具有磁通密度極限的dc/dc轉換器的製作方法
2023-10-04 04:11:14
專利名稱：具有磁通密度極限的dc/dc轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及DC/DC轉換器並且涉及這裡所使用的變壓器的飽和。
背景技術：
DC/DC轉換器廣泛用於從輸入電壓跨越到可能高於或低於輸入電壓的輸出電壓。 一些DC/DC轉換器利用變壓器以對輸入電壓升壓或降壓，和/或在輸入電源和輸出電源之間提供電流隔離(即，受隔離的轉換器)。當電壓施加到主變壓器繞組時，變壓器鐵芯中的磁場在次級繞組上產生與變壓器的匝數比成比例的電壓。匝數比是主繞組上的匝數(NP)與次級繞組上的匝數(NS)的比率。 變壓器的次級側上的電壓因此為Vsk = VPKI*NS/NP。變壓器的次級側所要求的電流與變壓器的主級側供給的電流之間的關係與匝數比成反比，比如Isk = IPKI*NP/NS。要求另外的「磁化電流」以磁化變壓器的鐵芯。該磁化電流在變壓器的主級側流動，而不在變壓器的次級側流動。磁化電流與電壓的關係是感性的(inductive)。換句話說，當電壓施加到變壓器的主級側時，磁化電流由於鐵芯內的磁通密度(「通量密度」)增加而線性地升高。由於主繞組兩端的持續正向偏壓，變壓器將飽和，使得變壓器繞組表現為短路。此時，磁化電流非常快速地增大並且僅由少量的漏感限制，其中漏感通常比磁化電感小100-1000倍。電流的該快速增大對於DC/DC轉換器能夠是災難性的並且可以破壞部件。為避免飽和，DC/DC轉換器中的通量密度能夠通過稱為「復位」鐵芯的操作被減小。 這些DC/DC轉換器典型地在電力傳輸階段和復位階段之間循環，在電力傳輸階段中，電力從轉換器的輸入傳輸到轉換器的輸出，而在復位階段中，在電力傳輸階段中增加的通量密度被減小。減小通量密度典型地通過使主繞組上的電壓反向來完成。一些DC/DC使用已知的 「有源鉗位復位」(「active clamp reset」)。該反向的電壓被施加直到通量密度不僅下降到零而且在相反方向上增大。但是，如果允許在相反方向上增大過多，則變壓器的鐵芯也能夠在復位階段中飽和。已經採取了各種措施來在電力傳輸階段和復位階段之間切換，而不引起飽和。一些轉換器使用主級側電流比較器。這些轉換器在電力傳輸階段將主級側上的變壓器電流與閾值比較。當超過閾值時，它們切斷可控地將轉換器的輸入與電源連接的主級側開關。但是，使用的比較器並不足夠快以在電流由於變壓器飽和的原因而快速增加的情況中保護開關或其它部件不受損壞。另外，這些類型的轉換器並不保護電流在復位階段中不受飽和的影響。一些轉換器減緩允許電流增大的速率，使得對飽和的快速檢測不太重要。但是，該減緩降低了轉換器快速補償電源或者負載的快速變化的能力，使其提供緊密調節的能力變弱。該措施另外還不能避免飽和，比如當輸入電壓快速跳到其最小值時。一些轉換器限定電源開關的最大佔空比，該最大佔空比控制轉換器的輸入在電力傳輸階段被連接到電源的時間長度，這是因為在高的佔空比時變壓器飽和通常是較大的問題，此時接通時間較長。但是，該措施未防止復位階段中的負向通量飽和。也不能防止低佔空比的電力傳輸階段中的變壓器飽和，比如當轉換器在其輸出以其標準運行水平而被初始地預偏壓時。
發明內容
