CN1184371A - 带有保护电路的直流－直流转换器 - Google Patents

带有保护电路的直流－直流转换器 Download PDF

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Abstract

一种dc/dc转换器(1),设有具有连接至极化装置(49,50)的驱动电极(13,14)的开关装置(11,12)。开关装置用于接通和关断来自直流电源(2)并在转换器变压器(6,7)的绕组(17,18,5)中流动的电流。改进包括连接至检测装置(44)的保护电路(24),用于检测变压器绕组(4,5,15,19,23)之一中流动的电流量值。电路(24)输出端(47,48)连接至开关装置的驱动电极。它可是一双稳电路,若检测电流为高,就将持久降低其输出端电压,由此持久关断开关装置。从而防止对开关装置造成任何损坏。

Description

带有保护电路的直流-直流转换器
本发明属于直流-直流转换器(dc/dc转换器)技术领域。
下面将对如图1所示的这种dc/dc转换器1的公知特征进行说明。一个直流电压源2通过连接装置3分别向两个变压器6、7的初级绕组4、5供电。在图1所示的情况下，开关装置3呈现为继电器3的形式。继电器3包括一个触点8和一个控制线圈9。控制线圈9中的电流是由一个电路10控制的。第一变压器6是一个低磁阻变压器，它可以视作一个电流变压器。第二变压器7是一个电压变压器。在图1所示的情况下，该dc/dc转换器是一个中功率自激振荡推挽式转换器。可以在第一变压器6的初级绕组4中流动的电流受到开关晶体管11、12的控制，这两个开关晶体管的集电极-发射极电流取决于其相应的基极13、14的极化电流的量值。开关晶体管11、12的各自基极13、14的极化电流分别来自于变压器6的次级绕组15和来自于第二变压器7的次级绕组23的反馈52、53。这种dc/dc转换器的工作原理如下所述：
当第一变压器6的铁心16中的磁通量增大时，在次级绕组15中感生的电流处于第一方向，例如此次级绕组中的电流允许第一开关晶体管11导通。初级绕组中的电流则流过初级绕组4的第一绕组17、第一晶体管11的集电极-发射极以及第二变压器7的初级绕组。当第一变压器6的铁心16达到饱和时，铁心中的磁通量不再增大，因此在这个变压器的次级绕组15中不再感生电流。晶体管11关断，使得由初级绕组17、晶体管11和第二变压器7的初级绕组5组成的电路闭合。随后，铁心16中的磁场将降低，磁场的降低会导致铁心16中的磁通量的降低，从而导致第一变压器6的次级绕组15中的电流减小。这个电流处于与此前流动的电流相反的方向。这个电流将导通晶体管12，于是一个电流将流过初级绕组4的第二绕组18。与上述过程相同的现象将以一定的频率重复产生，这种频率取决于铁心16、绕组4和5以及极化装置49和50的特性，极化装置49和50连接在第一变压器6的次级绕组15与晶体管11和12的基极之间。这种振荡现象需要启动，这种启动是通过一个启动电路22实现的。
刚刚描述过的振荡现象在第二变压器7的初级绕组5中感生方波。这使得在所述第二变压器的次级绕组19上产生方波输出。为得到所要求的直流电压，所述的方波要通过整流器20整流，并通过调整和积分电路21进行积分和调整。通常，在诸如电视机或者监视器(显示器)中的阴极射线管所用的电源中，所述的直流电压被馈送至一个全程(full range)开关型电源(SMPS)(未示出)。
对于电源而言，最重要的设计标准之一是可靠性。这意味着在这种转换器的其它特征中要有一个过电流保护特征。这是困难的，主要原因是：输入连接至一个低输入电压源，因此对于中功率而言，流过晶体管11或12的电流可能是较大的，例如大于10安培。
本发明的目的是要提供一种dc/dc转换器，该转换器具有良好的过电流保护特性，并且响应之快足以防止开关晶体管损坏。就优选方式而言，本发明还提供这样一种dc/dc转换器，它可以接受宽的输入电压范围，而不需要对任何跨接线(jumper)或类似元件进行开关控制。
