РЕЗОНАНСНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ, А ТАКЖЕ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
RESONANT RECTIFIER, AND ALSO A METHOD AND DEVICE FOR MANAGING A RESONANT RECTIFIER

Перекрестные ссылки на связанные заявки
[0001] Настоящая заявка ссылается на приоритет заявки на патент Китайской Народной Республики №201410676697.4, которая была зарегистрирована 21 ноября 2014 года. При этом содержимое упомянутой заявки полностью включено в настоящий документ путем ссылки.
Область техники
[0002] Настоящее изобретение относится к области прикладной схемотехники, а именно к резонансному выпрямителю, а также к способу и устройству для резонансного выпрямления.
Предпосылки создания изобретения
[0003] Функции электронных устройств становятся все более сложными, а интерфейсы взаимодействия - все более простыми, соответственно, неизбежно растет степень интеграции микросхем управления и их энергопотребление. Чтобы повысить их эффективность, в цепях микросхем необходимы более оптимальные схемные топологические структуры и логические цепи управления.
[0004] На существующем уровне техники энергию со стороны первичной обмотки трансформатора передают в выходную схему стороны вторичной обмотки главным образом при помощи резонансного метода. После усиления напряжения в усилительной цепи до заранее заданного значения, полумостовая схема, состоящая из двух полевых транзисторов (field effect transistors, FET), поддерживает заранее заданное напряжение для зарядки конденсатора. Конденсатор и трансформатор, соединенные последовательно, формируют резонансную LC-схему. Энергия резонансной схемы передается со стороны первичной обмотки в сторону вторичной обмотки при помощи трансформатора. После приема энергии она передается со стороны вторичной обмотки через выпрямляющий диод на нагрузку, где она совершает работу.
[0005] На существующем уровне техники имеются следующие недостатки:
[0006] (а) Поскольку в трансформаторе имеется индуктивная утечка, то способ подключения, при котором конденсатор и трансформатор соединены параллельно, не дает истинно резонансной схемы. То есть LC-контур работает не в точке резонанса. Также при этом индуктивная утечка в трансформаторе не является постоянной, и может быть скомпенсирована лишь в ограниченном диапазоне. Следовательно, если контур работает на частоте  резонанса, то он работает в емкостной области, в которой емкость имеет преобладающее влияние. Энергия первичной обмотки всегда меньше своего теоретического значения из-за индуктивной утечки, которая снижает КПД преобразования энергии.
[0007] (b) Выпрямляющую схему вторичной обмотки, как правило, выполняют из диодов, и поскольку через диоды всегда протекает некоторый ток, то если диоды имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, КПД преобразования может быть существенно пониженным, и энергопотребление при этом может иметь высокое значение.
Сущность изобретения
[0008] В целях преодоления недостатков, имеющихся на существующем уровне техники, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложен резонансный выпрямитель, а также способ и устройство для управления резонансным выпрямлением.
[0009] В соответствии с первым аспектом вариантов осуществления настоящего изобретения, предложен резонансный выпрямитель, включающий входной модуль стороны первичной обмотки, выходной модуль стороны вторичной обмотки и трансформатор.
при этом входной модуль стороны первичной обмотки передает энергию через трансформатор в выходной модуль стороны вторичной обмотки,
и при этом входной модуль стороны первичной обмотки включает: первый полевой транзистор и второй полевой транзистор, подключенные последовательно между источником напряжения и землей; первый конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе между истоком и стоком первого полевого транзистора; второй конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, подключенный между истоком и стоком второго полевого транзистора; и первую катушку индуктивности, подключенную к обоим концам первичной обмотки трансформатора, при этом один конец первой катушки индуктивности подключен между первым полевым транзистором и вторым полевым транзистором через первый конденсатор, а другой конец первой катушки индуктивности подключен на землю, и
при этом выходной модуль стороны вторичной обмотки включает: третий полевой транзистор, исток которого подключен к одному из концов вторичной обмотки трансформатора; и четвертый полевой транзистор, исток которого подключен к другому концу вторичной обмотки трансформатора, и при этом сток третьего полевого транзистора подключен к стоку четвертого полевого транзистора, а также подключен к выходной клемме выходного модуля стороны вторичной обмотки через второй конденсатор и первый резистор, которые включены параллельно.
[0010] Альтернативно, входной модуль стороны первичной обмотки включает вторую катушку индуктивности,
при этом один из концов первой катушки индуктивности подключен между первым полевым транзистором и вторым полевым транзистором через первый конденсатор и вторую катушку индуктивности, которые подключены параллельно друг другу.
