專利名稱：開關(guān)模式電源變換器及其操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源變換領(lǐng)域。更具體地講，本發(fā)明涉及一種開關(guān) 模式電源變換器以及操作這種變換器的方法。
背景技術(shù)：
開關(guān)模式電源變換器廣泛地使用在電子工業(yè)中，用于將一個(gè)DC 電平電壓變換成用于提供到負(fù)載的另一個(gè)電壓。通常，提供變壓器， 該變壓器將一次側(cè)上的電壓源與其二次側(cè)上的負(fù)載進(jìn)行分離。使用一 個(gè)或更多個(gè)電源開關(guān)跨越該變壓器的一次側(cè)對(duì)該輸入DC電壓進(jìn)行 周期性開/關(guān)操作。通過(guò)切換電流使其流入該輸出電感線圈，能量被 存儲(chǔ)在該輸出電感線圈中，并且調(diào)整后的電壓被提供到該二次側(cè)上的 負(fù)載。二次側(cè)上的兩個(gè)二極管對(duì)二次繞組上的進(jìn)行開/關(guān)操作后的并且 分離的電壓進(jìn)行整流，這兩個(gè)二極管包括一個(gè)正激二極管、 一個(gè)續(xù)流 二極管，其中，該正激二極管與二次繞組串聯(lián)連接，用于在二次繞組 上存在正電壓時(shí)將電流傳遞到負(fù)載；該續(xù)流二極管與二次繞組并聯(lián)， 用于在二次繞組上沒(méi)有電壓或負(fù)電壓時(shí)將電流傳遞到負(fù)載。為了改進(jìn)這種電路的效率，己知采用電源開關(guān)來(lái)取代這兩個(gè)整 流二極管，該開關(guān)例如是由控制裝置進(jìn)行調(diào)制的MOSFET器件。US-A-2004/0136207公開了一種開關(guān)模式電源變換器，其中，正 激二極管由兩個(gè)MOSFET器件取代，這兩個(gè)MOSFET器件的源極連 接在一起，它們的柵極也連接在一起，從而這兩個(gè)器件能夠被同步激 活，從而在不活動(dòng)狀態(tài)下所述每個(gè)器件阻斷相反方向上的電流。圖1中示出了根據(jù)US-A-2004/0136207公開的變換器。該變換 器包括變壓器2，該變壓器2具有一次繞組2a和二次繞組2b。該一 次繞組2a的點(diǎn)端耦合到輸入電壓源Vin，該一次繞組的另一端經(jīng)由 電源開關(guān)Sl耦合到地面。更具體地講，電源開關(guān)Sl包括MOSFET器件，該MOSFET器 件具有漏極端、源極端和柵極端，其中，該漏極端耦合到該一次繞組 2a，該源極端耦合到地面，該柵極端耦合到一次側(cè)控制器4。響應(yīng)于 從該正激變換器的二次側(cè)接收的反饋信號(hào)或者以取決于該輸入電壓 的方式，該控制器4向該電壓開關(guān)S1提供周期性的激勵(lì)信號(hào)。輸入 電壓源連接到輸入電壓端10。在二次側(cè)上，MOSFET器件Sb、 Sr串聯(lián)耦合在該二次繞組2b 與輸入電感線圈6之間。該輸出電感線圈6耦合到輸出端子8，電容 器12耦合在所述輸出端和地面之間。電感線圈6和電容器12形成了 一個(gè)濾波器，該濾波器在該輸出端8處提供相對(duì)地面平穩(wěn)的DC輸出 電壓Vout。該續(xù)流二極管由MOSFET器件Sf取代，該MOSFET器件Sf的 源極端耦合到地面，漏極端耦合到該輸出電感線圈6和MOSFET器 件Sr的結(jié)點(diǎn)。通過(guò)調(diào)制用作雙向開關(guān)的正激MOSFET器件Sb和Sr的接通時(shí) 間，來(lái)調(diào)整該正激變換器的輸出。還示出了 MOSFET器件Sb、 Sr和Sf的各個(gè)內(nèi)部體二極管14、 16和18。如上所示，正激MOSFET器件Sb和Sr的柵極端耦合在一起。 二次側(cè)控制器20向共同的柵極輸入端提供控制信號(hào)?，F(xiàn)在，將對(duì)照?qǐng)D2所示的波形來(lái)識(shí)別圖1所示的電路設(shè)置的缺 點(diǎn)。示出了四個(gè)示意性波形，其中，(a)表示電源開關(guān)Sl的邏輯狀 態(tài)，(b)表示變換器2的二次繞組上的電壓(Vsec) ， (c)表示開 關(guān)Sb和Sr的邏輯狀態(tài)，(d)表示流過(guò)輸出電感線圈6的電流(IL)。為了實(shí)現(xiàn)Sl的零電壓開關(guān)(特別是當(dāng)存在高負(fù)載電流時(shí))，在 Vsec變負(fù)以后，在某時(shí)間內(nèi)Sb和Sr可以不接通。這用于確保在 Sb和Sr接通之前Sl接通。這個(gè)時(shí)間由圖2中的"tl"表示。在Sb 和Sr接通時(shí)刻，輸出電流從Sf轉(zhuǎn)換到Sb和Sr。由于結(jié)點(diǎn)J的電壓 大約是零電壓，所以該轉(zhuǎn)換后的輸入電壓現(xiàn)在完全施加在該變壓器的