根据本发明，过电流保护是通过一个保护电路实现的，这个保护电路连接至由第一和第二变压器的初级绕组形成的电路，并且将一个极化状态施加于该dc/dc转换器的开关晶体管。此保护电路本身能够处于两种状态，即电流低于一个预定电平时的第一状态和电流高于此预定电平时的第二状态。在第一种极化状态时，该dc/dc转换器按上述方式工作，在第二种状态时，开关晶体管的极化是这样的，即开关晶体管处于持久不导通状态。在本发明的一个优选实施例中，保护电路连接至一个电压限制电路，如果直流电源具有比相应于开关晶体管的第一状态的电压高的电压，此电压限制电路自动地改变保护电路的第一状态并因此改变开关晶体管11、12的极化状态。这种特性允许适应宽范围的直流电压源。例如，一个dc/dc转换器可以连接至额定值为12-24伏亦即约10-28伏的电池。
概括地讲，本发明是关于一种dc/dc转换器，这种转换器包括：具有初级绕组和次级绕组的第一变压器和具有初级绕组和次级绕组的第二变压器，第一变压器的初级绕组可以连接至一个直流电源；以及有源电子开关装置，它们具有设有极化装置的驱动电极，开关装置使交流电流流过变压器的绕组，该dc/dc转换器的特征在于包括一个检测装置，此检测装置用于检测变压器的至少一个绕组中的过电流，此检测装置连接至所述绕组以及一个保护电路，所述电路具有连接至所述检测装置的一个输出端的第一输入端、连接至直流电源的第二输入端、以及与开关装置的驱动电极同样多的输出端，所述输出端能够处于两种状态，即第一和第二状态，所述第一状态是当检测装置的检测电流低于预定电平时所述输出端的状态，所述第二状态是当检测装置检测到的电流超过所述的预定电平时所述输出端的状态，保护电路的所述输出端连接至有源电子开关装置的极化装置，当所述保护电路的所述输出端处于第一状态时，所述极化装置驱使开关装置处于正常工作状态，而当所述输出端处于第二状态时，所述极化装置驱使所述开关装置处于持久关断状态。
在一个优选实施例中，本发明包含于一种自激振荡推挽式dc/dc转换器，该转换器设有：
第一变压器，它具有至少两个初级绕组即第一初级绕组和第二初级绕组以及至少一个次级绕组；和
第二变压器，它具有初级绕组和次级绕组，第二变压器的初级绕组具有一个中间抽头，
其中，第一变压器的第一和第二初级绕组与第二变压器的初级绕组以及两个有源电子开关装置串联，第一开关装置和第二开关装置各自具有一个驱动电极，驱动电极设有极化装置，第一开关装置的接入是用于接通或关断在第一变压器的第一初级绕组与第二变压器的初级绕组的中间抽头之间流动的电流，第二开关装置的接入是用于接通或关断在第一变压器的第二初级绕组与第二变压器的初级绕组的中间抽头之间流动的电流，每一开关装置的驱动电极接收来自于第二变压器的次级绕组的反馈，该转换器的改进在于包括一个检测装置，此检测装置用于检测变压器的绕组之一中的过电流，此检测装置连接至所述绕组并且连接至一个保护电路，所述电路具有：第一输入端，它连接至所述检测装置的一个输出端；第二输入端，它连接至直流电源；以及与开关装置的驱动电极同样多的输出端，所述输出端能够处于两种状态，即第一状态和第二状态，所述第一状态是当检测装置的检测电流低于预定电平时所述输出端的状态，所述第二状态是当检测装置检测到的电流超过所述的预定电平时所述输出端的状态，保护电路的所述输出端连接至有源电子开关装置的极化装置，当所述保护电路的所述输出端处于第一状态时，所述极化装置驱使开关装置处于正常工作状态，而当所述输出端处于第二状态时，所述极化装置驱使所述开关装置处于关断状态。
下面将参照附图对本发明进行详细描述，附图中：
图1是根据本发明的一种dc/dc转换器的电路图，其中公知的特征已经作了说明。
图2是根据本发明的一种dc/dc转换器中采用的一个电路的优选实施例的电路图。
图3是曲线图，它描绘出在根据本发明的设有保护电路的一种dc/dc转换器中得到的结果。
图4是曲线图，它描绘出在可以连接至根据本发明的一种dc/dc转换器的一个优选实施例的dc输入的范围内实现的改进。
图1中所示的电路24具有两个输出端，即第一输出端47和第二输出端48。第二输出端48连接至反馈(电路)53，第一输出端47连接至反馈(电路)52。电路24具有两个输入端，它们被标示为46和51。输入端51连接至电压源2；输入端46连接至电流变压器6的次级绕组15；因此输入端46接收电流变压器6的初级绕组4中流动的电流的镜象(image)。这个镜象在变压器6的次级绕组15中通过电阻器44转换为电压。如图1所示，本发明涉及一种自激振荡推挽式dc/dc转换器，该转换器设有：
