CN1238954C - 谐振重置双重开关正向直流－直流转换器 - Google Patents

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Abstract

一种谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，包括：一输入界面，接收具有一低电平及一高电平的一直流电压；一输出端；一变压器，具有一原边线圈及一副边线圈；一第一及第二开关，串联连接变压器的原边线圈，周期性地连接输入界面与上述原边线圈；一在第一及第二开关的截止周期时重置上述变压器的谐振电容器；一附属开关，在第一及第二开关的导通周期时保持截止，且在第一及第二开关的截止周期时，连接原边线圈至上述谐振电容器；以及一整流电路，连接副边线圈至输出端；本发明扩大开关导通周期，并减少原边开关的传导损失，使主要开关可以得到软关断；因要求较低的定额电压切换，本发明可用于高输入电压转换设计中。

Description

谐振重置双重开关正向直流-直流转换器
技术领域
本发明涉及一种电源供应系统，特别涉及一种谐振重置(resonatereset)双重开关正向(forward)直流-直流转换器。
背景技术
正向(forward)型的拓扑结构(topology)由于结构的简单，广泛地被应用于直流-直流转换器中。在高输出电压操作中，双重开关正向拓扑结构被用以减少主开关的电压应力。由于磁性重置机制(magnetic reset mechisms)的限制，双重开关正向拓扑结构不适用于较宽的输入电压操作。
图1A及图1B分别表示一现有双重开关正向直流-直流转换器的结构及关键动作波形。使用两个开关于原边，当上述两个开关导通时，上述变压器连接至上述输入界面，且能量从电源端传送至负载；在上述两开关截止时，通过在图1A中标示为Da1及Da2的两个钳位二极管通过磁化电流。上述输入电压被反相地供应至上述原边线圈，然后上述磁化电流被重置至零。由于上述开关的漏-源极电压被钳位(clamped)至上述输入电压，上述开关只确保上述输入界面的电压应力。
然而，由于上述重置电压会等于上述输入电压，为了保持上述变压器的二次电压(voltage-second)的平衡，上述重置时间也会等于上述开关的导通时间。因此，在低输入操作情形下，上述最大的开关导通周期被限制小于50％，上述导通周期变小，因此上述转换器的性能降低。
为了减少上述原边的传导损失，以及降低上述副边的电压应力，最好是增加上述正向转换器的导通周期大于50％。假如在上述正向转换器中提供一谐振重置机制，由于上述重置电压可以高于上述输入电压，可以设计上述导通周期超过上述输入电压。
图2A及图2B分别说明一现有具有谐振重置的单端(single-ended)正向直流-直流转换器的结构以及关键动作波形。在此转换器中，只使用一个开关S1于上述变压器的原边，以及一谐振重置电容Cr与上述开关S1并联。
当上述开关S1导通时，上述变压器原边线圈连接至上述输入电压Vin，然后通过变压器耦合，能量由电源端(source)传送至负载。在上述开关S1截止时，上述磁化电流对上述谐振电容器Cr充电，重置上述变压器的core。由于第二整流器的过渡状态，在半个谐振周期后，上述磁化电流t被重置至零，且原边线圈的电压保持为零。
上述谐振电容器Cr的电压保持为输入电压Vin，直到上述开关S1导通。在开关S1导通时，上述谐振电容器Cr会通过开关S1放电，且储存在电容器Cr的能量会消散在上述开关S1中。因此，开关S1的功率消耗会变大，特别是在高输入电压时，因为储存在上述电容器Cr中的能量，随着上述输入电压的方波增加，上述开关S1的功率消耗会明显地增加。
另一缺点为上述开关S1的电压应力会是重置电压的最大量与输入电压的总和，大约为两倍的输入电压。因为上述理由上述拓扑结构不适用于低输入电压以及低功率的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一个结合双重开关正向以及谐振正向的优点，且克服了现有缺点的电源转换器拓扑结构。
依据上述目的，本发明提供一克服现有的前述缺点的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器。在本案较佳实施例中，一谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，包括一输入界面，接收具有一低电平及一高电平的一直流电压；一输出端；一变压器，具有一原边线圈及一副边线圈；一第一及第二开关，串联连接上述变压器的上述原边线圈，周期性地连接上述输入界面与上述原边线圈；一在上述第一及第二开关的截止周期时重置上述变压器的谐振电容器；一附属开关，在上述第一及第二开关的导通周期时保持截止，且在上述第一及第二开关的截止周期时，连接上述原边线圈至上述谐振电容器；以及一整流电路，连接上述副边线圈至上述输出端。
