專(zhuān)利名稱(chēng)：電源轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法，更具體的是涉及直流-直流轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法。
背景技術(shù)：
很多電子裝置采用直流-直流轉(zhuǎn)換器將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)直流輸出電壓。一個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可以有一個(gè)由全橋初級(jí)線(xiàn)圈和倍流整流器次級(jí)線(xiàn)圈組成的變壓器。在此例中，一個(gè)全橋電路可以連接在隔離變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈的兩端，一個(gè)倍流整流器電路可以連接在隔離變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈兩端。全橋電路可以由四個(gè)開(kāi)關(guān)組成，這四個(gè)開(kāi)關(guān)以已知的電橋配置形式排列而成。倍流整流器可以有兩個(gè)開(kāi)關(guān)。
在一種已知的排列方式中，全橋電路的四個(gè)開(kāi)關(guān)可以由四個(gè)獨(dú)立的控制信號(hào)控制，倍流整流器電路的兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以由另外兩個(gè)控制信號(hào)控制。這樣，在這種已知的排列方式中，需要向這些開(kāi)關(guān)提供六個(gè)不同的控制信號(hào)。此外，六個(gè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)這六個(gè)相關(guān)的控制信號(hào)，以使在功率傳輸周期之前次級(jí)線(xiàn)圈是短路的，而初級(jí)線(xiàn)圈是斷開(kāi)的(全橋的四個(gè)開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的)。因此，該已知排列方式需要變壓器有一個(gè)尺寸相對(duì)大的鐵芯，因?yàn)閷?duì)于磁化曲線(xiàn)上的每個(gè)周期，鐵芯幾乎會(huì)返回到鐵芯沒(méi)有磁化時(shí)的初始狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種電源轉(zhuǎn)換器、含有該電源轉(zhuǎn)換器的電子裝置，以及實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種電源轉(zhuǎn)換器，該電源轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)擁有初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的變壓器，一個(gè)第一高側(cè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)，其中這兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著全橋電路的第一路徑串聯(lián)，一個(gè)位于第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第一節(jié)點(diǎn)。電源轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)，其中這兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著全橋電路的第二路徑串聯(lián)，一個(gè)位于第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第二節(jié)點(diǎn)，其中初級(jí)線(xiàn)圈連接在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間，一個(gè)與次級(jí)線(xiàn)圈一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)，一個(gè)與次級(jí)線(xiàn)圈另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)。該電源轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)第一路徑，該第一路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從第一節(jié)點(diǎn)提供至第二整流器開(kāi)關(guān)，和一個(gè)第二路徑，該第二路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第二節(jié)點(diǎn)提供至第一整流器開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明所述的電源轉(zhuǎn)換器，所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)在一個(gè)第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)閉合，使所述初級(jí)線(xiàn)圈與所述電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸入電壓短路。
本發(fā)明所述的電源轉(zhuǎn)換器，在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，所述第一和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)閉合，使所述次級(jí)線(xiàn)圈在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)與地短路。
本發(fā)明所述的電源轉(zhuǎn)換器，所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第一控制信號(hào)，所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第二控制信號(hào)，所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第三控制信號(hào)，所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第四控制信號(hào)。
本發(fā)明所述的電源轉(zhuǎn)換器，在所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后且在相應(yīng)的所述第二和第一整流器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前，流經(jīng)所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)的電流變化率由下式給出
dIdt=Vinn·12Lleakage]]>其中Vin為所述電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，n為所述變壓器的匝數(shù)比，Lleakage為與所述次級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的所述變壓器的寄生漏電感。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種電子裝置，包括一個(gè)能夠接收一個(gè)輸入電壓和提供一個(gè)輸出電壓的電源轉(zhuǎn)換器，所述電源轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)變壓器，所述變壓器有一個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈和一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈；一個(gè)第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)，所述兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著一個(gè)全橋電路的第一路徑相串聯(lián)，一個(gè)位于所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第一節(jié)點(diǎn)；一個(gè)第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)，所述兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著所述全橋電路的第二路徑相串聯(lián)，一個(gè)位于所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第二節(jié)點(diǎn)，其中所述初級(jí)線(xiàn)圈連接在所述第一節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)之間；一個(gè)與所述次級(jí)線(xiàn)圈一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)與所述次級(jí)線(xiàn)圈另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)第一路徑，所述第一路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第一節(jié)點(diǎn)提供至所述第二整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)第二路徑，所述第二路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第二節(jié)點(diǎn)提供至所述第一整流器開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明所述的電子裝置，在一個(gè)第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)閉合，使所述初級(jí)線(xiàn)圈與所述電源轉(zhuǎn)換器的所述輸入電壓短路。
