CN102142777B - 用于启动直流-直流转换器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于启动直流-直流转换器的方法，通过该方法可防止输出电压过调，并防止开关器件的体二极管的反向恢复。在该启动方法中，第三和第四开关器件的选通信号的相位逐渐相对于第一和第二开关器件的选通信号的相位发生相移。随着相移的增大变压器的初级侧上的电压也增大，且输出电压也增大。

Description

用于启动直流-直流转换器的方法

技术领域

本发明涉及用于启动绝缘直流-直流转换器的方法，该绝缘直流-直流转换器在变压器的初级侧具有全桥配置。

背景技术

图9示出在日本专利申请No.2009-18302中公开的直流-直流转换器的示例。

图9中的直流-直流转换器在变压器9的初级侧具有全桥配置。MOSFET被用作形成初级侧桥的开关器件1至4。另一方面，在变压器9的次级侧上使用整流器件7和8。电容器13至16分别是开关器件1至4的寄生电容，且电容器17和18是整流器件7和8的寄生电容。

图9中未示出门驱动器电路的用于生成选通信号的部分。选通信号用作用于将开关器件1至4切换为导通/截止的驱动信号。

本文中，在开关器件1和4并发导通时段，电流流入从直流电源11穿过开关器件1、线圈5、变压器9、以及开关器件4回到变压器9的初级侧上的直流电源11的路径，从而向变压器的初级侧电压Vt1施加正电压。另一方面，在开关器件2和3并发导通时段，电流在从直流电源11穿过开关器件3、变压器9、线圈5、以及开关器件2回到直流电源11的路径中流动，从而向电压Vt1施加负电压。

用这种方式，向变压器9的初级侧施加正电压或负电压，以及与变压器9的匝数比对应的电压在次级侧生成并由整流器件7和8整流，从而以输出电压Vo输出直流电压。

在图9的配置中，线圈5可被变压器9的漏电感取代。

图10是示出当启动图9中的直流-直流转换器时，用作开关器件1至4的驱动信号的选通信号以及变压器9的初级侧上的电压值Vt1的变化的图表。

当通过图10所示相移操作来启动直流-直流转换器时，开关器件1至4的驱动信号具有50％的占空比以交替使开关器件1和2导通/截止，以及交替使开关器件3和4导通/截止。此外，开关器件3和4的选通信号与开关器件1和2的选通信号发生相移。顺便提及的是，分别在开关器件1和2的选通信号之间，以及在开关器件3和4的选通信号之间提供静寂时间，以便于不并发导通那些开关器件1和2或3和4。

在本文中，在开关器件1和4并发导通时段向电压Vt1施加正电压，且在开关器件2和3并发导通时段向电压Vt1施加负电压。相应地，当相对于开关器件1和2的那些驱动信号来调节开关器件3和4的选通信号的相位时，该电压值Vt1的脉冲宽度发生变化以使次级侧输出电压Vo的幅值可被调节。

当直流-直流转换器启动时，如图10所示地缩短开关器件1和4并发导通的时段、以及开关器件2和3并发导通的时段。在该状态中，逐渐改变开关器件3和4的选通信号的相位以延长开关器件1和4并发导通的时段，以及开关器件2和3并发导通的时段，如图11所示。因此，输出电压Vo的值从零增大到目标电压。

[专利文献1]日本未审查专利申请No.2009-18302

如日本专利申请No.2009-18302中所描述，当在输出端子19a和19b之间不设置负载或者设置轻负载的情况下执行上述的相移操作时，初级侧全桥的臂中的开关器件在其相对臂中的开关器件截止之后立即导通。因而，当与其相对的臂中的开关器件接近零电压时，该臂中的开关器件导通。因此，可能发生相对臂上的开关器件的反向恢复。

