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TWI573382B - 應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法 - Google Patents

應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法 Download PDF

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TWI573382B TW104129731A TW104129731A TWI573382B TW I573382 B TWI573382 B TW I573382B TW 104129731 A TW104129731 A TW 104129731A TW 104129731 A TW104129731 A TW 104129731A TW I573382 B TWI573382 B TW I573382B
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Description

應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法
本發明是有關於一種應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法，尤指一種可在電源轉換器開機時確保電源轉換器的一次側和電源轉換器的二次側不會同時導通的同步整流器及其操作方法。
在交流/直流電源轉換器開機且該交流/直流電源轉換器的一次側的功率開關開啟時，該交流/直流電源轉換器的二次側的二次側繞組會根據流經該交流/直流電源轉換器的一次側的電流，產生一感應電壓。此時，因為在該交流/直流電源轉換器開機且該功率開關開啟時，該交流/直流電源轉換器的二次側用以驅動應用於該交流/直流電源轉換器的同步整流器的驅動電壓尚不足以驅動該同步整流器，所以該同步整流器無法產生一閘極控制信號以關閉耦接該交流/直流電源轉換器的二次側的金氧半電晶體，亦即此時該金氧半電晶體的閘極是一浮接狀態。因此，如果通過該金氧半電晶體閘極與汲極間的寄生電容耦合至該金氧半電晶體閘極的感應電壓沒有被抑制，則該金氧半電晶體可能被開啟，導致該交流/直流電源轉換器的一次側和該交流/直流電源轉換器的二次側同時導通。因此，如何在該交流/直流電源轉換器開機且該功率開關開啟時確保該金氧半電晶體關閉已成為同步整流器的設計者的一項重要課題。
本發明的一實施例提供一種應用於電源轉換器的同步整流器。該同步整流器包含一閘極耦合效應抑制單元。該閘極耦合效應抑制單元是用以在該電源轉換器開機且該電源轉換器的一次側的功率開關開啟時，抑制耦合至耦接該電源轉換器的二次側的金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉，其中在該電源轉換器開機時，該二次側用以驅動該同步整流器的驅動電壓尚不足以驅動該同步整流器。
本發明的另一實施例提供一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法，其中該同步整流器包含一閘極耦合效應抑制單元。該操作方法包含開機該電源轉換器且開啟該電源轉換器的一次側的功率開關；該電源轉換器的二次側的二次側繞組根據流經該一次側的電流，產生一感應電壓；該閘極耦合效應抑制單元抑制耦合至耦接該電源轉換器的二次側的金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉，其中在該電源轉換器開機時，該二次側用以驅動該同步整流器的驅動電壓尚不足以驅動該同步整流器。
本發明提供一種應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法。該同步整流器及該操作方法是在該電源轉換器開機且該電源轉換器的一次側的功率開關開啟時，抑制耦合至耦接該電源轉換器的二次側的金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉。如此，因為在該電源轉換器開機且該功率開關開啟時，本發明可確保該金氧半電晶體關閉，所以本發明不僅可防止該電源轉換器的一次側和該電源轉換器的二次側同時導通，且亦可避免該電源轉換器無法啟動或故障。
