專利名稱：功率轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及功率轉換器，具體來說，涉及具有設置在其副邊(secondary)側的控 制電路的功率轉換器。
背景技術：
例如單調啟動、短路后恢復、負載瞬時性能的不斷增加的動態(tài)要求允許重新劃分 許多現(xiàn)代絕緣式(insulated)功率轉換器的控制結構。以前，構造該設計的正常方式是 將控制電路設置在原邊(primary)側，并且僅傳送來自在副邊側的電壓控制系統(tǒng)的誤差信 號。滿足上述要求的最有效方式是將控制電路設置在副邊側，在那里可更有效地監(jiān)測輸出 電壓。設置在副邊側的數(shù)字控制和數(shù)字接口的引入將使得使用這種副邊側控制甚至更合乎 邏輯。這種副邊側控制的一個問題在于，必須從原邊側給這時設置在副邊側的控制電路 提供偏置。為此，必須雙方準確監(jiān)測輸入電壓，因為輸入電壓的監(jiān)測能力往往是數(shù)字控制器 內的要求，并且該信號用于控制主轉換器。還必須以高動態(tài)帶寬監(jiān)測輸入電壓，使轉換器能 夠處理輸入電壓瞬變(電壓模式前饋)。往往從小輔助轉換器給控制電路提供偏置，小輔助轉換器又稱作偏置調節(jié)器，往 往是回授(flyback)類型，它給控制電路以及同步mosfet和主開關mosfet提供偏置。一種生成與輸入電壓對應的信號的方法是通過對輔助轉換器或實際功率鏈中的 正向脈沖進行峰值整流并且將這個信息存儲在電容器中而將它從偏置電源得出。如果原邊 電壓增加，則電容器逐個周期地被充電，并且將準確地反映(mirror)原邊電壓。如果原邊 電壓減小，則不存在使電容器放電到經(jīng)變換電壓的放電通路。因此，電容器經(jīng)由電阻器或電 流源放電，并且正確電壓通過電容器每個周期的充電來實現(xiàn)。這導致因每個周期從電容器 的大放電引起的高紋波的高動態(tài)性能與要求電容器在每個周期僅輕微放電的準確度之間 的折衷。上文使用峰值整流的解決方案的缺點在于，很難使對高動態(tài)性能的要求與高準確 度匹配。當輸入電壓增加時，該解決方案將始終能夠具有高動態(tài)帶寬，但是帶寬將受到副邊 電壓的最大可接受電壓紋波限制，因為電容器在開關周期之間的耗盡本身將表示為所反映 電壓上的紋波。整流器件的正向電壓降還將影響所測量電壓的準確度。另一種成本更高的方法是使用線性光耦合器。輸入電壓信號由運算放大器測量， 并且轉換成用于驅動線性光耦合器的電流。這個電流然后在副邊側被轉換成電壓。光耦合 器方式的一個缺點在于，要求橫跨絕緣勢壘的一個額外組件。另外，這種解決方案成本比較 高，并且還將具有老化的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種上文所定義的功率轉換器，它具有供輸入到控制電路的 至原邊側的輸入電壓的更準確指示。
本發(fā)明涉及包括變壓器的隔離式功率轉換器，變壓器具有包括向其施加原邊電壓 的原邊繞組的原邊側、包括設置成反映原邊電壓并且提供輸出電壓的副邊繞組的副邊側 以及原邊側與副邊側之間的絕緣勢壘，并以副邊側的所反映原邊電壓相對地具有正電位 的方式設置。轉換器包括設置成使第二晶體管與副邊繞組上的電壓相關地導通的求導網(wǎng) (derivating net)，第二晶體管的源極連接到副邊繞組的負極端，第三晶體管的漏極還連 接到副邊繞組的正極端，第二電容器和第二電阻器連接在第三晶體管的柵極與源極之間， 第三電阻器連接在第二電阻器與第二晶體管的漏極之間，第三電容器設置成在其端子中之 一上提供參考電壓。