CN1384591A - 谐振重置双重开关正向DC－to－DC转换器 - Google Patents

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Abstract

一种谐振重置双重开关正向DC－to－DC转换器,包括:一输入端,接收具有一低位准及一高位准的一直流电压;一输出端;一变压器,具有一一次侧线圈及一二次侧线圈;一第一及第二开关器,串联连接变压器的一次侧线圈,周期性地连接输入端与上述一次侧线圈;一于第一及第二开关器的截止周期时重置上述变压器的谐振电容器;一附属开关器,于第一及第二开关器的导通周期时保持截止,且于第一及第二开关器的截止周期时,连接一次侧线圈至上述谐振电容器;以及一整流电路,连接二次侧线圈至输出端;本发明扩大开关器导通周期,并减少一次侧开关的传导损失,使主要开关器可以得到软关断;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DC-to-DC转换器
技术领域
本发明涉及一种电源供应系统，特别有关于一种谐振重置(resonatereset)双重开关正向(forward)DC-to-DC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DC-to-DC转换器中。于高输出电压操作中，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(magneticreset 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分别表示一习知双重开关正向DC-to-DC转换器的结构及关键动作波形。使用两个开关器于一次侧，当上述两个开关器导通时，上述变压器连接至上述输入端，且能量从电源端传送至负载；于上述两开关器截止时，通过于图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一次侧线圈，然后上述磁化电流被重置至零。由于上述开关器的汲源极电压被钳位(clamped)至上述输入电压，上述开关器只确保上述输入端的电压应力。
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器的导通时间。因此，于低输入操作情形下，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。
为了减少上述一次侧的传导损失，以及降低上述二次侧的电压应力，最好是增加上述正向转换器的导通周期大于50％。假如于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分别说明一习知具有谐振重置的单端(single-ended)正向DC-to-DC转换器的结构以及关键动作波形。于此转换器中，只使用一个开关器S1于上述变压器的一次侧，以及一谐振重置电容Cr与上述开关器S1并联。
当上述开关器S1导通时，上述变压器一次侧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。于上述开关器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，于半个谐振周期后，上述磁化电流t被重置至零，且一次侧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，直到上述开关器S1导通。于开关器S1导通时，上述谐振电容器Cr会通过开关器S1放电，且储存在电容器Cr的能量会消散于上述开关器S1中。因此，开关器S1的功率消耗会变大，特别是在高输入电压时，因为储存于上述电容器Cr中的能量，随着上述输入电压的方波增加，上述开关器S1的功率消耗会明显地增加。
另一缺点为上述开关器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，且克服了习知缺点的电源转换器拓扑结构。
依据上述目的，本发明提供一克服习知的前述缺点的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器。于本案较佳实施例中，一谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，包括一输入端，接收具有一低位准及一高位准的一直流电压；一输出端；一变压器，具有一一次侧线圈及一二次侧线圈；一第一及第二开关器，串联连接上述变压器的上述一次侧线圈，周期性地连接上述输入端与上述一次侧线圈；一于上述第一及第二开关器的截止周期时重置上述变压器的谐振电容器；一附属开关器，于上述第一及第二开关器的导通周期时保持截止，且于上述第一及第二开关器的截止周期时，连接上述一次侧线圈至上述谐振电容器；以及一整流电路，连接上述二次侧线圈至上述输出端。
由于上述较大的反射(reflected)输出电流，上述低位准侧(lowside)的主要开关器及附属开关器于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器以及附属开关器，都具有一本体二极管(body diode)。
本发明的另一实施例中，一外加的电感与上述一次侧线圈或二次侧线圈串联连接，使上述高位准侧(high side)的开关器得到一零电压切换状态。
于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。
于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份，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。
于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，于上述主要开关器截止时，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)上述开关器导通周期，以及减少上述一次侧开关的传导损失的能力。
本发明的另一优点，是上述主要开关器可以得到软关断(softswltchlng condltlon)，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(ratlng voltageswltchlng)，因此，它可用于高输入电压转换设计中。
附图说明
图1A，为习知普通双重开关正向DC-to-DC转换器的示意图；
图1B，说明图1 A中双重开关正向DC-to-DC转换器的开关键动作波形；
