双有源桥变换电路、电路工作方法及电子装置

  (71)申请人北京智芯半导体科技有限公司地址102200北京市昌平区科技园区双营西路79号院12号楼一层

  本公开涉及集成电路技术领域,具体涉及一种双有源桥变换电路、电路工作方法及电子装置,所述双有源桥变换电路包括,输入侧全桥电路,所述输入侧全桥电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4,负载侧全桥电路,所述负载侧全桥电路包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8,高频变压器,所述高频变压器的初级绕组连接于所述输入侧全桥电路的输出端,所述高频变压器的次级绕组连接于所述负载侧全桥电路的输入端,其中,Q1和Q3采用交叉耦合的方式连接,Q5和Q7采用交叉耦合的方式连接。本公开的技术方案,大幅度减少了提供控制信号的驱动电路的损耗,降低了实现成本。

  输入侧全桥电路,所述输入侧全桥电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4,

  负载侧全桥电路,所述负载侧全桥电路包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8,

  高频变压器,所述高频变压器的初级绕组连接于所述输入侧全桥电路的输出端,所述高频变压器的次级绕组连接于所述负载侧全桥电路的输入端,

  其中,所述第一开关管Q1和第三开关管Q3采用交叉耦合的方式连接,所述第五开关管Q5和所述第七开关管Q7采用交叉耦合的方式连接。

  所述第一开关管Q1和第三开关管Q3采用交叉耦合的方式连接包括,所述第一开关管Q1的栅极连接于所述第三开关管Q3的漏极和第四开关管Q4的漏极,所述第三开关管Q3的栅极连接于所述第一开关管Q1的漏极和第二开关管Q2的漏极,

  所述第五开关管Q5和第七开关管Q7采用交叉耦合的方式连接包括,所述第五开关管Q5的栅极连接于所述第七开关管Q7的漏极和第八开关管Q8的漏极,所述第七开关管Q7的栅极连接于所述第五开关管Q5的漏极和第六开关管Q6的漏极。

  3.根据权利要求1或2所述的电路,其特征是,所述第一开关管Q1、第三开关管Q3、第五开关管Q5和第七开关管Q7为P型晶体管,所述第二开关管Q2、第四开关管Q4、第六开关管Q6和第八开关管Q8为N型晶体管。

  4.根据权利要求1所述的电路,其特征是,还包括第一电容,所述第一电容的第一极板与所述第五开关管Q5的漏极连接,所述第一电容的第二极板与所述第七开关管Q7的漏极连接,以在所述负载侧全桥电路中形成升压电路。

  5.根据权利要求4所述的电路,其特征是,所述第一电容为MOS电容,PIP电容,MOM电容,MIM电容,或陶瓷电容。

  6.根据权利要求4所述的电路,其特征是,所述第一电容的取值由所述高频变压器次级侧电感感值Ls、耦合系数和工作频率Fop决定,取值范围从几兆赫兹至几十兆赫兹。

  7.根据权利要求1所述的电路,其特征是,还包括第一电感,所述第一电感与所述输入侧全桥电路和所述高频变压器的初级绕组串联,所述第一电感为单独设置的电感,或由所述高频变压器的漏感形成的电感。

  输入侧全桥电路,所述输入侧全桥电路包括第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12,

  负载侧全桥电路,所述负载侧全桥电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第十三开关管Q13和第十四开关管Q14,

  高频变压器,所述高频变压器的初级绕组连接于所述输入侧全桥电路的输出端,所述高频变压器的次级绕组连接于所述负载侧全桥电路的输入端,

  其中,所述第九开关管Q9和第十一开关管Q11采用交叉耦合的方式连接,所述第十三开关管Q13和第十四开关管Q14采用交叉耦合的方式连接,所述第一二极管D1的阳极连接于所

  述第十三开关管Q13的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线的阳极连接于所述第十四开关管Q14的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线所述的电路,其特征是,

