与图3b示出了第一实施例的电路图与驱动电压波形图。图4a与图4c示出了第二实施例的电路图与驱动电压波形图。图4b与图4c示出了第三实施例的电路图与驱动电压波形图。图5a与图5b示出了第四实施例的电路图与驱动电压波形图。图6a与图6c示出了第五实施例的电路图与驱动电压波形图。图6b与图6c示出了第六实施例的电路图与驱动电压波形图。主要组件符号说明M,、M2开关晶体管SR,、SR2同步整流晶体管Q5、Q6PNP双极晶体管D,、D2、D4、D51、D52、D61、二极管D62、D7、D8L。Lm电感Cr、C。、C3、C4电容vin、V。、VP、vB、vA电压K'(')、^2(,)、CW、G2W栅极驱动电压T,、T2、T3、T4、T5变压器A、B、P、G节点iLr(t)、iLm(t)、ip(t)、is(t)电流t、to、t,、ts、tr时间—次侧集成电路控制器U2驱动模块R5、R6电阻具体实施方式首先以图2a图至图2c的分析说明切换频率与谐振频率间的关系对转换器操作的影响。在fs"r的情况，在t^t^ts的期间，M,开启但M2关闭。因^^〈^L-v力)-k^^〈V。，故D,截止。若D,以第一同步整流器SR,dtLmndt取代，则SR,与M,同步开启。输出电压V。与二次侧电压v力)间的电压差除以SR,的微小导通电阻(conductionresistance)将导致巨大击穿电流(shoot-throughcurrent)而烧毁第一同步整流器SR,。在fs>ff的情况，在t^t^t,的期间，M,与M2皆关闭。因^L^L=>VsW=k^^=V。，故D,导通。若D,以第一同步整流器SR,dtLmndt取代，则SR,与M,同步关闭。i"t)将流经SR,的本体二极管且转换器仍可安全操作。因此，本发明所揭示的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器仅适用在f;〉f「的情况。一次侧的第一开关与第二开关可由P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(p-channelmetaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor,PMOS)、N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)、P型结型场效应晶体管(p-typejunctionfieldeffecttransistor,p-JFET)以及N型结型场效应晶体管(n-JFET)实作，惟需注意晶体管电极的极性。相同的原理，二次侧的第一同步整流器与第二同步整流器可由PMOS、NMOS、p-JFET或n-JFET实作，惟需注意晶体管电极的极性。为说明方便，一次侧的第一开关与第二开关与二次侧的第一同步整流器与第二同步整流器采用NMOS实作，分别表示为MpM2、SRj、SR2。第一实施例的电路图与驱动电压波形图分别显示在图3a与图3b，其中一次侧集成电路控制器输出两个对地参考(ground-referenced)的驱动电压VB(t)与vjt);第一开关晶体管与第二开关晶体管M2以半桥结构(half-bridgeconfiguration)连接于输入电压源Vin与谐振电路(resonanttank)之间，M,与M2的连接点记为P，其电压记为Vp;LLC谐振电路包含磁化电感L,。谐振电感Lf与谐振电容Cr;变压器T2包含一组一次侧线圈Np与二组二次侧线圈N,;第一同步整流器SR,与第二同步整流器SR2以共源极结构(common-sourceconfiguration)连接于二次侧线圈Ns与二次侧接地端之间，二组二次侧线圈Ns连接于电压输出端V。，电压输出端V。与二次侧接地端跨接滤波电容。当M,开启但M2关闭时，M,的源极电位为Vin;当M,关闭但M2开启时，M！的源极电位为0。因此，M,的源极电位Vp为一变动电位(fluctuatingpotential)。因M,的开启需要M,的栅极与源极间的电压差高于栅-源极临界电压(gate-sourcethresholdvoltage),故一集成电路基础型(IC-based)或一变压器基础型(transformer-based)驱动模块U2必须被用以将(t)与v八(t)转换成M,与M2的单极性栅-源极电压《;(t)与《2(t)。具1:1:1一次侧对二次侧圈数比的差动变压器T3的一次侧线圈将v"t)减去vjt)以产生SR,与SR2的双极性栅-源极电压v^Ht)与v^(t)，二次侧同步整流器栅极所受电压如表一<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表一vB(t)、vA(t)、《丌t)、v^(t)、^'(t)与v^(t)的电压波形如第3b图。