专利名称：开关模式变换器和启动开关模式变换器的方法
技术领域：
本发明涉及具有直接能量传递拓扑的开关模式变换器以及启动这种开关模式变 换器的方法。
背景技术：
要提高开关模式变换器的效率，次级侧整流元件已经逐渐从二极管改成 mosfet (金属氧化物半导体场效应晶体管)(同步整流)。这提高变换器的效率，并且改善动 态性能。用作整流元件(传统上会使用二极管)的mosfet称作同步mosfet。所述mosfet 在原本二极管应该导通时导通。Mosfet用作整流元件显著降低高电流应用中的损耗。在启动期间，一个缺点是mosfet在两个方向发送电流的能力。如果变换器的输出 在变换器启动时已经被偏置(电压存在于输出上)，则这是一个问题。如果在启动期间没有 考虑这种情况，则输出将被拉到由内部参考所规定的电平，这可能损坏附连的装置。要避免 这种情况，参考必须设置到与输出对应的值，或者变换器的启动必须延迟，直到参考已经达 到正确值。对这个问题的典型解决方案涉及通过斜升栅极电压来渐进地启动同步整流器， 以便实现预期性能。例如在国际专利公布NO.W02007/061369中提出这种解决方案。例如，在国际专利公布No. W02006/076642中针对上述缺点。这个文档提出如何针 对低于变换器的输出端上的标称输出的现有电压来启动的解决方案。电源的工作周期通过 测量输入和输出电压并且使导通延迟到参考电压与输出电压匹配时来确定。US2005/0212500 Al 也针对这个问题。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的一个目的是提供用于变换器的改进的启动过程以及能够 执行这种改进的启动过程的变换器。根据本发明，这个目的通过如权利要求1所定义的开关模式电力变换器以及具有 权利要求4的特征的启动开关模式电力变换器的方法来实现。本发明的基本概念是以正确的预先计算的工作周期以及平衡电感组件中的电流 的初始脉冲串来启动变换器。因此，本发明的实施例涉及变换器的起动方法，它平衡电感组 件(去除电感组件中的偏移)。原理是简单的。在计算工作周期之后，内部参考和误差放大 器的输出被设置成对应于所计算工作周期的值，变换器启动，并且将第一脉冲减小到优选 为原始宽度的基本上50%。通过应用这种技术，用作整流元件的同步mosfet可直接导通，而无需栅极电压的 任何渐进斜升。如果输入和输出电压读数是准确的，则不会发生瞬变，也不存在内部电感组 件与输出电容器之间的任何振荡。通过本发明解决方案，微处理器实现完全消除对于延迟 同步mosfet的导通、对参考快速充电等等的模拟网络的需要。变换器还可配置成针对比所 配置输出电压更高的电压来启动。在这个条件期间，电压将以预定义的转换速度向下调节 到所配置输出。这简化了实现，并且减小所需的板面积和成本。
这与在模拟域中设计的对此问题的许多已知解决方案形成对照。设计模拟域中的 解决方案通常可提供足够的性能，但是常常要求比较复杂的启动网络以实现这一点(网络 越复杂，则启动越好)。它们也没有考虑电感组件的初始磁化。数字控制器的引入显著地简 化这个方面。
图1示出其中可应用本发明方法的电力变换器。图2a_2d示出施加到图1所示的变换器的现有技术控制信号的效果。图3a_3d示出施加到图1的变换器的根据本发明的一个实施例的控制信号的效^ ο图如和图4b示出当施加根据本发明的一个实施例的控制信号时，磁化电流对电 力变换器的变压器的影响。图fe和图恥示出当施加根据现有技术的控制信号时，磁化电流对电力变换器的 变压器的影响。图6a和图6b示出本发明的启动过程对输出电压的影响。
具体实施例方式图1示出硬切换全桥变换器。变换器包括变压器Ml，变压器Ml具有包括初级绕组 的初级侧和包括次级绕组的次级侧。在初级绕组上，采取mosfet T1、T2的形式的第一和第 二开关元件通过第二开关元件Τ2的漏极和第一开关元件Tl的源极互连。互连的源极和漏 极连接到初级绕组的一端。第三和第四开关元件Τ3、Τ4通过第四开关元件Τ4的漏极和第 三开关元件的源极互连，并且互连的源极和漏极连接到初级绕组的另一端。第一开关元件 Tl与第三开关元件Τ3的漏极互连，并且第二开关元件Τ2与第四开关元件Τ4的源极互连。 在互连的源极与互连的漏极之间施加输入电压。控制信号DPWMAO控制Tl和Τ4，并且控制 信号DPWMAl控制Τ2和Τ3。所述的桥连接在变压器Ml上产生平衡的脉冲宽度调制的推挽 信号。在次级侧，第五mosfet T5的漏极连接到次级绕组的一端。第五mosfet T5的源 极连接到负输出电压-OUT。电压源连接在地与第五mosfet的栅极之间，向T5的栅极提供 控制信号DPWMB1。第六mosfet T6的漏极连接到次级绕组的另一端。第六mosfet T6的源极连接到 负输出电压-OUT。电压源连接在地与第六mosfet的栅极之间，向T6的栅极提供控制信号 DPWMBO。所述的桥在负输出电压-OUT与次级绕组的中心抽头之间产生脉冲宽度调制的信 号。这个信号由第一电感器Ll和第一电容器Cout平均成DC，它在正输出端子+OUT与负输 出端子-OUT之间生成输出电压。根据本发明，微处理器用于控制这些控制电压DPWMAO、DPWMA1、DPWMBO和DPWMB1。虽然图1所示的示例变换器是硬切换全桥变换器，但是应当理解，本发明原理可 适用于具有直接能量传递拓扑的任何类型的变换器，包括但不限于正向、桥式、降压和推挽 变换器。