請參照第1圖，第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器100的同步整流器200的示意圖，其中電源轉換器100的一次側PRI僅一次側繞組102和一功率開關104顯示在第1圖中，且電源轉換器100是一交流/直流電源轉換器。如第1圖所示，同步整流器200包含一電壓限制單元202，一空檔時間(dead time)控制單元204，一閘極驅動單元206及一閘極耦合效應抑制單元208。如第1圖所示，當電源轉換器100開機且功率開關104開啟時，電源轉換器100的二次側SEC的二次側繞組106會根據流經電源轉換器100的一次側PRI的電流IPRI，產生一感應電壓SRVDS(對應功率開關104的控制信號CS)。如第1圖所示，電壓限制單元202可通過同步整流器200的接腳210接收感應電壓SRVDS，並限制感應電壓SRVDS於一預定電壓PV，其中預定電壓PV低於感應電壓SRVDS，且電壓限制單元202是一箝位電路。但本發明並不受限於電壓限制單元202是箝位電路。在本發明的另一實施例中，如果感應電壓SRVDS的電壓值較低，則因為感應電壓SRVDS不會損害空檔時間控制單元204及閘極耦合效應抑制單元208，所以同步整流器200並不需要電壓限制單元202。如第1圖所示，因為在電源轉換器100開機且功率開關104開啟時，電源轉換器100的二次側SEC用以驅動同步整流器200的驅動電壓VCC尚不足以驅動空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206，所以閘極驅動單元206無法產生一閘極控制信號GCS以關閉耦接電源轉換器100的二次側SEC的金氧半電晶體108，其中驅動電壓VCC通過同步整流器200的接腳211傳送至空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206，以及閘極控制信號GCS通過同步整流器200的接腳214傳送至金氧半電晶體108，亦即此時金氧半電晶體108的閘極是一浮接狀態。因此，如果通過一寄生電容Cgd耦合至金氧半電晶體108閘極的感應電壓SRVDS沒有被抑制，則金氧半電晶體108可能被開啟，導致電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC同時導通(因為電源轉換器100是一返馳式(flyback)電源轉換器，所以電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC不能同時導通)。因此，同步整流器200的閘極耦合效應抑制單元208是用以在電源轉換器100開機且功率開關104開啟(空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206還未被驅動電壓VCC驅動)時，利用預定電壓PV(對應通過寄生電容Cgd耦合至金氧半電晶體108閘極的感應電壓SRVDS)抑制通過寄生電容Cgd耦合至金氧半電晶體108閘極的感應電壓SRVDS以確保金氧半電晶體108被關閉。亦即在空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206還未被驅動電壓VCC驅動之前，當功率開關104開啟(電源轉換器100的一次側PRI開啟)時，閘極耦合效應抑制單元208可利用預定電壓PV將金氧半電晶體108閘極的電位拉至一地端GND以確保金氧半電晶體108被關閉(電源轉換器100的二次側SEC關閉)。
請參照第2圖，第2圖是說明閘極耦合效應抑制單元208是一N型金氧半電晶體的示意圖。如第2圖所示，在空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206還未被驅動電壓VCC驅動之前，當功率開關104開啟(電源轉換器100的一次側 PRI開啟)時，預定電壓PV(對應通過寄生電容Cgd耦合至金氧半電晶體108閘極的感應電壓SRVDS)可開啟N型金氧半電晶體。因為預定電壓PV可開啟N型金氧半電晶體，所以導通的N型金氧半電晶體可將金氧半電晶體108閘極的電位拉至地端GND以確保金氧半電晶體108被關閉。另外，本發明並不受限於閘極耦合效應抑制單元208是N型金氧半電晶體，亦即閘極耦合效應抑制單元208亦可為一雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，一不需驅動電壓VCC驅動的電路，一由感應電壓SRVDS驅動的電路，或一由預定電壓PV驅動的電路。另外，在本發明的另一實施例，當感應電壓SRVDS較低(此時同步整流器200並不需要電壓限制單元202)時，閘極耦合效應抑制單元208可利用感應電壓SRVDS將金氧半電晶體108閘極的電位拉至地端GND以確保金氧半電晶體108被關閉。
