DC-DC变换器及包括其的两级功率变换器的制作方法

本发明涉及一种dc-dc变换器及包括其的两级功率变换器(two-stagepowerconverter)，更详细地，涉及一种变换器，其可以降压及升压，并且，当其与总线变换器(busconverter)结合而构成两级功率变换器时，可以通过共用开关来减少开关的数量。

背景技术：

在非隔离式dc-dc变换器中，被广泛使用的变换器有降压变换器(buckconverter)、升压变换器(boostconverter)以及降压-升压变换器(buck-boostconverter)等。

降压变换器为降压(step-down)型变换器，其只能在输出电压低于输入电压的条件下使用，升压变换器为升压(step-up)型变换器，其只能在输出电压高于输入电压的条件下使用。

降压变换器或升压变换器需要宽的输入电压范围和宽的输出电压范围，因此，当输出电压比输入电压大或小的情况都存在时，存在难以使用降压变换器或升压变换器的缺点。并且，降压-升压变换器可以升压和降压，但输出电压相对于输入电压反向(reversed)并输出负电压，因此，在需要正电压时，存在难以使用降压-升压变换器的缺点。

为了克服上述缺点，一直使用了利用4个有源开关的降压-升压变换器，其不仅可以升压及降压，且输出也不会反向。其可以构成为降压变换器或升压变换器，由于其功率转换效率高，因此近年来被广泛使用。

然而，现有的降压-升压变换器当在输入电压和输出电压具有相同值的临界点，将降压变换器转换为升压变换器或者将升压变换器转换为降压变换器时，为了控制稳定的输出电压，需要单独的ic元件来实现平滑过度(smooth-transition)，而且需要采用较为复杂的控制方法。

另一方面，当需要具有宽的输入/输出电压的可调范围及高功率转换效率的隔离式变换器时，通常，会将使用4个有源开关的降压-升压变换器以级联(cascade)方式连接于总线变换器(busconverter)来构成两级功率变换器。

此时，所使用的总线变换器的典型示例有半桥变换器、全桥变换器、正-反激变换器(forward-flybackconverter)、llc谐振变换器(llcresonantconverter)等，其以常规固定频率及0.5的固定占空比动作而实现驱动。

然而，由降压-升压变换器(使用4个有源开关)及总线变换器(变压器一次侧的主开关包括半桥结构或全桥结构)构成的两级功率变换器需要过多的开关元件，因此存在电路结构复杂且价格竞争力低的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种降压-升压变换器，其可以无需单独的元件或复杂的控制的情况下，在输入电压和输出电压相同的临界点实现升压及降压。

另外，本发明的目的在于提供一种两级功率变换器，其包括根据本发明一实施例的降压-升压变换器；及变压器一次侧的开关由半桥或全桥结构构成的总线变换器，其在减少上述两级功率变换器的一次侧开关的数量的情况下，能够实现升压及降压。

技术方案

作为本发明的一实施例，可以提供一种能够降压及升压的dc-dc变换器。

根据本发明一实施例的dc-dc变换器包括多个有源开关，在多个有源开关中的一部分可以以可调占空比d进行动作，剩余的有源开关可以以固定占空比进行动作。

另外，可以基于可调占空比d确定dc-dc变换器的输入/输出电压变换比，并且可以通过调节可调占空比d控制dc-dc变换器100的输出。

dc-dc变换器的多个有源开关可以是第一开关m1，第二开关m2，第三开关m3及第四开关m4的4个有源开关，dc-dc变换器可以包括第一电感器。

另外，第二开关可以由二极管代替，该二极管为手动开关。

另外，dc-dc变换器可以构成为降压-升压变换器，当第二开关为有源开关时，第一开关及第二开关可以分别以d及1-d的可调占空比交替地进行动作，第三开关及第四开关可以分别以0.5的固定占空比交替地进行动作，并且在降压-升压变换器的输入电压和输出电压相同的时间点，可以执行降压变换器及升压变换器彼此之间的动作变换。

在根据本发明一实施例的dc-dc变换器中，第一开关及第二开关的驱动频率可以与第三开关及第四开关的驱动频率不同，并且第一开关及第二开关的相位可以与第三开关及第四开关的相位不同。

