降压反激式转换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及降压反激式转换器。一种二晶体管反激式转换器包括具有初级侧和次级侧的变压器、连接在输入电压源和初级侧的第一端之间的第一晶体管、连接在地和初级侧的第二端之间的第二晶体管以及直接连接在初级侧的第一端和地之间的二极管。第一和第二晶体管可操作成同时导通和关断，并且其中当输入电压源小于来自次级侧的反射电压时没有电流从初级侧返回到输入电压源。
【专利说明】降压反激式转换器
【技术领域】
[0001]本申请涉及反激式转换器，尤其涉及二晶体管反激式转换器。
【背景技术】
[0002]反激式转换器用于在输入和输出之间具有电流隔离的AC / DC和DC / DC转换两者中。反激式转换器是电感器被分割以形成变压器的降压-升压转换器，使得电压比被倍增且具有隔离的附加优点。开关用于使得能量能够从输入电压源转移到变压器。当开关闭合时，变压器的初级侧直接连接到输入电压源。变压器中的初级侧电流和磁通增加，从而在变压器中存储能量。次级侧中感应的对应电压为负，因此使将次级侧连接到负载的二极管反向偏置。输出电容器供应能量给输出负载。当开关打开时，初级侧电流和磁通下降。次级侧电压变为正，从而正向偏置二极管并且允许电流从变压器流动。来自变压器芯的能量重新充电输出电容器并供应负载。
[0003]当开关关闭时发生非常高的电感反冲(反射电压)，从而在晶体管上施加大量的电压应变。在反激式转换器中该电压应变可通过使用两个晶体管来减小。这样做可以防止每个开关上的电压超过输入电压电平。常规的二晶体管反激式转换器在从高侧晶体管的源极到地的二极管返回路径中具有RCD (电阻器-电容器-二极管)网络。高侧晶体管是可切换用于将输入电压源连接到变压器的初级侧。RCD网络的电容器充电到变压器反射电压和输入电压之间的差，并且防止电流从变压器流回到输入源。然而，由于对作为RCD网络的部分的电容器的充电和放电，发生附加的开关损耗。而且，高侧晶体管上的电压超过了输入电压。当这种拓扑用作功率因数校正单元时，输入电压从零改变为某个电压，并且由RCD网络的电容器产生的功率损耗变得相当大。
【发明内容】
[0004]根据本文所描述的实施例，描述了二晶体管反激式转换器拓扑，其在输入电压低于变压器的反射电压时可有效操作。在一个实施例中，该二晶体管反激式转换器用作功率因数校正电路。
[0005]根据二晶体管反激式转换器的实施例，该转换器包括具有初级侧和次级侧的变压器、连接在输入电压源和初级侧的第一端之间的第一晶体管、连接在地和初级侧的第二端之间的第二晶体管、以及直接连接在初级侧的第一端和地之间的二极管。第一和第二晶体管可操作成同时导通和关断，并且其中在输入电压源小于来自次级侧的反射电压时没有电流从初级侧返回到输入电压源。
[0006]根据操作二晶体管反激式转换器的方法的实施例，该反激式转换器包括具有初级侧和次级侧的变压器，该方法包括:同时导通连接在输入电压源和初级侧的第一端之间的第一晶体管和连接在地和初级侧的第二端之间的第二晶体管，以通过初级侧激励该变压器；同时关断第一和第二晶体管，以将存储在变压器中的能量转移到连接到次级侧的负载；并且在第一和第二晶体管关断时将初级侧的第一端仅通过二极管连接到地，以及其中当输入电压源小于来自次级侧的反射电压时没有电流从初级侧返回到输入电压源。
[0007]根据二晶体管反激式转换器的实施例，该转换器包括:具有初级侧和次级侧的变压器；第一 MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)，具有连接到输入电压源的漏极和连接到初级侧的第一端的源极；以及第二 M0SFET，具有连接到初级侧的第二端的漏极和连接到地的源极。当第一和第二 MOSFET关断时，初级侧仅通过第一 MOSFET从输入电压源解耦，并且能量转移到次级侧与初级侧电压无关。
