CN1141777C - 一种直流/直流变换方法及其变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流/直流变换方法及其变换器。传统的直流/直流变换器采用提高开关器件的占空比来克服维持问题。因此，开关器件正常工作时的占空比较低。本发明提供的直流/直流变换方法包括：在进行直流/直流变换的同时，进行检测和调整匝比，其步骤包括：检测是否出现输入电源掉电；当检测到出现输入电源掉电，则改变变压器的匝比，提高变压器的输出电压。由于不再通过提高占空比来克服维持问题，因此，可以提高开关器件的正常工作占空比，从而提高变换效率。

Description

一种直流/直流变换方法及其变换器

本发明涉及一种使用诸如MOSFET和IGBT等功率开关器件的直流/直流变换方法及其变换器，尤其涉及一种用于服务器电源的带隔离变压器的直流/直流变换方法及其变换器。

传统的直流/直流变换器的拓扑结构包括有：全桥拓扑式、单端正激式、单端反激式、不对称半桥等。

图1示出了本发明涉及的这类直流/直流变换器中采用全桥拓扑的直流/直流变换器的结构图，其中功率开关器件选用MOSFET。

如图1所示，这类直流变换器一般包括直流电源Ud(也可以由交流电源整流获得)、滤波储能电容器C1、开关器件组Q1-Q4、变压器T1、整流二极管D2和D3以及包括电容器C3和电感器L2的LC滤波电路。直流电源Ud(也可以由交流电源整流获得)向滤波储能电容器C1充电，利用开关器件组Q1-Q4的轮流导通和关断，将输入电压的电能转换成高频交流电。然后，由变压器T1再将高频交流电变压，并传递到变压器T1的副边N2、N2’，并由整流二极管D2和D3整流，最终经LC滤波电路输出直流电压。

在正常工作时，开关器件组Q1-Q4的最大占空比较低(如70％)。占空比取得较低是为了满足服务器电源的维持(Hold-up)时间。当输入电源掉电时，会造成滤波储能电容器C1上电压下降。但服务器要求电源在输入电源掉电后仍能维持20ms的额定输出。该变换器是通过在Hold-up时间内提高占空比(例如从正常工作的70％提供高到90％)，来实现额定输出。由于变换器在正常工作时占空比较低，所以变换器的整体效率就无法提高。而且，这种变换器需要较大的滤波储能电容器C1，这最终导致了变换器体积增大和价格升高的问题。另外，由于占空比较低，变压器T1的副边电压也必须相应升高，从而导致整流二极管D2和D3的应力增大。

其它拓扑结构的直流/直流变换器也存在相同的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种新的直流/直流变换方法，这种变换方法可以有效地提高变换效率。

