用於啟動直流-直流轉換器的方法
2023-08-05 15:51:36 2
專利名稱：用於啟動直流-直流轉換器的方法
技術領域：
本發明涉及用於啟動絕緣直流-直流轉換器的方法，該絕緣直流-直流轉換器在 變壓器的初級側具有全橋配置。
背景技術：
圖9示出在日本專利申請No. 2009-18302中公開的直流-直流轉換器的示例。圖9中的直流-直流轉換器在變壓器9的初級側具有全橋配置。MOSFET被用作形 成初級側橋的開關器件1至4。另一方面，在變壓器9的次級側上使用整流器件7和8。電 容器13至16分別是開關器件1至4的寄生電容，且電容器17和18是整流器件7和8的 寄生電容。圖9中未示出門驅動器電路的用於生成選通信號的部分。選通信號用作用於將開 關器件1至4切換為導通/截止的驅動信號。本文中，在開關器件1和4並發導通時段，電流流入從直流電源11穿過開關器件 1、線圈5、變壓器9、以及開關器件4回到變壓器9的初級側上的直流電源11的路徑，從而 向變壓器的初級側電壓Vtl施加正電壓。另一方面，在開關器件2和3並發導通時段，電流 在從直流電源11穿過開關器件3、變壓器9、線圈5、以及開關器件2回到直流電源11的路 徑中流動，從而向電壓Vt 1施加負電壓。用這種方式，向變壓器9的初級側施加正電壓或負電壓，以及與變壓器9的匝數比 對應的電壓在次級側生成並由整流器件7和8整流，從而以輸出電壓Vo輸出直流電壓。在圖9的配置中，線圈5可被變壓器9的漏電感取代。
圖10是示出當啟動圖9中的直流-直流轉換器時，用作開關器件1至4的驅動信 號的選通信號以及變壓器9的初級側上的電壓值Vtl的變化的圖表。當通過圖10所示相移操作來啟動直流-直流轉換器時，開關器件1至4的驅動信 號具有50%的佔空比以交替使開關器件1和2導通/截止，以及交替使開關器件3和4導 通/截止。此外，開關器件3和4的選通信號與開關器件1和2的選通信號發生相移。順 便提及的是，分別在開關器件1和2的選通信號之間，以及在開關器件3和4的選通信號之 間提供靜寂時間，以便於不並發導通那些開關器件1和2或3和4。在本文中，在開關器件1和4並發導通時段向電壓Vtl施加正電壓，且在開關器件 2和3並發導通時段向電壓Vtl施加負電壓。相應地，當相對於開關器件1和2的那些驅動 信號來調節開關器件3和4的選通信號的相位時，該電壓值Vtl的脈衝寬度發生變化以使 次級側輸出電壓Vo的幅值可被調節。當直流-直流轉換器啟動時，如圖10所示地縮短開關器件1和4並發導通的時段、 以及開關器件2和3並發導通的時段。在該狀態中，逐漸改變開關器件3和4的選通信號 的相位以延長開關器件1和4並發導通的時段，以及開關器件2和3並發導通的時段，如圖 11所示。因此，輸出電壓Vo的值從零增大到目標電壓。[專利文獻1]日本未審查專利申請No.2009-18302
如日本專利申請No. 2009-18302中所描述，當在輸出端子19a和19b之間不設置 負載或者設置輕負載的情況下執行上述的相移操作時，初級側全橋的臂中的開關器件在其 相對臂中的開關器件截止之後立即導通。因而，當與其相對的臂中的開關器件接近零電壓 時，該臂中的開關器件導通。因此，可能發生相對臂上的開關器件的反向恢復。例如，當在開關器件1截止後立即導通開關器件2時，存在開關器件1的電壓為 零的狀態下可導通開關器件2的可能性。因為開關器件1的電壓為零，所以電流容易流入 開關器件1的體二極體。因為開關器件2在該狀態下導通，所以發生開關器件1的體二極 管的反向恢復。通常當體二極體的反向恢復的電壓-時間改變率dv/dt超過其最大額定值 時，存在構成開關器件的MOSFET被損壞的風險。