例如，当在开关器件1截止后立即导通开关器件2时，存在开关器件1的电压为零的状态下可导通开关器件2的可能性。因为开关器件1的电压为零，所以电流容易流入开关器件1的体二极管。因为开关器件2在该状态下导通，所以发生开关器件1的体二极管的反向恢复。通常当体二极管的反向恢复的电压-时间改变率dv/dt超过其最大额定值时，存在构成开关器件的MOSFET被损坏的风险。因此，反向恢复的发生显著地增大损失且降低装置的可靠性。另一方面，当通过PWM(脉冲宽度调制)操作来启动直流-直流转换器时，如图12所示，每个选通信号的占空比低于50％。因此可能确保在其中上臂和下臂中的相对开关器件并发截止的足够时段。因而，在开关器件截止之后可确保用于增大电压的足够时间。可防止电流流入任何体二极管，且因此防止发生反向恢复。

但是，为了即使在输入至变压器的输入电压的占空比不约为50％时也通过使用门驱动器电路稳定正向偏压和反向偏压，该门驱动器电路可能在栅极和源极之间施加反向偏压，在每个选通信号的脉冲宽度不够宽时不能获得反向偏压。

例如，当启动直流-直流转换器时，必须通过各自具有窄脉冲的选通信号来驱动开关器件1和4以及开关器件2和3。然而，在此时的门驱动器电路中，设置在变压器的次级侧上的电容器仅在开关器件导通时段被充电。因此，该电容器不能提供足够的反向偏压Vr。

结果，存在开关器件1至4由于从外部引入的噪声等而被导通的风险，由此导致可靠性降低。

然而当为了避免上述风险通过各自具有如图13所示预先扩展的脉冲宽度的选通信号来启动直流-直流转换器时，存在输出电压Vo可能超过与其连接的装置的耐受电压、因而损坏该装置的另一风险。例如，当开关器件1和4并发导通时，向电压Vt1施加正电压。在此，寄生电容17和18的电压为零，且因此变压器9的各个绕组的电压也为零。因此，向线圈5施加直流电源11的输入电压以突然增大流入线圈5的电流。然后，由于线圈5和寄生电容18的共振操作，存储在线圈5中的能量移入寄生电容18。结果，寄生电容18的电压最高增大到变压器9的次级侧电压的两倍。然后，存储在寄生电容18中的能量穿过变压器9的次级侧和直流电抗器10移入输出电容器12。因而大大增大输出电压Vo。

通常，启动直流-直流转换器时没有负载。因此不可能将存储在输出电容器12中的能量释放掉。相应地，在通过其脉冲宽度如图13所示地扩展的选通信号来启动直流-直流转换器后对开关器件1至4重复进行开关操作时，输出电压Vo增大到超过目标电压，如图14所示。最终，直流-直流转换器的次级侧组件或者连接到负载的装置可能被损坏。

为了避免该问题，必须在次级侧组件和连接到负载的装置中使用高压组件，由此造成成本和损失的增加。

发明内容

考虑以上所述的问题，本发明的一个目标是提供一种用于启动直流-直流转换器的方法，通过该方法可防止输出电压的过调，且防止开关器件的体二极管的反向恢复。

本发明的另一目标是提供一种用于启动直流-直流转换器的方法，通过该方法可防止由直流-直流转换器启动时引入的噪声所造成的故障。

本发明提供一种用于启动直流-直流转换器以便于获取直流输出的方法，该直流-直流转换器包括由并联连接到直流电源的第一串联电路和第二串联电路形成的全桥，第一串联电路包括串联连接的第一开关器件和第二开关器件，第二串联电路包括串联连接的第三开关器件和第四开关器件，第一串联电路的内部连接点连接到变压器的初级侧的一端，第二串联电路的内部连接点连接到变压器的初级侧的另一端，整流器件连接到变压器的次级侧，该启动方法包括以下步骤：通过占空比低于50％的第一驱动信号使第一开关器件导通，在第一开关器件截止时段通过占空比低于50％的第二驱动信号使第二开关器件导通，以及分别通过占空比低于50％、且与第一开关器件和第二开关器件的第一和第二驱动信号有相移的第三和第四驱动信号驱动第三开关器件和第四开关器件；且增大相移的量以逐渐增大直流输出的输出电压值。

