專(zhuān)利名稱(chēng)：斬波變換器中的過(guò)壓限制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電子電路，更具體地，本發(fā)明涉及使用變壓器的開(kāi)關(guān)模式電源 電路。
背景技術(shù)：
在使用變壓器的開(kāi)關(guān)模式電源中，在變壓器次級(jí)的一個(gè)或者多個(gè)靜態(tài)開(kāi)關(guān)(例 如，續(xù)流二極管)由于所謂的電荷恢復(fù)現(xiàn)象而在被關(guān)斷(被打開(kāi))時(shí)可能產(chǎn)生電壓峰值。 開(kāi)關(guān)需要耐受這樣的反向過(guò)壓?，F(xiàn)在，開(kāi)關(guān)越能夠耐受反向過(guò)壓，其正向電壓降越大， 因此變換器的效率越低?，F(xiàn)已提出與續(xù)流二極管并聯(lián)地將電容元件與電阻器串聯(lián)。這樣的串聯(lián)連接用 于當(dāng)二極管截止時(shí)過(guò)濾過(guò)壓。然而，這樣的電路(通常稱(chēng)為“緩沖器”)是不可調(diào)的， 且在制造時(shí)固定。此外，對(duì)于用于高功率(從幾瓦至幾千瓦)的電路，這樣的保護(hù)產(chǎn)生 明顯的損耗。US-A-5 943 225公開(kāi)了一種具有與電容元件并聯(lián)的無(wú)源元件(電阻器)的開(kāi)關(guān)模 式變換器，所述電容元件與二極管串聯(lián)。DE 36 39 495A1公開(kāi)了一種用于降低開(kāi)關(guān)損耗但不用于限制過(guò)壓的電路。該電 路的有源元件需要取決于導(dǎo)電周期的外部控制信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
期望保護(hù)連接在開(kāi)關(guān)模式電源電路下游的電路不受反向過(guò)壓影響，特別是與靜 態(tài)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷有關(guān)的反向過(guò)壓。也期望具有可以結(jié)合在一起的解決方案。為實(shí)現(xiàn)所有這些目的或者其中一部分以及其它目的，本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方 式提供開(kāi)關(guān)模式變換器，該開(kāi)關(guān)模式變換器包括具有與至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)結(jié)合的次級(jí)繞 組的電感變壓器，包括至少一個(gè)與電容元件串聯(lián)的第一二極管，與第一開(kāi)關(guān)并聯(lián)；以及與所述電容元件并聯(lián)、用于限制其兩端之間的電壓的有源電路。根據(jù)變換器的一實(shí)施方案，所述有源電路包括與電容元件并聯(lián)的晶體管；以及代表電容元件兩端的電壓且用于控制晶體管的數(shù)據(jù)的放大器。根據(jù)一實(shí)施方式，放大器的第一輸入端耦合至電阻分配橋的中點(diǎn)，該電阻分配 橋與電容元件并聯(lián)耦合，放大器的第二輸入端通過(guò)電壓源連接至電容元件的端子之一。根據(jù)一實(shí)施方式，晶體管為雙極晶體管，其集電極和發(fā)射極耦合在電容元件的 兩端，且其基極耦合至比較器的輸出端。根據(jù)一實(shí)施方式，在變換器的兩個(gè)輸出端子之間，所述第一開(kāi)關(guān)與所述次級(jí)繞 組串聯(lián)。
