專利名稱：串聯(lián)諧振dc－dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC-DC變換器，并特別涉及一種帶有改進(jìn)的負(fù)載調(diào)節(jié)的串聯(lián)諧振DC-DC變換器。
背景技術(shù)：
DC-DC變換器通過逐步升高或降低電源電壓為負(fù)載提供合適的功率。不同的負(fù)載需要不同的電壓水平。為了改變電壓電平，DC-DC變換器包括根據(jù)預(yù)定的占空因數(shù)接通或關(guān)斷的開關(guān)電路。開關(guān)電路的開關(guān)操作通常導(dǎo)致開關(guān)損耗，這影響DC-DC變換器的功率效率。串聯(lián)諧振電路可以與DC-DC變換器(“串聯(lián)諧振DC-DC變換器”)一起使用，以充分降低開關(guān)損耗。
串聯(lián)諧振DC-DC變換器可以包括將能量傳遞到負(fù)載的變壓器。變壓器可以包括并聯(lián)諧振電路。并聯(lián)諧振電路可以由變壓器的初級繞組和/或次級繞組上產(chǎn)生的寄生電容和漏電感組成。并聯(lián)諧振電路可以是自然形成的并且可能是用戶不可見的。并聯(lián)諧振電路可以產(chǎn)生額外過調(diào)量和/或振鈴電壓。額外的過調(diào)量和/或振鈴電壓可以導(dǎo)致過量的峰值電壓。過量的峰值電壓可能損壞連接到變壓器的電路元件，諸如整流器和負(fù)載。另外，并聯(lián)諧振電路產(chǎn)生的能量可能被浪費(fèi)。
串聯(lián)諧振DC-DC變換器適合于音頻應(yīng)用，因?yàn)樗梢允禽p型的并可以具有高效率。在音頻應(yīng)用中，負(fù)載通常是音頻放大器。當(dāng)負(fù)載在寬范圍內(nèi)工作時，音頻放大器經(jīng)常在降低的信號電平上工作。作為并聯(lián)諧振電路的結(jié)果產(chǎn)生的漏電壓可能嚴(yán)重?fù)p壞諸如音頻放大器的負(fù)載。因而，需要能夠在所有負(fù)載條件下改進(jìn)電壓調(diào)節(jié)的串聯(lián)DC-DC功率變換器。

發(fā)明內(nèi)容
串聯(lián)諧振DC-DC變換器包括功率輸入級、開關(guān)級、串聯(lián)諧振級、變壓器級、鉗位級和輸出級。功率輸入級可以提供整流AC電壓。功率輸入級可以用整流電壓為存儲電容器充電。開關(guān)級可以根據(jù)預(yù)定的開關(guān)操作循環(huán)來控制開關(guān)接通和關(guān)斷。開關(guān)操作循環(huán)可以包括接通開關(guān)的第一間隔，和在另一個開關(guān)的下一個開關(guān)操作循環(huán)之前關(guān)斷開關(guān)的第二間隔。串聯(lián)諧振級連接到開關(guān)級，并可以包括串連的電容器和電感器。變壓器級包括初級繞組和次級繞組。初級繞組可以與串聯(lián)諧振級串聯(lián)。鉗位級可以串聯(lián)在串聯(lián)諧振級和變壓器級之間。鉗位級可以工作以鉗位過電壓。輸出級連接到變壓器級的次級繞組。輸出級被配置成輸出適合于負(fù)載的DC電壓。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員在研讀下面的附圖和詳細(xì)說明之后，將會清楚本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)注意，所有這些其他的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將包括在該說明中，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并受到下面的權(quán)利要求的保護(hù)。


參考下面的附圖和詳細(xì)說明，能夠更好地理解本發(fā)明。附圖中的元件示出本發(fā)明的原理的同時，不必須按照比例、強(qiáng)調(diào)。而且，在附圖中，用相同的符號表示不同圖中的對應(yīng)部分。
圖1是橋式串聯(lián)諧振DC-DC變換器的框圖；圖2示出了實(shí)際變壓器的等效電路；圖3是半橋串聯(lián)諧振DC-DC變換器；圖4示出了圖1的DC-DC變換器的全橋配置；圖5示出了與半橋串聯(lián)諧振DC-DC變換器一起使用的漏電感消除模塊；圖6示出了圖5的漏電感消除模塊的全橋配置；圖7是另一個與半橋串聯(lián)諧振DC-DC變換器一起使用的漏電感消除模塊。
具體實(shí)施例方式
串聯(lián)諧振DC-DC變換器可以被用于在音頻應(yīng)用中提供功率。電源可以決定音頻系統(tǒng)的整個大小和重量。串聯(lián)諧振DC-DC變換器可以被配置為低成本和輕型電源。串聯(lián)諧振DC-DC變換器的該特征在音頻應(yīng)用中具有特別的優(yōu)勢。
