CN105993123B - 具有宽输入和输出动态范围的交错正向转换器 - Google Patents

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Abstract

在描述的交错正向电压转换器(400)的示例中，第一逆变器级包括具有匝比N1和初级绕组(410)的第一变压器(T1)，初级绕组(410)具有耦合到输入电压(Vin)的源极的一个端子与耦合到第一开关晶体管(Q1)的另一个端子。用于第一变压器(T1)的第一次级绕组(412)具有耦合到滤波器电感器(Lf)的第一端子的第一端子和耦合到第一二极管(Df1)的第二端子。第二转换器级包括具有匝比N2和初级绕组的第二变压器(T2)，该初级绕组具有耦合到输入电压(Vin)的源极的一个端子与耦合到第二开关晶体管(Q2)的另一个端子。用于第二变压器(T2)的第二次级绕组(416)具有通过第二二极管(Df2)耦合到滤波器电感器(Lf)的第一端子的第一端子和耦合到参考电压源的第二端子。第三二极管(Ds)耦合在用于第二变压器(T2)的第二次级绕组(416)的第一端子与第一变压器(T1)的第一次级绕组(412)的第二端子之间。

Description

具有宽输入和输出动态范围的交错正向转换器
技术领域
本发明总体涉及交错正向电压转换器，并且具体涉及具有宽输入和输出动态范围的转换器。
背景技术
交错正向电压转换器(也称为推-推级(push-push)转换器)在本领域中是已知的。图1示出现有技术的交错正向电压转换器100的示例。在转换器100中，输入电压Vin的源耦合到第一转换器级的第一变压器T1的正端子。变压器T1的另一端子通过第一开关晶体管Q1接地。晶体管Q1由脉冲发生器102驱动。变压器T1的次级绕组具有接地的负端子和通过二极管Df1连接到滤波器电感器Lf的一个端子的正端子。包括变压器T2的第二转换器级具有连接到电压的源的初级绕组的正端子和通过晶体管Q2接地的负端子。晶体管Q2的栅极由脉冲发生器106驱动。变压器T2的次级绕组具有接地的负端子和通过二极管Df2连接到滤波器电感器Lf的输入端子的正端子。二极管Df1和Df2连接在节点Vfilt处。续流二极管Dfw连接到节点Vfilt。负载(其被示为电阻器RL)连接到电感器Lf的另一侧上的端子。输出电容器Co耦合在负载电阻器RL的两端。
晶体管Q1和Q2彼此180°异相切换，并且通过栅极驱动信号(未示出)的脉冲宽度调制(PWM)进行输出电压调节。现在将联系图2说明图1的电路的操作，其中晶体管Q1和Q2的占空比为30％。在图2中，在30％占空比处电路操作的波形通常示为200。通过晶体管Q1和Q2的电流通过波形I(Q1)和I(Q2)示出。通过续流二极管Dfw的电流通过波形I(Dfw)示出。节点Vfilt处的电压被示为Vfilt，并且输出电压被示为Vout。Vout处的电压以扩展电压比例地示出，从而可看出纹波。在该占空比下，由第一转换器和第二转换器产生的电压在端子Dfilt处相加，并且增大的电压在端子Vout处可用。
现将结合图3说明图1的电路的操作，其中晶体管Q1和Q2的占空比为70％。在图3示出如图2所示的相同的波形，通常为300。尽管两个晶体管的占空比使它们在它们的接通时间上重叠，但通过晶体管的电流不重叠，并且在重叠期间在节点Vfilt处不产生额外的电压。通过续流二极管的电流和在节点Vfilt和Vout两处的电压为纯DC。
用于这种常规交错正向电压转换器的输出电压为：
Vout＝(Vin/N)·2·D，用于D小于0.5 (等式1)
Vout＝(Vin/N)，用于D大于0.5 (等式2)
其中Vin为输入电压，Vout为输出电压，N为变压器的匝比，以及D为晶体管Q1和Q2的占空比。
因此，如果占空比超过50％，那么输出电压不会增大。
发明内容
在描述的交错正向电压转换器的示例中，第一逆变器级包括具有匝比N1和初级绕组的第一变压器，所述初级绕组具有耦合到输入电压的源极的一个端子与耦合到第一开关晶体管的另一个端子。用于第一变压器的第一次级绕组具有耦合到滤波器电感器的第一端子的第一端子和耦合到第一二极管的第二端子。第二转换器级包括具有匝比N2和初级绕组的第二变压器，所述初级绕组具有耦合到输入电压的源的一个端子与耦合到第二开关晶体管的另一个端子。用于第二变压器的第二次级绕组具有通过第二二极管耦合到滤波器电感器的第一端子的第一端子和耦合到参考电压源的第二端子。第三二极管耦合在用于第二变压器的第二次级绕组的第一端子与第一变压器的第一次级绕组的第二端子之间。