本发明的另一个目的在于提供一种新的直流/直流变换器，这种变换器可以有效地提高变换效率。

因此，为实现上述目的，本发明提供的直流/直流变换方法，包括下列步骤：

向滤波储能电容器充电；

开关器件交替导通和关断，将所述滤波储能电容器上的直流电流转换为高频交流电流；

变压器将所述高频交流电流进行变压；

整流电路对所述变压器输出的交流电流进行整流，并通过LC滤波电路滤波得到直流输出；

本发明的特征是，还包括在进行上述变换的同时，进行检测和调整所述变压器匝比步骤，所述检测和调整匝比步骤包括：

检测是否出现输入电源掉电；

当检测到出现输入电源掉电，则改变所述变压器的匝比，改变所述变压器的输出电压。

根据本发明的另一个目的，本发明还提供一种直流/直流变换器，包括：

直流电源(也可以由交流电源整流获得)，提供直流电；

滤波储能电容器，与所述直流电源相连，由直流电源向其充电；

开关器件组，与所述滤波储能电容器相连，所述开关器件交替地导通和关断，将直流电转换成高频交流电；

变压器，与所述开关器件组相连，所述变压器包括一组抽头的副边，对所述开关器件输出的所述高频交流电进行变压；

两个整流二极管，分别与所述变压器的副边的两个端头相连，并且，其输出端相连接，所述两个整流二极管对所述变压器输出的交流电进行整流，输出直流电；

包括电感器和电容器的LC滤波电路，其电感器与所述整流二极管相连，其电容器与所述变压器的副边的抽头相连，所述LC滤波电路用于对所述整流二极管输出的直流电进行滤波；

本发明的特征是，至少在所述变压器的副边两端之一端上增加一组第二副边和与增加的第二副边相连的第二整流二极管，所述第二整流二极管的输出端通过一个变匝开关器件连接到所述LC滤波电路的所述电感器上，在正常工作时，所述变匝开关器件关断；所述直流/直流变换器还包括一个变匝控制电路，用于控制所述变匝开关器件的导通和关断，当出现输入电源掉电时，控制所述变匝开关器件导通。

根据本发明的另一方面，本发明提供的直流/直流变换器，包括：

直流电源(也可以由交流电源整流获得)，提供直流电；

滤波储能电容器，与所述直流电源相连，由直流电源向其充电；

开关器件，与所述滤波储能电容器相连，所述开关器件导通和关断，将直流电转换成高频交流电；

变压器，与所述开关器件相连，对所述开关器件输出的所述高频交流电进行变压；

整流二极管，与所述变压器的副边的第一端头相连，对所述变压器输出的交流电进行整流，输出直流电；和

包括电感器和电容器的LC滤波电路，其电感器与所述整流二极管相连，其电容器与所述变压器副边的第二端头相连，所述LC滤波电路用子对所述整流二极管输出的直流电进行滤波；

本发明的特征是，在所述变压器副边的第一端上串接一组第二副边和与增加的第二副边相连的第二整流二极管，所述第二整流二极管的输出端通过一个变匝开关器件连接到所述LC滤波电路的所述电感器上，在正常工作时，所述变匝开关器件关断；所述直流/直流变换器还包括一个变匝控制电路，用于控制所述变匝开关器件的导通和关断，当出现输入电源掉电时，控制所述变匝开关器件导通。

根据本发明的再一个方面，本发明提供的直流/直流变换器，包括：

直流电源(也可以由交流电源整流获得)，提供直流电；

滤波储能电容器，与所述直流电源相连，由直流电源向其充电；

开关器件，与所述滤波储能电容器相连，所述开关器件导通和关断，将直流电转换成高频交流电；

变压器，其原边的一端与所述开关器件相连，对所述开关器件输出的所述高频交流电进行变压；

整流二极管，与所述变压器的副边相连，对所述变压器输出的交流电进行整流，输出直流电；

包括电感器和电容器的LC滤波电路，与所述整流二极管相连，用于对所述整流二极管输出的直流电进行滤波；

本发明的特征是，在所述变压器原边上设置一个抽头，所述原边的抽连接一个第二开关器件，所述第二开关器件的另一端与所述滤波储能电容器相连：所述直流/直流变换器还包括一个变匝控制电路，用于控制所述开关器件和第二开关器件的工作，在正常工作时，所述变匝控制电路使所述开关器件工作，使所述第二开关器件不工作，当出现输入电源掉电时，控制所述开关器件不工作，而使所述第二开关器件工作。

如上所述，由于本发明通过改变变压器的匝比来解决hold-up问题，即，当输入电源掉电时，通过改变变压器的匝比来提高变压器的输出电压，从而使直流/直流变换器在输入电源掉电后，仍能维持20ms的额定输出，而不是通过提高开关器件的占空比来解决hold-up问题，因此，可以将开关器件的正常工作占空比设置的较高，从而提高整个变换器的工作效率。