一種DC/DC轉換器，其可以包括電源分級電路、脈衝發生電路、通量密度監控器和電源控制邏輯。電源分級電路可以包括輸入、輸出和帶有鐵芯的變壓器。該電源分級電路可以被構造成以電力傳輸模式和復位模式運行，其中在電力傳輸模式中，電力從輸入向輸出傳輸，而在復位模式中，所述變壓器的鐵芯的通量密度被降低。脈衝發生電路可以被構造成用以產生調節所述電源分級電路的輸出的脈衝。通量密度監控器電路可以被構造成用以在電力傳輸模式和復位模式期間產生表示變壓器的鐵芯的通量密度的通量密度信息。電源分級控制邏輯可以被構造成用以基於所述脈衝來調節電源分級電路的輸出並且用以基於通量密度信息來防止變壓器的鐵芯飽和。電源分級控制邏輯可以被構造成用以在通量密度信息表示通量密度已經達到或者超過預定的閾值時使電力傳輸階段終止，以防止在電力傳輸階段鐵芯飽和。電源分級控制邏輯可以被構造成用以當通量密度信息表示通量密度已經達到或者超過預定的閾值使通量復位階段終止，以防止在通量復位階段鐵芯飽和。DC/DC轉換器是前向轉換器。脈衝發生器可以被構造成用以產生最大佔空比脈衝，該最大佔空比脈衝在電力傳輸階段的佔空比達到或超過預定的閾值時終止電力傳輸階段。脈衝發生器可以被構造成用以當電源分級電路的輸出中的電流達到或超過預定量時終止電力傳輸階段。脈衝發生電路產生的脈衝可以具有恆定的頻率。電源分級電路可以被構造成用以提供有源鉗位復位。該有源鉗位復位使通量密度的極性在所述復位階段中反轉。電源分級電路可以被構造成用以提供諧振復位。電源分級電路可以包括在所述變壓器的次級側上的開關，該開關作用為二極體。通量密度監控器電路可以包括電容，且可以被構造成用以使電容兩端的電壓在動力傳輸階段和/或復位階段跟蹤所述變壓器的鐵芯的通量密度的變化。根據下面對於說明性實施方式、附圖和權利要求的詳細說明，這些及其它的部件、 步驟、特徵、目標、益處和優點現在將變得清楚。
附圖具有說明性的實施方式。它們並不說明全部的實施方式。另外或者替代地， 可以使用其它的實施方式。清楚明了的細節或者不需要說明的細節可以被省略以節省空間或者為了更有效的說明。一些實施方式可以利用另外的部件或者步驟實施和/或不通過所說明的全部的部件或步驟來實施。當相同的附圖標記出現在不同的附圖中時，其指代相同或相似的部件或步驟。圖1是DC/DC轉換器的框圖，所述DC/DC轉換器防止作為轉換器的一部分的變壓器的鐵芯的飽和。圖2示出了可用以實現圖1中所示的DC/DC轉換器並且提供有源鉗位復位的部件的示例。圖3示出了可以在標準運行狀態下存在於圖2中所示的DC/DC轉換器中的信號的示例。圖4示出了可以在極端運行狀態下存在於圖2中所示的DC/DC轉換器的信號的示例，其中所述極端運行狀態使通量密度在轉換器的復位階段中達到極限。圖5示出了可以在極端運行狀態下存在於圖2中所示的DC/DC轉換器的信號的示例，其中所述極端運行狀態使通量密度在轉換器的電力傳輸階段中達到極限。圖6示出了圖2中所示的提供諧振復位而不是有源鉗位復位的電路的替代實施方式。圖7示出了圖2中所示的電路的替代實施方式，其中使用次級側開關以替代二極體。
具體實施例方式現在描述說明性實施方式。另外或者替代地，可以使用其它的實施方式。清楚明了的細節或者不需要說明的細節可以被省略以節省空間或者為了更有效的說明。一些實施方式可以利用另外的部件或者步驟實施和/或不通過所說明的全部的部件或步驟來實施。圖1是DC/DC轉換器的框圖，所述DC/DC轉換器防止作為轉換器的一部分的變壓器的鐵芯的飽和。如圖1中所示，DC/DC轉換器可以具有通量密度監控器電路101、電源分級電路103、電源分級控制邏輯105、和PWM發生電路107。電源分級電路可以包括被構造成用以連接到電源比如Vin的輸入109。電源分級電路103可以包括被構造成用以傳送恆定的電壓輸出比如Vott的輸出111。電源分級電路 103可以包括具有鐵芯的變壓器113。電源分級電路103可以被構造成用以在電力傳輸模式下運行，其中在電力傳輸模式下，電力從輸入109傳輸到輸出111。電源分級電路103還可以被構造成用以在復位模式下運行，其中在復位模式下，變壓器113的鐵芯中的通量密度被減小。PWM發生電路107可以被構造成用以產生具有受調製的寬度的脈衝，所述脈衝調節電源分級電路103的輸出111。較大的脈衝寬度可以致使更多的電力被傳輸，而較小的脈衝寬度可以致使更少的電力被傳輸。