专利名称：具有磁耦合的开关控制电路的dc-dc电功率变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种DC-DC电功率变换器，其用于预先处理经过完全 整流的正弦功率信号，其中所述经过整流的信号的电压峰值可能高于 所期望的输出电压。
背景技术：
DC-DC电功率变换器在本领域内是公知的，其可以被用于给灯供 电。所述变换器包括输入部分和输出部分，其中的每一个部分包括至 少一个开关，所述开关例如由FET或任何其他适当的功率开关具体实 现。通过控制所述开关来操作所述变换器，其中可以通过数字控制电 路来执行所述控制。在所述变换器的设计和实现方面的一个难点在于， 至少其中一个所述开关(其通常是所述输入部分中的开关)被连接到 一个高电压端子。对应于这种开关(其在本领域中被称作浮动开关) 的控制信号于是应当至少具有高电压分量，这很难通过数字控制电路 来实现。在本领域内已经知道使用电平移动IC在相对较高的电压下操 作电子装置，或者使用大变压器。使用电平移动IC的一个缺点在于， 可以应用电平移动IC的电压范围有限，从而无法在操作于几百伏特下 的功率变换器中使用这些组件。大变压器的缺点在于笨重且昂贵。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种包括用于浮动开关的控制电路的 DC-DC电功率变换器，其能够克服至少其中一个上述缺点。
本发明提供一种根据权利要求1的功率变换器。所述功率变换器 包括输入部分，其具有可控的第一开关和二极管；输出部分，其包 括可控的第二开关和第二二极管；以及变压器，其具有初级绕组和次 级绕组，所述次级绕组至少是用于控制所述第一开关的控制电路的一 部分。所述变压器的初级绕组被配置成导通电流，所述电流包括基本 上恒定的分量以及基本上为交变的分量，其中所述恒定分量与从所述 输入端传送到所述输出端的平均功率相关，所述交变分量与所述第二开关的开关相关。作为所述初级绕组两端的交变电压分量的结果，在 所述次级绕组中感生出一个同步交变的电压，该电压可以被用于与所 述第二开关基本上同步地控制所述第一开关。由于仅仅需要非常小的 功率来控制所述第一开关，因此不需要令所述变压器的规格有多大或 多重。
在根据本发明的功率变换器的一个实施例中，所述变压器的次级 绕组直接连接到所述第一开关的控制端子，从而得到一种具有非常少 的组件的拓朴。
在根据本发明的功率变换器的另一个实施例中，所述变压器的次 级绕组通过电容器耦合到所述第一开关的控制端子，这样做的优点在 于允许操作所述第一开关，即使在所述输入部分处的电压非常低(例 如大约为零)时也是如此。
在根据本发明的功率变换器的另一个实施例中，所述变压器的次 级绕组通过电容器与电阻的串联连接耦合到所述第一开关的控制端 子，这样做的优点在于，所述次级绕组两端的电压中的高频干扰分量 不会被输入到所述第一开关的所述控制端子。
在根据本发明的功率变换器的另一个实施例中，把齐纳二极管耦 合到所述第一开关的控制端子，从而至少保护所述控制端子免受过电 压的损坏。
在根据本发明的功率变换器的另一个实施例中，在所述第一开关 的两端存在旁路电阻，从而便于很容易地启动所述功率变换器。
在根据本发明的功率变换器的另一个实施例中，把信号处理电路 耦合到所述第一开关的控制端子，其提供对所述第一开关的最优开关。
在根据本发明的功率变换器的另一个实施例中存在控制电路，其 生成用于所述第二开关的控制信号。
在根据本发明的功率变换器的另一个实施例中，使用方波信号作 为用于所述第二开关的控制信号，从而可以提供对所述第一开关进行 非常精确的开关的优点。
下面将参照附图更加详细地阐述本发明，其中
图l是根据本发明的功率变换器的第一实施例的示意图；图2是根据本发明的功率变换器的第二实施例的示意图。
具体实施例方式
在附图中，相同的附图标记指代相同的组件。图1示出了根据本 发明的简化的功率变换器100的示意图。所述变换器100包括用于接 收输入功率的第一输入端子IO和第二输入端子20，所述输入功率一般 是DC电压，并且特别是经过整流的交变电压。在所述第一输入端子IO 与所述第二输入端子20之间连接有可控的第一开关30与第一二极管 40的串联连接，其中所述第一开关30与第一二极管40具有公共节点 42。所述第一开关30具有栅极(端子)31以及沟道端子32和33。在 第一输出端子50与第二输出端子60之间连接有可控的第二开关70与 第二二极管80的串联连接，所述可控的第二开关70与第二二极管80 具有公共节点81。所述第二开关70的栅极(端子)71连接到控制信 号发生器74。在节点42与节点81之间提供变压器90的初级绕组91。 变压器90的次级绕组92被连接在节点42与栅极31之间。
