CN116961414A - 升压转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种升压转换器。升压转换器包括升压电感器、阻挡二极管、功率开关、输出二极管、输出电容器以及第一辅助路径。升压电感器的第一端接收经整流电压信号。阻挡二极管的阳极耦接于升压电感器的第二端。功率开关耦接于阻挡二极管的阴极与参考低电压之间。输出二极管的阳极耦接于升压电感器的第二端。输出二极管的阴极作为升压转换器的输出端。输出电容器耦接于输出二极管的阴极与参考低电压之间。当功率开关被断开时，第一辅助路径被导通以延迟升压电感器的放电。

Description

升压转换器

技术领域

本发明涉及一种电源转换领域，尤其涉及一种升压转换器。

背景技术

图1示出现行的升压转换器10。图2示出升压电感电流的波形示意图。升压转换器10包括整流器RF、升压电感器LM、功率开关Q、输出二极管DO以及输出电容器CO。整流器RF对输入电压信号VIN进行整流以产生经整流电压信号VR。升压电感器LM的第一端耦接于整流器RF以接收经整流电压信号VR。功率开关Q的第一端耦接于升压电感器LM的第二端。功率开关Q的第二端耦接于参考低电压(例如是接地)。功率开关Q基于开关信号GD1而运行。输出二极管DO的阳极耦接于升压电感器LM的第二端。输出二极管DO的阴极用以提供输出电压信号VOUT。输出电容器CO耦接于输出二极管DO的阴极与参考低电压之间。

应注意的是，升压转换器10在升压电感电流ILM的电流值降低为0安培的瞬间，功率开关Q的寄生电容COSS会与升压电感器LM发生谐振，使得升压电感电流ILM具有逆向电感电流(如区域B1、B2所示)。逆向电感电流会以热的形式进行消耗，也就是产生热损耗。热损耗的产生将较低电源转换的效率。因此，如何防止逆向电感电流的产生以提高电源转换的效率，是本领域技术人员的研究方向之一。

发明内容

本发明提供一种升压转换器，能够防止逆向电感电流的产生以提高电源转换的效率。

本发明的升压转换器包括升压电感器、阻挡二极管、功率开关、输出二极管、输出电容器以及第一辅助路径。升压电感器的第一端用以接收经整流电压信号。阻挡二极管的阳极耦接于升压电感器的第二端。功率开关的第一端耦接于阻挡二极管的阴极。功率开关的第二端耦接于参考低电压。功率开关基于第一开关信号而运行。输出二极管的阳极耦接于升压电感器的第二端。输出二极管的阴极作为升压转换器的输出端。输出电容器耦接于输出二极管的阴极与参考低电压之间。第一辅助路径耦接于升压电感器的第二端与输出二极管的阴极之间。当功率开关被断开时，第一辅助路径被导通以延迟升压电感器的放电。

基于上述，当功率开关被断开时，阻挡二极管能够阻挡存储于功率开关的寄生电容的能量回到升压电感器。如此一来，升压电感器不会产生逆向电感电流。除此之外，当功率开关被断开时，第一辅助路径被导通以延迟升压电感器的放电。因此，升压电感电流降低为0安培的时间区间可以大幅被缩短。升压电感器发生非预期的谐振的机会可以大幅被降低。如此一来，电源转换的效率可以被提高。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依据背景技术所示出的升压转换器的示意图；

