CN103312175B

CN103312175B - 用于谐振转换器的保持时间延长电路

Info

Publication number: CN103312175B
Application number: CN201210071072.6A
Authority: CN
Inventors: 郑锺仁
Original assignee: Astec International Ltd
Current assignee: Astec International Ltd
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-03-16
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2032-03-16
Also published as: CN103312175A

Abstract

提供了用于谐振转换器的保持时间延长电路。该电路可以包括：阻抗元件，该阻抗元件耦接于所述谐振转换器的变压器；及开关电路，该开关电路一端连接到所述阻抗元件，另一端连接到所述谐振转换器的变压器的，其中，当谐振转换器的输入电压降低到预定阈值时，所述开关电路导通，使得在所述保持时间延长电路中产生感应电流。

Description

用于谐振转换器的保持时间延长电路

技术领域

本公开涉及用于延长谐振转换器的保持时间的电路。

背景技术

目前市场上对功率变换的效率要求越来越高，例如，80plus铂金标准要求在半负载情况下达到大于94％的效率。谐振转换器(Resonantconverter)由于具有高效、高频及高功率密度等特点而正得到日益广泛的应用。

图1A是示出了一种半桥式谐振转换器的示意性电路图。如图1A所示，VDC表示电源，103表示负载。该半桥式谐振转换器包括两个开关元件Q1和Q2(图中将这两个元件示出为场效应晶体管)、控制器101以及变压器T1。开关元件Q1和Q2连接到变压器T1的初级线圈。在工作时，控制器101控制这两个开关元件Q1和Q2交替导通，以对变压器T1的初级线圈进行充电和放电。另外，该半桥式谐振转换器还包括谐振电路102。该谐振电路102包括谐振电容Cr、谐振电感Lr以及磁化电感Lm。这里，Lm表示变压器T1的初级侧的磁化电感。另外，该谐振转换器还包括二极管D1、D2和输出电容Cout构成的整流电路，这里不作详述。

图1B是示出了一种全桥式谐振转换器的示意性电路图。如图1B所示，该全桥式谐振转换器的电路结构与图1A所示的半桥式谐振转换器相似，不同之处在于，该全桥式谐振转换器包括4个开关元件Q1、Q2、Q5和Q6。这4个开关元件Q1、Q2、Q5和Q6连接到变压器T1的初级线圈，其中，Q1和Q6组成一对且同时导通和关断，而Q2和Q5组成另一对且同时导通和关断。控制器101控制这两对开关元件交替导通，以对变压器T1的初级线圈进行充电和放电。

发明内容

本公开的发明人发现，在谐振转换器的转换效率与保持时间(这里所述的保持时间(holduptime)是指当输入电压不正常(如输入电压突然降低)时保持提供到负载的输出电压的时间量)性能之间通常需要折衷考虑，例如，可以通过增大磁化电感Lm来提高转换效率并降低谐振转换器中的开关元件(如图1A所示的场效应晶体管Q1和Q2)的开关损耗，但是，另一方面，增大磁化电感Lm也会导致谐振转换器的保持时间大大降低。本公开的实施例提供了一种用于谐振转换器的保持时间延长电路和方法，利用该电路和方法，能够在不降低谐振转换器的转换效率的情况下大大延长谐振转换器的保持时间。

在下文中给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是对本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于谐振转换器中的保持时间延长电路，该电路可以包括：阻抗元件，该阻抗元件耦接于所述谐振转换器的变压器的初级侧；及开关电路，该开关电路一端连接到所述阻抗元件，另一端连接到所述谐振转换器的变压器的初级侧，其中，当谐振转换器的输入电压降低到预定阈值时，所述开关电路导通，使得在所述保持时间延长电路中以产生感应电流。

根据本公开的实施例的保持时间延长电路仅在保持阶段(即输入电压不正常时)工作，而在谐振转换器正常工作期间不导通(即不工作)，因此，其不会降低谐振转换器的转换效率，不会增加开关器件中的开关损耗。