[0011] В соответствии со вторым аспектом вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ управления резонансным выпрямлением, отличающийся тем, что в целях управления описанным выше резонансным выпрямителем способ включает:
в течение первого отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором и вторым полевым транзистором таким образом, чтобы они были включены, и управление третьим полевым транзистором таким образом, чтобы он был выключен, так что входной модуль стороны первичной обмотки принимает энергию от источника питания; управление третьим полевым транзистором таким образом, чтобы он был включен, так что энергия, накопленная во входном модуле стороны первичной обмотки, передается в выходной модуль стороны вторичной обмотки через трансформатор; и управление третьим полевым транзистором таким образом, чтобы он выключился ранее, чем первый полевой транзистор, так что входной модуль стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки накапливает энергию;
в течение второго отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что второй конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий второму полевому транзистору, разряжается, второй полевой транзистор в следующем периоде включения будет находиться в переходном состоянии с нулевым напряжением, а первый конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий первому полевому транзистору, заряжается до тех пор, пока напряжение между двумя концами первого конденсатора на обратно смещенном p-n-переходе не достигнет напряжения источника питания;
в течение третьего отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что входной модуль стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки выводит энергию;
в течение четвертого отрезка времени рабочего периода управление вторым полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они включались последовательно, так что входной модуль стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки накапливает энергию; и
в течение пятого отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что второй конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий второму полевому транзистору, разряжается, второй полевой транзистор в следующем периоде включения будет находиться в переходном состоянии с нулевым напряжением, а входной модуль стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки выводит энергию.
[0012] Альтернативно, способ дополнительно включает: получение времени включения первого полевого транзистора и второго полевого транзистора с использованием следующего уравнения:
,
где T - время включения первого полевого транзистора и второго полевого транзистора, Lr - значение индуктивности второй катушки индуктивности во входном модуле стороны первичной обмотки, а Cr -значение емкости первого конденсатора во входном модуле стороны первичной обмотки.
[0013] Альтернативно, время включения первого полевого транзистора и второго полевого транзистора больше, чем время включения третьего полевого транзистора и четвертого полевого транзистора.
[0014] Альтернативно, ширина импульса пускового сигнала для стороны вторичной обмотки, управляющего третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором, имеет задержку, определяемую с помощью заранее заданного времени задержки относительно ширины импульса пускового сигнала для стороны первичной обмотки, управляющего первым полевым транзистором и вторым полевым транзистором, при этом заранее заданное время задержки включает заранее заданное время задержки включения и заранее заданное время задержки выключения, и при этом заранее заданное время задержки включения обеспечивает управление третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы выполнялось их включение с задержкой, а заранее заданное время задержки выключения обеспечивает управление третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы выполнялось их выключение с задержкой.
[0015] В соответствии с третьим аспектом вариантов осуществления настоящего изобретения предложено устройство для управления резонансным выпрямлением, отличающееся тем, что в целях управления описанным выше резонансным выпрямителем устройство включает:
первый модуль управления, сконфигурированный для выполнения следующих шагов,
в течение первого отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором и вторым полевым транзистором таким образом, чтобы они были включены, и управление третьим полевым транзистором таким образом, чтобы он был выключен, так что входной модуль стороны первичной обмотки принимает энергию от источника питания; управление третьим полевым транзистором таким образом, чтобы он был включен, так что энергия, накопленная во входном модуле стороны первичной обмотки, передается в выходной модуль стороны вторичной обмотки через трансформатор; и управление третьим полевым транзистором таким образом, чтобы он выключился ранее, чем первый полевой транзистор, так что входной модуль стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки накапливает энергию;
в течение второго отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что второй конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий второму полевому транзистору, разряжается, второй полевой транзистор напряжением в следующем периоде включения будет находиться в переходном состоянии с нулевым напряжением, а первый конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий первому полевому транзистору, заряжается до тех пор, пока напряжение между двумя концами первого конденсатора на обратно смещенном p-n-переходе не достигнет напряжения источника питания;
в течение третьего отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что входной модуль стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки выводит энергию;
в течение четвертого отрезка времени рабочего периода управление вторым полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они включались последовательно, так что входной модуль стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки накапливает энергию; и
в течение пятого отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что второй конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий второму полевому транзистору, разряжается, второй полевой транзистор в следующем периоде включения будет находиться в переходном состоянии с нулевым напряжением, а входной модуль стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки выводит энергию.