图2是依据背景技术所示出的升压电感电流的波形示意图；

图3是依据本发明第一实施例所示出的升压转换器的示意图；

图4是依据本发明一实施例所示出的升压电感电流的波形示意图；

图5是依据本发明第二实施例所示出的升压转换器的示意图；

图6是依据本发明一实施例所示出的开关信号的波形示意图；

图7是依据本发明第三实施例所示出的升压转换器的示意图。

附图标记说明

10、100、200、300：升压转换器

210：控制器

B1、B2：区域

C1：平衡电容器

CO：输出电容器

COSS：寄生电容

CV：曲线

CX：谐振电容器

D1、D2、D3：二极管

DB：阻挡二极管

DO：输出二极管

GD1、GD2、GD3：开关信号

GND：接地端

ILM：升压电感电流

L1、LM：升压电感器

L2、L3：电感器

P1：第一辅助路径

P2：第二辅助路径

Q、Q1：功率开关

Q2、Q3：开关

R1、R2：电阻器

RX：谐振电阻器

t：时间

T1、T2、T3：时间区间

VIN：输入电压信号

VOUT：输出电压信号

VR：经整流电压信号

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

请同时参考图3以及图4，图3是依据本发明第一实施例所示出的升压转换器的示意图。图4是依据本发明一实施例所示出的升压电感电流的波形示意图。在本实施例中，升压转换器100能够对经整流电压信号VR进行转换以产生输出电压信号VOUT。升压转换器100包括升压电感器L1、阻挡二极管DB、功率开关Q1、输出二极管DO、输出电容器CO以及第一辅助路径P1。升压电感器L1的第一端用以接收经整流电压信号VR。阻挡二极管DB1的阳极耦接于升压电感器L1的第二端。功率开关Q1的第一端耦接于阻挡二极管DB的阴极。功率开关Q1的第二端耦接于参考低电压(例如是接地端GND)。功率开关Q1基于开关信号GD1而运行。功率开关Q1基于开关信号GD1的电压电平进行开关操作。输出二极管DO的阳极耦接于升压电感器L1的第二端。输出二极管DO的阴极则作为升压转换器100的输出端以提供输出电压信号VOUT。输出电容器CO耦接于输出二极管DO的阴极与参考低电压之间。第一辅助路径P1耦接于升压电感器L1的第二端与输出二极管DO的阴极之间。

在本实施例中，当功率开关Q1被导通时，升压电感器L1会接收经整流电压信号VR并存储来自于经整流电压信号VR的能量。因此，位于升压电感器L1的升压电感电流ILM会上升。此外，当功率开关Q1被导通时，第一辅助路径P1会被断开。

当功率开关Q1被断开时，升压电感器L1会释放的升压电感器L1本身所存储的能量。第一辅助路径P1被导通而被启用。升压电感器L1本身所存储的能量会经由输出二极管DO以及第一辅助路径P1等两个路径到达输出电容器CO。第一辅助路径P1会被用以延迟升压电感器L1的放电。因此，升压电感器L1释放能量的速度会下降，如曲线CV所示。如此一来，升压电感器L1发生非预期的谐振的机会可以大幅被降低。除此之外，阻挡二极管DB阻挡存储于功率开关Q1的寄生电容COSS的能量回到升压电感器L1。升压电感器L1不会产生逆向电感电流。如此一来，升压转换器100的电源转换的效率能够被提高。

在本实施例中，第一辅助路径P1包括二极管D1、电感器L2以及开关Q2。二极管D1的阳极耦接于升压电感器L1的第二端。开关Q2与电感器L2串联耦接于二极管D1的阴极与输出二极管DO的阴极之间。开关Q2基于开关信号GD2而运行。举例来说，电感器L2的第一端耦接于二极管D1的阴极。开关Q2的第一端耦接于电感器L2的第二端。开关Q2的第二端耦接于输出二极管DO的阴极。开关Q2的控制端用以接收开关信号GD2。在本实施例中，当功率开关Q1被断开时，开关Q2被导通。因此，第一辅助路径P1会被导通而被启用。电感器L2会提供的感抗值。因此，当功率开关Q1被断开时，升压转换器100的感抗值增加，进而延迟升压电感器L1的放电。二极管D1用以定义出能量的传递方向，从而防止在第一辅助路径P1被导通的情况下使能量回到升压电感器L1。

在另一方面，当功率开关Q1被导通时，开关Q2被断开。因此，第一辅助路径P1会被断开而被停用。

在本实施例中，功率开关Q1以及开关Q2分别是由N型金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)来实现。然本发明并不以此为限。功率开关Q1以及开关Q2可以是由本技术领域的技术人员所熟知的晶体管开关来实现。

请参考图5，图5是依据本发明第二实施例所示出的升压转换器的示意图。在本实施例中，升压转换器200包括升压电感器L1、阻挡二极管DB、功率开关Q1、输出二极管DO、输出电容器CO、第一辅助路径P1以及第二辅助路径P2。在本实施例中，升压电感器L1、阻挡二极管DB、功率开关Q1、输出二极管DO、输出电容器CO以及第一辅助路径P1的实施方式可以在图3的第一实施例获得足够的教示，因此恕不在此重述。在本实施例中，第二辅助路径P2耦接于功率开关Q1的第一端与参考低电压之间。当功率开关Q1被断开时，第二辅助路径P2被导通以释放存储功率开关Q1的寄生电容COSS的能量。

