專利名稱：帶能量回收的倍壓同步整流電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電能變換領域，具體涉及一種帶能量回收的電流型倍壓同步整流電路。
背景技術：
目前，在電力電子的發(fā)展過程中，低壓大電流輸出的應用場合已經成為一個非常 重要的發(fā)展方向。在這種場合下，變換器副邊整流器的損耗占了整體損耗的大部分，尤其是 采用二極管整流的電路，其導通壓降引起的損耗占輸出功率的比例為VF/Vo，其中VF為整 流器的正向導通壓降，Vo為輸出電壓。即使當今最好的肖特基二極管，它的正向導通壓降 也有0. 3V，當輸出電壓為2V時候，僅此一項的損耗達到輸出功率的15%，限制了效率的提 高并引起嚴重發(fā)熱，影響電源的可靠性。為降低二極管型整流器的損耗，目前在低輸出電壓場合普遍采用同步整流器技 術。所謂同步整流是以導通電阻很小(最小可以達到幾個毫歐)的金屬氧化物半導體場效 應管(M0SFET或MOS場效應管)來代替二極管的技術，但是MOSFET需要額外的驅動信號來 保證其開通和關斷。因此同步整流的驅動方案是限制同步整流廣泛應用的一個主要原因。 如果同步整流的驅動方案比較復雜，或者驅動的電路的損耗比較大，都會影響到同步整流 的效果。理想的同步整流器應該實現與二極管型整流器一樣的電氣功能而大大降低損耗。 但是由于MOSFET開通后可以雙向導電，區(qū)別于二極管，因此對電路的工作帶來影響。通常 的電壓模式的驅動方式由于不檢測流過MOSFET的電流，因此，在電路中存在電流反向的可 能，其驅動信號也是在電路中變壓器、電感或者其他相關點得到的波形，會引起輕載條件下 效率低下等其他問題。為實現同步整流器與二極管整流器一致的性能，在電流反向時刻能 夠關斷，通常需要檢測流過用作同步整流器的MOSFET的電流，目前通常采用電流互感器的 方式。傳統的采用電流互感器的方式，其取樣電流消耗的能量在電路中直接消耗，導致 驅動電路效率低下。如何將互感器取樣的電流信號的能量無損耗的反饋回輸入或者輸出 端，是此類技術的關鍵?，F有技術中的一例，美國專利號為6134131，名稱為《Current Driven SynchronousRectifier with Energy Recovery》，如圖1所示，該電路包括一個電流互感器 CT，兩個箝位二極管和一個用于整流的MOSFET (稱為同步整流管SR)。該電流互感器有三個 副邊繞組，這使得互感器的體積變大，使生產變得復雜。進一步，該技術方案一個電流互感 器只能驅動一個MOSFET。但是，在實際應用中，輸出的同步整流器包含不止一個M0SFET，通常的電流互感器 驅動方案需要每個MOSFET帶一個電流互感器檢測其電流，導致電路成本上升、體積變大。 因此，如何降低電流互感器的數量也是此類技術的一個關鍵，也是本發(fā)明的一個重要貢獻。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種結構簡單、并使互感器取樣的電流信號的能 量無損耗的帶能量回收的倍壓同步整流電路，其使用一個電流互感器驅動多于一個同步整流管。為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種帶能量回收的倍壓同步整流電路，包括 一個變壓器T、一個電流互感器CT、由兩個MOS場效應管SRl、SR2和兩個電容Cl、C2組成 倍壓整流電路、驅動整形電路(也稱驅動電路)，還包括能量回收電路，所述電流互感器CT 的原邊繞組串聯在高頻變壓器T的二次側回路中；所述電流互感器CT有兩個副邊繞組，第 一繞組只提供一個同步整流管的驅動信號，第二繞組不僅提供另一個同步整流管的驅動信 號，多余的能量經過第二繞組和能量回收電路回饋到主電路中；副邊第二繞組的電壓信號 經過另一個驅動整形電路給MOS場效應管SR2提供驅動信號，多余的能量同樣經過第二繞 組和能量回收電路回饋到主電路中。