本發(fā)明所述的電子裝置，在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，所述第一和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)閉合，使所述次級(jí)線(xiàn)圈在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)與地短路。
本發(fā)明所述的電子裝置，所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第一控制信號(hào)，所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第二控制信號(hào)，所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第三控制信號(hào)，所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第四控制信號(hào)。
本發(fā)明所述的電子裝置，在所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后且在相應(yīng)的所述第二和第一整流器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前，流經(jīng)所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)的電流變化率由下式給出dIdt=Vinn·12Lleakage]]>其中Vin為所述電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，n為所述變壓器的匝數(shù)比，Lleakage為與所述次級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的所述變壓器的寄生漏電感。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種轉(zhuǎn)換電源的方法。該方法包括提供一個(gè)第一控制信號(hào)，以控制一個(gè)與全橋電路的第一路徑相連的第一高側(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；提供一個(gè)第二控制信號(hào)，以控制一個(gè)與全橋電路的第二路徑相連的第二高側(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，其中該全橋電路連接至一個(gè)變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈的兩端；向一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)提供一個(gè)第三控制信號(hào)，該第一低側(cè)開(kāi)關(guān)與全橋電路的第一路徑相連；向一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)提供一個(gè)第四控制信號(hào)，該第二低側(cè)開(kāi)關(guān)與全橋電路的第二路徑相連，其中在第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間存在一個(gè)第一節(jié)點(diǎn)，在第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間存在一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)；提供了一個(gè)來(lái)自第二節(jié)點(diǎn)的第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)與變壓器次級(jí)線(xiàn)圈一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)；和提供了一個(gè)來(lái)自第一節(jié)點(diǎn)的第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)與變壓器次級(jí)線(xiàn)圈另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)換電源的方法，還包括在一個(gè)第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，將所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)閉合，使所述初級(jí)線(xiàn)圈與所述電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸入電壓短路。
本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)換電源的方法，還包括在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，將所述第一和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，將所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)閉合，使所述次級(jí)線(xiàn)圈在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)與地短路。
本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)換電源的方法，還包括在所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后且在相應(yīng)的所述第二和第一整流器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前，限制流經(jīng)所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)的電流變化率至dIdt=Vinn·12Lleakage]]>其中Vin為所述電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，n為所述變壓器的匝數(shù)比，Lleakage為與所述次級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的所述變壓器的寄生漏電感。
本發(fā)明提供的電源轉(zhuǎn)換器、電子裝置以及轉(zhuǎn)換電源的方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，減少發(fā)熱量、提高開(kāi)關(guān)的切換速度和性能，增進(jìn)電源轉(zhuǎn)換器的效率。


圖1為一個(gè)實(shí)施例中一個(gè)擁有直流-直流轉(zhuǎn)換器的電子裝置的模塊圖。
圖2為圖1中的直流-直流轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例的電路圖。
圖3為圖2中的直流-直流轉(zhuǎn)換器的時(shí)序圖。
圖4為圖2中的變壓器鐵芯的磁化曲線(xiàn)圖。
圖5為擁有多個(gè)并聯(lián)電源單元的直流-直流轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖。
圖6為圖1中的直流-直流轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)實(shí)施例的電路圖。
圖7為圖6中的直流-直流轉(zhuǎn)換器的時(shí)序圖。
圖8為圖6中的實(shí)施例的等價(jià)電路圖，示出了與變壓器次級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的寄生漏電感。
圖9為圖8的等價(jià)電路圖的各種開(kāi)關(guān)的波形圖。
具體實(shí)施例方式
圖1描述了一個(gè)擁有一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，例如一個(gè)實(shí)施例中的直流-直流轉(zhuǎn)換器102的電子裝置100。該電子裝置100可以是任何類(lèi)型的電子裝置，可以包括一臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)臺(tái)式電腦、一臺(tái)筆記本電腦、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等，但并不局限于這些裝置。電子裝置100可以接收來(lái)自任何類(lèi)型的電源的能量，例如一個(gè)直流電源104。該直流電源可以是任何類(lèi)型的電源，例如交流／直流適配器、直流“香煙”型適配器、電池或充電電池。一個(gè)充電電池可以包括任何類(lèi)型的充電電池，例如鋰離子、鎳鎘、鎳金屬氫電池或類(lèi)似電池。直流-直流轉(zhuǎn)換器102可以接收一個(gè)直流輸入電壓Vin，并向負(fù)載108提供一個(gè)直流輸出電壓Vout。由直流-直流轉(zhuǎn)換器102提供的輸出電壓Vout可能比輸入電壓Vin高或低。
