CN101821931A - Dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DC/DC转换器。它是并列连接三台具有120度的相位差的半桥型电流共振DC/DC转换器，并使其以比共振频率高的工作频率工作的DC/DC转换器，三台半桥型电流共振DC/DC转换器分别具备：具有一次线圈和二次线圈以及三次线圈的变压器；在直流电源的两端串联连接第一开关元件和第二开关元件的串联电路；在第一开关元件或第一开关元件的两端串联连接共振电抗器和变压器的一次线圈以及共振电容器的串联电路；以及对在二次线圈中产生的电压进行整流然后输出给平滑电容器的整流电路。并且环状地连接了三次线圈中的各个三次线圈以及电抗器。

Description

DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及大容量的DC/DC转换器，特别是涉及小型化以及高效率化的技术。
背景技术
图1是相关联的DC/DC转换器的电路结构图(例如日本国专利公开公报特开2003-319650号公报)。在图1所示的DC/DC转换器中，由半桥型的电流共振DC/DC转换器构成，在直流电源Vdc1的两端连接由MOSFET构成的开关元件Q1和由MOSFET构成的开关元件Q2的串联电路。
在开关元件Q2的漏极-源极之间，并列连接二极管D2以及电容器C2，并且连接共振电抗器LR和变压器T的一次线圈3a以及共振电容器CR的串联电路。共振电抗器LR由变压器T的一次二次间的漏感形成，励磁电感作为电抗器LP等价地连接在一次线圈3a上。在开关元件Q1的漏极-源极之间，并列连接了二极管D1以及电容器C1。
在变压器的二次线圈3b的一端上连接二极管D3的阳极，变压器T的二次线圈3b的另一端和变压器T的二次线圈3c的一端与平滑用电容器CL的一端连接，变压器T的二次线圈3c的另一端与二极管D4的阳极连接。二极管D3的阴极和二极管D4的阴极连接在电容器CL的另一端上。在电容器CL的两端上连接负载RL。
控制电路10a按这样的方式进行控制：根据来自电容器CL的输出电压Vo使开关元件Q1和开关元件Q2交互地接通/关断，来进行PFM控制(频率控制)，使电容器CL的输出电压Vo变为恒定。
然后，参照图2的时序图详细地说明如下构成的相关联的DC/DC转换器的动作。
在图2中，Q1v是开关元件Q1的漏极-源极间电压，Q1i是开关元件Q1的漏极电流，Q2i是开关元件Q2的漏极电流，Io是二极管D3、D4的整流后的输出电流。
首先，在时刻t10～t11，当开关元件Q1接通时，在沿着Vdc1、Q1、LR、3a、CR、Vdc1而存在的路径中顺指针流过电流Q1i。此外，在沿着3b、D3、CL、3b而存在的路径中顺时针流过电流Io。
然后，在时刻t11～t12，当开关元件Q1关断开关元件Q2接通时，在沿着CR、3a、LR、Q2、CR而存在的路径中逆时针流过电流Q2i。此外，在沿着3c、D4、CL、3c而存在的路径中逆时针流过电流Io。
根据这样的半桥型电流共振DC/DC转换器，因为开关元件Q1、Q2的耐压成为电源电压Vdc1，二极管D3、D4的耐压成为输出电压Vo的二倍，所以可以使用低压的元件。此外，进行零电压开关动作，因为在一次线圈3a中流过的电流成为大约正弦波，所以可以提供高效小型的DC/DC转换器。
但是，如图2所示，存在有输出电流Io的脉动电流大，在大容量化时，电容器CL会大型化的问题。
因此，作为解决所述问题的方案，可考虑图3所示的DC/DC转换器。图3所示的DC/DC转换器通过并列连接三个半桥型的电流共振DC/DC转换器1a～1c而构成，各个半桥型DC/DC转换器1a～1c是与图1所述的半桥型电流共振DC/DC转换器大体相同的结构，使电流电源Vdc1和平滑用电容器CL以及负载RL通用。