根據(jù)一實(shí)施方式，在變換器的兩個(gè)輸出端子之間，第二開(kāi)關(guān)與所述次級(jí)繞組串 聯(lián)，所述第一開(kāi)關(guān)與該串聯(lián)連接并聯(lián)耦合。根據(jù)一實(shí)施方式，第二二極管將次級(jí)繞組和第二開(kāi)關(guān)的接合點(diǎn)與電容元件和第 一二極管的接合點(diǎn)連接。在下文中結(jié)合附圖的對(duì)具體實(shí)施例的非限制性描述中將詳細(xì)討論本發(fā)明的上述 目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1示意性地示出開(kāi)關(guān)模式變換器的實(shí)施方式；圖2示出圖1所示電路的細(xì)節(jié)；圖3示出圖1所示電路的細(xì)節(jié)，示出另一實(shí)施方式；圖4A、圖4B和圖4C為示出保護(hù)電路的操作的時(shí)序圖；圖5部分地示出開(kāi)關(guān)模式變換器的另一實(shí)施方式；圖6部分地示出開(kāi)關(guān)模式變換器的又一實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式在不同的附圖中，為相同的元件指定相同的參考標(biāo)記。出于清楚的目的，僅示 出和描述有助于理解本發(fā)明的那些元件。特別地，未詳細(xì)描述由開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)生的電 壓的目的，本發(fā)明與這樣的電壓的任何一般應(yīng)用兼容。圖1示意性地示出前向式開(kāi)關(guān)模式變換器。這樣的變換器基于使用具有初級(jí)繞 組11的變壓器10，該初級(jí)繞組11由施加在兩個(gè)輸入端子1和2之間的直流電壓Vin以切 斷開(kāi)關(guān)K的開(kāi)關(guān)速率來(lái)供電。在圖1所示的示例中，在端子1和2之間，初級(jí)繞組11與 開(kāi)關(guān)K串聯(lián)。也可提供開(kāi)關(guān)K與繞組11并聯(lián)的組合。開(kāi)關(guān)K由設(shè)置其開(kāi)關(guān)頻率(例如 從幾十千赫茲至幾百千赫茲)以及控制脈沖的占空比的電路25(CTRL)控制。優(yōu)選包括 在端子1和2之間與二極管22串聯(lián)的電感元件21的去磁電路與變壓器初級(jí)結(jié)合，二極管 22的陽(yáng)極在應(yīng)用電壓Vin的較低電勢(shì)(例如，接地)的端子2這一側(cè)。繞組21以電感式 耦合(由虛線(xiàn)23示出的耦合)至初級(jí)繞組11。繞組11和21的各自相點(diǎn)是顛倒的。在變壓器10的次級(jí)，使用具有與初級(jí)繞組11位于同一側(cè)的相點(diǎn)的次級(jí)繞組12 來(lái)恢復(fù)以開(kāi)關(guān)K的開(kāi)關(guān)速率傳輸?shù)墓β省Ｔ谟糜谔峁┲绷麟妷篤out的變換器的兩個(gè)輸出 端子5和6之間，繞組12與二極管30和電感元件31串聯(lián)。二極管30的陽(yáng)極在繞組12 這一側(cè)。電容平滑元件C連接端子5和6。在圖1中，代表繞組12的漏感的虛構(gòu)電感 32被示為與繞組12串聯(lián)。續(xù)流二極管34將二極管30的陰極連接至次級(jí)的接地端6。相反地，二極管34 需要耐受通常稱(chēng)為臺(tái)階電壓的電壓，該電壓與繞組之間的軋數(shù)比、輸入電壓Vin以及模式 開(kāi)關(guān)占空比關(guān)聯(lián)。實(shí)際中，取大致20%的安全余量。然而，當(dāng)其啟開(kāi)時(shí)，出現(xiàn)的過(guò)壓 (在此為負(fù)的)超出該臺(tái)階電壓。為降低這樣的過(guò)壓，提出與二極管34并聯(lián)地用于限制 其反向電壓的電路4。圖2示出限制電路4的實(shí)施方式。電容元件43與有源電路44并聯(lián)用于限制其 兩端的電壓。有源電路44包括放大器51，放大器51具有接收例如由齊納二極管53提供的參考電壓的輸入端(例如反相端)，且具有連接至由耦合在電容元件43兩端的兩個(gè)串 聯(lián)的電阻器R55和R57形成的電阻分配橋的中點(diǎn)的另一輸入端(例如，正相端)。放大 器51的輸出端控制NPN型雙極晶體管59的基極，晶體管59也與電容元件43并聯(lián)。晶 體管59的發(fā)射極連接至地6且其集電極連接至二極管41的陰極。放大器51控制晶體管 59處于線(xiàn)性狀態(tài)。放大器51的電源由電容元件43提供。圖3示出電路44的功能等效電路。這相當(dāng)于與電容元件43并聯(lián)地連接可變電 阻器44。電阻器R55和R57的值的和設(shè)置電容器43兩端的電壓。