  所述第九开关管Q9和第十一开关管Q11采用交叉耦合的方式连接包括,所述第九开关管Q9的栅极连接于所述第十一开关管Q11的漏极和第十二开关管Q12的漏极,所述第十一开关管Q11的栅极连接于所述第九开关管Q9的漏极和第十开关管Q10的漏极,

  所述第十三开关管Q13和第十四开关管Q14采用交叉耦合的方式连接包括,所述第十三开关管Q13的栅极连接于所述第十四开关管Q14的漏极和第二二极管D2的阳极,所述第十四开关管Q14的栅极连接于所述第十三开关管Q13的漏极和第一二极管D1的阳极。

  10.依据权利要求8或9所述的电路,其特征是,所述第九开关管Q9和第十一开关管Q11为P型晶体管,所述第十开关管Q10、第十二开关管Q12、第十三开关管Q13和第十四开关管Q14为N型晶体管。

  11.根据权利要求8所述的电路,其特征是,还包括第二电容,所述第二电容的第一极板与所述第十三开关管Q13的漏极连接,所述第二电容的第二极板与所述第十四开关管Q14的漏极连接,以在所述负载侧全桥电路中形成升压电路。

  12.根据权利要求11所述的电路,其特征是,所述第二电容为MOS电容,PIP电容,MOM电容,MIM电容,或陶瓷电容。

  13.根据权利要求11所述的电路,其特征是,所述第二电容的取值由所述高频变压器次级侧电感感值Ls、耦合系数和工作频率Fop决定,取值范围从几兆赫兹至几十兆赫兹。

  14.依据权利要求8所述的电路,其特征是,还包括第二电感,所述第二电感与所述输入侧全桥电路和所述高频变压器的初级绕组串联,所述第二电感为单独设置的电感,或由所述高频变压器的漏感形成的电感。

  输入侧全桥电路,所述输入侧全桥电路包括第十五开关管Q15、第十六开关管Q16、第十七开关管Q17和第十八开关管Q18,

  负载侧全桥电路,所述负载侧全桥电路包括第三二极管D3、第四二极管D4、第十九开关管Q19和第二十开关管Q20,

  高频变压器,所述高频变压器的初级绕组连接于所述输入侧全桥电路的输出端,所述高频变压器的次级绕组连接于所述负载侧全桥电路的输入端,

  其中,所述第十五开关管Q15和第十七开关管Q17采用交叉耦合的方式连接,所述第三二极管D3的阳极连接于所述第十九开关管Q19的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线的阳极连接于所述第二十开关管Q20的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线所述的电路,其特征在于,

  所述第十五开关管Q15和第十七开关管Q17采用交叉耦合的方式连接包括,所述第十五开关管Q15的栅极连接于所述第十七开关管Q17的漏极和第十六开关管Q16的漏极,所述第十七开关管Q17的栅极连接于所述第十五开关管Q15的漏极和第十八开关管Q18的漏极。

  17.依据权利要求15或16所述的电路,其特征是,所述第十五开关管Q15和第十七开关管Q17为P型晶体管,所述第十六开关管Q16、第十八开关管Q18、第十九开关管Q19和第二

  18.依据权利要求15所述的电路,其特征是,还包括第三电容,所述第三电容的第一极板与所述第三二极管D3的阳极连接,所述第三电容的第二极板与所述第四二极管D4的阳极连接,以在所述负载侧全桥电路中形成升压电路。

  19.根据权利要求18所述的电路,其特征是,所述第三电容为MOS电容,PIP电容, MOM 电容, MIM电容,或陶瓷电容。

  20.依据权利要求18所述的电路,其特征是,所述第三电容的取值由所述高频变压器次级侧电感感值Ls、耦合系数和工作频率Fop决定,取值范围从几兆赫兹至几十兆赫兹。

  21 .根据权利要求15所述的电路,其特征是,还包括第三电感,所述第三电感与所述输入侧全桥电路和所述高频变压器的初级绕组串联,所述第三电感为单独设置的电感,或由所述高频变压器的漏感形成的电感。

