專利名稱：隔離開(kāi)關(guān)模式電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及隔離開(kāi)關(guān)模式電源領(lǐng)域，并且更具體地說(shuō)，涉及設(shè)有開(kāi)關(guān)裝置以降低其中的功率損耗的隔離開(kāi)關(guān)模式電源。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)是熟知類型的功率轉(zhuǎn)換器，由于其小的大小和重量及高效率而具有范圍廣泛的應(yīng)用，例如，在個(gè)人計(jì)算機(jī)和諸如手機(jī)等便攜式電子裝置中。SMPS通過(guò)在高頻率(通常數(shù)十到幾百kHz)對(duì)諸如功率MOSFET等開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行開(kāi)關(guān)而實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)的頻率或占空比使用反饋信號(hào)調(diào)整以將輸入電壓轉(zhuǎn)換成所需輸出電壓。SMPS可采取整流器(AC/DC轉(zhuǎn)換器)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、變頻器(AC/AC)或逆變器(DC/AC)的形式。圖1示出隔離SMPS的背景示例，隔離SMPS即將輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換成輸出電壓Vout同時(shí)通過(guò)變壓器隔離輸入和輸出的SMPS。以DC到DC轉(zhuǎn)換器的形式提供SMPS 100，轉(zhuǎn)換器在其一次側(cè)具有半橋布置，如圖所示，半橋布置包括在電源的輸入之間連接并且連接到隔離變壓器110的一次繞組111的兩個(gè)晶體管Ql和Q2 (例如可以是諸如MOSFET或IGBT等場(chǎng)效應(yīng)晶體管)和兩個(gè)電容器Cl和C2。只使用兩個(gè)晶體管在一次側(cè)處理電流使半橋配置最適合要求低零件計(jì)數(shù)的低功率應(yīng)用。雖然在本示例中采用半橋配置，但備選可在一次側(cè)使用熟知的拓?fù)?。例如，帶有四個(gè)晶體管的全橋配置可更適合用于更高功率應(yīng)用。備選，能夠使用推拉布置。在所有這些配置中，晶體管的開(kāi)關(guān)由控制器電路(未示出)控制。圖1也示出隔離SMPS 100的二次側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?，其包括整流電路和連接到負(fù)載R的LC濾波器。LC濾波器的電感器L連接到變壓器110的二次繞組112。參考接地的中心抽頭113在具有n2圈的二次繞組112的第一部分112a與也具有n2圈的繞組112的第二部分112b之間提供。在本示例中，整流網(wǎng)絡(luò)采用兩個(gè)二極管Dl和D2，以產(chǎn)生在二次繞組112中感應(yīng)的電壓的全波整流。功率效率當(dāng)然是在開(kāi)關(guān)模式電源的設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵考慮因素，并且其測(cè)度通常指示SMPS的質(zhì)量。更多的研究工作因此一直致力于改進(jìn)功率效率。例如，肖特基二極管具有極小的反向恢復(fù)時(shí)間，并且因此經(jīng)常被使用以便最小化與二極管開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的功率損耗。備選，為改進(jìn)圖1所示轉(zhuǎn)換器在更高電流電平的效率，圖1中二次側(cè)電路中的二極管Dl和D2能夠替換為包括如圖2的SMPS電路200中在Q3和Q4所示晶體管的同步整流器電路。每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置Q3和Q4能夠采用任何適合或需要的形式，并且例如優(yōu)選是N-MOSFET或P-MOSFET或IGBT形式的場(chǎng)效晶體管。在圖2的示例中，開(kāi)關(guān)裝置Q3和Q4具有在圖2的開(kāi)關(guān)裝置符號(hào)中未示出的體內(nèi)漏極二極管。這些晶體管的開(kāi)關(guān)由控制器電路(未示出)控制，其可以是或不是控制晶體管Ql和Q2的開(kāi)關(guān)的控制電路。圖2所示SMPS的操作的原理將為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉，因此，此處不必進(jìn)行其詳細(xì)解釋。然而，現(xiàn)在將回顧一些基本知識(shí)以有助于本發(fā)明的理解。圖3示出開(kāi)關(guān)循環(huán)圖，圖2中的開(kāi)關(guān)Q1-Q4的柵電極由SMPS控制器電路根據(jù)開(kāi)關(guān)循環(huán)圖驅(qū)動(dòng)，使得一次側(cè)電路生成應(yīng)用到變壓器110的一次繞組111的一系列電壓脈沖。在圖3中，“D”表示開(kāi)關(guān)的占空比，并且“T”表示開(kāi)關(guān)周期。在四個(gè)時(shí)間期O到DT、DT到Τ、Τ到(T+DT)和(T+DT)到2Τ期間電路的操作如下所述。時(shí)間期I (O〈 t〈 DT):接通開(kāi)關(guān)裝置Ql而Q2關(guān)斷，允許在Vin的輸入源經(jīng)變壓器110的一次繞組111為電容器Cl和C2充電。在此期間內(nèi)，接通開(kāi)關(guān)裝置Q3而關(guān)斷裝置Q4，從而允許源經(jīng)變壓器110的二次繞組112將能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載R。輸出電壓
