用于同步整流器的驱动器以及采用该驱动器的功率转换器

具体实施方式

下面详细讨论本示例性实施例的制造和使用。然而应认识到，本发明提供可以在各种各样的特定上下文中实施的许多可应用的发明构思。所讨论的特定实施例只是说明用于制造和使用本发明的特定方式，而不限制本发明的范围。

将关于特定上下文中的示例性实施例来描述本发明，该示例性实施例即包括利用反向开关(例如晶体管)或二极管构造的驱动器以驱动开关(例如同步整流器开关)的控制端子的功率转换器以及其操作方法。尽管将在功率转换器的环境中描述本发明的原理，但可以受益于驱动器的诸如功率放大器或马达控制器之类的任何应用都完全在本发明的宽广范围内。

现在转到图1，图示的是提供本发明应用环境的功率转换器(例如回扫功率转换器)的部分的实施例的示意图。该功率转换器的功率传动机构(power train)包括功率开关S₁，该功率开关S₁耦合到提供输入电压V_in的电功率源(也称为输入功率源，诸如直流输入功率源)。电功率源将输入功率供给到隔离的变压器T1。变压器T1具有初级匝数Np和次级匝数Ns，选择该初级匝数Np和次级匝数Ns以提供输出电压V_out，其中考虑所产生的占空比和对功率传动机构组件的应力。功率开关S₁(例如n沟道MOSFET)通过控制器(例如，脉宽调制控制器，未示出)控制，该控制器控制功率开关S₁针对占空比导通。因而，功率开关S₁响应于由脉宽调制控制器按照开关频率f_s产生的栅极驱动信号GD₁来导通。占空比通过脉宽调制控制器来调整以调节功率转换器的输出的特性，诸如输出电压、输出电流或者二者的组合。在变压器T1的次级绕组上出现的交流电压通过二极管Ds1来整流，并且所得到的整流波形耦合到输出滤波电容器Cout以产生输出电压V_out。

在占空比的第一部分D期间，流过变压器T1的磁化电感的电流增加，并且二极管DS1阻止变压器次级电压施加到输出滤波电容器Cout。在占空比的互补部分(一般与功率开关S₁的互补占空比“1-D”共同存在)期间，响应于栅极驱动信号GD₁的功率开关S₁转变为非导通状态，并且流过变压器T1的磁化电感的电流按照变压器T1的匝数比反向缩减并且通过二极管Ds1耦合到输出滤波电容器Cout。在占空比的互补部分1-D期间，流过变压器T1的磁化电感的电流减少。一般而言，在占空比的第一部分D期间，可以调整功率开关S₁的占空比以维持功率转换器的输出电压V_out的调节。本领域技术人员应理解到，可以将电压尖峰缓冲器连接到节点N₁以对在功率开关S₁转变为非导通状态时可能跨功率开关S₁产生的电压尖峰进行箝位。

为了调节输出电压V_out，通常使用误差放大器将通过跨功率转换器的输出端子耦合的分压器网络(未示出)产生的输出电压V_out的缩放值与脉宽调制控制器中的参考电压相比较。误差放大器的输出和锯齿电压信号馈送到比较器。比较器的输出控制功率开关S₁的占空比。这构成了负反馈布置，用于将输出电压V_out调节为参考电压的缩放值。较大占空比暗示着功率开关S₁在功率转换器的开关周期的较长部分上闭合。诸如MOSFET之类的有源开关可以替代二极管Ds1作为同步整流器以提高功率转换效率。

如这里所介绍的，用于可用作同步整流器开关的开关的驱动器为此产生驱动信号，有利地，无需电流变压器或变压器上的附加绕组，并且无需来自脉宽调制控制器的控制功率转换器的初级侧上的功率开关的信号。跨用作同步整流器开关的开关的漏极到源极端子的电压通过驱动器中的两个开关(例如晶体管)来感测。两个晶体管之一可以按照反向配置耦合在驱动器中。有利地，采用合理数量的开关(例如晶体管或二极管)来驱动同步整流器开关。

