多功能整合型直流變換器的製作方法
2023-06-19 01:53:51
專利名稱：多功能整合型直流變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實現直流電能到直流電能之間變換的裝置，尤其涉及一種多功能整合型直流變換器。
圖1是現有的一種全橋移相式軟開關直流-直流變換器的電路結構圖。輸入電容器C11上的直流電壓經開關器件S11～S14開關變換成高頻方波交流電壓送到變壓器Tr，變壓器Tr的輸出側輸出兩組相同幅值的方波交流電壓，經整流二極體D11、D12整流及由電感器Lo和電容器串聯組成的濾波電路濾波得到輸出直流電壓。在這種結構的變換器中，第一橋臂的上、下兩個開關器件S11和S12及第二橋臂的上、下兩個開關器件S13和S14各自在50％佔空比方波信號控制下互補開關工作。而輸出電壓的調節是通過改變第一橋臂的控制信號和第二橋臂的控制信號的相位差達到的，並利用變壓器Tr輸入端迴路中的等效電感Lk中的儲能實現開關器件S11～S14的軟開通，以提高變換器的工作效率。
圖2是現有的一種不對稱半橋直流-直流變換器的電路結構圖。輸入電容器C21上的直流電壓經橋臂中上下兩個開關器件S21和S22互補開關工作，輸出高頻方波交流電，該輸出經隔直電容器Cb濾除直流電壓部分，使變壓器Tr的輸入側得到方波交流電壓。變壓器Tr輸出側的電路(包括整流二極體D21、D22和電感器Lo和電容器C3組成的濾波電路)及工作原理與圖1現有技術相類似。圖2現有技術中通過改變開關器件S21或S22的控制信號的方波脈衝時間來改變輸出端電壓，並利用變壓器Tr輸入端迴路的等效電感Lk的儲能實現開關器件S21和S22的軟開通工作。
圖3是現有的一種全橋結構串並聯諧振直流-直流變換器的電路結構圖。輸入電容器C31上的直流電壓經開關器件S31～S34變換成方波交流電壓。再經由串聯諧振電感器Ls和串聯諧振電容器Cs構成的串聯諧振迴路和由並聯諧振電容器Cp和變壓器Tr的輸入端激磁電感構成並聯諧振迴路諧振得到正弦交流電壓作為變壓器Tr的輸入端電壓。變壓器Tr的輸出端的電路(包括整流二極體D31、D32和電感器Lo和電容器C3組成的濾波電路)及工作原理與圖1相類似。圖3中輸出電壓的調節是通過改變開關器件S31～S34的開關工作頻率從而改變變壓器Tr輸入端電壓來實現的。
圖1至圖3中現有的直流-直流變換器均適用於輸入直流電壓及輸出直流電壓均相對變化較小的應用場合。且變換器的工作性能和變換效率隨著輸出電壓的降低和輸入電壓的升高而下降。因此，當實際應用涉及不同的輸入電壓或輸出電壓條件時，現有的變換器必須針對不通的使用條件進行專門的設計才能達到。
因此，本發明的目的在於提供一種具有多種輸入輸出電壓變換功能的多功能整合型直流變換器，從而實現直流變換器的多功能化和靈巧化，達到減少產品品種規格，優化產品品質和進一步降低產品成本。
例如，在通信領域中，常用的直流變換器為48V到24V的直流變換和24V到48V的直流變換。目前是通過兩種不同的變換裝置分別實現相應的變換功能。本發明的目的在於實現一種新的變換裝置可直接用於上述兩種應用場合。
再者，在目前的應用中，也常有在不同的輸入電壓的懷脫下，得到相同輸出電壓的要求。例如，輸入電壓分別有100V和200V兩種，都需要得到相同的輸出電壓，如24V。
因此，根據本發明的上述目的，本發明提供一種多功能整合型直流變換器，它包括輸入電容器，用於提供直流電壓；直流-交流變換電路，與所述輸入電容器相連，將所述輸入電容器提供的直流電壓轉換成高頻交流電壓；變壓器，與所述直流-交流變換電路相連，將所述高頻交流電壓進行電壓隔離和變壓；整流電路，與所述變壓器輸出端相連，將所述變壓器輸出的經變壓的高頻交流電壓整流成直流電壓；以及濾波電容器，與所述整流電路相連；本發明的特徵在於，所述直流-交流變換電路包含全橋開關器件組，所述多功能整合型直流變換器具有兩個輸入電容器，第一輸入電容器與所述全橋開關器件組的第一橋臂並聯，第二輸入電容器與所述全橋開關器件組的第二橋臂並聯；所述多功能整合型直流變換器還包括兩個輸入直流電壓轉換開關，第一輸入電壓轉換開關上的兩個端點分別連接到所述第二橋臂上，第一輸入電壓的轉換點連接到所述第一輸入電容上；第二輸入電壓轉換開關上的兩個端點分別連接到所述第一橋臂上，第二輸入電壓轉換開關的轉換點連接到所述第二輸入電容上。