圖2詳細(xì)示出了圖1中的直流-直流轉(zhuǎn)換器102的一個(gè)實(shí)施例102a的電路圖。通常，直流-直流轉(zhuǎn)換器102a接收一個(gè)直流輸入電壓Vin，并提供一個(gè)理想的直流輸出電壓Vout。直流-直流轉(zhuǎn)換器102a可以包括一個(gè)變壓器202、一個(gè)全橋電路、一個(gè)整流器電路205和一個(gè)輸出濾波器212。變壓器202擁有一個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈206、一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈208和一個(gè)鐵芯210。全橋電路有一對(duì)路徑170，172。路徑170上還有一個(gè)高側(cè)開(kāi)關(guān)S1和一個(gè)與之串聯(lián)的低側(cè)開(kāi)關(guān)S3。路徑170上有一個(gè)位于開(kāi)關(guān)S1與開(kāi)關(guān)S3之間的節(jié)點(diǎn)LX1。路徑170的高側(cè)開(kāi)關(guān)S1連接在電壓輸入端和節(jié)點(diǎn)LX1之間，路徑170的低側(cè)開(kāi)關(guān)S3連接在節(jié)點(diǎn)LX1與地之間。類(lèi)似的，全橋電路的路徑172有一個(gè)高側(cè)開(kāi)關(guān)S2、一個(gè)與之串聯(lián)的低側(cè)開(kāi)關(guān)S4和一個(gè)位于開(kāi)關(guān)S2與開(kāi)關(guān)S4之間的節(jié)點(diǎn)LX2。變壓器202的初級(jí)線(xiàn)圈206連接在全橋電路的節(jié)點(diǎn)LX1與LX2之間。整流器電路205可以是一個(gè)倍流整流器電路，該倍流整流器電路包括與變壓器202的次級(jí)線(xiàn)圈208兩端相連的開(kāi)關(guān)S5和開(kāi)關(guān)S6。開(kāi)關(guān)S5連接在節(jié)點(diǎn)N1與地之間，開(kāi)關(guān)S6連接在節(jié)點(diǎn)N2與地之間。輸出濾波器212可以包括電感L1、L2和電容Cout。
控制器214可以向各個(gè)開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4、S5和S6提供控制信號(hào)HDR1、LDR1、HDR2和LDR2。開(kāi)關(guān)S1至S6可以由任意類(lèi)型的晶體管實(shí)現(xiàn)，包括雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)?？刂破?14還可以接收來(lái)自直流-直流轉(zhuǎn)換器102a的信號(hào)，該信號(hào)代表直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout，控制器214能夠至少部分地根據(jù)該信號(hào)做出切換的決定。
本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，為了同步驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)S3和S5，控制信號(hào)LDR1既可以作為全橋電路的路徑170上的低側(cè)開(kāi)關(guān)S3的控制信號(hào)，又可以作為整流器電路205的開(kāi)關(guān)S5的控制信號(hào)。此外，為了同步驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)S4和S6，控制信號(hào)LDR2既可以作為全橋電路的路徑172上的低側(cè)開(kāi)關(guān)S4的控制信號(hào)，又可以作為整流器電路205的開(kāi)關(guān)S6的控制信號(hào)。如此，只需要四個(gè)控制信號(hào)HDR1、LDR1、HDR2和LDR2就可以控制所有六個(gè)開(kāi)關(guān)S1至S6的操作。
為了進(jìn)一步具體描述直流-直流轉(zhuǎn)換器的工作，圖3示出了四個(gè)控制信號(hào)HDR1、LDR1、HDR2和LDR2的時(shí)序圖，其中該四個(gè)控制信號(hào)控制圖2中的直流-直流轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)S1至S6。圖3還示出了圖2的直流-直流轉(zhuǎn)換器102a的各個(gè)節(jié)點(diǎn)LX1、LX2、N1和N2在各個(gè)時(shí)間段T1、T2、T3和T4內(nèi)的典型電壓值。通常，當(dāng)一個(gè)相關(guān)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的相關(guān)控制信號(hào)為高電平，則該開(kāi)關(guān)閉合，由此電流導(dǎo)通。相反，當(dāng)一個(gè)相關(guān)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的相關(guān)控制信號(hào)為低電平，則該開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由此電流不導(dǎo)通。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)了解還存在一些其它開(kāi)關(guān)和控制信號(hào)的配置，并且這些開(kāi)關(guān)可以響應(yīng)這些控制信號(hào)。
在時(shí)間段T1內(nèi)，控制信號(hào)HDR1為高電平，控制信號(hào)LDR1和HDR2為低電平，而控制信號(hào)LDR2為高電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1閉合，開(kāi)關(guān)S3和S5斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S4和S6閉合。因此，在時(shí)間段T1內(nèi)，節(jié)點(diǎn)LX1可以通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S1與直流輸入電壓Vin連接，節(jié)點(diǎn)LX2可以通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S4與地連接。如此，節(jié)點(diǎn)LX1擁有一個(gè)與Vin相關(guān)的電壓值，而節(jié)點(diǎn)LX2的電壓值為零。由于初級(jí)線(xiàn)圈206有電流流經(jīng)，次級(jí)線(xiàn)圈208出現(xiàn)感應(yīng)電壓值，因此節(jié)點(diǎn)N1的電壓值與節(jié)點(diǎn)LX1的電壓值相關(guān)。在時(shí)間段T1內(nèi)，節(jié)點(diǎn)LX1的電壓值與節(jié)點(diǎn)N1的相對(duì)電壓大小的比較依賴(lài)于變壓器202的類(lèi)型。對(duì)于降壓變壓器而言，它傳輸一個(gè)比輸入電壓Vin低的輸出電壓Vout，所以在時(shí)間段T1內(nèi)節(jié)點(diǎn)N1的電壓值小于節(jié)點(diǎn)LX1的電壓值，如圖3所示。
同樣在時(shí)間段T1內(nèi)，節(jié)點(diǎn)N2與次級(jí)線(xiàn)圈208的相應(yīng)一端通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)S6與地相連。如此，節(jié)點(diǎn)N2在時(shí)間段T1內(nèi)的電壓值為零。因此，在時(shí)間段T1內(nèi)，功率在這個(gè)第一功率傳輸時(shí)間段內(nèi)通過(guò)開(kāi)關(guān)S1和節(jié)點(diǎn)LX1從輸入電壓Vin被傳送至初級(jí)線(xiàn)圈206，并感應(yīng)到次級(jí)線(xiàn)圈208，在節(jié)點(diǎn)N1處可視。
在時(shí)間段T2內(nèi)，控制信號(hào)HDR1為低電平，控制信號(hào)LDR1為高電平，控制信號(hào)HDR2為低電平，控制信號(hào)LDR2為高電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S3和S5閉合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S4和S6閉合。本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在時(shí)間段T2內(nèi)，變壓器202的初級(jí)線(xiàn)圈206和次級(jí)線(xiàn)圈208均短路，T2在此被稱(chēng)為復(fù)位時(shí)間段。在此所稱(chēng)的“短路”表示電路中擁有電勢(shì)差的兩點(diǎn)相接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)將初級(jí)線(xiàn)圈206接地，初級(jí)線(xiàn)圈206可以短路，或者如圖2所示直接接地，或者如圖5所示通過(guò)電阻Rsense間接接地。
在圖2的實(shí)施例中，由于節(jié)點(diǎn)LX1和LX2可以通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)S3和S4(此時(shí)開(kāi)關(guān)S1和S2斷開(kāi))接地，初級(jí)線(xiàn)圈206可以短路。次級(jí)線(xiàn)圈208也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)S5和S6短路。與現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中僅令次級(jí)線(xiàn)圈208短路，而令初級(jí)線(xiàn)圈206開(kāi)路的做法不同，在本實(shí)施例中由于在時(shí)間段T2內(nèi)初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈206、208均短路，所以存儲(chǔ)在變壓器鐵芯210中的能量可以更完全地保存。因此，可以采用一個(gè)相對(duì)較小尺寸的鐵芯。此外，根據(jù)開(kāi)關(guān)S1至S6的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)LX1、LX2、N1和N2在復(fù)位時(shí)間段T2內(nèi)的電壓均為零。
