具有隔離驅(qū)動(dòng)電路的集成磁性元件的制作方法
【專利摘要】開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器包括功率隔離變壓器（T10）和驅(qū)動(dòng)變壓器（T20），具有其共同被纏繞在具有中心分支和外部分支的磁芯上的各種繞組。功率變壓器的初級(jí)繞組和一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組被纏繞在中心分支上，以及驅(qū)動(dòng)變壓器的第一和第二繞組被纏繞在外部分支上。初級(jí)控制電路控制一個(gè)或多個(gè)初級(jí)開關(guān)來將輸入電壓提供給初級(jí)繞組。次級(jí)控制電路控制次級(jí)繞組和負(fù)載之間連接的次級(jí)開關(guān)。另一控制電路至少部分基于反饋信號(hào)來控制初級(jí)和次級(jí)控制電路的操作。驅(qū)動(dòng)變壓器繞組被進(jìn)一步配置為提供初級(jí)控制電路和同步整流器控制電路之間的隔離。
【專利說明】具有隔離驅(qū)動(dòng)電路的集成磁性元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器。更具體而言，本發(fā)明涉及用于提供被集成到功率變壓器或功率電感器中的隔離驅(qū)動(dòng)電路的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器通常使用電感器、變壓器、電容器或其一些組合，作為儲(chǔ)能元件來以離散脈沖將能量從輸入源傳送到輸出負(fù)載。添加額外電路以在電路的負(fù)載限制內(nèi)維持恒定電壓或恒定電流。使用變壓器允許將輸出與輸入源電隔離。
[0003]對于DC/DC電源設(shè)計(jì)人員來說，行業(yè)中的新挑戰(zhàn)要求更高的效率和功率密度。這已導(dǎo)致同步整流器的使用，同步整流器通過用M0SFET裝置替代輸出中的整流二極管來實(shí)現(xiàn)。
[0004]在各種轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用自驅(qū)同步整流器因?yàn)槠浜唵涡远哂形Σ⑶伊餍?。這主要是由于缺少對于用于輸入側(cè)開關(guān)和同步整流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間額外隔離的需求。然而，簡單性具有其缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)包括:(a)同步整流器和初級(jí)側(cè)開關(guān)之間的交叉?zhèn)鲗?dǎo)；(b)得自于功率變壓器的驅(qū)動(dòng)電壓，隨輸入電壓中的變化而變化并因而需要額外的鉗位電路，并導(dǎo)致額外的損耗；以及(c)驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的定時(shí)很大程度上取決于電路寄生。
[0005]一個(gè)解決方案是使用直接驅(qū)動(dòng)用于同步整流器，其在用于初級(jí)開關(guān)(輸入側(cè))和同步整流器(輸出側(cè))的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間具有良好控制的定時(shí)。因而此解決方案允許同步整流器甚至在高開關(guān)頻率下的有效操作。直接驅(qū)動(dòng)的同步整流器的再一個(gè)好處是，驅(qū)動(dòng)電壓(柵極到源級(jí))是恒定的且不依 賴輸入電壓，在寬輸入電壓范圍上進(jìn)一步提高了效率。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中已提出了各種隔離驅(qū)動(dòng)電路。用于提供隔離的最常見的技術(shù)是使用驅(qū)動(dòng)變壓器。已提出了使用驅(qū)動(dòng)變壓器的各種解決方案，所有這些都需要用于驅(qū)動(dòng)變壓器的單獨(dú)的磁芯。
[0007]由5^^(1幻_0在編號(hào)5，907，481的美國專利中提出了一種解決方案，其中PWM信號(hào)被饋送到用于初級(jí)側(cè)開關(guān)的開關(guān)控制電路中，并被饋送到驅(qū)動(dòng)變壓器中，其中其輸出為同步整流器饋送開關(guān)控制電路。此解決方案的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)變壓器僅將PWM信號(hào)從轉(zhuǎn)換器的一側(cè)傳送到另一側(cè)，并需要額外的開關(guān)控制電路以及用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)的功率源。
[0008]編號(hào)6，804, 125和7，102, 898的美國專利中，Brkovic提出了一種改進(jìn)的隔離驅(qū)動(dòng)電路，其使用向初級(jí)開關(guān)和同步整流器提供功率和適當(dāng)延遲的驅(qū)動(dòng)變壓器。該電路利用驅(qū)動(dòng)變壓器繞組的漏電感以及初級(jí)開關(guān)(M0SFET)的輸入電容來提供必要的延遲。此電路進(jìn)一步公開了根據(jù)甚至具有位于輸出側(cè)上的控制和反饋電路的次級(jí)側(cè)上所感測的條件禁用或啟用初級(jí)繞組的裝置。
[0009]圖1中示出 了現(xiàn)有技術(shù)的隔離式DC至DC轉(zhuǎn)換器，其采用了具有半橋式初級(jí)電路和采用同步整流器^和^的全波次級(jí)電路的雙端DC至DC轉(zhuǎn)換器。圖1中的電路包括開關(guān)Qi和Q2 (也稱作初級(jí)可控功率開關(guān))、電容器q和C2、功率隔離變壓器1\、同步整流器Si和S2、輸出電感器L以及電容器Q。利用濾波電容器Q和C2分割輸入電壓VIN。變壓器?\的初級(jí)繞組Np的一端被連接到電容器Q和C2的共同節(jié)點(diǎn)，而第二端被連接到開關(guān)Qi和Q2的共同節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)次級(jí)繞組NS1和NS2在共同節(jié)點(diǎn)CT處被中心分接。共同節(jié)點(diǎn)CT被連接到包括跨越轉(zhuǎn)換器和負(fù)載的輸出所連接的電感器U和電容器Q的低通輸出濾波器。繞組NS1的第二端被連接到同步整流器S”而繞組NS2的第二端被連接到同步整流器S2。選擇變壓器?\繞組的極性，使得當(dāng)開關(guān)Qi接通時(shí)，同步整流器Si接通且S2斷開。相反，當(dāng)開關(guān)Q2接通，同步整流器Si斷開且S2接通。初級(jí)開關(guān)％和Q2被例示為MOSFET (目前常用的)，但也可被實(shí)現(xiàn)為IGBT或其他可控開關(guān)。
