電源變換器的配置、控制和結(jié)構(gòu)的制作方法

專利名稱：電源變換器的配置、控制和結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源變換器的配置、控制和結(jié)構(gòu)。
電源變換器一般包括電源傳輸部件(例如變壓器和開關(guān))和控制電源傳輸部件運(yùn)行以達(dá)到所要求的工作特性的控制電路。例如，在Vicor Corporation，Andover，MA出售的一些零電流開關(guān)(ZCS)變換器中(也可參見美國專利4，415，959、4，441，146和4，675，797，它們一并被作為對比文件)，電源傳輸部件是獨(dú)立地安裝在一塊印刷電路板上的。
參照

圖1，在一種簡單的ZCS變換器中，主電源變壓器10具有原邊繞組12和副邊繞組14，它們確定變換器的原邊電路16和副邊電路18。在一系列能量傳輸周期中，通過對從原邊到副邊傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)行量化來實(shí)現(xiàn)電源變換。每個能量傳輸周期隨著開關(guān)20的閉合而開始，而后又隨著開關(guān)20的關(guān)斷而結(jié)束，這時流過開關(guān)的電流基本為零。
控制電路22控制開關(guān)20的關(guān)斷和閉合，從而能量傳輸?shù)闹芷诎l(fā)生變化，使得變換器提供在所要求的電壓下的輸出電源。電壓檢測器24檢測Vout，有關(guān)Vout的信息(即控制信息)反饋至控制電路部分，它使得原邊開關(guān)閉合和關(guān)斷。
將變換器的原邊和副邊相互隔離常常是非常重要的(例如出于安全的考慮)。因此，一般通過一個隔離裝置(例如兩個繞組是通過導(dǎo)磁鐵芯耦合的變壓器、光耦合器或與單獨(dú)的光檢測裝置相鄰的單獨(dú)的光發(fā)射裝置)來實(shí)現(xiàn)控制信息從副邊向原邊的傳輸，該隔離裝置包括在控制電路中。
在構(gòu)成變換器的過程中，控制電路一般是通過將獨(dú)立的電子部件與電源變換部分安裝在同一塊電路板上形成的，或者在分開的子板上安裝獨(dú)立的電子部件，子板作為一個組件安裝在主電源變換板上(參見9/21/92提交的、在此作為參考的美國專利申請，序號為07/947，937，“用于電路組件的電子部件”)。
Powercube公司和通用電器公司已經(jīng)提供了模件構(gòu)塊(例如AC整流塊、PWM變換塊、控制組件塊和輸出整流塊)，利用導(dǎo)線、電連接器或電路板上的引線將這些塊連接在一起，可以組裝成一個完整的開關(guān)電源。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，其特征在于一種電源變換裝置。具有電隔離繞組的一個變壓器確定電源變換裝置的原邊和副邊。一個開關(guān)將來自原邊電源的電能經(jīng)變壓器傳送給副邊的負(fù)載。第一電路組件具有與一個端口電連接的原邊電路，用于與輸入電源相連。原邊電路包括一個原邊傳送器，用于發(fā)送或接收控制電源變換裝置操作的控制信息。第二電路組件具有與一個端口電連接的副邊電路，用于與負(fù)載相連。副邊電路包括一個副邊傳送器，用于發(fā)送或接收控制信息。第一和第二電路組件可以作為組件相互機(jī)械分離，并且相互電隔離，它們處于相對的位置，以便使原邊和副邊的傳送器能夠協(xié)同工作，傳遞控制信息。
本發(fā)明的實(shí)施例具有以下特征。傳送器包括繞組，通過它們之間的電磁耦合來傳遞控制信息。有一個電路，通過調(diào)制載波來傳遞信息。耦合可以在沒有聯(lián)系繞組的導(dǎo)磁鐵芯的情況下實(shí)現(xiàn)，或者也可以在有聯(lián)系繞組的導(dǎo)磁鐵芯的情況下實(shí)現(xiàn)。繞組在分開的電路板表面上形成。第一和第二電路組件分別被包圍在機(jī)械分離的保護(hù)罩中，保護(hù)罩例如可以由絕緣的密封劑構(gòu)成。兩個組件的保護(hù)罩在各自的接合面相遇，并且在接合面實(shí)現(xiàn)耦合。電源變換部件可以作為組件安裝在同一電路板上。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，其特征在于一種控制電路裝置。封裝第一電路以形成第一分立的物理單元，連接第一電路使之對從封裝在第二分立的物理單元中的第二電路接收的控制信息作出響應(yīng)。這兩個物理單元分別都有輔助部分，用于經(jīng)電隔離的通路傳遞控制信息。