時(shí)間段T3為一個(gè)第二功率傳輸時(shí)間段，通常，在該時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)關(guān)S1與S4，開(kāi)關(guān)S2與S3向變壓器202的初級(jí)線(xiàn)圈206提供極性相反的直流輸入電壓Vin。例如，在時(shí)間段T3內(nèi)，控制信號(hào)HDR1為低電平，控制信號(hào)LDR1為高電平，控制信號(hào)HDR2為高電平，控制信號(hào)LDR2為低電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S3和S5閉合，開(kāi)關(guān)S2閉合，開(kāi)關(guān)S4和S6斷開(kāi)。如此，節(jié)點(diǎn)LX2會(huì)有一個(gè)與Vin相關(guān)的電壓值，而節(jié)點(diǎn)LX1的電壓為零。由于初級(jí)線(xiàn)圈206有電流流經(jīng)，次級(jí)線(xiàn)圈208出現(xiàn)感應(yīng)所得的電壓，因此節(jié)點(diǎn)N2的電壓值與節(jié)點(diǎn)LX2的電壓值相關(guān)。在時(shí)間段T3內(nèi)，節(jié)點(diǎn)LX2的電壓與節(jié)點(diǎn)N2的相對(duì)電壓大小的比較依賴(lài)于變壓器202的類(lèi)型。對(duì)于降壓變壓器而言，在時(shí)間段T3內(nèi)節(jié)點(diǎn)N2的電壓值小于節(jié)點(diǎn)LX2的電壓值，如圖3所示。
同樣在時(shí)間段T3內(nèi)，節(jié)點(diǎn)N1與次級(jí)線(xiàn)圈208的相關(guān)一端通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)S5與地相連。如此，節(jié)點(diǎn)N1在時(shí)間段T3內(nèi)的電壓為零。因此，在時(shí)間段T3內(nèi)，功率在該第二功率傳輸時(shí)間段內(nèi)通過(guò)開(kāi)關(guān)S2和節(jié)點(diǎn)LX2從輸入電壓Vin被傳送至初級(jí)線(xiàn)圈206，并感應(yīng)到次級(jí)線(xiàn)圈208，在節(jié)點(diǎn)N2處可視。
最后，時(shí)間段T4與先前討論的時(shí)間段T2相似。即控制信號(hào)HDR1為低電平，控制信號(hào)LDR1為高電平，控制信號(hào)HDR2為低電平，控制信號(hào)LDR2為高電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S3和開(kāi)關(guān)S5閉合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S4和S6閉合。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在時(shí)間段T4內(nèi)，變壓器202的初級(jí)線(xiàn)圈206和次級(jí)線(xiàn)圈208均短路，正如先前所述的時(shí)間段T2。此外，根據(jù)開(kāi)關(guān)S1至S6的狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)LX1、LX2、N1和N2在復(fù)位時(shí)間段T4內(nèi)的電壓均為零。
圖4為圖2中變壓器202的鐵芯210關(guān)于磁通量密度(B)-磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)的典型鐵芯磁化曲線(xiàn)圖。鐵芯在磁滯回線(xiàn)406的點(diǎn)402、404處達(dá)到磁飽和。有利的是，在時(shí)間段T1和T3期間的每個(gè)功率傳輸周期之前，鐵芯保持前一周期的磁化值。對(duì)于磁化曲線(xiàn)上所反映的每個(gè)功率傳輸周期，鐵芯始于一個(gè)預(yù)充電值，該預(yù)充電值先被放電(在時(shí)間段T2和T4內(nèi))，然后再以相反的方向充電至同一個(gè)值(在時(shí)間段T1和T3期間)。以這種方式，鐵芯遠(yuǎn)離飽和點(diǎn)402、404，并且鐵芯210的工作點(diǎn)接近B-H軸上的零點(diǎn)。如此，鐵芯210的物理尺寸可以小于現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)施例中的尺寸，這是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。在一個(gè)例子中，通過(guò)令初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈短路，保存的鐵芯能量可達(dá)最大值的90％，而僅有次級(jí)線(xiàn)圈短路時(shí)，保存的鐵芯能量約為最大值的60％。因此，在這個(gè)例子中，鐵芯尺寸可以減小約30％。
除了鐵芯尺寸減少之外，控制器214僅需要向直流-直流轉(zhuǎn)換器102a提供四個(gè)控制信號(hào)HDR1、LDR1和HDR2、LDR2。如圖3所示，控制信號(hào)HDR1和LDR1在時(shí)間段T1至T4的每個(gè)時(shí)間段內(nèi)相位相反，例如當(dāng)控制信號(hào)LDR1為低電平時(shí)，控制信號(hào)HDR1為高電平，反之亦然。控制信號(hào)HDR2和LDR2在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的相位也相反。此外，每對(duì)反相控制信號(hào)(HDR1/LDR1和HDR2/LDR2)之間被某個(gè)時(shí)間段隔開(kāi)，例如圖3所示的一個(gè)實(shí)施例中的時(shí)間段T2。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，提供信號(hào)HDR1、LDR1和HDR2、LDR2的控制器214可以很容易地獲得，且不貴。例如，若開(kāi)關(guān)S1至S6均由MOSFET實(shí)現(xiàn)，該控制器214的一部分可以是一個(gè)本領(lǐng)域所知的雙MOSFET驅(qū)動(dòng)器。例如，在另外一個(gè)應(yīng)用中，這樣一個(gè)雙MOSFET驅(qū)動(dòng)器可以向一個(gè)降壓型轉(zhuǎn)換器提供開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
在復(fù)位時(shí)間段T2和T4內(nèi)，圖2中電源轉(zhuǎn)換器102a可以將變壓器202的初級(jí)線(xiàn)圈206和次級(jí)線(xiàn)圈208短路，以便保存鐵芯磁性。參照?qǐng)D3的時(shí)序圖，圖2中電源轉(zhuǎn)換器102a示出了在復(fù)位時(shí)間段內(nèi)令初級(jí)線(xiàn)圈206和次級(jí)線(xiàn)圈208短路的多種方法中的一種。例如，在另一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)閉合高側(cè)開(kāi)關(guān)S1和S2，并提供一個(gè)通向另一個(gè)端口的路徑，可以令初級(jí)線(xiàn)圈短路，其中該端口的電壓和初級(jí)線(xiàn)圈的電壓不同。若開(kāi)關(guān)S1至S6都是MOSFET晶體管，則該方法和其它一些令初級(jí)和次級(jí)線(xiàn)圈短路的方法就不能利用容易得到且低成本的雙MOSFET驅(qū)動(dòng)器。
圖5描述了直流-直流轉(zhuǎn)換器102b的另一個(gè)實(shí)施例，該直流-直流轉(zhuǎn)換器102b擁有多個(gè)電源單元102-1、102-2...102-N。每個(gè)電源單元102-1，102-2...102-N與先前在圖2中詳細(xì)描述的直流-直流轉(zhuǎn)換器102a類(lèi)似。每個(gè)電源單元102-1、102-2...102-N并聯(lián)在一起。每個(gè)電源單元還有一個(gè)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器508-1、508-2...508-N。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器508-1、508-2...508-N可以是雙MOSFET驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器接收來(lái)自控制器509的相同的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM1和PWM2?？刂破?09根據(jù)周期性的峰值電流檢測(cè)技術(shù)可以產(chǎn)生信號(hào)PWM1和PWM2。因?yàn)樘峁┙o每個(gè)驅(qū)動(dòng)器508-1、508-2...508-N的是相同的信號(hào)PWM1和PWM2，所以在電源單元內(nèi)部會(huì)有一個(gè)內(nèi)部平衡。N個(gè)電源單元可以并聯(lián)，且不需要另外電路，如圖5中描述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所示。即每個(gè)增加的電源單元僅需要將相關(guān)的驅(qū)動(dòng)器與信號(hào)PWM1和PWM2相連，并和其它電源單元并聯(lián)。
由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)器508-1、508-2...508-N接收相同的PWM1和PWM2信號(hào)，所以每個(gè)電源單元102-1、102-2...102-N之間的匹配實(shí)際上相當(dāng)于每個(gè)電源單元之間的物質(zhì)元件匹配，例如每個(gè)電源單元的電感、變壓器、晶體管和電阻。由于來(lái)自每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)LDR1、LDR2、HDR1和HDR2是根據(jù)相同的PWM1和PWM2信號(hào)來(lái)提供的，所以各個(gè)功率傳輸階段之間的延遲(例如各個(gè)時(shí)間段T2和T4的長(zhǎng)度)也可以匹配。這還能防止電流從一個(gè)電源單元的輸出流向另一個(gè)電源單元，因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)間(例如T1和T3)也是一致的。如此，因?yàn)樵诹阖?fù)載的情況下，每個(gè)電源單元的輸出之間不會(huì)有額外的偏置電流，所以每個(gè)電源單元的元件的容差只要求一個(gè)百分比的匹配誤差。
