專利名稱：多功能集成直流變換器的制作方法
多功能集成直流變換器
背景介紹 發(fā)明所屬々頁(yè)域
本發(fā)明屬于在現(xiàn)代直流功率變換領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)創(chuàng)新。本發(fā)明提供了 一種 多功能集成直流變換器的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念。由該概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可
以以一個(gè)統(tǒng)一的集成直流變換器結(jié)構(gòu)靈活地提供升壓(Boost)、降壓 (Buck)、升降壓(Buck-Boost)和(SEPIC)反極性升降壓和反激式變 換等電路結(jié)構(gòu)及同步、并聯(lián)等多種直流電源變換操作功能。從而降低了 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本?？s短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。并為使用者提供了一種簡(jiǎn)單、 高效率，并且功能極佳的直流變換解決方案。并大大地減少了多種產(chǎn)品 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的工作量及關(guān)鍵元器件種類。
相關(guān)的領(lǐng)域描述
隨著各種電子技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用及分布式電源結(jié)構(gòu)的推廣，對(duì)非隔 離式直流電源變換器的要求也越來(lái)越高，并且種類日益多樣化。面對(duì)這 樣的情形，電源設(shè)計(jì)師往往需要選用多種不同的芯片滿足不同層次的要 求。這不僅使得設(shè)計(jì)師花費(fèi)大量的時(shí)間去熟悉各種不同的直流變換器集 成電路產(chǎn)品和相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)。同時(shí)也使得生產(chǎn)中必須釆購(gòu)多種不同的 變換器元器件。另一方面，對(duì)于某些特殊的應(yīng)用要求，如輸出電壓高于 輸入電壓最低限，但低于輸入電壓的最高限的情況下，變換器的電路結(jié) 構(gòu)往往會(huì)面臨顧此失彼的情形。采用圖1 (a)的先升壓后降壓或涂圖1 (b)的確先降壓后升壓的方案，總體效率不高，且所用的元件數(shù)量較 多。圖2的SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter)元
件數(shù)量較少，但電感結(jié)構(gòu)較復(fù)雜并且體積較大。轉(zhuǎn)換效率也不太高。效 率最好的是如圖3所示的組合式升降壓電路(Buck-Boost)結(jié)構(gòu)。這種
電路結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)轉(zhuǎn)換電路之間有密切的配合，以達(dá)到了效率的協(xié)調(diào)操 作，并避免在變換模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中所產(chǎn)生的擾動(dòng)。目前巿場(chǎng)上有少量的 專用控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)這種電路結(jié)構(gòu)。但這類專用芯片只適合于這種特殊
的應(yīng)用場(chǎng)合。用于其它應(yīng)用時(shí)會(huì)浪費(fèi)可觀的硬件資源，并且不經(jīng)濟(jì)。另 夕卜，各種電子線路對(duì)直流電源的電流容量及輸出電壓要求也有很大的差 異。
可并聯(lián)操作的功能將使得直流變換器的容量使用范圍大大地?cái)U(kuò)展。本方 案提出了如何以較少種類的直流變換的產(chǎn)品來(lái)滿足這些日益多樣化的 需求，并提供了高性能的電路結(jié)構(gòu)，也成為一個(gè)具有技術(shù)挑戰(zhàn)性和實(shí)際 經(jīng)濟(jì)價(jià)值的課題?；谏鲜銮樾危景l(fā)明提出了如下多功能直流電源變 換器的設(shè)計(jì)概念以期用最優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)成本以及優(yōu) 良的工作性能來(lái)滿足盡量廣的市場(chǎng)需求。


圖1 描述了先升壓后降壓或先降壓后升壓電路結(jié)構(gòu) 附圖1 (a)中的文字注釋
DC+ —- llr入電壓正才及端 DC--—輸入電壓負(fù)極端
1、 7 —-電感 4、 8 ---電容
