CN103872919A - 直流-直流变换器及直流-直流变换系统 - Google Patents

直流-直流变换器及直流-直流变换系统 Download PDF

Info

Publication number
CN103872919A
CN103872919A CN201410073174.0A CN201410073174A CN103872919A CN 103872919 A CN103872919 A CN 103872919A CN 201410073174 A CN201410073174 A CN 201410073174A CN 103872919 A CN103872919 A CN 103872919A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
switching tube
electrically coupled
transformer
converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410073174.0A
Other languages
English (en)
Inventor
熊雅红
杨仲望
张琼
黄贵松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Delta Electronics Shanghai Co Ltd
Original Assignee
Delta Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delta Electronics Shanghai Co Ltd filed Critical Delta Electronics Shanghai Co Ltd
Priority to CN201410073174.0A priority Critical patent/CN103872919A/zh
Publication of CN103872919A publication Critical patent/CN103872919A/zh
Priority to US14/611,695 priority patent/US9318967B2/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33538—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only of the forward type
    • H02M3/33546—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only of the forward type with automatic control of the output voltage or current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33571—Half-bridge at primary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33592—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer having a synchronous rectifier circuit or a synchronous freewheeling circuit at the secondary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H02M3/1586—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本申请公开一种直流-直流变换器和直流-直流变换系统。直流-直流变换器包括变压器、初级功率电路、次级桥式同步整流电路、输出电感器及控制电路。初级功率电路接收一输入电压，并且通过变压器在对称的正开关周期和负开关周期期间向变压器的次级侧进行对称的功率流传送过程，且变压器磁芯中的磁通通过对称的功率流传送过程而平衡。次级桥式同步整流电路电性耦接至变压器的次级绕组。控制电路用于向初级功率电路提供初级驱动信号以及向次级桥式同步整流电路提供次级驱动信号，当初级功率电路的输出电压为零时，控制电路控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管全部导通。

