谐振变换器中同步整流控制专利技术综述

谐振变换器中同步整流控制专利技术综述

储维坤

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 江苏省苏州市 215000

摘要

谐振变换器中的同步整流控制技术是减小电路整体功率消耗，减小电路体积的研究热点，其在开关电源领域具有举足轻重的地位。本文主要对谐振变换器中的同步整流控制技术的专利申请进行分析，从专利文献的视角追踪了其技术发展脉络，并重点针对防止反向电流，误动作、精确时间控制以及自驱动方式这四个主要研究方向，对其技术方向和技术手段的发展脉络进行了梳理。

关键词：谐振变换器 同步整流 反向电流 误动作 自驱动

0 引言

随着电力电子技术的发展和运用,电源技术越来越成熟,并呈现出小型化、高频化、高功率密度以及低噪声等特点。同时,节能高效早已成为当今世界电源发展的主题和热点。谐振变换器由于自身独特的结构,能实现软开关,有效地降低开关损耗,充分利用变压器的励磁电感和漏感,易实现磁集成。

且近年来，电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新的难题。传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要，成为制约DC/DC变换器提高效率的瓶颈。同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC/DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。而同步整流电路中可驱动的开关管，其需要驱动控制电路，其必然为电路中增加了元件数目以及功率损耗，而为进一步减小电路体积、降低损耗，同步整流开关管的驱动控制电路成为研究的热点^[1-2]。

早期的同步整流控制电路均为普通变换器的同步整流控制电路，即采用原边开关管的驱动信号直接对副边同步整流开关管进行控制，而在谐振变换器中，由于电路中谐振频率与开关管工作频率不同，其必然导致开关管的驱动信号难以精确获得，这也是后期申请中专利研究重点。

本文主要从专利文献的视角对谐振变换器中同步整流控制技术的发展进行了全面的统计分析，总结了与该领域重点技术分支及其技术发展脉络，并从中得到一定的规律。

1 谐振变换器中同步整流控制技术

1.1 谐振变换器中同步整流控制电路的一般结构

图1 谐振变换器中同步整流控制电路一般结构

图1示出了谐振变换器中同步整流空盒子电路的一般结构，可以看出，其电路结构中，变压器原边包含谐振变换器，该谐振变换器可以为各种类型的谐振变换器，如半桥、全桥、推挽等各种类型谐振变换器，其谐振类型可以为LC、LLC谐振类型；变换器的副边为同步整流电路，其采用可控开关管替代可不可控的二极管，其开关管的门极连接驱动控制电路。

1.2 谐振变换器中同步整流控制技术的主要技术分解

谐振变换器中同步整流控制电路中的可控开关管的驱动控制是主要研究重点，通过控制开关管的不同驱动控制，可以解决不同的技术问题，达到不同的技术效果，因此，其主要技术分解，主要从其解决的技术问题角度出发。一般分为：1）自驱动；2）非自驱动。其中非自驱动控制方式，又进一步为解决不同的技术问题，分别包含1）防止误动作；2）防止反向电流；3）导通关断时间精确控制。

图2 谐振变换器中同步整流控制技术分解

2 谐振变换器中同步整流控制技术发展路线

谐振变换器中的同步整流电路，最初是由美国通用电气公司于1991年申请的，其在驱动电路中设置电容器，从而在高密度谐振变换器中减小同步整流器驱动电路损耗，减小分立电容的大小。但该篇专利申请并未记载如何对谐振变换器中同步整流电路进行驱动控制。在这之后的两三年内均有少量的关于谐振变换器中同步整流电路的申请，但其侧重点偏向于谐振变换器的结构，对于同步整流电路一般采用无需控制信号的单向导通二极管构成。虽然通过一对二极管进行整流，可实现全波整流。然而，如果输出电压较低的话，整流二极管的损耗将明显地变大。为解决该技术问题，满足需求，采用可控的功率开关管代替整流二极管，实现同步整流，以减少通态损耗。而功率开关管的门极需要对应的驱动电路来激励，实现功率开关管的导通/关断控制。而为避免交叉导电损耗，对驱动控制电路有很高的时序要求。

