具有過衝保護的直流變換器電路的製作方法
2023-12-02 16:20:51
專利名稱：具有過衝保護的直流變換器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及直流/直流變換器，並更具體的涉及具有減少電壓過衝的直流/直流變換器。
背景技術：
現參照附圖1，示出一示例性的直流/直流變換器100。電壓源VIN和電容CIN跨接在導體136和134上。電感L1的一端連接到該導體136而相對一端連接到變壓器T1的初級繞組的一端。電感L2的一端也連接到導體136和電感L1的一端。電感L2的相對端連接到變壓器T1的初級繞組的相對端。
開關S1的第一端連接到電感器L1的相對端並連接到變壓器T1的初級繞組的第一端。開關S1的相對端連接到該導體140。開關S2的第一端連接到電感器L2的相對端並連接到變壓器T1的初級繞組的相對端。開關S2的相對端連接到該導體140。
變壓器T1(具有電感LLKG)的次級繞組的第一端連接到二極體DB1的第二端和二極體DB2的第一端。變壓器T1的次級繞組的相對端連接到二極體DB3的第二端和二極體DB4的第一端。二極體DB3的第一端和二極體DB3的第一端連接到導體148。二極體DB2的第二端和二極體DB4的第二端都連接到導體152。在導體148和152上跨接電容CB1。使VOUT取自電容CB1的兩端。
現參照附圖2，示出對於圖1中直流/直流變換器電路的等同電路200。開關SA連接到電流源I2。在開關SA上並聯機體電容CDS。電感LLKG與開關SA和機體電容CDS兩端上的電壓VSP串聯連接。該電路漏電感LLKG和開關SA的機體電容CDS形成一個諧振電路。該諧振電路具有一個峰值電壓，該峰值電壓為I*Z0+VSP的函數，其中Z0＝(LLKG/CDS)0.5以及VSP是該變換器的反射輸出電壓。
返回參照圖1，起初開關S1導通，且感應能量存儲在電感器L1和L2中。隨後斷開該開關S1，並且通過漏電感LLKG(和開關S2)，具有幅度1的階躍電流流入變壓器T1。該直流/直流變換器100，如圖1所示，在斷開期間，由於變壓器漏電感LLKG，產生在開關S1、S2之間的大電壓峰值。
電壓緩衝器(snubber)電路可用於限制在開關設備上的電壓峰值。在圖3中，示出具有峰值鉗位緩衝器電路的直流/直流變換器300。電壓源VIN施加在導體304和308上。電感器Lc1的第一端連接到導體304。電感器Lc1的相對端連接到變壓器T2的初級繞組的第一端。電感器Lc2的第一端也連接到該輸入導體304和電感器Lc1的第一端。電感器Lc2的相對端連接到變壓器T2的初級繞組的相對端。開關SC1的第一端連接到電感器Lc2的相對端和變壓器T2的初級繞組的相對端。
開關SC1的相對端連接到導體308。開關SC2的第一端接到電感器Lc1的相對端和變壓器T2的初級繞組的第一端。開關SC2的相對端連接到導體308。
二極體DC1的陽極連接到變壓器T2的初級繞組的第一側和開關SC2的一側。二極體DC2的陽極連接到變壓器T2的初級繞組的相對側和開關SC1的第一側。二極體DC1和DC2的陰極側都連接到電容CC1的一端和電阻RC1的一端。電容CC1和電阻RC1的相對端都連接到輸入導體304。
變壓器T2的次級繞組的第一端連接到二極體DD1的第二端和二極體DD2的第一端。變壓器T2的次級繞組的相對端連接到二極體DD3的第二端和二極體DD4的第一端。二極體DD1和二極體DD3的第一端都連接到導體312。二極體DD2和二極體DD4的第二端都連接到導體316。在導體312和316上並聯連接電容CD1。在導體312和316之間提供輸出電壓。