附图说明
图1为现有技术交错电压变换器的示意图。
图2为图1的电路在30％占空比下的一组波形曲线图。
图3为图1的电路在70％占空比下的一组波形曲线图。
图4为示例实施例的交错正向电压转换器的示意图。
图5为图4的电路在30％占空比下的一组波形曲线图。
图6为图4的电路在70％占空比下的一组波形曲线图。
图7为示例实施例的另一交错正向电压转换器的示意图。
图8为图7的电路的一组波形曲线图。
具体实施方式
图4为示例实施例的交错正向电压转换器400的原理图。在图4中，第一转换器包括第一变压器T1，其具有耦合到输入电压Vin的源极的初级绕组410的正端子。变压器T1的初级绕组410的负端子通过晶体管Q1耦合到地面。晶体管Q1的栅极耦合到脉冲发生器402。变压器T1的次级绕组412具有其在节点Vfilt处连接到滤波器电感器的第一端子的正端子。次级绕组412的负端子通过二极管Dfl接地。第二转换器包括变压器T2，其具有连接到输入电压Vin的源极的初级绕组414的正端子。初级绕组414的负端子通过晶体管Q2耦合到地面。晶体管Q2的栅极耦合到脉冲发生器406。变压器T2的次级绕组416具有其通过二极管Df2连接到节点Vfilt的正端子。续流二极管Dfw从节点Vfilt耦合到地面。负载(其被示为电阻器RL)从滤波器电感器Lf的第二端子耦合到地面。第三二极管Ds将变压器T2的次级绕组416的正端子连接到变压器T1的次级绕组412的负端子。
现将结合图5和图6说明图4的电路的操作。图5示出图4的电路在30％占空比下的操作。图6示出图4的电路在70％占空比下的操作。晶体管Q1和Q2彼此180°异相切换，并且通过栅极驱动信号的脉冲宽度调制(PWM)(未示出)进行输出电压调节。
比较图5和图2，通过晶体管Q1和Q2的电流在图2中分别示出，并且在图5中被合并示出。然而，在比较图2和图5时，波形是相同的。如果通过续流二极管Dfw的电流在图2和图5两者中被检查，则它们是相同的。类似地，电压Vfilt在图2和图5两者中是相同的，输出电压Vout也相同。一旦占空比超过50％，二极管Ds自动地将两个转换器串联放置。因此，由两个转换器产生的电压可连续相加。通过二极管Ds的电流作为I(Ds_p)被示于图6，其示出除了在仅一个晶体管传导的情况下以外流过二极管的电流。通过续流二极管DFW的电流与图3所示的相同，并且节点Vfilt处的电压为在晶体管Q1和Q2均传导时具有正峰值的矩形波。如图2所示，输出电压具有纹波，但在140V处的电压显著高于由具有如图3所示的波形的图1的现有技术电路产生的100V的电压。
示例实施例的另一方面通常作为700被示于图7。图7的电路可利用串联或并联连接的输入以及串联或并联连接的输出来操作，以处理输入电压中的更大的变化。电路700可从一种操作模式即时(on-the-fly)切换为另一种模式。电路700具有第一转换器，该第一转换器包括具有初级绕组710的第一变压器T1，初级绕组710具有其连接到输入电压Vin的源的正端子。初级绕组710的负端子通过晶体管Qp2耦合到地面并且通过晶体管Qs耦合到第二转换器的变压器T2的初级绕组714。晶体管Qp2的栅极连接到脉冲发生器704，并且晶体管Qs的栅极连接到脉冲发生器706。变压器T1的次级绕组712具有在节点Vfilt处连接到滤波器电感器LF的第一端子的正端子。次级绕组712的负端子通过二极管Dfi耦合到地面。包括变压器T2的第二转换器具有经由晶体管Qp1耦合到输入电压Vin的源极的初级绕组714。晶体管Qp1的栅极连接到脉冲发生器702。714的负端子接地。第二级的次级绕组716具有接地的负端子和通过二极管Df2连接到滤波器电感器Lf的第一端子的正端子。第二转换器级的次级绕组716的正端子通过二极管Ds和晶体管Qsec的串联连接耦合到第一转换器级的次级绕组712的负端子。晶体管Qsec的栅极通过逆变器708耦合到晶体管Qs的栅极。续流二极管Dfw耦合在地面与滤波器电感器Lf的第一端子之间。负载(其被示为电阻器R1)被连接到滤波器电感器Lf的第二端子。
图7的电路可处理输入电压中的更大变化。如果输入电压低于阈值，那么变压器T1和T2的两个初级绕组710、714可并联连接。如果输入电压高于阈值，那么变压器T1和T2的两个初级绕组710、714可串联连接。如果初级绕组710、714并联连接，则变压器T1和T2的次级绕组712、716可串联连接以获得电压升压。相反地，如果初级绕组710、714串联连接，则次级绕组712、716可并联连接以降低输出电压。可即时将电路的操作从一种模式改变到另一种模式。因此，实现更大的灵活性用于处理输入电压变化。