2.1 自驱动控制方式

为解决该技术问题，1996年富士通电机提出了如图3-1-1所示的一种自驱动的同步整流电路，该同步整流电路利用副边电压波形驱动同步整流晶体管，用于整流的同步整流晶体管可用变压器的副边电压波形直接控制，而另一续流晶体管由于变压器副边的电压波形从去磁阶段到激磁阶段有一个死区间隔，使得续流晶体管在死区间隔内因无驱动而关断，为保证电感电流连续，续流晶体管的体二极管将导电，反而使得通态损耗和反向恢复损耗大大增加，从而降低整个变换器的效率。

图3 一种自驱动的同步整流电路

为改进该自驱动电路的缺陷，出现了一些改进申请，包括1997年新电元工业株式会社的申请，其设置辅助绕组8B耦合电感线圈，并通过二极管连接MOSFET的门极，控制开关的控制时序与主开关相同，防止次级绕组的短路电流，防止变压器效率降低，缩短谐振电压产生时间。

1999年深圳市华为有限公司的申请，其分析了现有技术的不足，并提供一种使变换器的交叉导电损耗和反向恢复损耗最小、结构简单、成本低的自驱动电路。如图所示，该驱动电路为延迟驱动电路，其使得续流晶体管的关断提前于整流晶体管的开通，其能控制最佳延时时间，从而降低交叉导电损耗，提高变换器效率。

图4自驱动延迟驱动电路

但这种分析可知，上述延迟驱动电路在主开关管关断后，续流管驱动电平上升沿很缓慢，也影响了变换器效率。另外，在关机的时候，不可避免地会出现负压，在实际应用中还必须采用相应的措施，增加了电路的复杂性。

为解决该技术问题，2004年艾默生网络能源有限公司申请了一种谐振复位正激变换器的同步整流自驱电路，其电路可靠，不会出现关机负压，具体的如图5所示，其将大于续流管驱动电平的输出电压信号或其升压信号经第二开关管耦合到续流管的控制极，从而控制续流管上升沿电平，提高模块效率，另外，通过输出电压信号或其升压信号经第二开关管直接控制续流管的导通，其电路结构简单，而且在关机时，随着输出电压的降低，使第二开关管断开，从而使续流管关断，从而不会出现关机负压。

图5 谐振复位正激变换器的同步整流自驱电路

此外，2004年索尼株式会社还申请了一种开关电源电路，其具备绕组电压检测方式的同步整流电路，其次级侧整流电流的不连续期间不会产生无功功率，其还具有插入次级侧整流电流路线内的电感元件，能够抑制整流电流中产生的反向电流，实现从最大负载到无负载稳定动作。

2.2 导通关断时间精确控制

同步整流控制电路中开关元件除了自驱动电路外，还可通过自身的控制器产生驱动控制信号，早期的整流控制电路检测变压器二次侧输出的电压，从而产生适当的接通/断开控制信号。然而，采用这样的控制电路，各部件的数量会增加。 且当整流器件接通/断开同时检测输出点的电压时，即实际检测的时间点，电压会由隔离变压器的输出电压的产生时间点延迟，使整流电流将延迟控制， 并且整流操作的效率较低。且由于电压检测电路造成的延迟，导致整流电流导通角变窄，因而功率传送率会随着功率系数的减小而降低。

为解决上述技术问题，1999年日本索尼公司申请了一种电流谐振型开关电源，如图3所示，该开关电源将原边开关元件的控制信号通过隔离电路连接到副边同步整流晶体管的门极，开关定时通过简单电路，而使的原边开关元件的控制信号与同步整流器件的通/断定时精确地一致。由此改善电流谐振型开关电源的效率。

