專利名稱：一種帶有pwm軟切換的雙正向轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC/DC轉(zhuǎn)換器電路，尤其涉及一種帶有PWM軟切換的雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路，這種電路包括一個主開關(guān)，一個輔助開關(guān)，整流二極管以及一個變壓器，用于當(dāng)主開關(guān)處于PWM電路的控制之下時將能量從變壓器的初級繞組轉(zhuǎn)移到次級繞組。DC/DC轉(zhuǎn)換器電路包括有用于在主開關(guān)關(guān)斷時將變壓器繞組中存儲的能量自動復(fù)原而沒有被自鎖的可能性的電路以及用于軟切換整流二極管以消除與連接到變壓器次級繞組的整流二極管相關(guān)的倒向恢復(fù)損耗的電路。當(dāng)配置阻尼電容器把關(guān)斷損耗減至最小時，主開關(guān)和輔助開關(guān)兩者均以零電壓導(dǎo)通。
DC/DC轉(zhuǎn)換器用于將一個未調(diào)整的DC電源轉(zhuǎn)換為一個恒定電壓源，以用于各種應(yīng)用場合。這種DC轉(zhuǎn)換器通常包括一個具有一個初級和兩個次級繞組的變壓器。一個開關(guān)例如說一個固態(tài)開關(guān)連接到初級繞組以控制能量從初級向次級繞組轉(zhuǎn)移。在PWM控制的轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)通常處于一個脈寬調(diào)制器(PWM)電路的控制之下，脈寬調(diào)制器電路則改變被定義為接通時間對開關(guān)周期之比的占空因素。
隨著為減小尺寸和重量而增加切換頻率(如像在航空航天和軍事應(yīng)用中所經(jīng)常要求的那樣)，切換損耗增加很快。為了克服這一點(diǎn)，DC/DC電源變換器的設(shè)計(jì)者們使用各種方案來消除或者把與固態(tài)開關(guān)的切換相關(guān)聯(lián)的損耗減至最小。這些方案一般叫做各種軟切換技術(shù)。在所有各種軟切換方案中，最有希望的是那些在導(dǎo)通和關(guān)斷過渡時具有零電流或零電壓切換，同時保持類似于PWM(硬切換)轉(zhuǎn)換器中的電壓和電流應(yīng)激反應(yīng)的方案。之所以如此是因?yàn)閷﹂_關(guān)電壓和電流的應(yīng)激反應(yīng)電平與PWM(硬切換)轉(zhuǎn)換器中的相同代表著功率轉(zhuǎn)移中的最大可能效率。這一類軟切換可以叫做PWM軟切換。
在最新的發(fā)展中，普遍用于軟切換的移相方案接近于實(shí)現(xiàn)PWM軟切換波形。但是，其應(yīng)用被局限于雙端轉(zhuǎn)換器例如半橋式和全橋式轉(zhuǎn)換器。用于單端轉(zhuǎn)換器例如正向和逆向轉(zhuǎn)換器的軟切換方案的最新發(fā)展利用一種被稱做電流反射鏡的機(jī)構(gòu)來使變壓器自動復(fù)原。這類電路的例子披露在美國專利4,441,146；4,809,148；4,959,764和5,126,931中。這類電路的例子還披露在下列出版物中IEEE1992年的刊物0-7803-0485-3/92號第709-716頁由J.A.Bassett發(fā)表的“使用集成磁性元件的固定頻率ZVS轉(zhuǎn)換器”；IEEE1993年的IEEE刊物0-7803-0982-0/93號第880-887頁由I.D.Jitaru發(fā)表的“高頻軟過渡轉(zhuǎn)換器”；IEEE1990年的IEEE刊物CH2873-8/90/0000-0181號第181-187由K.Harada和H.Sakamoto發(fā)表的“用于高頻切換的開關(guān)阻尼器”以及HFPC1990年5月的會議記錄第235-245頁由B.Carsten發(fā)表的“用于高頻和功率電平的變壓器有源復(fù)原電路的設(shè)計(jì)技術(shù)”。這類電路一般包括一個第二固態(tài)開關(guān)和一個用于在主固態(tài)開關(guān)斷開時將儲存在變壓器繞組里的磁化電流轉(zhuǎn)移、將能量返回到與變壓器初級繞組相連接的DC電壓源。這類電路使得主開關(guān)和輔助開關(guān)在零電壓導(dǎo)通并包括一個通常就是一個并聯(lián)連接到開關(guān)兩端的電容器的無損耗阻尼器。阻尼器被用來在開關(guān)關(guān)斷時使電壓應(yīng)激反應(yīng)和損耗減到最小。此外，這類電路構(gòu)筑得使阻尼電容器在合上開關(guān)之前放電以在開關(guān)導(dǎo)通時消除導(dǎo)通損耗和把開關(guān)兩端的電壓應(yīng)激反應(yīng)減至最小。這類電路的例子披露在美國專利4,959,764；5,126,931以及5,231,563中。