通量密度監控器電路101被構造成用以在電力傳輸模式和復位模式中產生表示變壓器113的鐵芯中的通量密度的通量密度信息。電源分級控制邏輯105被構造成用以基於PWM發生電路107的脈衝來調節電源分級電路103的輸出111。電源分級控制邏輯105另外被構造成用以基於通量密度監控器電路101的通量密度信息防止變壓器113飽和。電源分級控制邏輯105可以被構造成用以在通量密度信息表示通量密度已經達到或者超過預定的閾值時通過使電力傳輸階段終止而防止鐵芯在電力傳輸階段中飽和。類似地，電源分級控制邏輯105可以被構造成用以在通量密度信息表示通量密度已經達到或者超過預定的閾值時通過使復位階段終止而防止鐵芯在復位階段中飽和。這些預定的閾值在圖1中表示為+/-Vffi 115。儘管表示為具有相同的幅值，但正閾值和負閾值可以是不同的。圖2示出了可用以實現圖1中的DC/DC轉換器並且提供了有源鉗位復位的部件的示例。如圖2中所示，變壓器113的次級繞組201可以連接到整流過濾系統。通過主繞組 203的電流可以受MOSFET 205控制，MOSFET 205在關閉時可以使電源分級電路103處於電力傳輸階段。通過主繞組203的電流還受MOSFET 207的控制，MOSFET 207在關閉時使電源分級電路103處於復位階段。電源分級控制邏輯105可以被構造成用以確保MOSFET 205和207兩者永遠不會同時關閉。可以包括上升沿延遲213和215以促進該保護。PWM發生電路107可以被構造成用以產生電源分級控制邏輯105使用的PWM信號 220，該PWM信號220隨同從通量密度監控器電路101發出的信號一起控制MOSFET 205和 207的狀態。如在下面將更為詳細地討論，通量密度監控器電路101可以包括比較器209 和211，兩者的輸出在變壓器的鐵芯中的通量密度不接近飽和時可以是低的。在該標準運行模式中，電源分級控制邏輯105可以被構造成用以在PWM信號220的上升沿時使MOSFET 205關閉和使MOSFET 207打開，由此初始化電源分級電路103的電力傳輸階段。相反地，也是在標準運行中，電源分級控制邏輯105可以被構造成用以使PWM信號220的下降沿打開 MOSFET 205和關閉MOSFET 207，由此將電源分級電路103置於復位階段。PWM發生電路107可以被構造成用以使PWM信號220周期性地上升。為促進此實施，PWM發生電路107中的時鐘217可以產生P麗時鐘信號219，其中P麗時鐘信號219可以設定鎖存器221。PWM時鐘信號219可以是周期性的，由此使其上升沿周期性地上升。如圖2中所示，鎖存器221可以具有兩個復位輸入，由此使得PWM信號220基於兩個復位輸入信號中的第一個下降。這些復位輸入信號中的一個可以是最大佔空比信號229。這可以是由時鐘217產生的另一個周期信號。最大佔空比信號2 可以具有與PWM時鐘信號219相同的周期。但是，其上升沿可以由時鐘217延遲與用於電力傳輸模式的最大期望的佔空比相對應的量。 例如，時鐘217可以被構造成用以使PWM時鐘信號219的佔空比上升到PWM時鐘信號219 的80%。到鎖存器221的該復位輸入確保了電力傳輸階段不會超過PWM信號220的佔空比的預定百分比，比如80%。該百分比可以被選擇以確保變壓器113的鐵芯在電力傳輸階段中在標準運行運行狀態下不飽和。然而，該保護特徵並不足以確保變壓器113的鐵芯在極端運行狀態中也不飽和。通量密度監控器電路101可以被構造成用以協助防止鐵芯在極端運行狀態中飽和，如下面更為詳細地描述的。到鎖存器221的另一個復位輸入可以是如下的復位信號231，該復位信號使PWM信號220在電源分級電路103的感應的電感器電流233達到由誤差放大器237指示的峰值電流閾值時下降。