諧振功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器的制作方法

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>發(fā)電;變電;配電裝置的制造技術(shù)

專利名稱：諧振功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換器。更具體地，本發(fā)明涉及諧振功率因數(shù) 校正轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
電源是向輸出負載或負載組供應(yīng)電能或者其他類型能量的設(shè)備
或系統(tǒng)。術(shù)語電源可以指主配電系統(tǒng)和其他初級或次級能量源。功率轉(zhuǎn)換指將一種形式的電力轉(zhuǎn)換成另一期望的形式和電壓，例如將
電力公司供應(yīng)的115或230伏特交流電(AC)轉(zhuǎn)換為用于電子設(shè)備的經(jīng)過調(diào)節(jié)的低壓直流電(DC),稱為AC到DC功率轉(zhuǎn)換。
開關(guān)式電源、開關(guān)模式電源或SMPS是合并了開關(guān)調(diào)節(jié)器的電源。當線性調(diào)節(jié)器使用偏置在其有源區(qū)的晶體管來規(guī)定輸出電時壓， SMPS主動地使晶體管在完全飽和與完全截止之間高速率切換。然后，將得到的矩形波通過低通濾波器以獲得近似的輸出電壓，其中低通濾波器通常是電感器和電容器(LC)電路。
傳統(tǒng)的串聯(lián)調(diào)節(jié)的線性電源通過改變其電阻以應(yīng)付輸入電壓改變或者負載電流要求的改變，從而維持恒定的電壓。線性調(diào)節(jié)器通常效率較低。然而，開關(guān)式電源使用具有變化的占空比的高頻開關(guān) (晶體管)來維持輸出電壓。由切換引起的輸出電壓變化被LC濾波器濾出。
線性電源和SMPS都可用于^f吏供電電壓下降。然而，與線性電源不同，SMPS還可以提供升壓功能和反向輸出功能。SMPS通過臨時存儲輸入能量然后以不同電壓向輸出釋放能量而將輸入電壓電平轉(zhuǎn)換成其他電平。該存儲器可以是諸如電感器和/或變壓器之類的電磁元件或者諸如電容器之類的靜電元件。目前應(yīng)用著各種各樣的不同的DC到DC功率轉(zhuǎn)換器配置，大多數(shù)是降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器以及降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的變種。某些型的降壓轉(zhuǎn)換器包括推挽式轉(zhuǎn)換器、正激轉(zhuǎn)換器、半橋轉(zhuǎn)換器以及全橋轉(zhuǎn)換器。諧振功率轉(zhuǎn)換器包括LC諧振回路，其操作為使得通過電感器的電流和跨電容器的電壓基本上是正弦曲線。諧振功率轉(zhuǎn)換器包括LC諧振電路。LC諧振電路包括一個或多個電感器以及一個或多個電容器，并且LC諧振電路具有至少一個諧振頻率。在某些 LC諧振電路包括不止一個電感器或不止一個電容器的情況下，LC 諧振電路可以具有不止一個諧振頻率。盡管硬切換或軟切換功率轉(zhuǎn) 換器通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制占空比來控制，但是諧振功率轉(zhuǎn)換器通過改變電路參數(shù)使得其在接近或遠離諧振頻率的頻率處操作來控制。在諧振轉(zhuǎn)換器中，晶體管開關(guān)通常以幾乎沒有造成或者根本沒有造成切換損耗的方式進行切換，這通過安排在跨開關(guān)的電壓或者通過開關(guān)的電流接近于零時進行切換來實現(xiàn)。
使用推挽式轉(zhuǎn)換器的配置與半橋轉(zhuǎn)換器配置類似，區(qū)別只在于推挽式轉(zhuǎn)換器配置中心分接初級變壓器。使用全橋轉(zhuǎn)換器的配置與半橋轉(zhuǎn)換器配置類似，區(qū)別只在于全橋轉(zhuǎn)換器包括連接到變壓器初級的每個端的兩個晶體管開關(guān)，而在半橋轉(zhuǎn)換器中是連接到一端。
AC電力系統(tǒng)的功率因數(shù)被定義為實際功率與視在功率的比，并且是在0與l之間的數(shù)。實際功率是在具體時間中執(zhí)行工作的電路的容量。視在功率是電路的電流和電壓的乘積。由于存儲在負載中并且返回到源的能量，或者由于使從源引出的電流的波形失真的非線性負載，視在功率可能大于實際功率。低功率因數(shù)負載增大了配電系統(tǒng)中的損耗，并且導(dǎo)致增大的能量成本。功率因數(shù)校正(PFC) 是抵消引起功率因數(shù)小于1的電負載的不利影響的技術(shù)。功率因數(shù) 校正試圖將功率因數(shù)調(diào)整到一 (l，OO)。
高于65W的AC到DC轉(zhuǎn)換器以及某些低于65W的特殊應(yīng)用，需要轉(zhuǎn)換器以高的功率因數(shù)和低的諧波失真從AC線路引出電流。大多數(shù)用于產(chǎn)生具有多個隔離的低壓DC輸出的功率因數(shù)校正電源的傳統(tǒng)方法包括多個轉(zhuǎn)換器級，并且存在輸出電壓的交叉調(diào)節(jié)的嚴重問題。術(shù)語"隔離"指輸入電壓與輸出電壓隔離。具體地，隔離意味著在電源的輸入源與其輸出端子或負載之間沒有直接的傳導(dǎo)通路。隔離是通過使用與從輸入到輸出的功率流串聯(lián)的功率變壓器來實現(xiàn)的。隔離可以應(yīng)用到整個功率轉(zhuǎn)換器，或者應(yīng)用到功率轉(zhuǎn)換器中的各個元件，其中元件的電壓輸入與元件的電壓輸出隔離。交叉
調(diào)節(jié)指的是在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器中的一個單元(諸如幾個DC輸出電壓中的一個)時，同時調(diào)節(jié)電路中的另一單元(諸如幾個DC輸出電壓中的另一個)。此外，傳統(tǒng)方法需要隔離變壓器來將高壓總線降為低壓輸出，這種實踐需要大的匝數(shù)比并且導(dǎo)致變壓器設(shè)計不能針對電磁干擾(EMI)或交叉調(diào)節(jié)達到最優(yōu)。這些設(shè)計通常還包括復(fù)雜的控制，以獲得具有高的功率因數(shù)和低的總諧波失真的輸入電流波形。傳統(tǒng)技術(shù)通常落在兩種類別的中等功率的功率因數(shù)校正隔離轉(zhuǎn) 換器之一中。第一類別使用boost轉(zhuǎn)換器(升壓轉(zhuǎn)換器)來生成高壓總線，其然后與隔離buck型轉(zhuǎn)換器(降壓轉(zhuǎn)換器)級聯(lián)以使高壓總線降到隔離的低壓輸出。這種技術(shù)相對昂貴并且不是非常有效。第二類別使用3個級聯(lián)的轉(zhuǎn)換器，其中至少一級(通常是最后一級) 是隔離的諧振轉(zhuǎn)換器。由于事實上存在三個級，因此這三個級聯(lián)的轉(zhuǎn)換器也不怎么有效。此外，最后的諧振級很難獲得輸出電壓的良好的交叉調(diào)節(jié)。
來自上述第一類別的第一種傳統(tǒng)的高功率因數(shù)隔離轉(zhuǎn)換器包括升壓轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生高功率因數(shù)輸入。升壓轉(zhuǎn)換器功率因數(shù)校正電路在配置是受限的。電壓源升壓轉(zhuǎn)換器不能被配置用于提供隔離的輸出，所以要包括另一個轉(zhuǎn)換器級來提供隔離。此外，升壓轉(zhuǎn)換器在配置用于軟切換和諧振開關(guān)技術(shù)方面的能量是受限的，所以這些升壓轉(zhuǎn)換器可能產(chǎn)生大量的EMI、高損耗(如果操作在高頻)，并且它們經(jīng)常包括昂貴的升壓二極管來避免它們二極管中大的反向恢復(fù) 損耗的問題。軟切換可以通過零電壓切換或者零電流切換來實現(xiàn)，軟切換使用電路諧振來保證功率晶體管在零電壓電平或者零電流電平處進行切換。這減少了晶體管元件的應(yīng)力，而且還減少了否則將作為噪聲輻射的高頻能量。硬切換是在晶體管導(dǎo)通和晶體管關(guān)斷時，跨晶體管的電壓和流經(jīng)晶體管的電流同時存在。這種情況導(dǎo)致器件內(nèi)的功率耗散。
圖1示出了第一種傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正隔離轉(zhuǎn)換器的框圖。通
