采用低壓電容器功率組的通用輸入電壓dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種根據AC電源輸入(Vi)產生DC電壓和電流的電源，其中該電源包括至少一個適于連接到AC電源輸入的整流器(D1)，其中，該整流器適于連接到至少一個高壓電容器(Ci1)，其中該電源還包括至少一個低壓電容器(Ci2)，該低壓電容器適于通過至少一個第一開關(S1)連接，該高壓電容器適于連接到至少一個DC?DC變換器，其特征在于，該DC?DC變換器包括至少一個變壓器(T1)，該變壓器包括至少一個初級線圈(N1)和至少一個第一和第二次級線圈(N3，N2)，該第一次級線圈適于通過至少一個半導體(D5)連接，該第二次級線圈適于通過半導體(D3)和第二開關(S2)與所述低壓電容器連接，該低壓電容器形成為電容器組。
【專利說明】
采用低壓電容器功率組的通用輸入電壓DC-DC變換器
技術領域
[0001]本發明涉及一種用于基于AC功率輸入生成DC電壓和電流的電源，該電源包括適于連接到AC功率輸入的至少一個整流器，該整流器適于與至少一個高壓電容器連接，該電源還包括至少一個低壓電容器，該低壓電容器適于通過至少一個第一開關進行連接，該高壓電容器適于與至少一個DC-DC變換器連接。
【背景技術】
[0002]US7760524公開了一種用于減小電源中的大電容器所需的體積的方法和裝置。示出了被包含在具有耦合到單相AC輸入電壓的整流器的電源中的驅動電路。該驅動電路包括產生驅動信號的驅動信號發生器，以耦合到可變阻抗元件。電壓傳感器耦合到驅動信號發生器，以感測橫跨高壓電容器的電壓。響應于電壓傳感器，驅動電路控制該可變阻抗元件。如果所感測的電壓低于第一閾值，則允許低壓電容器接收來自輸入的電流。如果所感測的電壓高于第二閾值，則阻止低壓電容器從輸入接收電流。
[0003]具有通用輸入電壓(其可以是直流(DC)或交流(AC)輸入)的DC-DC電源是公知的，該技術例如是US5126652和US2009/0129130中描述的。通常，具有通用電壓輸入的DC-DC電源的所有實現方式都需要大電容器，以便在輸入AC電壓跨過O伏期間維持用于變換器的能量。這些大電容器需要大容量以保持足夠的能量儲存和高額定電壓(大于340V)，以便能夠承受240V交流電的峰值電壓。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種具有通用輸入電壓的DC-DC功率變換的成本效益的實現。本發明涉及作為表面貼裝技術(SMT)實現的低至中功率DC-DC變換器。由于避免大體積的穿孔元件并且同時仍然實現類似的性能，本發明與現有技術相比具有優點。
[0005]通過如權利要求1的前序部分所公開的電源來實現本發明的目的，其改進在于，所述DC-DC變換器包括至少一個變壓器，該變壓器包括至少一個初級線圈以及至少一個第一和第二次級線圈，其中第一次級線圈適于通過至少一個半導體進行連接，第二次級線圈適于通過半導體和第二開關連接到低壓電容器，其中低壓電容器形成為電容器組(capacitorbank)。
[0006]由此，可以實現以低電壓對電容器組進行充電，從而降低了串聯連接的半導體上的高電壓降。因此，多個具有低壓要求的較小電容器可以并聯或串聯地進行耦合，以便獲得正確的電容容量。電容器組可以形成為SMT電容器的網格(grid)。
[0007]在本發明的優選實施例中，所述DC-DC變換器基于反激拓撲，其中，當第一開關閉合時，電流流過初級線圈，并且當第一開關斷開時，電流流過第一和第二次級線圈。由此，可以實現:與DC輸出功率無關地對電容器組進行充電。
[0008]在本發明的進一步優選實施例中，所述DC-DC變換器基于正激拓撲，其中，當第一開關閉合時，電流流過初級線圈和第一次級線圈，并且當第一開關斷開時，電流流過第二次級線圈，該第二次級線圈適于執行該變壓器的消磁。由此，可以實現:由對變壓器進行消磁而獲得的功率可以被用于對電容器組進行充電。
[0009]在本發明的進一步優選實施例中，第一開關被配置為在所述DC-DC變換器由低壓電容器進行供電的期間被斷開。由此，可以實現:如果由于DC輸出處的高功率需求而使得高壓電容器的電壓變低時，電容器組在電容器組充電期間使電壓保持在較高水平。
[0010]在本發明的進一步優選實施例中，第一和第二開關適于由控制器同時進行控制，以便獲得功率因數校正。由此，可以實現:通過增加變壓器的磁場來對電容器組進行充電。
