CN101847933A - 绝缘直流-直流变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及绝缘直流-直流变换器，特别地涉及具有有源箝位电路的绝缘直流-直流变换器。该绝缘直流-直流变换器包括变压器、主开关、有源箝位电路和控制单元。该变压器具有初级绕组。该主开关和该有源箝位电路被连接到该初级绕组。该有源箝位电路具有被串联的辅助开关和箝位电容器。该控制单元被提供用于控制该主开关和该辅助开关。该控制单元在正常操作之前进行该变换器的软启动操作。该控制单元在启动软启动操作之前进行抗饱和控制。抗饱和控制包括如下动作：控制该主开关和该辅助开关，使得在该主开关被保持断开的情况下该辅助开关进行通-断操作，直到该箝位电容器的电压降到低于其中在启动软启动操作之后该变压器将被磁性饱和的电平为止。

Description

绝缘直流-直流变换器
技术领域
本发明涉及绝缘直流-直流变换器，特别地涉及具有有源箝位电路的绝缘直流-直流变换器。
背景技术
参考示出根据背景技术的带有有源箝位电路的绝缘直流-直流变换器的电路图的图8，主开关Q1和辅助开关Q2被用在用于变压器50的初级绕组的电路中。辅助开关Q2被串联到箝位电容器C以由此形成有源箝位电路。该有源箝位电路被并联到变压器50的初级绕组。通过控制电路(未示出)使主开关Q1和辅助开关Q2交替地接通和断开。用于辅助开关Q2的驱动信号是通过反转用于主开关Q1的驱动信号来提供的。
在启动带有有源箝位电路的绝缘直流-直流变换器时，执行软启动用于防止变压器50的偏置励磁。
图9示出绝缘直流-直流变换器在其软启动期期间的操作的时序图。如图中所示，辅助开关Q2的占空比大于主开关Q1的占空比。术语占空比指的是开关接通期间的时间段与开关接通期间的时间段和开关断开期间的时间段之和的比率。乘积Vc·T2(其中Vc代表被施加到变压器50的电压并且T2代表辅助开关Q2接通期间的时间段)大于乘积V1·T1(其中V1代表被施加到变压器50的电压并且T1代表主开关Q1接通期间的时间段)。因此，取决于箝位电容器C在变换器的软启动的开始时所充电的电荷的量，或者取决于箝位电容器C的电压，感生出偏置励磁，并且如果偏置励磁是持续的话变压器50可能被磁性饱和。变压器50的磁性饱和引起其感应系数的快速减少，由此快速地增加了励磁电流，使得流过辅助开关Q2的过量电流可能引起对辅助开关Q2的损坏。尽管使用具有承受大电压和大电流能力的开关元件作为辅助开关Q2能够防止辅助开关Q2的损坏，但是这增加了转换器的成本。
日本未审查专利申请公报第2006-191741号公开了带有有源箝位电路的绝缘直流-直流变换器。在该公开中，在控制主开关和辅助开关的操作的控制电路被启动时，从箝位电容器向控制电路供电。箝位电容器在启动控制电路时所充电的电荷被传输到形成控制电路的供电装置的电容器，由此将在箝位电容器中储存的电荷放电。这样的电容器需要附加电路，使得变换器复杂并且其制造成本增加。
考虑了上述问题做出的本发明涉及带有有源箝位电路的绝缘直流-直流变换器，据此，防止了在开始绝缘直流-直流变换器的软启动之后变压器被磁性饱和，并且摒弃了具有承受大电压和大电流能力的开关元件作为有源箝位电路的辅助开关。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种绝缘直流-直流变换器包括变压器、主开关、有源箝位电路和控制单元。该变压器具有初级绕组。该主开关被连接到该初级绕组。该有源箝位电路被连接到该初级绕组并且具有被串联的辅助开关和箝位电容器。该控制单元被提供用于控制该主开关和该辅助开关。该控制单元在用于供电的正常操作之前进行该绝缘直流-直流变换器的软启动操作。该控制单元在启动该绝缘直流-直流变换器的软启动操作之前进行抗饱和控制。抗饱和控制包括如下动作：控制该主开关和该辅助开关，使得在该主开关被保持处于断开状态时该辅助开关进行通-断操作，直到该箝位电容器的电压降到低于其中在启动该绝缘直流-直流变换器的软启动操作之后该变压器将被磁性饱和的电平为止。