誤差放大器237對基準電壓輸入235與Vqut的定標值238之間的差進行積分以通過增大或者減小經過電感器供給到輸出的電流來調節輸出電壓111。當Vott的定標值238小於基準235時，誤差放大器237的輸出增大，使電流比較器239閾值增大。類似地， 當Vqut的定標值238大於基準235時，誤差放大器237的輸出減小，使電流比較器239閾值減小。當達到所述期望的峰值電感器電流時，電流比較器239的輸出變高，使鎖存器鎖存器 221復位並且使PWM信號220下降，由此在標準運行狀態下開始復位階段。如上所示，通量密度監控器電路101被構造成用以監控變壓器113的鐵芯中的通量密度。如根據下面的討論將清楚，電容241兩端的電壓可以指示該通量密度。在復位階段中，來自電源分級控制邏輯105的輸出的信號AG可以是高的並且信號 PG可以是低的。這可以使MOSFET 205打開，使MOSFET 207關閉，使電子開關243打開，並使電子開關M5閉合。在該復位階段中，變壓器113的鐵芯的通量密度可以隨電流流過在圖中標記為Rs的電阻247而減小。由於在電源分級電路103中存在二極體，流過電阻Rs的唯一電流可以是表示變壓器113的鐵芯中的通量密度的磁化電流。由此，電容241兩端的電壓可以表示在復位階段中變壓器113的鐵芯的通量密度。在圖2中示出的在復位階段中涉及的部件的構造提供了已知的「有源鉗位復位」。 電容249兩端的電壓比Vin高。在由於MOSFET 207的關閉而開始復位階段後，電容247兩端的電壓被強加於節點SWP，這在變壓器的兩端施加了負向偏壓。這導致變壓器114的鐵芯中的通量密度減小。電容249可以存儲足夠的電荷以不僅使通量密度減小到零，而開始使方向反向。如果復位階段繼續足夠長的時間，則反向的通量密度的幅值可以繼續增大直到其使變壓器113的鐵芯在復位階段中飽和。為防止這一點，電容241兩端的電壓在復位階段中可以由比較器209監控。當其超過預定的閾值Vqs時，比較器209的輸出變高，導致AGB變低，這關斷了 P溝道MOSFET 207， 由此使復位階段終止。該功能性可以確保變壓器113的鐵芯在有源鉗位復位中不飽和。AGB可以保持為低直到下一個電力傳輸階段開始。在AGB為低的同時，電子開關 245可以打開。在該期間，當電子開關243和電子開關245均被打開時，電容241兩端的電壓被保留，由此繼續使電容241兩端的電壓表示變壓器113的鐵芯中的通量密度。當下一個電力傳輸階段開始時，PG可以變高，由此關閉M0SFET205和電子開關 2430這可以使跨導放大器251的電流輸出被傳送到電容Ml。跨導放大器251的輸入在電力傳輸階段可以連接到Vin，即變壓器113的主繞組203兩端的電壓。跨導放大器251的增益可以被選擇成使電容Ml兩端的電壓的改變在電力傳輸階段中跟蹤變壓器113的鐵芯中的通量密度。跟蹤變壓器113的鐵芯中的通量密度的該磁化電流可以假定隨時間線性增加。基於該假設，磁化電流Imm具有如下斜率
r π 沿 MAG Vw _ (1) 其中Vin是輸入電壓，Lme是變壓器的磁化電感。跨導放大器251的增益由此可以通過將電容電壓的斜率設定為等於磁化電流的斜率與感應電阻Rs的乘積，然後求解&來確定，具體如下
權利要求
1.一種DC/DC轉換器，其包括電源分級電路，所述電源分級電路包括輸入、輸出和帶有鐵芯的變壓器，所述電源分級電路被構造以在電力傳輸模式和復位模式中運行，其中在所述電力傳輸模式中，電力從所述輸入向所述輸出傳輸，而在所述復位模式中，所述變壓器的所述鐵芯的通量密度被降低；脈衝發生電路，所述脈衝發生電路被構造以產生調節所述電源分級電路的所述輸出的脈衝；通量密度監控器電路，所述通量密度監控器電路被構造以在所述電力傳輸模式和所述復位模式期間產生表示所述變壓器的所述鐵芯的所述通量密度的通量密度信息；和電源分級控制邏輯，所述電源分級控制邏輯被構造以基於所述脈衝來調節所述電源分級電路的輸出並且基於所述通量密度信息來防止所述變壓器的所述鐵芯飽和。
