CN113794366A - 电源转换器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电源转换器，包括开关电路以及控制电路；开关电路连接在电能传输通道上；电能传输通道为电源转换器在输出电能时的电流从电源输入端到电源输出端流经的电路；在需要电源转换器停止输出电能时，电能传输通道断开，控制电路控制开关电路断开，以切断电能传输通道上的同步MOS管的寄生二极管的导通，从而实现不需要给与电源转换器连接用电器件供电时，同时切断电能传输通道和电能传输通道上的同步MOS管的寄生二极管，达到真实关断，避免传统技术中无法真实关断，而造成的电能浪费和损害器件的问题。

Description

电源转换器

技术领域

本申请涉及电源技术领域，特别是涉及电源转换器。

背景技术

电源转换器作为用电设备的重要部件，其性能对用电设备的具有重要影响。传统技术中的电源转换器由电感、电容、控制MOS(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金氧半场效晶体管)管、同步MOS管以及控制电路组成。

但是，该类型的电源转换器在关断时，由于电感与同步MOS管的寄生二极管连接，而导致电源转换器的电源输入端与电源输出端之间存在电流，从而导致电源转换器未实质关断，造成能源损耗，且无法使电源输出端的电压回到0伏的初始状态，因此，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统升压电源转换器无法实现真实关断。

发明内容

基于此，有必要针对传统升压电源转换器无法实现真实关断的问题，提供一种电源转换器。

为了实现上述目的，本申请实施例提供了一种电源转换器，包括开关电路以及控制电路；

开关电路连接在电能传输通道上；电能传输通道为电源转换器在输出电能时的电流从电源输入端到电源输出端流经的电路；

在需要电源转换器停止输出电能时，电能传输通道断开，控制电路控制开关电路断开，以切断电能传输通道上的同步MOS管的寄生二极管的导通。

可选的，开关电路包括开关MOS管；

开关MOS管的源极和衬底均连接同步MOS管的衬底，漏极连接同步MOS管的漏极，栅极连接控制电路；

同步MOS管的寄生二极管寄生在同步MOS管的源极与开关MOS管的源极之间。

可选的，开关MOS管为P型MOS管；

控制电路向开关MOS管输入高电平信号，以控制开关MOS管断开。

可选的，开关MOS管为N型MOS管；

控制电路向开关MOS管输入低电平信号，以控制开关MOS管断开。

可选的，开关电路包括开关三极管；

开关三极管的发射极连接同步MOS管的衬底，集电极连接同步MOS管的漏极，基极连接控制电路；

同步MOS管的寄生二极管寄生在同步MOS管的源极与开关三极管的发射极之间。

可选的，开关三极管为P型三极管；

控制电路向开关三极管输入高电平信号，以控制开关三极管断开。

可选的，开关三极管为N型三极管；

控制电路向开关三极管输入低电平信号，以控制开关三极管断开。

可选的，电源转换器还包括PWM控制驱动器；

PWM控制驱动器连接同步MOS管的栅极；控制电路集成于PWM控制驱动器上。

可选的，电源转换器还包括电感、控制MOS管以及电容；

PWM控制驱动器还连接控制MOS管的栅极；

电感的一端分别连接同步MOS管的源极和控制MOS管的漏极，另一端作为电源输入端；控制MOS管的源极和衬底接地；

同步MOS管的漏极作为电源输出端，且通过电容接地。

可选的，电源转换器还包括PWM控制驱动器、电感、控制MOS管以及电容；

PWM控制驱动器分别连接同步MOS管的栅极和控制MOS管的栅极；

电感的一端分别连接同步MOS管的源极和控制MOS管的漏极，另一端作为电源输入端；控制MOS管的源极和衬底接地；

同步MOS管的漏极作为电源输出端，且通过电容接地。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

本申请电源转换器包括开关电路以及控制电路，其中，将开关电路设置在电能传输通道(电能传输通道是指电源转换器的电源输入端与电源输出端之间的电路)上，在需要电源转换器停止输出电能时，电源转换器断开电能传输通道，控制电路控制开关电路断开，以切断电能传输通道上的同步MOS管的寄生二极管的导通，从而实现不需要给与电源转换器连接用电器件供电时，同时切断电能传输通道和电能传输通道上的同步MOS管的寄生二极管，达到真实关断，避免传统技术中无法真实关断，而造成的电能浪费和损害器件的问题。