vOUt +++ -Vu,其中，Il1是在一次繞組中圈的數(shù)量。圖2的半橋隔離降壓轉(zhuǎn)換器的操作與反激轉(zhuǎn)換器(或組合正向/反激轉(zhuǎn)換器)的操作相反，其中，能量在此期間內(nèi)存儲(chǔ)在變壓器核心中提供的氣隙中，以便在不驅(qū)動(dòng)變壓器的一次繞組時(shí)隨后釋放到二次側(cè)電路中。此類氣隙在圖2所示變壓器110的核心中或在下述內(nèi)容中所述任何有關(guān)電路中不存在。時(shí)間期2 (DT < t < T):開(kāi)關(guān)Q3和Q4均在傳導(dǎo)，并且在二次側(cè)電路中的電流因此以大致相等測(cè)度通過(guò)二次側(cè)繞組的兩部分續(xù)流，從而允許平衡變壓器通量。換而言之，續(xù)流電流生成在二次繞組內(nèi)在中心抽頭113的附近相反方向的兩個(gè)磁通量，在二次繞組112的第一與第二部分之間的區(qū)域中產(chǎn)生等于零的凈磁通量。因此，變壓器核心磁化被平衡為零，并且在續(xù)流期間DT-T/2內(nèi)一次繞組中的電流被抑制，由此避免在一次繞組中的損耗。因此，在兩個(gè)開(kāi)關(guān)期間內(nèi)獲得了變壓器伏秒平衡，因此，變壓器重置是無(wú)需的。時(shí)間期3 (T < t < T+DT):在此間隔中，關(guān)斷開(kāi)關(guān)裝置Ql而接通裝置Q2，從而允許電容器Cl和C2通過(guò)一次繞組111放電，通過(guò)與上述第一時(shí)間期中的電壓相反極性的電壓激勵(lì)它。在二次側(cè)，開(kāi)關(guān)Q4保持接通而關(guān)斷開(kāi)關(guān)Q3，從而允許在二次繞組的較低部分中生成的EMF驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)電感器L。時(shí)間期4 (T+DT < t < 2T):操作如上述時(shí)間期2中一樣繼續(xù)。為使變壓器磁通量平衡(這是防止磁化電流變得足夠大以使變壓器飽和所必需的)，接通開(kāi)關(guān)Ql和Q2的期間應(yīng)在每個(gè)開(kāi)關(guān)期間是相同的。然而，在平衡不完美時(shí)，工作一直集中在避免其反面效應(yīng)上，如通過(guò)將電容器與變壓器的一次繞組串聯(lián)，使得跨電容器而不是一次繞組降低任何過(guò)多電壓。為避免在一次側(cè)的交叉?zhèn)鲗?dǎo)或源的短路，在一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的關(guān)斷與另一開(kāi)關(guān)裝置的接通之間引入了延遲。圖4A和4B中示出了帶有未抽頭二次繞組的備選SMPS拓?fù)?。圖4A所示SMPS 300A的一次側(cè)與在圖1和2中相同，但備選可使用例如全橋。然而，二次側(cè)包括帶有經(jīng)LC濾波器連接到負(fù)載R的二極管D1-D4的二極管全橋整流網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于圖2所示示例，可使用帶有半同步或全同步整流的變型以便改進(jìn)功率效率。圖4B中示出帶有半同步整流的SMPS 300B。在兩種情況中，SMPS中的損耗主要是由于二極管中的損耗。如上所提及的在二次側(cè)的全同步或半同步整流的使用只是可用于尋求改進(jìn)系統(tǒng)效率的設(shè)計(jì)人員的措施之一。工作也一直致力于通過(guò)晶體管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來(lái)最小化晶體管中的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗，形成改進(jìn)的控制體系結(jié)構(gòu)選項(xiàng)(例如，脈沖跳躍)，以及通過(guò)適當(dāng)集成開(kāi)關(guān)裝置到IC封裝中來(lái)減少微量損耗和其它寄生。也已采取措施以最小化SMPS的無(wú)源組件中的損耗。明顯的是，電感器繞組中的電阻損耗、由于變壓器核心中磁滯和渦電流造成的損耗及電容器中由于其串聯(lián)電阻和泄露造成的損耗及其介電損耗已通過(guò)改進(jìn)這些組件的設(shè)計(jì)的工作而得以全部解決。

然而，盡管進(jìn)行了這些工作，但仍存在進(jìn)一步改進(jìn)SMPS的功率效率的需要。

發(fā)明內(nèi)容