[0016] Альтернативно, устройство дополнительно включает:
модуль получения, сконфигурированный для получения времени включения первого полевого транзистора и второго полевого транзистора с использованием следующего уравнения:
,
где Т - время включения первого полевого транзистора и второго полевого транзистора, Lr - значение индуктивности второй катушки индуктивности во входном модуле стороны первичной обмотки, а Cr -значение емкости первого конденсатора во входном модуле стороны первичной обмотки.
[0017] Альтернативно, устройство дополнительно включает: второй модуль управления, сконфигурированный для обеспечения управления таким образом, чтобы ширина импульса пускового сигнала для стороны вторичной обмотки, управляющего третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором, имела задержку, определяемую с помощью заранее заданного времени задержки относительно ширины импульса пускового сигнала для стороны первичной обмотки, управляющего первым полевым транзистором и вторым полевым транзистором, при этом заранее заданное время задержки включает заранее заданное время задержки включения и заранее заданное время задержки выключения, и при этом заранее заданное время задержки включения обеспечивает управление третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы выполнялось их включение с задержкой, а заранее заданное время задержки выключения обеспечивает управление третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы выполнялось их выключение с задержкой.
[0018] Технические решения, предложенные в вариантах осуществления настоящего изобретения, могут давать следующие полезные результаты: за счет замены выпрямляющих диодов на стороне вторичной обмотки резонансного выпрямляющего устройства на третий МОП-транзистор и четвертый МОП-транзистор обеспечивается эффективное отсечение контура стороны вторичной обмотки, благодаря чему снижается или полностью устраняется негативное влияние на нагрузку из-за утечки магнитного потока. Кроме того, в схеме, предложенной настоящим изобретением, МОП-транзисторы в составе стороны первичной обмотке и стороны вторичной обмотки включают по порядку, т.е. сначала включают МОП-транзисторы стороны первичной обмотки, и затем, после определенного времени задержки, включают МОП-транзисторы стороны вторичной обмотки; тогда как после выключения МОП-транзисторов стороны вторичной обмотки, МОП-транзисторы стороны первичной обмотки выключают также только после определенного времени задержки, благодаря чему удается практически полностью исключить негативное влияние на нагрузку из-за утечки магнитного потока. То есть за счет замены выпрямляющих диодов на стороне вторичной обмотки на МОП-транзисторы, может быть реализовано синхронное выпрямление, что позволяет повысить КПД преобразования, стабильность работы нагрузочного оборудования, обеспечить эффективную защиту нагрузочного оборудования и исключить его повреждение. При этом может применяться метод переключения при нулевом напряжении, который позволяет понизить энергопотребление МОП-транзисторов.
[0019] Нужно понимать, что и предшествующее общее описание, и подробное описание, приведенное ниже, являются исключительно иллюстративными и пояснительными, и не ограничивают настоящее изобретение.
Краткое описание чертежей
[0001] На приложенных чертежах, которые входят в состав настоящего описания и являются его неотъемлемой частью, проиллюстрированы варианты осуществления, соответствующие настоящему изобретению. Приложенные чертежи, вместе с описанием, служат для разъяснения замысла настоящего изобретения.
[0002] Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему резонансного выпрямителя в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0003] Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему резонансного выпрямителя в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения;
[0004] Фиг. 3 представляет собой временную диаграмму работы резонансного выпрямителя в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0005] Фиг. 4 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0006] Фиг. 5 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0007] Фиг. 6 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0008] Фиг. 7 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0009] Фиг. 8 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0010] Фиг. 9 представляет собой временную диаграмму пускового сигнала для стороны первичной обмотки и пускового сигнала для стороны вторичной обмотки в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения;
[0011] Фиг. 10 представляет собой блок-схему устройства управления для резонансного выпрямления, проиллюстрированную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения; и
[0012] Фиг. 11 представляет собой структурную блок-схему устройства управления для резонансного выпрямления, проиллюстрированную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
[0013] Далее в настоящем документе настоящее изобретение будет описано более подробно с помощью конкретных примеров его осуществления, которые проиллюстрированы на приложенных чертежах. В приведенном ниже описании осуществляются ссылки на приложенные чертежи, где, если не указано обратное, аналогичными обозначениями на различных чертежах обозначены одинаковые или аналогичные элементы. Реализации примеров осуществления настоящего изобретения, изложенные в приведенном ниже описании, не являются всеми возможными реализациями, соответствующими настоящему изобретению. Напротив, они являются исключительно примерами устройств и способов, соответствующих настоящему изобретению, которое определено приложенной формулой изобретения.