  22.一种电路的工作方法,其特征在于,所描述的方法应用于如权利要求1‑7中任一项所述的变换电路,所描述的方法包括,

  通过第一控制信号S1控制第二开关管Q2导通,使所述第二开关管Q2的漏极节点为低电平,第三开关管Q3的漏极节点为高电平,输入侧全桥电路中电流自所述第三开关管Q3的漏极节点流向所述第二开关管Q2的漏极节点,通过第三控制信号S3控制第六开关管Q6导通,使所述第六开关管Q6的漏极节点为低电平,第七开关管Q7的漏极节点为高电平,负载侧全桥电路中电流自所述第七开关管Q7的漏极节点流向所述第六开关管Q6的漏极节点,

  通过所述第一控制信号S1控制所述第二开关管Q2关断,输入侧全桥电路中电流继续自所述第三开关管Q3的漏极节点流向所述第二开关管Q2的漏极节点,直至所述第三开关管Q3的漏极变为低电平,第一开关管Q1导通,通过所述第三控制信号S3控制所述第六开关管Q6关断,负载侧全桥电路中电流继续自所述第七开关管Q7的漏极节点流向所述第六开关管Q6的漏极节点,直至所述第七开关管Q7的漏极变为低电平,第五开关管Q5导通,

  通过所述第二控制信号S2控制第四开关管Q4导通,以使输入侧全桥电路中电流自所述的第二开关管Q2漏极节点流向所述第三开关管Q3的漏极节点,实现所述输入侧全桥电路状态的转换,通过所述第四控制信号S4控制第八开关管Q8导通,以使负载侧全桥电路中电流自所述的第六开关管Q6漏极节点流向所述第七开关管Q7的漏极节点,实现所述负载侧全桥电路状态的转换。

  23.依据权利要求22所述的方法,其特征是,当所描述的方法应用于如权利要求4‑7所述的电路时,还包括,

  设定第一电容的容值,以使负载侧全桥电路的等效电路工作在增益大于1的频率范围。

  24.一种电路的工作方法,其特征是,所描述的方法应用于如权利要求8‑14中任一项所述的变换电路,所描述的方法包括,

  通过第五控制信号S5控制第十开关管Q10导通,使所述第十开关管Q10的漏极节点为低电平,第十一开关管Q11的漏极节点为高电平,输入侧全桥电路中电流自所述第十一开关管Q11的漏极节点流向所述第十开关管Q10的漏极节点,通过所述高频变压器使所述第二二极管D2的阳极为高电平,所述第一二极管D1的阳极为低电平,以使所述负载侧全桥电路中电流自所述第十四晶体管Q14的漏极节点流向所述第十三晶体管Q13的漏极节点,

  通过所述第五控制信号S5控制所述第十开关管Q10关断,输入侧全桥电路中电流继续

  自所述第十一开关管Q11的漏极节点流向所述第十开关管Q10的漏极节点,直至所述第十一开关管Q11的漏极变为低电平,第九开关管Q9导通,

  通过所述第六控制信号S6控制第十二开关管Q12导通,以使输入侧全桥电路中电流自所述的第十开关管Q10漏极节点流向所述第十一开关管Q11的漏极节点,实现所述输入侧全桥电路状态的转换,

  通过所述高频变压器使所述第二二极管D2的阳极为低电平,所述第一二极管D1的阳极为高电平,以使所述负载侧全桥电路中电流自所述第十三晶体管Q13的漏极节点流向所述第十四晶体管Q14的漏极节点,实现所述负载侧全桥电路状态的转换。