由于變壓器中的功率損耗經(jīng)常如此之高，使得變壓器成了限制SMPS的熱降額的熱點(diǎn)，因此，本發(fā)明的發(fā)明者認(rèn)識(shí)到降低變壓器中的損耗將特別合乎需要。本發(fā)明的發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)在SMPS的操作的續(xù)流時(shí)間期內(nèi)，即，在未驅(qū)動(dòng)變壓器一次使得能量不從一次側(cè)電路轉(zhuǎn)移到二次側(cè)電路的期間內(nèi)，能夠發(fā)生相當(dāng)大的損耗。由于磁通量在續(xù)流期間內(nèi)是恒定的，因此，這些損耗主要在使用抽頭二次側(cè)全波整流的變壓器繞組中發(fā)生。這些損耗是與在續(xù)流期間內(nèi)在二次側(cè)電路中流動(dòng)的續(xù)流電流相關(guān)聯(lián)的DC損耗和高頻AC損耗的組合。在使用帶有二極管整流或半同步整流的未抽頭二次繞組時(shí)，損耗主要發(fā)生在二極管中。除最小化此類損耗的上述常規(guī)方案外，本發(fā)明的發(fā)明者認(rèn)識(shí)到，通過(guò)首先降低電路的高耗能元件中的續(xù)流電流電平，能夠大幅改進(jìn)上述種類的電源的功率效率，而在常規(guī)方案中，簡(jiǎn)單地接受變壓器繞組和整流網(wǎng)絡(luò)中續(xù)流電流的存在，并且關(guān)注的是各個(gè)組件的選擇或設(shè)計(jì)以減輕它造成的損耗。如下面通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例將解釋的一樣，通過(guò)使用布置成在續(xù)流期間內(nèi)傳導(dǎo)在二次側(cè)電路中流動(dòng)的續(xù)流電流的至少一部分的開(kāi)關(guān)裝置，能夠降低或消除變壓器二次和/或整流網(wǎng)絡(luò)中的續(xù)流電流。也就是說(shuō)，在續(xù)流期間內(nèi)，能夠使續(xù)流電流流過(guò)開(kāi)關(guān)裝置，而不流過(guò)變壓器二次和/或整流網(wǎng)絡(luò)，或者還流過(guò)變壓器二次和/或整流網(wǎng)絡(luò)。在開(kāi)關(guān)裝置內(nèi)的電壓應(yīng)力能夠變成在整流網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)元件內(nèi)電壓應(yīng)力的一半，從而可能選擇帶有更低額定電壓的開(kāi)關(guān)裝置，其通常具有相應(yīng)降低功率損耗的更低接通電阻。在續(xù)流期間內(nèi)變壓器電流和/或整流網(wǎng)絡(luò)中電流的降低導(dǎo)致更低的損耗，由此改進(jìn)SMPS的熱降額并允許以更少的冷卻使用它。這又產(chǎn)生了在冷卻系統(tǒng)中的節(jié)能。更具體地說(shuō)，本發(fā)明提供隔離開(kāi)關(guān)模式電源，該電源包括包括一次繞組和二次繞組的變壓器，所述二次繞組具有在其第一部分與第二部分之間提供的中心抽頭。開(kāi)關(guān)模式電源也包括布置成生成電壓脈沖并由此驅(qū)動(dòng)變壓器的一次繞組的一次側(cè)電路，并且還包括二次側(cè)電路。二次側(cè)電路包括連接到二次繞組的整流網(wǎng)絡(luò)，整流網(wǎng)絡(luò)和變壓器經(jīng)布置，使得在一次側(cè)電路不驅(qū)動(dòng)一次繞組的開(kāi)關(guān)模式電源的操作的續(xù)流期間內(nèi)，在繞組的第一與第二部分之間來(lái)自繞組的第一部分的磁通量實(shí)質(zhì)上對(duì)消了來(lái)自繞組的第二部分的磁通量。二次側(cè)電路還包括開(kāi)關(guān)裝置，開(kāi)關(guān)裝置連接到中心抽頭和整流網(wǎng)絡(luò)的輸出以便在所述續(xù)流期間內(nèi)傳導(dǎo)在二次側(cè)中流動(dòng)的續(xù)流電流的至少一部分。作為降低SMPS中上面提及的損耗的問(wèn)題的備選解決方案，本發(fā)明也提供一種硬開(kāi)關(guān)的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，包括包括一次繞組和二次繞組的變壓器；布置成生成電壓脈沖并由此驅(qū)動(dòng)變壓器的一次繞組的一次側(cè)電路；及二次側(cè)電路。二次側(cè)電路包括連接到二次側(cè)繞組的整流網(wǎng)絡(luò)，并且也包括布置成在一次側(cè)電路不驅(qū)動(dòng)一次繞組的電源的操作的續(xù)流期間，與整流網(wǎng)絡(luò)平行傳導(dǎo)在電源的二次側(cè)電路中流動(dòng)的續(xù)流電流。


現(xiàn)在將通過(guò)參照附圖作為示例，詳細(xì)解釋在功率成本和效率方面有不同性能的本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中 圖1示出具有中心抽頭二次側(cè)變壓器繞組和二極管整流的背景示例SMPS電路；
圖2示出使用同步整流的圖1中所示SMPS的變型；
圖3示出用于圖2的電路的時(shí)序 圖4A和4B示出分別具有全橋二極管整流和半同步整流的SMPS的背景示例；
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的SMPS，其使用二極管整流和續(xù)流二極管；
圖5B示出圖5A所示SMPS的變型；
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的SMPS，其使用同步整流和續(xù)流二極管；
