CN102290992B - 直流-直流升压转换器电路及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流-直流升压转换器电路及其驱动方法，该直流-直流升压转换器电路通过实现软开关能够防止功耗和使开关单元稳定，通过增加电荷泵功能能够提高效率。在该直流-直流升压转换器电路中，电感器和输出二极管串联连接，输出电容器和负载并联连接至该输出二极管的输出端口，该直流-直流升压转换器电路还包括输出稳定电路，在该输出稳定电路中，第一和第二开关单元、变压器、多个升压电容器以及多个二极管串联/并联连接在该电感器和该输出二极管之间。

Description

直流-直流升压转换器电路及其驱动方法
本申请要求于2010年6月16日提交的韩国专利申请10-2010-0056899的优先权，在此将其引入作为参考，如同在此全文阐述。
技术领域
本发明涉及高效功率电路，更具体地，涉及直流-直流升压转换器电路及其驱动方法，这种电路通过实现软开关能够防止功率损耗和使开关单元稳定，以及通过增加电荷泵功能能够提高效率。
背景技术
普通电源电路包括：升压转换器电路，用于通过减少谐波和改善功率因数来输出恒定电压；和输出电压控制电路，用于接收来自升压转换器电路的输出电压和输出期望的输出电压。
直流-直流升压转换器电路包括电感器、输出二极管、开关单元和电容器。具体而言，在串联连接的电感器和输出二极管之间并联连接开关单元，电容器并联连接至二极管的输出端口。这样一种直流-直流升压转换器电路通过可变频率操作检测电感器的零电流，从而解决输出二极管的反向恢复特性的问题，进而在开关单元和输出二极管内实现零电流开关。
然而，在现有技术的直流-直流升压转换器电路内，因为在开关单元的截止周期内在开关单元的两端之间施加与输出电压相同电平的电压，所以如果需要高输出电压，则应当使用具有高耐压的开关单元。此外，因为在用于高速执行硬开关的开关单元内产生的损耗正比于开关频率，所以增加了损耗，进而降低了转换器的效率。
如果执行电荷泵，则根据电容器的数量将输出电压设置为输入电压的整数倍。为了获得等于或大于输入电压两倍的输出电压，因为必需包括多个电容器和开关单元，所以增大了升压电路的尺寸，使升压电路的结构变得复杂，并且必然提高了输入电压。
发明内容
因此，本发明涉及基本上避免了由于现有技术的限制和缺点产生的一个或多个问题的直流-直流升压转换器电路及其驱动方法。
本发明的目的是提供直流-直流升压转换器电路及其驱动方法，这种电路通过实现软开关能够防止功耗和使开关单元稳定，以及通过增加电荷泵功能能够提高效率。
本发明的其它优点、目的和特征将在下文的说明书中部分地阐述，通过阅读下文，对于本领域的普通技术人员而言其一部分将变得显而易见，或者可以通过实施本发明来领会。通过在说明书、权利要求书和附图中具体描述的结构，可以实现和获得本发明的目的和其它优点。
为了实现这些目的和其它优点以及根据本发明的目的，如在此具体和概述地描述的，提供了一种直流-直流升压转换器电路，在该直流-直流升压转换器电路中，电感器和输出二极管串联连接，输出电容器和负载并联连接至该输出二极管的输出端口，该直流-直流升压转换器电路还包括输出稳定电路，在该输出稳定电路中，第一和第二开关单元、变压器、多个升压电容器以及多个二极管串联/并联连接在该电感器和该输出二极管之间。
输出稳定电路可包括：串联连接在电感器和输出二极管之间的升压输出电容器；并联连接至升压输出电容器和串联连接在电感器和输出二极管之间的第一和第二稳定二极管；并联连接至电感器和在电感器和升压输出电容器之间连接至接地端子的变压器和第一开关单元；并联连接至第一开关单元和连接在变压器和接地端子之间的第二开关单元；以及并联连接至第一稳定二极管和在第一和第二稳定二极管之间连接至接地端子的稳定电容器。