因此，反向恢復的發生顯著地增大損失且 降低裝置的可靠性。另一方面，當通過PWM(脈衝寬度調製)操作來啟動直流-直流轉換器 時，如圖12所示，每個選通信號的佔空比低於50%。因此可能確保在其中上臂和下臂中的 相對開關器件並發截止的足夠時段。因而，在開關器件截止之後可確保用於增大電壓的足 夠時間。可防止電流流入任何體二極體，且因此防止發生反向恢復。但是，為了即使在輸入至變壓器的輸入電壓的佔空比不約為50 %時也通過使用門 驅動器電路穩定正向偏壓和反向偏壓，該門驅動器電路可能在柵極和源極之間施加反向偏 壓，在每個選通信號的脈衝寬度不夠寬時不能獲得反向偏壓。例如，當啟動直流-直流轉換器時，必須通過各自具有窄脈衝的選通信號來驅動 開關器件1和4以及開關器件2和3。然而，在此時的門驅動器電路中，設置在變壓器的次 級側上的電容器僅在開關器件導通時段被充電。因此，該電容器不能提供足夠的反向偏壓 Vr。結果，存在開關器件1至4由於從外部引入的噪聲等而被導通的風險，由此導致可 靠性降低。然而當為了避免上述風險通過各自具有如圖13所示預先擴展的脈衝寬度的選通 信號來啟動直流-直流轉換器時，存在輸出電壓Vo可能超過與其連接的裝置的耐受電壓、 因而損壞該裝置的另一風險。例如，當開關器件1和4並發導通時，向電壓Vtl施加正電壓。 在此，寄生電容17和18的電壓為零，且因此變壓器9的各個繞組的電壓也為零。因此，向 線圈5施加直流電源11的輸入電壓以突然增大流入線圈5的電流。然後，由於線圈5和寄 生電容18的共振操作，存儲在線圈5中的能量移入寄生電容18。結果，寄生電容18的電壓 最高增大到變壓器9的次級側電壓的兩倍。然後，存儲在寄生電容18中的能量穿過變壓器 9的次級側和直流電抗器10移入輸出電容器12。因而大大增大輸出電壓Vo。通常，啟動直流-直流轉換器時沒有負載。因此不可能將存儲在輸出電容器12中 的能量釋放掉。相應地，在通過其脈衝寬度如圖13所示地擴展的選通信號來啟動直流-直 流轉換器後對開關器件1至4重複進行開關操作時，輸出電壓Vo增大到超過目標電壓，如 圖14所示。最終，直流-直流轉換器的次級側組件或者連接到負載的裝置可能被損壞。為了避免該問題，必須在次級側組件和連接到負載的裝置中使用高壓組件，由此 造成成本和損失的增加。
發明內容
考慮以上所述的問題，本發明的一個目標是提供一種用於啟動直流-直流轉換器的方法，通過該方法可防止輸出電壓的過調，且防止開關器件的體二極體的反向恢復。本發明的另一目標是提供一種用於啟動直流-直流轉換器的方法，通過該方法可 防止由直流-直流轉換器啟動時引入的噪聲所造成的故障。本發明提供一種用於啟動直流-直流轉換器以便於獲取直流輸出的方法，該直 流-直流轉換器包括由並聯連接到直流電源的第一串聯電路和第二串聯電路形成的全橋， 第一串聯電路包括串聯連接的第一開關器件和第二開關器件，第二串聯電路包括串聯連接 的第三開關器件和第四開關器件，第一串聯電路的內部連接點連接到變壓器的初級側的一 端，第二串聯電路的內部連接點連接到變壓器的初級側的另一端，整流器件連接到變壓器 的次級側，該啟動方法包括以下步驟通過佔空比低於50%的第一驅動信號使第一開關器 件導通，在第一開關器件截止時段通過佔空比低於50%的第二驅動信號使第二開關器件導 通，以及分別通過佔空比低於50%、且與第一開關器件和第二開關器件的第一和第二驅動 信號有相移的第三和第四驅動信號驅動第三開關器件和第四開關器件；且增大相移的量以 逐漸增大直流輸出的輸出電壓值。根據本發明，在不造成輸出電壓的過調和不向開關器件的體二極體引入反向恢復 的情況下啟動直流-直流轉換器是有可能的。