圖7A示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的SMPS，其使用二極管整流和同步續(xù)流；
圖7B示出在圖7A所示SMPS的變型，其中，在中心抽頭提供了接地參考；
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的SMPS，其使用同步整流和同步續(xù)流；
圖9A和9B示出備選時(shí)序圖，圖8所示SMPS可根據(jù)其操作；
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的SMPS，其使用全橋二極管整流和同步續(xù)流；
圖11示出使用半同步整流的圖10中所示SMPS的變型；
圖12和13示出用于帶有同步整流和根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的開(kāi)關(guān)裝置的SMPS的不同輸入電壓值的功率損耗對(duì)負(fù)載電流的曲線圖及用于無(wú)此類開(kāi)關(guān)裝置的常規(guī)SMPS的那些曲線圖；以及
圖14示出位于無(wú)此類開(kāi)關(guān)裝置的SMPS旁，帶有根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的開(kāi)關(guān)裝置的SMPS的熱像儀圖片。
具體實(shí)施例方式[第一實(shí)施例]
圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的隔離SMPS 400A，其與圖1所示背景示例的不同之處在于具有在二次側(cè)電路中提供的二極管D5形式的開(kāi)關(guān)裝置。在其它方面，該SMPS與上面參照?qǐng)D1所述的SMPS相同，并且其操作的常規(guī)方面的描述因此將不在此處重復(fù)。在所述實(shí)施例中，抽頭113和二極管D5的陽(yáng)極接地，而D5的陰極連接在二極管Dl和D2的陰極與電感器L之間，如圖5A所示。因此，二極管D5在二次側(cè)電路中連接在中心抽頭113與整流電路的輸出之間，以便在續(xù)流期間內(nèi)攜帶續(xù)流電流，并且因此降低在變壓器的二次繞組112的部分112a和112b中和在整流網(wǎng)絡(luò)的二極管Dl和D2中的續(xù)流電流。換而言之，開(kāi)關(guān)裝置D5通過(guò)布置成提供用于續(xù)流電流的平行的相對(duì)低電阻傳導(dǎo)路徑，降低在變壓器和二極管Dl和D2中的損耗。此SMPS的輸出看上去象二極管整流的降壓轉(zhuǎn)換器的輸出。所述實(shí)施例的電路具有制造簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)椴僮鏖_(kāi)關(guān)裝置D5無(wú)要求控制電路。此電路因此最適合低電流和低成本應(yīng)用，并且其中在二次側(cè)繞組中的電阻大到足以保證添加開(kāi)關(guān)裝置D5。然而，雖然此實(shí)施例的電路有效，但轉(zhuǎn)換器中的節(jié)能和變壓器中的功率損耗降低與下述一些備選實(shí)施例相比是普通的。圖5B中示出第一實(shí)施例的SMPS的變型。在此實(shí)施例的SMPS 400B中，二極管Dl和D2的極性反轉(zhuǎn)，并且接地參考在二極管D2的陽(yáng)極而不是在中心抽頭113提供。[實(shí)施例2]
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的隔離SMPS 500，其與圖2所示背景示例不同之處在于具有在二次側(cè)電路中提供的二極管D5形式的開(kāi)關(guān)裝置和晶體管Q3和Q4中的每個(gè)晶體管的端子(而不是中心抽頭)接地。在其它方面，此SMPS與上面參照?qǐng)D2所述的SMPS相同，并且其操作的常規(guī)部分的描述因此將不在此處重復(fù)。在所述實(shí)施例中，晶體管Q3和Q4中的每個(gè)晶體管的端子和二極管D5的陽(yáng)極全部接地，而D5的陰極連接在中心抽頭113與電感器L之間，如圖6所示。因此，類似于第一實(shí)施例，二極管D5在二次側(cè)電路中連接在中心抽頭113與整流電路的輸出之間，以便在續(xù)流期間內(nèi)攜帶續(xù)流電流，由此降低在變壓器的二次繞組112的部分112a和112b中和在同步整流網(wǎng)絡(luò)的晶體管Q3和Q4中的續(xù)流電流。換而言之，開(kāi)關(guān)裝置D5布置成提供用于續(xù)流電流的平行的相對(duì)低電阻傳導(dǎo)路徑，由此降低在變壓器和晶體管中的損耗。與在續(xù)流二極管D5內(nèi)的電阻和壓降相比，在使用高電阻的小開(kāi)關(guān)裝置Q3和Q4時(shí)，或者在二次繞組112由于它具有許多圈和/或薄導(dǎo)線而具有大的電阻，所述實(shí)施例的電路是優(yōu)選的。電路制造簡(jiǎn)單且具成本效益，這是因?yàn)槌龍D2所示種類的現(xiàn)有電路中使用的
