专利名称：功率转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率转换器，具体来说，涉及具有设置在其副边(secondary)侧的控 制电路的功率转换器。
背景技术：
例如单调启动、短路后恢复、负载瞬时性能的不断增加的动态要求允许重新划分 许多现代绝缘式(insulated)功率转换器的控制结构。以前，构造该设计的正常方式是 将控制电路设置在原边(primary)侧，并且仅传送来自在副边侧的电压控制系统的误差信 号。满足上述要求的最有效方式是将控制电路设置在副边侧，在那里可更有效地监测输出 电压。设置在副边侧的数字控制和数字接口的引入将使得使用这种副边侧控制甚至更合乎 逻辑。这种副边侧控制的一个问题在于，必须从原边侧给这时设置在副边侧的控制电路 提供偏置。为此，必须双方准确监测输入电压，因为输入电压的监测能力往往是数字控制器 内的要求，并且该信号用于控制主转换器。还必须以高动态带宽监测输入电压，使转换器能 够处理输入电压瞬变(电压模式前馈)。往往从小辅助转换器给控制电路提供偏置，小辅助转换器又称作偏置调节器，往 往是回授(flyback)类型，它给控制电路以及同步mosfet和主开关mosfet提供偏置。一种生成与输入电压对应的信号的方法是通过对辅助转换器或实际功率链中的 正向脉冲进行峰值整流并且将这个信息存储在电容器中而将它从偏置电源得出。如果原边 电压增加，则电容器逐个周期地被充电，并且将准确地反映(mirror)原边电压。如果原边 电压减小，则不存在使电容器放电到经变换电压的放电通路。因此，电容器经由电阻器或电 流源放电，并且正确电压通过电容器每个周期的充电来实现。这导致因每个周期从电容器 的大放电引起的高纹波的高动态性能与要求电容器在每个周期仅轻微放电的准确度之间 的折衷。上文使用峰值整流的解决方案的缺点在于，很难使对高动态性能的要求与高准确 度匹配。当输入电压增加时，该解决方案将始终能够具有高动态带宽，但是带宽将受到副边 电压的最大可接受电压纹波限制，因为电容器在开关周期之间的耗尽本身将表示为所反映 电压上的纹波。整流器件的正向电压降还将影响所测量电压的准确度。另一种成本更高的方法是使用线性光耦合器。输入电压信号由运算放大器测量， 并且转换成用于驱动线性光耦合器的电流。这个电流然后在副边侧被转换成电压。光耦合 器方式的一个缺点在于，要求横跨绝缘势垒的一个额外组件。另外，这种解决方案成本比较 高，并且还将具有老化的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种上文所定义的功率转换器，它具有供输入到控制电路的 至原边侧的输入电压的更准确指示。
本发明涉及包括变压器的隔离式功率转换器，变压器具有包括向其施加原边电压 的原边绕组的原边侧、包括设置成反映原边电压并且提供输出电压的副边绕组的副边侧 以及原边侧与副边侧之间的绝缘势垒，并以副边侧的所反映原边电压相对地具有正电位 的方式设置。转换器包括设置成使第二晶体管与副边绕组上的电压相关地导通的求导网 (derivating net)，第二晶体管的源极连接到副边绕组的负极端，第三晶体管的漏极还连 接到副边绕组的正极端，第二电容器和第二电阻器连接在第三晶体管的栅极与源极之间， 第三电阻器连接在第二电阻器与第二晶体管的漏极之间，第三电容器设置成在其端子中之 一上提供参考电压。优选地，求导网设置成在变压器电压的上升沿期间使第二晶体管导通。本发明的概念是与上述峰值整流方案很类似的解决方案，但增加了信息存储器件 电容器，它可在每一个开关周期被充电和放电。这通过使电容器能够经由能够进行双向能 量转移的例如MOSFET的器件的放电来实现。这极大降低所反映电压上的纹波，并且还在存 储器件将被放电时提高动态性能。本发明的主要优点在于，它使用现有技术以及仅使用几个低成本组件来创建原边 电压的高准确的静态和动态所反映信号。该解决方案除了已经存在的变压器之外不需要横跨绝缘势垒的组件，这会是高密 度解决方案的主要有益效果。