請參照第3圖，第3圖是說明閘極控制信號GCS與控制信號CS的示意圖。如第3圖所示，空檔時間控制單元204是用以根據預定電壓PV(對應功率開關104的控制信號CS)，決定一空檔時間DT；閘極驅動單元206是用以根據空檔時間DT，產生用以控制金氧半電晶體108開啟與關閉的閘極控制信號GCS，其中閘極控制信號GCS是通過同步整流器200的接腳214傳送至金氧半電晶體108。如第3圖所示，閘極控制信號GCS和控制信號CS並不會重疊以防止電源轉換器100的一次側PRI和電源轉換器100的二次側SEC同時導通。另外，在本發明的另一實施例中，當感應電壓SRVDS較低(此時同步整流器200並不需要電壓限制單元202)時，空檔時間控制單元204是根據感應電壓SRVDS，決定空檔時間DT。
請參照第1圖和第4圖，第4圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法的流程圖。第4圖的方法是利用第1圖的電源轉換器100與同步整流器200說明，詳細步驟如下：
步驟400：  開始；
步驟402：  電源轉換器100開機且電源轉換器100的一次側PRI的功率開關104開啟；
步驟404：  電源轉換器100的二次側SEC的二次側繞組106根據流經一次側PRI的電流IPRI，產生感應電壓SRVDS；
步驟406：  閘極耦合效應抑制單元208抑制耦合至耦接電源轉換器100的二次側SEC的金氧半電晶體108閘極的感應電壓SRVDS以關閉金氧半電晶體108；
步驟408：  結束。
在步驟402和步驟404中，如第1圖所示，當電源轉換器100開機且功率開關104開啟時，電源轉換器100的二次側SEC的二次側繞組106會根據流經電源轉換器100的一次側PRI的電流IPRI，產生感應電壓SRVDS(對應功率開關104的控制信號CS)。如第1圖所示，電壓限制單元202可通過同步整流器200的接腳210接收感應電壓SRVDS，並限制感應電壓SRVDS於預定電壓PV。但在本發明的另一實施例中，如果感應電壓SRVDS的電壓值較低，則因為感應電壓SRVDS不會損害空檔時間控制單元204及閘極耦合效應抑制單元208，所以同步整流器200並不需要電壓限制單元202。在步驟406中，如第1圖所示，因為在電源轉換器100開機且功率開關104開啟時，電源轉換器100的二次側SEC用以驅動同步整流器200的驅動電壓VCC尚不足以驅動空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206，所以閘極驅動單元206無法產生閘極控制信號GCS以關閉耦接電源轉換器100的二次側SEC的金氧半電晶體108，亦即此時金氧半電晶體108的閘極是浮接狀態。因此，同步整流器200的閘極耦合效應抑制單元208可在電源轉換器100開機且功率開關104開啟(空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206還未被驅動電壓VCC驅動)時，利用預定電壓PV(對應通過寄生電容Cgd耦合至金氧半電晶體108閘極的感應電壓SRVDS)抑制通過寄生電容Cgd耦合至金氧半電晶體108閘極的感應電壓SRVDS以確保金氧半電晶體108被關閉。亦即在空檔時間控制單元204和閘極驅動單元206還未被驅動電壓VCC驅動之前，當功率開關104開啟(電源轉換器100的一次側PRI開啟)時，閘極耦合效應抑制單元208可利用預定電壓PV將金氧半電晶體108閘極的電位拉至地端GND以確保金氧半電晶體108被關閉(電源轉換器100的二次側SEC關閉)。
另外，在本發明的另一實施例，當感應電壓SRVDS較低(此時同步整流器200並不需要電壓限制單元202)時，閘極耦合效應抑制單元208可利用感應電壓SRVDS將金氧半電晶體108閘極的電位拉至地端GND以確保金氧半電晶體108被關閉。
綜上所述，本發明所提供的應用於電源轉換器的同步整流器及其操作方法是在電源轉換器開機且功率開關開啟時，抑制耦合至耦接電源轉換器的二次側的金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保金氧半電晶體關閉。如此，因為在電源轉換器開機且功率開關開啟時，本發明可確保金氧半電晶體關閉，所以本發明不僅可防止電源轉換器的一次側和電源轉換器的二次側同時導通，且亦可避免電源轉換器無法啟動或故障。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧電源轉換器
102‧‧‧一次側繞組
104‧‧‧功率開關
106‧‧‧二次側繞組
108‧‧‧金氧半電晶體
200‧‧‧同步整流器
202‧‧‧電壓限制單元
204‧‧‧空檔時間控制單元
206‧‧‧閘極驅動單元
208‧‧‧閘極耦合效應抑制單元
210、211、212、214‧‧‧接腳
CS‧‧‧控制信號
Cgd‧‧‧寄生電容
DT‧‧‧空檔時間
GND‧‧‧地端
GCS‧‧‧閘極控制信號
IPRI‧‧‧電流
