DC/DC轉換裝置的製作方法

2023-07-22 15:13:46 2

本發明涉及一種dc/dc轉換裝置，尤其涉及一種能夠在初始啟動階段利用直流電源電壓向開關驅動控制部提供工作電壓的dc/dc轉換裝置。

背景技術：

在現有技術中，開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關閉合和斷開的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，其中，dc/dc轉換裝置即直流-直流轉換電路是一種將直流輸入電壓有效地轉換成固定的直流輸出電壓的電壓變換器。一般而言，dc/dc轉換裝置分為三類：升壓型dc/dc變換器、降壓型dc/dc變換器以及升降壓型dc/dc變換器，根據需求可採用三類控制。具體而言，利用電容器、電感器的儲能的特性，通過可控開關(mosfet等)進行高頻開關的動作，將輸入的電能儲存在電容器或電感器裡，當開關斷開時，將電能再釋放給負載來提供能量。其輸出的功率或電壓與佔空比、即開關導通時間與整個開關的周期的比值有關。

然而，隨著電力電子技術的高速發展，對開關電源提出了更加高頻化、高轉換效率、高功率密度、小型化以及低噪聲等要求。

圖5示出了現有的一種採用了llc全橋轉換電路的dc/dc轉換裝置。如圖3所示，該dc/dc轉換裝置具有由電感器lr和電容器cr構成的lc諧振電路，以及由電感器tr1和tr2構成的變壓器。此外，該dc/dc轉換裝置中，還包括構成llc全橋轉換電路的4個開關元件q1～q4，通過控制各個開關元件q1～q4的導通和斷開，從而能夠控制從變壓器的原邊電感器tr1向副邊電感器tr2所傳輸的能量。

在圖5所示的dc/dc轉換裝置中，開關元件q1～q4的導通和斷開由開關驅動單元進行控制(圖中省略了開關驅動單元與開關元件q2～q4的柵極之間的連接)。開關驅動單元通過控制開關元件q1～q4適時地進行導通/斷 開切換，以變換電源電壓加載於lc諧振迴路上的方向，進而實現直流/直流電壓變換。作為一個示例，這裡示出了開關元件q1～q4全部使用n溝道mos電晶體的情形。在此情況下，開關驅動單元通過給予mos電晶體的g極一個高電平信號，使得開關開通。

如圖6所示，專利文獻1中提出了一種類似的llc轉換器，其中高側驅動器z1控制開關元件q1和q2進行導通和斷開，從而將直流電壓e轉換成所希望的直流輸出vout。

但如圖5和圖6所示的現有技術中，dcdc轉換器通常使用一個額外的外部電源對開關驅動單元供電。例如，圖5的開關驅動單元由額外的外部電源進行供電，圖6的高側驅動器z1則由額外的電源vcc1進行供電。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2015-216720

技術實現要素：

發明所要解決的問題

然而，在上述情況下，外部電源的效率通常不如dcdc轉換器本身的效率高，外部電源的使用當然的帶來了一部分損耗。另一方面，設置外部電源也會造成成本增加以及電路結構複雜等問題。

用於解決技術問題的技術手段

本發明是為了解決上述問題而設計的，本發明的目的在於提供一種dc/dc轉換裝置，能夠避免使用外部電源，從而提高dcdc轉換器整體的功率效率，並且降低製造成本，簡化電路結構。

本發明第一方面所涉及的dcdc轉換裝置，包括：電壓轉換電路，該電壓轉換電路將直流的電源電壓轉換成直流輸出，包括諧振電路以及使所述電源電壓以不同方向施加於該諧振電路以生成所述直流輸出的多個功率開關元件；以及開關控制驅動部，所述開關控制驅動部向所述多個功率開關元件輸出控制信號，控制所述多個功率開關元件的導通或斷開，以生成所述直流輸出，所述dcdc轉換裝置的特徵在於，還包括：轉換部，該轉換部 與所述開關控制驅動部相連接，並經由所述電壓轉換電路與所述電源電壓相連接，在所述dcdc轉換裝置的初始啟動階段，所述轉換部利用所述電源電壓向所述開關控制驅動部提供電源，在所述dcdc轉換裝置的正常工作階段，利用所述直流輸出向所述開關控制驅動部提供電源。

本發明第二方面所涉及的dc/dc轉換裝置中，所述諧振電路包括諧振電感，所述轉換部包括供電電感，通過所述諧振電感和所述供電電感之間的電磁耦合，所述轉換部利用所述電源電壓向所述開關控制驅動部提供電源。

