用于驱动具有隔离电压感测的带ZVS/ZCSSR驱动的隔离式DC-DC谐振变换器的电路的制作方法

本公开涉及dc-dc变换器电路，并且尤其涉及具有用于优化转换效率的自适应驱动逻辑的隔离式双向cllc谐振dc-dc变换器。

背景技术：

1、双向隔离式谐振dc-dc变换器广泛应用于电动车辆充电器、储能系统和可再生能源接口。谐振dc-dc变换器使用创建谐振波形的无功组件的谐振槽路，从而提供软开关，在软开关中，功率晶体管在电压或电流为零时导通或关断。这与硬开关形成对比，在硬开关中，功率晶体管在同时承受高电压和大电流时进行开关切换，从而与软开关相比会导致显著的功率损耗。硬开关在每次转换时可能导致2%至5%的功率损耗，在许多应用中占变换器总损耗预算的30%以上。用于单向功率流的llc变换器（使用电感-电感-电容谐振槽路）和cllc变换器（添加另一电容器以实现双向操作）是隔离式谐振dc-dc变换器拓扑结构，该拓扑结构由于其高效率（在优化具体实施中峰值效率超过98%）而被广泛使用。

2、这些变换器通过精确的开关事件来操作，以实现导通期间的零电压开关（zvs）和关断期间的零电流开关（zcs），从而减少或消除开关损耗。初级侧通常使用50%占空比的pwm信号和可调死区时间，而次级侧（整流级）使用二极管或半导体开关。使用开关（诸如晶体管）创建同步整流（sr）级。

3、在用于电池充电器的双向变换器中，初级侧和sr级基于能量流方向互换角色。这要求在两级中的感测电路装置以检测zcs和zvs条件，从而增加了复杂性和成本。针对zvs和zcs检测可使用多种感测方法，每种感测方法都面临不同的隔离挑战。电压感测通常依赖光耦合器或数字隔离器来实现高电压隔离，光耦合器或数字隔离器会引入在100ns至500ns范围内的传播延迟和5pf至20pf的寄生电容，从而扭曲开关信号的时序。电流感测通过电流互感器更直接地实现隔离，但这些组件会添加0.1%至0.3%的插入损耗，由于互感器特性引入2度至5度的相移，并且可能出现需要补偿的dc偏置问题。

4、此外，数据中心、航空航天和工业自动化中的电力系统的不断增长的复杂性要求更复杂的功率转换解决方案。对更高效率、更小尺寸和更高可靠性的需求推动了对新型dc-dc变换器设计的需求。这种日益增长的需求通过需要多级架构进一步增加了变换器开发的复杂性，这些架构要求大量精确定时的pwm信号和快速控制响应，以使开关频率适应变化的输入和输出条件。现有的商业解决方案缺乏隔离能力，主要是因为现有的商业解决方案是为具有共同基准参考的单级变换器设计的。在这些集成电路中实施隔离将增加芯片的复杂性、成本和尺寸，同时潜在地损害有效操作所需的精确时序。因此，系统设计人员必须添加外部隔离组件，从而进一步使电路设计复杂化，并引入了200ns至500ns的附加信号延迟，这可能会使高频应用的效率降低0.5%至1.5%。

5、鉴于功率需求持续增长，特别是在车辆到电网系统和可再生能源接口等应用中，高效率的双向功率流尤为关键，并且多级变换器得到更广泛的应用，因此存在进一步发展的需求。

技术实现思路

1、本公开的一种隔离式dc-dc变换器包括：具有晶体管的第一全桥布置的初级侧电路；具有晶体管的第二全桥布置的次级侧电路；将初级侧电路耦合到次级侧电路的变压器；以及驱动电路装置。驱动电路装置监测初级侧电路和次级侧电路两者上的开关节点电压；选择性地在充电模式或放电模式中操作，在充电模式下，晶体管的第一全桥布置用作初级驱动晶体管，并且晶体管的第二全桥布置用作同步整流晶体管；在放电模式下，晶体管的第二全桥布置用作初级驱动晶体管，并且晶体管的第一全桥布置用作同步整流晶体管；检测谐振电流波形中的零电流穿越点；以及基于开关频率和变换器的谐振频率之间的关系自适应地控制用作同步整流晶体管的晶体管的关断时序，其中驱动电路装置在开关频率超过谐振频率时基于时间延迟信号来关断用作同步整流晶体管的晶体管，并且在开关频率低于谐振频率时基于在零电流穿越点处的比较器信号来关断用作同步整流晶体管的晶体管。

