CN101999205A - 用于过渡模式电源转换器的有源吸收器 - Google Patents

用于过渡模式电源转换器的有源吸收器 Download PDF

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Abstract

一种具有有源吸收器的过渡模式电源转换器，通过使用电源转换器的变压器上的辅助绕组来控制该有源吸收器的操作。在一个实施例中，电源转换器包括：具有连接到电压源的初级绕组的变压器、主开关、辅助开关、电容器和变压器上的辅助绕组。主开关包括连接到变压器的初级绕组的第一端和连接到公共节点的第二端。辅助开关包括连接到电压源和初级绕组的第一端。电容器连接在辅助开关的第二端和主开关的第一端之间。变压器的辅助绕组连接到辅助开关的第三端，并且经由该第三端控制辅助开关的操作。

Description

用于过渡模式电源转换器的有源吸收器
技术领域
本发明一般涉及电源转换器，并更具体地，涉及过渡模式(transitionmode)电源转换器，在一些情况下，所述过渡模式电源转换器也称为临界导通模式或边界模式转换器。
背景技术
在图1中示意性描绘了可以以过渡模式操作的现有的电源转换器100的一个实施例。在这点上，过渡模式可以定义为不连续操作模式和连续操作模式之间的边界模式。图1的电源转换器100包括变压器(T1)110、两个MOSFET(M1，M2)120和122、四个二极管(D2，D4，D5，D6)130-136、三个电容器(C3，C4，C5)140-144和电阻器(R5)152。电源转换器100被示为连接到直流电压源160。变压器110包括初级和次级绕组(T1-1，T1-2)110A和110B。MOSFET(M1，M2)120和122在此可以称为主MOSFET(M1)120和辅助MOSFET(M2)122。在图1中，未图示主MOSFET和辅助MOSFET(M1，M2)120和122的寄生电容和固有的体二极管(body diode)特性。二极管(D4，D5，D6)132-136和电容器(C5)144一起构成用于辅助MOSFET(M2)122的驱动电路，以用于控制辅助MOSFET(M2)122在导通和截止状态之间(优选在基本上零电压切换(ZVS)条件下)切换。整流二极管(D2)130和滤波电容器(C3)140一起构成次级侧整流部件。
如图1所描绘的，现有的过渡模式电源转换器100技术具有与辅助MOSFET(M2)122的栅极输入电容串联布置的外部电容器(C5)144和开关二极管(D4)132。该串联组合(C5、D4、M2栅极输入电容)与吸收电容器(C4)142并联以将吸收电容器(C4)142上的高电压分压为一定电平的电压，以便安全地将辅助MOSFET(M2)122的栅极驱动为导通状态。当使用其它两个开关二极管(D5和D6)134和136将吸收电容器(C4)142上的电压下降到零时，MOSFET(M2)122可以被关断。
在图1的现有的过渡模式电源转换器中使用的分压电路受到辅助MOSFET(M2)122的栅极输入电容的公差(tolerance)的影响，该公差通常没有清楚定义并且可能随着漏极-源极电压变化以及按批次(lot by lot)以及供应商的不同而变化。此外，吸收电容器(C4)142上的电压也可能随着输出负载以及输入线电压显著变化。因此，辅助MOSFET(M2)122的栅极电压电平可能具有显著的变化，特别是如果输出负载范围大。诸如这些的考虑可能使得不太期望图1的现有的电源转换器100用于较高的功率应用。
发明内容
因此，本发明提供一种过渡模式电源转换器，其非常适用于包括高功率应用的多种应用。该过渡模式电源转换器包括有源吸收器电路。该有源吸收器也可以称为开关模式吸收器。有源吸收器用在过渡模式电源转换器上以吸收来自变压器的漏电感以及任何杂散电感中的能量。有源吸收器然后将把吸收的能量变换到转换器的次级侧，并且还使用该能量的一部分来帮助主开关实现ZVS，并且消除导通开关损耗。这增加了转换器效率并使得能够进行更高开关频率的操作。这还减少了与开关导通和开关截止有关的开关噪声，因此减少了电源转换器的EMI特征。本发明人已经意识到如何控制用于控制有源吸收器的导通/截止的辅助开关(包括用于辅助开关的正确定时和正确栅极电压电平)是重要的问题。本发明通过利用变压器上的辅助绕组控制辅助开关的操作，以简单和低成本方式处理这些问题。