優(yōu)選地，求導網(wǎng)設置成在變壓器電壓的上升沿期間使第二晶體管導通。本發(fā)明的概念是與上述峰值整流方案很類似的解決方案，但增加了信息存儲器件 電容器，它可在每一個開關周期被充電和放電。這通過使電容器能夠經(jīng)由能夠進行雙向能 量轉移的例如MOSFET的器件的放電來實現(xiàn)。這極大降低所反映電壓上的紋波，并且還在存 儲器件將被放電時提高動態(tài)性能。本發(fā)明的主要優(yōu)點在于，它使用現(xiàn)有技術以及僅使用幾個低成本組件來創(chuàng)建原邊 電壓的高準確的靜態(tài)和動態(tài)所反映信號。該解決方案除了已經(jīng)存在的變壓器之外不需要橫跨絕緣勢壘的組件，這會是高密 度解決方案的主要有益效果。如果經(jīng)過準確選擇，則組件Cl、Rl將作為變壓器電壓的緩沖 器(sniAber)，因而將那個功能集成在系統(tǒng)中。整流元件優(yōu)選地是二極管，它通過其陰極連接到副邊繞組的正極端。在一個實施例中，求導網(wǎng)包括連接在副邊繞組的正極端與第二晶體管的柵極之間 的第一電容器以及連接在第二晶體管的柵極與副邊繞組的負極端之間的第一電阻器。轉換器優(yōu)選地包括偏移補償電路，用于去除第二電壓輸出的偏移。在一個實施例 中，偏移補償電路包括第一雙極晶體管，第四晶體管的基極連接到第一輸出電壓，第四晶體 管的發(fā)射極通過第四電阻器連接到第二輸出電壓，以及第四晶體管的集電極通過第五電阻 器連接到地，在第四晶體管的集電極上提供參考地電平。這是一種簡單廉價的解決方案；但 是，它引入誤差，這表示它在所有應用領域可能不是充分精確的。備選地，偏移補償電路包括差分放大器，差分放大器的非反相輸入通過第六電阻 器連接到第二電壓輸出并且通過第七電阻器連接到地，差分放大器的反相輸入通過第九電 阻器連接到第一電壓輸出，以及第八電阻器從反相輸入連接到差分放大器的輸出，差分放 大器的輸出提供參考地電壓。這是比上文更為復雜的解決方案，但提供精確參考地電壓。齊納二極管可設置在第二和/或第三晶體管的柵極與源極之間，以便限制相應晶 體管上的電壓。這將增加可由相應晶體管并因此由轉換器處理的輸入電壓范圍。


下面通過示例方式并參照附圖更詳細地描述本發(fā)明，附圖中圖1示出由在副邊側的控制電路所控制的功率轉換器。圖加和圖2b根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實施例示出包括輸入電壓監(jiān)測電路的兩個 不同功率轉換器。圖3示出可用于補償偏移輸出電壓的電流發(fā)生器。
圖4示出可如何使用差分放大器來補償偏移輸出電壓。圖5是現(xiàn)有技術解決方案的簡化框圖。圖6a_6d示出在副邊側隨電壓在四個不同點的時間的變化。圖7a-圖7c分別根據(jù)本發(fā)明和現(xiàn)有技術解決方案示出輸入電壓和在能量存儲器 件上的電壓。
具體實施例方式圖1示出由在副邊側的控制電路所控制的功率轉換器。功率轉換器包括由在原邊 側的多個開關元件Si、S2、S3、S4所控制的主變壓器Ml。這些開關元件由原邊側驅動器單 元3控制。在副邊側，兩個整流元件R1、R2連接到副邊繞組的相對端。整流元件R1、R2由 副邊側驅動器單元5控制。使用電感器Ll和電容器Cl以本領域常見方式在副邊繞組的中 心抽頭與整流元件之一之間抽取輸出電壓。控制單元1通過第二變壓器M2連接到原邊側驅動器單元并且連接到副邊側驅動 器單元5?？刂茊卧?