图2A，为另一习知具有谐振重置的单端开关正向DC-to-DC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DC-to-DC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DC-to-DC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DC-to-DC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DC-to-DC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的主要开关器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DC-to-DC转换器的示意图；一电容器C1，提供具有低位准及高位准的一适合的输入电压；两个主要开关器S1及S2，与变压器Tr的一次侧线圈串联连接；于导通周期中，主要开关器S1及S2连接上述电压器一次侧线圈至上述输入电压，其中上述开关器S1连接至上述低位准侧，且上述开关器S2连接至上述高位准侧；一电容器Cr，与上述输入电压的低位准侧相连的上述一次侧线圈的一端连接；一附属开关器Sa，连接上述开关器S2及上述输入电压的低位准侧；提供一控制信号至上述附属开关Sa，使得于上述主要开关器S1及S2截止时，上述一次侧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。
于二次侧中，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。于上述主要开关器S1及S2导通时，整流器D1由二次侧传导电流至电感L1，然后提供至负载；于上述主要开关器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器S1及S2以及附属开关器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DC-to-DC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于图4A及图4B中。
A：正向模式
于上述主要开关器S1及S2截止时，附属开关器Sa导通，且上述变压器一次侧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
于此时间周期中，上述主要开关器S1及S2导通，附属开关器Sa截止。上述主要开关器S1及S2的汲源电压Vds1及Vds2会保持为零，且上述输入电压被提供至上述变压器一次侧，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。一次侧电流Ip会为上述磁化电流(magnetizingcurrent，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，会为二次侧中被整流的输入电压。
[2]    t1＜t＜t2
于时间t1时，上述主要开关器S1及S2截止，于一短暂空截时间(deadtime)后，附属开关器Sa导通，连接上述开关器S2的上述一次侧线圈，会连接至上述输入电压的低位准。上述一次侧电流Ip对上述电容Cr器充电，上述电容器Cr的电压会增加，且一次侧电流Ip会减少。于时间t2时，储存于变压器漏电感(leakage inductance)中的能量完全地转换至上述电容器Cr中，上述一次侧电流会等于上述磁化电流。
[3]    t2＜t＜t3
于此时间周期中，于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器S1的本体二极管(body diode)。
[4]    t3＜t＜t4
于此时间周期中，上述开关器S1及S2的本体二极管以及附属开关器Sa全部都导通，使得上述磁化电流MC保持固定，直到上述主要开关器S1及S2导通。于时间t4时，开关器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，不只是减少一次侧的均方根(RMS)电流，也减少上述二次侧整流器的电压应力。
第二，于上述主要开关器S1及S2截止时，上述主要开关器S1的汲源电压，只为上述重置电压，且通过上述附属开关器钳位的上述主要开关器S2的汲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，而取代习知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，上述开关器S1会导通，不会产生额外的功率消耗。此外，由于上述开关器S1与上述电容器Cr的并联连接，上述开关器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可以连接于与上述输入电压的高位准侧，以及与上述主要开关器S1连接的一次侧线圈之间。上述变压器Tr、主要开关器S1、S2以及附属开关器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与上述一次侧或二次侧线圈串联连接，用以使上述高位准侧的主要开关器S2，达到零电压切换。于上述主要开关器S2导通时，上述附属开关器Sa会首先截止，储存于上述电感器Lk及Ls中的能量，将会对上述主要开关器S2中的输出寄生电容充电，只要上述电感Lk或Ls够大，上述主要开关器S2就可以于零电压状态下导通，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于上述变压器中。
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。上述变压器的二次侧线圈具有一第一端、一第二端以及一分接点(tapping point)。于上述主要开关器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。对于上述主要开关器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。由于在主要开关器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。由于上述主要开关器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作上述整流电路。一般来说，需要一个驱动控制电路，于上述主要开关器S1及S2导通时，保持上述整流器D1导通，且于上述主要开关器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 (21)