  25.依据权利要求24所述的方法,其特征是,当所描述的方法应用于如权利要求11‑14所述的电路时,还包括,

  设定第二电容的容值,以使负载侧全桥电路的等效电路工作在增益大于1的频率范围。

  26.一种电路的工作方法,其特征是,所描述的方法应用于如权利要求15‑21中任一项所述的变换电路,所描述的方法包括,

  通过第七控制信号S7控制第十六开关管Q16导通,使所述第十六开关管Q16的漏极节点为低电平,第十七开关管Q17的漏极节点为高电平,输入侧全桥电路中电流自所述第十七开关管Q17的漏极节点流向所述第十六开关管Q16的漏极节点,通过第九控制信号S9控制第十九开关管Q19导通,使所述第十九开关管Q19的漏极节点为低电平,第四二极管D4的阳极节点为高电平,负载侧全桥电路中电流自所述第四二极管D4的阳极节点流向所述第十九开关管Q19的漏极节点,

  通过所述第七控制信号S7控制所述第十六开关管Q16关断,输入侧全桥电路中电流继续自所述第十七开关管Q17的漏极节点流向所述第十六开关管Q16的漏极节点,直至所述第十七开关管Q17的漏极变为低电平,第十五开关管Q15导通,通过所述第九控制信号S9控制第十九开关管Q19关断,负载侧全桥电路中电流继续自所述第四二极管D4的阳极节点流向所述第十九开关管Q19的漏极节点,直至所述第十九开关管Q19的漏极变为高电平,第三二极管D3导通,

  通过所述第八控制信号S8控制第十八开关管Q18导通,以使输入侧全桥电路中电流自所述的第十六开关管Q16漏极节点流向所述第十七开关管Q17的漏极节点,实现所述输入侧全桥电路状态的转换,通过所述第十控制信号S10控制第二十晶体管Q20导通,以使负载侧全桥电路中电流自所述第十九开关管Q19的漏极节点流向所述第四二极管D4的阳极节点,实现所述负载侧全桥电路状态的转换。

  27.依据权利要求26所述的方法,其特征是,当所描述的方法应用于如权利要求18‑21所述的电路时,还包括,

  设定第三电容的容值,以使负载侧全桥电路的等效电路工作在增益大于1的频率范围。

  [0001 ] 本公开涉及集成电路技术领域,具体涉及一种双有源桥变换电路、电路工作方法及电子装置。

  [0002] 随着电子技术的发展,高频隔离功率转换技术将慢慢的变多的应用到供电电路中,成为实现快速灵活供电的重要手段。基于移相控制技术的双有源桥,Dual Active Bridge(DAB)变换电路具有功率密度高、动态响应快、容易实现软开关、功率能双向流动等优点,在不间断电源、电动汽车、固态变压器等供电电路场景获得了广泛应用。现有的DAB变换电路由两个全桥与变压器组成,通过在全桥的开关管施加不同的控制信号来调整DAB变换电路中两个全桥之间的移相比,进而获得需要的输出功率。这种结构对开关管的驱动损耗较大,且无法适应小电感场景的需求。

  [0003] 未解决有关技术中的问题,本公开实施例提供一种双有源桥变换电路、电路工作方法及电子装置。

  [0004] 第一方面,本公开实施例中提供了一种双有源桥变换电路,包括,

  输入侧全桥电路,所述输入侧全桥电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4,

  负载侧全桥电路,所述负载侧全桥电路包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8,

  高频变压器,所述高频变压器的初级绕组连接于所述输入侧全桥电路的输出端,所述高频变压器的次级绕组连接于所述负载侧全桥电路的输入端,

  其中,所述第一开关管Q1和第三开关管Q3采用交叉耦合的方式连接,所述第五开关管Q5和所述第七开关管Q7采用交叉耦合的方式连接。

  [0005] 根据本公开的实施例,所述第一开关管Q1和第三开关管Q3采用交叉耦合的方式连接包括,所述第一开关管Q1的栅极连接于所述第三开关管Q3的漏极和第四开关管Q4的漏极,所述第三开关管Q3的栅极连接于所述第一开关管Q1的漏极和第二开关管Q2的漏极,