在一个方面，一种电源转换器，其包括具有连接到电压源的初级绕组的变压器、主开关、辅助开关、吸收电容器和变压器上的辅助绕组。主开关和/或辅助开关例如可以是晶体管，诸如例如MOSFET、BJT、IGBT和/或ESBT。主开关包括连接到变压器的初级绕组的第一端和连接到公共节点的第二端。辅助开关包括连接到电压源和初级绕组的第一端。吸收电容器连接在辅助开关的第二端和主开关的第一端之间。变压器的辅助绕组连接到辅助开关的第三端，并且经由该第三端控制辅助开关的操作。电源转换器还可以包括连接到辅助开关的第三端的箝位电路。箝位电路例如可以包括在辅助绕组和辅助开关的第二端之间与辅助绕组串联连接的二极管(例如，齐纳二极管)、以及与辅助绕组和二极管的串联组合并联连接的、跨越辅助开关的第二和第三端的电阻器。
在其它实施例中，可以更改电源转换器内的一个或多个组件的位置。例如，可以交换吸收电容器和辅助开关的位置。在这点上，与控制辅助开关的开关操作相关联的各种组件(例如，辅助绕组、齐纳二极管、电阻器)随着辅助开关而移动。
在另一方面，一种电源转换器，其包括用于将来自电压源的输入电压电平变换为不同的输出电压电平的变换部件，该变换部件包括连接到电压源和辅助侧的初级侧。电源转换器还包括用于在导通和截止状态之间切换的主开关部件，该主开关部件具有第一、第二和第三端，其中，其第一端连接到变换部件的初级侧，而其第二端连接到公共节点。电源转换器还包括用于在导通和截止状态之间切换的辅助开关部件，该辅助开关部件具有第一、第二和第三端，其中，其第一端连接到电压源和变换部件的初级侧，而其中其第三端连接到变换部件的辅助侧。电源转换器还包括在辅助开关部件的第二端和主开关部件的第一端之间连接的电荷存储部件。在该电源转换器中，变换部件的辅助侧中的所反映的电压控制辅助开关部件在导通和截止状态之间切换。如果需要，则电源转换器可以另外包括连接到次级开关部件的第三端的箝位部件。
在又一个方面，提供一种可以并入包括变压器和主开关的电源转换器的有源吸收器电路，该变压器至少包括连接到电压源的初级绕组，而主开关连接到该初级绕组。电源转换器例如可以包括反激转换器、升压转换器、降压/升压转换器。该有源吸收器电路包括辅助开关、电容器和变压器上的辅助绕组。在一个实施例中，辅助开关可以连接到电压源，并且电容器可以连接在辅助开关和主开关之间。在另一实施例中，电容器可以连接到电压源，并且辅助开关可以连接在电容器和主开关之间。辅助绕组控制辅助开关在导通和截止状态之间的操作。主开关和/或辅助开关例如可以是晶体管，诸如例如MOSFET、BJT、IGBT和/或ESBT。如果需要，则有源吸收器电路可以另外包括连接到辅助开关的箝位电路。箝位电路例如可以包括与辅助绕组串联连接的二极管(例如，齐纳二极管)和与辅助绕组和二极管的串联组合并联连接的电阻器。
当与附图结合时，在阅读下面的具体实施方式部分时，本发明的这些和其它方面和优点将是明显的。
附图说明
为了更彻底的理解本发明及其进一步的优点，现在结合附图参考下面的具体实施方式部分，在附图中：
图1是现有的过渡模式电源转换器的一个实施例的示意图；
图2是根据本发明的过渡模式电源转换器的一个实施例的示意图；
图3是根据本发明的过渡模式电源转换器的另一个实施例的示意图；以及
图4是根据本发明的过渡模式电源转换器的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
图2是示出过渡模式电源转换器200的一个实施例的示意图。电源转换器200包括变压器(T1)210、两个MOSFET(M1，M2)220和222、二极管(D2)230、齐纳二极管(D3)232、两个电容器(C3，C4)240和242、以及两个电阻器(R1，R5)250和252。电源转换器200被示为连接到直流电压源260。变压器210包括初级和次级绕组(T1-1，T1-2)210A和210B以及辅助绕组(T1-3)210C。