在操作中，输入电压Vin存在于输入端子10和20上，输出电压V。ul 存在于输出端子50和60上。例如通过连接在所述输出端子50、 60之 间的电容器或电容性负载(未示出)把所述输出电压基本上恒定地保 持在所期望的电平。所述控制信号发生器74提供开关信号给所述第二 开关70的栅极71，其导致一个电流流经所述初级绕组91。在所述第 一开关30和所述第二开关70被切换成导通时，所述电压Vh存在于所 述初级绕组91两端，并且有一个电流从所述第一输入端子10经过所 述第一开关30、初级绕组91和第二开关70流向所述第二输出端子60。 当随后把所述第二开关70切换成非导通时，所述第二二极管60将换 向，并且所述电流将从所述初级绕组91流向所述第一输出端子51。所 述初级绕组91上的电压随后将从Vin减小到Vh-V。ut。在这里假设Vin-V。ut 总是小于Vin，因此开关70的反复开关将导致所述初级绕组91两端的 方波电压，并且由于所述初级变压器绕组91与次级变压器绕组92之 间的磁耦合还将导致所述次级绕组92两端的方波电压Vs，其中Vs等于 所述初级绕组91两端的电压乘以所述初级绕组91与所述次级绕组92 之间的匝数比。所述初级绕组两端的电压是方波，其平均值基本上被 保持为零，这是通过操作开关70以便把流经所述初级绕组的电流保持
6在基本上恒定的值而实现的。在Vs中没有DC分量，这是因为变压器90 无法变换电压的DC分量。当所述初级绕组91两端的电压由于所述第 二开关70的开关而减小时，在所述次级绕组92中感生的电压Vs也从 高值减小到低值。所述变压器90的匝数比被选择成Vs的低值低到足以 关断所述第一开关30，并且使得Vs的值高到足以接通所述第一开关30。
图2示出了根据本发明的一个实施例的功率变换器200的图示。 所述功率变换器200包括如图1中所示的功率变换器100，并且还补充 有附加的电组件。在图2中示出了第一寄生电容41和第二寄生电容75。 应当注意到，在实现如图1中所示的功率变换器100的实际实施例时 也可以存在这些寄生电容。所述第二寄生电容75使得所述第二二极管 80的换向平滑地发生，所述第一寄生电容41则使得所述第一二极管 40的换向平滑地发生。
可以应用可选的齐纳二极管94来防止由于过电压而对所述第一开 关30造成损坏，这是因为该齐纳二极管把所述第一开关30的栅极端 子31与源极端子33之间的电压限制到一个安全值。特别在输入电压 Vi。达到低值(例如大约O伏特)时有可能发生过电压。存在可选的的 DC阻断电容器95以便滤除在输入电压Vin下降并且变得小于所述输出 电压V。ut时出现的任何DC分量，这样做的优点在于，所述次级绕组92 两端的电压Vs中的DC干扰分量不会被输入到所述第一开关30的栅极 31。所述DC阻断电容器95的优点还在于，所述第一开关30的栅极31 与沟道端子33之间的电压变为负，并且所述第一开关30在该条件下 变为非导通。所述DC阻断电容器的另一个优点在于，其可以在所述输 入电压Vin的过零处增大所述第一开关20的栅极-源极电压，从而允 许在所述输入电压Vh的过零处对所述第一开关30进行开关。
可以添加电阻93以便结合DC阻断电容器95形成滤波器，以用于 抑制方波电压Vs的不合期望的谐波内容，其优点在于，所述次级绕组 92两端的电压中的高频干扰分量不会被输入到所述第一开关30的栅 极31。此外还示出了信号处理电路96，其被配置成在把感生于所述次 级绕组92中的电压Vs施加到所述第一开关30的栅极31之前对该电压 进行处理。所述信号处理电路96例如可以被配置成关于所述第二开关 70的栅极端子71处的开关信号(其由所述控制信号发生器74提供) 延迟所述第一开关30的栅极端子31处的方波电压。 一般来说，信号
7处理电路96可以被配置成提供对所述第一开关30的最优开关。所述 控制信号发生器74可以被配置成例如通过应用脉沖宽度调制而把所述 输出电压V。ut保持在所期望的值。可以应用一个负载电容器85以把V。。t 保持在所期望的电平。当V。ut处于一个相对较低的值时，在开关70不 导通时流经所述第二二极管80的电流将给所述负载电容器85充电， 直到其达到所期望的值，例如可以通过所述第二开关70的占空比来施 加该值。当V。。t相对较高时，将没有电流能够流经所述第二二极管80， 并且将通过负载电流对所述负载电容器85进行放电。
此外还通过旁路电阻34对所述第一开关30进行旁路，该旁路电 阻34被应用来启动所述功率变换器200，即便于容易地启动所述功率 变换器。如果省略了所述旁路电阻34，在操作开关70时不会形成电流 路径，并且必须有附加的电路来把所述第一开关30切换成导通。