2、 5 -—電子功率開(kāi)關(guān)管
3、 6 —- 二極管 Vo —-輸出電壓
附圖1 (b)中的文字注釋
DC+ -—輸入電壓正極端 DC- —-輸入電壓負(fù)極端
3、 5 -—電感
4、 8 —-電容
1、 6 —-電子功率開(kāi)關(guān)管
2、 7 -— 二極管 Vo —-輸出電壓
圖2描述了 SEPIC (Single Ended Primary Inductance Converter) 的一般結(jié)構(gòu) 附圖中的文字注釋
DC+—-輸入電壓正極端
DC-一-輸入電壓負(fù)極端
Is 4-—電感
3、 6---電容
2 —-電子功率開(kāi)關(guān)管
5 ——二極管
Vo —-輸出電壓
圖3描述了組合式升降壓電路(Buck-Boost)結(jié)構(gòu) 附圖中的文字注釋
DC+ ---輸入電壓正才及端 DC- 一-輸入電壓負(fù)極端
3 —-電感 6 -—電容
1、 4 ——電子功率開(kāi)關(guān)管
2、 5 —- 二極管 Vo —-輸出電壓
圖4 描述了本專利的多功能電源變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖 附圖4 (1)中的文字注釋
DC+ ---輸入電壓正極端 DC- ---輸入電壓負(fù)極端
4 -—電感
5---電容
2 、 3 -—電子功率開(kāi)關(guān)管
1 —-控制及驅(qū)動(dòng)電^各 Vo —-輸出電壓
附圖4 (2)中的文字注釋
DC+ ---輸入電壓正4及端 DCI——輸入電壓負(fù)極端
4 -—變壓器 5—-電容
2、 2A、 2B、 3、 3A、 3B -—電子功率開(kāi)關(guān)管
1、 1A、 1B -—控制及驅(qū)動(dòng)電絲^ Vo -—— l命出電壓
圖5 描述了本專利的脈寬調(diào)制時(shí)序控制概念 附圖5中的文字注釋
VG2、 VG3、-—功率開(kāi)關(guān)2和3的門(mén)極控制信號(hào) VG2A、 VG2B、 VG3A、 VG3B -—功率開(kāi)關(guān)2A、 2B、
3A、 3B的門(mén)極控制信號(hào) SYNC —OUT -—同步輸出信號(hào)
圖6 在升壓變換和降壓變換操作最小脈寬的控制方法 附圖6中的文字注釋
DC+ —-輸入電壓正極端
GND -— 4妾地端
CR —-時(shí)鐘振蕩器頻率設(shè)定端
C --- 電容
I——電;危源
5 ---放電控制開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)
R ---電阻
tf 一- CR振蕩波形下降段時(shí)間
發(fā)明的詳細(xì)描述
本發(fā)明的核心思想是用一種特有的電路設(shè)計(jì)來(lái)滿足所有主要的直流變 換器拓?fù)浼軜?gòu)。電路的多種直流模式選擇和同步及并聯(lián)等功能又可以進(jìn) 一步形成多塊直流變換組合操作。以一個(gè)高效率核心電路設(shè)計(jì)來(lái)支持多 種多樣直流電源變換電路需求。該核心電路采用了統(tǒng)一的雙型M0SFET 橋式電路，所能支持的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 (a)所示為同步式降壓(Buck)變壓器拓?fù)?，控制及?qū)動(dòng)電路1 控制功率開(kāi)關(guān)2和3做交替的導(dǎo)通和關(guān)斷操作。輸入端的能量在開(kāi)關(guān)過(guò) 程中，通過(guò)電感4和電容5的儲(chǔ)能作用在輸出端形成所需要的直流電壓。 輸出電壓通過(guò)控制開(kāi)關(guān)2的導(dǎo)通占空比進(jìn)行來(lái)調(diào)節(jié)。輸出電壓和輸入電 壓的關(guān)系為Vo=D * Vi，其中D即為功率開(kāi)關(guān)2的導(dǎo)通占空比0<D<1.圖4
(b)所示為同步式升壓(Boost)變換器拓?fù)?，功率開(kāi)關(guān)2和3在控制 驅(qū)動(dòng)電路l的控制下做交替導(dǎo)通關(guān)斷操作。輸入端能量在開(kāi)關(guān)搡作過(guò)程 通過(guò)電感4和電容5的儲(chǔ)能作用在輸出端形成所需要的直流電壓。輸出 電壓的高低通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)3的導(dǎo)通占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓和輸 入電壓關(guān)系為Vo-Vi/l-D,其中D是功率開(kāi)關(guān)3的導(dǎo)通占空比0<D<1。 圖4 (a)的降壓變換電路只能提供低于輸入電壓的輸出電壓。而在圖4