常在AC輸入源10與轉(zhuǎn)換器的其余部分之間耦合EMI濾波器12以防止噪聲耦合回到AC源。EMI濾波器12耦合到全波二極管整流器 14，其被配置用于向轉(zhuǎn)換器的其余部分提供經(jīng)整流的正弦曲線輸入電壓。非隔離的升壓轉(zhuǎn)換器16從AC輸入源IO引出接近正弦曲線的電流，并且對高壓大電容器進行充電，典型地充電到250V到400V，由此生成高壓總線。隔離降壓型轉(zhuǎn)換器18和具有多個繞組的隔離變壓器20將高壓總線降到一個或多個隔離的低電壓輸出。
圖1中的升壓轉(zhuǎn)換器16典型地是硬切換的。此外，為了克服升壓轉(zhuǎn)換器二極管中的高切換損耗，升壓轉(zhuǎn)換器16通?；蛘呤褂孟鄬?較貴的硅碳二極管，或者添加附加的部件以實現(xiàn)軟切換轉(zhuǎn)換，這也比較昂貴；或者升壓轉(zhuǎn)換器使用臨界的或不連續(xù)的傳導(dǎo)模式，其主要可以應(yīng)用于低功率級，這是由于在轉(zhuǎn)換器的輸入處生成的極高紋波電流。
諸如全橋轉(zhuǎn)換器之類的隔離降壓型轉(zhuǎn)換器18使用多輸出繞組變壓器20來生成若干級別的輸出電壓。每個次級輸出電壓被整流器22 整流和濾波，從而生成適當?shù)腄C輸出電壓。在某些情況下，DC輸出電壓被堆積，例如串聯(lián)放置，以降低由于相對輸出負載的改變而引起的交叉調(diào)節(jié)的影響。該堆積有時位于整流器之后，并且有時位于整流器之前，例如串聯(lián)放置多個變壓器繞組。為了獲得高效率的低壓輸出，對次級輸出低壓的整流通常利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)而不是利用二極管來實現(xiàn)。
為了降低切換噪聲和提高效率，來自上述第二類別的第二種傳統(tǒng)的高功率因數(shù)隔離轉(zhuǎn)換器使用諧振輸出級來提供隔離。然而，由于缺乏對這些諧振級的電壓控制，添加第三級聯(lián)級來移除來自高壓大電容器的紋波，并且提供轉(zhuǎn)換期間的電壓控制。這些諧振輸出級也對獲得多輸出的交叉調(diào)節(jié)提出了相當大的挑戰(zhàn)。另外，使用三個級聯(lián)級降低了總的轉(zhuǎn)換器效率。
圖2示出了第二種傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正隔離轉(zhuǎn)換器的框圖。第二種傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器使用與圖1的第一種功率轉(zhuǎn)換器中使用的相同的硬切換升壓轉(zhuǎn)換器。為了提高降壓隔離級的效率，第二種傳統(tǒng) 的功率轉(zhuǎn)換器使用隔離的諧振轉(zhuǎn)換器28,其恰好操作在諧振處。諧振轉(zhuǎn)換器28當恰好操作在諧振處時，執(zhí)行起來與DC變壓器類似，并且不控制輸入輸出電壓的比。為了消除來自升壓轉(zhuǎn)換器級的線頻率紋波和負載瞬時響應(yīng)的影響，在升壓轉(zhuǎn)換器16與諧振轉(zhuǎn)換器28 之間耦合中間第三級24。該中間級通常是非隔離升壓型轉(zhuǎn)換器或者非隔離降壓型轉(zhuǎn)換器。
圖2示出的第二種傳統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器存在多個問題。使用三個級聯(lián)級限制了效率。在輸出級使用諧振轉(zhuǎn)換器對輸出整流器施加了相當大的電流應(yīng)力，并且在使用MOSFET提供整流的情況下顯著增大了輸出整流器中的耗散。輸出變壓器的每個繞組的匝數(shù)通常受到輸出電壓比的嚴格限制，并且在隔離變壓器中通常存在高的降壓比，其使得設(shè)計低的EMI和繞組中的低近場效應(yīng)變得復(fù)雜。變壓器還經(jīng) 常包括大的空氣間隙，其將增加損耗。
在傳統(tǒng)應(yīng)用中，諧振轉(zhuǎn)換器被用于卣素照明應(yīng)用。對于許多卣素照明應(yīng)用而言，共同點是使用半橋或推挽式諧振拓樸，其中變壓器的輸出被直接連接到電阻性負載的燈泡。在輸入上得到的波形是正弦曲線。這樣，照明電路完成功率因數(shù)校正。然而，這樣的照明電路被設(shè)計成以基本上單個輸入電壓進行操作。輸入電壓"基本上" 是單一的，原因是照明電路被設(shè)計成在相對小的范圍內(nèi)(例如在110V 到125V或者220V到240V)操作。輸入電壓的任何改變被自動傳送到負載，因此在供電不足(brownout)期間，例如燈泡變暗，以及在線路供電過強(swell)期間，燈泡變亮。這樣的諧振照明電路不是配置為支持通用的輸入電壓操作。此外，諧振照明電路具有AC
14輸出。AC輸出直接以AC電壓驅(qū)動電燈。

發(fā)明內(nèi)容
一種功率轉(zhuǎn)換器，其配置成在相對大的輸入電壓范圍上操作，并且以低的總成本和高效率來提供單個稍微調(diào)節(jié)的隔離的DC輸出或者多個高度調(diào)節(jié)的隔離的低壓DC輸出和高的功率因數(shù)輸入。在某些實施例中，隔離變壓器的匝數(shù)比在l、 2或4的量級，從而允許靈活的變壓器結(jié)構(gòu)以匹配給定的骨架，以及簡化低EMI變壓器設(shè)計。此外，用于獲得具有低的總諧波失真的高功率因數(shù)輸入電流波形的控制相對簡單。
該功率轉(zhuǎn)換器包括在輸入處的隔離諧振轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生高效率的隔離轉(zhuǎn)換器，其無切換損耗、無與硬切換關(guān)聯(lián)的EMI問題、并且無需昂貴的二極管來減輕二極管反向恢復(fù)損耗。以具有空載時間 (dead-time)延遲的近似50%的占空比驅(qū)動諧振轉(zhuǎn)換器內(nèi)的開關(guān)。控制轉(zhuǎn)換器以獲得高的功率因數(shù)變得簡化，因為輸入電流自動地跟蹤輸入低壓減去回射的輸出電壓。
該諧振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生跨單個電壓輸出總線的DC輸出。該DC輸出電壓通過調(diào)整電路的參數(shù)以使得電路以接近或者遠離諧振頻率的頻率進行操作來調(diào)節(jié)。在某些實施例中，調(diào)整切換頻率以實現(xiàn)對DC 輸出的調(diào)節(jié)。在其他實施例中，DC輸出通過調(diào)整諧振轉(zhuǎn)換器內(nèi)的諧振回路的諧振頻率來調(diào)節(jié)，例如通過調(diào)整諧振回路元件之一的值來調(diào)節(jié)。
在某些應(yīng)用中，單個輸出總線是足夠的，因此向高效率、便宜、單級隔離的轉(zhuǎn)換器提供功率因數(shù)校正。然而，在大多數(shù)應(yīng)用中，使用后處理轉(zhuǎn)換器將單個電壓輸出總線轉(zhuǎn)換成適當?shù)妮敵鲭妷?。在?多數(shù)情況下，后處理轉(zhuǎn)換器是降壓型轉(zhuǎn)換器。因為諧振轉(zhuǎn)換器僅具有單個輸出，并且每個后處理轉(zhuǎn)換器被單獨控制，所以不存在任何交叉調(diào)節(jié)問題。此外，可以容易地修改該設(shè)計以供應(yīng)任何期望的輸出電壓。這與從多個變壓器繞組產(chǎn)生多個輸出的傳統(tǒng)變壓器不同。在這樣的傳統(tǒng)設(shè)計中，在設(shè)計變壓器方面存在困難，因為要考慮每個輸出電壓的精確的比值和整流器以及感應(yīng)電壓降的影響。
如果輸出后處理轉(zhuǎn)換器是降壓型轉(zhuǎn)換器，則它們可以容易地配置成通過諧振或準諧振配置來產(chǎn)生軟切換。如果來自諧振轉(zhuǎn)換器的低電壓輸出總線超過任何輸出的電壓的兩倍，則軟切換還可以容易地通過使降壓型轉(zhuǎn)換器操作在臨界或不連續(xù)傳導(dǎo)模式來實現(xiàn)。例如，
如果諧振轉(zhuǎn)換器的輸出是20V到24V (允許4V的低頻線路紋波)，則可以從操作在臨界或不連續(xù)傳導(dǎo)模式的軟切換式降壓型轉(zhuǎn)換器得到5V和3.3V的輸出。在最小的切換損耗的情況下獲得12V的輸出電壓，因為諧振轉(zhuǎn)換器中的半導(dǎo)體開關(guān)的切換點處的電壓是 2Vout-Vin，其中Vin是諧振轉(zhuǎn)換器的低壓輸出總線。如果輸入從20V 變化到24V,則切換點處的電壓從OV變化到8V。在該例子(其中，半導(dǎo)體開關(guān)是MOSFET)中，使用來自諧振轉(zhuǎn)換器的單個24V輸出具有附加的益處，即MOSFET在低壓下使用時是最高效的，并且功率轉(zhuǎn)換器MOSFET的成本和性能在30V級別達到最優(yōu)，這是提供了關(guān)于24V總線的合理的設(shè)計余量的電壓級別。