注意，用在所列舉的各專利中的電流反射鏡技術(shù)可能引起電路工作于自鎖到次諧波頻率的狀態(tài)。工作的自鎖狀態(tài)使得輸出電壓脫離調(diào)整并且有可能損壞開關(guān)元件。要用一個額外的保護(hù)電路來保證轉(zhuǎn)換器的安全工作。
正如美國專利4,809,148；4,441,146；4,959,764和5,126,931所披露的，DC/DC轉(zhuǎn)換器通常包括一個或一個以上連接到變壓器次級繞組的整流二極管。一般，一個整流二極管并聯(lián)連接變壓器的次級繞組兩端，同時一個第二整流二極管與負(fù)載串聯(lián)連接。在任何切換轉(zhuǎn)換器中，整流二極管都會遭到被稱之為倒向恢復(fù)的損耗(此損耗產(chǎn)生于二極管兩端偏置很快倒向時)。已經(jīng)知道用于將整流二極管的倒向恢復(fù)損耗減至最小的各種技術(shù)，例如在IEEE1993年的刊物0-7803-0982-0/93號第880-887由I.D.Jitaru發(fā)表的“高頻軟過渡轉(zhuǎn)換器”(以及在美國專利No.5,434,768)中所披露的技術(shù)。但是，正如作者所說，該技術(shù)“不全面消除二極管的倒向恢復(fù)損耗。”。
簡單地說，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)換器電路，在有效地實(shí)現(xiàn)軟切換的同時，都得容易兩個主要缺點(diǎn)即可能毀壞部件的危險自鎖狀態(tài)和犧牲功率轉(zhuǎn)換效率的二極管多余倒向恢復(fù)損耗。
本發(fā)明的一個目的是提供一種解決了這些與現(xiàn)有技術(shù)關(guān)聯(lián)的問題的DC/DC變換器電路。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種消除了整流二極管的倒向恢復(fù)損耗的DC/DC變換器電路。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種DC/DC變換器電路，該電路包括一個變壓器，一個主開關(guān)，以及一個用于在主開關(guān)關(guān)斷時將存儲在變壓器繞組中的能量自動轉(zhuǎn)移回送到與變壓器的初級相連接的電壓源的電路。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種帶有PWM軟切換的DC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個主開關(guān)和一個輔助開關(guān)，兩個開關(guān)均帶有用于將固態(tài)開關(guān)的切換損耗減至最小的無損耗阻尼器。
簡而言之，本發(fā)明涉及一種帶有PWM軟切換的新型正向DC/DC變換器。變換器在一個開關(guān)周期里向輸出低通濾波器提供兩個脈沖。因此，在轉(zhuǎn)換器的一個開關(guān)周期內(nèi)兩次正向輸出功率(雙正向)。雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器包括一個具有單個初級繞組和兩個次級繞組的變壓器。一個在PWM控制電路控制下的主開關(guān)與初級繞組串聯(lián)連接。一個輔助開關(guān)通過一個諧振電容器與主開關(guān)的兩端耦連。諧振電容器和輔助開關(guān)被用于在主開關(guān)關(guān)斷時將存儲在變壓器繞組里的能量自動轉(zhuǎn)移回送到與變壓器初級相連接的電壓源中。主開關(guān)和輔助開關(guān)兩者各跨接一個二極管和阻尼電容器，用于將切換損耗減到最小，所謂電流反射鏡在這里已被通過電路的智能設(shè)計(jì)所舍棄。從而避免了令人討厭的自鎖工作狀態(tài)。
變壓器的次級繞組連接到一對飽和電抗器，飽和電流器本身又連接到整流二極管。一個續(xù)流二極管跨接在次級繞組兩端并與飽和電抗器共同限制在主開關(guān)和輔助開關(guān)的過渡期間變換器次級的負(fù)載電流。這一結(jié)構(gòu)提供了為消除整流二極管的倒向恢復(fù)損耗所必須的機(jī)制。
通過參考下面的詳細(xì)說明和附圖，將很容易理解本發(fā)明的這些目的以及其他目的，在附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明帶有PWM軟切換的雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的原理圖；圖2A-2M表示圖1所示DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中作為各電路元件的時間函數(shù)的關(guān)鍵電壓和電流的波形；圖3A-3E表示根據(jù)本發(fā)明的雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的主要工作階段，以深色線示出每一階段期間的電流流動方向；圖4是本發(fā)明另一實(shí)施方式的原理圖，其中XFRM的磁化電流被從輸入端或電壓源引開。因而再循環(huán)的能量降低。