MOSFET(M1，M2)220和222在此可以称为主MOSFET(M1)220和辅助MOSFET(M2)222。在图2中，未图示主MOSFET和辅助MOSFET(M1，M2)220和222的寄生电容和固有的体二极管特性。主MOSFET(M1)220在此也可以称为主开关，而辅助MOSFET(M2)222在此也可以称为辅助开关。在这点上，主开关和辅助开关通常可以是具有用于过渡模式电源转换器200中适当的操作特性的任何开关器件，例如包括各种类型的晶体管(例如，如所示的MOSFET、BJT、IGBT、ESBT等)。
电压源260可以是多种产品，例如包括AC到DC转换器、一个或多个电池、一个或多个光伏电池、DC到DC转换器、或其任何组合。
在电源转换器200的初级绕组侧，电压源(V1)260连接在公共节点270与到辅助MOSFET(M2)222的漏极端和变压器210的初级绕组(T1-1)210A的节点272之间。公共节点270例如可以是零电势或地节点，尽管公共节点270也可以处于其它电势。变压器210的初级绕组(T1-1)210A在节点272处连接到电压源260和辅助MOSFET(M2)222的漏极端，并且在节点274处连接到电容器(C4)242和主MOSFET(M1)220的漏极端。变压器210的辅助绕组(T1-3)210C连接到齐纳二极管(D3)232，并且在节点276处连接到电阻器(R1)250和辅助MOSFET(M2)222的栅极端。齐纳二极管232连接到变压器210的辅助绕组(T1-3)210C，并且在节点278处连接到电阻器(R1)250、电容器(C4)242和辅助MOSFET(M2)222的源极端。吸收电容器(C4)242在节点278处连接到齐纳二极管232、电阻器(R1)250和辅助MOSFET(M2)222的源极端，并且在节点274处连接到变压器210的初级绕组(T1-1)210A和主MOSFET(M1)220的漏极端。电阻器(R1)在节点276处连接到变压器210的辅助绕组(T1-3)210C和辅助MOSFET(M2)222的栅极端，并且在节点278处连接到齐纳二极管(D3)232、电容器(C4)242和辅助MOSFET(M2)222的源极端。辅助MOSFET(M2)222的漏极端在节点272处连接到电压源(V1)260和变压器210的初级绕组(T1-1)210A。辅助MOSFET(M2)222的源极端在节点278处连接到齐纳二极管232、电阻器250和电容器242。辅助MOSFET(M2)222的栅极端在节点276处连接到电阻器(R1)250和变压器210的辅助绕组(T1-3)210C。主MOSFET(M1)220的漏极端在节点274处连接到电容器(C4)242和变压器210的初级绕组(T1-1)210A。主MOSFET(M1)220的源极端连接到公共节点270。
如图2所示，主MOSFET(M1)220的栅极端可以连接到控制电路290。控制电路290控制主开关的切换以期望地实现主开关的ZVS切换。在这点上，控制电路290例如可以包括可从ST微电子获得的L6565准谐振SMPS控制器。
在电源转换器200的次级绕组侧上，变压器210的次级绕组(T1-2)210B连接在二极管(D2)230和公共节点270之间。二极管(D2)230连接到变压器210的次级绕组(T1-2)210B，并且在节点280连接到电容器(C3)240和电阻器(R5)252。电容器(C3)240连接到公共节点270，并且在节点280连接到二极管(D2)230和电阻器(R5)252。电阻器(R5)252连接到公共节点270，并且在节点280连接到电容器(C3)240和二极管(D2)230。尽管未在图2中示出，但是可以在电阻器(R5)252的端子处获取电源转换器200的输出。
如通过比较图1和图2可以看到的，如同图1的电源转换器，电源转换器200具有吸收电容器(C4)242和辅助MOSFET(M2)222，但是消除了图1所示的电源转换器100的串联的电容器(C5)和开关二极管(D4-D6)，并且替代地使用辅助绕组(T1-3)210C来控制辅助开关MOSFET(M2)122的栅极，并且使用齐纳二极管(232)和电阻器(R1)250对在主开关MOSFET(M1)220导通时施加到辅助开关MOSFET(M2)222的栅极端上的负电压进行箝位。
在操作中，电源转换器200使用变压器200的辅助绕组(T1-3)210C来获得所反映的次级电压，以便驱动辅助MOSFET(M2)222。因为辅助绕组上的所反映的电压与次级主输出电压成比例，所以由于调整了主输出电压而调整栅极电压。因此，辅助开关的栅极(辅助MOSFET(M2)222的栅极端)上的电压变化比图1的电源转换器100中小的多。这使得图2的电源转换器200能够进行更高功率应用。