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，其特征在于一種，用于提供制造獨(dú)特的電源變換器的控制電路的方法，其中獨(dú)特的電源變換器全部都符合一個總體設(shè)計，并且不同的電源變換器具有不同的工作特性，這是通過在一個總體設(shè)計中采用不同的部件來實(shí)現(xiàn)的。提供不同種類的第一分立控制電路，也提供不同種類的第二分立控制電路。為了制造每個獨(dú)特的電源變換器，選擇不同種類的第一和第二控制電路，以便得到電源變換器的所要求的工作特性。按一定的排列方向?qū)⑦x擇的不同種類的電路裝入每個變換器中，使得在它們之間能夠傳送控制信息，以便得到所要求的工作特性。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的第四方面，其特征在于一種電源變換器。原邊電路組件包括電源變換變壓器的原邊繞組。一個開關(guān)影響從原邊組件的輸入端口到原邊繞組的耦合。原邊控制電路關(guān)斷和閉合該開關(guān)。副邊電路組件包括電源變換變壓器的副邊繞組，以及接收用來決定何時關(guān)斷和閉合開關(guān)的控制信息的控制電路。原邊和副邊電路組件作為不同的部件被封裝，并相互接近，使得通過一個導(dǎo)磁鐵芯在電源變壓器的原邊和副邊繞組之間實(shí)現(xiàn)耦合，并使得在副邊電路組件和原邊電路組件之間能夠傳送控制信息。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的第五方面，其特征在于一種用于在電源變換器中的原邊和副邊電路之間傳遞控制信息的隔離裝置。第一傳送電路用控制信號對一個載波信號進(jìn)行電子調(diào)制。第一和第二電隔離傳送器在原邊和副邊電路之間發(fā)送和接收所述載波信號。第二傳送電路對第二傳送器傳送的信號作出響應(yīng)，產(chǎn)生一個對應(yīng)于控制信息的電信號。
本發(fā)明的實(shí)施例具有以下特征。載波信號由一個高頻電振蕩信號構(gòu)成。第一和第二傳送器包括導(dǎo)電繞組。電子調(diào)制包括幅度調(diào)制。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的第六方面，其特征在于一種在電源變換器中的機(jī)電獨(dú)立的原邊和副邊電路之間傳遞控制信息的方法。用控制信號調(diào)制一個載波信號，并且通過電隔離傳送器在原邊和副邊之間耦合經(jīng)調(diào)制的載波。然后檢測和解調(diào)耦合的經(jīng)調(diào)制的載波，以便再產(chǎn)生控制信息。
總的來說，根據(jù)本發(fā)明的第七方面，其特征在于一種采用共同的總體方案制造不同的電源變換電路的方法，其中原邊電路部分和電源實(shí)現(xiàn)電連接，并與和負(fù)載實(shí)現(xiàn)電連接的副邊電路部分相互作用，原邊和副邊電路部分包括傳送器，用于經(jīng)電隔離的耦合通路在原邊和副邊電路部分之間傳送控制信息，每個電路在其原邊電路部分呈現(xiàn)P種不同特性中之一種特性，在其副邊電路部分呈現(xiàn)Q種不同特性中之一種特性，混合起來至少有P×Q種可能的不同的電路。該方法包括提供分別實(shí)現(xiàn)P個不同的原邊電路部分的P個物理部件，提供分別實(shí)現(xiàn)Q個不同的副邊電路部分的Q個物理部件，以及將P個物理部件和Q個物理部件結(jié)合在一起，形成具有P×Q種可能的不同特性的連續(xù)電路。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本配置能夠在大約幾千伏的高壓下確?？刂破鞯脑吅透边呏g的電隔離，同時能夠?qū)崿F(xiàn)磁耦合，并最大限度地減小電容耦合。
最終得到的控制電路和變換器非常緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，制造費(fèi)用低?？梢圆捎幂^少量的不同種類的凸起部分來制造具有各種不同工作特性的變換器。
其它優(yōu)點(diǎn)和特征從以下的描述和權(quán)利要求中可以看得非常清楚。
圖1是零電流開關(guān)電源變換器的一般的電路圖。
圖2是電源變換器的控制器的立體圖。
圖3A至3E分別是控制器的端部、側(cè)面、頂部、側(cè)面和端部的視圖(在某些情況下是剖視圖)。
圖4是控制器的兩個凸起部分和一塊電路板的分解視圖。
圖5是在兩個凸起部分中的電路板部分的剖面圖。
圖6是封裝兩個凸起部分的頂視圖。
圖7是零電流開關(guān)變換器的電路圖。
圖8是圖7的隔離裝置的電路圖。
圖9是一組電源變換器的特性圖。
圖10A和10B是兩個凸起部分的電阻值的圖。
圖11是電源變換器組件的分解視圖。
圖12是安裝在電路板上的電源變換器的立體圖。