在功率輸入級處具有橋式配置的串聯(lián)DC-DC變換器是普及型的電源，并且通常被稱為橋式變換器。橋式變換器可以是包括開關(guān)電路的開關(guān)模式的電源。開關(guān)電路可以包括組成半橋變換器的兩個開關(guān)。開關(guān)電路可以包括組成全橋電路變換器的四個開關(guān)。由于全橋變換器一般提供類似的半橋變換器二倍的功率，全橋變換器可用于處理高電源應(yīng)用。
圖1是示例的橋式變換器100的框圖。橋式變換器100使用AC輸入電壓110為音頻放大級180供電。揚(yáng)聲器190可以連接到音頻放大級180。橋式變換器100包括第一整流級120、開關(guān)級130和串聯(lián)諧振級140。橋式變換器100進(jìn)一步包括鉗位級150、漏電感消除級155、變壓器級160，和第二整流級170。AC輸入電壓110可以在預(yù)定的范圍內(nèi)，諸如從大約100V到240V AC。第一整流級120將AC輸入電壓整流，以提供給開關(guān)級130。開關(guān)級130可以包括兩個開關(guān)或四個開關(guān)。如上面所提到的，根據(jù)開關(guān)級130的結(jié)構(gòu)，橋式變換器100可以是半橋變換器，也可以是全橋變換器。
開關(guān)級130連接到開關(guān)控制級135。開關(guān)控制級135在開關(guān)級130處根據(jù)預(yù)定的占空因數(shù)控制開關(guān)的接通和關(guān)斷。例如，對于半橋變換器，兩個開關(guān)可替代地被開關(guān)控制級135控制成接通。例如，開關(guān)控制級135可以包括脈寬調(diào)制控制電路。
在開關(guān)控制級135中，可以將確定時間間隔插入到開關(guān)周期中。在時間間隔中，沒有開關(guān)被接通。例如，對于半橋變換器，第一開關(guān)在開關(guān)周期的半周期期間被接通。到半周期結(jié)束時，第一開關(guān)被關(guān)斷。在預(yù)定的時間間隔期間，第二開關(guān)也被關(guān)斷。在下一個半周期開始時，第二開關(guān)可以被接通。該開關(guān)控制可以允許橋式變換器100在非連續(xù)傳導(dǎo)模式(“DCM”)下工作。橋式變換器100可以以DCM工作，以在下一個開關(guān)周期開始之前，從變壓器恢復(fù)能量。DCM操作可以允許開關(guān)在比較低的開關(guān)損失條件下工作。
串聯(lián)諧振級140進(jìn)一步允許零電壓切換。在串聯(lián)諧振級140中，阻抗可以隨著頻率的變化而變化。阻抗可以在量值和相位方面變化。因此，電壓和流過串聯(lián)諧振級140的電流彼此超前或滯后。電流和電壓在串聯(lián)諧振級140處的這種改變的相位關(guān)系允許開關(guān)在零電流經(jīng)過時被關(guān)斷，并在零電壓時被接通。因?yàn)殚_關(guān)可以分別在零電流和零電壓經(jīng)過時被關(guān)斷和接通，所以開關(guān)損失可以被充分地最小化。
鉗位級150和漏電感消除級155可以在變壓器級160中工作以使不需要的漏電感的不期望的影響最小化。鉗位級150可以包括多個二極管。鉗位級150的構(gòu)成可以包括兩個或更多串聯(lián)的二極管、二極管橋式電路等。漏電感消除級155可以包括電感器或等效結(jié)構(gòu)。下面將詳細(xì)描述鉗位級150和漏電感消除級155。
變壓器級160包括初級繞組和次級繞組。AC輸入電壓110可以從初級繞組傳遞到次級繞組，并最后被傳遞到諸如音頻放大級190的負(fù)載。變壓器是本技術(shù)領(lǐng)域中熟知的，并且變壓器的結(jié)構(gòu)可以被描述到實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振DC-DC變換器所必需的程度。
圖2示出了一個示例的變壓器200，其包括初級繞組230和次級繞組240。理想變壓器沒有漏電感和寄生電容。然而，實(shí)際上，理想變壓器是不存在的。漏電感可以因初級繞組230和次級繞組240沒有被完美地鏈接而產(chǎn)生。寄生電容也可以在初級繞組230和次級繞組240之間產(chǎn)生。圖2示出了實(shí)際變壓器的等效電路。其包括代表漏電感Ls的漏電感器210和多個寄生電容器220。由于漏電感Ls和寄生電容Cp，變壓器200可以產(chǎn)生并聯(lián)諧振。當(dāng)連接到圖1的串聯(lián)諧振級140時，可以產(chǎn)生由串聯(lián)諧振組件和并聯(lián)諧振組件引起的多諧振。
在圖1中，第二整流級170可以工作以在次級繞組上將電壓整流成DC波形。當(dāng)開關(guān)級130的開關(guān)被接通時，電壓從變壓器級160的初級繞組被傳遞到次級繞組。次級繞組上的電壓可以使第二整流級170導(dǎo)通。如上面所提到的，在下一個開關(guān)周期開始之前，電流可能會經(jīng)過零。當(dāng)電流經(jīng)過零值時，第二整流級170可以不再導(dǎo)通，并且第二整流級170的不需要的反向恢復(fù)電流也可能被最小化。整流電壓可以被輸出到音頻放大級180。