還在副邊側的輸出連接于電感器Ll與電容器Cl之間。提供輔助轉換器7以給控制電路1提供偏置。輔助轉換器7連接到原邊側驅動器 單元3、副邊側驅動器單元5和控制單元1。本發(fā)明涉及這個輔助轉換器7的實施例，下面 將對其進行論述。圖加是根據(jù)本發(fā)明實施例的包括輸入電壓監(jiān)測電路的功率轉換器的電路圖。圖 加示出回授轉換器，但此概念可用于其中實際輸入電壓在絕緣勢壘上經(jīng)過線性變換的任何 轉換器。如本領域常見的，功率轉換器包括變壓器TR1，它具有帶原邊繞組的原邊側和帶副 邊繞組的副邊側，原邊側與副邊側之間具有絕緣勢壘。電壓源Vin設置成向原邊繞組提供輸入電壓。采取MOSFET形式的開關元件Tl設 置在電壓源與原邊繞組的一端之間，以便控制變壓器的功能。變壓器TRl將回授能量變換 到副邊側。在副邊側，如本領域常見的，采取二極管形式的整流元件Dl設置在副邊繞組的 負極與地之間。輸出電壓電容器C4連接在副邊繞組的另一端與地之間，以便存儲回授能 量。觀察整流元件(二極管)Dl的負極支路中的布置。當mosfet Tl接通時，整個輸入電壓Vin施加在原邊繞組上，并且隨后以比率N2/ Nl變換到副邊側。如圖加中那樣，輸入電壓將在絕緣勢壘另一側的副邊側被取樣和監(jiān)測。為此，根 據(jù)本發(fā)明的這個實施例，多個組件設置在副邊側。第一電容器Cl的一端連接到副邊繞組的正極端。第一電阻器Rl連接在第一電容 器Cl的另一端與副邊繞組的負極端之間，使得第一電容器Cl和第一電阻器Rl共同形成求 導網(wǎng)。在第一電容器Cl與第一電阻器Rl之間，連接第二晶體管T2的柵極。第二晶體管T2 的源極連接到副邊繞組的負極端。在第二晶體管的柵極與源極之間，連接第一齊納二極管 DZl。在副邊繞組的正極端，連接第三晶體管T3的漏極。在第三晶體管T3的柵極與源 極之間，連接第二齊納二極管DZ2。下面將論述齊納二極管DZl和DZ2的功能。第二電容器 C2連接在第三晶體管T3的柵極與源極之間。提供第二電容器以在變壓器電壓的下降沿期間防止誤導通。與第二電容器并聯(lián)地連接第二電阻器R2。第三電阻器R3連接在第二電阻 器R2與第二晶體管T2的漏極之間。與從第二晶體管T2的源極經(jīng)第三電阻器R3和第二電 阻器R2的連接并聯(lián)地連接第三電容器C3。因此，第三電容器C3的一個端子將連接到輸出 電壓電容器C4的正極端子。在這些互連端子將提供輸出電壓Ucc。在第三電容器C3的另 一端子將提供控制電路的參考電壓Uff。下面將描述根據(jù)本發(fā)明添加的組件的功能。當開關晶體管Tl導通時，包括第一電容器Cl和第一電阻器Rl的求導網(wǎng)將感測變 壓器電壓的上升沿，并且使第二晶體管T2導通取決于時間常數(shù)RlX (Cl+CissT2)和所變換 電壓的電壓級別的時間。第二晶體管T2柵極的電壓級別將取決于晶體管電容CissT2與第 一電容Cl之間的比率，Ciss是第二晶體管的柵極與源極之間的電容CGS與第二晶體管的 漏極與柵極之間的電容CDG之和。然后，第二晶體管T2將第三電阻器R3與第二晶體管T2之間的節(jié)點下拉到輸出電 壓Ucc，隨后將第三晶體管T3的柵極充電到電壓級別(Uff-Ucc)/(1+R3/R2)。充電時間主 要取決于(R2//R3) X (C2+CissT3)的時間常數(shù)，而放電時間主要取決于R2X (C2+CissT3)。然后，第三晶體管T3將導通某個時段，下面將進行論述。在這個時間期間，第三電 容器C3將充電到變壓器上的電壓。