CN85106335A

CN85106335A - 直流/直流转换器

Info

Publication number: CN85106335A
Application number: CN85106335.7A
Authority: CN
Inventors: 稻生清春; 斋藤等
Original assignee: Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1987-02-18
Also published as: CN1007026B

Abstract

本文公开了一种用作为高容量电源的DC/DC转换器，它包括：其原边端子串联以便保证高输出功率和高击穿电压的第一和第二转换器；第一二极管，当第一转换器的开关器件断开时，它与第一转换器的变压器和第二转换器的电容一起构成闭合回路；第二二极管，当第二转换器的开关器件断开时，它与第二转换器的变压器和第一转换器的电容一起构成闭合回路。

Description

本发明涉及一种直流/直流（DC/DC）转换器，它能够有效地与一种大容量电源一起应用，更确切地说，本发明涉及一种串联的开/开（ON/ON）或开/关（ON/OFF）型DC/DC转换器的改进，在这种转换器中，把两个单三极管型ON/ON或ON/OFF转换器的原边端串联，把它们的付边端并联，从而增加了输出并提高了击穿电压。

图1和图2的例子表明了现有技术的单三级管ON/ON型DC/DC转换器。在图1所示的转换器中，把晶体三极管Q₁作为开关器件对输入电压E_IN进行开和关操作，把这个输入电压E_IN加到变压器T_s的原边绕组N₁₁上，使当晶体管导通时，在付边绕组N₁₂上感应出一个电压，同时由二极管D₁₁和D₁₂，扼流器L₁和一个滤波电容C₁₂对其进行整流和平滑，从而把直流电压馈给负载RL。此外，在单三极管型ON/ON转换器中，当开关器件Q₁断开时，存贮于变压器T₁中的激励电压在开关器件Q₁的两端之间产生一个高反冲电压。因此，为了保护开关器件Q₁，通常要给变压器T₁装上一个复归（reset）绕组N₁₃，当处于断开操作时，它与二极管D₁₃相连，把它的电压钳制在输入电压E_IN，以抑制变压器T₁原边上的感应电压，另外一个方法是设置缓冲电路S₁，它包括电阻R₁、一个电容C₁₃和二极管D₁₄，以便执行钳制操作。由于激励能量被返回到输入电压E_IN，这种装有复归绕组N₁₃的系统有一些损失。然而，假如复归绕组N₁₃和原边绕组N₁₁之间的偶合不够，则反冲电压不能足够地被钳制。另外，假设缓冲电路的RC时间常数减小，使用缓冲电路的这种系统可把反冲电压钳制在某个低电平。然而后面说的这种系统有较大的损失，这是因为能量被电阻R₁消耗掉的缘故。因此，在实际电路中经常是这两种系统都使用，即如图1所示。

这样，即使在使用两个单三级管型转换器串联的ON/ON型DC/DC转换器中（这种转换器的原边端串联，付边端并联，以便提高输出并降低开关器件的击穿电压），两个单三级管型ON/ON转换器CV₁和CV₂在现有技术中仍然分别装备着复归绕组N₁₃和N₂₃以及缓冲电路S₁和S₂，如图2所示。这使结构很复杂，并招致了缓冲器电路或其类似电路中的损失。

此外，在图2所示的结构中，每个转换器CV₁和CV₂的开关器件Q₁和Q₂需要的击穿电压为分输入电压E₁（即电容器C₁₁的两端之间的电压）或E₂（即电容器C₂₁的两端之间的电压）的两倍。在各自的转换器的等效输入阻抗相等的情况下，由于等式E₁＝E₂＝E_IN/已成立，所以开关器件可能有E_IN那么高的击穿电压。然而，假如等效阻抗不同，则开关器件需要有一个不低于E_IN的击穿电压，这是因为E₁≠E₂，所以一个分输入电压高于另一个分输入电压。换句话说，在降低击穿电压方面，图2所示的电路结构没有什么效果，而且，如果考虑到更为保险，则开关器件需要有两倍E_IN之高的击穿电压。