在图3所示的DC/DC转换器中，控制电路使三个半桥型的电流共振DC/DC转换器1a～1c中的各个DC/DC转换器以120度相位差进行工作，由此来实现大容量化以及脉动电流的降低。
发明内容
但是，在按照由共振电容器CR1、CR2、CR3以及共振电抗器LR1、LR2、LR3构成的共振电路的共振频率以上的工作频率，使开关元件Q1～Q6进行工作的方式的电流共振DC/DC转换器中，当在各个转换器1a～1c的共振电容器CR1、CR2、CR3以及共振电抗器LR1、LR2、LR3的至少一方的常数中存在不平衡时，即在存在部件的散差时，会存在以下的问题。
例如，在使共振电抗器LR1的值成为共振电抗器LR2、LR3的值的1.1倍时，如图4所示，由共振电抗器LR1产生的共振频率fo1小于共振电抗器LR2、LR3产生的共振频率fo2、fo3。
此外，如图4所示，当以共振电抗器LR1的共振频率fo1使各个转换器1a～1c工作时，如图4以及图5所示，在共振电容器CR2中流过的共振电流Icr2以及在共振电容器CR3中流过的共振电流Icr3就大于在共振电容器CR1中流过的共振电流Icr1，共振电流Icr1和共振电流Icr2、Icr3成为不平衡。
结果，因为在电容器CL中流过的输出电流Io的脉动电流增加，为了使共振频率匹配，需要插入平衡电抗器。即，必须设计复杂的平衡电抗器，电路复杂化。
根据本发明，可以提供一种可以实现小型化以及高效化的大容量的DC/DC转换器。为了解决上述的课题，采用了以下的方法。
即，根据本发明的第一侧面，DC/DC转换器是并列连接三台具有120度的相位差的半桥型电流共振DC/DC转换器，并使它们以比共振频率高的工作频率进行工作的DC/DC转换器，其特征为，所述三台半桥型电流共振DC/DC转换器分别具备：具有一次线圈和二次线圈以及三次线圈的变压器；在直流电源的两端串联连接第一开关元件和第二开关元件的第一串联电路；在所述第一开关元件或所述第一开关元件的两端串联连接共振电抗器和所述变压器的一次线圈以及共振电容器的第二串联电路；以及对在所述变压器的二次线圈中产生的电压进行整流后输出给平滑电容器的整流电路，并且环状地连接了所述三次线圈中的各个三次线圈以及电抗器。
根据本发明的第二侧面，特征为所述DC/DC转换器还配备具有形成磁通路径的由三个以上的脚形成的铁芯的磁路，在所述三个以上的脚形成的铁芯内的三个脚的各个脚上，对应各脚缠绕所述一次线圈和二次线圈而成。
根据本发明的第三侧面，其特征为，所述DC/DC转换器还具备间隙，该间隙被设置在缠绕了所述一次线圈以及二次线圈的三个脚以外的脚上，且通过调整其距离来调整所述电抗器的电感。
根据本发明的第四侧面，其特征为，在所述DC/DC转换器中，所述电抗器由对应所述各脚缠绕的所述1次线圈之间的漏感形成。
附图说明
图1表示相关联的DC/DC转换器的电路结构图。
图2是图1所示的相关联的DC/DC转换器的各部的信号的时序图。
图3是相关联的DC/DC转换器的另一电路结构。
图4表示图3所示的相关联的DC/DC转换器的工作频率和共振电流的关系。
图5是图3所示的相关联的DC/DC转换器的各部的信号的时序图。
图6是实施例1的DC/DC转换器的电路结构图。
图7是实施例1的DC/DC转换器各部的信号的时序图。
图8表示使实施例1的DC/DC转换器的变压器和电抗器一体化的磁路。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的DC/DC转换器的实施方式。
(实施例1)
图6是实施例1的DC/DC转换器的电路结构图。图6所示的DC/DC转换器并联连接通过比共振频率高的工作频率进行工作的三个半桥型电流共振DC/DC转换器1A～1C，通过控制电路10使各个电流共振DC/DC转换器1A～1C的相位相差120度来使其进行工作。
