功率转换器的制作方法

专利名称：功率转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率转换器。更明确地说，本发明涉及一种AC/DC转换器。
背景技术：
功率转换器，且尤其是AC/DC功率转换器用于宽广范围的应用中。 一般来说，这 些功率转换器用于将传入的AC供电干线电压变换为一个或一个以上DC电压，所述DC 电压适于与由所述功率转换器负责供应电压的设备一起使用。在许多情况下，功率转换 器将把AC干线电压变换为若干DC线电压，例如在电子设备的情况中。当设计功率转 换器时，基本上考虑了两个主要考虑因素，即成本和效率。通常，在功率转换器设计的 大多数应用中存在成本/效率折衷。
例如个人计算机电源、服务器电源和电信设备电源的某些应用通常需要高效率的电 源，使得其中所含的相对较敏感的设备可依据充分标准操作。至今，这通常导致用于这 些类型的设备的电源的构造成本相对较昂贵。 一种用于此类设备的电源的构造的常用方 法要求提供升压预调节器接着是相移全桥的方法。然而，这种方法存在问题，因为其实 施起来往往相对较昂贵，同时仍不够高效(即，在卯％+效率范围内)。
因此，本发明的一目的是提供一种构造成本相对较便宜同时在使用时具有高效率的 功率转换器。本发明的另一目的是提供一种构造和制造起来相对较简单的功率转换器。

发明内容
根据本发明，提供一种功率转换器，其包括转换器输入、转换器输出、功率因数校 正(PFC)级和隔离级，其特征在于PFC级进一步包括降压PFC级，隔离级包括未经 调节的自驱动级，且功率转换器进一步包括预调节级，所述预调节级包括在降压PFC级 之后的中间降压级。
通过具有这种功率转换器，不再必须使用升压预调节器接着是相移全桥的方法或其 它类似方法。功率转换器实施三级方法，其中一对降压转换器一个跟在另一个之后，且 一隔离级跟在第二降压级之后。这被视为一种尤其简单的功率转换器配置，其构造起来 将相对较便宜同时提供具有卯％+效率的高效率的功率转换器。此功率转换器能够视所 使用的传导角度和波形而定在广范围的输入功率上遵守国际谐波电流顺从性标准。由于 使用降压PFC级，所以大容量电容器电压必须小于通常90伏(V)以确保低线电压下
适当的传导角度。因此，中间降压预调节级可在可使用肖特基二极管的电压电平下操作。 这些肖特基二极管具有实质上零的反向恢复电荷，且因此，中间降压级的操作频率有可 能增加。这有助于增加转换器的效率。
此外，当中间降压转换器正使用通常在60V到90V范围内的准固定输入电压以相 对较小的双线频率分量操作时，第二降压级的效率将非常高。此外，通常选择标称大容 量电容器电压与进入隔离级中的电压电平之间的范围以允许足够的停顿时间并处理大 容量电容器中的瞬变状况。通过在隔离级之前使用中间降压级，有可能应付可能发生反 向功率流动(如使用同步整流器时的情况)的状况。
最后，且非常重要的是，隔离级可经设计以获得最佳效率。隔离级可近似充当固定 比率DC变压器，且因此，可经容易地设计以实现零电压切换，以允许在转换器输出中 容易地部署自驱动同步整流器方法。所有这些实现一种高效率的相对较便宜的功率转换 器。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中使用低侧驱动来实施降压 PFC级。通过以低侧驱动操作降压PFC级，所述驱动尤其简单，且还允许在控制突入电 流方面颇有价值的相对较简单的峰值电流感测。此外，此方法减少对输入整流和滤波器 组件的压力，并增强功率转换器对电路瞬变的抗扰性。
在本发明的另一实施例中，提供- 种功率转换器，其'1'使用低侧驱动实施屮间降压 级，所述驱动取自大容量电容器的低侧的电压Vin,ermediate。以此方式，中间降压级也可 具备低侧驱动和低侧电流感测。因此可在隔离级的高侧以高侧轨道为基准的情况下部署 隔离级。此特定配置将允许对于中间降压级的简单控制。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中隔离级进一步包括50%-50% 工作循环双端级。优选地，可使用自驱动同步整流器来实施隔离级。通过具有50%-50% 工作循环双端级，隔离级近似充当固定比率DC变压器。隔离级可经设计以实现零电压 切换，并允许容易地部署自驱动同步整流器方法。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中所述功率转换器进一步包括 输入滤波器级和输入整流级。优选地，借助全桥整流器提供输入整流级。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中降压PFC级包括大容量电容 器，所述大容量电容器以高侧轨道为基准。这被视为功率转换器降压PFC级的相对便利 的配置，其将允许驱动器电路以低侧轨道为基准，藉此增强对降压PFC级的控制。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中提供用于以差动方式感测大 容量电容器电压的构件。预计所述用于以差动方式感测大容量电容器电压的构件包括差