圖13A至13H分別是圖11所示變換器的分解、立體、頂部、側(cè)面、底部、側(cè)面、端部和端部的視圖。
圖14A至14E分別是圖12所示變換器的頂部、側(cè)面、側(cè)面、放大和放大的視圖(在某些情況下是剖視圖)。
圖15A至15C是變壓器繞組結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖16是圖12所示電源變換器的一部分的剖視圖。
圖17A和17B是由導(dǎo)磁鐵芯耦合的控制凸出部分的分解視圖。
參照圖2，ZCS電源變換器26包括控制電路28，它具有原邊控制子組件(凸起部分)32和副邊控制子組件(凸起部分)30，二者都與其它電源變換部件(未示出)一起安裝在主電路板34上。雖然兩個凸起部分安裝在一起并通過磁耦合在它們之間傳遞信息，但是它們是相互電隔離的分立的物理部件(例如，在凸起部分之間不存在電連接)。
參照圖3A至3E，通過副邊繞組42和原邊繞組40之間的磁耦合，控制信息從副邊凸起部分30傳遞到原邊凸起部分32。如圖3C所示，兩個繞組40和42分別形成在兩塊小電路板48和50的表面44和46上，每塊小電路板分開地封裝在絕緣材料中，形成兩個凸起部分32和30。通過用常規(guī)的方法蝕刻一盎司銅箔在兩塊板的導(dǎo)電層上形成兩個繞組。在所示實(shí)例中每個線圈有四匝。每個繞組的走線寬8密耳，相鄰匝的間隔為7密耳。當(dāng)采用常規(guī)的印刷電路板蝕刻技術(shù)時，匝的寬度和相鄰匝之間的間隔可以做得盡可能地小。這最大限度地減小了繞組所需的表面積，同時降低了制造印刷電路板的成本。電路板封裝在密封劑中，當(dāng)兩個凸起部分安裝在一起時，其位置使得兩個繞組隔開大約0.1″。不需要任何聯(lián)系兩個繞組的導(dǎo)磁鐵芯;通過適當(dāng)?shù)匕才爬@組和電路板，可以經(jīng)密封劑和兩個凸起部分的任何氣隙實(shí)現(xiàn)磁耦合。
以上述方式形成并隔開的一對繞組將導(dǎo)致一種“松耦合”變壓器。這意味著由流入一個繞組的電流引起的磁通中只有一部分與另一個繞組交連。例如，圖5表示由非導(dǎo)磁間隙102隔開的一對繞組40、42的剖面圖。流入繞組42的時變電流可以產(chǎn)生磁力線104、106和108。只有一部分磁力線(例如108)與繞組40交連，并在另一個繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而其余的磁力線(例如104和106)卻不能產(chǎn)生感應(yīng)電壓。
在一個實(shí)例中，松耦合變壓器的副邊繞組42為8匝，原邊繞組40為2匝(兩個繞組都由一盎司銅蝕刻而成，繞線寬度為8密耳，相鄰匝的間隔為7密耳)，兩個繞組相隔0.1英寸，耦合系數(shù)的標(biāo)稱值為15%(即k＝0.15)，原邊繞組和副邊繞組的自感的標(biāo)稱值分別為360毫微亨和60毫微亨。
參照圖3A至3E，其它電路部件也安裝在兩塊電路板上，它們包括一塊副邊集成電路53和兩塊原邊集成電路52、54。所有集成電路的上表面靠近封裝凸起部分的密封劑的表面。這最大限度地減小了沿集成電路的上表面和圍繞凸起部分的介質(zhì)之間的通路的熱阻。在原邊電路板和副邊電路板上還安裝了分立元件的電阻和電容51(示于圖3B和3D)以及分立部分33。
在原邊電路板上的一個小的漏電感變壓器66具有兩個U形導(dǎo)磁鐵芯塊68、70，它們穿過板中的孔，形成一個閉合的導(dǎo)磁通路(圖3C)。導(dǎo)磁通路交連一對繞組(未示出，但類似于繞組40、42)，這一對繞組圍繞著孔，位于印刷電路板的另一面。變壓器66是一個耦合機(jī)構(gòu)，用于傳送來自集成電路52的驅(qū)動主開關(guān)20的柵極的信號。這一電路結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)在序號為07/805，474的美國專利申請中有描述，該申請題為“采用漏電感變壓器的高效浮置柵極驅(qū)動器電路”，于1991年12月11日提交，此處作為對比文件引用(以下稱之為“柵極驅(qū)動器申請”)。
兩排連接端子72、74分別作為電路板的伸出部分，在電路板的兩面都有導(dǎo)線。
兩個凸起部分的密封劑是環(huán)氧樹脂材料(Novolak，可以從California的San Jose的Nitto Denko America得到)。
再看圖4，凸起部分30、32的外壁具有配合的插頭和插座80、82、84、86。插頭的外邊緣略大于插座的孔，當(dāng)插頭和插座配合時能使它們相互夾緊。一旦連接，通過將端子72和74插入并焊接在電路板34上的相應(yīng)的兩排孔88、90中，凸起部分便安裝到了電路板34上。夾緊作用和端子與電路板的焊接作用二者的結(jié)合確保了很強(qiáng)的機(jī)械支撐力。