本发明的一个目的是提供一种串联开/开（ON/ON）或开/关（ON/OFF）型直流/直流（DC/DC）转换器，它具有用于钳制反冲电压的装置，虽然其结构简单，但可以做到低损失，无失误。

本发明的另一个目的是提供一种直流/直流转换器，它具有一个结构简单又不降低响应性的原边端峰值电流检测装置，以便对任何过电流进行保护。

本发明的再一个目的是提供一种直流/直流转换器，它可以基本上均衡两个转换器的共用输出电流。

在本发明的最佳实施方案中提供了一种直流/直流转换器，它包括有第一和第二单三极管转换器，它们具有变压器、把变压器的原边线圈与一个交流电源相串联连接的开关器件和通过这些开关器件与原边线圈串联连接的电容器;第一和第二转换器的变压器原边端，它是彼此串联的;第一个二极管，当第一转换器的开关器件关断时，该二极管与第一转换器的变压器和第二转换器的电容器一道形成一个闭合回路;还包括第二个二极管，当第二转换器的开关器件关断时，该二极管与第二转换器的变压器和第一转换器的电容器一道形成一个闭合回路。

下面是附图的简要说明。

图1和图2是表示现有技术中直流/直流转换器例子的电路图;

图3是本发明的直流/直流转换器一个实施方案的电路图;

图4开关器件的驱动波形;

图5表示第二线圈的联接实例;

图6至图8是本发明另一个实施方案的电路图;

图9是操作实例的波形图;

图10和图11是本发明又一个实施方案的电路图;

图12是图11的操作实例的波形图;

图13和图14是本发明的又一个实施方案的电路图;

图15是开关器件驱动电路的另一实例的基本部分电路图。

下面是最佳实施方案的详细叙述。

图3是本发明的直流/直流转换器一个实施方案的电路图，其中使用了开/开（ON/ON）转换器。图3所示的实施方案与图2所示的传统实例之不同在于：在转换器CV₁这边，变压器T₁是在开关器件Q₁的发射极以跟随器形式被驱动，而在转换器CV₂那边，变压T₂是在开关器件Q₂的集电极被驱动;变压器T₁原边绕组N₁₁的一端b和变压器T₂的原边绕组N₂₁的一端c共同连接到电容器C₁₁和C₂₁的结点e上;二极管D₁₅连接在原边绕组N₁₁的另一端a和直流输入电压E_IN的负（一）端之间;二极管D₂₅连接在原边绕组N₂₁的另一端d和直流输入电压E_IN的正（+）端之间;并且去掉了复归绕组N₁₃、N₂₃、缓冲电路S₁和S₂。

下面将说明根据本发明构成的这种直流/直流转换器的工作。首先，当开关器件Q₁导通时，直流输入电压产生了一个经通路Q₁-T₁-C₂₁的电流，使变压器T₁的端a为正极性b为负极性。然后，当开关器件Q₁关断时，变压器T₁的极性则相反，端a变成负极性，而端b为正极性。结果，复归电流（reset current）以N₁₁-C₂₁-D₁₅-N₁₁的通路流过二极管D₁₅，到达变压T₁，变压器T₁的两端被钳制在电容器C₂₁的端电压E₂上，所以它们的电压不会再有任何的上升。此时，复归电流对电容器C₂₁充电，因为这些能量又被返回作为另一个转换器CV₂的输入电压。所以变压器T₁上激励的能量不会损失掉。另一方面，鉴于施加给开关器件Q₁的电压，器件Q₁不可能有一个E_IN或更高的电压，因为该器件没有接收E₁+E₂＝E_IN或更高的电压。其原因在于，即使输入电压相对于E₁＝E₂变得更高了些，在本质上讲该开关器件并没有接收E₁+E₂＝E_IN或更高，因为在复旧归期间内是钳位在电压E₂上的。

