CN101079570A - 抽头电感式降压dc－dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括抽头电感器的降压dc－dc变换器，其具有连接到电感器抽头和接地端的有源开关。第一二极管连接到电感器和输入电压源之间。

Description

抽头电感式降压DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及dc-dc抽头电感式降压变换器。
背景技术
该部分的说明只是提供与本发明有关的背景信息，可能并不构成现有技术。
近年来，在相对较高输入电压和相对较低输出电压的高电流应用中使用两级dc-dc变换器已经非常普遍。这种两级通常使用降压变换器(buck converter)作为第一级来调节输出电压。第二级通常为独立的dc-dc变换器，以固定的占空比来工作。该第二级变换器基本上作为直流变压器以降低电压。第二级变换器可以是推挽式、半桥、正激或全桥变换器中的任一种。
这些两级变换器被公认具有许多优点，包括使用低电压的额定MOSFET，与之前的变换器相比显著节约成本。此外，可以容易地获得初级侧开关的零电压开关和改进的热性能。这些两级变换器还因为可以获得大的电压变换率并适于宽电压输入范围而具有吸引力。
第一级降压变换器的占空比由保持时间(hold-up time)要求而指定。因为dc-dc变换器是具有固定占空比的开环变换器，所以独立变压器的降压比依赖于降压变换器的占空比。对于所使用的MOSFET开关的给定的电流比，例如在全桥变换器中，因为通过装置的电流会减少，所以开环变换器的效率会在较高输入电压时更高。所以如果增加保持时间，则可以增大初级到次级的变比并提高变换器效率。
已经知道在降压变换器中使用抽头电感器来改变变换器装置上的电压应力(voltage stress)。图1中以附图标记10示出了一种现有技术的抽头电感式降压变换器。图2中以附图标记12示出了另一种现有技术的抽头电感式降压变换器。典型地，如图所示，MOSFET开关Q连接在电压源Vin和抽头电感器之间。二极管D连接在电感器的抽头与接地端之间。两抽头电感部包含由图1中n1和n2表示的绕组数。而且，降压电容器典型地连接在电感器与接地端之间与负载并联。根据抽头的绕组布置，可以升高或降低MOSFET Q的电压。电感器的抽头允许降压变换器的增益以给定占空比改变。具体地，改变变换器增益以避免在要求增益非常小时占空比的极端变化。例如，在带有12V输入电压和1.5V输出电压的通信应用中使用降压变换器时，占空比为0.125。使用如图1所示的抽头电感器配置，可以将占空比增大到0.222，抽头电感器比率仅为n＝2。这可以从下列等式得知：
n＝(n1+n2)/n1
D＝(n×V0)/(Vin+(n-1)×V0)
发明内容
一种dc-dc降压变换器包括具有连接到电感器抽头与接地端的有源开关的抽头电感器。第一二极管也连接在电感器与输入电压源之间。
除上述变换器之外所公开的另一种降压dc-dc变换器，包括带有两个电感部的抽头电感器，第二二极管连接在两个电感部之间。电容器也跨接于第二二极管与一个电感部之间。本发明还公开了一种两级dc-dc变换器，具有第一级抽头电感式降压变换器和连接到第一级变换器上的第二级dc-dc变换器以降低第一级变换器的输出电压。
如本发明所公开的，使用这种抽头电感式降压dc-dc变换器的优点包括与现有技术相比在减小续流二极管上电压应力的同时增长保持时间。与现有技术相比，所公开的降压dc-dc变换器还几乎消除了导通损耗并降低了关断损耗。此外，可以使用较便宜的超快二极管(ultra fastdiode)来代替现有技术中较贵的串联/SiC二极管(tandem/SiC diode)，降低所公开的降压dc-dc变换器的制造成本。因为已经增长了保持时间，所以可以提高效率。
通过本文提供的描述，其它适用性区域将会更加清楚。应该理解的是描述和具体实施例只是出于说明的目的，并不意图限制本发明的范围。
附图说明
在此所述的附图只是出于说明的目的，并不意图限制本发明的范围。
图1是现有技术中一种抽头电感式降压dc-dc变换器的示意图；
