專利名稱：帶有自治主反相器的開關(guān)電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及開關(guān)電源，更具體而言，涉及具有變壓器隔離的兩級(jí)開關(guān)轉(zhuǎn)換器。特別利用本發(fā)明的領(lǐng)域是與高端電池充電器的連接。
背景技術(shù)：
目前的開關(guān)電源難以滿足越來越強(qiáng)烈的減小幾乎所有電子器件尺寸的要求。相關(guān)技術(shù)的設(shè)備中固有的幾個(gè)特征影響了對(duì)所期望目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。例如，整個(gè)變換器一般都需要設(shè)計(jì)為能夠適合用于相對(duì)較大范圍的輸入電壓，從而降低了效率。而且，減小磁性或?yàn)V波元件的尺寸要求更高的開關(guān)頻率，變換器的損耗會(huì)相應(yīng)提高。由于必須消耗變壓器的漏電感中存儲(chǔ)的能量以防止大的電壓脈沖施加到主晶體管上，高損耗是高頻操作所固有的。此外，對(duì)反饋信號(hào)的隔離的實(shí)現(xiàn)比較昂貴且笨重，而且如果負(fù)載電壓的要求發(fā)生變化，那么整個(gè)變換器就必須重新設(shè)計(jì)。
目前用于高端電池充電器的開關(guān)電源典型地采用單級(jí)離線變換器1，最常用的是回掃變換器。經(jīng)整流和濾波的線電壓VM被施加到用來提供與電網(wǎng)的隔離并調(diào)節(jié)輸出電壓VR的變換器。為了調(diào)節(jié)充電電流ICH，該變換器需要一個(gè)輸出反饋信號(hào)。該反饋通常是由光耦2提供的，該光耦2將信號(hào)傳遞到控制器3并提供隔離。典型的電路示于

圖1。本發(fā)明的目的是克服與現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)問題或缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供具有以下特征和優(yōu)點(diǎn)的電源1.在電路的兩個(gè)不同級(jí)中實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入電壓變化的補(bǔ)償，使得可以針對(duì)較小的調(diào)節(jié)范圍設(shè)計(jì)每一部分，從而使電路效率提高。這樣，對(duì)于輸入電壓中的變化，輸出將保持穩(wěn)定。
2.每一級(jí)調(diào)節(jié)范圍的減小還使得組件中的電壓和電流減小，從而可以使用較便宜的組件提供同樣的性能。
3.只要重新設(shè)計(jì)第二級(jí)就可以滿足負(fù)載電壓變化的要求。
4.輸出調(diào)節(jié)在第二級(jí)中進(jìn)行，該級(jí)與電網(wǎng)隔離，從而不需要對(duì)反饋信號(hào)隔離。
為達(dá)此目的，本發(fā)明提供了如權(quán)利要求1所述的兩級(jí)開關(guān)電源。其優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中定義。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過將次級(jí)變換器用做同步整流器，可以進(jìn)一步提高效率，比傳統(tǒng)相關(guān)技術(shù)中所用的二極管的損耗更低。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一級(jí)是半橋諧振自振蕩電路，以零電壓切換工作，開關(guān)損耗低的多，還可以恢復(fù)泄漏能量，并將開關(guān)電壓鉗位到線整流器之后的電壓。
附圖簡述圖1是如上所述在目前的高端電池充電器中使用的典型開關(guān)電源的示意圖；圖2是本發(fā)明的方框圖；圖3是圖2所示方框圖的第一級(jí)的部分的優(yōu)選實(shí)施例的簡化電路圖；圖4是與本發(fā)明的運(yùn)行有關(guān)的電壓和電流波形的圖形表示；圖5是電路的第一級(jí)的另一部分的優(yōu)選實(shí)施例的簡化電路圖；圖6是本發(fā)明的電路的第二級(jí)的優(yōu)選實(shí)施例的簡化電路圖。