進一步的，所述倍壓同步整流電路為橋式倍壓同步整流電路，所述變壓器T的一 次側繞組連接到輸入端，二次側繞組一端經過所述電流互感器CT的原邊繞組，連接到MOS 場效應管SRl源極和SR2漏極的連接點，二次側繞組另一端連接到電容Cl負極和電容C2正 極的連接點，MOS場效應管SRl的漏極連接到電容Cl的正極，然后連接到輸出的正端，MOS 場效應管SR2的源極連接到電容C2的負極，然后連接到輸出的負端；所述電流互感器CT有 兩個副邊繞組NS1、NS2，Nsi經過驅動整形電路連接到MOS場效應管SRl的柵極和源極，Ns2經 過驅動整形電路連接到MOS場效應管SR2的柵極和源極；所述能量回收電路是由四個二極 管(Dl，D2，D3，D4)組成的橋式整流電路，其連接方式為電流互感器CT的副邊繞組Ns2的 一端連接到二極管Dl正極和二極管D3負極的連接點，另一端連接到二極管D2正極和二極 管D4負極的連接點；二極管Dl的負極連接到二極管D2的負極，然后連接到鉗位電壓源V 的正端；二極管D3的正極連接到二極管D4的正極，然后連接到鉗位電壓源V的負端，實現 能量回收。進一步的，所述帶能量回收的倍壓同步整流電路為梯形倍壓整流電路，其連接方 式為變壓器T的二次側繞組的一端經過電流互感器CT的原邊，連接到MOS場效應管SRl 的漏極，然后連接到輸出的正端；另一端連接到電容Cl的正極，電容Cl的負極連接到MOS 場效應管SRl源極和SR2漏極的連接點，MOS場效應管SR2的源極連接到輸出的負端。進一步的，所述帶能量回收的倍壓同步整流電路為梯形倍壓整流電路，其連接方 式為變壓器T的二次側繞組的一端經過電流互感器CT的原邊，連接到MOS場效應管SRl 源極和SR2漏極的連接點；另一端連接到電容Cl的正極，電容Cl的負極連接到MOS場效應 管SR2源極；MOS場效應管SRl的漏極連接到輸出的正端，MOS場效應管SR2的源極連接到 輸出的負端。更進一步的，其能量回饋的鉗位電壓源是輸出電壓源、或電容，或一個獨立的穩(wěn)定 電壓源；電流互感器通過副邊繞組Nsi，或通過副邊繞組Ns2能量回收。更進一步的，電容Cl可以串聯在變壓器二次側繞組和CT原邊繞組之間。進一步的，與MOS場效應管SRI、SR2反并聯的二極管DSK1、Dse2是MOS管內部寄生 二極管，也可以是外并的二極管。具體的，本發(fā)明的技術解決方案是，采用一個電流互感器，為一個橋臂上的兩個MOS場效應管提供驅動信號，同時把多余的能量反饋到輸出，具體包括由兩個MOS場效應管 SRU SR2和兩個電容Cl、C2組成倍壓整流電路，一個變壓器T，一個電流互感器CT、驅動整 形電路和能量回收電路，其特征是電流互感器CT的原邊繞組串聯在高頻變壓器T的二次 側回路中；電流互感器CT有兩個副邊繞組，第一繞組只提供一個同步整流管的驅動信號， 第二繞組不僅提供另一個同步整流管的驅動信號還包含能量回收功能，具體包括電流互感器CT將原邊的電流信號轉變?yōu)楦边吚@組的電壓信號其副邊第一繞組 的電壓信號經過一個驅動整形電路給MOS場效應管SRl提供驅動信號，多余的能量經過第 二繞組和能量回收電路回饋到主電路中；副邊第二繞組的電壓信號經過另一個驅動整形電 路給MOS場效應管SR2提供驅動信號，多余的能量同樣經過第二繞組和能量回收電路回饋 到主電路中。本發(fā)明有以下優(yōu)點1、電路簡單，生產成本低。本發(fā)明采用一個電流互感器，結構簡單；電流互感器有 只有兩個輔助繞組，有利于減小互感器的體積和降低生產成本。2、高效率。上述同步整流電路具有能量反饋功能由電流互感器傳遞的多余能量， 經過為下管提供驅動信號的副邊繞組傳到輸出，降低了驅動電路的損耗，提高了效率。


