Ac/dc變換器的製作方法

2023-06-06 10:59:11

專利名稱：Ac/dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種AC/DC變換器，包括變換器輸入和變換器輸出， 預調節級，包括變換器輸入級和變換器輸出級的DC變換器級，所述 變換器輸入級進一步包括雙端變換器輸入級，以及控制器用於提供控 制信號給所述雙端變換器輸入級。
背景技術：
過去數年間，在AC/DC電源變換器領域中發生了很大變化。這 些變化多數直接源自於監管機構施加的更加嚴格的監管要求。總體來 說，存在提供更加高效AC/DC變換器的動力，特別是具有較低的待 機或者空載功耗的AC/DC變換器。為了滿足這些監管要求，需要在 電源變換器中讓待機或者空載功耗儘可能的低，因為這可能對總體運 行成本以及包含所述電源變換器的設備的安全方面產生很大影響。而且，通過操作提高效率的電源變換器，電源變換器能夠以給定 的節能標準工作，並且能夠最小化電源變換器中的生成的熱能。這對 於降低對結合電源變換器而使用的諸如空氣或者水之類的冷卻液的 需求具有直接影響。除了需要高效率和較低的空載待機功耗，AC/DC 變換器通常還需要某種功率因數校正措施以使得輸入電流波形盡可 能與正弦波形接近，並且與輸入電壓同相。電源變換器通常還必須能 夠工作在雙模式下，處理從日本的大約100V的低線路需求至歐洲的 大約220至240V的高線路需求跨度的額定正弦幹線/線路電壓。因此，AC/DC變換器通常具有功率因數校正(PFC)需求，以及 電壓比的分離和轉換的需求。AC/DC變換器需要提供持續的直流輸 出，並且還需要提供某種程度的能量存儲，因為AC線路/幹線電源 將經過輸入電壓的過零點，從而需要某種程度的能量存儲。迄今為止， 存在各種方法以提供滿足至少某些上述需求的AC/DC變換器，特別 是具有較低的待機功耗同時保持高效率的需求。這些方法包括單級和多級變換器，並且通常包括升壓預調節器(boostpre-regulator)，其後 緊跟回掃(flyback)、前向(fo歸d)、 Cuk， Sepic或者其他這種方 法。然而，已知的各種類型的AC/DC電源變換器均存在問題，並且 迄今為止沒有哪個現有的AC/DC變換器被證明完全適合於提供較低 的空載功耗而同時具有較高的輸出效率。因此，本發明的一個目的在於提供一種AC/DC變換器，其克服 了至少某些上述難點，並且製造相對簡單且成本低廉。發明內容根據本發明，提供了一種AC/DC變換器，包括變換器輸入和變 換器輸出，預調節級，包括變壓器輸入級和變壓器輸出級的DC變壓 器級，所述變壓器輸入級進一步包括雙端變換器輸入級，以及控制器 用於提供控制信號給所述雙端變換器輸入級，特徵在於所述控制器使 用突發模式控制進行操作並且所述控制信號進一步包括設計為在所 述雙端變換器中提供基本為零的淨磁化電流的脈衝集合。通過所述變換器，可以獲得對變換器操作的更加準確的控制。還 可以實現最優的變換器利用，從而改善AC/DC變換器的整體效率。 而且，不再需要讓變換器在所有時間均導通，因此可以降低空載切換 損耗和磁芯損耗，從而大大降低空載功耗。在本發明的一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中所 述控制器進一步包括滯後控制器(hysteretic controller), —旦檢測到 AC/DC變換器輸出電壓高於預定輸出電壓設定點或者檢測到存在過 流情況則從控制信號中去除脈衝集合。這被認為是特別簡單的並且相 對低廉的實現變換器控制的方式。滯後控制器方法可以用於從控制信 號中去除脈衝集合。當脈衝集合被去除後，輸出同步整流器被關斷並 且沒有驅動電壓。因此，輸出電感中的電流通過輸出同步整流器的體 二極體放電。該方法還促進了設備中的電流限制，因為可以在各個脈 衝集合開始時間處決定是否執行該特定脈衝集合。脈衝集合可以僅在 電壓低於輸出設定點並且沒有檢測到過流情況時執行。這樣提供了變 換器的簡單的增強控制方式。在本發明的另一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 所述控制器進一步包括脈衝寬度調製器(PWM)控制器，具有確定 包括所述控制信號的PWM周期內的脈衝集合數量的模塊，以確定控 制信號的長度。