專利名稱：具有電壓箝位線圈的零電壓切換/零電壓轉(zhuǎn)移的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軟切換DC/DC(直流/直流)轉(zhuǎn)換器，特別涉及一種在軟切換DC/DC轉(zhuǎn)換器中用于箝位諧振扼流圈的電壓來箝位或限制輸出整流設(shè)備電壓的裝置。
針對這種情況，Redl在美國專利號5198969中的文獻中提出了解決方法，Redl在上下電壓端(rail)之間，串聯(lián)插入了一對箝位二極管。該箝位二極管連接在扼流電感與橋式轉(zhuǎn)換器的輸出變壓器之間的結(jié)點上。實際上，Redl將輸出整流設(shè)備的電壓箝位到諧振電感與電源變壓器的結(jié)點電壓。這樣有效的箝位了變壓器一次繞組的電壓，當然變壓器二次繞組也同樣。然而這種布局結(jié)構(gòu)在箝位二極管中產(chǎn)生了實際的正向電流和反向回復(fù)電流。這也是導(dǎo)致在二極管中實際功率損耗的原因。
在美國申請序列號798186，申請日2001年3月1日的文獻中，以發(fā)明人Guerrera命名的“在軟切換DC/DC轉(zhuǎn)換器中用于整流二極管的無源電壓筘位”電路中可以看到對Redl系統(tǒng)的改進，該申請已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人，并在本發(fā)明中作為整體參考。Guerrera通過為電源變壓器提供一個附加繞組(Additional Winding)作為筘位線圈，從而同時對電源變壓器的一次和二次電壓進行了箝位。然而，雖然Guerrera系統(tǒng)確實是有效的，但制造這種系統(tǒng)卻存在許多問題。特別是如何設(shè)計一變壓器，將其適當?shù)呐cGuerrera構(gòu)成一體，就是一個較難解決的問題。由于Guerrera需要一個額外的接近于變壓器一次繞組的箝位繞組，而在變壓器上配置這種附加的筘位繞組，會減少變壓器的效率。
本發(fā)明提供了一種軟切換DC/DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括通過一半導(dǎo)體切換設(shè)備互連的一正向電壓輸入端和一負向電壓輸入端，該轉(zhuǎn)換器的變壓器包括一次繞組和二次繞組，以及一連接到該變壓器的二次繞組的輸出整流電路，該轉(zhuǎn)換器包括一用于箝位輸出整流電路電壓的裝置，該裝置包括第一和第二箝位二極管，串聯(lián)跨接于正負電壓輸入端，一諧振電感與變壓器的一次繞組串聯(lián)，并且一電壓箝位電路跨接于該諧振電感，該電壓箝位電路限制了輸出端整流電路的電壓。
有關(guān)本發(fā)明的詳細內(nèi)容及技術(shù)，配合


如下，其詳細描述以及具體實施例用于解釋而非限制本發(fā)明的范圍。
C1 第一電容器 C2 第二電容器 C3 電容器 C4 電容器T1 變壓器 T2 變壓器n1 一級繞組 n2 二級繞組Np 諧振扼流圈 NCL箝位線圈D1 整流二極管 D2 整流二極管D3 箝位二極管 D4 箝位二極管Lo 電感器 Co輸出電容器Vo 輸出電壓10 電路12 第一波形 14 第二波形16 電路18 電路 20 電路22 電路24 電路請參見圖1，圖1為一橋式轉(zhuǎn)換器10，其包括一具電壓箝位的諧振扼流圈。橋式轉(zhuǎn)換器10包括一對輸入端正端和負端，通過與輸入電源Vin的連接，來確定正電壓端(rail)與負電壓端(rail)。一對切換器Q1和Q2串聯(lián)于正負電壓端(rail)之間。另外一對切換器Q3和Q4也串聯(lián)于正負電壓端(rail)之間。第一電容器C1與切換器Q2并聯(lián)，第二電容器C2并聯(lián)于切換器Q4。轉(zhuǎn)換器10還包括一個具有一次繞組n1和二次繞組n2的變壓器T1，二次繞組n2具有一對二次繞組n2a以及n2b。需要指出的是電容器C1和C2代表了需要ZVS操作的集總電容量，包括MOSFET以及必要時的外接電容的等量輸出電容量。
在電容器C1和C2的正端之間，一次繞組n1串聯(lián)連接于變壓器T2的諧振扼流圈Np。二次繞組n2a和n2b連接到輸出整流二極管D1與D2。二次繞組n2a和n2b有一個公共端，其為電壓輸出Vo定義了一個負級參考電壓端。二次繞組n2a和n2b的其它端子連接到相應(yīng)的二極管D2與D1的正極。整流二極管D1與D2連接到輸出電感器Lo。一輸出電容器Co跨接在電壓輸出Vo端，輸出電容器Co的一端與電感器Lo的一端相連。
