CN1007026B - 直流/直流转换器 - Google Patents
直流/直流转换器Info
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Abstract
本文公开了一种用作为高容量电源的DC/DC转换器,它包括:其原边端子串联以便保证高输出功率和高击穿电压的第一和第二转换器;第一二极管,当第一转换器的开关器件断开时,它与第一转换器的变压器和第二转换器的电容一起构成闭合回路;第二二极管,当第二转换器的开关器件断开时,它与第二转换器的变压器和第一转换器的电容一起构成闭合回路。
Description
本发明涉及一种直流/直流(DC/DC)转换器,它能够有效地与一种大容量电源一起应用,更确切地说,本发明涉及一种串联的开/开(ON/ON)或开/关(ON/OFF)型DC/DC转换器的改进,在这种转换器中,把两个单三极管型ON/ON或ON/OFF转换器的原边端串联,把它们的付边端并联,从而增加了输出并提高了击穿电压。
图1和图2的例子表明了现有技术的单三级管ON/ON型DC/DC转换器。在图1所示的转换器中,把晶体三极管Q1作为开关器件对输入电压EIN进行开和关操作,把这个输入电压EIN加到变压器TS的原边绕组N11上,使当晶体管导通时,在付边绕组N12上感应出一个电压,同时由二极管D11和D12,扼流器L1和一个滤波电容C12对其进行整流和平滑,从而把直流电压馈给负载RL。此外,在单三极管型ON/ON转换器中,当开关器件Q1断开时,存贮于变压器T1中的激励电压在开关器件Q1的两端之间产生一个高反冲电压。因此,为了保护开关器件Q1,通常要给变压器T1装上一个复归(reset)绕组N13,当处于断开操作时,它与二极管D13相连,把它的电压钳制在输入电压EIN,以抑制变压器T1原边上的感应电压,另外一个方法是设置缓冲电路S1,它包括电阻R1、一个电容C13和二极管D14,以便执行钳制操作。由于激励能量被返回到输入电压EIN,这种装有复归绕组N13的系统有一些损失。然而,假如复归绕组N13和原边绕组N11之间的偶合不够,则反冲电压不能
足够地被钳制。另外,假设缓冲电路的RC时间常数减小,使用缓冲电路的这种系统可把反冲电压钳制在某个低电平。然而后面说的这种系统有较大的损失,这是因为能量被电阻R1消耗掉的缘故。因此,在实际电路中经常是这两种系统都使用,即如图1所示。
这样,即使在使用两个单三级管型转换器串联的ON/ON型DC/DC转换器中(这种转换器的原边端串联,付边端并联,以便提高输出并降低开关器件的击穿电压),两个单三级管型ON/ON转换器CV1和CV2在现有技术中仍然分别装备着复归绕组N13和N23以及缓冲电路S1和S2,如图2所示。这使结构很复杂,并招致了缓冲器电路或其类似电路中的损失。
此外,在图2所示的结构中,每个转换器CV1和CV2的开关器件Q1和Q2需要的击穿电压为分输入电压E1(即电容器C11的两端之间的电压)或E2(即电容器C21的两端之间的电压)的两倍。在各自的转换器的等效输入阻抗相等的情况下,由于等式E1=E2=EIN/已成立,所以开关器件可能有EIN那么高的击穿电压。然而,假如等效阻抗不同,则开关器件需要有一个不低于EIN的击穿电压,这是因为E1≠E2,所以一个分输入电压高于另一个分输入电压。换句话说,在降低击穿电压方面,图2所示的电路结构没有什么效果,而且,如果考虑到更为保险,则开关器件需要有两倍EIN之高的击穿电压。
本发明的一个目的是提供一种串联开/开(ON/ON)或开/关(ON/OFF)型直流/直流(DC/DC)转换器,它具有用于钳制反冲电压的装置,虽然其结构简单,但可以做到低损失,无失误。