2、该隔离式dc-dc变换器可适用于各种应用，包括但不限于电动车辆、可再生能源系统、数据中心、航空航天、电信和工业自动化。该变换器的设计允许与智能电网技术集成，从而提供增强的控制和监测能力。

3、驱动电路装置可以包括：第一电压感测电路装置，该第一电压感测电路装置被配置为监测初级侧电路的开关节点电压；以及第二电压感测电路装置，该第二电压感测电路装置被配置为监测次级侧电路的开关节点电压。

4、第一电压感测电路装置可以包括耦合到初级侧电路的开关节点的第一对二极管，并且第二电压感测电路装置可以包括耦合到次级侧电路的开关节点的第二对二极管。

5、驱动电路装置还可以包括：第一比较器，该第一比较器被配置为将来自第一电压感测电路装置的整流电压与第一阈值电压进行比较；以及第二比较器，该第二比较器被配置为将来自第二电压感测电路装置的整流电压与第二阈值电压进行比较。

6、驱动电路装置还可以包括驱动逻辑单元，该驱动逻辑单元被配置为生成与开关频率同步的锯齿波形，并将该锯齿波形与多个阈值电压进行比较，以生成用于控制晶体管的第一全桥布置和晶体管的第二全桥布置的时序信号。

7、该隔离式dc-dc变换器可以包括阈值生成电路装置，该阈值生成电路装置被配置为生成多个阈值电压，该多个阈值电压包括：导通阈值电压，该导通阈值电压指示用于在实现零电压开关的同时导通第一全桥布置和第二全桥布置的晶体管的合适条件；以及关断阈值电压，该关断阈值电压指示用于在实现零电流开关的同时关断晶体管的第一全桥布置和第二全桥布置的合适条件。

8、阈值生成电路装置还可生成阻断阈值电压，该阻断阈值电压被配置为防止用作同步整流晶体管的第一全桥布置和第二全桥布置的晶体管过早关断。

9、驱动电路装置可以被配置为在轻载条件期间启用和禁用同步整流。

10、初级侧电路可以被耦合到总线电压源，并且次级侧电路可以被耦合到电池电压源。

11、在充电模式下，功率可以从初级侧电路流向次级侧电路；并且在放电模式下，功率可以从次级侧电路流向初级侧电路。

12、驱动电路装置可以包括：模式选择输入，该模式选择输入被配置为在充电模式与放电模式之间进行选择；和开关电路装置，该开关电路装置被配置为基于所选择的模式将适当的驱动信号路由到晶体管的第一全桥布置和晶体管的第二全桥布置，其中驱动信号实施基于开关频率和谐振频率之间的关系的关断时序的自适应控制，使得开关电路装置为在所选择的模式下用作同步整流晶体管的任一全桥布置的关断控制路由时间延迟信号或比较器信号，并且其中比较器信号也用于在指示适当的零电压开关条件时启用同步整流晶体管的安全导通。

13、用于具有初级侧和次级侧的隔离式dc-dc变换器的驱动电路装置，该隔离式dc-dc变换器各自具有全桥晶体管布置，该驱动电路装置可以包括：第一电压感测电路装置、第二电压感测电路装置、第一比较器、第二比较器和驱动逻辑单元。第一电压感测电路装置可以包括：第一二极管，该第一二极管的阴极耦合到初级侧的第一开关节点；第二二极管，该第二二极管的阴极耦合到初级侧的第二开关节点，其中第一二极管和第二二极管的阳极连接到第一公共节点；第一电阻器，该第一电阻器耦合在电源电压与第一公共节点之间；第一电容器，该第一电容器连接在第一公共节点与第一接地参考之间；以及第一隔离变压器，该第一隔离变压器的初级侧连接在第一公共节点与第一接地参考之间。第二电压感测电路装置可以包括：第三二极管，该第三二极管的阴极耦合到次级侧的第一开关节点；第四二极管，该第四二极管的阴极耦合到次级侧的第二开关节点，其中第三二极管和第四二极管的阳极连接到第二公共节点；第二电阻器，该第二电阻器耦合在电源电压与第二公共节点之间；第二电容器，该第二电容器连接在第二公共节点与第二接地参考之间；以及第二隔离变压器，该第二隔离变压器的初级侧连接在第二公共节点和第二接地参考之间。第一比较器可以将其同相输入端耦合到第一隔离变压器的次级侧，将其反相输入端连接成接收第一阈值电压，并且将其输出端配置为提供第一比较器输出信号。第二比较器可以将其同相输入端耦合到第二隔离变压器的次级侧，将其反相输入端连接成接收第二阈值电压，并且将输出端配置为提供第二比较器输出信号。驱动逻辑单元可被配置为基于第一比较器输出信号和第二比较器输出信号生成用于全桥晶体管布置的栅极驱动信号。