通过下面结合附图对本发明所作的详细描述，可以更全面地理解和了解本发明的上述和其它目的、特征以及优点。附图中，

图1是已有技术的全桥拓扑式的直流/直流变换器的电路图；

图2a是根据本发明的全桥拓扑式直流/直流变换器的实施例的电路图；

图2b是根据本发明的全桥拓扑式直流/直流变换器的另一实施例的电路图；

图3a是根据本发明的不对称半桥拓扑式直流/直流变换器的实施例的电路图；

图3b是根据本发明的不对称半桥拓扑式直流/直流变换器的另一实施例的电路图；

图4a是根据本发明的单端反激式直流/直流变换器的实施例的电路图；

图4b是根据本发明的单端反激式直流/直流变换器的另一实施例的电路图；

图5a是根据本发明的单端正激式直流/直流变换器的实施例的电路图；

图5b是根据本发明的单端正激式直流/直流变换器的另一实施例的电路图；

图6是上述各变压器的等效绕法。

先描述本发明的直流/直流变换方法。

图1所示的传统的直流/直流变换器中所使用的变换方法的步骤如下：

向滤波储能电容器C1充电；

开关器件Q1-Q4交替导通和关断，将滤波储能电容器C1上的直流电流转换为高频交流电流；

变压器T1对高频交流电流进行变压；

由整流二极管D1和D2组成的整流电路对变压器T1输出的交流电流进行整流，并通过由电感器L2和电容器C3组成的LC滤波电路滤波得到直流输出。

本发明的变换方法是在该基础上增加一个检测和调整匝比步骤，该检测和调整匝比步骤与上述变换步骤同时进行，包括：

检测是否出现输入电源掉电；

当检测到出现输入电源掉电，则改变变压器T1的匝比，提高变压器T1的输出电压。

检测是否出现输入电源掉电可以通过检测滤波储能电容器C1上电压的下降得到输入电源掉电信号；也可以检测变压器T1的副边N2和N2’上电压的下降得到输入电源掉电信号。

改变变压器的匝比的方法有两种，其一是增加变压器T1的副边的匝数来改变变压器的匝比，提高变压器T1的输出电压；其二是减少变压器T1的原边的匝数来改变变压器的匝比，提高变压器T1的输出电压。

由于本发明的方法通过改变变压器的匝比来提高变压器的输出电压，从而使直流/直流变换器在输入电源掉电后，仍能维持20ms的额定输出，而不是通过提高开关器件的占空比来解决hold-up问题，因此，可以提高开关器件的正常工作占空比，从而提高整个变换器的工作效率。

下面结合图2描述本发明的全桥拓扑式直流/直流变换器的电路结构及其工作原理。

图2所示的实施例是以图1所示的传统直流/直流变换器为基础进行的改进。如图2所示，与图1的直流/直流变换器不同之处是变压器T2，并增加了一个变匝开关器件Q5和变匝控制电路TC。该变压器T2的副边具有两组副边，第一组副边为抽头的副边，形成两个绕组N22和N22’，第一组副边的抽头与LC滤波电路的电容器C3相连，第一组副边的两个端头分别与整流二极管D2和D3相连。第二组副边也包括两个绕组N23和N23’，分别连接到第一组副边的两个绕组N22和N22’上，即，第二组副边的绕组N23连接到第一组副边的绕组N22上，第二组副边的绕组N23连接到第一组副边的绕组N22’上。第二组副边N23、N23’实际起到改变变压器T2的副边匝数的作用，因此，也称为变匝副边。变匝副边的两个绕组N23、N23’分别连接一个第二整流二极管D1和D4，然后这两个第二整流二极管D1和D4的输出端相连后连接到变匝开关器件Q5上。该变匝开关器件再连接到LC滤波电路的电感器L2上。由于这种变压器T2增加了变匝副边，属于一种匝比可变的变压器。

变匝开关器件Q5可以采用MOSFET或IGBT等功率开关器件，它受到变匝控制电路TC的控制导通或关断。变匝控制电路TC检测输入电源掉电情况。在正常工作时，即没有出现输入电源掉电，变匝开关器件Q5关断。此时，变压器T2的匝比为N21/N22和N21/N22’。当出现输入电源掉电时，滤波储能电容器C1上的电压开始下降。下降到临界值时，变压器T2的原匝比将不能维持额定输出。变匝控制电路检测到该掉电情况，即输出变匝信号给变匝开关器件Q5，控制变匝开关器件Q5由关断变为导通。此时，变压器T2的匝比减小为N21/(N22+N23)和N21/(N22’+N23’)，变压器的副边电压得以抬升。这样，在Hold-up时间内，变换器可以维持额定输出。