1.一种谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：包括：
一输入端，接收具有一低位准及一高位准的一直流电压；
一输出端；
一变压器，具有一一次侧线圈及一二次侧线圈；
一第一及第二开关器，串联连接上述变压器的上述一次侧线圈，周期性地连接上述输入端与上述一次侧线圈；
一于上述第一及第二开关器的截止周期时重置上述变压器的谐振电容器；
一开关装置，于上述第一及第二开关器的导通周期时保持截止，且于上述第一及第二开关器的截止周期时，连接上述一次侧线圈至上述谐振电容器；以及
一整流电路，连接上述二次侧线圈至上述输出端。
2.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述开关装置连接至上述一次侧线圈具有上述输入端中低位准侧的一端。
3.如权利要求2所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述谐振电容器连接至上述一次侧线圈具有上述输入端中低位准侧的另一端。
4.如权利要求2所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述谐振电容器连接至上述一次侧线圈具有上述输入端中高位准侧的另一端。
5.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述每一第一及第二开关器以及上述开关装置，都具有一本体二极管。
6.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：一外加电感器，串联连接上述变压器的上述一次侧线圈。
7.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：一外加电感器，串联连接上述变压器的上述二次侧线圈。
8.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述变压器的二次侧线圈具有一第一端、一第二端以及一抽头位置；其中于上述第一及第二开关器导通时，能量由上述第一端以及抽头位置，转换至上述输出端，且于上述第一及第二开关器截止时，能量由上述第二端及上述抽头位置，转换至上述输出端。
9.如权利要求1所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述整流装置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器导通时，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器截止时，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1所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述整流器为同步整流开关。
11.一种谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：包括：
一输入端，接收具有一低位准及一高位准的一直流电压；
一输出端；
一变压器，具有一一次侧线圈以及一二次侧线圈；
一第一及第二开关器，串联连接上述变压器的上述一次侧线圈，周期性地连接上述输入端至上述一次侧线圈；
一于上述第一及第二开关器的截止周期时重置上述变压器的重置电路；以及
一整流电路，连接上述二次侧线圈至上述输出端。
12.如权利要求11所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述重置电路包括：
一谐振电容器；以及
一开关装置，于上述第一及第二开关器的导通周期时保持截止，且于上述第一及第二开关器的截止周期时连接上述一次侧线圈至上述谐振电容器。
13.如权利要求12所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述开关装置连接至上述一次侧线圈具有上述输入端中低位准侧的一端。
14.如权利要求13所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述谐振电容器连接至上述一次侧线圈具有上述输入端中低位准侧的另一端。
15.如权利要求13所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述谐振电容器连接至上述一次侧线圈具有上述输入端中高位准侧的另一端。
16.如权利要求11所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述每一第一及第二开关器以及上述开关装置，都具有一本体二极管。
17.如权利要求11所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：一外加电感器，串联连接上述变压器的上述一次侧线圈。
18.如权利要求11所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：一外加电感器，串联连接上述变压器的上述二次侧线圈。
19.如权利要求11所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述变压器的二次侧线圈具有一第一端、一第二端及一抽头位置；其中于上述第一及第二开关器导通时，能量由上述第一端以及抽头位置，转换至上述输出端，且于上述第一及第二开关器截止时，能量由上述第二端及上述抽头位置，转换至上述输出端。
20.如权利要求11所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述整流装置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器导通时，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器截止时，能量由上述第二整流器及第二电感器转换至上述输出端。
21.如权利要求11所述的谐振重置双重开关正向DC-to-DC转换器，其特征是：上述整流器为同步整流开关。
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