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根据本发明的一个实施例，第一和第三控制信号DPWMAO、DPWMBO的上升沿被修改 以去除电感组件中的偏移。这在图和图3a-3d中示出。根据本发明的一个实施例， 图加示出正常操作期间的第一控制信号PWDMA0，而图3a示出启动期间的第一控制信号 PWDMAO0可以看到，除了启动时的第一脉冲之外，控制信号是相同的。在图加中，第一脉冲 具有与后续脉冲相同的脉冲宽度和定时，而在图3a中，施加减小的“半脉冲”，其上升沿在 正常操作脉冲的中间。减小的第一脉冲无需正好是它替代的正常操作脉冲的第二半。它可 设置在这个脉冲的时间之内的时间的任何位置，只要它覆盖正常脉冲的50 %。图2b和图北分别示出根据现有技术和根据本发明的第二控制信号DPWMA1。可以 看到，根据本实施例，这个信号未经修改，也就是说，信号在图2b和图北中是相同的。图2c和图3c示出用于控制第六mosfet T6的第三控制信号DPWMBO。可以看到， 信号经过修改，使得在图3c中，第二整流元件T6仅在第一开关元件Tl和第四开关元件T4 的导通时间期间，即当第一控制信号DPWMAO为高电平时才导通。图2d和图3d分别示出根据现有技术和根据本发明、用于控制第五mosfet的第四 控制信号DPWMB1。可以看到，根据本实施例，这个信号未经修改。可分别在图如和图4b中看到，当应用本发明的启动脉冲串时，对变压器Ml中的 磁化电流和电感器Ll中的纹波电流的影响，其中第一脉冲仅具有脉冲宽度的一半。所希望 的电流波形是这样的信号平均值为0，但幅度为Irippel，具有的最小幅度和最大幅度分 别为IrippeV2和-Irippel/2。如果未经补偿，则第一脉冲将生成正或负幅度Irippel。这 将对应于Irippel/2的偏移。可分别在图fe和图恥中看到，当在启动时应用正常脉冲串时，对变压器Ml中的 磁化电流和电感器Ll中的纹波电流的影响。可以看到，在正常启动期间，电感器和变压器 都获得等于纹波幅度的一半的初始偏移，并且仅在一段时间之后才得到稳定的所希望的值。图6a示出当在启动时施加根据本发明的脉冲串时对启动时的输出电压的影响， 而图6b示出没有半脉冲减小的情况下正常启动时的输出电压。在图6b所示的情况下，发 生250mV过冲。在图6a中可看到，根据本发明的一个实施例的半脉冲减小产生没有振荡或 过冲的输出电压。因此，根据本发明的一个实施例的方法包括下列步骤首先，微处理器计算变换器的工作周期。然后，通过施加控制脉冲串DPWMAO和DPWMAl来启动变换器。与脉冲串的正常脉 冲相比，第一脉冲串DPWMAO的第一脉冲具有减小的宽度。所有后续脉冲具有正常宽度。减 小的宽度优选为正常脉冲宽度的50%或者基本上50%，并且优选地通过延迟脉冲的上升 沿来实现。
权利要求
1.一种开关模式电力变换器，具有包括输出电感器Ll的至少一个电感组件和同步整 流元件(T5，T6)，所述电力变换器包括控制装置，并且其特征在于，所述控制装置被设置成 在所述电力变换器启动时，确定包括控制脉冲的正常脉冲宽度的控制信号的工作周期，并 且将初始控制信号提供给至少一个开关元件，所述至少一个开关元件被设计成平衡所述变 换器的所述至少一个电感组件中的电流。
2.如权利要求1所述的电力变换器，其中，所述控制装置被设置成提供包括第一脉冲 的所述初始控制信号，所述第一脉冲具有与所述正常脉冲宽度相比优选地减小50%的脉冲 宽度。
3.如权利要求1或2所述的电力变换器，其中，所述控制装置被设置成在所述变换器启 动时计算所述变换器的工作周期。
4.一种启动开关模式电力变换器的方法，所述开关模式电力变换器具有至少一个电感 组件，并且具有同步整流元件(T5，T6)，所述方法的特征在于下列步骤确定包括控制脉冲的正常脉冲宽度的控制信号的工作周期，以及将初始控制信号提供给至少一个开关元件，所述至少一个开关元件被设计成平衡所述 变换器的所述至少一个电感组件中的电流。
5.如权利要求4所述的方法，包括下列步骤提供具有第一脉冲的所述初始控制信号， 所述第一脉冲具有与所述正常脉冲宽度相比优选地减小50%的脉冲宽度。
6.如权利要求4或5所述的方法，包括下列步骤在所述变换器启动时计算所述控制 信号的所述工作周期。
全文摘要
为了更稳定的启动过程，开关模式电力变换器具有包括输出电感器L1的至少一个电感组件和同步整流元件(T5，T6)，所述电力变换器包括控制装置，并且其特征在于，控制装置被设置成在电力变换器启动时，确定包括控制脉冲的正常脉冲宽度的控制信号的工作周期，并且将初始控制信号提供给至少一个开关元件，所述开关元件被设计成平衡变换器的至少一个电感组件中的电流。初始控制信号优选地具有正常脉冲宽度的50％的持续时间。
文档编号H02M3/335GK102067423SQ200980123547
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月5日 优先权日2008年6月18日
发明者M·阿佩尔伯格 申请人:爱立信电话股份有限公司