令外，無(wú)需任何令。所述實(shí)施例中開(kāi)關(guān)裝置Q3和Q4中的每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置的端子的接地使得在使用N-MOSFET時(shí)驅(qū)動(dòng)這些開(kāi)關(guān)更容易和更便宜。此布置優(yōu)選在中心抽頭提供接地參考，這要求帶有自舉電路的聞端驅(qū)動(dòng)器。[實(shí)施例3]
圖7A示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的隔離SMPS 600A，其與上面參照?qǐng)D5B所述第一實(shí)施例的變型不同之處在于具有在二次側(cè)電路中提供以替代二極管D5的晶體管Q5(例如，可以是諸如MOSFET或IGBT等場(chǎng)效晶體管)形式的開(kāi)關(guān)裝置。在其它方面，此SMPS與圖5B所示相同，并且其操作的描述因此將不在此處重復(fù)。類似于第一實(shí)施例的上述變型，晶體管Q5在二次側(cè)電路中連接在中心抽頭113與整流網(wǎng)絡(luò)的輸出之間，以便在續(xù)流期間攜帶續(xù)流電流，由此降低在變壓器的二次繞組112的部分112a與112b中和在整流網(wǎng)絡(luò)的二極管Dl和D2中的續(xù)流電流。換而言之，開(kāi)關(guān)裝置Q5通過(guò)在續(xù)流期間內(nèi)提供用于續(xù)流電流的平行的相對(duì)低電阻傳導(dǎo)路徑，降低在變壓器和二極管Dl和D2中的損耗。開(kāi)關(guān)Q5根據(jù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制器(未示出)生成的控制信號(hào)接通和關(guān)斷。將圖5B中的續(xù)流二極管D5替代為晶體管Q5產(chǎn)生同步續(xù)流。所述實(shí)施例的電路更適合處理更大的電流，尤其在續(xù)流時(shí)間期(DT〈 t〈 T)和(T+DT < t < 2T)大時(shí)，因此在占空比D小時(shí)。開(kāi)關(guān)裝置Q5的控制和驅(qū)動(dòng)也簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樗哂薪拥刈鳛閰⒖迹沟貌灰笞耘e電路。這使所述實(shí)施例的電路適合用于一次側(cè)控制，僅一個(gè)信號(hào)需要通過(guò)隔離障礙轉(zhuǎn)移。電路因此最適合用于要求低成本、高輸入電壓范圍、高輸出電壓和適中輸出電流的應(yīng)用。此外，將開(kāi)關(guān)裝置Q5配置成自行驅(qū)動(dòng)將避免需要通過(guò)隔離障礙傳遞控制信號(hào)，由此進(jìn)一步降低成本。圖7B示出第三實(shí)施例的變型，其中二極管Dl和D2的極性反轉(zhuǎn)，并且在中心抽頭113提供接地參考。[實(shí)施例4]
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的隔離SMPS 700，其與圖2所示背景示例不同之處在于具有晶體管Q5形式、連接到中心抽頭113和整流網(wǎng)絡(luò)的輸出的開(kāi)關(guān)裝置，以及晶體管Q3和Q4中的每個(gè)晶體管的端子(而不是中心抽頭113)接地。Q3和Q4的此類接地是優(yōu)選的，這是因?yàn)镹-MOSFET隨后能夠使用而無(wú)需帶自舉電路的高端驅(qū)動(dòng)器，不同于圖2中開(kāi)關(guān)Q3和Q4浮動(dòng)的拓?fù)洹Ｔ谄渌矫?，所述?shí)施例的SMPS 700與上面參照?qǐng)D2所述背景示例的SMPS相同，并且其操作的常規(guī)方面的描述因此將不在此處重復(fù)。關(guān)于上述實(shí)施例及其變型，所述實(shí)施例的SMPS優(yōu)選是硬開(kāi)關(guān)的。類似于第三實(shí)施例，晶體管Q5在二次側(cè)電路中連接在中心抽頭113與同步整流網(wǎng)絡(luò)的輸出之間。更具體地說(shuō)，每個(gè)晶體管Q3、Q4和Q5的端子均接地，而Q5的剩余電流攜帶端子連接在中心抽頭113與電感器L之間，如圖8所示。相應(yīng)地，晶體管Q5已連接以便在續(xù)流期間攜帶續(xù)流電流，由此降低在變壓器的二次繞組112的部分112a和112b中和在整流網(wǎng)絡(luò)的晶體管Q3和Q4中的續(xù)流電流。在所述實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)裝置Q5布置成提供用于續(xù)流電流的平行的相對(duì)低電阻傳導(dǎo)路徑，由此降低在變壓器中和在晶體管Q3和Q4中的損耗。開(kāi)關(guān)Q5根據(jù)PWM控制器(未示出)生成的控制信號(hào)接通和關(guān)斷。使用同步整流和同步續(xù)流使電路適合用于更高電流電平。開(kāi)關(guān)裝置的控制優(yōu)選在二次側(cè)執(zhí)行，但一次側(cè)控制也是可能的。所述實(shí)施例中的開(kāi)關(guān)可以兩種不同的方式控制，即，經(jīng)下述方式提供續(xù)流
1.變壓器二次112和開(kāi)關(guān)裝置Q5兩者，或者