漏電感線圈(LS)?，F(xiàn)在，按照由該漏電感確定的比率，通過(guò)該二次變壓器繞組和開關(guān)Sb和Sr的電流增加并且通過(guò)Sf (或者如果Sf斷 開，則通過(guò)Sf的體二極管)的電流下降。在該輸出電流流過(guò)Sf和Sb/Sr的時(shí)間內(nèi)，Vsec的電壓等于結(jié)點(diǎn) J的電壓，該電壓大約是零。這個(gè)時(shí)間稱作轉(zhuǎn)換時(shí)間。當(dāng)最后該輸出電流完全流過(guò)Sb和Sr時(shí)，結(jié)點(diǎn)J的電壓將上升， 直到其等于二次電壓(Vsec)。此時(shí)在Vsec上產(chǎn)生相對(duì)小的尖峰， 這是由該變壓器的漏電感以及Sf的寄生漏極到源極電容所導(dǎo)致的。在Vsec變負(fù)之前，Sb和Sr必須斷開。這會(huì)避免經(jīng)由Sf(或其 背向柵(back gate) 二極管18)以及Sb和Sr的短路繞組。Sb、 Sr 的接通與Vsec變負(fù)之間的時(shí)間由"t2"指示。由此，當(dāng)Vsec仍然為正時(shí)Sb和Sr被斷開，并且此時(shí)高電流能 夠流過(guò)Sb和Sr。由于變壓器2的漏電感導(dǎo)致電壓尖峰。這可以從圖 2的波形(b)來(lái)清楚地看出。應(yīng)該明白，這個(gè)漏電感由該變壓器的 一次和二次側(cè)之間的耦合的非理想特性所導(dǎo)致的。這種尖峰是非常不 期望出現(xiàn)的，并且會(huì)最終損壞開關(guān)Sb、 Sr和/或控制器20。箝位電路 可用于避免這個(gè)電壓尖峰，但是這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)該保持為最小值的功耗的 增加。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供了一種開關(guān)模式電源變換器，所述變換器包括 變壓器，具有一次繞組和至少一個(gè)二次繞組；一次側(cè)有源開關(guān)器件，耦合到所述一次繞組，用于選擇性地將輸 入電壓施加到所述一次繞組；以及第一二次側(cè)整流電路，包括第一輸出濾波器以及第一和第二有源 開關(guān)器件，其中，所述第一輸出濾波器耦合到所述至少一個(gè)二次繞組，所述第一和第二有源開關(guān)器件耦合在所述至少一個(gè)二次繞組與所述 第一輸出濾波器之間，所述開關(guān)器件被設(shè)置為每個(gè)開關(guān)器件可操作 以阻斷所述至少一個(gè)二次繞組與所述第一輸出濾波器之間的在彼此 相對(duì)的且在不同時(shí)間可彼此轉(zhuǎn)換的方向上的電流。
這能夠更好地調(diào)整所述變換器，并且避免了與上述的現(xiàn)有技術(shù)設(shè) 置相關(guān)聯(lián)的電壓尖峰。還實(shí)現(xiàn)了從所述續(xù)流開關(guān)器件/二極管到所述 第一和第二開關(guān)器件的相對(duì)平穩(wěn)整流，或者從所述第一和第二開關(guān)器件到所述續(xù)流開關(guān)器件/二極管的相對(duì)平穩(wěn)整流。具體地講，所述變 換器可以是正激變換器。所述第一和第二開關(guān)器件可以串聯(lián)耦合在一起，或者可以耦合到 所述至少一個(gè)二次繞組的各端。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述第一和第二開關(guān)器件中的每個(gè)具有控制 端，并且所述變換器包括控制裝置，所述控制裝置耦合到所述控制端 并且可操作來(lái)向所述控制端提供各個(gè)不同的控制信號(hào)以接通和斷開 所述開關(guān)器件。優(yōu)選的是，所述第一和第二開關(guān)器件中的每個(gè)包括FET，所述FET具有源極、漏極和柵極，其中，所述各個(gè)控制端耦合 到所述各個(gè)柵極，并且集成體二極管與所述源極和漏極進(jìn)行并聯(lián)，陽(yáng) 極連接到所述源極，并且陰極連接到所述漏極。在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二開關(guān)器件的漏極可以以它們的 雙向結(jié)構(gòu)耦合在一起。這些開關(guān)器件然后能夠容易地包括在單一封裝 內(nèi)，其中，各個(gè)半導(dǎo)體芯片安裝在共同的引線框上。相對(duì)于兩個(gè)獨(dú)立封裝的器件的設(shè)置，這實(shí)現(xiàn)了成本減小以及所需的空間的減小。此外， 如果所述第一和第二開關(guān)器件的漏極耦合在一起，則它們可以集成到 單一芯片中，這給出了另外的成本減小?；蛘撸龅谝缓偷诙_關(guān) 器件的源極可以耦合在一起。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二開關(guān)器件可以耦合到所述變 壓器的二次繞組的不同端，從而每個(gè)開關(guān)能夠阻斷在所述二次繞組與 所述輸出濾波器之間的在任意方向上的電流。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述電源變換器包括第二二次側(cè)整流電路， 所述第二二次側(cè)整流電路包括第二輸出濾波器和第三有源開關(guān)器件， 所述第三有源開關(guān)器件包括FET，所述FET具有源極、漏極和柵極， 漏極耦合到所述第一和第二開關(guān)器件的漏極，源極耦合到所述第二輸 出濾波器。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，所述第一整流電路的有源開關(guān)器件之一有 效地形成所述第二整流電路的雙向開關(guān)一半，這減少了所需的部件的