输出稳定电路可以包括：串联连接在电感器和输出二极管之间的升压输出电容器；并联连接至升压输出电容器和串联连接在电感器和输出二极管之间的第一和第二稳定二极管；并联连接至电感器和在电感器和升压输出电容器之间连接至接地端子的变压器和第一开关单元；并联连接至第一开关单元和连接在变压器和接地端子之间的第二开关单元；并联连接至变压器和连接在变压器的输入端口和接地端子之间的第一稳定电容器；以及并联连接至第一稳定二极管和在第一和第二稳定二极管之间连接至接地端子的第二稳定电容器。
并联连接至变压器的第一和第二开关单元可同时导通/截止，当第一和第二开关单元导通时，相同电流可从中流过，从而维持第一和第二开关单元两端的电流平衡。
在本发明的另一方面中，提供了用于驱动直流-直流升压转换器电路的方法，在该直流-直流升压转换器电路中，电感器和输出二极管串联连接，输出电容器和负载并联连接至该输出二极管的输出端口，该直流-直流升压转换器电路还包括输出稳定电路，在该输出稳定电路中，第一和第二开关单元、变压器、多个升压电容器以及多个二极管串联/并联连接在该电感器和该输出二极管之间，该方法包括：使第一和第二开关单元导通；充电升压输出电容器；继续充电升压输出电容器；和放电升压输出电容器。
该方法可进一步包括在充电升压输出电容器之前增大第一和第二开关单元的开关电流。
并联连接至变压器的第一和第二开关单元可同时导通/截止，当第一和第二开关单元导通时，相同电流可从中流过，从而维持第一和第二开关单元两端的电流平衡。
在根据本发明实施例的直流-直流升压转换器电路及其驱动方法中，通过增加在执行电荷泵功能时稳定开关单元的输出稳定电路，能够通过软开关降低在开关单元内生成的功率损耗，从而改善电路效率。此外，还能够防止电流仅在开关单元之一内流动，从而解决电流应力和发热的问题。
此外，因为能够使用低输入电压来生成高输出电压以及当需要高输出电压时能够使用具有低耐压的单元，所以能够降低开关单元的成本。
应当理解本发明的上述概述和下文的详细描述是示例性的和解释性的，意在提供要求保护的本发明的进一步解释。
附图说明
包括以提供本发明的进一步理解以及并入和构成本申请一部分的附图图示本发明的一个或多个实施例，与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是图示根据本发明第一实施例的直流-直流升压转换器电路的电路图；
图2是图示用于驱动直流-直流升压转换器的方法在使第一和第二开关单元导通的步骤中的电路图；
图3是图示驱动直流-直流升压转换器的步骤的电流波形的波形图；
图4是图示直流-直流升压转换器在充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图；
图5是图示直流-直流升压转换器在继续充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图；
图6是图示直流-直流升压转换器在放电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图；
图7是图示根据本发明第二实施例的直流-直流升压转换器电路的电路图；
图8是图示直流-直流升压转换器在使第一和第二开关单元导通的步骤中的操作的电路图；
图9是图示直流-直流升压转换器在增大第一和第二开关单元的开关电流的步骤中的操作的电路图；
图10是图示直流-直流升压转换器在充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图；
图11是图示直流-直流升压转换器在继续充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图；和
图12是图示直流-直流升压转换器在放电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述根据本发明第一和第二实施例的直流-直流升压转换器电路及其驱动方法。