Description

直流-直流变换器及直流-直流变换系统
技术领域
本公开总体涉及直流-直流（DC-DC）变换器及直流-直流变换系统。更具体地，本公开涉及具有改进的电路设计和配置以实现更高功率变换效率和更高功率密度的中间总线变换器以及包括该中间总线变换器的直流-直流变换系统。
背景技术
中间总线电源架构广泛用于电子设备中以从集中式输入电压（例如48V）提供多输出电压（例如，3.3V、1.8V、1.2V等），从而实现电源系统的设计灵活性并提高整体功率变换效率。一种称为中间总线变换器的隔离DC-DC变换器被用来将将输入电压变换为低电压，然后该低电压通过非隔离DC-DC变换器提供多输出电压，从而满足系统的不同需求，如图1所示。
中间总线变换器大多安装在客户的系统板上。客户系统有很多形式，例如网络系统、计算机系统、服务器系统、通信系统等等。此类变换器中集成了主功率开关、同步整流器、变压器和电感等，其中，主功率开关和同步整流器通常安装在一块主PCB板上。铁芯分别从PCB板的正面和反面扣合起来和PCB绕组一起组成变压器；电感的铁芯也以同样的方式进行安装组成电感。由于全部功率流将通过中间总线变换器，因此中间总线变换器的效率和功率密度对于提高整个电源系统的效率和优化系统的热设计尤其重要。对于隔离DC-DC变换器，功率损失来自于几个部分：初级开关损耗，包括开关损耗和传导损耗；变压器功率损耗，包括磁芯损耗、绕组损耗和漏感损耗；次级调节功率损耗，包括传导损耗和反向恢复损耗。而且由于同步整流器的体二极管具有不良的反向恢复特性而导致其功率损耗常常显著影响变换器的效率。
为了改善变换器的效率，设计人员可保持上述各功率损耗部分的平衡，并使得总功率损耗尽可能低。存在几种技术可用来减小中间总线变换器的功率损耗。一种是采用谐振变换器，如图2所示，电路拓扑包括初级开关S11及S12、初级电容器C1、C2及C3、初级电感器L1、变压器T、次级同步整流器S21及S22、次级电容器C4。谐振拓扑结构保持初级开关S11及S12和次级同步整流器S21及S22工作在软开关状态，因此初级开关损耗和次级反向恢复损耗将被大部分消除。另外，由于采用谐振拓扑结构，可以省掉PWM变换器中用于保持输出电流连续的输出电感器。这使得可以在次级侧使用低额定电压的同步整流器。然而，谐振拓扑结构会在初级侧和次级侧引起高RMS电流，导致高传导损耗。谐振变换器的另一个问题是输出中存在大的输出电流纹波，如果输出电容不是足够大，这会导致电压波动，因此在需要更多地考虑输出纹波电流时谐振变换器不是一个好的选择。
对于PWM中间总线变换器，一种改善效率的方法是去掉调节功能，如图3所示。没有调节的变换器称为非调节（non-regulated）变换器，工作在固定的接近50%的占空比，初级开关中的峰值电流和RMS电流均减小，传导损耗和开关损耗均相应减小。另外，由于固定的接近50%的占空比，同步整流器的电压应力也减小，因此可以使用低额定电压的同步整流器。由于低电压开关通常具有低导通电阻和更好的反向恢复特性，因此同步整流器的传导损耗和反向恢复损耗均减小。然而，在现有技术中，为了保持次级电流回路中的最小开关损耗，通常采用两个次级变压器绕组，这两个次级绕组在正开关周期和负开关周期交替传导电流，如图3所示。虽然同步整流器的传导损耗由于次级电流回路中只有一个开关而减小，但变压器绕组中的功率损耗由于两个次级绕组依次交替传导电流而仍然很高，这样，变压器次级绕组的利用率就很低，变压器次级绕组的传导阻抗和传导损耗都很大。另外，由于两个次级绕组需要三个大电流端子，因此会导致较高的端子功率损耗。
非调节变换器一般仅用于窄输入电压（narrow input voltage）的系统中，因为输出电压应与输入电压成比例变化。一旦输入电压范围较宽，或者非隔离DC-DC级不能接受更宽的输入范围，则仍然需要中间总线变换器的调节功能。因此，对于调节变换器和非调节变换器都需要改进的电路设计和配置以实现更好的功率变换效率。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
因此，本公开的目的之一是提供一种新颖的直流-直流变换器配置及其设计和构造方法。
本公开的其他目的、特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一个方面，提供一种直流-直流变换器，所述直流-直流变换器包括：变压器、初级功率电路、次级桥式同步整流电路、输出电感器及控制电路；所述变压器具有变压器磁芯、次级绕组及初级绕组，所述初级绕组电性耦接至所述初级功率电路的输出端；所述初级功率电路接收一输入电压，并且通过所述变压器在对称的正开关周期和负开关周期期间向所述变压器的次级侧进行对称的功率流传送过程，且所述变压器磁芯中的磁通通过所述对称的功率流传送过程而平衡；所述次级桥式同步整流电路电性耦接至所述变压器的次级绕组，所述次级桥式同步整流电路包括：第一开关管，其第一端电性耦接至所述输出电感器的一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第一端；第二开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第二端；第三开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第二端；以及第四开关管，其第一端电性耦接至所述第三开关的第二端，其第二端电性耦接所述第二开关管的第二端；所述控制电路用于向所述初级功率电路提供初级驱动信号以及向所述次级桥式同步整流电路提供次级驱动信号，当所述初级功率电路的输出电压为零时，所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管全部导通。
在根据本公开的一实施例中，在正开关周期，所述第一开关管、所述第四开关管及所述次级绕组向所述变压器的次级侧传送功率流，在负开关周期，所述第二开关管、所述第三开关管及所述次级绕组向所述变压器的次级侧传送功率流。
在根据本公开的一实施例中，所述初级功率电路停止向所述变压器的次级侧传送功率流时，流经所述输出电感器的电流保持连续。
在根据本公开的一实施例中，所述初级绕组和所述次级绕组为PCB绕组且交替布置。
在根据本公开的一实施例中，所述次级绕组的第一端和第二端具有第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子在所述初级绕组的区域之外至少部分重叠。
在根据本公开的一实施例中，所述控制电路包括：初级驱动电路，输出所述初级驱动信号；次级驱动电路，输出所述次级驱动信号；隔离电路，电性隔离所述初级驱动电路和所述次级驱动电路；以及时序电路，电性耦接至所述次级驱动电路以及通过所述隔离电路电性耦接至所述初级驱动电路，或者电性耦接至所述初级驱动电路以及通过所述隔离电路电性耦接至所述次级驱动电路，用于接收一占空比信号并根据所述占空比信号配置所述初级驱动信号和所述次级驱动信号之间的时序。
在根据本公开的一实施例中，所述时序电路接收固定占空比信号，所述直流-直流变换器的输出电压与所述输入电压成比例。
在根据本公开的一实施例中，所述直流-直流变换器还包括反馈控制电路和产生参考电压的参考电压电路，所述反馈控制电路接收所述直流-直流变换器的输出电压并将所述输出电压与所述参考电压比较从而产生可变占空比信号至所述时序电路。
在根据本公开的一实施例中，所述时序电路、所述反馈控制电路和所述参考电压电路集成于一数字脉宽调制控制器，其中，所述时序电路通过所述数字脉宽调制控制器产生所述初级驱动信号和所述次级驱动信号之间的时序。
在根据本公开的一实施例中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管均为MOSFET。
在根据本公开的一实施例中，次级绕组包括多个PCB层，所述多个PCB层中的至少部分并联连接。
在根据本公开的一实施例中，初级功率电路为半桥变换电路或全桥变换电路。
在根据本公开的一实施例中，该初级功率电路包括：一第五开关管，其第一端电性耦接至所述输入电压，其第二端电性耦接至所述变压器的初级绕组的第一端；一第六开关管，其第一端电性耦接至所述第五开关管的第二端；一第一电容器，其第一端电性耦接至所述第五开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述初级绕组的第二端；以及一第二电容器，其第一端电性耦接至所述第一电容器的第二端，其第二端电性耦接至所述第六开关管的第二端。