2.根據權利要求1所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述電源分級控制邏輯被構造， 以在所述通量密度信息表示所述通量密度已經達到或者超過預定閾值時，通過使所述電力傳輸階段終止來防止所述鐵芯在所述電力傳輸階段飽和。
3.根據權利要求1所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述電源分級控制邏輯被構造， 以當所述通量密度信息表示所述通量密度已經達到或者超過預定閾值時，通過使所述通量復位階段終止來防止所述鐵芯在所述通量復位階段飽和。
4.根據權利要求3所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述電源分級控制邏輯被構造， 以在所述通量密度信息表示所述通量密度已經達到或者超過預定閾值時，通過使所述電力傳輸階段終止來防止所述鐵芯在所述電力傳輸階段飽和。
5.根據權利要求1所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述DC/DC轉換器是前向轉換器。
6.根據權利要求5所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述脈衝發生器被構造以產生最大佔空比脈衝，該最大佔空比脈衝在所述電力傳輸階段的佔空比達到或超過預定閾值時終止所述電力傳輸階段。
7.根據權利要求5所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述脈衝發生器被構造以當所述電源分級電路的所述輸出中的電流達到或超過預定量時終止所述電力傳輸階段。
8.根據權利要求5所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，由所述脈衝發生電路產生的脈衝具有恆定的頻率。
9.根據權利要求5所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述電源分級電路被構造以提供有源鉗位復位。
10.根據權利要求9所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述有源鉗位復位使所述通量密度的極性在所述復位階段中反轉。
11.根據權利要求5所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述電源分級電路被構造以提供諧振復位。
12.根據權利要求5所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述電源分級電路包括在所述變壓器的次級側上替代二極體的開關。
13.根據權利要求12所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述變壓器具有在開關節點處出現的輸出，並且所述脈衝發生電路產生脈衝寬度調製的信號，且其中如果所述開關節點在所述脈衝寬度調製信號下降之前下降則所述開關受控以在所述電力傳輸階段中斷開，由此允許所述變壓器的所述鐵芯開始復位。
14.根據權利要求1所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述通量密度監控器電路包括電容且被構造以使所述電容兩端的電壓在所述復位階段期間跟蹤所述變壓器的所述鐵芯的所述通量密度的變化。