图1是图示根据本发明第一实施例的直流-直流升压转换器电路的电路图。
在图1所示的直流-直流升压转换器电路中，电感器L1和输出二极管D3串联连接，输出电容器Cout并联连接至输出二极管D3的输出端口。直流-直流升压转换器电路包括输出稳定电路，在该输出稳定电路中，第一和第二开关单元SW1和SW2、变压器Tm、多个升压电容器C1和C2以及多个二极管D1和D2串联/并联连接在输入侧电感器L1和输出侧输出二极管D3之间。
具体而言，该直流-直流升压转换器电路的特征在于在包括至少一个电感器L1、输出二极管D3和输出电容器Cout的普通直流-直流升压转换器电路内的输入侧电感器L1和输出侧输出二极管D3之间设有输出稳定电路。根据本发明第一实施例的输出稳定电路包括：串联连接在电感器L1和输出二极管D3之间的升压输出电容器C2；并联连接至升压输出电容器C2和串联连接在电感器L1和输出二极管D3之间的第一和第二稳定二极管D1和D2；并联连接至电感器L1和在电感器L1和升压输出电容器C2之间串联连接至接地端子的变压器Tm和第一开关单元SW1；并联连接至第一开关单元SW1和连接在变压器Tm和接地端子之间的第二开关单元SW2；以及并联连接至第一稳定二极管D1和在第一和第二稳定二极管D1和D2之间连接至接地端子的稳定电容器C1。
在具有上述结构的输出稳定电路中，当并联连接至变压器Tm的第一和第二开关单元SW1和SW2导通时，由于变压器Tm的电感分量，开关电流线性地改变，从而实现第一和第二开关单元SW1和SW2的软开关。通常，因为在开关单元SW1和SW2内生成的损耗正比于开关频率，所以如果高速地执行软开关，则降低了开关损耗，从而可以改善转换器电路的电效率。
串联连接在电感器L1和输出二极管D3之间的升压输出电容器C2充电或放电向其输入的电流，从而执行电荷泵功能。具体而言，在升压输出电容器C2内充电电流的周期是第一和第二开关单元SW1和SW2的导通周期。此时，因为电流在稳定电容器C1、第二稳定二极管D2、变压器Tm和第一和第二开关单元SW1和SW2内流动，升压输出电容器C2被向其输入的电流充电。在第一和第二开关单元SW1和SW2截止周期内，电流被放电，并通过输出二极管D3被输出给输出端口。
在第一和第二开关单元SW1和SW2截止周期内稳定电容器C1通过第一稳定二极管D1被充电，而在第一和第二开关单元SW1和SW2导通周期内被放电，从而充电升压输出电容器C2。
并联连接至变压器Tm的第一和第二开关单元SW1和SW2同时导通或截止。当第一和第二开关单元导通时，相同的电流在其中流动。因而，维持了第一和第二开关单元SW1和SW2两端的电流平衡，使软切换成为可能。具体地，因为第一和第二开关单元SW1和SW2连接至包括并联的多个电感器的1∶1变压器Tm，因而将同样大小的电流提供给第一和第二开关单元。因此，电流并不仅仅在一个开关单元内流动，维持了第一和第二开关单元SW1和SW2两端的电流平衡。因而，可以防止由于电流应力产生的发热现象和实现了软开关。
如上所述，根据本发明第一实施例的用于驱动直流-直流升压转换器的方法包括：使第一和第二开关单元SW1和SW2导通的步骤；充电升压输出电容器C2的步骤；继续充电升压输出电容器C2的步骤；和放电升压输出电容器C2的步骤。在下文中，将参考附图逐步地描述根据本发明第一实施例的用于驱动直流-直流升压转换器的方法。
图2是图示用于驱动直流-直流升压转换器的方法在使第一和第二开关单元导通的步骤中的电路图，图3是图示在驱动直流-直流升压转换器的各步骤中的电流波形的波形图，图4是图示直流-直流升压转换器在充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图，图5是图示直流-直流升压转换器在继续充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图，和图6是图示直流-直流升压转换器在放电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图。