附图说明

本公开可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本公开的优选实施例和解释本公开的原理和优点。在附图中：

图1A是示出了根据相关技术的半桥式谐振转换器的示意性电路图；

图1B是示出了根据相关技术的全桥式谐振转换器的示意性电路图；

图2A是示出了应用了根据本公开一实施例的保持时间延长电路的谐振转换器的示意性电路图；

图2B是示出了应用了图2A所示的保持时间延长电路的另一谐振转换器的示意性电路图；

图2C是示出了应用了图2A所示的保持时间延长电路的另一谐振转换器的示意性电路图；

图3A是示出了应用了根据本公开另一实施例的电路的谐振转换器的示意性电路图；

图3B是示出了应用了图3A所示的保持时间延长电路的另一谐振转换器的示意性电路图；

图3C是示出了应用了图3A所示的保持时间延长电路的另一谐振转换器的示意性电路图。

图4A是示出了应用了根据本公开另一实施例的电路的谐振转换器的示意性电路图；

图4B是示出了应用了图4A所示的保持时间延长电路的另一谐振转换器的示意性电路图；以及

图4C是示出了应用了图4A所示的保持时间延长电路的另一谐振转换器的示意性电路图。

本领域技术人员应当理解，附图中的各个部件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而不是按比例绘制的。例如，附图中某些部件的尺寸可能相对于其他部件放大或缩小了，这是为了有助于提高对本公开实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本公开的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的装置结构和/或部件，而省略了与本公开关系不大的其他细节。

本公开的发明人发现，谐振转换器的保持时间参数取决于谐振电容器上的电压振幅。在输出电压保持阶段，谐振电容器上的电压振幅越高，则保持时间越长。可以通过降低磁化电感Lm来降低谐振电容器上的电压振幅，从而延长保持时间，但是，降低磁化电感Lm会增加谐振转换器中的开关元件(如图1A所示的MOSFETQ1和Q2等)在正常工作期间的开关损耗。

本公开的实施例提供了能够延长谐振转换器的保持时间的电路和方法。在本公开的一些实施例中，保持时间延长电路可包括阻抗元件和开关电路。所述保持时间延长电路耦接于谐振转换器的变压器(可以耦接于初级侧或次级侧)，具体地，其阻抗元件可耦接于谐振转换器的变压器的初级侧或次级侧的一端，而其开关电路的一端连接到谐振转换器的变压器的初级侧或次级侧的另一端。开关电路的另一端可以连接到阻抗元件。当谐振转换器的输入电压降低到预定阈值时，可使开关电路导通，从而在保持时间延长电路中产生感应电流，使得流过谐振转换器的谐振电容的电流增加。所述开关电路可以与谐振转换器的控制器相连，当谐振转换器的输入电压不正常时，由控制器对开关电路进行控制使其导通。而在其他时间，控制器使得开关电路关断。

利用上述电路结构。当谐振转换器的输入电压不正常(如降低到一预定阈值)时，所述保持时间延长电路开始工作，能够增加流过谐振转换器的谐振电容器的磁化电流，从而增加谐振电容器上的电压振幅，延长谐振转换器的保持时间。由于根据本公开的实施例的保持时间延长电路仅在保持阶段(即输入电压不正常时)工作，因此，其不会影响到谐振转换器正常工作期间的转换效率。

下面参考图2A-2C和图3A-3C来详细描述一些具体的实施例。

图2A是示出应用了根据本公开一实施例的保持时间延长电路的谐振转换器的示意性电路图。在图2A所示的实施例中，该保持时间延长电路210被应用于一种半桥式谐振转换器电路中。