本發明第三方面所涉及的dc/dc轉換裝置中，所述電壓轉換電路還包括：與所述諧振電路串聯連接的變壓器；以及連接在所述諧振電路和變壓器(tr)的連接點與接地之間的切換電路，所述轉換部包括：輸入側電路，所述輸入側電路控制所述多個功率開關元件中的至少一個功率開關元件以及所述切換電路的導通或斷開；輸出側電路，所述輸出側電路包括供電電感，所述供電電感與所述諧振電路中的諧振電感電磁耦合，由此利用所述電源電壓向所述開關控制驅動部提供電源。

本發明第四方面所涉及的dc/dc轉換裝置中，所述輸入側電路包括起振器，所述起振器從所述電源電壓接受供電，在所述初始啟動階段，所述起振器以設定的頻率使所述至少一個功率開關元件反覆導通或斷開，並且使所述切換電路導通，在所述正常工作階段，所述起振器不對所述至少一個功率開關元件進行控制，並且使所述切換電路斷開。

本發明第五方面所涉及的dc/dc轉換裝置中，所述起振器在所述初始啟動階段還使所述多個功率開關元件中除所述至少一個功率開關元件之外的另一個功率開關元件導通。

本發明第六方面所涉及的dc/dc轉換裝置中，在所述起振器和所述電源電壓之間設置電源開關，在所述初始啟動階段，所述電源開關閉合，在所述正常工作階段，所述電源開關斷開。

本發明第七方面所涉及的dc/dc轉換裝置中，所述輸出側電路還包括電容和二極體，所述供電電感與所述二極體的串聯電路與所述電容並聯連接在所述直流輸出與接地之間，所述二極體的陰極側與所述直流輸出側相 連接，陽極側與所述接地側相連接。

本發明第八方面所涉及的dcdc轉換裝置中，所述輸出側電路還包括檢測所述直流輸出的電壓大小的電壓檢測裝置，當所述電壓檢測裝置檢測到的電壓大小超過一預定閾值時，從所述初始啟動階段進入所述正常工作階段。

本發明第九方面所涉及的dcdc轉換裝置中，所述切換電路包括切換開關元件和二極體的串聯電路，其中所述切換開關元件的源極連接在所述諧振電路和變壓器的連接點，而所述二極體的陽極與所述切換開關元件的漏極連接，陰極與接地連接。

發明的效果

根據本發明，由於在正常工作階段直接使用dcdc轉換器自身的輸出對開關驅動單元進行供電，因此能夠提高dcdc轉換器整體的功率效率，並且降低製造成本，簡化電路結構。

附圖說明

圖1是表示本發明的一個實施方式的dc/dc轉換裝置的總體結構的示意性框圖。

圖2是表示本發明的另一個實施方式的dc/dc轉換裝置的總體結構的示意性框圖。

圖3是表示圖2的dc/dc轉換裝置的一個具體電路結構例的圖。

圖4是表示圖2的dc/dc轉換裝置的另一個具體電路結構例的圖。

圖5是已有技術的dc/dc轉換裝置的示意圖。

圖6是已有技術的dc/dc轉換裝置的示意圖。

具體實施方式

下面，參照附圖1對本發明的實施方式所涉及的dc/dc轉換裝置進行說明。

圖1是表示本發明的實施方式的dc/dc轉換裝置的總體結構的示意性框圖。如圖1所示，根據本發明的一個實施方式，dc/dc轉換裝置具有電壓 轉換電路1，該電壓轉換電路1將直流的電源電壓轉換成不同電壓的直流輸出vout。該電壓轉換電路1通常可由諸如llc全橋轉換電路或者llc半橋轉換電路等包含諧振電路的電壓轉換電路構成。該電壓轉換電路1通常還包括使電源電壓vdd以不同方向施加於該諧振電路，以生成直流輸出vout的多個功率開關元件。關於該電壓轉換電路1的具體電路結構，後文中還將進一步詳細描述。

根據本發明的dcdc轉換裝置還包括開關控制驅動部2。該開關控制驅動部2向電壓轉換電路1中的多個功率開關元件輸出控制信號，控制它們的導通或斷開，以生成上述的直流輸出vout。

作為本發明不同於已有技術的重要組成部分，本發明還設置了轉換部3，該轉換部3與開關控制驅動部2連接，向其供電。同時，該轉換部3還經由電壓轉換電路1與電源電壓vdd相連接。