圖5的電流檢測(cè)原理圖采用一個(gè)差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的加法電阻性網(wǎng)絡(luò)，以消除每個(gè)電源單元之間的地電位偏置。對(duì)于與每個(gè)電源單元相關(guān)的電阻性網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)部分，它們采用一個(gè)高側(cè)平衡電阻(Rhigh_1...Rhigh_N)和一個(gè)低側(cè)平衡電阻(Rlow_1...Rlow_N)。在一個(gè)實(shí)施例中，所有的高側(cè)平衡電阻(Rhigh_1...Rhigh_N)和所有的低側(cè)平衡電阻(Rlow_1...Rlow_N)的值均相等。節(jié)點(diǎn)528(節(jié)點(diǎn)CSP)和節(jié)點(diǎn)530(節(jié)點(diǎn)CSN)之間的電壓為N個(gè)檢測(cè)電阻(R SENSE_1...R SENSE_N)兩端的瞬時(shí)平均電壓值，如等式(1)所給出的，其中N代表電源單元102-1、102-2...102-N的個(gè)數(shù)。
VCSP-VCSN=VRSENSE_1+VRSENSE_2+...+VRSENSE_NN...(1)]]>本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，圖5的實(shí)施例的瞬態(tài)響應(yīng)速度與擁有一個(gè)單級(jí)電源單元的直流-直流轉(zhuǎn)換器相比相對(duì)快一些，這是由于等效輸出電感為單級(jí)電源單元的直流-直流轉(zhuǎn)換器的N分之一，其中N為電源單元的個(gè)數(shù)。若每個(gè)電源單元的所有變壓器基本上相同，則所有電感兩端的電壓也相等。另外，由于所有電感都并聯(lián)，這樣等效電感將會(huì)是原來(lái)的N分之一。在負(fù)載瞬態(tài)變化情況下，輸出電流上升能力將提高N倍。
圖6示出了圖1的直流-直流轉(zhuǎn)換器102的另一個(gè)實(shí)施例102c的電路圖。直流-直流轉(zhuǎn)換器102c的元件與圖2中的直流-直流轉(zhuǎn)換器102a的元件相似，并標(biāo)號(hào)相似，所以為了清楚起見(jiàn)，在這里省略任何重復(fù)描述。與圖2中的實(shí)施例不同，來(lái)自控制器614的控制信號(hào)HDR1、HDR2、LDR1和LDR2直接僅驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電橋開(kāi)關(guān)S1、S2、S3和S4。來(lái)自節(jié)點(diǎn)LX2和LX1的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別直接驅(qū)動(dòng)同步整流器開(kāi)關(guān)S5和S6。為了達(dá)到這個(gè)目的，提供了從節(jié)點(diǎn)LX2至開(kāi)關(guān)S5的路徑604和從節(jié)點(diǎn)LX1至開(kāi)關(guān)S6的路徑602。
開(kāi)關(guān)S1至S6可以通過(guò)各種晶體管實(shí)現(xiàn)，包括雙極型晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)?？刂破?14還可以接收來(lái)自直流-直流轉(zhuǎn)換器102c的信號(hào)，該信號(hào)代表直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout，控制器614能夠至少部分地根據(jù)該信號(hào)做出切換的決定。
圖7示出了時(shí)序圖700，以便進(jìn)一步詳細(xì)描述圖6的直流-直流轉(zhuǎn)換器102c的操作。時(shí)序圖700示出了在不同時(shí)間段T1、T2、T3和T4內(nèi)提供至開(kāi)關(guān)S1的控制信號(hào)HDR1，提供至開(kāi)關(guān)S2的控制信號(hào)HDR2，提供至開(kāi)關(guān)S3的控制信號(hào)LDR1，提供至開(kāi)關(guān)S4的控制信號(hào)LDR2，提供至相應(yīng)整流器開(kāi)關(guān)S6和S5的來(lái)自相應(yīng)節(jié)點(diǎn)LX1和LX2處的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
總而言之，當(dāng)一個(gè)相關(guān)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的相關(guān)控制信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，由此電流導(dǎo)通。相反，當(dāng)一個(gè)相關(guān)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的相關(guān)控制信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由此電流不再導(dǎo)通。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會(huì)認(rèn)識(shí)到存在一些其它開(kāi)關(guān)和控制信號(hào)的配置，并且這些開(kāi)關(guān)可以響應(yīng)這些控制信號(hào)。
在時(shí)間段T1內(nèi)，控制信號(hào)HDR1為低電平，控制信號(hào)HDR2為高電平，控制信號(hào)LDR1為高電平，控制信號(hào)LDR2為低電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2和S3閉合，開(kāi)關(guān)S4斷開(kāi)。另外，在該時(shí)間段T1內(nèi)，由于節(jié)點(diǎn)LX2通過(guò)路徑604向開(kāi)關(guān)S5提供的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)也為高電平(因?yàn)殚_(kāi)關(guān)S2閉合)，所以開(kāi)關(guān)S5閉合。由于節(jié)點(diǎn)LX1通過(guò)路徑602向開(kāi)關(guān)S6提供的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平(因?yàn)殚_(kāi)關(guān)S1斷開(kāi))，所以開(kāi)關(guān)S6斷開(kāi)。因此，在時(shí)間段T1內(nèi)，電流通過(guò)變壓器202的初級(jí)線(xiàn)圈206從節(jié)點(diǎn)LX2流向節(jié)點(diǎn)LX1。
在時(shí)間段T2內(nèi)，例如一個(gè)復(fù)位時(shí)間段，控制信號(hào)HDR1為高電平，控制信號(hào)HDR2為高電平，控制信號(hào)LDR1為低電平，控制信號(hào)LDR2為低電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1和S2閉合，開(kāi)關(guān)S3和S4斷開(kāi)。另外，在該時(shí)間段T2內(nèi)，由于節(jié)點(diǎn)LX2和節(jié)點(diǎn)LX1通過(guò)路徑604和602向開(kāi)關(guān)S5和S6提供的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)也為高電平，所以開(kāi)關(guān)S5和S6閉合。因此，初級(jí)線(xiàn)圈206通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S1和S2與Vin短路，次級(jí)線(xiàn)圈208通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S5和S6與地短路。
在時(shí)間段T3內(nèi)，控制信號(hào)HDR1為高電平，控制信號(hào)HDR2為低電平，控制信號(hào)LDR1為低電平，控制信號(hào)LDR2為高電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1閉合，開(kāi)關(guān)S2和S3斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S4閉合。另外，由于節(jié)點(diǎn)LX2處的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平，所以開(kāi)關(guān)S5斷開(kāi)。由于節(jié)點(diǎn)LX1處的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，所以開(kāi)關(guān)S6閉合。因此，在時(shí)間段T3內(nèi)，電流通過(guò)變壓器202的初級(jí)線(xiàn)圈206從節(jié)點(diǎn)LX1流向節(jié)點(diǎn)LX2。
在時(shí)間段T4內(nèi)(類(lèi)似于時(shí)間段T2)，控制信號(hào)HDR1為高電平，控制信號(hào)HDR2為高電平，控制信號(hào)LDR1為低電平，控制信號(hào)LDR2為低電平。作為對(duì)這些控制信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S1和S2閉合，開(kāi)關(guān)S3和S4斷開(kāi)。另外，由于節(jié)點(diǎn)LX2和節(jié)點(diǎn)LX1通過(guò)路徑604和602向開(kāi)關(guān)S5和S6提供的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)也為高電平，所以開(kāi)關(guān)S5和S6閉合。因此，初級(jí)線(xiàn)圈206通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S1和S2與Vin短路，次級(jí)線(xiàn)圈208通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S5和S6與地短路。
與圖3的時(shí)序圖相比，控制信號(hào)HDR1、HDR2、LDR1和LDR2是反相的，這是為了從節(jié)點(diǎn)LX1和LX2處獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)使得開(kāi)關(guān)S6和S5具有合適的相位寬度及相位疊加。