該方法比滯後控制器方法略微複雜，但是可以使用很 大範圍內的脈衝波形實現。當通過高頻信號操作時，可以使用控制器 有效"鍵控"信號導通或者關斷。所述控制器可以使用模擬或者數字 技術實現並且所述控制器有效確定脈衝串的長度。這樣，控制器為離 散脈衝集合提供了正確特性以確保輸入驅動電路的平衡。在本發明的進一步實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 所述脈衝集合包括一個極性的四分之一周期，其後緊跟相反極性的半 個周期，其後緊跟所述第一極性的進一步四分之一周期。特別地，可 以設計所述脈衝集合包括正極性的四分之一周期，其後緊跟負極性的 半周期，其後緊跟正極性的進一步四分之一周期。通過這種脈衝集合， 在變換器中可以具有為零的淨磁化電流。而且，這些脈衝集合可以使 用適當邏輯來相對容易地連接在--起以最小化假信號，從而給出正常 控制波形形式。各個脈衝集合可以使用滯後或者脈衝寬度調製方法而 相對容易地被控制。在本發明一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中，在 脈衝集合被去除的情況下去除交替極性的脈衝集合。通過在每次脈衝 集合被去除的情況下去除交替極性的脈衝集合，可以克服與去除脈衝 集合相關的困難，這在輸出電容器上引入的紋波的情況下被認為是時 間過長的。在本發明的另一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 使用降壓變換器實現預調節級。這被認為是特別有用的AC/DC變換 器，並且能夠使用降壓變換器作為預調節級是非常優選的。優選地， 降壓變換器預調節級(7)進一步作為功率因數校正(PFC)級。通 過降壓變換器，可以在大容量電容器上具有通常在60至90伏之間的 相對較低電壓以用於通用線路應用。然而應當理解，對於僅在歐洲線 路要求下工作的應用，優選的為接近於在120V至130伏之間工作的
大容量電容器電壓。這些電壓範圍可以提供可接受的導通角以及高達數百瓦特範圍內的相關功率因數校正。可替換地，可以提供PFC級 的配置和實施例替代降壓變換器，但是降壓變換器能夠以簡單並且高 效的方式工作而不需要進一步的PFC電路，其被認為是特別優選的。在本發明的進一步實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 按照倒置方式配置了降壓變換器，具有參考接地(ground-referenced) 的驅動和參考接地的電流檢測。這樣通過消除對高位電流檢測和/或 高位驅動的需求而大大節省了變換器的成本。在本發明的一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 進一步提供了輔助電容器以進行保持增強。通過輔助電容器，可以提 供良好的AC/DC變換器的保持增強。因此，AC/DC變換器的輸出可 以在去除AC輸入電源之後一定時間內保持調節。這在掉電等的情況 下特別優選。可以預想，輔助電容器可以使用降壓變換器的降壓電感 上的次級繞組而充電或者可替換地可以使用從備用電路獲取的充電 電流進行充電。不管哪種方式，對於通過這種方式實現的降壓預調節 級的保持增強均是優選的。在本發明的另一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 控制器在突發模式或者連續模式中使用取決於負載電流的適當的控 制算法而操作降壓預調節器。通過使用所述AC/DC電源變換器的配 置，可以按照連續方式操作降壓預調節器而不會違背閒置功率準則。 這樣具有提供準調節輸入給備用電路的優點，直接的結果就是遠遠更 加高效。在本發明的進一步實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 降壓變換器供給電容器，並且其中提供了輔助升壓變換器以放大大容 量電容器電壓。可替換地，可以提供回掃變換器(fly-backconverter) 以放大大容量電容器電壓。在本發明的一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 雙端變換器輸入級包括半橋。這被認為是AC/DC變換器的特別簡單 並且高效的構造，從而提供魯棒性並且製造相對低廉。作為半橋的一 種替換實施例，可以使用具有適當修改的全橋或者推挽變換器。