PRI‧‧‧一次側
PV‧‧‧預定電壓
SEC‧‧‧二次側
SRVDS‧‧‧感應電壓
VCC‧‧‧驅動電壓
400-408‧‧‧步驟
第1圖是本發明的第一實施例說明一種應用於電源轉換器的同步整流器的示意圖。 第2圖是說明閘極耦合效應抑制單元是N型金氧半電晶體的示意圖。 第3圖是說明閘極控制信號與控制信號的示意圖。 第4圖是本發明的第二實施例說明一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法的流程圖。
100‧‧‧電源轉換器
102‧‧‧一次側繞組
104‧‧‧功率開關
106‧‧‧二次側繞組
108‧‧‧金氧半電晶體
200‧‧‧同步整流器
202‧‧‧電壓限制單元
204‧‧‧空檔時間控制單元
206‧‧‧閘極驅動單元
208‧‧‧閘極耦合效應抑制單元
210、211、212、214‧‧‧接腳
CS‧‧‧控制信號
Cgd‧‧‧寄生電容
GND‧‧‧地端
GCS‧‧‧閘極控制信號
IPRI‧‧‧電流
PRI‧‧‧一次側
PV‧‧‧預定電壓
SEC‧‧‧二次側
SRVDS‧‧‧感應電壓
VCC‧‧‧驅動電壓

Claims (10)

  1. 一種應用於電源轉換器的同步整流器，包含：一閘極耦合效應抑制單元，用以在該電源轉換器開機且該電源轉換器的一次側的功率開關開啟時，抑制耦合至耦接該電源轉換器的二次側的金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉，其中在該電源轉換器開機時，該二次側用以驅動該同步整流器的驅動電壓尚不足以驅動該同步整流器；一空檔時間(dead time)控制單元，用以根據一預定電壓，決定一空檔時間；及一閘極驅動單元，用以根據該空檔時間，產生用以控制該金氧半電晶體開啟與關閉的閘極控制信號。
  2. 如請求項1所述的同步整流器，另包含：一電壓限制單元，用以限制該感應電壓於該預定電壓。
  3. 如請求項2所述的同步整流器，其中該電壓限制單元是一箝位電路。
  4. 一種應用於電源轉換器的同步整流器，包含：一閘極耦合效應抑制單元，用以在該電源轉換器開機且該電源轉換器的一次側的功率開關開啟時，抑制耦合至耦接該電源轉換器的二次側的金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉，其中在該電源轉換器開機時，該二次側用以驅動該同步整流器的驅動電壓尚不足以驅動該同步整流器；一空檔時間控制單元，用以根據該感應電壓，決定一空檔時間；及 一閘極驅動單元，用以根據該空檔時間，產生用以控制該金氧半電晶體開啟與關閉的閘極控制信號。
  5. 如請求項4所述的同步整流器，其中該二次側用以驅動該同步整流器的驅動電壓尚不足以驅動該同步整流器，是該二次側用以驅動該同步整流器的驅動電壓尚不足以驅動該空檔時間控制單元和該閘極驅動單元。
  6. 如請求項4所述的同步整流器，其中該閘極耦合效應抑制單元是一N型金氧半電晶體、一雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)、一不需該驅動電壓驅動的電路或一由該感應電壓驅動的電路。
  7. 如請求項4所述的同步整流器，其中抑制耦合至該金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉，是該閘極耦合效應抑制單元將該金氧半電晶體閘極拉至一地端以確保該金氧半電晶體關閉。
  8. 一種應用於電源轉換器的同步整流器的操作方法，其中該同步整流器包含一閘極耦合效應抑制單元、一空檔時間控制單元和一閘極驅動單元，該操作方法包含：開機該電源轉換器且開啟該電源轉換器的一次側的功率開關；該電源轉換器的二次側的二次側繞組根據流經該一次側的電流，產生一感應電壓；該閘極耦合效應抑制單元抑制耦合至耦接該電源轉換器的二次側的金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉，其中在該電源轉換器開機時，該二次側用以驅動該同步整流器的驅動電壓尚不足以驅 動該同步整流器；該空檔時間控制單元根據對應該感應電壓的一預定電壓或該感應電壓，決定一空檔時間；及該閘極驅動單元根據該空檔時間，產生用以控制該金氧半電晶體開啟與關閉的閘極控制信號。
  9. 如請求項8所述的操作方法，另包含：一電壓限制單元限制該感應電壓於該預定電壓。
  10. 如請求項8所述的操作方法，其中該閘極耦合效應抑制單元抑制耦合至該金氧半電晶體閘極的感應電壓以確保該金氧半電晶體關閉，是該閘極耦合效應抑制單元將該金氧半電晶體閘極拉至一地端以確保該金氧半電晶體關閉。
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