圖8示出了圖6的直流-直流轉(zhuǎn)換器102c的等效電路圖800。路徑806上的漏電感802和路徑808上的漏電感804與變壓器202的次級(jí)線(xiàn)圈208串聯(lián)。一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于平面變壓器而言，這樣的漏電感802、804的值在20納亨(nH)至40納亨之間。有利的是，這樣的寄生漏電感802和804能防止同步整流器開(kāi)關(guān)S5和S6將它們的導(dǎo)通時(shí)間段與主導(dǎo)通時(shí)間段重疊。該切換時(shí)刻可能發(fā)生在時(shí)間段T2和T4的結(jié)束時(shí)刻。
圖9示出了圖8的等效電路的各種切換波形圖，并描述了時(shí)間段T2至T3的過(guò)渡期內(nèi)與變壓器202的次級(jí)線(xiàn)圈208相串聯(lián)的漏電感802和804帶來(lái)的影響。在時(shí)間段T2內(nèi)，作為對(duì)信號(hào)HDR2、LDR2和來(lái)自節(jié)點(diǎn)LX2和LX1的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)，開(kāi)關(guān)S2閉合，開(kāi)關(guān)S4斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S5閉合，開(kāi)關(guān)S6閉合。在該T2時(shí)間段內(nèi)，開(kāi)關(guān)S3和S4斷開(kāi)。因此，初級(jí)線(xiàn)圈206通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S1和S2與Vin短路，且次級(jí)線(xiàn)圈208通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S5和S6與地短路。
時(shí)間段T2至T3的過(guò)渡期內(nèi)，開(kāi)關(guān)S2響應(yīng)信號(hào)HDR2而斷開(kāi)。開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)之后，節(jié)點(diǎn)LX2的電壓從Vin變?yōu)榻拥?。然后，根?jù)節(jié)點(diǎn)LX2通過(guò)路徑604向開(kāi)關(guān)S5提供的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開(kāi)關(guān)S5最終斷開(kāi)。在此例中，由于漏電感802、804的存在，在開(kāi)關(guān)S5斷開(kāi)之前，產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)的時(shí)間延遲(S5斷開(kāi)延遲)。對(duì)于開(kāi)關(guān)S6，從時(shí)間段T4至T1之間存在一個(gè)類(lèi)似的過(guò)渡期(未示出)。
再回來(lái)討論時(shí)間段T2和T3之間的過(guò)渡期，假設(shè)開(kāi)關(guān)S5由MOSFET實(shí)現(xiàn)，曲線(xiàn)902表示開(kāi)關(guān)S5的漏極電流。曲線(xiàn)902的一部分904示出了若不存在漏電感802、804時(shí)電流是怎樣上升的。曲線(xiàn)902的另一部分906示出了從開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)至開(kāi)關(guān)S5斷開(kāi)之間的那段時(shí)間內(nèi)(在時(shí)間段T2至T3之間的過(guò)渡期內(nèi))，漏電感802、804是怎樣限制流過(guò)開(kāi)關(guān)S5的電流變化率的。類(lèi)似的，從開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)至開(kāi)關(guān)S6斷開(kāi)之間的那段時(shí)間內(nèi)(在時(shí)間段T4至T1之間的過(guò)渡期內(nèi))，漏電感可以限制流過(guò)開(kāi)關(guān)S6的電流變化率。
對(duì)于一個(gè)理想的變壓器202，一旦節(jié)點(diǎn)LX2由于開(kāi)關(guān)S2的斷開(kāi)而切換至接地，且另一節(jié)點(diǎn)LX1由于開(kāi)關(guān)S1的閉合為Vin，則次級(jí)線(xiàn)圈208兩端的電壓將會(huì)升至Vin/n，其中Vin為輸入電壓，n為變壓器202的匝數(shù)比。在時(shí)間段T2至T3之間的一個(gè)特殊時(shí)刻，即當(dāng)開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，而開(kāi)關(guān)S5還沒(méi)有斷開(kāi)的時(shí)刻，次級(jí)線(xiàn)圈208仍通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)S5和S6與地短路。一旦開(kāi)關(guān)S5最終斷開(kāi)，該短暫狀況將終止。即使開(kāi)關(guān)S5的斷開(kāi)延遲時(shí)間大約僅為10至20納秒(ns)，仍然會(huì)產(chǎn)生較大的電流脈沖(曲線(xiàn)902的904部分)，并導(dǎo)致嚴(yán)重的功率損耗。
在高側(cè)開(kāi)關(guān)S1和S2其中一個(gè)斷開(kāi)時(shí)，且在相關(guān)整流器開(kāi)關(guān)S6或S5斷開(kāi)之前，總漏電感(漏電感802與804之和)可以有利地限制流經(jīng)開(kāi)關(guān)S5和S6的電流變化率。該變化率可由下式(2)所示加以限制dIdt=Vinn·12Lleakage...(2)]]>其中Vin為輸入電壓，n為變壓器202的匝數(shù)比，Lleakage為與變壓器202的次級(jí)線(xiàn)圈208串聯(lián)的寄生漏電感802、804。在一個(gè)例子中，若Vin＝12V、n＝3且Lleakage＝10nH，則dI/dt＝200A/μs。對(duì)于一個(gè)10ns的斷開(kāi)延遲，電流僅上升2A，例如，參見(jiàn)曲線(xiàn)902的906部分。因此，由此造成的功率損耗可以忽略。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中提供了一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器，該電源轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)擁有初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈的變壓器，一個(gè)第一高側(cè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)，其中這兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著全橋電路的第一路徑串聯(lián)，一個(gè)位于第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第一節(jié)點(diǎn)。電源轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)，其中這兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著全橋電路的第二路徑串聯(lián)，一個(gè)位于第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第二節(jié)點(diǎn)，其中初級(jí)線(xiàn)圈連接在第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間，一個(gè)與次級(jí)線(xiàn)圈一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)，一個(gè)與次級(jí)線(xiàn)圈另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)。該電源轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)第一路徑，該第一路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從第一節(jié)點(diǎn)提供至第二整流器開(kāi)關(guān)，和一個(gè)第二路徑，該第二路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第二節(jié)點(diǎn)提供至第一整流器開(kāi)關(guān)。在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一個(gè)擁有該電源轉(zhuǎn)換器的電子裝置。
在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明還提供了一種方法。該方法包括提供一個(gè)第一控制信號(hào)，以控制一個(gè)與全橋電路的第一路徑相連的第一高側(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；提供一個(gè)第二控制信號(hào)，以控制一個(gè)與全橋電路的第二路徑相連的第二高側(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，其中該全橋電路連接至一個(gè)變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈的兩端；向一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)提供一個(gè)第三控制信號(hào)，該第一低側(cè)開(kāi)關(guān)與全橋電路的第一路徑相連；向一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)提供一個(gè)第四控制信號(hào)，該第二低側(cè)開(kāi)關(guān)與全橋電路的第二路徑相連，其中在第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間存在一個(gè)第一節(jié)點(diǎn)，在第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間存在一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)；提供了一個(gè)來(lái)自第二節(jié)點(diǎn)的第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)與變壓器次級(jí)線(xiàn)圈一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)；和提供了一個(gè)來(lái)自第一節(jié)點(diǎn)的第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)與變壓器次級(jí)線(xiàn)圈另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在這些實(shí)施例中，控制器614僅需要提供四個(gè)控制信號(hào)(HDR1、HDR2、LDR 1、LDR2)以直接驅(qū)動(dòng)四個(gè)電橋開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4)，而整流器開(kāi)關(guān)(開(kāi)關(guān)S5和S6)可以由節(jié)點(diǎn)LX2和LX1提供的整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，例如通過(guò)相應(yīng)的路徑604和602被驅(qū)動(dòng)。