CN205283404U - 新的Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器电路拓扑 - Google Patents
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Abstract
一种新的Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器拓扑，新拓扑融合了非隔离同步Buck型DC-DC变换器芯片的优异性能，简化了隔离型DC/DC变换器电路设计，使磁性元件可以运行在有源复位状态，全部功率半导体开关器件可以在零电压、零电流开关状态下运行，通过将输入电源地线与DC/DC变换器初级侧电路地线分离，使得新的电路拓扑具有宽广的输入电压范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及将一种直流电源隔离变换成另一种直流电源的功率电子电路。
背景技术
DC-DC变换器是利用高频功率转换技术实现将一种直流电源变换成另一种直流电源的功率电子电路。按输入与输出的关系DC-DC变换器可分为两大类型，即隔离型和非隔离型。相对而言，非隔离型DC-DC变换器电路比较简单，集成度高，技术指标优异。但隔离型DC-DC变换器通过引入高频功率变压器，可以使变换器的输入端与输出端之间实现电学隔离，这是许多实际应用提出的基本要求。本实用新型基于典型的非隔离同步Buck型DC-DC变换器芯片，提出一种新的隔离型DC-DC变换器电路拓扑------Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器。
发明内容
为了使隔离型DC-DC变换器能够高效率运行，且体积小、重量轻、具有高可靠性，人们不断开发和积极引用新型半导体器件和新的被动元器件，同时在电源电路的拓扑结构上谋求创新。本实用新型专利正是基于这样的思路，提出一种新的基于非隔离同步Buck型DC-DC变换器芯片的隔离型DC-DC变换器电路拓扑。传统的中小功率隔离型DC-DC变换器电路拓扑，主要是基于Boost型的单端电路拓扑，例如：Flyback、Forward等拓扑结构，其基本特点是：通过将输入电源地线与DC/DC变换器初级侧电路地线合二为一，使功率半导体开关器件及其相应的半导体控制芯片都以公共地线为参考，作为开关电源的主要调节参数：开关占空因数(DutyCycle)也以公共地线作为参考。
近年来，随着功率集成电路技术的不断进步，使得功率集成电路产品不断推陈出新。此项技术的发展不仅推动了传统的隔离型和非隔离型DC-DC变换器的技术进步，还为两类DC-DC变换器的技术融合创造了契机。功率集成同步Buck型DC-DC变换器芯片是一种基于Buck型电路拓扑的功率集成电路，其基本特点是：功率半导体开关器件和开关占空因数(DutyCycle)都是以输入供电电源的正电压轨作为参考，是非隔离型DC-DC变换器芯片中应用最广、性能指标最为优异的产品类别。将此类芯片在应用上与相对复杂、低效的中小功率隔离型DC-DC变换器电路设计相融合，是隔离电源设计的一个新途径。
基于功率集成同步Buck型DC-DC变换器芯片，美国德州仪器公司(TexasInstruments)提出了Fly-Buck隔离型DC-DC变换器专利。该专利利用Flyback电路拓扑中起隔离作用的耦合电感代替了非隔离同步Buck型DC-DC变换器中的输出电感，构成了新型Fly-Buck隔离型DC-DC变换器，其电路拓扑如附图1所示。该电路是在非隔离同步Buck型变换器的典型应用模式基础上，使用耦合电感的初级侧绕组代替Buck型变换器的输出电感，并将耦合电感次级侧绕组连接成典型Flyback隔离电源的输出电路模式，这就是Fly-Buck电路的由来。由于从电路的输入端口看，其输入特性为Buck型特性，是一种同相极性降压型特性，因此，其输入电压的最小值要受限于钳位电容电压，而该电压又与输出电压呈现为线性关系，从而该电路的输入电压被限制在比较窄的范围内。
本新型专利针对Fly-Buck电路拓扑所存在的缺陷，通过将输入电源地线与DC/DC变换器初级侧电路地线分离，构建出一种新的Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器，其电路拓扑如附图2所示。正如所述，Fly-Buck电路输入电压范围受限的根本原因是其输入特性是Buck型的，本新型专利通过分离初级侧地线，将输入电路由Buck型改变成Buck-Boost型，使输入特性具有反转极性特性。与附图1比较，附图2将输入接地端从DC-DC变换器的共地参考节点A改为节点B。由于Buck-Boost输入特性的反转极性特性，输入电压范围与输出电压关联的状况被彻底消除，使得输入电压范围从电路拓扑的角度看不再有任何限制。和Fly-Buck电路拓扑一样，新的Fly-Buck-Boost电路拓扑不仅提出了一种利用非隔离同步Buck型DC-DC变换器实现隔离电源的简便方法，还通过其固有的有源钳位功能，实现了耦合电感的有源复位和功率开关元件的零电压、零电流开关运行，使得隔离电源的集成度，可靠性和效率都可以得到显著的提高。此外，通过在有源钳位电容和同步Buck集成控制芯片电源引脚之间串联偏置电阻，为同步Buck集成控制芯片提供了供电电源；进一步还可以通过在隔离DC-DC变换器的初级侧对次级侧输出电压进行间接测量，实现对隔离DC-DC变换器输出电压的检测和调节，取消了繁杂的隔离反馈信号通路，使得隔离DC-DC变换器电路得到进一步简化。新的Fly-Buck-Boost电路拓扑通过初级侧电路的地线分离，解决了Fly-Buck电路拓扑存在的输入电压范围比较窄的缺陷，使其应用范围得到显著拓展。