如图2A所示，保持时间延长电路210包括开关电路211和阻抗元件Lb2，此外，保持时间延长电路210还包括辅助线圈LN。

作为一个具体示例，开关电路211包括开关元件Q3和开关元件Q4。阻抗元件Lb2连接于线圈LN与开关电路211之间。

在该实施例中，阻抗元件Lb2被示出为电感元件(作为其他实施例，该电感元件还可以替换为电阻元件)，开关电路中的开关元件Q3和Q4均被示出为场效应晶体管(MOSFET)。具体地，电感元件Lb2的一端(称为电感元件Lb2的第一端)连接到线圈LN的一端(称为线圈LN的第一端)，另一端(称为电感元件Lb2的第二端)连接到开关电路。在图2A所示的实施例中，电感元件Lb2的第二端连接到开关元件Q3的漏极。开关元件Q3的源极与开关元件Q4的源极彼此连接并接地。开关元件Q3和Q4的栅极分别连接到谐振转换器的控制器101。

另外，Lm表示谐振转换器的变压器的初级侧内的磁化电感，或者表示置于变压器外部的电感。当Lm为谐振转换器的变压器的初级侧内的磁化电感时，可以通过改变变压器芯的间隙大小来调制该电感的值。

图2A所示的谐振转换器的其他部分与图1A所示的电路相似，这里不作重复。

线圈LN耦接于谐振转换器的变压器T1的初级侧。换言之，线圈LN作为变压器T1的初级侧的一部分，与变压器T1的次级侧耦合，可以感应到次级侧的输出电压。

控制器101对开关电路(Q3和Q4)进行控制。当谐振转换器正常工作时，包括开关电路211关断，即保持时间延长电路210不工作。而当谐振转换器的输入电压不正常(如VDC降低到一预定阈值，该预定阈值可根据实际应用来设定，这里不作限定)时，控制器101对开关电路进行控制(例如，当输入电压降低到预定阈值时，控制器可以发送使开关元件Q3和Q4同时导通的触发电压)，使其导通。在这种情况下，谐振转换器的输出电压Vo(变压器的次级侧)会感应到线圈LN，从而在电感元件Lb2上产生电压Vb。该电压Vb与输出电压Vo之间的关系可用下式来表示

Vb＝Vo·N₁/Ns(1)

在上式中，N₁表示线圈LN的匝数，Ns表示变压器T1的次级侧的与LN耦合的线圈的匝数。

另外，会产生流过变压器的初级侧Np的电流Ip：

Ip = Vo \cdot N_{1}^{2} \cdot t / (L_{b} \cdot Ns \cdot Np) - - - (2)

在上式中，Np表示变压器T1的初级侧的匝数。L_b表示电感元件Lb2的电感值。t表示谐振转换器中的开关元件Q1或Q2的导通时间(即谐振转换器中的开关频率的倒数)。

附加电流Ip流过谐振转换器中的谐振电容，能够提高谐振电容的储能，从而延长谐振转换器的保持时间。

通过将上述保持时间延长电路应用到谐振转换器，当输入电压不正常时，该保持时间延长电路中的开关电路导通，使得谐振转换器的输出电压感应到线圈LN。这样，会产生流过变压器的初级侧的电流，使得流过谐振转换器中的谐振电容的电流增大，从而提高谐振电容上的电压。这样，谐振转换器的输出电压能保持于一定电平而不下降，从而延长谐振转换器的保持时间。另外，由于上述保持时间延长电路在谐振转换器正常工作期间不导通(即不工作)，因此，其不会降低谐振转换器的转换效率，不会增加开关器件中的开关损耗。

此外，在没有上述保持时间延长电路的情况下(如图1A和1B所示的谐振转换器)，如果要延长保持时间，需要降低磁化电感Lm的值，但降低磁化电感Lm的值反过来会增加谐振转换器中的开关元件在正常工作中的开关损耗。而在应用了根据本公开的保持时间延长电路的谐振转换器中，电感Lm的值可以设置得比较大，既可提高谐振转换器的效率并降低谐振转换器中的开关元件的开关损耗，又能保证保持时间的延长。

