電絕緣的ac/dc轉換器的製作方法

2023-10-11 01:20:39

專利名稱：電絕緣的ac/dc轉換器的製作方法
電絕緣的AC/DC轉換器本發明涉及電隔離的交流/直流(AC/DC)轉換器，例如，適用於飛機的配電網絡。
背景技術：
在飛機中，由飛機引擎驅動的交流發電機供電。交流發電機傳送交流電壓，該交流 電壓被轉換成DC電壓以供飛機中的機載電氣設備使用。在其最簡單版本中，藉助於具有連接至交流發電機的初級繞組和連接至與濾波電 容器相關聯的整流橋的次級繞組的變壓器進行轉換。來自整流橋的輸出電壓是全波整流的 正弦波，且電流消耗遭受高級別畸變，這引起了變壓器和交流發電機的效率下降、導體發熱 和引起幹擾的高頻電磁輻射。補救該缺點的一種方式是提供與變壓器的初級電路串聯的濾波。然而，當交流電 壓的頻率可變時該選擇是不適合的，正如對於由噴氣渦輪驅動的交流發電機所發生的那 樣，對於噴氣渦輪，頻率大約在360Hz (赫茲)至800Hz的範圍上變化。還已知利用功率因數校正器(PFC)電路通過強制電路消耗遵循與輸入電壓的波 形相同的波形——即全波整流正弦波——來減少畸變。存在各種不同結構的PFC。在「升壓」類型結構中，電路不具有電隔離，這使得需要將電路與提供該功能的DC/ AC轉換器相關聯。該組件提供相對低的總效率和高的體積和重量水平。在所謂的「反激(flyback) 」類型結構中，電路包括初級和次級繞組沿相反方向繞 制的隔離變壓器。這種類型的PFC電路的操作周期性地導致大量能量存儲在變壓器的磁芯 中。因此需要將大變壓器用於高功率，由此增加電路的重量和體積。在所謂的「前向」類型的結構中，電路也包括隔離變壓器，但初級和次級繞組沿相 同方向繞制。在這種類型的電路中，不可能在全部所得正弦波上使用電流，因此消耗波形與 輸入電壓相同的電流。發明目的本發明的目的是提出一種具有改進性能的轉換器結構。

發明內容
為此，本發明提供一種AC/DC轉換器，包括在其輸入端的整流器電路，該整流器電 路與隔離變壓器的初級繞組串聯連接並且與連接至脈寬調製控制電路的斷流開關連接，該 隔離變壓器具有沿與初級繞組相同方向繞制且經由二極體和濾波器線圈連接至轉換器的 輸出線的第一次級繞組，該輸出線連接至輸出電容器，該隔離變壓器包括沿與初級繞組相 反方向繞制且經由二極體直接連接至輸出線的第二次級繞組。因此，對於高電壓的介質，能量經由第一次級繞組、二極體和濾波器線圈傳送至輸 出端。這使得能夠傳遞高功率。相反，當電壓低時，當斷流開關導通時，可將存儲在變壓器 的磁芯中的能量經由第二次級繞組和相關聯的二極體傳送至輸出電容器。第二次級繞組因 此使得存儲在磁芯中的能量能傳送到輸出端因此避免浪費能量。還有可能在電壓低時(正 弦波的低振幅部分)確保在輸出端使用的能量消耗。此外，當斷流開關導通時芯中存在的 剩餘磁通激發第二次級繞組，將相應的能量傳送至輸出端，從而在斷流開關導通時使浪湧的出現最小化，這種浪湧具有損壞斷流開關的風險。因此單個轉換器級就能夠實現電隔離， 並且由於相對高的效率，還以特別簡單、可靠和有效的方式提供PFC功能。根據特定的特性，該轉換器包括儲備的能量源，包括隔離變壓器的第三次級繞組， 該第三次級繞組沿與初級繞組相同方向繞制且首先連接至濾波器線圈和能量存儲電容器， 其次經由功率開關連接至輸出線，由放電控制電路隨能量存儲電容器中的電荷水平的變化 來控制該功率開關。因此，儲備能量源結合在該轉換器電路中，而沒有過度地增加其重量和尺寸，且使 其效率的退化最小。在閱讀以下本發明的特定、非限制性實施例的描述時會發現本發明的其它特徵和 優點。


僅對唯一的附圖進行參考，該圖是根據本發明的轉換器的電路示意圖。發明的詳細描述參照附圖，根據本發明的轉換器連接至AC配電網絡，且在其輸出側連接至至少一 件DC供電的電子設備。轉換器在其輸入端包括濾波器電路1，實質上已知它連接至整流器電路2。同樣實 質上已知整流器電路2，並且在該示例中由二極體電橋構成，該二極體電橋具有連接至濾波 器電路1的輸入端子、連接至電流測量分流器3的第一輸出端子、以及首先連接至分壓器電 橋4其次連接至與斷流開關Tl串聯連接的隔離變壓器6的初級繞組5的第二輸出端子。斷 流開關Tl是諸如金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(IGBT) 之類的功率電晶體。如下所述，斷流開關Tl連接至控制電路，或者更精確地是連接至斷流 控制電路10。