在根据本公开的一实施例中，所述直流-直流变换器的输出电压小于或等于16V。
根据本公开的一个方面，提供一种直流-直流变换系统，包括：直流-直流变换器，包括：变压器、初级功率电路、次级桥式同步整流电路、输出电感器及控制电路，其中：所述变压器具有变压器磁芯、初级绕组及次级绕组，所述初级绕组电性耦接至所述初级功率电路；所述初级功率电路接收一输入电压，并且通过所述变压器在对称的正开关周期和负开关周期期间向所述变压器的次级侧进行对称的功率流传送过程，且所述变压器磁芯中的磁通通过所述对称的功率流传送过程而平衡；所述次级桥式同步整流电路电性耦接至所述变压器的次级绕组，所述次级桥式同步整流电路包括：第一开关管，其第一端电性耦接至所述输出电感器的一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第一端；第二开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第二端；第三开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第二端；以及第四开关管，其第一端电性耦接至所述第三开关的第二端，其第二端电性耦接所述第二开关管的第二端；所述控制电路用于向所述初级功率电路提供初级驱动信号以及向所述次级桥式同步整流电路提供次级驱动信号，当所述初级功率电路的输出电压为零时，所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管全部导通。该直流-直流变换系统还包括非隔离的开关调节器(switching regulator)，电性耦接至所述直流-直流变换器的输出端，用以将所述直流-直流变换器的输出电压转换为一个或多个调节电压（regulated voltage）。
在根据本公开的一实施例中，所述开关调节器为一Buck电路。
在根据本公开的一实施例中，所述初级绕组和所述次级绕组为PCB绕组且交替布置。
在根据本公开的一实施例中，所述次级绕组的第一端和第二端具有第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子在所述初级绕组的区域之外至少部分重叠。
根据本公开的一个方面，提供一种直流-直流变换系统，包括：直流-直流变换器，包括：变压器、初级功率电路、次级桥式同步整流电路、输出电感器及控制电路，其中：所述变压器具有变压器磁芯、初级绕组及次级绕组，所述初级绕组电性耦接至所述初级功率电路；所述初级功率电路接收一输入电压，并且通过所述变压器在对称的正开关周期和负开关周期期间向所述变压器的次级侧进行对称的功率流传送过程，且所述变压器磁芯中的磁通通过所述对称的功率流传送过程而平衡；所述次级桥式同步整流电路电性耦接至所述变压器的次级绕组，所述次级桥式同步整流电路包括：第一开关管，其第一端电性耦接至所述输出电感器的一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第一端；第二开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第二端；第三开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第二端；以及第四开关管，其第一端电性耦接至所述第三开关的第二端，其第二端电性耦接所述第二开关管的第二端；所述控制电路用于向所述初级功率电路提供初级驱动信号以及向所述次级桥式同步整流电路提供次级驱动信号，当所述初级功率电路的输出电压为零时，所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管全部导通。该直流-直流变换系统还包括非隔离的开关调节器(switching regulator)，电性耦接至所述直流-直流变换器的输入端。
在根据本公开的一实施例中，所述开关调节器为一Buck-Boost电路。
在根据本公开的一实施例中，初级绕组和次级绕组为PCB绕组且交替布置。
在根据本公开的一实施例中，所述次级绕组的第一端和第二端具有第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子在所述初级绕组的区域之外至少部分重叠。
由于低额定电压MOSFET可用于同步整流器，漏感能够尽可能低地被最小化，低额定电压MOSFET将不会引起过大功率损耗，即使面临高的电流变化di/dt。因此，变压器绕组可尽可能好地耦合。一旦初级绕组和次级绕组之间的漏感最小化，功率损耗也被减小。
在PCB变压器布局中，绕组的端子通常引起较大的功率损耗，特别是承载更大电流的次级绕组。通过上述绕组配置，可仅保留两个次级绕组端子，所以能够进一步优化变压器结构以得到更高的转换效率。
对于热设计考虑，在功率器件中比在PCB绕组中更容易处理功率耗散。通过本发明的功率配置和控制时序，对于调节型操作模式或非调节型操作模式，均可减小变压器绕组损耗，提高变换器的整体转换效率。
对于本领域技术人员来说，通过阅读下面对示于各附图中的示例实施例的详细描述，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
附图说明
图1示出采用中间功率架构的电源系统示意框图；
图2示出根据现有技术的一种谐振变换器的示意电路图；
图3示出根据现有技术的一种非调节中间总线变换器的示意电路框图；
图4示出根据本公开一实施方式的直流-直流变换器的示意电路框图；
图5A示出根据本公开一实施方式的直流-直流变换器的示意电路框图；
图5B示出根据本公开一实施方式的直流-直流变换器的示意电路框图；
图6A示出根据本公开一示例实施方式的直流-直流变换器中的变压器初级绕组的电压波形；
图6B示出根据本公开一示例实施方式的直流-直流变换器中的驱动信号波形；
图7A、7B、7C示出根据本公开一示例实施方式的直流-直流变换器中的变压器的PCB绕组布局，其可最小化初级绕组和次级绕组之间的漏感；
图8示出根据本公开一示例实施方式的直流-直流变换器中的输出电感器的电流波形；
图9示出根据本公开一示例实施方式的通过电压反馈控制电路进行调节的直流-直流变换器的示意电路框图；
图10示出根据本公开一示例实施方式的通过数字PWM控制器进行调节的直流-直流变换器的电路示意图；
图11示出根据本公开一示例实施方式的具有多输出的直流-直流变换系统的电路示意框图；
图12示出根据本公开一示例实施方式的具有预调节功率级的直流-直流变换系统的电路示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述实施方式。然而，实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而可省略它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。
目前低电压大电流的高功率总线变换器产品的输出范围一般在8～12V之间。为了在次级侧处理更大电流，可在中间总线变换器中采用同步整流技术，其中称为同步整流器的有源开关管（例如功率MOSFET）可代替二极管用作整流器。
图4示出根据本公开的示例实施方式的DC-DC变换器400。DC-DC变换器400包括初级功率电路410、变压器420、次级桥式同步整流电路430、输出电感器L440及控制电路450。变压器420包括初级绕组L422和次级绕组L424及变压器磁芯426。初级绕组L422和次级绕组L424可以是例如PCB绕组。
初级功率电路410接收一输入电压Vin，并通过变压器420在对称的正开关周期和负开关周期期间向变压器420的次级侧进行对称的功率流传送过程。变压器磁芯426中的磁通通过对称的功率流传送过程而平衡。
初级功率电路410示出为半桥拓扑，包括：开关管S416、开关管S418、电容器C412和电容器C414。