14、驱动逻辑单元可以包括：时钟信号输入端；通过可选的数模转换器（dac）耦合到时钟信号输入端的电压控制振荡器；耦合到vco的输出端的锯齿波发生器；第一比较器，该第一比较器的同相输入端被耦合以接收来自锯齿波发生器的锯齿波形，并且该第一比较器的反相输入端被耦合以接收第一导通阈值电压；第二比较器，该第二比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第二比较器的反相输入端被耦合以接收第一关断阈值电压；第三比较器，该第三比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第三比较器的反相输入端被耦合以接收第二导通阈值电压；以及第四比较器，该第四比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第四比较器的反相输入端被耦合以接收第二关断阈值电压。

15、驱动逻辑单元还可以包括：第一sr触发器，该第一sr触发器具有耦合到第一比较器的输出端的置位输入端，耦合到时钟信号输入端的复位输入端，被配置为提供第一初级驱动信号的输出端；第二sr触发器，该第二sr触发器具有耦合到第三比较器的输出端的置位输入端，耦合到第二比较器的输出端的复位输入端，被配置为提供第二初级驱动信号的输出端；第一开关，该第一开关具有被耦合以接收来自第一比较器的第一比较器输出信号的第一输入端，耦合以接收第二比较器输出信号的第二输入端，以及被耦合以接收模式选择信号的控制输入端；第二开关，该第二开关具有被耦合以接收来自第二比较器的第二比较器输出信号的第一输入端，被耦合以接收第一比较器输出信号的第二输入端，以及被耦合以接收模式选择信号的控制输入端；第一反相器，该第一反相器具有被耦合到第一开关的输出端的输入端；第五比较器，该第五比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，该第五比较器的反相输入端被耦合以接收第一同步整流导通阈值电压；第一与门，该第一与门具有被耦合到第五比较器的输出端的第一输入端，和被耦合到第一反相器的输出端的第二输入端；第三sr触发器，该第三sr触发器具有被耦合到第一与门的输出端的置位输入端；第六比较器，该第六比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第六比较器的反相输入端被耦合以接收第一同步整流关断阈值电压；第一或门，该第一或门具有耦合到第六比较器的输出端的第一输入端，和耦合到第一开关的输出端并且耦合到第二开关的输出端的第二输入端；第七比较器，该第七比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第七比较器的反相输入端被耦合以接收第一阻断阈值电压；第二与门，该第二与门具有耦合到第一或门的输出端的第一输入端，和耦合到第七比较器的输出端的第二输入端；第三sr触发器，该第三sr触发器具有耦合到第二与门的输出端的复位输入端，和被配置为提供第一同步整流驱动信号的输出端；第二反相器，该第二反相器具有耦合到第二开关的输出端并耦合到第一开关的输出端的输入端；第八比较器，该第八比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第八比较器的反相输入端被耦合以接收第二同步整流导通阈值电压；第三与门，该第三与门具有耦合到第八比较器的输出端的第一输入端，和耦合到第二反相器的输出端的第二输入端；第四sr触发器，该第四sr触发器具有耦合到第三与门的输出端的置位输入端；第九比较器，该第九比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第九比较器的反相输入端被耦合以接收第二同步整流关断阈值电压；第二或门，该第二或门具有耦合到第九比较器的输出端的第一输入端，和耦合到第二开关的输出端并耦合到第一开关的输出端的第二输入端；第十比较器，该第十比较器的同相输入端被耦合以接收锯齿波形，并且该第十比较器的反相输入端被耦合以接收第二阻断阈值电压；第四与门，该第四与门具有耦合到第二或门的输出端的第一输入端，和耦合到第十比较器的输出端的第二输入端；第四sr触发器，该第四sr触发器具有耦合到第四与门的输出端的复位输入端，和被配置为提供第二同步整流驱动信号的输出端。