在本發明的另一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 變壓器輸出級進一步包括一對輸出同步整流器。可以預想，這些輸出 同步整流器使用來自變壓器的繞組而自驅動。通過這種方式配置的所 述一對自驅動同步整流器，自驅動同步整流器可以被操作為使得所述 級按照對稱方式在基本滿的佔空比中被操作。這樣，控制脈衝可以交 替提供給自驅動同步整流器，並且允許對多數佔空比保持零電壓切 換，並且還允許同步整流器在多數佔空比期間保持導通。通過在低負 載工作情況下相對適度的突發速率，還可以實現最低待機功耗。因此， 通過按照這種方式結合突發模式控制和同步整流器，可以實現較低的 空載功耗，並且在高負載情況下實現高效率。在本發明的進一步實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 提供了鉗位電路以防止繞組中導致輸出同步整流器的寄生導通的自 然環流(natural ringing)。優選地，所述鉗位電路可以通過DC變壓 器的繞組上的開關的方式而提供。這還可以在需要時作為輔助電源使 用。所述鉗位電路是使用一對二極體實現的。在本發明的一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 提供了輸出電感，其值被選擇以確定設備中的電流是連續還是不連續 的。通過選擇適當的輸出電感，可以實現變壓器操作的所需模式。在本發明的另一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 所述變壓器比率被選擇為使得第二級變換器在該級的輸入電壓的底 部級別處工作於近乎連續的佔空比，並且在該級的輸入電壓的更高級 別下去除脈衝集合。在本發明的進一步實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 進一步提供了過流鎖定。通過過流鎖定，提供了 AC/DC變換器的附 加過流保護，並且為所提供的快速電流限制保護提供備用。這種較慢 的過流鎖定能夠消除與同步整流器的體二極體中的損耗相關的困難 (這種功耗在某些工作情況下可能過大)，並且允許改進對變換器的 控制。在本發明的一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器，其中， 進一步提供了飛輪(free-wheeling)同步整流器，並且所述控制器產 生消隱信號以產生所述飛輪同步整流器的負載相關的驅動信號。在某 些重負載條件下，這樣可以提供改進的效率。在本發明的另一個實施例中，使用共振產生的脈衝序列操作控制 器。可替換地，所述控制器可以使用脈衝指引技術而被操作。在本發明的進一步實施例中，提供了 AC/DC變換器的變壓器， 包括主繞組，主鉗位繞組，次級電源繞組以及驅動繞組。通過所述變 壓器設計，可以提供單個變壓器，能夠為電路的完整操作提供足夠的 繞組。所述變壓器可以為同步輸出整流器以及變壓器輸出級的功率繞 組提供驅動繞組。而且，所述變壓器能夠提供鉗位繞組以防止輸出同 步整流器中的環流。因此，提供了一種非常緊湊的變壓器配置，其相 對經濟並且製造成本低廉。可以預想，所述變壓器可以在需要時進一 步提供附加變壓器主繞組。可以預想，在某些實施例中，可以不需要輸出同步整流器的單獨 驅動繞組並且可以直接從電源繞組驅動同步整流器。在此情況下，可以提供AC/DC變換器的變壓器，包括主繞組，主鉗位繞組和次級電 源繞組。在本發明的一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器的變壓器， 其中，所述主鉗位繞組進一步包括雙功能主輔偏置電源繞組和鉗位主 繞組。由於附加主鉗位繞組可以在需要時作為主級輔助偏置電源繞組 工作，從而消除對變壓器上過多數量繞組的需要，這被認為是非常有 用的。從而可以進一步幫助保持所述變壓器儘可能的緊湊。在本發明的另一個實施例中，提供了一種AC/DC變換器的變壓 器，其中，提供了主繞組， 一對雙功能主輔偏置電源繞組和鉗位主繞 組， 一對次級電源繞組和--對驅動繞組。這樣，所述變壓器總共具有 七個繞組。在需要時可以提供進一步的附加主繞組。具有一對輔助偏 置電源/鉗位繞組、 一對驅動繞組以及一對電源繞組的變壓器可以為 AC/DC變換器設計提供出色的變壓器設計。所述變壓器非常緊湊並 且使用高效，且允許AC/DC變換器的靈活操作。