本發(fā)明的諧振轉(zhuǎn)換器被配置成利用半導(dǎo)體開關(guān)的軟切換進行操作，因此克服了與硬切換轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的EMI問題。傳統(tǒng)的升壓型功率因數(shù)校正電路經(jīng)常需要昂貴的高壓肖特基二極管，諸如硅碳二極管，以減輕反向恢復(fù)損耗。本發(fā)明的諧振轉(zhuǎn)換器以兩種方式克服了該問題。第一，諧振轉(zhuǎn)換器的輸出二極管在零電流時切換，所以沒有反向恢復(fù)。第二，輸出二極管是低壓二極管，因此在諧振轉(zhuǎn)換器中使用的是便宜的低壓肖特基二極管，而不是在傳統(tǒng)的升壓功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器中使用的高壓肖特基二極管。
在使用多繞組變壓器以獲得不同輸出電壓的多輸出電源上難以實現(xiàn)交叉調(diào)節(jié)，因為每個繞組上的阻抗降隨著該具體繞組的負載而變化。此外，用于獲得多輸出的多繞組變壓器包括這樣的匝數(shù)比組合，其可能難以以小的繞組數(shù)量實現(xiàn)而不對實際的匝數(shù)比做出折衷。本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器通過針對每個輸出應(yīng)用單獨控制的降壓型轉(zhuǎn)換器克服了這些缺點。
輸出級使用諧振轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器對輸出整流器施加了高的
電流應(yīng)力。如果針對整流級使用同步MOSFET (—種用于高效率、低壓輸出的配置)，則MOSFET損耗增加2倍，或者因為常規(guī)的諧振轉(zhuǎn)換器波形而增加得更多。本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器克服了該問題，其通過在諧振轉(zhuǎn)換器的輸出處使用更高的電壓，使得有可能在變壓器的輸出處使用肖特基或者快速恢復(fù)二極管來替代MOSFET來實現(xiàn)。二極管主要是根據(jù)它們的平均電流而不是均方根(rms)電流耗散功率，因此使用諧振拓樸不會顯著改變二極管導(dǎo)致的損耗。在本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換器中，低壓降半導(dǎo)體開關(guān)的負擔被移動到后調(diào)節(jié)降壓型轉(zhuǎn)換器，其中MOSFET中的均方根電流可以保持為低。

圖1示出了第一種傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正隔離轉(zhuǎn)換器的框圖。圖2示出了第二種傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正隔離轉(zhuǎn)換器的框圖。圖3示出了本發(fā)明的諧振功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器的示例性框圖。圖4示出了圖3的功率轉(zhuǎn)換器的動力系(power train)元件的第
一實施例的示例性示意圖。
圖5示出了圖3的功率轉(zhuǎn)換器的動力系元件的第二實施例的示
例性示意圖。
圖6示出了圖3的功率轉(zhuǎn)換器的動力系元件的第三實施例的示例性示意圖。
圖7A 7D示出了與圖6的功率轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián)的各種示例性電流和電壓波形。
圖8示出了包括控制模塊的功率轉(zhuǎn)換器的一個實施例的示例性示意圖。
功率轉(zhuǎn)換器的實施例是相對于多幅圖來描述的。在多幅附圖的適當?shù)牡胤讲⑶覂H在公開和示出相同單元的地方，使用相同的參考標號來表示這樣的相同單元。
具體實施例方式
本發(fā)明的實施例涉及功率轉(zhuǎn)換器。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到下面對本發(fā)明的詳細描述僅是說明性的，并不旨在以任何方式進行限制。受益于這些公開內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地想到本發(fā)明的其4也實施例。
現(xiàn)在將詳細地參考附圖來說明本發(fā)明的實現(xiàn)。在所有附圖和下面的詳細描述中，使用相同的參考指示符表示相同或類似的部分。為了清楚，沒有在此處示出或描述實現(xiàn)的全部常規(guī)特征。當然，應(yīng) 該理解在這樣的實際實現(xiàn)的開發(fā)中，為了獲得開發(fā)者的特定目標必須進行眾多與實現(xiàn)特定相關(guān)的判決，諸如符合應(yīng)用和業(yè)務(wù)相關(guān)的限制，并且應(yīng)該明白這些特定目標將隨著應(yīng)用的不同和開發(fā)者的不同而變化。而且，應(yīng)該明白這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜的和耗時的，但是無論如何是本領(lǐng)域技術(shù)人員在有益于本公開情況下采取的常規(guī) 設(shè)計。
該功率轉(zhuǎn)換器被配置成提供功率因數(shù)校正和輸出多個低壓輸
出。該功率轉(zhuǎn)換器包括隔離的諧振功率轉(zhuǎn)換器，其包括隔離變壓器；整流器；以及耦合到隔離變壓器的輸出的大存儲電容器；以及耦合在大存儲電容器與多輸出功率轉(zhuǎn)換器的每個輸出電容器之間的至少一個非隔離的功率轉(zhuǎn)換器。
圖3示出了本發(fā)明的諧振功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器的示例性實施例的框圖。圖3示出的功率轉(zhuǎn)換器100包括AC輸入電源110、 EMI 濾波器112、二極管橋114、受控的諧振轉(zhuǎn)換器116、隔離變壓器118、整流器120、用作低壓總線122的大電容器、以及多個降壓型轉(zhuǎn)換器 124-128。在該示例性實施例中，功率轉(zhuǎn)換器100包括3個降壓型轉(zhuǎn) 換器124、 126和128。每個降壓型轉(zhuǎn)換器配置成供應(yīng)不同的輸出電壓。應(yīng)該理解此處描述的與功率轉(zhuǎn)換器100相關(guān)的輸出電壓的數(shù)目僅是作為示例的目的。在其他實施例中，功率轉(zhuǎn)換器被配置成生成多于或少于3個輸出電壓。此外，某些應(yīng)用可以受益于不包括任何降壓型轉(zhuǎn)換器而是提供低壓整流輸出122作為功率轉(zhuǎn)換器輸出的功率轉(zhuǎn)換器。其他應(yīng)用可以通過用升壓轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器、反相器或者任何其他類型的轉(zhuǎn)換器級來替代一個或多個降壓型轉(zhuǎn)換器而受益。
諧振轉(zhuǎn)換器116是隔離轉(zhuǎn)換器，其當AC輸入110處的電壓超過變壓器118的臣數(shù)比決定的輸出電壓時，從AC輸入110處引出電流。諧振轉(zhuǎn)換器116可以配置成多種形式的諧振轉(zhuǎn)換器中的一種，所述多種形式的諧振轉(zhuǎn)換器包括但不限于半橋轉(zhuǎn)換器、推挽式轉(zhuǎn)換器、全橋轉(zhuǎn)換器和正激轉(zhuǎn)換器，諧振轉(zhuǎn)換器還可以配置成各種諧振機制，包括但不限于串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振、串并聯(lián)諧振以及LLC諧振。
變壓器118的輸出電壓經(jīng)整流以產(chǎn)生低壓總線122。在一個示例性應(yīng)用中，針對產(chǎn)生最高輸出電壓為大約12V到20V并且低輸出電壓為大約3.3.V和大約5V的配置，低壓總線122維持為大約20V到 24V。在其中諧振轉(zhuǎn)換器116被配置成諧振半橋的例子中，隔離變壓器118的匝數(shù)比大約是1:1,使得無論何時AC線路輸入110提供的輸入電壓大于低壓總線122的電壓兩倍時，諧振轉(zhuǎn)換器116就引出電流。例如，當對于從20VDC變化到24VDC的低壓總線，輸入電壓幅度分別高于40VDC到48VDC時，諧振轉(zhuǎn)換器116引出電流。在其中諧振轉(zhuǎn)換器116被配置成推挽式轉(zhuǎn)換器或者全橋轉(zhuǎn)換器時，則對于20VDC到24VDC的低壓總線，隔離變壓器118的匝數(shù)比將為大約2:1，而不是半橋例子中的比1:1。