齊納二極管DZl和DZ2是可選的，但在輸入電壓具有大范圍時是有用的。在這種 情況下，第二晶體管T2和/或第三晶體管T3的柵極上的電壓可通過將齊納二極管設置在 每個相應器件的柵極與源極之間來限制。這將使相應晶體管T2、T3能夠處理至變壓器TRl 的更高輸入電壓。使用標準器件，系統(tǒng)可處理以因子2變化的輸入電壓。第三電容器C3上的電壓將對應于VinXN2/Nl。與GND相比，參考電壓節(jié)點Uff將 具有Ucc的偏移。這種偏移可使用將要連接到圖加的輸出電壓的如圖3所示電流發(fā)生器 或者如圖4所示差分放大器來去除，下面更詳細地論述。圖2b是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的包括輸入電壓監(jiān)測電路的功率轉換器的電路 圖。圖2b示出正向轉換器。如本領域常見的，功率轉換器包括變壓器TR1，它具有帶原邊繞組的原邊側和帶副 邊繞組的副邊側，兩側之間具有絕緣勢壘。電壓源Vin設置成向原邊繞組提供輸入電壓。采取MOSFET形式的開關元件Tl設 置在電壓源與原邊繞組的一端之間，以便控制變壓器的功能。變壓器TRl將能量變換到副 邊側。在副邊側，如本領域常見的，第一二極管Dl通過其陽極連接到副邊繞組的一端。 第二二極管D2通過其陽極連接到副邊繞組的另一端以及連接到地。二極管Dl、D2的陰極 互連。在互連的陰極與地之間，連接第一電感器Ll和輸出電容器C4。輸出電壓Ucc在輸出 電容器C4上獲得。當mosfet Tl接通時，整個輸入電壓Vin施加在原邊繞組上，并且隨后變換到副邊 側。輸入電壓將在絕緣勢壘另一側的副邊側被取樣和監(jiān)測。為此，根據(jù)本發(fā)明的這個 實施例，多個組件設置在副邊側。第一電容器Cl的一端連接在第一二極管Dl的陽極與副邊繞組的一端之間。第一電容器Cl的另一端連接到第二晶體管T2的柵極。第一電阻器Rl連接在第二晶體管T2的 發(fā)射極與柵極之間，以及第一齊納二極管DZl優(yōu)選地與第一電阻器Rl并聯(lián)連接，其陰極連 接到晶體管T2的柵極。在第一二極管Dl的陽極與副邊繞組的一端之間，還連接第三晶體管T3的源極。第 二電阻器R2和第二電容器C2并聯(lián)連接在第三晶體管T3的柵極與發(fā)射極之間。第二齊納 二極管DZ2優(yōu)選地通過其陽極連接到第三晶體管的柵極以及通過其陰極連接到發(fā)射極，與 第二電阻器R2和第二電容器C2并聯(lián)。第三晶體管T3的柵極以及二極管的陽極和第二電容器C2與第二電阻器R2中每 個的一端通過第三電阻器R3連接到第二晶體管T2的漏極。第三電容器C3連接在地與連接第三晶體管T3的發(fā)射極、第二齊納二極管的陰極 以及第二電容器C2和第二電阻器R2的另一端的點之間。相對地的參考電壓Uff在第三電 容器C3上獲得。圖3中，第一雙極晶體管的基極連接到第一輸出電壓Ucc。第四電阻器R4連接在 第四晶體管的發(fā)射極與第二輸出電壓Uff之間。第五電阻器R5連接在第四晶體管T4的集 電極與地之間。參考地電壓UffGNDRef在第一雙極晶體管T4的集電極上獲得。第一雙極 晶體管用作由參考電壓Uff所控制的電流發(fā)生器。這是一種簡單的解決方案，但對于所有 實現(xiàn)可能并不充分精確。這種器件還可用于通過將電容器設置在電阻器R5上而對信號進 行濾波。圖4示出可如何應用差分放大器Ul去除對第二電壓輸出Uff的偏移。差分放大 器Ul的非反相輸入通過第六電阻器R6連接到第二電壓輸出Uff以及通過第七電阻器R7 連接到地。