而在谐振变换器中谐振网络的谐振频率与开关元件的工作频率不一致，会提高开关电源的损耗，因此，2005年台达电子工业股份有限公司提出了一种LLC串联谐振变换器与其同步整流功率开关驱动方法，其在LLC串联谐振变换器中设置频率调整控制器，该频率调整控制器根据该谐振变换器的工作频率与谐振网络的串联谐振频率的大小关系，提供同步整流功率开关的驱动信号，实现同步整流。此外，同一年，该公司为解决整流控制电路在串联谐振电路中不能实现对同步整流晶体管的最佳控制，较难应用到高频场合，在转换器工作在DCM时无法做到同步整流晶体管的最佳关断，提出了一种自适应同步整流控制电路及方法，其设置信号预处理器，用以接收同步整流晶体管的源-漏极电压，并输出预处理信号；信号调节器，用以接收预处理信号及预定电压，并输出同步整流控制信号；以及控制脉冲产生用以接收同步整流控制信号，并根据同步于主开关的同步脉冲信号而产生同步于主开关的控制脉冲信号，再通过控制脉冲信号控制同步整流晶体管，其中预定电压的选择使得同步整流晶体管的源-漏极电压不大于同步整流晶体管的寄生二极管的导通电压。

上述提出的同步整流控制电路均利用原边开关元件的控制信号，即控制电路均设置在变压器原边。对此，2006年高效电子股份有限公司提出了一种具同步整流功能的半桥LLC谐振转换器，谐振转换器的控制器位于次级侧，除可直接控制第一同步整流器及第二同步整流器外，还可直接地控制第一开关及第二开关的具同步整流功能；开关选用低导通电阻的电力开关。

而为进一步精确控制同步整流元件关断的下降沿，2007年台达电子有限公司提出了一种谐振转换器系统及其控制方法，该控制电路中设置加权电路，加权关断信号是通过第一整流开关的第一电流的检测值、反映第一电流峰值的反映信号与参考电压三者各自加权后相互比较而产生的；在不同的负载电流情况下，采用不用的比较门槛值，以确保比较得到的同步整流开关的关断信号的下降边，经过驱动电路传送后可在电流过零点处到达并关断整流开关；从而精确得到关断信号的下降边。

最近的一些关于同步整流控制电路精确控制的申请，均沿着减小元件数目，增加变换效率的发展路线。

2.3 防止反向电流

谐振变换器中另一重要技术分支，即在工作于电流断续模式的反激变换或LLC谐振变换等拓扑中，同步整流管驱动信号较难获得，若同步整流管直接采用与主功率管相同或反向的驱动信号，则会出现电流反灌的问题。

为防止电流反灌，2000年艾利森公司提供一种外部驱动同步整流电路及能量回收电路，可有效回收电路的大量循环能量，可适应宽的开关频率范围，适合于各种类型电路布局(非自驱动应用)。能量回收电路：用来防止在某些情况下能量回流到同步整流器。谐振电感器连接到回收开关，后者将存储在谐振电感器的能量传递到输出端，由此使同步整流器更节省能量。能量回收电路包含谐振电感器LR1、LR2和二极管D1~D4，用来存储由同步整流器的放电所析出的能量，谐振电感器LR1、LR2连接到回收开关SQ3、SQ5，回收开关SQ3、SQ5连接到输出端Vout，外部驱动电路具有定时电路和辅助变压器Tsx，辅助变压器包括初级绕组和次级绕组，同步整流器SQ1、SQ2连接到辅助变压器，以便导出为同步整流器SQ1、SQ2提供接通和断开信号的必要的定时信号。

仅接着之后为防止电流反灌，一般会在电路中设置电流检测电路，通过检测流过开关管的电流，控制开关管的关断。而，这必然需要额外的电流过零检测电路，增加了成本，检测精度要求很高，并且容易被干扰，导致同步整流管误动作。