當AC電壓輸入的幅度超過大約48VDC時，諧振轉(zhuǎn)換器116從 AC電源110引出正弦曲線電流，則對于115V AC及以上的輸入電壓，功率因數(shù)將高于99%，并且輸入電流的諧波成分將保持在國際標準之內(nèi)。值48V DC指正弦曲線輸入電壓的瞬時幅度。值115V AC 指正弦曲線輸入電壓的均方根(rms)。如果輸入電壓是115V AC，其幅度從OV DC變化到163V DC。從OV DC到48V DC,將沒有電流引出。從48V DC到163V DC,將存在電流引出。如果諧振轉(zhuǎn)換器116在整個輸入正弦半周期上以具有近似50% 占空比的恒定頻率(50%占空比減去空載時間延遲以允許軟切換)操作，則諧振轉(zhuǎn)換器116引出具有包絡(luò)類似輸入正弦曲線的電流。實際的電流包絡(luò)接近正弦減去由低壓總線112決定的DC偏移。然而，在實踐中，通過按恒定頻率在輸入正弦曲線半周期上操作諧振轉(zhuǎn)換器122，對于115V AC及以上，輸入電流包絡(luò)足夠接近正弦以提供超過99%的功率因數(shù)。當輸入電壓的幅度小于兩倍低壓DC總線122 時，諧振轉(zhuǎn)換器116僅在輸入正弦波的零相交處附近關(guān)閉。
負載功率級可以通過調(diào)整諧振轉(zhuǎn)換器116操作為非諧振來改變，在非諧振情況下諧振轉(zhuǎn)換器116的操作越遠離諧振點，則功率輸出越小。諧振方面的調(diào)整是通過改變諧振轉(zhuǎn)換器116的操作頻率或者通過調(diào)整諧振轉(zhuǎn)換器116的諧振回路(例如，通過使用可調(diào)電感器) 來實現(xiàn)的。針對給定負載按恒定頻率以近似50%的互補占空比操作的能力得到了對諧振轉(zhuǎn)換器116的簡化控制。可以通過調(diào)整整個輸入線路半周期上的頻率(或諧振回路頻率)將輸入電流波形的形狀定形為接近正弦波。對整個輸入線路半周期上的操作頻率的調(diào)制還可以導(dǎo)致降低AC電源110生成的EMI。然而，對于大多數(shù)應(yīng)用，從輸入線路半周期上的恒定頻率得到的簡化控制提供了足夠的功率因數(shù)和最低的成本。
圖4示出了圖3的功率轉(zhuǎn)換器的動力系元件的第一實施例的示例性示意圖。圖4示出的功率轉(zhuǎn)換器100被配置成包括其后跟有降壓型轉(zhuǎn)換器的LLC諧振半橋轉(zhuǎn)換器。電源110生成輸入AC電源電壓VACin。電容器C1、電容器C2、變壓器TX3以及電感器L2形成線路濾波器，用于濾除EMI。電感器L2充當差分模式的濾波器以濾除諧振頻率電流。二極管D1、 D2、 D3和D4形成全波橋式整流器，其配置成對輸入線路電壓進行整流。電容器C3、電容器C4、電容器 C5、電感器L1、晶體管Q1、晶體管Q2和隔離變壓器TX1形成諧振半橋轉(zhuǎn)換器。晶體管Ql和Q2用作開關(guān)。電容器C3和電容器C4 形成半橋中心抽頭以及輸入線路濾波。在某些實施例中，第三電容器被放置在二極管D3的陰極與二極管D4的陽極之間以提供附加的濾波。在一些實施例中，不包括電容器C3和電容器C4，以及電容器C5被直接耦合到二極管D4的陽極。然而，這么做向電容器C5 添加了 DC電壓元件。
晶體管Ql和Q2形成了用于在正負總線之間的公共連接點處切換電壓的半橋。電容器C5、電感器Ll和隔離變壓器TX1的并聯(lián)自感形成了諧振回路。電容器C3和電容器C4提供用于電容器C5的 DC塊。諧振半橋轉(zhuǎn)換器的諧振電容是電容器C3與電容器C4的并聯(lián)組合與電容器C5的串聯(lián)。
電容器C5和電感器Ll被示出為與隔離變壓器TX1串聯(lián)。然而，其他配置對于操作諧振轉(zhuǎn)換器是良好建立的實踐，諸如將電容器C5 跨置在變壓器TX1上以形成并聯(lián)諧振電路，或者仍讓電容器C5與電感器Ll串聯(lián)并且將另一個電容器跨置在變壓器TX1上以形成串并聯(lián)諧振電路。
在某些實施例中，電感器L1是外部電感器和變壓器TX1的泄露電感器的組合。在其他實施例中，電感器Ll僅是外部電感器或僅是變壓器TX1的泄露電感器。在某些實施例中，外部電感器是可調(diào)電感器。
變壓器TX1是具有中心抽頭輸出的隔離變壓器。二極管D6和 D7提供對從變壓器TX1輸出的諧振電流的整流。在其他實施例中，變壓器TX1被配置成單輸出繞組，而不是中心抽頭的繞組。在該情況下，全橋整流器耦合到變壓器TX1的輸出。盡管這樣的配置是可能的，但是在實踐中，全橋整流器中的二極管上的電壓降引起過多的功率損耗，因而對于大多數(shù)高效率的應(yīng)用而言不夠?qū)嵱茫悄?些二極管被替換成同步MOSFET。在某些實施例中，二極管D6和 D7均被金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)替代。
電容器C6存儲能量以減輕低頻線路紋波以及短期停電事件。每個功率轉(zhuǎn)換器輸出，諸如輸出1、輸出2以及輸出3是使用后處理器轉(zhuǎn)換器從電容器C6上的電壓導(dǎo)出的。圖4中的示例性示意示出了用于后處理的降壓型轉(zhuǎn)換器。晶體管Q4、晶體管Q5、電感器L3以及電容器C7形成了第一降壓型轉(zhuǎn)換器?？珉娙萜鰿7的電壓是第一輸出電壓，即輸出1。晶體管Q6、晶體管Q7、電感器L4以及電容器 C8形成了第二降壓型轉(zhuǎn)換器?？珉娙萜鰿8的電壓是第二輸出電壓，即輸出2。晶體管Q8、晶體管Q9、電感器L5以及電容器C9形成了第三降壓型轉(zhuǎn)換器?？珉娙萜鰿9的電壓是第三輸出電壓，即輸出 3。在可選的實施例中，準諧振降壓型轉(zhuǎn)換器甚或是升壓轉(zhuǎn)換器(硬切換或軟切換)可以用于后處理。在存在一個或多個高壓低功率輸出但是還存在低壓高功率輸出的某些例子中，能夠使用回掃轉(zhuǎn)換器來對高壓輸出進行后處理。
在某些實施例中，晶體管Ql和晶體管Q2以互補的方式操作，每個晶體管以50%的方占空比減去空栽時間延遲來驅(qū)動。需要空載時間延遲以防止出現(xiàn)直通現(xiàn)象(shoot-through)，以及支持軟切換。直通現(xiàn)象被定義為當晶體管Ql和Q2二者都完全或者部分導(dǎo)通時由此提供電流從輸入供應(yīng)電壓到地的"直通"路徑的情況。晶體管開關(guān)對Q4和Q5、晶體管開關(guān)對Q6和Q7、以及晶體管開關(guān)對Q8和 Q9以類似的方式操作。在某些實施例中，晶體管Ql、 Q2以及Q4-Q9 中的每一個都是MOSFET。在其他實施例中，晶體管Ql、 Q2以及 Q4-Q9可以是任何類型的半導(dǎo)體開關(guān)器件。
圖5示出了圖3的功率轉(zhuǎn)換器的動力系元件的第二實施例的示例性示意圖。圖5的功率轉(zhuǎn)換器100，與圖4中示出的功率轉(zhuǎn)換器 100類似，區(qū)別在于變壓器TX1被變壓器TX2代替。變壓器TX2包括4個變壓器次級而不是變壓器TX1中的2個變壓器次級。變壓器 TX2的4個變壓器次級中的每一個耦合到整流器，具體是二極管D5、 D6、 D7、 D8。二極管D5、 D6、 D7、 D8提供對來自變壓器TX2的諧振電流輸出的整流。
功率轉(zhuǎn)換器100，與功率轉(zhuǎn)換器100的區(qū)別還在于功率轉(zhuǎn)換器 100，包括晶體管Q3,其耦合到附加的兩個變壓器次級的每一個。在某些實施例中，晶體管Q3是MOSFET。在其他實施例中，晶體管
22Q3可以是任何類型的半導(dǎo)體開關(guān)器件。晶體管Q3將二極管D5和 D8耦合到電容器C6。在一些實施例中，晶體管Q3在輸入線路電壓的幅度低于近似100V時導(dǎo)通，并且在輸入線路電壓的幅度高于近似 100V時關(guān)斷。在某些實施例中，圖5中的次級繞組S5和S6的匝數(shù) 和等于圖4中的次級繞組S2上的匝數(shù)，并且圖5中的次級繞組S3 和S4的匝數(shù)和等于圖4中的次級繞組Sl上的匝數(shù)。在某些實施例中，二極管D5、 D6、 D7和D8均由金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管 (MOSFET)來替代。
