专利名称：：具有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：
：本实用新型揭示一种具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器。
背景技术：
：现有技术的电路图示于图1，其中第一开关晶体管Mi与第二开关晶体管M2以半桥结构(half-bridgeconfiguration)连接于输入电压源V;n与谐振电路(resonanttank)之间；LLC谐振电路包含磁化电感^、谐振电感^与谐振电容G;变压器Tl包含一组初级线圈^p与二组次级线圈^';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)连接于次级线圈^与输出电容Co之间。为便于说明，定义下列电路参数(circuitparameters):fs为M1与M2的切换频率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>为Lr与Cr的谐振频率；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>为T1的初级对次级圈数比；^为输出电压<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>为反射输出电压。就电路变数(circuitvariables)而言，与M2的栅-源极电压^'W与dO、谐振电容电压vc力)、初级电压VpW与次级电压v力)的参考极性以及谐振电感电流'；W、磁化电感电流、(。、初级电流'P(,)与次级电流^)的参考方向亦标明于图1。依据,<,、,=,与,>,的情况，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>的波形图分别示于图2a、图2b与图2c。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<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>的物理意义如下？=~为一个谐振周期重新开始的时刻；,=/1为",)从负值变成正值的时刻；^~为''^)下降至0的时刻；^"为CW下降至o的时刻。无论,^,或,>乂，于^^,'的期间，M,与M2皆关闭。因^々)小于0且大于、W，故、(0流经Mi的本体二极管；W0〉0流进、的黑点端；"(0>0流出乂的黑点端；D1导通但D2截止。^被^制；未能参加A与^的谐振。、W与"(0皆为正弦波；、W的上升斜率为A"。Dl在^^的时刻被零电流切换(zero-current-switched,ZCS)至导通状态；Ml可于"s"fl的期间被零电压切换(zero-voltage-switched,ZVS)和/或在^=,i的时刻被零电流切换至导通状态以降低切换损失(switehingloss)。在,^,的情况，^)于M1关闭前下降至0(即^"0。于""^的期间，M1开启但M2关闭。于^^^r的期间，因、W大于0且大于、W，故、(。流经Ml的通道；'P(0〉0流进^P的黑点端；"0〉0流出乂的黑点端；D1导通但D2截止。^皿^箝制；未能参加A与^的谐振。、W与"W皆为正弦波；U^的上升斜率为；。Dl在纟=~的时刻被零电流切换至截止状态。于~《"G的期间，因~々)大于0且等于'"W，故"')流经M1的通道；W)^;"0=0;D1曳D2皆截止。4未被乙箝制；能参加A与CV的谐振。、")与、(,)的上升斜率小于4。D2在,=。的时刻被零电流切换至导通状态。在,〉,的情况，"。于M1关闭后下降至0(即~>~)。于""G的期间，M1开启但M2关闭。因、W大于0且大于、W，故、W流经M1的通道；~(,)〉0流进Wp的黑点端；^)>()流出^的黑点端；D1导通但D2截止。^被^，制；未能参加^与Cr的谐振。^々)与"^皆为正弦波；、W的上升斜率为Z。于"""的期间，M1与M2皆关闭。因'"W大于0且大于、W,故、W流经M2的本体二极管；~(0>()流进^^的黑点端；",)〉G流出^的黑点端；Dl导通但D2截止。^盤^箝制；未能参加^与Cf的谐振。1々)与/力)皆为正弦波；、W的上升斜率为A"。"0在^^的时刻以零电流切换从D!换流(commutate)至02。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，此种现有的转换器具有低切换损失。然而，此现有的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)。本实用新型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，初级开关晶体管与次级同步整流器可被初级集成电路控制器或次级集成电路控制器驱动。实务上，初级集成电路控制器较次级集成电路控制器有三项优点(1)较易取得(2)较易与初级功率因素校正器配合(3)较易实现转换器的保护功能。因此，本实用新型提出以初级集成电路控制器驱动次级同步整流器的方法。
实用新型内容为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其利用初级集成电路控制器与栅极驱动器以驱动初级开关晶体管与次级同步整流器。本实用新型的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特点是包含:一第一开关晶体管与一第二开关晶体管，其中该第一开关晶体管与该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初级接地端之间；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初级线圈提供，串接于该第一节点与该初级接地端之间；一电力回路，包含串接的该电力变压器的一第一次级线圈、一第一同步整流晶体管、一第二同步整流晶体管与该电力变压器的一第二次级线圈，该第一同步整流晶体管与该第二同步整流晶体管连接于一第二节点，该第二节点连接一次级接地端，该第一次级线与该第二次级线圈连接于一电压输出端，该电压输出端与该次级接地端之间跨接一滤波电容；一初级集成电路控制器；一栅极驱动器连接该第一开关晶体管的栅极与该第二开关晶体管的栅极与该初级集成电路控制器；以及一差动电压器连接该初级集成电路控制器、该栅极驱动器、该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极。栅极驱动器由集成电路基础型(IC-based)或变压器基础型(transformer-based)驱动组件(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。初级开关晶体管的驱动电压为单极性；次级同步整流器的驱动电压可为双极性或单极性。本实用新型的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器的优点是在正确操作模式下，可降低整流器导通损失以提高转换器效率。