在橋式變換器100中，鉗位級150和漏電感消除級155可以如下工作。如上面結(jié)合圖2所提到的，漏電感Ls和寄生電容Cp可以產(chǎn)生潛在的并聯(lián)諧振。由于串聯(lián)諧振級140，潛在的并聯(lián)諧振可導(dǎo)致橋式變換器100變成多諧振的。寄生電容Cp、第二整流級170的電容，和串聯(lián)諧振級140的電容器可以與漏電感Ls和串聯(lián)諧振級140的電感的凈電感諧振。因此，可產(chǎn)生額外的過調(diào)節(jié)或振鈴電壓。第二整流級170可響應(yīng)由過調(diào)節(jié)或振鈴電壓引起的峰值電壓。第二整流級170可能被峰值電壓損壞。另外，即使可對峰值電壓進(jìn)行整流，負(fù)載也可能受到過電壓的損壞。這種情況在負(fù)載輕的時候可能會加重。在音頻應(yīng)用中，過電壓可能會損壞經(jīng)常在降低的信號范圍內(nèi)工作的音頻放大器。
為了防止達(dá)到輕負(fù)載引起的過電壓，鉗位級150可以被放置在DC輸入供應(yīng)和變壓器級160的初級繞組之間。在圖1中，DC輸入供應(yīng)可以是第一整流級120。鉗位級150可以鉗位變壓器級160的初級繞組上的電壓，從而阻止峰值電壓到達(dá)第二整流級170和諸如音頻放大器180的負(fù)載。此外，鉗位級150可以將并聯(lián)諧振能量通過返回鏈路125返回到DC輸入供應(yīng)，如圖1所示。
在負(fù)載電流高時，鉗位級150可能不會如期望的那樣工作。鉗位級150可以受到很大的電壓降，該電壓降是由漏電感Ls引起的。變壓器級160可以包括變壓器200(圖2)，變壓器200可以包括漏電感器210。漏電感器210可以表示實(shí)際變壓器中產(chǎn)生的漏電感Ls。當(dāng)負(fù)載電流增加的時候，流過串聯(lián)諧振級140的諧振電流增加。因?yàn)楦鶕?jù)公知的公式V＝Ls*(di/dt)，感應(yīng)出電壓，所以在漏電感器210兩端可產(chǎn)生大的電壓降。如上面所提到的，由于初級繞組230和次級繞組240可能沒有完美地鏈接，產(chǎn)生漏電感Ls。這樣，漏電感可能不會有助于將能量從初級繞組230傳遞到次級繞組240。相反，漏電感可以存儲能量并將能量返回給電壓源。因此，漏電感Ls可以作為初級電路(電壓源和初級繞組230)和次級電路(次級繞組240和負(fù)載)的串聯(lián)阻抗工作。作為阻抗，漏電感Ls引起電壓降。
當(dāng)鉗位級150受到漏電感器210(圖2)兩端的電壓降時，它可以設(shè)法將漏電感Ls短路。使漏電感Ls短路可以使流過變壓器級160的初級繞組的諧振電流轉(zhuǎn)向。鉗位該電壓降可以防止漏電感Ls短路。然而，漏電感Ls和漏電感器210兩端的電壓降可能是物理上不存在的，并且可能對諸如鉗位級150的其它電路是不可見的。漏電感消除級155可以產(chǎn)生與漏電感器210兩端電壓降等效的電壓，并使電壓對于鉗位是可見的。
漏電感消除級155可以合成不可見的電壓降，使得電壓降可以受到鉗制。如上面所提到的，漏電感消除級155可以包括可生成等效電壓降的電感器。鉗位級150可以連接到漏電感消除級155，使得電壓降可以受到鉗制。
在橋式變換器100中，鉗位級150可以防止過電壓損壞第二整流級170和音頻放大級180。此外，鉗位級150可以將并聯(lián)諧振能量返回到DC輸入供應(yīng)。漏電感消除極155可以允許鉗位級150在所有負(fù)載條件下正確地工作。橋式變換器100可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的負(fù)載調(diào)節(jié)。
橋式變換器100可以用各種電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。圖3是示例的半橋串聯(lián)諧振DC-DC變換器(“橋式變換器”)300的電路圖。橋式變換器300包括輸入級310、開關(guān)電路320和串聯(lián)諧振電路330。橋式變換器300進(jìn)一步包括鉗位二極管340、變壓器電路350、整流電路360和功率輸出級370。輸入級310從輸入終端302接受AC電壓輸入，諸如，圖1的輸入電壓110。例如，AC電壓輸入可以在從100V到240V的范圍變化。AC電壓是對橋式電路304的輸入。橋式電路304可以將AC電壓整流為DC電壓。輸入級310可以包括控制開關(guān)306，控制開關(guān)306工作以在多個位置之間切換，諸如，在上位(Up)和下位(Lp)之間。在圖3的實(shí)例中，上位(Up)可以提供大約200至240V，而下位(Lp)可以提供大約100至120V。
橋式電路304可以作為全波整流器工作，其中控制開關(guān)306是在第一位置，諸如上位(Up)。橋式電路304可以將AC電壓輸入整流成DC電壓。當(dāng)控制開關(guān)306在第二位置，諸如下位(Lp)時，橋式電路304還可以作為倍壓器工作。電容器C1和C2連接到下位。當(dāng)控制開關(guān)306在下位(Lp)時，AC電壓輸入可以變成充到每個電容器C1和C2中的雙倍DC電壓。電容器C1和C2也可以通過使用其中存儲的電荷，穩(wěn)定橋式電路304的輸出電壓的變化。
