双模式电压转换器及其操作方法
【专利说明】双模式电压转换器及其操作方法
[0001]优先权主张及相关专利申请案
[0002]此非临时申请案基于以下先前美国临时专利申请案主张优先权:(i) 2014年I月24日以艾萨克.科恩(Isaac Cohen)的名义申请的第61/931，324号申请案“双模式前向转换器(B1-MODAL FORWARD CONVERTER) ”;及(ii)2014年11月24日以艾萨克.科恩的名义申请的第62/083，701号申请案“双模式前向转换器(B1-MODAL FORWARD CONVERTER)”；所述申请案中的每一者全文以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]所揭示的实施例大体涉及功率转换的领域。
【背景技术】
[0004]功率转换器为用于将一个电压转换成另一电压的电装置。在大多数情况中，功率转换器取得可变电压并将所述电压转换成固定电压。在本文中论述的拓扑结构的情形中，转换器通过改变功率开关的工作循环来进行此操作。如果输入电压降低，那么控制电路增加晶体管开关的接通时间使得输出保持在所要电压。
[0005]用于将功率从一个电压转换成另一电压的拓扑结构之一为前向转换器。在此拓扑结构中，跨越变压器的绕组施加初级侧电压且通过此在变压器的次级中感应出电压。通过循环开关施加并移除跨越初级的电压。初级电压的交替施加及移除致使DC电压出现在变压器的次级上。对此电压进行整流、滤波且将其施加到跨越输出的负载。当开关接通时，跨越变压器的初级的电压VIN导致在变压器内积累磁化电流。为防止变压器失效，必须在循环的切断部分期间将此磁化电流复位到零。
[0006]用于功率转换的另一拓扑结构为反激式转换器(fly-back converter)。在此拓扑结构中，当跨越变压器的初级绕组施加电压时，初级电流及磁通量增加，从而在变压器中存储能量，但归因于反向偏置二极管，没有电压能够在次级绕组中流动。当从初级绕组移除电压时，初级电流及磁通量下降。使次级电压反向，从而正向偏置二极管且允许电流从变压器流动。
【发明内容】
[0007]本专利申请案揭示用于减少次级整流器上的应力并减少电压转换的切换损失的方法及装置。所揭示的方法及装置以双模式(b1-modally)操作且可在基于输入电压VIN或相关参数而在操作为双开关转换器与操作为三开关转换器之间切换，而非要求前向转换器或反激式转换器仅操作为双开关转换器或者操作为三开关转换器。设定一阈值，所述阈值确保当输入电压足够高使得相关联工作循环将保持低于50%时，接通模式选择信号。在此第一模式中，变压器的初级侧上的第三开关保持接通而另外两个开关遵循脉冲宽度调制(PWM)信号且转换器操作为双开关转换器。当输入电压下降到将需要大于50%的工作循环的电平时，切断模式选择信号。在此第二模式中，第三开关将与电路中的另外两个开关一致操作且转换器将操作为三开关转换器。使用所揭示的方法，减小第三开关的额定电压、降低切换损失且减少输出整流器上的电压应力。
[0008]在一个方面中，针对电压转换器揭示操作电压转换器的方法的实施例，所述电压转换器具有:第一开关，其连接在输入电压源的第一端子与变压器的初级绕组的第一区段之间；第二开关，其连接在变压器的初级绕组的第二区段与输入电压源的第二端子之间；及第三开关，其连接在初级绕组的第一区段与第二区段之间。所述方法包含:确定输入电压是否大于阈值；及响应于确定输入电压大于阈值，接通第三开关同时使用脉冲宽度调制信号控制第一开关及第二开关。
[0009]在另一方面中，揭示一种电压转换器的实施例。所述电压转换器包含:第一开关，其连接在输入电压源的第一端子与变压器的初级绕组的第一区段之间；第二开关，其连接在变压器的初级绕组的第二区段与输入电压源的第二端子之间；及第三开关，其连接在初级绕组的第一区段与第二区段之间。适当控制电路或逻辑可操作以响应于相对于输入电压源的值的确定在双开关操作与三开关操作之间切换电压转换器的操作。举例来说，当输入电压大于阈值时，接通第三开关同时使用PWM信号以双开关模式控制第一开关及第二开关。另一方面，当输入电压小于或等于阈值(例如，要求大于0.5的工作循环)时，通过使用PWM信号控制所有三个开关。
[0010]在又一方面中，揭示一种反激式电压转换器的实施例。所述电压转换器包含:第一开关，其连接在输入电压源的第一端子与第一变压器的初级绕组之间，第二开关，其连接在第二变压器的初级绕组与输入电压源的第二端子之间；及第三开关，其连接在第一变压器的初级绕组与第二变压器的初级绕组之间，其中类似于以上实施例，适当控制电路或模式选择逻辑可操作以取决于输入电压在双开关模式与三开关模式之间提供选择。
