能減少輸入電流波動的dc-dc變換器的製作方法
2023-12-11 10:53:52 1
專利名稱：能減少輸入電流波動的dc-dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及到DC-DC變換器，具體涉及到能夠為改善電路效率而減少輸入電流波動的DC-DC變換器。
然而，這種電路在開關元件關斷的同時許可不從輸入DC電源提供輸入電流，因而會導致輸入電流波動增大。增大的波動導致電路效率降低，並且會相應地增大輸入電流峰值，這就需要大容量的變壓器，同時會增大變壓器的體積。另外，由於這種電路中的變壓器只用於從輸入DC電源向負載輸送能量，變壓器必須包括較大的鐵心以避免磁通飽和，因而體積會很大。這樣就難以使用設計緊湊的變壓器，並且難以將整個電路裝配得足夠緊湊以便安裝在有限的空間內。
本發明的標誌性特徵在於電容被串聯連接到一個整流器和次級繞組，通過變換器輸入由次級繞組釋放的電能給電容器充電。按照這種布局，即使在開關元件關斷時，電路也會得到一個連續流過變換器輸入的輸入電流。這樣就能保證輸入DC電流不會中斷，從而減少輸入電流波動並降低輸入電流峰值，這樣就能在整體緊湊布局的變換器中使用小型變壓器來改善電路效率。
變換器中包括一個用來確定開關元件切換頻率的控制器，該頻率比電容和次級繞組構成的諧振系統固有的諧振頻率高得多，為可靠地操作變換器而抑制有害的振蕩。
在本發明的一個實施例中，電容被串聯連接到跨接DC電源的初級繞組上形成閉環的電容，次級繞組，整流器，變換器輸入及初級繞組，在開關元件關斷時供輸入電流流通。為此要根據初級繞組的纏繞方向來選擇次級繞組的極性，使輸入DC電壓在相位上與第一和第二線圈上分別感應的電壓重疊。
在本發明的另一實施例中，電容被串聯連接到次級繞組和跨接DC電源的整流器，並且與初級繞組和開關元件的串聯組合相併聯。這樣就形成了閉環的電容，次級繞組，整流器和變換器輸入，在開關元件關斷時供輸入電流流通。為此要根據初級繞組的纏繞方向來選擇次級繞組的極性，使輸入DC電壓在相位上與次級繞組感應的電壓重疊。或者是根據初級繞組的纏繞方向來選擇次級繞組的極性，使輸入DC電壓在相反相位上與次級繞組感應的電壓重疊。
最好是跨著變換器輸出連接一個低通濾波器來消除輸出波動。
這種DC-DC變換器最適合用於放電燈的鎮流器，其中連接有一個逆變器用來將變換器的輸出DC電壓變換成操作放電燈的AC電壓。
參見
圖1，圖中表示按照本發明第一實施例的DC-DC變換器。變換器20可以連接到DC電源10上為其提供一個輸入DC電壓，並且提供一個可調輸出DC電壓去激勵負載60。儘管本實施例表示的DC電源10包括一個電池12及電感14和電容16組成的一個輸入濾波器，變換器也可以採用不同構造的各種DC電源。變換器20包括一個變壓器30，它具有與跨接輸入端子21的開關元件24(例如是電晶體)串聯連接的初級繞組31，以及與初級繞組極性相反且串聯連接到一個整流器的次級繞組32，整流器例如是一個跨接在輸出端子27上成正向偏置關係的二極體26。一個平滑輸出電容34與初級繞組31，次級繞組32和跨接輸入端子21的二極體26串聯連接，電容34連接在線圈31和32之間。由電感41和電容42組成的一個低通濾波器40被連接在變換器20的輸出端子27和負載60之間。用控制器50驅動開關元件24按照高達20kHz以上的高頻和可變的佔空度導通和關斷，並且根據在負載60上檢測到的電壓和檢測的負載電流Iout改變其佔空度，為負載60提供恆定的輸出DC電壓。