開關(guān)電路320包括兩個開關(guān)S1和S2。開關(guān)S1和S2可以用半導(dǎo)體器件來組成。開關(guān)S1和S2可以用晶體管、二極管或二者來組成。例如，開關(guān)S1和S2可以用絕緣柵雙極型晶體管(“IGBT”)來實(shí)現(xiàn)。另外，二極管可以被添加到IGBT中?？商娲?，開關(guān)S1和S2可以用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)來組成。開關(guān)S1和S2可以在交替或者換向的時候被觸發(fā)。當(dāng)開關(guān)S1被接通時，開關(guān)S2可以被關(guān)斷，反之亦然。
盡管未示出，開關(guān)控制器可以連接到開關(guān)S1和S2，以控制操作?？商娲?，開關(guān)控制器可以交替地接通開關(guān)S1和S2。我們希望開關(guān)控制器控制開關(guān)S1和S2，使得橋式變換器300在DCM下工作。例如，開關(guān)S1在半個開關(guān)周期期間被接通，而開關(guān)S2在第二個半個開關(guān)周期期間被接通。確定的時間間隔可以被插入到每半個開關(guān)周期中。在該時間間隔期間，零電壓可以被施加到開關(guān)S1或者S2。在下一個開關(guān)周期開始之前，電流也可以變成零。當(dāng)開關(guān)S1被接通時，時間間隔可以被插入到半個開關(guān)周期的末尾。當(dāng)開關(guān)S2被接通時，另一個確定的時間間隔也可以被插入到下一個半個開關(guān)周期的末尾。這樣，橋式變換器300可以在DCM下工作。
串聯(lián)諧振電路330可以連接到開關(guān)S1和S2的結(jié)點(diǎn)。串聯(lián)諧振電路330包括電容器331和電感器333。串聯(lián)諧振電路330可以允許開關(guān)S1和S2在軟切換條件下被接通和關(guān)斷。軟切換條件包括零電流切換和零電壓切換，如結(jié)合圖1所述的那樣。
電感器333可以包括第一電感器332和第二電感器334。第二電感器334可以磁耦合到第一電感器332。如圖3的極性點(diǎn)所示，第一電感器332和第二電感器334可以被耦合為具有相同的極性。第一電感器332和第二電感器334可以具有升壓配置，并且第一電感器332和第二電感器334中的每個兩端的電壓可以被增加。在該橋式變換器300中，第二電感器334可以作為漏電感消除組件工作。第二電感器334可以產(chǎn)生與初級漏電感Ls兩端下降的電壓類似的電壓。在圖3中，用虛線示出了初級漏電感Ls以及寄生電容Cp，以指示它們可能是用戶不可見的。鉗位二極管340(D1和D2)連接到第二電感器334的一端，形成節(jié)點(diǎn)336。由于在第二電感器上生成的電壓，節(jié)點(diǎn)336是可以模擬沒有漏電感的理想變壓器的初級電壓的節(jié)點(diǎn)。鉗位二極管340可以不受到可能在諸如圖2的漏電感器210的漏電感器兩端產(chǎn)生的電壓降。
如結(jié)合圖1所描述的那樣，鉗位二極管340(D1和D2)可以鉗制變壓器350的初級繞組352上的電壓，以使變壓器350中并聯(lián)諧振的影響最小化。第一電感器332和第二電感器334兩端產(chǎn)生的電壓可以增加，并受到鉗位二極管340(D1和D2)鉗制。在鉗制之后，由過調(diào)節(jié)或振鈴電壓引起的過電壓不會到達(dá)整流電路360和功率輸出級370。此外，并聯(lián)諧振能量可以被返回到DC輸入供應(yīng)，諸如存儲電容器C1和C2。鉗位二極管340也可以鉗制與初級漏電感Ls所生成的電壓降等效的電壓降。通過調(diào)整匝數(shù)n2，第二電感器334可以被配置成產(chǎn)生等效電壓，這在下面將會進(jìn)行詳細(xì)描述。由于節(jié)點(diǎn)336，初級繞組352上的電壓對于鉗位可以是清楚可見的。
變壓器電路350包括初級繞組352和次級繞組354。初級繞組352的一端連接到第一電感器332，并且初級繞組352的另一端連接到電容器C1和C2的結(jié)點(diǎn)。因此，橋式變換器300可以被配置成連接串聯(lián)諧振電路330和變壓器350。此外，次級繞組354可以連接到整流橋式電路360，而整流橋式電路360又連接到功率輸出級370。
如上面所提到的，變壓器350可以包括由漏電感Ls和寄生電容Cp組成的隱藏的并聯(lián)諧振組件。漏電感Ls可以與第一電感器332一起起作用，以產(chǎn)生諧振電感，這是串聯(lián)諧振變換器的優(yōu)勢之一。盡管漏電感Ls可以與電容器331的電容Cr1和寄生電容Cp多諧振，但是鉗位二極管340(D1和D2)可以工作以使多諧振的影響最小化。此外，第二電感器334可以使得代表漏電感Ls的漏電感器兩端的電壓降對于鉗位是可見的。鉗位二極管340(D1和D2)在負(fù)載輕和重的時候都可以正確工作。因此，橋式變換器300可以在所有負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)它的期望操作。