作为一个具体应用示例，图2A中所示的各个元件可以采用下列型号和参数：

Q1，Q2：IRFP460

Lr：20μH

Cr：66n

Lm：150μH

Lb2：25.3μH，

Q3，Q4：IPP085N06

D1，D2：MBR6045WT

Cout：1500uF

Vo：12V

负载：35A

匝数比：Np∶N₁∶Ns＝16∶3∶1

应理解，上述参数和型号仅仅是一个具体示例。在实际应用中，本公开中的各个实施例中所示的元件可以根据实际需求来确定，而不应局限于上述数值和型号。

图2B示出了将图2A所示的保持时间延长电路210应用于另一种谐振转换器的示意性电路图。图2B所示的谐振转换器与图2A所示的谐振转换器的不同之处在于，其包括两个谐振电容Cr1和Cr2。图2B所示的保持时间延长电路210与图2A所示的电路210相同，这里不再重复描述。

图2C示出了将图2A所示的保持时间延长电路210应用于全桥式谐振转换器的示意性电路图。图2C所示的谐振转换器与图2A所示的谐振转换器的不同之处在于，其包括4个开关元件Q1、Q2、Q5和Q6，这四个开关元件构成全桥电路。图2C所示的保持时间延长电路210与图2A所示的电路210相同，这里也不再重复描述。

在图2A-2C所示的保持时间延长电路210中，使用开关元件Q4是为了仅允许电流在一个方向上流动，以保证阻抗元件Lb2中的感应电流的流动方向与谐振转换器正常工作时变压器的初级线圈中的电流流动方向一致，而不会沿着反方向流动。在一些其他实施例中，该开关元件Q4还可以用其他开关电路来替代，如二极管全桥电路、二极管半桥电路等等，这里不作详述。

图4A是示出应用了根据本公开另一实施例的保持时间延长电路的一种全桥式谐振转换器的示意性电路图。在图4A所示的实施例中，保持时间延长电路410与图2A-2C中所示的电路210结构相似，不同之处在于，保持时间延长电路410耦接于变压器T1的次级侧，而不是变压器的初级侧。

如图4A所示，保持时间延长电路410包括开关电路411和阻抗元件Lb4(该电感元件还可以替换为电阻元件)，此外，保持时间延长电路410还包括辅助线圈LN。

开关电路411包括开关元件Q34和Q44。开关电路411和阻抗元件Lb4与上文描述的开关电路211和Lb2相似，这里不再重复。

线圈LN耦接于谐振转换器的变压器T1的次级侧。换言之，线圈LN作为变压器T1的次级侧的一部分，与变压器T1的初级侧耦合。控制器101对开关电路(Q34和Q44)进行控制。当谐振转换器正常工作时，包括开关电路411关断，即保持时间延长电路410不工作。而当谐振转换器的输入电压不正常(如VDC降低到一预定阈值，该预定阈值可根据实际应用来设定，这里不作限定)时，控制器101对开关电路进行控制(例如，当输入电压降低到预定阈值时，控制器可以发送使开关元件Q34和Q44同时导通的触发电压)，使其导通。这样，即提供了将阻抗元件Lb4连接于线圈LN的双向路径，从而产生流过阻抗元件Lb4和线圈LN的感应电流(例如用I1来表示)。该电流I1通过线圈LN与变压器初级侧线圈Np的耦合效应而被感应回到Np，从而产生流过Np的附加电流(例如用I2来表示)。该附加电流I2使得流过谐振转换器中的谐振电容的电流增大，从而提高谐振电容上的电压。附加电流I2与保持时间延长电路中的电流I1之间的关系可以用下式来表示：

I2＝I1×N1/Np(3)

在这种情况下，流过谐振转换器中的谐振电容的有效电流Ie可以用下式来表示：

Ie＝I2+I3(4)

上式中，I3表示流过初级侧线圈Np的谐振电流(图中所示的电感Lm中的电流)。

图4A所示的谐振转换器的其他部分与图1B所示的电路相似，这里不作重复。

图4B示出了将图4A所示的保持时间延长电路410应用于另一种谐振转换器的示意性电路图。图4B所示的谐振转换器为半桥式，包括两个谐振电容Cr1和Cr2。图4B所示的保持时间延长电路410与图4A所示的电路410相同，这里不再重复描述。