差分放大器的反相輸入通過第九電阻器R9連接到第一電壓輸出Ucc。第八電阻 器R8從反相輸入連接到差分放大器Ul的輸出。參考地電壓UffGNDRef在差分放大器Ul 的輸出上獲得。這種器件還可用于通過將電容器設置在電阻器R7和R8上而對信號進行濾 波。雖然以上論述了兩個示例，但是技術人員知道用于去除偏移電壓的若干其它解決 方案?？蓱萌魏芜m當?shù)倪@種解決方案。圖5是現(xiàn)有技術解決方案的簡化框圖。如同前面的附圖中那樣，功率轉換器包括 變壓器TR21，它具有帶原邊繞組的原邊側和帶副邊繞組的副邊側，原邊側與副邊側之間具 有絕緣勢壘。電壓源Vin設置成向原邊繞組提供輸入電壓。采取MOSFET形式的開關元件 T21設置在電壓源與原邊繞組的一端之間，以便控制變壓器的功能。如本領域中常見的，采 取二極管形式的整流元件Dll通過其陰極連接到第二繞組。為了在副邊側取樣輸入電壓，結合副邊繞組設置了多個組件。在副邊繞組的正極 端，第二二極管D21通過其陽極連接到該繞組。在陰極，串聯(lián)連接第一電阻器R1。電容器 C13的第一端連接在電阻器Rll的另一端。電容器C13的第二端連接到副邊繞組的負極端， 即連接到輸出電壓Vcc。參考電壓節(jié)點Uff則連接到偏移補償系統(tǒng)，如上文參照圖3和圖 4所述，偏移補償系統(tǒng)設計成吸取大到足夠使電容器C3耗盡的電流。在正向轉換器的情況 下，這通過調整信號電平(level)的電阻分壓器來進行。圖6a_6d示出在電路不同點的電壓如何隨時間變化的模擬。圖6a示出參考電壓 Uff與輸出電壓Ucc之間的電壓差，即能量存儲器件C3上的電壓。所看到的紋波由晶體管T2和T3的開關以及從變壓器Tl對C3的充電而引起。圖6b示出在第三晶體管的漏極與第一二極管Dl的連接點、即圖加和圖2b中表 示為Usw的點處的電壓。該圖示出回授轉換器的行為。正向型轉換器將具有相似外觀，但 是，如果按照圖2b所示設置，則平均電壓為零，即不存在Ucc偏移。圖6c示出第二晶體管T2的柵極電壓、即圖加和圖2b中表示為Utrig的點與輸 出電壓Ucc之間的電壓差。這是使第二晶體管T2導通并且對C2+CissT3充電的信號。圖6d示出第三晶體管T3的柵電壓、即圖加和圖2b中表示為化膽？的點與參考 電壓Uff之間的電壓差。這個信號指示晶體管T3何時導通?？梢钥吹剑谶@個信號與變壓 器電壓的上升沿之間存在少許延遲。這足以避免取樣到開關節(jié)點Usw中的振鈴(ringing)。圖7a示出至變壓器原邊側的輸入電壓Vin隨時間的變化。圖7b示出在副邊側使 用根據(jù)本發(fā)明實施例的電路的參考電壓Uff相對輸出電壓Ucc隨時間的變化。圖7c示出 現(xiàn)有技術系統(tǒng)中參考電壓Uff相對輸出電壓Ucc隨時間的變化?，F(xiàn)有技術系統(tǒng)按照參考電 壓節(jié)點上的紋波與取樣器匹配的方式來確定尺寸，也就是說，它對于高準確度來確定尺寸， 而不是具有高帶寬。相同的時間標度(scale)用于所有三個附圖?？梢钥吹?，圖7b中的曲 線反映圖7a中的曲線，比圖7c中的曲線好許多。
權利要求