在本实施例中，第二辅助路径P2包括二极管D2、谐振电阻器RX、谐振电容器CX、电感器L3以及开关Q3。二极管D2的阳极耦接于功率开关Q1的第一端。谐振电容器CX与谐振电阻器RX并联于连接节点CD与参考低电压之间。开关Q3与电感器L3串联耦接于二极管D2的阴极与连接节点CD之间。开关Q3基于开关信号GD3而运行。举例来说，电感器L3的第一端耦接于二极管D2的阴极。开关Q3的第一端耦接于电感器L3的第二端。开关Q3的第二端耦接于连接节点CD。开关Q3的控制端用以接收开关信号GD3。在本实施例中，当功率开关Q1被断开时，开关Q3被导通。因此，第二辅助路径P2会被导通而被启用。因此，功率开关Q1的寄生电容COSS、电感器L3、谐振电容器CX以及谐振电阻器RX会形成一谐振回路。如此一来，存储功率开关Q1的寄生电容COSS的能量会经由谐振回路被释放到参考低电压。二极管D2用以定义出能量的传递方向，从而防止在第二辅助路径P2被导通的情况下使能量回到寄生电容COSS。

在另一方面，当功率开关Q1被导通时，开关Q3被断开。因此，第二辅助路径P2会被断开而被停用。此时，存储于谐振电容器CX的能量会经由谐振电阻器RX被释放到参考低电压。

在本实施例中，开关Q3是由N型MOSFET来实现。然本发明并不以此为限。开关Q3可以是由本技术领域的技术人员所熟知的晶体管开关来实现。

在本实施例中，升压转换器200还包括整流器RF。整流器RF耦接于升压电感器L1的第一端。整流器RF接收输入电压信号VIN。整流器RF对输入电压信号VIN进行整流以产生经整流电压信号VR。在本实施例中，整流器RF可以是由全桥式整流器来实现。在一些实施例中，整流器RF可以被设置在升压转换器200的外部。

在本实施例中，升压转换器200还包括电阻器R1、R2。电阻器R1耦接于阻挡二极管DB的阴极与功率开关Q1的第一端之间。电阻器R2耦接于输出二极管DO的阴极与升压转换器200的输出端之间。电阻器R1被用以调节升压电感器L1存储能量的速度。电阻器R2被用以辅助调节升压电感器L1释放能量的速度。

在本实施例中，升压转换器200还包括控制器210。控制器210提供开关信号GD1、GD2、GD3。

接下来请同时参考图5以及图6，图6是依据本发明一实施例所示出的开关信号的波形示意图。图6示出了开关信号GD1、GD2、GD3。在本实施例中，功率开关Q1会反应于具有高电压电平的开关信号GD1被导通。功率开关Q1会反应于具有低电压电平的开关信号GD1被断开。开关Q2会反应于具有高电压电平的开关信号GD2被导通。开关Q2会反应于具有低电压电平的开关信号GD2被断开。开关Q3会反应于具有高电压电平的开关信号GD3被导通。开关Q3会反应于具有低电压电平的开关信号GD3被断开。在本实施例中，开关信号GD2、GD3的状态会被控制以与开关信号GD1的状态相反。也就是说，当开关信号GD1处于高电压电平时，开关信号GD2、GD3处于低电压电平。在另一方面，当开关信号GD1处于低电压电平时，开关信号GD2、GD3则处于高电压电平。

在本实施例中，在时间区间T1，功率开关Q1反应于具有高电压电平的开关信号GD1被导通。升压电感器L1会存储来自于经整流电压信号VR的能量。因此，位于升压电感器L1的升压电感电流ILM会上升。功率开关Q1的寄生电容COSS也存储了能量。在时间区间T1，第一辅助路径P1以及第二辅助路径P2被断开。

在时间区间T2，功率开关Q1反应于具有低电压电平的开关信号GD1被断开。升压电感器L1释放能量。此时，第一辅助路径P1以及第二辅助路径P2被导通。因此，升压电感器L1的放电会被延迟。此外，寄生电容COSS所存储的能量也经由第二辅助路径P2被释放。当升压电感器L1的升压电感电流ILM的电流值降低为0安培时，阻挡二极管DB会阻挡寄生电容COSS所存储的能量回到升压电感器L1。

在时间区间T3，功率开关Q1反应于具有高电压电平的开关信号GD1被导通。第一辅助路径P1以及第二辅助路径P2被断开。升压电感器L1会存储来自于经整流电压信号VR的能量。此外，存储于谐振电容器CX的能量会经由谐振电阻器RX被释放到参考低电压。

请参考图7，图7是依据本发明第三实施例所示出的升压转换器的示意图。与图5的第二实施例不同的是，升压转换器300还包括二极管D3。二极管D3的阳极耦接于二极管D2的阴极。二极管D3的阴极耦接于二极管D1的阴极。此外，连接节点耦接至输出二极管的阴极。因此，当功率开关Q1被断开时，寄生电容COSS、电感器L2、L3、谐振电容器CX以及谐振电阻器RX会共同形成一谐振电路。这谐振电路会将寄生电容COSS所存储的能量释放到参考低电压。也就是说，寄生电容COSS所存储的能量会通过第一辅助路径P1的部分(电感器L2)以及第二辅助路径P2被释放到参考低电压。