15.根據權利要求1所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述通量密度監控器電路包括電容並且被構造以使所述電容兩端的電壓在所述電力傳輸階段期間跟蹤所述變壓器的所述鐵芯的所述通量密度的變化。
16.根據權利要求1所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述通量密度監控器電路包括電容且被構造以使所述電容兩端的電壓在所述電力傳輸階段和所述復位階段期間跟蹤所述變壓器的所述鐵芯的所述通量密度的變化。
17.在DC/DC轉換器中使用的電路，所述DC/DC轉換器具有電源分級電路和脈衝發生電路，所述電源分級電路包括輸入、輸出和帶有鐵芯的變壓器並且被構造以在電力傳輸模式和復位模式中運行，其中在所述電力傳輸模式中，電力從所述輸入向所述輸出傳輸，而在所述復位模式中，所述變壓器的所述鐵芯的通量密度降低，並且所述脈衝發生電路被構造以產生調節所述電源分級電路的輸出的脈衝，所述電路包括通量密度監控器電路，所述通量密度監控器電路被構造以在所述電力傳輸模式和所述復位模式期間產生表示所述變壓器的所述鐵芯的所述通量密度的通量密度信息；和電源分級控制邏輯，所述電源分級控制邏輯被構造以基於所述脈衝來調節所述電源分級電路的所述輸出並且用以基於所述通量密度信息來防止所述變壓器的所述鐵芯飽和。
18.根據權利要求17所述的電路，其特徵在於，所述電源分級控制邏輯被構造以如下地防止所述鐵芯飽和在所述通量復位階段中，當所述通量密度信息表示通量密度已經達到或者超過預定閾值時通過使所述通量復位階段終止來防止所述鐵芯飽和；和在所述電力傳輸階段中，當所述通量密度信息表示通量密度已經達到或者超過預定閾值時通過使所述電力傳輸階段終止來防止所述鐵芯飽和。
19.根據權利要求17所述的電路，其特徵在於，所述通量密度監控器電路包括電容且被構造以使所述電容兩端的電壓在所述電力傳輸階段和所述復位階段期間跟蹤所述變壓器的所述鐵芯的所述通量密度的變化。
20.—種DC/DC轉換器電路，所述轉換器電路包括變壓器，所述變壓器具有鐵芯且被構造以防止所述變壓器的鐵芯在極端運行狀態期間飽和。
21.根據權利要求20所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述轉換器具有與負載連接的輸出，並且所述極端運行狀態包括所述負載的快速且極端的改變。
22.根據權利要求20所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述轉換器具有與能量供給連接的輸入，並且所述極端運行狀態包括所述能量供給的快速且極端的改變。
23.根據權利要求20所述的DC/DC轉換器，其特徵在於，所述轉換器具有輸出，並且所述極端運行狀態包括預偏壓的輸出電壓。
全文摘要
一種DC/DC轉換器，其包括電源分級電路、脈衝發生電路、通量密度監控器和電源控制邏輯。電源分級電路包括輸入、輸出和帶有鐵芯的變壓器。電源分級電路可以被構造以在電力傳輸模式和復位模式運行，其中在電力傳輸模式中，電力從輸入向輸出傳輸，而在復位模式中，變壓器的鐵芯的通量密度被降低。脈衝發生電路可以被構造以產生調節電源分級電路的輸出的脈衝。通量密度監控器電路可以被構造成用以在電力傳輸模式和復位模式期間產生表示變壓器的鐵芯的通量密度的通量密度信息。電源分級控制邏輯可以被構造成用以基於所述脈衝調節電源分級電路的輸出並且用以基於所述通量密度信息防止變壓器的鐵芯飽和。
文檔編號H02M3/335GK102270932SQ201110162310
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月7日 優先權日2010年6月4日
發明者克卡大衛·馬修斯, 威廉霍爾·科萊, 查爾斯愛德華·霍克斯 申請人:凌力爾特有限公司