在dcdc轉換裝置的初始啟動階段，轉換部3利用電源電壓vdd向開關控制驅動部2提供電源vin。而在dcdc轉換裝置結束初始啟動階段之後，進入正常工作階段時，則轉為利用dcdc轉換裝置的直流輸出vout向開關控制驅動部2提供電源vin。

上文中，dcdc轉換裝置的初始啟動階段指的是電源電壓vdd剛剛被施加至電壓轉換電路1，其直流輸出vout尚未達到滿足開關控制驅動部2工作所需的電平之前的階段。在此階段，由於直流輸出vout尚無法使得開關控制驅動部2正常工作，因此，需要進行設計，使得轉換部3能夠利用電源電壓vdd向開關控制驅動部2進行供電。

而一旦直流輸出vout達到滿足開關控制驅動部2工作所需的電平，即，進入了正常工作階段，則轉換部3就將開關控制驅動部2的供電從電源電壓vdd切換至直流輸出vout。因此，相比現有技術(圖5～6)，開關控制驅動部2並不需要額外的外部電源。在正常工作階段，開關控制驅動部2的供電來源是dcdc轉換裝置本身的直流輸出vout，其效率要遠高於外接電源，因而，採用本實施例的設計，損耗更小，整體效率更高。

在初始啟動階段，雖然轉換部3可以如圖1所示直接將電源電壓vdd提供給開關控制驅動部2進行供電，但由於需要考慮電壓匹配或者電氣隔離等事 項，因此比較好的是採用如圖2所示的技術方案。即，經由電壓轉換電路1中的元器件，間接地將電源電壓vdd提供給開關控制驅動部2進行供電。如此，則因上述電氣隔離等事項使得本實施例的dcdc轉換裝置整體安定性更高。

下面，參照附圖3，對圖2所示的dc/dc轉換裝置的一個具體電路結構例進行說明。本領域普通技術人員容易理解，這裡所示的具體電路結構例並不起限定作用，只要是能夠利用電源電壓vdd向開關控制驅動部2進行供電，其他的電路結構也適用於本發明。

如圖3所示，相當於圖1中的電壓轉換電路1的llc全橋轉換電路包括由諧振電感lr和諧振電容cr構成的串聯諧振電路以及多個開關元件q1～q4。串聯諧振電路經由多個開關元件q1～q4與電源電壓vdd電連接。通過切換多個開關元件q1～q4的導通和斷開，從而可使電源電壓vdd與串聯諧振電路的電連接導通或斷開，且可使施加於該串聯諧振電路上的電源電壓的方向在不同的方向之間切換。由電感lr和電容cr構成的串聯諧振電路上還串聯連接有變壓器原邊電感tr1。變壓器副邊電感tr2與整流二極體p1、p2以及輸出電容器co等一起構成llc全橋轉換電路的輸出部。該輸出部向負載rl輸出直流輸出vout。開關控制驅動部2分別向多個開關元件q1～q4的柵極分別輸出柵極驅動信號s1～s4，以控制開關元件q1～q4的導通/斷開。

上面關於llc全橋轉換電路的具體電路構成，本發明中與已有技術(圖5)並無不同，這裡不再贅述。

作為本發明的重要發明點，本發明還在llc全橋轉換電路中設置了切換電路15。該切換電路15包括開關元件q5和二極體d5的串聯電路，其中開關元件q5的源極連接在由諧振電感lr和諧振電容cr構成的諧振電路同變壓器(tr)的連接點上，而二極體d5的陽極與開關元件q5的漏極連接，陰極與接地連接。即，二極體d5極性與開關元件q5的體二極體極性相反。由此可以防止反向電流流過開關元件q5。當然，本發明並不限於此，也可以用溝道類型與開關元件q5相反的開關元件來替換二極體d5，例如，本實施方式中開關元件q5採用的是n溝道mosfet，則可以用p溝道mosfet來代替二極體d5。此外，只要是能夠起到導通/斷開迴路的作用，其他的電路結構同樣適用於本發明的切換電路15。