动放大器。或者，所述用于以差动方式感测大容量电容器电压的构件可包括作为低成本 电流源操作的PNP晶体管。在另一替代实施方案中，所述用于以差动方式感测大容量电 容器电压的构件可包括光耦合器。这些用于以差动方式感测大容量电容器电压的构件的 每一者被视为是有效且有用的，且最终选择将取决于总体功率转换器的成本和分辨率要 求。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中以线性方式感测大容量电容 器电压。或者，可以非线性方式感测大容量电容器电压。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中降压PFC包括降压开关，且 用于降压开关的控制算法是箝位电流方法。或者，降压PFC包括降压开关，且用于降压 开关的控制算法是截顶正弦曲线方法。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中使用跳跃模式PWM控制器 来操作降压PFC级。通过使用跳跃模式PWM控制器来控制PFC级，有可能实现功率转 换器的优良无负载消耗，且因此有可能保持输入功率因数校正级始终接通。这允许从大 容量电容器获得备用电源。因此，可优化备用电源效率，因为从在DC电平附近通常在 60V到90V范围内的相对较窄区域中变化的电压馈给所述电源。这允许在备用电源电路 中使用相对较低电压FET装置，且还含有轻负载功率损失并优化主动模式效率。这进-步促进使用同步整流器(如果其使用是适当的，例如当需要高电流备用电源时)。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中降压PFC包括降压开关，且 降压PFC以直接定位到降压开关的源极端子处的电压的信号来驱动。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中中间降压级使用低侧电流感 测来操作。这被视为一种控制中间降压级的尤其简单的方式。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中使用肖特基二极管来操作中 间降压级。肖特基二极管将具有实质上零的反向恢复电荷，且通过在中间降压级中使用 肖特基二极管，中间降压级的频率可显著增加，藉此增强中间降压级的效率且因此改进 总体转换器效率。中间降压级的效率增加将对隔离级具有迸一步的连锁益处。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中中间降压级在大约40%的向 下转换模式中操作。通过使中间降压级在大约40%的向下转换模式中操作，与输入电压 到输出电压的范围成反比的中间大容量转换器的效率将大大增强。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中通过控制中间降压级的工作 循环来控制总体功率转换器输出。这被视为控制总体功率转换器输出的尤其有效的方 式。以此方式，隔离级可作为未经调节的固定DC/DC转换器而操作。因此，可容易地 设计隔离级以实现零电压切换，并允许在转换器输出轨道上容易地部署自驱动同步整流 器方法。在降压级之后的自驱动同步整流器方法在应付反向功率流动状况的情境下以及 在故障状况下是有利的。
在本发明的另一实施例中，使用电流模式控制来控制中间降压级的工作循环。或者， 使用电压模式控制来控制中间降压级的工作循环。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中中间降压级进一步包括中间 降压开关，且用直接以中间降压开关的源极端子处的电压为基准的信号来驱动中间降压 级。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中隔离级高侧以功率转换器的 高侧轨道为基准。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中隔离级作为固定比率DC/DC 变压器而操作。这导致改进功率转换器的总体效率的隔离级的特别简单的实施方案。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中隔离级经配置以实现零电压 切换。