如果经过准确选择，则组件Cl、Rl将作为变压器电压的缓冲 器(sniAber)，因而将那个功能集成在系统中。整流元件优选地是二极管，它通过其阴极连接到副边绕组的正极端。在一个实施例中，求导网包括连接在副边绕组的正极端与第二晶体管的栅极之间 的第一电容器以及连接在第二晶体管的栅极与副边绕组的负极端之间的第一电阻器。转换器优选地包括偏移补偿电路，用于去除第二电压输出的偏移。在一个实施例 中，偏移补偿电路包括第一双极晶体管，第四晶体管的基极连接到第一输出电压，第四晶体 管的发射极通过第四电阻器连接到第二输出电压，以及第四晶体管的集电极通过第五电阻 器连接到地，在第四晶体管的集电极上提供参考地电平。这是一种简单廉价的解决方案；但 是，它引入误差，这表示它在所有应用领域可能不是充分精确的。备选地，偏移补偿电路包括差分放大器，差分放大器的非反相输入通过第六电阻 器连接到第二电压输出并且通过第七电阻器连接到地，差分放大器的反相输入通过第九电 阻器连接到第一电压输出，以及第八电阻器从反相输入连接到差分放大器的输出，差分放 大器的输出提供参考地电压。这是比上文更为复杂的解决方案，但提供精确参考地电压。齐纳二极管可设置在第二和/或第三晶体管的栅极与源极之间，以便限制相应晶 体管上的电压。这将增加可由相应晶体管并因此由转换器处理的输入电压范围。
下面通过示例方式并参照附图更详细地描述本发明，附图中图1示出由在副边侧的控制电路所控制的功率转换器。图加和图2b根据本发明的第一和第二实施例示出包括输入电压监测电路的两个 不同功率转换器。图3示出可用于补偿偏移输出电压的电流发生器。
图4示出可如何使用差分放大器来补偿偏移输出电压。图5是现有技术解决方案的简化框图。图6a_6d示出在副边侧随电压在四个不同点的时间的变化。图7a-图7c分别根据本发明和现有技术解决方案示出输入电压和在能量存储器 件上的电压。
具体实施例方式图1示出由在副边侧的控制电路所控制的功率转换器。功率转换器包括由在原边 侧的多个开关元件Si、S2、S3、S4所控制的主变压器Ml。这些开关元件由原边侧驱动器单 元3控制。在副边侧，两个整流元件R1、R2连接到副边绕组的相对端。整流元件R1、R2由 副边侧驱动器单元5控制。使用电感器Ll和电容器Cl以本领域常见方式在副边绕组的中 心抽头与整流元件之一之间抽取输出电压。控制单元1通过第二变压器M2连接到原边侧驱动器单元并且连接到副边侧驱动 器单元5。控制单元1还在副边侧的输出连接于电感器Ll与电容器Cl之间。提供辅助转换器7以给控制电路1提供偏置。辅助转换器7连接到原边侧驱动器 单元3、副边侧驱动器单元5和控制单元1。本发明涉及这个辅助转换器7的实施例，下面 将对其进行论述。图加是根据本发明实施例的包括输入电压监测电路的功率转换器的电路图。图 加示出回授转换器，但此概念可用于其中实际输入电压在绝缘势垒上经过线性变换的任何 转换器。如本领域常见的，功率转换器包括变压器TR1，它具有带原边绕组的原边侧和带副 边绕组的副边侧，原边侧与副边侧之间具有绝缘势垒。电压源Vin设置成向原边绕组提供输入电压。采取MOSFET形式的开关元件Tl设 置在电压源与原边绕组的一端之间，以便控制变压器的功能。变压器TRl将回授能量变换 到副边侧。在副边侧，如本领域常见的，采取二极管形式的整流元件Dl设置在副边绕组的 负极与地之间。输出电压电容器C4连接在副边绕组的另一端与地之间，以便存储回授能 量。观察整流元件(二极管)Dl的负极支路中的布置。当mosfet Tl接通时，整个输入电压Vin施加在原边绕组上，并且随后以比率N2/ Nl变换到副边侧。如图加中那样，输入电压将在绝缘势垒另一侧的副边侧被取样和监测。为此，根 据本发明的这个实施例，多个组件设置在副边侧。第一电容器Cl的一端连接到副边绕组的正极端。第一电阻器Rl连接在第一电容 器Cl的另一端与副边绕组的负极端之间，使得第一电容器Cl和第一电阻器Rl共同形成求 导网。在第一电容器Cl与第一电阻器Rl之间，连接第二晶体管T2的栅极。第二晶体管T2 的源极连接到副边绕组的负极端。