用于减少辅助变压器绕组匝数的系统和方法与流程

用于减少辅助变压器绕组匝数的系统和方法
1.交叉引用相关申请
2.本技术要求2021年8月27日提交的名为“用于宽输出电压隔离式dc-dc换流器的电源电路”的中国专利申请号202110994393.2(代理人案号096868-1266940-006500cnp)和2021年11月12日提交的名为“用于减少变压器中辅助绕组匝数的系统和方法”的美国临时专利申请号63/263,991(代理人案号096868-1266942-006500usp)的优先权，所述全部文献的内容均通过引用方式完整并入用于本文全部目的。
技术领域
3.所述实施方案总体上涉及功率变流器中使用的变压器，并且更具体地，本发明实施方案涉及用于减少辅助变压器中绕组匝数的系统和方法。
4.发明背景
5.电子设备如计算机、服务器和电视连同其他等利用一个或多个电功率转换电路使一种形式的电能转换成另一种形式。某些电功率变流电路使用一种称作半桥式换流器的电路拓扑结构使高dc电转换压较低dc电压。由于许多电子设备对功率转换电路的尺寸和效率敏感，故而新的功率变流器可以为新电子装置提供相对较高的效率和较小的尺寸。


技术实现要素：

6.在一些实施方案中，公开了一种电路。该电路包括变压器、二极管和电容器，其中所述变压器具有初级绕组、次级绕组和具备第一末端与第二末端的辅助绕组，所述二极管具有负极和正，所述正极耦合于辅助绕组的第一末端，所述电容器具有耦合于辅助绕组第二末端的第一端子和耦合于负极的第二端子。
7.在一些实施方案中，二极管是第一二极管并且电路进一步包含具有第二正极和第二负极的第二二极管，所述第二正极耦合于电容器的第二端子。
8.在一些实施方案中，该电路进一步包含具有第三正极和第三负极的第三二极管，所述第三正极耦合于电容器的第一端子。
9.在一些实施方案中，该电路进一步包含具有栅极端子、漏极端子和源端子的开关。
10.在一些实施方案中，漏极端子耦合于第二负极并且源端子耦合于第三负极。
11.在一些实施方案中，栅极端子耦合于齐纳二极管。
12.在一些实施方案中，该电路进一步包含在栅极端子和第二负极之间耦合的电阻器。
13.在一些实施方案中，开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。
14.在一些实施方案中，开关是双极结型晶体管(bjt)。
15.在一些实施方案中，公开了一种电路。该电路包括变压器、二极管和电容器，其中所述变压器具有初级绕组、次级绕组和第一与第二辅助绕组，所述第一辅助绕组具备第一末端与第二末端，所述二极管具有负极和正，所述正极耦合于第一辅助绕组的第一末端，所述电容器具有耦合于第一辅助绕组第二末端的第一端子和耦合于负极的第二端子。
16.在一些实施方案中，第二辅助绕组的第一末端耦合于第二辅助绕组。
17.在一些实施方案中，二极管是第一二极管并且电路进一步包含具有第二正极和第二负极的第二二极管，所述第二正极耦合于电容器的第二端子。
18.在一些实施方案中，该电路进一步包含具有第三正极和第三负极的第三二极管，所述第三正极耦合于电容器的第一端子。
19.在一些实施方案中，该电路进一步包含具有栅极端子、漏极端子和源端子的开关。
20.在一些实施方案中，漏极端子耦合于第二负极并且源端子耦合于第三负极。
21.在一些实施方案中，栅极端子耦合于齐纳二极管。
22.在一些实施方案中，该电路进一步包含在栅极端子和第二负极之间耦合的电阻器。
23.在一些实施方案中，开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。
24.在一些实施方案中，开关是双极结型晶体管(bjt)。
25.在一些实施方案中，电路设置在初级绕组接收输入电压并且在第三负极生成输出电压，输出电压大幅度低于输入电压。
26.附图简述
27.图1显示具有根据本公开实施方案的辅助功率电路的隔离式dc-dc功率变流电路；
28.图2显示根据本公开实施方案的适于低电压输出应用的隔离式dc-dc功率变流器电路；
29.图3显示具有辅助功率电路的隔离式dc-dc功率变流电路，其中辅助绕组可以根据本公开的实施方案分成两个分立绕组；并且
30.图4显示具有根据本公开实施方案的两个辅助绕组的适于低电压输出应用的隔离式dc-dc功率变流器电路。
31.发明详述