[0010]輸出電壓VQUT被饋送到產(chǎn)生具有180度相移的兩個(gè)輸出信號(hào)0UTA和0UTB的控制電路(CONTROL CIRCUIT)中，該兩個(gè)輸出信號(hào)被饋送到產(chǎn)生分別用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)％、Q2、Si和S2的四個(gè)信號(hào)GQ^GQ^GSi和GS2的開關(guān)控制電路(SWITCH CONTROL CIRCUIT)中。
[0011]示范圖1中所示轉(zhuǎn)換器中的電路操作的突出波形在圖2中被圖示。為了簡化解釋，假定所有電壓波形(0UTA和0UTB除外)具有有限的上升和下降時(shí)間，且所有開關(guān)具有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓幅度的二分之一處的閾值電壓。而且，為了解釋的目的，上升和下降時(shí)間相對于開關(guān)周期Ts被夸大。
[0012]在圖2的波形中:
tdl表示斷開同步整流器S2和接通開關(guān)Qi之間的時(shí)間間隔。
[0013]td2表示斷開開關(guān)Qi和接通同步整流器S2之間的時(shí)間間隔。
[0014]td3表示斷開同步整流器Si和接通開關(guān)％之間的時(shí)間間隔。實(shí)踐中，通常tdl~td3。
[0015]td4表示斷開開關(guān)Q2和接通同步整流器間的時(shí)間間隔。實(shí)踐中，通常td2~td4。
[0016]ta表示Vei從0到開關(guān)Qi的閾值電壓的上升時(shí)間。這同樣是電壓VG1非零且為正，同時(shí)電壓Vp仍為0的時(shí)間。
[0017]tb表示Vei從驅(qū)動(dòng)電壓到開關(guān)％的閾值電壓的下降時(shí)間。這同樣是電壓Vei非零且為正，同時(shí)電壓vp非零且仍為正(Vin/2)的時(shí)間。
[0018]td表示Ve2從驅(qū)動(dòng)電壓到開關(guān)Q2的閾值電壓的上升時(shí)間。這同樣是電壓Ve2非零且為正，同時(shí)電壓vp仍為0的時(shí)間。
[0019]td表示Ve2從驅(qū)動(dòng)電壓到開關(guān)Q2的閾值電壓的下降時(shí)間。這同樣是電壓Ve2非零且為正，同時(shí)電壓vp非零且為負(fù)(_Vin/2 )的時(shí)間。
[0020]tp表示Qi接通、電壓Vp為正(Vin/2)、電壓VS2為正、同時(shí)S2斷開的時(shí)間。
[0021]tn表示Q2接通、電壓Vp為負(fù)(_ VIN/2)、電壓VS1為正、同時(shí)Si斷開的時(shí)間。
[0022]Ts表示轉(zhuǎn)換器的開關(guān)周期。
[0023]D表示邏輯信號(hào)0UTA和0UTB的占空比，且被定義為半個(gè)開關(guān)周期Ts的一部分，在此期間信號(hào)0UTA和0UTB為邏輯高。0UTA和0UTB被相移了 180°，且決不會(huì)同時(shí)處于邏輯聞。
[0024]在t=0處，信號(hào)0UTA變?yōu)楦?，同時(shí)信號(hào)0UTB為低。在同一時(shí)刻，電壓Ves2開始下降，且當(dāng)其降為0時(shí)，電壓Vei開始上升。在時(shí)間ta之后，電壓Vei達(dá)到Qi的閾值電壓，且Qi被接通。在該時(shí)刻，電壓VP開始上升到其正值Vin/2。注意，在時(shí)間ta期間，電壓VP仍然為0(被在相反方向上在次級(jí)繞組NS1和NS2 二者中流動(dòng)的輸出電感器電流短路)。在時(shí)間tp期間，將功率通過開關(guān)Q1、初級(jí)繞組NP、次級(jí)繞組NS1、同步整流器Si和輸出電感器U，從轉(zhuǎn)換器的輸入vIN傳送到輸出vQUT。[0025]在t=DTs/2處，信號(hào)0UTA變?yōu)榱?邏輯低)，信號(hào)0UTB仍為低，電壓Vei開始下降，并且在時(shí)間tb后，達(dá)到開關(guān)Qi的斷開閾值，且Qi被斷開。一旦電壓Vei達(dá)到0，電壓Ves2增加，并且在時(shí)間td2后，同步整流器S2在零電壓VS2下被接通。注意，在時(shí)間tb期間，電壓Vei一直下降，同時(shí)電壓\處于Vin/2。在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，電壓在Vin/2下保持為正，直到Vei下降到零。在時(shí)間tx期間，輸出電感器電流在兩個(gè)次級(jí)繞組和導(dǎo)通同步整流器Si和S2之間被分割，引起跨越變壓器T2的所有繞組的接近零的電壓。
[0026]在t=Ts/2處，信號(hào)0UTB變?yōu)楦?，同時(shí)信號(hào)0UTA為低。在同一時(shí)刻，電壓Vesi開始下降，且當(dāng)其降為0時(shí)，電壓ve2開始上升。在時(shí)間t。之后，電壓ve2達(dá)到q2的閾值電壓，且Q2被接通。在該時(shí)刻，電壓vp開始下降到其負(fù)值Vin/2。注意，在時(shí)間t。期間，電壓Vp仍然為0(被在相反方向上在次級(jí)繞組NS1和NS2 二者中流動(dòng)的輸出電感器電流短路)。在時(shí)間tn期間，將功率通過開關(guān)Q2、初級(jí)繞組Np、次級(jí)繞組NS2、同步整流器S2和輸出電感器U，從轉(zhuǎn)換器的輸入傳送到輸出。
[0027]在t=Ts/2+DTs/2處，信號(hào)0UTB變?yōu)榱?邏輯低)，信號(hào)0UTA仍為低，電壓Ve2開始下降，并且在時(shí)間td后，達(dá)到開關(guān)q2的斷開閾值，且q2被斷開。一旦電壓Ve2達(dá)到0，電壓vesi增加，并且在時(shí)間td4后，同步整流器Si在零電壓VS1下被接通。注意，在時(shí)間td期間，電壓VG2 一直下降，同時(shí)電壓Vp處于-Vin/2。在實(shí)際的實(shí)現(xiàn)中，電壓在_Vin/2下保持為負(fù)，直到Ve2下降到零。在時(shí)間ty期間(通常tx=ty)，輸出電感器電流在兩個(gè)次級(jí)繞組和導(dǎo)通同步整流器Si和s2之間被分割，引起跨越變壓器τ2的所有繞組的接近零的電壓。
