同步整流器的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種同步整流器，具有:帶有第一和第二輸入接口的輸入端，用于與交流電壓源耦合連接;帶有第一和第二輸出接口的輸出端，用于提供直流電壓;至少一個變壓器，具有至少一個初級線圈和至少一個次級線圈，其中初級線圈串聯地連接至第一輸入接口 ；以及至少一個整流器單元，其中，至少一個整流器單元包括:第一和第二接口，其中，整流器單元的第一接口與同步整流器的輸入接口中的一個連接，其中，整流器單元的第二接口與同步整流器的輸出接口中的一個連接;雙極主開關，具有控制電極、工作電極和參考電極，其中，雙極主開關連接在整流器單元的第一和第二接口之間；第一二極管，該第一二極管連接至雙極開關的集電極-發射極路徑中，即其在雙極主開關的前向運行中阻斷電流；以及至少一個次級繞組，其中，至少一個次級繞組與雙極主開關的控制電極連接。
【背景技術】
[0002]在該上下文中，由DElO 2008 018 390 Al公開了一種在圖1和2中示出的同步整流器，其中使用了多個在圖3中示出的類型的整流器單元Gi。圖1示出了一個同步整流器，其設計成橋式整流器，而圖2中示出了構造為中間點整流器的同步整流器。對于在圖1至3中示出的結構的細節可參考所述的DElO 2008 018 390 Al。如在圖3中可見，各個整流器單元Gi的次級線圈的纏繞方向可以是變化的，也就是如這樣的情形，兩個接口中的哪一個作為輸入端使用，哪個作為整流器單元的輸出端使用，視構造成哪種同步整流器和整流器單元Gi在相應的同步整流器中的位置而定。整流器單元Gi的接口因此以GEl或者GAl標注，另外的接口相應地以GAl或者GEl標注。
[0003]在圖2中示出的中間點整流器中，電感器L1，L2，L3形成具有中間抽頭(centertapped)變壓器Tr2，而相對于變壓器Tr2的次級繞組串聯地布置的電感器L1，L2，L3是控制變壓器Tr I的初級繞組，控制變壓器的次級繞組布置在相應的整流器單元Gi中。
[0004]相對于Sakai，E和Harada，K在1992年第14屆國際通信能量會議中發表的論文“ANew Synchronous Rectifier Using Bipolar Transistor Driven by CurrentTransformer”，INTELEC’92，1992年十月4-8，424至429頁，在圖1至3中示出的、已知的場景的情況中，雙極晶體管在前向運行中被截止并且在反向運行中導通地運行。由此，運行電壓的范圍被明顯增大，利用該運行電壓能夠運行這種類型的同步變壓器。對于另外的現有技術可以參考2012年三月Infineon申請標注AN 2012-03V2.I的論文“Improving Efficiencyof Synchronous Rectificat1n by Analysis of the MOSFET Power Loss Mechanism，’，德克薩斯研究所的申請標注SLUA 287的論文“Control Driven Synchronous RectifiersIn Phase Shifted Full Bridge Converters” 以及在PCIM 2008上介紹的DavidGiacomini和Luigi Chine的論文“A Novel high efficient approach to inputbridges，，。
[0005]如果在根據圖1和圖2的同步整流器中使用在圖3中示出的整流器單元Gi，那么在實踐中在超過大約20kHz的運行頻率的情況下會給出令人不滿意的效率。具有盡可能高的頻率的這種類型的同步整流器的運行然而是被期望的，從而使磁性組件保持很小。
[0006]US 2002/0110005 Al公開了一種功率轉換器，其使用同步的整流器。在所述的文獻的圖4中示出了一種整流器單元，其具有第一和第二主開關。為第一主開關分配有第一輔助開關并且為第二主開關分配有第二輔助開關。第一電容器與第一輔助繞組連接，第二電容器與第二輔助繞組連接。為了提供用于主開關的柵極接口的放電路徑，當這些主開關在斷開狀態時，第一主開關的柵極接口與第一電容器的未與第一輔助繞組連接的接口連接，其中第二輔助開關的柵極接口與第二電容器的未與第二輔助繞組連接的接口連接。第一輔助開關的源極-漏極路徑被連接在第一電容器的未與第一輔助繞組連接的接口和參考電位之間。通過這種方式能夠通過導通地接通第一輔助開關對第一主開關的柵極接口進行放電。相應地適用于第二輔助開關和第二主開關。

【發明內容】

[0007]因此本發明的目的在于這樣地改進一種所述類型的同步整流器，即在超過20kHz的運行頻率的情況中實現更好的效率。
[0008]該目的通過具有權利要求1的特征的同步整流器實現。
[0009]本發明基于這樣的認識，即對于從大約20kHz的頻率開始的由現有技術已知的同步整流器的較差的效率來說，在整流器單元中使用的雙極晶體管的相對較大的存儲時間是負有責任的。在例如10kHz的頻率的情況中，輸入信號的半周期為5ys。相反，所使用的雙極晶體管的存儲時間為大約lys。這導致，即所使用的雙極晶體管不再能足夠快速地斷開，從而被截止。由此電壓和電流同時出現在晶體管中，由此產生損失，其導致這種類型的同步整流器的不希望的較低效率。尤其是脈沖形式的電流，在該電流中實現了相對快速的電流變化，僅僅能延遲地跟隨雙極晶體管。