數(shù)目并且由此給出了另外的成本節(jié)省。此外，通過(guò)所述第一和第二有 源器件的漏極耦合在一起的這種結(jié)構(gòu)，所述第一、第二和第三開關(guān)器 件可以安裝在單一封裝內(nèi)的共同的引線框之上，更加優(yōu)選的是，所述 第一、第二和第三開關(guān)器件可以被集成到單一芯片中?；蛘?，如果所 述第一和第二開關(guān)器件的漏極連接到所述二次繞組的各端，則第二和 第三開關(guān)可以安裝在共同的引線框之上或者被集成在單一芯片中。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作上述形式的開關(guān)模式電 源變換器的方法，其中，所述第二開關(guān)器件被設(shè)置為可操作以阻斷電 流在從所述至少一個(gè)二次繞組到所述輸出濾波器的方向上流動(dòng)，所述 方法包括如下步驟當(dāng)所述至少一個(gè)二次繞組上的電壓為負(fù)時(shí)，所述 第二開關(guān)器件斷開。當(dāng)所述二次繞組電壓變負(fù)時(shí)，電流從所述第一和 第二有源開關(guān)器件轉(zhuǎn)換到所述續(xù)流開關(guān)。隨后，由于通過(guò)所述開關(guān)器件的電流基本等于零，所以所述第二開關(guān)器件能夠斷開而不會(huì)產(chǎn)生任 何顯著的電壓尖峰。在所述第二繞組電壓為負(fù)的同時(shí)，所述第二開關(guān) 器件可以在任何時(shí)間斷開。當(dāng)所述一次側(cè)開關(guān)斷幵時(shí)，所述二次繞組上的電壓變成零并且在 所述變壓器的漏電感的另一側(cè)形成大的負(fù)電壓。通過(guò)所述漏電感(并 且由此通過(guò)所述第一和第二開關(guān))的電流然后將下降，并且由于通過(guò) 所述線圈的電流將保持恒定，所以通過(guò)所述續(xù)流開關(guān)的體二極管的電 流將上升。這個(gè)電流的變化率取決于所述漏電感的幅度和所述漏電感 上的電壓。這是所述續(xù)流開關(guān)能夠接通的時(shí)刻。在通過(guò)所述第一開關(guān)變成零之前即當(dāng)所述至少一個(gè)二次繞組上 的電壓基本上低于預(yù)定正值或等于零時(shí)，所述第一開關(guān)應(yīng)該現(xiàn)在被斷 開。然后電流開始流過(guò)所述第一開關(guān)的體二極管。實(shí)際上斷開所述第 一開關(guān)的優(yōu)選時(shí)刻是所述二次繞組上的電壓變成零的時(shí)刻。理論上， 為了實(shí)現(xiàn)最大效率，所述第一開關(guān)可以隨后被斷開，最遲此時(shí)所述第 一開關(guān)的電流變成零，但其實(shí)際上更難實(shí)現(xiàn)。所述第二開關(guān)保持接通， 直到通過(guò)所述第一開關(guān)的體二極管的電流已經(jīng)下降到零。當(dāng)這發(fā)生 時(shí)，所述第一開關(guān)的體二極管阻斷，所述二次繞組電壓變負(fù)。此刻或 一定的延遲之后，所述第二開關(guān)能夠在零電流的狀態(tài)下斷開。通過(guò)所
述漏電感的電流已經(jīng)變成零，從而不會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰。
此外，本發(fā)明提供了一種操作上述形式的開關(guān)模式電源變換器的 方法，其中，有源箝位電路設(shè)置在所述一次側(cè)上，所述有源箝位電路
包括電容式器件和第四有源開關(guān)器件，所述電容式器件和第四有源開 關(guān)器件串聯(lián)耦合在一起并且與所述一次繞組并聯(lián)，所述方法包括如下
步驟在所述第四有源開關(guān)斷開以后的預(yù)定時(shí)間之后，將所述一次側(cè) 有源幵關(guān)器件接通，所述預(yù)定時(shí)間取決于所述輸入電壓。通過(guò)這種方 式，所述一次側(cè)電源開關(guān)上的最大電壓被最小化，并且在正常操作期 間，在所述一次側(cè)電源開關(guān)上的電壓基本等于零的同時(shí)，便于接通所 述一次側(cè)電源開關(guān)。由所述變壓器的磁電感導(dǎo)致的磁化電流對(duì)所述一 次側(cè)電壓開關(guān)的寄生電容進(jìn)行放電，同時(shí)所述第二有源開關(guān)斷開。
應(yīng)該明白，于此描述的改進(jìn)的開關(guān)模式電源變換器結(jié)構(gòu)適于多種 應(yīng)用。具體地講，它們的使用有益于使用高電流的諸如個(gè)人計(jì)算機(jī) ("PC")電源的應(yīng)用。


現(xiàn)在將對(duì)照示意性附圖作為例子來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中 圖1示出了已知的開關(guān)模式正激變換器的電路圖； 圖2示出了在圖1所示的電路的操作期間產(chǎn)生的示意性波形； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的開關(guān)模式正激變換器的電
路圖4和圖5示出了在圖3所示的電路的操作期間產(chǎn)生的示意性
波形；
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于調(diào)整開關(guān)Sb的開關(guān)的結(jié)構(gòu) 的電路圖7和圖8示出了在圖6所示的電路設(shè)置的操作期間產(chǎn)生的波
形；
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的具有兩個(gè)電壓輸出的開 關(guān)模式電源變換器的電路圖-，
圖IO示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的也具有兩個(gè)電壓輸出的