緩衝器電路300的波形如圖4中所示。參考數402表示流過開關SC1的電流。參考數404表示在電感Lc2上的電壓。參考數406表示在開關SC1上的電壓。圖4顯示將在該開關上的峰值電壓限定為預定值，該預定值由CC1控制。通過該緩衝器電路300的鉗位電容電壓限制過衝電壓。圖3和4所示的方案的缺點涉及元件數量、元件成本、電路尺寸和功率消耗。
現參照圖5，示出具有緩衝器電路的直流/直流變換器500。電壓源VIN施加在導體504和508上。電感器LE1的第一端連接到導體504。電感器LE1的相對端連接到變壓器T3的初級繞組的第一端。電感器LE2的第一端也連接到該導體504和連接到電感器LE1的第一端。電感器LE2的相對端連接到變壓器T3的初級繞組的相對端。開關SE1的第一端連接到電感器LE1的相對端和變壓器T3的初級繞組的第一端。開關SE1的相對端連接到導體508。開關SE2的第一端連接到電感器LE2的相對端和變壓器T3的初級繞組的相對端。開關SE2的相對端連接到導體508。
電容CE4的第一端連接到該導體504以及該相對端連接到導體508。電感器LE3連接到導體508並連接到二極體DE5的陽極端。二極體DE5的陰極端連接到電容CE2的一端。電容CE2的另一端連接到電感器LE1的相對端、變壓器T3的初級繞組的第一端以及開關SE1的第一端。
電感器LE4連接到導體508並連接到二極體DE6的陽極。二極體DE6的陰極連接到電容CE5的一端。電容CE5的另一端連接到電感器LE2的相對端、變壓器T3的初級繞組的相對端以及開關SE2的第一端。二極體DE2的陽極連接到二極體DE5的陰極端。二極體DE3的陽極連接到二極體DE6的陰極端。二極體DE2和DE3的陰極端連接到電容CE4的第一端。
變壓器T3(具有電感LLKG)的次級繞組的第一端連接到二極體DF1的陽極和二極體DF2的陰極。變壓器T3的次級繞組的相對端連接到二極體DF3的陽極和二極體DF4的陰極。二極體DF1的陰極和二極體DF3的陰極都連接到導體512。二極體DF2的陽極和二極體DF4的陽極都連接到導體516。電容CF1跨接在輸出導體512和輸出導體516上。
在圖6中，示出了在該緩衝器電路500的開關之一兩端之間的峰值電壓特徵600。參考數602表示流過開關SE1的電流。參考數404表示在開關SE1兩端之間的電壓。在圖7中，示出電路500的電壓過衝700。電路500要求一個用於承載大脈衝電流的緩衝器電容。因此，在電路500中的缺點也涉及元件數量、元件成本和電路尺寸。
發明內容
根據本發明的直流/直流變換器，包括存儲感應能的輸入電路，其包括第一開關，該第一開關釋放存儲的感應能。變壓器包括一與輸入電路連通的初始繞組和一次級繞組。輸出電路與次級繞組連通，並其包括第一和第二輸出導體及第一二極體，該第一二極體與次級繞組的一端和該第一輸出導體連通。第二二極體與次級繞組的一端和該第二輸出導體連通。第三二極體與次級繞組的相對端和該第一輸出導體連通。第四二極體與次級繞組的相對端和該第二輸出導體連通。第一電容與該第三二極體並聯連接。
在其他的特徵中，第二電容與該第四二極體關聯連接。該第一和第二電容基本上去除了電壓過衝。該輸入電路包括第一電感器，該第一電感器具有與第一輸入導體連通的一端和與初級繞組的第一端連通的相對端。第二電感器具有與該第一輸入導體連通的一端和與初級繞組的相對端連通的相對端。該第一開關具有一個與該第一電感器的相對端連通的輸出端和另一個與第二輸入導體連通的輸出端。
該輸入電路包括第二開關，該第二開關具有一個與第二電感器的相對端連通的輸出端和另一個與該第二導體連通的輸出端。輸出電容具有與該第一輸出導體連通的一端和與該第二輸出導體連通的相對端。