在第二晶体管的栅极与源极之间，连接第一齐纳二极管 DZl。在副边绕组的正极端，连接第三晶体管T3的漏极。在第三晶体管T3的栅极与源 极之间，连接第二齐纳二极管DZ2。下面将论述齐纳二极管DZl和DZ2的功能。第二电容器 C2连接在第三晶体管T3的栅极与源极之间。提供第二电容器以在变压器电压的下降沿期间防止误导通。与第二电容器并联地连接第二电阻器R2。第三电阻器R3连接在第二电阻 器R2与第二晶体管T2的漏极之间。与从第二晶体管T2的源极经第三电阻器R3和第二电 阻器R2的连接并联地连接第三电容器C3。因此，第三电容器C3的一个端子将连接到输出 电压电容器C4的正极端子。在这些互连端子将提供输出电压Ucc。在第三电容器C3的另 一端子将提供控制电路的参考电压Uff。下面将描述根据本发明添加的组件的功能。当开关晶体管Tl导通时，包括第一电容器Cl和第一电阻器Rl的求导网将感测变 压器电压的上升沿，并且使第二晶体管T2导通取决于时间常数RlX (Cl+CissT2)和所变换 电压的电压级别的时间。第二晶体管T2栅极的电压级别将取决于晶体管电容CissT2与第 一电容Cl之间的比率，Ciss是第二晶体管的栅极与源极之间的电容CGS与第二晶体管的 漏极与栅极之间的电容CDG之和。然后，第二晶体管T2将第三电阻器R3与第二晶体管T2之间的节点下拉到输出电 压Ucc，随后将第三晶体管T3的栅极充电到电压级别(Uff-Ucc)/(1+R3/R2)。充电时间主 要取决于(R2//R3) X (C2+CissT3)的时间常数，而放电时间主要取决于R2X (C2+CissT3)。然后，第三晶体管T3将导通某个时段，下面将进行论述。在这个时间期间，第三电 容器C3将充电到变压器上的电压。齐纳二极管DZl和DZ2是可选的，但在输入电压具有大范围时是有用的。在这种 情况下，第二晶体管T2和/或第三晶体管T3的栅极上的电压可通过将齐纳二极管设置在 每个相应器件的栅极与源极之间来限制。这将使相应晶体管T2、T3能够处理至变压器TRl 的更高输入电压。使用标准器件，系统可处理以因子2变化的输入电压。第三电容器C3上的电压将对应于VinXN2/Nl。与GND相比，参考电压节点Uff将 具有Ucc的偏移。这种偏移可使用将要连接到图加的输出电压的如图3所示电流发生器 或者如图4所示差分放大器来去除，下面更详细地论述。图2b是根据本发明另一实施例的包括输入电压监测电路的功率转换器的电路 图。图2b示出正向转换器。如本领域常见的，功率转换器包括变压器TR1，它具有带原边绕组的原边侧和带副 边绕组的副边侧，两侧之间具有绝缘势垒。电压源Vin设置成向原边绕组提供输入电压。采取MOSFET形式的开关元件Tl设 置在电压源与原边绕组的一端之间，以便控制变压器的功能。变压器TRl将能量变换到副 边侧。在副边侧，如本领域常见的，第一二极管Dl通过其阳极连接到副边绕组的一端。 第二二极管D2通过其阳极连接到副边绕组的另一端以及连接到地。二极管Dl、D2的阴极 互连。在互连的阴极与地之间，连接第一电感器Ll和输出电容器C4。输出电压Ucc在输出 电容器C4上获得。当mosfet Tl接通时，整个输入电压Vin施加在原边绕组上，并且随后变换到副边 侧。输入电压将在绝缘势垒另一侧的副边侧被取样和监测。为此，根据本发明的这个 实施例，多个组件设置在副边侧。第一电容器Cl的一端连接在第一二极管Dl的阳极与副边绕组的一端之间。第一电容器Cl的另一端连接到第二晶体管T2的栅极。第一电阻器Rl连接在第二晶体管T2的 发射极与栅极之间，以及第一齐纳二极管DZl优选地与第一电阻器Rl并联连接，其阴极连 接到晶体管T2的栅极。在第一二极管Dl的阳极与副边绕组的一端之间，还连接第三晶体管T3的源极。第 二电阻器R2和第二电容器C2并联连接在第三晶体管T3的栅极与发射极之间。第二齐纳 二极管DZ2优选地通过其阳极连接到第三晶体管的栅极以及通过其阴极连接到发射极，与 第二电阻器R2和第二电容器C2并联。