通過下面的對本發明某些實施例的描述，可以更加清楚地理解本 發明，以下描述僅是參考附圖的示例，其中圖1為根據本發明的AC/DC變換器的圖示；圖2為根據本發明的AC/DC變換器的可替換變壓器級的圖示；以及圖3為根據本發明使用的脈衝集合的圖示。
具體實施方式
參考附圖，並且首先參考圖1，其顯示了 AC/DC變換器，總體 由參考數字I表示，包括變換器輸入3和變換器輸出5，預調節級7， 包括變壓器輸入級11和變壓器輸出級13的DC變壓器級9，以及控 制器17。變壓器輸入級11進一步包括雙端變換器輸入級15，並且控 制器17提供控制信號給雙端變換器輸入級15。控制器17進一步包 括反饋光耦合器19。控制器17 —旦檢測到AC/DC輸出電壓5大於 預定輸出電壓設定點或者一旦檢測到存在過流情況則可以從控制信 號去除脈衝集合。控制器17進一步包括隔離級控制21，其中包括與 光耦合器電路19結合的電流檢測信號電路23和鉗位電路25。控制 器17還包括降壓控制27，具有電壓檢測輸入29，電流檢測輸入31 以及供給預調節級7的預調節器控制信號33。所述預調節級進一步包括降壓變換器，其中包括降壓輸入電容器 35，降壓二極體37,降壓電感39,以及降壓開關41。所述降壓變換 器供給大容量電容器43。所述降壓變換器配置為倒置方式，具有接 地參考驅動和接地參考電流檢測。所述降壓變換器進一步為AC/DC 變換器提供功率因數校正(PFC)功能或者級。提供了輔助電容器(未 顯示)以實現電路的保持增強，並且在輸入失敗的情況下可以連接到 輸入線路。輔助電容器(未顯示)使用降壓電感39上的次級繞組(未 顯示)充電或者可替換地從備用電路45被提供充電電流。AC/DC變 換器進一步包括輸入濾波器47，輸入橋49，差分電路51，以及輸出 電容器53。
雙端變換器輸入級15進一步包括半橋，其中包括一對場效應電晶體(FET) 55、 57，分別為二者提供驅動繞組59、 61。雙端變換器 輸入級15進一步包括變壓器主繞組63，電流檢測繞組65，以及一對 電容器67、 69。變壓器輸出級13進一步包括一對自驅動輸出同步整 流器7、73, 二者分別提供了驅動繞組75、 77以及電源繞組76、 78。 變壓器輸出級13進一步包括輸出電感79。進一步提供了電壓鉗位81 。鉗位電路25防止導致輸出同步整流器71、 73的寄生導通的自然 環流。鉗位電路25進一步包括一對二極體26、 28、主變壓器的--對 輔助繞組30、 32、電晶體34。隔離級控制21進一步包括門驅動繞組 36和電流檢測繞組38。變壓器總共包括七個繞組主繞組63，輔助 繞組30、 32，驅動繞組75、 77，以及電源繞組76、 78。在使用中，控制器17提供控制信號給雙端變換器輸入級15。控 制器17使用突發模式控制操作並且控制信號進--步包括脈衝集合， 所述脈衝集合提供雙端變換器15中的零淨磁化電流。使用滯後控制 器19，控制器17能夠在檢測到AC/DC變換器輸出電壓高於預定輸 出電壓設定點或者檢測到存在過流情況時從控制信號去除脈衝集合。現在參考圖2，其中顯示了在本發明中使用的DC變壓器的可替 換實施例的更加詳細的圖示，其中和前圖相比，相同部件具有相同的 參考數字。DC變壓器級包括雙端變換器輸入級15,其中包括具有一 對自驅動FET55、 57的半橋級， 一對電容器67、 69，以及主繞組63。 變壓器輸出級13包括一對輸出同步整流器71、 73，其分別具有驅動 繞組75、 77。進一步提供了輸出電感79和輸出電容器53。變壓器輸 出級進一步包括多個電源繞組91、 93、 95和97。在使用中，大容量電容器(未顯示)兩端的電壓被存儲在電容器 67、 69中，並且主FET55、 57按照所需方式切換。主側的控制使得 級按照對稱方式在基本完整佔空比中運行。控制是通過去除控制脈衝 集合而實現的。這是整體周期控制的--種形式，允許在大部分佔空比 中保持零電壓切換，並且允許同步整流器在多數佔空比中保持"導 通"。因此，在輕負載情況下，脈衝速率可以非常適度，從而導致最 低功率要求和較低的待機功耗。
