一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置，其电路结构中包含一个带屏蔽的电流互感器、带滤波电容的电位调节电路、滞环比较器、基于逻辑门电路的防直通保护电路、以及信号切换电路。通过检测交流环节中，高频交流电流的方向，判断正在续流的体二极管，从而产生相应的门级信号。本发明专利技术中所述的装置电路，可以适用于输出侧带同步整流器的双向DC/DC电路拓扑，可以有效续流电流在MOSFET体二极管中产生的导通损耗。该电路具有电路结构简单明了、成本相对较低、可以做到较高带宽、而且抗电磁噪声干扰能力强的特点。而且抗电磁噪声干扰能力强的特点。而且抗电磁噪声干扰能力强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置


[0001]本专利技术属于电气设备及电气工程领域，具体涉及一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置。

技术介绍

[0002]隔离式DC/DC变流器作为直流变压电源，被广泛应用于数据中心、服务器、电动汽车充电器、电子设备等电源领域。目前常见的隔离式DC/DC拓扑有反激式电路、移相全桥dc/dc电路(Phase
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shift DC/DC Converter)、双有源桥(Dual Active Bridge DC/DC Converter)、谐振类变流器如LLC型、CLLC型等。上述几种DC/DC变流器的基本思路类似，为减小尺寸将DC电压逆变为高频交流电，经过高频变压器隔离后，将高频交流电整流得到所需的DC电压，通过调节相移角、开关频率等电气量，改变输出电压。
[0003]在输出端整流器中，通常有两种形式，一种为二极管自然换流，另外一种为加入MOSFET等主动元件进行同步换流。二极管自然换流控制简单，但是由于自身的导通压降，因此损耗更大。采用MOSFET进行同步换流可以减小损耗，因为电流在MOSFET体二极管中续流时，加入门级电压信号可以使MOSFET中形成导电沟道，从而降低体二极管的门槛电压，使器件整体呈现出类似于电阻的特性，大大降低导通损耗。
[0004]相比于二极管整流，同步整流更为复杂，因为需要额外的电路产生门级电压信号，错误的栅极信号可能导致谐振电池处产生反向功率流和额外的无功功率。同时由于宽禁带半导体的逐渐普及，为了进一步减小DC/DC变流器的尺寸和重量，开关频率被大幅提高，在某些特定应用条件下开关频率能到兆赫兹级，这为同步整流信号的发生带来了挑战。此外，高频下由于功率管的开关速度较快，通常在电压信号中含有较多噪声成分，可能会导致上下管直通触发短路故障，并且在过零点附近的噪声可能导致开关信号在该时刻频繁切换，因此需要滤除信号中的杂质成分，并且对信号做滤波和防直通处理。在双向DC/DC变流器中，当功率反向流动时，原输出侧桥将被切换为输入桥而进行斩波，此时需要旁路掉同步信号发生装置，因此需要设置旁路开关。针对上述需求，需要研究一种针对于高开关频率的同步门级信号发生装置。
[0005]一般来说，同步门级信号发生电路工作包含三个环节：续流电流检测、信号处理和发出脉冲。而根据通常可以将现有的同步门级信号发生总结为以下两类：基于电压的方法和基于电流的方法。
[0006]基于电压的方法主要通过检测电压信号，如MOSFET的沟道
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源级电压，来判断是否有电流通过MOSFET的体二极管。例如：英飞凌AUIRS1170S驱动器IC使用源漏电压作为开关的指示器。当源漏电压高于某个值时，驱动器将增大栅极电压以使沟道导通。
[0007]IEEE Transactions on Power Electronics期刊(2018年6月第33卷，6期)《采用微控制器的高频LLC变换器自适应同步整流器(SR)驱动方案的数字实现》一文中介绍了一种采用模拟PI控制器的同步整流电路。文章中指出：传统的SR驱动方案不适合高频LLC变换器，在模拟驱动方案中，由于SR寄生电感而损失很大一部分占空比；而在数字驱动方案中高
频工作时需要更高的数字控制器成本。该文献中提出了一种基于单片机的高频LLC变换器自适应SR驱动的数字实现方案，通过感应SR漏源电压以检测体二极管是否导通，并且使用纹波(异步)计数器每几个开关周期调整SR导通时间，以最大限度地减少体二极管导通。
[0008]IEEEApplied Power Electronics and Exposition(APEC)大会的论文：《高频GaN LLC变换器中同步整流器的实时自适应定时控制》介绍了一种采用罗氏线圈的同步整流控制电路。文中具体提出了一种适用于氮化镓高频LLC变换器的自适应同步整流控制方法。这种新颖的SR控制方案能够自适应地对SR进行实时控制，并能精确地调节开关频率。变压器二次侧电流的过零检测(ZCD)是由罗氏线圈及其辅助电路实现的。ZCD信号被送到数字信号处理器中进行处理和PWM调制。该方法适用于宽范围负载电流和开关频率的调节。
[0009]本专利技术中，对上述专利申请和论文进行引用。从这些先前的参考文献可以看出，这些现有技术在它们的研究和利用方面是非常有限的，并且需要改进的功率节点来克服这些限制。