作为本发明的另一个实施例，可以提供一种两级功率变换器。

根据本发明一实施例的两级功率变换器可以包括：降压-升压变换器部，其包括根据本发明一实施例的dc-dc变换器；总线变换器部，其包括以全桥或半桥方式连接的总线变换器；以及电感器部，其连接于降压-升压变换器部及总线变换器部，并且包括至少一个电感器。当总线变换器部以全桥方式连接时，总线变换器部还可以包括第五开关m5及第六开关m6，并且降压-升压变换器部可以与总线变换器部共用降压-升压变换器部的第三开关及第四开关。

当根据本发明一实施例的总线变换器部以半桥方式连接时，第一开关及第二开关的驱动频率可以与第三开关及第四开关的驱动频率不同，第一开关及第二开关的相位可以与第三开关及第四开关的相位不同。当两级功率变换器的总线变换器部以全桥方式连接时，第一开关及第二开关的驱动频率可以与第三开关及第四开关的驱动频率不同，第一开关及第二开关的相位可以与第三开关及第四开关的相位不同。

当根据本发明一实施例的两级功率变换器的总线变换器部以全桥方式连接时，电感器部可以包括第一电感器及第二电感器，通过第一电感器及第二电感器，使在包括第三开关及第四开关的桥电路中流动的电流与在包括第五开关及第六开关的桥电路中流动的电流可以对称地流动。并且，电感器部可以包括：耦合电感器，其以电磁耦合的方式连接于降压-升压变换器部及总线变换器部。

当根据本发明一实施例的两级功率变换器10的总线变换器部200以全桥方式连接时，第三开关130及第六开关220的占空比及接通的时间点可以相同，第四开关140及第五开关210的占空比及接通(turnon)的时间点可以相同。

有益效果

无论输入电压及输出电压条件如何，根据本发明一实施的降压-升压变换器都可以实现无需平滑过度的升压及降压，从而可以简化控制方法。

另外，根据本发明一实施例的两级功率变换器可以将降压-升压变换器的开关共用为总线变换器的变压器一次侧的开关，从而能够减少开关元件的数量且简化电路的结构。

附图说明

图1示出了使用4个有源开关的降压-升压变换器的电路。

图2示出了由图1的降压-升压变换器及总线变换器构成的两级功率变换器的现有的框图。

图3a示出了用于使图1的电路运行为降压变换器(buckconverter)的现有的开关驱动信号。

图3b示出了用于使图1的电路运行为升压变换器(boostconverter)的现有的开关驱动信号。

图4a示出了根据本发明一实施例的降压-升压变换器的开关驱动信号。

图4b示出了当开关之间的驱动频率不同时，根据本发明一实施例的降压-升压变换器的开关驱动信号。

图4c示出了当存在相位差时，根据本发明一实施例的降压-升压变换器的开关驱动信号。

图5a示出了当根据本发明一实施例的第一开关的占空比为0.5以下时，开关驱动信号及施加于第一电感器的电压的波形。

图5b示出了当根据本发明一实施例的第一开关的占空比为0.5以上时，开关驱动信号及施加于第一电感器的电压的波形。

图6a示出了使用现有的降压-升压变换器及半桥方式的总线变换器的两级功率变换器的电路图。

图6b示出了使用现有的降压-升压变换器及全桥方式的总线变换器的两级功率变换器的电路图。

图7a示出了根据本发明一实施例的使用半桥方式的总线变换器的两级功率变换器的电路图。

图7b示出了根据本发明一实施例的使用全桥方式的总线变换器的两级功率变换器的电路图。

图7c示出了根据本发明一实施例的具有第一电感器及第二电感器的两级功率变换器的电路图。

图7d示出了根据本发明一实施例的具有耦合电感器(coupledinductor)的两级功率变换器的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施例，从而使本领域技术人员容易实施。然而，本发明并不限于在此说明的实施例，其可以以多种不同的形态来实现。并且，为了清楚地说明本发明，附图中省略了与说明无关的部分，而且在整个说明书中，将相似的结构要素赋予了相似的参照标记。

将简要说明本说明书中使用的术语，具体说明本发明。

本发明中使用的术语是在顾虑术语在本发明中的功能的情况下，尽可能地选择了目前被广泛使用的普通术语。但这些术语可以根据从事该领域的技术人员的意图或先例、新技术的出现而不同。另外，在特定情况下，申请人使用了任意选定的术语，在这种情况下，将在发明的说明部分详细记载其含义。因此，本发明中使用的术语应该基于本发明的全部内容及该术语的含义，而不是单纯术语的名称来进行定义。

