一种基于同步整流电路的控制方法与流程

1.本发明涉及同步整流电路领域，主要是一种基于同步整流电路的控制方法。


背景技术：

2.二极管作为一种单向导通的半导体器件，在许多电力电子电路，如反激、正激、半桥、全桥以及llc谐振电路等二次侧电路中有着广泛的应用。然而二极管一般导通压降较高，在低压大电流场合，二极管产生的导通损耗在系统总损耗中占据了较大部分，大大降低了系统转换效率。因此在许多应用场合，特别是输出侧为低压大电流的情况下，使用同步整流控制器控制的同步整流管(硅场效应管mosfet或ganfet氮化镓场效应管)取代了二极管，如图1所示。
3.同步整流控制器的功能主要是：以mosfet为例(工作原理与ganfet相同)，在需要mosfet反向导通时栅极发出高电平驱动电压，使得mosfet开通，从而电流主要从mosfet体内沟道流通。由于mosfet导通电阻小，因此产生极小的电压压降，使得导通损耗相比于电流通过mosfet体二极管大大降低。在需要mosfet正向关断时，栅极驱动信号产生低电平电压，此时mosfet关断，等效于单个二极管进入关断状态。由于氮化镓场效应管ganfet没有体二极管，反向导通时电压压降接近2v-3v，通过同步整流控制器开通ganfet,可以极大的降低导通损耗并减小散热片的体积和成本。
4.同步整流的主要技术难点是能够快速并精确地控制mosfet的开关(工作原理与ganfet相同)，尽可能使其工作状态接近理想二极管。传统同步整流控制器其主要面临的挑战有：
5.1.变换器在dcm工作状态时由于电流过零点震荡容易使得mosfet误开通，系统不稳定；
6.2.同步整流管需要开通时过晚开通，增加导通损耗；
7.3.同步整流管需要进入关断时过早关断，增加导通损耗；
8.4.同步整流管需要进入关断时过晚关断，易产生直通短路。
9.以上问题如果同步整流控制器未经优化设计，可能造成功率变换器工作状态不稳定，系统过流，变换器转换效率下降，系统过热等问题。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于同步整流电路的控制方法，涉及一种具备自激性电压斜率检测技术以降低开通前二极管导通损耗、具备脉冲快速关断技术以降低关断后二极管导通损耗，并减少mosfet或者ganfet氮化镓开关管导通和开关损耗的同步整流电路。此电路能在高电压大电流应用领域如电动汽车、大数据中心以及消费类电子产品中，极大的提升同步整流控制器电能转换效率实现节能减碳，并减少散热器体积以降低系统方案成本，提升开关频率以缩小系统方案尺寸。
11.本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种基于同步整流电路的控制方
法，可优化未来的mosfet(或ganfet)同步整流控制器芯片的内部设计,以减小电能损耗并提升转换效率、提升工作频率来减小系统尺寸和成本，并提高系统工作的稳定性和可靠性，该方法包括如下步骤：
12.(1)、通过基于微分电路的dv/dt电压斜率检测电路，检测同步整流管(mosfet管或ganfet)漏极到源极的电压差vds的压降变换斜率，通过vds斜率检测信息，可以快速和精确的确定同步整流管开通或关断的时间点，防止错误触发；
13.(2)、闭环控制型同步整流管开通：在同步整流管开通时间点(栅极到源极压差vgs比整流管阈值电压v
th
高1v，vgs＝v
th
+1v)，检测此时间点的vds并采样和保持，通过闭环反馈控制来调整同步整流管的检测阈值电压vds_th2和开通延迟时间，以实现开通时间点vds压降最小化，降低开关时电能损耗并提升转换效率；
14.(3)、闭环控制型栅极预关断：在同步整流管关断之前，即当同步整流管vds接近0v前，提前降低同步整流管栅极驱动电压vgs。由于关断前的栅极电压更低，可以实现更加快速的关断同步整流mosfet，提高关断时的电流控制精确度，减少开关损耗并降低直通短路的风险。
15.作为优选的技术方案：在上述技术方案的基础上可以增加脉冲控制型栅极快关断方法，通过在同步整流控制器控制信号输入端输入窄脉冲信号，信号上升沿触发快速关断同步整流管。该方法可以使得同步整流控制器实现外部信号进行控制，提高系统可控性并适应更多拓扑需求。同时可以实现更小的时间延迟，达到精确控制目的并提高转换效率。