本发明的另一个目的是提供一种直流/直流转换器,它具有一个结构简单又不降低响应性的原边端峰值电流检测装置,以便对任何过电流进行保护。
本发明的再一个目的是提供一种直流/直流转换器,它可以基本上均衡两个转换器的共用输出电流。
在本发明的最佳实施方案中提供了一种直流/直流转换器,它包括有第一和第二单三极管转换器,它们具有变压器、把变压器的原边线圈与一个交流电源相串联连接的开关器件和通过这些开关器件与原边线圈串联连接的电容器;第一和第二转换器的变压器原边端,它是彼此串联的;第一个二极管,当第一转换器的开关器件关断时,该二极管与第一转换器的变压器和第二转换器的电容器一道形成一个闭合回路;还包括第二个二极管,当第二转换器的开关器件关断时,该二极管与第二转换器的变压器和第一转换器的电容器一道形成一个闭合回路。
下面是附图的简要说明。
图1和图2是表示现有技术中直流/直流转换器例子的电路图;
图3是本发明的直流/直流转换器一个实施方案的电路图;
图4开关器件的驱动波形;
图5表示第二线圈的联接实例;
图6至图8是本发明另一个实施方案的电路图;
图9是操作实例的波形图;
图10和图11是本发明又一个实施方案的电路图;
图12是图11的操作实例的波形图;
图13和图14是本发明的又一个实施方案的电路图;
图15是开关器件驱动电路的另一实例的基本部分电路图。
下面是最佳实施方案的详细叙述。
图3是本发明的直流/直流转换器一个实施方案的电路图,其中使用了开/开(ON/ON)转换器。图3所示的实施方案与图2所示的传统实例之不同在于:在转换器CV1这边,变压器T1是在开关器件Q1的发射极以跟随器形式被驱动,而在转换器CV2那边,变压T2
是在开关器件Q2的集电极被驱动;变压器T1原边绕组N11的一端b和变压器T2的原边绕组N21的一端c共同连接到电容器C11和C21的结点e上;二极管D15连接在原边绕组N11的另一端a和直流输入电压EIN的负(一)端之间;二极管D25连接在原边绕组N21的另一端d和直流输入电压EIN的正(+)端之间;并且去掉了复归绕组N13、N23、缓冲电路S1和S2。
下面将说明根据本发明构成的这种直流/直流转换器的工作。首先,当开关器件Q1导通时,直流输入电压产生了一个经通路Q1-T1-C21的电流,使变压器T1的端a为正极性b为负极性。然后,当开关器件Q1关断时,变压器T1的极性则相反,端a变成负极性,而端b为正极性。结果,复归电流(reset current)以N11-C21-D15-N11的通路流过二极管D15,到达变压T1,变压器T1的两端被钳制在电容器C21的端电压E2上,所以它们的电压不会再有任何的上升。此时,复归电流对电容器C21充电,因为这些能量又被返回作为另一个转换器CV2的输入电压。所以变压器T1上激励的能量不会损失掉。另一方面,鉴于施加给开关器件Q1的电压,器件Q1不可能有一个EIN或更高的电压,因为该器件没有接收E1+E2=EIN或更高的电压。其原因在于,即使输入电压相对于E1=E2变得更高了些,在本质上讲该开关器件并没有接收E1+E2=EIN或更高,因为在复旧归期间内是钳位在电压E2上的。
另一方面,开关器件Q2的工作与前面所说的Q1的工作相似。当开关器件Q2导通时,输入直流电压EIN产生了一个通过C11-C1-D2的电流,使变压器T2的端C变为正极性,而另一端d变为负极性。然后,当器件Q2关断时,变压器T2的极性反相,使端C变为负极性,而另一端d变成正极性。结果变压器T2的复归电流以通路
N21-D25-C11-N21,流经二极管D25,变压器T2的两端被钳位在电容器C11的端电压E1上,使它们的电压将不会有任何上升。此时同样,复归电流对电容器C1进行充电,因为变压器T2的激励能量返回到另一个转换器CV1的输入电压中,所以要它不会损失掉。