首先，参见图2，使第一和第二开关单元SW1和SW2导通的步骤T1对应于其中第一和第二开关单元SW1和SW2从截止到导通的周期T1，也就是，从第一和第二开关单元SW1和SW2导通的时刻到当在变压器Tm内流动的开关电流Isw变成等于输入电流Iin的时刻的周期T1。此时，输出电压Vo的分压、即电压Vo/2施加给变压器Tm的输入端口，如图3所示，流过变压器Tm以及第一和第二开关单元SW1和SW2的开关电流Isw线性地增大，从而变成等于输入电流Iin(T1)。此时，电流并不在第一稳定二极管D1和输出二极管D3内流动，电流在第二稳定二极管D2内流动。
参见图4，充电升压输出电容器C2的步骤T2对应于在流过第一和第二开关单元SW1和SW2的开关电流Isw变成等于输入电流Iin之后的周期T2。此时，通过将来自稳定电容器C1和升压输出电容器C2的谐振电流添加给输入电流Iin，流过第一和第二开关单元SW1和SW2的开关电流Isw如图3所示增大。在这种情况下，开关电流Isw被1∶1变压器Tm同等地分成第一开关电流Isw1和第二开关电流Isw2。变压器Tm的输入端口的电压开始自输出电压Vo的分压、即电压Vo/2降低至0V，升压输出电容器C2被谐振电流充电。此时，第二稳定二极管D2短路，第一稳定二极管D1和输出二极管D3开路。
接着，在图5所示的继续充电升压输出电容器C2的步骤T3中，如果完成升压输出电容器C2的充电，则谐振电流就不在稳定电容器C1、升压输出电容器C2和变压器Tm内流动。因此，流过第一和第二开关单元SW1和SW2的开关电流Isw变成等于如图3所示的输入电流Iin。此时，全部的第一和第二稳定二极管D1和D2以及输出二极管D3都是开路的。
最后，图6所示的放电升压输出电容器C2的步骤T4对应于其中第一和第二开关单元SW1和SW2截止的周期。此时，变压器Tm输入端口的电压开始自0V增大至输出电压Vo的分压、即电压Vo/2。因此，第一和第二开关单元SW1和SW2的电容器分量以及变压器Tm和升压输出电容器C2的谐振电流添加给输入电流Iin，升压后的电流如图3所示提供给负载。此时，稳定电容器C1被通过第一稳定二极管D1输入的电流充电。
此后，重复使第一和第二开关单元SW1和SW2导通的步骤T1至放电升压输出电容器C2的步骤T4。在根据本发明第一实施例的直流-直流升压转换器内，通过向普通升压转换器电路增加用于执行电荷泵功能的输出稳定电路，可使用低输入电压生成高输出电压。此外，因为当需要高输出电压时可以使用具有低耐压的单元，可以降低开关单元的成本。此外，因为可以实现软开关，可以降低在开关单元SW1和SW2内生成的功耗，从而提高电路效率，防止电流仅在开关单元SW1和SW2之一内流动，进而解决电流应力和发热的问题。
图7是图示根据本发明第二实施例的直流-直流升压转换器电路的电路图。
在图7所示的直流-直流升压转换器电路内，电感器L1和输出二极管D3串联连接，输出电容器Cout并联连接至输出二极管D3的输出端口。直流-直流升压转换器电路包括输出稳定电路，在该输出稳定电路中，第一和第二开关单元SW1和SW2、变压器Tm、多个升压电容器C1和C2以及多个二极管D1和D2串联/并联连接在输入侧电感器L1和输出侧输出二极管D3之间。
根据本发明第二实施例的输出稳定电路包括：串联连接在电感器L1和输出二极管D3之间的升压输出电容器C3；并联连接至升压输出电容器C3和串联连接在电感器L1和输出二极管D3之间的第一和第二稳定二极管D1和D2；并联连接至电感器L1和在电感器L1和升压输出电容器C3之间串联连接至接地端子的变压器Tm和第一开关单元SW1；并联连接至第一开关单元SW1和连接在变压器Tm和接地端子之间的第二开关单元SW2；并联连接至变压器Tm和连接在变压器Tm的输入端口和接地端子之间的第一稳定电容器C1；以及并联连接至第一稳定二极管D1和在第一和第二稳定二极管D1和D2之间连接至接地端子的第二稳定电容器C2。
