CN1252903C - 具有电压箝位线圈的零电压切换/零电压转移的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动整流电路的零电压切换(ZVS)或零电压转移(ZVT)的桥式转换器，一箝位线圈或电感并联于桥式转换器的谐振扼流圈，箝位线圈箝位谐振扼流圈的电压，通过箝位谐振扼流圈也就限制了输出变压器二次绕组的电压，输出变压器与整流电路相连，通过限制输出变压器的电压，从而也就限制了整流电路的电压。

Description

具有电压箝位线圈的零电压切换/零电压转移的装置
技术领域
本发明涉及一种软切换DC/DC(直流/直流)转换器，特别涉及一种在软切换DC/DC转换器中用箝位谐振扼流圈的电压来箝位或限制输出整流设备电压的装置。
背景技术
具有零电压转移(ZVT)或零电压切换(ZVS)的相位偏移DC/DC桥式转换器，普遍用于减小切换损耗。尽管标准的桥式转换器系统在许多应用中都是令人满意的，但是目前这种桥式转换器可能在输出整流器端发生过高的电压冲击(Overshoot)和严重的阻尼振荡(Ringing)。这种输出整流器的典型实例可以是整流二极管，也可以是由MOSFET组成的同步整流器。这种过高的冲击和阻尼振荡是由整流器的反向回复过程与变压器漏电感的相互作用引起的，其降低并因此导致了输出整流设备的故障。缓冲(Snubber)电路并非特别针对高冲击和阻尼振荡而设计的，因此这就需要特定的切换箝位。
针对这种情况，Redl在美国专利号5198969中的文献中提出了解决方法，Redl在上下电压端(rail)之间，串联插入了一对箝位二极管。该箝位二极管连接在扼流电感与桥式转换器的输出变压器之间的结点上。实际上，Redl将输出整流设备的电压箝位到谐振电感与电源变压器的结点电压。这样有效的箝位了变压器一次绕组的电压，当然变压器二次绕组也同样。然而这种布局结构在箝位二极管中产生了实际的正向电流和反向回复电流。这也是导致在二极管中实际功率损耗的原因。
在美国申请序列号：798186，申请日：2001年3月1日的文献中，以发明人Guerrera命名的“在软切换DC/DC转换器中用于整流二极管的无源电压箝位”电路中可以看到对Redl系统的改进，该申请已经转让给了本发明的受让人，并在本发明中作为整体参考。Guerrera通过为电源变压器提供一个附加绕组(Additional Winding)作为箝位线圈，从而同时对电源变压器的一次和二次电压进行了箝位。然而，虽然Guerrera系统确实是有效的，但制造这种系统却存在许多问题。特别是如何设计一变压器，将其适当的与Guerrera构成一体，就是一个较难解决的问题。由于Guerrera需要一个额外的接近于变压器一次绕组的箝位绕组，而在变压器上配置这种附加的箝位绕组，会减少变压器的效率。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决上述问题而提出一种具有限制过高电压冲击，以及限制输出整流二极管端严重的阻尼振荡的系统，同时也相对保持了ZVT/ZVS桥式转换器的高效率和可制造性。
本发明提供了一种软切换DC/DC转换器，该转换器包括通过一半导体切换设备互连的一正向电压输入端和一负向电压输入端，该转换器的变压器包括一次绕组和二次绕组，以及一连接到该变压器的二次绕组的输出整流电路，该转换器包括一用于箝位输出整流电路电压的装置，该装置包括第一和第二箝位二极管，串联跨接于正负电压输入端，一谐振电感与变压器的一次绕组串联，并且一电压箝位电路跨接于该谐振电感，该电压箝位电路包括一电感器，该电感器与该谐振电感相连并连接于该谐振电感的一个端点或一中间分接点，该电压箝位电路限制了输出端整流电路的电压。
该电压箝位电路箝位了通过该谐振扼流圈的电压，箝位电压的等级(degree)将随该电感器与该谐振电感间一有效圈数比率而改变，因变压器于输出电压时与该谐振电感并联，通过该变压器的电压也同时箝位了，藉此，输出整流器(rectifier)电路的电压也受到限制。即限制过高电压冲击，以及限制输出整流二极管端严重的阻尼振荡的系统，同时也相对保持了ZVT/ZVS桥式转换器的高效率和可制造性。
有关本发明的详细内容及技术，配合附图说明如下，其详细描述以及具体实施例用于解释而非限制本发明的范围。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为图1所示电路的工作波形图；