由于上述较大的反射(reflected)输出电流，上述低电平侧(low side)的主要开关及附属开关在一零电压情况下导通，因此，一个较大的谐振电容器可用以重置上述变压器。
上述每一第一及第二开关以及附属开关，都具有一本体二极管(bodydiode)。
本发明的另一实施例中，一外加的电感与上述原边线圈或副边线圈串联连接，使上述高电平侧(high side)的开关得到一零电压切换状态。
在本发明的另一实施例中，使用一中心抽头整流电路，输出电感可以明显地减小，且上述输出电压的涟波可以减至最小。
在本发明的另一实施例中，利用电流双整流电路(current doublerectification circuit)，上述输出电感可以分割成两小部分，且上述二次线圈不需要中心抽头(tapped)，上述输出电压的涟波一样可以减到最小。
在本发明的另一实施例中，使用一同步整流电路，用以减少整流损失，同时需要一控制电路，在上述主要开关截止时，维持上述惯性整流器(freewheeling rectifier)导通。
本发明的优点，是提供以扩大(enlarge)上述开关导通周期，以及减少上述原边开关的传导损失的能力。
本发明的另一优点，是上述主要开关可以得到软关断(soft switchingcondition)，因此，它提供一具有高功率效率的转换器。
本发明的另一优点，为它要求较低的定额电压切换(rating voltageswitching)，因此，它可用于高输入电压转换设计中。
附图说明
图1A为现有普通双重开关正向直流-直流转换器的示意图；
图1B说明图1A中双重开关正向直流-直流转换器的开关键动作波形；
图2A为另一现有具有谐振重置的单端开关正向直流-直流转换器的示意图；
图2B说明图2A中具有谐振重置的单端开关正向直流-直流转换器的关键动作波形；
图3A为本发明一较佳实施例的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器的示意图；
图3B说明图3A中上述谐振重置双重开关正向直流-直流转换器的关键动作波形；
图4A以及图4B为图3A的等效动作电路；
图5说明本发明的上述谐振重置双重开关正向转换器的关键波形；
图6为本发明另一较佳实施例的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器的示意图；
图7A及图7B说明本发明获得零电压切换的结构；
图8说明图7A及图7B的主要开关的上述零电压切换的波形；
图9为本发明又一实施例，具有中心抽头整流器的一谐振重置双重开关正向电路的示意图；
图10为本发明又一实施例，具有电流双体整流(current doublerectifying)的一谐振重置双重开关正向电路的示意图；
图11为本发明又一实施例，具有同步整流器的一谐振重置双重开关正向电路的示意图。
具体实施方式
图3A为本发明一较佳实施例的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器的示意图；一电容器C1，提供具有低电平及高电平的一适合的输入电压；两个主要开关S1及S2，与变压器Tr的原边线圈串联连接；啊导通周期中，主要开关S1及S2连接上述电压器原边线圈至上述输入电压，其中上述开关S1连接至上述低电平侧，且上述开关S2连接至上述高电平侧；一电容器Cr，与上述输入电压的低电平侧相连的上述原边线圈的一端连接；一附属开关Sa，连接上述开关S2及上述输入电压的低电平侧；提供一控制信号至上述附属开关Sa，使得在上述主要开关S1及S2截止时，上述原边线圈并联连接至上述电容器Cr，然后被上述电容器Cr的电压重置。
在副边中，一整流电路包括整流器D1、D2以及一滤波电路包括一电感L1及一电容C2，如图3A中所示。在上述主要开关S1及S2导通时，整流器D1由副边传导电流至电感L1，然后提供至负载；在上述主要开关S1及S2截止时，整流器D1保持截止，且整流器D2传导上述输出电流。
上述每一第一及第二开关S1及S2以及附属开关Sa，都具有一本体二极管(body diode)。
图3B，说明图3A中上述谐振重置双重开关正向直流-直流转换器的关键动作波形；
为了说明本转换器的动作特性，此动作分为两个操作模式，上述等效操作电路表示在图4A及图4B中。
A：正向模式
在上述主要开关S1及S2截止时，附属开关Sa导通，且上述变压器原边线圈连接上述电容器Cr，通过上述电容器Cr的谐振步骤以及上述变压器Tr的磁化电感，重置上述变压器Tr。
为说明上述仔细动作及本发明的特点，本转换器的关键波形表示于图5中，以下描述数字时间周期：
[1]t0＜t＜t1