现在转到图2至图10，图示了包括根据本发明原理构造的用于开关(例如同步整流器开关)的驱动器的实施例的功率转换器的部分的示意图。以图2开始，功率转换器的功率传动机构的初级侧图示为其中变压器T1的初级绕组的一个端子耦合到第一功率开关S₁。初级绕组的另一端子耦合到提供输入电压V_in的电功率源(例如输入功率源，诸如直流输入功率源)。第一电阻器R1表示变压器T1的初级绕组的电阻和与功率传动机构的初级侧串联的其它附带电阻。如本领域中完全理解的那样，在变压器T1的初级侧上一般包括其它组件(未示出)以在占空比的互补部分1-D期间使变压器T1的磁通量复位。如下所述，功率转换器可操作为正向、回扫和其它开关模式功率转换器拓扑。功率传动机构的次级侧在图2中图示为耦合到由具有输出电压V_out的电池表示的负载。第二电阻器R2和第三电阻器R3表示变压器T1的次级绕组的电阻和诸如功率转换器的输出端子的电阻之类的其它附带电路电阻。应注意的是，变压器T1的初级绕组和次级绕组的匝数分别表示为Np、Ns。

跨同步整流器开关SR的电压由形成有第一驱动器开关Q1和第二驱动器开关Q2(例如n型双极晶体管)的驱动器来感测，该同步整流器开关SR在图2中图示为具有源极“s”、漏极“d”和栅极“g”的n沟道MOSFET。第一驱动器开关Q1和第二驱动器开关Q2构成差分放大器的至少一部分。第一驱动器开关Q1的集电极电压控制至同步整流器开关SR的驱动信号SRGD的电压。导通电流通过第三驱动器开关Q3放大，以减小同步整流器开关SR的导通时间，该第三驱动器开关Q3耦合在第一驱动器开关Q1的集电极端子与同步整流器开关SR的栅极之间。本领域中公知类似的差分放大器，其中使用诸如第二驱动器开关Q2的发射极之类的端子作为对该差分放大器的输入。在所示实施例中，第二驱动器开关Q2关于第一开关驱动器开关Q1反向(即，第二驱动器开关Q2的开关端子或发射极和集电极端子相比于第一驱动器开关Q1的开关端子或发射极和集电极端子为反向)。第二驱动器开关Q2的集电极端子用作差分放大器输入以提供驱动器的耐高压能力。附加地，第一驱动器开关Q1和第二驱动器开关Q2的反向关系产生差分放大器的小的偏移电压，因为在同一电流水平上，通常的基极到集电极电压V_bc稍高于基极到发射极电压V_be。第一驱动器开关Q1和第二驱动器开关Q2优选地为同一类型的开关，诸如匹配晶体管，以确保在至差分放大器的输入处的可预测的偏移电压，其中第二驱动器开关Q2由于其反向配置而仿效低β晶体管。当其漏极到源极电压为负或接近于零时，减少的差分放大器偏移电压能够使得同步整流器开关SR可靠地关断。

同步整流器的操作可以进一步说明如下。为描述的目的，功率转换器被示出为具有次级侧接地gnd_s。在占空比的第一部分D中，当变压器T1的次级绕组的上端子关于其下端子为正时，整流电流顺时针流过由次级绕组形成的功率转换器的次级侧、表示负载的具有输出电压V_out的电池以及同步整流器开关SR。作为结果，同步整流器开关SR的漏极通过关于次级侧接地gnd_s可能为几百毫伏而变为负。这使得第一驱动器开关Q1的基极关于其发射极稍微变为负，或者优选地至少非正，由此使第一驱动器开关Q1截止。第一驱动器开关Q1的集电极的电压通过第四电阻器R4拉高，这又使第三驱动器开关Q3导通。使第三驱动器开关Q3(其耦合到功率转换器的输出电压V_out的正端子)导通，提升了同步整流器开关SR的栅极(与驱动信号SRGD一致)的电压，由此使同步整流器开关SR导通。