-一个第一变压器6，它具有至少两个初级绕组17、18和至少一个次级绕组15，
-一个第二变压器7，它具有初级绕组5和次级绕组19、23，第二变压器的初级绕组5具有一个中间抽头61，
-其中，第一变压器6的第一和第二初级绕组17和18与第二变压器7的初级绕组5以及两个有源电子开关装置11、12串联，第一开关装置11和第二开关装置12分别具有一个驱动电极(drive)13、14，驱动电极13、14分别设有极化装置49、50，第一开关装置11的接入是用于接通或关断在第一变压器6的第一初级绕组17与第二变压器7的初级绕组5的中间抽头61之间流动的电流，第二开关装置12的接入是用于接通或关断在第一变压器6的第二初级绕组18与第二变压器7的初级绕组5的中间抽头61之间流动的电流，每一开关装置11、12的驱动电极13、14接收来自于第二变压器7的次级绕组23的反馈52、53，该转换器的改进在于包括一个电阻器44，此电阻器用于检测变压器6的绕组15之一中的过电流，此电阻器连接至所述绕组15并且连接至一个保护电路24，所述电路24具有：第一输入端46，它连接至所述检测装置44的一个输出端45；第二输入端51，它连接至直流电源2；以及与开关装置11、12的驱动电极13、14同样多的输出端47、48，所述输出端47、48能够处于两种状态，即第一状态和第二状态，所述第一状态是当检测装置44的检测电流低于预定电平时所述输出端47、48的状态，所述第二状态是当检测装置44检测到的电流超过所述的预定电平时所述输出端47、48的状态，此保护电路24的所述输出端47、48连接至有源电子开关装置11、12的极化装置49、50，当所述保护电路24的所述输出端47、48处于第一状态时，所述极化装置49、50驱使开关装置11、12处于正常工作状态，而当所述输出端处于第二状态时，所述极化装置驱使所述开关装置处于关断状态。
图2中示出了保护电路24的一个例子。这个保护电路起到一个可控硅整流器(SCR)的作用。这个电路等同于一个两级多谐振荡器、或者一个斯密特(Schmidt)触发器、或者一个双稳态电路。下面将对图2所示的这种电路的这个例子进行说明。保护电路24主要包括两个晶体管，即第一晶体管25和第二晶体管26，它们分别具有基极27和28、集电极29和30以及发射极31和32。每一晶体管还具有在此说明但未标示的极化装置。电路24具有两个输出端47、48，各自对应极化装置49、50。在这个优选实施例中，输出端47、48连接至二极管33、34，二极管33、34各自具有阳极35、36和阴极37、38。第二晶体管26的基极28通过电阻器39和二极管40连接至输入端46。晶体管26的集电极30连接至晶体管25的基极27以及保护电路24的输出端47、48。正如上面已经描述的，在此优选实施例中，每一输出端47、48分别连接至二极管33、34的阴极37、38。其输出端47、48连接至二极管33、34的电路24的工作原理如下：
如果存在一个过电流，电阻器44上获得的较高电压会在输入端46施加至晶体管26的基极28，于是这个晶体管导通，电流从集电极流向发射极。这意味着开关晶体管11、12的基极的电压降低，于是开关晶体管关断。晶体管26的集电极的压降也是晶体管25的基极的压降，于是晶体管25导通；电流从此晶体管的集电极流向发射极。这意味着，即使经过输入端46的过电流停止，晶体管26的基极28也将维持极化电流。按这种方式，新的极化状态得以维持。这是当输入端46输入的过电流是一个脉冲电流时，建立对开关晶体管11、12的保护的一种方式，(否则)这种脉冲电流会导致造成开关晶体管11、12损坏的持久过渡状态(permanent transients)。使晶体管26导通的阈电平是由电阻器39的阻值决定的。允许的过电流持续时间是由一个RC电路54的时间常数决定的，此RC电路54包括连接至晶体管26的基极28以及二极管40的阴极的一个电阻器和一个电容器。当过电流增大时，这个持续时间变短。另外，在图2所示的情况下，二极管33、34的阴极37、38的电压是施加至变压器7的次级绕组23的任意低电压，它将不再反馈至开关晶体管11、12的基极，而通过二极管33、34降低。由此二极管33、34起到箝位装置的作用，只要保护电路24的输出端47、48处于第一状态，二极管33、34就阻止反馈电压下降，而当输出端47、48处于第二状态时，则使送至极化装置49、50的任何反馈降低。