在輕負載下的突發模式工作期間，脈衝需要使得突發周期中的淨 磁化電流貢獻為零。這樣，半橋使用自驅動同步整流器按照整體周期方式切換。輸出電感79的值將確定半橋級是否工作於連續或者不連 續模式。通過更大的電感來提供連續操作，並且通過更小的電感來提 供不連續操作。通過半橋的整體周期操作，可以隨著自驅動同步整流 器操作保持零電壓切換(ZVS)操作，這將促進降低低電壓下的待機 功耗。在圖2所示實施例中，設備的所需輸出為12V。因此，繞組95 的點端大約為+13V。當繞組95的點端為+13V時，繞組97的非點端 為-13V。同步整流器71將導通並且同步整流器73將關閉。當繞組 95的點端為-13V時，繞組97的非點端為+13V並且同步整流器73 將導通而同步整流器71將關閉。在任何情況下，同步整流器的操作 對於本領域技術人員而言均是顯見的。參考圖3，其中顯示了適合於通過控制器17在AC/DC變換器中 應用的脈衝集合。脈衝集合包括正電源供給的四分之一周期101，緊 跟負電源供給的半周期103，以及緊跟正電源供給的另一個四分之-一 周期105。這種脈衝集合將提供零淨磁化電流並且因此不會導致變換 器操作的不平衡。這些脈衝集合可以使用適當邏輯與其他脈衝集合連 接以最小化假信號，從而提供受控波形。然後可以使用滯後控制方法 以在適當時候從控制波形中去除脈衝集合。當脈衝集合被去除時，輸 出同步整流器71、 73關斷並且沒有施加電壓，輸出電感電流79通過 輸出同步整流器71、 73的體二極體(未顯示)被放電。鉗位電路81 防止繞組中的環流，從而防止導致同步整流器7K 73的寄生導通。 該鉗位電路實際上是使用變壓器繞組上的較小的開關而實現的，該繞 組在需要時可以作為輔助電源使用。除了所示波形之外，還可以提供 具有相反極性的波形，即負電源供給的四分之一周期，緊跟正電源供 給的半周期，緊跟負電源供給的另一個四分之一周期。這些被認為是 提供基本上零淨磁化電流的非常簡單的波形，並且可以與類似波形比 較以提供控制信號。可替換地，可以設計通過提供基本上零淨磁化電 流按照基本相同方式工作的更加複雜的波形並且在AC/DC變換器的
控制器中使用。如果不使用滯後控制方法，同樣也可以實現更加複雜的控制器布 置。通過這種高頻信號，控制信號可以通過控制器有效的鍵控導通或 者關斷。因此，可以提供脈衝寬度調製(PWM)控制器，其可以使 用模擬或者數位技術來實現。該控制器可以確定提供給電路的脈衝串 的長度。脈衝寬度調製(PWM)控制器的工作頻率可以通常為小於 輸入功率切換級的工作頻率的數量級，並且在此情況下邏輯設置為提 供具有正確特性的離散脈衝集合以確保輸入驅動電路的平衡。而且， 該方法還可以應用到寬範圍的脈衝波形。特別地，優選地可以使用限 制同步整流器體二極體電流並且非常適合於較高頻率操作的共振產 生的脈衝序列和脈衝指引技術。當使用滯後或者脈衝寬度調製控制方 法時，本質上在各個脈衝集合的開始時間確定是否執行脈衝集合。脈 衝集合僅在電壓低於輸出設定點並且沒有檢測到過流情況時被執行。 通常適合於通過較慢的過流鎖定來支持這種快速電流限制以解決同 步整流器的體二極體的功耗問題，該功耗在這種條件下可能過大。釆 用基於脈衝集合的電流限制的方法還允許快速並且單調的啟動。隨著 這種變換器可能產生的一個問題是脈衝集合的去除在輸出電容器上引入的紋波的情況下可能過長。例如，在工作於125KHz的磁化頻率 的變換器的情況下，去除8ws的周期可能被認為過長。該問題通過 在每次去除脈衝的情況下去除交替極性的脈衝集合而解決。不管待去除的脈衝集合如何，存在飛輪周期中管理電感電流的問 題。如上所述，電感電流將循環通過輸出同步整流器的體二極體。通 過最優設計情況下的通常5%的峰峰電壓，有效佔空比對於脈衝去除 與導通周期的比值而言可以為97.5%，並且使用控制同步整流器優化 該方法進行切換可能不能證實。如果存在該問題，控制電路可以很容 易的產生消隱信號，其可以被用於產生飛輪同步整流器的驅動信號。 作為實際問題，優選地可以將飛輪同步整流器的增強限制在較重負載 的情況，否則隨著逆功率流會產生問題。在所述實施例中，使用了降壓變換器作為預調節器級，並且更加 具體的說，作為功率因數校正(PFC)預調節級。所述降壓變換器在 大容量電容器的兩端施加電壓，該電壓通過在多數情況下為主電源的 線電壓而轉換得到。所述降壓變換器實現為倒置方式，提供接地參考 驅動和接地參考電流檢測。