第三晶体管T3的栅极以及二极管的阳极和第二电容器C2与第二电阻器R2中每 个的一端通过第三电阻器R3连接到第二晶体管T2的漏极。第三电容器C3连接在地与连接第三晶体管T3的发射极、第二齐纳二极管的阴极 以及第二电容器C2和第二电阻器R2的另一端的点之间。相对地的参考电压Uff在第三电 容器C3上获得。图3中，第一双极晶体管的基极连接到第一输出电压Ucc。第四电阻器R4连接在 第四晶体管的发射极与第二输出电压Uff之间。第五电阻器R5连接在第四晶体管T4的集 电极与地之间。参考地电压UffGNDRef在第一双极晶体管T4的集电极上获得。第一双极 晶体管用作由参考电压Uff所控制的电流发生器。这是一种简单的解决方案，但对于所有 实现可能并不充分精确。这种器件还可用于通过将电容器设置在电阻器R5上而对信号进 行滤波。图4示出可如何应用差分放大器Ul去除对第二电压输出Uff的偏移。差分放大 器Ul的非反相输入通过第六电阻器R6连接到第二电压输出Uff以及通过第七电阻器R7 连接到地。差分放大器的反相输入通过第九电阻器R9连接到第一电压输出Ucc。第八电阻 器R8从反相输入连接到差分放大器Ul的输出。参考地电压UffGNDRef在差分放大器Ul 的输出上获得。这种器件还可用于通过将电容器设置在电阻器R7和R8上而对信号进行滤 波。虽然以上论述了两个示例，但是技术人员知道用于去除偏移电压的若干其它解决 方案。可应用任何适当的这种解决方案。图5是现有技术解决方案的简化框图。如同前面的附图中那样，功率转换器包括 变压器TR21，它具有带原边绕组的原边侧和带副边绕组的副边侧，原边侧与副边侧之间具 有绝缘势垒。电压源Vin设置成向原边绕组提供输入电压。采取MOSFET形式的开关元件 T21设置在电压源与原边绕组的一端之间，以便控制变压器的功能。如本领域中常见的，采 取二极管形式的整流元件Dll通过其阴极连接到第二绕组。为了在副边侧取样输入电压，结合副边绕组设置了多个组件。在副边绕组的正极 端，第二二极管D21通过其阳极连接到该绕组。在阴极，串联连接第一电阻器R1。电容器 C13的第一端连接在电阻器Rll的另一端。电容器C13的第二端连接到副边绕组的负极端， 即连接到输出电压Vcc。参考电压节点Uff则连接到偏移补偿系统，如上文参照图3和图 4所述，偏移补偿系统设计成吸取大到足够使电容器C3耗尽的电流。在正向转换器的情况 下，这通过调整信号电平(level)的电阻分压器来进行。图6a_6d示出在电路不同点的电压如何随时间变化的模拟。图6a示出参考电压 Uff与输出电压Ucc之间的电压差，即能量存储器件C3上的电压。所看到的纹波由晶体管T2和T3的开关以及从变压器Tl对C3的充电而引起。图6b示出在第三晶体管的漏极与第一二极管Dl的连接点、即图加和图2b中表 示为Usw的点处的电压。该图示出回授转换器的行为。正向型转换器将具有相似外观，但 是，如果按照图2b所示设置，则平均电压为零，即不存在Ucc偏移。图6c示出第二晶体管T2的栅极电压、即图加和图2b中表示为Utrig的点与输 出电压Ucc之间的电压差。这是使第二晶体管T2导通并且对C2+CissT3充电的信号。图6d示出第三晶体管T3的栅电压、即图加和图2b中表示为化膽？的点与参考 电压Uff之间的电压差。这个信号指示晶体管T3何时导通。可以看到，在这个信号与变压 器电压的上升沿之间存在少许延迟。这足以避免取样到开关节点Usw中的振铃(ringing)。图7a示出至变压器原边侧的输入电压Vin随时间的变化。图7b示出在副边侧使 用根据本发明实施例的电路的参考电压Uff相对输出电压Ucc随时间的变化。图7c示出 现有技术系统中参考电压Uff相对输出电压Ucc随时间的变化。现有技术系统按照参考电 压节点上的纹波与取样器匹配的方式来确定尺寸，也就是说，它对于高准确度来确定尺寸， 而不是具有高带宽。相同的时间标度(scale)用于所有三个附图。可以看到，图7b中的曲 线反映图7a中的曲线，比图7c中的曲线好许多。
权利要求