根据以下描述，结合附图，通过对本发明的原理举示例的方式来说明，本发明的其他方面和优点将变得显然。
附图说明
参考对当前优选实施例的以下描述和附图，可以最佳地理解本发明及其目的和优点，在附图中：
图1是示出根据本发明的优选实施例的绝缘直流-直流变换器的电路图；
图2是示出图1的绝缘直流-直流变换器的操作的时序图；
图3是示出根据本发明的另一实施例的绝缘直流-直流变换器的电路图；
图4是示出根据本发明的又一实施例的绝缘直流-直流变换器的电路图；
图5是示出根据本发明的又一实施例的绝缘直流-直流变换器的电路图；
图6是示出根据本发明的又一实施例的绝缘直流-直流变换器的电路图；
图7是示出根据本发明的又一实施例的绝缘直流-直流变换器的电路图；
图8是示出根据背景技术的绝缘直流-直流变换器的电路图；并且
图9是示出图8的绝缘直流-直流变换器在其软启动期期间的操作的时序图。
具体实施方式
下面将参考图1和2描述根据本发明的优选实施例的绝缘直流-直流变换器。在本实施例中，利用有源箝位正向变换器作为绝缘直流-直流变换器。有源箝位正向变换器在以下描述中将仅被称为变换器。参考示出根据本实施例的变换器的图1，附图标记10表示具有初级绕组11和次级绕组14的变压器。初级绕组11、主开关Q1和直流供电装置12被串联。主开关Q1使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为开关元件。初级绕组11的第一端子11A被连接到直流供电装置12的正极端子，并且初级绕组11的第二端子11B被连接到主开关Q1的MOSFET的漏极。主开关Q1的MOSFET的源极被连接到直流供电装置12的负极端子。二极管D1被反向并联到主开关Q1。
辅助开关Q2和箝位电容器13被串联以形成有源箝位电路。该有源箝位电路被并联到初级绕组11。辅助开关Q2使用MOSFET作为开关元件。箝位电容器13在其一端处被连接到初级绕组11和直流供电装置12的正极端子的交点，并且在其另一端处被连接到辅助开关Q2的MOSFET的漏极。辅助开关Q2的MOSFET在其源极处被连接到初级绕组11和主开关Q1的交点。二极管D2被反向并联到辅助开关Q2。
变压器10的次级绕组14具有第一端子14A、第二端子14B和中间抽头14C。电感器15、电容器16和MOSFET 17被串联在中间抽头14C和第二端子14B之间。电阻器(负载)18被并联到电容器16。次级绕组14的第一端子14A经由MOSFET 19被连接到MOSFET 17的源极。二极管D3被反向并联到MOSFET 17并且二极管D4被反向并联到MOSFET 19。
主开关Q1、辅助开关Q2、MOSFET 17和MOSFET 19在其栅极处被连接到控制单元20。控制单元20包括中央处理单元(CPU)和存储器。控制单元20在变换器的正常操作期间控制主开关Q1和辅助开关Q2的交替的通-断操作，由此从直流供电装置12向变压器10供电。短语“在变换器的正常操作期间”指的是其中直流供电装置12的电力被从变压器10的初级绕组11供应到次级绕组14的变换器状态。控制单元20可用于与流过初级绕组11的电流的方向的变化同步地控制MOSFET 17和MOSFET 19的互补的通-断操作。即，MOSFET 17和MOSFET 19以互补方式进行交替的通-断操作。
在启动变换器时，控制单元20控制主开关Q1和辅助开关Q2的通-断操作使得变换器执行软启动，其中辅助开关Q2的占空比大于主开关Q1的占空比。占空比指的是开关接通期间的时间段与开关接通期间的时间段和开关断开期间的时间段之和的比率。在控制单元20接收到启动命令时，控制单元20在启动软启动操作之前进行抗饱和控制。抗饱和控制是如下动作：控制主开关Q1和辅助开关Q2的操作，使得在主开关Q1被保持断开的情况下辅助开关Q2进行通-断操作，直到箝位电容器13的电压降到低于其中在启动变换器的软启动操作之后变压器10将被磁性饱和的电平为止。在抗饱和控制中辅助开关Q2的通-断操作的周期可以基本上等于在变换器的操作期间辅助开关Q2的通-断操作的周期。