在此时间周期中，上述主要开关S1及S2导通，附属开关Sa截止。上述主要开关S1及S2的漏-源电压Vds1及Vds2会保持为零，且上述输入电压被提供至上述变压器原边，所以上述变压器的电压为Vin，保持上述磁化电流线性地增加。原边电流Ip会为上述磁化电流(magnetizing current，MC)及上述整流的输出电流的总和。提供至上述输出滤波器的上述电压，会为副边中被整流的输入电压。
[2]t1＜t＜t2
在时间t1时，上述主要开关S1及S2截止，在一短暂空截时间(deadtime)后，附属开关Sa导通，连接上述开关S2的上述原边线圈，会连接至上述输入电压的低电平。上述原边电流Ip对上述电容Cr器充电，上述电容器Cr的电压会增加，且原边电流Ip会减少。在时间t2时，储存在变压器漏电感(leakage inductance)中的能量完全地转换至上述电容器Cr中，上述原边电流会等于上述磁化电流。
[3]t2＜t＜t3
在此时间周期中，在上述电容器及上述漏电感(leakage inductance)之间产生谐振，上述磁化电流MC减少至零，然后变成负的。上述电容器Cr的电压一开始会增加，由于负的磁化电流接着就开始减少。于时间t3时，电容器Cr的电压下降至零，因此，磁化电流通过上述开关S1的本体二极管(body diode)。
[4]t3＜t＜t4
在此时间周期中，上述开关S1及S2的本体二极管以及附属开关Sa全部都导通，使得上述磁化电流MC保持固定，直到上述主要开关S1及S2导通。在时间t4时，开关S1于一零电压状态下导通，开始一个重新的切换周期。
本发明的谐振重置双重开关正向转换器，具有下列特色：
首先，由于上述重置电压为上述电容器Cr的谐振电压，通过选择较小的电容器Cr，它可以高于上述输入电压，使得上述重置时间可以比上述导通时间短，且可以得到一个大于50％的切换导通率，不只是减少原边的均方根(RMS)电流，也减少上述副边整流器的电压应力。
第二，在上述主要开关S1及S2截止时，上述主要开关S1的漏一源电压，只为上述重置电压，且通过上述附属开关钳位的上述主要开关S2的漏源电压会等于上述输入电压。因此，上述主要开关S1及S2的电压应力会大约为上述输入电压，而取代现有单端正向转换器的两倍输入电压。
第三，由于当上述电容器Cr谐振至零时，上述开关S1会导通，不会产生额外的功率消耗。此外，由于上述开关S1与上述电容器Cr的并联连接，上述开关S1的截止损失也会明显地减少，因此，本发明的转换器的切换损失会大大地下降。
如图6所示的本发明的另一实施例中，上述电容器Cr可以连接在与上述输入电压的高电平侧，以及与上述主要开关S1连接的原边线圈之间。上述变压器Tr、主要开关S1、S2以及附属开关Sa的动作波形与前述实施例中相同，在此不再累述。
图7A与7B表示本发明的另一电路结构，其中提供一外加电感器Lk或一外加电感器Ls与上述原边或副边线圈串联连接，用以使上述高电平侧的主要开关S2，达到零电压切换。在上述主要开关S2导通时，上述附属开关Sa会首先截止，储存在上述电感器Lk及Ls中的能量，将会对上述主要开关S2中的输出寄生电容充电，只要上述电感Lk或Ls够大，上述主要开关S2就可以在零电压状态下导通，波形如图8中所示。上述外加电感器可为一线性电感器或一可饱和电容器，且可以为外部的或是积集在上述变压器中。
图9表示本发明的另一电路结构，其中上述整流电路为中心抽头式连接。上述变压器的副边线圈具有一第一端、一第二端以及一分接点(tappingpoint)。在上述主要开关S1及S2导通时，能量会由上述第一端及上述分接点(tapping point)通过上述第一整流器D1，传送至上述输出电感器。对于上述主要开关S1及S2截止时，能量会由上述第二端及上述分接点(tapping point)通过上述第二整流器D2，传送至上述输出电感器L1。由于在主要开关S1及S2截止和导通时，能量都传送至上述输出电感器，所以只需要一个小小的电感，上述输出电压的涟波就可以明显地减少了。
图10表示本发明的另一电路结构，其中上述整流路电为电流倍流(current double)连接，电感器L1及L2用以当作输出滤波器。由于上述主要开关S1及S2截止或导通，能量都传送至上述输出电感器L1及L2，因此输出电压涟波也可以明显地减少。
图11表示本发明的另一电路结构，其中使用同步整流器来做上述整流电路。一般来说，需要一个驱动控制电路，在上述主要开关S1及S2导通时，保持上述整流器D1导通，且在上述主要开关S1及S2截止时，保持上述整流器D2导通。
以上所述实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以其限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (14)

1.一种谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，其特征是：包括：
