耦合電感器直流降壓轉換器的製造方法
2023-05-18 16:26:56
耦合電感器直流降壓轉換器的製造方法
【專利摘要】一種降壓功率轉換器，包括開關、電感器、二極體、電容器以及磁耦合到電感器的線圈。二極體、電感器和電容器串聯耦接，並且電晶體、耦合線圈以及電容器被串聯地耦接。在電容器的兩端提供輸出電壓Vout。當開關導通時，能量從輸入電源電壓轉移到耦接到電容器兩端的負載，並且電流流過耦合線圈並且由此在線圈中存儲能量。當開關關斷時，沒有電流流過耦合線圈，但是存儲在線圈中的能量在磁耦合的電感器中感應出電流，由此將能量從線圈傳遞到負載。
【專利說明】耦合電感器直流降壓轉換器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本專利申請要求於2013年3月15日提交的序列號為61 / 798，836的、題目為「LASER MEASUREMENT SYSTEM AND METHOD IN A CNC MACHINE (在 CNC 機器中的雷射測量系統及其方法)」的共同待決美國臨時申請的優先權。通過引用，將序列號為61 / 798，836的美國臨時申請的全部內容合併於此。
【技術領域】
[0003]本發明一般涉及功率轉換器領域。更加具體地，本發明涉及具有增加的效率的新型功率轉換器架構。
【背景技術】
[0004]多年來已經研發出多種功率轉換器拓撲結構，其試圖改善功率轉換器的功率密度以及開關效率。新型轉換器拓撲結構的新興關注點在於提供用於減小或者消除轉換器開關損耗、同時增加開關頻率的機制。更低的損耗和更聞的開關頻率意味著更加聞效的轉換器，其可以減小轉換器組件的大小和重量。此外，隨著例如由脈寬調製(PWM)來操作的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)開關的高速複合半導體開關的引入，最近的正反激(forward and flyback)拓撲結構現在可以以極大增加的開關頻率來進行操作,諸如,例如，高達1.0MHz的頻率。
[0005]然而，由於半導體開關以高電壓和/或高電流水平來進行快速的開/關切換，開關頻率的增加可能會導致與開關和組件應力相關的損耗的相應增加，以及增加的電磁幹擾(EMI)、噪聲和切換通信問題。此外，現代電子組件被期望來執行多種功能，例如，期望其提供用於可變升壓或者降壓電壓變換的功能。
[0006]不同種類的功率轉換器拓撲結構可以被廣泛用在各種應用中。發光二級管(LED)技術正在被用在從未被如此擴展的應用中。為了實現LED發光，需要高效LED驅動器來獲取從線電壓到應用於LED燈泡發光的負載電壓的整體功率轉換。功率轉換器的常用功能被提供用於將輸出或者「負載」電壓與輸入或者「源」電壓隔離。然而，這種隔離導致減小的功率轉換效率和成本增加。在LED燈泡發光應用中，可以通過使用燈泡蓋來實現安全隔離，從而消除了對於在LED驅動器電路中隔離的需要。當前，降壓轉換器、非隔離反向激轉換器、以及升降壓型轉換器是很普遍的，在LED燈泡發光系統的LED驅動器電路中使用非隔離轉換器電路。然而，當在其中高交流(AC)線電壓被轉換為例如小於1V的低輸出電壓的應用中、如LED燈泡發光應用中使用時，這種LED驅動器電路將受到功率轉換低效的影響。
[0007]圖1示出了傳統的降壓電壓轉換器。轉換器10包括電晶體Q1、電感器L1、電容器Cl以及二極體D1。到電路的輸入電壓可以是在整流和濾波之後從AC電源中獲得的未調節直流(DC)電壓。電晶體Ql是快速開關器件，例如M0SFET，其的開關通過快速動態控制器(未示出)來控制以維持所需要的輸出電壓Vout。在操作中，電晶體Ql和二極體Dl在將電感器LI連接到電壓源Vin以在電感器LI中存儲能量與將電感器LI與電壓源Vin斷開以將在電感器中存儲的能量釋放到耦接到輸出處的負載之間進行交替。