與圖4中的功率轉(zhuǎn)換器100相比，圖5中的變壓器TX2的附加的兩個次級繞組、兩個二極管D5和D8以及功率轉(zhuǎn)換器IOO，的晶體管Q3，在輸入線路電壓高到不需要非常低的匝數(shù)比時充當匝數(shù)比提升。如此，該晶體管Q3也被稱作是抽頭開關(guān)。該概念，包括示例性的高匝數(shù)比抽頭，在提交的標題為"High Power Factor Buck-Type Power Factor Correction Converter"的共同未決的US專利申請序歹寸號(FLEX-05200)中進行了詳細描述，該申請通過援51被并入在此。
在另一實施例中，圖4和圖5的諧振PFC轉(zhuǎn)換器的半橋配置被可切換的橋配置替代?？汕袚Q的橋被配置成在半橋轉(zhuǎn)換器與全橋轉(zhuǎn) 換器的操作之間進行切換操作。具體地，在低線路電壓時，例如90V AC - 132V AC，諧振PFC轉(zhuǎn)換器操作為全橋，并且在高線路電壓時，例如180V AC - 264V AC，諧振PFC轉(zhuǎn)換器操作為半橋。諧振轉(zhuǎn)換器頻率操作是輸入電壓范圍的函數(shù)。將諧振轉(zhuǎn)換器從全橋改變?yōu)榘?橋降低了有效的電壓范圍。因此頻率范圍顯著變小，導(dǎo)致更高效的操作和更小的諧振元件。
圖6示出了圖3的功率轉(zhuǎn)換器的動力系元件的第三實施例的示例性示意圖，其包括可切換的橋。圖6的功率轉(zhuǎn)換器200與圖5示出的功率轉(zhuǎn)換器100，類似，除了半橋轉(zhuǎn)換器由可切換的橋轉(zhuǎn)換器代替。特別地，功率轉(zhuǎn)換器100，的電容器C3和C4分別被功率轉(zhuǎn)換器 200中的晶體管Q10和Qll代替。晶體管Q1、 Q2、 Q10、 Qll、電容器Q5、電感器L1以及隔離變壓器TX2形成諧振PFC可切換的橋轉(zhuǎn)換器。兩個電容器C3和C4(圖5)的功能被合并進圖6的諧振電容器Cres。被電容器C3和C4(圖5)阻擋的DC偏置電壓被加到跨諧振電容器Cres上的AC電壓。此外，附加電容器C10跨全波橋式整流器的輸出耦合，以便用作濾波器，因此替代由C3和C4執(zhí)行的輸入濾波功能。全波橋式整流器和濾波器的輸出耦合到諧振PFC轉(zhuǎn) 換器的可切換的橋。
功率轉(zhuǎn)換器200的輸出側(cè)的配置與圖5的功率轉(zhuǎn)換器IOO，類似，包括次級變壓器繞組S3、 S4、 S5、 S6、二極管D5、 D6、 D7、 D8、晶體管Q3、電容器C6以及三個降壓型轉(zhuǎn)換器。
提供給可切換的橋轉(zhuǎn)換器的電壓在低線路電壓與高線路電壓之間變化。在低線路電壓處，可切換的橋轉(zhuǎn)換器操作為全橋。在高線路電壓處，可切換的橋轉(zhuǎn)換器操作為半橋。可切換的橋被配置成使得晶體管Ql和Qll —起導(dǎo)通并且一起關(guān)斷，并且晶體管Q2和Q10 一起導(dǎo)通和一起關(guān)斷。在低線路電壓時，晶體管Q1、 Q2、 QIO、 Qll 中的每一個被切換到導(dǎo)通和關(guān)斷，得到全橋操作。在高線路電壓時，晶體管Q10被連續(xù)關(guān)斷，并且晶體管Qll被連續(xù)導(dǎo)通，同時晶體管 Ql和Q2被導(dǎo)通和關(guān)斷得到半橋操作。與半橋操作相比，在全橋操作中，兩倍的電壓被置于跨諧振回路(電容器Cres和電感器Ll )和初級變壓器繞組P1上。然而，跨諧振回路和變壓器初級繞組的電壓與跨電容器C10的電壓有關(guān)，跨電容器C10的電壓是AC輸入電壓的函數(shù)。同樣，相比較于在高線路電壓期間放置的電壓，在低線路電壓期間，跨諧振回路和變壓器初級繞組放置兩倍的電壓量在低線路電壓和高線路電壓期間將得到放置在諧振回路和變壓器初級繞組上基本相同的絕對AC電壓。換言之，在低線路電壓和高線路電壓時，出現(xiàn)在跨諧振回路和變壓器初級繞組的AC電壓基本上相同。電壓的僅有區(qū)別是由于跨諧振電容器Cres上放置的DC阻擋電壓。因此有效地，在低線路電壓和高線路電壓時，諧振回路和變壓器基本上進行相同地操作。
在示例性應(yīng)用中，AC輸入電源110提供的輸入電壓的范圍從90VAC- 264VAC,低線路電壓的范圍從90VAC - 132VAC，并且高線路電壓范圍從180VAC-264VAC。在該例子中，將諧振轉(zhuǎn)換器從全橋改變到半橋操作使有效電壓范圍從90VAC-264VAC減少到 90VAC-132VAC。
在某些實施例中，對于不需要功率因數(shù)校正的應(yīng)用，功率轉(zhuǎn)換器配備有可切換的橋。例如，如果電容器C10非常大，從而引起跨電容器C10的電壓與AC線路電壓的峰值類似，則可切換的橋配置仍顯著降低電路中元件的尺寸和損耗。對于輸入電壓范圍近似為2:1 或更高的隔離DC到DC應(yīng)用，與固定的諧振橋(全橋或者半橋)相比，可切換的橋同樣可以使得元件的尺寸和損耗降低。
圖7示出了與圖6的功率轉(zhuǎn)換器200關(guān)聯(lián)的各種示例性電流和電壓波形。波形150對應(yīng)于諧振轉(zhuǎn)換器的AC輸入電壓。波形170 對應(yīng)于跨電容器C6的DC電壓，也稱為諧振轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Vout。波形160對應(yīng)于諧振轉(zhuǎn)換器的輸入電流Iin。波形180對應(yīng)于流經(jīng)諧振電感器L1的電流Ires。波形150-180中示出的示例性電壓和電流級別對應(yīng)于115VAC的AC輸入。
波形160類似于包括一些不規(guī)則性的正弦波。在波形160上從左到右，輸入電流Iin開始并且維持零值。只要輸入線路電壓Vin的幅度小于48VDC,則沒有電流Iin流進諧振轉(zhuǎn)換器。這歸因于跨電容器C6的24VDC的最大電壓輸出。一旦輸入電壓Vin大于48VDC，則電流Iin開始流進諧振轉(zhuǎn)換器。在大約3毫秒處，輸入電流Iin存在不規(guī)則性，這是由于關(guān)斷晶體管Q3 (也稱為抽頭開關(guān))引起的。當輸入線路電壓Vin高到足夠平分變壓器TX2的匝數(shù)比時，晶體管 Q3被關(guān)斷。在關(guān)斷晶體管Q3后，輸入電流Iin隨著不斷增大的輸入線路電壓Vin而繼續(xù)增大。
波形180的左手部分示出諧振電流Ires從Oamps上升到大約 11 amps。在關(guān)斷晶體管Q3后，諧振電流Ires降落到6amps和7amps 之間。諧振電流Ires然后隨著不斷增大的輸入電壓Vin而繼續(xù)升高，直到大約llamps的峰值。如果晶體管Q3沒被導(dǎo)通，則諧振電流Ires將不會暫時落入到6amps和7amps之間，并且相反將繼續(xù)增大到大約16amps的峰值。通過以這種方式降低峰值諧振電流，諧振轉(zhuǎn)換器可以使用較小的無源元件，諸如電容器Cres、電感器Ll和變壓器 TX2。減小諧振電流還減小了有源開關(guān)Ql、 Q2、 Q10和Q11的尺寸以及通過那些元件的功率損耗。通過使用抽頭開關(guān)(晶體管Q3)和 TX2上的附加次級繞組，減小了峰值諧振電流Ires,其顯著降低了諧振轉(zhuǎn)換器中通路和和元件的物理尺寸。
基于輸入線路電壓的特定值來導(dǎo)通和關(guān)斷晶體管Q3。這些特定的解扣點被確定，使得波形180的峰值、在晶體管Q3被導(dǎo)通和關(guān)斷時的峰值、以及對應(yīng)于峰值輸入線路電壓Vin的峰值是相同的，在該例子中是大約llamps。在實踐中，晶體管Q3可以響應(yīng)于輸入線路電壓的幅度而被導(dǎo)通和關(guān)斷。晶體管Q3被切換處的線路電壓幅度增大，以便增大線路電壓的rms值。此外，當使用可切換的橋時，在全橋和半橋操作之間切換時，在晶體管Q3被切換處的線路電壓幅度變成雙倍。因此，例如如果在Vin是115VAC時，在晶體管Q3 被切換處的線路電壓幅度是125VDC，則在Vin是230VAC時，在晶體管Q3被切換處的線路電壓幅度必須是250VDC。
盡管上文將抽頭開關(guān)(圖5和6中的晶體管Q3)描述為根據(jù)輸入線路電壓而導(dǎo)通和關(guān)斷，但是容易想到該抽頭開關(guān)可以根據(jù)其他參數(shù)而導(dǎo)通和關(guān)斷。一般而言，為了使降壓型轉(zhuǎn)換器操作，輸入電壓必須超過輸出電壓。對于隔離的降壓型轉(zhuǎn)換器，輸入電壓必須超過通過變壓器匝數(shù)比而反射的輸出電壓。如果，例如輸出電壓是24V，次級上的二極管壓降是IV,并且匝數(shù)比是2:1,則輸入電壓必須大于50V以引出電流。如果輸入電壓超過例如100V,則匝數(shù)比可以從 2:1改變成4:1并且仍然引出電流。抽頭開關(guān)被激活的準確點可以取決于變壓器繞組的匝數(shù)比(標準比和在抽頭開關(guān)被激活情況下的比)、試圖獲取的輸入電流波形、內(nèi)部組件的額定值、輸入電壓的 r m s值以及輸出總線上的紋波。