[0028]如現(xiàn)在對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的那樣，在初級(jí)開關(guān)Qi和Q2的接通期間(圖2中分別為時(shí)間間隔tx和ty)，功率隔離變壓器?\的繞組被短路。相反地，初級(jí)開關(guān)Qi和Q2的斷開期間(圖2中分別為時(shí)間間隔tb和td)，功率隔離變壓器?\的繞組不被短路。這是防止使用功率變 壓器1\上的繞組來控制接通和斷開初級(jí)開關(guān)的轉(zhuǎn)變的主要的原因。通過初級(jí)開關(guān)的接通和斷開來控制電壓Vp。因而，跨越變壓器?\的繞組ΝΡ2的電壓VP中的變化發(fā)生在初級(jí)開關(guān)被接通和斷開之后。因此，有必要具有一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)初級(jí)開關(guān)的單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)變壓器。
[0029]圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)的半橋式轉(zhuǎn)換器，其具有驅(qū)動(dòng)變壓器T2，初級(jí)開關(guān)Qp Q2，以及同步整流器控制電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方式。圖4中所示出的現(xiàn)有技術(shù)電路的詳細(xì)描述在Brkovic的US 7，102，898 B2中被描述。驅(qū)動(dòng)變壓器T2被實(shí)現(xiàn)為具有集成在PCB中的繞組的單獨(dú)元件。此實(shí)現(xiàn)方式與利用繞組纏繞磁芯的解決方案相比具有優(yōu)勢，因?yàn)槠涮峁┝烁玫目芍貜?fù)性和對驅(qū)動(dòng)變壓器的漏電感和電容的控制。因而，實(shí)現(xiàn)了用于初級(jí)開關(guān)和同步整流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間所需時(shí)序的更好的控制。
[0030]即使圖4的電路在需要高功率密度和小尺寸的應(yīng)用中具有優(yōu)勢，減少驅(qū)動(dòng)變壓器丁2的尺寸的唯一方法是增加開關(guān)頻率。這對轉(zhuǎn)換器的總效率具有負(fù)面影響。在對于給定尺寸要求轉(zhuǎn)換器的極高效率的應(yīng)用中，需要在較低開關(guān)頻率下操作，這增加了功率變壓器和輸出電感器的尺寸。這在電路板上沒有留下空間用于單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)變壓器或沒有用于隔離轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的任何其他解決方案，諸如快速光電耦合器或光電隔離器。
[0031]因此，所需要的是消除用于提供對轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出側(cè)之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離的單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)變壓器或其他部件的使用的新解決方案。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0032]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組被嵌入到功率變壓器或電感器中，使得對于驅(qū)動(dòng)變壓器來說，不需要單獨(dú)的磁芯。驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組圍繞E形芯的外部支線(leg)進(jìn)行纏繞，而功率變壓器或電感器的繞組圍繞中心支線纏繞。這樣的繞組結(jié)構(gòu)被用來保持驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組的緊密耦合，且同時(shí)與功率變壓器或電感器的繞組松散耦合。由于松散耦合，有可能在沒有用于驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)變壓器的電路中的顯著的電壓和電流應(yīng)力的情況下在足以啟動(dòng)可控開關(guān)的接通或斷開的短時(shí)間段內(nèi)，在驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組和功率變壓器或電感器的繞組中具有不同的電壓波形。驅(qū)動(dòng)變壓器中所使用的繞組數(shù)取決于應(yīng)用以及轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)變壓器所能支持的最大伏-秒由功率變壓器或電感器所限定。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于在初始接通或斷開之后驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)的功率是從功率變壓器或電感器提供的。
[0034]本發(fā)明的另一方面是驅(qū)動(dòng)電壓可被箝位，以便不依賴于輸入電壓中的變化。箝位的能量被用來在轉(zhuǎn)換器的初始啟動(dòng)之后對控制和驅(qū)動(dòng)電路供電，因而在轉(zhuǎn)換器的正常操作期間簡化了偏置電路并降低了功率要求。
[0035]在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組圍繞功率變壓器或電感器的磁芯的中心和外部支線二者進(jìn)行纏繞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是使用具有參考轉(zhuǎn)換 器的輸出側(cè)的控制和驅(qū)動(dòng)電路的半橋式轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動(dòng)變壓器的現(xiàn)有技術(shù)電路的示意圖。
[0037]圖2是表示得自于圖1的現(xiàn)有技術(shù)電路中的若干節(jié)點(diǎn)的突出波形的圖形示圖。
[0038]圖3是圖1中所示出的現(xiàn)有技術(shù)電路的一個(gè)實(shí)施例，其中驅(qū)動(dòng)變壓器被用來將控制電路CC的輸出傳送到初級(jí)開關(guān)控制電路PSC。