[0011]在本發明的進一步優選實施例中，，電源還包括第三開關(S3)，該第三開關適于由控制器以下面這種方式進行控制:第三開關保持斷開，直到輸入供應電壓處于DC-DC變換器的操作的極限為止，并且在其它情況下，該第三開關閉合，以便向DC-DC變換器供電。由此，可以由控制器來控制低壓電容器組的放電。電容器組可以被充電，并且放電僅用于由控制器限定的需求。
[0012]本發明解決了有關AC輸入DC-DC變換器的短時間能量存儲的問題。傳統上，基于大電容器組(圖1中的Ci)的大能量存儲被用于在AC輸入電壓(由于過零)低于DC-DC變換器所要求的輸入電壓時避免DC-DC變換的擾動。該電容器組承受高額定電壓(典型地高于340V)和高容量的需求，從而導致電容器體積大、重量高、占用空間并且在SMT元件中無法使用。
[0013]本發明公開了一種使用低壓(典型地小于50V額定值)電容器組(圖2和3，Ci2)的技術，其在AC輸入電壓高于DC-DC電壓的最小輸入電壓期間被充電到高于DC-DC變換器的最小輸入電壓的適當電壓水平。所述電容器組(Ci2)將在輸入AC電壓(Vi)過零期間向DC-DC變換器提供能量。
[0014]本發明使得能夠在沒有大體積電容器的情況下設計出具有成本效益的電源。
[0015]應當注意，盡管附圖中涉及到隔離的反激和正激變換器拓撲，但是本發明并不限于后者，而是可以與輸入供應電壓是AC電壓的任何DC-DC變換器一起使用。
【附圖說明】
[0016]圖1a公開了非隔離DC-DC降壓變換器的現有技術基本原理。
[0017]圖1b公開了隔離的反激(flyback)DC-DC變換器的現有技術基本原理。
[0018]圖2公開了反激型DC-DC變換器。
[0019]圖3公開了正激(forward)型DC-DC變換器。
[0020]圖4a公開了AC輸入電壓。
[0021]圖4b公開了整流的AC輸入電壓。
[0022]圖4c公開了整流的電壓的分解視圖。
[0023]圖4d公開了平均輸出電流。
[0024]圖5公開了反激拓撲。
【具體實施方式】
[0025]圖1a公開了具有通用輸入電壓的非隔離DC-DC降壓變換器的現有技術基本原理，該非隔離DC-DC降壓變換器能夠處理AC電源和DC電源。充電電容器(Ci)需要足夠大，以保證DC-DC變換器在輸入AC電壓(Vi)跨過零電壓期間的正常運行。
[0026]圖1b公開了隔離的反激DC-DC變換器的現有技術基本原理。
[0027]圖2公開了反激型DC-DC變換器，其中Ci2是低壓電容器，其在輸入電壓(Vi)足夠高的期間通過開關(S2)和二極管(D3)進行充電，以確保DC-DC變換器的正常運行。在輸入AC電壓(Vi)過零期間，電容器組(Ci2)將通過二極管(D2)向DC-DC變換器提供能量。控制器(Conl)控制開關(SI)和開關(S2)，開關(SI)執行DC-DC變換的快速切換，開關(S2)控制電容器組的充電。
[0028]圖3公開了正激型DC-DC變換器，其中消磁繞組(N2)用于通過開關(S2)及二極管(D3)對電容器組(Ci2)進行充電。在電容器組(Ci2)向DC-DC變換器供電期間，二極管(D4)確保變壓器(Tl)的消磁。
[0029]圖4a公開了AC輸入電壓(Vi)。
[0030]圖4b公開了在沒有高壓充電電容器(Cil)的情況下出現的被整流的AC輸入電壓(VI，點線)，以及低壓電容器組上的電壓(V2，虛線)。
[0031]圖4c公開了整流的電壓(VI，點線)、低壓電容器組上的電壓(V2，虛線)和DC-DC變換器的輸入電壓(V3，實線)的分解圖。
[0032]圖4d公開了整流橋(Dl)的平均輸出電流(IDl，點線)以及從低壓電容器組供給能量的通過二極管(D2)的平均電流(ID2，虛線)。
[0033]圖5公開了反激拓撲，其中從低壓電容器功率組釋放能量的二極管(D2)已經與開關(S3)串聯，開關(S3)由控制器(Conl)進行控制。可以利用開關(S3)來優化儲存在低壓電容器組(Ci2)中的能量的使用。
[0034]本發明將使得能夠以成本有效的方式實現具有通用輸入電壓的低功率到中等功率的DC-DC變換器，該通用輸入電壓覆蓋從16VAC到240VAC(峰值340V)的AC輸入電壓或16VDC到300VDC的DC輸入電壓。可以用低壓SMT電容器來代替大體積、高電壓、通常含鉛的電容器。