[0008]當電晶體Ql導通時，電流從電壓源Vin通過電晶體Ql和電感器LI流到電容器Cl以及耦接到輸出處的負載。當電晶體Ql導通時，電感器L兩端的電壓VL為VL=Vin-Vout。通過電感器L的電流線性地上升。二極體Dl被電壓源Vin反向偏置，並且因此沒有電流流過它。在該時間段期間，電感器LI正以磁場的形式來存儲能量。當電晶體Ql關斷時，電壓源Vin被從電路中移除，並且電感器LI充當電壓源，其中，電流從電感器LI流向電容器Cl以及負載和正向偏置的二極體D1。在該時間段期間，電感器LI將其存儲的能量放電到電路中。電容器Cl用於當電感器LI在每個周期中充電和放電時平滑輸出的電壓波形。
[0009]圖2示出了低端(low-side)驅動的傳統降壓電壓轉換器。除了電晶體Q2位於電路的低端而不是如電晶體Ql那樣在高端(high-side)之外，圖2中所示的降壓電壓轉換器與圖1中的降壓電壓轉換器相同。在低端配置電晶體簡化了驅動器電路，因為電晶體的源極引腳被連接到地。相反，當如圖1所示地在高端配置電晶體時，高端的電晶體的源極是浮置的。具有低端MOSFET的降壓電路的輸出是浮置的，因此，其僅僅適合用於在輸入側和輸出側不需要公共地的應用。
[0010]降壓轉換器的效率受到輸入電壓與輸出電壓的比率的限制。更高的電壓比率導致更低的效率。在小於1V的低輸出電壓的情況下，續流二極體兩端的正向電壓降大於IV。因此，二極體消耗了總輸出功率的5%到10%，並且導致較差的功率轉換效率。
【發明內容】
[0011]降壓功率轉換器的實施例包括開關、電感器、二極體、電容器以及磁耦合到電感器的線圈。功率轉換器接收整流的AC電壓來作為輸入。在一些實施例中，整流的AC電壓是整流的AC線電壓。開關的佔空比通過耦接到開關的控制器來控制。在一些實施例中，開關是電晶體。二極體、電感器以及電容器被串聯耦接，並且電晶體、耦合線圈以及電容器被串聯耦接。在電容器的兩端提供輸出電壓Vout。當開關導通時，能量從輸入電源電壓轉移到耦接到電容器兩端的負載，並且電流流過耦合線圈並由此在線圈中存儲能量。當開關關斷時，電流不流過耦合線圈，但是存儲在線圈中的能量在磁耦合的電感器中感應出電流，由此將能量從線圈傳遞到負載。功率轉換器為將高AC線輸入電壓轉換為低輸出電壓、例如小於1V的輸出電壓的那些應用提供了改善的效率。
[0012]在一方面，公開了一種用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的功率轉換器電路。所述功率轉換器包括:二極體、第一電感器、輸出電容器、第二電感器以及開關。第一電感器被與二極體串聯連接。輸出電容器被耦接到輸入電源電壓，並且被並聯耦接到串聯耦接的二極體和第一電感器。輸出電壓是電容器兩端的電壓。第二電感器被串聯地耦接到電容器。第二電感器被磁耦接到第一電感器。開關被串聯耦接到第二電感器以及輸入電源電壓。
[0013]在一些實施例中，功率轉換器電路被配置為當開關導通時，將能量從輸入電源電壓轉移到耦接到電容器的負載，並且將能量存儲在第二電感器中。在一些實施例中，功率轉換器被配置為當開關關斷時，將能量從第二電感器轉移到耦接到電容器的負載。在一些實施例中，當開關被導通時，二極體被反相偏置，並且沒有電流流過串聯耦接的第一電感器。在這種情況下，當開關被導通時，通過第二電感器的電流可以線性地上升到峰值。在一些實施例中，當開關被關斷時，二極體被正向偏置，並且電流流過串聯耦接的第一電感器。在這種情況下，當開關被關斷時，通過第一電感器的電流可以線性地下降。在一些實施例中，二極體的陰極被耦接到輸入電源電壓的高端，並且耦接到電容器的第一端，二極體的陽極被耦接到第一電感器的第一端，並且第一電感器的第二端被耦接到電容器的第二端。在一些實施例中，第二電感器的第一端被耦接到開關，並且第二電感器的第二端被耦接到電容器的第二端。在一些實施例中，開關被耦接到輸入電源電壓的低端。在一些實施例中，開關包括電晶體。在一些實施例中，功率轉換器還包括耦接到開關的控制器。