參照圖6，在一種組裝方式中，兩塊小的印刷電路板48、50是由橋110、112連接的。在電路板上形成引線和繞組以及安裝分立元件之后，經(jīng)過一次操作封裝連接的電路板。密封套如圖6中的實(shí)線所示，并對虛線所示的內(nèi)部部分進(jìn)行過模壓(overmolding)。然后切除兩個輔助組件(例如利用規(guī)定工藝)，以便去除橋。
參照圖7，在電源變換器23的控制電路22的一個實(shí)例中，副邊凸起部分30包括輸出電壓檢測分壓器24(在圖3B所示的分立元件51中的兩個電阻)。分壓器24將電壓信號送至誤差放大器124(它是圖3B集成電路的一部分)，與基準(zhǔn)電壓Vref1(也是電路50的一部分)進(jìn)行比較。標(biāo)以Trim的輸入信號使Vref1的內(nèi)部值通過外部施加的微調(diào)電壓升高，以便改變變換器的輸出電壓的設(shè)定值。放大器124的輸出是電流Iin，它被送至隔離裝置122的副邊121。經(jīng)包括在隔離裝置中的繞組40、42之間的磁耦合，副邊121將有關(guān)電流Iin的信息傳遞給隔離裝置122的原邊120。
隔離裝置的原邊120是原邊凸起部分32的一部分。原邊120產(chǎn)生與Iin值成正比例變化的輸出電流Iout。還連接了輸入過壓保護(hù)電路128(在序號為07/947，937的美國專利申請中有更詳細(xì)的描述，該申請于1992年9月21日提交，此處作為對比文件引用)以便影響Iout(例如在輸入過壓的情況下切斷電流)。在原邊凸起部分還有電流/頻率變換器126，它從隔離裝置的原邊接收Iout信息，并產(chǎn)生相應(yīng)的頻率信號，該頻率信號被傳送至零電流開關(guān)控制器130(ZCS控制器)。表示流入開關(guān)20的時變電流值的信號Isense通過電流傳感器400也被送至零電流開關(guān)控制器。零電流開關(guān)控制器130利用頻率信號和Isense的值在零電流的情況下使開關(guān)20閉合和關(guān)斷，其速率與調(diào)整在由Vref1(或如果采用Trim，則是Trim輸入電壓)確定的設(shè)定點(diǎn)值的變換器的輸出電壓和分壓器24的分壓比一致。經(jīng)漏電感變壓器66(如柵極驅(qū)動器申請中所述)，ZCS控制器130將信號送至柵極驅(qū)動器電路301。柵極驅(qū)動器電路301在零電流的情況下使開關(guān)20閉合和關(guān)斷(亦如柵極驅(qū)動器申請中所述)。ZCS控制器130還傳送信號來控制復(fù)位開關(guān)134的閉合和關(guān)斷(見美國專利4，441，146)。
原邊接地端136和副邊接地端138是獨(dú)立的，電隔離的，并可以是相互浮動的。
隔離裝置122接收來自副邊凸起部分30中的誤差放大器的控制信息Iin，并將它傳送給原邊凸起部分32中的電流/頻率變換器126。誤差信號Iin可以是一個模擬電流，其頻率在直流到幾百kHz的范圍內(nèi)。這樣的信號是不容易在上述小的松耦合變壓器的繞組(即副邊繞組42為8匝，原邊繞組40為2匝，每個繞組由一盎司銅箔構(gòu)成，8密耳寬，相鄰線匝間隔7密耳，兩個繞組隔開0.1″)之間進(jìn)行直接耦合的。然而，這樣的變壓器可用來傳遞更高頻率的信號(例如幾十MHz)。因此，在隔離裝置122的一個實(shí)施例中，用Iin對一個高頻載波信號進(jìn)行幅度調(diào)制，并傳送給繞組42。高頻信號被耦合至繞組40，那里高頻載波被檢波器電路去除了。
參照圖8，在隔離裝置122的副邊121中，繞組42是由AC反饋振蕩器形式的隔離驅(qū)動電路144驅(qū)動的，其中振蕩頻率主要是由繞組42的自感(例如360 nH)加上電容器140的電容量(在本例中為20pF)與電路的寄生電容(例如3pF)之和確定的。在本例中，振蕩器的工作頻率大約為55MHz。繞組42上的振蕩幅度隨著輸入電流信號Iin的幅度變化而變化。
由副邊繞組42產(chǎn)生的磁場在原邊繞組40中感應(yīng)出一個電壓。原邊120的接地隔離檢測器146傳送輸出電流Iout，該電流隨著繞組40上所檢測到的信號幅度的變化而變化。繞組40中感應(yīng)的交流信號的電壓幅度在峰值高達(dá)200毫伏的范圍內(nèi)變化，該信號被送至NPN晶體管Q5。當(dāng)交流信號擺動到負(fù)值，Q5的發(fā)射極被拉到地電位以下，基極電流流入Q5。Q5是一個寬頻帶器件，其截止頻率(ft)為幾百M(fèi)Hz，因此它的集電極和基極電流將跟隨被調(diào)制載波的幅度的負(fù)峰值。電容129和電阻127結(jié)合在一起，使得Q5的集電極電流的大部分高頻載波分量經(jīng)電容的低容抗流入地。