采用低壓電容器功率組的通用輸入電壓dc-dc變換器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種根據(jù)AC電源輸入(Vi)產(chǎn)生DC電壓和電流的電源，其中該電源包括至少一個(gè)適于連接到AC電源輸入的整流器(D1)，其中，該整流器適于連接到至少一個(gè)高壓電容器(Ci1)，其中該電源還包括至少一個(gè)低壓電容器(Ci2)，該低壓電容器適于通過(guò)至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)(S1)連接，該高壓電容器適于連接到至少一個(gè)DC?DC變換器，其特征在于，該DC?DC變換器包括至少一個(gè)變壓器(T1)，該變壓器包括至少一個(gè)初級(jí)線圈(N1)和至少一個(gè)第一和第二次級(jí)線圈(N3，N2)，該第一次級(jí)線圈適于通過(guò)至少一個(gè)半導(dǎo)體(D5)連接，該第二次級(jí)線圈適于通過(guò)半導(dǎo)體(D3)和第二開(kāi)關(guān)(S2)與所述低壓電容器連接，該低壓電容器形成為電容器組。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
采用低壓電容器功率組的通用輸入電壓DC-DC變換器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于基于AC功率輸入生成DC電壓和電流的電源，該電源包括適于連接到AC功率輸入的至少一個(gè)整流器，該整流器適于與至少一個(gè)高壓電容器連接，該電源還包括至少一個(gè)低壓電容器，該低壓電容器適于通過(guò)至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接，該高壓電容器適于與至少一個(gè)DC-DC變換器連接。
【背景技術(shù)】
[0002]US7760524公開(kāi)了一種用于減小電源中的大電容器所需的體積的方法和裝置。示出了被包含在具有耦合到單相AC輸入電壓的整流器的電源中的驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路包括產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，以耦合到可變阻抗元件。電壓傳感器耦合到驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，以感測(cè)橫跨高壓電容器的電壓。響應(yīng)于電壓傳感器，驅(qū)動(dòng)電路控制該可變阻抗元件。如果所感測(cè)的電壓低于第一閾值，則允許低壓電容器接收來(lái)自輸入的電流。如果所感測(cè)的電壓高于第二閾值，則阻止低壓電容器從輸入接收電流。
[0003]具有通用輸入電壓(其可以是直流(DC)或交流(AC)輸入)的DC-DC電源是公知的，該技術(shù)例如是US5126652和US2009/0129130中描述的。通常，具有通用電壓輸入的DC-DC電源的所有實(shí)現(xiàn)方式都需要大電容器，以便在輸入AC電壓跨過(guò)O伏期間維持用于變換器的能量。這些大電容器需要大容量以保持足夠的能量?jī)?chǔ)存和高額定電壓(大于340V)，以便能夠承受240V交流電的峰值電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種具有通用輸入電壓的DC-DC功率變換的成本效益的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明涉及作為表面貼裝技術(shù)(SMT)實(shí)現(xiàn)的低至中功率DC-DC變換器。由于避免大體積的穿孔元件并且同時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的性能，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有優(yōu)點(diǎn)。
[0005]通過(guò)如權(quán)利要求1的前序部分所公開(kāi)的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，其改進(jìn)在于，所述DC-DC變換器包括至少一個(gè)變壓器，該變壓器包括至少一個(gè)初級(jí)線圈以及至少一個(gè)第一和第二次級(jí)線圈，其中第一次級(jí)線圈適于通過(guò)至少一個(gè)半導(dǎo)體進(jìn)行連接，第二次級(jí)線圈適于通過(guò)半導(dǎo)體和第二開(kāi)關(guān)連接到低壓電容器，其中低壓電容器形成為電容器組(capacitorbank)。
[0006]由此，可以實(shí)現(xiàn)以低電壓對(duì)電容器組進(jìn)行充電，從而降低了串聯(lián)連接的半導(dǎo)體上的高電壓降。因此，多個(gè)具有低壓要求的較小電容器可以并聯(lián)或串聯(lián)地進(jìn)行耦合，以便獲得正確的電容容量。電容器組可以形成為SMT電容器的網(wǎng)格(grid)。