为了并联连接初级绕组710、714，使用两个晶体管Qp1和Qp2。晶体管Qp1和Qp2彼此180°异相切换并且通过栅极驱动信号的脉冲宽度调制(PWM)(未示出)进行输出电压调节。晶体管Qs(其串联连接初级绕组710、714)被断开。晶体管Qsec具有其通过逆变器708连接到晶体管Qs的栅极的栅极。因此，伴随晶体管Qs被断开，晶体管Qsec将被接通。当占空比超过50％时，次级绕组712、716将通过二极管Ds和晶体管Qsec的动作被串联放置。通过使次级绕组712、716和并联连接的初级绕组710、714串联连接，将获得电压升压，从而允许变换器在较低输入电压下操作。
为了串联连接初级绕组710、714，晶体管Qs被使用。输出电压通过用于晶体管Qs的栅极驱动信号的脉冲宽度调制(PWM)(未示出)被调节。在这种结构中不使用晶体管Qp1和Qp2。因此，两个绕组710、714串联在电压源与地面之间。晶体管Qsec具有其经由逆变器708连接到晶体管Qs的栅极的栅极。因此，利用晶体管Qs被接通，晶体管Qsec将被断开，并且次级绕组712、716将通过二极管Df1和Df2并联。利用初级绕组710、714串联连接以及次级绕组712、716并联连接，在输出处将出现电压压降，从而允许调节器从较高的输入电压进行操作。
初级绕组和次级绕组均可并联连接，或初级绕组和次级绕组均可串联连接(未示出)，但这并不利用改变转换器的匝比来产生如上所讨论的电压升压或电压压降。
图8示出在Qs激活的情况下图7的电路的波形。顶部曲线示出通过晶体管Qp1和Qp2的相应的电流I(Qp1)和I(Qp2)为零，这是因为，如上所讨论的，当初级绕组串联放置时，那些晶体管未被使用。通过晶体管Qs的电流I(Qs)在45％的占空比下被示于第二波形。如底部波形所示，输出电压Vout中存在小的纹波。
在并联操作期间，晶体管Qp1和Qp2是激活的，其中占空比在零与Dmax之间。Dmax为将允许用于变压器的去磁的足够时间的最大占空比。当晶体管Qp1和Qp2均接通时，晶体管Qsec接通。电路还原为交错正向电压转换器，该交错正向电压转换器具有Vout＝(Vin/N)·2·D的传递比，其中D大于零且小于Dmax。
在串联操作期间，晶体管Qs的占空比在零与Dmax之间，并且晶体管Qp1和Qp2断开。电路还原为单一正向转换器，该单一正向转换器具有Vout＝(Vin/N)·D的DC传递比，其中D在零与Dmax之间。
因此，在示例实施例中，交错正向电压转换器在产生输出电压上具有较大的灵活性。
在至少一个示例中，第一逆变器级具有第一变压器，该第一变压器具有耦合到滤波器电感器的第一次级绕组。第二转换器级具有第二变压器，该第二变压器具有耦合到滤波器电感器的第二次级绕组。二极管耦合在第一次级绕组与第二次级绕组之间，以当转换器的占空比超过50％时自动地串联连接第一次级绕组与第二次级绕组。交错正向电压转换器可以并联结构或串联结构连接两个初级绕组。两个初级绕组可以并联结构或串联结构被连接。使两个初级绕组并联并且两个次级绕组串联允许转换器在较低输入电压下操作。使两个初级绕组串联并且两个次级绕组处于并联结构允许转换器以较高输入电压进行操作。
在至少一种版本中，第一转换器级包括具有匝比N1和初级绕组的第一变压器，所述初级绕组具有耦合到输入电压的源极的一个端子和耦合到第一开关晶体管和第二开关晶体管的另一个端子。用于第一变压器的第一次级绕组具有耦合到滤波器电感器的第一端子的第一端子和耦合到第一二极管和第三开关晶体管的第二端子。第二转换器级包括具有匝比N2和初级绕组的第二变压器，所述初级绕组具有耦合到输入电压的源极的一个端子和耦合到参考电压源的另一个端子。用于第二变压器的第二次级绕组具有通过第二二极管耦合到滤波器电感器的第一端子的第一端子和耦合到参考电压源的第二端子。第三晶体管耦合在第一变压器的第一次级绕组的第二端子与第二变压器的第二次级绕组的第一端子之间。
在至少一个其它版本中，第一逆变器级包括第一变压器，该第一变压器具有耦合到滤波器电感器的第一次级绕组。第二转换器级包括第二变压器，该第二变压器具有耦合到滤波器电感器的第二次级绕组。二极管耦合在第一次级绕组与第二次级绕组之间，以当转换器的占空比超过50％时自动地串联连接第一次级绕组与第二次级绕组。