同樣參考圖1，圖中一附加繞組，即一箝位線圈NCL，與諧振扼流圈Np并聯(lián)，箝位線圈NCL箝位了通過諧振扼流圈Np的電壓。如果諧振扼流圈Np的線圈匝數(shù)與箝位線圈NCL的相等，則通過諧振扼流圈Np的電壓與通過箝位線圈NCL的電壓相等。另外，通過箝位諧振扼流圈Np端的電壓，因此在變壓器T1的一次繞組n1端的電壓和在變壓器T2端的二次繞組n2也會被筘位。
在工作時，如果諧振扼流圈Np的繞組的原始匝數(shù)是X匝，那么電壓箝位NCL的線圈匝數(shù)優(yōu)選為等同于Np的線圈匝數(shù)，即X匝。由于諧振扼流圈的線圈匝數(shù)等同于箝位線圈NCL的匝數(shù)，因此通過諧振線圈Np的電壓也等同于通過筘位線圈NCL的電壓。假設(shè)二極管D3的正向電壓降是Vd3，二極管D4的電壓降是Vd4，那么標記圓點的變壓器T2的兩個端子在電壓的正向偏移期間都會被箝位到Vin+Vd3，在電壓的反向偏移期間被箝位到電壓-Vd4。如果忽略二極管的電壓降，那么變壓器T1與諧振線圈NP之間的互連，在電壓的正向偏移期間就會被箝位到Vin，而在電壓的反向偏移期間就會被接地。結(jié)果通過電源變壓器T1的一次繞組n1的電壓就會被箝位到Vin的絕對值，并且因此根據(jù)一次繞組n1與二次繞組n2之間的匝數(shù)關(guān)系來箝位二次繞組n2的電壓。
圖2為本發(fā)明圖1的電路工作波形圖。特別是第一波形12代表了應(yīng)用了諧振扼流圈Np的箝位線圈NCL時，輸出整流器端的反向電壓。第二波形14代表了在諧振扼流圈Np端應(yīng)用箝位線圈NCL時，通過整流二極管D1的電流。在圖2中，箝位線圈NCL和諧振扼流圈Np具有相同的匝數(shù)。反向峰值電壓近似220V，然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，相位偏移橋具有近似296V的反向峰值電壓。該反向峰值電壓比類似Redl所述的電路高近5.8％。通過上述箝位二極管和D1的電流有效值(Root-Mean-Square，RMS)近似于1.156A RMS，與Redl電路比較，RMS電流大約低15％。而且，箝位二極管的反向回復(fù)時間非常重要，因為這與切換損耗是成比例的。對于諧振線圈的箝位線圈的漏電感解釋了本發(fā)明之所以在輸出整流器反向峰值電壓方面略優(yōu)于Redl的原因?？傊?，漏電感減小了通過箝位二極管D3和D4的電流有效值，并且降低了通過箝位二極管的反向電流。本發(fā)明電路的另外一個優(yōu)點是靈活性，在二次繞組n2端的箝位電壓可以高于電源變壓器T1的線圈匝數(shù)比例所允許的電壓，這里通過選擇線圈匝數(shù)比例NCL/Np＜1來實現(xiàn)。而且，本發(fā)明顯著地減小了惡劣的高頻阻尼振蕩，在傳統(tǒng)相位偏移ZVS/ZVC轉(zhuǎn)換器中，高頻阻尼振蕩經(jīng)常導(dǎo)致后項(Consequent)減少和電磁干擾。
另外，本發(fā)明還具有以下幾項優(yōu)點，第一，在電源變壓器中合并額外的繞組是公認的難點，特別對于應(yīng)用分層繞組(Sandwich Winding)技術(shù)的變壓器來說，需要將一次繞組一分為二，然后將二次繞組夾在其中。本發(fā)明將一個箝位線圈放在諧振扼流圈上，基本簡化了這個問題。第二，如果該變壓器的構(gòu)造不允許改變成另外一個更大的變壓器，在變壓器中加入一箝位線圈可能降低繞組中的銅的面積(area)，從而可能降低效率。而本發(fā)明將箝位線圈置于諧振扼流圈中則可以解決這一問題。第三，當把一箝位線圈置于一電源變壓器中時，一次繞組和二次繞組之間的漏電感就會增加，這是由于為了容納箝位線圈，而增加了在一次繞組和二次繞組之間的間距。這樣就需要一個更大的諧振扼流圈，用于適當?shù)腪VS/ZVT切換。然而將一個箝位線圈置于諧振扼流圈中，并不會增加電源變壓器的漏電感。第四，對于具有一個以上電源變壓器的情況，只需要將一個箝位線圈加到圖1所示的電路中，但如果變壓器包括該箝位線圈，則就需要兩個箝位線圈。第五，電源變壓器中線圈匝數(shù)通常遠遠高于諧振扼流圈中的線圈匝數(shù)，因此，如果箝位線圈置于變壓器中，則比其置于諧振線圈內(nèi)需要更多匝數(shù)的線圈。第六，將箝位線圈置于變壓器內(nèi)需要顧及各種安全考量，但如果將箝位線圈置于諧振扼流圈中就可以緩解這種顧慮。第七，將箝位線圈置于諧振扼流圈中會使電路易于調(diào)節(jié)，而將箝位線圈置于變壓器中則難以對電路進行優(yōu)化。
