[发明专利]一种分时复用硬件的自适应同步整流控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种分时复用硬件的自适应同步整流控制系统及控制方法，适用于高电压、高频率的谐振变换器。谐振变换器次级的同步整流器开关采用GaN功率管，运用其反向压降特性，提出一种自适应同步整流控制系统及控制方法，实现同步整流器开关的关断“过早”状态、关断“过晚”状态和“恰好关断”状态的直接检测，经过数个调制周期后，使得功率管恰好关断并进入稳态控制模式。本发明更容易检测到关断状态，实现更精准的控制，节约芯片处理资源，提高谐振变换器的效率；同时提出分时复用硬件，进一步提高硬件资源的使用率，降低硬件成本。

技术领域

本发明涉及自适应同步整流控制方法，特别是涉及一种分时复用硬件的自适应同步整流控制系统及控制方法。

背景技术

现有技术中，Si(硅)和GaN(氮化镓)是同步整流功率管所采用的两种不同材料。GaN具有低的热产生率和高的击穿电场，近年来逐渐成为热门的功率管材料，用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件。相比Si功率管，GaN功率管在同等导通电阻下拥有更小的结电容、更大的耐压、更小的面积，因此更适用于高电压、高频率和高温应用领域。根据图1，在承受同等反向耐压和正向电流的情况下，当流过Si功率管和GaN功率管的反向电流增大时，Si功率管的反向压降立即从0V变成-0.8V，但随后反向特性曲线基本保持为直线；GaN功率管的反向压降立即从0V变成-1.25V，并且该反向压降随着I_sd的增大不断增大。

谐振变换器是一种电力变换器，其开关损耗小，具备高频高效率特性，目前在低压大电流电源领域中被广泛使用。现有技术中，谐振变换器次级的同步整流器开关采用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)来替代单独的二极管，和滤波电容构成整流拓扑。因正向导通时MOSFET的电压较单独的二极管的结电压低，因此损耗也较低，从而提升整流效率。采用MOSFET时，通过专用芯片来控制电压信号以驱动MOSFET的关断或导通，理想情况下，流过MOSFET的电流大于0时，开启功率管；流过MOSFET电流为0或者反向时，关断功率管。

现有的自适应同步整流技术中，通过硬件拓扑对同步整流器开关关断状态检测并使用导通时间计时器控制实际导通时间，其中对同步整流器开关关断状态检测分为检测到关断“过早”和未检测到关断“过早”两种状态；检测到关断“过早”则增加下一周期的导通时间以实现同步整流器开关推后关断，未检测到关断“过早”则视为关断“过晚”，则减少下一周期的导通时间，并实现同步整流器开关提前关断。但实际上未检测到关断“过早”包含两种关断状态，即关断“过晚”状态和“恰好关断”状态，现有技术中无法对这两种状态进行直接检测，使得同步整流器开关长期处于推后关断和提前关断两种驱动模式下交替切换，电源系统无法进入稳态工作状态，因此占用了大量的芯片处理资源，增加了应用成本和调试工作量，降低了整体效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：谐振变换器次级的同步整流器开关采用GaN功率管，运用GaN功率管的反向压降特性，实现同步整流器开关的关断“过早”状态、关断“过晚”状态和“恰好关断”状态的直接检测，提出一种分时复用硬件的自适应同步整流控制系统及控制方法，经过数个调制周期后，使得功率管恰好关断并进入稳态控制模式，节约芯片处理资源，提高谐振变换器的效率。同时提出分时复用硬件，以进一步提高硬件资源的使用率，降低硬件成本。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种分时复用硬件的自适应同步整流控制系统(1)，包括：采样处理电路(2)、以微控制器(3)为核心的控制电路和驱动器(10)；以微控制器(3)为核心的控制电路包括第一比较器(5)、第二比较器(6)、PWM模块(9)、选通网络(4)、锁存器(7)和控制逻辑(8)；其中，第一比较器(5)、第二比较器(6)和PWM模块(9)为微控制器(3)内部实际集成的硬件功能模块，选通网络(4)、锁存器(7)和控制逻辑(8)为微控制器(3)内部用软件实现的功能模块。