開關(guān)模式電源變換器的電路圖ll示出了對(duì)應(yīng)于第四有源開關(guān)器件的斷開與一次側(cè)電源開關(guān) 的接通之間的不同的延遲(死區(qū)時(shí)間)的一次側(cè)電源開關(guān)上的電壓對(duì) 輸入電壓的圖；以及
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的死區(qū)時(shí)間對(duì)輸入電壓的圖。
具體實(shí)施例方式
在圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，設(shè)置有MOSFET器件Sb和 Sr (分別形成第二和第一有源開關(guān)器件，文中已提及)，這與圖1中 的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)置不同，在圖3的實(shí)施例中，該MOSFET器件Sb和 Sr的漏極連接在一起，而在圖l的現(xiàn)有技術(shù)中，MOSFET器件Sb和 Sr的源極連接在一起。通過(guò)使用來(lái)自二次側(cè)控制器22的各自的柵極 信號(hào)，彼此獨(dú)立地對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行調(diào)制。
Sb控制電流并且被稱作"雙方向"開關(guān)，Sr被稱作"整流"開 關(guān)，Sf被稱作"續(xù)流"開關(guān)。
在圖3中，在該二次繞組和Sr之間示出有附加電感線圈Ls，用 于表示寄生電感即該變壓器2的漏電感。
有源箝位電路設(shè)置在一次側(cè)上，該有源箝位電路包括電容器24 和與該電容器24串聯(lián)連接的有源開關(guān)器件S2，其中，該電容器24與 該有源開關(guān)器件S2 —起依次與變壓器2的一次繞組2a并聯(lián)。該一次 側(cè)有源開關(guān)器件S1和S2都從一次側(cè)控制器26接收調(diào)制控制信號(hào)。 提供該有源箝位電路減小了一次側(cè)有源開關(guān)器件與二次側(cè)開關(guān)Sr和 Sb的所需的擊穿電壓額定值(在占空因數(shù)與該輸入電壓成反比的條件 下)，其結(jié)果是，可以使用低成本的器件(例如，US-A-4441146公開 的電路)。
圖4示出了在圖3示出的電路的操作期間產(chǎn)生的示例性波形。除 了鑒于Sr和Sb的獨(dú)立控制示出單獨(dú)的各自控制信號(hào)(ci)和(cii) 以外，該測(cè)量出的信號(hào)對(duì)應(yīng)于圖2所示的那些信號(hào)。
當(dāng)該二次繞組上的電壓Vsec為正時(shí)，Sr能夠接通。圖4的控制 信號(hào)(ci)中的虛線示出了在這種最早機(jī)會(huì)中的Sr的接通。在這個(gè)階
段，Sb仍然斷開，因此易于實(shí)現(xiàn)S1的零電壓開關(guān)。
取決于所需的輸出電壓，通過(guò)該控制器22在一定時(shí)間以后將Sb 接通。為了實(shí)現(xiàn)效率最大化，此時(shí)Sr也應(yīng)該被接通。在圖4的實(shí)施例 中，當(dāng)結(jié)點(diǎn)J變?yōu)檎龝r(shí)，Sr隨后接通。當(dāng)該二次繞組上的電壓隨著S1 的斷開而下降時(shí)，Sr斷開并且Sb保持接通。當(dāng)該二次繞組電壓為負(fù) 時(shí)，電流從Sr和Sb轉(zhuǎn)換到Sf。隨后，Sb能夠被斷開而不會(huì)產(chǎn)生任何 顯著的電壓尖峰。當(dāng)該二次繞組電壓變負(fù)時(shí)，電流從一個(gè)回路轉(zhuǎn)換到 另一個(gè)回路，并且該第一和第二開關(guān)中的電流變成零。
由于該變壓器的固有漏電感Ls，在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)該二次繞組上 的電壓是零。這確保Sr的正確斷開。
從圖4的波形(b)可以看出在該電壓Vsec變負(fù)之前的一小段 時(shí)間內(nèi)該電壓Vsec為零。這個(gè)時(shí)間還是Sr應(yīng)該斷開的時(shí)刻。由于在 Vsec為負(fù)之前Sr必須斷開，所以當(dāng)Vsec為零時(shí)這是合適的斷開Sr 的時(shí)間窗口。這個(gè)Vsec為零的短時(shí)間段由該漏電感導(dǎo)致。于是，在該 二次繞組上的電壓為負(fù)的同時(shí)，能夠在任何時(shí)間來(lái)斷開幵關(guān)Sb。
圖5與圖4相似，除了示出的附加典型波形以外，艮P:
(e) 表示圖3所示的連接Sb、電感線圈6和Sf的結(jié)點(diǎn)J的電壓；
(f) 表示流過(guò)開關(guān)Sb和Sr的電流；
(g) 續(xù)流開關(guān)Sf的邏輯狀態(tài)；以及
(h) 流過(guò)開關(guān)Sf的電流。
一對(duì)標(biāo)記為"A"和"B"的箭頭標(biāo)識(shí)該轉(zhuǎn)換時(shí)間段。 可以看出當(dāng)通過(guò)二次側(cè)控制器將開關(guān)Sb進(jìn)行接通時(shí)，Sf被斷 開并且其體二極管將開始傳輸電流。理論上，為了實(shí)現(xiàn)最大效率，Sf