在本发明的另- 实施例中，提供--种功率转换器，其中隔离级经配置以允许在转换 器输出上部署自驱动同步整流器。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中隔离级具备平衡绕组。通过 具有带有平衡绕组的隔离级，在许多情况下排除对于变压器中的屏蔽层的需要是可行 的。优选地，使用全桥方法来实施平衡绕组。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中隔离级次级绕组经配置以确 保无声箔终端邻近于初级绕组。优选地，釆用使用冗余中心接头的全桥次级绕组。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中隔离级次级绕组缠绕在内部 初级绕组周围，且有冗余中心接头的次级绕组的无声节点被定位成邻近于内部初级绕 组。优选地，次级绕组的自由端子连接到输出整流器元件。此外，预计可提供虚设的半 匝部分，其连接到无声次级部分以使功率转换器中的噪声最小化。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中使用交叉耦合自驱动方法来 实施隔离级。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中提供备用电源电路，备用电 源电压取自降压PFC级的大容量电容器。以此方式，可优化备用电源效率，因为通常从 60V到90V范围内的电压馈给所述电源。这允许使用低电压场效应晶体管(FET)装置， 且所述有限操作范围含有轻负载功率损失并优化主动模式效率，藉此促进使用同步整流
器(如果其使用是适当的，例如当需要高电流备用电源时)。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中提供用于保持功率转换器的 高侧轨道相对于系统接地无声的构件。优选地，所述用于保持功率转换器的高侧轨道相 对于系统接地无声的构件包括在低侧线上放置差动模式滤波器。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中提供高侧散热片，其直接连 接到功率转换器的一个或一个以卜.二极管的阴极连接。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中通过在隔离级处使用积分循 环控制算法来代替中间降压级。
根据本发明，提供一种功率转换器，其包括降压预调节器和负载，所述降压预调节 器包括输入、输出、开关、降压电感器和整流装置，所述负载连接到降压预调节器的输 出，所述功率转换器进一步包括控制器以对降压预调节器的开关提供驱动，所述功率转 换器的特征在于，开关经配置使得开关的端子实质上处于由控制器共享的共同轨道处。 端子可以是开关的源极和发射极中的一者。
通过具有此类功率转换器，控制器能够在没有任何复变压器耦合的情况下直接驱动 开关。这导致控制电路和功率转换器本身的成本的显著减小。此外，通过具有此类配置， 有可能避免必须为主受控开关提供"高侧"驱动，这显著简化了对功率转换器的控制。
在本发明的 个实施例中，提供一种功率转换器，其进一步包括借助连接在适当共 同轨道与开关之间的电阻器提供的电流感测电路。这被视为功率转换器的尤其有用的配 置，因为可以非常低的成本容易地实施电流感测功能。所述方法与控制器集成电路的较 普通结构兼容。这导致功率转换器的显著益处。电阻器的有用替代物将是变流器，其也 允许以相对较简单的方式感测电流。变流器将不具有与与电阻器相同的与之相关联的损 失，且将进一步改进效率。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中开关是场效应晶体管(FET)， 且FET的源极实质上处于共同轨道处。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中开关是双极装置，且双极装 置的发射极实质上处于共同轨道处。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中整流装置是二极管。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中整流装置是受控整流器。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中负载是总体功率转换器的隔 离级。装置的负载可以正输入轨道为基准。这被视为尤其优选的，因为功率转换器的此 配置允许隔离级在最佳条件下操作，藉此其将促进同步整流器的自驱动操作，这尤其适