使用辅助绕组的辅助开关(例如，MOSFET(M2)122)的控制操作不限于与图2的电源转换器200相同配置的电源转换器。在这点上，本发明的使用变压器上的辅助绕组来控制电源转换器中的辅助开关的操作的构思例如可以应用到以过渡模式操作的升压、降压/升压和/或反激电源转换器技术。另外，在一些电源转换器应用中，可能不需要箝位电路(电阻器(R1)250和齐纳二极管(D3)232)。在这点上，图3示出电源转换器300的示意图，其中辅助开关(MOSFET(M2)122)通过在辅助开关122的第二端和第三端(源极和栅极)连接的辅助绕组210C来控制，而没有任何箝位电路。
改变诸如图2和3中描绘的电源转换器200、300中的一个或多个组件的位置而不更改电源转换器对于各种应用的适合性也是可能的。例如，图4是示出类似于图2的过渡模式电源转换器的、但是交换了吸收电容器(C4)242和辅助MOSFET(M2)222的位置的过渡模式电源转换器400的实施例的示意图。在这点上，吸收电容器(C4)242在节点272处与电压源260和初级绕组210A连接。辅助MOSFET(M2)222的漏极端在节点278处连接到吸收电容器(C4)242，并且辅助MOSFET(M2)222的源极端在节点274处与初级绕组210A和主MOSFET(M1)270的漏极端连接。与辅助MOSFET(M2)222的控制操作相关联的电路随着辅助MOSFET(M2)222而移动。
在这点上，辅助绕组210C在节点276处连接到辅助MOSFET(M2)222的栅极端，以便控制辅助MOSFET(M2)222的开关操作。齐纳二极管(D3)232连接在辅助绕组210C和节点274之间，并且电阻器(R1)250与辅助绕组210C和齐纳二极管232的串联组合并联地连接在节点276和274之间。尽管未在图4中示出，但是在没有箝位电路(例如，齐纳二极管(D3)232和电阻器(R1)250)的实施例中，辅助绕组210C将在节点274处直接连接到辅助MOSFET(M2)222的源极端、初级绕组210A和主MOSFET(M1)220的漏极端。
尽管已经详细描述了本发明的各种实施例，但是本领域技术人员可以想到的是本发明的进一步的修改和调整。然而，要明确理解的是，这种修改和调整在本发明的精神和范围内。

Claims (31)

1.一种电源转换器，包括：
具有初级绕组的变压器，其中所述初级绕组与电压源连接；
主开关，具有连接到所述变压器的所述初级绕组的第一端以及连接到公共节点的第二端；
辅助开关，具有连接到该电压源和所述初级绕组的第一端；
电容器，连接在所述辅助开关的第二端和所述主开关的第一端之间；以及
所述变压器的辅助绕组，连接到所述辅助开关的第三端，其中所述辅助绕组经由所述第三端控制所述辅助开关的操作。
2.如权利要求1所述的电源转换器，还包括：
箝位电路，连接到所述辅助开关的所述第三端。
3.如权利要求2所述的电源转换器，其中所述箝位电路包括：
二极管，在所述辅助绕组和所述辅助开关的所述第二端之间与所述辅助绕组串联连接；以及
电阻器，跨越所述辅助开关的第二和第三端、与所述辅助绕组和所述二极管的串联组合并联连接。
4.如权利要求3所述的电源转换器，其中所述二极管包括齐纳二极管。
5.如权利要求1所述的电源转换器，还包括：
所述变压器上的次级绕组，其中所述次级绕组连接到所述公共节点；
次级侧二极管，连接到所述变压器的所述次级绕组；
次级侧电容器，连接在所述二极管和所述公共节点之间；
次级侧电阻器，在所述二极管和所述公共节点之间与所述电容器并联连接。
6.如权利要求1所述的电源转换器，其中所述主开关包括晶体管。
7.如权利要求6所述的电源转换器，其中所述晶体管包括场效应晶体管，并且其中所述晶体管的第一端包括漏极端，并且所述第二端包括源极端。
8.如权利要求1所述的电源转换器，其中所述辅助开关包括晶体管。
9.如权利要求8所述的电源转换器，其中所述晶体管包括场效应晶体管，并且其中所述辅助晶体管的第一端包括漏极端，其中所述第二端包括源极端，并且其中所述第三端包括栅极端。