[0014] На существующем уровне техники на стороне вторичной обмотки резонансной схемы применяют диоды. Диоды всегда включены, и это означает, что вторичная сторона в любом случае представляет собой контур с полным разрядом. Даже когда ток на стороне вторичной обмотки не нужен, в ней все равно может формироваться малый ток вследствие индуктивной связи со стороной первичной обмотки. Из-за этого тока могут возникать потери, и при этом наличие тока может также приводить к тому, что индуцированный ток не достигает уровня, требуемого нагрузкой. Соответственно, нагрузка работает нестабильно. Кроме того, в трансформаторе может присутствовать утечка магнитного потока, а утечка магнитного потока может оказывать значительное влияние на величину магнитного поля. Диоды, которые по своим свойствам всегда включены, обуславливают формирование выбросов тока, которые, из-за утечки магнитного потока, могут передаваться в сторону вторичной обмотки, и следовательно выбросы тока могут соответствующим образом формироваться и на стороне вторичной обмотки, ставя нагрузочную аппаратуру под угрозу повреждения.
[0015] В вариантах осуществления настоящего изобретения диоды на стороне вторичной обмотки резонансного выпрямителя могут быть заменены на полевые транзисторы (МОП-транзисторы), позволяющие решить проблему утечки магнитного потока и потерь индукционного тока. Также за счет введения катушки индуктивности в состав стороны первичного контура схемы резонансного выпрямления может быть решена проблема индуктивной утечки.
[0016] Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему резонансного выпрямителя в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 1 устройство включает входной модуль 11 стороны первичной обмотки, трансформатор Т1 и выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки.
[0017] В данном примере входной модуль 11 стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки через трансформатор Т1.
in
oss1
oss2
m
m
r
m
[0018] Входной модуль 11 стороны первичной обмотки включает первый МОП-транзистор S1 и второй МОП-транзистор S2, подключенные последовательно между источником V питания и землей; первый конденсатор C на обратно смещенном p-n-переходе подключен между истоком и стоком первого МОП-транзистора S1; второй конденсатор C на обратно смещенном p-n-переходе подключен между истоком и стоком второго МОП-транзистора S2; при этом первая катушка L индуктивности подключена к обоим концам первичной обмотки трансформатора Т1, и при этом один конец первой катушки L индуктивности подключен между первым МОП-транзистором S1 и вторым МОП-транзистором S2 через первый конденсатор C, а другой конец первой катушки L индуктивности подключен на землю.
o
[0019] Модуль 12 стороны вторичной обмотки включает: третий МОП-транзистор S3, исток которого подключен к одному из концов вторичной обмотки трансформатора Т1; и четвертый МОП-транзистор S4, исток которого подключен к другому концу вторичной обмотки трансформатора, и при этом сток третьего МОП-транзистора S3 подключен к стоку четвертого МОП-транзистора S4, а также подключен к выходной клемме выходного модуля 12 стороны вторичной обмотки через второй конденсатор С и первый резистор R, которые подключены параллельно друг другу.
[0020] В данном варианте осуществления настоящего изобретения за счет замены выпрямляющих диодов на стороне вторичной обмотки резонансного выпрямителя на третий МОП-транзистор и четвертый МОП-транзистор обеспечивается эффективное отсечение контура вторичной стороны, благодаря чему снижается или полностью устраняется негативное влияние на нагрузку из-за наличия индуктивной связи. Кроме того, в схеме, предложенной настоящим изобретением, МОП-транзисторы в составе стороны первичной обмотке и стороны вторичной обмотки включают по порядку, т.е. сначала включают МОП-транзисторы стороны первичной обмотки, и затем, после определенного времени задержки, включают МОП-транзисторы стороны вторичной обмотки; тогда как после выключения МОП-транзисторов стороны вторичной обмотки, МОП-транзисторы стороны первичной обмотки выключают также только после определенного времени задержки, благодаря чему удается практически полностью исключить негативное влияние на нагрузку из-за утечки магнитного потока. То есть за счет замены выпрямляющих диодов на стороне вторичной обмотки на МОП-транзисторы, может быть реализовано синхронное выпрямление, что позволяет повысить КПД преобразования, стабильность работы нагрузочного оборудования, обеспечить эффективную защиту нагрузочного оборудования и исключить его повреждение. При этом может применяться метод переключения транзистора при нулевом напряжении, который позволяет понизить энергопотребление МОП-транзисторов.
r
m
t
r
[0021] Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему резонансного выпрямителя в соответствии с другим примером осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 2 альтернативно входной модуль 11 стороны первичной обмотки может дополнительно включать вторую катушку L индуктивности. Один конец первой катушки Lиндуктивности подключен между первым МОП-транзистором S1 и вторым МОП-транзистором S2 через первый конденсатор C и вторую катушку Lиндуктивности, которые подключены последовательно друг с другом.