于其中需要高效率的功率转换器。预计隔离级可以是电压馈给级或实际上可以是电流馈 给级。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中提供用于感测馈给到输出的 中间电压的构件。通过具有用于感测馈给到输出的中间电压的构件，功率转换器可显著 改进瞬态响应。这被视为合乎需要的。
在本发明的另一实施例中，提供一种功率转换器，其中所述用于感测馈给到输出的 中间电压的构件是借助在输入轨道与预调节器级的输出电压之间的差动感测功能提供 的。在一个实施例中，差动感测功能包括PNP晶体管。这是用于感测馈给到输出的中间 电压的构件的简单配置。
在本发明的一个实施例中，提供一种功率转换器，其中进一步提供连接到降压预调 节器级的输入并对其进行馈给的降压功率因数校正级。预计所描述的功率转换器可适当 地与功率转换器中的若千级以级联方式连接。与功率转换器的其它组件以级联方式连接 的降压功率因数校正级被视为十分有用的实施方案。


现将参看附图从仅以实例形式给出的本发明的一些实施例的以下描述中更清楚地 理解本发明，附图中
图1是根据本发明的功率转换器的图解、部分示意表示；
图2 (a)、 2 (b)和2 (c)是根据本发明的功率转换器中使用的各种差动感测构件 的示意表示；
图3是用于增强电磁兼容性性能的功率转换器的替代构造的图解、部分示意表示； 图4是与根据本发明的功率转换器一起使用的变压器绕组的配置的图解表示 图5是此项技术中已知的具有降压预调节级的功率转换器的图解表示；以及 图6是根据本发明的具有降压预调节器的功率转换器的示意表示。
具体实施例方式
参看附图，且首先参看附图的图l,展示一般由参考标号1指示的功率转换器，其 包括转换器输入3、转换器输出5、借助降压PFC级提供的功率因数校正(PFC)级7、 隔离级9，和跟在降压PFC级7之后的中间降压预调节级11。功率转换器1进一步包括 输入滤波电路13和借助全桥整流器15提供的输入整流级。功率转换器进一步包括散热 片17、备用电路19和输出感测单元21。
降压PFC级7进一步包括降压开关23、降压开关控制器25、降压二极管27和降压
电感器29，其对大容量电容器31进行馈给。中间降压预调节级11进一步包括降压开关 33、降压驱动器35、降压二极管37和降压电感器39，其又对中间大容量电容器41进 行馈给。提供差动感测单元43以监视中间大容量电容器41上的电压并将输出提供到降 压驱动器35。降压驱动器35进一步从输出感测单元21接收输入。隔离级9又包括具有 变压器初级47和变压器次级49的变压器45。隔离级是具有50%-50%工作循环的双端 未经调节自驱动级51。隔离级的输出传递到输出同步整流器(未图示)。
降压PFC级7具备低侧驱动和低侧电流感测，且大容量电容器31的正端子连接到 来自全桥整流器15的高侧线。降压开关控制器25对降压开关23的控制算法为箝位电 流方法或截顶正弦曲线方法。电阻器24连接在降压开关与共同轨道之间。作为电阻器 的替代，可使用变流器。预计还可预计其它控制算法。由于大容量电容器31电压经配 置使得正端子连接到全桥整流器15的高侧，且控制电路便利地以全桥整流器输出的低 侧为基准，且因此大容量电容器31电压需要以差动方式来感测。需要这样做以实现正 常控制功能以及电容器的过电压保护。中间降压预调节级U的驱动取自低电容器轨道 53,称为V,NTERMEDIATE。中间降压预调节级11进一步具有低侧电流感测。电阻器34连 接在降压开关33与共同轨道53之间。作为电阻器的替代，可使用变流器。在高侧以总 体功率转换器的高侧轨道为基准的情况下部署隔离级9。
降压二极管37可由肖特基二极管提供，其将使中间降压预调节级11的操作频率能 够增加。此外，由于中间降压预调节级U在90V或更小的范围内或附近的低电压下操 作，所以中间降压预调节级11的频率也可增加。因此，由于到达中间降压预调节级11 的输入电压为准固定的事实，增强了效率。通常，到达中间降压级的输入在相对较小的 双线频率分量的情况下在60V到90V范围内。电压量值的向下转换通常约为40%'也 许从83V到50V,其对应于级中的高效率，因为降压级的效率与其必须处理的输入到输 出电压的范围成反比，且此情境下设计的降压转换器可能确实非常有效率。通常选择标 称大容量电容器电压与进入隔离级中的电平之间的范围以允许足够的停顿时间并处理 大容量电容器上的瞬变状况。此外，通过在此位置中使用降压级'其在应付反向功率流 动可能发生的状况时也是有用的，因为尤其当使用同步整流器时反向功率流动可能是一 个危险。
