CN1402902A - 减少开关损耗的前置转换电路 - Google Patents

Abstract

一种前置转换电路显示地减少了开关损耗而提供比以前所述的常规电路更高的效率。第一开关与变压器的初级线圈连接并且适用于选择性地使总线电压端与初级线圈的第一终端连接。第二开关与变压器连接并且适用于选择性地使初级线圈的第二终端接地。第一和第二开关响应第一周期性门控制信号而被触发。在总线电压端和变压器中的初级线圈的第二终端之间联接二极管。第三开关与变压器连接并且适用于选择性地使变压器中的初级线圈的第一终端接地。第三开关响应第二周期性门控制信号而被触发。第二周期性门控制信号相对于第一周期性门控制信号实际上是倒相的。第二开关并联一个电容器。来自总线电压端的电能在第一和第二开关处于对第一周期性门控制信号起反应的导电状态的情况下在前置转换电路的一部分操作时间间隔期间从变压器的初级线圈输送到变压器的次级线圈。

Description

减少开关损耗的前置转换电路

                    相关申请资料

本申请以1999年11月5日提交申请的临时专利申请，序号60/164,026，按照35U.S.C.§119(e)要求优先权。在本申请中该文献全部引入为参考。

技术领域

本发明涉及DC对DC功率转换电路，更详细地涉及通过在一些主要开关各自的导电状态以前，使其两端上的电压设定到零而达到显著减少开关损耗的双开关前置转换电路。

技术背景

在DC对DC功率转换电路的变压器的初级线圈侧设备比较高的DC电压脉冲调制电源的技术方面双开关前置转换电路为大家所熟悉。在图1中提供一种常规双开关前置转换电路的例子。双开关前置转换电路其命名源出用来周期性地开关在变压器20的初级线圈侧二端上总线电压V_BUS的两个MOSFET开关12、14。总线电压V_BUS一般是比较高的DC电平，例如380伏。

如图1所示，第一开关12具有与V_BUS连接的漏端和与变压器20初级线圈的第一终端A连接的源端。第二开关具有接地的源端和连接变压器20初线线圈第二终端B的漏端。变压器20的第一终端A通过二极管16接地而变压器20的第二终端B通过二极管18连接到V_BUS。由脉冲宽度调制器输入信号PWM IN驱动第一和第二开关12、14的栅端。为了使源电压相对于地漂移，推动变压器驱动第一开关12的栅端。PWM IN直接驱动第二开关18^*的栅端。会察觉到每个开关12、14包含在其漏端和源端之间确定的内部体二极管和体电容C_DS。

根据图2的定时图说明图1中的双开关前置转换电路的操作。在图2中，把PWM IN信号表示为一连串具有预定占空时间间隔的矩形脉冲。在发给第一个脉冲以前的时间里，前置转换电路处于两个开关12、14是关断的稳态情况(即，未导电)。在总线电压V_BUS差不多一半处，变压器的终端A上电压V_A和变压器的终端B上电压V_B已相等，所以在变压器两端上电压V_A-B为零。各个开关12、14的体电容C_DS被充电。当PWMIN信号从低变成高时，两个开关12、14被导通，引起V_A上升到V_BUS而V_B跌落到地，因此全部总线电压是在变压器20两端上。这就使电流能流过两个开关12、14并且流过变压器20的初级线圈，把电能输送到变压器20的次级线圈。在这样的状态中，变压器20两端上的电压为总线电压V_BUS。

当PWM IN信号从高变成低时，两个开关12、14被关断。变压器20中的泄漏电流和磁化电流开始使各个开关12、14中的体电容C_DS充电。这就使V_A跌落到地而V_B上升到V_BUS，因此负的总线电压-V_BUS加在变压器20两端上。当开关12、14两端上电压达到V_BUS时，磁化电流开始流过二极管16、18和变压器20通过放泄回到总线的磁化能而开始复原。在一个时间间隔以后，变压器20含有零磁化电流而通过二极管16、18的电流下降到零，于是前置转换电路恢复到以上所述的稳态情况。随着变压器20两端上电压恢复到零，通常出现一些减幅振荡，如图2中所画的那样。

双开关前置转换电路很大的缺点是它的低效率，由于三个原因。第一，当开关导电时在各个开关12、14的体电容C_DS中积聚的电荷受损失。即使在零电流情况下导通开关，也有由于体电容C_DS放电引起的效率损失。第二，开关12、14当它们改变状态时，由于在转换时间间隔期间有漏端和源端之间的电压以及在漏端和源端之间流动的电流，因此有转换功率损耗。转换电流和电压在器件中引起功率冲击。第三，有由于MOSFET的漏-源电阻(R_DS)造成的开关12、14的电阻损耗。虽然能够通过挑选具有低漏—源电阻R_DS的MOSFET而使上述第三种效率低减到最小程度，但是不能完全排除。如果开关12、14能适应随零电压和零电流而改变状态，则在双开关前置转换电路的效率上能获得显著的改进。