图4C示出了将图4A所示的保持时间延长电路410应用于另一种谐振转换器的示意性电路图。图4C所示的谐振转换器包括谐振电容Cr。图4C所示的保持时间延长电路410与图4A所示的电路410相同，这里也不再重复描述。

在图2A-2C、4A-4C所示的实施例中，保持时间延长电路210或410包括与变压器T1的初级侧或次级侧耦合的辅助线圈LN。在一些其他实施例中，保持时间延长电路可以更加简化。图3A、3B和3C示出了这样的实施例。

图3A是示出应用了根据本公开一实施例的保持时间延长电路的谐振转换器的示意性电路图。在图3A所示的实施例中，该保持时间延长电路210被应用于一种半桥式谐振转换器电路中。

如图3A所示，保持时间延长电路310包括彼此相连的开关电路311和阻抗元件Lb3。

在图中所示的示例中，开关电路311包括开关元件SW1。该开关元件SW1可以任何适当的开关器件，如半导体开关器件或者继电器等，这里不作具体限定。

另外，Lm表示置于谐振转换器的变压器的初级侧内的磁化电感，或者表示置于变压器外部的电感。

开关元件SW1的一端连接到谐振转换器的变压器的初级侧的磁化电感Lm，另一端连接到阻抗元件Lb3的一端。阻抗元件Lb3的另一端耦接于磁化电感Lm。开关元件SW1与谐振转换器的控制器相连。当谐振转换器的输入电压异常时，控制器使得SW1导通，从而使得开关电路导通。此时，谐振转换器的输出电压通过磁化电感感应到保持时间延长电路中，以产生感应电流，使得流过谐振转换器中的谐振电容的电流增大，从而提高谐振电容上的电压。这样，谐振转换器的输出电压能保持于一定电平而不下降，从而延长谐振转换器的保持时间。另外，由于上述保持时间延长电路在谐振转换器正常工作期间不导通(即不工作)，因此，其不会降低谐振转换器的转换效率，不会增加开关器件中的开关损耗。

此外，还可以通过增大电感Lm来提高谐振转换器的效率并降低谐振转换器中的开关元件的开关损耗，同时保证保持时间的延长。

图3B示出了将图3A所示的保持时间延长电路310应用于另一种谐振转换器的示意性电路图。图3B所示的谐振转换器与图3A所示的谐振转换器的不同之处在于，其包括两个谐振电容Cr1和Cr2。图3B所示的保持时间延长电路310与图3A所示的电路310相同，这里不再重复描述。

图3C示出了将图3A所示的保持时间延长电路310应用于全桥式谐振转换器的示意性电路图。图3C所示的谐振转换器与图3A所示的谐振转换器的不同之处在于，其包括4个开关元件Q1、Q2、Q5和Q6，这四个开关元件构成全桥电路。图3C所示的保持时间延长电路310与图3A所示的电路310相同，这里也不再重复描述。

在图2A-2C、3A-3C所示的实施例中，开关元件(如Q3、Q4等)被示出为MOSFET。在其他实施例中，这些开关元件还可以是其他类型的开关元件，例如绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)或其他类型的晶体管等。这里不作详述。

根据本公开的实施例的保持时间延长电路结构简单且可靠，能够有效延长谐振转换器的保持时间，同时不降低谐振转换器的效率。另外，还可以通过提高磁化电感Lm的电感值来降低开关元件的开关损耗，从而提升转换效率。

根据本公开的实施例的保持时间延长电路和方法可以附加于任何种类的转换器(如上文中所描述的全桥式谐振转换器以及半桥式转换器等)，只要该转换器具有谐振电路既可。

另外，根据本公开的实施例的保持时间延长电路和方法可以应用于DC-DC电源，也可以应用于AC-DC电源(特别是利用升压PFC(PowerFactorCorrection，功率因数校正))预调节器为DC/DC转换器供电的情况)，这里不作限定。