圖1現有的一種電流驅動同步整流電路；圖2本發(fā)明提出的具有能量反饋功能的橋式倍壓同步整流電路；圖3-4本發(fā)明提出的具有能量反饋功能的第一種梯形倍壓同步整流電路；圖5本發(fā)明提出的具有能量反饋功能的第二種梯形倍壓同步整流電路；圖6本發(fā)明能量回饋到輸出的倍壓電路的驅動電路實例；圖7本發(fā)明能量回饋到輸出的倍壓電路的驅動電路實例2 ；圖8本發(fā)明利用低側繞組將能量回饋到電容C2的驅動電路實例；圖9本發(fā)明利用高側側繞組將能量回饋到電容Cl驅動電路實例；圖10本發(fā)明在半橋LLC諧振交流變換器中的應用實例；圖11本發(fā)明在半橋LLC諧振交流變換器中應用的關鍵波形模擬。
具體實施例方式圖2是本發(fā)明提出的具有能量反饋功能的橋式倍壓同步整流電路，圖中CT是電 流互感器，用于感測變壓器二次側電流，據此用CT的兩個副邊繞組驅動對應的同步整流管 SRl (高側同步整流管)或者SR2(低側同步整流管)。通常有4個二極管組成的能量回饋 電路將CT采樣的電流回饋到輸出，以提高效率，圖中的箝位電壓V可以是輸出電壓或者其 他具有穩(wěn)定電壓值的電壓源(包括電容)。驅動整形電路(驅動電路)，將CT檢測到得電 流信號轉換成需要的同步管柵極驅動電壓信號。圖3-4、5是本發(fā)明提出的具有能量反饋功 能的梯形倍壓同步整流電路。圖3和圖4是第一梯形倍壓同步整流電路，圖3基于CT的高 側繞組(指驅動高側同步整流管的繞組，這里指SRl)實現能量回饋；圖4基于CT的低側繞 組(指驅動低側同步整流管的繞組，這里指SR2)實現能量回饋。圖5是第二梯形倍壓同步 整流電路，基于CT的低側繞組實現能量回饋。
圖6是本發(fā)明所屬驅動電路以及能量回收電路實現的一個具體實施例，適用于圖 2 圖5所示所有倍壓電路，將電流互感器CT采樣的能量回饋(反饋)到輸出。圖7是圖 6的另一種實施方式，圖6中所示的Ql以及Q3及其柵極驅動電阻(R1/R2)可以被電阻所 取代，如圖7中R3以及R4所示，為加快關斷速度，可以在R3以及R4上并聯加速電容(圖 7中沒有示出)。這個方法針對以下實施例均使用，下面不再重復敘述。圖8、圖9分別是本發(fā)明提出的應用于橋式倍壓電路和梯形倍壓整流電路的驅動 電路實例，包括箝位到不同的電壓源。圖8是應用于橋式倍壓整流電路或第二梯形倍壓整 流電路中，利用電流互感器CT的低側繞組(指驅動低側同步整流管的繞組，這里指SR2)箝 位到輸出電容C2的實施例(輸出電壓一半)，與圖6相比，僅箝位電壓發(fā)生改變，本領域技 術人員根據其他箝位電壓可得到不同實施例。圖9應用于橋式倍壓整流電路或第一梯形 倍壓整流電路中，利用電流互感器CT的高側繞組(指驅動高側同步整流管的繞組，這里指 SRl)箝位到輸出電容Cl的實施例(輸出電壓一半)。下面以圖2和圖6中能量回饋到輸出的橋式倍壓電路的驅動電路實例為例進行說明。