如上所述，由于本发明的变换装置通过改变变压器的匝比来提高变压器的输出电压，从而使直流/直流变换器在输入电源掉电后，仍能维持20ms的额定输出，而不是通过提高开关器件的占空比来解决hold-up问题，因此，可以将开关器件的正常工作占空比设置的较高，从而提高整个变换器的工作效率。

在本实施例中，变匝控制电路TC可以通过检测滤波储能电容器C1上电压的下降得到输入电源掉电信号。也可以通过检测变压器的副边上电压的下降得到输入电源掉电信号。图2a中没有示出变匝控制电路TC与滤波储能电容器C1的连接以及变匝控制电路TC与变压器副边的连接。

图2b是全桥拓扑式直流/直流变换器的另一个实施例，图2b的实施例的电路结构与图2a的实施例的电路结构的差异在于，变压器T3的变匝副边只有一个绕组N33，该绕组N33与第一副边的一个绕组N32相连接，第一副边的另一个绕组N32’上没有连接变匝副边绕组。其工作原理基本上与图2a相同，因此，在此不再重复。

图3示出了本发明的半桥(可以工作在不对称状态)拓扑式直流/直流变换器的电路结构。图3a和图3b中的匝比可变变压器T2和T3的结构与图2a和图2b中的相同。图3所示的半桥(可以工作在不对称状态)拓扑式直流/直流变换器也包括有匝比控制电路TC(图3中未示出)。图3与图2的区别仅在于，采用了半桥(可以工作在不对称状态)拓扑结构，即，开关器件组只包括两个开关器件Q1和Q2，组成半桥结构。其变匝的原理与图2相同，不再重复。

在图2和图3的实施例中，都是通过增加变压器副边的匝数来改变变压器的匝比的，以提高变压器T1的输出电路。

图4示出了本发明的单端反激式直流/直流变换器的电路结构。如图4a所示，单端反激式直流/直流变换器只需要一个开关器件Q6即可。该开关器件Q6以较高的频率导通和关断，从而将直流电流转换为高频交流电流。图4a中的匝比可变变压器T4的副边包括有第一副边N42和第二副边N43。第一副边N42和第二副边N43串接。第二副边N43通过第二整流二极管D1连接到一个变匝开关器件Q5上，然后再连接到滤波电容器C2上。

变匝开关器件Q5可以采用MOSFET或IGBT等功率开关器件，它受到变匝控制电路(图中未示出)的控制导通或关断。变匝控制电路检测输入电源掉电情况。在正常工作时，即没有出现输入电源掉电，变匝开关器件Q5关断。此时，变压器T4的匝比为N41/N42。当出现输入电源掉电时，滤波储能电容器C1上的电压开始下降。下降到临界值时，变压器T4的原匝比将不能维持额定输出。变匝控制电路检测到该掉电情况，即输出变匝信号给变匝开关器件Q5，控制变匝开关器件Q5由关断变为导通。此时，变压器T4的匝比减小为N41/(N42+N43)，变压器的副边电压得以抬升。这样，在Hold-up时间内，变换器可以维持额定输出。

如上所述，由于本发明的变换装置通过改变变压器的匝比来提高变压器的输出电压，从而使直流/直流变换器在输入电源掉电后，仍能维持20ms的额定输出，而不是通过提高开关器件的占空比来解决hold-up问题，因此，可以将开关器件的正常工作占空比设置的较高，从而提高整个变换器的工作效率。

在本实施例中，变匝控制电路可以通过检测滤波储能电容器C1上电压的下降得到输入电源掉电信号。也可以通过检测变压器的副边上电压的下降得到输入电源掉电信号。

图4b示出了单端反激式直流/直流变换器的另一个实施例的电路结构。在图4a的单端反激式直流/直流变换器的实施例中，改变变压器的匝比采用了调整变压器副边的手段。在图4b所示的实施例则采用改变变压器的原边来改变变压器的匝比，以提高变压器的输出电压。