另一方面，开关器件Q₂的工作与前面所说的Q₁的工作相似。当开关器件Q₂导通时，输入直流电压E_IN产生了一个通过C₁₁-C₁-D₂的电流，使变压器T₂的端C变为正极性，而另一端d变为负极性。然后，当器件Q₂关断时，变压器T₂的极性反相，使端C变为负极性，而另一端d变成正极性。结果变压器T₂的复归电流以通路N₂₁-D₂₅-C₁₁-N₂₁，流经二极管D₂₅，变压器T₂的两端被钳位在电容器C₁₁的端电压E₁上，使它们的电压将不会有任何上升。此时同样，复归电流对电容器C₁进行充电，因为变压器T₂的激励能量返回到另一个转换器CV₁的输入电压中，所以要它不会损失掉。

附带说一下，开关器件Q₁和Q₂可能如图4A所示被同时驱动，也可能如图4B所示被交替地驱动。特别是在如图4B所示的交替驱动的情况中，可以把付边的电容器C₁₃的值降低到一半或更低。另一方面，付边的电路可能如图5A所示共用扼流器L₁和二极管D₁₂。在这种情况下可以省去二极管D₁₂，如图5B所示。

图6是根据本发明的直流/直流转换器的另一个实施方案的电路图。图6所示的实施方案与图3所示的实施方案的不同之处在于变压器T₁和T₂的原边绕组N₁₁和N₁₂分别具有中间抽头。并且，如图6A所示，如果从这些抽头开始驱动变压器T₁和T₃，并且把二极管D₁₅和D₂₅连接到绕组的前端，则可以用中间抽头的比率减小反冲电压。相反地，假如从绕组的端点上开始驱动变压器T₁和T₂，并且把二极管D₁₅和D₂₅连接到抽头上，则虽然反冲电压提高了，但复归期可以缩短。

顺便提及的是，假如使用多个本发明的直流/直流转换器，使其或者如图7A所示与直流输入电压E_IN串联相接，或者如图7B所示与直流输入电压E_IN并联连接，则可以得到更高的输出电压。

图8是本发明又一个实施方案的电路图，其中使用了开/关转换器。这种实施方案与图3所示的实施方案的不同之处在于：变压器T₁和T₂各自的付边绕组N₁₂和N₂₂是反相的;图3所示的二极管D₁₂和D₂₂和扼流器L₁和L₂被去掉了。

下面将叙述根据本发明构成的这种直流/直流转换器的工作。首先，当转换器CV₁一边的开关器件Q₁导通时，电容器C₁₁的端电压E₁（它是由输入电压E_IN分压得到的）被加到变压器T₁。当开关器件Q₁关断时，钳位二极管D₁₃开始导通，所以变压器T₁原边绕组N₁₁上产生的反冲电压被钳位在电容器C₂₁的端电压E₂上。另外，如果作为泄漏电感存贮的剩余能量被释放，则把一个由电压V₀乘以绕组比率N₁₂/N₁₁所确定的电压施加在原边绕组N₁₁的两个端之间。图9所示的波形图表示了这种相互关系。另一方面，当开关器件Q₂导通时，把电容器C₂₁的端电压E₂（它是由输入电压E_IN分压得到的）加到变压器T₂。当开关器件Q₂关断时，钳位二极管D₂₃开始导通，从而把变压器T₂原边绕组N₂₁上产生的反冲电压钳位于电容器C₁₁的端电压E₁₀另外，当作为泄漏电感存贮的剩余能量被释放时，则把一个由电压V₀与绕组比率的乘积所确定的电压加在绕组N₂₁的两端。这样，由于反冲电压返回到另一个转换器的输入电压中，所以它不会损失掉。

图10的电路图表示了图8所示的直流/直流转换器的又一个实施方案。图10实施方案与图8实施方案的不同之处在于变压器T₁和T₂的原边绕组N₁₁和N₂₁分别装有中间抽头。另外，在图10A中是从抽头对变压器T₁和T₂进行驱动，并把二极管D₁₂和D₂₂与绕组的端点连接。另一方面，在图10B中是从绕组的端点对变压器T₁和T₂进行驱动，而二极管D₁₃和D₂₃与抽头连接。尤其是根据图10A所示的结构，可以以中间抽头的比率来降低加到开关器件Q₁和Q₂的反冲电压，以降低开关器件的击穿电压。