隨后可以斷開，最遲到其電流變成零的時(shí)刻，但是這很難實(shí)現(xiàn)。只要 電流流過(guò)Sf的體二極管，則結(jié)點(diǎn)J的電壓實(shí)際上保持為零。由于Sb 接通，所以該電壓Vsec實(shí)際上也變成零。在該漏電感線圈Ls的另一 側(cè)形成大的正電壓。其結(jié)果是，電流從Sf轉(zhuǎn)換到Sr和Sb。當(dāng)結(jié)點(diǎn)J 的電壓變正時(shí)，則Sr也接通。或者，Sr可以和Sb同時(shí)接通，或者即 使當(dāng)Vsec變正時(shí)，Sr也接通。當(dāng)一次側(cè)開關(guān)被斷開時(shí)，該二次繞組 上的電壓Vsec變成零并且在該變壓器的漏電感的另一側(cè)上形成大的
負(fù)電壓。于是，通過(guò)該漏電感(因此通過(guò)Sr和Sb)的電流將下降， 并且由于通過(guò)線圈的電流將基本保持恒定，所以通過(guò)Sf的體二極管的 電流將上升。(這個(gè)電流的變化率取決于漏電感的幅度以及漏電感上 的電壓。)這是Sf能夠接通的時(shí)刻。
在通過(guò)該Sr的電流變成零之前，Sr應(yīng)該被斷開。該電流然后開 始流過(guò)其體二極管。實(shí)際上用于斷開Sr的優(yōu)選時(shí)刻是當(dāng)Vsec變成零 時(shí)。理論上，為了實(shí)現(xiàn)最大效率，Sr可以隨后斷開，最遲到其電流變 成零的時(shí)刻，但是實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。Sb保持接通，直到通過(guò)Sr的體 二極管的電流已經(jīng)下降到零。當(dāng)這發(fā)生時(shí)，Sr的體二極管阻斷并且 Vsec變負(fù)。在那個(gè)時(shí)刻或者一定的延遲以后，Sb能夠在零電流的狀 態(tài)下斷開。通過(guò)該漏電感的電流已經(jīng)變成零，并且從而將不會(huì)存在電 壓尖峰。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的操作以調(diào)整開關(guān)Sb的二次側(cè) 控制器22的部分的實(shí)現(xiàn)方式。在示出的實(shí)施例中，示出了電流模式控 制器。應(yīng)該明白，可以采用其它類型的調(diào)整，諸如電壓模式控制或占 空因數(shù)模式控制。
電阻器30和電容器32串聯(lián)連接在一起，并且依次與電感線圈6 并聯(lián)。電壓一電流轉(zhuǎn)換器("V/I轉(zhuǎn)換器")34的輸入跨接在電容器 32之上。該V/I轉(zhuǎn)換器34的負(fù)輸入端連接到另一 V/I轉(zhuǎn)換器36的負(fù)
輸入端，該V/I轉(zhuǎn)換器36具有基準(zhǔn)電壓VREF,該基準(zhǔn)電壓VREF被施
加到該V/I轉(zhuǎn)換器36的正輸入端。變換器36的輸出端連接到結(jié)點(diǎn)38， 對(duì)該結(jié)點(diǎn)38還施加了斜坡波形46。這兩個(gè)電流在結(jié)點(diǎn)38進(jìn)行疊加。 結(jié)點(diǎn)38依次連接到比較器44的正輸入端，同時(shí)變換器34的輸出端連 接到該比較器44的負(fù)輸入端。電阻器40和42將來(lái)自結(jié)點(diǎn)38和變換 器34的電流變換成電壓。
電壓比較器44的輸出端連接到復(fù)位支配鎖存器48的"s"輸入 端。該復(fù)位支配鎖存器48的"r"輸入端相對(duì)于其"s"輸入是支配性 的。信號(hào)"ResetSb"(當(dāng)Vsec是負(fù)時(shí)其邏輯為"1"，并且當(dāng)Vsec 是正時(shí)其邏輯為"0")施加到鎖存器48的"r"輸入。該鎖存器48 的輸出"q"經(jīng)由電平變換器Ls和輸出緩沖器50連接到開關(guān)Sb的柵極?，F(xiàn)在，將描述圖6所示的電路的操作。圖7示出了這些電路的操 作期間產(chǎn)生的示例性波形。波形(1)是二次繞組2b上的電壓Vsec; 波形(2)是信號(hào)"Reset Sb"的邏輯狀態(tài)；波形(3)是開關(guān)Sb的邏輯狀態(tài)。包括跨接在該輸出電感線圈6上的電阻器30和電容器32的RC 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量輸出電流I。如下選擇電阻器30和電容器32的值其中，L是電感線圈6的電感，RL是其串聯(lián)電阻(圖中未示出)。 在這種情況下，該電容器32上的電壓等于該電感線圈的串聯(lián)電阻上 的電壓，從而該測(cè)量出的電壓代表該輸出電流。電容器32上的電壓通過(guò)V/I 34變換成電流，由此，變換器34 的輸出電流由輸出電流Il表示，并且由此在圖6中表示為-lL。變換 器34的負(fù)輸入端的電壓和基準(zhǔn)電壓V^F之間的差通過(guò)變換器36變 換成電流。為了當(dāng)占空因數(shù)小于50%時(shí)避免不穩(wěn)定性，斜坡波形46 加到變換器34的輸出端，從而產(chǎn)生電流I^F。當(dāng)信號(hào)-Il下降到低于IHEF時(shí)，該輸出電流低于用于實(shí)現(xiàn)所需的 輸出電壓所需的輸出電流，從而比較器34和鎖存器48在這些環(huán)境下 在Reset Sb = 0的條件下合作以接通Sb。響應(yīng)于該Reset Sb信號(hào)Sb被接通，其中，當(dāng)Vsec變負(fù)時(shí)，該 Reset Sb信號(hào)變得活躍。圖8示出了與圖7所示的波形(1)到(3)對(duì)應(yīng)的另外波形。 此外，輸出端子8的電壓VouT示出為波形(4)。該附圖示出了圖6 所示實(shí)施例對(duì)該電路的輸出8處的瞬態(tài)波形的響應(yīng)。在示出的例子 中，該輸出電壓臨時(shí)下降，其中，該輸出電壓臨時(shí)下降可以例如由該 輸出電流的增加所導(dǎo)致。當(dāng)該輸出電壓下降時(shí)，Imf増加。這導(dǎo)致Sb的接通時(shí)間的增加。 只要該輸出電壓處于所需的電平時(shí)，Sb的占空因數(shù)被再次穩(wěn)定不管 瞬態(tài)輸出電壓，該變壓器上的二次繞組的電壓Vsec為正的時(shí)間保持 不變，這由此意味著在該二次側(cè)實(shí)現(xiàn)了負(fù)載調(diào)整。該調(diào)整確定Sb接