根据本发明，在不造成输出电压的过调和不向开关器件的体二极管引入反向恢复的情况下启动直流-直流转换器是有可能的。

此外，当在直流-直流转换器的启动时间开关器件截止时通过反偏压对驱动电压进行箝位是有可能的。因此，有可能避免归因于通过从装置的内部或另一装置等生成的感生噪声使开关器件导通的故障。因此，可安全地启动直流-直流转换器从而可改善可靠性。

此外，可降低在直流-直流转换器的启动时间向组件施加的电压。因此，可使用低耐压和低损耗组件来使装置具有较低损耗和较低成本。

附图简述

图1是用于说明用于启动直流-直流转换器的方法的第一实施例的图表；

图2是示出其中开关器件3和4的选通信号的相位已从图1状态增进的状态的图表；

图3是示出第二实施例中在PWM操作期间的每个选通信号和电压值Vt1的图表；

图4是示出根据第二实施例的启动方法中输出电压Vo的变化的图表；

图5是用于说明第三实施例的图表(部分1)；

图6是用于说明第三实施例的图表(部分2)；

图7是用于说明第三实施例的图表(部分3)；

图8是示出根据第三实施例的启动方法中输出电压Vo的变化的图表；

图9是示出直流-直流转换器的配置示例的示图；

图10是示出在启动图9的直流-直流转换器时开关器件的选通信号和变压器的初级侧上的电压值Vt1的变化的图表；

图11是示出在选通信号之间的相位差增大时变压器的初级侧上的电压值Vt1的图表；

图12是示出在通过PWM操作启动图9的直流-直流转换器时开关器件的选通信号和变压器的初级侧上的电压值Vt1的变化的图表；

图13是示出在电压值Vt1的宽度增大时开关器件的选通信号和变压器初级侧上的电压值Vt1的图表；以及

图14是示出根据背景技术启动方法中的输出电压Vo的变化的图表。

具体实施方式

在下文中将参考附图来描述根据本发明各实施例的用于启动直流-直流转换器的方法。在下文中将关于根据本发明各实施例的用于启动直流-直流转换器的方法进行描述，其中直流-直流转换器具有图9所示的配置。应用根据本发明各实施例的用于启动直流-直流转换器的方法的直流-直流转换器不限于图9的配置。也可使用任何其它电路，只要该电路具有在变压器的初级侧上设置由开关器件构成的全桥、且变压器的输出由变压器次级侧上的整流电路整流以输出直流输出的配置。

将描述用于启动直流-直流转换器的方法的第一实施例。

图1是用于说明用于启动直流-直流转换器的方法的第一实施例的图表。图1示出在启动直流-直流转换器时向形成变压器初级侧上的桥的开关器件施加的选通信号和变压器初级侧上的电压值Vt1的变化。

分别向开关器件1至4的栅极施加第一至第四选通信号以使开关器件导通/截止。当向其施加的选通信号为H时，开关器件1至4的每一个导通，而当选通信号为L时，开关器件1至4的每一个截止。

在开关器件1的选通信号截止期间，开关器件2的选通信号导通。在开关器件3的选通信号截止期间，开关器件4的选通信号导通。在此示出的示例中所有选通信号具有相等的脉冲宽度。但是，脉冲宽度彼此可不同。

在启动直流-直流转换器之后，开关器件1的选通信号立即具有与开关器件3的选通信号相同的相位，且开关器件2的选通信号立即具有与开关器件4的选通信号相同的相位。那些选通信号被控制成逐步生成相位差。

在图1中，向开关器件1至4施加的每个选通信号的占空比小于50％。上臂和下臂两者的开关器件并发截止时的足够长时段20a至20d得到确保，从而在开关器件截止之后确保用以增大开关器件的电压的足够时间。