10.如权利要求1所述的电源转换器，还包括连接到所述主开关的第三端的控制电路，其中所述控制电路经由所述第三端控制所述主开关的操作。
11.一种电源转换器，包括：
变换部件，用于将来自电压源的输入电压电平变换为不同的输出电压电平，所述用于变换的部件包括连接到所述电压源的初级侧和辅助侧；
主开关部件，用于在导通和截止状态之间切换，所述主开关部件具有第一、第二和第三端，其中所述主开关部件的所述第一端连接所述变换部件的所述初级侧，并且其中所述主开关部件的所述第二端连接到公共节点；
辅助开关部件，用于在导通和截止状态之间切换，所述辅助开关部件具有第一、第二和第三端，其中所述辅助开关部件的所述第一端连接到所述电压源和所述变换部件的所述初级侧，并且其中所述辅助开关部件的所述第三端连接到所述变换部件的所述辅助侧；以及
电荷存储部件，连接在所述辅助开关部件的第二端和所述主开关部件的第一端之间；
其中所述变换部件的所述辅助侧中的所反映的电压控制所述辅助开关部件在导通和截止状态之间切换。
12.如权利要求11所述的电源转换器，还包括：
箝位部件，连接到所述次级开关部件的所述第三端。
13.如权利要求12所述的电源转换器，其中所述箝位部件包括：
电流阻断部件，连接在所述变换部件的所述辅助侧和所述辅助开关部件的所述第二端之间；以及
电流阻挡部件，跨越所述辅助开关部件的第二和第三端、与变换部件的所述辅助侧和所述电流阻断部件的串联组合并联连接。
14.如权利要求13所述的电源转换器，其中所述电流阻断部件包括齐纳二极管，而其中所述电流阻挡部件包括电阻器。
15.如权利要求11所述的电源转换器，其中所述变换部件包括变压器，并且其中所述初级侧包括所述变压器的初级绕组，而所述辅助侧包括所述变压器的辅助绕组。
16.如权利要求11所述的电源转换器，其中所述主开关部件包括晶体管。
17.如权利要求16所述的电源转换器，其中所述晶体管包括场效应晶体管，并且所述晶体管的所述第一端包括漏极端，而所述晶体管的所述第二端包括源极端。
18.如权利要求11所述的电源转换器，其中所述辅助开关部件包括晶体管。
19.如权利要求18所述的电源转换器，其中所述晶体管包括场效应晶体管，并且其中所述晶体管的第一端包括漏极端，所述晶体管的第二端包括源极端，而所述晶体管的第三端包括栅极端。
20.如权利要求11所述的电源转换器，其中所述电荷存储部件包括电容器。
21.如权利要求11所述的电源转换器，还包括：
所述变换部件的次级侧；
次级侧电流阻断部件，连接到所述变换部件的所述次级侧；
次级侧电荷存储部件，连接在所述次级侧电流阻断部件和所述公共节点之间；以及
次级侧电阻部件，在所述次级侧电流阻断部件和所述公共节点之间与所述次级侧电荷存储部件并联连接。
22.如权利要求21所述的电源转换器，其中所述变换部件包括变压器，所述变换部件的所述初级侧包括所述变压器的初级绕组，所述变换部件的所述辅助侧包括所述变压器的辅助绕组，所述变换部件的所述次级侧包括所述变压器的次级绕组，所述次级侧电流阻断部件包括二极管，所述次级侧电荷存储部件包括电容器，而所述次级侧电流阻挡部件包括电阻器。
23.一种用于包括变压器和主开关的电源转换器的有源吸收器电路，所述变压器至少包括连接到电压源的初级绕组，所述主开关与所述初级绕组连接，所述电路包括：
辅助开关；
与所述辅助开关串联连接的电容器，其中所述辅助开关和所述电容器的串联组合与所述初级绕组并联连接；以及
变压器上的辅助绕组，其中所述辅助绕组控制该辅助开关在导通和截止状态之间的操作。
24.如权利要求23所述电路，还包括：
连接到所述辅助开关的箝位电路。
25.如权利要求24所述电路，其中所述箝位电路包括：
二极管，与所述辅助绕组串联连接；以及
电阻器，与所述辅助绕组和所述二极管的串联组合并联连接。
26.如权利要求25所述电路，其中所述二极管包括齐纳二极管。
27.如权利要求23所述电路，其中所述主开关包括晶体管。
28.如权利要求23所述电路，其中所述辅助开关包括晶体管。
29.如权利要求23所述电路，其中电源转换器包括反激转换器。
30.如权利要求23所述电路，其中电源转换器包括升压转换器。
31.如权利要求23所述电路，其中电源转换器包括降压/升压转换器。
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