2.僅開(kāi)關(guān)裝置Q5。第四實(shí)施例中控制晶體管Q1-Q5的開(kāi)關(guān)的這些備選方式在圖9A和9B的時(shí)序圖中示出。圖9A示出時(shí)序圖，根據(jù)時(shí)序圖，允許續(xù)流在變壓器110的二次繞組112和開(kāi)關(guān)裝置Q5中均發(fā)生。這通過(guò)在續(xù)流期間(DT〈 t〈 T)和(T+DT < t < 2T)內(nèi)接通晶體管Q3、Q4和Q5而有可能實(shí)現(xiàn)。在變壓器二次112與開(kāi)關(guān)裝置Q5兩者中的續(xù)流產(chǎn)生了用于續(xù)流電流的最低可能電阻及因此最佳可能功率效率。此時(shí)序圖要求不那么準(zhǔn)確的定時(shí)，在同步整流開(kāi)關(guān)裝置Q3和Q4與續(xù)流開(kāi)關(guān)裝置Q5的開(kāi)關(guān)之間帶有死區(qū)時(shí)間。然而，如果變壓器110是在SMPS中的熱點(diǎn)，則可能優(yōu)選的是使用圖9B所示的時(shí)序圖，僅經(jīng)Q5實(shí)現(xiàn)續(xù)流。在此定時(shí)序列中，Q3和Q4在續(xù)流期間內(nèi)均關(guān)斷，而Q5接通。由于圖9B的方案中要求續(xù)流電流流過(guò)Q5 (并且不流過(guò)Q3和Q4)，因此，所示定時(shí)序列要求死區(qū)時(shí)間的更準(zhǔn)確處理，以便不降低SMPS的功率效率。術(shù)語(yǔ)“死區(qū)時(shí)間”在本文中使用時(shí)指在例如t=DT的Q3關(guān)斷與之后很快的Q5接通之間(通常極短)的時(shí)間間隔(未示出)，其是防止二次側(cè)電路中交叉?zhèn)鲗?dǎo)所必需的。[實(shí)施例5]
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的隔離SMPS 800，其與圖4A所示背景示例的不同之處在于具有在二次側(cè)電路中提供的晶體管Q5形式的開(kāi)關(guān)裝置。晶體管Q5可以例如是P-MOSFET或N-MOSFET或IGBT形式的場(chǎng)效晶體管，并且跨包括二極管D1’到D4’的整流網(wǎng)絡(luò)的輸出連接。在其它方面，該SMPS與上面參照?qǐng)D4A所述背景示例的SMPS相同，并且其操作的常規(guī)方面的描述因此將不在此處重復(fù)。要注意的是，所述實(shí)施例的SMPS是硬開(kāi)關(guān)的。換而言之，與零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)和零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)不同，在所述實(shí)施例中每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置中開(kāi)關(guān)時(shí)刻的出現(xiàn)而與裝置中的電流或在其上的電壓無(wú)關(guān)。晶體管Q5在二次側(cè)電路中連接在接地參考與整流網(wǎng)絡(luò)的輸出之間，以便在續(xù)流期間內(nèi)攜帶續(xù)流電流，由此降低整流網(wǎng)絡(luò)中(以及在較小程度上在變壓器二次繞組312中)的續(xù)流電流。換而言之，開(kāi)關(guān)裝置Q5通過(guò)在續(xù)流期間內(nèi)提供用于續(xù)流電流的平行的相對(duì)于低電阻傳導(dǎo)路徑，主要降低在整流電路中的損耗。圖11示出第五實(shí)施例的更有效變型，其中，將在全波整流橋中的兩個(gè)二極管(D2’和D4’)替代為晶體管開(kāi)關(guān)(Q6和Q7)。晶體管Q6和Q7中的每個(gè)晶體管可以是諸如P-MOSFET或N-MOSFET或IGBT等場(chǎng)效晶體管。由于在啟動(dòng)期間Q5關(guān)斷時(shí)兩個(gè)剩余二極管D1’和D3’防止SMPS吸收電流到接地，因此，良好的預(yù)偏置免疫未損壞。使用半同步整流避免了由于在完全同步整流中要求的高端開(kāi)關(guān)裝置驅(qū)動(dòng)器原因而與預(yù)偏置開(kāi)始和成本有關(guān)的問(wèn)題。[實(shí)驗(yàn)結(jié)果]
圖12示出用于帶有中心抽頭二次繞組的SMPS的不同輸入電壓值的功率損耗對(duì)負(fù)載電流的曲線圖，該SMPS使用同步整流和根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的開(kāi)關(guān)裝置。也示出了用于沒(méi)有開(kāi)關(guān)裝置的常規(guī)SMPS的曲線圖以便進(jìn)行比較。更具體地說(shuō)，帶有含同步整流的中心抽頭二次側(cè)變壓器的400 W全橋SMPS用作參考。轉(zhuǎn)換器具有36到75 V的輸入電壓范圍和12 V的輸出電壓。續(xù)流晶體管根據(jù)9A所示的定時(shí)來(lái)開(kāi)關(guān)。也就是說(shuō)，允許續(xù)流在開(kāi)裝置Q5和變壓器的二次繞組112中均發(fā)生。在圖12中，使用36 V和48 V的輸入電壓來(lái)比較功率損耗。在36 V的輸入電壓，帶有續(xù)流開(kāi)關(guān)裝置的電路在負(fù)載輕時(shí)顯示功率損耗的小幅增大，但在更大負(fù)載時(shí)，損耗十分相似。在48 V的輸入電壓，功率損耗在負(fù)載輕時(shí)顯示相同行為，但在比25A更大的負(fù)載時(shí)，續(xù)流裝置降低了功率損耗。