第二实施例的电路图与驱动电压波形图分别显示在图4a与图4c，其中二极管052与电阻Rs的组合、二极管062与电阻R6的组合、二极管Ds,与PNP双极晶体管Q5的组合及二极管D61与PNP双极晶体管Q6的组合分别构成SR,与SR2的半波整流器(half-waverectifier)与快速关闭电路(fastturn-offcircuit)。当、(0=1时，D52、D51、Q6导通但Qs、D62、Dw截止；SR,开启但SR2关闭。当、(1)=0时，D52、D51、D62、Dw截止但Qs、Q6导通；SR,与SR2皆关闭。当、(1)=-V。。时，D62、D61、Qs导通但Q6、D52、Ds,截止；SR2开启但SR,关闭。对应于T3的双极性驱动电压，SR,与SR2的单极性驱动电压列于表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表二第三实施例的电路图与驱动电压波形图分别显示在图4b与图4c，其中差动变压器Ts包含一组一次侧线圈与一组二次侧线圈；二极管D7与二极管D8的组合构成SR,与SR2的信号分配器(signaldistributor)。当、(t^V。。时，Ds导通但D7截止；SR,开启但SR2关闭。当V"t):0时，D7与Ds皆截止；SR,与SR2皆关闭。当、(0=-V"时，07导通但08截止；SR2开启但SR,关闭。对应于Ts的双极性驱动电压，SR,与SR2的单极性驱动电压列于表三<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表三第四实施例的电路图与驱动电压波形图分别显示在图5a图与图5b，其中一次侧集成电路控制器U,藉由直流移位器与直流复位器的组合电路可直接驱动第一开关晶体管M,与第二开关晶体管M2;电容C4与脉波变压器(pulse;transformer)丁4构成一直流移位器(DCshifter);电容C3与二极管D3构成一直流复位器(DCrestorer)。因的源极电位Vp为一变动电位但M2的源极电位为一接地电位(groundingpotential)，故差动变压器丁3不能直接比较的栅-源极电压《力)与M2的栅-源极电压v^(t)。因此，一直流移位器与一直流复位器必须被用以将v^(t)转换成对地的参考(ground-referenced)驱动电压VB(t)。C4的跨电压可从伏-秒乘积平衡等式(volt-secondsproduct叫uilibriumequation)被推导(VCC-VC4)D=VC4(1—D)=>VC4=DVCC其中，"为M,的占空比(dutyratio)。因D0.5VC4=DVee*0.5Vre，故VC4在一个切换周期内可被视为一固定电压源。具1:1一次侧对二次侧圈数比的T4的二次侧线圈的跨电压可被表示为,、fVcc_VC,M,onandD3offJ—VC4，M,offandD3on当D3导通时，C3被充电至V^。因此，Qj的跨电压Vc，=VC4a0.5V"在一个切换周期内也可被视为一固定电压源。节点B与一次侧接地端间的电压差可被表示为MM_JVCC-VC4，onandD3off一JVCC，onandD3offvB(t)=VC3+vw(t)=VC4+i_Vq4,M|0ffandD30n=j0,M,0ffandD3on第四实施例的二次侧电路与第一实施例二次侧电路相同，V纟〖'(t)与V纟〖2(t)具有相同的电压波形。第五实施例与第六实施例的电路图与驱动电压波形图分别显示在图6a至图6c，其一次侧的电路与第四实施例相同，二次侧的电路分别与第二实施例与第三实施例相同，可由前述实施例类推其作动，此处不再重新叙述。以上所述的实施例仅系为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所做的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。1权利要求1.一种具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，包含一第一开关晶体管与一第二开关晶体管，其中所述第一开关晶体管与所述第二开关晶体管连接于一第一节点，再串接于一外部电源与一一次侧接地端之间；一LLC谐振电路，其包含串接的一谐振电容、一谐振电感与一磁化电感，其由一电力变压器的一一次侧线圈提供，串接于所述第一节点与所述一次侧接地端之间；一电力回路，包含串接的所述电力变压器的一第一二次侧线圈、一第一同步整流晶体管、一第二同步整流晶体管与所述电力变压器的一第二二次侧线圈，所述第一同步整流晶体管与所述第二同步整流晶体管连接于一第二节点，所述第二节点连接一二次侧接地端，所述第一二次侧线与所述第二二次侧线圈连接于一电压输出端，所述电压输出端与所述二次侧接地端之间跨接一滤波电容；一一次侧集成电路控制器；一栅极驱动器连接所述第一开关晶体管的栅极与所述第二开关晶体管的栅极与所述一次侧集成电路控制器；以及一差动变压器连接所述一次侧集成电路控制器、所述栅极驱动器、所述第一同步整流晶体管的栅极与所述第二同步整流晶体管的栅极。