如圖2所示，包括帶能量回收的倍壓同步整流電路，包括由兩個MOS場效應管SRl、 SR2和兩個電容C1、C2組成橋式倍壓整流電路，一個變壓器T，一個電流互感器CT、驅動整形 電路和能量回收電路，其特征是電流互感器CT的原邊繞組串聯在高頻變壓器T的二次側 回路中；電流互感器CT有兩個副邊繞組，其中一個繞組提供一個同步整流管的驅動信號， 另一個繞組提供能量回收功能和另一個同步整流管的驅動信號，具體包括變壓器T的一次側繞組連接到輸入端，二次側繞組一端經過電流互感器CT的原邊 繞組，連接到MOS場效應管SRl源極和SR2漏極的連接點，二次側繞組另一端連接到電容Cl 負極和電容C2正極的連接點，MOS場效應管SRl的漏極連接到電容Cl的正極，然后連接到 輸出的正端，MOS場效應管SR2的源極連接到電容C2的負極，然后連接到輸出的負端；電流 互感器CT有兩個副邊繞組NS1、NS2，Nsi經過驅動整形電路(或稱驅動電路)連接到MOS場效 應管SRl的柵極和源極，Ns2經過驅動整形電路連接到MOS場效應管SR2的柵極和源極；驅 動電路通?；陔娏骰ジ衅鰿T的所耦合的一個副邊繞組輸出的電流信號提供驅動脈沖， 簡單講，當輸出電流為正時(表示SR需要開通)，提供高電平開通對應的同步整流管，當電 流反向或者為零的時候關斷對應的同步整流管，對本領域技術人員而言，可以通過比較器 或者其他方式實現(如圖6所示)，這里不再詳細描述。能量回收電路是由四個二極管(D1，D2，D3，D4)組成的橋式整流電路，其連接方式 為電流互感器CT的副邊繞組Ns2的一端連接到二極管Dl正極(陽極)和二極管D3負極 (陰極)的連接點，另一端連接到二極管D2正極(陽極)和二極管D4負極(陰極)的連接 點；二極管Dl的負極連接到二極管D2的負極，然后連接到鉗位電壓源V的正端；二極管D3 的正極連接到二極管D4的正極，然后連接到鉗位電壓源V的負端，實現能量回收，如附圖2 所示。圖6是能量回饋到輸出的應用于圖2橋式倍壓電路的驅動電路實例，(同樣適用 于圖3 圖5的其他倍壓同步整流電路)電流互感器CT的原邊繞組Np，與主電路的變壓器 二次側繞組相串聯(可參閱圖12或圖13)；副邊繞組Ns2的一端連接到二極管Dl負極和二 極管D3正極的連接點，二極管Dl的正極連接到輸出的負端，二極管D3的負極連接到輸出的正端；副邊繞組Ns2的另一端連接到二極管D2正極和二極管D4負極的連接點，二極管D2 的負極連接到輸出的正端，二極管D4的正極連接到輸出的負端；MOS場效應管Q3的漏極連 接到二極管D2的正極，Q3的源極連接到三極管Q4的基極，Q3的柵極通過電阻R2連接到二 極管Dl的負極；二極管D7的正極連接到三極管Q4的基極，二極管D7的負極連接到三極管 Q4的集電極，三極管Q4的集電極連接到二極管Dl的負極，三極管Q4的發(fā)射極鏈接到二極 管D4的正極，即輸出地；三極管Q4的集電極連接到MOS場效應管SR2的柵極。Lml和Lm2 是電流互感器副邊繞組的等效激磁電感，兩者相互等價(可以只用一個表示)。副邊繞組 Nsi的連接方式與Ns2相似，但是沒有能量反饋電路?？煽亻_關Qa以及Qb分別并聯于MOS場 效應管SRl以及SR2的柵極與源極之間，其控制端分別由MOS場效應管SRl以及SR2的漏 極控制?？煽亻_關Qa以及Qb可以是NPN的三極管或者是N型MOS場效應管(圖中所示為 NPN三極管)。圖6中所示的Ql以及Q3及其柵極驅動電阻(R1/R2)可以被電阻所取代，如圖7 中R3以及R4所示，為加快關斷速度，可以在R3以及R4上并聯加速電容。下面結合圖10中的整流電路在半橋LLC諧振變流器中的應用為例對本發(fā)明的具 體工作過程進行說明。顯然，本領域技術人員應該可以了解，對全橋LLC電路或者其他電 路，在不背離本發(fā)明原則的基礎上，同樣適用。