可通过使用电压模式控制或电流模式控制改变中间降压级的工作循环来实现对总 体转换器输出电压的控制。以此方式，隔离级可近似充当固定比率DC变压器。隔离级 可经设计以实现最佳效率且可被容易地设计以实现零电压切换并允许在转换器输出5上 容易地部署自驱动同步整流器方法。降压级之后的自驱动同步整流器方法在应付反向功
率流动状况的情境下以及在电压故障状况下是有利的。
预计可使用跳跃模式PWM控制器来控制输入降压PFC级，此提供优良的无负载消 耗特性。此外，将输入PFC级始终保持接通并从大容量电容器获得此类型的功率转换器 中通常所需的备用电源是可行的。备用电源19连接在大容量电容器31上。因此，备用 电源效率可被优化，因为将从在DC电平附近通常在60V到卯V范围内的相对较窄区域 中变化的电源电压馈给所述电源。以此方式，有可能使用200V FET装置，且有限操作 范围含有光负载功率损失并优化主动模式效率，从而促进同步整流器的使用，同步整流 器的使用在需要高电流备用电源的情况下是适当的。
在不损失一般性的情况下，构思升压或回授元件可包含在降压RFC与大容量电容器 之间。这可允许在所有线角上取得电流且可允许使用较高大容量电容器电压。因此，本 发明不必限于在60V到90V范围的大容量电容器电压中的操作。
参看包含于附图中的图2 (a)到2 (c)，展示用于差动感测的二个单独构件，其可 依据功率转换器所需的成本和分辨率来实施。图2 (a)展示具有运算放大器61的差动 放大器配置。图2 (b)展示可经配置以提供量值与电容器电压成比例的低成本电流源的 PNP晶体管63。最后，在图2 (c)中，展示包含齐纳二极管65的光耦合器配置。电压 感测的类型是线性的，如回路控制通常所需；或非线性的，如过载状况的检测通常所需。
现参看附图的图3，其展示可增强转换器的电磁兼容性(EMC)性能的功率转换器 的替代配置。在此实施例中，可提供中间降压级，或者可使用适当积分循环算法代替中 间降压预调节级来操作隔离级。在所示的实施例中，与已经描述的零件类似的零件由相 同参考标号识别，相对于总体系统接地，使高侧轨道71保持在噪声电压方面相对安静。 这是通过将差动模式滤波置于低侧线73上来实现，散热片n直接连接到功率转换器的 二极管的接头(另外称为阴极连接)。以此方式，消除了与基于垫圈的连接相关联的危 险。如果使用具有适当平衡绕组的隔离级(例如，全桥整流器方法)，那么这将在大多 数情况下消除对于变压器中的屏蔽层的需要。还提供电流感测装置72。
参看附图的图4，其展示与具有改进的电磁兼容性性能的功率转换器一起使用的变 压器的尤其适宜的构造的平面图。所述变压器包括核心材料部分81、 83和85以及围绕 核心部分83的初级绕组87。在此方法中，以一方式设计次级绕组以确保无声箔终端邻 近于初级绕组87。次级绕组是具有冗余中心接头的中心有接头的全桥绕组。因此，存在 一对次级绕组89和91。可在所述对次级绕组89、 91之间提供链接93。虚设的半匝部 分95提供在无声次级部分上以使来自此来源的噪声最小化。通过具有带有冗余中心接 头的有接头的全桥次级绕组，有可能维持无声箔较接近初级绕组。绕组的自由端子连接
到适当整流器装置(未图示)并被给予适当输出电压，使用交叉耦合的自驱动方法是可 行的。
此外，存在许多配置功率转换器以适合对于功率转换器的特定应用的要求的方法。 在许多情况下，需要设计具有在最佳条件下操作的隔离级的功率转换器。这些最佳条件 通常对应于双端操作，其中每一开关在50%的工作循环下操作。此操作模式促进同步整 流器的自驱动操作，且尤其适合需要较高效率的功率转换器。通常，可用于向功率转换 器供应的电压是可变的，且提供预调节器级以调节输入电压使得隔离级可在最佳条件下 操作同时提供所需的输出电压值。已发现，适于此应用的尤其有用的预调节器是所谓的 降压预调节器。
一般来说，降压预调节器包括开关，其经控制以使对于降压电感器的输入供应换向。 提供二极管以允许降压电感器的放电或自转。降压级的输出对通常包括半桥或全桥级的 隔离级进行馈给。在这些情况下，通常使用变压器耦合的门驱动器。因此，向降压预调 节器开关提供驱动，且其通常称为"高侧"驱动，其中切换装置(其可能是FET或双极 装置)的一部分直接连接到切换节点。然而，已知类型的降压预调节器电路存在显著困 难。举例来说，为装置实施此"高侧"驱动方案相对较复杂且/或代价较大。通常，所述 驱动方案将需要专用高压集成电路或必须经特殊设计以在广范围的工作循环操作条件 下操作的变压器。此外，也较难以按与大多数控制器集成电路的要求兼容的方式获得电 流感测信息。