(b)的升壓變換電路中，輸出電壓一定要高于輸入電壓。否則無(wú)法實(shí) 現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。圖4 (c)和圖4 (d)所示的轉(zhuǎn)換電路可以獲得任意值的 輸出電壓。也即輸出電壓值可以比輸入電壓低也可以比輸入電壓高。故 稱為升降壓變換電路。又因?yàn)檩敵鲭妷汉洼斎腚妷簶O性相反。所以準(zhǔn)確 地說(shuō)是反極性升降壓變換電路。
輸出電壓和輸入電壓關(guān)系為Vo= (D/l-D) * (Vi)。其中D為圖4(c) 中功率開(kāi)關(guān)3和圖4 (d)中功率開(kāi)關(guān)2的導(dǎo)通占空比0<D<1。
要取得和輸入電壓極性相同，且任意可調(diào)的輸出電壓轉(zhuǎn)換電路相對(duì)比較
復(fù)雜。圖1中所示的先升壓后降壓或先降壓后升壓電路結(jié)構(gòu)即為一個(gè)例 子。類似這樣的做法所用的元器件數(shù)量比較多，效率方面的功率轉(zhuǎn)換損 失也比較大。圖4(e)所示的組合式升降壓轉(zhuǎn)換電路只使用一個(gè)電感和 一個(gè)電容，即可以獲得和輸入同極性的任意輸出電壓，而且可以達(dá)到很 高的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，由2B、 3B和4、 5組成的 升壓電路進(jìn)入飽和狀態(tài)，也即3B截止，2B全導(dǎo)通，輸出電壓由2A、 3A 組成的降壓電路來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，由2A、 3A和電 感4,電容5組成降壓變換電路進(jìn)入飽和狀態(tài)，既3A截止，2A全導(dǎo)通， 輸出電壓由2B、 3B和電感4、電容5組成升壓電路來(lái)調(diào)節(jié)。這種變換 電路在大部分輸入電壓范圍內(nèi)只有一組變換器電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，另一 組處于飽和狀態(tài)。只有開(kāi)關(guān)管直流導(dǎo)通損耗，故其效率比較高。在輸入 電壓非常接近輸出電壓時(shí)，升壓電路和降壓電路進(jìn)入臨界交替狀態(tài)。這 時(shí)這兩組電路的開(kāi)關(guān)操作需要很好地協(xié)調(diào)。以保證平穩(wěn)地過(guò)渡過(guò)程。同 時(shí)，兩組電路的開(kāi)關(guān)動(dòng)作也需要同步。在這種情況下，使用本專利所定 義的多功能集成變換器電路1A和1B,組合起來(lái)如圖4 (e)中所示，1A
設(shè)置為降壓變換工作模式，1B設(shè)置為升壓變換模式，兩個(gè)電路通過(guò)特 定的控制接口信號(hào)可以互相同步協(xié)調(diào)動(dòng)作來(lái)完成上述的組合式升降壓 變換操作。
除了圖4 (e)所示的組合式升降壓變換電路拓?fù)?，本專利的電路概?還可以支持反激式和SEPIC轉(zhuǎn)換電路。這兩種電路所用的元器件更少。 但在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中所經(jīng)過(guò)的損耗環(huán)節(jié)比較多，效率低于圖4 (e)所 示的組合式升降壓電路。圖4 (f )所示為反激式變換電路結(jié)線方式。 圖4(g)為SEPIC電路拓?fù)?。圖4(f)中變壓器4的漏電感會(huì)額外增加 轉(zhuǎn)換過(guò)程的能量消耗。圖4 (g)比圖4 (f )中的電路多增加了一個(gè)電 容器6,該電容可以吸收變壓器4初級(jí)的漏感能量，并在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周 期開(kāi)關(guān)2導(dǎo)通時(shí)，把能量轉(zhuǎn)換到變壓器的次級(jí)成為有用的輸出能量。
在實(shí)現(xiàn)上述變換功能時(shí)，只需把轉(zhuǎn)換控制電路1設(shè)定在升壓模式即可 以有效地控制圖4 (f )和圖(g)所示的電路操作。
這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)用本發(fā)明的概念所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以有多種不同的組合方 式。既可以是如圖4電路中所示的控制驅(qū)動(dòng)電路l,做成一個(gè)單獨(dú)的控 制芯片，使用外接功率開(kāi)關(guān)2和開(kāi)關(guān)3來(lái)組成變換器。也可以把控制驅(qū) 動(dòng)電路1和功率開(kāi)關(guān)元件2和3集成在一起的集成轉(zhuǎn)換器電路。同時(shí)集 成變換器還可以允許外接并聯(lián)開(kāi)關(guān)器件來(lái)擴(kuò)展容量。圖4中所示各種電 路拓?fù)?