[0022] В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения в состав стороны первичной обмотки добавляют катушку индуктивности, благодаря чему компенсируют падение индуктивности (L) вследствие индуктивной утечки. Соответственно, фактическая частота резонанса может быть равной или большей теоретической частоте резонанса, то есть точка резонанса может попадать в индуктивную область, благодаря чему может быть решена проблема индуктивной утечки, а КПД преобразования энергии - повышено.
[0023] Фиг. 3 представляет собой временную диаграмму работы резонансного выпрямителя в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 3 один рабочий период резонансного выпрямителя разделен на пять отрезков времени. В настоящем изобретении предложен также способ управления резонансным выпрямлением, предназначенный для управления резонансным выпрямительным устройством таким образом, чтобы он функционировал согласно временной диаграмме работы, проиллюстрированной на фиг. 3. Один рабочий период резонансного выпрямителя разделен на пять отрезков времени, при этом ниже, соответственно, будет детально описана процедура управления для каждого из этих пяти отрезков времени.
[0024] (I) Первый отрезок времени
in
[0025] Фиг. 4 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 4 управление выполняют таким образом, чтобы включить первый МОП-транзистор S1 и второй МОП-транзистор S2, а третий МОП-транзистор S3 - выключить, так что входной модуль 11 стороны первичной обмотки принимает энергию из источника V электропитания. Управление выполняют таким образом, чтобы включить МОП-транзистор S3, так что энергию, накопленную во входном модуле 11 стороны первичной обмотки, переносят в выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки через трансформатор Т1; и выполняют управление таким образом, чтобы включить третий МОП-транзистор S3 раньше, чем первый МОП-транзистор S1, так что входной модуль 11 стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки, и выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки хранит энергию.
[0026] (II) Второй отрезок времени
oss2
r
oss1
oss1
in
oss2
in
[0027] Фиг. 5 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 5 выполняют управление таким образом, чтобы выключить второй МОП-транзистор S2, третий МОП-транзистор S3 и четвертый МОП-транзистор S4, так что второй конденсатор C на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий второму МОП-транзистору S2, разряжается, а второй МОП-транзистор S2 в следующем периоде включения будет находиться в переходном состоянии с нулевым напряжением, тогда как ток во второй катушке L индуктивности продолжает протекать, а первый конденсатор C на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий первому МОП-транзистору S1, заряжается до тех пор, пока напряжение между двумя концами первого конденсатора C на обратно смещенном p-n-переходе не сравняется с напряжением V источника питания, в то время как напряжение между двумя концами второго конденсатора C на обратно смещенном p-n-переходе падает с его разрядом от V до 0 (нуля).
oss
DS
[0028] Емкость C перехода МОП-транзистора является функцией V и может найдена следующим образом:
[0029] ,
OSS
DS
oss
где C' - емкость перехода МОП-транзистора при V=V', которую можно найти в спецификации изготовителя МОП-транзистора.
[0030] Во втором отрезке времени вся схема находится в состоянии переключения при нулевом напряжении (Zero Voltage Switch, ZVS).
[0031] (III) Третий отрезок времени
[0032] Фиг. 6 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 6 выполняют управление таким образом, чтобы выключить первый МОП-транзистор S1, второй МОП-транзистор S2, третий МОП-транзистор S3 и четвертый МОП-транзистор S4, так что входной модуль 11 стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки и выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки выводит энергию.
[0033] (IV) Четвертый отрезок времени
[0034] Фиг. 7 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 7 выполняют управление таким образом, чтобы последовательно включить второй МОП-транзистор S2 и четвертый МОП-транзистор S4, так что входной модуль 11 стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки и выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки накапливает энергию.
r
o
[0035] Поскольку второй МОП-транзистор S2 включен и образует замкнутый контур, осуществляется расход энергии, при этом напряжение на первом конденсаторе C равно . Когда включают четвертый МОП-транзистор S4, энергия переносится из входного модуля 11 стороны первичной обмотки в выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки через четвертый МОП-транзистор S4 и одновременно с этим заряжается второй конденсатор С.