如果选择0伏作为低于其中在启动变换器的软启动操作之后变压器10被磁性饱和的电平的电压，则不用担心在启动变换器的软启动操作之后变压器10被磁性饱和，但是要花很长时间进行抗饱和控制。因此，通过试验预先找到其中在启动变换器的软启动操作之后变压器10被磁性饱和的电压的最小值，并且参考该最小值在使得变压器10不被磁性饱和的程度内设定合适的电压值。借助于通过使用检测箝位电容器13的电压的电压检测电路来判断电容器电压是否已经达到了设定值，可以确定抗饱和控制的终止的定时。然而，在这种情况中，变换器需要电压检测电路。在本实施例中，代表辅助开关Q2的接通操作数的累计接通脉冲数已从抗饱和控制的开始的时间起被计数。在累计接通脉冲数达到预设的值时抗饱和控制被终止。通过试验预先找到该预设的值，并且参考所找到的脉冲数在使得变压器10不被磁性饱和的程度内设定合适的累计接通脉冲数。
在抗饱和控制中辅助开关Q2接通的时间段T3被设定为使得箝位电容器13的剩余电荷与辅助开关Q2接通的时间段T3的乘积小于电压-时间乘积E·T，在电压-时间乘积E·T中变压器10两端的电压E被乘以在将电压E施加到变压器10时的时间段T。
下面将描述上述变换器的操作。在变换器的正常操作或稳定状态中，以使得在主开关Q1接通时变压器10的乘积E·T等于在辅助开关Q2接通时变压器10的乘积E·T的占空比来进行主开关Q1和辅助开关Q2的交替的通-断操作。在主开关Q1接通并且辅助开关Q2断开时，电流从第一端子11A到第二端子11B流过初级绕组11，并且也从第二端子14B到第一端子14A流过次级绕组14。在这种情况中，MOSFET 17被控制为处于接通状态并且MOSFET 19被控制为处于断开状态，使得流过次级绕组14的电流通过抽头14C、电感器15和电阻器18被传递。另一方面，在主开关Q1断开并且辅助开关Q2接通时，电流从第二端子11B到第一端子11A流过初级绕组11，并且也从第一端子14A到第二端子14B流过次级绕组14。在这种情况中，MOSFET 17被控制为处于断开状态并且MOSFET 19被控制为处于接通状态，使得流过次级绕组14的电流通过抽头14C、电感器15和电阻器18被传递。即，在使主开关Q1和辅助开关Q2交替地接通和断开并且以预定的周期改变流过初级绕组11的电流的方向时，与流过初级绕组11的电流的方向的改变同步地使MOSFET 17和MOSFET 19交替地接通和断开，结果是出现在次级绕组14中的电流作为直流电通过电阻器18被传递。
在使启动开关(未示出)接通并且控制单元20接收到重新启动命令(启动命令)时，控制单元20在执行软启动操作之前进行抗饱和控制。根据抗饱和控制，控制单元20控制主开关Q1和辅助开关Q2的操作，使得在主开关Q1被保持处于断开状态时辅助开关Q2进行通-断操作，直到箝位电容器13的电压降到低于其中在重新启动变换器的软启动操作之后变压器10将被磁性饱和的电平为止。控制单元20从抗饱和控制的开始起计数辅助开关Q2处于接通时的脉冲。在所计数的脉冲数达到预设的值时，控制单元20结束抗饱和控制并开始对软启动的控制。在本说明书描述的实施例的上下文中，“重新启动”是启动操作的一种，是在变换器的停止后再次对其启动的情况下的启动操作。
在辅助开关Q2的通-断操作的重复期间将箝位电容器13所充电的电荷(电压)(或箝位电容器13中剩余的电荷)放电，并且相应地，箝位电容器13的电压Vc逐渐下降，如图2中所示。另外，被施加到变压器10的电压和流过变压器10的电流逐渐减小。在箝位电容器13的电压Vc下降到低于阈值电压值(即，其中在重新启动变换器的软启动操作之后变压器10将被磁性饱和的电压)时，此时结束放电，即，结束抗饱和控制。然后将开始软启动操作。