如前所述，功率轉(zhuǎn)換器被配置成使得DC輸出電壓被調(diào)節(jié)。在某些實施例中，功率轉(zhuǎn)換器包括控制模塊，其配置用于調(diào)節(jié)DC輸出
電壓?？刂颇K被配置用于監(jiān)控DC輸出電壓，并且作為響應(yīng)，生成和發(fā)送控制信號以調(diào)節(jié)電路的參數(shù)，從而調(diào)節(jié)DC輸出電壓到確定的級別。調(diào)節(jié)參數(shù)引起電路操作在接近或者遠離諧振頻率的頻率上。在某些實施例中，調(diào)節(jié)切換頻率以獲得對DC輸出的調(diào)節(jié)。在其他實施例中，DC輸出通過調(diào)整諧振轉(zhuǎn)換器內(nèi)的諧振回路的諧振頻率來調(diào)節(jié)，例如通過調(diào)節(jié)諧振回路元件之一的值來實現(xiàn)。
圖8示出了一個包括控制模塊的功率轉(zhuǎn)換器的實施例的示例性示意圖。圖8的功率轉(zhuǎn)換器200，與圖6的功率轉(zhuǎn)換器加上控制模塊 190相同?？刂颇K190耦合到諧振隔離功率級的電壓輸出總線，從而接收作為輸入的DC輸出電壓。來自控制模塊190的輸出耦合到晶體管Q1、 Q2、 QlO和Qll中的每個的柵極，和/或耦合到可調(diào)電感器L1。盡管圖8示出了單個總線將控制模塊190耦合到電感器L1 和晶體管Q1、 Q2、 QlO和Qll的柵極驅(qū)動，但是示出的單個總線表示控制模塊190與電感器Ll和晶體管Ql、 Q2、 Q10和Q11之間的獨立控制路徑。以該方式，該電路被配置成使得控制模塊190提供獨立的控制信號給電感器Ll和晶體管Ql、 Q2、 Q10和Q11中的每一個，從而維持對每個的獨立控制。控制模塊190響應(yīng)于接收的DC 輸出電壓而生成控制信號，并且發(fā)送信號給合適的晶體管和/或可調(diào) 電感器，從而調(diào)節(jié)DC輸出電壓到確定的級別。在某些實施例中，控制模塊190通過控制晶體管Ql、 Q2、 QlO和Qll的柵極驅(qū)動頻率來調(diào)節(jié)DC輸出電壓，由此調(diào)整諧振轉(zhuǎn)換器的切換頻率。在其他實施例中，控制模塊190通過調(diào)整諧振回路電感器Ll的諧振電感值，由此改變諧振回路的諧振頻率，來調(diào)節(jié)DC輸出電壓。
盡管上文中控制模塊被描述為應(yīng)用到圖6的功率轉(zhuǎn)換器200,但是應(yīng)該想到可以在本文描述的每個功率轉(zhuǎn)換器實施例內(nèi)使用類似功能的控制模塊。
在某些實施例中，第一級轉(zhuǎn)換器(例如圖4和圖5中的諧振半橋轉(zhuǎn)換器和圖6中的諧振可切換的橋)的輸出處的整流器被配置成無源整流器。在某些實施例中，第一級轉(zhuǎn)換器的輸出處的整流器被
配置成同步MOSFET。
在某些實施例中，多個第一級轉(zhuǎn)換器可以并聯(lián)耦合，每個第一級轉(zhuǎn)換器被配置成共享輸入電壓和大輸出電容。在某些實施例中，多個第一級轉(zhuǎn)換器被用于增大功率級和/或提供冗余。
第二級元件(例如圖3-6中的非隔離降壓型轉(zhuǎn)換器1、 2和3) 的額定值由輸出電流和大輸出電容器電壓確定。由此，非隔離降壓型轉(zhuǎn)換器不論它們的輸出電壓是多少而使用相同的元件。因此，例如，對于5V輸出或12V輸出，10A輸出的降壓型轉(zhuǎn)換器可以制造為除了反饋回路基準(電壓環(huán)路中的電阻分配器)之外完全一樣。這使得可以在實踐中設(shè)計單個輸出塊，并且對其編程(以軟件或通過改變電阻器值)以產(chǎn)生期望的電壓輸出。多個輸出級還可以并聯(lián) 耦合。例如，兩個IOA模塊可以并聯(lián)放置以生成5V、 20A的輸出。輸出塊還可以配置成使得可以根據(jù)需要對輸出電壓重新編程，諸如通過GPIB總線或者在線路端部附接的連接器來實現(xiàn)。在某些實施例中，可以使用閃存來保證編程后的輸出電壓維持正確。與之相反，其他的多電壓輸出轉(zhuǎn)換器在每當每個輸出需要不同的輸出電壓或者不同的功率級時，需要基本上重新設(shè)計變壓器。
考慮到第一級轉(zhuǎn)換器和第二級元件的模塊特性，功率轉(zhuǎn)換器可以是完全模塊化的，其中最初設(shè)計單個第一級和單個第二級，并且繼而使用兩個級的組合來滿足功率級接近或者超過第一級的任何設(shè)計。
盡管上文描述的功率轉(zhuǎn)換器100和100，被配置為使用諧振的半橋轉(zhuǎn)換器，并且功率轉(zhuǎn)換器200被配置成使用可切換的橋，但是應(yīng) 該想到可以使用任何類型的隔離降壓型拓樸來替代半橋或者可切換的橋拓樸。
已經(jīng)針對特定的實施例描述了本發(fā)明，這些實施例包括了有助于理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的原理和操作的細節(jié)。相對于各種模塊和它們間的互連而示出的特定配置和描述的方法僅是用于示例的目的。本文中對特定實施例及其細節(jié)的參考并不旨在限制所附權(quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解可以在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對出于說明目的選擇的實施例進行修改。
權(quán)利要求
1.一種功率轉(zhuǎn)換器，包括a.單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器，其配置成接收輸入電壓，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器包括隔離變壓器和諧振回路；b.整流器，其耦合到所述隔離變壓器的輸出；以及c.大電容器，其耦合到所述整流器的輸出，其中跨所述大電容器的電壓是所述功率轉(zhuǎn)換器的直流輸出電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述大電容器的一個或多個功率轉(zhuǎn)換器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器是非隔離的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器配置成獨立地控制其輸出電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中每個功率轉(zhuǎn)換器是包括非隔離降壓型轉(zhuǎn)換器、非隔離升壓型轉(zhuǎn)換器以及回掃轉(zhuǎn)換器的組中的一個。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合在所述隔離變壓器和所述大電容器之間的抽頭開關(guān)，其中所述抽頭開關(guān) 配置成增大和減小所述隔離變壓器的工作匝數(shù)比。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器包括多個次級繞組，并且所述抽頭開關(guān)將所述多個次級繞組中的一部分耦合到所述大電容器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù) 校正諧振轉(zhuǎn)換器包括可切換的橋，該橋配置為在高線路電壓情況下操作為半橋轉(zhuǎn)換器并且在低線路電壓情況下操作為全橋轉(zhuǎn)換器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括a. 電磁干擾濾波器；以及b. 橋式整流器，其耦合在所述電磁濾波器的輸出與所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器的輸入之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個二極管。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù) 校正諧振轉(zhuǎn)換器配置成下面組中的一種電路，該組包括串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路、LLC諧振電路以及串并聯(lián)諧振電路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù) 校正諧振轉(zhuǎn)換器包括下述組中的一種轉(zhuǎn)換器，該組包括半橋諧振轉(zhuǎn)換器、全橋諧振轉(zhuǎn)換器、推挽式諧振轉(zhuǎn)換器以及正激轉(zhuǎn)換器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個二極管。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器配置為降壓變壓器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述輸入電壓是經(jīng) 整流的DC電壓，并且每個輸出電壓是DC電壓。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù) 校正諧振轉(zhuǎn)換器配置成使用軟切換進行操作。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器的臣數(shù)比配置成適于匹配在制造所述隔離變壓器中使用的特定骨架。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括控制模塊，該控制模塊配置成調(diào)節(jié)所述直流輸出電壓。