输入界面，具有一低压侧以及一高压侧，以用接收一直流电压；
输出端；
变压器，具有一原边线圈及一副边线圈；
第一及第二开关，串联连接上述变压器的上述原边线圈，周期性地连接上述输入界面与上述原边线圈，其中，上述第一开关是连接于上述输入界面的低压侧与上述原边线圈之间，且上述第二开关是连接于上述输入界面的高压侧与上述原边线圈之间；
谐振电容器，连接在上述原边线圈与上述输入界面的低压侧之间，且直接地并联于上述第一开关，用以在上述第一及第二开关的截止周期时重置上述变压器；
附属开关，用以在上述第一及第二开关的导通时保持截止，且在上述第一及第二开关的截止周期时，连接上述原边线圈至上述谐振电容器；以及
整流电路，连接上述副边线圈至上述输出端。
2.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，其特征是：上述第一及第二开关以及上述附属开关都具有一本体二极管。
3.如权利要求1所述的谐振重置双开关正向直流-直流转换器，其特征在于：外加电感器，
4.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，其特征在于：一外加电感器，串联连接上述变压器的上述副边线圈。
5.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，其特征在于：上述整流电路包括第一及第二整流器及一电感器；其中，当上述第一及第二开关导通时，能量由上述第一整流器转换至电感器进而转换至输出端，且在上述第一及第二开关截止时，存储在电感器的能量由上述第二整流器转换至上述输出端。
6.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，其特征在于：上述变压器的副边线圈具有第一端、第二端以及分接点；其中，在上述第一及第二开关导通时，能量由上述第一端以及分接点，转换至上述输出端，且在上述第一及第二开关截止时，能量由上述第二端及上述分接点，转换至上述输出端。
7.一种谐振重置双重开关正向转换器，包括：
输入界面，具有一低压侧以及一高压侧，用以接收一直流电压；
输出端；
变压器，具有原边线圈和副边线圈；
第一及第二开关；串联连接上述变压器的上述原边线圈，周期性地连接上述输入界面至上述原边线圈，其中，上述第一开关是连接在上述输入界面的低压侧与上述原边线圈之间，且上述第二开关是连接在上述输入界面的高压侧与上述原边线圈之间；
谐振电容器，连接在上述原边线圈与上述输入界面的高压侧之间，且经由上述原边线圈并联于上述第二开关，用以在上述第一及第二开关的截止周期时重置上述变压器；
附属开关，用以在上述第一及第二开关的导通时截止，且在上述第一及第二开关的截止周期时，连接上述原边线圈至上述谐振电容器；以及
整流电路，连接上述副边线圈至上述输出端。
8.如权利要求7所述的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，其特征在于：上述第一及第二开关以及上述附属开关都具有一本体二极管。
9.如权利要求7所述的谐振重置双重开关正向直流-直流转换器，其特征在于：一外加电感器，串联连接上述变压器的上述原边线圈；上述整流电路包括一第一及第二整流器以及一第一及第二电感器；其中于上述第一及第二开关导通时，能量由上述第一整流器及上述第一电感器转换至上述输出端，且于上述第一及第二开关截止时，能量由上述第二整流器及第二电感器转换至上述输出端。
10.如权利要求7所述的谐振重置双重开关正向转换器，其特征在于：一外加电感器，串联连接上述变压器的上述副边线圈。
11.如权利要求7所述的谐振重置双重开关正向转换器，其特征在于：上述整流电路包括第一及第二整流器及一电感器；其中，在上述第一及第二开关导通时，能量由上述第一整流器转换至电感器进而转换至输出端，且在上述第一及第二开关截止时，存储在电感器的能量由上述第二整流器转换至上述输出端。
12.如权利要求7所述的谐振重置双开重关正向转换器，其特征在于：上述变压器的副边线圈具有第一端、第二端以及分接点；其中，在上述第一及第二开关导通时，能量由上述第一端以及分接点，转换至上述输出端，且在上述第一及第二开关截止时，能量由上述第二端及上述分接点，转换至上述输出端。
13.如权利要求7所述的谐振重置双开重关正向转换器，其特征在于：上述整流电路包括第一及第二整流器以及第一及第二电感器；其中，在上述第一及第二开关导通时，能量由上述第一整流器及上述第一电感器转换至上述输出端，且在上述第一及第二开关截止时，能量由上述第二整流器及第二电感器转换至上述输出端。
14.如权利要求7所述的谐振重置双重开关正向转换器，其特征在于，上述整流电路为同步整流开关。
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