通的時(shí)刻。由于負(fù)載瞬態(tài)僅僅影響二次側(cè)開關(guān)的占空因數(shù)，所以一次側(cè)開關(guān)Sl的占空因數(shù)未改變。通過(guò)這種方法，與例如為"Large Signal Transient Analysis of Forward Converter with Active-Clamp Reset", IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.l7， No.l, January 2002 中 所述的現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)相比較，SI上的電壓被保持為最小值。為了修改圖1所示的現(xiàn)有電路以加入第二輸出電源，有必要在 該附加電路中提供以與Sb和Sr相同的方式設(shè)置的另外兩個(gè)開關(guān)。相 反，在開關(guān)Sr和Sb的漏極連接在一起的圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施例 的修改中，可以使用比另外需求更少的開關(guān)來(lái)提供附加電路。圖9 示出了提供兩個(gè)電壓輸出的根據(jù)本發(fā)明的電路的實(shí)施例。圖9中的第一電路的開關(guān)Sr和Sb表示為Sri和Sbl。該第二電 路包括雙向開關(guān)Sb2。取代在該第二電路中包括另外的整流開關(guān)Sr2， 在兩個(gè)方向上提供電流阻斷，Sb2的漏極連接到第一電路中的Sri和 Sbl的漏極。通過(guò)這種方法，在該第一和第二電路之間共享該單一整 流開關(guān)Srl。應(yīng)該明白，對(duì)另外開關(guān)的需求的消除會(huì)導(dǎo)致成本節(jié)省。此外，由于開關(guān)Srl、 Sbl和Sb2的漏極都連接在一起，所以這 些開關(guān)能夠被安裝在單一封裝內(nèi)的公共引線框上(由圍欄40示意性 指示)，或者甚至能夠集成在單一芯片中，這給出了另外的成本減小。 這還意味著，較少封裝需要被安裝在該最終器件中的散熱片上，這顯 著地減小了所需的空間量。圖10示出了具有兩個(gè)電壓輸出的根據(jù)本發(fā)明的電路的其它實(shí)施 例。圖10的電路與圖9的電路具有相似部件，這些相同部件由相同 的參考標(biāo)號(hào)表示。如圖10所示，該第一和第二有源開關(guān)Srl和Sbl的漏極連接在 該變壓器的二次繞組的不同端上，該雙向開關(guān)Sbl為"高邊"，從 而該一對(duì)開關(guān)Srl和Sbl能夠在該變壓器和該輸出濾波器之間的任一 方向上阻斷電流(即，雙向電流阻斷)。技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以使用連接有源開關(guān)Srl、 Sbl的替代器 件來(lái)取代圖3的實(shí)施例中的開關(guān)Sr、 Sb的器件，以形成根據(jù)本發(fā)明 的具有單一輸出電壓的電路。在此裝置中，根據(jù)期望的實(shí)施方式，該
開關(guān)Sr、 Sb的源極或漏極可以連接到二次繞組的不同端。此外，圖10的實(shí)施例具有用于提供第二輸出電壓的第二整流電 路，該第二整流電路包括第三有源(電流控制)開關(guān)Sb2、續(xù)流開關(guān) Sf2以及由電感線圈和電容器形成的第二輸出濾波器。該第三有源開 關(guān)Sb2的漏極耦合到開關(guān)器件Sbl的漏極，該第二和第三開關(guān)Sbl 和Sb2耦合在該變壓器的高邊之上。由于在該第一和第二整流電路 之間共享該開關(guān)Srl以提供雙向電流阻斷，所以這種設(shè)置避免了對(duì)該 第二電路中的另外有源開關(guān)的需求。為了將圖3所示的電路的操作期間的一次側(cè)開關(guān)Sl的開關(guān)損失 最小化，當(dāng)S1上的電壓為零時(shí)，Sl被接通。 一旦已經(jīng)通過(guò)磁化電流 對(duì)開關(guān)Sl的寄生電容進(jìn)行放電，則這是可行的。在開關(guān)S2已經(jīng)斷 開以后，在接通開關(guān)S1之前，該系統(tǒng)必須等待某"死區(qū)時(shí)間"。這 個(gè)死區(qū)時(shí)間的缺點(diǎn)在于對(duì)該變換器進(jìn)行復(fù)位所需的時(shí)間被該死區(qū)時(shí) 間的長(zhǎng)度減少了。如果用于對(duì)該變換器進(jìn)行復(fù)位所花費(fèi)的時(shí)間與這個(gè) 死區(qū)時(shí)間相比較而言相對(duì)較長(zhǎng)，則該復(fù)位電壓的增加是最小的。然而， 在低輸入電壓下，該復(fù)位時(shí)間是短的，并且這個(gè)時(shí)間的任何減小會(huì)導(dǎo) 致該復(fù)位電壓的顯著增加。這會(huì)導(dǎo)致Sl上的最大電壓增加，由于上 面給出的原因這不是期望的。