图11所示的电路图表示了本发明的另一个实施方案。在这种实施方案中，电流互感器CT被连接到两个串联电路的结点b和电容器C₁₁与C₂₁的结点e之间，第一个串联电路由变压器T₁的原边绕组N₁₁和第一转换器CV₁的开关器件Q₁所组成，第二个串联电路是由变压器T₂的原边绕组N₂₁和第二转换器CV₂的开关器件Q₃所组成。电流互感器CT的输出被加到过电流检测电路CS，以便从过电流检测电路CS上得到一个信号eoc执行过电流保护操作。

现在假设以相差180度的信号（如图12A和12B所示）去驱动第一转换器和第二转换器CV₁和CV₂的开关器件Q₁和Q₂，当器件Q₁导通而器件Q₂断开时，流过电流互感器CT的电流I_NV的方向为向前（即从结点b到结点e的方向）;当器件Q₁断开而器件Q₂导通时，电流I_NV的方向为向后（即从结点e到结点b的方向）。于是，双向电流流过电流互感器CT，所以即使没有倍压整流和滤波操作，也可以再生出峰值。结果，可把电流互感器CT的输出直接输入给过电流检测电路CS，不需要任何倍压整流和滤波电路，就可得到具有很好响应特性的过流保护信号eoc。

图13的电路表明了本发明的又一个实施方案，并且相应于一种构成了电源的情况，这种实施方案的不同处在于：用桥式整流电路BR对交流电源进行整流并由滤波电容C₁₀对其进行滤波，把在此之后得到的直流电压E_IN加到两个单三极管型直流/直流转换器CV₁和CV₂上，CV₁和CV₂的原边端子串联相接;作为高频电流通路的电容器C₁和C₂分别连接在转换器CV₁和CV₂的输入端之间。顺便提及的是，一个控制电路CON控制着开关器件Q₁和Q₂的驱动期，亦即它们的占空比D₁和D₂，以便使输出电压V₀取得一个目标值。

在根据本发明的这种结构中，当转换器CV₁的开关器件Q₁导通时，电流Ii₁从输入端经过T₁-Q₁-C₂的通路，当转换器CV₂的开关器件Q₂导通时，电流Ii₂从输入端通过C₁-T₂-Q₂的通路。如果各个转换器的输出电压和电流被指定为Vo₁和Vo₂及Io₁和Io₂;如果把变压器T₁和T₂的绕组比率N₁₂/N₁₁和N₂₂/N₂₁设定为1;如果付边的电压降分别指定为V_R1和V_R2;并且如果电容器C₁和C₂的端电压被指定为E₁和E₂，由于原边和付边的功率相等，则下述关系成立：

（Vo₁+V_R1）Io₁＝E₁Ii₁……（1）

（Vo₂+V_R2）Io₂＝E₂Ii₂……（2）

另一方面，下式给出了各个转换器CV₁和CV₂的输出电压Vo₁和Vo₂：

Vo₁＝E₁·D₁-V_R1……（3）

Vo₂＝E₂·D₂-V_R2……（4）

如果分别把等式（1）和（2）分别代入等式（3）和（4），则下式成立：

D₁Io₁＝Ii₁……（5）

D₂Io₂＝Ii₂……（6）

结果，转换器CV₁和CV₂的输入阻抗Z₁和Z₂便由下式给出：

Z₂= (E₂)/(Ii₂) = (E₂)/(D₂Io₂) ……（8）

因此，随着输出电流Io₁（或Io₂）的增加，输入阻抗E₁（或E₃）则下降，随着输出电流的减小输入阻抗则上升。

另外，由于输入电压E_IN是直流电压，所以，各个电容器C₁和C₂的端电压E₁和E₂不受电容器的电容值影响，它们所取的电压值是由输入阻抗E₁和E₂对输入电压E_IN分压而获得的，下列等式分别表述了它们的值：