此外，當在直流-直流轉換器的啟動時間開關器件截止時通過反偏壓對驅動電壓 進行箝位是有可能的。因此，有可能避免歸因於通過從裝置的內部或另一裝置等生成的感 生噪聲使開關器件導通的故障。因此，可安全地啟動直流-直流轉換器從而可改善可靠性。此外，可降低在直流-直流轉換器的啟動時間向組件施加的電壓。因此，可使用低 耐壓和低損耗組件來使裝置具有較低損耗和較低成本。附圖簡述圖1是用於說明用於啟動直流-直流轉換器的方法的第一實施例的圖表；圖2是示出其中開關器件3和4的選通信號的相位已從圖1狀態增進的狀態的圖 表；圖3是示出第二實施例中在PWM操作期間的每個選通信號和電壓值Vtl的圖表；圖4是示出根據第二實施例的啟動方法中輸出電壓Vo的變化的圖表；圖5是用於說明第三實施例的圖表(部分1)；圖6是用於說明第三實施例的圖表(部分2)；圖7是用於說明第三實施例的圖表(部分3)；圖8是示出根據第三實施例的啟動方法中輸出電壓Vo的變化的圖表；圖9是示出直流-直流轉換器的配置示例的示圖；圖10是示出在啟動圖9的直流-直流轉換器時開關器件的選通信號和變壓器的 初級側上的電壓值Vtl的變化的圖表；圖11是示出在選通信號之間的相位差增大時變壓器的初級側上的電壓值Vtl的 圖表；圖12是示出在通過PWM操作啟動圖9的直流-直流轉換器時開關器件的選通信 號和變壓器的初級側上的電壓值Vtl的變化的圖表；圖13是示出在電壓值Vtl的寬度增大時開關器件的選通信號和變壓器初級側上 的電壓值Vti的圖表；以及
圖14是示出根據背景技術啟動方法中的輸出電壓Vo的變化的圖表。
具體實施例方式在下文中將參考附圖來描述根據本發明各實施例的用於啟動直流-直流轉換器 的方法。在下文中將關於根據本發明各實施例的用於啟動直流-直流轉換器的方法進行描 述，其中直流-直流轉換器具有圖9所示的配置。應用根據本發明各實施例的用於啟動直 流-直流轉換器的方法的直流-直流轉換器不限於圖9的配置。也可使用任何其它電路， 只要該電路具有在變壓器的初級側上設置由開關器件構成的全橋、且變壓器的輸出由變壓 器次級側上的整流電路整流以輸出直流輸出的配置。將描述用於啟動直流-直流轉換器的方法的第一實施例。圖1是用於說明用於啟動直流-直流轉換器的方法的第一實施例的圖表。圖1示 出在啟動直流-直流轉換器時向形成變壓器初級側上的橋的開關器件施加的選通信號和 變壓器初級側上的電壓值Vtl的變化。分別向開關器件1至4的柵極施加第一至第四選通信號以使開關器件導通/截 止。當向其施加的選通信號為H時，開關器件1至4的每一個導通，而當選通信號為L時， 開關器件1至4的每一個截止。在開關器件1的選通信號截止期間，開關器件2的選通信號導通。在開關器件3 的選通信號截止期間，開關器件4的選通信號導通。在此示出的示例中所有選通信號具有 相等的脈衝寬度。但是，脈衝寬度彼此可不同。在啟動直流-直流轉換器之後，開關器件1的選通信號立即具有與開關器件3的 選通信號相同的相位，且開關器件2的選通信號立即具有與開關器件4的選通信號相同的 相位。那些選通信號被控制成逐步生成相位差。在圖1中，向開關器件1至4施加的每個選通信號的佔空比小於50%。上臂和下 臂兩者的開關器件並發截止時的足夠長時段20a至20d得到確保，從而在開關器件截止之 後確保用以增大開關器件的電壓的足夠時間。因此，不存在電流流入開關器件1至4的任何體二極體的風險。因此，在與其相對 的臂中的開關器件沒有反向恢復的情況下，有可能操作開關器件1至4的各個器件。在直流-直流轉換器的啟動時間，不會將各選通信號的寬度設置成非常窄。