[0036] (V) Пятый отрезок времени
oss1
[0037] Фиг. 8 представляет собой эскизную иллюстрацию направления протекания тока в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 8 выполняют управление таким образом, чтобы выключить первый МОП-транзистор S1, второй МОП-транзистор S2, третий МОП-транзистор S3 и четвертый МОП-транзистор S4, так что первый конденсатор C на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий первому МОП-транзистору S1, разряжается, и первый МОП-транзистор S1 в следующим периоде включения находится переходном состоянии с нулевым напряжением. В то же время благодаря наличию индуктивности, во входном модуле 11 стороны первичной обмотки ток не исчезает моментально, благодаря чему обеспечивается непрерывность резонансного тока. Входной модуль 11 стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки, и выходной модуль 12 стороны вторичной обмотки выводит энергию.
[0038] В данном варианте осуществления настоящего изобретения МОП-транзисторами резонансного выпрямителя управляют, при помощи устройства управления, таким образом, чтобы они включались попеременно, благодаря чему может быть практически полностью исключено негативное влияние на нагрузку вследствие утечки магнитного потока. За счет замены выпрямляющих диодов на стороне вторичной обмотки на МОП-транзисторы может быть реализовано синхронное выпрямление, что позволяет повысить КПД преобразования, стабильность работы нагрузочного оборудования, обеспечить эффективную защиту нагрузочного оборудования и исключить его повреждение. При этом может применяться метод переключения транзистора при нулевом напряжении, который позволяет понизить энергопотребление МОП-транзисторов. При этом в состав стороны первичной обмотки добавляют катушку индуктивности, благодаря чему может быть компенсировано падение индуктивности (L) вследствие индуктивной утечки. Соответственно, фактическая частота резонанса может быть равной или большей теоретической частоте резонанса, то есть точка резонанса может попадать в область индуктивного режима, благодаря чему может быть решена проблема индуктивной утечки, а КПД преобразования энергии - повышено.
[0039] Альтернативно, способ дополнительно включает: получение времени включения первого полевого транзистора (МОП-транзистора) и второго МОП-транзистора с использованием следующего уравнения:
,
где Т - время включения первого МОП-транзистора и второго МОП-транзистора, Lr - значение индуктивности второй катушки индуктивности во входном модуле стороны первичной обмотки, а Cr - значение емкости первого конденсатора во входном модуле стороны первичной обмотки.
[0040] Альтернативно, время включения первого МОП-транзистора и второго МОП-транзистора больше, чем время включения третьего МОП-транзистора и четвертого МОП-транзистора.
[0041] Фиг. 9 представляет собой временную диаграмму пускового сигнала для стороны первичной обмотки и пускового сигнала для стороны вторичной обмотки в резонансном выпрямителе, показанную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 9 альтернативно ширина импульса пускового сигнала для стороны вторичной обмотки, управляющего третьим МОП-транзистором и четвертым МОП-транзистором, имеет задержку, определяемую с помощью заранее заданного времени задержки относительно ширины импульса пускового сигнала для стороны первичной обмотки, управляющего первым МОП-транзистором и вторым МОП-транзистором, при этом заранее заданное время задержки включает заранее заданное время задержки включения и заранее заданное время задержки выключения, при этом заранее заданное время задержки включения обеспечивает управление третьим МОП-транзистором и четвертым МОП-транзистором таким образом, чтобы выполнялось их включение с задержкой, а заранее заданное время задержки выключения обеспечивает управление третьим МОП-транзистором и четвертым МОП-транзистором таким образом, чтобы выполнялось их выключение с задержкой.
[0042] К примеру, заранее заданное время задержки включения и заранее заданное время задержки выключения могут быть установлены равным 10% от ширины импульса пускового сигнала для стороны первичной обмотки соответственно.
[0043] В одной из альтернативных реализаций задержку включения выбирают с учетом таких факторов, как задержка переключения, скважность, или аналогичных характеристик МОП-транзисторов в полумостовой схеме стороны первичной обмотки. То есть когда текущее значение не является положительным, вторичный пусковой сигнал не может иметь высокий уровень, т.к. в противном случае на сторону первичной обмотки будет передан обратный ток. Задержку выключения выбирают с учетом задержки переключения МОП-транзистора, служащего для синхронного выпрямления на стороне вторичной обмотки. Когда ток еще продолжает уменьшаться, вторичный пусковой сигнал должен заранее быть переведен на низкий уровень, иначе возможно возникновение обратного тока.