E₁= (Z₁)/(Z₁+Z₂) ·E_IN……（9）

E₂= (Z₂)/(Z₁+Z₂) ·E_IN……（10）

并且，下述的关系可以由等式（9）和等式（10）得到：

(E₁)/(Z₁) = (E₂)/(Z₂) = (E_IN)/(Z₁+Z₂) ……（11）

于是，输入阻抗反映了分配给各个转换器的输入电压E₁和E₂。因此，如果由于任何理由所分配的输出电流Io₁增加了，则转换器CV₁的输入阻抗E₁下降，从而改变了输入电压E_IN的分压比。结果，转换器CV₁所分配的输入电压E₁下降，而转换器CV₂所分配的输入电压E₂上升，所以前者的输出电压Vo₁下降，而后者的输出电压Vo₂上升。换句话说，转换器CV₁和CV₂对于所分配输出电流的增加具有负反馈功能，下面的关系式是从等式（7），（8）和（9）得到的，表示两个转换器的工作点是，它们所分配的输出电流Io₁和Io₂以及占空比D₁和D₂是均等的：

D₁Io₁＝D₂Io₂……（12）

一个特殊情况是，假如占空比D₁和D₂是相等的，则在两个转换器的工作点上它们所分配的输出电流相等。另外，电流通路的阻抗R₁和R₂之间的差异对所配的输出电流不产生任何影响。再有一点，从等式（12）中可以明显地看出，占空比之间的差异如实地反映在所分配的输出电流Io₁和Io₂之中，但并没有放大。

图14是表示本发明又一个实施方案的电路图。在这个实施方案中，一个变换开关SW连接在串联滤波电容器C₁和C₂（C₁和C₂用于对整流电路BR的输出电流进行滤波）的中点与交流电源电压的参考边的公共线COM之间，以便当交流电源电压e为例如110伏时，开关接通，执行倍压整流;当交流电源电压e为例如220伏时，开关断开，执行桥式整流，因而可将本发明的这个实施方案的直流/直流转换器用于交流电源电压100V，和200V两个系统中。此外，除了电阻R构成的稳定的基极电流供应电路之外。在开关器件晶体三极管Q₁和Q₂各自的基极电路上还配有过载电流通路，该过（overdrive）电流通路由一个电容器C和二极管D₁及D₂组成，从而当它们导通时，能通过电容器C给出过载电流。更确切地说，在稳定状态，通过电阻R把基极电流加到三极管Q₁和Q₂因为二极管D₁和D₂的旁路不起作用，使三极管Q₁和Q₂足够地饱合。在轻负载的情况下，三极管Q₁和Q₂饱合，当集电极电压下降得足够低时，使过载电流分流到二极管D₂。当处于开通操作时，过载根据负载的级别进行自我平衡。但是在关断操作时，存贮时间不是根据负载变化很多。另外，对于这种电路，可以如图15所示，在作为开关器件的三极管Q₁（或Q₂）的基极和发射极之间加上一个三极管Q₀，它与电容器C和二极管D₁的结点相连接，以加速断开操作。

另外，在图14中，输出电压Vo₁和Vo₂互相独立地从各自的转换器CV₁和CV₂中抽取出来。在此处，控制电路CON接收转换器CV₁的输出电压Vo₁并通过变换器CT₂和CT₃分别控制开关器件Q₁和Q₂的占空比，从而使输出电压Vo₁取一个目标值。结果，转换器CV₂一边的输出电压Vo₂正比于输出电流Io₁。此外，控制电路CON经过电流变换器CT₁和过流检测电路路CS₁接收在原边相应于总电流的信号，并经过电流变换器CT₄和CT₅及过流检测电路CS₂和CS₃接收到相应于流过各个负载RL₁和RL₂的负载电流Io₁和Io₂的信号。根据从任何一个过流检测电路CS₁和CS₃（它们可以被共用）所检测到的过流信号，把开关器件Q₁和Q₂关断（例如），去保护整个的电源源。

图14所示的实施方案是由多个具有特点的电路构成的，它们可以和其它的电路组合，也可以从中省去一个或更多的电路。

根据本发明，正如到目前为止所描述的那样。可以做出这样的直流/直流转换器，它虽结构简单，但能以很小的损失来钳制反冲电压，并不出现任何失误，而且还可以基本上均衡彼此串联的第一和第二转换器分配的输出电流。