因此，最理想的是提供一种具有显著减小开关损耗而达到比以上所述的常规电路高的效率的双开关前置转换电路。更准确地说，最理想的是提供一种具有实际上随零电压和零电流而改变状态的开关的双开关装置转换电路。

发明内容

本发明针对具有显著减小开关损耗而达到比以上所述的常规电路高的效率的前置转换电路。前置转换电路类似于包括有初级和次级线圈的变压器以及用来分别使初级线圈与总线电压和地连接的两个开关的常规电路。但是与常规电路不一样，本发明进一步包括适用于在运行周期之间增大从变压器去除磁化电流速度以便减小二个原有开关的开关损耗的第三个开关。

在发明的实施例中，第一开关与变压器的初级线圈连接并且选择性地使初级线圈第二终端与地连接。响应第一周期性门控制信号，触发第一和第二开关。在总线电压终端和变压器初级线圈的第二终端之间联接二极管。第三开关与变压器联接并且适用于选择性地使变压器初级线圈的第一终端与地连接。响应第二周期性门控制信号，触发第三开关。实施上使第二周期性门控制信号相对于第一周期性门控制信号倒相。第二开关并联一个电容。在第一和第二开关处于第一周期性门控制信号起作用的导电状态下在一部分前置转换电路运行时间间隔期间来自总线电压终端的电能被从变压器初级线圈输送到变压器次级线圈。

更准确地说，第一周期性门控制信号进一步包括具有预定的占空系数的矩形波形。第二周期性门控制信号进一步包括相对于第一周期性门控制信号的占空系数反相的占空系数的矩形波形。在第二周期性门控制信号的后沿和第一周期性门控制信号的前沿之间确定第一时延时间间隔。在第一周期性门控制信号的后沿和第二周期性门控制信号的前沿之间确定第二时延时间间隔。

对精通技术的人来说，通过对下面最佳实施例的详细描述的研究，不但将能更透彻地了解具有减小开关损耗的前置转换电路，而且将能领会更多的优点及其目的。

将要参考附图，先简略地说一说附图。

附图说明

图1是在先技术双开关前置转换电路的示意图；

图2说明在先技术双开关前置转换电路内各个电压电平的定时图；

图3是根据本发明的双开关前置转换电路的示意图；和

图4说明在图3的双开关前置转换电路内各个电压电平的定时图。

具体施例方式

本发明满足具有显著减少开关损耗而提供比常规前置转换电路更高效率的双开关前置转换电路的要求。在下面的详细描述中，用同样的元件标号标注在单张或多张图内说明的同样的元件。

现在参阅图3，举例说明根据本发明提供的一种双开关前置转换电路。该双开关前置转换电路不同于在先技术电路，其中用第三开关26替换二极管16。由于第三开关26含有内部体二极管，所以当该开关关断时内部体二极管提供二极管16的功能。此外，双开关前置转换电路包括在第二开关14的源端和漏端之间联接的电容器28。最后，设置接收脉冲宽度调制输入PWM IN并提供二个门驱动输出G₁、G₂的可编程序驱动/延迟电路24。第一门驱动输出G₁以与图1中的在先技术电路的PWM IN同样的方式驱动第一和第二开关12、14的栅端。第二门驱动输出G₂驱动第三开关26的栅端。

根据图4的定时图说明图3的双开关前置转换电路的操作。在图4中，把PWM IN信号表示成具有预定占空系数的一连串矩形脉冲，而脉冲在时间T₁时从低向高上升和在时间T₃时从高向低下降。在接着时间T₁的时延TD₁以后，在时间T₂时第一门驱动输出G₁从低向高上升。然后第一门驱动输出G₁在时间T₃时与PWM IN信号一道从高向低回落。第二门驱动输出G₂具有相对于PWM IN信号倒相的占空系数，并且在时间T₁时从高向低回落而在接着时间T₃的时延TD₂以后在时间T₄时从低向高上升。

在T₁以前的时间里，第三开关26被接通而第一和第二开关12、14被关断。环流流过变压器20初级线圈、流过第三开关26和流过第二开关14的体二极管。第一开关12的漏端和源端之间电压等于满总线电压V_BUS，并且使第一开关12的体电容C_DS充电。在第二和第三开关14、26的漏端和源端之间电压为零。在时间T₁时，第二门驱动输出G₂从高向低下降，使第三开关26关断。由于第一门驱动输出C₁仍然是低的，所以第一和第二开关12、14仍然是断开的。环流停止从第三开关26的漏端流出。这样就引起第三开关26的体电容充电和使第一开关12的体电容放电。环流仍然流过变压器20和流过第二开关14的体二极管。