圖11示出了對(duì)應(yīng)于不同死區(qū)時(shí)間(Td)的Sl上的電壓對(duì)輸入 電壓的圖。為零的死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生了由點(diǎn)線表示的圖，同時(shí)有限死區(qū)時(shí) 間導(dǎo)致由虛線標(biāo)記的圖。可以看出，在后者情況下，在低輸入電壓下， Sl上的電壓顯著增加。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，如圖12所示，在給出的輸入電壓(例如， 250V)之下該死區(qū)時(shí)間線性減少。在這個(gè)電壓閾值之上，該死區(qū)時(shí) 間維持恒定水平。以這種方式下降到零的死區(qū)時(shí)間的變化導(dǎo)致開關(guān) Sl上的電壓隨著圖11中實(shí)線所示的輸入電壓而變化?？梢钥闯觯?對(duì)虛線，在低輸入電壓時(shí)Sl上的電壓顯著減小。實(shí)際上，優(yōu)選的是，可以不通過(guò)降低輸入電壓使該死區(qū)時(shí)間下 降到零，但是，例如，可以將該死區(qū)時(shí)間下降到一定值，從而使得 Vin=150V時(shí)的Vreset + Vin(—次主開關(guān)上的電壓)的電壓等于Vin=400V時(shí)的Vreset + Vin。通過(guò)這種方式，該一次主開關(guān)上的電壓被 最小化，但是該死區(qū)時(shí)間仍然保持到最大值(Vinminimun=150V, Vinmaximum=400V)。盡管在達(dá)到某壽命需求的有限時(shí)間期間內(nèi)允許 低于該擊穿電壓的較高漏極電壓，但是這也是真實(shí)的。上述電源變換器的結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用用在個(gè)人計(jì)算機(jī)("PC") 的電源中。例如，在申請(qǐng)人的共同待決歐洲專利申請(qǐng)N0.03104073.6 中描述了這種電源。對(duì)能夠傳遞更多電能但是卻具有較大效率和較低 成本的PC的電源的需求增加。實(shí)施本發(fā)明的電源可以被配置來(lái)解決 這些問(wèn)題。通過(guò)閱讀本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白其它變型和修改。這 些變型和修改可以涉及本領(lǐng)域中已知的并且可以被利用以替代或增加 文中描述的特征的等價(jià)物和其它特征。盡管在本申請(qǐng)中己經(jīng)將權(quán)利要求闡述為特征的特定組合，但是應(yīng) 該明白，本發(fā)明的范圍還包括任何新穎特征或者明確地或暗含地或概括性地于此公開的特征的新穎組合，而無(wú)論它是否涉及與在任何權(quán)利 要求中所述的發(fā)明相同的發(fā)明，無(wú)論它是否解決與本發(fā)明所解決的技 術(shù)問(wèn)題相同的任何或所有技術(shù)問(wèn)題。在各個(gè)實(shí)施例的文本中所述的特征還可以組合在單一實(shí)施例中。 相反，為簡(jiǎn)潔描述于單一實(shí)施例的文本中的各個(gè)特征還可以單獨(dú)提供 或以任何適合的子組合方式進(jìn)行提供。因此，申請(qǐng)人給出通知在本 申請(qǐng)或從本申請(qǐng)衍生出的任何另外申請(qǐng)的審査期間，新的權(quán)利要求可 以闡述為這些特征和/或這些特征的組合。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)模式電源變換器，所述變換器包括變壓器(2)，具有一次繞組(2a)和至少一個(gè)二次繞組(2b)；一次側(cè)有源開關(guān)器件(S1)，耦合到所述一次繞組，用于選擇性地將輸入電壓施加到所述一次繞組；以及第一二次側(cè)整流電路，包括第一輸出濾波器(6，12)以及第一和第二有源開關(guān)器件(16，14)，其中，所述第一輸出濾波器(6，12)耦合到所述至少一個(gè)二次繞組(2b)，所述第一和第二有源開關(guān)器件(16，14)耦合在所述至少一個(gè)二次繞組(2b)與所述第一輸出濾波器之間，這兩個(gè)開關(guān)器件被設(shè)置為每個(gè)開關(guān)器件均可操作以阻斷所述至少一個(gè)二次繞組與所述第一輸出濾波器之間的在彼此相對(duì)的且在不同時(shí)間可彼此轉(zhuǎn)換的方向上的電流。
2. 如權(quán)利要求1所述的電源變換器，其中，所述第一和第二開 關(guān)器件(16， 14)中的每個(gè)均具有控制端，并且所述變換器包括控制 裝置(22)，所述控制裝置(22)耦合到所述控制端并且可操作以向 所述控制端提供各自不同的控制信號(hào)以斷開和閉合所述開關(guān)器件。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電源變換器，其中，所述第一和第 二開關(guān)器件(16， 14)中的每個(gè)均包括具有源極、漏極和柵極的FET， 所述各個(gè)控制端耦合到所述各個(gè)柵極。
4. 如權(quán)利要求3所述的電源變換器，其中，所述第一和第二開 關(guān)器件(16， 14)的漏極分別連接到所述二次繞組(2b)的第一和第—上山 J而o