圖3為具有電壓箝位的電路16，在該電路中，箝位線圈分接(Tap)在諧振扼流圈Np的任何位置。前述圖中的數(shù)字標號將用于描述在圖3～圖7中的類似組件。在圖3中，所有的組件都類似于在圖1中的布局。圖3與圖1的區(qū)別在于，變壓器T2包括了一個箝位線圈NCL，其分接在諧振扼流圈Np的任意位置。諧振扼流圈Np由兩個電感線圈Np1和Np2組成，諧振扼流圈Np的線圈匝數(shù)等于Np1的匝數(shù)加上Np2的匝數(shù)。箝位線圈NCL的優(yōu)選匝數(shù)等于繞組Np1的匝數(shù)。
請參見圖4，圖4具有一個電壓箝位的電路18，圖中電壓箝位通過一半橋式拓撲實現(xiàn)。不同的是，電容器C3和C4取代了圖1中的切換器Q3和Q4。在這種布局中，圖1中的電容器C2在圖5中被去掉。圖5為電路20，在圖5中，保留圖1中切換器Q3和Q4及C2，電容器C1’和C2’取代圖1中的切換器Q1和Q2，圖1中的電容器C1在圖5中被去掉。
請參見圖6，圖6為一應(yīng)用箝位線圈的變換布局，圖中在一個順向轉(zhuǎn)換器(Forward Converter)22中，箝位線圈置于一個諧振扼流圈上。切換器Q1串聯(lián)在順向轉(zhuǎn)換器22的負端(rail)與變壓器T1的一次繞組n1的第一端之間。一次繞組n1的第二端連接在諧振扼流圈Np的第一端上。諧振扼流圈Np的第二端連接到順向轉(zhuǎn)換器22的正電壓端(rail)。一箝位線圈NCL的第一端連接到諧振扼流圈Np的第二端。如上所述，箝位二極管D3和D4串聯(lián)在轉(zhuǎn)換器22的正負電壓端(rail)之間。箝位線圈NCL的第二端連接到二極管D3和D4之間的連線上。變壓器T1還包括一個具有一對輸出端子的二次繞組n2，每個輸出端子連接到相應(yīng)的整流二極管D1和D2的正向端。整流二極管D1和D2的反向端連接到輸出電感器Lo上。輸出電容器Co跨接在電壓輸出Vo端，并且一端連接到輸出電感器Lo上。在工作過程中，箝位線圈NCL如上述圖1～圖5所示，通過箝位通過諧振扼流圈Np的電壓來進行工作。
圖7為本發(fā)明的電壓箝位線圈應(yīng)用在一順向轉(zhuǎn)換器24中，但其連接到變壓器T1的一次繞組n1相反的引線(Leg)上。箝位線圈NcL相似的連接在箝位二極管D3和D4的連線與諧振扼流圈Np的引線之間。在圖7所示的實施例中，諧振扼流圈Np串聯(lián)于切換器Q1與變壓器T1的一次繞組n1的引線。一次繞組n1的另外一引線連接到順向轉(zhuǎn)換器24的正電壓端(rail)。
雖然本發(fā)明以前述的較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，故本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作一些的修改和變化，因此本發(fā)明的保護范圍當以權(quán)利要求為準。
權(quán)利要求
1.一種用于箝位輸出整流電路電壓的裝置，其位于軟切換直流/直流轉(zhuǎn)換器中，該轉(zhuǎn)換器包括通過一半導(dǎo)體切換設(shè)備互連的一正向電壓輸入端和一負向電壓輸入端，一變壓器，以及與該變壓器二次繞組相連的輸出整流電路，其特征在于，該裝置包括第一箝位二極管和第二箝位二極管，串聯(lián)在正負電壓輸入端之間；一諧振電感，串接于該變壓器的一次繞組；及一電壓箝位電路，與該諧振電感相連，該電壓箝位電路限制了輸出整流電路的電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該電壓箝位電路包括一電感器，該電感器與該諧振電感并聯(lián)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該電壓箝位電路的電感器包括線圈的數(shù)量等同于該諧振電感的線圈數(shù)量。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該輸出整流電路至少包括一組二極管與同步整流器。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該轉(zhuǎn)換器為一相位偏移橋式轉(zhuǎn)換器，該橋式轉(zhuǎn)換器包括數(shù)個串聯(lián)在正負電壓輸入端的切換器，其中該數(shù)個切換器互連在一結(jié)點，該變壓器包括一次繞組以及二次繞組，其中，該一次繞組的第一端連接到該結(jié)點，該二次繞組連接到該輸出整流電路，并且該一次繞組的第二端連接到該諧振電感。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，該橋式轉(zhuǎn)換器為全橋轉(zhuǎn)換器與半橋轉(zhuǎn)換器的任意一個。