如图4b所示，变压器T5的原边具有一个抽头，形成两个绕组N51和N52。绕组N52的一端和抽头分别连接第一开关器件Q7和第二开关器件Q8。图4b所示的直流/直流变换器还包括一个变匝控制电路TCX。该变匝控制电路TCX用于控制第一和第二开关器件Q7和Q8在不同的情况下分别工作。变匝控制电路TCX检测输入电源掉电情况。在正常工作时，即没有出现输入电源掉电，第二开关器件Q8始终保持关断，不工作，而使第一开关器件Q7工作，以较高频率导通和关断，产生高频交流电。此时，变压器T5的匝比为(N51+N52)/N53。当出现输入电源掉电时，滤波储能电容器C1上的电压开始下降。下降到临界值时，变压器T5的原匝比将不能维持额定输出。变匝控制电路TCX检测到该掉电情况后，即控制信号给第一和第二开关器件Q7和Q8，使第一开关器件Q7保持关断，而使第二开关器件Q8工作，以较高频率导通和关断，产生高频交流电。此时，变压器T5的匝比减小为N51/N53，变压器T5的副边电压得以抬升。这样，在Hold-up时间内，变换器可以维持额定输出。

如上所述，由于本发明的变换装置通过改变变压器的匝比来提高变压器的输出电压，从而使直流/直流变换器在输入电源掉电后，仍能维持20ms的额定输出，而不是通过提高开关器件的占空比来解决hold-up问题，因此，可以将开关器件Q7和Q8的正常工作占空比设置的较高，从而提高整个变换器的工作效率。

在本实施例中，变匝控制电路TCX可以通过检测滤波储能电容器C1上电压的下降得到输入电源掉电信号。也可以通过检测变压器的副边上电压的下降得到输入电源掉电信号。图4b中没有示出变匝控制电路TCX与滤波储能电容器C1的连接以及变匝控制电路TC与变压器副边的连接。

图5示出了本发明的单端正激式直流/直流变换器的电路结构。图5所示的正激式直流/直流变换器的电路结构与图4所示的反激式直流/直流变换器的差异仅在于反激式直流/直流变换器中的变压器T4、T5的原边和副边反相绕制，而图5所示的正激式直流/直流变换器中的变压器T6、T7的原边N61、N71、N72与副边N62、N63和N73同相绕制。其它电路结构与工作原理基本相同，在此不再重复。

上面以具体地详细描述本发明的各个较佳实施例，但是应当理解，上述这些并不是对本发明的范围的限制。例如，图2至图5中的变压器的绕法也可以如图6所示的各种形式。对于本技术领域的一般人员来说，可以在不脱离本发明的精神的情况下，作出种种变化。因此，本发明的范围应由所附权利要求书来决定。

Claims (13)