[0007]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，所述DC-DC變換器基于反激拓?fù)?，其中，?dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流過(guò)初級(jí)線圈，并且當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流流過(guò)第一和第二次級(jí)線圈。由此，可以實(shí)現(xiàn):與DC輸出功率無(wú)關(guān)地對(duì)電容器組進(jìn)行充電。
[0008]在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，所述DC-DC變換器基于正激拓?fù)?，其中，?dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流過(guò)初級(jí)線圈和第一次級(jí)線圈，并且當(dāng)?shù)谝婚_(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流流過(guò)第二次級(jí)線圈，該第二次級(jí)線圈適于執(zhí)行該變壓器的消磁。由此，可以實(shí)現(xiàn):由對(duì)變壓器進(jìn)行消磁而獲得的功率可以被用于對(duì)電容器組進(jìn)行充電。
[0009]在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，第一開(kāi)關(guān)被配置為在所述DC-DC變換器由低壓電容器進(jìn)行供電的期間被斷開(kāi)。由此，可以實(shí)現(xiàn):如果由于DC輸出處的高功率需求而使得高壓電容器的電壓變低時(shí)，電容器組在電容器組充電期間使電壓保持在較高水平。
[0010]在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，第一和第二開(kāi)關(guān)適于由控制器同時(shí)進(jìn)行控制，以便獲得功率因數(shù)校正。由此，可以實(shí)現(xiàn):通過(guò)增加變壓器的磁場(chǎng)來(lái)對(duì)電容器組進(jìn)行充電。
[0011]在本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，，電源還包括第三開(kāi)關(guān)(S3)，該第三開(kāi)關(guān)適于由控制器以下面這種方式進(jìn)行控制:第三開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)，直到輸入供應(yīng)電壓處于DC-DC變換器的操作的極限為止，并且在其它情況下，該第三開(kāi)關(guān)閉合，以便向DC-DC變換器供電。由此，可以由控制器來(lái)控制低壓電容器組的放電。電容器組可以被充電，并且放電僅用于由控制器限定的需求。
[0012]本發(fā)明解決了有關(guān)AC輸入DC-DC變換器的短時(shí)間能量存儲(chǔ)的問(wèn)題。傳統(tǒng)上，基于大電容器組(圖1中的Ci)的大能量存儲(chǔ)被用于在AC輸入電壓(由于過(guò)零)低于DC-DC變換器所要求的輸入電壓時(shí)避免DC-DC變換的擾動(dòng)。該電容器組承受高額定電壓(典型地高于340V)和高容量的需求，從而導(dǎo)致電容器體積大、重量高、占用空間并且在SMT元件中無(wú)法使用。
[0013]本發(fā)明公開(kāi)了一種使用低壓(典型地小于50V額定值)電容器組(圖2和3，Ci2)的技術(shù)，其在AC輸入電壓高于DC-DC電壓的最小輸入電壓期間被充電到高于DC-DC變換器的最小輸入電壓的適當(dāng)電壓水平。所述電容器組(Ci2)將在輸入AC電壓(Vi)過(guò)零期間向DC-DC變換器提供能量。
[0014]本發(fā)明使得能夠在沒(méi)有大體積電容器的情況下設(shè)計(jì)出具有成本效益的電源。
[0015]應(yīng)當(dāng)注意，盡管附圖中涉及到隔離的反激和正激變換器拓?fù)?，但是本發(fā)明并不限于后者，而是可以與輸入供應(yīng)電壓是AC電壓的任何DC-DC變換器一起使用。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1a公開(kāi)了非隔離DC-DC降壓變換器的現(xiàn)有技術(shù)基本原理。
[0017]圖1b公開(kāi)了隔離的反激(flyback)DC-DC變換器的現(xiàn)有技術(shù)基本原理。
[0018]圖2公開(kāi)了反激型DC-DC變換器。
[0019]圖3公開(kāi)了正激(forward)型DC-DC變換器。
[0020]圖4a公開(kāi)了AC輸入電壓。
[0021]圖4b公開(kāi)了整流的AC輸入電壓。
[0022]圖4c公開(kāi)了整流的電壓的分解視圖。