[0039]圖4圖示了圖1的現(xiàn)有技術(shù)電路的另一實(shí)施例，其中驅(qū)動(dòng)變壓器T2被用來直接驅(qū)動(dòng)初級(jí)側(cè)開關(guān)，并提供用于初級(jí)開關(guān)和同步整流器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的所需時(shí)序。
[0040]圖5是根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其具有與功率隔離變壓器相集成的驅(qū)動(dòng)變壓器。
[0041]圖6是如可被用于圖4的轉(zhuǎn)換器電路中的現(xiàn)有技術(shù)功率變壓器?\的斜視圖。
[0042]圖7是如可被用于圖4的轉(zhuǎn)換器電路中的現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)變壓器Τ2的斜視圖。
[0043]圖8是如可被用于圖5的轉(zhuǎn)換器電路中的變壓器Τ3的斜視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的功率變壓器和驅(qū)動(dòng)變壓器在同一磁芯上的繞組的集成。
[0044]圖9是如可被用于圖15的轉(zhuǎn)換器電路中的變壓器Τ12的斜視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的功率變壓器和驅(qū)動(dòng)變壓器在同一磁芯上的繞組的集成。
[0045]圖10是根據(jù)本發(fā)明的具有集成在一個(gè)磁芯上的功率變壓器和驅(qū)動(dòng)變壓器的有源箝位正向轉(zhuǎn)換器的示意圖，其中控制電路位于轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)上。
[0046]圖11是根據(jù)本發(fā)明的具有集成在一個(gè)磁芯上的功率變壓器和驅(qū)動(dòng)變壓器的有源箝位正向轉(zhuǎn)換器的不意圖，其中控制電路位于轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)上。
[0047]圖12是根據(jù)本發(fā)明的具有被集成在一個(gè)磁芯上的輸出電感器(L22)和驅(qū)動(dòng)變壓器的有源箝位轉(zhuǎn)換器的示意圖，其中控制電路位于轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)上。
[0048]圖13是根據(jù)本發(fā)明的具有被集成在一個(gè)磁芯上的輸出電感器(L22)和驅(qū)動(dòng)變壓器的有源箝位轉(zhuǎn)換器的示意圖，其中控制電路位于轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)上。
[0049]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的如可被用于圖12和13中所示有源箝位轉(zhuǎn)換器中的集成輸出電感器和驅(qū)動(dòng)變壓器的一個(gè)實(shí)施例的斜視圖。
[0050]圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的圖3的功率轉(zhuǎn)換器電路但是具有集成到單個(gè)變壓器Τ12中的功率隔離變壓器和驅(qū)動(dòng)變壓器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】 [0051]在整個(gè)說明書和權(quán)利要求書中，除非上下文另有指示，否則下列術(shù)語至少采取這里所明確關(guān)聯(lián)的含義。下面標(biāo)識(shí)的含義并不一定限制該術(shù)語，而僅僅是提供了用于該術(shù)語的說明性的示例。“一”、“一個(gè)”、和“該”的含義可包括復(fù)數(shù)引用，而“在……中”的含義可包括“在……中”和“在……上”。如本文中使用的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”并不一定指的是相同的實(shí)施例，雖然可能是這樣。
[0052]術(shù)語“耦合”意指至少連接項(xiàng)之間的直接電氣連接或通過一個(gè)或多個(gè)無源或有源中間裝置的間接連接中的任一。
[0053]術(shù)語“開關(guān)元件”和“開關(guān)”可被可互換地使用，且在本文中可至少指的是:如本領(lǐng)域已知的各種晶體管(包括但不限于FET、BJT、IGBT、JFET等)、開關(guān)二極管、可控硅整流器(SCR)、交流二極管(DIAC)、交流三極管(TRIAC)、機(jī)械單刀/雙刀開關(guān)(SPDT)、或電、固態(tài)或簧片繼電器。在可采用場效應(yīng)晶體管(FET)或雙極結(jié)型晶體管(BJT)任一作為晶體管的實(shí)施例的情況下，術(shù)語“柵極”、“漏極”和“源極”的范圍分別包括“基極”、“集電極”和“發(fā)射極”，反之亦然。
[0054]除非相對于特定元件另外定義，否則術(shù)語“功率轉(zhuǎn)換器”和“轉(zhuǎn)換器”在本文中可以被可互換使用，且參考至少DC-DC、DC-AC、AC-DC、降壓、降壓-升壓、升壓、半橋、全橋、H-橋或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他各種形式的功率轉(zhuǎn)換或反轉(zhuǎn)。
[0055]諸如“提供”、“處理”、“供應(yīng)”、“確定”、“計(jì)算”等的術(shù)語可至少指的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、
計(jì)算機(jī)程序、信號(hào)處理器、邏輯或替代的模擬或數(shù)字電子裝置的動(dòng)作，其可以是表示為物理量的信號(hào)的變形，無論是自動(dòng)還是手動(dòng)啟動(dòng)的。
[0056]如本文中所使用的術(shù)語“控制電路”或“控制器”可至少指的是通用微處理器、專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微控制器，現(xiàn)場可編程門陣列、或如本領(lǐng)域已知分立電路的各種替代塊，其被設(shè)計(jì)或以其他方式編程來執(zhí)行或指示如本文中進(jìn)一步限定的功能的性能。在通用處理器的情境中，可被理解的是，這樣的組件包括或以其他方式被功能性鏈接到非瞬時(shí)機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)具有駐留在其中的程序指令且該程序指令可執(zhí)行來執(zhí)行或指示某些定義功能的性能。