在橋式變換器300中，第一和第二電感器332和334的匝數(shù)分別為n1和n2。第一和第二電感器332和334的繞組可以由兩個分離的繞組構(gòu)成?？商娲兀谝缓偷诙姼衅?32和334的繞組可以通過單獨(dú)的繞組上進(jìn)行抽頭來構(gòu)成。第一電感器332的值n1可以被確定為產(chǎn)生電感值Lr1，該電感可與電容器331諧振?？纱_定諧振頻率。在諧振頻率上，電容器331和電感器333的總阻抗為零。第二電感器334的繞組的匝數(shù)n2可計算如下
n2＝n1×Ls/Lr1……………………(1)其中，Ls是漏電感，Lr1是電感器332的諧振電感。
在上面的等式(1)中，匝數(shù)n2是基于匝數(shù)n1和漏電感Ls與諧振電感Lr1的比值確定的。諧振電感器333的電感值和漏電感Ls可以基于諧振電感器333和第二電感器334兩端的電壓，和等式V＝L*(di/dt)來確定。n2的計算值可能不一是整數(shù)?？梢赃x擇使用最接近的整數(shù)。通過增加初級繞組352和次級繞組354之間的空間，匝數(shù)n2可以變成下一個比較大的整數(shù)。空間的增加可以使漏電感Ls增加。增加的空間也可以使初級和次級繞組352和354之間的電容減少，從而減少噪聲電流。
在橋式變換器300中，電容器331被置于開關(guān)S1和S2的公共節(jié)點(diǎn)與電感器333之間。可替代地，電容器331可以被置于電容器C1和C2的公共節(jié)點(diǎn)與初級繞組352之間。該設(shè)置可以將電容器331兩端的電壓放到電路環(huán)路內(nèi)，其可以被鉗制以防止過電壓。用這種設(shè)置，漏電感可以不影響鉗位二極管340(D1和D2)。
在輸入級310中，控制開關(guān)306可以被用于在上位(Up)和下位(Lp)之間切換?？商娲?，如果AC電壓輸入在預(yù)定范圍內(nèi)，諸如，大約200至240V，則可能不需要控制開關(guān)306。在該情況下，兩個電容器C1和C2可以用單獨(dú)的電容器來代替，該單獨(dú)的電容器能夠容納電容器C1和C2單獨(dú)容納的兩倍的電壓。信號電容器可以具有兩個電容器C1和C2一半的電容。
如上面所提到的，因?yàn)闃蚴阶儞Q器300可以提供改進(jìn)的負(fù)載調(diào)節(jié)，它可能更適合于音頻應(yīng)用。在負(fù)載輕的時候，可以調(diào)節(jié)橋式變換器300，以避免輸出過電壓。音頻放大器可以經(jīng)常在降低的信號電平工作。當(dāng)橋式變換器300為作為負(fù)載的音頻放大器供電時，它不會因過電壓而損壞音頻放大器。在高負(fù)載電流的環(huán)境下，橋式變換器300也可以工作以鉗制過電壓。
圖4是示例的全橋串聯(lián)諧振DC-DC變換器400(“全橋變換器”)的電路圖。全橋變換器400可以產(chǎn)生二倍于半橋變換器300的功率。全橋變換器400可以包括輸入級310、串聯(lián)諧振電路330、變壓器電路350、整流電路360和輸出級370，這在上面已經(jīng)結(jié)合圖3進(jìn)行了描述。
全橋變換器400包括開關(guān)電路420，開關(guān)電路420具有四個開關(guān)S1～S4。開關(guān)S1和S4可以如下所述進(jìn)行工作。開關(guān)S1和S4可以被同時接通，開關(guān)S2和S3可以被同時接通。開關(guān)S1和S4在第一半個開關(guān)周期期間被接通。在第一半個開關(guān)周期末尾，插入確定的時間間隔，使得開關(guān)S1和S4都在下一個半個開關(guān)周期之前被關(guān)斷該時間間隔。開關(guān)S2和S3仍然關(guān)斷。這樣，橋式變換器400可以在DCM下工作，這使得開關(guān)損失最小化。在下一個半個開關(guān)周期期間，開關(guān)S2和S3被接通，并且預(yù)定的時間間隔被插到第二半個開關(guān)周期的末尾。
全橋變換器400可以在所有負(fù)載條件下正確工作。鉗位二極管340(D1和D2)鉗制變壓器350的初級繞組上的電壓，使得過電壓不會損壞整流電路360和功率輸出級470上的負(fù)載。此外，在諸如圖2的漏電感器210的漏電感器兩端可能生成的電壓，會受到鉗位二極管340的鉗制(D1和D2)。和圖3的半橋變換器300一樣，全橋變換器400適合于使用音頻放大器作為負(fù)載的音頻應(yīng)用。
在圖3和4中，描述了示例性的半橋和全橋串聯(lián)諧振DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)。該描述的結(jié)構(gòu)僅是通過示例的方式。本領(lǐng)域的那些熟練專業(yè)技術(shù)人員會理解，各種其它結(jié)構(gòu)也是可行的。除了實(shí)現(xiàn)漏電感消除級155的一個實(shí)例的第二電感器334外，圖5-7示出了用于各種半橋和全橋串聯(lián)諧振DC-DC變換器的漏電感消除級155的各種其它實(shí)現(xiàn)，并且它們提供了實(shí)質(zhì)上相同的操作和優(yōu)點(diǎn)。
