專利名稱：具有軟切換的直流電壓轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半橋式高頻直流到直流轉(zhuǎn)換器，它在次級具有軟切換和電流上的準(zhǔn)諧振。這種轉(zhuǎn)換器用于需要連線到市電并且提供隔離的直流輸出電壓的任何類型的產(chǎn)品。應(yīng)用領(lǐng)域有多個，并且涉及范圍為專業(yè)、工業(yè)和大眾市場設(shè)備的所有產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
專利申請第FR2 738 417號公開了一種具有斬波式調(diào)節(jié)的直流到直流轉(zhuǎn)換器，其形式是在初級為具有軟切換的半橋結(jié)構(gòu)，并且在次級為具有零電流切換的半波準(zhǔn)諧振整流。在圖1中表示這樣的電路。
參見圖1，所述轉(zhuǎn)換器包括在初級側(cè)的具有半橋配置的隔離變壓器Trf;在次級側(cè)的具有半波整流的準(zhǔn)諧振電路。更精確而言，初級電路包括具有兩個開關(guān)T1和T2的半橋電路，所述兩個開關(guān)T1和T2串聯(lián)在用于提供電壓Ve的電壓發(fā)生器SV的端子之間。開關(guān)T1和T2是傳統(tǒng)的MOSFET晶體管。半橋電路的中點(diǎn)連接到變壓器Trf的初級繞組Lp的偏置端。初級繞組Lp的另一端經(jīng)由具有高電容的電容器Cdp而連接到發(fā)生器SV的、與開關(guān)T2連接的那個端子。由作為轉(zhuǎn)換器輸出電壓的函數(shù)的、基于脈沖寬度調(diào)制電路而產(chǎn)生的控制信號Drv1和Drv2來驅(qū)動開關(guān)T1和T2，并且變壓器Trf具有匝數(shù)比m。
變壓器Trf的次級繞組Ls的非偏置端通過電感Lf和二極管D1而鏈接到諧振電容器Cr的第一端，所述電感Lf對應(yīng)于從變壓器Trf的次級看的泄漏電感，這個電容器的另一端鏈接到次級繞組Ls的偏置端。平滑電感L1連接在二極管D1/電容器Cr接點(diǎn)和電容器Cs的一端之間，所述電容器Cs被布置在所述轉(zhuǎn)換器的輸出端之間。電容器Cs的另一端連接到次級繞組Ls的偏置端。用于提供電流Is的電流發(fā)生器SC連接在所述轉(zhuǎn)換器的輸出端之間，以便實現(xiàn)流過所述轉(zhuǎn)換器的負(fù)載的電流。所述平滑電感的功能是平滑提供到所述負(fù)載的電流。
這個轉(zhuǎn)換器的操作方式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。在專利申請F(tuán)R 2738 417中詳細(xì)對其進(jìn)行了說明。開關(guān)T1和T2的控制信號Drv1和Drv2一個接一個地閉合。在這些開關(guān)的交替啟動之間有死區(qū)時間(dead time)，以便所述晶體管在這兩個信號的工作周期期間的兩種場合下處于打開狀態(tài)。在專利申請第FR 2 738 417中詳細(xì)說明了產(chǎn)生這些控制信號的方式。每個周期的持續(xù)時間(＝信號Drv1和Drv2的周期)依賴于尋求獲得用于對開關(guān)T1和T2的寄生電容充電并且因此具有所述開關(guān)的軟切換所需要的初級電流Ip。開關(guān)T1和T2的接通時間的比率定義了所述轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
使用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)在次級的電流為零時執(zhí)行開關(guān)的切換，以便降低開關(guān)損耗。當(dāng)閉合開關(guān)T2時，泄漏電感Lf與低值的電容器Cr諧振。通過流過變壓器Trf的繞組Lp的磁化電流來保證在初級的軟切換，所述磁化電流是通過向初級繞組Lp和電容器Cdp的端子施加電壓Ve來產(chǎn)生的，并且由反射(referback)到初級的平均輸出電流按照匝數(shù)比來增加。
這種結(jié)構(gòu)對于僅需要弱磁化電流的相對低的功率工作得很好。另外，功率中的增加使得必須以相同的比例來增加磁化電流的值，以便保證在初級的軟切換。
另一個缺點(diǎn)是它包括大量的部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種轉(zhuǎn)換器，其包括減少數(shù)量的部件，并且能夠在不必提高磁化電流的值的情況下提供更大的功率。
本發(fā)明涉及具有軟切換的DC電壓轉(zhuǎn)換器，其包括變壓器，所述變壓器具有初級繞組和次級繞組，所述轉(zhuǎn)換器的初級是具有半橋配置的類型，并且能夠通過兩個開關(guān)而鏈接到輸入電壓源，而所述轉(zhuǎn)換器的次級是準(zhǔn)諧振半波式的，并且能夠鏈接到負(fù)載；用于通過按照轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的函數(shù)的脈沖寬度調(diào)制而以固定頻率來交替地控制所述兩個開關(guān)的部件。按照本發(fā)明，小值的電容器與初級繞組串聯(lián)，反射到次級的所述電容器被設(shè)計成與在次級存在的電感諧振，并且在所述次級產(chǎn)生所述準(zhǔn)諧振。
