CN102347694B - 有源箝位直流-直流变换器 - Google Patents

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Abstract

一种有源箝位DC-DC变换器包括:变压器,具有初级线圈和次级线圈;主开关器件,与变压器的初级线圈串联连接,使得主开关器件和初级线圈与DC电源并联连接;重置电容器;重置开关器件,与重置电容器串联连接,使得重置开关器件和重置电容器与变压器的初级线圈并联连接;整流电路,连接到变压器的次级线圈;平滑电路,连接到整流电路;以及控制电路,基于主开关器件两端的电压,调整从重置开关器件断开时的时间直到主开关器件导通时的时间所经过的死区时间,其中通过使在主开关器件导通时次级线圈的一端与接地端之间的电压加上主开关器件断开时次级线圈的另一端与接地端之间的电压,控制电路计算恰好在重置开关器件断开之前主开关器件两端的电压。

Description

有源箝位直流-直流变换器
技术领域
本发明涉及一种有源箝位DC-DC(直流-直流)变换器。
背景技术
图5示出传统的有源箝位DC-DC变换器的电路图。在图5中由50总体表示的DC-DC变换器中,当主开关器件51(MOSFET)导通时,激发电流从DC(直流)电源52经电容器53流到变压器54的初级线圈,使得电流由于变压器54的电动势而流过二极管56。流过二极管56的电流作为DC电力经具有二极管55、56的整流电路57以及具有电感器58和电容器59的平滑电路60输出到负载。当主开关器件51断开时,电流由于电感器58的电动势而流过二极管55。流过二极管55的电流作为DC电力经平滑电路60输出到负载。这样,主开关器件51交替地导通和断开,使得从DC电源52经变压器54获得恒定的DC输出电压。这样的构造是公知的,例如,如在日本未审查的专利申请公开第2005-245097号中所公开的。
在DC-DC变换器50中,当主开关器件51由导通转为断开时,流过变压器54的初级线圈的激发电流经重置开关器件61(MOSFET)的寄生二极管流到电容器62,使得电容器62被充电并且流过变压器54的初级线圈的激发电流减小。当重置开关器件61随后导通时,电容器62中的能量被释放到变压器54的初级线圈,并且激发电流进一步减小,从而重置变压器54。这样,DC-DC变换器50中变压器54的重置通过由重置开关器件61和电容器62组成的有源箝位电路完成。
在DC-DC变换器50中,重置开关器件61在主开关器件51断开的同时导通,并且激发电流流过重置开关器件61的寄生二极管,致使减小了重置开关器件61导通时的损耗。另一方面,可以减少主开关器件51导通时产生的损耗,例如,通过在重置开关器件61导通时导通主开关器件51并且然后主开关器件51两端的电压下降至零(见图6)。
然而,从重置开关器件61断开时的时间开始到主开关器件51两端的电压下降至零所花费的电压下降时间随着DC-DC变换器50的输入电压VL和输出电压Vo的变化而变化,因此,难以确定主开关器件51两端的电压下降至零时的时间,并因此难以确定主开关器件51应该导通的时间。这是因为,例如,电压下降时间与输入电压VL之间以及还在电压下降时间与输出电压Vo之间没有明确的相关性,如在图7A和图7B中所示。因而,难以在主开关器件51两端的电压下降至零时导通主开关器件51,这使得难以降低DC-DC变换器50中主开关器件51导通时产生的损耗。
例如,增加变压器54的初级线圈的漏电感由此延长主开关器件51两端的电压为零的时长,使得在主开关器件51两端的电压为零时易于导通主开关器件51。
然而,变压器54的初级线圈的这样增加的漏电感缩短了从变压器54的初级线圈到次级线圈的传输时间,导致DC-DC变换器50的最大输出电压的下降。另外,变压器54的初级线圈的尺寸需要增大,导致增加的成本和增大的电路尺寸。
本发明集中于提供一种有源箝位DC-DC变换器,其使得当主开关器件导通时发生的损耗减少同时防止最大输出电压的下降以及DC-DC变换器的成本和电路尺寸的增加。
发明内容