当变压器T1的次级绕组的上端子关于其下端子为负时，在占空比的互补部分1-D期间，在同步整流器开关SR处电流被阻止流过功率转换器的次级侧。同样，功率转换器的次级侧通过次级绕组、表示具有输出电压V_out的负载的电池以及同步整流器开关SR形成。在这种情况下，同步整流器开关SR的漏极关于次级侧接地gnd_s为正。第二驱动器开关Q2截止，使得第五电阻器R5能够向第一驱动器开关Q1供给电流，由此使第一驱动器开关Q1导通。这拉低第三驱动器开关Q3的基极的电压，由此使第三驱动器开关Q3截止。在开关周期的这部分期间，必要时，第一二极管D1(耦合到第一驱动器开关Q1的集电极端子以及第三驱动器开关Q3的发射极端子)拉低同步整流器开关SR的栅极，由此使同步整流器开关SR截止。因而，包括形成有第一驱动器开关Q1和第二驱动器开关Q2的差分放大器的驱动器能够耐受跨同步整流器开关SR产生的电压，同时利用少量简单且不昂贵的电路组件生成用于同步整流器开关SR的驱动信号SRGD。

因而，用于同步整流器开关SR的驱动器包括第一驱动器开关Q1、第二驱动器开关Q2、第三驱动器开关Q3、第一二极管D1以及第四电阻器R4、第五电阻器R5和第六电阻器R6。第六电阻器R6耦合到第二驱动器开关Q2的端子(例如发射极)并且跨第五电阻器R5耦合。第一驱动器开关Q1耦合到同步整流器开关SR的端子(例如源极)，并且第二驱动器开关Q2关于第一驱动器开关Q1反向且耦合到同步整流器开关SR的另一端子(例如漏极)。第一驱动器开关Q1和第二驱动器开关Q2配置为向同步整流器开关SR的控制端子(例如栅极)提供驱动信号SRGD。当然，尽管所示实施例提供用于同步整流器开关SR的驱动器，但驱动器可应用于任何开关，包括但不限于功率转换器的任何功率开关，或其它开关。在下面的示例性功率转换器中，为简洁起见，其类似组件用类似的参考标号表示。而且，以下驱动器和功率转换器的操作类似于关于图2所描述的功率转换器并且以下将不进行描述。

现在转到图3，除了以上关于图2提供的许多组件之外，驱动器还包括第七电阻器R7，该第七电阻器R7耦合到第二驱动器开关Q2的发射极和基极，以降低其发射极-基极电压。第七电阻器R7的添加使得能够在较高输出电压下使用驱动器和功率转换器。在驱动器和功率转换器的该实施例以及这里的其它实施例中，特定组件的值可以改变以满足特定应用的需要。附加地，可以根据其应用，诸如具有特定开关频率、功率水平或输出电压的应用，来应用驱动器的备选方案。对于如关于图4所示的驱动器，第二驱动器开关Q2的发射极直接耦合到其基极以将其发射极-基极电压降低至基本为零。图3和图4所示的驱动器的备选方案二者产生偏移电压的变化。因此，同步整流器的效率相比于图2所示同步整流器的效率可能改变。

现在转到图5，已经从上述驱动器中省略第三驱动器开关Q3和第一二极管D1。该备选方案可能是最低成本的，因为已经去掉了驱动器开关和二极管。根据该方案，同步整流器开关SR的导通时间可能比其他备选方案的要长，这可能影响同步整流器以及功率转换器的效率。

现在转到图6，在驱动器的先前实施例中示出的第一二极管D1已经替换为第四驱动器开关(例如晶体管)Q4，该第四驱动器开关Q4耦合在第一驱动器开关Q1的集电极端子与第三驱动器开关Q3的发射极端子之间，以减小同步整流器开关SR的关断时间(即，增加关断速度)。图6所示的驱动器还包括第八电阻器R8，该第八电阻器R8耦合到第一驱动器开关Q1、第三驱动器开关Q3和第四驱动器开关Q4。

现在转到图7，除了第四驱动器开关Q4(耦合在第一驱动器开关Q1的集电极端子与第三驱动器开关Q3的基极端子之间)之外，驱动器还包括跨第三驱动器开关Q3的发射极-基极耦合的第一二极管D1。该驱动器还包括耦合到所述第四驱动器开关Q4的第九电阻器R9。在本实施例中，第四驱动器开关Q4用作阻抗转换器(例如高输入阻抗和低输出阻抗)，以允许第三驱动器开关Q3利用较高基极电流导通，由此使得第三驱动器开关Q3更快速地转变为截止状态。因而，第三驱动器开关Q3和第四驱动器开关Q4协作以减小同步整流器开关SR的关断时间(即，增加关断速度)。附加地，第四驱动器开关Q4驱动通过第一二极管D1的较高电流。

