[发明专利]用于隔离开关模式电源的启动过程

说明书

技术领域

一般而言，本发明涉及隔离开关模式电源(有时称为隔离开关转换器)领域，并且更具体地说，涉及具有全桥初级侧拓扑的隔离开关模式电源的启动。

背景技术

开关模式电源(SMPS)是众所周知的功率转换器类型，由于其小尺寸和重量以及高效率而具有广泛范围的应用，例如在个人计算机和便携式电子装置(诸如蜂窝电话)中。SMPS通过以高频(通常是数十kHz到数百kHz)开关一个或多个开关元件(诸如功率MOSFET)来获得这些优点，其中使用反馈信号来调整开关的频率或占空比，以将输入电压转换成期望的输出电压。SMPS可采取整流器(AC到DC转换器)、DC到DC转换器、变频器(AC到AC)或逆变器(DC到AC)的形式。通常，为了最小化电力分配系统中的功率损耗，电力在高压电平分配，并且然后在负载附近使用整流器或DC到DC转换器变换成需要的电平。

图1示出了硬开关隔离SMPS(即将输入电压V_in转换成输出电压V_out而同时通过隔离变压器将输入与输出隔离开的SMPS)的背景示例。SMPS 100以全桥(DC到DC)转换器的形式提供，其在其初级侧上具有初级侧驱动电路，该初级侧驱动电路具有晶体管Q1、Q2、Q3和Q4(它们例如可以是场效应晶体管（诸如MOSFET或IGBT）)，在全桥布置中，它们连接在电源的输入端之间，并连接到隔离变压器110的初级绕组111，如所示。晶体管Q1到Q4因而配置成响应于施加到此的开关控制信号而驱动初级绕组111。在高功率应用中，用全桥初级侧拓扑比用其它拓扑(诸如半桥或推挽)经常可获得更高的转换器效率。

晶体管的开关由开关控制电路控制，开关控制电路包括开关驱动电路120、以脉宽调制(PW)控制器形式的开关控制器130以及反馈信号发生器140。驱动电路120包括脉宽调制器，该脉宽调制器生成要施加到晶体管Q1至Q4的栅极以便开启或关掉晶体管的相应驱动脉冲，所述驱动脉冲由开关控制器130根据提供给驱动电路120的开关控制信号生成。开关控制器130又布置成接收由反馈信号发生器140生成的反馈信号，反馈信号发生器140在此示例中以误差放大器的形式提供。由反馈信号发生器140生成的反馈信号提供了SMPS 100的输出(在此是输出电压V_out)与输出的参考(其在本示例中是参考电压V_ref)之间差的度量。在本示例中，来自反馈信号发生器140的反馈信号通过设置在SMPS 100的初级侧电路与次级侧电路之间的电气隔离屏障150(例如一个或多个光电转换器)。

图1还示出了隔离SMPS 100的次级侧上的标准拓扑，其包含整流电路以及连接到负载的LC滤波器。LC滤波器的电感器L连接到变压器110的次级绕组112。中央抽头(或“中间抽头”)113设置在次级绕组112的具有n₂匝的第一部分与绕组112的也具有n₂匝的第二部分之间。在本示例中，次级侧电路中的整流网络采用两个晶体管Q5和Q6以产生在次级绕组112中感应的电压的全波整流。开关装置Q5和Q6中的每个开关装置都可采取任何适合形式或期望形式，并且例如优选是MOSFET或IGBT形式的场效应晶体管。在图1的示例中，开关装置Q5和Q6具有内部体漏极二极管，其在图1中的开关装置符号中未示出。这些晶体管的开关由同一控制器电路控制，该控制器电路控制晶体管Q1至Q4的开关，即其包括驱动电路120、开关控制器130和反馈信号发生器140。如图1所示，由开关控制器130生成的晶体管Q5和Q6的开关控制信号也通过电气隔离屏障150。

控制电路驱动晶体管Q1至Q6使得初级侧晶体管Q1至Q4的开关与次级侧晶体管Q5和Q6的开关同步，这将在下面说明。要指出，开关控制器130备选地可位于图1所示的SMPS电路的次级侧上。换句话说，图1中的开关控制器130和隔离屏障150可互换。在那种情况下，驱动电路也可位于次级侧上，其中晶体管Q1至Q4的开关控制信号通过隔离屏障150。

图1中示出的SMPS的操作原理对本领域技术人员而言将是熟悉的，使得其详细说明在此是不必要的。然而，现在将讨论帮助理解本发明所必需的一些特征。

图2示出了由SMPS控制器电路驱动图1中开关Q1至Q6的栅极电极使得初级侧电路生成要施加到变压器110的初级绕组111的一系列电压脉冲所根据的开关循环图。在图2中，“D”表示初级侧开关的占空比，并且“T”表示开关周期。在四个时段0至DT、DT至T/2、T/2至(T/2+DT)和(T/2+DT)至T期间电路的操作如下。