這些電阻器的值的比 是根據(jù)齊納二極管53的任意設(shè)置的閥值電壓選擇的。二極管53作為處于其閥值電平的 電壓源。電容元件43兩端的電壓被選擇成小于或者等于臺(tái)階電壓。這種選擇緣于可接 受的功率消耗與過(guò)壓過(guò)濾的質(zhì)量之間的折中。電壓越接近正電源電壓，電路消耗越大， 但其對(duì)過(guò)壓的過(guò)濾越好。圖4A、圖4B和圖4C為示出圖2所示電路的操作的時(shí)序圖。圖4A示出在二極 管34被接通時(shí)二極管34中的電流I34的形狀的示例。圖4B示出該二極管兩端的電壓V34 的相應(yīng)形狀。圖4C示出限制電路的電容元件43兩端的電壓V43的相應(yīng)形狀。 在該示例 中，假設(shè)該電壓等于臺(tái)階電壓E，由電阻器R55和R57設(shè)置。在二極管43的每個(gè)導(dǎo)電周期結(jié)束時(shí)(時(shí)間tl)，其中的電流開(kāi)始以與次級(jí)繞組 12兩端的電壓V12除以漏感32的值L32的比值對(duì)應(yīng)的斜率下降。在電荷恢復(fù)現(xiàn)象開(kāi)始時(shí) 的時(shí)間t2，二極管中的電流反向。在電流I34開(kāi)始再次上升以排空所恢復(fù)的電荷時(shí)的時(shí)間 t3，二極管兩端的電壓V34突然反向。圖4B示出對(duì)應(yīng)于臺(tái)階電壓的負(fù)電平E。該電平對(duì) 應(yīng)于二極管34的反向電壓穩(wěn)定直至其下一次開(kāi)關(guān)時(shí)的電平(表示次級(jí)繞組12兩端的電壓 倒置)。在更加具體針對(duì)的應(yīng)用中，臺(tái)階電壓為幾十伏，且過(guò)壓可以超過(guò)幾百伏。在沒(méi)有保護(hù)電路的情況下，負(fù)電壓峰值(在圖4中以虛線(xiàn)示出)遠(yuǎn)低于電壓E， 在時(shí)間t3之后出現(xiàn)。這些峰值通常需要校準(zhǔn)二極管(sizing diode)，使其可以承受這樣的 反向過(guò)壓。由于電路4的原因，且如圖4B和圖4C所示，在時(shí)間t3，保護(hù)電路激活晶體管 59且使其強(qiáng)導(dǎo)電，這使得能夠吸收負(fù)峰值。因此，二極管34兩端的反向電壓被限制至電 壓E或者由R55/R57設(shè)置的更小的電壓。如圖4C所示，電容器43兩端的電壓在二極管34的每次導(dǎo)電周期期間從電壓E 下降直至?xí)r間t3，在時(shí)間t3，該電壓通過(guò)來(lái)自電感器32的功率輸送而上升。在時(shí)間t3， 電容器43利用儲(chǔ)存在漏感32中的功率充電。元件43的值設(shè)置其兩端的電壓V43的變化。 在漏感32放電結(jié)束時(shí)電壓V43所達(dá)到的電平取決于例如二極管34中的反向電流。例如所示的保護(hù)電路使得能夠精確地設(shè)置電路得到保護(hù)時(shí)的電壓。此外，所產(chǎn) 生的損耗小于串聯(lián)電阻和電容電路的損耗。在晶體管59中發(fā)生功率損耗，晶體管59具 有比串聯(lián)電阻元件更少的損耗。此外，電路通過(guò)其自身適應(yīng)應(yīng)用操作(溫度、電荷等)。另外，保護(hù)電路元件是可集成的。圖5部分地示出應(yīng)用于二極管30和34的保護(hù)的另一實(shí)施方式。在該情況下，電路42和二極管41的位置顛倒，且另外的二極管61將二極管41的陽(yáng)極連接至二極管30 的陽(yáng)極。通過(guò)利用相同的電路42，二極管61使得能夠限制二極管60截止時(shí)的過(guò)壓。圖 5所示組件的操作可以從之前關(guān)于圖3所討論的內(nèi)容得出。圖6部分地示出應(yīng)用于所謂的回掃式變換器的另一實(shí)施方式。與圖1所示的變換 器比較，變壓器10'的次級(jí)繞組12'的相點(diǎn)是相反的，且續(xù)流二極管34被抑制。電路 4'位于二極管30的兩端。這相當(dāng)于串聯(lián)連接二極管61和電路42，與二極管30并聯(lián)。 圖5所示組件的操作可以從之前所討論的內(nèi)容得出。圖6示出一變型，根據(jù)該變型，二 極管61和電路42的各自位置相對(duì)于之前的組件已經(jīng)顛倒。