在软启动期间，辅助开关Q2的占空比被设定为大于主开关Q1的占空比。然而，由于抗饱和控制，软启动是在其中箝位电容器13的电压足够低的状态下开始的。因此，变压器10不被以大的偏置励磁以至于被磁性饱和，即使(在将电压Vc施加到变压器10的时间段T2期间被施加到变压器10的电压Vc的)乘积Vc·T2与(在将电压V1施加到变压器10的时间段T1期间被施加到变压器10的电压V1的)乘积V1·T1不平衡。
本实施例提供了如下有利效果。
(1)变换器包括变压器10、主开关Q1、有源箝位电路和控制单元20。有源箝位电路被并联到变压器10的初级绕组11，并且具有被串联的辅助开关Q2和箝位电容器13。控制单元20控制主开关Q1和辅助开关Q2的操作。控制单元20在用于供电的正常操作之前进行变换器的软启动操作。控制单元20在变换器的停止之后重新启动变换器的软启动操作之前进行抗饱和控制。短语“变换器的停止”指的是停止施加电压给变压器10的初级绕组11，其中至少使主开关Q1断开。例如，在使主开关Q1断开的同时使辅助开关Q2接通和断开。抗饱和控制是如下动作：控制主开关Q1和辅助开关Q2的操作，使得在主开关Q1被保持断开的情况下辅助开关Q2进行通-断操作，直到箝位电容器13的电压降到低于其中在重新启动变换器的软启动操作之后变压器10将被磁性饱和的电平为止。因此，如果通过软启动来重新启动变换器并且以大于主开关Q1的占空比的占空比操作辅助开关Q2，则因为箝位电容器13的开始电压足够低，所以变压器10不被磁性饱和。因而，没有必要使用具有承受大电压和大电流能力的开关元件作为有源箝位电路的辅助开关Q2。
(2)控制单元20在在变换器的停止之后重新启动变换器的软启动操作之前进行抗饱和控制。因此，对比于其中在变换器的停止之后重新启动变换器之前的任何给定时间进行抗饱和控制的情况，没有必要测量从变换器的停止起经过的时间。因而，控制单元20在重新启动变换器之前必定进行抗饱和控制。
(3)在抗饱和控制下辅助开关Q2接通期间的时间段T3被设定为使得箝位电容器13的剩余电荷与辅助开关Q2接通期间的时间段T3的乘积小于电压-时间乘积E·T，电压-时间乘积E·T是被施加到变压器10的电压E和将电压E施加到变压器10期间的时间段T的乘积。因此，不用担心在将箝位电容器13放电时变压器10达到饱和磁量密度。
(4)控制单元20确定抗饱和控制的终止的定时，不是借助于通过使用检测箝位电容器13的电压的电压检测电路来判断电容器电压是否已经达到了设定值进行的，而是借助于判断代表辅助开关Q2的接通操作次数的累计接通脉冲数从抗饱和控制的开始起是否已经达到了设定值进行的。因此，控制单元20不需要电压检测电路，并且仅通过修改用于主开关Q1和辅助开关Q2的控制程序而非修改硬件就可以实现目的。
(5)在建立低于其中在重新启动变换器的软启动操作之后变压器10将被磁性饱和的电压的电压时，通过试验预先找到磁性饱和电压的最小值，并且参考所找到的最小值在使得变压器10不被磁性饱和的程度内设定不同于0伏的电压。因此，对比于其中进行抗饱和控制直到箝位电容器13的电压达到0伏的情况，减少了抗饱和控制所需要的时间。
(6)在抗饱和控制中辅助开关Q2的通-断操作的周期等于变换器的操作期间的周期。因此，不需要附加的驱动电路用于在抗饱和控制下控制辅助开关Q2的通-断操作。
在上述实施例的上下文中已经描述了本发明，但其不限于该实施例。显然的是，可以用如以下所示例的各种方式来实施本发明。
在如图3中所示的上述实施例的变型中，本发明的绝缘直流-直流变换器被应用于升压半桥变换器。在这个实例中，变压器22的次级电路基本上与变压器10的次级电路相同，但是变压器22的初级电路与变压器10的初级电路不同。电感器21、主开关Q1和直流供电装置12被串联。另外，变压器22的初级绕组23和电容器24的串联电路被并联到主开关Q1。箝位电容器13和辅助开关Q2的串联电路被并联到变压器22的初级绕组23。二极管D1和D2被分别反向并联到主开关Q1和辅助开关Q2。