下面結合附圖詳細描述本發明的較佳實施例，本發明的上述和其它目的、優點和效果通過下面的描述將變得更為明了。附圖中圖1-圖3示出了已有技術的直流變換器的三種結構；圖4示出了本發明的多功能整合型直流變換器的電路結構圖；圖5用於解釋圖4所示的直流變換器的工作原理；圖6示出了本發明的多功能整合型直流變換器的另一種電路結構圖；圖7用於解釋圖6所示的直流變換器的工作原理；圖8示出了本發明的多功能整合開型直流變換器的再一種電路結構圖。
如圖4所示，本發明的多功能整合型直流變換器由輸入電容器C1、全橋開關器件組S1-S4、諧振電容器Cs與串聯諧振電感器Ls組成的諧振電路、變壓器Tr、由整流二極體D1-D4構成的輸出整流電路以及濾波電容器C3組成。輸入電容器C1與全橋開關器件組S1-S4連接，全橋開關器件組S1-S4與傳統直流變換器中的全橋開關器件組一樣，交替導通和關斷。從而將從輸入電容器C1上獲得的直流電壓轉換成高頻交流電壓。全橋開關器件組S1-S4與電容器Cs和電感器Ls串聯構成的諧振電路連接，構成直流-交流變換電路。其中串聯諧振電感器Ls可以被整合在變壓器Tr中。
變壓器Tr將直流-交流變換電路輸出的交流電壓進行電氣隔離和變壓，變壓的比值可以根據需要而定。與變壓器Tr的輸出端相連的輸出整流電路由四個整流二極體D1-D4以全橋形式構成。圖4中的Sm為輸出電壓轉換開關，該轉換開關Sm的一端連接到變壓器Tr的中心抽頭上，另一端連接到全橋整流二極體的共陽極連接點上。轉換開關Sm的轉換點與濾波電容器C3相連。而全橋整流二極體的共陰極連接點連接到濾波電容器C3的另一端。
該全橋整流電路的工作原理如下全橋開關器件組的第一橋臂的上、下開關器件S1和S2各自受控制信號控制而互補導通和關斷。第二橋臂的上、下開關器件S3和S4也受相應信號控制而互補導通和關斷(關於如何控制開關器件組的導通和關斷，都是公知技術，因此，在此不再詳細描述)。輸入電容器C1的直流電壓經開關器件S1～S4變換，在全橋開關器件組的第一橋臂的中點A1和第二橋臂的中點B1之間獲得高頻方波交流電壓，該高頻方波交流電壓施加到由串聯諧振電容器Cs，變壓器Tr的輸入側繞組及串聯諧振電感器Ls構成的串聯諧振迴路，產生串聯諧振而在變壓器Tr的輸入側繞組中得到正弦波交流電流。正弦波交流電流經變壓器Tr傳送到變壓器輸出側的上、下兩個繞組中。根據輸出轉換開關Sm所處的位置，變壓器輸出側上的電流會經過整流二極體元件D1和D2(輸出轉換開關Sm處於A位置時)或D1～D4(輸出轉換開頭Sm處於B位置時)被送至輸出電容器C3上，經電容器C3濾波後獲得相應的直流輸出電壓。當轉換開關Sm被連接到A點時(如圖5A)，輸出直流電壓是變壓器Tr輸出側的上、下兩個相同繞組上的電壓分別經過整流二極體D1和D2整流得到。因此輸出電壓的幅度對應於變壓器Tr輸出側上、下兩個繞組的電壓幅度。當轉換開關被連接到B點時(如圖5B所示)，輸出直流電壓是變壓器Tr輸出側的上、下兩個相同繞組串聯疊加後經過整流二極體D1、D4和D2、D3整流後得到。因此此時輸出電壓的幅度對應於變壓器Tr輸出側上、下兩個繞組上的電壓之和。因此轉換開關Sm被連接到A點時輸出直流電壓是轉換開關Sm被連接到B點時輸出直流電壓的一半。或者說，轉換開關Sm被連接到B點時的輸出直流電壓是轉換開關Sm被連接到A點時的兩倍。因此，通過改變轉換開關Sm的連接位置可以得到兩種不同的直流輸出電壓(如在通信電源中通常用到的24V和48V直流電壓)而不會明顯影響電路的工作性能。
圖4所示的實施例是通過轉換直流變換器的輸出部分的電路結構來達到變換電壓的功能。圖6示了了本發明的另一個實施例。在該實施例中，是通過轉換直流變換器的輸入部分的電路結構來達到變換電壓的功能。
如圖6所示，在本實施例中，具有兩個輸入電容器C1A和C1B，第一輸入電容器C1A與全橋開關器件組的第一橋臂(由開關器件S1和S2串接構成)並聯，第二輸入電容器C1B與全橋開關器件組的第二橋臂(由開關器件S3和S4串接構成)並聯。本實施例的直流變換器還包括兩個輸入電壓轉換開關Sm1和Sm2。第一輸入電壓轉換開關Sm1的兩個端點分別連接到由開關器件S3和S4串接構成的第二橋臂上，第一輸入電壓轉換開關Sm1的轉換點連接到第一輸入電容器C1A上；第二輸入電壓轉換開關Sm2的兩個端點分別連接到由開關器件S1和S2串接構成的第一橋臂上，第二輸入電壓轉換開關Sm2的轉換點連接到第二輸入電容器C1B上。其它的電路結構與圖1所示的傳統直流變換器相同。