图2是现有技术中另一种抽头电感式降压变换器的示意图；
图3是根据本发明的抽头电感式降压dc-dc变换器一个实施例的示意电路图；
图4是根据本发明的抽头电感式降压dc-dc变换器的另一个实施例的示意电路图；和
图5示出根据本发明的两级dc-dc变换器一个实施例。
具体实施方式
下面的描述只是对本发明的本质进行说明，而不意图限制本发明的公开、应用或使用。
图3中以附图标记14示出了具有抽头电感器的降压dc-dc变换器。如上所述，与现有技术相比，这种抽头电感式降压变换器可以在减小半导体开关上的电压应力的同时提供增长的保持时间，并可以使用在例如400V总线输入的高电压应用中。降压dc-dc变换器14包括抽头电感器L1，如图所示其包括匝ns和np。如图所示，抽头电感器L1具有连接到变压器抽头与接地端的有源开关Q。本发明所公开的示例性实施方式中的开关Q优选地为MOSFET器件，但是也可以为例如IGBT或其它适宜的开关器件。第一二极管D1连接在电感器L1与输入电压源Vin之间。
变换器14对图2所示变换器12的改进在于第二二极管D2连接在电感部ns和np之间，电容器C2跨接在第二二极管D2与电感器L1的一个电感部之间。变换器12与变换器10相比会提供增长的保持时间，但与变换器14相比，续流二极管应力对于变换器12更大。此外，由于漏电感，变换器12相对于变换器14在MOSFET上具有非常高的电压尖峰。变换器14几乎消除了MOSFET的电压尖峰，并且与现有技术相比减小了续流二极管的电压应力。
变换器14还可以包括与第一二极管D1并联的串联的电阻R1和电容器C3。
图4中以附图标记16示出了根据本发明另一实施例的降压dc-dc变换器，其包括上述变换器14的所有元件。此外，变换器16包括与电感器L1和开关Q并联的箝位二极管D3，以减小由于第一二极管D1的漏电感引起的电压尖峰。
在操作过程中，在导通MOSFET Q之前，电流续流通过电感器L1、二极管D1、降压电容器C1、负载和电容器C2。当在ton过程中导通开关Q时，电流转换给np。因为np和ns之间的耦合不会是100％，所以会发生漏电感。因为存在漏电感，所以从ns到np的电流转换会发生延迟。如果由漏电感所造成的延迟比MOSFET Q导通时间更大，则会消除导通开关损耗。此外，因为存在漏电感，所以通过二极管D1的电流的di/dt与常规降压变换器相比减小了。因为电流减小，所以续流二极管D1的反向恢复电流也减小。MOSFET Q上的电压应力也减小，因此减小了Q的关断损耗。
当在toff过程中关断开关Q时，Q中的电流转移到二极管D2。在电容器C2中恢复漏电能之后，电流转移到D1中，并像以前一样续流通过ns。
根据本发明所公开的降压dc-dc变换器的电压应力小于常规降压变换器。在实验中，通过改变Vin值和匝数比值，并将输出电压保持在310伏，显示根据本发明所公开的降压dc-dc变换器与常规降压变换器相比，电流组件上的电压应力减小了。还显示出根据本发明的公开，变换器的最佳n值为2，但是无论如何都大于1。
通过实验还显示与常规降压变换器相比保持时间的增长为1.5毫秒，并且根据本发明所公开的变换器所获得的增长效率为0.5％。
图5示出了根据本发明公开的两级dc-dc变换器18。以虚线20示出第一级抽头电感式降压变换器。变换器20与图4所示的变换器16基本相同，包括连接到电感器L1抽头与接地端的有源开关Q，和连接在电感器与输入电压源Vin之间的第一二极管D1。变换器20，未示出，还可以包含图3的变换器14。大致以附图标记22示出的第二级dc-dc变换器连接到第一级20上，用来降低第一级变换器20的输出电压。
第二级dc-dc变换器22可以是推挽式、半桥、正激或全桥变换器中的任一种。本实施例中的第二级变换器22包括连接到变压器T1上的MOSFET开关Q1、Q2、Q3和Q4。导通的T1连接到二极管D4和D5。二极管D4和D5连接到电感器L2和电容器C4上。示出作为一个示例性变换器的变换器22，但是如上所述也可以是根据特具体应用要求的几种不同变换器拓扑之一。
本发明所公开的描述仅为示例性的，本领域的普通技术人员应该理解除上述描述之外的变型例也落在本发明的范围内。