[0057]一般參考圖5和8-15，這里可描述根據(jù)本發(fā)明的具有集成磁性結(jié)構(gòu)的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的各種實(shí)施例。在各個(gè)附圖可描述與其他實(shí)施例共享各種共同元件和特征的實(shí)施例的情況下，類似元件和特征被給予相同的附圖標(biāo)記，并且下面可省略其冗余描述。
[0058]參考圖5，示出了與半橋式轉(zhuǎn)換器一起使用且部分地從如圖4中所表示的設(shè)計(jì)所開發(fā)的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。圖5和圖4中所示電路之間的重要差別是驅(qū)動(dòng)變壓器T2的實(shí)現(xiàn)方式。為了更好地理解，圖6中示出了如圖4的電路中所使用的現(xiàn)有技術(shù)功率變壓器?\的斜視圖?，F(xiàn)有技術(shù)功率變壓器通常利用具有一個(gè)中心分支和兩個(gè)外部分支的磁芯所實(shí)現(xiàn)。初級(jí)繞組Νρ圍繞磁芯的中心分支纏繞，如同中心分接的次級(jí)繞組NS1和NS2。由繞組初級(jí)Np中的電流流動(dòng)所感應(yīng)的磁通，通過磁芯的兩個(gè)外部分支進(jìn)行循環(huán)，在繞組NS1和NS2中感應(yīng)電壓。
[0059]圖7中示出了如圖4的電路中所使用的現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)變壓器T2的斜視圖，其具有類似于圖6中所示出的功率變壓器!\的構(gòu)造。此現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)變壓器通常利用具有一個(gè)中心分支和兩個(gè)外部分支的磁芯所實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)變壓器的全部三個(gè)繞組ΝρΝ2和N3通常圍繞磁芯的中心分支纏繞，使得它們將被緊密耦合。
[0060]現(xiàn)在參考圖8，示出了根據(jù)本發(fā)明的集成磁性結(jié)構(gòu)的斜視圖。在本實(shí)施例中，示出了圖4的電路中所使用的功率變壓器?\和驅(qū)動(dòng)變壓器Τ2的繞組。功率變壓器?\的繞組以與如圖6中所示的相同方式圍繞磁芯的中心分支纏繞。然而，驅(qū)動(dòng)變壓器Τ2的所有繞組(如圖7中所示)圍繞磁芯的外部分支之一纏繞，因而保持了緊密耦合。纏繞在功率變壓器的磁芯的外部分支之一上的驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組由此與功率變壓器的繞組松散耦合。 [0061]由于松散的耦合，可能的是，在驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組上在短時(shí)間段內(nèi)具有與功率變壓器的繞組上的電壓波形不同的電壓波形，而不在驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生顯著的電壓或電流應(yīng)力。電壓波形可以不同的時(shí)間對于啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器(在某些實(shí)施例中其可以是同步整流器)的初級(jí)開關(guān)或/和次級(jí)開關(guān)的開關(guān)轉(zhuǎn)變(接通和斷開)是足夠長的。一旦開關(guān)轉(zhuǎn)變被啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組上的電壓波形將類似于功率變壓器的電壓波形，直到下一個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)變。
[0062]本發(fā)明可與其他功率轉(zhuǎn)換器實(shí)施例一起使用。例如，圖10示出了有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器，其中有源鉗位電路(開關(guān)Q11和電容器C11)被用來通過允許復(fù)位時(shí)段期間磁化電流在變壓器Τ1(ι的磁芯中循環(huán)，來將初級(jí)開關(guān)Q1(l的漏極至源極電壓鉗位到可接收水平。根據(jù)本發(fā)明使用集成變壓器T1(l，其具有纏繞在單個(gè)磁芯上的功率隔離變壓器繞組&(|411和驅(qū)動(dòng)變壓器繞組Ν12、Ν13，其使用在圖8中一般示出的繞組和磁芯布置。在圖10的實(shí)施例中，控制電路30被配置在轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)上?？刂齐娐?0功能性耦合到用于驅(qū)動(dòng)次級(jí)(例如同步整流器)開關(guān)Q20和Q21的整流器控制電路32和用于驅(qū)動(dòng)初級(jí)側(cè)開關(guān)Q10和有源箝位開關(guān)Q11的初級(jí)開關(guān)控制電路31。
[0063]在另一應(yīng)用中，圖11示出了具有類似于圖10中所示出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源箝位正向轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明，變壓器Τ1(ι具有纏繞在單個(gè)磁芯上的功率隔離變壓器繞組Ν10, Νη和驅(qū)動(dòng)變壓器繞組Ν14、Ν15，其使用圖8中一般所示出的繞組和磁芯布置。在該應(yīng)用中，控制電路30被配置在轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)上?？刂齐娐?0功能性耦合到用于驅(qū)動(dòng)同步整流器開關(guān)Q20和Q21的整流器控制電路32和用于驅(qū)動(dòng)初級(jí)側(cè)開關(guān)Q10和有源箝位開關(guān)Q11的初級(jí)開關(guān)控制電路31。