附带说一下,开关器件Q1和Q2可能如图4A所示被同时驱动,也可能如图4B所示被交替地驱动。特别是在如图4B所示的交替驱动的情况中,可以把付边的电容器C12的值降低到一半或更低。另一方面,付边的电路可能如图5A所示共用扼流器L1和二极管D12。在这种情况下可以省去二极管D12,如图5B所示。
图6是根据本发明的直流/直流转换器的另一个实施方案的电路图。图6所示的实施方案与图3所示的实施方案的不同之处在于变压器T1和T2的原边绕组N11和N12分别具有中间抽头。并且,如图6A所示,如果从这些抽头开始驱动变压器T1和T3,并且把二极管D15和D25连接到绕组的前端,则可以用中间抽头的比率减小反冲电压。相反地,假如从绕组的端点上开始驱动变压器T1和T2,并且把二极管D15和D25连接到抽头上,则虽然反冲电压提高了,但复归期可以缩短。
顺便提及的是,假如使用多个本发明的直流/直流转换器,使其或者如图7A所示与直流输入电压EIN串联相接,或者如图7B所示与直流输入电压EIN并联连接,则可以得到更高的输出电压。
图8是本发明又一个实施方案的电路图,其中使用了开/关转换器。这种实施方案与图3所示的实施方案的不同之处在于:变压器T1和T2各自的付边绕组N12和N22是反相的;图3所示的二
极管D12和D22和扼流器L1和L2被去掉了。
下面将叙述根据本发明构成的这种直流/直流转换器的工作。首先,当转换器CV1一边的开关器件Q1导通时,电容器C11的端电压E1(它是由输入电压EIN分压得到的)被加到变压器T1。当开关器件Q1关断时,钳位二极管D13开始导通,所以变压器T1原边绕组N11上产生的反冲电压被钳位在电容器C21的端电压E2上。另外,如果作为泄漏电感存贮的剩余能量被释放,则把一个由电压V0乘以绕组比率N12/N11所确定的电压施加在原边绕组N11的两个端之间。图9所示的波形图表示了这种相互关系。另一方面,当开关器件Q2导通时,把电容器C21的端电压E2(它是由输入电压EIN分压得到的)加到变压器T2。当开关器件Q2关断时,钳位二极管D23开始导通,从而把变压器T2原边绕组N21上产生的反冲电压钳位于电容器C11的端电压E1。另外,当作为泄漏电感存贮的剩余能量被释放时,则把一个由电压V0与绕组比率的乘积所确定的电压加在绕组N21的两端。这样,由于反冲电压返回到另一个转换器的输入电压中,所以它不会损失掉。
图10的电路图表示了图8所示的直流/直流转换器的又一个实施方案。图10实施方案与图8实施方案的不同之处在于变压器T1和T2的原边绕组N11和N21分别装有中间抽头。另外,在图10A中是从抽头对变压器T1和T2进行驱动,并把二极管D12和D22与绕组的端点连接。另一方面,在图10B中是从绕组的端点对变压器T1和T2进行驱动,而二极管D12和D22与抽头连接。尤其是根据图10A所示的结构,可以以中间抽头的比率来降低加到开关器件Q1和Q2的反冲电压,以降低开关器件的击穿电压。
图11所示的电路图表示了本发明的另一个实施方案。在这种实
施方案中,电流互感器CT被连接到两个串联电路的结点b和电容器C11与C21的结点e之间,第一个串联电路由变压器T1的原边绕组N11和第一转换器CV1的开关器件Q1所组成,第二个串联电路是由变压器T2的原边绕组N21和第二转换器CV2的开关器件Q3所组成。电流互感器CT的输出被加到过电流检测电路CS,以便从过电流检测电路CS上得到一个信号eoc执行过电流保护操作。