因此，曲線圖展示了 SMPS輸入電壓是36 V時(shí)雖然開(kāi)關(guān)裝置Q5具有很小影響，但對(duì)于48 V的輸入電壓，特別是在輸出電流高于大約25 A時(shí)，它確實(shí)減小了 SMPS中的功率損耗。圖13示出如圖12類似的曲線圖，但此處對(duì)于53 V和75 V的輸入電壓比較功率損耗。在53 V的輸入電壓,在負(fù)載輕,功率損耗顯不與對(duì)于48 V的輸入電壓相同的行為，但在大于22 A的負(fù)載電流，開(kāi)關(guān)裝置Q5具有降低功率損耗的效應(yīng)。因此，效率增益由于開(kāi)關(guān)裝置Q5原因而變得明顯時(shí)所處的負(fù)載電流值隨著輸入電壓增大而減小。在75 V的輸入電壓，功率損耗的降低在7 A的負(fù)載時(shí)已經(jīng)明顯，并且觀察到功率損耗降低隨著負(fù)載的增大而增大。為將這些數(shù)值轉(zhuǎn)入可行上下文中，現(xiàn)在參照?qǐng)D14，圖14示出兩個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的熱像儀圖片，一個(gè)轉(zhuǎn)換器帶有續(xù)流開(kāi)裝置Q5，一個(gè)轉(zhuǎn)換器未帶有續(xù)流開(kāi)裝置Q5。在兩種情況中，輸入電壓設(shè)在75 V，并且負(fù)載電流在10 A0圖14顯示帶有開(kāi)關(guān)裝置Q5的電源的變壓器(A)具有比在常規(guī)電源的變壓器(B)上熱點(diǎn)(在120. 1°C)溫度低不止5°C的熱點(diǎn)(在114. 6°C)。此操作溫度大小的差別在電源的冷卻系統(tǒng)中產(chǎn)生了相當(dāng)大的節(jié)能。[修改和變化]
對(duì)上述實(shí)施例能夠進(jìn)行許多修改和變化。例如，開(kāi)關(guān)裝置Q5能夠自行驅(qū)動(dòng)而不是如上所述直接由PWM控制器驅(qū)動(dòng)。雖然上述實(shí)施例在一次側(cè)采用半橋配置，但備選可使用其它熟知拓?fù)洹＠纾瑤в兴膫€(gè)晶體管的全橋配置可更適合用于更高功率應(yīng)用。備選，能夠使用推拉布置。
鑒于圖12和13中所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將優(yōu)選的是將由控制器控制開(kāi)關(guān)裝置Q5，使得僅在將降低功率損耗的環(huán)境中使用該裝置即，輸入電壓測(cè)量裝置測(cè)量的SMPS的輸入電壓高于某個(gè)閾值時(shí)和/或輸出電流測(cè)量裝置測(cè)量的負(fù)載電流高于某個(gè)閾值時(shí)。當(dāng)然，將需要使用標(biāo)準(zhǔn)功率損耗測(cè)量技術(shù)，為關(guān)注的特定SMPS確定閾值。
權(quán)利要求
1.一種隔離開(kāi)關(guān)模式電源，包括 變壓器(110)，包括一次繞組(111)和二次繞組(112)，所述二次繞組(112)具有在其第一部分(112a)與第二部分(112b)之間提供的中心抽頭(113)； 一次側(cè)電路(Cl，C2，Ql, Q2)，布置成生成電壓脈沖并由此驅(qū)動(dòng)所述變壓器(110)的一次繞組(111);以及二次側(cè)電路，包括 連接到所述二次繞組(112)的整流網(wǎng)絡(luò)(Dl，D2 ；Q3, Q4)，所述整流網(wǎng)絡(luò)和所述變壓器經(jīng)布置，使得在所述一次側(cè)電路(Cl，C2，Q1，Q2)不驅(qū)動(dòng)所述一次繞組(111)的所述開(kāi)關(guān)模式電源的操作的續(xù)流期間內(nèi)，在所述繞組的第一與第二部分之間來(lái)自所述繞組的第一部分(112a)的磁通量實(shí)質(zhì)上對(duì)消了來(lái)自所述繞組的第二部分(112b)的磁通量；以及 開(kāi)關(guān)裝置(D5 ;Q5)，連接到所述中心抽頭(113)和所述整流網(wǎng)絡(luò)(Dl，D2 ；Q3, Q4)的輸出，以便在所述續(xù)流期間內(nèi)傳導(dǎo)在所述二次側(cè)電路中流動(dòng)的續(xù)流電流的至少一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述開(kāi)關(guān)裝置是二極管(D5)。
3.如權(quán)利要求1所述的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述開(kāi)關(guān)裝置是晶體管(Q5)。
4.如權(quán)利要求1到3任一項(xiàng)所述的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述整流網(wǎng)絡(luò)包括 第一二極管(Dl)，連接到所述二次側(cè)繞組(112)的第一端；以及 第二二極管(D2)，連接到所述第一二極管(Dl)和與所述第一端相對(duì)的所述二次繞組(112)的第二端。
5.如權(quán)利要求1到3任一項(xiàng)所述的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述整流網(wǎng)絡(luò)包括 第一晶體管(Q3)，連接到所述二次側(cè)繞組(112)的第一端；以及 第二晶體管(Q4)，連接到所述第一晶體管(Q3)和與所述第一端相對(duì)的所述二次繞組(112)的第二端。