1.一种包括变压器(TRl)的隔离式功率转换器，所述变压器(TRl)具有包括向其施加 原边电压的原边绕组的原边侧、包括设置成反映所述原边电压并且提供输出电压(Vcc)的 副边绕组的副边侧以及所述原边侧与副边侧之间的绝缘势垒，并且以在所述副边侧的所反 映原边电压相对地具有正电位的方式设置，所述转换器特征在于，它包括设置成使第二晶体管0 与所述副边绕组上的电压相 关地导通的求导网(Cl，R1)，所述第二晶体管的源极连接到所述副边绕组的负极端，第三 晶体管CH)的漏极还连接到所述副边绕组的正极端，第二电容器(以)和第二电阻器(R2) 连接在所述第三晶体管CH)的栅极与源极之间，第三电阻器(旧)连接在所述第二电阻器 (R2)与所述第二晶体管(1 的漏极之间，第三电容器(O)连接在所述第二晶体管(T2) 和第三晶体管CH)的源极之间以便在所述第三电容器(O)的一个端子提供第一输出电压 (Ucc)并在所述第三电容器(O)的另一端子提供第二输出电压(Uff)。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中，所述求导网(Cl，Rl)设置成使所述第二晶 体管(1 在变压器电压的上升沿期间导通。
3.如权利要求1或2所述的功率转换器，其中，整流元件是二极管(Dl)，所述二极管通 过其阴极连接到所述副边绕组的正极端。
4.如权利要求3所述的功率转换器，其中，所述求导网包括连接在所述副边绕组的正 极端与所述第二晶体管0 的栅极之间的第一电容器(Cl)以及连接在所述第二晶体管 (T2)的栅极与所述副边绕组的负极端之间的第一电阻器(Rl)。
5.如以上权利要求中任一项所述的功率转换器，还包括偏移补偿电路，用于去除所 述第二电压输出(Uff)的偏移。
6.如权利要求5所述的功率转换器，其中，所述偏移补偿电路包括第一双极晶体管 (T4)，所述第四晶体管(T4)的基极连接到所述第一输出电压(Ucc)，所述第四晶体管(T4) 的发射极通过第四电阻器(R4)连接到所述第二输出电压，以及所述第四晶体管的集电极 通过第五电阻器(肪)连接到地，参考地电平在所述第四晶体管(T4)的集电极上提供。
7.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换器，其中，所述偏移补偿电路包括差分放 大器(Ul)，所述差分放大器(Ul)的非反相输入通过第六电阻器(R6)连接到所述第二电压 输出端(Uff)并且通过第七电阻器(R7)连接到地，所述差分放大器的反相输入通过第九电 阻器(R9)连接到所述第一电压输出(Ucc)，以及第八电阻器(R8)从所述反相输入连接到所 述差分放大器Ul的输出，所述差分放大器Ul的输出提供参考地电压UffGNDRef。
8.如以上权利要求中任一项所述的功率转换器，其中，齐纳二极管设置在所述第二晶 体管0 的栅极与源极之间，以便增加可由所述第二晶体管处理的输入电压范围。
9.如以上权利要求中任一项所述的功率转换器，其中，齐纳二极管设置在所述第三晶 体管CH)的栅极与源极之间，以便增加可由所述第三晶体管处理的输入电压范围。
全文摘要
一种包括变压器(TR1)的隔离式功率转换器，变压器以在副边侧的所反映原边电压相对地具有正电位的方式设置，所述转换器包括设置成使第二晶体管(T2)与副边绕组上的电压相关地导通的求导网(C1，R1)，第二晶体管的源极连接到副边绕组的负极端，第三晶体管(T3)的漏极还连接到副边绕组的正极端，第二电容器(C2)和第二电阻器(R2)连接在第三晶体管(T3)的栅极与源极之间，第三电阻器(R3)连接在第二电阻器(R2)与第二晶体管(T2)的漏极之间，第三电容器(C3)连接在第二晶体管(T2)和第三晶体管(T3)的源极之间以在第三电容器(C3)的一个端子提供第一输出电压(Ucc)并在第三电容器(C3)的另一个端子提供第二输出电压(Uff)。
文档编号H02M3/335GK102067427SQ200880129982
公开日2011年5月18日 申请日期2008年6月17日 优先权日2008年6月17日
发明者M·阿佩尔伯格 申请人:爱立信电话股份有限公司