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該轉(zhuǎn)換器為一順向轉(zhuǎn)換器，該順向轉(zhuǎn)換器包括一切換器，其在輸入端正負電壓之間串聯(lián)連接于變壓器一次繞組，其中該箝位二極管互連于一結(jié)點，該電壓箝位電路包括一連接于該結(jié)點的端點，并且該變壓器包括一次繞組和二次繞組，其中該一次繞組的第一端與諧振電感相連，該二次繞組與該輸出整流電路相連。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，該一次繞組的第二端連接在正向電壓輸入端。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，該一次繞組的第二端也可以經(jīng)過半導(dǎo)體切換器連接到負電壓端上。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，該電壓箝位電路包括一電感器，該電感器與該諧振電感相連并與該諧振電感連接于一個端點或一中間分接點。
11.一種軟切換直流/直流轉(zhuǎn)換器裝置，其特征在于，包括一正向電壓輸入端和一負向電壓輸入端；一半導(dǎo)體切換設(shè)備，其與該正負電壓輸入端互連；一變壓器，其包括一次繞組和二次繞組；一輸出整流電路，其與該變壓器的二次繞組相連；第一和第二箝位二極管，其串聯(lián)于正負電壓輸入端；一諧振電感，其與該變壓器的該一次繞組相串聯(lián)；一電壓箝位電路，與該諧振電感相連，該電壓箝位電路限制該輸出整流電路的電壓。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該電壓箝位電路包括的線圈數(shù)量等同于該諧振電感的線圈數(shù)量。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該輸出整流電路至少包括一組二極管與同步整流器。
14.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該轉(zhuǎn)換器為一相位偏移橋式轉(zhuǎn)換器，該橋式轉(zhuǎn)換器包括數(shù)個串聯(lián)在正負電壓輸入端的切換器，其中該數(shù)個切換器互連在一結(jié)點，其中，該一次繞組的第一端連接到該結(jié)點，該二次繞組連接到該輸出整流電路，并且該一次繞組的第二端連接到該諧振電感。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，該橋式轉(zhuǎn)換器為全橋轉(zhuǎn)換器與半橋轉(zhuǎn)換器的任意一個。
16.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該轉(zhuǎn)換器為一順向轉(zhuǎn)換器，該順向轉(zhuǎn)換器包括一切換器，其在輸入端正負電壓之間串聯(lián)連接于變壓器一次繞組，其中該箝位二極管互連于一結(jié)點，該電壓箝位電路包括一連接于該結(jié)點的端點，其中該一次繞組的第一端與諧振電感相連，該二次繞組與該輸出整流電路相連。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，該一次繞組的第二端連接在正向電壓輸入端。
18.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，該一次繞組的第二端也可以經(jīng)過半導(dǎo)體切換器連接到負電壓端上。
19.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，該電壓箝位電路包括一電感器，該電感器與該諧振電感相連并與該諧振電感連接于一個端點或一中間分接點。
全文摘要
一種用于驅(qū)動整流電路的零電壓切換(ZVS)或零電壓轉(zhuǎn)移(ZVT)的橋式轉(zhuǎn)換器，一箝位線圈或電感并聯(lián)于橋式轉(zhuǎn)換器的諧振扼流圈，箝位線圈箝位諧振扼流圈的電壓，通過箝位諧振扼流圈也就限制了輸出變壓器二次繞組的電壓，輸出變壓器與整流電路相連，通過限制輸出變壓器的電壓，從而也就限制了整流電路的電壓。
文檔編號H02M1/34GK1467904SQ0313657
公開日2004年1月14日 申請日期2003年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月6日
發(fā)明者馬諾羅·馬里亞諾·M·美爾加雷約, 馬諾羅 馬里亞諾 M 美爾加雷約 申請人:艾思塔克國際股份有限公司