  所述第五开关管Q5和第七开关管Q7采用交叉耦合的方式连接包括,所述第五开关管Q5的栅极连接于所述第七开关管Q7的漏极和第八开关管Q8的漏极,所述第七开关管Q7的栅极连接于所述第五开关管Q5的漏极和第六开关管Q6的漏极。

  [0006] 根据本公开的实施例,所述第一开关管Q1、第三开关管Q3、第五开关管Q5和第七开关管Q7为P型晶体管,所述第二开关管Q2、第四开关管Q4、第六开关管Q6和第八开关管Q8为N 型晶体管。

  [0007] 根据本公开的实施例,还包括第一电容,所述第一电容的第一极板与所述第五开关管Q5的漏极连接,所述第一电容的第二极板与所述第七开关管Q7的漏极连接,以在所述

  [0008] 根据本公开的实施例,所述第一电容为MOS电容,PIP电容, MOM电容, MIM电容,或陶瓷电容。

  [0009] 根据本公开的实施例,所述第一电容的取值由所述高频变压器次级侧电感感值Ls、耦合系数和工作频率Fop决定,取值范围从几兆赫兹至几十兆赫兹。

  [0010] 根据本公开的实施例,还包括第一电感,所述第一电感与所述输入侧全桥电路和所述高频变压器的初级绕组串联,所述第一电感为单独设置的电感,或由所述高频变压器的漏感形成的电感。

  [001 1 ] 第二方面,本公开实施例中提供了一种双有源桥变换电路,包括,

  输入侧全桥电路,所述输入侧全桥电路包括第九开关管Q9、第十开关管Q10、第十一开关管Q11和第十二开关管Q12,

  负载侧全桥电路,所述负载侧全桥电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第十三开关管Q13和第十四开关管Q14,

  高频变压器,所述高频变压器的初级绕组连接于所述输入侧全桥电路的输出端,所述高频变压器的次级绕组连接于所述负载侧全桥电路的输入端,

  其中,所述第九开关管Q9和第十一开关管Q11采用交叉耦合的方式连接,所述第十三开关管Q13和第十四开关管Q14采用交叉耦合的方式连接,所述第一二极管D1的阳极连接于所述第十三开关管Q13的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线的阳极连接于所述第十四开关管Q14的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线] 根据本公开的实施例,所述第九开关管Q9和第十一开关管Q11采用交叉耦合的方式连接包括,所述第九开关管Q9的栅极连接于所述第十一开关管Q11的漏极和第十二开关管Q12的漏极,所述第十一开关管Q11的栅极连接于所述第九开关管Q9的漏极和第十开关管Q10的漏极,

  所述第十三开关管Q13和第十四开关管Q14采用交叉耦合的方式连接包括,所述第十三开关管Q13的栅极连接于所述第十四开关管Q14的漏极和第二二极管D2的阳极,所述第十四开关管Q14的栅极连接于所述第十三开关管Q13的漏极和第一二极管D1的阳极。

  [0013] 根据本公开的实施例,所述第九开关管Q9和第十一开关管Q11为P型晶体管,所述第十开关管Q10、第十二开关管Q12、第十三开关管Q13和第十四开关管Q14为N型晶体管。

  [0014] 根据本公开的实施例,还包括第二电容,所述第二电容的第一极板与所述第十三开关管Q13的漏极连接,所述第二电容的第二极板与所述第十四开关管Q14的漏极连接,以在所述负载侧全桥电路中形成升压电路。

  [0015] 根据本公开的实施例,所述第二电容为MOS电容,PIP电容, MOM电容, MIM电容,或陶瓷电容。

  [0016] 根据本公开的实施例,所述第二电容的取值由所述高频变压器次级侧电感感值Ls、耦合系数和工作频率Fop决定,取值范围从几兆赫兹至几十兆赫兹。

  [0017] 根据本公开的实施例,还包括第二电感,所述第二电感与所述输入侧全桥电路和所述高频变压器的初级绕组串联,所述第二电感为单独设置的电感,或由所述高频变压器