圖5是示出了一個用于半橋串聯(lián)諧振變換器(諸如，圖3的橋式變換器300)的示例的漏電感消除模塊500的圖示。盡管未示出，半橋變換器包括功率輸入級、開關(guān)電路、變壓器、橋式整流電路和功率輸出級，如上面結(jié)合圖3所描述的那樣。漏電感消除模塊500包括串聯(lián)諧振電路530。串聯(lián)諧振電路530包括串聯(lián)的電容器Cr4和電感器536。電感器536具有Lr4的電感，并可以包括第三電感器532和第四電感器534。鉗位二極管D1和D2可以耦合到節(jié)點(diǎn)539，節(jié)點(diǎn)539是第三電感器532和第四電感器534之間的結(jié)點(diǎn)。
在電感器536中，第三電感器532和第四電感器534的極性點(diǎn)可以指示相反的極性。第四電感器534可以作為第三電感器532的補(bǔ)償繞組工作?？梢詮牡谌姼衅?32上生成的電壓減掉第四電感器534所生成的電壓。在節(jié)點(diǎn)539處，得到的減去了第四電感器534兩端的電壓的電壓可以被鉗制。得到的電壓可以等效于不受到任何漏電感影響的理想變壓器的初級繞組的電壓。鉗位二極管D1和D2可以不受漏電感器(諸如，圖2的漏電感器210)兩端的電壓降影響，并在所有負(fù)載條件下正確工作。在節(jié)點(diǎn)539處，并聯(lián)諧振能量可以在返回鏈路125上被返回到DC輸入供應(yīng)，如圖1所示。
第三電感器532的匝數(shù)可以是n3+n4，并且第四電感器534的匝數(shù)可以是n4。由于補(bǔ)償繞組配置，第三電感器532的匝數(shù)可以大于第四電感器534的匝數(shù)。因此，第三電感器532可以傳送流過變壓器(諸如，變壓器350)的全部初級電流(圖3)。第四電感器534在輕負(fù)載的情況僅可以傳送比較低的電流。n3與n4之間的關(guān)系可以是n4＝(n3+n4)×Ls/(Lr4+Ls)……………………(2)其中Ls是漏電感，Lr4是電感器536的諧振電感。為了使用，值n4可以被選擇為整數(shù)，該值可通過在變壓器的初級繞組和次級繞組之間加入更大空間來改變。
在漏電感消除模塊500，第四電感器534可以在主諧振電流路徑中抵消漏電感Ls。因此，漏電感Ls不能用作諧振電感器，諧振電感可以完全在外部產(chǎn)生?？赡苄枰姼衅?36來傳送全部初級電流。第四電感器534可以傳送在輕負(fù)載的情況下的低的初級電流。
圖6是用于諸如圖4的實(shí)例的全橋式實(shí)現(xiàn)的示例的漏電感消除模塊600。全橋串聯(lián)變換器包括開關(guān)電路620，開關(guān)電路620具有四個開關(guān)S1～S4，而不是兩個開關(guān)。與該漏電感消除模塊600一起使用的橋式變換器還可以在所有負(fù)載條件下提供改進(jìn)的調(diào)整。
圖7是與半橋串聯(lián)諧振變換器一起使用的示例的漏電感消除模塊700。漏電感消除模塊700可以包括開關(guān)電路520、串聯(lián)諧振電路530和鉗位二極管(D1和D2)，如上面參考圖5所描述的那樣。代替第三和第四電感器532和534，電感器536可以包括第五電感器736和第六電感器737。第六電感器737可以被移到變壓器初級繞組的另一端。操作和功能不變。第五電感器736的匝數(shù)為n3+n4，第六電感器534的匝數(shù)為n4。上面結(jié)合圖5描述了匝數(shù)和鉗位二極管(D1和D2)的關(guān)系。與漏電感消除模塊700一起使用的全橋?qū)崿F(xiàn)也是可行的。
上述的串聯(lián)諧振DC-DC變換器可以在所有負(fù)載條件下提供改進(jìn)的調(diào)整。特別地，在輕負(fù)載的情況下，可避免過電壓；這樣，可避免在輕負(fù)載的情況下對整流電路的損壞。鉗位二極管可以鉗制變壓器的初級繞組和次級繞組上的電壓。鉗位二極管進(jìn)一步可以能夠鉗制漏電感器兩端生成的電壓。該電壓對于用漏電感消除模塊的鉗制可能是不可見的。串聯(lián)諧振電路的電感器可以被配置成包括額外的饒組，使得它可以合成代表漏電感兩端的模擬電壓的節(jié)點(diǎn)。鉗位電路可以鉗制該電壓，并可以免受由漏電感上生成的電壓引起的任何不正確操作。
串聯(lián)諧振DC-DC變換器可以用半橋式和/或全橋式來實(shí)現(xiàn)。諧振電容器和濾波電容器的可替代的設(shè)置不會影響DC-DC變換器的性能。
鉗位電路和節(jié)點(diǎn)的合成可以用簡單的結(jié)構(gòu)和較低的費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)。DC-DC變換器的性能可以非常適合于音頻應(yīng)用，其中音頻放大器和揚(yáng)聲器被供電。當(dāng)音頻放大器在降低的信號電平的情況下工作時，上述的DC-DC變換器可以提供最佳功率。