[0064]在又一個(gè)應(yīng)用中，圖12示出了與圖10和11中所示的那些類似的有源箝位轉(zhuǎn)換器，但是其具有功率隔離變壓器τ1(ι和單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)變壓器τ2(ι，其中輸出電感器l22和驅(qū)動(dòng)變壓器繞組N16和N17被集成在單個(gè)磁芯上。在該應(yīng)用中，控制電路30被配置在轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)上?？刂齐娐?0功能性耦合到用于驅(qū)動(dòng)同步整流器開關(guān)Q20和Q21的整流器控制電路32和用于驅(qū)動(dòng)初級(jí)側(cè)開關(guān)Q10和有源箝位開關(guān)Q11的初級(jí)開關(guān)控制電路31。反饋隔離電路33將輸出電壓Vo耦合到控制電路30。[0065]圖13圖示了本發(fā)明的另一個(gè)應(yīng)用，示出了具有功率隔離變壓器T1(l和單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)變壓器T21的有源鉗位轉(zhuǎn)換器，其中輸出電感器l22和驅(qū)動(dòng)變壓器繞組n18和n19被集成在單個(gè)磁芯上。在該應(yīng)用中，控制電路30被配置在轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)上?？刂齐娐?0功能性耦合到用于驅(qū)動(dòng)同步整流器開關(guān)Q20和Q21的整流器控制電路32和用于驅(qū)動(dòng)初級(jí)側(cè)開關(guān)Q10和有源箝位開關(guān)Q11的初級(jí)開關(guān)控制電路31。
[0066]圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的如可以被用于圖12和13中所示的有源箝位轉(zhuǎn)換器中的集成輸出電感器和驅(qū)動(dòng)變壓器的實(shí)施例。
[0067]圖15圖示了本發(fā)明的另一應(yīng)用，示出了圖3的轉(zhuǎn)換器電路，但是具有如圖9中所示的集成在變壓器T12的單個(gè)磁芯上的功率隔離變壓器初級(jí)繞組ΝΡ2、分割的次級(jí)繞組NS1、NS2、以及驅(qū)動(dòng)變壓器繞組100和101。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的其他方面，由于驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組相對于功率變壓器的繞組之間的松散耦合，轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電壓可被箝位成不依賴于輸入電壓。在其有益處的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)電壓還可被調(diào)整為輸入電壓的函數(shù)。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的其他方面，還可通過將間隙以如可以被本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的方式引入到磁芯的中心分支或外部分支來控制或增加經(jīng)由繞組輸送到控制/驅(qū)動(dòng)電路的能量。在很寬的輸入電壓范圍以及其中禁用同步整流器的轉(zhuǎn)換器的延長操作的情況下，可能需要中心分支中的小間隙。
[0070]在本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組可圍繞磁芯的中心分支和外部分支二者纏繞，在該情況下，用于可控開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓將更依賴于輸入電壓，且可被箝位的驅(qū)動(dòng)電壓的僅一部分跨越圍繞外部分支纏繞的繞組。
[0071]在另外的替代實(shí)施例中，本發(fā)明可被用于不同轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，包括半橋式(對稱、非對稱)、全橋式(對稱、非對稱)、推挽、正向轉(zhuǎn)換器(標(biāo)準(zhǔn)、有源鉗位、雙晶體管)、正向-反激式和本領(lǐng)域已知的許多其他類型。
[0072]—般來說，本發(fā)明可適用于所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中跨越功率變壓器或電感器的繞組的電壓與各種可控開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓基本上具有相同的波形。
[0073]為了說明和描述的目的，已經(jīng)提供了前面的詳細(xì)描述。因而，盡管已經(jīng)描述了新式且有用的“具有隔離驅(qū)動(dòng)電路的集成磁性元件”的本發(fā)明的特定實(shí)施例，但其并不意在這樣的引用被解釋為在本發(fā)明的范圍上的限制，除了如以下權(quán)利要求中所闡述的以外。
【權(quán)利要求】
1.一種開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，用于將來自輸入源的輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于向被稱合到轉(zhuǎn)換器負(fù)載端子的負(fù)載供應(yīng)的輸出電壓，所述功率轉(zhuǎn)換器包括: 功率隔離變壓器，進(jìn)一步包括具有中心分支和外部分支的磁芯，功率變壓器的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組被纏繞在所述中心分支上； 初級(jí)轉(zhuǎn)換器電路，包括有效用以將所述輸入電壓供應(yīng)給所述功率隔離變壓器的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)可控功率開關(guān)； 次級(jí)轉(zhuǎn)換器電路，其與所述初級(jí)轉(zhuǎn)換器電路完全隔離，并且包括可個(gè)別切換并被進(jìn)一步耦合在所述一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組和所述負(fù)載端子之間的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)開關(guān)； 初級(jí)開關(guān)控制電路，有效用以控制所述一個(gè)或多個(gè)初級(jí)可控功率開關(guān)的導(dǎo)通； 次級(jí)開關(guān)控制電路，有效用以控制所述一個(gè)或多個(gè)次級(jí)開關(guān)的導(dǎo)通； 控制電路，有效用以至少部分基于反饋信號(hào)來控制所述初級(jí)開關(guān)控制電路和所述次級(jí)開關(guān)控制電路的操作；以及 驅(qū)動(dòng)變壓器，至少包括被纏繞在所述磁芯的外部分支上的第一和第二驅(qū)動(dòng)變壓器繞組，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組被配置為提供用于控制所述初級(jí)和次級(jí)開關(guān)的功率，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組進(jìn)一步被配置為提供所述初級(jí)和次級(jí)控制電路之間的隔離。