在整个说明书中，当某部分“包括”某结构要素时，若没有特别的相反记载，则意味着并不排除其他结构要素，其还可以包括其他结构要素。并且，说明书中记载的“…部”、“模块”等术语是指可以进行至少一个功能或动作的单位，其可以通过硬件、软件或者硬件和软件的结合来实现。另外，在整个说明书中，当某部分与其他部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情况，还包括“其中间设有其他要素”而连接的情况。

在本说明书中，所谓“总线变换器”，与通过占空比(dutyratio，d)的可调或开关频率的调制来控制输出电流或输出电压的常规变换器不同，是指不执行用于控制输出电压或电流的占空比可调或如llc谐振变换器的开关频率调制的变换器，并且上述“总线变换器”不限于特定的电路结构或拓扑结构(topology)。

另外，“d”表示占空比，并且可以通过调节交替导通的开关的占空比来控制输出电压，对于各个开关方式，占空比可以具有0到1的值。

根据本发明一实施例的有源开关并不限于特定种类的开关，而是可以由通过接收外部电压或电流‘接通’及‘断开’的各种有源开关来代替。当代替使用的开关的特性中不存在并联寄生的二极管时，可能会需要与开关并联连接的单独的二极管。

另外，在向有源开关输入外部电压或电流时，为了产生以作为放大电压或电流的目的或对象的开关的源端子为基准的所需电压，可以使用附加的驱动电路。

在本说明书中，除了控制电流和电压之外，“控制方法”还可以包括特定开关方式。

降压变换器(buckconverter)为降压(step-down)型变换器，其只能在输出电压低于输入电压的条件下使用，升压变换器(boostconverter)为升压(step-up)型变换器，其只能在输出电压高于输入电压的条件下使用。

降压变换器或升压变换器需要宽的输入电压范围和宽的输出电压范围，因此，当输出电压比输入电压大或小的情况都存在时，存在难以使用降压变换器或升压变换器的缺点。并且，降压-升压变换器可以升压和降压，但输出电压相对于输入电压反向(reversed)并输出负电压，因此，在需要正电压时，存在难以使用降压-升压变换器的缺点。

为了克服上述缺点，一直使用了利用4个有源开关的降压-升压变换器，其不仅可以升压及降压，且输出也不会反向。其可以构成为降压变换器或升压变换器，由于其功率转换效率高，因此近年来被广泛使用。

然而，现有的降压-升压变换器当在输入电压和输出电压具有相同值的临界点，将降压变换器转换为升压变换器或者将升压变换器转换为降压变换器时，为了控制稳定的输出电压，需要单独的ic元件来实现平滑过度(smooth-transition)，而且需要采用较为复杂的控制方法。

以下，参照附图来详细说明本发明。

图1为使用4个有源开关的降压-升压变换器的电路，图2为由图1的降压-升压变换器及总线变换器构成的两级功率变换器的现有的框图。

图3a示出了用于使图1的电路运行为降压变换器的现有的开关驱动信号，图3b示出了用于使图1的电路运行为升压变换器的现有的开关驱动信号。

图示在图1的“vin”作为变换器的电源，其可以成为其他变换器的输出或电池(battery)，“load”作为变换器的负荷20，其可以是其他电源装置的输入电压或其他电子产品的电源或电池。

图示在图1的使用有源开关的降压-升压变换器的现有的控制方法，根据输入/输出电压条件而进行不同的动作。换句话说，如图3a所示，在始终‘接通(turn-on)’m3，并且‘断开(turn-off)’m4的状态下，交替地导通m1及m2时，降压-升压变换器作为降压变换器进行动作；如图3b所示，在始终‘接通’m1，并且始终‘断开’m2的状态下，交替地导通m3及m4时，降压-升压变换器作为升压变换器进行操作。

这种现有的控制方法通过改变开关方式来构成降压或升压变换器电路，从而能够降压及升压。然而，其存在以下缺点：在输入及输出电压相同的临界点，为了改变开关方式而需要平滑过度，而为此需要复杂的技术。