技术实现思路

[0010]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置，适用于带中间高频AC级、且输出侧为同步整流器的隔离式DC/DC变流器。本专利技术的难点在于：
[0011]1.由于高频信号的周期时间短，因此需要电路中的元器件带宽较高，能满足高频信号处理。
[0012]2.为了防止电路中出现的高频噪声造成误动作，需要对所采集的信号进行滤波处理，同时在电流过零点时噪声较大，为防止噪声造成的频繁开断，因此采用滞环比较器。
[0013]3.为防止上下管直通造成系统短路故障，门级信号在被输出前需要做防直通保护。
[0014]综上，本专利技术提出的技术方案如下：
[0015]一种用于双向高频同步整流器的同步门级信号发生装置，所述装置包括电流互感器、电位调节电路、滞环比较器、直通保护电路和信号切换电路；
[0016]所述电流互感器为一个高带宽的电流电压器，其用于测量并等比例衰减同步整流器的交流电流；所述电位调节电路为一个运放电路，包括滤波电容，其输入侧的电阻Rs将所述二次侧交流电流信号转换为弱电压信号，所述运放电路将正的或负的所述弱电压信号转换为全正极的电压信号，所述滤波电容用于滤除该电压信号中的高频噪声，经调制后的所述电压信号输入所述滞环比较器中，所述滞环比较器的参考电压由可调式低压差线性稳压器进行手动调节，所述滞环比较器的输出电压即为同步整流器的门级信号；所述门级信号包括两个，采用逻辑电路作为直通保护电路用于防止两个门级信号同时置高，即当该种情况发生时，通过所述逻辑电路将所述两个门级信号都拉低。
[0017]进一步的，所述电流互感器的一次侧为所测电流通路，仅有一组绕组，二次侧包含多个绕组以降低电流；该电流互感器可以采用外接电流变压器的形式实现，也可以采用嵌入PCB的电流变压器。
[0018]进一步的，所述电位调节电路的输入侧设有一个电流测量电阻，串联在所述电流互感器的二次侧两边，用于将电流信号转换为电压信号；所述电位调节电路包含四个电阻
与一个所述滤波电容，通过改变电阻之间的比值改变输出/输入电压变比以及电流过零点电位大小。
[0019]进一步的，所述的滞环比较器包括两个，且每个分别包括高带宽比较器芯片及外围电阻电路，以及可调式低压差线性稳压器组成；所述两个比较器芯片均包括两路输入通道，其中一个输入通道接入电位调节电路的输出电压信号，另一个输入通道接可调式低压差线性稳压器的输出电压；当满足比较条件时所述滞环比较器将输出高电平，不满足条件时输出低电平，两个滞环比较器的输出信号即分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置，其特征是：所述装置包括电流互感器、电位调节电路、滞环比较器、直通保护电路和信号切换电路；所述电流互感器为一个高带宽的电流电压器，其用于测量并等比例衰减同步整流器的交流电流；所述电位调节电路为一个运放电路，包括滤波电容，其输入侧的电阻Rs将所述二次侧交流电流信号转换为弱电压信号，所述运放电路将正的或负的所述弱电压信号转换为全正极的电压信号，所述滤波电容用于滤除该电压信号中的高频噪声，经调制后的所述电压信号输入所述滞环比较器中，所述滞环比较器的参考电压由可调式低压差线性稳压器进行手动调节，所述滞环比较器的输出电压即为同步整流器的门级信号；所述门级信号包括两个，采用逻辑电路作为直通保护电路用于防止两个门级信号同时置高，即当该种情况发生时，通过所述逻辑电路将所述两个门级信号都拉低。2.根据权利要求1所述的一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置，其特征是：所述电流互感器的一次侧为所需要测量的原电流通路，仅有一组绕组，二次侧包含多个绕组以降低电流；该电流互感器可以采用外接电流变压器的形式实现，也可以采用嵌入PCB的电流变压器。3.根据权利要求1所述的一种用于双向高频同步整流器的门级信号发生装置，其特征是：所述电位调节电路的输入侧设有一个电流测量电阻Rs，串联在所述电流互感器的二次侧两边，用于将电流信号转换为电压信号；所述电位调节电路包含四个电阻与一个所述滤波电容，通过改变电阻之间的比值改变输出/输入电压变比以及电流过零点电...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵爽，王佳宁，李贺龙，丁立健，杨之青，林荧，
申请(专利权)人：合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽省能源实验室，
类型：发明
国别省市：