在工作中，當開關元件24導通時，輸入電流Iin1從DC電源10流入變壓器30的初級繞組31，如圖2A中的實線箭頭所示，在線圈中儲存電能。此後，在開關元件24關斷時，變壓器30釋放其電能，使輸入電流Iin2流過次級繞組32，二極體26，DC電源10，初級繞組31和電容34的閉環，如圖2B中的實線箭頭所示，為平滑輸出電容34充電。電流Iin2包括從DC電源獲取的電流，因此，來自DC電源的輸入電流在開關元件關斷時不會中斷，這樣就能減少輸入電流波動並降低電流峰值。當開關元件隨後導通時，平滑輸出電容34通過開關元件24放電產生一個輸出電流Iout1去激勵負載，如圖2A中的虛線箭頭所示。從這一點來看，平滑輸出電容34可以作為一個輸出電容，在開關元件24導通時向負載提供輸出DC電壓。在開關元件24關斷時，負載能持續獲得從次級繞組32流經二極體26釋放的輸出電流Iout2，如圖2B中的虛線箭頭所示。如圖中的點所示，次級繞組32相對於初級繞組31的纏繞方向是這樣的，在開關元件24關斷時，使來自DC電源的輸入DC電壓在相位上與原邊和次級繞組31和32的電壓重疊。
圖3表示流經變換器電路中的各種電流，用來演示所述電路的操作。在該圖中用流經初級繞組31的電流I31表示由電流Iin1和Iin2組合而成的輸入電流，而輸出電流Iout是由流經電感41的電流Iout1和Iout2組合而成的。電流I32代表流經次級繞組32的電流。
如上所述，從DC電源持續供應輸入電流，與開關元件24的導通/關斷狀態無關，變換器能夠有效降低輸入電流波動及輸入電流峰值。這樣就能降低變壓器30的功率需求，有可能使用小型的變壓器。另外，由於初級繞組31與次級繞組32串聯連接並且在開關元件關斷時協同為平滑輸出電容34充電，如圖2B所示，初級繞組31的匝數與次級繞組32的匝數疊加對平滑輸出電容34起作用。這就意味著可以將次級繞組的匝數減少相當於初級繞組匝數的數量。結果，與次級繞組單獨為電容34充電的情況相比，就可以進一步縮小變壓器的尺寸。另外，降低電流波動有可能用小容量的電容34維持必要的功能，這樣有助於實現整體裝配的緊湊。
圖4表示作為DC-DC變換器一種典型應用的放電燈整流器，為其配置的負載包括為操作放電燈100提供1kHz低頻AC電壓的一個逆變器70，和一個起動器80，它為燈提供一個20kV以上的高起動電壓。逆變器70具有布置成全橋連接方式的四個開關電晶體71到74。用一個驅動器76驅動這些電晶體使對角線上相對的一對電晶體71和74相對於另外一對電晶體72和73交替地同時導通和關斷，從而將來自變換器的輸出DC電壓變換成AC電壓提供給燈100。驅動器76被連接到控制器50』接收一個1kHz以下的低頻控制信號而產生低頻逆變器輸出。起動器80包括一個帶初級繞組81和次級繞組82的變壓器，次級繞組在饋送逆變器輸出的路徑中與燈100串聯連接。一個電容84和用於使電容84放電的開關85的串聯組合跨接在初級繞組81上，在次級繞組82中感應出高起動電壓去起動燈。
用一個增壓器90為電容84充電，它利用出現在次級繞組32中的電壓提供一個足以對電容84快速充電的增壓DC電壓。增壓器90被配置成由二極體91到94，電容95到98和一個電阻99組成的高達幾百萬伏的超高直流電壓整流器。增壓器90的輸入跨接在變換器20的二極體26上，並且由二極體26上的電壓產生增壓的DC電壓。
圖5表示另一種鎮流器，它與圖4的唯一區別是變換器20有所修改，讓增壓器90獲取出現在電容24與二極體26的串聯組合上的電壓。按照這種連接方式，二極體26被串聯連接在次級繞組32和平滑輸出電容34之間，而變換器20的工作方式仍然與上文所述相同。為了便於參照用相同的標號表示相同的部件。