32.本文公开的电路、结构和相关技术总体上涉及功率变流器。更具体地，本文公开的电路、结构和相关技术涉及用于减少功率变流器内使用的辅助变压器中绕组匝数的系统和方法。在一些实施方案中，辅助绕组匝数减少可以为变压器的初级绕组提供更多空间。这可以降低初级绕组的dc电阻，导致功率变流器的效率总体改进。在多种实施方案中，用于减少变压器中辅助绕组匝数的系统和方法可以大幅度降低功率变流器内部节点的最大电压。以这种方式，可以实现功率变流器中dv/dt降低，导致功率变流器的电磁干扰(emi)屏蔽要求降低，因此节省系统成本。
33.功率变流器的内部节点的最大电压降低可以降低功率变流器组件(如晶体管、二极管和电容器)的额定电压技术标准，通过实现利用额定电压较低的组件而导致进一步节省成本。在多种实施方案中，用于减少变压器中辅助绕组匝数的系统和方法可以在隔离式dc-dc功率变流器中用来改进功率变流器的效率及降低系统成本。在一些实施方案中，本文公开的电路、结构和相关技可以允许隔离式dc-dc功率变流器具有相对宽的输出电压范围。这可以可用于诸多应用，如但不限于便携设备和笔记本电脑充电。本文中描述了本发明的多种实施方案，包括方法、过程、系统、装置等。
34.现在将相对于附图描述数个说明性实施方案，所述附图形成其部分。后续描述仅提供了实施方案并且不意在限制本公开的范围、适用性或布局。相反，对实施方案的后续描
述将为本领域技术人员提供执行一个或多个实施方案的可实现描述。可以理解，可以在元件的功能和排列方面做出多种变化而不背离本公开的精神和范围。在以下描述中，出于解释目的，阐述具体细节，以提供对某些发明实施方案的透彻理解。然而，显而易见，多种实施方案可以在没有这些具体细节的情况下实施。附图和描述不意在为限制性。词“例子”或“示例性”在本中用来意指“充当例子、范例或说明”。本文作为“示例性”或“例子”所述的任何实施方案或设计并不必然地解释为优选或相对于其他实施方案或设计有利。
35.图1显示具有根据本公开实施方案的辅助功率电路的隔离式dc-dc功率变流电路100。如图1中所示，隔离式dc-dc功率变流器电路100可以包括主电路101和辅助功率回路103。隔离式dc-dc功率变流器电路100可以包括具有初级侧绕组102、磁芯110、次级侧绕组104和辅助绕组105的变压器。辅助绕组105可以具有耦合于连接节点111的第一末端和耦合于接地136的第二末端。初级侧绕组102可以具有众多绕组匝数np和次级侧绕组104可以具有众多绕组ns。变压器可以在输入回路106和输出回路108之间提供隔离。辅助绕组105可以形成辅助电源。归因于电磁感应，辅助绕组105可以从次级侧绕组104获得能量。以这种方式，辅助功率电路103可以用来在内部组件如控制ic和栅极驱动器ic的节点129(v
提供
)提供能量。
36.本公开的实施方案可以在进入功率变流器的输入电压(v
输入
)显著变化或功率变流器的输出电压(v
输出
)显著变化时防止功率变流器中的关闭或超电压状况。在诸多应用如便携设备或笔记本电脑充电应用中，进入功率变流器的输入电压(v
输入
)可以变化，例如，从100v变成400vac，并且变流器的输出电压(v
输出
)可以变化，例如，从3.0v变成20v。如获得本技术益处的本领域技术人员领会，这些电压范围为例子并且可以使用其他合适的电压范围。在一些实施方案中，隔离式dc-dc功率变流电路100可以提供相对广的输出电压范围，例如，从3.0v至20v的输出电压范围，同时为功率变流器的内部组件提供稳定电源。
37.辅助功率回路103可以包括充电电路112。在一些实施方案中，充电电路112可以包括电容器118和二极管116。电容器118可以在连接节点111耦合于辅助绕组105。辅助功率电路103还可以包括与电容器118及与二极管116连接的二极管120。辅助功率电路103还可以包括与电容器118和辅助绕组105连接的二极管122。布置二极管120和122以在节点129处按辅助功率电路103的输出提供整流功率(v
提供
)。可以在二极管122和接地之间连接电容器124。电容器128可以在节点129和接地之间连接以在节点129存储v
提供
能量。节点129也可以与调节器142的输出连接。在一些实施方案中，调节器142可以包括开关130和电阻器134。在多种实施方案中，开关130可以是mosfet。在一些实施方案中，开关130可以是n型mosfet。当节点145处电压高时，开关130可以接通并且在节点145至节点129处通过电压。开关130的栅极可以与齐纳二极管132连接。齐纳二极管132可以具有击一个击穿电压，所述击穿电压可以例如范围从12v至18v。齐纳二极管132可以防止节点129处电压超过预设值，即齐纳二极管132的击穿电压。辅助功率电路103可以称作接地节点136。