隔離變壓器6具有沿與初級繞組5相同方向繞制且經由二極體D3和濾波器線圈 Ll (合稱為電感器)與轉換器的輸出線8串聯連接的第一次級繞組7。續流二極體D6以已 知方式使濾波器線圈Ll接地，以便在二極體D3不導電(由濾波器線圈Ll傳送的能量)時 提供電流連續性。隔離變壓器6具有沿與初級繞組5相反方向繞制且經由二極體D2直接連接至輸 出線8 (即線圈Ll的下遊)的第二次級繞組9。隔離變壓器6具有沿與初級繞組5相同方向繞制且經由二極體D4連接至以下元 件的第三次級繞組11 輸出線8;·耦合至濾波器線圈Ll且與能量存儲電容器Cres串聯連接的濾波器線圈L2 ；以 及·由放電控制電路12隨能量存儲電容器Cres中的電荷水平變化而控制的放電開 關T2。能量存儲電容器Cres是電容值非常高約為幾百法拉數量級的超級電容器。隨發 生電源中斷事件中期望可使用的能量的量的變化來確定能量存儲電容器的電容值和數量。放電開關T2與斷流開關Tl的類型相同。
輸出線8還連接至輸出電容器Cout和分壓電橋13。斷流控制電路10是脈寬調製器控制電路，將其配置成隨作為轉換器輸入端上消 耗的電流的反映的電壓和其振幅取決於轉換器的輸出電壓與基準電壓之間的誤差電壓的 全波整流正弦波形式的信號之間的比較的變化來控制斷流開關Tl。斷流控制電路10包括比較器14，該比較器14具有的一個輸入端連接至與輸出線 8相連接的分壓器電橋13，另一個輸入端連接至基準電壓源Vrefl。比較器14具有的輸出 端經由隔離器構件15(此處是光電耦合器)連接至乘法器16的第一輸入端，該乘法器16 具有的第二輸入端連接至分壓器電橋4。乘法器16具有的輸出端連接至遲滯比較器17的 第一輸入端，且該遲滯比較器17的第二輸入端經由反相器18連接至測量分流器3，以便接 收作為所消耗電流的反映的電壓，該遲滯比較器17的輸出端經由時延19連接至斷流開關 Tl的控制輸入端(柵極)。放電控制電路12具有·經由反相器20連接至比較器21的輸出端的輸入端，該比較器21具有第一輸入 端和第二輸入端，該第一輸入端連接至分壓器電橋4以接收表示來自整流器電路2的輸出 電壓的電壓，該第二輸入端連接至基準電壓源Vref2，以向放電控制電路12提供在整流器 電路12的輸出端存在的電壓和基準電壓Vref2之間的誤差電壓(目的是檢測電源網絡的 失效)；·連接至濾波器線圈L2和能量存儲電容器Cres的輸入端(用於測量儲備的電 壓)；·連接至分壓器電橋13的輸入端(用於測量輸出電壓)； 經由反相器和隔離器構件22 (與光電耦合器相關聯的反相器)連接至時延19的 輸出(在斷流開關Tl導電時防止放電開關T2工作)的輸入端；以及·連接至放電開關T2的控制輸入端(柵極)的輸出端。以下描述根據本發明的轉換器的操作。在所描述的示例中，隔離變壓器6具有1. 5的變壓比。轉換器的原理包括向斷流開關Tl施加脈寬調製控制以便強制電流消耗遵循與電 壓的波形相同的波形，即全波整流的正弦波。為此目的，來自分壓器電橋4的信號——表示整流器電路2的輸出端的電壓(全 波整流正弦波)——在乘法器16中與表示從比較器14得到的誤差電壓的信號相乘，該比較 器14將來自分壓器電橋13的輸出電壓與基準電壓Vrefl進行比較。這些信號的乘積是具 有振幅取決於輸出電壓中的誤差的全波整流正弦波形的信號。通過遲滯比較器17將該信號以一定遲滯與作為由測量分流器3感測的電流消耗 的反映的電壓進行比較。在一時延之後，將由遲滯比較器17輸出的信號施加到斷流開關Tl 的柵極。因此，當電流小於誤差電壓時，斷流開關Tl導電(導通)，而當電流大於誤差電壓 時，斷流開關Tl不導電(斷開)。當斷流開關Tl導通同時電壓為低時(輸出電壓低於閾值，該閾值等於輸入電壓乘 以變壓比1. 5的乘積)，則存儲在隔離變壓器6的磁芯中的能量激發第二次級繞組9並經由 二極體D2發送至輸出線8。轉換器的操作於是類似於反激型轉換器的操作，從而使得能夠在整流正弦波電壓中的低振幅相位期間發生通過輸出的能量消耗。當輸出電壓增加到與輸入電壓乘以變壓比的乘積相等的門限值時，二極體D3導 電，且磁芯的能量經由第一繞組7、二極體D3和濾波器線圈Ll傳送到輸出線。轉換器的操 作於是類似於前向類型的轉換器的操作。轉換器於是還具有反激型少數操作模式，這有助 於使隔離變壓器的磁芯完全放電。這由此構成在本身是全波整流正弦波形式的誤差電壓的振幅上進行伺服控制的 自振蕩系統，由此有可能獲得精確的輸出電壓和正弦曲線形式的電流消耗。