，都可以用一個(gè)N型M0SFET,橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以到達(dá) 最高的統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)镹型M0SFET的開(kāi)關(guān)特性通常都優(yōu)于P型。 這里應(yīng)該提醒功率開(kāi)關(guān)元件2和3除了釆用N型MOSFET，也可以釆用P 型MOSFET或雙極型晶體管，或其它半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件。以及不同類 型開(kāi)關(guān)器件的組合。由l、 2和3組成的集成變換器電路又可以并聯(lián)使 用。圖4(h)所示為降壓式變換器并聯(lián)使用的接線。這種并聯(lián)概念也 可以推廣到圖4(b)、 (c)、(d)、(e)、 (f)、 (g)等所示的各種變換器
電路。為了使用一個(gè)統(tǒng)一的電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述多種變換器電路拓?fù)涔?能，控制驅(qū)動(dòng)電路使用如下信號(hào)來(lái)達(dá)到電路功能的靈活設(shè)置和配合
a)、同步信號(hào)該信號(hào)擔(dān)負(fù)頻率同步，開(kāi)關(guān)搡作時(shí)間配合控制和工作 狀態(tài)連續(xù)控制的三個(gè)主要功能。當(dāng)這個(gè)使端口接收到 一個(gè)脈沖序列時(shí)， 控制電路l的開(kāi)關(guān)操作頻率就會(huì)和脈沖序列的頻率同步起來(lái)。同時(shí)，控 制電路1的門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)也按如下時(shí)序和同步信號(hào)配合當(dāng)電路工作在 降壓模式時(shí)(Buck),功率開(kāi)關(guān)2的導(dǎo)通信號(hào)前沿受同步信號(hào)前沿觸發(fā)， 當(dāng)電路工作在升壓模式時(shí)(Boost),功率開(kāi)關(guān)3的信號(hào)前沿受同步信號(hào) 前沿的觸發(fā)，圖5 (a)波形圖描述了這樣的信號(hào)控制時(shí)序。
這樣的時(shí)序配合可以保證整個(gè)電路在升降轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)附近穩(wěn)定地工 作。圖5中所描述的同步信號(hào)為正邏輯，功率開(kāi)關(guān)2A、 3A、 2B、 3B均 為N型MOSFET。如果釆用其它不同的功率開(kāi)關(guān)類型，則相應(yīng)的信號(hào)波 形也須隨著改變。這里不再贅述。
在控制升降壓級(jí)開(kāi)關(guān)時(shí)序的同時(shí)，同步端口的信號(hào)也被用來(lái)作為升、 降壓操作的連鎖控制。圖4 (e)所示電路通常在輸入電壓高于輸出 電壓時(shí)，降壓級(jí)工作，升壓級(jí)處于飽和狀態(tài)。如果升壓級(jí)和降壓級(jí)在 某種情形下同時(shí)工作，整個(gè)變換電路的效率會(huì)大大下降。為了避免這 種情形發(fā)生，在同步端，接收到的信號(hào)脈沖寬度可以被用來(lái)進(jìn)行連鎖 控制。當(dāng)所接收到同步信號(hào)脈寬大于設(shè)定的最小值時(shí)，被同步的從控 制電路將把主動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)限制在最小值。主動(dòng)門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào) 指的是對(duì)輸出電壓有直接控制作用的信號(hào)。也即Buck電路中開(kāi)關(guān)2的 門(mén)控信號(hào)，或Boost電路中開(kāi)關(guān)3的門(mén)控信號(hào)。這樣主控制電路用主 動(dòng)門(mén)極信號(hào)做同步信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)組合式升降壓變換電路中的升壓 級(jí)和降壓級(jí)電路之間的連鎖控制。
b) 、控制電路l設(shè)置模式控制信號(hào)輸入，用高低邏輯電平選擇電路的 工作模式。圖4 (a)和圖(e)中的降壓變換電路，也即由1A、 2A、 3A等組成的電路，通過(guò)模式控制設(shè)置成降壓模式，圖4(e)中的升壓 變換電路以及圖4 (b)、 (c)、 (d)、 (f)、 (g)中的電路則設(shè)置為升壓模 式。
c) 、當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件2、 3和控制驅(qū)動(dòng)電路1集成在一起時(shí)，對(duì)外仍提