根據以下提供的詳細描述，本發明的其他應用領域變得顯而易見。應當理解為這些詳細描述和特定實施例，雖然揭示了本發明的優選實施例，但僅僅是為了解釋說明的目的而並非企圖限制本發明的範圍。
從詳細的描述和附圖將更加充分的理解本明，其中圖1是按照現有技術的沒有緩衝器電路的直流/直流變換器的示意圖；圖2是圖1中的現有技術直流/直流變換器的等效電路的示意圖；圖3是根據現有技術的一種峰值鉗位電路型電壓緩衝器電路的示意圖；圖4包括波形，其說明了在圖3的峰值鉗位電路緩衝器電路中的開關兩端的峰值電壓；圖5是一種根據現有技術的非耗散(non-dissipative)緩衝器的示意圖；圖6包括波形，其說明了圖5的非耗散緩衝器電路中的一開關的峰值電壓特徵；圖7包括波形，其說明了圖5的非耗散緩衝器電路的電壓過衝；圖8是用於直流/直流變換器電路的根據本發明的一種緩衝器電路的示意圖；圖9包括波形，其說明了在圖8的直流/直流變換器電路中一個開關上的電流和電壓特徵；圖10包括波形，其說明圖8的直流/直流變換器電路的電壓過衝；圖11A和11B是對於圖8的直流/直流變換器電路在斷開與閉合開關狀態的兩個等效電路的示意圖；以及圖12包括波形，其說明對於階躍改變的部件響應數據，該階躍改變施加到對於圖8的直流/直流變換器電路的圖11A和11B等效電路上；具體實施方式
下面的優選實施例描述在本質上僅僅是示例性的，並且決非企圖限制本發明、其應用或使用。為清楚起見，相同參考數字在附圖中用於標識類似元件。
現轉到圖8，根據本發明，直流/直流變換器電路800通過用比圖1-7中提出的方案更少的附加部件，顯著地減少了過衝。圖8中的電路包括來自圖1中所示的直流/直流變換器(沒有緩衝器電路)的電路元件。附加的電路元件包括與二極體DB3並聯連接的電容CB2。電容CB3與二極體DB4並聯連接。
該電容CB2和CB3提供附加緩衝器電容。在這一方面，該半導體設備的輸出電容，在一種實施方案中，作為緩衝器電容部分使用。當S1或S2斷開時，電容CB2和CB3控制隔離變壓器電壓的改變的速率。
現參照圖9，示出在圖8的直流/直流變換器電路800的開關S1上的電流和電壓特徵。參考數906表示流過該開關S1的電流。參考數904表示在該電感器L1兩端的電壓。參考數902表示在該開關S1兩端的電壓。與圖4和6中所示的類似特徵相比，該直流/直流變換器電路800，用減少元件數量、功率損失、電路尺寸和成本，提供了直流/直流變換器300和500的改進性能。另外，通過控制開關的S1和S2斷開速度，可以去除電壓過衝。
現參照圖10，示出圖8的直流/直流變換器電路800的電壓過衝1000。圖11A和11B示出了對於圖8的直流/直流變換器電路800的閉合和斷開開關狀態的等效電路1100、1150。圖12示出了對於圖8的直流/直流變換器電路的圖11A和11B等效電路的詳細開關波形。
參照圖11A、11B和圖12，在t1該階躍電流施加在CDS上。LLKG和在S1(或S2)上的電壓由I×Z0控制，在LLKG和S1(或S2)的CDS之間電流流通。開始時，與I×Z0的峰值成正弦曲線地形成在S1(或S2)上的電壓。CB2和CB3控制該電壓以速率＝1/C2P形成，其中C2P為CB2和CB3對隔離變壓器T1的初級側的反射值。最終，在S1(或S2)上的電壓達到VSP。
從前面的描述，本領域技術人員現能夠理解，本發明的廣泛教導能夠以多種形式實現。因此，儘管對本發明已結合其具體實施例進行了描述，但本發明的真正範圍不應限於此，因為一學習附圖、說明書和下面的權利要求，其他的修改對於技術研製人員來說就會變得顯而易見。
權利要求