参看图5，展示现有技术功率转换器，其通常由参考标号101指示，包括输入电源 103、负载105和连接在其间的降压预调节器107。降压预调节器107进一步包括输入、 输出、开关109、降压电感器Ul和整流装置113。进一步提供控制器115以提供对开关 109的驱动。开关109的源端子117连接到切换节点119。
在使用中，开关109使对于降压电感器111的输入供应换向，且整流装置113允许 降压电感器111的放电或自转。降压级的输出对负载105进行馈给。通常此负载可以是 包括半桥或全桥级的隔离级，且在这些情况下通常使用变压器耦合的门驱动器。开关具 备高侧驱动。开关109通常也由可变工作循环驱动器驱动。为了实施对于此功率转换器 的驱动方案，有必要提供专用高电压集成电路(未图示)或必须经特殊设计以在广范围 的工作循环操作条件下操作的变压器(未图示)。这导致要求实施起来相对较复杂且代 价较大的驱动方案的装置。此外，以与大多数集成电路的要求兼容的方式从这种已知类 型的装置获得电流感测信息极其困难。
现参看附图的图6，其展示根据本发明的预调节功率转换器，其通常由参考标号121
指示。功率转换器121包括输入电压源123、降压预调节器125和负载127。降压预调 节器125包括输入、输出、开关129、降压电感器131和借助二极管133提供的整流装 置。负载127连接到预调节器的输出。进一步提供控制器135以提供对降压预调节器的 开关129的驱动。开关129经配置使得开关(在此情况下为FET)的源端子137实质上 处于由控制器135共享的共同轨道139处。功率转换器进一步包括借助电阻器141提供 的电流感测电路，电阻器141连接在共同轨道139与开关129之间。在所展示的实施例 中，负载127实际上由功率转换器的隔离级提供。隔离级是电压馈给级。
功率转换器121进一步包括借助差动感测功能提供的用于感测馈给到输出的中间电 压的构件，所述差动感测功能通常由参考标号143指示，其定位在输入轨道与预调节器 级的输出电压中间。差动感测功能143包括PNP晶体管145以及多个电阻器147a、147b、 147c和147d。
在使用中，控制器135在没有任何变压器耦合的情况下直接提供对开关129的驱动。 电感器131连接到FET开关129的集极149。负载127以正输入轨道151为基准。通过 使用此电路，有可能通过测量电阻器141上形成的电压以简单的方式感测电流。
如先前提及的负载127实际上是功率转换器的隔离级。隔离级的输入级通常是半桥 或全桥输入级，且连接并以正输入轨道为基准。此级中的所有开关(未图示)均需以源 极或发射极均与共同轨道断开连接的方式被驱动。然而，向此类装置提供变压器耦合驱 动相对较直接，因为所有装置均在近似50%的标称工作循环内操作，因此允许实现在所 述级以共同轨道为基准的情况下所要求的简单的变压器构造技术。
差动感测功能143位于输入高轨道151与预调节器级125的输出电压之间。这允许 测量馈给到隔离级的中间电压，此可显著改进功率转换器的瞬态响应。可通过来自功率 转换器的总体反馈而实现最后调节。因此，本质上，有可能通过差动感测实行相对粗略 的感测，以及随后通过输出电压感测来实行较准确的感测。
可对电路作出各种修改，同时仍在本发明的精神的范围内。举例来说，功率转换器 可具备以级联方式配置的额外级。举例来说，预计可提供对降压预调节器级的输入进行 馈给的降压功率因数校正电路(未图示)。此外，替代组件也可以级联方式配置，如熟 练的技术人员将了解。此外，所描述的设计假定存在正输入轨道，但将了解，如果与所 述装置一起使用负轨道且提供具有适宜极性的控制器，则所述分析是同等有效的。此外， 预计可与连接到共同轨道的双极装置的发射极一起使用双极装置而非FET。
在所展示的实施例中，输出级已被描述为电压馈给级，但此分析也可应用于电流馈 给隔离级的情况，且不希望限于电压馈给隔离级。预计用于隔离级的驱动器变压器内可
能需要较高隔离规格，但这通常可以最小程度或无额外成本的情况下获得。此缺点的重 要性远比不上避免对于主控制开关的高侧驱动和简单的电流感测方法的净利益。在所展 示的实施例中，用于检测中间电压的在高输入轨道与预调节器级的输出电压之间的差动 感测功能包括简单的PNP晶体管，其允许提供所需水平的准确性。在所展示的实施例中， 部分由于N通道组件的廉价性而使用正轨道。倘若P通道组件的成本在适当的时候减少， 则当然可使用负轨道，以不进行电流感测的轨道作为基准。也可使用熟练的技术人员已 知的其它类似方法，如所属领域的技术人员将了解。最后，所描述的实施例中的负载是 功率转换器的隔离级。在某些情况下，可能需要非隔离负载，在此情况下，可提供在降 压输出与高侧轨道之间负载的直接放置。