圖5是本發(fā)明又一個實(shí)施方式的原理圖，特別適合用在同步整流器優(yōu)先于常規(guī)整流二極管的應(yīng)用場合；圖6是本發(fā)明用于需要多路輸出電壓的應(yīng)用場合的原理圖。
在各種型式的功率變換中，兩個重要的考慮因素是效率和功率密度。帶有軟切換的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路為人所知是因?yàn)樘峁┍瘸Ｒ?guī)PWM開關(guān)電源相對較好的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明帶PWM軟切換的雙正向DC/DC變換器包括為把開關(guān)器件的開關(guān)損耗減至最小而且還消除與整流二極管相關(guān)聯(lián)的倒向恢復(fù)損耗的電路。根據(jù)本發(fā)明的雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中的一個特點(diǎn)是用最低限度的電路復(fù)雜性和最小的附加電路引入損耗消除了切換損耗和倒向恢復(fù)損耗。
根據(jù)本發(fā)明的雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路示于圖1并用標(biāo)號20一般表示。正向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路20包括一個具有n1匝的單個初級繞組和兩個各自等于n2匝的次級繞組的變壓器。初級和次級繞組的極性在圖1中以小圓點(diǎn)表示。一個主開關(guān)M1例如說具有柵極、漏極和源極端子的MOSFET一類的固態(tài)開關(guān)被用于控制初級繞組中的能量流。特別是，主開關(guān)M1的漏極和源極端子與初級繞組串聯(lián)連接。一對輸入端子連接到初級繞組和主開關(guān)M1。一個DC電壓源耦連到輸入端子。
一個輔助開關(guān)M2例如說具有柵極、漏極和源極端子的MOSFET一類的固態(tài)開關(guān)以其漏極和源極端子電耦合到主開關(guān)M1的漏極和源極端子兩端。輔助開關(guān)M2與諧振電容CR一起用于使變壓器鐵芯復(fù)原并用于使主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2兩者都能夠零電壓切換。諧振電容器CR如圖示那樣連接在兩個開關(guān)M1和M2之間。用于主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2兩者的柵極端子連接到控制邏輯電路，使得兩個開關(guān)M1和M2以一種互補(bǔ)方式工作(其中兩個開關(guān)不同時導(dǎo)通)?？刂齐娐愤€在主開關(guān)M1關(guān)斷之后和輔助開關(guān)導(dǎo)通之前提供一個預(yù)定的靜寂時間。靜寂時間還形成在從輔助開關(guān)M2關(guān)斷時刻至主開關(guān)M1重新導(dǎo)通之前。表寂時間將在后面更詳細(xì)討論。
無損耗阻尼器C1和C2分別并聯(lián)在主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2的漏極和源極端子兩端。這些無損耗阻尼器C1和C2，正如下面要更詳細(xì)討論的一樣，通過將開關(guān)M1和M2兩端的電壓限制到諧振電容器CR兩端的電壓來降低主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2的關(guān)斷損耗。阻尼器C1和C2可以用分立電容器、與開關(guān)M1和M2關(guān)聯(lián)的雜散電容或兩者的一個組合來實(shí)現(xiàn)。
二極管D1和D2分別跨接到開關(guān)M1和M2的漏極和源極端子。正如下面將要更詳細(xì)討論的一樣，二極管D1和D2，和諧振電容CR以及變壓器XFRM的磁化電感一起用于將開關(guān)M1和M2導(dǎo)通損耗減到最不。如果開關(guān)M1和M2用MOSFET實(shí)現(xiàn)，則MOSFET的體二極管可以用作二極管D1和D2。另一個辦法是，也可以使用分立二極管作D1和D2。