供門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這樣在高功率操作時(shí)，可以直接外加并聯(lián)開(kāi)關(guān) 器來(lái)擴(kuò)充容量。 d)、在升壓式降壓變換操作時(shí)功率開(kāi)關(guān)的最小脈沖釆用圖6中所示的
方法來(lái)控制。圖中CR端子為控制電路時(shí)鐘振蕩器的設(shè)定端，CR端 的振蕩波形如圖所示，端子上的電阻R和電容決定CR波形的上升 段。當(dāng)CR波形由于放電開(kāi)始下降，下降的速度主要由電容C的值 和電流源I的大小決定。本專利用這個(gè)CR波形下降段的時(shí)間來(lái)控 制功率開(kāi)關(guān)3的最小導(dǎo)通狀態(tài)。這種做法同時(shí)也使得功率開(kāi)關(guān)的 開(kāi)關(guān)操作和CR波形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。從而有利于按照?qǐng)D5的控制 時(shí)序關(guān)系來(lái)協(xié)調(diào)功率開(kāi)關(guān)的操作。
本發(fā)明的總結(jié)
本發(fā)明的目的就是要提供一種高性能、低功耗、電路簡(jiǎn)單而且成本低 廉的直流功率變換器方案。
權(quán)利要求
1.本專利所描述的多功能集成直流變換器。該變換器具有變換模式設(shè)置功能?？梢允褂媒y(tǒng)一的雙N型MOSFET直流功率變換電路實(shí)現(xiàn)圖4所描述的各種變換器電路和圖4(e)中的同步降壓電路部分時(shí)，控制電路設(shè)置為降壓操作模式。當(dāng)實(shí)現(xiàn)圖4(b)中所描述的同步升壓電路，圖4(c)和圖4(d)所描述的反極性同步升降壓電路，圖4(e)中同步升壓電路部分，圖4(f)所描述的同步反激變換電路，和圖4(g)所描述的SEPIC同步變換電路時(shí)，控制電路設(shè)置為升壓模式。
2. 上述多功能集成直流變換器所采用的特有的脈寬調(diào)制信號(hào)時(shí)序控制方法如圖5所描述該方法在降壓工作模式時(shí)，主功率開(kāi)關(guān)2的導(dǎo)通信號(hào)前沿 和同步信號(hào)的上升沿一致。在升壓操作模式時(shí)，主功率開(kāi)關(guān)3的導(dǎo)通信 號(hào)前沿和同步信號(hào)上升沿一致。這樣的開(kāi)關(guān)信號(hào)時(shí)序控制在實(shí)現(xiàn)圖4(e)所描述的組合式升降壓變換電路時(shí)，可以很方便地協(xié)調(diào)升壓級(jí)和降壓級(jí) 的開(kāi)關(guān)操作。
3. 在組合式升降壓變換電路操作時(shí)的開(kāi)關(guān)連鎖控制概念。當(dāng)升壓低端開(kāi)關(guān)3的導(dǎo)通時(shí)間大于最小脈寬時(shí)，降壓級(jí)保持飽和狀態(tài)。當(dāng)降壓電路低端 開(kāi)關(guān)3導(dǎo)通時(shí)間大于最小脈寬時(shí)，升壓級(jí)電路保持飽和狀態(tài)。有效地避 免了升壓電路和降壓電路同時(shí)工作的可能性。
4. 在脈寬調(diào)制過(guò)程中，用PWM振蕩器波形的下降時(shí)區(qū)來(lái)控制低端功率開(kāi)關(guān) 的最小脈沖寬度。低端功率開(kāi)關(guān)3在振蕩波形的下降級(jí)始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。從而保證了開(kāi)關(guān)3的最小的導(dǎo)通時(shí)間。CR波形下降段的時(shí)間可 以通過(guò)振蕩電容c的電容量的選擇結(jié)合放電電流源I的大小來(lái)調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多功能集成直流功率變換器的設(shè)計(jì)概念?？梢杂靡粋€(gè)統(tǒng)一的由N型MOSFET所組成的功率變換主電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所有常用的非隔離式同步直流電源變換拓?fù)涔δ堋Ｍ瑫r(shí)也提出了一種獨(dú)特的脈寬調(diào)制信號(hào)的時(shí)序控制方法。使用此種控制方法，直流變換器控制電路既可以作為單獨(dú)的多功能控制器使用，也可以方便地組成互相協(xié)調(diào)工作的組合式升降壓同步直流變換器。
文檔編號(hào)H02M3/24GK101106327SQ200710041589
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月1日
發(fā)明者范劍平 申請(qǐng)人:艾默龍電子科技(嘉興)有限公司