能量存儲電容器Cres經由第三次級繞組11和二極體D4充電(當轉換器在前向 型操作模式下操作時)。耦合在一起的濾波器線圈Ll和L2用於限制充電電流峰值並提供 充電電壓的近似調整。由放電控制電路12檢測電源電壓的故障，該放電控制電路通過施加脈寬調製控 制放電開關T2。包括濾波器線圈L2和能量存儲電容器Cres的組件於是用作升壓器，具有 伺服控制為正常的操作設定值的所得值。將放電控制電路12配置成將其控制信號的佔空 比調節至能量存儲電容器Cres中的電荷水平。自然，本發明不限於所述實施例，且覆蓋不背離權利要求所限定的本發明的範圍 內的任何變形。特別地，儲備能量源是可選的。
權利要求
一種AC/DC轉換器，包括在其輸入端的整流器電路(2)，所述整流器電路(2)與隔離變壓器(6)的初級繞組(5)串聯連接並且與連接至脈寬調製控制電路(10)的斷流開關(T1)連接，所述隔離變壓器具有沿與所述初級繞組相同方向繞制且經由二極體(D4)和濾波器線圈L1連接至所述轉換器的輸出線(8)的第一次級繞組(7)，所述輸出線連接至輸出電容器(Cout)，所述轉換器的特徵在於所述隔離變壓器具有沿與所述初級繞組相反方向繞制且經由二極體(D2)直接連接至輸出線的第二次級繞組(9)。
2.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，將所述控制電路(10)配置成隨作為所述 轉換器輸入端上消耗的電流的反映的電壓和其振幅取決於所述轉換器的輸出電壓與基準 電壓(Vrefl)之間的誤差電壓的全波整流正弦波形式的信號之間的比較的變化來控制功 率開關。
3.如權利要求2所述的轉換器，其特徵在於，所述斷流開關(Tl)的控制電路(10)包括 比較器(14)，所述比較器(14)具有的輸入端連接至輸出線(8)和基準電壓源(Vrefl)，所 述比較器(14)具有的輸出端連接至乘法器(16)的第一輸入端，所述乘法器(16)具有的第 二輸入端接收來自所述整流器電路(2)的輸出電壓，所述乘法器(16)具有的輸出端連接至 遲滯比較器(17)的第一輸入端，所述遲滯比較器(17)具有的第二輸入端接收作為所消耗 電流的反映的電壓，所述遲滯比較器(17)具有的輸出端經由時延(19)連接至斷流開關的 控制輸入端。
4.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，包括儲備的能量源，包括所述隔離變壓器 (6)的第三次級繞組(11)，所述第三次級繞組(11)沿與所述初級繞組(5)相同方向繞制， 且首先連接至濾波器線圈(L2)和能量存儲電容器(Cres)，其次經由功率開關(T2)連接至 輸出線(8)，由放電控制電路(12)隨所述能量存儲電容器中的電荷水平變化來控制所述功 率開關(T2)。
5.如從屬於權利要求3的權利要求4所述的轉換器，其特徵在於，包括比較器(21)， 所述比較器(21)具有接收整流器電路(2)的輸出電壓的第一輸入端和連接至基準電壓源 (Vref2)的第二輸入端以及連接至所述放電控制電路(12)的輸出端。
6.如權利要求5所述的轉換器，其特徵在於，所述放電電路(12)還具有 連接至所述濾波器線圈(L2)和所述能量存儲電容器(Cres)的輸入端； 連接至所述輸出線(8)的輸入端； 經由反相器和隔離構件(22)連接至所述時延(19)的輸出端的輸入端；以及 連接至功率開關(T2)的控制輸入端的輸出端。
7.如權利要求1所述的轉換器，其特徵在於，包括在所述整流器電路(2)的上遊的濾波 器電路(1) ο全文摘要
本發明涉及一種AC/DC轉換器，包括在其輸入端的整流電路(2)，該整流器電路(2)與隔離變壓器(6)的初級繞組(5)串聯連接並且與連接至脈寬調製控制電路(10)的斷流開關(T1)連接，該隔離變壓器包括方向與初級繞組相同且經由二極體(D4)連接至轉換器的輸出線(8)的第一次級繞組(7)，該輸出線連接至輸出電容器(Cout)，特徵在於隔離變壓器包括方向與所述初級繞組相反且經由二極體(D2)連接至輸出線的第二次級繞組(9)。
文檔編號H02M3/335GK101904082SQ200880122231
公開日2010年12月1日 申請日期2008年12月9日 優先權日2007年12月19日
發明者F·吉約, J·-M·庫爾泰耶 申請人:薩甘安全防護公司