图4a示出了根据本发明一实施例的降压-升压变换器的开关驱动信号。

作为本发明的一实施例，可以提供一种能够降压及升压的dc-dc变换器100。

参照图4a，根据本发明一实施例的dc-dc变换器100包括多个有源开关。多个有源开关中的一部分可以以可调占空比d进行动作，而剩余的有源开关可以以固定占空比进行动作。

另外，可以基于可调占空比d确定dc-dc变换器100的输入/输出电压变换比，并且可以通过调节可调占空比d控制dc-dc变换器100的输出。

dc-dc变换器100的多个有源开关可以是第一开关(m1)110，第二开关(m2)120，第三开关(m3)130及第四开关(m4)140的4个有源开关，dc-dc变换器100可以包括第一电感器310。

并且，第二开关120可以由二极管代替，其中，该二极管为手动开关。

另外，dc-dc变换器100可以形成为降压-升压变换器，当第二开关120为有源开关时，第一开关110及第二开关120可以分别以d及1-d的可调占空比交替地进行动作，第三开关130及第四开关140可以分别以0.5的固定占空比交替地进行动作，并且在降压-升压变换器的输入电压及输出电压相同的时间点，可以执行降压变换器及升压变换器彼此之间的动作变换。

图4a的“d”是指m1的占空比，m3及m4可以以固定的0.5的占空比交替地导通，m1及m2可以以在0至1之间的值可调的占空比交替地导通。此时，可存在死区时间(dead-time)，其用于防止处于交替导通关系的开关之间的短路。

图4b示出了当开关之间的驱动频率不同时，根据本发明一实施例的降压-升压变换器的开关驱动信号，图4c示出了当存在相位差时，根据本发明一实施例的降压-升压变换器的开关驱动信号。

在根据本发明一实施例的dc-dc变换器100中，第一开关110及第二开关120的驱动频率可以与第三开关130及第四开关140的驱动频率不同，并且如图4c所示，第一开关110及第二开关120的相位可以与第三开关130及第四开关140的相位相差tshift。

例如，如图4b所示，m1及m2的开关频率可以是m3及m4的开关频率的2倍。

即使开关之间存在相位差或开关频率不同，对于相同的占空比而言，输入/输出电压变换比可以相同，即使在相位差和不同的开关频率同时存在的情况下，对于相同的占空比而言，输入/输出电压变换比也可以相同。

图5a示出了当根据本发明一实施例的第一开关110的占空比为0.5以下时，开关驱动信号及施加于第一电感器310的电压的波形，图5b示出了当根据本发明一实施例的第一开关110的占空比为0.5以上时，开关驱动信号及施加于第一电感器310的电压的波形。

参照图5a及图5b，根据伏秒平衡(volt-secondbalance)原理，在开关周期内，‘a’的面积和‘b’的面积可以相同。

参照图5a，当占空比为0.5以下时，可以建立数学式1。

[数学式1]

vin·d·ts＝vo·0.5·ts

另外，当占空比为0.5以上时，可以建立数学式2。

[数学式2]

vin·0.5·ts＝(vo-vin)·(d-0.5)·ts+vo·(1-d)·ts

根据数学式1和数学式2可导出相同的输入/输出电压变换比，如数学式3。

[数学式3]

在数学式3中，占空比d具有0至1之间的值，因此，输入/输出电压变换比可以是0至2之间的值。因此，根据本发明一实施例的降压-升压变换器的输入/输出电压变换比可以为1以下或1以上，从而能够实现降压及升压。

图6a示出了使用现有的降压-升压变换器及半桥方式的总线变换器的两级功率变换器的电路图，图6b示出了使用现有的降压-升压变换器及全桥方式的总线变换器的两级功率变换器的电路图。

图示在图2的两级功率变换器不会调制使用在总线变换器的有源开关的占空比及频率，而是以固定频率及0.5的固定占空比实现动作。因此，包括总线变换器的两级功率变换器可以通过使用4个有源开关的降压-升压变换器的占空比调制来控制最终输出。

另外，对于包括半桥结构的总线变换器而言，图示在图6a的m5及m6可以分别具有固定频率，并且以0.5的占空比交替地导通。而对于包括全桥结构的总线变换器而言，图示在图6b的m5可以与m8同步并以相同的时序(timing)进行动作，m6与m7同步并以相同的时序进行动作，同时以0.5的占空比交替地导通。