電阻127中的電流流入一對晶體管Q6和Q7(連線成一個二極管)，它們形成了一種電流鏡。流入Q6的電流在Q7和Q8的集電極中得到了鏡像的反映。Q6、Q7和Q8是PNP器件，截止頻率僅為幾MHz，因此Q7和Q8中的集電極電流不響應(yīng)流入Q6電流的高頻載波分量。于是流入Q7和Q8集電極的電流的平均值正比于調(diào)幅信號的幅度，從而正比于Iin。該電流鏡像地反映來自Q8的Iout。于是Iout跟隨Iin。從Q7出來的鏡像反映出的電流流入Q9(連線成一個二極管)，它與Q5是同種類型的器件。Q7集電極電流的幅度變化使得Q9上的電壓發(fā)生變化，這有助于將Q5的基極電壓保持在一個值上，該值確保Q5發(fā)射極的對地電壓在幾十毫伏的范圍內(nèi)。這樣便提高了檢測器的線性度和精確度。
幅度調(diào)制只是利用高頻載波在繞組之間傳遞控制信息的一種方法。也可以采用其它調(diào)制技術(shù)，如頻率調(diào)制。
參照圖3C和7，集成電路52包括電流-頻率變換器126、ZCS控制器130和過壓保護(hù)電路。集成電路54包括復(fù)位開關(guān)134和二極管135，也可以包括用于驅(qū)動主開關(guān)20的柵極的柵極驅(qū)動器301。在圖3C中可以看到集成電路54和復(fù)位電容133位于原邊PCB48的一端，PCB48的長度超過副邊PCB50的端部延伸。這樣做的目的是因?yàn)榕c這些部件(例如54和133)有關(guān)的電壓波形隨著時間的變化，其電壓值快速地上升和下降(例如，輸入電源為直流400V，圖7標(biāo)以Vd的電壓在大約20毫微秒的時間內(nèi)一般就要上升和下降550V)。通過以所示方式設(shè)置部件，最大限度地減小了這些原邊部件和副邊PCS50之間耦合的寄生電容，并且最大限度地減小了與電壓的大變化率有關(guān)的原邊和副邊之間的所不希望的噪聲信號的雜散耦合。
具有兩個電磁凸起部分30、32的一個好處來源于這樣的事實(shí)，即在幾乎所有的情況下，用于DC-DC變換器的原邊(副邊)電路的元件的值僅僅取決于原邊(副邊)函數(shù)的性能，并且可以在與副邊(原邊)函數(shù)性能無關(guān)的情況下進(jìn)行選擇。于是，例如當(dāng)存在輸入和輸出電壓性能(這些電壓將加在DC-DC變換器上)的多種可能的組合時，每種組合一般將“分解成”一組其值僅為變換器輸入電壓的函數(shù)的原邊部件，和一組其值僅為變換器輸出電壓的函數(shù)的副邊部件。
作為一個例子，請參照圖9和再次參照圖7，這里表示了十八種不同的可能的變換器，它們可以作為輸入電壓(Vin)和輸出電壓(Vout)的組合。每六個不同的可能的輸出電壓需要R1和R2值的一個不同的組合(這兩個電阻在圖7中形成變換器副邊電路的分壓器24)。值的每種組合都與輸出電壓的一個特定值有關(guān)，而與輸入電壓的值無關(guān)。FET的擊穿電壓Vdmax，從而FET(在變換器的原邊)的類型僅作為輸入電壓的函數(shù)來決定，而與輸出電壓無關(guān)。兩個電阻R3和R4(在變換器原邊電路的過壓保護(hù)電路中)的值，如同在序列號為07/947，937的美國專利申請中所討論的那樣，也僅為Vdmax的函數(shù)(因此也為輸入電壓的函數(shù))，而與輸出電壓無關(guān)。
參照圖10A和10B，通過制備列于圖10A的僅三種不同類型的原邊凸起部分和列于圖10B的六種不同類型的副邊凸起部分(即總數(shù)為九種不同的凸起部分)，人們就可以形成列于圖9中的全部十八種不同的電源變換器。不同的凸起部分的數(shù)目與可能的變換器的數(shù)目之比越小對獲得更大數(shù)目不同的變換器越有利。例如，十種不同的原邊凸起部分和十種不同的副邊凸起部分(即總數(shù)僅為二十種不同的凸起部分)的各種組合將形成100種不同的電源變換器。
于是，通過將兩種分開的控制電路凸起部分(即原邊和副邊)組裝在一起，并且每個部件的值都代表給定的輸入和輸出電壓，就可以用總數(shù)少得多的凸起部分制作非常大量的變換器。這使得能夠用比N(即不同的電源變換器的數(shù)目)少許多(比如M)的不同的原邊和副邊凸起部分，并將凸起部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合以便為N個不同的變換器提供控制電路，制作具有不同的輸入和輸出特性的N個不同的電源變換器。由于凸起部分在機(jī)電方面與所做的選擇無關(guān)，所以極大地簡化了凸起部分的組裝過程。