此外，本發明中還設置了由輸入側電路31和輸出側電路32構成的轉換部3，來向開關控制驅動部2供電。輸入側電路31用來控制llc全橋轉換電路中開關元件q1以及切換電路15的導通或斷開。輸出側電路32包括供電電感lraux，該供電電感lraux與諧振電路中的諧振電感lr電磁耦合，由此在初始啟動階段利用電源電壓vdd向開關控制驅動部2提供電源vin。輸出側電路32還經由二極體d7與llc全橋轉換電路的直流輸出vout相連接，由此，經由pol電路，利用該直流輸出vout向開關控制驅動部2提供電源vin。該pol電路是一種電壓轉換裝置或電路，用以將vout轉變為開關控制驅動部2所需要的電壓。也就是說，在初始啟動階段，由於輸入側電路31控制開關元件q1和開關元件q5的動作，使得電感lr上的電流產生變化，進而電流可以因電磁感應傳遞至供電電感lraux，使得電源vin可以間接的臨時的給開關控制驅動部2供電。

另外，若直接採用電源電壓vdd作為開關元件q1～4的工作電壓來源，這樣的方法需要同時使得四個開關元件q1～4的狀態不斷切換變化，由於電氣環境等各方面原因，會產生一定的噪聲，這對開關元件q1～4的控制會產生影響。

本實施例中，設置切換電路15，利用電感lr將電流傳遞開關控制驅動部2供電，輸入側電路31隻需要使得開關元件q1的狀態進行不斷切換，此時，開關元件q5以及q2～4的狀態在初始啟動階段是不發生變化的，受噪聲的影響會很小。

當然，輸入側電路31對開關元件q1、q5的控制可以有很多種方式，例如，控制開關元件q5以一定頻率開通、斷開，同時控制開關元件q1一直導通，或者控制開關元件q1導通一次後斷開，同時控制開關元件q5一直導通，或者同時控制開關元件q1、q5以一定頻率開通、斷開等。只要是可以使得電感lr上電流能產生變化的方法均可。

進一步具體而言，輸入側電路31包括起振器10，該起振器10與電源電壓vdd連接，獲得由電阻r1和r2對電源電壓vdd進行分壓後得到的工作電壓。具體由該起振器10輸出對開關元件q1和q5的柵極進行控制的柵極驅動信號g1和g5。輸入側電路31還包括與電阻r2並聯的穩壓二極體d6和儲能電容 c1，以穩定起振器10的供電。此處，為了降低成本，輸入側電路31內電阻r1和r2等元件與電源電壓vdd共同作用所引起的對起振器10及開關元件q1和q5的供電本身效率一般，但由於該供電僅存在於初始啟動階段，對dcdc轉換裝置整體的效率的影響較小。

另外，起振器10可以晶片式振蕩器(如555振蕩器)、自激諧振線路(如lc振蕩線路等)提供電平信號輸出，成本低廉，且如上所述，由於只需要通過電平信號控制一個開關元件(如開關元件q1)的狀態反覆變更，dcdc轉換裝置的抗噪音幹擾能力得到提高。除供電電感lraux之外，輸出側電路32還包括電容c2和二極體d8，供電電感lraux與二極體d8的串聯電路與電容c2並聯連接在直流輸出vout與接地之間。二極體d8的陰極與直流輸出vout側連接，陽極經由供電電感lraux與接地相連接。由於在正常工作階段，會由直流輸出vout對開關控制驅動部2進行供電，因此如上所述地設置二極體d8，能夠防止直流輸出vout的電流經由供電電感lraux回流至諧振電感lr。

下面對本發明的dcdc轉換裝置的工作過程進行說明。

dcdc轉換器剛啟動時(初始啟動階段)，電源電壓vdd剛剛被施加至電壓轉換電路1(圖3中的llc全橋轉換電路)，此時因為開關元件q1～q4尚未工作，因此輸出部的直流輸出vout為0，無法給開關控制驅動部2進行供電。

此時，電源電壓vdd經由電阻r1、r2分壓後，給起振器10供電。起振器10隨即以一設定頻率向開關元件q1的柵極輸出柵極驅動信號g1，以該設定頻率反覆導通/斷開該開關元件q1。同時，起振器10還向開關元件q5的柵極輸出柵極驅動信號g5，使其一直導通。而開關元件q2～q4由於開關控制驅動部2沒有被供電，無法向它們的柵極提供柵極驅動信號s2～s4，所以處於斷開狀態。

由此，從電源電壓經由開關元件q1、開關元件q5直至接地之間形成了一個迴路，電流按照上述設定頻率，在該迴路上波動變化。

諧振電感lr上的電流會產生變化，並傳遞至轉換部3的輸出側電路32中的供電電感lraux一側。供電電感lraux產生的感應電動勢被用來給開關控制驅動部2提供供電電壓vin。與供電電感lraux並聯的儲能電感c2被用來穩定 該供電電壓vin。當然，開關控制驅動部2對供電電壓vin的波動不敏感的情況下，該儲能電感c2也不是必須的。另外，輸出側電路32中的二極體d8被用來防止輸出端電流(vout產生的電流)經由供電電感lraux反向流至諧振電感lr，從而影響諧振電路的工作。