所述電感是從次級看的變壓器的泄漏電感，或可以是由從次級看的所述變壓器的泄漏電感和在次級繞組和轉(zhuǎn)換器的負(fù)載之間布置的附加電感所形成的串聯(lián)電感。所述轉(zhuǎn)換器的諧振部件的數(shù)量因此減小。
按照一種特定的操作模式，當(dāng)在所述電感中的電流為零時切換所述開關(guān)。
按照一種優(yōu)選的操作模式，當(dāng)在所述電感中的電流不為零時切換所述開關(guān)，并且所述電流通過反射到初級而幫助實現(xiàn)所述開關(guān)的軟切換。


通過閱讀以非限定性示例給出的、隨后參照附圖的說明，將會更好地理解本發(fā)明，在所述附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的、具有軟切換的轉(zhuǎn)換器的電路圖，圖2是按照本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的電路圖，圖3A-3F是用于表示圖2的轉(zhuǎn)換器的操作方式的時序圖。
具體實施例方式
圖2中圖解的所提出電路與圖1電路的不同之處在于諧振部件的位置和其操作模式。在圖1的電路中，從次級看的變壓器Trf的泄漏電感Lf與低值的電容器Cr諧振。按照本發(fā)明，泄漏電感Lf與位于電容器Cdp的位置的電容器Cr’諧振。更精確而言，從次級看的所述變壓器的泄漏電感Lf與反射到次級的電容器Cr’諧振。電感Lf可以是由從次級看的變壓器的泄漏電感和附加電感所形成的串聯(lián)電感，所述附加電感位于次級繞組和所述轉(zhuǎn)換器的負(fù)載之間。省略電容器Cr和Cdp，并且因此在次級不再有任何諧振電容器，而平滑電感L1不再相關(guān)聯(lián)。
有可能以與圖1相同的方式、即通過在次級的電流為零時切換開關(guān)T1和T2來操作這個轉(zhuǎn)換器。因此，所述結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)僅僅是其減少的部件數(shù)量。
但是，按照優(yōu)選的操作模式，開關(guān)T1和T2不再在次級為零電流時切換。它們在泄漏電感Lf中的電流不為零時切換，隨后反射到初級的這個電流加到由在初級繞組中的電壓Ve產(chǎn)生的磁化電流上，以便對于所述結(jié)構(gòu)中的所有寄生電容、特別是晶體管T1和T2的漏極/源極電容(coss)以及所述變壓器的寄生電容充電。在這種模式中，因此預(yù)先安排中斷所述轉(zhuǎn)換器的次級電路的電流諧振，以便保證開關(guān)T1和T2的軟切換，而不論要提供的功率如何。
在圖3A-3F中圖解這種優(yōu)選的操作模式。在隨后的說明中，Ip表示通過初級繞組Lp的電流，If表示通過變壓器的泄漏電感Lf的電流，Vr’表示在電容器Cr’的端子之間的電壓，VLS表示在次級繞組Ls的端子之間的電壓，Vs表示所述轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，M表示半橋的中點(diǎn)，而VM表示在點(diǎn)M的電壓。
圖3A和3B圖解了開關(guān)T1和T2的控制信號Drv1和Drv2的形狀。
圖3C表示在半橋的中點(diǎn)M處存在的電壓VM。
圖3D表示在諧振電容器Cr’的端子之間的電壓Vr’中的變化和在次級繞組Ls的端子之間的電壓VLS中的變化。
圖3E表示通過變壓器的泄漏電感Lf的電流If。
最后，圖3F表示通過初級繞組Lp的電流Ip。
在這些附圖中，T表示開關(guān)T1和T2的打開/閉合循環(huán)的周期。在每個開關(guān)閉合之間有開關(guān)T1和T2被打開的死區(qū)時間tm。在開關(guān)T1閉合之前有第一死區(qū)時間tm1，在開關(guān)T2閉合之前有第二死區(qū)時間tm2。參照圖3A和3B，在時間[tm1，αT]的時段期間開關(guān)T1閉合，而在時間[αT+tm2，T]的時段期間開關(guān)T2閉合。
在開始，開關(guān)T1和T2打開，并且在泄漏電感Lf中的電流等于Ip0。被稱為P1的工作階段然后開始。在此階段期間，電流If減小。反射到初級的這個電流在某種意義上將與通過向初級施加電壓Ve而產(chǎn)生的磁化電流一起來幫助將特別是開關(guān)T1和T2的寄生電容充電以獲得軟切換，這是因為電流VM自然地增加到Ve。因此，反射回初級的電流If使得有可能增加如圖3F中所示的電流Ip。在死區(qū)時間tm1后開關(guān)T1閉合。當(dāng)點(diǎn)M已經(jīng)達(dá)到電壓Ve的同時在電流Ip達(dá)到零值之前必須閉合開關(guān)T1，以便保證開關(guān)T1在零電壓時閉合。因而，電壓Ve被施加到初級繞組Lp的端子和電容器Cr’的端子。這個第一工作階段在電流If變?yōu)榱愕臅r刻t1中止。二極管D1然后阻止通過轉(zhuǎn)換器的次級電路的負(fù)電流If的通過。