[0014]在另一方面，公開了另一種功率轉換器電路。所述功率轉換器電路包括:降壓型轉換器、線圈和開關。降壓型轉換器包括:二極體、電容器以及電感器，其中，降壓型轉換器被耦接到輸入電源電壓，並且在電容器的兩端提供降壓輸出電壓。線圈被串聯耦接到電容器，並且磁耦合到電感器。開關被串聯耦接到耦合線圈和輸入電源電壓的低端。在一些實施例中，功率轉換器還可以包括耦接到開關以將開關導通和關斷的控制器，其中，功率轉換器電路被配置為使得當開關導通時電流流過線圈而不流過電感器，由此在線圈中存儲能量，並且將能量從輸入電源電壓傳遞到耦接到電容器的負載，並且使得當開關關斷時電流流過電感器而不流過線圈，由此在線圈中存儲的能量在電感器中感應電流，從而將能量從線圈傳遞到耦接到電容器的負載。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]參考附圖，對一些示例性實施例進行描述，其中，相同的組件被提供有相同的參考標號。示例性實施例用於示例本發明，而不是限制本發明。附圖包括以下的視圖:
[0016]圖1示出了傳統的降壓電壓轉換器。
[0017]圖2示出了低端驅動的傳統降壓電壓轉換器。
[0018]圖3示出了根據實施例的功率轉換器。
【具體實施方式】
[0019]本發明的實施例涉及功率轉換器。本領域的普通技術人員應該認識到功率轉換器的以下詳細描述僅僅是示例性的，並且其不用於任何方式的限制。功率轉換器的其他實施例對於從本公開獲益的技術人員而言將變得容易理解。
[0020]現在將對如附圖中所示的功率轉換器的實施方式進行詳細的描述。在整個附圖和以下的詳細描述中，相同的參考標識被用於表示相同或者相似的部件。為了清楚，並沒有示出和描述在此描述的實施方式的所有的常規特徵。當然，應該理解，在任何該實際實施方式的研發中，必須進行多個實施方式特定的判定，以實現研發者的特定目標，例如，與應用和業務相關的限制的兼容，並且應該理解，這些特定的目標將根據實施方式而變化，並且根據研發者而變化。此外，應該理解，這樣的研發努力應該是複雜的而且是耗時的，但其仍是從公開獲益的本領域的技術人員在工程學上的例行工作。
[0021]圖3示出了根據實施例的功率轉換器。功率轉換器10被配置為接收未調節的直流(DC)電壓信號來作為輸入電壓Vin，並且提供未調節的輸出電壓Vout。到電路的輸入電壓可以是在整流之後從交流(AC)電源獲取的未調節的DC電壓。通常輸入電壓被濾波，例如，經由電容器濾波。在一些實施例中，輸出電壓電平適合於諸如膝上型計算機、蜂窩式電話機以及其他手提設備的許多低電壓應用。在示例性實施例中，輸出電壓Vout被設置為1V或者更小。或者，功率轉換器10可以提供大於10VDC的輸出電壓Vout。
[0022]功率轉換器10被配置為降壓轉換器。在一些實施例中，功率轉換器被配置為包括降壓型轉換器的屬性。一般地，功率轉換器可以包括本領域技術人員已知的開關模式電源的配置。功率轉換器10包括:二極體12、電容器14、電感器16、開關18、控制器20以及電感器22。二極體12與電感器16串聯耦接，並且該串聯耦接被並聯耦接到電容器14。開關18與電感器22串聯耦接。