5. 如權(quán)利要求4所述的電源變換器，所述電源變換器包括第二二次側(cè)整流電路，所述第二二次側(cè)整流電路包括第二輸出濾波器；以及第三有源開關(guān)器件(Sb2)，所述第三有源開關(guān)器件(Sb2)包括FET，所述FET具有源極、漏極和柵極，其 中，所述漏極耦合到所述第二開關(guān)器件(14)的漏極，所述源極耦合 到所述第二輸出濾波器。
6. 如權(quán)利要求5所述的電源變換器，其中，所述第二和第三開 關(guān)器件(14， Sb2)安裝在共同的引線框之上。
7. 如權(quán)利要求5或6所述的電源變換器，其中，所述第二和第 三開關(guān)器件(14， Sb2)被集成到單一芯片中。
8. 如權(quán)利要求3所述的電源變換器，其中，所述第一和第二開 關(guān)器件(16， 14)的漏極耦合在一起。
9. 如權(quán)利要求8所述的電源變換器，其中，所述第一和第二開 關(guān)器件(16， 14)安裝在共同的引線框之上。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的電源變換器，其中，所述第一和第 二開關(guān)器件(16， 14)被集成到單一芯片中。
11. 如權(quán)利要求8到10中的任何一個(gè)所述的電源變換器，所述 電源變換器包括第二二次側(cè)整流電路，所述第二二次側(cè)整流電路包 括第二輸出濾波器；以及第三有源開關(guān)器件(Sb2)，所述第三有源開關(guān)器件(Sb2)包括FET，所述FET具有源極、漏極和柵極，其 中，所述漏極耦合到所述第一和第二開關(guān)器件(16， 14)的漏極，所 述源極耦合到所述第二輸出濾波器。
12. 如權(quán)利要求11所述的電源變換器，其中，所述第一、第二 和第三開關(guān)器件(16， 14， Sb2)中的至少兩個(gè)安裝在共同的引線框 之上。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的電源變換器，其中，所述第一、第二和第三開關(guān)器件(16， 14， Sb2)中的至少兩個(gè)被集成到單一芯 片中。
14. 一種包括任一上述權(quán)利要求所述的電源變換器的PC電源。
15. —種操作如權(quán)利要求1到13中的任何一個(gè)所述的開關(guān)模式 電源變換器的方法，其中，所述第二開關(guān)器件(14)被設(shè)置為可操作 以阻斷電流在從所述至少一個(gè)二次繞組(2b)到所述輸出濾波器(6， 12)的方向上流動(dòng)，所述方法包括如下步驟當(dāng)所述至少一個(gè)二次繞 組(2b)上的電壓為負(fù)時(shí)，所述開關(guān)器件(14)斷開。
16. —種操作如權(quán)利要求1到13中的任何一個(gè)所述的開關(guān)模式 電源變換器的方法或者一種如權(quán)利要求15所述的操作方法，其中， 所述第一開關(guān)器件(16)被設(shè)置為可操作以阻斷電流在從所述輸出濾 波器(6， 12)到所述至少一個(gè)二次繞組(2b)的方向上流動(dòng)，所述 方法包括如下步驟當(dāng)所述至少一個(gè)二次繞組上的電壓基本上低于預(yù) 定正值或者基本等于零時(shí)，所述第一開關(guān)器件斷開?！?. —種操作如權(quán)利要求1到13中的任何一個(gè)所述的開關(guān)模式 電源變換器的方法或者一種如權(quán)利要求15或16所述的操作方法，其 中，有源箝位電路(24， S2)設(shè)置在所述一次側(cè)上，所述有源箝位 電路(24， S2)包括電容式裝置(24)和第四有源開關(guān)器件(S2)， 所述電容式器件(24)和第四有源開關(guān)器件(S2)串聯(lián)耦合在一起， 并且與所述一次繞組(2a)并聯(lián)，所述方法包括如下步驟在所述第 四有源開關(guān)(S2)斷開以后的預(yù)定時(shí)間之后，將所述一次側(cè)有源開 關(guān)器件(Sl)接通，所述預(yù)定時(shí)間取決于所述輸入電壓。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種開關(guān)模式電源變換器，所述變換器包括變壓器(2)，具有一次繞組(2a)和至少一個(gè)二次繞組(2b)；一次側(cè)有源開關(guān)器件(S1)，耦合到所述一次繞組，用于選擇性地將輸入電壓施加到所述一次繞組；以及二次側(cè)整流電路，包括輸出濾波器(6，12)以及第一和第二有源開關(guān)器件(16，14)，其中，所述輸出濾波器(6，12)耦合到所述至少一個(gè)二次繞組(2b)，所述第一和第二有源開關(guān)器件(16，14)耦合在所述至少一個(gè)二次繞組(2b)與所述輸出濾波器之間。所述開關(guān)器件被設(shè)置為每個(gè)開關(guān)器件可獨(dú)立于另一個(gè)進(jìn)行操作以阻斷在所述至少一個(gè)二次繞組與所述輸出濾波器之間的在彼此相對(duì)方向上的電流。這使得能夠更好地調(diào)整所述變換器并且避免在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中所遇到的電壓尖峰的出現(xiàn)。
文檔編號(hào)H02M3/335GK101160707SQ200680007881
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月11日
發(fā)明者彼得·德根, 漢弗萊·德格魯特, 簡(jiǎn)·迪肯 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司