在上述实施例的有源箝位正向变换器中，也可以将其布置为使得具有箝位电容器13和辅助开关Q2的有源箝位电路的串联电路如图4中所示地被并联到主开关Q1，而非被并联到初级绕组11。
在上述升压半桥变换器的变型中，也可以将其布置为使得具有箝位电容器13和辅助开关Q2的有源箝位电路的串联电路如图5中所示地被并联到初级绕组23和电容器24的串联电路，而非被并联到初级绕组23。
在上述实施例的变型中，如图6中所示，本发明的绝缘直流-直流变换器可以以具有两个分立变压器25和26的双变压器布置形式被应用于有源箝位正向变换器。变压器25的初级绕组25A、变压器26的初级绕组26A、主开关Q1和供电装置12被串联。箝位电容器13和辅助开关Q2的串联电路被并联到变压器25的初级绕组25A和变压器26的初级绕组26A的串联电路。电感器27被并联到变压器25的初级绕组25A，并且电感器28被并联到变压器26的初级绕组26A。二极管D1被反向并联到主开关Q1，并且二极管D2被反向并联到辅助开关Q2。变压器25的次级绕组25B和变压器26的次级绕组26B被串联，并且供电装置30在其负极端子处经由电感器29被连接到次级绕组25B和26B两者的交点。二极管D5被连接在供电装置30的正极端子和变压器25的次级绕组25B之间，使得二极管D5的阴极对应于供电装置30的正极端子。二极管D6被连接在供电装置30的正极端子和变压器26的次级绕组26B之间，使得二极管D6的阴极对应于供电装置30的正极端子。
在双变压器布置形式的上述有源箝位正向变换器的变型中，如图7中所示，可以将其布置为使得变压器25具有初级绕组25A之外的其他初级绕组31，并且变压器26具有初级绕组26A之外的其他初级绕组32。两个初级绕组31和32的串联电路在其一端处经由电容器33被连接到供电装置12的负极端子，并且在其另一端处被连接到主开关Q1的MOSFET的漏极。箝位电容器13和辅助开关Q2的串联电路在箝位电容器13的远离辅助开关Q2的一端处被连接到供电装置12的负极端子，并且辅助开关Q2的MOSFET的源极被连接到主开关Q1的MOSFET的漏极。
控制单元20进行抗饱和控制所处的时间可以在变换器的停止之后重新启动变换器的软启动操作之前的任何时间处。可以紧接在变换器的停止之后或者在从变换器的停止起经过了预定的时间段之后进行抗饱和控制。
可以在抗饱和控制下电容器电压已经变成了0伏时，终止箝位电容器13的放电。然而，在这种情况中，要花很长时间用于电容器电压变成0伏。
根据本发明，没有必要在抗饱和控制中保持辅助开关Q2的占空比为恒定值。例如，可以渐进地或步进地增加占空比。
抗饱和控制的终止的定时可以根据从抗饱和控制的开始起经过的时间确定，而非根据从抗饱和控制的开始起的代表辅助开关Q2的接通操作次数的累计接通脉冲数确定。通过试验预先找到用于电容器电压从根据抗饱和控制的辅助开关Q2的通-断操作的开始起降到低于其中在重新启动变换器的软启动操作之后变压器将被磁性饱和的电平所需要的时间，并且参考根据试验所找到的时间在使得变压器不被磁性饱和的程度内设定用于终止的时间。在这种情况中，如在其中根据从抗饱和控制的开始起的代表辅助开关Q2的接通操作次数的累计接通脉冲数确定抗饱和控制的终止的定时的情况中那样，电压检测电路是不必要的。
可以在抗饱和控制中检测箝位电容器13的电压，使得在所检测到的电容器电压降到低于预设的电平时抗饱和控制终止。在用于检测箝位电容器13的电压的方法中，需要电压检测电路。然而，没有必要通过试验预先找到箝位电容器13的电压从抗饱和控制的开始起降到低于其中在重新启动变换器的软启动操作之后变压器将被磁性饱和的电平所需要经过的时间或者累计脉冲数。
主开关Q1和辅助开关Q2的开关元件不限于MOSFET，也可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

Claims (10)

1.一种绝缘直流-直流变换器，其包括：
具有初级绕组(11，23，25A，26A，31，32)的变压器(10，22，25，26)；