可以提供輔助電容器以提供降壓級的保持 增強，從而輸出可以在去除AC輸入電源之後在一定時間內保持調節。 然而，公知的是能量存儲的容積效率和具有較低額定電壓即在低於200V的區域內的電容器比工作於傳統通用線路應用即通常為400或 者450V額定部件的電容器更差。因此，輔助電容器可以使用降壓電 感39上的次級繞組被頻繁充電或者可以使用待機電源電路45提供充 電電流。當輸入線電壓下降至低於確保輸出調節(理想的通過--定的 緩衝區域，從而輸出電壓不受影響)的可接受級別時，保持增強電容 器可以連接到輸入並且替代輸入電壓以給出所需的保持性能。降壓變換器在主線路電源的輸入電壓低於大容量電容器能量存 儲設備兩端的電壓的條件下不能從主線路獲取功率，導致不連續的電 流獲取。這可以通過使用輔助升壓或者回掃變換器而放大。大容量電 容器電壓通常介於60V至90V之間。更低的限制提高了導通角，並 且因此提供對正弦電流的更大近似，但是以提高切換設備上的壓力為 代價。高值將限制導通角，這在功率級別上升時可能成為問題。可以 使用梯形波形，可以提供高達數百瓦特的良好的功率因數校正，並且 使用截斷正弦可以提供更高功率下的更佳性能。因此降壓級的輸出在 通常的線路應用情況下包括通常在60V至卯V之間的DC電壓，其 上疊加了在滿負載下依賴於相對電容器值的通常為5%峰峰值的紋波 電壓。PFC降壓預調節器級的配置的一個很大優點是降壓級還可以在 突發模式中連續保持導通而不需要違背空載功率準則。待機電源可以 遠遠更加高效，因為它們現在工作於準調節輸入。這在迄今為止通過 AC/DC電源變換器的現有設計是不可能的。通過AC/DC變換器可以使用的另一種方法是使用整流後的AC 線電壓以產生降壓PFC級控制器參考信號而不是固定dc參考信號。 通過AC線電壓產生的參考可以被適當縮小，鉗位並且在某些情況下 被從零偏置以允許輸入電流波形編程跟隨所需的梯形程序，從而提供 較低的諧波內容，較高的功率因數校正以及很低的降壓功率因數校正
級電流壓力。而且，在降壓pfc級最大佔空比被限制於小於100%的 級別的實現中，這樣可以幫助確保誤差放大器(未顯示)在AC線電 壓交叉點處不會飽和。這樣可以證明高度優選的，特別是在較高的功 率級別下，其中前導邊緣線電流瞬態可能導致導通EMC問題。AC/DC電源變換器的一個挑戰是提供高度有效的變換器。公知 的是最高效類型的變換器通常是最佳利用切換設備和磁性元件的變 換器。在工業標準脈衝變換器中已經使用的一種方法被稱為DC變壓 器，通常具有雙端輸入級，最通常的是在各個級中接近50%的佔空 比工作的半橋，具有較小的死區時間或者較小的重疊，這依賴於是否 為相應的電壓供給或者電流供給級。變壓器次級可以使用整流元件的 全橋、電流倍增器類型部分或者中心抽頭布置。該配置還使得較容易 從變壓器繞組直接獲得同步整流器。可以實現過渡上的共振測量，從 而降低很大部分的工作範圍上的切換損耗。主級和次級之間的漏電感 還可以有助於降低同步整流器的體二極體中的逆恢復電流。然而，這 種級通過最小控制工作並且提供輸入和輸出電壓之間通常固定的比 率。降壓電容器上的紋波在輸出電壓上複製。這種設計進一步具有有 限能力以處理短路情況以及其他出錯情況。最後，這種變換器在所有 時間中"導通"並且因此空載切換損耗或者磁芯損耗可能變得很大， 從而導致很難滿足與空載功率相關的要求。所以，儘管提供了高效率 的變換器，該變換器的缺陷在於很高的空載功耗。通過如上所述在突發模式方式中通過確保零淨磁化電流的脈衝 序列操作該級可以克服這些困難。這可以通過仔細選擇產生基本沒有 或者最小的淨磁化電流的脈衝集合而實現，並且該脈衝集合還可以與 其他脈衝集合連接以提供控制信號並且進一步允許去除脈衝集合以 便於控制。可以設計提供最小級別的淨磁化電流的脈衝序列，從而使 得半橋電容器中的不平衡的最大級別小於輸入電壓的10%，或者在 設置推挽或者全橋變壓器實現的情況下產生低於飽和限制的淨磁化 電流。這可以提供足夠的電路控制級別。在本發明的另一個方面中，DC變壓器控制電路駐留在變壓器的 次級側。在本文中，DC變壓器控制電路被描述為在主級側，但這並