一個諧振電容器CR連接在主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2的相應(yīng)漏極或源極端子之間。諧振電容器CR與磁化電感以及開關(guān)M1和M2一起在主開關(guān)M1關(guān)斷時將存儲在變壓器繞組里的能量自動轉(zhuǎn)移回送到與變壓器初級繞組連接的DC電壓源，并使開關(guān)M1和M2能夠零電壓導(dǎo)通。特別是，一旦主開關(guān)M1關(guān)斷，存儲在變壓器鐵芯中的能量立即向諧振電容器CR充電，正向偏置跨接在輔助開關(guān)M2兩端的二極管D2，使輔助開關(guān)M2導(dǎo)通的同時二極管D2導(dǎo)電，這又使得輔助開關(guān)能夠在零電壓導(dǎo)通。一旦輔助開關(guān)M2導(dǎo)通，存儲在變壓器繞組里的能量使立即自動回到與變壓器XFRM的初級繞組連接的DC電壓源。諧振電容器CR還正向偏置二極管D1使主開關(guān)M1導(dǎo)通的同時D1導(dǎo)電，從而允許主開關(guān)M1在零電壓導(dǎo)通。正如下面將要詳細(xì)討論的，主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2兩端的電壓應(yīng)激反應(yīng)被限制到諧振電容器CR兩端的電壓VCR。VCR一般等于1.5Vg。
如上所述，變壓器XFRM包括兩個各自具有的相等匝數(shù)n2的次級繞組。一對整流二極管D3和D4與次級繞組串聯(lián)連接。為了消除整流二極管D3和D4的倒向恢復(fù)損耗，使用了一對飽和電抗器SR3和SR4。特別是，一個飽和電抗器SR3(SR4)與整流二極管之一D3(D4)串聯(lián)連接。一個續(xù)流二極管D5跨接在低通濾波器的輸入端。續(xù)流二極管D5與飽和電抗器SR3和SR4一同保持負(fù)載電流在主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2的過渡時期內(nèi)流向次級繞組。
輸出端子定在續(xù)流二極管D5的兩端。由一個電感器和一個電容器C組成的濾波器可以跨接在輸出端子上。
為了最好地理解根據(jù)本發(fā)明的雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器電路20的工作，參照示出電路的四個工作階段的圖3A-3E正向方式(圖3A)，線性軟過濾方式(圖3B)，“逆向”/正各方式(圖3C/3D)以及諧振軟過渡方式(圖3E)，同時圖2A-2M示出了電路中元件的電壓和電流的理想波形。
首先參照圖3A，示出了轉(zhuǎn)換器的正向工作方式。在這一方式中，主開關(guān)借助PWM控制電路導(dǎo)通，同時如下面將要更詳細(xì)討論的一樣，二極管D1導(dǎo)電。這種PWM控制電路是現(xiàn)有技術(shù)已知的并且一般可在市場上買得到。例如由Silicon General公司制造的型號為SG1843的PWM集成電路就適合于作這樣的用途。
一旦主開關(guān)M1導(dǎo)通，電流從DC電壓源的正極導(dǎo)電軌條出發(fā)，經(jīng)過變壓器XFRM的初級繞組、主開關(guān)M1的漏極和源極端子并回到DC電壓源的負(fù)極導(dǎo)電軌條。正如下面將要更詳細(xì)討論的一樣，主開關(guān)M1導(dǎo)通，同時二極管D1導(dǎo)電，結(jié)果如圖2I所示，主開關(guān)M1基本上零電壓導(dǎo)通，于是，即使不消除，也會將與主開關(guān)M1的導(dǎo)通相關(guān)聯(lián)的切換損耗減到最小。在主開關(guān)M1導(dǎo)通之后，電流便作為變壓器繞組的磁化電感Lm和輸入DC電壓Vg的函數(shù)經(jīng)過變壓器XFRM的初級繞組線性斜升。
在這一方式期間，能量由初級繞組轉(zhuǎn)移到次級繞組，再轉(zhuǎn)移到跨接在電容器C上的負(fù)載。這一工作方式與正向變換器的完全一樣。在正向方式期間，飽和電抗器SR3飽和因而接通以允許電流流過二極管D3、電感L、負(fù)載并回到變壓器XFRM的次級繞組。在這一狀態(tài)期間，飽和電流器SR4阻塞。
主開關(guān)M1一關(guān)斷之后，如圖3B所示，電路立即進(jìn)入軟過渡方式，在這一方式下，飽和電抗器SR3和SR4以及續(xù)流二極管可供整流二極管D3的軟切換之用。特別是，當(dāng)主開關(guān)M1一關(guān)斷之后(在輔助開關(guān)M2導(dǎo)通之前的靜寂時間期間)，初級繞組兩端的電壓Vpr從正值過渡到負(fù)值，如圖2C所示。在這一期間，通過變壓器初級繞組的電流Ipr是正的，如圖2D所示。這個電流Ipr通過初級繞組對諧振電容器CR充電，充電又使得跨接在輔助開關(guān)M2兩端的二極管D2正向偏置，使電流Ipr流過二極管D2。在這一方式期間，跨接在主開關(guān)M1的漏極和源極端子上的阻尼電容器C1慢慢充電到一個等于諧振電容器CR兩端的電壓的數(shù)值VCR，如圖2I所示，于是，限制了與主開關(guān)M1的關(guān)斷相關(guān)聯(lián)的電壓應(yīng)激反應(yīng)。