附图说明
图1是基于功率集成同步Buck型DC-DC变换器的Fly-Buck隔离型DC-DC变换器电路原理图。图1中(C1)是输入电容，(C5)是输出电容，(C4)是钳位电容，(U1)是主控芯片，(Q1A，Q1B)是变换器主开关器件，(D1)是输出整流器，(Tr1)是反激耦合电感，(C2)是主控芯片的高频旁路电容，(C3)是为上侧主开关器件供电的自举电容，(R1)是变换器启动电阻。
图2是本实用新型建议的基于功率集成同步Buck型DC-DC变换器的Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器的电路原理图。图2电路与图1电路的不同在于，供电电源的参考地端连同输入电容接地端由图1连接节点A改为图2连接节点B。新的连接将输入电源地线与DC/DC变换器初级侧电路地线分离，导致图1的输入端口特性由Buck型变为图2的Buck-Boost型，新的拓扑连接方式彻底消除了对输入电源电压下限的限制因素。此外，添加(R2)作为主控芯片稳态偏置电阻，添加(R3、R4)作为测量钳位电容(C4)两端电压的电阻分压器，使得基于Buck功率集成电路实现Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器的电路得到进一步简化。
具体实施方式
说明书附图2是新建议的基于非隔离同步Buck集成控制电路的Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器电路实现。其中(U1)是同步Buck集成控制芯片；(Q1A，Q1B)是功率半导体开关器件，通常采用的是功率MOSFET，可用一对同型N沟道功率MOSFET，或一对互补N+P沟道功率MOSFET；利用电阻分压器(R3、R4)测量电容(C4)两端电压，可以间接获取隔离型DC-DC变换器输出电压信息。由(U1)执行信号处理，输出相应的PWM控制信号和适当的电平信号，驱动(Q1A，Q1B)组成的串联支路；由功率MOSFET(Q1A，Q1B)串联支路，输入电容(C1)和钳位电容(C4)组成的串联支路，构成半桥电路拓扑，执行Buck-Boost功率变换，驱动耦合电感(Tr1)初级侧绕组。在稳态运行状态下，(C1)的端电压是输入电源电压，(C4)的端电压是输出电源电压通过耦合电感反映到电源初级侧的电压；在(Q1A，Q1B)支路和(C1、C4)支路构成的半桥电路拓扑中，耦合电感初级侧绕组只是被施加了一个直流分量为零的纯交变高频PWM方波信号，因此耦合电感是运行在对称双侧激励状态，其磁芯性能可以被充分利用。不仅如此，在适当的开关切换死区设定下，功率MOSFET(Q1A，Q1B)很容易进入到零电压开关(ZVS)状态。同时，在耦合电感的次级侧，当快速整流二极管(D1)和高频输出滤波电容(C5)进行整流滤波时，(D1)可实现零电流关断运行和次级侧的直流电压输出。添加(R2)和(R3、R4)解决了同步Buck集成控制芯片的供电问题，以及Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器输出电压的测量和反馈问题。
Claims (3)
1.一种新的Fly-Buck-Boost隔离型DC-DC变换器拓扑，它是以同步Buck集成控制芯片(U1)、半导体开关器件(Q1A、Q1B)和反激耦合电感(Tr1)为核心，辅以主回路输入滤波电容(C1)，有源复位电容(C4)及其输出整流滤波电路元件(D1、C5)组成；其特征是：半导体开关器件(Q1A、Q1B)串联支路的中间节点，在同步Buck集成控制芯片(U1)所产生的受控PWM开关信号及相应的高、低电平信号控制下，驱动反激耦合电感(Tr1)初级侧的一个端子，而反激耦合电感(Tr1)初级侧的另一个端子接到由电容(C1、C4)组成的串联电容支路的中间节点(B)；在(Q1A、Q1B)和(C1、C4)组成的功率半桥电路中，电容(C1)两端连接到输入电源的两端；而电容(C4)两端的电压处于浮动状态。
2.根据权利要求1所述的Fly-Buck-Boost变换器拓扑，其特征是：通过在电容(C4)和同步Buck集成控制芯片(U1)电源引脚之间串联电阻(R2)，提供同步Buck集成控制芯片(U1)的供电电源。
3.根据权利要求1所述的Fly-Buck-Boost变换器拓扑，其特征是：通过在电容(C4)和同步Buck集成控制芯片(U1)的反馈输入引脚之间引入电阻分压器(R3、R4)，测量电容(C4)两端电压，间接获取隔离DC-DC变换器次级侧的输出电压状态。
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