16.作为优选的技术方案：所述vds斜率检测信息包括固定时间的vds电压变换大小，或者固定vds电压变换范围所需要的时间长短。
17.作为优选的技术方案：在步骤(1)中，所述基于微分电路的dv/dt电压斜率检测电路通过检测同步整流管的漏极到源极的电压差vds，根据比较器的输出vout测量在电压下降的关键时间阶段所需要的时间，通过与设置好的阈值时间t
se
进行比较，决定同步整流管是否开通。
18.具体地，当同步整流管vds开始下降并低于高压隔离nldmos管m
hv
栅极电压时，从预先设置检测电压vds_th1开始计时，到vds电压下降到vds_th2后存储检测到的时间差td1；通过将该时间差td1与预先设置的时间阈值t
se
进行比较，当td1《t
se
时，判定开通同步整流管，反之，当td1》t
se
时，保持同步整流管关断状态。
19.作为优选的技术方案：在步骤(2)中，在同步整流管开通时间点，检测此时间点的电压差vds；当vds《vds_thon，其中vds_thon为优化的开通vds电压阈值；通过闭环控制，升高vds_th2，同比例减小t
se
阈值时间，开通的时间点提前，使得开通时的vds接近vds_thon；而当vds》vds_thon,通过闭环控制，降低vds_th2，同比例增加t
se
阈值时间，开通的时间点延后，使得开通时的vds接近vds_thon。
20.作为优选的技术方案：在步骤(3)中，在同步整流管关断之前，当同步整流管漏极vd电压越来越接近零，通过高精度运放来降低栅极驱动电压及提高同步整流管导通电阻，从而维持vds_reg的电压压降，随着电流isd越来越小，栅极驱动电压vgs会越来越低。
21.本发明的有益效果为：本发明可以优化同步整流管开通和关断控制，提升系统的效率、可靠性，有效克服传统同步整流控制器存在的问题和挑战。这些技术可以应用于mosfet硅场效应管和ganfet氮化镓场效应管，并通过更高的工作频率实现系统的小型化。
附图说明
22.图1为同步整流管取代二极管示意图；
23.图2为同步整流控制器开通关断波形示意图；
24.图3为基于微分电路的自激型dv/dt检测核心电路示意图；
25.图4为基于微分电路的自激型同步整流控制器工作原理图；
26.图5为同步整流开通开环流程图；
27.图6为同步整流开通闭环流程图；
28.图7为栅极预关断闭环控制环路核心电路示意图；
29.图8为开通压降控制闭环控制状态流程图；
30.图9为脉冲控制型栅极快关断示意图；
31.图10为基于同步整流电路的控制技术关系示意图。
具体实施方式
32.下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
33.本发明提出了一种基于同步整流电路的控制方法，本发明主要围绕着如何实现同步整流控制器在精确控制外部同步整流管(mosfet或ganfet)，实现最佳开通与关断时间而提出的检测及控制方法。本发明提出的开通与关断技术之间的控制关系如图10所示。
34.一、自激型dv/dt电压斜率检测电路
35.本发明提出一种自激型dv/dt电压斜率检测电路，特别是一种是基于微分电路的dv/dt检测电路，检测并判定同步整流管的开通。
36.图3所示为基于微分电路的dv/dt检测电路，检测电路通过检测同步整流管的漏极(vd)到源极(vs)vds电压差，根据微分检测电路中比较器(cmp)的输出vout测量在电压下降的关键时间阶段的所需要的时间，通过与设置好的阈值时间t
se
进行比较，决定同步整流管是否开通。其中vref是比较器共模电压值。
37.基于微分电路的同步整流控制器具体工作原理如图4所示。当同步整流管vds开始下降并低于高压隔离nldmos管m
hv
栅极电压时，从预先设置检测电压vds_th1(如1.8v)开始计时，到vds电压下降到vds_th2后存储检测到的时间差td1.通过将该时间差td1与预先设置的时间阈值t
se
进行比较。当td1《t
se
时，说明当前vds电压变化斜率dv/dt超过了开通阈值，同步整流控制器判定开通同步整流管。反之，当td1》t
se
时，说明当前vds电压变化斜率dv/dt低于开通阈值，同步整流控制器处于dcm震荡阶段，此时同步整流控制器保持同步整流管关断状态。从微分比较器判定同步整流管开通(v
out