除輸出電壓設(shè)定點(diǎn)和輸入過壓設(shè)定點(diǎn)之外的變換器特性也使得變換器能夠分別制作。例如，用于設(shè)定副邊參數(shù)如輸出“電流極限”值的部件的值，限流過載保護(hù)特性，以及輸出過壓保護(hù)極限都僅為所要求的一組副邊特性(例如輸出電壓、輸出電流)的函數(shù)，而與原邊特性(例如輸入電壓)無關(guān)。同樣，用于設(shè)定原邊參數(shù)的部件的值，例如輸入欠電壓截止極限僅為所要求的一組原邊特性(例如輸入電壓)的函數(shù)，而與變換器的副邊特性(例如輸出電壓、輸出電流)無關(guān)，控制電路在機(jī)電方面獨(dú)立于原邊，并且副邊凸起部分(如上所述)特別合適，將電源傳輸部件裝在例如設(shè)計功率較大的(如50W以上)的變換器中的凸起部分上是不實(shí)際的。類似于Vinciarelli的序列號為07/914，347的美國專利申請“組裝電子部件”(此處引用作為對比文件)中所描述的一種變換器示于圖11。變換器組件500是一種適用于變換50至150W的直流電源的變換器。在這種變換器中，電源傳輸部件(見圖7)如變壓器10、電容246、248和輸出電感250相對于控制電路凸起部分30、32而言較大，所以不能作為凸起部分來組裝。此外，由于二極管300、302和FET開關(guān)20較大，并需要散熱，所以也不能包括在凸起部分中。
對功率較小的電源變換器而言(例如最大到50W)，電源傳輸部件與控制電路及其它電路相比尺寸相差不大，因此電源傳輸部件可以直接與原邊和副邊電路的其余部分裝在同一塊板上。參照圖12和13A至H，變換器例如是由原邊轉(zhuǎn)換器部分202和副邊轉(zhuǎn)換器部分200構(gòu)成的，可以將它們咬在一起。通過增加兩個導(dǎo)磁鐵芯210、212以及擠壓成形的鋁散熱器208，一個非常緊湊的完整的電源變換器204就形成了。
參照圖14A至14E，分界線224右邊部分的板220、222與圖3C所示的板50、48類似。分界線224的左邊安裝了附加的電源變換部件。一個關(guān)鍵的部件是電源變壓器230，它包括分別形成在板222、220上的副邊和原邊繞組232、234，以及兩個導(dǎo)磁鐵芯210、212，它們位于兩塊板上的四個矩形孔236、238、240和242中。在圖14A至14E中，每個繞組240和242繞在包圍導(dǎo)磁鐵芯的不同側(cè)的孔的周圍。然而如圖15A至15C所示，可以用不同的方式繞制繞組，而且變壓器的漏電感將隨著繞組的排列變化。
在圖15A中，繞組位于鐵芯的同一側(cè);在圖15B中，繞組位于鐵芯的相對側(cè);在圖15C中，繞組對位于鐵芯的每一側(cè)，因此原邊繞組和副邊繞組都由一串聯(lián)的繞組對構(gòu)成。總的來說，變壓器的繞組繞在鐵芯的同一側(cè)(例如圖15A)其漏電感比繞組繞在鐵芯的相對側(cè)小。
在圖14A至14E中，電路板220、222是多層板(例如六層)，并且繞組由串聯(lián)或并聯(lián)(通過金屬化孔)的子繞組構(gòu)成，這些子繞組以一個在另一個上面的方式形成在多層板上。對圖14所示的變換器而言，這樣做可以非常經(jīng)濟(jì)地形成少到一匝(即每層一匝繞組，六層的所有繞組并聯(lián))多到四十二匝(即每層七匝繞組，六層的所有繞組串聯(lián))的繞組。原邊繞組和副邊繞組可以具有不同的匝數(shù)，以便確定變壓器的不同的匝數(shù)比。
如圖16所示，封裝材料600圍繞包圍四個孔每一個的電路板602a至602d的邊緣流動。這樣便提供了絕緣，使得一塊板上的導(dǎo)電引線604和另一塊板上的導(dǎo)電引線606之間不至于通過鐵芯形成導(dǎo)電通路。
就如同控制電路部件的值可以被“分解”的那樣(例如各種原邊和副邊部件的值分別僅為所要求的原邊和副邊的工作特性的函數(shù))，原邊和副邊的匝數(shù)也是可以“分解”計算的。這是由于利用變壓器鐵芯的“伏/秒”能力，原邊和副邊匝數(shù)分別和輸入和輸出電壓有關(guān)。于是，對圖12至14所示的整個電源變換器也能應(yīng)用上述同樣的分解方法，它將比較少的機(jī)電分離的原邊和副邊凸起部分結(jié)合在一起，組裝成數(shù)量大許多的有用的變換器。
電源變換器的其它部件包括集成電路244，該集成電路包括兩個二極管(例如圖7中的300、302)、諧振電容246、輸出濾波電容248和輸出濾波扼流圈250。
電源變換器的所有部件的頂面都靠近凸起部分的密封劑模制的表面，以便最大限度地減小集成電路的頂面和散熱套208之間的熱阻。
變換器的端部觸針可以由裝在電路板上的分開的金屬片構(gòu)成。觸針包括+和-輸入觸針290、292以及+、-輸出和Trim觸針294、296、298。