最佳實(shí)施方式本發(fā)明的開關(guān)電源包括第一級(jí)和第二級(jí)，在圖2所示方框圖中分別用S1和S2表示。在第一級(jí)S1中，從常規(guī)的交流功率源10提供的功率通過由方框12表示的通用EMI(電磁干涉)濾波器傳送。濾波器12連接到整流器14，整流器14的輸出連接到自振蕩、半橋、諧振反相器16，該反相器16開環(huán)運(yùn)行，在其輸出端有變壓器18，構(gòu)成與功率源10的隔離。其中采用了將在下面詳細(xì)介紹的前饋控制來補(bǔ)償線變化。與輸入電壓變化相比，前饋控制將提供非常小的輸出電壓變化。在第二級(jí)S2，變壓器18的副邊提供后置調(diào)節(jié)器電路20的輸入，該后置調(diào)節(jié)器20的優(yōu)選實(shí)施方式將在后面討論，其輸出連接在負(fù)載22兩端，所述負(fù)載在圖2中表示為從本發(fā)明的開關(guān)電源接受電荷的電池。調(diào)節(jié)器20通過前述變壓器的一個(gè)輔助線圈連接到負(fù)載22的正端，該輔助線圈在圖中表示為方框24，電容C1與負(fù)載22并聯(lián)。
第一級(jí)中部分的優(yōu)選實(shí)施例示于圖3中的簡化圖。半橋16包括一對(duì)固態(tài)開關(guān)器件，在圖3示為MOSFET形式的Q1和Q2，以互補(bǔ)方式運(yùn)行。電路的自振蕩是通過使用方波電流源26產(chǎn)生MOSFET Q1和Q2的柵極信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。所述MOSFET的柵極是這些MOSFET的輸入控制端。正弦電感電流由具有三個(gè)副邊S1、S2、和S3的電流互感器檢測(cè)。副邊S1、S2分別驅(qū)動(dòng)功率MOSFET Q1和Q2的柵極，第三副邊S3提供電流源26的控制信號(hào)。
在不進(jìn)行調(diào)節(jié)而運(yùn)行的情況下，當(dāng)圖4中用三角波28所示的磁化電流等于用正弦波30表示的諧振電感電流時(shí)，MOSFET Q1和Q2的柵極電壓會(huì)改變極性。這樣，由半橋所提供的電壓就是標(biāo)號(hào)32所指的方波。振蕩的條件在下列文獻(xiàn)中描述過“Self-Oscillation ElectronicBallast Analysis via Relay System Approach，”(通過繼電器系統(tǒng)方法對(duì)自振蕩電子鎮(zhèn)流器的分析)C.Chang and G.Bruning，APEC 1999和“Analysis of Self-Oscillation Series Resonant Inverter for ElectronicBallasts，”(用于電子鎮(zhèn)流器的自振蕩串聯(lián)諧振反相器分析)C.Changand G.Bruning，IEEE Transactions On Power Electronics，vol.14，no.3，May 1999，pp.533-540。
圖5是用于產(chǎn)生作用于電流互感器的控制線圈的電流的電流源的優(yōu)選實(shí)施例簡化電路。產(chǎn)生的電流是與諧振電流同步的三角波電流，其振幅與輸入電壓成正比。簡單的RC濾波器將半橋中點(diǎn)的電壓方波轉(zhuǎn)換為不含DC分量的三角波。該波形的振幅與輸入電壓成正比。所產(chǎn)生的三角波被用于驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管的基極以產(chǎn)生成比例的電流。由于該雙極型晶體管是單向器件，因此需要一個(gè)晶體管用于波形的正的部分，另一個(gè)用于負(fù)的部分。在交叉點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)失真，但這對(duì)電路的工作沒有明顯影響，因?yàn)樵谥C振回路輸入端電流和電壓的相位差是由電流峰值控制的。波形與圖4所示相同，但是在這種情況下，三角波是從橋電壓產(chǎn)生的，且其振幅與輸入電壓成正比。
圖6示出第二級(jí)的優(yōu)選實(shí)施例，該級(jí)是采用反相器級(jí)的功率變壓器副邊的電壓的變換器。傳統(tǒng)的全波整流器或一種版本的同步整流器不能提供傳送到負(fù)載的電流。兩個(gè)MOSFET Q5和Q6作為同步整流器，但他們的方向保證了當(dāng)溝道關(guān)閉時(shí)，內(nèi)部體二極管不會(huì)導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)間可以被控制，以調(diào)節(jié)平均輸出電流。脈寬調(diào)制(PWM)控制電路34提供對(duì)柵極電壓的控制，以便利用表示通過電阻Rsense檢測(cè)的電流與由基準(zhǔn)電壓Vref決定的期望電流之間的差別的誤差信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電流。