Claims (27)

1.一种包括抽头电感器的降压dc-dc变换器，其具有连接到所述电感器抽头和接地端的有源开关，和连接在所述电感器和输入电压源之间的第一二极管，其中，所述抽头电感器具有两个电感部，并且其中，第二二极管连接在所述电感部之间，电容器跨接于所述第二二极管和一个所述电感部。
2.如权利要求1所述的变换器，还包括与所述第一二极管并联的串联的电阻器和电容器。
3.如权利要求1所述的变换器，还包括与所述第一二极管和电感器并联的电容器。
4.如权利要求1所述的变换器，其中，所述开关是MOSFET器件。
5.如权利要求1所述的变换器，其中，所述抽头电感器具有两个电感部，其中，所述两个电感部的抽头电感器匝数比大于1。
6.如权利要求4所述的变换器，其中，所述电感器抽头连接到所述MOSFET器件的漏极，所述MOSFET器件的源极接地。
7.如权利要求1所述的变换器，其中，所述第一二极管的阳极连接到所述电感器，并且所述第一二极管的阴极连接到所述输入电压源。
8.如权利要求1所述的变换器，还包括与所述电感器和所述开关并联的箝位二极管，用于减小由于所述第一二极管的漏电感引起的电压尖峰。
9.一种两级dc-dc变换器，包括：
第一级抽头电感式降压变换器，其具有连接到所述电感器抽头和接地端的有源开关，和连接在所述电感器和输入电压源之间的第一二极管；和
第二级dc-dc变换器，其连接到所述第一级变换器，用于降低所述第一级变换器的输出电压。
10.如权利要求9所述的变换器，还包括与所述第一二极管和所述电感器并联的电容器。
11.如权利要求9所述的变换器，其中，所述开关是MOSFET器件。
12.如权利要求9所述的变换器，其中，所述抽头电感器具有两个电感部，其中，所述两个电感部的抽头电感器匝数比大于1。
13.如权利要求11所述的变换器，其中，所述电感器抽头连接到所述MOSFET器件的漏极，并且所述MOSFET器件的源极接地。
14.如权利要求9所述的变换器，其中，所述第一二极管的阳极连接到所述电感器，并且所述第一二极管的阴极连接到所述输入电压源。
15.如权利要求9所述的变换器，其中，所述抽头电感器具有两个电感部，其中，第二二极管连接在所述电感部之间，电容器跨接于所述第二二极管和一个所述电感部。
16.如权利要求9所述的变换器，还包括与所述电感器和所述开关并联的箝位二极管，用于减小由于所述第一二极管的漏电感引起的电压尖峰。
17.如权利要求15所述的变换器，还包括与所述第一二极管并联的串联的电阻器和电容器。
18.如权利要求9所述的变换器，其中，所述第二级变换器是推挽式、半桥、正激或全桥变换器中的一种。
19.一种两级dc-dc变换器，包括：
第一级抽头电感式降压变换器，其具有连接到所述电感器抽头和接地端的有源开关，和连接在所述电感器和输入电压源之间的第一二极管；
其中，所述抽头电感器具有两个电感部，其中，第二二极管连接在所述电感部之间，电容器跨接于所述第二二极管和一个所述电感部；和
第二级dc-dc变换器，其连接到所述第一级变换器，用于降低所述第一级变换器的输出电压。
20.如权利要求19所述的变换器，还包括与所述第一二极管和所述电感器并联的电容器。
21.如权利要求19所述的变换器，其中，所述开关是MOSFET器件。
22.如权利要求19所述的变换器，其中，所述抽头电感器具有两个电感部，其中，所述两个电感部的抽头电感器匝数比大于1。
23.如权利要求21所述的变换器，其中所述电感器抽头连接到所述MOSFET器件的漏极，并且所述MOSFET器件的源极接地。
24.如权利要求19所述的变换器，其中，所述第一二极管的阳极连接到所述电感器，并且所述第一二极管的阴极连接所述输入电压源。
25.如权利要求19所述的变换器，还包括与所述电感器和所述开关并联的箝位二极管，用于减小由于所述第一二极管的漏电感引起的电压尖峰。
26.如权利要求19所述的变换器，还包括与第一二极管并联的串联的电阻器和电容器。
27.如权利要求19所述的变换器，其中，所述第二级变换器是推挽式、半桥、正激或全桥变换器中的一种。
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