非是一定的。可以通過該控制提供門級驅動信號給適當耦合在隔離勢 壘兩端的主級側開關。這可以通過使用單獨的門驅動變壓器以將驅動 信號從次級控制電路發送到主級開關的門而實現。可替換地，門信號 可以通過高速光耦合器或者其他裝置而傳送。在本文中，還公開了獨特的變壓器構造，其結合AC/DC變換器使用，其中包括主繞組， 一對次級驅動繞組，--對次級電源繞組，以 及一對主鉗位繞組。在需要時還可以提供其他主繞組。通過這種變壓器，AC/DC變換器所需的繞組可以通過單個變壓器以緊湊方式提供, 從而節省電路上的空間並且降低構造包括所述裝置的主板所花費的 時間。最後，可以理解，雙端變換器輸入級可以包括半橋或者全橋或者 可替換地可以包括推挽變換器。變壓器比率可以被仔細選擇，從而 AC/DC變換器1在該級的輸入電壓的底部級別處工作於近乎連續的 佔空比，並且通過更高級別的輸入電壓去除脈衝集合。在本文中，術語"包括和包含"被認為是可以互換的，並且應當 具有儘可能廣泛的解釋。本發明並不受限上述實施例，並且在權利要求的範圍內，在構造 和細節方面均可以變化。
權利要求
1.一種AC/DC變換器(1)，包括變換器輸入(3)、變換器輸出(5)、預調節級(7)和包括變壓器輸入級(11)和變壓器輸出級(13)的DC變壓器級(9)，所述變壓器輸入級(11)進一步包括雙端變換器輸入級(15)以及用於提供控制信號給所述雙端變換器輸入級的控制器(17)，其特徵在於所述控制器(17)使用突發模式控制進行操作，並且所述控制信號進一步包括在所述雙端變換器(15)中提供基本為零的淨磁化電流的脈衝集合。
2. 根據權利要求l所述的AC/DC變換器(1)，其中，所述控制 器(17)進一步包括滯後控制器(19)，所述滯後控制器(19) 一旦 檢測到所述AC/DC變換器輸出電壓高於預定輸出電壓設定點或者檢 測到存在過流情況，就從所述控制信號中去除脈衝集合。
3. 根據權利要求l所述的AC/DC變換器(1)，其中，所述控制 器(17)進一步包括脈衝寬度調製器(PWM)控制器，所述脈衝寬 度調製器(PWM)控制器具有確定包括所述控制信號的PWM周期 內的脈衝集合數量以確定所述控制信號的長度的模塊。
4. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(1 )，其中， 所述脈衝集合包括一個極性的四分之一周期，其後跟隨相反極性的半 個周期，其後跟隨所述第一極性的另一個四分之一周期。
5. 根據權利要求4所述的AC/DC變換器(1)，其中，所述脈衝 集合包括正極性的四分之一周期，其後跟隨負極性的半周期，其後跟 隨正極性的另一個四分之一周期。
6. 根據權利要求2至5中任何一項權利要求所述的AC/DC變換 器(1)，其中，在每次發生脈衝集合被去除的情況下去除交替極性的 脈衝集合。
7. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(O，其中， 使用降壓變換器(35， 37， 39， 41)實現所述預調節級(7)。
8. 根據權利要求7所述的AC/DC變換器(1)，其中，所述降壓 變換器預調節級(7)進一步作為功率因數校正(PFC)級。
9. 根據權利要求7或者8所述的AC/DC變換器(1)，其中，按 照倒置方式配置所述降壓變換器，提供了接地參考的驅動和接地參考 的電流檢測。
10. 根據權利要求7至9中任何一項權利要求所述的AC/DC變 換器(1)，其中，進一步提供了輔助電容器以保持增強。
11. 根據權利要求10所述的AC/DC變換器(1)，其中，所述輔 助電容器使用所述降壓變換器(35, 37, 39， 41)的降壓電感(39) 上的輔助繞組來充電。
12. 根據權利要求10所述的AC/DC變換器(1)，其中，提供了 備用電路(45)，所述備用電路(45)提供充電電流以對所述輔助電 容器進行充電。
13. 根據權利要求4至12中任何一項權利要求所述的AC/DC變 換器U)，其中，所述控制器(17)在突發模式或者連續模式中使用 取決於所述負載電流的適當的控制算法來操作所述降壓預調節器(7)。
14. 根據權利要求4至13中任何一項權利要求所述的AC/DC變 換器(1)，其中，所述降壓變換器(35， 37， 39， 41)供給大容量電 容器(43)，以及其中，提供了輔助升壓變換器以放大所述大容量電 容器(43)電壓。