上文已描述了各個(gè)實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人 員會(huì)想到不同的改變、修改和改 進(jìn)。特別地，賦予不同部件、特別是電阻器R55和R57以及元件43的尺寸取決于應(yīng)用和 所期望的最大相反電壓。此外，盡管已關(guān)于正電壓Vin和Vout描述了本發(fā)明，但是容易 移用于負(fù)電壓。此外，可以將MOS技術(shù)而不是雙極技術(shù)用于放大器51和開(kāi)關(guān)59。最 后，盡管已關(guān)于二極管34(或者30)描述了本發(fā)明，但是電路42可以與任何開(kāi)關(guān)模式電 源的開(kāi)關(guān)(例如，MOS晶體管、IGBT晶體管等)結(jié)合，二極管30或者34為自控制開(kāi)關(guān) 的類(lèi)型。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)模式變換器，包括電感變壓器(10，10')，該電感變壓器(10，10')具 有與至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)(34，30)結(jié)合的次級(jí)繞組(12，12')，與電容元件(43)串聯(lián)的 至少一個(gè)第一二極管(41，61)與所述第一開(kāi)關(guān)并聯(lián)，且該電感變壓器具有與所述電容元 件并聯(lián)的用于限制其兩端的電壓的有源電路(44)，所述電路包括與所述電容元件并聯(lián)的晶體管(59)；以及放大器(51)，該放大器(51)的第一輸入端耦合至與所述電容元件(43)并聯(lián)的電阻分 配橋(R55，R57)的中點(diǎn)，且所述放大器(51)的第二輸入端通過(guò)電壓源(53)連接至用于 控制所述晶體管的所述電容元件的端子之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其中，所述晶體管為雙極晶體管(59)，該雙極晶 體管(59)的集電極和發(fā)射極耦合在所述電容元件(43)的兩端，且該雙極晶體管(59)的 基極耦合至所述比較器(51)的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的變換器，其中，在所述變換器的兩個(gè)輸出端子(5，6) 之間，所述第一開(kāi)關(guān)(30)與所述次級(jí)繞組(12，12')串聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的變換器，其中，在所述變換器的兩個(gè)輸出端子(5， 6)之間，第二開(kāi)關(guān)(30)與所述次級(jí)繞組(12)串聯(lián)，所述第一開(kāi)關(guān)(34)與所述第二開(kāi)關(guān) (30)和所述次級(jí)繞組(12)的串聯(lián)連接并聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變換器，其中，第二二極管(61)將所述第二繞組(12)和所 述第二開(kāi)關(guān)(30)的接合點(diǎn)與所述電容元件(43)和所述第一二極管(41)的接合點(diǎn)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種斬波變換器，該變換器包括具有連接至至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)(34)的次級(jí)繞組(12)的電感變壓器(10)，包括與所述第一開(kāi)關(guān)并聯(lián)的、至少一個(gè)與電容元件串聯(lián)的第一二極管，以及與所述電容元件并聯(lián)的、用于限制其端子之間的電壓的有源電路。
文檔編號(hào)H02M1/32GK102027666SQ200980117017
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者烏里安·哈馬杜, 伯特蘭·里韋特 申請(qǐng)人:意法半導(dǎo)體(圖爾)公司