图3为图1的变换布局，箝位电感分接至扼流电感的中间端点；
图4为根据本发明应用半桥式拓扑的电路图；
图5为根据本发明应用半桥式拓扑的变换电路图；
图6为根据本发明应用顺向转换器拓扑的电路图；及
图7为根据本发明应用顺向转换器拓扑的变换电路图。
符号说明
Vin  输入电源
Q1   切换器Q2  切换器Q3  切换器Q4  切换器
C1   第一电容器  C2  第二电容器  C3  电容器  C4  电容器
T1   变压器  T2  变压器
n1   一级绕组  n2  二级绕组
Np   谐振扼流圈  NCL箝位线圈
D1   整流二极管  D2  整流二极管
D3   箝位二极管  D4  箝位二极管
Lo   电感器      Co  输出电容器
Vo   输出电压
10   电路   12   第一波形   14   第二波形
16   电路   18   电路       20   电路
22   电路   24   电路
具体实施方式
下述较佳实施例的描述仅是具体实例，并不是用于限制本发明及其应用和使用。
请参见图1，图1为一桥式转换器10，其包括一具电压箝位的谐振扼流圈。桥式转换器10包括一对输入端：正端和负端，通过与输入电源Vin的连接，来确定正电压端(rail)与负电压端(rail)。一对切换器Q1和Q2串联于正负电压端(rail)之间。另外一对切换器Q3和Q4也串联于正负电压端(rail)之间。第一电容器C1与切换器Q2并联，第二电容器C2并联于切换器Q4。转换器10还包括一个具有一次绕组n1和二次绕组n2的变压器T1，二次绕组n2具有一对二次绕组n2a以及n2b。需要指出的是电容器C1和C2代表了需要ZVS操作的集总电容量，包括MOSFET以及必要时的外接电容的等量输出电容量。
在电容器C1和C2的正端之间，一次绕组n1串联连接于变压器T2的谐振扼流圈Np。二次绕组n2a和n2b连接到输出整流二极管D1与D2。二次绕组n2a和n2b有一个公共端，其为电压输出Vo定义了一个负级参考电压端。二次绕组n2a和n2b的其它端子连接到相应的二极管D2与D1的正极。整流二极管D1与D2连接到输出电感器Lo。一输出电容器Co跨接在电压输出Vo端，输出电容器Co的一端与电感器Lo的一端相连。
同样参考图1，图中一附加绕组，即一箝位线圈NCL，与谐振扼流圈Np并联，箝位线圈NCL箝位了通过谐振扼流圈Np的电压。如果谐振扼流圈Np的线圈匝数与箝位线圈NCL的相等，则通过谐振扼流圈Np的电压与通过箝位线圈NCL的电压相等。另外，通过箝位谐振扼流圈Np端的电压，因此在变压器T1的一次绕组n1端的电压和在变压器T2端的二次绕组n2也会被箝位。
在工作时，如果谐振扼流圈Np的绕组的原始匝数是X匝，那么电压箝位NCL的线圈匝数优选为等同于Np的线圈匝数，即X匝。由于谐振扼流圈的线圈匝数等同于箝位线圈NCL的匝数，因此通过谐振线圈Np的电压也等同于通过箝位线圈NCL的电压。假设二极管D3的正向电压降是Vd3，二极管D4的电压降是Vd4，那么标记圆点的变压器T2的两个端子在电压的正向偏移期间都会被箝位到Vin+Vd3，在电压的反向偏移期间被箝位到电压-Vd4。如果忽略二极管的电压降，那么变压器T1与谐振线圈NP之间的互连，在电压的正向偏移期间就会被箝位到Vin，而在电压的反向偏移期间就会被接地。结果通过电源变压器T1的一次绕组n1的电压就会被箝位到Vin的绝对值，并且因此根据一次绕组n1与二次绕组n2之间的匝数关系来箝位二次绕组n2的电压。
图2为本发明图1的电路工作波形图。特别是第一波形12代表了应用了谐振扼流圈Np的箝位线圈NCL时，输出整流器端的反向电压。第二波形14代表了在谐振扼流圈Np端应用箝位线圈NCL时，通过整流二极管D1的电流。在图2中，箝位线圈NCL和谐振扼流圈Np具有相同的匝数。反向峰值电压近似220V，然而，在现有技术中，相位偏移桥具有近似296V的反向峰值电压。该反向峰值电压比类似Redl所述的电路高近5.8％。通过上述箝位二极管和D1的电流有效值(Root-Mean-Square，RMS)近似于1.156A RMS，与Redl电路比较，RMS电流大约低15％。而且，箝位二极管的反向回复时间非常重要，因为这与切换损耗是成比例的。对于谐振线圈的箝位线圈的漏电感解释了本发明之所以在输出整流器反向峰值电压方面略优于Redl的原因。总之，漏电感减小了通过箝位二极管D3和D4的电流有效值，并且降低了通过箝位二极管的反向电流。本发明电路的另外一个优点是灵活性，在二次绕组n2端的箝位电压可以高于电源变压器T1的线圈匝数比例所允许的电压，这里通过选择线圈匝数比例NCL/Np＜1来实现。而且，本发明显著地减小了恶劣的高频阻尼振荡，在传统相位偏移ZVS/ZVC转换器中，高频阻尼振荡经常导致后项(Consequent)减少和电磁干扰。