上述的DC-DC變換器的電路結(jié)構(gòu)是作為實(shí)例。電路元件的各種其它結(jié)構(gòu)和使用也是可行的。例如，各種類型的半導(dǎo)體器件可被用于開關(guān)和整流電路。根據(jù)需要，輸出級可以被改變以適應(yīng)更多或更少的通道。另外，電容值和電感值可以被確定成，適合于音頻放大器應(yīng)用。
雖然上面已經(jīng)描述了本發(fā)明的各實(shí)施例，但是對于本領(lǐng)域的熟練專業(yè)技術(shù)人員來說顯而易見，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，更多實(shí)施方式和實(shí)現(xiàn)方式都是可行的。因此，本發(fā)明除了根據(jù)所附的權(quán)利要求和它們的等效體之外，并不受到限制。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)諧振DC-DC變換器，包括開關(guān)級，其可根據(jù)預(yù)定的開關(guān)周期來控制開關(guān)接通和關(guān)斷，其中所述開關(guān)周期包括接通所述開關(guān)的第一間隔，和在另一個開關(guān)的下一個開關(guān)周期之前關(guān)斷所述開關(guān)的第二間隔；串聯(lián)諧振級，其耦合到所述開關(guān)級，并包括串聯(lián)連接的電容器和電感器；變壓器級，其包括初級繞組和次級繞組，所述初級繞組與所述串聯(lián)諧振級串聯(lián)連接；鉗位級，其放置于所述開關(guān)級和所述變壓器級之間，所述鉗位級可用來鉗制過電壓；和，輸出級，其耦合到所述變壓器級的所述次級繞組并被配置成為負(fù)載供電。
2.如權(quán)利要求1所述的變換器，其中，所述鉗位級包括串聯(lián)連接的第一二極管和第二二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的變換器，其中，所述串聯(lián)諧振級的所述電感器包括相互磁耦合的第一電感器和第二電感器。
4.如權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述第一電感器兩端的電壓是由所述第二電感器兩端的電壓升壓的。
5.如權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述第一電感器兩端的電壓是由所述第二電感器兩端的電壓降壓的。
6.如權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述第二電感器產(chǎn)生預(yù)定電壓降，所述預(yù)定電壓降在所述鉗位級處受到鉗制。
7.如權(quán)利要求6所述的變換器，其中，所述預(yù)定電壓降等效于所述變壓器級的漏電感Ls的電壓降。
8.如權(quán)利要求7所述的變換器，其中，所述第一電感器包括的匝數(shù)為n1，確定所述匝數(shù)n1以提供所述串聯(lián)諧振級中包括的諧振電感Lr，并且所述第二電感器包括的匝數(shù)為n2，確定所述匝數(shù)n2以模擬所述漏電感Ls的電壓降。
9.如權(quán)利要求8所述的變換器，其中，所述匝數(shù)n2被確定為n2＝n1×(Ls/Lr)……………………(1)
10.如權(quán)利要求9所述的變換器，其中，所述匝數(shù)n2被選擇為最接近n1×(Ls/Lr)的值的整數(shù)。
11.如權(quán)利要求3所述的變換器，其中，所述第一電感器和所述第二電感器形成于單獨(dú)的繞組中。
12.如權(quán)利要求7所述的變換器，其中，所述第一電感器包括的匝數(shù)為n1+n2，所述匝數(shù)n1+n2被配置成提供所述串聯(lián)諧振級中包括的諧振電感Lr，并且所述第二電感器包括的匝數(shù)為n2，確定所述匝數(shù)n2以模擬所述漏電感Ls的電壓降。
13.如權(quán)利要求12所述的變換器，其中，所述匝數(shù)n2被確定為n2＝(n1+n2)×[Ls/(Lr+Ls)]……………………(2)
14.如權(quán)利要求1所述的變換器，還包括漏電感消除模塊，其可用來產(chǎn)生由所述鉗位級鉗制的預(yù)定電壓，所述電壓對應(yīng)于所述變壓器級的漏電感的電壓降。
15.如權(quán)利要求14所述的變換器，其中，所述鉗位級包括至少一個二極管，并且所述漏電感消除模塊包括電感器。
16.如權(quán)利要求14所述的變換器，其中，所述串聯(lián)諧振級的電感器包括漏電感消除模塊。
17.如權(quán)利要求14所述的變換器，其中，所述串聯(lián)諧振級的諧振電感包括所述漏電感。