如图4所示，虽然电压没有一直上升到V_BUS，但是电压V_A在时间T₁和T₂之间的时延TD₁期间升高反映出在第三开关26的体电容内建立电荷。实现这样转换的一种途径是通过在低电平电流流过变压器20时变压器20出现高阻抗，例如通过在变压器20的次级线圈侧上有一个饱和扼流圈。饱和扼流圈可以包括包在变压器20次级线圈里的铁氧体垫圈。铁氧体垫圈会出现高阻抗，然后流过那里的电流使阻抗下降而很快被饱和。开始时的高阻抗使第三开关26的体电容很快充电。在第三开关26的体电容C_DS内快速建立电荷的另一途径是包含一个与变压器20串联的漏电感器。

在时间T₂时，第一门驱动输出G₁从低向高上升，于是开关12、14被接通。这样就使V_A上升到V_BUS。由于V_B早已处于接地，所以在变压器两端上是满总线电压V_BUS并且电流流过两个开关12、14的通路和流过变压器20的初级线圈而把电能输送到次级线圈。与在先技术电路中的一样，变压器20两端上的电压是处于满总线电压V_BUS。特别是，第二开关14在时间T₂时从零电压状态起就被接通，而所以没有任何开关损耗或者体电容损耗。由于第一开关12从因其体电容C_DS充电引起的小于V_BUS但不是零的电压起被接通，所以第一开关12有一些开关损耗和体电容损耗。尽管如此，这种损耗比起以上所述的在先技术前置转换电路中存在的损耗来是微不足道的。

在时间T₃时，第一门驱动输出G₁从高向低下降，于是关断开关12、14。第三开关26仍然是关断的。变压器20中的泄漏和磁化电流开始使联接在第二开关14两端的电容器28和第一开关12的体电容C_DS充电。这就在时间T₃和T₄之间的时延TD₂期间使V_A降回到地而使V_B升回到V_BUS，如图4所示。因为使第二开关14的漏电流转向电容器28，所以排除第二开关14在从开到关转换期间的关断损耗。当在第三开关26两端上的电压，即V_A，到达零时，磁化电流开始流过第三开关26的体二极管。同样，当在第二开关14两端上的电压，即V_B，到达V_BUS时，磁化电流开始流过二极管18。只要第三开关26的体二极管和二极管18导通，变压器20通过把磁化能排回到总线而开始重新运动。

在时间T₄时，在时延TD₂以后，第二门驱动输出G₂从低向高上升于是第三开关26被接通。由于在第三开关26从关转到开时在第三开关26两端上没有电压，所以没有开关损耗或电容损耗。在时间T₄和T₅之间，变压器20通过二极管18和通过第三开关26清除磁化电流而继续重新起动。最后，在时间T₅时，变压器20具有零磁化电流而通过二极管18和第三开关26的电流等于零。然后，由于第三开关26导通所以电容器28开始通过变压器20放电。随着电容器28放电，如图4所示，电压VB下降到地。所以，环流重新流过变压器20、流过第二开关14的体二极管和流过第三开关26。在时间T₆时，前置转换电路返回到其处于时间T₁时的情况，而重复循环。

这样就描述了具有减小开关损耗的前置转换电路的实施例。已获得所描述的装置的一些优点，这对精通技术的人来说应该是显而易见的。也会意识到本发明的范围和精神内可以作各种各样变化、修改和替换其实施例。由下面的权利要求书划定发明界限。

Claims (20)

1.一种前置转换电路，包括：

具有初级线圈和次级线圈的变压器；

与上述变压器连接并且适用于选择性地使总线电压端与上述变压器中的上述初级线圈的第一终端连接的第一开关，上述第一开关包含内部电容；

与上述变压器连接并且适用于选择性地使上述变压器中的上述初级线圈的第二终端与地连接的第二开关，上述第一开关包含内部电容，上述第一和第二开关响应第一周期性门控制信号而触发；

在上述总线电压端和上述变压器中的上述次级线圈的上述第二终端之间联接的二极管；

与上述变压器连接并且适用于选择性地使上述变压器中的上述初级线圈的第一终端与地连接的第三开关，上述第三开关包含内部电容，上述第三开关响应第二周期性门控制信号而触发，上述第一周期性门控制信号相对于第一周期性门控制信号实际上是倒相的；和