圖6表示按照本發明與第一實施例類似的第二實施例的DC-DC變換器20A，唯一的區別是平滑輸出電容34A與次級繞組32A和二極體26A串聯連接，與初級繞組31A和開關元件24A的串聯組合成並聯關係跨接在DC電源10上。用帶後綴」A」的相同的標號表示相同的部件。如下文說述，次級繞組32A和初級繞組31A具有相同的極性，在開關元件24A關斷時使輸入DC電壓在相位上與次級繞組32A感應的電壓重疊。
參照圖7A和7B來解釋變換器的工作方式。在開關元件24A導通時，DC電源10提供的輸入電流Iin1流過初級繞組31A，如圖7A中的實線箭頭所示，在變壓器30A上儲存電能。在開關元件24A隨後關斷時，次級繞組32A就釋放電能，通過二極體26A向負載提供輸出電流Iout2，如圖7B中的虛線箭頭所示，並允許來自DC電源10的輸入電流Iin2持續流過平滑輸出電容34A，次級繞組32A和二極體26A為平滑輸出電容34A充電，如圖7B中的實線箭頭所示。在開關元件24A隨後導通時，被充電的平滑輸出電容34A就能使輸出電流Iout1通過初級繞組31A和開關元件24A流到負載，如圖7A中的虛線所示。另外，在開關元件24A關斷時，平滑輸出電容34A還能使輸出電流Iout3通過電源10流到負載，如另一條虛線所示。
圖8表示流經變換器電路中的各種電流，用來演示所述電路的操作。該圖中的輸入電流Iin是電流Iin1，Iin2和Iout3的組合，而提供給負載的輸出電流Iout是電流Iout1，Iout和Iout3的組合。電流I31和I32分別代表流經初級繞組31A和32A的電流。用圖8的波形可以確定，本實施例的變換器同樣能保證輸入電流沒有中斷，這樣就能減少輸入電流波動並降低輸入電流峰值。
圖9表示按照本發明與第二實施例相同的第二實施例的DC-DC變換器20A，唯一的區別是次級繞組32B的纏繞極性被選擇成與第二實施例相反，輸入和輸出電流從反方向上流過次級繞組32B和二極體26B。用帶後綴」B」的相同的標號表示相同的部件。
參照圖10A和10B來解釋這種變換器的工作方式。在開關元件24A導通時，DC電源10提供的輸入電流Iin1流過初級繞組31B，如圖10A中的實線箭頭所示，在變壓器30B上儲存電能。在開關元件24B隨後關斷時，次級繞組32B就釋放電能，通過二極體26B向負載提供輸出電流Iout1，如圖10B中的虛線箭頭所示。同時，平滑輸出電容34B協同DC電源10向負載提供額外的電流Iout2。由於電流Iout2流經DC電源10，可以將其視為程序流動的輸入電流，即使是在開關元件24B的關斷周期中，也能從DC電源10流到變換器，這樣就能象前述實施例一樣減少輸入電流波動並降低輸入電流峰值。值得注意的是，在開關元件24B的導通周期中，DC電源10還能使一個相同的電流Iout3通過平滑輸出電容34B流到負載。
圖11表示在所述變換器20B的電路中流動的各種電流，用來演示所述電路的操作。該圖中的輸入電流Iin是電流Iin1，Iin2，Iout2和Iout3的組合，而提供給負載的輸出電流Iout是電流Iout1，Iout和Iout3的組合。電流I31和I32分別代表流經初級繞組31B和32B的電流。用圖11的波形還可以確定，本實施例的變換器也能保證輸入電流沒有中斷，這樣就能減少輸入電流波動並降低輸入電流峰值。
本申請以2000年11月15日提交的日本專利申請2000-348758號為基礎並且要求其優先權，該申請的全文可作為本文的參考資料。
附圖文字圖1控制器 負載圖3開關24 導通 關斷電流I31《輸入電流》電流I32輸出電流Iout圖8開關24A 導通 關斷輸入電流Iin電流I31電流I32輸出電流Iout圖11開關24B 導通 關斷輸入電流Iin電流I31電流I32輸出電流Iout圖4控制器 驅動器圖5控制器 驅動器圖6控制器 負載圖9控制器 負載