附图说明

图1为传统技术中一种升压电源转换器的电路图。

图2为图1所示电路图的切换点波型图。

图3为本申请实施提供的电源转换器的结构示意图。

图4为本申请实施提供的电源转换器的开关电路的一种电路图。

图5为本申请实施提供的电源转换器的开关电路的另一种电路图。

图6为本申请实施提供的电源转换器的控制电路的一种结构示意图。

图7为本申请实施提供的电源转换器的一种控制时序图。

图8为本申请实施提供的电源转换器的电流流向图。

图9为本申请实施提供的电源转换器处于关断状态的结构图。

附图标号说明：

3、电源转换器；31、开关电路；32、控制电路；33、电源传输通道；34、同步MOS管；35、PWM控制驱动器；36、电感；37、控制MOS管；38、电容；311、开关MOS管；313、开关三极管。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，为传统技术中一种升压电源转换器，包括电感11、电容12、控制MOS(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)管13、控制MOS管13的寄生二极管14、同步MOS管15、同步MOS管15的寄生二极管16以及控制电路17。其中，控制电路17包括PWM(Pulse Width Modulation，脉宽调制)和BBW

参阅图2，展示了图1所示的升压电源转换器的切换点(V_x)波型，从图2中t＝0时刻到t＝t1时刻，控制MOS管13导通，切换点(V_x)为低阻抗接地，电压由流经控制MOS管13的电流与其导通阻抗的乘积决定。待控制MOS管13关断，且同步MOS管15尚未导通时，因电感11电流遵循KCL(基尔霍夫电流定律)定律，同步MOS管15的寄生二极管16导通，因此，V_out端的电压等于V_out+V_f(如图2中32段所示)，其中，V_f为同步MOS管15的寄生二极管16两端导通电。其后，在同步MOS管15导通时，电压如图2中33段所示。在同步MOS管15再次关断时，电压如图2中34段所示。待电感11储能消耗完毕，电压极速下降，电压如图2中t＝t1时刻所示。按上述步骤所述，在升压操作情形下，各元器件依图1控制电路17的指令动作而达成升压的目的。

但是，该升压电源转换器在关断的情形下，因为电感11与同步MOS管15的寄生二极管16连接，无可避免电流由图1中的V_batt流向V_out，从而导致升压电源转换器未实质关断，造成V_batt的能源损耗。该升压电源转换器在关断情形下，也无法使V_out电压回到0伏的初始状态，使得升压电源转换器无法实现真实关断。

为了解决上述问题，如图3所示，提供了一种电源转换器3，包括开关电路31以及控制电路32。

在实际使用过程中，电源转换器3的电源输出端连接用电器件，电源转换器3的电源输入端连接电压源或电流源。在电源转换器3通过电源输出端给用电器件供电时(即输出电能)，电流从电源输入端流向电源输出端，该电流从电源输入端(如图3所示的V_batt)到电源输出端(如图3所示的V_out)流经的电路即为电源转换器3的电能传输通道。

将开关电路31连接在电能传输通道上，用于切断电能传输通道中同步MOS管34的寄生二极管的导通。其中，同步MOS管34的寄生二极管是由生产工艺造成的，MOS管漏极从硅片底部引出而形成同步MOS管34的寄生二极管。同步MOS管34作为开关元器件，其接收电平信号控制而实现电能传输通道断开或导通。例如，同步MOS管34为P型MOS管时，当电平信号为高电平信号时，同步MOS管34断开，当电平信号为低电平信号时，同步MOS管34导通。同步MOS管34为N型MOS管时，当电平信号为低电平信号时，同步MOS管34断开，当电平信号为高电平信号时，同步MOS管34导通。具体的，该电平信号由同步MOS管34的栅极输入。为了实现对同步MOS管34的控制，如图3所示，在一个示例中，电源转换器3还包括PWM控制驱动器35；PWM控制驱动器35连接同步MOS管34的栅极。可以理解的是，PWM控制驱动器35向同步MOS管34对应输入电平信号。