变压器T1具有1次线圈5a(匝数np)和二次线圈5b(匝数ns1)、5c(匝数ns2)和三次线圈5d(匝数nf)。变压器T2具有一次线圈6a(匝数np)和二次线圈6b(匝数ns1)、6c(匝数ns2)和三次线圈6d(匝数nf)。变压器T3具有一次线圈7a(匝数np)和二次线圈7b(匝数ns1)、7c(匝数ns2)以及三次线圈(匝数nf)。
在电流共振DC/DC转换器1A中，在直流电源Vdc1的两端连接有MOSFET构成的开关元件Q1和MOSFET构成的开关元件Q2的串联电路。
在开关元件Q2的漏极-源极之间，并列连接二极管D2以及电容器C2，并且连接共振电抗器LR1和变压器T1的一次线圈5a以及共振电容器CR1的串联电路。共振电抗器LR1由变压器T1的一次二次之间的漏感构成，励磁电感作为电抗器LP1等价地连接在一次线圈5a上。在开关元件Q1的漏极-源极之间连接有二极管D1以及电容器C1。
在变压器T1的二次线圈5b的一端，连接二极管D7的阳极，变压器T1的二次线圈5b的另一端和变压器T1的二次线圈5c的一端连接在平滑用电容器CL的一端，变压器T1的二次线圈5c的另一端与二极管D8的阳极连接。二极管D7的阴极和二极管D8的阴极与电容器CL的另一端连接。在电容器CL的两端上连接负载RL。
在电流共振DC/DC转换器1B中，在直流电源Vdc1的两端上连接MOSFET构成的开关元件Q3和MOSFET构成的开关元件Q4的串联电路。
在开关元件Q4的漏极-源极之间并列连接二极管D4以及电容器C4，并且连接了共振电抗器LR2和变压器T2的一次线圈6a以及共振电容器CR2的串联电路。共振电抗器LR2由变压器T2的一次二次间的漏感形成，励磁电感作为电抗器LP2等价地连接在一次线圈6a上。在开关元件Q3的漏极-源极之间，并列连接了二极管D3以及电容器C3。
在变压器T2的二次线圈6b的一端，连接二极管D9的阳极，变压器T2的二次线圈6b的另一端和变压器T2的二次线圈6c的一端连接在平滑用电容器CL的一端，变压器T2的二次线圈6c的另一端与二极管D10的阳极连接。二极管D9的阴极和二极管D10的阴极与电容器CL的另一端连接。
在电流共振DC/DC转换器1C中，在直流电源Vdc1的两端上连接MOSFET构成的开关元件Q5和MOSFET构成的开关元件Q6的串联电路。
在开关元件Q6的漏极-源极之间并列连接二极管D6以及电容器C6，并且连接了共振电抗器LR3和变压器T3的一次线圈7a以及共振电容器CR3的串联电路。共振电抗器LR3由变压器T3的一次二次间的漏感形成，励磁电感作为电抗器LP3等价地连接在一次线圈7a上。在开关元件Q5的漏极-源极之间，并列连接了二极管D5以及电容器C5。
在变压器T3的二次线圈7b的一端，连接二极管D11的阳极，变压器T3的二次线圈7b的另一端和变压器T3的二次线圈7c的一端连接在电容器CL的一端，变压器T3的二次线圈7c的另一端与二极管D12的阳极连接。二极管D11的阴极和二极管D12的阴极与电容器CL的另一端连接。
此外，环状(闭环状)地连接了变压器T1的三次线圈5d、变压器T2的三次线圈6d、变压器T3的三次线圈7d以及电抗器Lf。
控制电路10这样进行控制：根据来自电容器CL的输出电压Vo，使开关元件Q1和开关元件Q2交互地接通/关断，使开关元件Q3和开关元件Q4交互地接通/关断，使开关元件Q5和开关元件Q6交互地接通/关断，并且使开关元件Q1和开关元件Q2的第一配对、开关元件Q3和开关元件Q4的第二配对、以及开关元件Q5和开关元件Q6的第三配对的各配对之间的相位差为120度来使其进行工作，进行PFM控制(频率控制)，使电容器CL的输出电压Vo成为恒定。
在如此构成的实施例1的DC/DC转换器中，因为环状地连接了变压器T1的三次线圈5d、变压器T2的三次线圈6d、变压器T3的三次线圈7d以及电抗器Lf，所以当把在三次线圈5d、6d、7d中感应出的电压分别设为电压V1、V2、V3，把在电抗器Lf中感应出的电压设为V4时，则有V1+V2+V3+V4＝0。
