專利名稱：抽頭電感式降壓dc－dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及dc-dc抽頭電感式降壓變換器。
背景技術(shù)：
該部分的說(shuō)明只是提供與本發(fā)明有關(guān)的背景信息，可能并不構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。
近年來(lái)，在相對(duì)較高輸入電壓和相對(duì)較低輸出電壓的高電流應(yīng)用中使用兩級(jí)dc-dc變換器已經(jīng)非常普遍。這種兩級(jí)通常使用降壓變換器(buck converter)作為第一級(jí)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。第二級(jí)通常為獨(dú)立的dc-dc變換器，以固定的占空比來(lái)工作。該第二級(jí)變換器基本上作為直流變壓器以降低電壓。第二級(jí)變換器可以是推挽式、半橋、正激或全橋變換器中的任一種。
這些兩級(jí)變換器被公認(rèn)具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括使用低電壓的額定MOSFET，與之前的變換器相比顯著節(jié)約成本。此外，可以容易地獲得初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)和改進(jìn)的熱性能。這些兩級(jí)變換器還因?yàn)榭梢垣@得大的電壓變換率并適于寬電壓輸入范圍而具有吸引力。
第一級(jí)降壓變換器的占空比由保持時(shí)間(hold-up time)要求而指定。因?yàn)閐c-dc變換器是具有固定占空比的開(kāi)環(huán)變換器，所以獨(dú)立變壓器的降壓比依賴于降壓變換器的占空比。對(duì)于所使用的MOSFET開(kāi)關(guān)的給定的電流比，例如在全橋變換器中，因?yàn)橥ㄟ^(guò)裝置的電流會(huì)減少，所以開(kāi)環(huán)變換器的效率會(huì)在較高輸入電壓時(shí)更高。所以如果增加保持時(shí)間，則可以增大初級(jí)到次級(jí)的變比并提高變換器效率。
已經(jīng)知道在降壓變換器中使用抽頭電感器來(lái)改變變換器裝置上的電壓應(yīng)力(voltage stress)。圖1中以附圖標(biāo)記10示出了一種現(xiàn)有技術(shù)的抽頭電感式降壓變換器。圖2中以附圖標(biāo)記12示出了另一種現(xiàn)有技術(shù)的抽頭電感式降壓變換器。典型地，如圖所示，MOSFET開(kāi)關(guān)Q連接在電壓源Vin和抽頭電感器之間。二極管D連接在電感器的抽頭與接地端之間。兩抽頭電感部包含由圖1中n1和n2表示的繞組數(shù)。而且，降壓電容器典型地連接在電感器與接地端之間與負(fù)載并聯(lián)。根據(jù)抽頭的繞組布置，可以升高或降低MOSFET Q的電壓。電感器的抽頭允許降壓變換器的增益以給定占空比改變。具體地，改變變換器增益以避免在要求增益非常小時(shí)占空比的極端變化。例如，在帶有12V輸入電壓和1.5V輸出電壓的通信應(yīng)用中使用降壓變換器時(shí)，占空比為0.125。使用如圖1所示的抽頭電感器配置，可以將占空比增大到0.222，抽頭電感器比率僅為n＝2。這可以從下列等式得知n＝(n1+n2)/n1D＝(n×V0)/(Vin+(n-1)×V0)發(fā)明內(nèi)容一種dc-dc降壓變換器包括具有連接到電感器抽頭與接地端的有源開(kāi)關(guān)的抽頭電感器。第一二極管也連接在電感器與輸入電壓源之間。
除上述變換器之外所公開(kāi)的另一種降壓dc-dc變換器，包括帶有兩個(gè)電感部的抽頭電感器，第二二極管連接在兩個(gè)電感部之間。電容器也跨接于第二二極管與一個(gè)電感部之間。本發(fā)明還公開(kāi)了一種兩級(jí)dc-dc變換器，具有第一級(jí)抽頭電感式降壓變換器和連接到第一級(jí)變換器上的第二級(jí)dc-dc變換器以降低第一級(jí)變換器的輸出電壓。