功能描述根據(jù)以上所述，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明提供了一種兩級(jí)工作的新穎的、改進(jìn)的開關(guān)電源。第一級(jí)包括一個(gè)自振蕩、半橋、諧振反相器，該反相器開環(huán)運(yùn)行，在其輸出端有變壓器，構(gòu)成與公用電線的隔離。其中采用了前饋控制來補(bǔ)償線變化。與輸入電壓變化相比，前饋控制將提供非常小的輸出電壓變化。第二級(jí)包括用于負(fù)載調(diào)節(jié)的變換器，該變換器可以針對(duì)非常小的輸入電壓變化進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)檩斎腚妷鹤兓呀?jīng)在反相器的操作中被消除或至少被大大減小。這對(duì)于減小尺寸和提高效率，特別是通用輸入線充電器來說是非常有利的。
應(yīng)當(dāng)注意的一個(gè)重點(diǎn)是兩級(jí)中的每一級(jí)都可以獨(dú)立用于不同的應(yīng)用中。例如，所公開的第一級(jí)的實(shí)施例可以用于在穩(wěn)流應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)燈，也可以用于驅(qū)動(dòng)所公開的電池充電中的后置調(diào)節(jié)器。對(duì)反饋信號(hào)的隔離不再需要，因?yàn)樘峁┹敵稣{(diào)節(jié)的變換器不需要被隔離。此外，本發(fā)明的系統(tǒng)使得設(shè)計(jì)可以模塊化。即副邊的不同負(fù)載調(diào)節(jié)變換器可以與相同的自振蕩半橋和變壓器一起使用，從而省去了對(duì)整個(gè)變換器的重新設(shè)計(jì)。而且，如果需要幾個(gè)輸出的話，可以采用一個(gè)以上模塊。還應(yīng)當(dāng)注意，功率源10不一定要AC源，太陽能或其它DC電源也可以。
本發(fā)明的其它方面和特征可以通過研究附圖、公開內(nèi)容、以及所附權(quán)利要求而獲得。
權(quán)利要求
1.一種兩級(jí)開關(guān)電源，用于將功率源(10)連接到負(fù)載(22)，所述電源包括a)第一級(jí)(S1)，包括i)從所述功率源(10)接受功率并具有輸出端的輸入電路(11)；ii)連接到所述輸出端的自振蕩、半橋、諧振反相器(16)；和iii)變壓器(18)的原邊，所述變換器與所述原邊開環(huán)運(yùn)行，該變壓器提供與電源(10)的隔離；以及b)第二級(jí)(S2)，包括i)所述變壓器(18)的副邊；和ii)連接到所述副邊并具有連接在所述負(fù)載(22)兩端的輸出端的后置調(diào)節(jié)器電路(20)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的開關(guān)電源，其中所述功率源(10)是交流電源，且所述輸入電路(11)包括整流器(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的開關(guān)電源，其中所述功率源(10)是交流電源，且所述輸入電路(11)是整流器(14)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)電源，其中所述負(fù)載(22)是從所述交流功率源(10)通過所述電源接受電荷的電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)電源，其中所述輸入電路(11)還包括一個(gè)EMI濾波器，該濾波器的輸入連接到所述交流功率源(10)，輸出連接到所述整流器(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)電源，其中所述諧振反相器(16)包括第一對(duì)固態(tài)器件(Q1、Q2)，每個(gè)器件都有一個(gè)控制輸入端，且所述第一級(jí)(S1)還包括方波電流源(26)，為所述第一對(duì)固態(tài)器件(Q1、Q2)提供控制輸入信號(hào)，以控制所述反相器(16)的自振蕩。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的開關(guān)電源，其中所述第一對(duì)固態(tài)器件(Q1、Q2)是以互補(bǔ)方式運(yùn)行的MOSFET。