因此，控制器614只散發(fā)出適度的熱量。此外，由于低側(cè)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)相對(duì)低的控制電極充電，低側(cè)電橋開(kāi)關(guān)(S3和S4)的切換很快。在這些情況下，可以采用一個(gè)性能適中且價(jià)格合理的控制器。
此外，同步開(kāi)關(guān)S5和S6被驅(qū)動(dòng)至一個(gè)與輸入電壓Vin相應(yīng)的電壓值。在一個(gè)例子中，該電壓值可以為12V。將開(kāi)關(guān)S5和S6驅(qū)動(dòng)至這樣一個(gè)較高的電壓值可以改善開(kāi)關(guān)S5和S6的切換性能。例如，與將開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)至一個(gè)較低的電壓值相比，將開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)至較高的電壓值可以縮短切換時(shí)間，并且降低開(kāi)關(guān)S5和S6的導(dǎo)通電阻。切換時(shí)間和導(dǎo)通電阻對(duì)增進(jìn)電源轉(zhuǎn)換器效率都很有益。當(dāng)負(fù)載電流值較大時(shí)尤為如此。
此外，在高側(cè)開(kāi)關(guān)(S1和S2)斷開(kāi)之后，且在整流器開(kāi)關(guān)S5和S6中的一個(gè)相關(guān)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前，變壓器的寄生漏電感可以用來(lái)限制流經(jīng)整流器開(kāi)關(guān)S5和S6的電流變化率(分別在時(shí)間段T2和T4之后)。如此，任何過(guò)量的電流突波和相關(guān)功率損失都可以避免。
在這里使用的術(shù)語(yǔ)與措辭是揭示內(nèi)容的術(shù)語(yǔ)，但沒(méi)有局限性。在采用這些術(shù)語(yǔ)和措辭時(shí)，不排除其它與這里所展示和描述的特征(或特征的一部分)相似的等價(jià)物。并且應(yīng)該意識(shí)到的是，在權(quán)利要求范圍內(nèi)，本發(fā)明可能有多種修改。本發(fā)明還可能存在其它一些修改、變動(dòng)及其它。因此，權(quán)利要求旨在覆蓋所有這些等價(jià)物。
權(quán)利要求
1.一種電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括一個(gè)變壓器，所述變壓器有一個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈和一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈；一個(gè)第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)，所述兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著一個(gè)全橋電路的第一路徑相串聯(lián)，一個(gè)位于所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第一節(jié)點(diǎn)；一個(gè)第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)，所述兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著所述全橋電路的第二路徑相串聯(lián)，一個(gè)位于所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第二節(jié)點(diǎn)，其中所述初級(jí)線(xiàn)圈連接在所述第一節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)之間；一個(gè)與所述次級(jí)線(xiàn)圈一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)與所述次級(jí)線(xiàn)圈另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)第一路徑，所述第一路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第一節(jié)點(diǎn)提供至所述第二整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)第二路徑，所述第二路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第二節(jié)點(diǎn)提供至所述第一整流器開(kāi)關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)在一個(gè)第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)閉合，使所述初級(jí)線(xiàn)圈與所述電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸入電壓短路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，所述第一和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)閉合，使所述次級(jí)線(xiàn)圈在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)與地短路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第一控制信號(hào)，所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第二控制信號(hào)，所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第三控制信號(hào)，所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第四控制信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于在所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后且在相應(yīng)的所述第二和第一整流器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前，流經(jīng)所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)的電流變化率由下式給出dIdt=Vinn·12Lleakage]]>其中Vin為所述電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，n為所述變壓器的匝數(shù)比，Lleakage為與所述次級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的所述變壓器的寄生漏電感。
6.一種電子裝置，其特征在于包括一個(gè)能夠接收一個(gè)輸入電壓和提供一個(gè)輸出電壓的電源轉(zhuǎn)換器，所述電源轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)變壓器，所述變壓器有一個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈和一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈；一個(gè)第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)，所述兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著一個(gè)全橋電路的第一路徑相串聯(lián)，一個(gè)位于所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第一節(jié)點(diǎn)；一個(gè)第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)，所述兩個(gè)開(kāi)關(guān)沿著所述全橋電路的第二路徑相串聯(lián)，一個(gè)位于所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間的第二節(jié)點(diǎn)，其中所述初級(jí)線(xiàn)圈連接在所述第一節(jié)點(diǎn)和所述第二節(jié)點(diǎn)之間；一個(gè)與所述次級(jí)線(xiàn)圈一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)與所述次級(jí)線(xiàn)圈另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)第一路徑，所述第一路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第一節(jié)點(diǎn)提供至所述第二整流器開(kāi)關(guān)；一個(gè)第二路徑，所述第二路徑能夠?qū)⒁粋€(gè)第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)從所述第二節(jié)點(diǎn)提供至所述第一整流器開(kāi)關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子裝置，其特征在于在一個(gè)第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)閉合，使所述初級(jí)線(xiàn)圈與所述電源轉(zhuǎn)換器的所述輸入電壓短路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子裝置，其特征在于在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，所述第一和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)閉合，使所述次級(jí)線(xiàn)圈在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)與地短路。