Claims

1、一种包含有第一和第二单晶体管转换器的直流/直流转换器包括：变压器；开关器件，通过它把变压器原边线圈与交流电源串联；以及通过开关器件与原边线圈串联的电容器，其特征是：所述第一和第二转换器的变压器原边端彼此串联；当所述第一转换器的开关器件关断时，第一个二极管与所述第一转换器的变压器以及所述第二转换器的电容器一起形成一个闭合回路；当所述第二转换器的开关器件关断时，第二个二极管与所述第二转换器的变压器以及所述第一转换器的电容器一起形成一个闭合回路；并且装有用于对所述第一和第二转换器的各变压器付边线圈上产生的信号进行整流和滤波的输出电路，以产生直流输出电压。

2、根据权项1的直流/直流转换器，其中分别在所述第一和第二转换器的变压器原边线圈上设有中间抽头，以便分别使所述开关器件的一端与所述中间抽头相连接。

3、根据权项1的直流/直流转换器，其中分别在所述第一和第二转换器的变压器原边线圈上设有中间抽头，以便使所述第一个二极管的一端和所述第二个二极管的一端分别与所述第一转换器变压器的中间抽头和所述第二转换器变压器的中间抽头相连。

4、根据权项1的直流/直流转换器，其中把多个所述第一和第二转换器与一个直流输入电源串联。

5、根据权项1的直流/直流转换器，其中把多个所述第一和第二转换器与一个直流输入电源并联。

6、根据权项1的直流/直流转换器，其中使用了开/开转换器分别作为第一和第二转换器。

7、根据权项1的直流/直流转换器，其中使用了开/关转换器分别作为第一和第二转换器。

8、根据权项1的直流/直流转换器，其中把一个用于电流检测的电流变换器连接在所述第一和第二转换器串联电路的结点与所述第一和第二转换器的电容器的结点之间，用于检测所通过的原边总电流，从而使所述第一和第二转换器的开关器件可以180度相位差被驱动。

9、根据权项1的直流/直流转换器，其中用于驱动构成第一和第二开关器件的三极管的驱动信号经过电阻给到所说三极管的基极;电容器和二极管的串联电路与所述电阻并联;在所述电容器和所述二极管的结点同所述三极管的集电极之间连接有二极管。

10、一种直流/直流转换器，包括：一个对交流电压进行整流的整流电路;一个用滤波电容对整流电路的输出进行滤波以产生直流输入电压的电路;原边端相串联的第一和第二转换器;把直流输入电压加给第一和第二转换器的电路，其特征是：分别将第一和第二高频电流通路电容器连接在所述第一和第二转换器各自输入端之间;装有输出电路，用于对所述第一和第二转换器的变压器付边上产生的信号进行整流和滤波，以产生直流输出电压;并且装有控制电路，用于开和关所述第一和第二转换器的各自的开关器件。

11、根据权项10的直流/直流转换器，进一步包括一个整流电路，其中含有：一个第一二极管，当所述第一转换器的开关器件关断时它与所述第一转换器的变压器和所述第二电容一起形成一个闭合电路;一个第二二极管，当所述第二转换器的开关器件关断时，它与所述第二转换器的变压器和所述第一电容器一起形成一个闭合电路。

12、根据权项10的直流/直流转换器，其中所述的控制电路可以接收与所述第一和第二转换器的输出电压有关的信号，用以控制所述第一和第二转换器各自的开关器件的占空比，从而使所述输出电压为目标值。

13、根据权项10的直流/直流转换器，其中所述的控制电路至少可以接收下述信号中的一个：相应于所述第一和第二转换器各自原边端的总电流的信号和相应于所述第一和第二转换器各自的输出电流的信号，以便执行过电流保护操作。

14、根据权项10的直流/直流转换器，其中：所述的用于对交流电源电压进行整流的整流电路是桥式整流电路，用于产生直流输入电压的电路是两个串联的滤波电容;一个变换开关被连接在所述两个滤波电容器中点和所述交流电源参考边的公共线之间，以便当变换开关开通时执行倍压整流操作，当变换开关关断时执行桥式整流操作。