開關控制驅動部2獲得供電後，開始控制開關元件q1～q4按照既定的動作導通或者斷開。此時，電壓轉換電路1的輸出部的直流輸出vout會產生輸出電壓，並逐步提升至能夠向開關控制驅動部2正常提供供電的水平。

當直流輸出vout高於一預定閾值時，即從初始啟動階段轉入正常工作階段，開關控制驅動部2轉而通過直流輸出電壓vout獲得供電。此時，起振器10不再繼續對功率開關元件q1進行控制，並且使所述切換電路(15)斷開。即，將功率開關元件q1～q4的控制權交還給開關控制驅動部2。電壓轉換電路1和開關控制驅動部2將開始像現有技術(圖5)一樣正常執行電壓轉換動作。

當從初始啟動階段轉入正常工作階段後，也可以停止起振器10的工作，以節省無謂的功耗。這裡，作為一個例子，示出了在電源電壓vdd向起振器10供電的路徑上設置開關k1，在需要時斷開電連接的方式來停止起振器10的工作。上述斷開開關k1的信號可以由開關控制驅動部2來發出。

當然本發明並不限於此，也可以是通過向起振器10發出停止工作的信號等來停止其工作。

如上所述，上述閾值應當是大於等於能夠保證開關控制驅動部2正常工作的大小。可以預先根據所採用的開關控制驅動部2的規格來設定。如圖3所示，可以設置一個電壓檢測器12來對直流輸出vout是否超過上述閾值進行判斷。當然該判斷也可由開關控制驅動部2自己來進行。

另外，上述說明中，起振器10僅向開關元件q1以及q5發出柵極驅動信號g1和g5，然而，本發明的起振器10優選地還連接至q4，並在初始啟動階段向其柵極發出柵極驅動信號g4，使其一直導通。通過這樣，變壓器tr被短路，這樣一來，不會有能量通過變壓器tr傳遞至副邊輸出。

另外，相比於圖1直接提供vdd的方式，圖2至圖4的實施例中在初始啟動階段是通過lr和lraux的電磁耦合來向開關控制驅動部2進行供電，這樣 一來，通過隔著線圈以耦合的方式來傳遞電能，能夠符合電氣隔離的要求。即，由於開關控制驅動部2的用電迴路與電壓轉換電路2的發電迴路之間沒有直接的電氣連接，因此能夠減少這兩個電路之間的相互幹擾。例如，若開關控制驅動部2的用電迴路一側出現了接地等故障，如果不採用電氣隔離，直接與供電電源vdd連接，則電壓轉換電路2的發電迴路就可能受其影響而不能正常工作。

此外，雖然圖3中以llc全橋轉換電路作為本發明的電壓轉換電路1的例子進行了說明，但並不限於此。通過以上的技術說明，本領域普通技術人員能夠理解，只要是包含像本發明提到的由lr和cr構成的串聯諧振電路這樣的諧振電路的、利用電流的周期性變化來進行電壓變換以及整流的整流電路，都可以適用於本發明。例如，本發明也適用於圖4所示的、通過省略圖3中的q3和q4而形成的llc半橋轉換電路。

本發明在不脫離本發明的廣義精神與範圍的情況下，可進行各種實施方式和變形。另外，上述實施方式僅用來對本發明進行說明，而不對本發明的範圍進行限定。即，本發明的範圍由權利要求的範圍來表示，而不由上述實施方式來表示。並且，在權利要求的範圍內及與其同等發明意義的範圍內所實施的各種變形也視為在本發明的範圍內。

標號說明

1電壓轉換電路

2開關控制驅動部

3轉換部

10起振器

12電壓檢測器

15切換電路

31輸入側電路

32輸出側電路

cr諧振電容

c1、c2儲能電容

d5、d7、d8、p1、p2二極體

d6穩壓二極體

g1、g4、g5、s1～s4柵極驅動信號

k1開關

lr諧振電感

lraux供電電感

q1～q4開關元件

r1、r2分壓電阻

rl負載

tr1變壓器原邊電感

tr2變壓器副邊電感

vdd電源電壓

vout直流輸出

vin供電電壓。