另外，示例实施例包括操作交错正向电压转换器以提供转换器之间(包括提供到变压器)的串联或并联连接的方法，其中变压器的每个具有初级绕组和次级绕组，初级绕组具有耦合到电压的源极的正端子，次级绕组具有耦合到滤波器电感器的一个端子的正端子。
初级绕组的并联操作替换地通过驱动第一晶体管对彼此180°异相来提供，一个晶体管与第一初级绕组的正端子串联并且另一晶体管与第二初级绕组的负端子串联。初级绕组的串联操作替换地通过驱动耦合在第一初级绕组的负端子与第二初级绕组的正端子之间的第三晶体管来提供。次级绕组的并联操作通过以下来提供：通过第一二极管将第一次级绕组的负端子耦合到参考电位以及通过第二二极管将第二次级绕组的正端子耦合到滤波器电感器的第一端子。次级绕组的串联操作替换地通过驱动在第一次级绕组的负端子与第二次级绕组的正端子之间的第四晶体管来提供。
在权利要求的范围内，在描述的实施例中修改是可能的，并且其它实施例是可能的。

Claims (8)

1.一种交错正向电压转换器，其包括：
第一转换器级，其包括具有匝比N、具有第一初级绕组的第一变压器，该第一初级绕组具有耦合到输入电压的正极的一个端子和耦合到第一开关晶体管和第二开关晶体管的另一个端子；
用于所述第一变压器的第一次级绕组，所述第一次级绕组具有第一端子和第二端子，该第一端子耦合到滤波器电感器的第一端子，该第二端子耦合到第一二极管和第三开关晶体管；
第二转换器级，其包括具有匝比N且具有第二初级绕组的第二变压器，该第二初级绕组具有经由第四开关晶体管耦合到输入电压的正极的一个端子和耦合到参考电压源的另一个端子；
用于所述第二变压器的第二次级绕组，所述第二次级绕组具有通过第二二极管耦合到所述滤波器电感器的第一端子的第一端子和耦合到所述参考电压源的第二端子；
其中所述第三开关晶体管耦合在所述第一变压器的所述第一次级绕组的第二端子与所述第二变压器的所述第二次级绕组的第一端子之间；以及
进一步包括与所述第三开关晶体管串联耦合的第三二极管。
2.根据权利要求1所述的交错正向电压转换器，其进一步包括耦合在所述滤波器电感器的所述第一端子与所述参考电压源之间的续流二极管。
3.一种操作交错正向电压转换器以便提供所述转换器之间的串联或并联连接的方法，所述方法包括：
提供第一变压器和第二变压器，并且所述第一变压器具有第一初级绕组和第一次级绕组，并且所述第二变压器具有第二初级绕组和第二次级绕组，所述第一初级绕组和所述第二初级绕组中的每个具有耦合到电压的正极的正端子，并且所述第一次级绕组和所述第二次级绕组中的每个具有耦合到滤波器电感器的第一端子的正端子；
通过驱动第一晶体管对彼此180°异相来提供所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的并联操作，第一晶体管与第二初级绕组的正端子串联并且第二晶体管与第一初级绕组的负端子串联；
通过驱动耦合在所述第一初级绕组的负端子与所述第二初级绕组的正端子之间的第三晶体管来提供所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的串联操作；
通过以下步骤提供所述第一次级绕组和所述第二次级绕组的并联操作：通过第一二极管将所述第一次级绕组的负端子耦合到参考电位以及通过第二二极管将所述第二次级绕组的正端子耦合到所述滤波器电感器的所述第一端子；
通过驱动在所述第一次级绕组的负端子与所述第二次级绕组的正端子之间的第四晶体管来提供所述第一次级绕组和所述第二次级绕组的串联操作。
4.根据权利要求3所述的方法，其进一步包括提供与所述第四晶体管串联的二极管。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一晶体管对在电压的源极低于预定阈值时被操作。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述第三晶体管在输入电压的正极高于预定阈值时被操作。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述第四晶体管被操作以增大所述转换器的输出电压。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一次级绕组和所述第二次级绕组并联连接。
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