[0044] Фиг. 10 представляет собой блок-схему устройства управления для резонансного выпрямления, проиллюстрированную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 10 устройство включает первый модуль 101 управления.
[0045] Первый модуль управления сконфигурирован для выполнения следующих шагов:
в течение первого отрезка времени рабочего периода управление первым МОП-транзистором и вторым МОП-транзистором таким образом, чтобы они были включены, и управление третьим МОП-транзистором таким образом, чтобы он был выключен, так что входной модуль стороны первичной обмотки принимает энергию от источника питания; управление третьим МОП-транзистором таким образом, чтобы он был включен, так что энергия, накопленная во входном модуле стороны первичной обмотки передается в выходной модуль стороны вторичной обмотки через трансформатор; и управление третьим МОП-транзистором таким образом, чтобы он был выключен ранее, чем первый МОП-транзистор, так что входной модуль стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки накапливает энергию;
в течение второго отрезка времени рабочего периода управление первым МОП-транзистором, вторым МОП-транзистором, третьим МОП-транзистором и четвертым МОП-транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что второй конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий второму МОП-транзистору, разряжается, второй МОП-транзистор в следующем периоде включения будет находиться в переходном состоянии с нулевым напряжением, а первый конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий первому МОП-транзистору, заряжается до тех пор, пока напряжение между двумя концами первого конденсатора на обратно смещенном p-n-переходе не достигнет напряжения источника питания;
в течение третьего отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что входной модуль стороны первичной обмотки прекращает перенос энергии в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки выводит энергию;
в течение четвертого отрезка времени рабочего периода управление вторым полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они включались последовательно, так что входной модуль стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки накапливает энергию; и
в течение пятого отрезка времени рабочего периода управление первым полевым транзистором, вторым полевым транзистором, третьим полевым транзистором и четвертым полевым транзистором таким образом, чтобы они были выключены, так что второй конденсатор на обратно смещенном p-n-переходе, соответствующий второму полевому транзистору, разряжается, второй полевой транзистор находится в переходном состоянии с нулевым напряжение в течение следующего периода включения, а входной модуль стороны первичной обмотки переносит энергию в выходной модуль стороны вторичной обмотки, и выходной модуль стороны вторичной обмотки выводит энергию.
[0046] В соответствии с иллюстрацией фиг. 10 альтернативно устройство дополнительно включает:
Модуль 102 получения, сконфигурированный для получения времени включения первого полевого транзистора и второго полевого транзистора с использованием следующего уравнения:
,
где Т - время включения первого МОП-транзистора и второго МОП-транзистора, Lr - значение индуктивности второй катушки индуктивности во входном модуле стороны первичной обмотки, а Cr - значение емкости первого конденсатора во входном модуле стороны первичной обмотки.
[0047] В соответствии с иллюстрацией фиг. 10 альтернативно устройство дополнительно включает:
второй модуль 103 управления, сконфигурированный для управления шириной импульса пускового сигнала для стороны вторичной обмотки, управляющего третьим МОП-транзистором и четвертым МОП-транзистором, таким образом, чтобы он имел задержку, определяемую с помощью заранее заданного времени задержки относительно ширины импульса пускового сигнала для стороны первичной обмотки, управляющего первым МОП-транзистором и вторым МОП-транзистором, при этом заранее заданное время задержки включает заранее заданное время задержки включения и заранее заданное время задержки выключения, и при этом заранее заданное время задержки включения обеспечивает управление третьим МОП-транзистором и четвертым МОП-транзистором таким образом, чтобы выполнялось их включение с задержкой, а заранее заданное время задержки выключения обеспечивает управление третьим МОП-транзистором и четвертым МОП-транзистором таким образом, чтобы выполнялось их выключение с задержкой.
[0048] В отношении устройства, предложенного в описанных выше вариантах осуществления настоящего изобретения, конкретные операции, выполняемые каждым из модулей, были подробно описаны в соответствующих вариантах осуществления способа, и соответственно, их подробное описание в настоящем документе повторено не будет.
[0049] Описанные выше функции устройства управления резонансным выпрямлением могут быть также реализованы физической схемой, описанной ниже.