38.可以将脉冲宽度调制(pwm)信号151经驱动初级侧电感器102的输入电路106馈入隔离式dc-dc功率变流电路100。当pwm信号高时，初级侧绕组102中的电流可以增加。这个可以诱导辅助绕组105充电。当辅助绕组105充了电时，二极管116可以导通。这个导致电容器118充电并且电压v
存储
跨电容器118形成。归因于基尔霍夫电压定律，跨辅助绕组105的电压大约等于v
存储
。跨电容器118的电压(v
存储
)可以在节点123产生相对高的电压(v
高
)。v
高
引起二
极管120导通。这可以接通调节器142并且使电容器128充电(v
提供
)。v
提供
可以用于给功率变流电路中的组件如控制ic和栅极驱动器ic供电。因此，通过纳入与辅助绕组105串联的电容器118，产生独立的高电压节点123，同时不影响节点125处的电压(v
低
)。进一步，通过产生高电压节点123，还可以降低辅助绕组105中的匝数，原因在于在节点123产生高电压需要较少匝。
39.当pwm低时，次级侧绕组104引起辅助绕组105充电。二极管116关断，而二极管122或二极管120导通并且使电容器128充电。在这个时间期间，辅助绕组105可以按反激模式工作。跨电容器126的电压可以大致等于跨电容器118的电压(v
存储
)外加跨辅助绕组105的电压。节点电压v
高
，v
低
和v
存储
的值由以下等式给出：
[0040][0041][0042][0043]
其中n
辅助
和ns分别是辅助绕组匝数和次级绕组匝数，n
辅助-c
是使电容器118充电的辅助绕组的有效匝数。在这个例子中，n
辅助-c
＝n
辅助
。n
p
是初级绕组的匝数，v
输出
是输出电压，并且v
输入
是输入电压。因此，v
高
由以下等式给出：
[0044][0045]
如等式4中可以见到，v
高
取决于次级绕组的匝数ns和初级绕组的匝数np。v
高
用来使v
提供
充电y。因此，在每个pwm循环中向v
提供
供能量。当跨次级侧绕组的电压v
输出
高时，v
提供
经二极管122由节点125供应。当v
输出
低时，v
提供
经二极管120由节点123供应。因此，无论v
输出
在辅助功率电路103中高或低，v
提供
均可以获得足够能量。以这种方式，辅助绕组105中可以使用减少的绕组匝数。
[0046]
现在转向图2，根据本公开的实施方案，显示一个类似于dc-dc功率变流器电路100的隔离式dc-dc功率变流电路200，然而图1中的开关130已为npn双极性晶体管230所替换。这个实施方案可以适合于相对低的输出电压应用。在所示的实施例中，npn双极性晶体管230和二极管232用来形成调节器142。npn双极性晶体管230可以具有相对低的导通电压，所述导通电压等于其集电极至发射极电压(vce)。npn双极性晶体管230的跨集电极至发射极低电压降可以减少从节点145至节点129至的电压降。因此，节点129可以下探至相对低的输出电压(例如，3.3v)运行。这种低输出电压可以用于诸多应用，如但不限于，便携设备或笔记本电脑充电。
[0047]
现在转向图3，根据本公开的实施方案，显示一个类似于dc-dc功率变流器电路100的隔离式dc-dc功率变流电路300，然而辅助绕组已经分成两个分立绕组。在所示的实施例中，辅助绕组可以包括第一辅助绕组305(匝数为n
辅助1
)和第二辅助绕组307(匝数为n
辅助2
)。第一辅助绕组305可以在连接节点311处耦合于第二辅助绕组307。充电电路312可以包括第一
辅助绕组305、电容器118和二极管116。电容器118可以在连接节点111耦合于第一辅助绕组305。二极管116的正极可以耦合于连接节点311并且二极管116的负极可以耦合于电容器118。在这个实施方案中，在电容器118上所储存能量的量可能减少，原因是第一辅助绕组305(绕组相对较少)与电容器118连接，导致节点123处电压相对较低。在这个实施方案中，v
存储
由以下等式给出：
[0048][0049]
因此，可以通过调整第一辅助绕组305中的匝数n
辅助1
调节v
存储