即，在包括半桥结构或全桥结构的总线变换器中，串联连接的2个开关可以以0.5的固定占空比交替地导通，这种动作与如上所述的根据本发明一实施例的降压-升压变换器的m3及m4的开关方式相同。

图7a示出了根据本发明一实施例的使用半桥方式的总线变换器的两级功率变换器10的电路图，图7b示出了根据本发明一实施例的使用全桥方式的总线变换器的两级功率变换器10的电路图。

参照图7a，根据本发明一实施例的两级功率变换器10可以包括：降压-升压变换器部100，其包括根据本发明一实施例的dc-dc变换器100；总线变换器部200，其包括以全桥或半桥方式连接的总线变换器；以及电感器部，其连接于降压-升压变换器部100及总线变换器部200，并且包括至少一个电感器。当总线变换器部200以全桥方式连接时，总线变换器部200还可以包括第五开关210及第六开关220，并且降压-升压变换器部100可以与总线变换器部200共用降压-升压变换器部100的第三开关m3及第四开关m4。

因此，当使用4个有源开关的降压-升压变换器不是以图示在图3a或图3b的开关方式进行开关，而是根据本发明一实施例以如图4a至图4c所示的方式进行开关时，则可以将图示在图1的降压-升压变换器的m3及m4用作总线变换器的有源开关，因此，对于实现包括总线变换器的两级功率变换器10而言，可以具有减少有源开关数量且简化电路的优点。

如图7b所示，根据本发明一实施例的两级功率变换器10的第一电感器310可以连接于由有源开关m3及m4构成的桥电路(bridge)，并且，也可以连接于由有源开关m5及m6构成的桥电路。

当根据本发明一实施例的总线变换器部200以半桥方式连接时，第一开关110及第二开关120的驱动频率可以与第三开关130及第四开关140的驱动频率不同，第一开关110及第二开关120的相位可以与第三开关130及第四开关140的相位不同。当两级功率变换器10的总线变换器部200以全桥方式连接时，第一开关110及第二开关120的驱动频率可以与第三开关130及第四开关140的驱动频率不同，第一开关110及第二开关120的相位可以与第三开关130及第四开关140的相位不同。

图7c示出了根据本发明一实施例的具有第一电感器310及第二电感器320的两级功率变换器10的电路图，图7d示出了根据本发明一实施例的具有耦合电感器330的两级功率变换器10的电路图。

当根据本发明一实施例的两级功率变换器10的总线变换器部200以全桥方式连接时，电感器部可以包括第一电感器310及第二电感器320，并且，通过第一电感器310及第二电感器320在包括第三开关130及第四开关140的桥电路中流动的电流和在包括第五开关210及第六开关220的桥电路中流动的电流可以对称地流动。此时，第一电感器310及第二电感器320可以具有相同的电感值。

另外，电感器部可以包括耦合电感器(coupled-inductor)330，其以电磁耦合(electromagneticcoupling)的方式连接于降压-升压变换器部110及总线变换器部200，此时，2个绕组线可分别具有相同的电感值。

当根据本发明一实施例的两级功率变换器10的总线变换器部200以全桥方式连接时，第三开关130及第六开关220的占空比及接通的时间点可以相同，第四开关140及第五开关210的占空比及接通的时间点可以相同。

本发明的一实施例还可以以包括能由计算机执行的指令的记录介质(如可由计算机实现的程序模块)的方式实现。计算机可读介质可以是能够由计算机访问的任意可用介质，其包括易失性及非易失性介质、可移动型及不可移动型介质。另外，计算机可读介质可以包括计算机存储介质及通信介质。计算机存储介质可以包括以用于存储信息(例如，计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任意方法或技术实现的易失性及非易失性、可移动型及不可移动型介质。通信介质典型地包括传递计算机可读指令、数据结构、程序模块、或任意信息的介质。

上述本发明的说明是示例性的，本领域的技术人员能够理解：在不改变本发明的技术思想或必要特征的情况下，可以容易地修改为其他具体形式。所以应该理解：在上文所述的实施例在整体上是示例性的，不是限定性的。例如，以单个形式描述的各个结构要素可以以分散的形式实施，类似地，以分散形式描述的结构要素可以以结合的形式实施。

相比上述详细说明，本发明的范围应当由所述的专利权利要求书限定，并且，应解释为：从专利权利要求书的含义、范围以及其同等概念导出的所有改变或变形的形态均包含在本发明的范围内。