以上结合具体实施例和/或示例描述了本公开的基本原理，但是，应理解，本公开并不局限于这些具体的实施例和/或示例。另外，需要指出的是，对本领域的普通技术人员而言，能够理解本公开的装置的全部或者任何部件，并在这些公开的基础上根据具体应用对这些部件作出修改、替代和变换，而仍涵盖于本公开的范围之内。

另外，本申请的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

Claims

1.一种用于谐振转换器中的保持时间延长电路(210,410)，特征在于，该保持时间延长电路包括:

阻抗元件(Lb2,Lb4)；

开关电路(211,411)，该开关电路一端连接到所述阻抗元件(Lb2,Lb4)；及

辅助线圈(LN)，该辅助线圈连接在所述阻抗元件(Lb2,Lb4)与所述开关电路(211,411)之间，并且所述辅助线圈是所述谐振转换器的变压器的一部分，

其中，当谐振转换器的输入电压降低到预定阈值时，所述开关电路导通，使得在所述保持时间延长电路中产生感应电流，

其中，所述开关电路(211,411)包括第一开关元件(Q3,Q34)和第二开关元件(Q4,Q44)，所述阻抗元件(Lb2,Lb4)的一端连接到所述辅助线圈(LN)的一端，而另一端连接到所述第一开关元件(Q3,Q34)的一端，所述第一开关元件(Q3,Q34)的另一端连接到所述第二开关元件(Q4,Q44)的一端，所述第二开关元件(Q4,Q44)的另一端连接到所述辅助线圈(LN)的另一端，并且

其中，所述第一开关元件(Q3,Q34)与所述第二开关元件(Q4,Q44)还分别与所述谐振转换器中的控制器(101)相连，当所述谐振转换器的输入电压降低到预定阈值时，所述控制器(101)使得所述第一开关元件(Q3,Q34)和所述第二开关元件(Q4,Q44)导通。

2.根据权利要求1所述的保持时间延长电路，其中，所述第一开关元件(Q3,Q34)和所述第二开关元件(Q4,Q44)均为场效应晶体管，所述第一开关元件的漏极连接到所述阻抗元件，所述第一开关元件的源极连接到所述第二开关元件的源极，所述第二开关元件的漏极连接到所述辅助线圈的另一端，并且所述第一开关元件和所述第二开关元件的栅极均连接到所述控制器。

3.一种用于谐振转换器中的保持时间延长电路(310)，特征在于，该保持时间延长电路包括:

阻抗元件(Lb3)，该阻抗元件耦接于所述谐振转换器的变压器的初级侧的磁化电感(Lm)的一端；及

开关电路(311)，该开关电路的一端连接到所述磁化电感(Lm)的另一端，并且所述开关电路的另一端连接到所述阻抗元件(Lb3)，

其中，当谐振转换器的输入电压降低到预定阈值时，所述开关电路(311)导通，使得所述谐振转换器的输出电压通过所述磁化电感(Lm)感应到所述保持时间延长电路中以产生感应电流，该感应电流的流动方向与变压器的初级线圈中的电流流动方向一致。

4.根据权利要求3所述的保持时间延长电路，其中，所述开关电路(311)与所述谐振转换器的控制器(101)相连，当所述谐振转换器的输入电压降低到预定阈值时，所述控制器使得所述开关电路导通。

5.根据权利要求4所述的保持时间延长电路，其中，所述开关电路(311)包括半导体开关器件或继电器。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的保持时间延长电路，其中，所述阻抗元件(Lb3)为电感元件或电阻元件。

7.一种谐振转换器，包括根据权利要求1-6中任一项所述的保持时间延长电路。

8.根据权利要求7中所述的谐振转换器，其中，所述谐振转换器为全桥式谐振转换器或半桥式谐振转换器。