在初級繞組兩端的電壓大于零時，飽和電抗器SR3導(dǎo)電，從而偏置整流二極管D3，造成電流從次級繞組出發(fā)，經(jīng)過飽和電抗器SR3、二極管D3、電感器L，通過負(fù)載回到次級繞組。一旦初級繞組兩端的電壓掉到零以下，續(xù)流二極管D5使得電流經(jīng)過二極管D5、電感器L、負(fù)載并返回通過二極管D5流通。電流從D3轉(zhuǎn)到D5(轉(zhuǎn)變速率由次級的漏感決定)。隨著二極管D3中的電流iD3接近于零，飽和電抗器SR3重新獲得其高阻抗，消除了用于二極管D3的倒向恢復(fù)損耗，如圖2F所示。由于飽和電抗器SR4仍然阻塞，SR3在過渡期內(nèi)沒有電壓。因此，它是軟切換的。二極管D3也是如此。
一旦輔助開關(guān)M2導(dǎo)通，通過變壓器繞組的雙極性磁化電流img便從一個最大峰值轉(zhuǎn)向一個低平的負(fù)峰值。當(dāng)磁化電流img為正時，DC變換器電路20以一種“逆向”方式工作，如圖3C所示。一旦磁化電流由正值進(jìn)入負(fù)值，同時輔助開關(guān)M2合上。在磁化電流進(jìn)入負(fù)值時，電路以正向方式工作，如圖3D所示。
回過頭來參照逆向方式的圖3C，磁化電流img從DC電壓源的正極導(dǎo)電軌條出發(fā)。經(jīng)過初級繞組、諧振電容器CR、二極管D2、輔助開關(guān)M2的漏極和源極端子并回到DC電壓源的負(fù)極導(dǎo)電軌條。輔助開關(guān)M2導(dǎo)通時二極管D2導(dǎo)電，實(shí)現(xiàn)輔助開關(guān)M2的零電壓切換。由于初級繞組兩端的電壓Vpr在這一期間為負(fù)，故飽和電抗器SR3阻塞而飽和電抗器SR4導(dǎo)電。在這一狀態(tài)下，二極管D4正向偏置，使得電流從次級繞組出發(fā)，經(jīng)過飽和電抗器SR4，二極管D4，電感器L，通過負(fù)載并流回到次級繞組。注意，提供給負(fù)載的能量系來自變壓器。這類似于一個逆向轉(zhuǎn)換器。但是，變壓器兩端的電壓Vpr不像在逆向轉(zhuǎn)換器那樣由輸出電壓決定。相反地，電壓Vpr由諧振電容器兩端的電壓VCR決定，這又類似于一個正向轉(zhuǎn)換器。為指出這一區(qū)別，將逆向打上引號。還要注意，由于舍棄了電流反射鏡，這個“逆向”方式的周期大大短于現(xiàn)有技術(shù)中的那些周期。這正是為了從一開始就防止自鎖狀態(tài)所需要的。
一旦磁化電流img進(jìn)入負(fù)值，DC/DC變換器電路20便以正向方式工作，如圖3D所示，使得磁化電流img從DC電壓源的負(fù)極導(dǎo)電軌條出發(fā)，經(jīng)過輔助開關(guān)M2、諧振電容器CR，通過初級繞組并流回到DC電壓源的正極導(dǎo)電軌條。由于初級繞組兩端的電壓在這一狀態(tài)下為負(fù)，故飽和電抗器SR3阻塞，同時飽和電抗器SR4導(dǎo)電，造成電流經(jīng)過飽和電抗器SR4，二極管D4、電感器L并通過負(fù)載流回到次級繞組。注意提供給負(fù)載的能量系來自諧振電容器CR。這一能量轉(zhuǎn)移機(jī)制類似于正向轉(zhuǎn)換器。
在“逆向”/正向時間期間，提供給低通濾波器的電壓是在主開關(guān)M1的一個開關(guān)周期內(nèi)的第二個電壓脈沖。脈沖的幅度由(Vg-VCR)/n給出。這是一個與常規(guī)正向轉(zhuǎn)換器的很大不同之處(在常規(guī)正向轉(zhuǎn)換器中，僅向低通濾波器提供一個電壓脈沖)。因此，本發(fā)明可以恰當(dāng)?shù)亟凶麟p正向轉(zhuǎn)換器。實(shí)際上，簡單的分析得到的電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)由
給出，這恰好是正向轉(zhuǎn)換器的數(shù)值
的兩倍。
對正向的特點(diǎn)顯示出其在任何場合提高效率2-10％的能力(視用途而定)。這個效率增益系通過實(shí)現(xiàn)接近于1的最大占空因素(比較常規(guī)正向轉(zhuǎn)換器中的5％)而得到的。
在輔助開關(guān)M2關(guān)斷之后，DC/DC轉(zhuǎn)換電路20進(jìn)入第二過渡方式，如圖3E所示。正如上面所討論的，在輔助開關(guān)M2關(guān)斷和主開關(guān)M1導(dǎo)通之間存在一個靜寂時間。如圖2C所示，在這一靜寂時間內(nèi)，初級繞組上的電壓Vpr線性斜升到一個等于電源電壓Vg的正數(shù)值。輔助開關(guān)M2剛關(guān)斷之時，電流繼續(xù)從DC電壓源的負(fù)極導(dǎo)電軌條出發(fā)，經(jīng)由輔助開關(guān)M2、諧振電容器CR、通過初級繞組并流回到DC電壓源的正極導(dǎo)電軌條。電流還從DC電壓源的負(fù)極導(dǎo)電軌條出發(fā)流過阻尼電容器C1，從而使阻尼電容器C1放電以允許二極管D1導(dǎo)通，這又使得主開關(guān)M1能夠在下一周期內(nèi)以零電壓導(dǎo)通。一旦輔助開關(guān)M2關(guān)斷，阻尼電容器C2將輔助開關(guān)M2兩端的電壓限制到諧振電容器CR兩端的電壓VCR。注意主開關(guān)M1中的負(fù)電流需要設(shè)計(jì)得很小。因而，不會招致重大的附加導(dǎo)電損耗。一個小的負(fù)電流與防止閉鎖方式也是一致的。