因此，不存在电流流入开关器件1至4的任何体二极管的风险。因此，在与其相对的臂中的开关器件没有反向恢复的情况下，有可能操作开关器件1至4的各个器件。

在直流-直流转换器的启动时间，不会将各选通信号的宽度设置成非常窄。各个开关器件由足够宽的脉冲宽度来驱动，该脉冲宽度足够宽以将设置在门驱动器电路的变压器的次级侧上的电容器中充电充分的反向偏压Vr，从而能够应对使用在栅极和源极之间施加反向偏压的门驱动器电路的情况。因此，各开关器件通过在开关器件截止期间在其栅极和源极之间施加反向偏压Vr来箝位。因此，有可能降低归因于由从装置的内部或另一装置等引入的噪声所造成的故障而可导通开关器件的可能性。

在根据第一实施例的启动方法中，开关器件3和4的每个选通信号的相位逐渐与图1状态中的开关器件1和2的每个选通信号发生相移，从而逐渐增大输出电压Vo。

变压器9的初级侧上的电压Vt1不为零的时段与开关器件1和4并发导通的时段相对应，并与开关器件2和3并发导通的时段相对应。开关器件3和4的相位发生相移使开关器件并发导通的那些时段逐渐从零增大。因此，逐渐增大输出电压。

图2是示出开关器件3和4的选通信号的相位已从图1状态中增进的状态的图表。

当开关器件3和4的每个选通信号的相位相对于图1状态的开关器件1和2的每个选通信号的相位增进时，电压Vt1的脉冲宽度从图1中的脉冲宽度21增大到图2所示的脉冲宽度22。因此，电压Vt1的脉冲宽度随着相位的逐渐增大而增大，以使输出电压Vo可从0V增大到目标值而不造成过调。

接下来将描述根据第二实施例的启动方法。

在根据第一实施例的启动方法中，开关器件3和4的每个选通信号的相位如以上所述地逐渐发生相移。相应地，当相位相移成使开关器件1和4的每个选通信号的相位与开关器件2和3的每个选通信号的相位相同时，输出电压Vo不能进一步增大。根据第二实施例的启动方法用于应对这种情况。

根据第二实施例，开关器件3和4的每个选通信号的相位以与第一实施例的方式相同的方式相对于开关器件1和2的每个选通信号的相位而发生相移，以便于逐渐增大电压Vt1的值。一旦电压Vt1达到特定值，该相移操作就被切换成PWM操作。

图3是示出第二实施例中在PWM操作期间的每个选通信号和电压值Vt1的图表。

在相移操作中，相位发生相移以将在变压器9的初级侧上生成的电压Vt1的脉冲宽度增大至最大值。一旦相位发生相移以使电压Vt1的脉冲宽度不能进一步增大时，开关器件1至4的每个选通信号的脉冲宽度被扩展成如图4所示，而变压器9的初级侧的电路则执行PWM操作。以这种方式，输出电压Vo可增大到如图4所示的较高值。相应地，可将比根据第一实施例的启动方法中的值高的值设置成输出电压Vo的目标电压。

图4是示出根据第二实施例的启动方法中的输出电压Vo的变化的图表。

在直流-直流转换器的启动时间，该输出电压Vo的初始值为0V，且通过每个选通信号的相移逐渐增大。变压器9的初级侧上的电压Vt1的脉冲宽度增大到最大值，且输出电压Vo达到最大值V1，输出电压Vo可通过每个选通信号的相移增大到该最大值V1。然后执行用于改变各选通信号的脉冲宽度的PWM操作。由此输出电压Vo增大到目标电压。

接下来将描述根据第三实施例的启动方法。

根据第三实施例，首先使开关器件3和4的相位相对于开关器件1和2的相位逐渐发生相移，以便于以与第一实施例的方式相同的方式逐渐增大输出电压Vo。

现在将对每个选通信号的脉冲宽度进行描述。直流-直流转换器通过其脉冲宽度大到足以将输出电压Vo增大到目标值或者如图5所示的相移操作中的更高值的各驱动信号来启动。开关器件3和4的选通信号的相位以与第一实施例的方式相同的方式相对于开关器件1和2的选通信号的相位发生相移。因此，变压器9的初级侧上的电压Vt1的脉冲宽度逐渐增大以将输出电压Vo增大，如图6所示。但是，此时每个选通信号的脉冲宽度被设置成可使选通信号的占空比小于50％，以便于防止开关器件1至4的任何体二极管发生反向恢复。