各個 開關器件由足夠寬的脈衝寬度來驅動，該脈衝寬度足夠寬以將設置在門驅動器電路的變壓 器的次級側上的電容器中充電充分的反向偏壓Vr，從而能夠應對使用在柵極和源極之間施 加反向偏壓的門驅動器電路的情況。因此，各開關器件通過在開關器件截止期間在其柵極 和源極之間施加反向偏壓Vr來箝位。因此，有可能降低歸因於由從裝置的內部或另一裝置 等引入的噪聲所造成的故障而可導通開關器件的可能性。在根據第一實施例的啟動方法中，開關器件3和4的每個選通信號的相位逐漸與 圖1狀態中的開關器件1和2的每個選通信號發生相移，從而逐漸增大輸出電壓Vo。變壓器9的初級側上的電壓Vtl不為零的時段與開關器件1和4並發導通的時段 相對應，並與開關器件2和3並發導通的時段相對應。開關器件3和4的相位發生相移使 開關器件並發導通的那些時段逐漸從零增大。因此，逐漸增大輸出電壓。圖2是示出開關器件3和4的選通信號的相位已從圖1狀態中增進的狀態的圖表。
當開關器件3和4的每個選通信號的相位相對於圖1狀態的開關器件1和2的每 個選通信號的相位增進時，電壓Vtl的脈衝寬度從圖1中的脈衝寬度21增大到圖2所示的 脈衝寬度22。因此，電壓Vtl的脈衝寬度隨著相位的逐漸增大而增大，以使輸出電壓Vo可 從OV增大到目標值而不造成過調。接下來將描述根據第二實施例的啟動方法。在根據第一實施例的啟動方法中，開關器件3和4的每個選通信號的相位如以上 所述地逐漸發生相移。相應地，當相位相移成使開關器件1和4的每個選通信號的相位與 開關器件2和3的每個選通信號的相位相同時，輸出電壓Vo不能進一步增大。根據第二實 施例的啟動方法用於應對這種情況。根據第二實施例，開關器件3和4的每個選通信號的相位以與第一實施例的方式 相同的方式相對於開關器件1和2的每個選通信號的相位而發生相移，以便於逐漸增大電 壓Vtl的值。一旦電壓Vtl達到特定值，該相移操作就被切換成PWM操作。圖3是示出第二實施例中在PWM操作期間的每個選通信號和電壓值Vtl的圖表。在相移操作中，相位發生相移以將在變壓器9的初級側上生成的電壓Vtl的脈衝 寬度增大至最大值。一旦相位發生相移以使電壓Vtl的脈衝寬度不能進一步增大時，開關 器件1至4的每個選通信號的脈衝寬度被擴展成如圖4所示，而變壓器9的初級側的電路 則執行PWM操作。以這種方式，輸出電壓Vo可增大到如圖4所示的較高值。相應地，可將 比根據第一實施例的啟動方法中的值高的值設置成輸出電壓Vo的目標電壓。圖4是示出根據第二實施例的啟動方法中的輸出電壓Vo的變化的圖表。在直流-直流轉換器的啟動時間，該輸出電壓Vo的初始值為0V，且通過每個選通 信號的相移逐漸增大。變壓器9的初級側上的電壓Vtl的脈衝寬度增大到最大值，且輸出 電壓Vo達到最大值Vl，輸出電壓Vo可通過每個選通信號的相移增大到該最大值Vl。然後 執行用於改變各選通信號的脈衝寬度的P麗操作。由此輸出電壓Vo增大到目標電壓。接下來將描述根據第三實施例的啟動方法。根據第三實施例，首先使開關器件3和4的相位相對於開關器件1和2的相位逐 漸發生相移，以便於以與第一實施例的方式相同的方式逐漸增大輸出電壓Vo。現在將對每個選通信號的脈衝寬度進行描述。直流-直流轉換器通過其脈衝寬度 大到足以將輸出電壓Vo增大到目標值或者如圖5所示的相移操作中的更高值的各驅動信 號來啟動。開關器件3和4的選通信號的相位以與第一實施例的方式相同的方式相對於開 關器件1和2的選通信號的相位發生相移。因此，變壓器9的初級側上的電壓Vtl的脈衝 寬度逐漸增大以將輸出電壓Vo增大，如圖6所示。但是，此時每個選通信號的脈衝寬度被 設置成可使選通信號的佔空比小於50%，以便於防止開關器件1至4的任何體二極體發生 反向恢復。