1.一種直流/直流變換器，包括輸入電路，該輸入電路存儲感應能，該輸入電路包括第一開關，該第一開關釋放所述存儲的感應能；包括初級繞組的變壓器，該初級繞組與該輸入電路和次級繞組連通；及輸出電路，與所述次級繞組連通，並且該輸出電路包括第一、第二輸出導體；第一二極體，其與次級繞組的一端和該第一輸出導體連通；第二二極體，其與次級繞組的一端和該第二輸出導體連通；第三二極體，其與次級繞組的相對端和該第一輸出導體連通；第四二極體，其與次級繞組的相對端和該第二輸出導體連通；及第一電容，其與該第三二極體並聯連接。
2.根據權利要求1所述的直流/直流變換器，進一步包括與該第四二極體並聯連接的第二電容。
3.根據權利要求2所述的直流/直流變換器，其中所述第一和第二電容基本上去除了電壓過衝。
4.根據權利要求1所述的直流/直流變換器，其中所述輸入電路包括第一電感器，該第一電感器具有與第一輸入導體連通的一端和與所述初級繞組的第一端連通的相對端；第二電感器，具有與該第一輸入導體連通的一端和與所述初級繞組的相對端連通的相對端，其中該第一開關具有與所述第一電感器的所述相對端連通的一個輸出端和另一個與第二輸入導體連通的輸出端。
5.根據權利要求4所述的直流/直流變換器，其中所述輸入電路包括第二開關，該第二開關具有與所述第二電感器的所述相對端連通的一個輸出端和另一個與該第二導體連通的輸出端。
6.根據權利要求1所述的直流/直流變換器，進一步包括輸出電容，該輸出電容具有與該第一輸出導體連通的一端和與該第二輸出導體連通的相對端。
7.一種直流/直流變換器，包括輸入電路，該輸入電路存儲感應能，該輸入電路包括第一開關，該第一開關釋放所述存儲的感應能；包括初級繞組的變壓器，該初級繞組與該輸入電路和次級繞組連通；及輸出電路，該輸出電路與所述次級繞組連通，並且該輸出電路包括第一和第二輸出導體；第一二極體，其與次級繞組的一端和該第一輸出導體連通；第二二極體，其與次級繞組的一端和該第二輸出導體連通；第三二極體，其與次級繞組的相對端和該第一輸出導體連通；第四二極體，其與次級繞組的相對端和該第二輸出導體連通；及第一電容，與該第四二極體並聯連接。
8.根據權利要求6所述的直流/直流變換器，進一步包括與該第三二極體並聯連接的第二電容。
9.根據權利要求7所述的直流/直流變換器，其中所述輸入電路包括第一電感器，該第一電感器具有與第一輸入導體連通的一端和與所述初級繞組的第一端連通的相對端；第二電感器，該第二電感器具有與該第一輸入導體連通的一端和與所述初級繞組的相對端連通的相對端，其中該第一開關具有與所述第一電感器的所述相對端連通的一個輸出端和另一個與第二輸入導體連通的輸出端。
10.根據權利要求9所述的直流/直流變換器，其中所述輸入電路包括第二開關，該第二開關具有與所述第二電感器的所述相對端連通的一個輸出端和另一個與該第二導體連通的輸出端。
11.根據權利要求7所述的直流/直流變換器，進一步包括輸出電容，該輸出電容具有與該第一輸出導體連通的一端和與該第二輸出導體連通的相對端。
全文摘要
一種直流/直流變換器包括存儲感應能的輸入電路，該輸入電路包括第一開關，該第一開關釋放存儲的感應能。變壓器包括初級繞組，該初級繞組與該輸入電路和次級繞組連通。輸出電路與所述次級繞組連通並且包括第一和第二輸出導體。第一二極體與次級繞組的一端和該第一輸出導體連通。第二二極體與次級繞組的一端和該第二輸出導體連通。第三二極體與次級繞組的相對端和該第一輸出導體連通。第四二極體與次級繞組的相對端和該第二輸出導體連通。第一電容與該第三二極體關聯連接。第二電容與該第四二極體關聯連接。
文檔編號H02M3/335GK1981424SQ200580022340
公開日2007年6月13日 申請日期2005年6月29日 優先權日2004年6月30日
發明者K·陳, L·卡尤克, J·拉扎 申請人:通用汽車公司