在具有上述结构的输出稳定电路中，当并联连接至变压器Tm的第一和第二开关单元SW1和SW2导通时，由于变压器Tm的电感分量，开关电流线性地改变，从而实现第一和第二开关单元SW1和SW2的软开关。此外，串联连接在电感器L1和输出二极管D3之间的升压输出电容器C3充电或放电向其输入的电流，从而执行电荷泵功能。
并联连接至变压器Tm的第一和第二开关单元SW1和SW2同时导通或截止。当第一和第二开关单元导通时，相同的电流在其中流动。因而，维持了第一和第二开关单元SW1和SW2两端的电流平衡，使软开关成为可能。
根据本发明第二实施例的具有上述结构的直流-直流升压转换器按照以下步骤进行操作：使第一和第二开关单元SW1和SW2导通的步骤、增大第一和第二开关单元SW1和SW2的开关电流Isw的步骤、充电升压输出电容器C3的步骤、继续充电升压输出电容器C3的步骤和放电升压输出电容器C3的步骤。在下文中将参考附图逐步地描述根据本发明第二实施例的用于驱动直流-直流升压转换器的方法。
图8是图示直流-直流升压转换器在使第一和第二开关单元导通的步骤中的操作的电路图，图9是图示直流-直流升压转换器在增大第一和第二开关单元的开关电流的步骤中的操作的电路图，图10是图示直流-直流升压转换器在充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图，图11是图示直流-直流升压转换器在继续充电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图，和图12是图示直流-直流升压转换器在放电升压输出电容器的步骤中的操作的电路图。
首先，参见图8，使第一和第二开关单元SW1和SW2导通的步骤对应于其中第一和第二开关单元SW1和SW2从截止到导通的周期T1，也就是，从第一和第二开关单元SW1和SW2导通的时刻到当在变压器Tm内流动的开关电流Isw变成等于输入电流Iin的时刻的周期T1。
具体地，当第一和第二开关单元SW1和SW2开始导通时，由于变压器Tm的电感分量，开关电流Isw线性地增大，在升压输出电容器C3和第二稳定电容器C2内流动的电流Ic3和Ic2减小。此时，变压器Tm输入端口的电压在正电压(Vc2(0)＝恒定电压)上保持预定时间，输出二极管D3和第一稳定二极管D1开路，第二稳定二极管D2短路。
接着，参见图9，在增大第一和第二开关单元SW1和SW2的开关电流Isw的步骤中，第一稳定电容器C1和变压器Tm如此操作，以便在开关电流Isw变成等于输入电流Iin的时刻谐振电流流动，从而增大开关电流Isw。在此，因为第一开关单元SW1的开关电流Isw1和第二开关单元SW2的开关电流Isw2是相等的并且电流通过LC谐振自第一稳定电容器C1流向变压器Tm，所以第一稳定电容器C1的电压降低并变成负值。此时，第一和第二稳定二极管D1和D2以及输出二极管D3都开路。
此后，参见图10，在充电升压输出电容器C3的步骤中，如果降低输入电压使得输出端口的电压V2低于第二稳定电容器C2的电压Vc2，则第二稳定二极管D2开路，电流自第二稳定电容器C2通过升压输出电容器C3流至变压器Tm。随后，升压输出电容器C3被充电，来自第一稳定电容器C1的电流Ic1逐渐减小。
如图11所示，在继续充电升压输出电容器C3的步骤中，第一和第二开关单元SW1和SW2开始截止，输入电流Iin和开关电流Isw充电第一稳定电容器C1。此时，第一和第二稳定二极管D1和D2以及输出二极管D3都短路。