在此，电抗器Lf的值是非常小的值，在电压V40时V1+V2+V30。
因为各个电压V1、V2、V3为交流电压，所以分别周期性地成为0。例如，在电压V1＝0时，电压V2和电压V3的绝对值相等，为极性相反的电压。即，各个电压V1、V2、V3需要相位不同但为相同值的电压。因此，因为在各个变压器T1、T2、T3中感应出相同值的电压，所以输出平衡。
在此，当电抗器Lf的值为0时，在三次线圈5d、6d、7d中产生的电压V1、V2、V3还包含高次谐波，而并非总是V1+V2+V3＝0。此时，在三次线圈5d、6d、7d中流过过大的电流，可以通过电抗器Lf的阻抗抑制该过大的电流以及高次谐波。由于插入电抗器Lf，在变压器T1、T2、T3中多少会产生不平衡，循环电流减少，可以降低损失。实际上，通过调整电抗器Lf的值，可以在损失和平衡间的最佳点设定电抗器Lf的值。
图7是实施例1的DC/DC转换器的各部中的信号的时序图。在图7中，Q1v是开关元件Q1的漏极-源极间电压，Q3v是开关元件Q3的漏极-源极间电压，Q5v是开关元件Q5的漏极-源极间电压，Icr1是共振电容器CR1中流过的共振电流，Icr2是共振电容器CR2中流过的共振电流，Icr3是共振电容器CR3中流过的共振电流，Io是二极管D7～D12的整流后的输出电流。
此外，在图7中，是将共振电抗器LR1的值设为共振电抗器LR2、LR3的值的1.1倍、使电路进行工作时的各部的动作波形。
根据图7可知，共振电流Icr1、Icr2、Icr3是大约相同的值，所以输出电流Io平衡，成为脉动少的电流。
如此，根据实施例1的DC/DC转换器，因为环状地连接了各变压器T1、T2、T3的三次线圈5d、6d、7d以及电抗器Lf，所以可以修正三次线圈5d、6d、7d的电压，可以使各个DC/DC转换器1A～1C的工作平衡。因此，可以使输出滤波器小型化，可以使用耐压低的二极管，可以提供实现小型化以及高效化的大容量的DC/DC转换器。
(实施例2)
图8表示使实施例1的DC/DC转换器的变压器以及电抗器一体化的磁路的实施例。图8(a)表示各线圈的连接图。
在本实施例的DC/DC转换器中，如图8(b)所示，变压器T1具有形成间隙(空隙26)、由磁性材料构成的铁芯21，在形成了间隙26的一个脚上缠绕一次线圈5a和二次线圈5b、5c，在铁芯21的另一脚上缠绕第三线圈5d来构成变压器T1。铁芯21和间隙26规定一个磁路。
变压器T2具有规定磁通路径由磁性材料构成的铁芯22，在形成间隙27的一个脚上缠绕一次线圈6a和二次线圈6b、6c，在铁芯22的另一脚上缠绕三次线圈6d而构成。变压器T3具有规定磁通路径由磁性材料构成的铁芯23，在形成间隙28的一个脚上缠绕一次线圈7a和二次线圈7b、7c，在铁芯23的另一脚上缠绕三次线圈7d而构成。电感器Lf在规定磁通路径由磁性材料构成的铁芯24的一个脚上形成间隙29，在另一脚上缠绕线圈8而构成。
如图8(c)所示的那样，连接变压器T1、变压器T2、变压器T3、以及电抗器Lf。即，将图8(a)所示的变压器T1、变压器T2、变压器T3、以及电抗器Lf的各铁芯一体化地形成如图8(c)那样的磁路为等价的磁路，所以动作没有变化。
图8(c)所示的磁路，在规定磁通路径的铁芯30的第一脚30a上缠绕变压器T1的一次线圈5a和二次线圈5b、5c，在第二脚30b上缠绕变压器T1的三次线圈5d，在第三脚30c上缠绕变压器T2的一次线圈6a和二次线圈6b、6c，在第四脚30d上缠绕变压器T2的三次线圈6d，在第五脚30e上缠绕变压器T3的一次线圈7a和二次线圈7b、7c，在第六脚30f上缠绕变压器T3的三次线圈7d，第七脚30g上形成间隙29，在第八脚30h上缠绕线圈8来构成。
贯穿变压器T1的三次线圈5d的磁通量为Ф1，同样地，贯穿变压器T2的三次线圈6d的磁通量为Ф2，贯穿变压器T3的三次线圈7d的磁通量为Ф3，贯穿电抗器Lf的线圈8的磁通量为Ф4。