在本发明的此优选实施例中，电路24的第二输入端51通过一个电路41连接至直流电源2，电路41的作用是当输入电压源2的电压值增大时，自动地改变开关晶体管11、12的极化值。这种极化值的改变使开关晶体管的基极驱动最佳化。
电路41是由一个齐纳二极管42和一个电阻器43组成的，并且串联于直流电源2和输入端51之间，输入端51则连接至晶体管25的集电极29。如果电压增高至足够导通齐纳二极管42的值，则会有一个电压施加至晶体管25的集电极29，这个电压使晶体管25和26部分地导通。电路24的输出端47、48的电压降低，于是开关晶体管11、12的基极的电压降低，集电极-发射极电流减小。
过电流保护达到的效果显示于图3中。这个图中有两条曲线，横坐标为时间。第一曲线56表示输入端46的电压电平。电压的峰值由垂直的虚线标示。这条虚线标定刚刚检测到过电流的点。第二曲线57表示开关晶体管11的集电极-发射极电流。这个电流通常是由诸如数字58表示的脉冲组成的。当过电流产生时，一个第二脉冲58就已经开始了。短路由峰60表明。可以看到，由于保护电路24的作用，电流回到0的时间比开关晶体管11的半周期要短。
由优化基极驱动电路41达到的效果显示于图4中。图4包括图4a、4b和4c。这三幅图的每一幅均有三条曲线，这些曲线是：
-开关晶体管之一的集电极-发射极电流随时间的变化曲线57a、57b和57c；
-相同开关晶体管的集电极的电压变化曲线59a、59b和59c；
-相同开关晶体管的基极-发射极电流的变化曲线60a、60b和60c。
图4a的曲线对应于电源2为12伏的情况，这是电路最适合的电压；图4b的曲线对应于电源2为24伏但没有图2的电路41的情况；图4c的曲线对应于同样的24伏电源但设有优化基极驱动电路41的情况。可以看出，曲线57b和60b上存在的电流峰在曲线57c和60c上不再存在。这意味着，由于电路41的作用，开关晶体管11、12的热耗散恢复到可以接受的水平。

Claims (10)

1.一种dc/dc转换器，设有：第一变压器(6)，它具有初级绕组(4)和次级绕组(15)；第二变压器(7)，它具有初级绕组(5)和次级绕组(19)，第一变压器(6)的初级绕组(5)可以连接至直流电源(2)；以及有源电子开关装置(11，12)，它们具有设有极化装置(49，50)的驱动电极(13，1 4)，开关装置(11，12)使交流电流流过变压器的绕组(4，5，19，15)，该dc/dc转换器的特征在于包括一个检测装置(44)，此检测装置用于检测变压器的至少一个绕组(4，5，19，15)中的过电流，此检测装置连接至所述绕组以及一个保护电路(24)，所述电路(24)具有连接至所述检测装置(44)的一个输出端(45)的第一输入端(46)、连接至直流电源(2)的第二输入端(51)、以及与开关装置(11，12)的驱动电极(13，14)同样多的输出端(47，48)，所述输出端(47，48)能够处于两种状态，即第一和第二状态，所述第一状态是当检测装置的检测电流低于预定电平时所述输出端(47，48)的状态，所述第二状态是当检测装置(44)检测到的电流超过所述的预定电平时所述输出端(47，48)的状态，保护电路(24)的所述输出端(47，48)连接至有源电子开关装置(11，12)的极化装置(49，50)，当所述保护电路(24)的所述输出端(47，48)处于第一状态时，所述极化装置(49，50)驱使开关装置(11，12)处于正常工作状态，而当所述输出端(47，48)处于第二状态时，所述极化装置驱使所述开关装置(11，12)处于持久关断状态。
2.一种自激振荡推挽式dc/dc转换器，该转换器设有：