另外，本发明还具有以下几项优点，第一，在电源变压器中合并额外的绕组是公认的难点，特别对于应用分层绕组(Sandwich Winding)技术的变压器来说，需要将一次绕组一分为二，然后将二次绕组夹在其中。本发明将一个箝位线圈放在谐振扼流圈上，基本简化了这个问题。第二，如果该变压器的构造不允许改变成另外一个更大的变压器，在变压器中加入一箝位线圈可能降低绕组中的铜的面积(area)，从而可能降低效率。而本发明将箝位线圈置于谐振扼流圈中则可以解决这一问题。第三，当把一箝位线圈置于一电源变压器中时，一次绕组和二次绕组之间的漏电感就会增加，这是由于为了容纳箝位线圈，而增加了在一次绕组和二次绕组之间的间距。这样就需要一个更大的谐振扼流圈，用于适当的ZVS/ZVT切换。然而将一个箝位线圈置于谐振扼流圈中，并不会增加电源变压器的漏电感。第四，对于具有一个以上电源变压器的情况，只需要将一个箝位线圈加到图1所示的电路中，但如果变压器包括该箝位线圈，则就需要两个箝位线圈。第五，电源变压器中线圈匝数通常远远高于谐振扼流圈中的线圈匝数，因此，如果箝位线圈置于变压器中，则比其置于谐振线圈内需要更多匝数的线圈。第六，将箝位线圈置于变压器内需要顾及各种安全考量，但如果将箝位线圈置于谐振扼流圈中就可以缓解这种顾虑。第七，将箝位线圈置于谐振扼流圈中会使电路易于调节，而将箝位线圈置于变压器中则难以对电路进行优化。
图3为具有电压箝位的电路16，在该电路中，箝位线圈分接(Tap)在谐振扼流圈Np的任何位置。前述图中的数字标号将用于描述在图3～图7中的类似组件。在图3中，所有的组件都类似于在图1中的布局。图3与图1的区别在于，变压器T2包括了一个箝位线圈NCL，其分接在谐振扼流圈Np的任意位置。谐振扼流圈Np由两个电感线圈Np1和Np2组成，谐振扼流圈Np的线圈匝数等于Np1的匝数加上Np2的匝数。箝位线圈NCL的优选匝数等于绕组Np1的匝数。
请参见图4，图4具有一个电压箝位的电路18，图中电压箝位通过一半桥式拓扑实现。不同的是，电容器C3和C4取代了图1中的切换器Q3和Q4。在这种布局中，图1中的电容器C2在图4中被去掉。图5为电路20，在图5中，保留图1中切换器Q3和Q4及C2，电容器C1’和C2’取代图1中的切换器Q1和Q2，图1中的电容器C1在图5中被去掉。
请参见图6，图6为一应用箝位线圈的变换布局，图中在一个顺向转换器(Forward Converter)22中，箝位线圈置于一个谐振扼流圈上。切换器Q1串联在顺向转换器22的负端(rail)与变压器T1的一次绕组n1的第一端之间。一次绕组n1的第二端连接在谐振扼流圈Np的第一端上。谐振扼流圈Np的第二端连接到顺向转换器22的正电压端(rail)。一箝位线圈NCL的第一端连接到谐振扼流圈Np的第二端。如上所述，箝位二极管D3和D4串联在转换器22的正负电压端(rail)之间。箝位线圈NCL的第二端连接到二极管D3和D4之间的连线上。变压器T1还包括一个具有一对输出端子的二次绕组n2，每个输出端子连接到相应的整流二极管D1和D2的正向端。整流二极管D1和D2的反向端连接到输出电感器Lo上。输出电容器Co跨接在电压输出Vo端，并且一端连接到输出电感器Lo上。在工作过程中，箝位线圈NCL如上述图1～图5所示，通过箝位通过谐振扼流圈Np的电压来进行工作。
图7为本发明的电压箝位线圈应用在一顺向转换器24中，但其连接到变压器T1的一次绕组n1相反的引线(Leg)上。箝位线圈NCL相似的连接在箝位二极管D3和D4的连线与谐振扼流圈Np的引线之间。在图7所示的实施例中，谐振扼流圈Np串联于切换器Q1与变压器T1的一次绕组n1的引线。一次绕组n1的另外一引线连接到顺向转换器24的正电压端(rail)。