为能更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点，以下将配合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细描述，其中图1是现有的半桥LLC谐振转换器的电路图。图2a、2b、2c是电压与电流的波形图，分别对应于fs〈fr、与fs=fr与fs>fr力的情况。图3a与图3b是第一实施例的电路图与驱动电压波形图。图4a与图4c是第二实施例的电路图与驱动电压波形图。图4b与图4c是第三实施例的电路图与驱动电压波形图。图5a与图5b是第四实施例的电路图与驱动电压波形图。图6a与图6c是第五实施例的电路图与驱动电压波形图。图6b与图6c是第六实施例的电路图与驱动电压波形图。具体实施方式首先以图2a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,^乂的情况，于^"《的期间，M！开启但M2关闭。因&Z"""力，故D,截止。若Di以第一同步整流器SR!取代，则SRi与Mi同步开启。输出电压^与次级电压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SR1Q在的情况，于的期间，与M2皆关闭,、丄成(0O)—已…、,广必—"&，故D!导通。若D!以第一同步整流器SR!取代，则SRi与N^同步关闭。''力)将流经SR!的本体二极管且转换器仍可安全操作。因此，本实用新型所揭示的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器仅适用在乂>,的情况。初级的第一开关与第二开关可由P通道金属氧化半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管(NMOS)、P型接面场效应晶体管(p-typejunctionfieldeffecttransistor,p-JFET)以及N型接面场效应晶体管(n-JFET)实作，但需注意晶体管电极的极性。采用相同的原理，次级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，但需注意晶体管电极的极性。为说明方便，初级的第一开关与第二开关与次级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、SR!、SR2。第一实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图3a与图3b，其中初级集成电路控制器U,输出两个对地参考(ground-referenced)的驱动电压^(0与第一开关晶体管Mi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，与M2的连接点记为P，其电压记为V。；LLC谐振电路包含磁化电感&、谐振电感^与谐振电容^;变压器t2包含一组初级线圈"p与二组次级线圈w^第一同步整流器S&与第二同步整流器SR2以共源极结构(common-sourceconfiguration)连接于次级线圈^与次级接地端之间，二组次级线圈^连接于电压输出端V。，电压输出端V。与次级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N^关闭但M2开启时，的源极电位为0。因此，Mi的源极电位Vp为一变动电位(fluctuatingpotential)。因1V^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)驱动组件U2必须被用以将^(0与v力)转换成Ml与M2的单极性栅-源极电压v^(,)与《s2(,)。具有1:1:1初级对次级圈数比的差动变压器T3的初级线圈将^(0减去^(0以产生SR!与SR2的双极性栅-源极电压^'(。与《2(0，次级同步整流器栅极所受电压如表一<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表一vs(0、vj(0、vg(0、VS2(,)、v^'W与v^W的电压波形如图3b。第二实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图4a与图4c，其中二极管D52与电阻Rs的组合、二极管D62与电阻R6的组合、二极管D5i与PNP双极晶体管Q5的组合及二极管D61与PNP双极晶体管Q6的组合分别构成与SR2的半波整流器(half-waverectifier)与快速关闭电路(fastturn-offcircuit)。当^々)=^时，d52、d51、Q6导通但Qs、d62、d"截止；sr,开启但SR2关闭。当&(,)=0时，D52、D51、D62、D61截止但Q5、Q6导通;SR,与SR2皆关闭。当、(')=—K"时，D62、D61、Qs导通但Q6、D52、Dy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二<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表二第三实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图4b与图4c，其中差动变压器T5包含一组初级线圈与一组次级线圈；二极管D7与二极管Ds的组合构成SR,与SR2的信号分配器(signaldistributor)。当Vts(t)=Vcc时，D8导通但D7截止；SR1开启但SR2关闭。当、Vts(t)=0时，D7与D8皆截止；SR!与SR2皆关闭。当Vts(t)=-Vcc时，D7导通但Ds截止；SR2开启但SR1关闭。对应于T5的双极性驱动电压，SR1与SR2的单极性驱动电压列于表三表三<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>第四实施例的电路图与驱动电压波形图分别示于图5a与图5b，其中初级集成电路控制器通过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(pulsetransformer)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Mi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T3不能直接比较的栅-源极电压《'(,)与M2的栅-源极电压v^W。因此，一直流移位器与一直流复位器必须被用以将v^々)转换成对地的参考(ground-referenced)驱动电压vJ0。C4的跨电压可从伏-秒乘积平衡等式(volt-secondsproduct叫uilibriumequation)被推导<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>其中，D为M1的负荷比(dutyratio)。