  输入侧全桥电路,所述输入侧全桥电路包括第十五开关管Q15、第十六开关管Q16、第十七开关管Q17和第十八开关管Q18,

  负载侧全桥电路,所述负载侧全桥电路包括第三二极管D3、第四二极管D4、第十九开关管Q19和第二十开关管Q20,

  高频变压器,所述高频变压器的初级绕组连接于所述输入侧全桥电路的输出端,所述高频变压器的次级绕组连接于所述负载侧全桥电路的输入端,

  其中,所述第十五开关管Q15和第十七开关管Q17采用交叉耦合的方式连接,所述第三二极管D3的阳极连接于所述第十九开关管Q19的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线的阳极连接于所述第二十开关管Q20的漏极,阴极连接于所述负载侧全桥电路的电源线] 根据本公开的实施例,所述第十五开关管Q15和第十七开关管Q17采用交叉耦合的方式连接包括,所述第十五开关管Q15的栅极连接于所述第十七开关管Q17的漏极和第十六开关管Q16的漏极,所述第十七开关管Q17的栅极连接于所述第十五开关管Q15的漏极和第十八开关管Q18的漏极。

  [0020] 根据本公开的实施例,所述第十五开关管Q15和第十七开关管Q17为P型晶体管,所述第十六开关管Q16、第十八开关管Q18、第十九开关管Q19和第二十开关管Q20为N型晶体管。

  [0021 ] 根据本公开的实施例,还包括第三电容,所述第三电容的第一极板与所述第三二极管D3的阳极连接,所述第三电容的第二极板与所述第四二极管D4的阳极连接,以在所述负载侧全桥电路中形成升压电路。

  [0022] 根据本公开的实施例,所述第三电容为MOS电容,PIP电容, MOM电容, MIM电容,或陶瓷电容。

  [0023] 根据本公开的实施例,所述第三电容的取值由所述高频变压器次级侧电感感值Ls、耦合系数和工作频率Fop决定,取值范围从几兆赫兹至几十兆赫兹。

  [0024] 根据本公开的实施例,还包括第三电感,所述第三电感与所述输入侧全桥电路和所述高频变压器的初级绕组串联,所述第三电感为单独设置的电感,或由所述高频变压器的漏感形成的电感。

  [0025] 第四方面,本公开实施例提供了一种电路的工作方法,所描述的方法应用于如第一方面中任一实施例所述的变换电路,所描述的方法包括,

  通过第一控制信号S1控制第二开关管Q2导通,使所述第二开关管Q2的漏极节点为低电平,第三开关管Q3的漏极节点为高电平,输入侧全桥电路中电流自所述第三开关管Q3的漏极节点流向所述第二开关管Q2的漏极节点,通过第三控制信号S3控制第六开关管Q6导通,使所述第六开关管Q6的漏极节点为低电平,第七开关管Q7的漏极节点为高电平,负载侧全桥电路中电流自所述第七开关管Q7的漏极节点流向所述第六开关管Q6的漏极节点,

  通过所述第一控制信号S1控制所述第二开关管Q2关断,输入侧全桥电路中电流继续自所述第三开关管Q3的漏极节点流向所述第二开关管Q2的漏极节点,直至所述第三开关管Q3的漏极变为低电平,第一开关管Q1导通,通过所述第三控制信号S3控制所述第六开关

  管Q6关断,负载侧全桥电路中电流继续自所述第七开关管Q7的漏极节点流向所述第六开关管Q6的漏极节点,直至所述第七开关管Q7的漏极变为低电平,第五开关管Q5导通,

  通过所述第二控制信号S2控制第四开关管Q4导通,以使输入侧全桥电路中电流自所述的第二开关管Q2漏极节点流向所述第三开关管Q3的漏极节点,实现所述输入侧全桥电路状态的转换,通过所述第四控制信号S4控制第八开关管Q8导通,以使负载侧全桥电路中电流自所述的第六开关管Q6漏极节点流向所述第七开关管Q7的漏极节点,实现所述负载侧全桥电路状态的转换。