15. 根據權利要求4至13中任何一項權利要求所述的AC/DC變 換器(1)，其中，所述降壓變換器(35， 37, 39， 41)供給大容量電 容器(43)，以及其中，提供了回掃變換器以放大所述大容量電容器(43)的電壓。
16. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(1)，其 中，所述雙端變換器(15)輸入級進一步包括半橋。
17. 根據權利要求1至15中任何一項權利要求所述的AC/DC變 換器(l)，其中，所述雙端變換器(15)輸入級進一步包括全橋。
18. 根據權利要求1至15中任何一項權利要求所述的AC/DC變 換器(1)，其中，所述雙端變換器(15)輸入級進一步包括推挽變換 器。
19. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(1)，其 中，所述變壓器輸出級進一步包括一對輸出同步整流器(71， 73)。
20. 根據權利要求19所述的AC/DC變換器(1),其中，所述輸 出同步整流器(71， 73)使用所述變壓器(9)的繞組(75, 77)而 自驅動。
21. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(1)，其 中，提供了鉗位電路(81)以防止所述繞組(75， 77)中導致所述輸 出同步整流器(71， 73)的寄生導通的自然環流。
22. 根據權利要求20所述的AC/DC變換器(1)，其中，所述鉗 位電路(81)是通過所述DC變壓器(9)的繞組上的開關而提供的。
23. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器，其 中，提供了輸出電感(79)，選擇所述輸出電感(79)的值以確定設 備中的所述電流是連續的還是不連續的。
24. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(1)，其 中，選擇所述變壓器比率，以使得所述第二級變換器(1)在輸入電 壓的底部級別處工作於近乎連續的佔空比，並且在輸入電壓的更高級 別處去除脈衝集合。
25. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(O，其 中，進一步提供了過流鎖定。
26. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器，其 中，進一步提供了飛輪同步整流器，以及所述控制器(17)產生消隱 信號，以產生所述飛輪同步整流器的依賴於負載的驅動信號。
27. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器，其 中，使用共振產生的脈衝序列來操作所述控制器。
28. 根據前述任何一項權利要求所述的AC/DC變換器(1)，其 中，使用脈衝指引技術來操作所述控制器。
29. —種AC/DC變換器的變壓器，包括主繞組、主鉗位繞組和 次級電源繞組。
30. 根據權利要求29所述的AC/DC變換器的變壓器，其中，所 述變壓器進一步包括驅動繞組。
31. 根據權利要求29或者30所述的AC/DC變換器的變壓器， 其中，所述主鉗位繞組進一步包括雙功能主輔偏置電源繞組和鉗位主 繞組。
32. 根據權利要求30或者31所述的AC/DC變換器的變壓器， 其中，提供了主繞組、--對雙功能主輔偏置電源繞組和鉗位主繞組， 一對次級電源繞組和一對驅動繞組。
全文摘要
本發明涉及一種AC/DC變換器(1)，包括變換器輸入(3)、變換器輸出(5)、預調節級(7)和包括變壓器輸入級(11)和變壓器輸出級(13)的DC變壓器級(9)。所述變壓器輸入級包括雙端變換器，並且進一步提供了控制器(17)用於提供控制信號給所述雙端變換器。所述控制器(17)使用突發模式控制並且通過發送控制信號來操作所述AC/DC變換器，所述控制信號包括設計為在所述雙端變換器中提供基本為零的淨磁化電流的脈衝集合。所述預調節級優選地包括降壓變換器，所述降壓變換器還向AC/DC變換器的輸入提供功率因數校正。
文檔編號H02M3/337GK101120501SQ200580043643
公開日2008年2月6日 申請日期2005年10月27日 優先權日2004年10月27日
發明者A·B·基奧, G·揚, G·湯姆林斯 申請人:康默吉技術有限公司