现在假设以相差180度的信号(如图12A和12B所示)去驱动第一转换器和第二转换器CV1和CV2的开关器件Q1和Q2,当器件Q1导通而器件Q2断开时,流过电流互感器CT的电流INV的方向为向前(即从结点b到结点e的方向);当器件Q1断开而器件Q2导通时,电流INV的方向为向后(即从结点e到结点b的方向)。于是,双向电流流过电流互感器CT,所以即使没有倍压整流和滤波操作,也可以再生出峰值。结果,可把电流互感器CT的输出直接输入给过电流检测电路CS,不需要任何倍压整流和滤波电路,就可得到具有很好响应特性的过流保护信号eoc。
图13的电路表明了本发明的又一个实施方案,并且相应于一种构成了电源的情况。这种实施方案的不同处在于:用桥式整流电路BR对交流电源进行整流并由滤波电容C10对其进行滤波,把在此之后得到的直流电压EIN加到两个单三极管型直流/直流转换器CV1和CV2上,CV1和CV2的原边端子串联相接;作为高频电流通路的电容器C1和C2分别连接在转换器CV1和CV2的输入端之间。顺便提及的是,一个控制电路CON控制着开关器件Q1和Q2的驱动期,亦即它们的占空比D1和D2,以便使输出电压V0取得一个目标值。
在根据本发明的这种结构中,当转换器CV1的开关器件Q1导通时,电流Ii1从输入端经过T1-Q1-C2的通路,当转换器CV2的开关器件Q2导通时,电流Ii2从输入端通过C1-T2-Q2的通路。如果各个转换器的输出电压和电流被指定为Vo1和Vo2及Io1和Io2;如果把变压器T1和T2的绕组比率N12/N11和N22/N21设定为1;如果付边的电压降分别指定为VR1和VR2;并且如果电容器C1和C2的端电压被指定为E1和E2,由于原边和付边的功率相等,则下述关系成立:
(Vo1+VR1)Io1=E1Ii1……(1)
(Vo2+VR2)Io2=E2Ii2……(2)
另一方面,下式给出了各个转换器CV1和CV2的输出电压Vo1和Vo2:
Vo1=E1·D1-VR1……(3)
Vo2=E2·D2-VR2……(4)
如果分别把等式(1)和(2)分别代入等式(3)和(4),则下式成立:
D1Io1=Ii1……(5)
D2Io2=Ii2……(6)
结果,转换器CV1和CV2的输入阻抗Z1和Z2便由下式给出:
Z2= (E2)/(Ii2) = (E2)/(D2Io2) ……(8)
因此,随着输出电流Io1(或Io2)的增加,输入阻抗E1(或E3)则下降,随着输出电流的减小输入阻抗则上升。
另外,由于输入电压EIN是直流电压,所以,各个电容器C1和C2的端电压E1和E2不受电容器的电容值影响,它们所取的电压值是由输入阻抗E1和E2对输入电压EIN分压而获得的,下列等式分别表述了它们的值:
E1= (Z1)/(Z1+Z2) · EIN…… (9)
E2= (Z2)/(Z1+Z2) · EIN……(10)
并且,下述的关系可以由等式(9)和等式(10)得到:
(E1)/(Z1) = (E2)/(Z2) = (EIN)/(Z1+Z2) …… (11)
于是,输入阻抗反映了分配给各个转换器的输入电压E1和E2。因此,如果由于任何理由所分配的输出电流Io1增加了,则转换器CV1的输入阻抗E1下降,从而改变了输入电压EIN的分压比。结果,转换器CV1所分配的输入电压E1下降,而转换器CV2所分配的输入电压E2上升,所以前者的输出电压Vo1下降,而后者的输出电压Vo2上升。换句话说,转换器CV1和CV2对于所分配输出电流的
增加具有负反馈功能,下面的关系式是从等式(7),(8)和(9)得到的,表示两个转换器的工作点是,它们所分配的输出电流Io1和Io2以及占空比D1和D2是均等的:
D1Io1=D2Io2……(12)