如圖10所示，是圖6所示同步整流電路在半橋LLC諧振交流變換器中的具體應 用，其具體的電路連接關系為變壓器T的一次側繞組Tp連接到半橋LLC逆變電路，二次側 繞組一端連接到電容Cl和電容C2的連接點，另一端與電流互感器CT的原邊繞組Np串聯， 連接到MOS場效應管SRl源極和SR2漏極的連接點。MOS場效應管SRl的漏極連接到電容 Cl的正極，然后連接到輸出的正端，MOS場效應管SR2的源極連接到電容C2的負極，然后連 接到輸出的負端；電流互感器CT的原邊繞組Np與主電路的變壓器二次側繞組相串聯，用于 取樣變壓器二次側繞組電流(即流經SRl以及SR2的電流)；驅動電路連接關系與圖6中 所描述的一致。由于輸出電容Co很大，一般認為輸出電壓恒定。本實例的工作過程將結合圖11進行說明，具體如下(僅以電流斷續(xù)的情況為例進 行說明)在tO-tl這段時間內，變壓器T的二次側繞組電壓為上正下負，變壓器二次側電流 Isec中的電流流過MOS場效應管SR2的體二極管，并且開始增加。此時SR2的體二極管導 通，使得Qb關斷。由于電路中電流互感器CT的電流有同名端流入，因此CT副邊繞組Ns2 的感應電流由同名端流出(Nsl由于D5的阻斷不能流出電流)，連同CT的激磁電流，將SR2 的柵極電壓充電上升，D4導通，Q4關斷。超過SR2柵極門檻電壓后，SR2導通。當t = tl時，電流互感器副邊繞組Ns2上的電壓上升到與輸出電壓相等，此時二極 管D3導通，電流互感器副邊繞組Ns2感應的電流通過D3流入輸出電容，實現能量的回饋。 Ns2上的電壓被鉗位在輸出電壓。在這個過程中三極管Q4及開關Qb始終保持截止。在t = t2時，由于變壓器二次側電流Isec下降到一定值，當副邊繞組Ns2的輸出 電流降低到電流互感器副邊激磁電流Ita CT以下時，電流互感器的激磁電流使得三極管Q4 導通，MOS場效應管SR2的柵極電壓被拉到低電位，SR2關斷。隨后，當變壓器二次側的電流 下降到0時候，SR2的漏極為高，使得開關Qb導通，繼續(xù)保持SR2關斷狀態(tài)。在t3_t4這段時間內，MOS場效應管SR2關斷，變壓器二次側電流Isec保持為零，電流互感器副邊激磁電流Ita ex通過開關Qa與二極管D5續(xù)流，保持恒定。下半個周期(t4_t8)電流互感器副邊Nsi工作，工作過稱與上述過程相同，這里不 再詳細描述。需要說明的是，(1)本發(fā)明的電流型驅動整形電路只是一個應用實例，采用其他電 流型驅動整形電路的應用，都應該是為本發(fā)明的保護范圍；(2)本發(fā)明并不局限于LLC諧振 交流變換器中的應用實例，在其他變換器中的應用均屬于本發(fā)明的保護范圍；(3)本發(fā)明 的電流型驅動電路的箝位電壓源只是幾個應用實例，箝位到其他穩(wěn)定電壓源的應用均屬于 本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
一種帶能量回收的倍壓同步整流電路，包括一個功率傳送變壓器T，一個電流互感器CT、由兩個MOS場效應管SR1、SR2和兩個電容C1、C2組成倍壓整流電路，驅動電路基于所述CT檢測到得電流信號的方向分別驅動所述場效應管SR1以及SR2，其特征在于還包括能量回收電路，所述電流互感器CT的原邊繞組串聯在功率傳送變壓器T的二次側回路中，檢測變壓器T二次側中電流的方向以及幅度；所述電流互感器CT有兩個副邊繞組，第一繞組只在變壓器T二次側中電流正向流動時通過驅動電路提供一個同步整流管的驅動信號；第二繞組只在變壓器T二次側中電流反向流動時通過驅動電路提供另一個同步整流管的驅動信號；所述CT的至少一個副邊繞組同時將CT所感應出的多余的能量通過能量回收電路回饋到電路的輸出端或其他電壓源。