[0023]圖4d公開(kāi)了平均輸出電流。
[0024]圖5公開(kāi)了反激拓?fù)洹?br>【具體實(shí)施方式】
[0025]圖1a公開(kāi)了具有通用輸入電壓的非隔離DC-DC降壓變換器的現(xiàn)有技術(shù)基本原理，該非隔離DC-DC降壓變換器能夠處理AC電源和DC電源。充電電容器(Ci)需要足夠大，以保證DC-DC變換器在輸入AC電壓(Vi)跨過(guò)零電壓期間的正常運(yùn)行。
[0026]圖1b公開(kāi)了隔離的反激DC-DC變換器的現(xiàn)有技術(shù)基本原理。
[0027]圖2公開(kāi)了反激型DC-DC變換器，其中Ci2是低壓電容器，其在輸入電壓(Vi)足夠高的期間通過(guò)開(kāi)關(guān)(S2)和二極管(D3)進(jìn)行充電，以確保DC-DC變換器的正常運(yùn)行。在輸入AC電壓(Vi)過(guò)零期間，電容器組(Ci2)將通過(guò)二極管(D2)向DC-DC變換器提供能量。控制器(Conl)控制開(kāi)關(guān)(SI)和開(kāi)關(guān)(S2)，開(kāi)關(guān)(SI)執(zhí)行DC-DC變換的快速切換，開(kāi)關(guān)(S2)控制電容器組的充電。
[0028]圖3公開(kāi)了正激型DC-DC變換器，其中消磁繞組(N2)用于通過(guò)開(kāi)關(guān)(S2)及二極管(D3)對(duì)電容器組(Ci2)進(jìn)行充電。在電容器組(Ci2)向DC-DC變換器供電期間，二極管(D4)確保變壓器(Tl)的消磁。
[0029]圖4a公開(kāi)了AC輸入電壓(Vi)。
[0030]圖4b公開(kāi)了在沒(méi)有高壓充電電容器(Cil)的情況下出現(xiàn)的被整流的AC輸入電壓(VI，點(diǎn)線)，以及低壓電容器組上的電壓(V2，虛線)。
[0031]圖4c公開(kāi)了整流的電壓(VI，點(diǎn)線)、低壓電容器組上的電壓(V2，虛線)和DC-DC變換器的輸入電壓(V3，實(shí)線)的分解圖。
[0032]圖4d公開(kāi)了整流橋(Dl)的平均輸出電流(IDl，點(diǎn)線)以及從低壓電容器組供給能量的通過(guò)二極管(D2)的平均電流(ID2，虛線)。
[0033]圖5公開(kāi)了反激拓?fù)?，其中從低壓電容器功率組釋放能量的二極管(D2)已經(jīng)與開(kāi)關(guān)(S3)串聯(lián)，開(kāi)關(guān)(S3)由控制器(Conl)進(jìn)行控制。可以利用開(kāi)關(guān)(S3)來(lái)優(yōu)化儲(chǔ)存在低壓電容器組(Ci2)中的能量的使用。
[0034]本發(fā)明將使得能夠以成本有效的方式實(shí)現(xiàn)具有通用輸入電壓的低功率到中等功率的DC-DC變換器，該通用輸入電壓覆蓋從16VAC到240VAC(峰值340V)的AC輸入電壓或16VDC到300VDC的DC輸入電壓?？梢杂玫蛪篠MT電容器來(lái)代替大體積、高電壓、通常含鉛的電容器。
[0035]下面描述功能。整流橋(Dl)在AC輸入電壓的情況下對(duì)輸入電壓(Vi)進(jìn)行整流。在DC輸入電壓的情況下，橋中僅有兩個(gè)二極管將被導(dǎo)通。在現(xiàn)有技術(shù)中在AC輸入電壓的過(guò)零期間充當(dāng)DC-DC變換器的能量貯存器的電容器(Ci)，在本實(shí)現(xiàn)方式中理論上可以被省略;然而，由于對(duì)傳導(dǎo)且發(fā)射的輻射的權(quán)威性要求，可能需要電容器(Ci)來(lái)降低開(kāi)關(guān)(SI)的瞬態(tài)噪聲。盡管如此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以顯著地減小電容以及其大小。
[0036]變壓器的初級(jí)繞組(NI)和次級(jí)繞組(N3)連同開(kāi)關(guān)(SI)和整流二極管(D4)—起構(gòu)成了傳統(tǒng)的反激拓?fù)?。為了能夠?qū)Φ蛪弘娙萜鹘M(Ci2)進(jìn)行充電，已經(jīng)將第三充電繞組(N2)添加到變壓器(Tl)。根據(jù)輸入電壓電平規(guī)格、輸出電壓電平要求以及低壓電容器組的設(shè)計(jì)，每個(gè)繞組的線圈匝數(shù)必須被設(shè)計(jì)為考慮變壓器材料的磁性性能和第一開(kāi)關(guān)(SI)的切換頻率的普通反激變換器。根據(jù)輸出功率要求和變壓器材料性能以及開(kāi)關(guān)能力(帶寬)，開(kāi)關(guān)
(SI)的切換頻率通常在50kHz至1MHz的范圍內(nèi)。
[0037]在AC輸入電壓高于DC-DC變換器所需要的輸入電壓的時(shí)段期間，開(kāi)關(guān)(S2)閉合，并且使得通過(guò)二極管(D3)對(duì)低壓電容器組(Ci2)進(jìn)行充電。當(dāng)開(kāi)關(guān)(SI)斷開(kāi)時(shí)，將僅對(duì)電容器組充電，并且當(dāng)開(kāi)關(guān)(SI)斷開(kāi)時(shí)，輸出二極管(D5)將僅對(duì)輸出電容器(Co)充電。