在一个实际的实施例中，所述输入电压Vh可以处于347到480伏 特RMS之间，所述输出电压V。^可以是480伏特。于是所述第一开关 30可以是900伏特MOSFET。所述第一二极管40应当是高电压二极管， 但是其也可以由多个二极管的串联连接来具体实现。所述第二开关70 和第二二极管80可以是高电压组件，例如600伏特组件。可以达到310 瓦特的输出功率，这使得所述功率变换器适用于给例如一盏灯或者甚 至多达3盏灯供电。所述第二开关70被操作在大约50kHz到大约 250kHz的频率下。所述第二开关70可以是单独的组件，或者其可以被 集成在控制IC中，所述控制IC还可以包括所述控制信号发生器的功 能。 一般来说，除了上面的例子中示出的变换器之外，本发明可以被 应用在多种功率变换器中，比如用于附加的电源应用的DC-DC变换器。
在这里按照需要公开了本发明的详细实施例，但是应当理解，所 公开的实施例仅仅是本发明的示例，可以按照多种形式来具体实现本 发明。因此，这里公开的具体结构和功能细节不应被解释为进行限制，
基础。此外，在互不相同的从属权利要求中引述某些措施并不表示不 能使用这些措施的组合来获益。
此外，这里使用的术语和短语不意图进行限制，而是为了提供对 本发明的可以理解的描述。这里使用的术语"一个"被定义为一个或多于一个。这里使用的术语"另一个"被定义为至少笫二个或更多。 这里使用的术语"包括"和/或"具有"被定义为包含(即开放性语言)。 这里使用的术语"耦合"被定义为连接，但是不一定是直接连接，也 不一定是通过连线连接。
权利要求
1、电功率变换器(100，200)，其包括第一输入端子(10)；第二输入端子(20)；连接到所述第一输入端子的可控的第一开关(30)，所述开关包括控制端子(31)；第一二极管(40)，其连接在所述第一开关(30)与所述第二输入端子(20)之间；第一输出端子(50)；第二输出端子(60)；连接到所述第二输出端子(60)的可控的第二开关(70)；第二二极管(80)，其连接在所述第一输出端子(50)与所述第二开关(70)之间；具有初级绕组(91)和次级绕组(92)的变压器；所述初级绕组(91)连接在所述第一开关(30)和第一二极管(40)之间的节点与所述第二开关(70)和第二二极管(80)之间的节点之间；所述次级绕组(92)形成用于控制所述第一开关(30)的控制电路的一部分，所述次级绕组(92)耦合到所述第一开关(30)的所述控制端子(31)并且被配置成生成用于控制所述第一开关(30)的控制电压。
2、 根据权利要求1的功率变换器(100， 200 )，其中，所述次级绕组(92)直接连接到所述第一开关(30)的所述控制端子(31)。
3、 根据权利要求1的功率变换器(100, 200 )，其中，所述次级绕组(92)通过电容器(95)与所述第一开关(30)的所述控制端子(31)耦合。
4、 根据权利要求1的功率变换器(100， 200 )，其中，所述次级绕组(92)通过电容(95)和电阻(93)的串联连接与所述第一开关(30)的所述控制端子(31)连接。
5、 根据任一条在前权利要求的功率变换器(100， 200 ),其中，把齐纳二极管(94)连接在所述第一开关的所述控制端子(31)与沟道端子(33)之间。
6、 根据任一条在前权利要求的功率变换器(100， 200 )，其中，把旁路电阻(34)与所述第一开关(30)并联连接。
7、 根据任一条在前权利要求的功率变换器(100， 200 )，其中，提供信号处理电路(96)以用于处理对应于所述第一开关(30)的控制信号。
8、 根据任一条在前权利要求的功率变换器(100， 200 )，还包括控制信号发生器(74)，其生成用于控制所述第二开关(70)的控制信号。
9、 根据权利要求8的功率变换器(100， 200 )，其中，所述控制信号是方波信号。
10、 根据任一条在前权利要求的功率变换器(100, 200 )，其加栽有至少一盏灯。
全文摘要
本发明涉及一种功率变换器，其具有可控的第一开关和二极管以及可控的第二开关和第二二极管并且还具有变压器，所述变压器包括初级绕组和次级绕组，其中所述次级绕组形成用于所述第一开关的控制电路的至少一部分。作为所述初级绕组两端的交变电压的结果，在所述次级绕组中感生出一个同步交变的电压，该电压可以被用于与所述第二开关基本上同步地控制所述第一开关。
文档编号H02M3/04GK101501974SQ200780029117
公开日2009年8月5日 申请日期2007年7月30日 优先权日2006年8月4日
发明者B·J·M·斯梅特, H·J·兹沃弗 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司