具体地，开关管S416其第一端电性耦接至输入电压Vin，其第二端电性耦接至变压器420的初级绕组L422的第一端。开关管S418，其第一端电性耦接至开关管S416的第二端。电容器C412，其第一端电性耦接至开关管S416的第一端，其第二端电性耦接至初级绕组L422的第二端。电容器C414，其第一端电性耦接至电容C412的第二端，其第二端电性耦接至开关管S418的第二端。开关管S416和S418的第三端可电性耦接至控制电路450提供的初级驱动信号。电容器C412和C414具有相同电容值，且电容值足够大，使得在一个开关周期中，电容器两端的电压基本保持恒定。两个电容器C412和C414的作用是分别将输入电压的一半作为基准提供给变压器初级绕组L422。初级功率电路410中的两个开关管S416和S418根据控制电路450提供的初级驱动信号依次交替导通和关闭，在A点和B点之间（初级绕组上）产生双极性且对称的电压波形，如图6A所示。
虽然图4示出了初级功率电路具有半桥电路拓扑结构，但本公开不限于此。例如，初级功率电路也可以采用全桥变换电路拓扑结构或推挽拓扑结构。如果采用全桥拓扑，需要相应改变的是变压器绕组的匝比。而为满足推挽拓扑的要求，变压器可具有两个初级绕组。每种拓扑的功率损耗具有类似的结果，且这些拓扑均使得变压器在正开关周期和负开关周期都传送功率，并且变压器的总占空比可以是2D且接近于100%。
次级桥式同步整流电路430电性耦接至变压器420的次级绕组L424，协助变压器420传送功率。次级桥式同步整流电路430包括开关管S1-S4。开关管S1，其第一端电性耦接至输出电感器L440的一端，其第二端电性耦接至次级绕组L424的第一端。开关管S2，其第一端电性耦接至开关管S1的第二端。开关管S3，其第一端电性耦接至开关管S1的第一端，其第二端电性耦接至次级绕组L424的第二端。开关管S4，其第一端电性耦接至开关管S3的第二端，其第二端电性耦接开关管S2的第二端。开关管S1-S4的第三端（或称为控制端）可电性耦接至控制电路450，用来接收控制电路450提供的次级驱动信号。
在这些开关管中，S1和S4总是同时导通和关闭，S2和S3总是同时导通和关闭。例如，在正开关周期，S4和S1持续处于导通状态，S2和S3持续处于关闭状态，变压器的次级绕组L424、开关管S1、输出电感器L440、电容Co、开关管S4形成闭合回路，初级侧向次级侧传送功率流；在负开关周期，S2和S3持续处于导通状态，S4和S1持续处于关闭状态，变压器的次级绕组L424、开关管S3、输出电感器L440、电容Co、开关管S2形成闭合回路，初级侧向次级侧传送功率流。输出电感器L440的一个作用是限制在正开关周期和负开关周期中从初级侧向负载传送功率流过程中的峰值功率，另一个作用是使输出电流在初级侧开关管均关闭、初级侧停止向次级侧传送功率期间保持连续。
控制电路450向初级功率电路410提供初级驱动信号以及向次级桥式同步整流电路430提供次级驱动信号。根据示例实施方式，当初级功率电路410的输出电压为零时，控制电路450可控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4全部导通。由上述可知，当初级功率电路410的开关管S416和S418均关闭时，次级桥式同步整流器430中的开关管S1～S4均处于导通状态，电流并不会流经这些开关管各自的体二极管，因而可避免体二极管上所产生的较大导通压降，进而降低了次级桥式同步整流器430所引起的导通损耗，提升整个变换器的转换效率。
图5A示出根据本公开一示例实施方式包括控制电路450的直流-直流变换器500A的示意电路框图。
如图5A所示，控制电路450包括：初级驱动电路452，输出初级驱动信号；次级驱动电路454，输出次级驱动信号；隔离电路456，电性隔离初级驱动电路452和次级驱动电路454；以及时序电路458，电性耦接至次级驱动电路454并通过隔离电路456电性耦接至初级驱动电路452，用于接收一占空比信号（duty cycle signal）并根据占空比信号配置初级驱动信号和次级驱动信号之间的时序。
该占空比信号可以是由其他电路产生的固定值占空比信号，或者是由例如电压反馈控制电路产生的可变占空比信号。信号隔离器456用来保持初级侧和次级侧之间的电隔离。信号隔离器456可以是磁变压器或者数字隔离IC等。
图5B示出根据本公开一示例实施方式包括控制电路450的直流-直流变换器500B的示意电路框图。图5B中的控制电路450与图5A所示的类似，区别在于时序电路458位于初级侧。
图6A示出图4所示的变换器中变压器420的初级绕组的电压VAB的波形。在开关周期T的第一导通周期（正开关周期），VAB保持正极性的高电平，具有占空比D。在开关周期T的第二导通周期（负开关周期），VAB保持负极性的高电平，也具有占空比D。
图6B示出图4所示的变换器中的驱动信号时序波形。开关管S1和S4与正开关周期相应，开关管S2和S3与负开关周期相应。同步整流器S1-S4的驱动信号与初级开关管S416和S418的驱动信号几乎保持同步。然而，与现有技术不同，在初级开关管S416和S418均关闭（off）期间（T0和T1），开关管S1和S4及开关管S2和S3均导通（on）。在此T0和T1期间，没有功率流从初级侧传送，但S1、S2、S3和S4均导通，从而输送输出电流至输出电感器L440。
在初级开关管S416和S418均关闭期间，电源变换器二次侧因为电感Lo的存在产生续流。根据现有技术，在续流回路里，当开关管S1和S4导通时，开关管S2和S3关闭，则此时电流流过S2和S3的体二极管，产生较大的损耗；又当S2和S3导通时，S1和S4关闭，此时电流流过S1和S4的体二极管，产生较大的损耗。另外，同步整流器的体二极管的不良的反向恢复特性常常显著影响变换器的效率。
图4、5A和5B所示的电路拓扑以及图6B所示的时序配置能够使变换器在正开关周期（即，第一导通周期）和负开关周期（即，第二导通周期）均传送功率流。占空比D理论上可在0至50%的范围。在实际情况中，由于器件死区或时间延迟的存在，占空比D的最大值略微低于50%，例如可为48%或49%。VAB的波形的对称性使得变压器磁芯中的磁通自动保持平衡。
如前所述，假设开关管S1、S2、S3和S4不导通，或者不在初级侧开关管均关闭的期间导通，变换器400、500A和500B仍然可工作，因为输出电流将流过同步整流器S1-S4的体二极管。然而，体二极管的电压降为大约0.5至1伏，该值远高于同步整流器S1-S4导通时的电压降。因此，本发明藉由初级开关管S416和S418与次级同步整流器S1-S4之间的精确时序控制，使得改善变换器的效率成为可能。
初级开关管S416和S418与次级同步整流器S1-S4之间的精确的时序控制是通过时序电路来实现的。为了确保在初级开关管S416和S418均关闭期间使开关管S1和S4及S2和S3均导通，就是要使S1和S4在初级侧开关管S416导通之前提前T1时长导通，并在其关闭之后延迟T0时长再关闭；同时，使S2和S3在初次侧开关管S418导通之前提前T0时长导通，并在其关闭之后延迟T1时长再关闭。这可以通过数字控制方式或模拟控制方式来设置同步整流器和初级及次级侧开关管的时序关系来实现。例如，可以通过模拟控制方法（外加电阻并选取合适阻值）来设定T1和T0的时长。或者，也可以通过数字控制的方法来直接设定T1和T0的时长。通过数字控制技术，还可以直接设置开关管S1、S4和初次侧开关管S418的驱动信号是互补的逻辑关系，同时开关管S2、S3和初次侧开关管S416的驱动信号是互补的逻辑关系。相比模拟控制方式而言，数字控制方式更加简单而灵活。
随着半导体技术的快速发展，近些年来，MOSFET在能效优值方面的表现取得了快速发展。但磁性元器件的技术改进却非常缓慢，磁性材料仍旧没有在降低铁芯损耗方面有显著成果。同样，PCB绕组损耗也无法被大幅度降低。因此，为了降低整个直流-直流变换器的整体损耗，如何降低变压器绕组损耗显得尤为重要。本公开的变压器只有一个次级绕组，变压器次级侧的电流全部从该次级绕组上流过，大大提高了变压器绕组的利用率，降低了变压器次级绕组的传导阻抗。这个方法不仅减少了绕组端子的数量，而且缩短功率走线距离，减小回路电感，最终实现降低变压器绕组损耗的目的。
对于图4的配置，同步整流器S1-S4与现有技术相比承担低得多的电压应力。如果输出电压表示为Vo，则同步整流器S1-S4的电压应力VDS可表示为：