[0023]開關18是適當的開關器件。在示例性實施例中，開關18是η型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件。或者，對於本領域技術人員而言已知的任何其他的半導體開關器件都可以用來替代開關18。電晶體18通過控制器20來控制，以獲取需要的輸出電壓Vout。在一些實施例中，控制器20包括脈寬調製(PWM)電路。控制器20利用PWM電路來調節電晶體18的佔空比。
[0024]電感器22磁耦合到電感器16，使得電感器22形成初級線圈，並且電感器16形成變壓器TXl的次級線圈。然而，電感器16的第二端被電耦接到電感器22的第二端。該公共端被耦接到電容器14。如圖3中所示，續流二極體12被耦合到耦合線圈，即電感器22，而不是如在圖2的傳統低端降壓轉換器中那樣耦接到MOSFET Q2的漏極。
[0025]在操作中，當電晶體18導通時，電流從電壓源Vin流過電容器14、電感器22和電晶體18。當電晶體18導通時，電容器14兩端的電壓等於輸出電壓Vout，並且電感器22兩端的電壓近似等於Vin-Vout，其中，在電晶體18兩端的電壓降可以被忽略。流過電感器22的電流以(Vin-Vout) / Lpl的斜率開始線性增加，其中，Lpl是電感器22的電感。當電晶體18導通時，二極體12被反向偏置，並且沒有電流流過二極體12。在這個時間段期間，電感器22以磁場的形式來存儲能量。
[0026]當電晶體18關斷時，電壓源Vin被從電路中移除，並且通過與電感器16的磁耦合，電感器22充當電壓源。在電感器22中存儲的能量通過電感器16而感應出電流，並且感應電流從電感器16流到正向偏置的二極體12以及電容器14。在該時間段期間，電感器22將其存儲的能量放電到電路中。通過電感器16的電流以Vout / Lsl的斜率而線性減小。電容器Cl用於當電感器LI在每個周期中充電和放電時平滑電壓波形。
[0027]二極體12上的電壓應力從Vin減小到(Vin-Vout) / N+Vout，其中，N是電感器22與電感器16的匝數比。二極體12上的正向電壓可以被大大減小。100V 二極體的典型的正向電壓Vf是大約0.7V，而400V 二極體的正向電壓Vf大約是1.5V。對於常規整流為264VAC的AC電壓，其最大值大約是264X 1.414=373.3V。在傳統的降壓轉換器中，二極體反向擊穿電壓必須高於400V。通過使用圖3中的耦合電感器方案，對於二極體12的反向偏置電壓可以減小到低於100V，例如，通過假設N=7且Vout=1V, 373.3 / 7+10=63V。使得能夠使用額定電壓更低的二極體導致二極體12兩端的減小的功率耗散。此外，通過電晶體18的峰值電流從Ipk減小到Ipk / N0峰值電流的減小導致低的RMS電流。考慮到電晶體的Rdson是相同的,利用公式IrmsX IrmsXRdson,電晶體上的功率耗散被大大減小。如果功率耗散保持相同，則可以使用具有更高Rdson的電晶體，這降低了其成本。電晶體18上的傳導損耗同樣也減小。這些因素中的每一個都導致改善的能量轉換效率。此外，因為在半導體上的電壓應力和電力應力相比於傳統的解決方案要小很多，所以可以減小材料成本。
[0028]使用圖3的功率轉換器，二極體功率和電晶體這兩者的功率耗散都被大大減小，並且因此轉換效率得到改善。對於輸出電壓，其可以高於10V。需要折中的是，更高的輸出電壓可能不會得到有如低電壓一樣大的收穫。其原因在於由輸出電壓分壓的二極體電壓降的比率影響了效率。更高的輸出電壓意味著關於能量轉換效率的二極體電壓降的改善變小。