在此，因为环状(闭环状)地连接变压器T1的三次线圈5d和变压器T2的三次线圈6d和变压器T3的三次线圈7d以及电抗器Lf，所以在各个线圈5d、6d、7d以及电抗器Lf中产生的电压的总和为V1+V2+V3+V4＝0。
在各个线圈5d、6d、7d、8的匝数相等，将其匝数设为N时，因为缠绕线圈的铁芯的磁通量Ф为NdФi/dt＝Vi(i＝1、2、3、4)，所以各个线圈的电压Vi的总和为零，所以铁芯的磁通量变化dФi/dt的总和也是零。因此，即使从图8(b)所示的磁路置换为图8(c)所示的磁路，磁通量的总和也为Ф1+Ф2+Ф3+Ф4＝0。因为贯穿各个一次线圈(5a、6a、7a)以及二次线圈(5b、5c、6b、6c、7b、7c)的磁通量的分布(磁通路径的结构)没有变化，所以不会对工作产生影响。
此外，因为Ф1+Ф2+Ф3+Ф4＝0，所以即使全部去除磁通量Ф1通过的脚30b、磁通量Ф2通过的脚30d、磁通量Ф3通过的脚30f、以及磁通量Ф4通过的脚30h这四个脚，成为图8(d)所示的磁路，因为磁通路径的结构等价，所以不会对工作产生影响。图8(d)所示的磁路在规定磁通路径的铁芯40的脚40b上缠绕变压器T1的一次线圈5a和二次线圈5b、5c，在脚40c上缠绕变压器T2的一次线圈6a和二次线圈6b、6c，在脚40d上缠绕变压器T3的一次线圈7a和二次线圈7b、7c，在脚40a、40e形成间隙41，在脚40b、40c、40d形成间隙42。结果，可以将磁路小型化为等价的磁路。
如此，根据本实施例，通过使用由三个以上的脚构成的铁芯，可以简化三个变压器T1、T2、T3以及电抗器Lf，可以简化线路结构。
此外，通过调整缠绕了线圈的脚的间隙的幅度，可以调整电抗器LP1、LP2、LP3。此外，通过一次线圈5a、6a、7a以及二次线圈5b、5c、6b、6c、7b、7c之间的位置(距离)，可以调整共振电抗器LR1、LR2、LR3。
此外，通过调整没有缠绕线圈的脚的间隙的幅度，可以调整电抗器Lf。此外，电抗器Lf可以使用缠绕在各脚上的一次线圈5a、6a、7a之间的漏感。由此，可以简化为三脚铁芯。
根据本发明，因为环状地连接了变压器的各个三次线圈以及电抗器，所以可以修正三次线圈的电压，可以使各个转换器的工作平衡。因此，可以提供能够实现小型化以及高效化的大容量的DC/DC转换器。
此外，通过使用一个铁芯使三个变压器一体化，可以进行小型化。

Claims (4)

1.一种DC/DC转换器，其并列连接了三台具有120度的相位差的半桥型电流共振DC/DC转换器，并使它们以比共振频率高的工作频率工作，其特征在于，
所述三台半桥型电流共振DC/DC转换器分别具备：
具有一次线圈和二次线圈以及三次线圈的变压器；
在直流电源的两端串联连接第一开关元件和第二开关元件的第一串联电路；
在所述第一开关元件或所述第二开关元件的两端串联连接共振电抗器和所述变压器的一次线圈以及共振电容器的第二串联电路；以及
对在所述变压器的二次线圈中产生的电压进行整流后输出给平滑电容器的整流电路，
将所述三次线圈中的各个三次线圈以及电抗器连接成了环状。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
配备具有规定磁通路径的由三个以上的脚形成的铁芯的磁路，在所述三个以上的脚形成的铁芯内的三个脚的各个脚上，对应各脚缠绕所述一次线圈和二次线圈。
3.根据权利要求2所述的DC/DC转换器，其特征在于，
具备间隙，该间隙被设置在缠绕了所述一次线圈以及二次线圈的三个脚以外的脚上，且通过调整其距离来调整所述电抗器的电感。
4.根据权利要求3所述的DC/DC转换器，其特征在于，
所述电抗器由对应所述各脚所缠绕的所述1次线圈之间的漏感形成。
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