VDS＝VO/(2*D)   (1)
对于Vo=12V的中间总线变换器，D设计为30%至50%的范围，VDS的最大值仅20V。考虑到同步整流器S1-S4上会产生高频电压尖峰，额定30V的器件可用在该配置中。而对于现有技术设计，需要额定60V的器件来保证足够的电压裕度。在此情况下，由于电流回路中存在更多的器件，同步整流器的传导损耗会增加。如果单个同步整流器的导通电阻为RDS-on，输出电流为Io，则同步整流器的传导损耗Ploss可表示为：
Ploss＝2*IO 2*RDS-on   (2)
式中比例因子2的存在是因为输出电流同时流过两个整流器。然而，大多数MOSFET的参数RDS-on取决于最大D-S击穿电压。D-S击穿电压越低，可以达到的RDS-on越低。
表1示出来自MOSFET制造商A的一些器件的参数。对于相同的器件封装和类似的半导体管芯尺寸，30V/40V的MOSFET的RDS-on仅为60V/80V的MOSFET的1/3至1/4。如果使用两个串联连接的30V的MOSFET，功率损耗与使用两个并联连接的60V的MOSFET的功率损耗几乎相同。表1还示出参数Qrr，其代表体二极管的反向恢复特性。Qrr越低，反向恢复损耗越小。
表1
Figure BDA0000471221710000121
影响反向恢复损耗的另一个因素是电流变化的斜率（current change slewrate）di/dt。在同步整流器中，快的di/dt导致更高的反向恢复损耗。di/dt的值取决于变压器的漏感Lleakage。对于图4的配置，di/dt可表示为：
di / dt = 1 2 V IN / L leakage
VIN是输入电压，因子1/2来自于半桥拓扑。如果采用高Qrr器件作为同步整流器，则不能将LLeakage设计得太小，因为越高的di/dt将导致越高的反向恢复损耗。另一方面，大的LLeakage将导致变压器中的寄生功率损耗（parasiticpower loss），该功率损耗可大致表示为：
P leakage = 1 2 * I P 2 * L Leaksge
其中Ip是变压器初级侧的电流，如果我们假设LLeakage是来自变压器初级侧的漏感值。
如果使用低Qrr器件作为同步整流器，则可以降低功率损耗并得到更好的整体效率。该变换器的漏感可以设计得尽量小，同时反向恢复损耗将不会增加太多。
图7A-7C示出了减小变压器初级侧和次级侧之间的漏感的结构。如图7A所示，初级绕组P的层与次级绕组S的层交替设置。在多数情况下，初级绕组Ｐ具有多匝，因此初级绕组P的层可串联连接；而次级绕组S具有较少的匝，甚至一匝，因此用于次级绕组S的若干层可并联连接。如图7A所示，在全交替配置中，漏感最小。然而，如果变压器初级侧与次级侧之间的电容太大，有必要进一步折衷处理。
在图4的配置中，由于仅有一个次级绕组，因此在变压器次级侧仅有两个连接端子。由于次级侧电流大，次级侧的连接端子对于减少变压器传导损耗和漏感损耗而言也至关重要。两个端子易于在空间中布置，并能够使两个次级绕组端子至少部分重叠，图7B和图7C示出使两个端子在变压器的初级绕组区域之外至少部分重叠的布局。由于两个次级绕组端子中的电流方向相反，因此电流引起的磁通相互抵消，次级绕组端子上的传导损耗和变压器的漏感损耗均减小。
图8示出流经电感器L440的电流波形。在正开关周期，VAB为正极性的高电平，开关管S1和S4导通，功率传送至负载，输出电流线性增加。当功率传送在正开关周期停止时，开关管S1和S4保持导通，且开关管S2和S3导通，电流直接流过开关管S1、S2、S3和S4，而不再流过各自的体二极管（bodydiode），且电流在此期间线性减小。
当负开关周期开始时，VAB变为负极性的高电平，且开关管S1和S4关闭，功率通过开关管S2和S3传送至电感器L440，输出电流再次线性增加。当功率传送过程在负开关周期停止时，开关管S2和S3保持导通，且开关管S1和S4导通，电流直接流过开关管S1、S2、S3和S4，而不再流过各自的体二极管（body diode），且电流在此期间线性减小。
如果输出电感器L440具有大电感，输出电流的变化ΔIo根据下面的关系将较小：
Δ I o = V o * T s * ( 1 - 2 * D ) L o
其中Vo是输出电压，Ts是开关周期时长。较大的电感量Lo有助于减小初级侧和次级侧中的RMS电流，进而可减小初级侧和次级侧的传导损耗，但同时也会导致输出电感自身的较大功率损耗。因此，需谨慎选择Lo的值以减小总体功率损耗。
在一些应用中，总线电压（bus voltage），即中间总线变换器的输出电压，不必调节至精确范围，因为后续POL（Point Of Load，负载点）具有适应一定输入范围电压的能力。占空比D可限制在一个小范围内，或者甚至设置为接近50%的常数，从而Lo可选择为一个不导致较高的电流纹波ΔIo的非常低的值。
图9示出了调节的中间总线变换器900的示意图。调节的中间总线变换器900与图4所示的变换器400可以类似，除了反馈控制电路960和参考电压电路970以外。因此，为了简洁，与变换器400类似的部分将不再赘述。
为调节输出电压，采用反馈控制电路960，也需要参考电压电路970来产生参考电压，该参考电压不随输入电压和输出电压变化。反馈控制电路960接收输出电压信号Vo，然后与参考电压Vref比较，从而产生占空比信号。占空比信号传送至时序电路458，经过处理后进一步传送至驱动电路452和454。驱动电路452和454分别输出初级驱动信号和次级驱动信号，对应地施加于初级侧开关管S416和S418及次级侧同步整流器S1-S4。输出电压可控制为参考电压。
图10示出具有数字PWM控制器1080的变换器1000的示意图。数字PWM控制器是高密度且功能灵活的集成电路，有时可称为微处理器或MCU等。通常，数字PWM控制器包括固件可编程功能。通过实施不同的固件，易于实现不同的电路功能。一旦引入数字PWM控制器，很多电路单元可集成到数字PWM控制器中。时序电路可通过PWM控制器的固件或硬件来集成。参考电压电路也可以通过控制器的内部参考电压或通过固件集成。例如，驱动信号的时序可通过数字PWM控制器的固件进行设置，参考电压也可通过数字PWM控制器的固件进行设置。如果有其他考虑，这些电路单元也可设置于数字PWM控制器外部。变换器1000的其余部分与图4或图9所示的变换器类似，在此不再赘述。
本申请公开了一种直流-直流功率变换器，作为DC/DC功率变换级，能够应用于一些复杂电源系统中以改善总体功率转换效率。
图11示出了提供多输出电压的直流-直流变换系统1100的电路示意框图。直流-直流变换系统1100可以采用如图4、图5A、图5B、图9或图10所示的变换器400、500A、500B、900或1000。本公开的隔离变换器提供电隔离，并将输入电压降压转换为合适的电压使得电性耦接至直流-直流变换器的输出端的非隔离的开关调节器(switching regulator)1190具有最优效率。例如，对于3.3V的输出电压，5～7V的输入电压是最优的。非隔离的开关调节器1190可以是单相降压变换器或多相降压变换器。对于多相变换器，每个相具有相移，从而输入和输出纹波电流可部分或全部抵消。非隔离的开关调节器1190用以将直流-直流变换器的输出电压转换为一个或多个调节电压（regulated voltage）。开关调节器1190可以是Buck电路。
图12示出可接受非常宽的输入电压范围的另一直流-直流变换系统1200的电路示意图。直流-直流变换系统1200可以采用如图4、图5A、图5B、图9或图10所示的变换器400、500A、500B、900或1000。Buck-Boost电路12100置于根据本公开的隔离变换器之前，使得输入电压可预调节至适当范围以用于隔离变换器。隔离变换器可工作在非调节模式以获得更高的转换效率，或者隔离变换器至少在部分输入电压情况下可工作在调节模式以缓冲对Buck-Boost电路12100的压力。
尽管本公开已根据实例实施方式进行描述，但应理解，所述公开不是用于限制目的。相反，基于上述公开，各种修改和变型对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改、变型和等效设置。