如本發(fā)明所公開(kāi)的，使用這種抽頭電感式降壓dc-dc變換器的優(yōu)點(diǎn)包括與現(xiàn)有技術(shù)相比在減小續(xù)流二極管上電壓應(yīng)力的同時(shí)增長(zhǎng)保持時(shí)間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，所公開(kāi)的降壓dc-dc變換器還幾乎消除了導(dǎo)通損耗并降低了關(guān)斷損耗。此外，可以使用較便宜的超快二極管(ultra fastdiode)來(lái)代替現(xiàn)有技術(shù)中較貴的串聯(lián)/SiC二極管(tandem/SiC diode)，降低所公開(kāi)的降壓dc-dc變換器的制造成本。因?yàn)橐呀?jīng)增長(zhǎng)了保持時(shí)間，所以可以提高效率。
通過(guò)本文提供的描述，其它適用性區(qū)域?qū)?huì)更加清楚。應(yīng)該理解的是描述和具體實(shí)施例只是出于說(shuō)明的目的，并不意圖限制本發(fā)明的范圍。


在此所述的附圖只是出于說(shuō)明的目的，并不意圖限制本發(fā)明的范圍。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種抽頭電感式降壓dc-dc變換器的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中另一種抽頭電感式降壓變換器的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的抽頭電感式降壓dc-dc變換器一個(gè)實(shí)施例的示意電路圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的抽頭電感式降壓dc-dc變換器的另一個(gè)實(shí)施例的示意電路圖；和圖5示出根據(jù)本發(fā)明的兩級(jí)dc-dc變換器一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
下面的描述只是對(duì)本發(fā)明的本質(zhì)進(jìn)行說(shuō)明，而不意圖限制本發(fā)明的公開(kāi)、應(yīng)用或使用。
圖3中以附圖標(biāo)記14示出了具有抽頭電感器的降壓dc-dc變換器。如上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種抽頭電感式降壓變換器可以在減小半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)上的電壓應(yīng)力的同時(shí)提供增長(zhǎng)的保持時(shí)間，并可以使用在例如400V總線輸入的高電壓應(yīng)用中。降壓dc-dc變換器14包括抽頭電感器L1，如圖所示其包括匝ns和np。如圖所示，抽頭電感器L1具有連接到變壓器抽頭與接地端的有源開(kāi)關(guān)Q。本發(fā)明所公開(kāi)的示例性實(shí)施方式中的開(kāi)關(guān)Q優(yōu)選地為MOSFET器件，但是也可以為例如IGBT或其它適宜的開(kāi)關(guān)器件。第一二極管D1連接在電感器L1與輸入電壓源Vin之間。
變換器14對(duì)圖2所示變換器12的改進(jìn)在于第二二極管D2連接在電感部ns和np之間，電容器C2跨接在第二二極管D2與電感器L1的一個(gè)電感部之間。變換器12與變換器10相比會(huì)提供增長(zhǎng)的保持時(shí)間，但與變換器14相比，續(xù)流二極管應(yīng)力對(duì)于變換器12更大。此外，由于漏電感，變換器12相對(duì)于變換器14在MOSFET上具有非常高的電壓尖峰。變換器14幾乎消除了MOSFET的電壓尖峰，并且與現(xiàn)有技術(shù)相比減小了續(xù)流二極管的電壓應(yīng)力。
變換器14還可以包括與第一二極管D1并聯(lián)的串聯(lián)的電阻R1和電容器C3。
圖4中以附圖標(biāo)記16示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的降壓dc-dc變換器，其包括上述變換器14的所有元件。此外，變換器16包括與電感器L1和開(kāi)關(guān)Q并聯(lián)的箝位二極管D3，以減小由于第一二極管D1的漏電感引起的電壓尖峰。