1.一種包括變壓器(TRl)的隔離式功率轉換器，所述變壓器(TRl)具有包括向其施加 原邊電壓的原邊繞組的原邊側、包括設置成反映所述原邊電壓并且提供輸出電壓(Vcc)的 副邊繞組的副邊側以及所述原邊側與副邊側之間的絕緣勢壘，并且以在所述副邊側的所反 映原邊電壓相對地具有正電位的方式設置，所述轉換器特征在于，它包括設置成使第二晶體管0 與所述副邊繞組上的電壓相 關地導通的求導網(wǎng)(Cl，R1)，所述第二晶體管的源極連接到所述副邊繞組的負極端，第三 晶體管CH)的漏極還連接到所述副邊繞組的正極端，第二電容器(以)和第二電阻器(R2) 連接在所述第三晶體管CH)的柵極與源極之間，第三電阻器(舊)連接在所述第二電阻器 (R2)與所述第二晶體管(1 的漏極之間，第三電容器(O)連接在所述第二晶體管(T2) 和第三晶體管CH)的源極之間以便在所述第三電容器(O)的一個端子提供第一輸出電壓 (Ucc)并在所述第三電容器(O)的另一端子提供第二輸出電壓(Uff)。
2.如權利要求1所述的功率轉換器，其中，所述求導網(wǎng)(Cl，Rl)設置成使所述第二晶 體管(1 在變壓器電壓的上升沿期間導通。
3.如權利要求1或2所述的功率轉換器，其中，整流元件是二極管(Dl)，所述二極管通 過其陰極連接到所述副邊繞組的正極端。
4.如權利要求3所述的功率轉換器，其中，所述求導網(wǎng)包括連接在所述副邊繞組的正 極端與所述第二晶體管0 的柵極之間的第一電容器(Cl)以及連接在所述第二晶體管 (T2)的柵極與所述副邊繞組的負極端之間的第一電阻器(Rl)。
5.如以上權利要求中任一項所述的功率轉換器，還包括偏移補償電路，用于去除所 述第二電壓輸出(Uff)的偏移。
6.如權利要求5所述的功率轉換器，其中，所述偏移補償電路包括第一雙極晶體管 (T4)，所述第四晶體管(T4)的基極連接到所述第一輸出電壓(Ucc)，所述第四晶體管(T4) 的發(fā)射極通過第四電阻器(R4)連接到所述第二輸出電壓，以及所述第四晶體管的集電極 通過第五電阻器(肪)連接到地，參考地電平在所述第四晶體管(T4)的集電極上提供。
7.如權利要求1至4中任一項所述的功率轉換器，其中，所述偏移補償電路包括差分放 大器(Ul)，所述差分放大器(Ul)的非反相輸入通過第六電阻器(R6)連接到所述第二電壓 輸出端(Uff)并且通過第七電阻器(R7)連接到地，所述差分放大器的反相輸入通過第九電 阻器(R9)連接到所述第一電壓輸出(Ucc)，以及第八電阻器(R8)從所述反相輸入連接到所 述差分放大器Ul的輸出，所述差分放大器Ul的輸出提供參考地電壓UffGNDRef。
8.如以上權利要求中任一項所述的功率轉換器，其中，齊納二極管設置在所述第二晶 體管0 的柵極與源極之間，以便增加可由所述第二晶體管處理的輸入電壓范圍。
9.如以上權利要求中任一項所述的功率轉換器，其中，齊納二極管設置在所述第三晶 體管CH)的柵極與源極之間，以便增加可由所述第三晶體管處理的輸入電壓范圍。
全文摘要
一種包括變壓器(TR1)的隔離式功率轉換器，變壓器以在副邊側的所反映原邊電壓相對地具有正電位的方式設置，所述轉換器包括設置成使第二晶體管(T2)與副邊繞組上的電壓相關地導通的求導網(wǎng)(C1，R1)，第二晶體管的源極連接到副邊繞組的負極端，第三晶體管(T3)的漏極還連接到副邊繞組的正極端，第二電容器(C2)和第二電阻器(R2)連接在第三晶體管(T3)的柵極與源極之間，第三電阻器(R3)連接在第二電阻器(R2)與第二晶體管(T2)的漏極之間，第三電容器(C3)連接在第二晶體管(T2)和第三晶體管(T3)的源極之間以在第三電容器(C3)的一個端子提供第一輸出電壓(Ucc)并在第三電容器(C3)的另一個端子提供第二輸出電壓(Uff)。
文檔編號H02M3/335GK102067427SQ200880129982
公開日2011年5月18日 申請日期2008年6月17日 優(yōu)先權日2008年6月17日
發(fā)明者M·阿佩爾伯格 申請人:愛立信電話股份有限公司