Claims (22)

1.一种直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器包括：变压器、初级功率电路、次级桥式同步整流电路、输出电感器及控制电路；
所述变压器具有变压器磁芯、初级绕组及次级绕组，所述初级绕组电性耦接至所述初级功率电路的输出端；
所述初级功率电路接收一输入电压，并且通过所述变压器在对称的正开关周期和负开关周期期间向所述变压器的次级侧进行对称的功率流传送过程，且所述变压器磁芯中的磁通通过所述对称的功率流传送过程而平衡；
所述次级桥式同步整流电路电性耦接至所述变压器的次级绕组，所述次级桥式同步整流电路包括：
第一开关管，其第一端电性耦接至所述输出电感器的一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第一端；
第二开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第二端；
第三开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第二端；以及
第四开关管，其第一端电性耦接至所述第三开关管的第二端，其第二端电性耦接所述第二开关管的第二端；
所述控制电路用于向所述初级功率电路提供初级驱动信号以及向所述次级桥式同步整流电路提供次级驱动信号，当所述初级功率电路的输出电压为零时，所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管全部导通。
2.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，在正开关周期，所述第一开关管、所述第四开关管及所述次级绕组向所述变压器的次级侧传送功率流，在负开关周期，所述第二开关管、所述第三开关管及所述次级绕组向所述变压器的次级侧传送功率流。
3.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述初级功率电路停止向所述变压器的次级侧传送功率流时，流经所述输出电感器的电流保持连续。
4.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述初级绕组和所述次级绕组为PCB绕组且交替布置。
5.如权利要求4所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述次级绕组的第一端和第二端具有第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子在所述初级绕组的区域之外至少部分重叠。
6.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述控制电路包括：
初级驱动电路，输出所述初级驱动信号；
次级驱动电路，输出所述次级驱动信号；
隔离电路，电性隔离所述初级驱动电路和所述次级驱动电路；以及
时序电路，用于接收一占空比信号并根据所述占空比信号配置所述初级驱动信号和所述次级驱动信号之间的时序。
7.如权利要求6所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述时序电路接收固定占空比信号，所述直流-直流变换器的输出电压与所述输入电压成比例。
8.如权利要求6所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器还包括反馈控制电路和产生参考电压的参考电压电路，所述反馈控制电路接收所述直流-直流变换器的输出电压并将所述输出电压与所述参考电压比较从而产生可变占空比信号至所述时序电路。
9.如权利要求8所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述时序电路、所述反馈控制电路和所述参考电压电路集成于一数字脉宽调制控制器，其中，所述时序电路通过所述数字脉宽调制控制器产生所述初级驱动信号和所述次级驱动信号之间的时序。
10.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管均为MOSFET。
11.如权利要求4所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述次级绕组包括多个PCB层，所述多个PCB层中的至少部分并联连接。
12.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述初级功率电路为半桥变换电路或全桥变换电路。
13.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，该初级功率电路包括：
一第五开关管，其第一端电性耦接至所述输入电压，其第二端电性耦接至所述变压器的初级绕组的第一端；
一第六开关管，其第一端电性耦接至所述第五开关管的第二端；
一第一电容器，其第一端电性耦接至所述第五开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述初级绕组的第二端；以及
一第二电容器，其第一端电性耦接至所述第一电容器的第二端，其第二端电性耦接至所述第六开关管的第二端。
14.如权利要求1所述的直流-直流变换器，其特征在于，所述直流-直流变换器的输出电压小于或等于16V。
15.一种直流-直流变换系统，包括：
直流-直流变换器，包括：变压器、初级功率电路、次级桥式同步整流电路、输出电感器及控制电路，其中
所述变压器具有变压器磁芯、初级绕组及次级绕组，所述初级绕组电性耦接至所述初级功率电路；
所述初级功率电路接收一输入电压，并且通过所述变压器在对称的正开关周期和负开关周期期间向所述变压器的次级侧进行对称的功率流传送过程，且所述变压器磁芯中的磁通通过所述对称的功率流传送过程而平衡；
所述次级桥式同步整流电路电性耦接至所述变压器的次级绕组，所述次级桥式同步整流电路包括：
第一开关管，其第一端电性耦接至所述输出电感器的一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第一端；
第二开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第二端；
第三开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第二端；以及
第四开关管，其第一端电性耦接至所述第三开关的第二端，其第二端电性耦接所述第二开关管的第二端；
所述控制电路用于向所述初级功率电路提供初级驱动信号以及向所述次级桥式同步整流电路提供次级驱动信号，当所述初级功率电路的输出电压为零时，所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管全部导通；
非隔离的开关调节器，电性耦接至所述直流-直流变换器的输出端，用以将所述直流-直流变换器的输出电压转换为一个或多个调节电压。
16.如权利要求15所述的直流-直流变换系统，其特征在于，所述开关调节器为一Buck电路。
17.如权利要求15所述的直流-直流变换系统，其特征在于，所述初级绕组和所述次级绕组为PCB绕组且交替布置。
18.如权利要求17所述的直流-直流变换系统，其特征在于，所述次级绕组的第一端和第二端具有第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子在所述初级绕组的区域之外至少部分重叠。
19.一种直流-直流变换系统，包括：
直流-直流变换器，包括：变压器、初级功率电路、次级桥式同步整流电路、输出电感器及控制电路，其中
所述变压器具有变压器磁芯、初级绕组及次级绕组，所述初级绕组电性耦接至所述初级功率电路；
所述初级功率电路接收一输入电压，并且通过所述变压器在对称的正开关周期和负开关周期期间向所述变压器的次级侧进行对称的功率流传送过程，且所述变压器磁芯中的磁通通过所述对称的功率流传送过程而平衡；
所述次级桥式同步整流电路电性耦接至所述变压器的次级绕组，所述次级桥式同步整流电路包括：
第一开关管，其第一端电性耦接至所述输出电感器的一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第一端；
第二开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第二端；
第三开关管，其第一端电性耦接至所述第一开关管的第一端，其第二端电性耦接至所述次级绕组的第二端；以及
第四开关管，其第一端电性耦接至所述第三开关的第二端，其第二端电性耦接所述第二开关管的第二端；
所述控制电路用于向所述初级功率电路提供初级驱动信号以及向所述次级桥式同步整流电路提供次级驱动信号，当所述初级功率电路的输出电压为零时，所述控制电路用于控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管全部导通；
非隔离的开关调节器，电性耦接至所述直流-直流变换器的输入端。
20.如权利要求19所述的直流-直流变换系统，其特征在于，所述开关调节器为一Buck-Boost电路。
21.如权利要求19所述的直流-直流变换系统，其特征在于，所述初级绕组和所述次级绕组为PCB绕组且交替布置。
22.如权利要求21所述的直流-直流变换系统，其特征在于，所述次级绕组的第一端和第二端具有第一端子和第二端子，所述第一端子和第二端子在所述初级绕组的区域之外至少部分重叠。
CN201410073174.0A 2014-02-28 2014-02-28 直流-直流变换器及直流-直流变换系统 Pending CN103872919A (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410073174.0A CN103872919A (zh) 2014-02-28 2014-02-28 直流-直流变换器及直流-直流变换系统
US14/611,695 US9318967B2 (en) 2014-02-28 2015-02-02 DC to DC converter and DC to DC conversion system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410073174.0A CN103872919A (zh) 2014-02-28 2014-02-28 直流-直流变换器及直流-直流变换系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103872919A true CN103872919A (zh) 2014-06-18