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子裝置，其特征在于所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第一控制信號(hào)，所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第二控制信號(hào)，所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第三控制信號(hào)，所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)響應(yīng)一個(gè)第四控制信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子裝置，其特征在于在所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后且在相應(yīng)的所述第二和第一整流器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前，流經(jīng)所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)的電流變化率由下式給出dIdt=Vinn·12Lleakage]]>其中Vin為所述電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，n為所述變壓器的匝數(shù)比，Lleakage為與所述次級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的所述變壓器的寄生漏電感。
11.一種轉(zhuǎn)換電源的方法，其特征在于包括提供一個(gè)第一控制信號(hào)，以控制一個(gè)與一個(gè)全橋電路的第一路徑相連的第一高側(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；提供一個(gè)第二控制信號(hào)，以控制一個(gè)與所述全橋電路的第二路徑相連的第二高側(cè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，所述全橋電路連接在一個(gè)變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈的兩端；向一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)提供一個(gè)第三控制信號(hào)，所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)與所述全橋電路的所述第一路徑相連；向一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)提供一個(gè)第四控制信號(hào)，所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)與所述全橋電路的所述第二路徑相連，其中所述第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間存在一個(gè)第一節(jié)點(diǎn)，所述第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和所述第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間存在一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)；提供了一個(gè)來(lái)自所述第二節(jié)點(diǎn)的第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)與所述變壓器的次級(jí)線(xiàn)圈的一端相連的第一整流器開(kāi)關(guān)；以及提供了一個(gè)來(lái)自所述第一節(jié)點(diǎn)的第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)一個(gè)與所述次級(jí)線(xiàn)圈的另一端相連的第二整流器開(kāi)關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換電源的方法，其特征在于還包括在一個(gè)第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，將所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)閉合，使所述初級(jí)線(xiàn)圈與所述電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸入電壓短路。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的轉(zhuǎn)換電源的方法，其特征在于還包括在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)，將所述第一和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，將所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)閉合，使所述次級(jí)線(xiàn)圈在所述第一復(fù)位時(shí)間段內(nèi)與地短路。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換電源的方法，其特征在于還包括在所述第一和第二高側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之后且在相應(yīng)的所述第二和第一整流器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前，限制流經(jīng)所述第一和第二整流器開(kāi)關(guān)的電流變化率至dIdt=Vinn·12Lleakage]]>其中Vin為所述電源轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，n為所述變壓器的匝數(shù)比，Lleakage為與所述次級(jí)線(xiàn)圈串聯(lián)的所述變壓器的寄生漏電感。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電源轉(zhuǎn)換器及其轉(zhuǎn)換方法。該電源轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)變壓器，該變壓器擁有一個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈和一個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈；一個(gè)第一高側(cè)開(kāi)關(guān)與一個(gè)第一低側(cè)開(kāi)關(guān)沿一個(gè)全橋電路的第一路徑串聯(lián)，該第一高側(cè)開(kāi)關(guān)和第一低側(cè)開(kāi)關(guān)之間有一個(gè)第一節(jié)點(diǎn)；一個(gè)第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和一個(gè)第二低側(cè)開(kāi)關(guān)，該兩開(kāi)關(guān)沿全橋電路的第二路徑串聯(lián)，該第二高側(cè)開(kāi)關(guān)和第二低側(cè)開(kāi)關(guān)之間有一個(gè)第二節(jié)點(diǎn)；一個(gè)第一路徑，該第一路徑能夠向一個(gè)第二整流器開(kāi)關(guān)提供一個(gè)來(lái)自第一節(jié)點(diǎn)的第一整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)；一個(gè)第二路徑，該第二路徑能夠向一個(gè)第一整流器開(kāi)關(guān)提供一個(gè)來(lái)自第二節(jié)點(diǎn)的第二整流器驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明提供的電源轉(zhuǎn)換器，能減少發(fā)熱量、提高開(kāi)關(guān)切換速度和性能，增進(jìn)電源轉(zhuǎn)換器的效率。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1819425SQ200510007638
公開(kāi)日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2005年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月10日
發(fā)明者拉茲洛·利普賽依, 卡特林·波波維奇 申請(qǐng)人:美國(guó)凹凸微系有限公司