在輔助開關(guān)M2關(guān)斷之后，飽和電抗器SR4導(dǎo)電，正向偏置二極管D4使得它能夠在初級電壓Vpr小于零時導(dǎo)電。一旦初級電壓Vpr上升超過零，續(xù)流二極管D5就開始導(dǎo)電，使得電流能夠經(jīng)過電感器L、負(fù)載并返回通過續(xù)流二極管流通，同時飽和電抗器SR3處于阻塞狀態(tài)，從而提供了整流二極管D4的軟過渡，消除了二極管D4的倒向恢復(fù)損耗。負(fù)載電流從D4向D5的過渡不會招致任何切換損耗，因?yàn)轱柡碗娍蛊鱏R3是阻塞的。
還要注意，在兩個用于軟過渡的時間周期期間，續(xù)流二極管D5將負(fù)載電流限制在轉(zhuǎn)換器的次級一側(cè)。這個特點(diǎn)不僅允許初級的過渡有秩序地繼續(xù)進(jìn)行，而且還將環(huán)流能量限制到最小(從而改善了效率)。
本發(fā)明的另一個重大改進(jìn)是其防止令人討厭的自鎖狀態(tài)的能力。不需要任何附加電路。初級參數(shù)的適當(dāng)設(shè)計(jì)允許電路以不同的方式工作，如圖2L所示。電流波形不再對稱，并且舍棄了電流反射鏡。允許有更多的時間用于諧振電容器還原。因此，這個電路可容許過渡狀態(tài)，沒有被自鎖的可能性之憂。從而，大大提高了轉(zhuǎn)換器的可靠性。
本發(fā)明的替代實(shí)施例示于圖4、5和6。為簡單起見，相同的元件用相同的標(biāo)號表示。撇號、雙撇號等等被用來區(qū)分不同的實(shí)施例。所有三個實(shí)施例均以類似于圖1所示實(shí)施例的方式工作。
所有三個實(shí)施例均含有一個從轉(zhuǎn)換器的輸出端至PWM控制電路的反饋。各個實(shí)施例相對于圖1之間的其他區(qū)別在下面討論。
圖4除了輔助開關(guān)M2的位置以外，與圖1相同。在這一實(shí)施例中，輔助開關(guān)M2連接到變壓器XFRM的初級繞組n1的兩端。更具體地說，輔助開關(guān)M2以一個具有柵極、漏極和源極端子的MOSFET形式實(shí)現(xiàn)。漏極和源極端子耦合在初級繞組的兩端。諧振電容器CR’耦連在主開關(guān)M1和輔助開關(guān)M2之間。
圖5表示本發(fā)明的另一個替代實(shí)施例。這一實(shí)施例特別適合于應(yīng)用在同步整流器優(yōu)先于常規(guī)整流二極管的場合。這一實(shí)施例除了用同步整流器SD3和SD4代替整流二極管D3和D4之外，也與圖1所示實(shí)施例相同。
圖6是本發(fā)明為多路輸出而提供的另一個替代實(shí)施例。在這一實(shí)施例中，變壓器XFRM設(shè)有多路獨(dú)立的次級繞組。例如圖6所示的3路獨(dú)立的次級繞組。如圖所示，每路獨(dú)立的次級繞組包括有和圖1一樣的兩個繞組。電路的其他部分與圖1所示的實(shí)施例相同。
顯然，按照上述理論的本發(fā)明許多修改和變例都是可以允許的。因此，不用說，在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以用其他方式而不用上面詳細(xì)敘述的方式付諸實(shí)踐。需要通過專利證書申述的權(quán)利要求是
權(quán)利要求
1.一種DC/DC轉(zhuǎn)換器電路，包括一個具有一個初級繞組和多個次級繞組的變壓器，所述初級繞組適合于耦連到一個DC電壓源；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的主開關(guān)，所述主開關(guān)適合于受一個脈寬調(diào)制器電路控制；一對電耦連到所述初級繞組和所述主開關(guān)的輸入端子；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的復(fù)原電路，用于在所述主開關(guān)關(guān)斷時使磁化電流自動返回所述DC電壓源；一個電耦連到所述多個次級繞組之一的第一整流二極管；一個串聯(lián)耦合到所述第一整流二極管的第一飽和電抗器；一個電耦連到所述多個次級繞組的另一個繞組的第二整流二極管；一個串聯(lián)耦合到所述第二整流二極管的第二飽和電抗器；一個電耦連在所述第一和第二整流二極管之間的續(xù)流二極管；以及一對被確定在所述續(xù)流二極管兩端的輸出端子。
2.權(quán)利要求1要求的DC/DC變換器電路，其中所述主開關(guān)是一個固態(tài)開關(guān)。
3.權(quán)利要求2要求的DC/DC變換器電路，其中所述固態(tài)開關(guān)是一個具有柵極、漏極和源極端子的MOSFET。
4.權(quán)利要求1要求的DC/DC變換器電路，其中所述復(fù)原電路包括一個輔助開關(guān)。