在这之后，防止反向电流的重要专利即为2008年台达电子工业股份有限公司提供一种具间歇模式控制器的同步整流电路及其控制方法，其在控制电路设置逻辑流程模块，其用于在间歇周期的工作时间内，相对于该第一切换开关的第一驱动信号，延迟非整数个或至少一个开关周期，产生该第一同步整流开关的同步整流驱动信号，或者在间歇周期的工作时间内，相对于该第一切换开关的最后驱动信号所在开关周期的结束时刻提前一非整数个或至少一个开关周期，关断该第一同步整流开关的同步整流驱动信号。通过这样的控制方式，降低损耗并将同步整流电路的轻载效率提高到极限，防止了由同步整流造成的输出能量回灌问题。

同一年，艾默生网络能源系统北美公司还提出另一种避免电流反灌现象产生的控制方式，其利用电流互感器检测模块检测并锁定变换器整流支路电流试图反灌的信号，利用该信号将同步整流管关断。具体的，电流互感器检测模块检测同步整流管中的电流，并在同步整流管中的电流反灌时产生上升沿信号输出至锁存器，锁存器接收上升沿信号后输出锁存信号至与门，与门将锁存信号与原边功率管的控制信号进行与运算产生驱动控制信号(Vr1、Vr2)输出至同步整流管（参见图6）。

图6 避免电流反灌现象产生的控制方式

此外2012年矽力杰半导体技术(杭州)有限公司提供一种同步整流控制电路以及应用其的开关电源，在原边功率开关管的导通区间内即能判断出同一开关周期内同步整流开关管的导通时间是否满足最小导通时间要求，并据此控制该开关周期内同步整流开关管是否导通，从而彻底杜绝了副边负电流的出现，节省电能，大大提高了整个电源电路的转换效率。

2.4 防止误动作

2006年台达电子工业股份有限公司提供一种谐振转换器，其可以避免由于脉波信号的错误信号而造成同步整流电路中的各开关被不正确地驱动的现象发生。在该谐振转换器的工作频率小于该谐振频率、且该谐振转换器连接于轻载时，利用该谐振电路的谐振参数以决定恒定宽度脉冲来驱动该全波整流电路的各第二开关；在该谐振转换器的工作频率小于该谐振频率、且该谐振转换器连接于重载时，该同步整流驱动电路针对该沟道电阻电压与参考电压进行比较以驱动该全波整流电路的各第二开关；及在该谐振转换器的工作频率大于或等于该谐振频率时，该同步整流驱动电路利用用于分别驱动该桥臂的各第一开关的相同信号以驱动该全波整流电路的各第二开关。

2008年全汉企业股份有限公司提供一种改善同步整流控制的谐振转换器，两个同步控制器连接两个变压器感应电压极性变化而分别提供同步驱动信号，以分别驱动两个同步整流开关交互导通，同步整流开关的交互导通可将两相位相反的感应电力整流而送至输出端；上述架构可简化变压器结构、提高转换效率以及避免同步控制器误动作，以改善已知电路的成本高、效率低的缺陷。

2009年富士电机系统株式会社其能够在任何工作模式中可靠地防止电流的回流，能够实现稳定的同步整流功能，还能够逐个脉冲地检测轻负载状态而并不使电源效率变差，通过防止轻负载状态中的电流回流，还通过检测具有稳定性的同步整流MOSFET的漏极-源极电压，就可以防止具有误差操作的简单同步整流。

3 结语

本文从专利文献角度对谐振变换器中同步整流控制技术的发展脉络进行了全面的梳理，理清了同步整流控制技术的发展路线，对专利申请以及专利技术挖掘提供方向。

参考文献

[1] Sanjaya Maniktala.精通开关电源设计，人民邮电出版社,2008年10月.

[2] Keith Billings，Taylor Morey.开关电源手册,人民邮电出版社,2012年1月.