在操作過(guò)程中，在導(dǎo)通MOSFET Q之前，電流續(xù)流通過(guò)電感器L1、二極管D1、降壓電容器C1、負(fù)載和電容器C2。當(dāng)在ton過(guò)程中導(dǎo)通開(kāi)關(guān)Q時(shí)，電流轉(zhuǎn)換給np。因?yàn)閚p和ns之間的耦合不會(huì)是100％，所以會(huì)發(fā)生漏電感。因?yàn)榇嬖诼╇姼?，所以從ns到np的電流轉(zhuǎn)換會(huì)發(fā)生延遲。如果由漏電感所造成的延遲比MOSFET Q導(dǎo)通時(shí)間更大，則會(huì)消除導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗。此外，因?yàn)榇嬖诼╇姼?，所以通過(guò)二極管D1的電流的di/dt與常規(guī)降壓變換器相比減小了。因?yàn)殡娏鳒p小，所以續(xù)流二極管D1的反向恢復(fù)電流也減小。MOSFET Q上的電壓應(yīng)力也減小，因此減小了Q的關(guān)斷損耗。
當(dāng)在toff過(guò)程中關(guān)斷開(kāi)關(guān)Q時(shí)，Q中的電流轉(zhuǎn)移到二極管D2。在電容器C2中恢復(fù)漏電能之后，電流轉(zhuǎn)移到D1中，并像以前一樣續(xù)流通過(guò)ns。
根據(jù)本發(fā)明所公開(kāi)的降壓dc-dc變換器的電壓應(yīng)力小于常規(guī)降壓變換器。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)改變Vin值和匝數(shù)比值，并將輸出電壓保持在310伏，顯示根據(jù)本發(fā)明所公開(kāi)的降壓dc-dc變換器與常規(guī)降壓變換器相比，電流組件上的電壓應(yīng)力減小了。還顯示出根據(jù)本發(fā)明的公開(kāi)，變換器的最佳n值為2，但是無(wú)論如何都大于1。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)還顯示與常規(guī)降壓變換器相比保持時(shí)間的增長(zhǎng)為1.5毫秒，并且根據(jù)本發(fā)明所公開(kāi)的變換器所獲得的增長(zhǎng)效率為0.5％。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的兩級(jí)dc-dc變換器18。以虛線20示出第一級(jí)抽頭電感式降壓變換器。變換器20與圖4所示的變換器16基本相同，包括連接到電感器L1抽頭與接地端的有源開(kāi)關(guān)Q，和連接在電感器與輸入電壓源Vin之間的第一二極管D1。變換器20，未示出，還可以包含圖3的變換器14。大致以附圖標(biāo)記22示出的第二級(jí)dc-dc變換器連接到第一級(jí)20上，用來(lái)降低第一級(jí)變換器20的輸出電壓。
第二級(jí)dc-dc變換器22可以是推挽式、半橋、正激或全橋變換器中的任一種。本實(shí)施例中的第二級(jí)變換器22包括連接到變壓器T1上的MOSFET開(kāi)關(guān)Q1、Q2、Q3和Q4。導(dǎo)通的T1連接到二極管D4和D5。二極管D4和D5連接到電感器L2和電容器C4上。示出作為一個(gè)示例性變換器的變換器22，但是如上所述也可以是根據(jù)特具體應(yīng)用要求的幾種不同變換器拓?fù)渲弧?br> 本發(fā)明所公開(kāi)的描述僅為示例性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解除上述描述之外的變型例也落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種包括抽頭電感器的降壓dc-dc變換器，其具有連接到所述電感器抽頭和接地端的有源開(kāi)關(guān)，和連接在所述電感器和輸入電壓源之間的第一二極管，其中，所述抽頭電感器具有兩個(gè)電感部，并且其中，第二二極管連接在所述電感部之間，電容器跨接于所述第二二極管和一個(gè)所述電感部。
2.如權(quán)利要求1所述的變換器，還包括與所述第一二極管并聯(lián)的串聯(lián)的電阻器和電容器。
3.如權(quán)利要求1所述的變換器，還包括與所述第一二極管和電感器并聯(lián)的電容器。
4.如權(quán)利要求1所述的變換器，其中，所述開(kāi)關(guān)是MOSFET器件。
5.如權(quán)利要求1所述的變換器，其中，所述抽頭電感器具有兩個(gè)電感部，其中，所述兩個(gè)電感部的抽頭電感器匝數(shù)比大于1。
6.如權(quán)利要求4所述的變換器，其中，所述電感器抽頭連接到所述MOSFET器件的漏極，所述MOSFET器件的源極接地。