现在转到图8，驱动器包括第十电阻器R10，该第十电阻器R10耦合到第一驱动器开关Q1和第三驱动器开关Q3、跨第一二极管D1耦合并耦合到同步整流器开关SR。第十电阻器R10的添加降低了同步整流器开关SR的关断电压，这对于可在提供低输出电压V_out的功率转换器中采用的具有低栅极阈值电压的MOSFET(用作同步整流器开关SR)而言可能是必要的。关于图9所示的功率转换器的实施例包括与同步整流器开关SR并联的第二二极管(例如肖特基二极管)D2，以进一步提高功率转换器的效率。

现在转到图10，图示的是驱动器的另一实施例，该驱动器包括代替关于用于同步整流器开关SR的驱动器的先前实施例所描述和图示的第二驱动器开关Q2的二极管(例如第三二极管D3)。应选择第一驱动器开关Q1和第三二极管D3以针对包括由第一驱动器开关Q1和第三二极管D3构成的差分放大器的驱动器获得充分小的偏移电压。在所示实施例中，驱动器包括耦合到同步整流器开关SR的端子(例如源极)的第一驱动器开关Q1和耦合到第一驱动器开关Q1的控制端子(例如基极)以及同步整流器开关SR的另一端子(例如漏极)的二极管(例如第三二极管D3)。第一驱动器开关Q1和第三二极管D3配置为向同步整流器开关SR的控制端子(例如栅极)提供驱动信号SRGD。驱动器还包括至少一个附加驱动器开关(例如第三驱动器开关Q3)，其配置为与第一驱动器开关Q1和第三二极管D3协作来向同步整流器开关SR的栅极提供驱动信号SRGD。驱动器还包括耦合在第一驱动器开关Q1的集电极端子与第三驱动器开关Q3的发射极端子之间的二极管(例如第一二极管D1)。该驱动器还包括耦合到第一驱动器开关Q1的集电极端子的电阻器(例如第四电阻器R4)以及耦合到第三二极管D3与第一驱动器开关Q1的基极之间的节点的另一电阻器(例如第五电阻器R5)。

同样，尽管所示实施例提供了用于同步整流器开关SR的驱动器，但该驱动器可应用于任何开关，包括但不限于功率转换器的任何功率开关，或其它开关。附加地，可以组合前面图示和描述的驱动器的许多变体以及其中的所选组件，以生成用于功率转换器的开关或用于其它应用的驱动器的更多变体。图10的驱动器图示了先前在上面描述的组件中的一些组件。

本领域技术人员应理解到，先前描述的驱动器和功率转换器以及其相关操作方法的实施例仅为说明性目的呈现的。此外，各种各样的功率转换器拓扑完全在本发明的宽广范围内。尽管已经在包括具有反向驱动器开关或二极管来驱动同步整流器开关的控制端子以有利地利用提高的效率向负载供电的差分放大器的功率转换器的环境中描述了驱动器，但驱动器还可以应用于其它系统，诸如但不限于功率放大器、马达控制器以及用于根据步进马达或其它电机设备控制致动器的系统。

为了更好地理解功率转换器，参见“Modern DC-to-DC Power Switch-mode Power Converter Circuits”by Rudolph P.Severns and Gordon Bloom，Van Nostrand Reinhold Company，New York，New York(1985)以及“Principles of Power Electronics”by J.G.Kassakian，M.F.Schlecht and G.C.Verghese，Addison-Wesley(1991)。上述参考文献的全部内容通过参考引入于此。

而且，尽管已经具体描述了本发明及其优势，但应理解到，在此可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下进行各种改变、替代和变更。例如，上述许多过程可以按照不同方法来实现并且可以通过其它过程或者其组合来替换。

此外，本申请的范围并不旨在限于说明书中描述的过程、机械、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。正如本领域技术人员通过本发明的公开内容可以容易地理解的那样，根据本发明可以利用执行与本文所描述的对应实施例基本相同功能或实现基本相同结果的当前存在或后来将开发的过程、机械、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因而，所附权利要求旨在将这些过程、机械、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括其范围内。