与上述第二开关并联的电容器；

其中，来自上述总线电压端的电能在上述第一第二开关处于导电状态的情况下在上述前置转换电路的一部分操作时间间隔期间从上述变压器的初级线圈转移到上述变压器的次级线圈，并且在实际上为零电压和零电流的条件下至少上述第二和第三开关在非导电状态和导电状态之间变化。

2.权利要求1的前置转换电路，其中在上述部分的上述操作时间间隔以后上述变压器的上述磁化电流使上述电容器充电而消除上述第二开关的关断损耗。

3.权利要求2的前置转换电路，其中在上述第三开关处于非导电状态的情况下进一步引志上述磁化电流通过上述第三开关和上述二极管。

4.权利要求1的前置转换电路，进一步包括用来产生上述第一和第二周期性门控制信号的发生器，上述第一周期性门控制信号进一步包括具有预定占空系数的矩形波形，上述第二周期性门控制信号进一步包括具有相对于上述第一周期性门控制信号的上述占空系数倒相的占空系数的矩形波形。

5.权利要求4的前置转换电路，其中在上述第一周期性门控制信号前沿和上述第二周期性门控制信号后沿之间确定第一时延时间间隔，而在上述第一周期性门控制信号后沿和第二周期性门控制信号后沿和上述第二周期性门控制信号前沿之间确定第二时延时间间隔。

6.权利要求1的前置转换电路，其中上述第一开关、第二开关和第三开关各自进一步包括MOSFET器件。

7.权利要求1的前置转换电路，进一步包括与上述变压器的上述初级线圈连接的饱和扼流圈，上述饱和扼流圈提供使上述第三开关的上述体电容快速充电的起始高阻抗。

8.权利要求1的前置转换电路，其中在上述第一和第二周期性门控制信号中的各个正的部分之间确定延迟时间间隔。

9.权利要求8的前置转换电路，其中上述初级线圈的上述第一终端和地之间的电压在上述延迟时间间隔期间下降到零。

10.权利要求8的前置转换电路，其中上述初级线圈的上述第二终端和地之间的电压在上述延迟时间间隔期间上升到总线电压。

11.一种前置转换电路，包括：

具有初级线圈和次级线圈的变压器；

用于选择性地使总线电压端与上述变压器中的上述初级线圈的第一终端连接的第一开关装置；

用于选择性地使上述变压器中的上述初级线圈的第二终端与地连接的第二开关装置，上述第一和第二开关装置对第一周期性门控制信号起反应；

联接在上述总线电压端和上述变压器中的上述初级线圈的上述第二终端之间的二极管；

用于选择性地使上述变压器中的上述初级线圈的上述第一终端与地连接的第三开关装置，上述第三开关装置对第二周期性门控制信号起反应，上述第二周期性门控制信号相对于上述第一周期性门控制信号实际上是倒相的；和

下上述第二开关并联的电容器；

其中，来自上述总线电压端的电能在上述第一和第二开关装置处于志电状态的情况下在一部分操作时间间隔期间从上述变压器中的上述初级线圈转移到上述变压器中的上述次级线圈。

12.权利要求11的前置转换电路，其中在上述操作时间间隔中的上述部分以后上述变压器中的磁化电流使上述电容器充电而消除上述第二开关装置的关断损耗。

13.权利要求12的前置转换电路，其中在上述第三开关装置处于非导电状态的情况下进一步引导上述磁化电流通过上述第三开关装置和上述二极管。

14.权利要求11的前置转换电路，进一步包括用来产生上述第一和第二周期性门控制信号的装置，上述第一周期性门控制信号进一步包括具有预定占空系数的矩形波形，上述第二周期性门控制信号进一步包括具有相对于上述第一周期性门控制信号的上述预定占空系数倒相的占空系数的矩形波形。

15.权利要求14的前置转换电路，其中在上述第一周期性门控制信号前沿和上述第二周期性门控制信号后沿之间确定第一时延时间间隔，并且在上述第一周期性门控制信号后沿和上述第二周期性门控制信号前沿之间确定第二时延时间间隔。

16.权利要求11的前置转换电路，其中上述第一、第二和第三开关装置至少其中之一包括MOSFET器件。

17.权利要求11的前置转换电路，进一步包括与上述变压器的上述次级线圈连接的饱和扼流圈。

18.权利要求11的前置转换电路，其中在上述第一和第二周期性门控制信号的各个正的部分之间确定延迟时间间隔。

19.权利要求18的前置转换电路，其中在上述初级线圈的上述第一终端和地之间的电压在上述延迟时间间隔期间下降到零。

20.权利要求18的前置转换电路，其中在上述初级线圈的上述第二终端和地之间的电压在上述延迟时间间隔期间上升到总线电压。

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