2.如權(quán)利要求1的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，除在接通和斷開轉(zhuǎn)變期間外，跨越初級(jí)繞組的電壓具有與所述可控功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓類似形狀的電壓波形。
3.如權(quán)利要求2的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述磁芯包括具有中心分支和兩個(gè)外部分支的E形磁芯。
4.如權(quán)利要求3的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，包括: 用于每個(gè)初級(jí)可控功率開關(guān)的初級(jí)開關(guān)控制電路； 所述驅(qū)動(dòng)變壓器進(jìn)一步包括纏繞在所述磁芯的外部分支上的兩個(gè)或更多驅(qū)動(dòng)變壓器繞組，第一驅(qū)動(dòng)變壓器繞組被連接到所述控制電路，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)變壓器繞組被連接到初級(jí)開關(guān)控制電路以控制所述初級(jí)可控開關(guān)的操作，以及提供用于控制所述初級(jí)可控功率開關(guān)的功率， 所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組進(jìn)一步被配置為提供初級(jí)開關(guān)控制電路和同步整流器控制電路之間的隔離。
5.如權(quán)利要求2的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組在所述外部分支上與彼此緊密耦合，以及進(jìn)一步與所述功率變壓器的繞組松散耦合，其中，在足以啟動(dòng)被耦合到所述功率變壓器的所述可控開關(guān)的接通或斷開的短時(shí)間段內(nèi)，在所述驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組和所述功率變壓器的繞組中提供不同的電壓波形。
6.如權(quán)利要求5的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括有源箝位電路，有效用以箝位不依賴于所述輸入電壓的用于功率開關(guān)、控制電路和同步整流器的驅(qū)動(dòng)電壓。
7.如權(quán)利要求5的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動(dòng)變壓器繞組以分布式方式被纏繞在所述磁芯的外部分支和中心分支二者上。
8.如權(quán)利要求2的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述磁芯進(jìn)一步包括所述中心分支中的間隙，在其上關(guān)聯(lián)變壓器繞組。
9.如權(quán)利要求8的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括有源箝位電路，有效用以箝位如由所述外部分支所感應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓的一部分。
10. 如權(quán)利要求9的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述驅(qū)動(dòng)變壓器進(jìn)一步有效用以經(jīng)由第一驅(qū)動(dòng)變壓器繞組向控制電路和同步整流器控制電路提供功率。
11.如權(quán)利要求1的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，包括: 輸出電感器，進(jìn)一步包括具有至少一個(gè)內(nèi)部分支的電感器磁芯，被纏繞在內(nèi)部分支上的繞組，除在其接通和斷開轉(zhuǎn)變期間外，所述繞組具有與所述初級(jí)可控開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓波形的形狀類似的形狀的電壓波形， 所述驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組在所述電感器磁芯的外部分支上與彼此緊密耦合，以及進(jìn)一步與所述輸出電感器的繞組松散耦合，其中，在足以啟動(dòng)被耦合到所述功率變壓器的所述可控開關(guān)的接通或斷開的短時(shí)間段內(nèi)，在所述驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組和所述輸出電感器的繞組中提供不同的電壓波形。
12.如權(quán)利要求11的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組以分布式方式被纏繞在所述電感器磁芯的外部分支和中心分支二者上。
13.如權(quán)利要求11的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括有源箝位電路，其有效用以箝位不依賴于所述輸入電壓的用于所述初級(jí)可控開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓。
14.如權(quán)利要求11的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括有源箝位電路，其有效用以箝位如由所述外部分支所感應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓的一部分。
15.如權(quán)利要求11的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述驅(qū)動(dòng)變壓器進(jìn)一步有效用以經(jīng)由所述第一驅(qū)動(dòng)變壓器繞組向控制電路和同步整流器控制電路提供功率。