18.一種串聯(lián)諧振DC-DC變換器，其用于為音頻放大器供電，所述串聯(lián)諧振DC-DC變換器包括變壓器，其包括初級繞組和次級繞組，其中在所述變壓器中產(chǎn)生漏電感和寄生電容；串聯(lián)諧振電路，其包括電容器和電感器，所述電感器包括可產(chǎn)生與所述漏電感的電壓降對應(yīng)的電壓降的繞組；和二極管電路，其被布置在開關(guān)器件和所述變壓器之間，所述二極管電路可用來鉗制至少響應(yīng)于所述漏電感和所述寄生電容生成的過電壓，其中所述電感器的電壓降受到所述二極管電路的鉗制。
19.如權(quán)利要求18所述的變換器，其中，所述漏電感配置成被用作所述串聯(lián)諧振電路的諧振電感。
20.如權(quán)利要求19所述的變換器，其中，所述電感器包括第一繞組和第二繞組，并且所述第二繞組可以產(chǎn)生與所述漏電感的電壓降對應(yīng)的所述電壓降。
21.如權(quán)利要求20所述的變換器，其中，所述第一繞組和所述第二繞組磁耦合為具有相同的極性。
22.如權(quán)利要求18所述的變換器，其中，所述電感器包括第一繞組和第二繞組，并且所述第二繞組被布置在所述第一繞組和代表所述漏電感的電感器之間。
23.如權(quán)利要求22所述的變換器，其中，所述漏電感不是所述串聯(lián)諧振電路的諧振電感的一部分。
24.如權(quán)利要求22所述的變換器，其中，所述第一繞組和所述第二繞組配置成在磁性上具有相反的極性。
25.如權(quán)利要求24所述的變換器，其中，所述第一繞組的匝數(shù)大于所述第二繞組的匝數(shù)，以便所述第一繞組傳送初級電流。
26.如權(quán)利要求18所述的變換器，還包括使能和禁止提供輸入電壓的開關(guān)器件，所述開關(guān)器件包括交替被激活的兩個開關(guān)。
27.如權(quán)利要求18所述的變換器，還包括使能和禁止提供輸入電壓的開關(guān)器件，所述開關(guān)器件包括第一對開關(guān)和第二對開關(guān)，其中所述第一對開關(guān)中的一個開關(guān)和所述第二對開關(guān)中的一個開關(guān)實(shí)質(zhì)上同時被激活。
28.如權(quán)利要求18所述的變換器，還包括第一橋式整流電路，其可用來接收AC電壓，并將所述AC電壓整流成DC波形，其中所述第一橋式整流電路可選擇性地作為全波整流器和倍壓器中的一個來工作。
29.如權(quán)利要求28所述的變換器，還包括存儲電容器，其配置成用所述整流的AC電壓充電。
30.如權(quán)利要求28所述的變換器，還包括第二橋式整流電路，其可用來整流來自所述變壓器的所述次級繞組的電壓。
31.如權(quán)利要求30所述的變換器，還包括輸出濾波電容器，其可用來濾波所述整流電壓的高頻分量。
32.一種為音頻放大器供電的方法，包括提供驅(qū)動電壓以在開關(guān)周期期間接通開關(guān)器件，其中所述驅(qū)動電壓在所述開關(guān)周期的末尾并且在下一個開關(guān)周期開始之前，變成零值；在零電流的時候關(guān)斷所述開關(guān)器件，并在零電壓的時候接通所述開關(guān)器件；將功率從變壓器的初級側(cè)傳遞到次級側(cè)；鉗制由于所述變壓器的至少漏電感和寄生電容的諧振生成的過電壓；和將鉗制的過電壓的所述傳遞的功率提供給音頻放大器。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，還包括用電感器生成與所述漏電感的電壓降對應(yīng)的電壓降。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，還包括將所述電感器的電壓降鉗制到確定的量值。
35.如權(quán)利要求33所述的方法，還包括形成具有匝數(shù)為n1的第一繞組和匝數(shù)為n2的第二繞組的所述電感器；和將所述第一繞組和所述第二繞組磁耦合為具有相同的極性。
36.如權(quán)利要求33所述的方法，還包括形成具有匝數(shù)為n1+n2的第一繞組和匝數(shù)為n2的第二繞組的所述電感器；和將所述第一繞組和所述第二繞組磁耦合為具有相反的極性。
全文摘要
串聯(lián)諧振DC－DC變換器為作為負(fù)載的音頻放大器供電。串聯(lián)諧振DC－DC變換器可以包括功率輸入級、開關(guān)級、串聯(lián)諧振級、變壓器級和功率輸出級。串聯(lián)諧振DC－DC變換器進(jìn)一步可以包括鉗位級和漏電感消除級。鉗位級可以用來鉗制至少由漏電感和寄生電容生成的過電壓。漏電感消除級可以用來生成與漏電感生成的電壓降對應(yīng)的電壓降。生成的電壓降可以受到鉗制。鉗位級可以在所有負(fù)載條件下工作，而不會受到漏電感的任何影響。因此，串聯(lián)諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的負(fù)載調(diào)節(jié)。
文檔編號H02M3/24GK1937385SQ20061015382
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月20日
發(fā)明者G·R·斯坦利 申請人:哈曼國際工業(yè)有限公司