[发明专利]用于电力转换器的自动增强的自驱动同步整流

说明书

提供用于有源钳位正向转换器的自驱动同步整流电路的系统和方法，其中，有源钳位正向转换器包括自动增强的同步MOSFET和最大化的输入电压范围。用于同步MOSFET的栅信号源自于单极性磁耦合信号而不是双极性的磁耦合信号。通过利用MOSFET栅源电压(Vgs)的无极性特性，在低压线路电压处单极性信号被保持用于MOSFET的充分增强驱动，以及由于线路变化在高压线幅度处单极性信号被自动地变换成双极性信号以使输入电压范围最大。在不需要正向转换器的变电器上的额外线圈的前提下，电路允许对诸如12伏特的DC或者15伏特的DC的更高输出电压的高效标定。

技术领域

本公开大体涉及电力转换器。

背景技术

DC/DC转换器是一种将输入DC电压变换成不同的输出DC电压的电源。这种转换器一般包括变电器，其中变电器经由开关电路电联接在电压源与负载之间。被称为正向转换器的转换器包括连接在电压源与变电器的初级线圈之间的主开关，从而当开关闭合以及导电时，该转换器将正向电力传输提供至变电器的次级线圈。开关一般使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)装置。

电力转换器设计通常被诸如效率、输入电压范围、输出电压、功率密度以及覆盖区(footprint)面积的各种要求约束。这些约束需要对某些性能作出妥协。例如，实现较高的效率可能需要更狭窄的输入电压范围。为进一步提高效率，通常采用有源重置方案以及同步整流。这些同步整流方案能够被有源控制或者自驱动。

正向转换器的限制是可能需要重置变电器芯子来防止饱和(即，在主开关断开时期期间将变电器的磁化电流放电)。该限制由变电器芯子激发的单极性特性引起。存在用于重置正向转换器的变电器的技术。一例这类技术是包括与初级线圈并联的电阻电容二极管(RCD)网络。RCD网络按照供给的源电压与开关的工作周期将开关上的电压钳位至最小的峰值电压，从而消除对空耗时间需要同时允许宽范围的工作周期。这趋向于减少施加至开关的电压压力。然而，由于在开关的闭合时期期间积累在变电器中的磁能的耗散，所以该变电器重置技术降低了转换器的效率。该磁能被RCD网络部分地变换为热量，而不是再循环。

变电器重置的另一个方法是使用电容器与辅助开关的串联，其中该串联在初级端上或者在次级端上跨接变电器线圈(称为“有源钳位”或者“有源重置”)。当主开关断开时，辅助开关闭合；或者当主开关闭合时，辅助开关断开。因此，变电器中的磁能被传输至钳位电容器，以及钳位电容器与磁化电感谐振，从而维持重置电压的必要电平。因为空耗时间几乎为零，所以该有源钳位重置提供了变电器的无耗散重置以及在稳态条件下的主开关上的最小电压压力。因此，有源钳位方法适合于自驱动同步整流。

在采用同步整流器的开关电源电路中，二极管被功率晶体管代替，从而获得更低的导通压降。同步整流器通常使用n沟道MOSFET而不是二极管，从而避免二极管的导通压降，这可对低输出电压电源是重要的。当二极管已从阳极至阴极导电时，晶体管被偏压以导电，以及相反地，当二极管从阴极至阳极被阻断时，晶体管被截止以阻断电流。虽然MOSFET通常用作这个目的，但是双极晶体管以及其它有源半导体开关可同样是合适的。

在这些同步整流器电路中，栅信号能够被自驱动(即，栅信号能够被关联于电力电路)，或者被控制驱动(即，栅信号源自于电路中的一些点以及在被送至MOSFET栅驱动器之前经历一些有源处理电路)。在电力转换器中，在主电力开关(开关)的不导电时期期间导电的同步整流器可称为续流(freewheeling)同步整流器或者“捕捉(catch)”同步整流器。在主电力开关(开关)的导电时期期间导电的同步整流器可称为正向同步整流器。

图1示出传统的正向转换器10中的同步整流器。在该示例中，DC电压输入Vin通过MOSFET电力开关Q1连接至变电器T的初级线圈12。还提供钳位电路结构来限制重置电压。具体地，MOSFET电力开关Q1被钳位电容器Creset与MOSFET开关装置Q2的串联分路。Q1和Q2的导电时隙是互相排斥的。在MOSFET电力开关Q1的不导电时隙期间，电容器Creset的电压惯性限制磁化电感两端出现的重置电压的幅度。