[发明专利]隔离开关模式电源

说明书

技术领域

本发明一般涉及隔离开关模式电源领域，并且更具体地说，涉及设有开关装置以降低其中的功率损耗的隔离开关模式电源。

背景技术

开关模式电源(SMPS)是熟知类型的功率转换器，由于其小的大小和重量及高效率而具有范围广泛的应用，例如，在个人计算机和诸如手机等便携式电子装置中。SMPS通过在高频率（通常数十到几百kHz）对诸如功率MOSFET等开关元件进行开关而实现这些优点，开关的频率或占空比使用反馈信号调整以将输入电压转换成所需输出电压。SMPS可采取整流器（AC/DC转换器）、DC/DC转换器、变频器(AC/AC)或逆变器(DC/AC)的形式。

图1示出隔离SMPS的背景示例，隔离SMPS即将输入电压Vin转换成输出电压Vout同时通过变压器隔离输入和输出的SMPS。以DC到DC转换器的形式提供SMPS 100，转换器在其一次侧具有半桥布置，如图所示，半桥布置包括在电源的输入之间连接并且连接到隔离变压器110的一次绕组111的两个晶体管Q1和Q2（例如可以是诸如MOSFET或IGBT等场效应晶体管）和两个电容器C1和C2。只使用两个晶体管在一次侧处理电流使半桥配置最适合要求低零件计数的低功率应用。虽然在本示例中采用半桥配置，但备选可在一次侧使用熟知的拓扑。例如，带有四个晶体管的全桥配置可更适合用于更高功率应用。备选，能够使用推拉布置。在所有这些配置中，晶体管的开关由控制器电路（未示出）控制。

图1也示出隔离SMPS 100的二次侧的标准拓扑，其包括整流电路和连接到负载R的LC滤波器。LC滤波器的电感器L连接到变压器110的二次绕组112。参考接地的中心抽头113在具有n₂圈的二次绕组112的第一部分112a与也具有n₂圈的绕组112的第二部分112b之间提供。在本示例中，整流网络采用两个二极管D1和D2，以产生在二次绕组112中感应的电压的全波整流。

功率效率当然是在开关模式电源的设计中的关键考虑因素，并且其测度通常指示SMPS的质量。更多的研究工作因此一直致力于改进功率效率。例如，肖特基二极管具有极小的反向恢复时间，并且因此经常被使用以便最小化与二极管开关相关联的功率损耗。备选，为改进图1所示转换器在更高电流电平的效率，图1中二次侧电路中的二极管D1和D2能够替换为包括如图2的SMPS电路200中在Q3和Q4所示晶体管的同步整流器电路。每个开关装置Q3和Q4能够采用任何适合或需要的形式，并且例如优选是N-MOSFET或P-MOSFET或IGBT形式的场效晶体管。在图2的示例中，开关装置Q3和Q4具有在图2的开关装置符号中未示出的体内漏极二极管。这些晶体管的开关由控制器电路（未示出）控制，其可以是或不是控制晶体管Q1和Q2的开关的控制电路。

图2所示SMPS的操作的原理将为本领域技术人员所熟悉，因此，此处不必进行其详细解释。然而，现在将回顾一些基本知识以有助于本发明的理解。

图3示出开关循环图，图2中的开关Q1-Q4的栅电极由SMPS控制器电路根据开关循环图驱动，使得一次侧电路生成应用到变压器110的一次绕组111的一系列电压脉冲。在图3中，“D”表示开关的占空比，并且“T”表示开关周期。在四个时间期0到DT、DT到T、T到(T+DT)和(T+DT)到2T期间电路的操作如下所述。

时间期1 (0 < t < DT)：接通开关装置Q1而Q2关断，允许在V_in的输入源经变压器110的一次绕组111为电容器C1和C2充电。在此期间内，接通开关装置Q3而关断装置Q4，从而允许源经变压器110的二次绕组112将能量转移到负载R。输出电压                                               ，其中，n₁是在一次绕组中圈的数量。

图2的半桥隔离降压转换器的操作与反激转换器（或组合正向/反激转换器）的操作相反，其中，能量在此期间内存储在变压器核心中提供的气隙中，以便在不驱动变压器的一次绕组时随后释放到二次侧电路中。此类气隙在图2所示变压器110的核心中或在下述内容中所述任何有关电路中不存在。