[0010]這導致了不希望的漫長的和有損失的斷開過程。
[0011]通過將對雙極晶體管的控制相對于已知的整流器單元Gi這樣地進行修改，即實現了明顯的斷開加速，本發明由此解決了該問題。這被如此的設計，即當電流在相應的整流器單元中接近零時，其特別快速地斷開相應的雙極晶體管。
[0012]這基本上由此實現，即至少一個所述整流器單元進一步包括:能量存儲器，其串聯地布置在次級繞組和雙極主開關的控制電極之間，以及輔助開關，具有控制電極、工作電極、參考電極，該輔助開關連接在一方面能量存儲器與次級繞組的連接點和另一方面整流器單元的第一接口之間，其中，輔助開關的控制電極同樣與至少一個次級繞組連接。
[0013]通過這種方式實現了，即輔助開關通過用于雙極主開關的所涉及的次級繞組一同控制，并且用于使主開關在反向階段結束之前被斷開。在此，在npn雙極晶體管的情況中，前向運行的特征在于，即電壓Uce大于零。相應地在反向運行中也適合，即電壓Uce小于零。對于pnp雙極晶體管的情況，以相反的方式在前向運行中電壓Uce小于零，而在其反向運行中電壓Uce大于零。
[0014]通過根據本發明的解決方案，整流器單元的雙極主開關的回流能夠被完全避免。借此明顯地提高了借此構造的同步整流器的效率，并且實現了在大于等于20kHz的頻率時，尤其是在大約10kHz或者更高的頻率時的有效使用。
[0015]接下來示出的本發明，其相關于通過提供改進的整流器單元Gi來實現改進的同步整流器，不僅僅實現了將改進的同步整流器構造為橋式整流器(參見圖1)或者構造為中間點整流器(參見圖2)，而且此外也實現了構造成單路整流器，例如在絕緣的反激變換器(Flyback)中的主整流器或者構造為電流倍增器，在該電流倍增器中通過兩個彼此獨立的電感器代替全橋的一半。
[0016]優選的是，能量存儲器并聯地連接有電壓限制元件，尤其是齊納二極管。通過這種方式能夠設定在能量存儲器上的定義的、受限的電壓。因為損失在次級側與次級側的電流和電壓的乘積成比例，因此通過借助于電壓限制元件對電壓的限制可以降低控制損失。
[0017]優選的是，能量存儲器表現為電容器。
[0018]此外，優選的是，雙極主開關的控制電極至參考電極的路徑并聯連接有歐姆電阻。由此提高了在前向運行中雙極主開關的截止能力，由此以簡單的方式給出了最大的耐壓強度。
[0019]優選的是，輔助開關同樣實現為雙級晶體管。借此其可以與雙極主開關一樣特別簡單地由相同的電源供電。因此，其次級繞組布置在相應的整流器單元中的變壓器設計成電流變壓器。通過初級繞組與次級繞組的線圈數比例設定用于雙極晶體管的被強加的電流放大比，該電流放大比應該在反向運行中處于一個量級中、或者處于使用的雙極主開關的飽和電流放大之下。對于電流變壓器來說，在此選擇阻抗ω L大于穿過改進的整流器單元Gi的負載阻抗。這意味著，即其次級繞組布置在相應的整流器單元中的變壓器在按照規定的運行期間不能構建值得一提的磁化電流，更不用說進入到飽和狀態中。其更多地如測電鉗一樣工作，該測電鉗對相應的整流器單元的輸入電流進行測量，并且線性地根據線圈比在整流器單元內部降低地再次輸出。
[0020]雙極主開關的基極電荷的清除通過輔助開關實現，該輔助開關利用其電流放大裝置將輸送給其的基極電流放大，并且因此實現了用于雙極主開關的相對較大的清除電流，其由此能夠非常快速地斷開。MOSFET晶體管作為輔助開關也能夠在原理上被使用，然而一同帶來了不能非常精確地固定的接通電壓的缺點。
[0021]根據一個優選的設計方案，輔助開關設計為對雙極主開關進行補充。通過這種方式能夠特別簡單地實現，在使用輔助開關的電流放大裝置的情況將雙極主開關的基極與用于清除雙極主開關的基極的輔助開關的發射極連接。
[0022]整流器單元優選地包括第二二極管，其串聯地連接在次級繞組和能量存儲器之間，其中輔助開關的工作電極與第二二極管和能量存儲器的耦合點連接。該第二二極管是必要的，借此輔助開關能受控地保持。如果例如能量存儲器被充電并且在變壓器上出現負沿，那么該第二二極管被截止，輔助開關被接通。
[0023]此外，優選的是，在次級繞組和輔助開關的控制電極之間連接有歐姆電阻。其用于限制輔助開關的基極電流。
[0024]根據一個優選的設計方案，整流器單元此外包括第三二極管，該第三二極管連接在輔助開關的參考電極和整流器單元的第一接口之間。當在輔助開關的控制電極上的電壓小于在輔助開關的工作電極上的電壓時，那么輔助開關是導通的。當雙極主開關應該被接通時，第三二極管阻止了從雙極主開關的基極上的電荷載體的抽離。換句話說，輔助開關的反向運行被阻止。
[0025]如已經所描述的那樣，通過一個或者多個根據本發明的整流器單元可以實現不同的同步整流器。在使用唯一的一個整流器單元的情況中可以例如實現設計用于反激變換器(Flyback)設計的同步整流器。通過兩個整理器單元可以實現設計成中心點整流器的同步整流器，通過四個整流器單元可以實現設計成全橋整流器的同步整流器。
[0026]另外的優選設計方案在從屬權利要求中給出。<