被稱為P2的第二階段然后開始。在此階段期間，電流Ip繼續(xù)以較小的斜率而增加到值Ip2，這是因為不再存在反射到初級的任何電流If。這個階段在時刻αT中止。
被稱為P3的第三階段然后開始。在時段tm2期間開關(guān)T1和T2打開，由通過以匝數(shù)比m發(fā)射回初級的平均輸出電流而增加的磁化電流構(gòu)成的電流Ip幫助使得電壓VM自然地下降到零伏特。在死區(qū)時間tm2后，所述開關(guān)在其端子的電壓為零時閉合，由此保證在零電壓時切換。泄漏電感Lf開始與反射回次級的電容器Cr’諧振。通過初級繞組的電流Ip然后隨著在相位上與電流If相反的正弦波而開始其衰減。這個諧振階段在泄漏電感Lf中的電流等于If0的時刻T中斷。然后以新的階段P1來開始新循環(huán)。
按照下列規(guī)則來計算這個電路的部件的值-計算電容器Cr’的電容以便在被反射回次級的情況下以大約為斬波頻率一半的頻率與從次級看的變壓器Trf的泄漏電感器Lf諧振；-計算作為所述斬波頻率、電壓Ve和占空比的函數(shù)的初級繞組的電感，使得有可能得到足以獲得開關(guān)的軟切換的峰值電流Ip，而在輸出沒有任何負(fù)載(無負(fù)載)。
在初級的磁化電流特別依賴于用于T1和T2的MOSFET晶體管和所述變壓器。
這個轉(zhuǎn)換器具體上具有下列優(yōu)點(diǎn)-去除了電容器Cr和平滑電感L1；-去除了大值的電容器Cdp，并且將其替換為小值的電容器Cr’。
-即使對于大功率，也具有開關(guān)T1和T2的軟切換；-由于泄漏電感Lf的存在而抑制了切換損耗，所述泄漏電感Lf在開關(guān)T1的切換時控制電流Ip的斜率；-提供用于對開關(guān)的寄生電容充電的、反射回初級的電流If，這使得有可能減小磁化電流的強(qiáng)度，并因而增加開關(guān)T1和T2的控制頻率；以及-在次級的RMS電流和峰值電流不像在零電流切換期間那樣大；因此降低了由在次級的導(dǎo)通所導(dǎo)致的損耗。
權(quán)利要求
1.采用軟切換的DC電壓轉(zhuǎn)換器，其包括變壓器(Trf)，所述變壓器具有初級繞組(Lp)和次級繞組(Ls)，所述轉(zhuǎn)換器的初級是具有半橋配置的類型，并且能夠通過兩個開關(guān)(T1，T2)而鏈接到輸入電壓源(Ve)，而所述轉(zhuǎn)換器的次級是準(zhǔn)諧振半波式的，并且能夠鏈接到負(fù)載；用于通過按照轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的函數(shù)的脈沖寬度調(diào)制而以固定頻率來交替地控制所述兩個開關(guān)(T1，T2)的部件，其特征在于小值的電容器(Cr’)與所述初級繞組(Lp)串聯(lián)，反射到次級的所述電容器被設(shè)計成與在次級存在的電感(Lf)諧振，并且在所述次級產(chǎn)生所述準(zhǔn)諧振。
2.按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述電感(Lf)是從次級看的變壓器的泄漏電感。
3.按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述電感(Lf)是由從次級看的所述變壓器的泄漏電感和在次級繞組和所述負(fù)載之間布置的附加電感所形成的串聯(lián)電感。
4.按照權(quán)利要求1-3之一的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，當(dāng)在所述電感中的電流為零時切換所述開關(guān)。
5.按照權(quán)利要求1-3之一的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，當(dāng)在所述電感中的電流不為零時切換所述開關(guān)，并且所述電流通過反射到初級而幫助實現(xiàn)所述開關(guān)的軟切換。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有軟切換的半橋式的直流到直流轉(zhuǎn)換器，它具有變壓器(Trf)。所述轉(zhuǎn)換器的初級是具有半橋配置的類型，并且通過兩個開關(guān)(T1，T2)而鏈接到輸入電壓源(Ve)，而所述次級是半波式的，并且通過電感(Lf)而鏈接到負(fù)載。提供用于通過脈沖寬度調(diào)制、以固定頻率來交替地控制所述兩個開關(guān)T1和T2的部件。為了減少所述轉(zhuǎn)換器的部件的數(shù)量，與所述初級繞組(Lp)串聯(lián)小值的電容器(Cr’)，反射回次級的所述電容器被設(shè)計成與所述電感(Lf)諧振。所述電感是從次級看的變壓器的泄漏電感。當(dāng)在所述電感中的電流不為零時，切換開關(guān)是有益的。
文檔編號H02M3/04GK1848636SQ20061007401
公開日2006年10月18日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月4日
發(fā)明者菲利普·馬錢德, 迪迪爾·普洛奎因, 杰勒德·莫里佐特 申請人:湯姆森特許公司