接下來，當輸出電壓Vo升高到目標電壓時，僅在開關器件1和4應當並發導通時 段驅動開關器件1和4，且僅在開關器件2和3應當並發導通時段驅動開關器件2和3。圖7是示出此時變壓器9的初級側上的每個選通信號和電壓Vtl的圖表。如圖7所示，當輸出電壓Vo達到目標電壓時，通過在開關器件1和4應當並發導 通時段將開通的新選通信號來更新開關器件1和4的選通信號。同時，通過在開關器件2 和3應當並發導通時段將開通的新選通信號來更新開關器件2和3的選通信號。隨後，通過那些新選通信號來驅動開關器件1至4以執行PWM操作。因此，以與日本專利申請No. 2009-166470中所公開的PWM操作相同的方式控制開 關器件1至4的選通信號的脈衝寬度，以不管輸出端子19a和19b之間的負載如何波動或 者從直流電源11供給的輸入電壓如何波動都保持輸出電壓Vo恆定。圖8是示出根據第三實施例的啟動方法中的輸出電壓Vo的變化的圖表。如圖8所示，在根據第三實施例的啟動方法中，以與第一實施例中的方式相同的 方式對選通信號執行相移操作，直到輸出電壓Vo達到目標電壓。當輸出電壓Vo達到目標電壓時，通過在開關器件1和4導通期間其電平為H的信 號來更新開關器件1和4的選通信號。同時，當輸出電壓Vo達到目標電壓時，通過在開關 器件2和3導通期間其電平為H的信號來更新開關器件2和3的選通信號。通過由那些新 選通信號致動的開關器件1至4來執行PWM操作，以使輸出電壓Vo可在目標電壓處保持恆 定。此外，選通信號的脈衝寬度可被調節成不管負載如何波動或者從直流電源11供給的輸 入電壓如何波動都保持輸出電壓Vo恆定。
權利要求
1.一種用於啟動直流-直流轉換器以便於獲取直流輸出的方法，所述直流-直流轉換 器包括由並聯連接到直流電源的第一串聯電路和第二串聯電路形成的全橋，所述第一串聯 電路包括串聯連接的第一開關器件和第二開關器件，所述第二串聯電路包括串聯連接的第 三開關器件和第四開關器件，所述第一串聯電路的內部連接點連接到變壓器的初級側的一 端，所述第二串聯電路的內部連接點連接到所述變壓器的所述初級側的另一端，整流器件 連接到所述變壓器的次級側，所述啟動方法包括以下步驟通過佔空比低於50%的第一驅動信號使所述第一開關器件導通，在所述第一開關器件 截止時段，通過佔空比低於50%的第二驅動信號使所述第二開關器件導通，以及分別通過 佔空比低於50%、且其相位與所述第一開關器件和所述第二開關器件的所述第一和第二驅 動信號有相移的第三和第四驅動信號驅動所述第三開關器件和所述第四開關器件；以及增加所述相位的相移量以逐漸增大所述直流輸出的輸出電壓值。
2.如權利要求1所述的啟動方法，其特徵在於，當所述輸出電壓值達到第一值時，所述 第一至第四驅動信號的所述脈衝寬度被增加以將所述輸出電壓值增大到目標值。
3.如權利要求1所述的啟動方法，其特徵在於，當所述輸出電壓值達到目標值時，通過 在所述第一和第四開關器件應當並發導通時段將開通的新信號來更新所述第一和第四驅 動信號，並通過在所述第二和第三開關器件應當並發導通時段將開通的新信號來更新所述 第二和第三驅動信號。
全文摘要
本發明提供一種用於啟動直流-直流轉換器的方法，通過該方法可防止輸出電壓過調，並防止開關器件的體二極體的反向恢復。在該啟動方法中，第三和第四開關器件的選通信號的相位逐漸相對於第一和第二開關器件的選通信號的相位發生相移。隨著相移的增大變壓器的初級側上的電壓也增大，且輸出電壓也增大。
文檔編號H02M3/335GK102142777SQ20111003721
公開日2011年8月3日 申請日期2011年1月31日 優先權日2010年2月3日
發明者三野和明 申請人:富士電機控股株式會社