Family

ID=50911126

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410073174.0A Pending CN103872919A (zh) 2014-02-28 2014-02-28 直流-直流变换器及直流-直流变换系统

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9318967B2 (zh)
CN (1) CN103872919A (zh)

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105186870A (zh) * 2015-08-28 2015-12-23 贵州航天林泉电机有限公司 一种多相交错并联的Boost变换器
CN105553293A (zh) * 2016-02-17 2016-05-04 沈阳莹和科技有限公司 高效可充电电池充电器的转换器及其驱动方法、充电系统
CN107453614A (zh) * 2017-09-15 2017-12-08 肇庆市锐高电子有限公司 全桥同步整流电路
CN107979291A (zh) * 2017-12-29 2018-05-01 河北正电器科技有限公司 双向dc-dc转换器及其转换方法
CN108111032A (zh) * 2016-11-25 2018-06-01 台达电子工业股份有限公司 功率变换装置与功率变换方法
CN108111016A (zh) * 2016-11-25 2018-06-01 台达电子工业股份有限公司 功率模块
CN108471227A (zh) * 2018-04-12 2018-08-31 四川升华电源科技有限公司 一种功率变换器控制方法及装置
CN109586567A (zh) * 2018-11-08 2019-04-05 深圳航天科技创新研究院 一种宽输入电压范围多路高压输出的拓扑结构
CN109660125A (zh) * 2017-10-12 2019-04-19 首利实业股份有限公司 高功率电源供应器的电路结构
CN109792213A (zh) * 2016-08-25 2019-05-21 依赛彼公司 用于同步整流的同步整流电路和技术
US10447166B2 (en) 2015-08-31 2019-10-15 Delta Electronics, Inc. Power module
US10511176B2 (en) 2015-07-06 2019-12-17 Delta Electronics, Inc. Power converter
TWI683519B (zh) * 2014-06-30 2020-01-21 美商西凱渥資訊處理科技公司 模式控制裝置、電壓轉換器及模式控制方法
CN111190039A (zh) * 2018-11-14 2020-05-22 台达电子工业股份有限公司 功率变换器的电流检测电路
US10877534B2 (en) 2014-09-02 2020-12-29 Delta Electronics, Inc. Power supply apparatus
CN112886825A (zh) * 2021-04-28 2021-06-01 杭州富特科技股份有限公司 一种优化同步整流sr关断风险的控制方法
US11036269B2 (en) 2014-09-02 2021-06-15 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Power module and manufacturing method thereof

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104753369B (zh) * 2015-03-18 2017-06-06 深圳市保益新能电气有限公司 一种高频隔离交直流变换电路及其控制方法
DE102015117892A1 (de) * 2015-10-21 2017-04-27 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Verfahren zum Auf- oder Entladen einer Fahrzeugbatterie
EP3577754A1 (en) 2017-03-03 2019-12-11 ABB Schweiz AG Battery charger for traction vehicle
DE102017205003B4 (de) * 2017-03-24 2023-02-02 Siemens Aktiengesellschaft Leistungsschalter
US11043902B2 (en) * 2018-03-09 2021-06-22 Eugene F. Krzywinski Bidirectional DC DC converter interface to a DC AC inverter and energy storage
FR3099663B1 (fr) * 2019-07-30 2022-03-11 Commissariat Energie Atomique Convertisseur de puissance
FR3099664B1 (fr) * 2019-07-30 2022-03-25 Commissariat Energie Atomique Convertisseur de puissance
TWI765740B (zh) * 2021-06-09 2022-05-21 崑山科技大學 對稱切換型高升壓直流轉換器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1843677A (zh) * 2005-04-08 2006-10-11 林肯环球公司 用于电弧焊机电源的斩波器输出
CN101221850A (zh) * 2007-01-12 2008-07-16 台达电子工业股份有限公司 高频变压器绕组结构
CN101675488A (zh) * 2007-04-26 2010-03-17 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有板的平面变压器
CN202261027U (zh) * 2011-05-25 2012-05-30 江苏兆能电子有限公司 一种全桥整流线路中同步整流器的驱动线路
JP2013110786A (ja) * 2011-11-17 2013-06-06 Fuji Electric Co Ltd 電源装置
CN103532390A (zh) * 2012-07-03 2014-01-22 盈正豫顺电子股份有限公司 双向直流/直流转换器的控制方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5715153A (en) * 1996-12-11 1998-02-03 International Power Devices, Inc. Dual-output DC-DC power supply
US6111769A (en) 1999-09-24 2000-08-29 Ericsson, Inc. External driving circuit for bridge type synchronous rectification
US6930893B2 (en) * 2002-01-31 2005-08-16 Vlt, Inc. Factorized power architecture with point of load sine amplitude converters
JP2005151796A (ja) * 2003-09-30 2005-06-09 Sony Corp スイッチング電源回路
US20050212640A1 (en) * 2004-03-24 2005-09-29 Chiang Man-Ho Multi-layer printed circuit board transformer winding
US7787261B2 (en) * 2006-11-01 2010-08-31 Synqor, Inc. Intermediate bus architecture with a quasi-regulated bus converter
CN101521464A (zh) 2009-03-31 2009-09-02 瑞谷科技(深圳)有限公司 一种桥式混合整流电路
US8134848B2 (en) * 2009-08-12 2012-03-13 Alcatel Lucent Closed-loop efficiency modulation for use in AC powered applications
US8559193B2 (en) * 2010-01-22 2013-10-15 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Zero-voltage-switching scheme for high-frequency converter
JP5494154B2 (ja) * 2010-04-08 2014-05-14 株式会社村田製作所 絶縁型スイッチング電源装置
US9178438B2 (en) 2012-04-05 2015-11-03 Futurewei Technologies, Inc. Apparatus for resonant converters
KR101449120B1 (ko) * 2012-09-06 2014-10-13 엘지이노텍 주식회사 전원 공급 장치
US9391532B2 (en) * 2013-03-14 2016-07-12 Infineon Technologies Ag System and method for a switched-mode power converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1843677A (zh) * 2005-04-08 2006-10-11 林肯环球公司 用于电弧焊机电源的斩波器输出
CN101221850A (zh) * 2007-01-12 2008-07-16 台达电子工业股份有限公司 高频变压器绕组结构
CN101675488A (zh) * 2007-04-26 2010-03-17 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有板的平面变压器
CN202261027U (zh) * 2011-05-25 2012-05-30 江苏兆能电子有限公司 一种全桥整流线路中同步整流器的驱动线路
JP2013110786A (ja) * 2011-11-17 2013-06-06 Fuji Electric Co Ltd 電源装置
CN103532390A (zh) * 2012-07-03 2014-01-22 盈正豫顺电子股份有限公司 双向直流/直流转换器的控制方法