最后，参见图12，放电升压输出电容器C3的步骤对应于其中使第一和第二开关单元SW1和SW2截止的周期。此时，第一和第二开关单元SW1和SW2的电容器分量以及变压器Tm和升压输出电容器C3的谐振电流添加给输入电流Iin，升压后的电流提供给负载。此时，第二稳定电容器C2被通过第一稳定二极管D1输入的电流Iin充电。
此后，顺序地重复使第一和第二开关单元SW1和SW2导通的步骤至放电升压输出电容器C2的步骤。
如上所述，在根据本发明实施例的直流-直流升压转换器中，通过给普通升压转换器电路增加用于执行电荷泵功能的输出稳定电路，可使用低输入电压生成高输出电压。此外，因为当需要高输出电压时可以使用具有低耐压的单元，所以可以降低开关单元的成本。
此后，因为可以实现软开关，所以能够降低在开关单元SW1和SW2内生成的功率损耗，从而提高电路效率，并且防止电流仅在开关单元SW1和SW2之一内流动，进而解决电流应力和发热问题。
在不脱离本发明的精神或范围的情况下，对于本领域的技术人员而言显然可以在本发明内进行各种修改和变化。因而，本发明将覆盖本发明的修改和变化，只要它们落入权利要求书的保护范围及其等同范围之内。

Claims (6)

1.一种直流-直流升压转换器电路，在该直流-直流升压转换器电路中，电感器和输出二极管串联连接，输出电容器和负载并联连接至该输出二极管的输出端口，该直流-直流升压转换器电路包括：
输出稳定电路，连接在该电感器和该输出二极管之间，
其中输出稳定电路包括：
连接在电感器和输出二极管之间的升压输出电容器；
并联连接至升压输出电容器并且连接在电感器和输出二极管之间的第一和第二稳定二极管；
连接在电感器和接地端子之间的变压器和第一开关单元；
连接在变压器和接地端子之间的第二开关单元；以及
连接在第一稳定二极管的输出端口和接地端子之间的稳定电容器。
2.一种直流-直流升压转换器电路，在该直流-直流升压转换器电路中，电感器和输出二极管串联连接，输出电容器和负载并联连接至该输出二极管的输出端口，该直流-直流升压转换器电路包括：
输出稳定电路，连接在该电感器和该输出二极管之间，
其中输出稳定电路包括：
连接在电感器和输出二极管之间的升压输出电容器；
并联连接至升压输出电容器和串联连接在电感器和输出二极管之间的第一和第二稳定二极管；
连接至电感器并且连接在电感器和接地端子之间的变压器和第一开关单元；
连接在变压器和接地端子之间的第二开关单元；
连接在变压器的输入端口和接地端子之间的第一稳定电容器；以及
连接在变压器的输出端口和接地端子之间的第二稳定电容器。
3.根据权利要求1或2的直流-直流升压转换器电路，其中并联连接至变压器的第一和第二开关单元同时导通/截止，当第一和第二开关单元导通时，相同电流从中流过，从而维持第一和第二开关单元两端的电流平衡。
4.一种用于驱动具有输出稳定电路的直流-直流升压转换器电路的方法，在该直流-直流升压转换器电路中，电感器和输出二极管串联连接，输出电容器和负载并联连接至该输出二极管的输出端口，输出稳定电路连接在该电感器和该输出二极管之间，该方法包括：
使第一和第二开关单元导通；
充电升压输出电容器；
继续充电升压输出电容器；以及
放电升压输出电容器，
其中输出稳定电路包括：
串联连接在电感器和输出二极管之间的升压输出电容器；
并联连接至升压输出电容器并且连接在电感器和输出二极管之间的第一和第二稳定二极管；
连接至电感器并且连接在电感器和接地端子之间的变压器和第一开关单元；
连接在变压器和接地端子之间的第二开关单元；以及
连接在第一稳定二极管的输出端口和接地端子之间的稳定电容器。
5.根据权利要求4的方法，还包括在充电升压输出电容器之前增大第一和第二开关单元的开关电流。
6.根据权利要求5的方法，其中并联连接至变压器的第一和第二开关单元同时导通/截止，当第一和第二开关单元导通时，相同电流从中流过，从而维持第一和第二开关单元两端的电流平衡。
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