根据本发明的一方面,一种有源箝位DC-DC变换器包括:变压器,具有初级线圈和次级线圈;主开关器件,与变压器的初级线圈串联连接,使得主开关器件和初级线圈与DC电源并联连接;重置电容器;重置开关器件,与重置电容器串联连接,使得重置开关器件和重置电容器与变压器的初级线圈并联连接;整流电路,连接到变压器的次级线圈;平滑电路,连接到整流电路;以及控制电路,在主开关器件导通时,断开重置开关器件,并且在主开关器件断开时,导通重置开关器件。控制电路控制用于驱动主开关器件的驱动信号的占空比,由此保持自平滑电路的输出DC电压恒定。基于主开关器件两端的电压,控制电路调整从重置开关器件断开时的时间直到主开关器件导通时的时间所经过的死区时间(dead time),其中通过使在主开关器件导通时次级线圈的一端与次级线圈的接地端之间的电压加上主开关器件断开时次级线圈的另一端与接地端之间的电压,控制电路计算恰好在重置开关器件断开之前主开关器件两端的电压。
通过以下结合附图的描述,本发明的其它方面和优点将变得明显,其中通过示例示出了本发明的原理。
附图说明
图1是根据本发明实施例的有源箝位DC-DC变换器的电路图;
图2是驱动信号Sm、Sr以及电压(VA-GND)和电压(VB-GND)的信号的示例;
图3是说明用于调整死区时间的操作的流程图,死区时间是从重置开关器件断开时的时间直到主开关器件导通时的时间所经过的时间;
图4是示出了恰好在重置开关器件断开之前主开关器件两端的电压Vmos与电压下降时间之间的关系的示图,该电压下降时间是从重置开关器件断开时的时间开始到主开关器件两端的电压下降至零所花费的时间;
图5是传统的有源箝位DC-DC变换器的电路图;
图6是示出了传统的有源箝位DC-DC变换器的主开关器件两端的电压Vmos的示图;
图7A是示出了传统的有源箝位DC-DC变换器的输入电压与电压下降时间之间的关系的示图,其中电压下降时间是从重置开关器件断开时的时间开始到主开关器件两端的电压下降至零所花费的时间;以及
图7B是示出了有源箝位DC-DC变换器的输出电压与电压下降时间之间的关系的示图,其中电压下降时间是从重置开关器件断开时的时间开始到主开关器件两端的电压下降至零所花费的时间。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的有源箝位DC-DC变换器。在图中,相同的附图标记用于本实施例和图5的传统DC-DC变换器50中的共同元件或部件。
除了图5的传统DC-DC变换器50的电容器53、变压器54、DC电源52、主开关器件51、电容器62、重置开关器件61、整流电路57以及平滑电路60之外,由1总体表示的有源箝位DC-DC变换器还包括控制电路2和两个电压检测电路3、4。在有源箝位DC-DC变换器1中,主开关器件51和变压器54的初级线圈彼此串联连接,并与DC电源52并联连接。电容器62(重置电容器)和重置开关器件61彼此串联连接,并与变压器54的初级线圈并联连接。电压检测电路3检测变压器54的次级线圈的一端(下文中称为节点A)与变压器54的次级线圈的接地端(GND)之间的电压(VA-GND),并将检测到的电压(VA-GND)作为模拟信号输出到控制电路2。电压检测电路4检测变压器54的次级线圈的另一端(下文中称为节点B)与变压器54的次级线圈的接地端(GND)之间的电压(VB-GND),并将检测到的电压(VB-GND)作为模拟信号输出到控制电路2。替代MOSFET,具有并联连接的二极管的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)也可用于主开关器件51和重置开关器件61。
在整流电路57中,二极管55(第一二极管)的阳极连接到变压器54的次级线圈的接地端,二极管55的阴极连接到变压器54的次级线圈的一端。二极管56(第二二极管)的阳极连接到二极管55的阳极,二极管56的阴极连接到变压器54的次级线圈的另一端。
在平滑电路60中,电容器59与二极管55并联连接,电感58设置在变压器54的次级线圈与电容器59之间。电压检测电路3由电阻器5、7和电容器6组成。电阻器5设置在节点A与控制电路2的ADC(模数转换器)端口P1之间。电容器6设置在控制电路2的ADC端口P1与变压器54的次级线圈的接地端之间。电阻器7与电容器6并联连接。