一个特殊情况是,假如占空比D1和D2是相等的,则在两个转换器的工作点上它们所分配的输出电流相等。另外,电流通路的阻抗R1和R2之间的差异对所配的输出电流不产生任何影响。再有一点,从等式(12)中可以明显地看出,占空比之间的差异如实地反映在所分配的输出电流Io1和Io2之中,但并没有放大。
图14是表示本发明又一个实施方案的电路图。在这个实施方案中,一个变换开关SW连接在串联滤波电容器C1和C2(C1和C2用于对整流电路BR的输出电流进行滤波)的中点与交流电源电压的参考边的公共线COM之间,以便当交流电源电压e为例如110伏时,开关接通,执行倍压整流;当交流电源电压e为例如220伏时,开关断开,执行桥式整流,因而可将本发明的这个实施方案的直流/直流转换器用于交流电源电压100V,和200V两个系统中。此外,除了电阻R构成的稳定的基极电流供应电路之外,在开关器件晶体三极管Q1和Q2各自的基极电路上还配有过载电流通路,该过(overdrive)电流通路由一个电容器C和二极管D1及D2组成,从而当它们导通时,能通过电容器C给出过载电流。更确切地说,在稳定状态,通过电阻R把基极电流加到三极管Q1和Q2因为二极管D1和D2的旁路不起作用,使三极管Q1和Q2足够地饱合。在轻负载的情况下,三极管Q1和Q2饱合,当集电极电压下降得足够低时,使过载电流分流到二极管D2。当处于开通操作时,过载根据负载的级别进行自我平衡。但是在关断操作时,存贮时间不是根
据负载变化很多。另外,对于这种电路,可以如图15所示,在作为开关器件的三极管Q1(或Q2)的基极和发射极之间加上一个三极管Q0,它与电容器C和二极管D1的结点相连接,以加速断开操作。
另外,在图14中,输出电压Vo1和Vo2互相独立地从各自的转换器CV1和CV2中抽取出来。在此处,控制电路CON接收转换器CV1的输出电压Vo1并通过变换器CT2和CT3分别控制开关器件Q1和Q2的占空比,从而使输出电压Vo1取一个目标值。结果,转换器CV2一边的输出电压Vo2正比于输出电流Io1。此外,控制电路CON经过电流变换器CT1和过流检测电路路CS1接收在原边相应于总电流的信号,并经过电流变换器CT4和CT5及过流检测电路CS2和CS3接收到相应于流过各个负载RL1和RL2的负载电流Io1和Io2的信号。根据从任何一个过流检测电路CS1和CS3(它们可以被共用)所检测到的过流信号,把开关器件Q1和Q2关断(例如),去保护整个的电源源。
图14所示的实施方案是由多个具有特点的电路构成的,它们可以和其它的电路组合,也可以从中省去一个或更多的电路。
根据本发明,正如到目前为止所描述的那样。可以做出这样的直流/直流转换器,它虽结构简单,但能以很小的损失来钳制反冲电压,并不出现任何失误,而且还可以基本上均衡彼此串联的第一和第二转换器分配的输出电流。
Claims (3)
1、一种直流/直流转换器,包括:
一个交流电源装置,它包括一个交流源、一个用于对交流电源的电压进行整流的桥整流电路和一个跨接在所述桥整流电路上的滤波电容器;
一个第一转换器和一个第二转换器,第一个转换器包括(a)一个具有原边线圈和付边线圈的变压器,(b)一个与所述原边线圈串联的开关器件,(c)一个与所述原边线圈和所述开关器件并联的电容器,它还与所述桥整流电路相连,以产生直流电压;
一个第一二极管,连接在所说第一转换器的变压器的原边线圈的一端与直流输入电压负端之间,因而,当所述第一转换器的开关器件关断时,它与所述第一转换器的变压器和所述第二转换器的电容器一起形成一个闭合回路;
一个第二二极管,连接在所述第二转换器的变压器的原边线圈的一端与直流输入电压正端之间,因而,当所述第二转换器的开关器件关断时,它与所述第二转换器的变压器和所述第一转换器的电容器一起形成一个闭合回路;