[0008]根据操作二晶体管反激式转换器的方法的实施例，该转换器包括具有初级侧和次级侧的变压器，该方法包括:导通第一 MOSFET和第二 MOSFET以通过初级侧激励次级侧，第一 MOSFET具有连接到输入电压源的漏极和连接到初级侧的第一端的源极，第二 MOSFET具有连接到初级侧的第二端的漏极和连接到地的源极；关断第一和第二 MOSFET以将存储在变压器中的能量转移到连接到次级侧的负载；在第一和第二 MOSFET关断时仅通过第一MOSFET将初级侧从输入电压源解耦；以及当第一和第二 MOSFET关断时将能量从初级侧转移到次级侧与初级侧电压无关。
[0009]通过阅读了下面的详细描述并且通过观看附图，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]附图中的元件并不必需相对彼此成比例。相似的参考数字指定对应的类似部分。各种图示的实施例的特征可以组合，除非它们彼此排斥。实施例在附图中被描绘并且在下面的描述中被详述。
[0011]图1图示了二晶体管反激式电路的实施例的电路图。
[0012]图2图示了在二晶体管反激式电路的操作期间不同电压波形的点列图。
[0013]图3图示了在二晶体管反激式电路的操作期间输入和输出电流波形的点列图。
[0014]图4图示了二晶体管反激式电路的另一实施例的电路图。
【具体实施方式】
[0015]图1图示了二晶体管反激式转换器的实施例。该反激式转换器包括具有初级侧(PD和次级侧(Si)的变压器(TXl)，连接在输入电压源(V2)和初级侧的第一端100之间的晶体管Q2，以及连接在地和初级侧Pl的第二端102之间的晶体管Q1。晶体管Ql和Q2响应于提供给晶体管Ql和Q2的栅极(G)的输入信号而同时导通和关断。栅极输入源在图1中分别被示意性地图示为电压源Vl和V4。栅极输入源Vl和V4通过相应的电阻器Rl和R2连接到对应的晶体管Ql和Q2。
[0016]当晶体管Ql和Q2闭合(S卩，导通)时，变压器TXl的初级侧Pl直接连接到输入电压源V2。变压器TXl中的初级侧电流和磁通增加，从而在变压器TXl中存储能量。次级侧SI中感应的对应电压为负，因此使将次级侧SI连接到负载的二极管Dl反向偏置。负载在图1中示意性地图示为电压源V3。当晶体管Ql和Q2打开(S卩，关断)时，变压器TXl中的初级侧电流和磁通下降。次级侧电压变为正，从而正向偏置二极管Dl并且允许电流从变压器流动。来自变压器芯的能量对输出电容器(未示出)重新充电并且供应负载。
[0017]在一个实施例中，晶体管Ql和Q2为MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)。MOSFET Q2的漏极(D)连接到输入电压源V2，并且Q2的源极(S)连接到变压器TXl的初级侧Pl的第一端100。MOSFET Ql的漏极⑶连接到初级侧Pl的第二端102，并且Ql的源极(S)连接到地。因为没有像另外常规进行的那样存在将输入电压源V2连接到晶体管Ql的漏极的二极管，所以在MOSFET Ql和Q2关断时初级侧Pl仅通过MOSFET Q2从输入电压源V2解耦，并且能量转移到次级侧SI与初级侧电压无关；即，输入电压从反激式转换器的复位阶段解耦。照此，能量从变压器TXl转移到次级侧SI，一直完全与初级电压无关。
[0018]二极管D2可直接连接在地和初级侧Pl的第一端100之间。S卩，在从初级侧Pl的第一端100到地的二极管路径中不包括电容器或电阻器。因此，当输入电压源V2小于来自次级侧SI的反射电压(Vr)时，没有电流从变压器TXl的初级侧Pl返回到输入电压源V2。晶体管Q2遭受输入电压(V2)，并且晶体管Ql遭受反射电压(Vr)加上由变压器TXl的漏电感所引起的尖峰电压(Vspike)。变压器反射电压Vr是设计参数，并且可以按照与尖峰电压Vspike加在一起小于输入电压的方式进行选择。换句话说，根据实施例，输入电压源V2大于 Vr+Vspike。
[0019]晶体管Ql和Q2两者都遭受最大输入电压(V2)，并且同时功率转移与输入电压无关。这种配置很好地适合于其中输入电流波形遵循输入电压波形的功率因数校正应用，因此实现了良好的功率因数。