电压检测电路4由电阻器8、10和电容器9组成。电阻器8设置在节点B与控制电路2的ADC端口P2之间。电容器9设置在控制电路2的ADC端口P2与变压器54的次级线圈的接地端之间。电阻器10与电容器9并联连接。
控制电路2在主开关器件51导通的同时断开重置开关器件61,并在主开关器件51断开的同时导通重置开关器件61。控制电路2控制用于驱动主开关器件51的信号的占空比(duty),由此保持来自平滑电路60的输出DC电压恒定。
如在图2中所示,基于按照指定时间周期周期性地或每次达到预定计数时被重置为零的递增计数器(up counter)的计数值,控制电路2产生用于主开关器件51的驱动信号Sm以及用于重置开关器件61的驱动信号Sr。当计数值被重置为零时,驱动信号Sr从高电平变为低电平,并且重置开关器件61从导通转为断开。在经过死区时间A之后驱动信号Sm从低电平变为高电平,并且主开关器件51从断开转为导通。当计数值达到C1时,该C1与控制电路2基于DC-DC变换器1的输入电压VL和输出电压Vo计算的驱动信号Sm的占空比相对应,使得输出电压Vo保持恒定,驱动信号Sm从高电平变为低电平,并且主开关器件51从导通转为断开。在经过死区时间B之后,驱动信号Sr从低电平变为高电平,并且重置开关器件61从断开转为导通。重复这样的操作,使得主开关器件51和重置开关器件61交替地导通和断开,输出电压Vo保持恒定。
控制电路2调整从重置开关器件61断开时的时间直到主开关器件51导通时的时间所经过的死区时间A。从主开关器件51断开时的时间直到重置开关器件61导通时的时间所经过的死区时间B固定。
图3是说明用于调整死区时间A的控制电路2的操作的流程图。首先,在S1,由控制电路2确定主开关器件51是否导通。
当在S1确定主开关器件51导通时,在S2,控制电路2获得电压(VA-GND)的信号,然后在S3,通过使所获得的电压(VA-GND)乘以变压器54的匝数比N(具体指,次级线圈的匝数与初级线圈的匝数的比率),计算DC-DC变换器1的输入电压VL或变压器54的初级线圈两端的电压。例如,控制电路2在计数值C2处获得电压(VA-GND)的信号,该计数值C2对应于主开关器件51导通的周期期间的大约中点(见图2)。
然后,在S4,通过控制电路2确定主开关器件51是否断开。当在S4确定主开关器件51断开时,在S5,控制电路2获得电压(VB-GND)的信号,然后在S6,通过使所获得的电压(VB-GND)乘以变压器54的匝数比N,计算重置开关器件61和电容器62两端的电压Vres。例如,控制电路2在计数值C3处获得电压(VB-GND)的信号,该计数值C3对应于主开关器件51断开时恰好在重置开关器件61断开之前的时间(见图2)。
在S7,通过使输入电压VL加上电压Vres,控制电路2计算主开关器件51两端的电压Vmos,然后根据之前存储在控制电路2中的映射图(map),获得与所计算的电压Vmos相关联的电压下降时间,具体指从重置开关器件61断开时的时间开始到主开关器件51两端的电压Vmos下降至零所花费的时间。
然后在S8,由于电压(VB-GND)的信号的最后获得,控制电路2将由此获得的电压下降时间设置成用于后续控制计时的死区时间A,具体指恰好在计数值的第二重置之后的死区时间A。例如,电压下降时间与恰好在重置开关器件断开之前的电压Vmos之间的关系,如图4所示,可以之前在控制电路2中存储为映射图,控制电路2可以基于这样的映射图获得电压下降时间。一般来说,在任意级别的MOSFET中,电压下降时间与电压Vmos成正比,如图4中所示。
如上所述,本实施例的有源箝位DC-DC变换器1使得死区时间A被调整,从而在重置开关器件61断开之后主开关器件51两端的电压Vmos下降至零时,主开关器件51导通,由此降低主开关器件51导通时发生的损耗,其中死区时间A是从重置开关器件61断开时的时间直到主开关器件51导通时的时间所经过的时间。另外,不需要增加变压器54的初级线圈的电感线圈,从而有助于防止最大输出电压的下降以及成本和电路尺寸的增加。主开关器件51的损耗的减少降低了主开关器件51对DC-DC变换器1的其它部件的热影响。另外,电压(VA-GND)和电压(VB-GND)的信号被输入到控制电路2,而无需使用用于绝缘信号传输的部件诸如光耦合器和变压器,这防止了成本和电路尺寸的增加。