[0029]已經從合併有便於理解功率轉換器的操作和構造的原理的細節的特定實施例的角度描述了本發明。在各個附圖中示出和描述的許多組件可以互換以實現需要的結果，並且該描述應該被理解為包含該種互換。因此，在此對於特定實施例及其細節的描述不用於限制所附權利要求的範圍。對於本領域的技術人員而言顯而易見的是，可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，對被選擇用於示例的實施例進行修改。
【權利要求】
1.一種用於將輸入電壓轉換為輸出電壓的功率轉換器電路，所述功率轉換器包括: a、二極體； b、第一電感器，與二極體串聯耦接； C、輸出電容器，耦接到輸入電源電壓，並且並聯耦接到串聯耦接的二極體和第一電感器，其中所述輸出電壓是電容器兩端的電壓； d、第二電感器，串聯耦接到電容器，其中所述第二電感器磁耦合到第一電感器；以及 e、開關，串聯耦接到第二電感器以及輸入電源電壓。
2.根據權利要求1所述的功率轉換器電路，其中，所述功率轉換器電路被配置為:當開關導通時，將能量從輸入電源電壓轉移到耦接到電容器的負載，並且將能量存儲在第二電感器中。
3.根據權利要求2所述的功率轉換器電路，其中，所述功率轉換器電路被配置為:當開關關斷時，將能量從第二電感器轉移到耦接到電容器的負載。
4.根據權利要求1所述的功率轉換器電路，其中，當開關被導通時，所述二極體被反向偏置，並且沒有電流流過串聯耦接的第一電感器。
5.根據權利要求4所述的功率轉換器電路，其中，當開關被導通時，通過第二電感器的電流線性地上升到峰值。
6.根據權利要求1所述的功率轉換器電路，其中，當開關被關斷時，所述二極體被正向偏置，並且電流流過串聯耦接的第一電感器。
7.根據權利要求6所述的功率轉換器電路，其中，當開關被關斷時，通過第一電感器的電流線性地減小。
8.根據權利要求1所述的功率轉換器電路，其中，所述二極體的陰極被耦接到輸入電源電壓的高端和所述電容器的第一端，所述二極體的陽極被耦接到所述第一電感器的第一端，並且所述第一電感器的第二端被耦接到所述電容器的第二端。
9.根據權利要求8所述的功率轉換器電路，其中，所述第二電感器的第一端被耦接到所述開關，並且所述第二電感器的第二端被耦接到所述電容器的第二端。
10.根據權利要求1所述的功率轉換器電路，其中，所述開關被耦接到輸入電源電壓的低端。
11.根據權利要求1所述的功率轉換器電路，其中，所述開關包括電晶體。
12.根據權利要求1所述的功率轉換器電路，進一步包括耦接到所述開關的控制器。
13.—種功率轉換器電路，包括: a、降壓型轉換器，包括:二極體、電容器以及電感器，其中，所述降壓型轉換器被耦接到輸入電源電壓，並且在電容器兩端提供降壓輸出電壓； b、線圈，被串聯耦接到電容器，並且磁耦合到電感器；以及 c、開關，被串聯耦接到耦合線圈，並且被耦接到輸入電源電壓的低端。
14.根據權利要求13所述的功率轉換器電路，進一步包括:耦接到開關以將開關導通和關斷的控制器，其中，所述功率轉換器電路被配置為:使得當開關導通時電流流過線圈而不流過電感器，由此在線圈中存儲能量，並且將能量從輸入電源電壓傳遞到耦接到電容器的負載；並且使得當開關關斷時電流流過電感器而不流過線圈，由此在線圈中存儲的能量在電感器中感應出電流，從而將能量從線圈傳遞到耦接到電容器的負載。
【文檔編號】H02M3/07GK104052265SQ201410111673
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月17日 優先權日:2013年3月15日
【發明者】W·李 申請人:弗萊克斯電子有限責任公司