在输出电能过程中，电能传输通道导通，控制电路32控制开关电路31导通，以导通电能传输通道中的同步MOS管34的寄生二极管。在需要电源转换器3停止输出电能(即不需要向用电器件供电)时，电能传输通道断开，控制电路32控制开关电路31断开，以切断电能传输通道中的同步MOS管34的寄生二极管的导通。需要说明的是，导通电能传输通道中的同步MOS管34的寄生二极管，是指将同步MOS管34的寄生二极管连入电能传输通道。切断电能传输通道中的同步MOS管34的寄生二极管的导通，是指将同步MOS管34的寄生二极管与电能传输通道断开。

开关电路31的实现方式并不限定，可实现本申请所需的开关电路31功能即可，以下提供两种可行的方式：

如图4所示，在一个示例中，开关电路31包括开关MOS管311；开关MOS管311的源极和衬底均连接同步MOS管34的衬底，漏极连接同步MOS管34的漏极，栅极连接控制电路32；同步MOS管34的寄生二极管寄生在同步MOS管34的源极与开关MOS管311的源极之间。

需要说明的是，当开关MOS管311为P型MOS管时，控制电路32向开关MOS管311输入高电平信号，以控制开关MOS管311断开，控制电路32向开关MOS管311输入低电平信号，以控制开关MOS管311导通。当开关MOS管311为N型MOS管时，控制电路32向开关MOS管311输入低电平信号，以控制开关MOS管311断开，控制电路32向开关MOS管311输入高电平信号，以控制开关MOS管311导通。

如图5所示，在另一个示例中，开关电路31包括开关三极管313；开关三极管313的发射极连接同步MOS管34的衬底，集电极连接同步MOS管34的漏极，基极连接控制电路32；同步MOS管34的寄生二极管寄生在同步MOS管34的源极与开关三极管313的发射极之间。

需要说明的是，当开关三极管313为P型三极管时，控制电路32向开关三极管313输入高电平信号，以控制开关三极管313断开，控制电路32向开关三极管313输入低电平信号，以控制开关三极管313导通。当开关三极管313为N型三极管时，控制电路32向开关三极管313输入低电平信号，以控制开关三极管313断开，控制电路32向开关三极管313输入高电平信号，以控制开关三极管313导通。

控制电路32用于向开关电路31发送控制信号，以控制开关电路31的断开与导通，例如，控制电路32可为单片机、信号发生器等。在一个示例中，控制电路32可检测与电源转换器3连接的用电器件是否需要用电，在检测到用电器件需要用电时(即需要电源转换器3输出电能)，控制电路32控制开关电路31导通。在检测到用电器件不需要用电时(即需要电源转换器3输出电能)，控制电路32控制开关电路31断开。在另一个示例中，可由一外部检测电路来检测与电源转换器3连接的用电器件是否需要用电，该外部检测电路在检测到用电器件需要用电时，该外部检测电路通知控制电路32，以使控制电路32控制开关电路31导通。该外部检测电路在检测到用电器件不需要用电时，该外部检测电路通知控制电路32，以使控制电路32控制开关电路31断开。例如，该外部检测电路可为PWM控制驱动器35。

在一个示例中，如图6所示，控制电路32与PWM控制驱动器35为同一个器件，即控制电路32集成于PWM控制驱动器35上。具体的，电源转换器3还包括PWM控制驱动器35；PWM控制驱动器35连接同步MOS管34的栅极；控制电路32集成于PWM控制驱动器35上。需要说明的是，将控制电路32集成到PWM控制驱动器35上，可节省器件的使用，降低成本。该示例中，在需要电源转换输出电能时，PWM控制驱动器35控制同步MOS管34导通以导通电源转换器3的电能传输通道，控制电路32控制开关电路31导通以导通步MOS管的同步MOS管34的寄生二极管，从而实现电源转换器3向与其连接的用电器件供电。在不需要电源转换输出电能时，PWM控制驱动器35控制同步MOS管34断开以断开电源转换器3的电能传输通道，控制电路32控制开关电路31以切断步MOS管的同步MOS管34的寄生二极管的导通，从而实现电源转换器3停止向与其连接的用电器件供电。

在该实例中，电源转换器3还包括电感36、控制MOS管37以及电容38；PWM控制驱动器35还连接控制MOS管37的栅极；电感36的一端分别连接同步MOS管34的源极和控制MOS管37的漏极，另一端作为电源输入端；控制MOS管37的源极和衬底接地；同步MOS管34的漏极作为电源输出端，且通过电容38接地。