。在这个实施方案中，辅助绕组中的总匝数可以减少并且节点123处的电压可以降低。123节点处电压的降低允许组件(如二极管120、开关130、电容器128和二极管116)的最大额定电压降低，因此节省系统成本和系统尺寸。
[0050]
当使用第一辅助绕组305作为充电电路312中的充电辅助绕组时，给出n
辅助-c
＝n
辅助1
和因此节点123处的电压幅值v
高
由以下等式给出：
[0051][0052]
其中n
辅助
＝n
辅助1
+n
辅助2
。因此，相对较低的电压可以在节点123处获得，原因是等式6中的第二项在可能较低。如本领域技术人员领会，这种将辅助绕组分成分立绕组的方法可以扩展成将辅助绕组分成三个或更多个绕组，旨在功率变流器获得减少辅助绕组总数并且获得更高效率。
[0053]
现在转向图4，根据本公开的实施方案，显示一个类似于dc-dc功率变流器电路300的隔离式dc-dc功率变流电路400，然而开关s1已为npn双极性晶体管430所替换。这个实施方案可以适合于相对低的输出电压应用。在所示的实施例中，npn双极性晶体管430和二极管432可以用来形成调节器442。npn双极性晶体管430可以具有相对低的导通电压，所述导通电压等于其集电极至发射极电压(vce)。npn双极性晶体管430的跨集电极至发射极低电压降可以减少从节点145至节点129至的电压降。因此，节点129可以下探至相对低的输出电压(例如，3.3v)运行。这种低输出电压可以用于诸多应用，如但不限于，便携设备或笔记本电脑充电。
[0054]
在一些实施方案中，本文所公开的结构、电路和技术的组合可以用来实现减少变压器辅助绕组数。虽然相对于一个具体的变压器构型描述并且说明了结构、电路和方法，但本公开的实施方案适合于减少其他变压器构型(如，但不限于，平面变压器和非平面变压器)中的绕组数，以提高效率并且降低系统成本。
[0055]
在前述说明书中，已经参考可能在各实施间变动的多种具体细节描述了本公开的实施方案。本说明书及附图因此应按示意性而非限制意义看待。本公开范围的唯一和排他性指标和申请人意在作为本公开范围，是从本技术生成的权利要求集合的字面和等同范围，所述权利要求集合处于这类权利要求发布的特定形式，包括任何后续修订。具体实施方案的具体详情可以按任何适合方式组合而不脱离本公开的实施方案的精神和范围。
[0056]
另外，空间相对性术语，如“底部或“顶部”等可以用来描述要素和/或特征相对于另一要素和/或特征的关系，例如，如附图中所示。应当理解，除附图中所述的取向之外，空间相对性术语意在涵盖装置在使用和/或运行中的不同取向。例如，如果附图中装置翻转，
则描述为“底”面的要素则可以在其他要素或特征“上方”取向。该装置可以另行取向(例如，转动90度或处于其他取向)并且本文所用的空间相对性描述符因此加以解读。
[0057]
如本文所用的术语“和”、“或”和“和/或”可以包括多种含义，所述含义预计也至少部分取决于使用这类术语的语境。一般地，“或”若用来结合某列表如a、b或c，则意指在此以包容性意义使用的a、b和c，，以及在此以排他性意义使用的a、b或c。另外，如本文所用的术语“一个或多个”可以用来描述单数的任何特征、结构或本征或可以用来描述诸特征、结构或本征的某种组合。然而，应当指出，这仅是示意性例子并且要求保护的主题不局限于这个例子。另外，术语
“……
至少一者”若用来结合某列表如a、b或c，可以解读成意指a、b和/或c的任何组合，如a、b、c、ab、ac、bc、aa、aab、abc、aabbccc等。
[0058]
在本说明书通篇范围内对“一个例子”、“某例子”、“某些例子”或“示例性实施”的谈及意指，联系特征和/或例子所描述的具体特征和/或本征可以纳入要求保护的主题的至少一个特征和/或例子中。因此，在本说明书通篇范围内多个位置出现短语“在一个例子中”、“某例子”、“在某些例子中”、“在某些实施中”或其他等并不必然地都指相同的特性、例子和/或限制。另外，具体特点、结构或本征可以在一个或多个例子和/或特征中组合。
[0059]
在前述详细描述中，已经阐述众多具体细节以提供对要求保护的主题的透彻理解。但是，本领域技术人员将理解，要求保护的主题可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，将为普通技术人员已知的方法和装置尚未如此详述，从而并不混淆要求保护的主题。因此，要求保护的主题意在不应限于公开的具体例子，要求保护的这类主题反而还可以包括落在所附权利要求及其等同物之范围内的所有方面。