[0038]控制器(Conl)控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)，其可以被實(shí)現(xiàn)為場(chǎng)效應(yīng)晶體管，雙極或IGBT晶體管。控制器可以被實(shí)現(xiàn)為集成DC-DC控制器或微控制器。來(lái)自輸出電壓(Vo)的反饋可以由光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保穩(wěn)定的輸出電壓。
[0039]可以通過(guò)微控制器或通過(guò)監(jiān)測(cè)二極管(D2)中的電流來(lái)控制對(duì)電容器組的充電進(jìn)行調(diào)整的開(kāi)關(guān)(S2)。如果電流在(D2)中流動(dòng)，則開(kāi)關(guān)(S2)是永久斷開(kāi)的，因此避免了來(lái)自電容器組(Ci2)的不必要電流消耗。通過(guò)開(kāi)關(guān)(S2)的智能控制，可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。
[0040]此外，為了更有效地使用低壓電容器組，從低壓功率組釋放能量的二極管(D2)可以與開(kāi)關(guān)(S3，圖5)串聯(lián)設(shè)置，開(kāi)關(guān)(S3)受控于控制器(Conl)并且保持?jǐn)嚅_(kāi)直到輸入電壓供應(yīng)處于DC-DC變換器的操作的極限為止。通過(guò)開(kāi)關(guān)(S3)的這種操作，低壓電容器組(Ci2)供電期間，DC-DC變換器被最小化，從而實(shí)現(xiàn)低壓電容器組的最大利用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于基于AC功率輸入(Vi)生成DC電壓和電流的電源，所述電源包括適于連接到AC功率輸入的至少一個(gè)整流器(Dl)，所述整流器適于連接到至少一個(gè)高壓電容器(Cil)，所述電源還包括至少一個(gè)低壓電容器(Ci2)，所述低壓電容器適于通過(guò)至少一個(gè)第一開(kāi)關(guān)(SI)進(jìn)行連接，所述高壓電容器適于連接到至少一個(gè)DC-DC變換器，所述DC-DC變換器包括至少一個(gè)變壓器(Tl)，所述變壓器包括至少一個(gè)初級(jí)線圈(NI)以及至少一個(gè)第一和第二次級(jí)線圈(N3，N2)，其特征在于，所述第一次級(jí)線圈適于通過(guò)至少一個(gè)半導(dǎo)體(D5)進(jìn)行連接，所述第二次級(jí)線圈適于通過(guò)半導(dǎo)體(D3)和第二開(kāi)關(guān)(S2)連接到所述低壓電容器，所述低壓電容器形成為電容器組。2.如權(quán)利要求1所述的電源，其中所述DC-DC變換器基于反激拓?fù)?，其中?dāng)所述第一開(kāi)關(guān)(SI)閉合時(shí)，電流流過(guò)所述初級(jí)線圈，并且當(dāng)所述第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流流過(guò)所述第一和第二次級(jí)線圈。3.如權(quán)利要求1所述的電源，其中所述DC-DC變換器基于正激拓?fù)洌渲挟?dāng)所述第一開(kāi)關(guān)(SI)閉合時(shí)，電流流過(guò)所述初級(jí)線圈和所述第一次級(jí)線圈，并且當(dāng)所述第一開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電流流過(guò)所述第二次級(jí)線圈，所述第二次級(jí)線圈適于執(zhí)行所述變壓器的消磁。4.如權(quán)利要求3所述的電源，其中所述第一開(kāi)關(guān)被配置為:在所述DC-DC變換器由所述低壓電容器供電的期間斷開(kāi)。5.如權(quán)利要求4所述的電源，其中所述第一開(kāi)關(guān)和所述第二開(kāi)關(guān)適于同時(shí)由控制器(Conl)進(jìn)行控制，以便獲得功率因數(shù)校正。6.如權(quán)利要求5所述的電源，其中所述電源還包括第三開(kāi)關(guān)(S3)，所述第三開(kāi)關(guān)(S3)適于由所述控制器以下面這種方式進(jìn)行控制:所述第三開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)，直到輸入供應(yīng)電壓處于所述DC-DC變換器的操作的極限為止，并且在其它情況下，所述第三開(kāi)關(guān)閉合，以便向所述DC-DC變換器供電。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK106059307SQ201610380223
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】K·G·尼爾森
【申請(qǐng)人】Pr電子股份公司