Cited By (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI683519B (zh) * 2014-06-30 2020-01-21 美商西凱渥資訊處理科技公司 模式控制裝置、電壓轉換器及模式控制方法
US11437910B2 (en) 2014-09-02 2022-09-06 Delta Electronics, Inc. Power module
US11435797B2 (en) 2014-09-02 2022-09-06 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Manufacturing method of power module
US11036269B2 (en) 2014-09-02 2021-06-15 Delta Electronics (Shanghai) Co., Ltd. Power module and manufacturing method thereof
US10877534B2 (en) 2014-09-02 2020-12-29 Delta Electronics, Inc. Power supply apparatus
US10511176B2 (en) 2015-07-06 2019-12-17 Delta Electronics, Inc. Power converter
CN105186870A (zh) * 2015-08-28 2015-12-23 贵州航天林泉电机有限公司 一种多相交错并联的Boost变换器
US10447166B2 (en) 2015-08-31 2019-10-15 Delta Electronics, Inc. Power module
CN105553293A (zh) * 2016-02-17 2016-05-04 沈阳莹和科技有限公司 高效可充电电池充电器的转换器及其驱动方法、充电系统
CN109792213A (zh) * 2016-08-25 2019-05-21 依赛彼公司 用于同步整流的同步整流电路和技术
CN108111016A (zh) * 2016-11-25 2018-06-01 台达电子工业股份有限公司 功率模块
CN108111016B (zh) * 2016-11-25 2020-04-03 台达电子工业股份有限公司 功率模块
CN108111032A (zh) * 2016-11-25 2018-06-01 台达电子工业股份有限公司 功率变换装置与功率变换方法
CN107453614A (zh) * 2017-09-15 2017-12-08 肇庆市锐高电子有限公司 全桥同步整流电路
CN109660125A (zh) * 2017-10-12 2019-04-19 首利实业股份有限公司 高功率电源供应器的电路结构
CN107979291A (zh) * 2017-12-29 2018-05-01 河北正电器科技有限公司 双向dc-dc转换器及其转换方法
CN108471227A (zh) * 2018-04-12 2018-08-31 四川升华电源科技有限公司 一种功率变换器控制方法及装置
CN109586567A (zh) * 2018-11-08 2019-04-05 深圳航天科技创新研究院 一种宽输入电压范围多路高压输出的拓扑结构
CN111190039B (zh) * 2018-11-14 2022-06-28 台达电子工业股份有限公司 功率变换器的电流检测电路
CN111190039A (zh) * 2018-11-14 2020-05-22 台达电子工业股份有限公司 功率变换器的电流检测电路
US11525848B2 (en) 2018-11-14 2022-12-13 Delta Electronics, Inc. Current detecting circuit of power converter
CN112886825A (zh) * 2021-04-28 2021-06-01 杭州富特科技股份有限公司 一种优化同步整流sr关断风险的控制方法
CN112886825B (zh) * 2021-04-28 2021-08-17 杭州富特科技股份有限公司 一种优化同步整流sr关断风险的控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9318967B2 (en) 2016-04-19
US20150249395A1 (en) 2015-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103872919A (zh) 直流-直流变换器及直流-直流变换系统
US8542501B2 (en) Switching power-supply apparatus
US8837174B2 (en) Switching power-supply apparatus including switching elements having a low threshold voltage
JP5659575B2 (ja) マルチフェーズ型コンバータ
US6771518B2 (en) DC converters
TWI404317B (zh) 雙極性雙輸出同步升壓變換器及其操作方法
US8400123B2 (en) Voltage converter and voltage conversion method
US8351230B2 (en) Switching power supply with plural resonant converters and variable frequency
US9461554B2 (en) Hybrid converter using a resonant stage and a non-isolated stage
EP2432105A2 (en) Power factor correct current resonance converter
CN101795076A (zh) 功率变换器以及控制功率变换器的方法
CN109818501B (zh) 具有频率-接通时间转换器的控制器
CN104796015B (zh) 用于对同步整流器驱动电路供电的系统和方法
US11139734B2 (en) DC/DC power converter
CN111726005A (zh) 相移全桥转换器、操作相移全桥转换器的方法和ac/dc转换器
CN101800476A (zh) 电压变换装置、方法及供电系统
CN101212181B (zh) 一种多路输出电源
US9369059B2 (en) AC-DC converter for wide range output voltage and high switching frequency
US7535207B2 (en) Tapped converter
CN109120156A (zh) 一种隔离buck-boost电路及其控制方法
CN114391218A (zh) 宽电压范围dc-dc转换器
US9621052B2 (en) Switched mode power supply and method of operating a switched mode power supply
US10742118B2 (en) Quasi-resonant power converter with reduced dynamic switching losses
Zelnik et al. Multiple output flyback converter design
US8324872B2 (en) Voltage regulator with coupled inductors having high coefficient of coupling

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20140618