输出电路装置,用于对所述第一、第二转换器的变压器的各个付边线圈产生的信号进行整流、滤波,从而产生直流输出电压,其中所说的输出电路装置包括一个具有一对端子的电容器,一端与所述每个付边绕组的一边相连,还包括一个第一输出电路和一个第二输出电路,所述的两个输出电路相互分离,每一个输出电路包括跨接在各自付边绕组上的一对相反连接的二极管和一个连接在所述一对相反连接二极管结点与所述滤波电容器另一端之间的扼流圈,这样在所述滤波电容器的一对端子上产生直流输出电压,并具有所述第一和第二转换器所需要的电流配置;
其特征在于一个电流转换器,连接在第一,第二转换器串联电路的结点和第一、第二转换器的电容器的结点之间,用于检测所通过的原边总电流,从而使所述开关器件以适当的相位差被驱动。
2、按照权利要求1的转换器,其特征在于其中所述的相位差为180度。
3、一种直流/直流转换器,包括:
第一转换器和第二转换器,每个转换器包括(a)具有原边线圈和付边线圈的转压器,(b)与所述原边线圈串联的开关器件,(c)与所述原边线圈和所述开关器件并联的电容器,用以产生直流电压;
第一二极管,连接在第一转换器的变压器原边线圈的一端与直流输入电压的负端之间,当所述第一转换器的开关器件关断时,它与所述第一转换器的变压器和第二转换器的电容器一道形成一个闭合回路;
第二二极管,连接在所述第二转换器的变压器的原边线圈的一端与直流输入电压正端之间,当所述第二转换器的开关器件关断时,它与所述第二转换器的变压器和所述第一转换器的电容器一道形成一个闭合回路;
一对分离的输出电路装置,对第一、第二转换器的变压器的各个付边线圈上产生的信号进行整流、滤波,从而产生相互独立的第一、第二直流输出电压;
一个交流电压源,它具有一个公共线作为参考边;
整流电路装置,包括一个桥整流电路,用于对所述交流电压进行整流;
滤波电路装置,包括一对串联连接的滤波电容器,用于对所述整流电路装置的输出进行滤波,以产生一个直流输入电压;
应用电路装置,用于把所述直流输入电压用于所说第一和第二转换器;
一个变换开关,连接在所述两个滤波电容器的中点和所述交流电源参考边的公共线之间,当合上所述变换开关时,形成一个倍压电整流器,当打开所述转换开关时,形成一个桥式整流器;
控制装置,它接收与所述第一、第二转换器的输出电压有关的信号,对其产生反应,以控制所述第一、第二转换器的各个三极管的占空比,使所述输出电压为目标值,该控制装置还接收至少一个与所述第一、第二转换器的各自原边线圈上的总电流相应的信号以及与所述第一、第二转换器各自输出电路相应的信号,对其产生反应,当存在过电流时,关断所述三极管,实现过流保护;
其特征在于一个电流变换器,连接在所述第一、第二转换器的原边线圈组成的串联电路的结点与第一、第二转换器的电容器组成的串联电路的结点之间,所述电流变换器检测所通过的原边总电流,以使所述第一、第二转换器的开关器件以180度的相位差被驱动;
其中,所述的每个开关器件包括(a)一个具有基极、发射极和集电极的三极管,(b)一对驱动每个所述三极管的装置,它包括一个电阻,一个由一电容器和一二极管串联再与所述电阻并联的电路,(c)另一个二极管,连接在所述电容器与所述二极管的结点与所述三极管的集电极之间,使得在稳态时,电流通过所述电阻供给所述三极管,两个二极管不起作用,在轻负载时,所述另一个二极管工作,以提供一个过驱动分流通路,对负载进行自平衡。
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CN85106335A (zh) | 1987-02-18 |
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