需要说明的是，电感36用于连接电压源或电流源，作为储能器件。在电感36充电过程中，PWM控制驱动器35控制控制MOS管37导通，控制同步MOS管34断开，控制电路32控制开关电路31导通，以为电感36充电。在需要电源转换器3输出电能时，PWM控制驱动器35控制控制MOS管37断开，控制同步MOS管34导通，控制电路32控制开关电路31导通，以输出电能。在不需要电源转换器3输出电能时，PWM控制驱动器35控制控制MOS管37断开，控制同步MOS管34断开，控制电路32控制开关电路31断开，以停止输出电能。

在另一个示例中，如图3所示，控制电路32和PWM控制驱动器35为相互独立的器件。具体的，电源转换器3还包括PWM控制驱动器35、电感36、控制MOS管37以及电容38；PWM控制驱动器35分别连接同步MOS管34的栅极和控制MOS管37的栅极；电感36的一端分别连接同步MOS管34的源极和控制MOS管37的漏极，另一端作为电源输入端；控制MOS管37的源极和衬底接地；同步MOS管34的漏极作为电源输出端，且通过电容38接地。

需要说明的是，控制电路32和PWM控制驱动器35为连个器件，控制电路32和PWM控制驱动器35可以连接，也可以不连接。当控制电路32和PWM控制驱动器35连接时，可实现由PWM控制驱动器35检测用电设备是否需要用电，并由PWM控制驱动器35通知控制电路32。当控制电路32和PWM控制驱动器35不连接时，控制电路32需要自主检测用电设备是否需要用电，或者有一外部检测电路来检测。

为了便于更加理解本申请电源转换器3的工作原理，以下以一具体实施例进行说明：

如图4所示，电源转换器3包括开关电路31、控制电路32、PWM控制驱动器35、电感36、同步MOS管34、控制MOS管37以及电容38。同步MOS管34为P型MOS管。控制MOS管37为N型MOS管。

开关电路31包括开关MOS管311，控制电路32连接开关MOS管311的栅极，开关MOS管311为P型MOS管。

PWM控制驱动器35分别连接同步MOS管34的栅极和控制MOS管37的栅极。

电感36的一端分别连接同步MOS管34的源极和控制MOS管37的漏极，另一端作为电源输入端，控制MOS管37的源极和衬底接地。

同步MOS管34的漏极作为电源输出端，且通过电容38接地。

同步MOS管34的寄生二极管寄生在同步MOS管34的源极与开关MOS管311的源极之间。

其中，电源输入端与电源输出端之间的电感36和同步MOS管34构成电源转换器3的电能传输通道。

按如图7所示的时序图对该示例中的电源转换器3进行控制，图7中包括同步MOS管34的驱动信号，控制MOS管37的驱动信号以及开关MOS管311的使能信号。在电源转换器3正常充电放电过程中，同步MOS管34和控制MOS管37由两个相同的驱动信号控制，此时，开关MOS管311的使能信号为低电平信号。具体的，在充电过程中，同步MOS管34和控制MOS管37的驱动信号为高电平信号，同步MOS管34断开，控制MOS管37导通。在放电过程中，同步MOS管34和控制MOS管37的驱动信号为低电平信号，同步MOS管34导通，控制MOS管37断开。在需要关断电源转换器3时，同步MOS管34的驱动信号为高电平信号，控制MOS管37的驱动信号为低电平信号，开关MOS管311的使能信号为高电平信号，实现断开同步MOS管34、控制MOS管37和开关MOS管311，电源转换器3停止向与其连接的用电器件输出电能。

如图8所示的为该示例中电源转换器3的电流流向。在电源转换器3正常充电放电过程中，开关MOS管311导通，同步MOS管34根据其对应的驱动信号在导通和断开之间切换，控制MOS管37同样根据其对应的驱动信号在导通和断开之间切换，因此，此过程中，电源转换器3中有三条电流流经途径。具体的，第一电流途径：电流依次流经电源输入端、电感36、同步MOS管34的寄生二极管、开关MOS管311、电源输出端；第二电流途径：在驱动信号为高电压时，同步MOS管34断开，控制MOS管37导通，电流依次流经电源输入端、电感36、控制MOS管37；第三电流途径：在驱动信号为低电压时，同步MOS管34导通，控制MOS管37断开，电流依次流经电源输入端、电感36、同步MOS管34、电源输出端。本申请电源转换器3提供第一电流途径，而如图1所示的传统升压电源转换器3并无此电流途径。