在以上实施例中,在电压(VA-GND)等于或高于预定阈值Vth1时,控制电路2可以停止驱动主开关器件51和重置开关器件61。通过这样做,如果输入电压VL过高,则在过高的电压被施加到主开关器件51和重置开关器件61之前,控制电路2可以停止驱动主开关器件51和重置开关器件61。
在以上实施例中,当电压Vmos等于或高于预定阈值Vth2时,控制电路2可以减小主开关器件51的驱动信号Sm的占空比。通过这样做,如果输入电压VL低,则控制电路2可以降低驱动信号Sm的占空比,使得没有将过高的电压施加到主开关器件51。阈值Vth1、Vth2可以是相同的值或者彼此不同。
在以上实施例中,电容器可以与主开关器件51并联连接。通过该变型,当主开关器件51从导通转为断开时,流过变压器54的初级线圈的激发电流逐渐流过与主开关器件51并联连接的电容器,这使得主开关器件断开时发生的损耗降低。为此目的,当MOSFET用于主开关器件51时,可以使用在MOSFET中内置的电容器。

Claims (5)

1.一种有源箝位直流-直流变换器(1),包括: 
变压器(54),具有初级线圈和次级线圈; 
主开关器件(51),与所述变压器(54)的所述初级线圈串联连接,所述主开关器件(51)和所述初级线圈与直流电源(52)并联连接; 
重置电容器(62); 
重置开关器件(61),与所述重置电容器(62)串联连接,所述重置开关器件(61)和所述重置电容器(62)与所述变压器(54)的所述初级线圈并联连接; 
整流电路(57),连接到所述变压器(54)的所述次级线圈; 
平滑电路(60),连接到所述整流电路(57);以及 
控制电路(2),在所述主开关器件(51)导通时,断开所述重置开关器件(61),并且在所述主开关器件(51)断开时,导通所述重置开关器件(61),所述控制电路(2)控制用于驱动所述主开关器件(51)的驱动信号的占空比,由此保持来自所述平滑电路(60)的输出直流电压恒定, 
其特征在于,基于所述主开关器件(51)两端的电压,所述控制电路(2)调整从所述重置开关器件(61)断开时的时间直到所述主开关器件(51)导通时的时间所经过的死区时间, 
其中通过使在所述主开关器件(51)导通时所述次级线圈的一端与所述次级线圈的接地端之间的电压加上所述主开关器件(51)断开时所述次级线圈的另一端与所述接地端之间的电压,所述控制电路(2)计算恰好在所述重置开关器件(61)断开之前所述主开关器件(51)两端的电压。 
2.根据权利要求1所述的有源箝位直流-直流变换器(1),其中从所述重置开关器件(61)断开时的时间开始到所述主开关器件(51)两端的电压下降至零所花费的电压下降时间与恰好在所述重置开关器件(61)断开之前所述主开关器件(51)两端的电压之间的关系在所述控制电路(2)中被存储为映射图,并且从所述映射图所获得的所述电压下降时间被设置为所述死区时间。 
3.根据权利要求2所述的有源箝位直流-直流变换器(1),其中所述整流电路(57)包括第一二极管(55)和第二二极管(56),所述第一二极管(55)的阳极连接到所述变压器(54)的所述次级线圈的所述接地端,所述第一二极管(55)的阴极连接到所述变压器(54)的所述次级线圈的一端,所述第二二极管(56)的阳极连接到所述第一二极管(55)的所述阳极,所述第二二极管(56)的阴极连接到所述变压器(54)的所述次级线圈的另一端。 
4.根据权利要求3所述的有源箝位直流-直流变换器(1),其中在所述主开关器件(51)导通时,当所述次级线圈的一端与所述接地端之间的电压等于或高于预定阈值时,所述控制电路(2)停止驱动所述主开关器件(51)和所述重置开关器件(61)。 
5.根据权利要求3所述的有源箝位直流-直流变换器(1),其中在所述主开关器件(51)导通时所述次级线圈的一端与所述接地端之间的电压与在所述主开关器件(51)断开时所述次级线圈的另一端与所述接地端之间的电压的总和等于或高于预定阈值时,所述控制电路(2)减小所述主开关器件(51)的所述驱动信号的所述占空比。 
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