權利要求
1.一種DC-DC變換器包括一個適合接收輸入DC電壓的變換器輸入；適合連接到負載的一個變換器輸出，為所述負載提供一個輸出DC電壓；跨接在所述變換器輸入上並且被驅動導通，關斷的一個開關元件；具有初級繞組和次級繞組的一個變壓器，所述初級繞組串聯連接到跨接所述變換器輸入的所述開關元件，在開關元件關斷時在次級繞組中感應出電能；連接在電路中的一個電容，由所述次級繞組釋放的所述電能為其充電而積聚成所述輸出DC電壓，並且DC電壓跨接在所述變換器輸出上為所述負載提供所述輸出DC電壓，其特徵在於，所述電容被串聯連接到一個整流器，和所述次級繞組跨接所述變換器輸入，通過所述變換器輸入和所述整流器由所述次級繞組釋放的電能給電容器充電。
2.按照權利要求1的DC-DC變換器，其特徵，是進一步包括用來確定所述開關元件切換頻率的控制器，該頻率比所述電容和所述次級繞組構成的諧振系統固有的諧振頻率高得多，從而抑制諧振。
3.按照權利要求1的DC-DC變換器，其特徵是，所述電容被串聯連接到跨接所述變換器輸入的所述初級繞組上。
4.按照權利要求3的DC-DC變換器，其特徵是，根據初級繞組的纏繞方向來選擇所述次級繞組的極性，使輸入DC電壓在相位上與所述原邊和次級繞組上感應的電壓重疊。
5.按照權利要求1的DC-DC變換器，其特徵是，所述電容被串聯連接到所述次級繞組和跨接所述變換器輸入的所述整流器，並且與所述初級繞組和所述開關元件的串聯組合相併聯。
6.按照權利要求5的DC-DC變換器，其特徵是，根據初級繞組的纏繞方向來選擇所述次級繞組的極性，使輸入DC電壓在相位上與次級繞組上感應的電壓重疊。
7.按照權利要求5的DC-DC變換器，其特徵是，根據初級繞組的纏繞方向來選擇所述次級繞組的極性，使輸入DC電壓在相反相位上與次級繞組上感應的電壓重疊。
8.按照權利要求1的DC-DC變換器，其特徵是，用跨接所述變換器輸出的一個濾波器來消除輸出波動。
9.按照權利要求8的DC-DC變換器，其特徵是，所述濾波器是低通濾波器。
10.一种放電燈的鎮流器，所述鎮流器是一個DC-DC變換器和一個逆變器的組合，所述DC-DC變換器包括一個適合接收輸入DC電壓的變換器輸入；適合連接到負載的一個變換器輸出，為所述負載提供輸出DC電壓；跨接在所述變換器輸入上並且被驅動導通，關斷的一個開關元件；具有初級繞組和次級繞組的一個變壓器，所述初級繞組串聯連接到跨接所述變換器輸入的所述開關元件，在所述開關元件關斷時在所述次級繞組中感應出電能；連接在電路中的一個電容，由所述次級繞組釋放的所述電能為其充電而積聚成所述輸出DC電壓，並且跨接在所述變換器輸出上為所述負載提供所述輸出DC電壓，其特徵在於所述電容被串聯連接到一個整流器和跨接所述變換器輸入的所述次級繞組，通過所述變換器輸入和所述整流器由所述次級繞組釋放的電能來充電，所述逆變器被連接到所述變換器輸出，並且將所述輸出DC電壓變換成操作放電燈的AC電壓。
全文摘要
能減少輸入電流波動的一種改進的DC－DC變換器。該變換器包括一個變壓器，一個開關和一個電容。開關交替地導通和關斷，在變壓器中儲存電能。電容被串聯連接到一個整流器和跨接輸入DC電壓的變換器的次級繞組，通過DC電源由次級繞組釋放的電能為其充電。這樣，即使在開關元件被關斷時也能使電路得到通過DC電源持續流動的輸入電流。
文檔編號H02M3/00GK1476662SQ01803636
公開日2004年2月18日 申請日期2001年11月13日 優先權日2000年11月15日
發明者中村俊朗 申請人:松下電工株式會社