2.根據權利要求1所述帶能量回收的倍壓同步整流電路，其特征在于所述倍壓同步 整流電路為橋式倍壓同步整流電路，所述變壓器T的二次側繞組與電流互感器CT的原邊繞 組相串聯后，一端連接到MOS場效應管SRl源極和SR2漏極的連接點，另一端連接到電容Cl 和電容C2的連接點，MOS場效應管SRl的漏極連接到電容Cl的一端，然后連接到輸出的正 端，MOS場效應管SR2的源極連接到電容C2的一端，然后連接到輸出的負端；所述電流互感 器CT有兩個副邊繞組NS1、Ns2，Nsi經過驅動整形電路連接到MOS場效應管SRl的柵極和源 極，Ns2經過驅動整形電路連接到MOS場效應管SR2的柵極和源極；所述能量回收電路是由 四個二極管(D1，D2，D3，D4)組成的橋式整流電路，其連接方式為電流互感器CT的副邊繞 組Ns2的一端連接到二極管Dl正極和二極管D3負極的連接點，另一端連接到二極管D2正 極和二極管D4負極的連接點；二極管Dl的負極連接到二極管D2的負極，然后連接到鉗位 電壓源V的正端；二極管D3的正極連接到二極管D4的正極，然后連接到鉗位電壓源V的負 端，實現能量回收。
3.根據權利要求1所述帶能量回收的倍壓同步整流電路，其特征在于所述帶能量回 收的倍壓同步整流電路為梯形倍壓整流電路，其連接方式為變壓器T的二次側繞組的一 端與電流互感器CT的原邊串聯后，一端連接到MOS場效應管SRl的漏極，然后連接到輸出 的正端；另一端與一電容串聯后連接到MOS場效應管SRl源極和SR2漏極的連接點，MOS場 效應管SR2的源極連接到輸出的負端。
4.根據權利要求1所述帶能量回收的倍壓同步整流電路，其特征在于所述帶能量回 收的倍壓同步整流電路為梯形倍壓整流電路，其連接方式為變壓器T的二次側繞組的一 端與電流互感器CT的原邊串聯后，一端連接到MOS場效應管SRl源極和SR2漏極的連接點； 另一端與一電容串聯后連接到MOS場效應管SR2源極；MOS場效應管SRl的漏極連接到輸 出的正端，MOS場效應管SR2的源極連接到輸出的負端。
5.根據權利要求2或3或4所述帶能量回收的倍壓同步整流電路，其特征在于其能 量回饋的鉗位電壓源是輸出電壓源、或電容，或一個獨立的穩(wěn)定電壓源；電流互感器通過副 邊繞組NSl，或通過副邊繞組NS2能量回收。
6.根據權利要求5所述帶能量回收的倍壓同步整流電路，其特征在于電容Cl可以串 聯在變壓器二次側繞組和CT原邊繞組之間。
7.根據權利要求1所述帶能量回收的倍壓同步整流電路，其特征在于與MOS場效應 管SR1、SR2反并聯的二極管是MOS管內部寄生二極管，或者是外并的二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶能量回收的倍壓同步整流電路，包功率傳送變壓器T、電流互感器CT等；電流互感器CT的原邊繞組串聯在功率傳送變壓器T的二次側回路中，檢測變壓器T二次側中電流的方向以及幅度；電流互感器CT有兩個副邊繞組，第一繞組只在變壓器T二次側中電流正向流動時通過驅動電路提供一個同步整流管的驅動信號；第二繞組只在變壓器T二次側中電流反向流動時通過驅動電路提供另一個同步整流管的驅動信號；CT的至少一個副邊繞組同時將CT所感應出的多余的能量通過能量回收電路回饋到電路的輸出端或其他電壓源。本發(fā)明具有能量無損耗的特點。
文檔編號H02M7/217GK101924483SQ201010237568
公開日2010年12月22日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權日2010年7月27日
發(fā)明者張軍明, 張國興 申請人:浙江大學