被连接到所述初级绕组(11，23，25A，26A，31，32)的主开关(Q1)；
被连接到所述初级绕组(11，23，25A，26A，31，32)的有源箝位电路，其中所述有源箝位电路具有被串联的辅助开关(Q2)和的箝位电容器(13)；以及
用于控制所述主开关(Q1)和所述辅助开关(Q2)的控制单元(20)，其中所述控制单元(20)在用于供电的正常操作之前进行所述绝缘直流-直流变换器的软启动操作，
所述绝缘直流-直流变换器的特征在于：所述控制单元(20)在启动所述绝缘直流-直流变换器的软启动操作之前进行抗饱和控制，其中抗饱和控制包括如下动作：控制所述主开关(Q1)和所述辅助开关(Q2)，使得在所述主开关(Q1)被保持处于断开状态时所述辅助开关(Q2)进行通-断操作，直到所述箝位电容器(13)的电压降到低于其中在启动所述绝缘直流-直流变换器的软启动操作之后所述变压器(10，22，25，26)将被磁性饱和的电平为止。
2.根据权利要求1所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：在所述绝缘直流-直流变换器的停止之后重新启动所述绝缘直流-直流变换器的软启动操作之前，所述控制单元(20)进行抗饱和控制。
3.根据权利要求1所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：在抗饱和控制中所述辅助开关(Q2)接通的时间段(T3)被设定为使得所述箝位电容器(13)的剩余电荷与所述辅助开关(Q2)接通的时间段(T3)的乘积小于电压-时间乘积E·T，在电压-时间乘积E·T中所述变压器(10，22，25，26)两端的电压E被乘以在将电压E施加到所述变压器(10，22，25，26)时的时间段T。
4.根据权利要求1所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：在抗饱和控制中所述辅助开关(Q2)的通-断操作的周期等于在所述绝缘直流-直流变换器的正常操作期间所述辅助开关(Q2)的通-断操作的周期。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：所述控制单元(20)维持抗饱和控制直到从抗饱和控制的开始起的所述辅助开关(Q2)的累计脉冲数达到预设的次数为止。
6.根据权利要求1至4中的任何一项所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：所述控制单元(20)维持抗饱和控制直到从抗饱和控制的开始起的时间达到预设的时间为止。
7.根据权利要求1至4中的任何一项所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：所述控制单元(20)维持抗饱和控制直到通过电压检测电路检测到的所述箝位电容器(13)的电压降到低于预设的电平为止。
8.根据权利要求1至4中的任何一项所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：降到低于其中所述变压器(10，22，25，26)将被磁性饱和的电平的所述箝位电容器(13)的电压高于零。
9.根据权利要求1至4中的任何一项所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：所述绝缘直流-直流变换器是具有单一的或者两个分立的变压器(10，22，25，26)的有源箝位正向变换器。
10.根据权利要求1至4中的任何一项所述的绝缘直流-直流变换器，其特征在于：所述绝缘直流-直流变换器是升压半桥变换器，其中所述箝位电路被并联到所述初级绕组(23)或者被并联到所述初级绕组(23)和电容器(24)的串联电路。
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