[0050] Фиг. 11 представляет собой структурную блок-схему устройства управления для резонансного выпрямления, проиллюстрированную в соответствии с одним из примеров осуществления настоящего изобретения. В соответствии с иллюстрацией фиг. 11, когда резонансная выпрямляющая схема находится в режиме малой нагрузки или режиме бездействия, схема управления, в целях поддержания высокого КПД должна применять преобразование частоты. Соответственно, в данном случае применяют режим управления с частотной модуляцией (Frequency Modulation, FM). В режиме малой нагрузки или в режиме бездействие выходное напряжение Vout схемы управления является пониженным. Напряжение на положительной входной клемме VFB усилителя А, при помощи цепей Rf1 и Rf2 деления напряжения, может также быть понижено. В этот момент выходная клемма FEAO усилителя А имеет низкий уровень, который меньше, чем внутреннее опорное напряжение схемы выбора режима. Схема выбора режима выдает высокий уровень на отрицательную входную клемму усилителя С. В этот момент выходной сигнал усилителя С проходит через логическую схему управления, и логическая схема управления выбирает режим управления с частотной модуляцией. В сущности, логическая схема управления меняет временную константу заряда/разряда генератора подкачки заряда путем управления усилителем с программируемым коэффициентом усиления (Programmable Gain Amplifier, PGA). В этот момент времени внешний сигнал CT/RT (емкости/сопротивления) выключен, и сигнал CT/RT определяет только наименьшую частоту резонанса. Зарядом и разрядом генератора подкачки заряда управляют при помощи PGA-усилителя, чем обеспечивается управление степенью крутизны зигзагообразной волны, формируемой кварцевым осциллятором (при условии, что мощность, накопленная в каждом периоде, является постоянной). Зигзагообразную волну подают на вход внутреннего компаратора, что позволяет изменять частоту управляющих импульсов. Управление с частотной модуляцией осуществляют с помощью набора из четырех пусковых сигналов для пуска МОП-транзисторов переключательной полумостовой схемы и МОП-транзисторов, служащих для синхронного выпрямления на стороне вторичной обмотки соответственно.
[0051] Когда резонансная выпрямляющая схема работает с полной нагрузкой, в схеме управления не требуется частотное преобразование, поскольку она находится в состоянии резонансной частоты, т.е. в режиме управления с широтно-импульсной модуляцией (Pulse Width Modulation, PWM). Выходное напряжение Vout схемы управления может быть увеличено, и также может быть увеличено напряжение на положительной входной клемме (клемме VFB) усилителя А, получаемое при помощи цепей Rf1 и Rf2 деления напряжения. В этот момент выходная клемма FEAO усилителя имеет высокий уровень сигнала. Затем выходной уровень со схемы выбора режима подают на отрицательную входную клемму усилителя С, и при этом выходной сигнал управления на отрицательной входной клемме усилителя С обеспечивает выбор режима PWM-управления в логической схеме, и его сравнивают с зигзагообразной волной в микросхеме, в результате чего формируют набор из четырех пусковых сигналов для пуска МОП-транзисторов переключательной полумостовой схемы и МОП-транзисторов, служащими для синхронного выпрямления, на стороне вторичной обмотки, соответственно, реализуя, таким образом, PWM-управление. Когда выходной ток достигает заданного максимального порогового тока, значение напряжения, получаемое с помощью измерительной клеммы ILIM, сравнивают в усилителе D. Усилитель D управляет селективным переключателем внутри логической схемы, т.е. клеммой SD схемы управления. Клемма SD подключена непосредственно на землю, что позволяет управлять рабочим состоянием схемы (прекращение работы или продолжение работы).
[0052] Специалистами в данной области техники по прочтении описания или после практического применения изобретения, описанного в настоящем документе, могут быть найдены другие варианты его осуществления. Настоящая заявка призвана охватить все изменения, применения или модификации настоящего изобретения, не отступающие от его основного замысла, включая все отступления от настоящего изобретения, которые известны на существующем уровне техники или традиционно применяются в данной области техники. Приведенное описание и примеры следует считать исключительно иллюстративными, при этом истинный объем и сущность настоящего изобретения определены приведенной ниже формулой изобретения.
[0053] Нужно понимать, что настоящее изобретение не ограничено конкретной конструкцией, описанной выше и проиллюстрированной на приложенных чертежах, и в пределах объема настоящего изобретения могут быть выполнены множество различных модификаций и изменений. Предполагается, что объем настоящего изобретения ограничен только приложенной формулой изобретения.