[0020]晶体管Q2和二极管D2操作成降压转换器，并且晶体管Ql操作成反激式转换器。S卩，晶体管Q2实施为降压式开关，以便晶体管Q2上的最大电压被限制到最大输入电压(V2)。因此，变压器初级侧Pl的第一端100在晶体管Q2的关断阶段期间被连接到地。晶体管Ql实施为反激式开关，从而在晶体管Ql的导通阶段期间将变压器初级侧Pl的第二端102连接到地。在晶体管Ql的关断阶段期间，Ql遭受变压器反射电压(Vr)加尖峰电压(Vspike)。根据实施例，这个和由设计控制并且能够按照晶体管Ql的击穿电压大于Vr+Vspike的方式进行设置。
[0021]图2图示在图1的二晶体管反激式转换器的操作期间晶体管Ql的漏源电压(VdsLS)、晶体管Q2的漏源电压(VdsHS)以及变压器TXl的初级侧电压(Vpr)的点列图。图3图示了当输入电压(V2)小于输出电压(Vout)乘以变压器TXl的匝数比(η)(其中Vr =Vout*n)时反激式转换器的对应的输入和输出电流的点列图。
[0022]晶体管Ql和Q2同时导通和关断。当Ql和Q2导通时，VdsLS和VdsHS基本等于零(忽略晶体管的固有电压降)，并且Vpr等于输入电压(例如，在针对这个纯说明性示例的图2中为200V)。当Ql和Q2关断时，Vpr变为负并且具有等于次级侧反射电压(Vr)加上由变压器TXl的漏电感所引起的尖峰电压(Vspike)的量值。能量从变压器漏电感转移到晶体管Q2的漏源电容，从而在反射电压顶端上产生尖峰。因此，当晶体管Ql和Q2关断时VdsHS等于输入电压并且VdsLS等于Vpr (即，VdsLS = Vr+Vspike)。当漏电感完全消失时Vspike最终下降到近似零。在一个实施例中，晶体管Q2的击穿电压大于Vr+Vspike,以确保晶体管Q2在图2中图示的电压状态下不失效。
[0023]图4图示了二晶体管反激式转换器的另一实施例。图4中所示的实施例与图1所示的实施例类似，然而齐纳二极管D4连接在晶体管Ql的漏极(D)和源极(S)之间。如果包含在变压器TXl的漏电感中的能量相对高，齐纳二极管D4能够如所示的那样与晶体管Ql并联连接。齐纳二极管D4通过将Vspike限制到小于晶体管Ql的击穿电压的值而用作瞬态电压抑制器。
[0024]诸如“第一”、“第二”等的术语用于描述各个元件、区域、部分等，并且也不旨在限制。相似的术语贯穿整个说明书指代相似的元件。
[0025]如本文所用的，术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放性术语，其指示所述的元件或特征的存在，但是不排除附加的元件或特征。冠词“一”，“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文另外清楚地指示。
[0026]要理解，本文中所述的各种实施例的特征可彼此组合，除非另外特别注明。
[0027]尽管特定的实施例已在本文中图示和描述，但是本领域普通技术人员将意识到的是，在不脱离本发明范围的情况下，各种替换的和/或等同的实施方式可以替换示出和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文中论述的特定实施例的任何改变或变形。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同物限制。
【权利要求】
1.一种二晶体管反激式转换器，包括: 具有初级侧和次级侧的变压器； 连接在输入电压源和初级侧的第一端之间的第一晶体管； 连接在地和初级侧的第二端之间的第二晶体管； 直接连接在初级侧的第一端和地之间的二极管；以及 其中第一和第二晶体管能操作成同时导通和关断，并且其中当输入电压源小于来自次级侧的反射电压时没有电流从初级侧返回到输入电压源。
2.根据权利要求1的二晶体管反激式转换器，还包括连接在第二晶体管的漏极和第二晶体管的源极之间的齐纳二极管。
3.根据权利要求1的二晶体管反激式转换器，其中输入电压源大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压尖峰。
4.根据权利要求1的二晶体管反激式转换器，其中第二晶体管的击穿电压大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压尖峰。