如图9所示的为该示例中电源转换器3的关断模式。在关断模式下，同步MOS管34的驱动信号为高电平信号，控制MOS管37的驱动信号为低电平信号，开关MOS管311的使能信号为高电平信号，实现断开同步MOS管34、控制MOS管37和开关MOS管311。关断之后电源转换器3中的三路电流途径均不存在，实现真正关断。

本申请电源转换器3包括开关电路31以及控制电路32，其中，将开关电路31设置在电能传输通道(电能传输通道是指电源转换器3的电源输入端与电源输出端之间的电路)上，在需要电源转换器3停止输出电能时，电源转换器3断开电能传输通道，控制电路32控制开关电路31断开，以切断电能传输通道上的同步MOS管34的寄生二极管的导通，从而实现不需要给与电源转换器3连接用电器件供电时，同时切断电能传输通道和电能传输通道上的同步MOS管34的寄生二极管，达到真实关断，避免传统技术中无法真实关断，而造成的电能浪费和损害器件的问题。且本申请电源转换器3仅适用一颗MOS管解决传统技术中的问题，成本低。同时，由于开关MOS管311在电源转换器3充放电过程中处于导通状态，可以分担电路，继而可以避免如图2所示的切换点(V_x)波型的32段中电压过高而造成控制MOS管37损害的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电源转换器，其特征在于，包括开关电路以及控制电路；

所述开关电路连接在电能传输通道上；所述电能传输通道为所述电源转换器在输出电能时的电流从电源输入端到电源输出端流经的电路；

在需要所述电源转换器停止输出电能时，所述电能传输通道断开，所述控制电路控制所述开关电路断开，以切断所述电能传输通道上的同步MOS管的寄生二极管的导通。

2.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述开关电路包括开关MOS管；

所述开关MOS管的源极和衬底均连接所述同步MOS管的衬底，漏极连接所述同步MOS管的漏极，栅极连接所述控制电路；

所述同步MOS管的寄生二极管寄生在所述同步MOS管的源极与所述开关MOS管的源极之间。

3.根据权利要求2所述的电源转换器，其特征在于，所述开关MOS管为P型MOS管；

所述控制电路向所述开关MOS管输入高电平信号，以控制所述开关MOS管断开。

4.根据权利要求2所述的电源转换器，其特征在于，所述开关MOS管为N型MOS管；

所述控制电路向所述开关MOS管输入低电平信号，以控制所述开关MOS管断开。

5.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述开关电路包括开关三极管；

所述开关三极管的发射极连接所述同步MOS管的衬底，集电极连接所述同步MOS管的漏极，基极连接所述控制电路；

所述同步MOS管的寄生二极管寄生在所述同步MOS管的源极与所述开关三极管的发射极之间。

6.根据权利要求5所述的电源转换器，其特征在于，所述开关三极管为P型三极管；

所述控制电路向所述开关三极管输入高电平信号，以控制所述开关三极管断开。

7.根据权利要求5所述的电源转换器，其特征在于，所述开关三极管为N型三极管；

所述控制电路向所述开关三极管输入低电平信号，以控制所述开关三极管断开。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的电源转换器，其特征在于，所述电源转换器还包括PWM控制驱动器；

所述PWM控制驱动器连接所述同步MOS管的栅极；所述控制电路集成于所述PWM控制驱动器上。

9.根据权利要求8所述的电源转换器，其特征在于，所述电源转换器还包括电感、控制MOS管以及电容；

所述PWM控制驱动器还连接所述控制MOS管的栅极；

所述电感的一端分别连接所述同步MOS管的源极和所述控制MOS管的漏极，另一端作为所述电源输入端；所述控制MOS管的源极和衬底接地；

所述同步MOS管的漏极作为所述电源输出端，且通过所述电容接地。

10.根据权利要求1至7任意一项所述的电源转换器，其特征在于，所述电源转换器还包括PWM控制驱动器、电感、控制MOS管以及电容；

所述PWM控制驱动器分别连接所述同步MOS管的栅极和所述控制MOS管的栅极；

所述电感的一端分别连接所述同步MOS管的源极和所述控制MOS管的漏极，另一端作为所述电源输入端；所述控制MOS管的源极和衬底接地；

所述同步MOS管的漏极作为所述电源输出端，且通过所述电容接地。

Images