圖6所示的直流變換器的工作原理如下當第一和第二輸入電壓轉換開關Sm1和Sm2的轉換點位於圖6中E1和F2的位置時，第二輸入電容器C1B實際上與野心家器C1A並聯，其電路結構可以畫成圖7A所示的電路。可以看出，經簡化之後的電路與圖1所示的傳統電路一樣，因此，其工作原理也一樣，第一橋臂的中點A1和第二橋臂的中點B1之間的輸出電壓幅度與第一輸入電容器C1A的輸入直流電壓幅度U相等。
當第一和第二輸入電壓轉換開關Sm1和Sm2的轉換點位於圖6中F1和E2的位置時，第二輸入電容器C1B與電容器C1A串聯，其電路結構可以畫成圖7B所示的電路。可以看出，第一輸入電容器C1A向第一橋臂(開關器件S1和S2)提供電壓，第二輸入電容器C1B向第二橋臂(開關器件S3和S4)提供電壓。由於第一和第二輸入電容器C1A和C1B串接，所以第一和第二電容輸入電容器C1A和C1B上的電壓為輸入直流電壓幅度U的一半，即U/2。因此，第一橋臂的中點A1和第二橋臂的中點B1之間的輸出電壓幅度與第一輸入電容器C1A或第二輸入電容器C1B上的電壓相等，即U/2。這樣，通過改變輸入電路的結構可以使該直流變換器適用於兩種不同的輸入直流條件，而不會明顯改變電路的工作性能。
如上所述，圖4所示的實施例是通過轉換直流變換器的輸出電路結構來轉換達到變換電路的功能，圖6所示的實施例是通過轉換直流變換器的輸入電路結構來達到變換電路的功能。在一個新實施例中，可以把圖4的輸出電路結構與圖6所示的輸入電路結構相結合，其具體的電路結構如圖8所示，對於其工作原理可以參照圖4和圖6的描述。
上面詳細描述了本發明的各個較佳實施例。但是應當理解，上述這些並不是對本發明範圍的限制。對於本技術領域的一般技術人員來說，可以在不脫離本發明的精神的情況下，作出種種變化和修飾。因此，本發明的範圍應由所附權利要求書來決定。
權利要求
1.一種多功能整合型直流變換器，它包括輸入電容器，用於提供直流電壓；直流-交流變換電路，與所述輸入電容器相連，將所述輸入電容器提供的直流電壓轉換成高頻交流電壓；變壓器，與所述直流-交流變換電路相連，將所述高頻交流電壓進行電氣隔離和變壓；整流電路，與所述變壓器輸出端相連，將所述變壓器輸出的經變壓的高頻交流電壓整流成直流電壓；以及濾波電容器，與所述整流電路相連；其特徵在於，所述直流-交流變換電路包含全橋開關器件組，所述多功能整合型直流變換器具有兩個輸入電容器，第一輸入電容器與所述全橋開關器件組的第一橋臂並聯，第二輸入電容器與所述全橋開關器件組的第二橋臂並聯；所述多功能整合型直流變換器還包括兩個輸入直流電壓轉換開關，第一輸入電壓轉換開關上的兩個端點分別連接到所述第二橋臂上，第一輸入電壓的轉換點連接到所述第一輸入電容上；第二輸入電壓轉換開關上的兩個端點分別連接到所述第一橋臂上，第二輸入電壓轉換開關的轉換點連接到所述第二輸入電容上。
2.如權利要求1所述的多功能整合型直流變換器，其特徵在於，還包括一個輸出電壓轉換開關，所述整流電路為四個全橋結構的整流二極體構成，所述輸出電壓轉換開關的一端連接到全橋整流二極體的共陽極連接點上，另一端連接到所述變壓器的中心抽頭上，所述輸出電壓轉換開關的轉換點與所述濾波電容器相連。
全文摘要
本發明涉及多功能整合型直流變換器,包括:輸入電容器;直流－交流變換電路;變壓器;整流電路;以及濾波電容器;直流－交流變換電路包含全橋開關器件組,兩個輸入電容器分別與全橋開關器件組的第一和第二橋臂並聯;第一輸入電壓轉換開關上的兩個端點分別連接到第二橋臂上,第一輸入電壓的轉換點連接到第一輸入電容上;第二輸入電壓轉換開關上的兩個端點分別連接到第一橋臂上,第二輸入電壓轉換開關的轉換點連接到第二輸入電容上。
文檔編號H02M3/22GK1355593SQ0013474
公開日2002年6月26日 申請日期2000年12月1日 優先權日2000年12月1日
發明者章進法, 黃貴松, 顧亦磊 申請人:臺達電子工業股份有限公司