5.一种操作二晶体管反激式转换器的方法，该反激式转换器包括具有初级侧和次级侧的变压器，该方法包括: 同时导通第一晶体管和第二晶体管以通过初级侧激励该变压器，其中第一晶体管连接在输入电压源和初级侧的第一端之间，第二晶体管连接在地和初级侧的第二端之间； 同时关断第一和第二晶体·管，以将存储在变压器中的能量转移到连接到次级侧的负载；以及 在第一和第二晶体管关断时仅通过二极管将初级侧的第一端连接到地，并且其中当输入电压源小于来自次级侧的反射电压时没有电流从初级侧返回到输入电压源。
6.根据权利要求5的方法，还包括通过连接在第二晶体管的漏极和第二晶体管的源极之间的齐纳二极管来将由变压器的漏电感所引起的电压尖峰限制到小于第二晶体管的击穿电压的值。
7.根据权利要求5的方法，其中该输入电压源大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压尖峰。
8.根据权利要求5的方法，其中第二晶体管的击穿电压大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压尖峰。
9.一种二晶体管反激式转换器，包括: 具有初级侧和次级侧的变压器； 第一 MOSFET，具有连接到输入电压源的漏极和连接到初级侧的第一端的源极；以及 第二 MOSFET，具有连接到初级侧的第二端的漏极和连接到地的源极，以便当第一和第二 MOSFET关断时初级侧仅通过第一 MOSFET从输入电压源解耦并且能量转移到次级侧，与初级侧电压无关。
10.根据权利要求9的二晶体管反激式转换器，还包括连接在第二MOSFET的漏极和源极之间的齐纳二极管。
11.根据权利要求9的二晶体管反激式转换器，其中输入电压源大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压尖峰。
12.根据权利要求9的二晶体管反激式转换器，其中第二MOSFET的击穿电压大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压尖峰。
13.根据权利要求9的二晶体管反激式转换器，还包括直接连接在初级侧的第一端和地之间的二极管。
14.根据权利要求13的二晶体管反激式转换器，其中第一和第二MOSFET能操作成同时导通和关断，并且其中当输入电压源小于来自次级侧的反射电压时没有电流从初级侧返回到输入电压源。
15.一种操作二晶体管反激式转换器的方法，该反激式转换器包括具有初级侧和次级侧的变压器，该方法包括: 导通第一 MOSFET和第二 MOSFET以通过初级侧激励该变压器，其中第一 MOSFET具有连接到输入电压源的漏极和连接到初级侧的第一端的源极，第二 MOSFET具有连接到初级侧的第二端的漏极和连接到地的源极； 关断第一和第二 M0SFET，以将存储在变压器中的能量转移到连接到次级侧的负载； 当第一和第二 MOSFET关断时仅通过第一 MOSFET将初级侧从输入电压源解耦，并且 当第一和第二 MOSFET关断时将能量从初级侧转移到次级侧，与初级侧电压无关。
16.根据权利要求15的方法，还包括通过连接在第二MOSFET的漏极和源极之间的齐纳二极管来将由变压器的漏电感所引起的电压尖峰限制到小于第二晶体管的击穿电压的值。
17.根据权利要求15的方法，其中输入电压源大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压尖峰。
18.根据权利要求15的方法，其中第二MOSFET的击穿电压大于来自次级侧的反射电压加上由变压器的漏电感所引起的电压`尖峰。
19.根据权利要求15的方法，还包括当第一和第二MOSFET关断时仅通过二极管将初级侧的第一端连接到地。
20.根据权利要求19的方法，还包括同时导通和关断第一和第二M0SFET，并且其中当输入电压源小于来自次级侧的反射电压时没有电流从初级侧返回到输入电压源。
【文档编号】H02M3/335GK103856059SQ201310755756
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年11月29日 优先权日:2012年11月30日
【发明者】M·伊万科维克, F·索耶 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司