7.如權(quán)利要求1所述的變換器，其中，所述第一二極管的陽(yáng)極連接到所述電感器，并且所述第一二極管的陰極連接到所述輸入電壓源。
8.如權(quán)利要求1所述的變換器，還包括與所述電感器和所述開(kāi)關(guān)并聯(lián)的箝位二極管，用于減小由于所述第一二極管的漏電感引起的電壓尖峰。
9.一種兩級(jí)dc-dc變換器，包括第一級(jí)抽頭電感式降壓變換器，其具有連接到所述電感器抽頭和接地端的有源開(kāi)關(guān)，和連接在所述電感器和輸入電壓源之間的第一二極管；和第二級(jí)dc-dc變換器，其連接到所述第一級(jí)變換器，用于降低所述第一級(jí)變換器的輸出電壓。
10.如權(quán)利要求9所述的變換器，還包括與所述第一二極管和所述電感器并聯(lián)的電容器。
11.如權(quán)利要求9所述的變換器，其中，所述開(kāi)關(guān)是MOSFET器件。
12.如權(quán)利要求9所述的變換器，其中，所述抽頭電感器具有兩個(gè)電感部，其中，所述兩個(gè)電感部的抽頭電感器匝數(shù)比大于1。
13.如權(quán)利要求11所述的變換器，其中，所述電感器抽頭連接到所述MOSFET器件的漏極，并且所述MOSFET器件的源極接地。
14.如權(quán)利要求9所述的變換器，其中，所述第一二極管的陽(yáng)極連接到所述電感器，并且所述第一二極管的陰極連接到所述輸入電壓源。
15.如權(quán)利要求9所述的變換器，其中，所述抽頭電感器具有兩個(gè)電感部，其中，第二二極管連接在所述電感部之間，電容器跨接于所述第二二極管和一個(gè)所述電感部。
16.如權(quán)利要求9所述的變換器，還包括與所述電感器和所述開(kāi)關(guān)并聯(lián)的箝位二極管，用于減小由于所述第一二極管的漏電感引起的電壓尖峰。
17.如權(quán)利要求15所述的變換器，還包括與所述第一二極管并聯(lián)的串聯(lián)的電阻器和電容器。
18.如權(quán)利要求9所述的變換器，其中，所述第二級(jí)變換器是推挽式、半橋、正激或全橋變換器中的一種。
19.一種兩級(jí)dc-dc變換器，包括第一級(jí)抽頭電感式降壓變換器，其具有連接到所述電感器抽頭和接地端的有源開(kāi)關(guān)，和連接在所述電感器和輸入電壓源之間的第一二極管；其中，所述抽頭電感器具有兩個(gè)電感部，其中，第二二極管連接在所述電感部之間，電容器跨接于所述第二二極管和一個(gè)所述電感部；和第二級(jí)dc-dc變換器，其連接到所述第一級(jí)變換器，用于降低所述第一級(jí)變換器的輸出電壓。
20.如權(quán)利要求19所述的變換器，還包括與所述第一二極管和所述電感器并聯(lián)的電容器。
21.如權(quán)利要求19所述的變換器，其中，所述開(kāi)關(guān)是MOSFET器件。
22.如權(quán)利要求19所述的變換器，其中，所述抽頭電感器具有兩個(gè)電感部，其中，所述兩個(gè)電感部的抽頭電感器匝數(shù)比大于1。
23.如權(quán)利要求21所述的變換器，其中所述電感器抽頭連接到所述MOSFET器件的漏極，并且所述MOSFET器件的源極接地。
24.如權(quán)利要求19所述的變換器，其中，所述第一二極管的陽(yáng)極連接到所述電感器，并且所述第一二極管的陰極連接所述輸入電壓源。
25.如權(quán)利要求19所述的變換器，還包括與所述電感器和所述開(kāi)關(guān)并聯(lián)的箝位二極管，用于減小由于所述第一二極管的漏電感引起的電壓尖峰。
26.如權(quán)利要求19所述的變換器，還包括與第一二極管并聯(lián)的串聯(lián)的電阻器和電容器。
27.如權(quán)利要求19所述的變換器，其中，所述第二級(jí)變換器是推挽式、半橋、正激或全橋變換器中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種包括抽頭電感器的降壓dc－dc變換器，其具有連接到電感器抽頭和接地端的有源開(kāi)關(guān)。第一二極管連接到電感器和輸入電壓源之間。
文檔編號(hào)H02M3/10GK101079570SQ20071009135
公開(kāi)日2007年11月28日 申請(qǐng)日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者J·西加瑪尼, K·M·蓋克瓦德 申請(qǐng)人:雅達(dá)電子國(guó)際有限公司