16.—種開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器,用于將來自輸入源的輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于向被I禹合到轉(zhuǎn)換器負(fù)載端子的負(fù)載供應(yīng)的輸出電壓，所述功率轉(zhuǎn)換器包括: 功率隔離變壓器，進(jìn)一步包括具有中心分支和外部分支的磁芯，功率變壓器的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組被纏繞在所述中心分支上； 初級(jí)轉(zhuǎn)換器電路，包括有效用以將所述輸入電壓供應(yīng)給所述功率隔離變壓器的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)可控功率開關(guān)； 次級(jí)轉(zhuǎn)換器電路，其與所述初級(jí)轉(zhuǎn)換器電路完全隔離，并且包括可個(gè)別切換并被進(jìn)一步耦合在所述一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組和所述負(fù)載端子之間的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)開關(guān)； 初級(jí)開關(guān)控制電路，有效用以控制所述一個(gè)或多個(gè)初級(jí)可控功率開關(guān)的導(dǎo)通； 次級(jí)開關(guān)控制電路，有效用以控制所述一個(gè)或多個(gè)次級(jí)開關(guān)的導(dǎo)通； 輸出電感器，進(jìn)一步包括具有至少一個(gè)內(nèi)部分支的電感器磁芯，被纏繞在內(nèi)部分支上的輸出電感器繞組；以及 驅(qū)動(dòng)變壓器，至少包括在所述電感器磁芯的外部分支上與彼此緊密耦合并進(jìn)一步與所述輸出電感器的繞組松散耦合的第一和第二驅(qū)動(dòng)變壓器繞組，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組被配置為提供用于控制所述初級(jí)和次級(jí)開關(guān)的功率，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組進(jìn)一步被配置為提供所述初級(jí)和次級(jí)控制電路之間的隔離， 其中，在足以啟動(dòng)被耦合到所述功率變壓器的可控開關(guān)的接通或斷開的短時(shí)間段內(nèi)，在所述驅(qū)動(dòng)變壓器的繞組和所述輸出電感器的繞組中提供不同的電壓波形，以及 其中，除在其接通和斷開轉(zhuǎn)變期間外，所述輸出電感器繞組具有與所述初級(jí)可控開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓波形的形狀類似的形狀的電壓波形。
17.如權(quán)利要求16的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組以分布式方式被纏繞在所述電感器磁芯的外部分支和中心分支二者上。
18.如權(quán)利要求16的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括有源箝位電路，有效用以箝位不依賴于所述輸入電壓的用于所述初級(jí)可控開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓。
19.如權(quán)利要求16的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，進(jìn)一步包括有源箝位電路，有效用以箝位如由所述外部分支所感應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓的一部分。
20.—種開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器,用于將來自輸入源的輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于向被I禹合到轉(zhuǎn)換器負(fù)載端子的負(fù)載供應(yīng)的輸出電壓，所述功率轉(zhuǎn)換器包括: 功率隔離變壓器，進(jìn)一步包括具有中心分支和外部分支的磁芯，功率變壓器的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組和一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組被纏繞在所述中心分支上； 初級(jí)轉(zhuǎn)換器電路，包括有效用以將所述輸入電壓供應(yīng)給所述功率隔離變壓器的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)繞組的一個(gè)或多個(gè)初級(jí)可控功率開關(guān)； 次級(jí)轉(zhuǎn)換器電路，其與所述初級(jí)轉(zhuǎn)換器電路完全隔離，并且包括可個(gè)別切換并被進(jìn)一步耦合在所述一個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組和所述負(fù)載端子之間的一個(gè)或多個(gè)次級(jí)開關(guān)； 初級(jí)開關(guān)控制電路，有效用以控制一個(gè)或多個(gè)初級(jí)可控功率開關(guān)的導(dǎo)通； 次級(jí)開關(guān)控制電路，有效用以控制所述一個(gè)或多個(gè)次級(jí)開關(guān)的導(dǎo)通； 控制電路，有效用以至少部分基于反饋信號(hào)來控制所述初級(jí)開關(guān)控制電路和所述次級(jí)開關(guān)控制電路的操作；以及 驅(qū)動(dòng)變壓器，至少包括以分布式方式被纏繞在所述磁芯的外部分支和中心分支二者上的第一和第二驅(qū)動(dòng)變壓器繞組，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組被配置為提供用于控制所述初級(jí)和次級(jí)開關(guān)的功率，所述驅(qū)動(dòng)變壓器繞組進(jìn)一步被配置為提供所述初級(jí)和次級(jí)控制電路之間的隔離。`
【文檔編號(hào)】H02M3/28GK103636108SQ201280024672
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月23日
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