[0035]下面描述功能。整流橋(Dl)在AC輸入電壓的情況下對輸入電壓(Vi)進行整流。在DC輸入電壓的情況下，橋中僅有兩個二極管將被導通。在現有技術中在AC輸入電壓的過零期間充當DC-DC變換器的能量貯存器的電容器(Ci)，在本實現方式中理論上可以被省略;然而，由于對傳導且發射的輻射的權威性要求，可能需要電容器(Ci)來降低開關(SI)的瞬態噪聲。盡管如此，與現有技術相比，可以顯著地減小電容以及其大小。
[0036]變壓器的初級繞組(NI)和次級繞組(N3)連同開關(SI)和整流二極管(D4)—起構成了傳統的反激拓撲。為了能夠對低壓電容器組(Ci2)進行充電，已經將第三充電繞組(N2)添加到變壓器(Tl)。根據輸入電壓電平規格、輸出電壓電平要求以及低壓電容器組的設計，每個繞組的線圈匝數必須被設計為考慮變壓器材料的磁性性能和第一開關(SI)的切換頻率的普通反激變換器。根據輸出功率要求和變壓器材料性能以及開關能力(帶寬)，開關
(SI)的切換頻率通常在50kHz至1MHz的范圍內。
[0037]在AC輸入電壓高于DC-DC變換器所需要的輸入電壓的時段期間，開關(S2)閉合，并且使得通過二極管(D3)對低壓電容器組(Ci2)進行充電。當開關(SI)斷開時，將僅對電容器組充電，并且當開關(SI)斷開時，輸出二極管(D5)將僅對輸出電容器(Co)充電。
[0038]控制器(Conl)控制兩個開關，其可以被實現為場效應晶體管，雙極或IGBT晶體管。控制器可以被實現為集成DC-DC控制器或微控制器。來自輸出電壓(Vo)的反饋可以由光耦合器來實現，以確保穩定的輸出電壓。
[0039]可以通過微控制器或通過監測二極管(D2)中的電流來控制對電容器組的充電進行調整的開關(S2)。如果電流在(D2)中流動，則開關(S2)是永久斷開的，因此避免了來自電容器組(Ci2)的不必要電流消耗。通過開關(S2)的智能控制，可以實現功率因數校正。
[0040]此外，為了更有效地使用低壓電容器組，從低壓功率組釋放能量的二極管(D2)可以與開關(S3，圖5)串聯設置，開關(S3)受控于控制器(Conl)并且保持斷開直到輸入電壓供應處于DC-DC變換器的操作的極限為止。通過開關(S3)的這種操作，低壓電容器組(Ci2)供電期間，DC-DC變換器被最小化，從而實現低壓電容器組的最大利用。
【主權項】
1.一種用于基于AC功率輸入(Vi)生成DC電壓和電流的電源，所述電源包括適于連接到AC功率輸入的至少一個整流器(Dl)，所述整流器適于連接到至少一個高壓電容器(Cil)，所述電源還包括至少一個低壓電容器(Ci2)，所述低壓電容器適于通過至少一個第一開關(SI)進行連接，所述高壓電容器適于連接到至少一個DC-DC變換器，所述DC-DC變換器包括至少一個變壓器(Tl)，所述變壓器包括至少一個初級線圈(NI)以及至少一個第一和第二次級線圈(N3，N2)，其特征在于，所述第一次級線圈適于通過至少一個半導體(D5)進行連接，所述第二次級線圈適于通過半導體(D3)和第二開關(S2)連接到所述低壓電容器，所述低壓電容器形成為電容器組。2.如權利要求1所述的電源，其中所述DC-DC變換器基于反激拓撲，其中當所述第一開關(SI)閉合時，電流流過所述初級線圈，并且當所述第一開關斷開時，電流流過所述第一和第二次級線圈。3.如權利要求1所述的電源，其中所述DC-DC變換器基于正激拓撲，其中當所述第一開關(SI)閉合時，電流流過所述初級線圈和所述第一次級線圈，并且當所述第一開關斷開時，電流流過所述第二次級線圈，所述第二次級線圈適于執行所述變壓器的消磁。4.如權利要求3所述的電源，其中所述第一開關被配置為:在所述DC-DC變換器由所述低壓電容器供電的期間斷開。5.如權利要求4所述的電源，其中所述第一開關和所述第二開關適于同時由控制器(Conl)進行控制，以便獲得功率因數校正。6.如權利要求5所述的電源，其中所述電源還包括第三開關(S3)，所述第三開關(S3)適于由所述控制器以下面這種方式進行控制:所述第三開關保持斷開，直到輸入供應電壓處于所述DC-DC變換器的操作的極限為止，并且在其它情況下，所述第三開關閉合，以便向所述DC-DC變換器供電。
【文檔編號】H02M3/335GK106059307SQ201610380223
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月8日
【發明人】K·G·尼爾森
【申請人】Pr電子股份公司