虽然本发明以前述的较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，故本技术领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作一些的修改和变化，因此本发明的保护范围当以权利要求为准。

Claims (17)

1、一种用于箝位输出整流电路电压的装置，其位于软切换直流/直流转换器中，该转换器包括：通过一半导体切换设备互连的一正向电压输入端和一负向电压输入端，一变压器，以及与该变压器二次绕组相连的输出整流电路，其特征在于，该装置包括：
第一箝位二极管和第二箝位二极管，串联在正负电压输入端之间；
一谐振电感，串接于该变压器的一次绕组；及
一电压箝位电路，该电压箝位电路包括一电感器，该电感器与该谐振电感相连并连接于该谐振电感的一个端点或该谐振电感的一中间分接点，该电压箝位电路限制了输出整流电路的电压。
2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，该电感器与该谐振电感并联。
3、如权利要求2所述的装置，其特征在于，该电压箝位电路的电感器包括线圈的数量等同于该谐振电感的线圈数量。
4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，该输出整流电路至少包括一组二极管与同步整流器。
5、如权利要求1所述的装置，其特征在于，该转换器为一相位偏移桥式转换器，该桥式转换器包括至少两个串联在正负电压输入端的切换器，其中该至少两个切换器互连在一结点，其中，该一次绕组的第一端连接到该结点，并且该一次绕组的第二端连接到该谐振电感。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于，该桥式转换器为全桥转换器与半桥转换器的任意一个。
7、如权利要求1所述的装置，其特征在于，该转换器为一顺向转换器，该顺向转换器包括一切换器，其在输入端正负电压之间串联连接于变压器一次绕组，其中该一次绕组的第一端与该谐振电感相连，该二次绕组与该输出整流电路相连。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，该一次绕组的第二端连接在正向电压输入端。
9、如权利要求7所述的装置，其特征在于，该一次绕组的第二端经过半导体切换器连接到负电压端上。
10、一种软切换直流/直流转换器装置，其特征在于，包括：
一正向电压输入端和一负向电压输入端；
一半导体切换设备，其与该正负电压输入端互连；
一变压器，其包括一次绕组和二次绕组；
一输出整流电路，其与该变压器的二次绕组相连；
第一和第二箝位二极管，其串联于正负电压输入端之间；
一谐振电感，其与该变压器的该一次绕组相串联；
一电压箝位电路，该电压箝位电路包括一电感器，该电感器与该谐振电感相连并连接于该谐振电感的一个端点或该谐振电感的一中间分接点该电压箝位电路限制该输出整流电路的电压。
11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，该电感器包括的线圈数量等同于该谐振电感的线圈数量。
12、如权利要求10所述的装置，其特征在于，该输出整流电路至少包括一组二极管与同步整流器。
13、如权利要求10所述的装置，其特征在于，该转换器为一相位偏移桥式转换器，该桥式转换器包括至少两个串联在正负电压输入端的切换器，其中该至少两个切换器互连在一结点，其中，该一次绕组的第一端连接到该结点，该二次绕组连接到该输出整流电路，并且该一次绕组的第二端连接到该谐振电感。
14、如权利要求13所述的装置，其特征在于，该桥式转换器为全桥转换器与半桥转换器的任意一个。
15、如权利要求10所述的装置，其特征在于，该转换器为一顺向转换器，该半导体切换设备包括一切换器，其在输入端正负电压之间串联连接于变压器一次绕组。
16、如权利要求15所述的装置，其特征在于，该一次绕组的第二端连接在正向电压输入端。
17、如权利要求15所述的装置，其特征在于，该一次绕组的第二端经过半导体切换器连接到负电压端上。
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