因<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>，故Vc4在一个切换周期内可被视为一固定电压源。具有1:1初级对次级圈数比的T4的次级线圈的跨电压可被表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>当D3导通时，C3被充电至Vc3。因此，C3的跨电压<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>在一个切换周期内亦可被视为一固定电压源。节点B与初级接地端间的电压差可被表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>第四实施例的次级电路与第一实施例次级电路相同，Fc，W与W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示于图6a至图6c，其初级的电路与第四实施例相同，次级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为说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技艺的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，当不能以其限定本实用新型的专利范围，即凡根据本实用新型所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本实用新型的专利范围内。权利要求1.一种具有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，其中该第一开关晶体管与该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初级接地端之间；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初级线圈提供，串接于该第一节点与该初级接地端之间；一电力回路，包含串接的该电力变压器的一第一次级线圈、一第一同步整流晶体管、一第二同步整流晶体管与该电力变压器的一第二次级线圈，该第一同步整流晶体管与该第二同步整流晶体管连接于一第二节点，该第二节点连接一次级接地端，该第一次级线与该第二次级线圈连接于一电压输出端，该电压输出端与该次级接地端之间跨接一滤波电容；一初级集成电路控制器；一栅极驱动器连接该第一开关晶体管的栅极与该第二开关晶体管的栅极与该初级集成电路控制器；以及一差动电压器连接该初级集成电路控制器、该栅极驱动器、该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极。2.根据权利要求1所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该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.根据权利要求2所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一个初级线圈与二个次级线圈，该差动电压器的二个该次级线圈的一端连接于该次级接地端，该差动电压器的二个该次级线圈的另二端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器。4.根据权利要求3所述的具有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个结合电路，任一该结合电路为一半波整流器与一快速关闭电路的结合，二个该结合电路分别连接于该差动电压器与该第一同步整流晶体管的栅极，以及该差动电压器与该第二同步整流晶体管的栅极之间，其中任一该结合电路的该半波整流器包含一二极管与一电阻，任一该结合电路的该快速关闭电路包含一二极管与一PNP双极晶体管。5.根据权利要求2所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一初级线圈与一次级线圈，该差动电压器的该次级线圈的二端间连接一信号分配器的二个信号输出端，该信号分配器的一输入端连接于该第二节点，该信号分配器的二个该信号输出端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器，该信号分配器包含二个二极管，以共阳极方式连接，其中二个该二极管的阴极为二个该输出端，二个该二极管的共阳极连接该第二节点。6.根据权利要求1所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该栅极驱动器包含为一直流移位器与一直流复位器，该直流移位器包含一电容与一脉波变压器，该直流复位器包含一电容与一二极管。7.根据权利要求6所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一个初级线圈与二个次级线圈，该差动电压器的二个该次级线圈的一端连接于该次级接地端，该差动电压器的二个该次级线圈的另二端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器。8.根据权利要求7所述的具有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个结合电路，任一该结合电路为一半波整流器与一快速关闭电路的结合，二个该结合电路分别连接于该差动电压器与该第一同步整流晶体管的栅极，以及该差动电压器与该第二同步整流晶体管的栅极之间，其中任一该结合电路的该半波整流器包含一二极管与一电阻，任一该结合电路的该快速关闭电路包含一二极管与一PNP双极晶体管。9.根据权利要求6所述的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器，其特征在于该差动电压器包含一初级线圈与一次级线圈，该差动电压器的该次级线圈的二端间连接一信号分配器的二个信号输出端，该信号分配器的一输入端连接于该第二节点，该信号分配器的二个该信号输出端分别连接该第一同步整流晶体管的栅极与该第二同步整流晶体管的栅极，该差动电压器的该初级线圈连接该栅极驱动器，该信号分配器包含二个二极管，以共阳极方式连接，其中二该二极管的阴极为二个该输出端，二个该二极管的共阳极连接该第二节点。专利摘要本实用新型揭示一种具有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、一直流复位器和/或一差动变压器以驱动在次级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，此具有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H02M7/217GK201204547SQ20082011203公开日2009年3月4日申请日期2008年5月6日优先权日2008年5月6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