)到最后fet栅极升高(vgs)会有一定延迟td2，在设置检测vds_th2阈值电压时会根据开通延迟时间对vds_th2阈值电压进行适当调整，从而减少同步整流管负电压峰值并减少反向导通时的能量损耗。
38.二、闭环控制型同步整流管开通方法
39.所述闭环控制型同步整流管开通方法，以降低导通损耗并提高同步整流控制器电能转换效率。在同步整流管开通时间点(栅极到源极压差vgs比整流管阈值电压v
th
高1v，vgs＝v
th
+1v)检测vds电压并采样和保持，通过闭环反馈控制来调整同步整流管的检测阈值电压vds_th2和开通延迟时间，以实现开通时间点vds压降最小化，降低开关时电能损耗并提升转换效率。
40.同步整流管开通方法的具体工作原理波形如图4所示：当同步整流管vds开始下降，从预先设置检测电压vds_th1(如1.8v)开始计时，到vds电压下降到vds_th2后存储检测到的时间差td1.通过将该时间差td1与时间阈值t
se
进行比较，来确定同步整流管是否开通，同步整流开环流程图如图5所示。
41.然而，由于微分比较器输出(v
out
)到最后同步整流管开通(vgs)会有一定延迟td2,导致在开通时较大的导通压降和导通损耗。本发明引入同步整流闭环控制，工作原理是在整流管开通时(vgs＝v
th
+1v),检测此时的vds电压。当vds《vds_thon(其中vds_thon为优化的开通vds电压阈值，这里设定为-100mv的固定值),通过闭环控制，升高vds_th2(t
se
阈值时间也会做同比例减小)，这样开通的时间点会提前，最后使得开通时的vds接近vds_thon.而当vds》vds_thon,通过闭环控制，降低vds_th2(t
se
阈值时间也会做同比例增加)，这样开通的时间点会延后，使得开通时的vds接近vds_thon.该闭环流程图如图6。通过这种闭环控制的方式，使得通过整流管开通点的vds电压精确的接近优化的开通电压阈值，降低开关时导通电能损耗并提升系统电能转换效率。
42.三、闭环控制型栅极预关断方法
43.闭环控制型栅极关断方法的具体工作原理如下：随着反向电流isd的减少并越来越近零，其反向压降vds会逐渐降低。当反向电压降到图2中vds_reg时，通过控制器内部的闭环控制环路，如图7所示，当同步整流管漏极vd电压越来越接近零，通过高精度运放(amp)来降低栅极驱动电压来提高同步整流管导通电阻，从而维持vds_reg的电压压降。随着电流越来越小，驱动电压会越来越低。其工作流程如图8所示。
44.在图2中，当系统进入t1时间时，进入闭环控制型栅极预关断状态，在维持闭环的过程中，驱动电压逐步下降，并且同时保持较低的导通损耗。
45.当同步整流管mosfet(或ganfet)进入开通压降控制闭环控制状态后，实际上同步整流控制器相当于已经进入了预关断状态，在这个过程中mosfet驱动电压vgs会缓慢降低。当mosfet反向电流isd降低到接近0a时，驱动电压已经实现了大幅下降。也就是说同步整流控制器已经卸放了大部分的在mosfet栅极堆积的电量。因此在需要完全关断mosfet时，同步整流控制器只需要卸放剩余的栅极电量，从而可以实现mosfet的快速关断。通过预关断栅极控制，同步整流控制器可以实现更快的mosfet关断，在很多同步整流系统中，可以大大降低系统换流过程中因为同步整流关断延迟而产生的损耗，防止直通或短路导致电能效率降低和系统的可靠性。
46.四、脉冲控制型栅极快关断方法
47.本发明提出一种同步整流控制器脉冲控制型栅极快关断控制方法，在系统中，同步整流控制器关断控制将由两部分组成，分别是闭环控制型关断(预关断方法)，以及脉冲控制型栅极快关断方法，如图9所示。在某些系统中，闭环控制型关断或预关断方法无法精确和快速的关断外部同步整流管mosfet或ganfet，在这种情况下，用户可以根据自身算法需求，通过嵌入式处理器或者微控制器，输出一个外部脉冲控制的上升沿来实现同步整流管的快速关断。该创新有利于在传统的同步整流控制芯片上添加额外的灵活性，提升在高电压或者大电流应用领域的转换效率，提高该同步整流控制器在大数据中心、电动汽车以及消费类快速充电领域的应用范围。
48.可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等
同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。