在本实施例中，升压转换器300还包括平衡电容器C1。平衡电容器C1耦接于二极管D3的阴极与连接节点CD之间。平衡电容器C1提供容抗值以抵消升压电感器L1以及电感器L2、L3所产生的感抗值。

在具有大输出功率(如，大于或等于180瓦)的条件下，位于升压电感器L1的升压电感电流ILM可能会有在还没有被释放完毕(升压电感电流ILM的电流值降为0安培)的情况下，功率开关Q1就被导通。在这样的情况下，会导致升压转换器300在状态转换上发生误操作。本实施例则利用平衡电容器C1所提供来抵消升压电感器L1以及电感器L2、L3所共同产生的感抗值。如此一来，升压电感电流ILM过慢的放电速度能够被加速。

综上所述，当功率开关被断开时，升压电感器会释放的升压电感器本身所存储的能量。第一辅助路径被导通而被启用。第一辅助路径会被用以延迟升压电感器的放电。因此，升压电感器释放能量的速度会下降。升压电感器发生非预期的谐振的机会可以大幅被降低。除此之外，阻挡二极管阻挡存储于功率开关的寄生电容的能量回到升压电感器。升压电感器不会产生逆向电感电流。如此一来，电源转换的效率能够被提高。此外，当功率开关被断开时，第二辅助路径被导通以释放存储于功率开关的寄生电容的能量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种升压转换器，其特征在于，所述升压转换器包括：

升压电感器，所述升压电感器的第一端用以接收经整流电压信号；

阻挡二极管，所述阻挡二极管的阳极耦接于所述升压电感器的第二端；

功率开关，所述功率开关的第一端耦接于所述阻挡二极管的阴极，所述功率开关的第二端耦接于参考低电压，所述功率开关基于第一开关信号而运行；

输出二极管，所述输出二极管的阳极耦接于所述升压电感器的第二端，所述输出二极管的阴极作为升压转换器的输出端；

输出电容器，耦接于所述输出二极管的阴极与所述参考低电压之间；以及

第一辅助路径，耦接于所述升压电感器的第二端与所述输出二极管的阴极之间，经配置以当功率开关被断开时被导通，从而延迟所述升压电感器的放电。

2.根据权利要求1所述的升压转换器，其特征在于，所述第一辅助路径包括：

第一二极管，所述第一二极管的阳极耦接于所述升压电感器的第二端；

第一电感器；以及

第一开关，与所述第一电感器串联耦接于所述第一二极管的阴极与所述输出二极管的阴极之间，经配置以基于第二开关信号而运行。

3.根据权利要求2所述的升压转换器，其特征在于，当功率开关被断开时，所述第一开关被导通。

4.根据权利要求2所述的升压转换器，其特征在于，所述升压转换器还包括：

第二辅助路径，耦接于所述功率开关的第一端与所述参考低电压之间，经配置以当所述功率开关被断开时被导通，从而释放存储所述功率开关的寄生电容的能量。

5.根据权利要求4所述的升压转换器，其特征在于，所述第二辅助路径包括：

第二二极管，所述第二二极管的阳极耦接于所述功率开关的第一端；

谐振电阻器；

谐振电容器，与所述谐振电阻器并联于连接节点与所述参考低电压之间；

第二电感器；以及

第二开关，与所述第二电感器串联耦接于所述第二二极管的阴极与所述连接节点之间，经配置以基于第三开关信号而运行。

6.根据权利要求5所述的升压转换器，其特征在于，当功率开关被断开时，所述第二开关被导通。

7.根据权利要求5所述的升压转换器，其特征在于，所述升压转换器还包括：

第三二极管，所述第三二极管的阳极耦接于所述第二二极管的阴极，所述第三二极管的阴极耦接于所述第一二极管的阴极，

其中所述连接节点耦接于所述输出二极管的阴极。

8.根据权利要求7所述的升压转换器，其特征在于，当所述功率开关被断开时，所述功率开关的寄生电容、所述第一电感器、所述第二电感器、所述谐振电容器以及所述谐振电阻器共同形成谐振电路。

9.根据权利要求5所述的升压转换器，其特征在于，当所述第二辅助路径被断开时，所述谐振电容器所存储的能量经由所述谐振电阻器被释放到所述参考低电压。

10.根据权利要求5所述的升压转换器，其特征在于，所述升压转换器还包括：

平衡电容器，耦接于所述第二二极管的阴极与所述连接节点之间，经配置以提供容抗值，

其中所述容抗值用以抵消所述升压电感器、所述第一电感器以及所述第二电感器所产生的感抗值。