接下来，当输出电压Vo升高到目标电压时，仅在开关器件1和4应当并发导通时段驱动开关器件1和4，且仅在开关器件2和3应当并发导通时段驱动开关器件2和3。

图7是示出此时变压器9的初级侧上的每个选通信号和电压Vt1的图表。

如图7所示，当输出电压Vo达到目标电压时，通过在开关器件1和4应当并发导通时段将开通的新选通信号来更新开关器件1和4的选通信号。同时，通过在开关器件2和3应当并发导通时段将开通的新选通信号来更新开关器件2和3的选通信号。随后，通过那些新选通信号来驱动开关器件1至4以执行PWM操作。

因此，以与日本专利申请No.2009-166470中所公开的PWM操作相同的方式控制开关器件1至4的选通信号的脉冲宽度，以不管输出端子19a和19b之间的负载如何波动或者从直流电源11供给的输入电压如何波动都保持输出电压Vo恒定。

图8是示出根据第三实施例的启动方法中的输出电压Vo的变化的图表。

如图8所示，在根据第三实施例的启动方法中，以与第一实施例中的方式相同的方式对选通信号执行相移操作，直到输出电压Vo达到目标电压。

当输出电压Vo达到目标电压时，通过在开关器件1和4导通期间其电平为H的信号来更新开关器件1和4的选通信号。同时，当输出电压Vo达到目标电压时，通过在开关器件2和3导通期间其电平为H的信号来更新开关器件2和3的选通信号。通过由那些新选通信号致动的开关器件1至4来执行PWM操作，以使输出电压Vo可在目标电压处保持恒定。此外，选通信号的脉冲宽度可被调节成不管负载如何波动或者从直流电源11供给的输入电压如何波动都保持输出电压Vo恒定。

Claims (1)

1.一种用于启动直流-直流转换器以便于获取直流输出的方法，所述直流-直流转换器包括由并联连接到直流电源的第一上下臂串联电路和第二上下臂串联电路形成的全桥，所述第一上下臂串联电路包括串联连接且分别包含体二极管的第一开关器件和第二开关器件，所述第二上下臂串联电路包括串联连接且分别包含体二极管的第三开关器件和第四开关器件，所述第一上下臂串联电路的内部连接点连接到变压器的初级侧的一端，所述第二上下臂串联电路的内部连接点连接到所述变压器的所述初级侧的另一端，整流器件连接到所述变压器的次级侧，

驱动所述第一至第四开关器件的各个选通驱动电路具有在所述开关器件截止时向栅极施加反向偏压的能力，提供所述反向偏压的电容器在施加正向偏压的过程中利用所述正向偏压来进行充电，

所述启动方法包括以下步骤：

在装置的启动初期，在对所述第一开关器件至所述第四开关器件进行导通驱动前，使所述上下臂串联电路的各开关器件同时截止，以对所述各开关器件施加正向偏压期间的选通信号的宽度将对提供所述反向偏压的电容器进行充电所需足够的时间宽度作为下限、且将能确保所述上下臂串联电路的各开关器件的截止侧的器件的主端子间电压上升到没有顺向电流流入所述体二极管的电压值所需足够的上臂和下臂同时截止期间的范围作为上限的、低于50％的占空比进行导通驱动；以及

在正常状态下，通过占空比低于50％的第一驱动信号使所述第一开关器件导通，在所述第一开关器件截止时段，通过占空比低于50％的第二驱动信号使所述第二开关器件导通，以及分别通过占空比低于50％、且其相位与所述第一开关器件和所述第二开关器件的所述第一和第二驱动信号有相移的第三和第四驱动信号对所述第三开关器件和所述第四开关器件进行导通驱动，增加所述相位的相移量以逐渐增大所述直流输出的输出电压值，当所述输出电压值达到第一值时，所述第一至第四驱动信号的脉冲宽度被增加以将所述输出电压值增大到目标值。