1、一种直流/直流变换方法，包括下列步骤：

向滤波储能电容器充电；

开关器件高频交替导通和关断，将所述滤波储能电容器上的直流电流转换为高频交流电流；

变压器将所述高频交流电流进行变压；

整流电路对所述变压器输出的交流电流进行整流，并通过LC滤波电路滤波得到直流输出；

其特征在于，还包括在进行上述变换的同时，进行检测和调整所述变压器匝比步骤，所述检测和调整匝比步骤包括：

检测是否出现输入电源掉电；

当检测到出现输入电源掉电，则改变所述变压器的匝比，提高所述变压器的输出电压。

2、如权利要求1所述的直流/直流变换方法，其特征在于，通过检测所述滤波储能电容器上电压的下降得到输入电源掉电信号。

3、如权利要求1所述的直流/直流变换方法，其特征在于，通过检测所述变压器的副边上电压的下降得到输入电源掉电信号。

4、如权利要求1所述的直流/直流变换方法，其特征在于，通过增加所述变压器的副边的匝数来改变变压器的匝比，提高所述变压器的输出电压。

5、如权利要求1所述的直流/直流变换方法，其特征在于，通过减少所述变压器的原边的匝数来改变变压器的匝比，提高所述变压器的输出电压。

6、一种直流/直流变换器，包括：

直流电源，提供直流电；

滤波储能电容器，与所述直流电源相连，由直流电源向其充电；

开关器件组，与所述滤波储能电容器相连，所述开关器件交替地导通和关断，将直流电转换成高频交流电；

变压器，与所述开关器件组相连，所述变压器包括一组抽头的副边，对所述开关器件输出的所述高频交流电进行变压；

两个整流二极管，分别与所述变压器的副边的两个端头相连，并且，其输出端相连接，所述两个整流二极管对所述变压器输出的交流电进行整流，输出直流电；和

包括电感器和电容器的LC滤波电路，其电感器与所述整流二极管相连，其电容器与所述变压器的副边的抽头相连，所述LC滤波电路用于对所述整流二极管输出的直流电进行滤波；

其特征在于，至少在所述变压器的副边两端之一端上增加一组变匝副边和与增加的变匝副边相连的第二整流二极管，所述第二整流二极管的输出端通过一个变匝开关器件连接到所述LC滤波电路的所述电感器上，在正常工作时，所述变匝开关器件关断；所述直流/直流变换器还包括一个变匝控制电路，用于控制所述变匝开关器件的导通和关断，当出现输入电源掉电时，控制所述变匝开关器件导通。

7、如权利要求6所述的直流/直流变换器，其特征在于，在所述变压器的副边两端上各增加一组第二副边和与增加的第二副边相连的第二整流二极管，所述两个第二整流二极管的输出端相连，通过一个变匝开关器件连接到所述LC滤波电路的所述电感器上。

8、如权利要求6或7所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制电路与所述滤波储能电容器相连，通过检测所述滤波储能电容器上电压的下降得到输入电源掉电信号。

9、如权利要求6或7所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制电路与所述变压器的副边相连，通过检测所述变压器的副边上电压的下降得到输入电源掉电信号。

10、一种直流/直流变换器，包括：

直流电源，提供直流电；

滤波储能电容器，与所述直流电源相连，由直流电源向其充电；

开关器件，与所述滤波储能电容器相连，所述开关器件高频导通和关断，将直流电转换成高频交流电；

变压器，与所述开关器件相连，对所述开关器件输出的所述高频交流电进行变压；

整流二极管，与所述变压器的第一副边的第一端头相连，对所述变压器输出的交流电进行整流，输出直流电；和

包括电感器和电容器的LC滤波电路，其电感器与所述整流二极管相连，其电容器与所述变压器第一副边的第二端头相连，所述LC滤波电路用于对所述整流二极管输出的直流电进行滤波；

其特征在于，在所述变压器第一副边的第一端上串接一第二副边和与增加的第二副边相连的第二整流二极管，所述第二整流二极管的输出端通过一个变匝开关器件连接到所述LC滤波电路的所述电感器上，在正常工作时，所述变匝开关器件关断；所述直流/直流变换器还包括一个变匝控制电路，用于控制所述变匝开关器件的导通和关断，当出现输入电源掉电时，控制所述变匝开关器件导通。

11、如权利要求10所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制电路与所述滤波储能电容器相连，通过检测所述滤波储能电容器上电压的下降得到输入电源掉电信号。

12、一种直流/直流变换器，包括：

直流电源，提供直流电；

滤波储能电容器，与所述直流电源相连，由直流电源向其充电；

第一开关器件，与所述滤波储能电容器相连，所述第一开关器件高频导通和关断，将直流电转换成高频交流电；

变压器，其原边的一端与所述第一开关器件相连，对所述开关器件输出的所述高频交流电进行变压；

整流二极管，与所述变压器的副边相连，对所述变压器输出的交流电进行整流，输出直流电；和

包括电感器和电容器的LC滤波电路，与所述整流二极管相连，用于对所述整流二极管输出的直流电进行滤波；

其特征在于，在所述变压器原边上设置一个抽头，所述原边的抽头连接一个第二开关器件，所述第二开关器件的另一端与所述滤波储能电容器相连；所述直流/直流变换器还包括一个变匝控制电路，用于控制所述第一开关器件和第二开关器件的工作，在正常工作时，所述变匝控制电路使所述第一开关器件工作，使所述第二开关器件不工作，当出现输入电源掉电时，控制所述开关器件不工作，而使所述第二开关器件工作。

13、如权利要求12所述的直流/直流变换器，其特征在于，所述控制电路与所述滤波储能电容器相连，通过检测所述滤波储能电容器上电压的下降得到输入电源掉电信号。

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