16、驱动电路装置还可以包括第一第五与门，该第一第五与门具有耦合到第三sr触发器的输出端的第一输入端，耦合以接收同步使能信号的第二输入端，以及被配置为提供第一同步整流驱动信号的输出端；第二第六与门，该第二第六与门具有耦合到第四sr触发器的输出端的第一输入端，耦合以接收同步使能信号的第二输入端，以及被配置为提供第二同步整流驱动信号的输出端。

17、驱动电路装置还可以包括输出开关电路装置，该输出开关电路装置具有：第一组开关，该第一组开关被配置为基于模式选择信号选择性地将第一初级驱动信号和第二初级驱动信号或第一同步整流驱动信号和第二同步整流驱动信号路由到初级侧上的全桥晶体管布置的驱动输入端；以及第二组开关，该第二组开关被配置为基于模式选择信号选择性地将第一同步整流驱动信号和第二同步整流驱动信号或第一初级驱动信号和第二初级驱动信号路由到次级侧上的全桥晶体管布置的驱动输入端。

18、驱动逻辑单元可以包括延迟发生器，该延迟发生器被配置为接收与时钟信号成比例的信号并生成多个延迟信号，延迟信号包括：第一初级导通延迟信号、第二初级导通延迟信号、第二初级关断延迟信号、第一同步整流导通延迟信号、第一同步整流关断延迟信号、第一阻断延迟信号、第二同步整流导通延迟信号、第二同步整流关断延迟信号和第二阻断延迟信号。

19、驱动电路装置还可以包括：第一sr触发器，该第一sr触发器具有被耦合以接收第一初级导通延迟信号的置位输入端，被耦合以接收时钟信号的复位输入端，以及被配置为提供第一初级驱动信号的输出端；第二sr触发器，该第二sr触发器具有被耦合以接收第二初级导通延迟信号的置位输入端，被耦合以接收第二初级关断延迟信号的复位输入端，以及被配置为提供第二初级驱动信号的输出端；第一反相器，该第一反相器具有经由开关电路装置耦合到第一感测电路装置或第二感测电路装置的第一比较器输出信号或第二比较器输出信号的输入端；第一与门，该第一与门具有被耦合以接收第一反相器的输出和第一同步整流导通延迟信号的输入端；第一或门，该第一或门具有被耦合以经由开关电路装置接收第一同步整流关断延迟信号和第一感测电路装置或第二感测电路装置的第一比较器输出信号或第二比较器输出信号的输入端；第二与门，该第二与门具有被耦合以接收第一或门的输出和第一阻断延迟信号的输入端；第三sr触发器，该第三sr触发器具有耦合到第一与门的输出端的置位输入端，耦合到第二与门的输出端的复位输入端，以及提供第一同步整流信号的输出端；第二反相器，该第二反相器具有经由开关电路装置耦合到第一检测电路或第二检测电路的第一比较器输出信号或第二比较器输出信号的输入端；第三与门，该第三与门具有耦合以接收第二反相器的输出和第二同步整流导通延迟信号的输入端；第二或门，该第二或门具有被耦合以经由开关电路装置接收第二同步整流关断延迟信号和第一感测电路装置或第二感测电路装置的第一比较器输出信号或第二比较器输出信号的输入端；第四与门，该第四与门具有被耦合以接收第二或门的输出和第二阻断延迟信号的输入端；以及第四sr触发器，该第四sr触发器具有耦合到第三与门的输出端的置位输入端，耦合到第四与门的输出端的复位输入端，以及提供第二同步整流信号的输出端。

20、第一接地参考可以被连接到与驱动逻辑单元相关联的控制系统接地，并且第二接地参考可以通过第一隔离变压器和第二隔离变压器与第一接地参考电气隔离。

21、第一接地参考可连接到与隔离式dc-dc变换器的初级侧相关联的控制系统接地，并且第二接地参考可通过第一隔离变压器和第二隔离变压器中的至少一者以及通过dc-dc变换器的主隔离变压器与第一接地参考电气隔离，其中隔离变压器的接地参考与隔离变压器的连接配置可以基于期望的接地布置进行调整，该期望的接地布置连接到隔离式dc-dc变换器的次级侧并连接到与驱动逻辑单元相关联的控制系统接地。