【附图说明】
[0011]在附图的图式中作为实例且不作为限制说明本发明的实施例，在附图中相同参考指示类似元件。应注意，本发明中对“一”或“一个”实施例的不同参考未必是指同一实施例，且此类参考可表示至少一个。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合无论是否明确描述的其它实施例使此特征、结构或特性生效是在所属领域的技术人员的知识范围内。
[0012]附图并入到本说明书中且形成本说明书的一部分以说明本发明的一或多个示范性实施例。将从结合所附权利要求书且参考附图进行的以下详细描述理解本发明的各种优点及特征，在附图中:
[0013]图1描绘如此项技术中已知的双开关前向转换器的实例；
[0014]图2描绘与图1的前向转换器相关联的波形；
[0015]图3描绘如此项技术中已知的三开关前向转换器的实例；
[0016]图4描绘与图3的前向转换器相关联的波形；
[0017]图5描绘根据本发明的实施例的双模式前向转换器的实例；
[0018]图6A及6B描绘根据本发明的实施例的在双开关转换器与三开关转换器之间切换的方法；以及
[0019]图7描绘根据本发明的实施例的双模式反激式转换器的实例。
【具体实施方式】
[0020]现将参考附图详细描述本发明的特定实施例。在本发明的实施例的以下详细描述中，陈述许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，所属领域的一般技术人员将明白，可在没有这些特定细节的情况下实践本发明。在其它情况中，未详细描述众所周知的特征以避免不必要地使本描述复杂化。
[0021]现参考图式且更特定来说参考图1，揭示如此项技术中已知的双开关前向转换器150。开关M3连接在电压源VIN与变压器Tl的初级绕组100的第一端子之间，而开关M2连接在初级绕组100的第二端子与电压源VIN的参考端子(例如，接地)之间。二极管D15安置在初级绕组100与参考电压之间且耦合到开关M3与变压器Tl的初级绕组100的共同节点。二极管D6系到开关M2与初级绕组100之间的共同节点且连接到电压源VIN。在电路的次级侧上，晶体管Tl的次级绕组102的第一端子经由二极管D13及电感器L2连接到输出信号VOUT。次级绕组102的第二端子连接到参考电压，例如接地。二极管D12安置在参考电压与二极管D13及L2之间的共同节点之间。电容器C3安置在输出信号VOUT与其参考端子之间。当由晶体管M2及M3实施的两个开关闭合时，跨越变压器Tl的初级绕组100施加输入电压VIN，这感应出跨越变压器Tl的次级绕组102的电压。通过脉冲宽度调制信号PWM(其通过任何数目个已知方法产生)控制晶体管M2及M3，使得两个开关均接通或均切断。当M2及M3均接通时，变压器Tl的初级100上的电压等于输入电压VIN且在次级102上感应出电压。通过二极管D13对在次级绕组上感应出的电压进行整流且通过滤波器L2及C3对所述电压进行滤波，从而产生输出电压V0UT。
[0022]在跨越初级线圈施加电压VIN的周期期间，存在渐增的负载电流；电压VIN还在此周期期间导致在变压器内积累磁化电流。当开关断开时，负载电流停止但磁化电流继续流动直到其被放电且跨越变压器的电压反向。如图1中所见，磁化电流无法流动通过断开的开关M2、M3 ;而是反向电压正向偏置二极管D15及D6且磁化电流返回到输入源。已知在一循环中必须使磁化电流完全放电以使变压器在长时间周期期间适当运行。即，输入电压乘以施加输入电压的时间必须等于切断循环期间的负电压乘以输入电压切断的时间，从而给出整个循环上的电压-时间积分为零。对于图1中展示的双开关变压器，如果VIN为输入电压、TMl为开关闭合的时间且T2为开关断开的时间，那么VIN乘以TMl必须等于或小于-VIN乘以TM2。这将双开关前向转换器的工作循环限于50%或更小以用于稳定操作。
[0023]图2展示当以小于50%的工作循环操作时图1的前向转换器的若干时序图200。在图2中展示的实施例中，工作循环为33%。晶体管M2及M3在持续三分之一个循环的接通间隔202期间是接通的且其在持续三分之二个循环的切断间隔204期间是切断的。跨越变压器Tl的初级的电压VT在接通间隔202期间等于