第一变压器(6)，它具有至少两个初级绕组(17，18)和至少一个次级绕组(15)，其中初级绕组(17)称为第一初级绕组，初级绕组(18)称为第二初级绕组；和
第二变压器(7)，它具有初级绕组(5)和次级绕组(19，23)，第二变压器(7)的初级绕组(5)具有一个中间抽头(61)，
其中，第一变压器(6)的第一和第二初级绕组(17)和(18)与第二变压器(7)的初级绕组(5)以及两个有源电子开关装置(11，12)串联，第一开关装置(11)和第二开关装置(12)分别具有一个驱动电极(13，14)，驱动电极(13，14)分别设有极化装置(49，50)，第一开关装置(11)的接入是用于接通或关断在第一变压器(6)的第一初级绕组(17)与第二变压器(7)的初级绕组(5)的中间抽头(61)之间流动的电流，第二开关装置(12)的接入是用于接通或关断在第一变压器(6)的第二初级绕组(18)与第二变压器(7)的初级绕组(5)的中间抽头(61)之间流动的电流，每一开关装置(11，12)的驱动电极(13，14)接收来自于第二变压器(7)的次级绕组(23)的反馈(52，53)，该转换器的改进在于包括一个检测装置(44)，此检测装置用于检测变压器(6，7)的绕组(17，18，15，19，23)之一中的过电流，此检测装置连接至所述绕组(17，18，15，19，23)并且连接至一个保护电路(24)，所述电路(24)具有：第一输入端(46)，它连接至所述检测装置(44)的一个输出端(45)；第二输入端(51)，它连接至直流电源(2)；以及与开关装置(11，12)的驱动电极(13，14)同样多的输出端(47，48)，所述输出端(47，48)能够处于两种状态，即第一状态和第二状态，所述第一状态是当检测装置(44)的检测电流低于预定电平时所述输出端(47，48)的状态，所述第二状态是当检测装置(44)检测到的电流超过所述的预定电平时所述输出端(47，48)的状态，保护电路(24)的所述输出端(47，48)连接至有源电子开关装置(11，12)的极化装置(49，50)，当所述保护电路(24)的所述输出端处于第一状态时，所述极化装置(49，50)驱使开关装置(11，12)处于正常工作状态，而当所述输出端处于第二状态时，所述极化装置驱使所述开关装置处于关断状态。
3.根据权利要求1或2的dc/dc转换器(1)，其中，所述保护电路(24)的所述第二输入端(51)通过一个优化驱动电路(41)连接至直流电源(2)，所述优化驱动电路改变所述保护电路(24)的输出端(47，48)的第一状态，当直流电源(2)处于第一电压值范围时，所述第一状态被设定至第一电平值，当直流电源处于第二电压值范围时，所述第一状态被设定至第二电平值。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求的dc/dc转换器(1)，其中，开关装置(11，12)的极化装置(49，50)处在一个由第一变压器(6)和第二变压器(7)的初级绕组(4，5)串联组成的电路中，并且所述极化装置(49，50)耦连至来自于第二变压器(7)的次级绕组(23)之一的反馈(52，53)。
5.根据权利要求4的dc/dc转换器，其中，当保护电路(24)的输出端(47，48)处于所述第二状态时，来自于第二变压器(7)的次级绕组(23)之一的所述反馈(52，53)与处于导通状态的二极管(33，34)并联连接。
6.根据权利要求5的dc/dc转换器，其中，所述的二极管(33，34)还连接至所述保护电路(24)的输出端(47，48)。
7.根据权利要求4的dc/dc转换器，其中，所述的开关装置(11，12)是晶体管。
8.根据权利要求3的dc/dc转换器，其中，优化驱动电路(41)包括串联连接的一个齐纳二极管(42)和一个电阻器(43)。
9.根据权利要求1-8中任一项权利要求的dc/dc转换器，其中，所述的保护电路(24)是一个双稳电路。
10.装备有根据权利要求1-9之一的dc/dc转换器的电视机或者监视器。
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