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的開關(guān)電源，其中所述反相器(16)還包括一個(gè)電流互感器，該互感器具有第一(51)、第二(52)、第三(53)副邊，所述第一和第二副邊分別被連接來驅(qū)動(dòng)所述第一對(duì)固態(tài)器件(Q1、Q2)的控制輸入端，所述第三副邊(53)連接到所述方波電流源(26)，為其提供控制信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的開關(guān)電源，其中所述電流互感器還包括一個(gè)控制線圈和連接到該控制線圈的電流發(fā)生源(圖5)，該電流發(fā)生源產(chǎn)生三角波形式的電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的開關(guān)電源，其中所述波形與諧振電流同步，其振幅與輸入電壓成正比。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的開關(guān)電源，還包括一個(gè)RC濾波器，將所述半橋中點(diǎn)的電壓方波變換為不含直流分量的三角波。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的開關(guān)電源，其中所述后置調(diào)節(jié)器電路(20)包括連接到所述變壓器(18)副邊的變換器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的開關(guān)電源，其中所述變換器包括第二對(duì)固態(tài)器件(Q5、Q6)，各自具有一個(gè)控制輸入端，作為同步整流器，其方向?yàn)槭沟卯?dāng)相應(yīng)的溝道關(guān)閉時(shí)不導(dǎo)通。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的開關(guān)電源，其中所述第二級(jí)(S2)還包括一個(gè)PWM控制電路(34)，提供對(duì)所述第二對(duì)固態(tài)器件(Q5、Q6)的控制輸入電壓的控制，以利用表示檢測(cè)到的電流與期望值之差的誤差信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電流。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的開關(guān)電源，其中所述第二對(duì)固態(tài)器件(Q5、Q6)是MOSFET。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的開關(guān)電源，其中所述負(fù)載(22)是從所述交流功率源(10)通過所述電源接受電荷的電池。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的開關(guān)電源，其中所述功率源(10)是電源，且其中輸入電路(11)將所述功率源(10)連接到所述反相器(16)。
18.根據(jù)權(quán)利要求2或17的開關(guān)電源，其中在所述第一級(jí)(S1)中采用前饋控制，以補(bǔ)償輸入線變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的開關(guān)電源，其中所述反相器(16)包括第一對(duì)固態(tài)器件(Q1、Q2)，各自具有一個(gè)控制輸入端，且所述第一級(jí)(S1)還包括方波電流源(26)，提供控制輸入信號(hào)給所述器件，以影響所述反相器的自振蕩。
全文摘要
提供了一種兩級(jí)開關(guān)電源，功率變壓器(18)的原邊在第一級(jí)中，副邊在第二級(jí)中。第一級(jí)包括一個(gè)連接到整流器(14)輸入端的EMI濾波器(12)。該整流器的輸出連接到自振蕩、半橋、諧振反相器(16)，該反相器與變壓器(18)的原邊開環(huán)運(yùn)行，以構(gòu)成與功率源(10)的隔離。前饋控制用于補(bǔ)償線變化，提供與輸入電壓變化相比非常小的輸出電壓變化。在第二級(jí)中，變壓器(18)的副邊提供后置調(diào)節(jié)器電路(20)的輸入，該后置調(diào)節(jié)器電路包括PWM控制電路(34)，利用表示檢測(cè)到的電流與期望值之差的誤差信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電流。
文檔編號(hào)H02M3/28GK1460320SQ02800809
公開日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月23日
發(fā)明者J·A·薩巴特, G·W·布魯寧 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司