兩個凸起部分(例如圖2和11的30、32;圖12和13A至H的200和202)機(jī)電獨(dú)立的原因在于要用控制信息來調(diào)制頻率較高的載波信號(例如大于10MHz)，而控制信息的信息帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于載波頻率(例如一個帶寬為幾百KHz)。這樣可以用一對小的、有效地進(jìn)行電隔離的繞組(即作為松耦合變壓器)在副邊和原邊之間傳遞信息，而不需要與繞組交鏈的閉合磁路。在圖3、5和14所示的例子中，繞組完全是通過非導(dǎo)磁材料耦合的。在不犧牲其它優(yōu)點(diǎn)的情況下可以在繞組附近采用少量的導(dǎo)磁材料以增加耦合。
例如在圖17A中，采用所示導(dǎo)磁盤600來增加控制繞組間的耦合(圖中未示出繞組，繞組位于盤每一側(cè)的每個凸起部分30、32中)。盤固定在用來模制凸起部分的封裝材料形成的凹口(例如凹口602)中;在圖17B中，出于同樣的目的采用了小的導(dǎo)磁棒604(棒穿過每個凸起部分中的孔606、608，從而穿過每個繞組的中心)。導(dǎo)磁材料可以模制進(jìn)任何一個凸起部分，或者如圖所示作為分開的部分加入。在每一種情況下，存在導(dǎo)磁材料都不會破壞凸起部分的機(jī)電獨(dú)立性;該材料不會形成交鏈凸起部分的閉合磁路。
其它實(shí)施例包括在以下的權(quán)利要求書中。
例如，其它類型的控制信息可以從副邊反饋到原邊。反饋可以包括從原邊向副邊傳遞信息。
隔離繞組可以采用各種匝數(shù)比，例如1∶1、2∶1、3∶1，其中第一個數(shù)字表示原邊。
權(quán)利要求
1.電源變換裝置包括一個變壓器，具有確定電源變換裝置的原邊和副邊的電隔離繞組，一個開關(guān)，將來自原邊電源的電源經(jīng)變壓器傳送給副邊的負(fù)載，第一電路組件，具有與一個端口電連接的原邊電路，用于與輸入電源相連，所述原邊電路包括一個原邊傳送器，用于發(fā)送或接收控制電源變換裝置操作的控制信息，第二電路組件，具有與一個端口電連接的副邊電路，用于與負(fù)載相連，所述副邊電路包括一個副邊傳送器，用于發(fā)送或接收所述控制信息，第一和第二電路組件可以作為組件相互機(jī)械分離，并且相互電隔離，它們處于相對的位置，以便使所述原邊和副邊的傳送器能夠一同工作，傳遞所述控制信息。
2.權(quán)利要求1的電源變換裝置，其特征在于所述傳送器包括繞組，通過它們之間的電磁耦合來傳遞所述控制信息。
3.權(quán)利要求1的電源變換裝置，其特征在于還包括一個電路，通過調(diào)制載波來傳遞所述信息。
4.權(quán)利要求2的電源變換裝置，其特征在于所述耦合是在沒有聯(lián)系所述繞組的導(dǎo)磁鐵芯的情況下實(shí)現(xiàn)的。
5.權(quán)利要求2的電源變換裝置，其特征在于還包括聯(lián)系所述繞組的導(dǎo)磁鐵芯。
6.權(quán)利要求2的電源變換裝置，其特征在于所述繞組形成在分開的電路板表面上。
7.權(quán)利要求1的電源變換裝置，其特征在于所述第一和第二電路組件分別被包圍在機(jī)械分離的保護(hù)罩中。
8.權(quán)利要求7的電源變換裝置，其特征在于所述保護(hù)罩由絕緣的密封劑構(gòu)成。
9.權(quán)利要求8的電源變換裝置，其特征在于兩個組件的保護(hù)罩在各自的接合面相遇，并且在接合面實(shí)現(xiàn)耦合。
10.權(quán)利要求9的電源變換裝置，其特征在于耦合是電磁耦合。
11.權(quán)利要求1的電源變換裝置，其特征在于還包括電路板，電源變換部件安裝在所述電路板上，所述組件也安裝在所述電路板上。
12.電源變換裝置包括一個變壓器，具有確定電源變換裝置的原邊和副邊的電隔離繞組，一個開關(guān)，將來自原邊電源的電源經(jīng)變壓器傳送給副邊的負(fù)載，與一個端口電連接的原邊電路組件，用于與輸入電源相連，并具有形成在一塊印刷電路板上的原邊繞組，與一個端口連接的副邊電路組件，用于與負(fù)載相連，并具有形成在第二印刷電路板上的副邊繞組，第一和第二電路組件分別封裝在機(jī)械可分離的具有接合面的罩中，組件相互電隔離，罩的接合面連在一起，以便使所述原邊和副邊繞組能夠一同工作，在接合面之間傳遞所述控制信息。
13.一種電源變換器控制電路裝置包括第一電路，該電路被封裝以形成第一分立的物理單元，連接第一電路使之對從封裝在第二分立的物理單元中的第二電路接收的控制信息作出響應(yīng)。這兩個物理單元分別包括輔助部分，用于經(jīng)電隔離的電磁通路傳遞所述控制信息。