2.如权利要求1所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述栅极驱动器为一集成电路基础型或一变压器基础型的栅极驱动器。3.如权利要求2所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述差动变压器包含一一次侧线圈与二二次侧线圈，所述差动变压器的二所述二次侧线圈的一端连接于所述二次侧接地端，所述差动变压器的二所述二次恻线圈的另二端分别连接所述第一同步整流晶体管的栅极与所述第二同步整流晶体管的栅极，所述差动变压器的所述一次侧线圈连接所述栅极驱动器。4.如权利要求3所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，还包含二结合电路，任一所述结合电路为一半波整流器与一快速关闭电路的结合，二所述结合电路分别连接于所述差动变压器与所述第一同步整流晶体管的栅极，以及所述差动变压器与所述第二同步整流晶体管的栅极之间，其中任一所述结合电路的所述半波整流器包含一二极管与一电阻，任一所述结合电路的所述快速关闭电路一二极管与一PNP双极晶体管。5.如权利要求2所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述差动变压器包含一一次侧线圈与一二次侧线圈，所述差动变压器的所述二次侧线圈的二端间连接一信号分配器的二信号输出端，所述信号分配器的一输入端连接于所述第二节点，所述信号分配器的二所述信号输出端分别连接所述第一同步整流晶体管的栅极与所述第二同步整流晶体管的栅极，所述差动变压器的所述一次侧线圈连接所述栅极驱动器，所述信号分配器包含二二极管，以共阳极方式连接，其中二所述二极管的阴极为二所述输出端，二所述二极管的共阳极连接所述第二节点。6.如权利要求1所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述栅极驱动器包含为一直流移位器与一直流复位器，所述直流移位器包含一电容与一脉波变压器，所述直流复位器包含一电容与一二极管。7.如权利要求6所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述差动变压器包含一一次侧线圈与二二次侧线圈，所述差动变压器的二所述二次侧线圈的一端连接于所述二次侧接地端，所述差动变压器的二所述二次侧线圈的另二端分别连接所述第一同步整流晶体管的栅极与所述第二同步整流晶体管的栅极，所述差动变压器的所述一次侧线圈连接所述栅极驱动器。8.如权利要求7所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，还包含二结合电路，任一所述结合电路为一半波整流器与一快速关闭电路的结合，二所述结合电路分别连接于所述差动变压器与所述第一同步整流晶体管的栅极，以及所述差动变压器与所述第二同步整流晶体管的栅极之间，其中任一所述结合电路的所述半波整流器包含一二极管与一电阻，任一所述结合电路的所述快速关闭电路一二极管与一PNP双极晶体管。9.如权利要求6所述的具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于，所述差动变压器包含一一次侧线圈与一二次侧线圈，所述差动变压器的所述二次侧线圈的二端间连接一信号分配器的二信号输出端，所述信号分配器的一输入端连接于所述第二节点，所述信号分配器的二所述信号输出端分别连接所述第一同步整流晶体管的栅极与所述第二同步整流晶体管的栅极，所述差动变压器的所述一次侧线圈连接所述栅极驱动器，所述信号分配器包含二二极管，以共阳极方式连接，其中二所述二极管的阴极为二所述输出端，二所述二极管的共阳极连接所述第二节点。全文摘要本发明揭示一种具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其利用一直流移位器、一直流复位器且/或一差动变压器以驱动在二次侧电力回路中的同步整流器。该同步整流器的驱动电压可为双极性或单极性。在正确操作模式下，此具自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器可降低整流器导通损失以提高转换器效率。文档编号H02M3/28GK101557170SQ20081009270公开日2009年10月14日申请日期2008年4月10日优先权日2008年4月10日发明者余金生,王志良申请人:洋鑫科技股份有限公司;王志良