5.權(quán)利要求4要求的DC/DC變換器電路，其中所述復(fù)原電路包括一個以具有柵極、漏極和源極端子的MOSFET形式實(shí)現(xiàn)的輔助開關(guān)。
6.權(quán)利要求4要求的DC/DC變換器電路，還包括一個電連接在所述主開關(guān)和輔助開關(guān)之間的第一電容器。
7.權(quán)利要求1要求的DC/DC變換器電路，還包括一個并聯(lián)連接在所述主開關(guān)兩端的第一二極管。
8.權(quán)利要求7要求的DC/DC變換器電路，還包括一個與所述第一二極管并聯(lián)連接的第一阻尼電容器。
9.權(quán)利要求4要求的DC/DC變換器電路，還包括一個并聯(lián)連接在所述輔助開關(guān)兩端的第二二極管。
10.權(quán)利要求9要求的DC/DC變換器電路，還包括一個并聯(lián)連接在所述輔助開關(guān)兩端的第二阻尼電容器。
11.權(quán)利要求1要求的DC/DC變換器電路，其中所述濾波器電路包括一個電感器和一個電容器。
12.權(quán)利要求1要求的DC/DC變換器電路，其中所述多個次級繞組具相等的匝數(shù)。
13.一種DC/DC變換器電路，包括一個具有一個初級繞組和多個次級繞組的變壓器；所述初級繞組適合于電耦連到一個DC電壓源；一個電耦連在所述DC電壓源和所述初級繞組之間的主開關(guān)，用于控制能量從所述DC電壓源和所述變壓器轉(zhuǎn)移；一對電耦連到所述初級繞組和所述主開關(guān)的輸入端子；一個用于控制所述主開關(guān)的脈寬調(diào)制電路；一個電耦連到所述主開關(guān)和一個第一電容器的輔助開關(guān)，所述輔助開關(guān)和所述第一電容器用于在所述主開關(guān)關(guān)斷時自動放出所述變壓器中的能量；電耦連到所述多個次級繞組的第一和第二整流二極管；一個串聯(lián)連接到所述第一整流二極管的第一飽和電抗器；一個串聯(lián)連接到所述第二整流二極管的第二飽和電抗器；一個電耦連到所述第一和第二整流二極管的續(xù)流二極管，它在主開關(guān)和輔助開關(guān)關(guān)斷時導(dǎo)電，用以避免所述第一和第二整流二極管的倒向恢復(fù)損耗；以及一對電耦連在所述續(xù)流二極管兩端的輸出端子。
14.權(quán)利要求13要求的DC/DC變換器電路，還包括一個電耦連到所述一對輸出端子的濾波器。
15.權(quán)利要求14要求的DC/DC變換器電路，其中所述濾波器電路包括一個電容器和一個電感器。
16.權(quán)利要求13要求的DC/DC變換器電路，還包括分別電耦連在所述主開關(guān)和輔助開關(guān)兩端的第一和第二阻尼電容器。
17.權(quán)利要求16要求的DC/DC變換器電路，還包括分別電連接在所述第一和第二阻尼電容器兩端的第一和第二二極管。
18.權(quán)利要求17要求的DC/DC變換器電路，其中所述主開關(guān)和輔助開關(guān)是MOSFET并且所述第一和第二二極管是所述MOSFET的體二極管。
19.權(quán)利要求1要求的DC/DC變換器電路，還包括一個電耦連到所述輸出端子的濾波器電路。
20.一種DC/DC變換器電路，包括一個具有一個初級繞組和多個次級繞組的變壓器，所述初級繞組適合于耦連到一個DC電壓源；一個串聯(lián)連接到所述初級繞組和所述DC電壓源的主開關(guān)，所述主開關(guān)適合于受脈寬調(diào)制電路控制；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的復(fù)原電路，用于在主開關(guān)關(guān)斷時使磁化電流自動返回所述DC電壓源，所述復(fù)原電路包括一個電連接在所述初級繞組兩端的輔助開關(guān)；一個電耦連到所述多個次級繞組之一的第一整流二極管；一個串聯(lián)連接到所述第一整流二極管的第一飽和電抗器；一個電耦連到所述多個次級繞組的另一個繞組的第二整流二極管；一個串聯(lián)連接到所述第二整流二極管的第二飽和電抗器；一個電耦連在第一和第二整流二極管之間的續(xù)流二極管；以及一對電耦連到所述續(xù)流二極管的輸出端子。
21.一種DC/DC變換器電路，包括一個具有一個初級繞組和多個次級繞組的變壓器，所述初級繞組適合于耦連到一個DC電壓源；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的主開關(guān)，所述主開關(guān)適合于受脈寬調(diào)制電路控制；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的復(fù)原電路，用于在所述主開關(guān)關(guān)斷時使磁化電流自動返回所述DC電壓源；一個電耦連到所述多個次級繞組之一的第一同步整流器；一個串聯(lián)連接到所述第一同步整流器的第一飽和電抗器；一個電耦連到所述多個次級繞組的另一個繞組的第二同步整流器；一個串聯(lián)連接到所述第二同步整流器的第二飽和電抗器；一個電耦連在所述第一和第二同步整流器之間的續(xù)流二極管；以及一對電耦連到所述級繞組的輸出端子。