14.一種用于制造獨(dú)特的源變換器的控制電路的方法，其中獨(dú)特的電源變換器全部都符合單一的總體設(shè)計，并且不同的功率變換器具有不同的工作特性，這是通過在單一的總體設(shè)計中采用不同的部件來實(shí)現(xiàn)的，該方法包括提供不同種類的第一分立控制電路，所述第一分立控制電路包括原邊傳送器，用于發(fā)送或接收控制所述電源變換裝置操作的控制信息，提供不同種類的第二分立控制電路，所述第二分立控制電路包括副邊傳送器，用于發(fā)送或接收所述控制信息，所述第一和第二電路組件是這樣的組件，它們可以相互機(jī)械分離，并且相互電隔離，它們處于相對的位置，以便使所述原邊和副邊的傳送器能夠協(xié)同工作，傳遞所述控制信息，以及為了制造每個獨(dú)特的電源變換器，選擇不同種類的第一和第二控制電路，以便得到電源變換器的所要求的工作特性，并且按一定的排列方向?qū)⑦x擇的不同種類的電路裝入每個變換器中，使得在它們之間能夠傳送控制信息，以便得到所要求的工作特性。
15.一種電源變換器包括原邊電路組件，包括電源變換變壓器的原邊繞組，一個開關(guān)，影響從原邊組件的輸入端口到原邊繞組的耦合，并且原邊控制電路關(guān)斷和閉合該開關(guān)，副邊電路組件，包括電源變換變壓器的副邊繞組，以及控制電路，接收用來決定何時關(guān)斷和閉合開關(guān)的控制信息，作為不同的部件封裝的原邊和副邊電路組件，它們相互接近，使得通過一個導(dǎo)磁鐵芯在電源變壓器的原邊和副邊繞組之間實(shí)現(xiàn)耦合，并使得在副邊電路組件和原邊電路組件之間能夠傳送控制信息。
16.權(quán)利要求15的電源變換器，其特征在于所述控制電路包括在每個所述電路組件中相互電隔離的部件。
17.權(quán)利要求16的電源變換器，其特征在于所述電隔離部件包括繞組，通過它們之間的電磁耦合來傳遞所述控制信息。
18.權(quán)利要求15的電源變換器，其特征在于所述控制電路包括通過調(diào)制載波來傳遞所述控制信息的元件。
19.權(quán)利要求17的電源變換器，其特征在于所述耦合是在沒有聯(lián)系所述繞組的導(dǎo)磁鐵芯的情況下實(shí)現(xiàn)的。
20.權(quán)利要求17的電源變換器，其特征在于還包括聯(lián)系所述繞組的導(dǎo)磁鐵芯。
21.權(quán)利要求17的電源變換裝置，其特征在于所述繞組形成在分開的電路板表面上。
22.權(quán)利要求15的電源變換器，其特征在于所述原邊和副邊組件分別被包圍在機(jī)械分離的保護(hù)罩中。
23.權(quán)利要求22的電源變換器，其特征在于所述保護(hù)罩由絕緣的密封套構(gòu)成。
24.權(quán)利要求22的電源變換器，其特征在于組件的保護(hù)罩在各自的接合面相遇，并且在接合面實(shí)現(xiàn)耦合。
25.用于在電源變換器中的原邊和副邊電路之間傳遞控制信息的隔離裝置，所述隔離裝置包括第一傳送電路，用于以所述控制信息對一個載波信號進(jìn)行電子調(diào)制，第一和第二電隔離傳送器，用于在所述原邊和副邊電路之間發(fā)送和接收所述載波信號，以及第二傳送電路，它對所述第二傳送器傳送的信號作出響應(yīng)，產(chǎn)生一個對應(yīng)于所述控制信息的電信號。
26.權(quán)利要求25的隔離裝置，其特征在于所述載波信號由一個高頻電振蕩信號構(gòu)成。
27.權(quán)利要求25的隔離裝置，其特征在于所述第一和第二傳送器包括導(dǎo)電繞組。
28.權(quán)利要求27的隔離裝置，其特征在于所述繞組之間的耦合是在沒有聯(lián)系所述繞組的導(dǎo)磁鐵芯的情況下實(shí)現(xiàn)的。
29.權(quán)利要求25的隔離裝置，其特征在于中所述電子調(diào)制包括幅度調(diào)制。
30.一種在電源變換器中的原邊和副邊電路之間傳遞控制信息的方法，所述方法包括用所述控制信號調(diào)制一個載波信號，以及通過電隔離傳送器在所述原邊和所述副邊之間耦合所述經(jīng)調(diào)制的載波。
31.權(quán)利要求30的方法其特征在于還包括檢測和解調(diào)所述耦合的經(jīng)調(diào)制的載波，以便再產(chǎn)生所述控制信息。
全文摘要
具有電隔離繞組的變壓器確定電源變換裝置的原邊和副邊。開關(guān)將原邊電源的電能經(jīng)變壓器傳送給副邊的負(fù)載。第一電路組件具有與輸入電源相連的原邊電路，它包括一個原邊傳送器。第二電路組件具有與負(fù)載相連的副邊電路，它包括一個副邊傳送器。原邊和副邊傳送器都用于發(fā)送或接收控制變換裝置操作的控制信息。第一和第二電路組件相互機(jī)械分離，并相互電隔離，處于相對的位置，以便使原邊和副邊的傳送器能夠協(xié)同工作，傳遞控制信息。
文檔編號H02M3/335GK1099530SQ9410642
公開日1995年3月1日 申請日期1994年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月14日
發(fā)明者P·溫西阿雷里, L·A·布芬諾 申請人:Vlt公司