21. —種AC到DC功率轉(zhuǎn)換器，包括a. 橋式整流器，其配置成接收輸入AC電壓，其中所述橋式整流器配置成輸出對應(yīng)于所述輸入AC電壓的DC電壓；b. 單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器，其耦合到所述橋式整流器以便接收所述DC電壓，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器包括隔離變壓器、諧振回路和可切換的橋，該橋配置成在高線路電壓情況下操作為半橋轉(zhuǎn)換器并且在低線路電壓情況下操作為全橋轉(zhuǎn)換器；c. 整流器，其耦合到所述隔離變壓器的輸出；以及d. 大電容器，其耦合到所述整流器的輸出，其中跨所述大電容器的電壓是所述AC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出DC電壓。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述大電容器的一個或多個功率轉(zhuǎn)換器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器是非隔離的。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器配置成獨立地控制其輸出電壓。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中每個功率轉(zhuǎn)換器是包括非隔離降壓型轉(zhuǎn)換器、非隔離升壓型轉(zhuǎn)換器以及回掃轉(zhuǎn)換器的組中的一個。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合在所述隔離變壓器和所述大電容器之間的抽頭開關(guān)，其中所述抽頭開關(guān)配置成增大和減小所述隔離變壓器的工作匝數(shù)比。
27，根據(jù)權(quán)利要求26所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器包括多個次級繞組，并且所述抽頭開關(guān)將所述多個次級繞組中的一部分耦合到所述大電容器。
28. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述橋式整流器的輸入的電磁干擾濾波器。
29. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個二極管。
30. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
31. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器配置成下面組中的一種電路，該組包括串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路、LLC諧振電路以及串并聯(lián)諧振電路。
32. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器包括下述組中的一種轉(zhuǎn)換器，該組包括半橋諧振轉(zhuǎn)換器、全橋諧振轉(zhuǎn)換器、推挽式諧振轉(zhuǎn)換器以及正激轉(zhuǎn)換器。
33. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個二極管。
34. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
35. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器配置為降壓變壓器。
36. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器配置成使用軟切換進行操作。
37. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器的叵數(shù)比配置成適于匹配在制造所述隔離變壓器中使用的特定骨架。
38. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括控制模塊，該控制模塊配置成調(diào)節(jié)所述直流輸出電壓。
39. —種AC到DC功率轉(zhuǎn)換器，包括a. 橋式整流器，其配置成接收輸入AC電壓，其中所述橋式整流器配置成輸出對應(yīng)于所述輸入AC電壓的DC電壓；b. 單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器，其耦合到所述橋式整流器以便接收所述DC電壓，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器包括隔離變壓器和諧振回路；c. 整流器，其耦合到所述隔離變壓器的輸出；d. 抽頭開關(guān)，其耦合到所述整流器的輸出，其中所述抽頭開關(guān) 配置用于增大和減小所述隔離變壓器的工作匝數(shù)比；以及e. 大電容器，其耦合到所述抽頭開關(guān)和所述整流器的輸出，其中跨所述大電容器的電壓是所述AC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出DC電壓。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器進一步包括可切換的橋，該橋配置為在高線路電壓情況下操作為半橋轉(zhuǎn)換器并且在低線路電壓情況下操作為全橋轉(zhuǎn)換器。
41. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述大電容器的一個或多個功率轉(zhuǎn)換器。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器是非隔離的。
43. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器配置成獨立地控制其輸出電壓。
44. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中每個功率轉(zhuǎn)換器是包括非隔離降壓型轉(zhuǎn)換器、非隔離升壓型轉(zhuǎn)換器以及回掃轉(zhuǎn)換器的組中的一個。
45. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器包括多個次級繞組，并且所述抽頭開關(guān)將所述多個次級繞組中的一部分耦合到所述大電容器。
46. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述橋式整流器的輸入的電磁干擾濾波器。
47. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個二極管。
48. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
49. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器配置成下面組中的一種電路，該組包括串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路、LLC諧振電路以及串并聯(lián)諧振電路。
50. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器包括下述組中的一種轉(zhuǎn)換器，該組包括半橋諧振轉(zhuǎn)換器、全橋諧振轉(zhuǎn)換器、推挽式諧振轉(zhuǎn)換器以及正激轉(zhuǎn)換器。
51. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個二極管。
52. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
53. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器配置為降壓變壓器。
54. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器和每個非隔離功率轉(zhuǎn)換器配置成使用軟切換進行操作。
55. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器的匝數(shù)比配置成適于匹配在制造所述隔離變壓器中使用的特定骨架。
56. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括控制模塊，所述控制模塊配置成調(diào)節(jié)所述直流輸出電壓。
57. —種AC到DC功率轉(zhuǎn)換器，包括a. 橋式整流器，其配置成接收輸入AC電壓，其中所述橋式整流器配置成輸出對應(yīng)于所述輸入AC電壓的DC電壓；b. 單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器，其耦合到所述橋式整流器以便接收所述DC電壓，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器包括隔離變壓器、諧振回路和可切換的橋，該橋配置成在高線路電壓情況下操作為半橋轉(zhuǎn)換器并且在低線路電壓情況下操作為全橋轉(zhuǎn)換器；c. 整流器，其耦合到所述隔離變壓器的輸出；d. 抽頭開關(guān)，其耦合到所述整流器的輸出，其中所述抽頭開關(guān) 配置用于增大和減小所述隔離變壓器的工作匝數(shù)比；以及e. 大電容器，其耦合到所述抽頭開關(guān)和所述整流器的輸出，其中跨所述大電容器的電壓是所述AC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出DC電壓。
58. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述橋式整流器的輸入的電磁干擾濾波器。
59. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述大電容器的一個或多個功率轉(zhuǎn)換器。
60. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器是非隔離的。
61. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中耦合到所述大電容器的每個功率轉(zhuǎn)換器配置成獨立地控制其輸出電壓。
62. 根據(jù)權(quán)利要求59所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中每個功率轉(zhuǎn)換器是包括非隔離降壓型轉(zhuǎn)換器、非隔離升壓型轉(zhuǎn)換器以及回掃轉(zhuǎn)換器的組中的一個。
63. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器包括多個次級繞組，并且所述抽頭開關(guān)將所述多個次級繞組中的一部分耦合到所述大電容器。
64. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個二極管。
65. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述橋式整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
66，根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器配置成下面組中的一種電路，該組包括串聯(lián)諧振電路、并聯(lián)諧振電路、LLC諧振電路以及串并聯(lián)諧振電路。
67. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個二極管。
68. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述整流器包括多個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
69. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器配置為降壓變壓器。
70. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述單級功率因數(shù)校正諧振轉(zhuǎn)換器和每個所述非隔離功率轉(zhuǎn)換器配置成使用軟切換進行操作。
71. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離變壓器的匝數(shù)比配置成適于匹配在制造所述隔離變壓器中使用的特殊骨架。
72. 根據(jù)權(quán)利要求57所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括控制模塊，所述控制模塊配置成調(diào)節(jié)所述直流輸出電壓。
73. —種用于將DC電壓轉(zhuǎn)換到高頻AC電壓的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述可切換的橋進一步配置為在DC電壓的第一電壓范圍期間操作為全橋轉(zhuǎn)換器并且在DC電壓的第二電壓范圍期間操作為半橋轉(zhuǎn) 換器。
74. 根據(jù)權(quán)利要求73所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述可切換的橋的輸出的隔離變壓器。
75. 根據(jù)權(quán)利要求74所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述隔離變壓器的輸出的整流器。
76. 根據(jù)權(quán)利要求75所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括耦合到所述整流器的輸出的大電容器，其中跨所述大電容器的電壓是所述功率轉(zhuǎn)換器的直流輸出電壓。
77. 根據(jù)權(quán)利要求73所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述第一電壓范圍包括所述DC電壓的低電壓范圍，并且所述第二電壓范圍包括所述DC電壓的高電壓范圍。
78. 根據(jù)權(quán)利要求73所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述第一電壓范圍包括低線路電壓情況，并且所述第二電壓范圍包括高線路電壓情況。
79. 根據(jù)權(quán)利要求73所述的功率轉(zhuǎn)換器，其進一步包括配置用于接收輸入AC電壓并且輸出DC電壓的整流器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種AC到DC功率轉(zhuǎn)換器，其配置用于提供功率因數(shù)校正和單個隔離的低壓輸出。該功率轉(zhuǎn)換器包括單級諧振功率轉(zhuǎn)換器，該單級諧振功率轉(zhuǎn)換器包括隔離變壓器、諧振回路；整流器；和大容量電容器，該大容量電容器耦合到該隔離變壓器的輸出。在典型應(yīng)用中，至少一個非隔離功率轉(zhuǎn)換器耦合到所述單級隔離功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器的輸出。
文檔編號H02M7/04GK101588135SQ200910141479
公開日2009年11月25日申請日期2009年5月20日優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者A·瓊格賴斯, P·加里蒂申請人:弗萊克斯電子有限責任公司

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