22.一種DC/DC變換器電路，包括一個具有一個初級繞組和多路獨(dú)立的次級繞組的變壓器，所述初組繞組適合于耦連到一個DC電壓源；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的主開關(guān)，所述主開關(guān)適合于受脈寬調(diào)制電路控制；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的復(fù)原電路，用于在所述主開關(guān)關(guān)斷時使磁化電流自動返回所述DC電壓源；電耦連到所述多路獨(dú)立的次級繞組的每一路的第一和第二整流二極管；串聯(lián)連接到各個所述第一整流二極管的第一飽和電抗器；串聯(lián)連接到各個所述第二整流二極管的第二飽和電抗器；電耦連在所述第一和第二整流二極管之間的續(xù)流二極管；以及電耦連到各路所述次級繞組的輸出端子。
23.一種雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器，包括一個具有一個初級繞組和多個次級繞組的變壓器，它適合于連接到一個DC電壓源；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的主開關(guān)，所述主開關(guān)適合于受一個脈寬調(diào)制電路控制，所述主開關(guān)的每次導(dǎo)通和關(guān)斷均確定一個開關(guān)周期；一個電耦連到所述初級繞組的復(fù)原電路，用于在所述主開關(guān)每次關(guān)斷時使磁化電流自動返回所述電壓源，所述復(fù)原電路包括用于在每個開關(guān)周期向所述輸出端子提供至少兩個脈沖的裝置，以及一對電耦連到所述次級繞組的輸出端子。
24.一種DC/DC變換器電路，包括一個具有一個初級繞組和預(yù)定的次級繞組的變壓器，所述初組繞組適合于耦連到一個DC電壓源；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的主開關(guān)，所述主開關(guān)適合于受一個脈寬調(diào)制電路的控制，每次導(dǎo)通和關(guān)斷循環(huán)定義一個開關(guān)周期；一個電耦連到所述初級繞組和所述DC電壓源的復(fù)原電路，用于在所述主開關(guān)關(guān)斷時使磁化電源自動返回所述DC電壓源；一個電耦連到所述次級繞組的第一整流器件；一個串聯(lián)連接到所述第一整流器件的第一飽和電抗器；一個電耦連到所述次級繞組的第二整流器件；一個串聯(lián)連接到所述第二整流器件的第二飽和電抗器；一個電耦連在所述第一和第二整流器件之間的續(xù)流二極管；以及電耦連到所述續(xù)流二極管的輸出端子。
25.權(quán)利要求24要求的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中所述第一和第二整流器件是同步整流器。
26.權(quán)利要求24要求的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中所述第一和第二整流器件是整流二極管。
27.權(quán)利要求24要求的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中所述預(yù)定的次級繞組包括多路獨(dú)立的次級繞組。
28.權(quán)利要求24要求的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其中所述復(fù)原電路包括用于在每一開關(guān)周期均向所述輸出端子提供多個脈沖的裝置。
全文摘要
一種帶有PWM軟切換的雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器在一個開關(guān)周期內(nèi)向輸出低通濾波器提供兩個電壓脈沖(因而名為雙正向的)。雙正向DC/DC轉(zhuǎn)換器包括一個具有單個初級繞組和兩個次級繞組的變壓器。一個在PWM控制電路控制下的主開關(guān)與初級繞組串聯(lián)連接。一個輔助開關(guān)通過一個諧振電容器耦連到主開關(guān)兩端。諧振電容器和輔助開關(guān)用于在主開關(guān)關(guān)斷時將變壓器鐵芯中存儲的能量自動還原回到與變壓器初級繞組連接的電壓源。
文檔編號H02M3/28GK1176522SQ97117519
公開日1998年3月18日 申請日期1997年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月29日
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