6.如權(quán)利要求5所述的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述第一和第二晶體管(Q3;Q4)中的每個(gè)晶體管的端子接地。
7.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，還包括布置成控制所述第一和第二晶體管(Q3 ;Q4)的通/斷狀態(tài)使得在所述續(xù)流期間內(nèi)接通所述兩個(gè)晶體管的控制器。
8.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，還包括布置成控制所述第一和第二晶體管(Q3 ;Q4)的通/斷狀態(tài)使得在所述續(xù)流期間內(nèi)關(guān)斷所述兩個(gè)晶體管的控制器。
9.一種硬開(kāi)關(guān)的隔離開(kāi)關(guān)模式電源，包括 變壓器(310)，包括一次繞組(311)和二次繞組(312)； 一次側(cè)電路(Cl，C2，Ql, Q2)，布置成生成電壓脈沖并由此驅(qū)動(dòng)所述變壓器的一次繞組(311);以及 二次側(cè)電路，包括 連接到所述二次側(cè)繞組(312)的整流網(wǎng)絡(luò)(D1’到D4’ );以及 開(kāi)關(guān)裝置(D5 ;Q5)，布置成在所述一次側(cè)電路(Cl，C2，Ql, Q2)不驅(qū)動(dòng)所述一次繞組(311)的所述電源的操作的續(xù)流期間內(nèi)，與所述整流網(wǎng)絡(luò)(D1’到D4’ ；D1’，D3’，Q6，Q7)平行傳導(dǎo)在所述電源的二次側(cè)電路中流動(dòng)的續(xù)流電流。
10.如權(quán)利要求9所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述開(kāi)關(guān)裝置是二極管(D5)。
11.如權(quán)利要求9所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述開(kāi)關(guān)裝置是晶體管(Q5)。
12.如權(quán)利要求9、10或11任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述整流網(wǎng)絡(luò)包括在全橋整流器配置中連接到所述二次繞組(312)的四個(gè)晶體管(D1’到D4’)。
13.如權(quán)利要求9、10或11任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模式電源，其中所述整流網(wǎng)絡(luò)包括在全橋整流器配置中連接到所述二次繞組(312)的兩個(gè)二極管(Dl’，D3’)和兩個(gè)晶體管(Q6，Q7)，其中所述二極管(Dl’，D3’)經(jīng)布置以便防止在關(guān)斷所述開(kāi)關(guān)裝置時(shí)所述電源的二次側(cè)吸收電流。
14.如前面權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)模式電源，還包括 輸入電壓測(cè)量單元，布置成測(cè)量到所述開(kāi)關(guān)模式電源的輸入電壓； 輸出電流測(cè)量單元，布置成測(cè)量所述開(kāi)關(guān)模式電源輸出的電流；以及 控制單元，布置成允許所述開(kāi)關(guān)裝置(D5 ；Q5)僅以下時(shí)候開(kāi)關(guān)在所述輸入電壓測(cè)量單元測(cè)量的輸入電壓超過(guò)電壓閾值時(shí)，或者在所述輸出電流測(cè)量單元測(cè)量的輸出電流超過(guò)電流閾值時(shí)，或者在所述測(cè)量的輸入電壓超過(guò)所述電壓閾值并且所述測(cè)量的輸出電流超過(guò)所述電流閾值時(shí)。
全文摘要
一種隔離開(kāi)關(guān)模式電源，包括包括一次繞組和二次繞組的變壓器，所述二次繞組具有在其第一部分與第二部分之間提供的中心抽頭；一次側(cè)電路，布置成生成電壓脈沖并且由此驅(qū)動(dòng)變壓器的一次繞組；以及二次側(cè)電路。二次側(cè)電路包括連接到二次繞組的整流網(wǎng)絡(luò)，整流網(wǎng)絡(luò)和變壓器經(jīng)布置，使得在一次側(cè)電路不驅(qū)動(dòng)一次繞組的開(kāi)關(guān)模式電源的操作的續(xù)流期間內(nèi)，在繞組的第一與第二部分之間來(lái)自繞組的第一部分的磁通量實(shí)質(zhì)上對(duì)消了來(lái)自繞組的第二部分的磁通量。二次側(cè)電路還包括開(kāi)關(guān)裝置，開(kāi)關(guān)裝置連接到中心抽頭和整流網(wǎng)絡(luò)的輸出以便在所述續(xù)流期間內(nèi)傳導(dǎo)在二次側(cè)中流動(dòng)的續(xù)流電流的至少一部分。
文檔編號(hào)H02M3/335GK103069705SQ201080068888
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者M.卡爾森, J.馬爾姆伯格, O.佩斯森 申請(qǐng)人:瑞典愛(ài)立信有限公司