将了解，在使用降压导出的PFC级时，且更一般地在其中提供突入电流限制的任何 电路中，通过对大容量电容器进行馈给的二极管箝制浪涌电压的性质将不可实现。为了 实现有效的箝制，因此有必要使用显著过大的变阻器型元件。作为此变阻器型元件的替 代物，有可能使用与例如固体放电管/半导体放电管(Sidactor) (RTM)范围等闸流晶体 管型箝位装置串联的较小的变阻器。以上装置将放置成邻近于桥，在输入轨道上的AC 侧或DC侧。此双重方法确保了通常有必要用于保护降压型PFC级的元件的较低箝位电 压。另一变阻器可放置在高电压轨道与共同轨道之间以便使可能由于差动模式滤波器扼 流圈与输入电容谐振而发生的振铃(ringing)最小化。
将了解，降压PFC级可在突发模式下操作。此外，剩余功率系元件也可在突发模式 下操作。己以申请人自身共同待决的第WO 2006/046220号PCT专利申请案中描述的方 式处理且处置与突发模式操作相关联的一些问题，所述专利申请案的全部揭示内容，且 明确地说与突发模式操作相关的内容以引用的方式并入本文中。最后，预计具有上文描 述的低侧驱动的降压PFC级可也与其它常规拓扑隔离而使用，而不是上文概述的三级方 法，且确实觉察到存在许多将本文描述的降压PFC级与其它常规拓扑一起实施的益处。
在本说明书中，术语"包括"或其任何变型以及术语"包含"或其任何变型被认为 是完全可互换的，且其应被赋予最广泛的可能的解释。
本发明不限于上文描述的实施例，而是可在权利要求书的范围内在构造和细节两个 方面变化。
权利要求
1.一种功率转换器(1)，其包括转换器输入(3)、转换器输出(5)、功率因数校(PFC)级(7)和隔离级(9)，其特征在于所述PFC级(7)进一步包括降压PFC级，所述隔离级(9)包括未经调节的自驱动级，且所述功率转换器进一步包括预调节级(11)，所述预调节级包括在所述降压PFC级(7)之后的中间降压级。
2. 根据权利要求1所述的功率转换器(1)，其中使用低侧驱动来实施所述降压PFC 级(7)。
3. 根据权利要求1或2所述的功率转换器(1)，其中使用低侧驱动实施所述中间降压 级(11)，所述驱动取自大容量电容器的低侧的电压Vintemediale。
4. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述隔离级(9)进一步包括 50%-50%工作循环双端级。
5. 根据权利要求4所述的功率转换器(1)，其中所述隔离级(9)使用自驱动同步整 流器来实施。
6. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述功率转换器进一步包括输 入滤波器级(13)和输入整流级(15)。
7. 根据权利要求6所述的功率转换器(1)，其中借助全桥整流器而提供所述输入整流 级(15)。
8. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述降压PFC级(7)包括大 容量电容器(31)，所述大容量电容器以高侧轨道为基准。
9. 根据权利要求8所述的功率转换器(1)，其中提供用于以差动方式感测所述大容量 电容器(31)电压的构件(43)。
10. 根据权利要求9所述的功率转换器(1)，其中所述用于以差动方式感测所述大容量 电容器(31)电压的构件包括差动放大器。
11. 根据权利要求9所述的功率转换器(1)，其中所述用于以差动方式感测所述大容量 电容器电压的构件包括作为低成本电流源操作的PNP晶体管(63)。
12. 根据权利要求9所述的功率转换器(1),其中所述用于以差动方式感测所述大容量 电容器电压的构件包括光耦合器。
13. 根据权利要求9到12中任一权利要求所述的功率转换器(1)，其中以线性方式感 测所述大容量电容器电压。
14. 根据权利要求9到12中任一权利要求所述的功率转换器(1)，其中以非线性方式 感测所述大容量电容器电压。
15.根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述降压PFC (7)包括降压开关(23),且用于所述降压开关的控制算法是箝位电流方法。
16.根据权利要求1到14中任一权利要求所述的功率转换器(I),其中所述降压PFC(7)包括降压开关(23)，且用于所述降压开关的控制算法是截顶正弦曲线方法。
17. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1),其中使用跳跃模式PWM控制器来 操作所述降压PFC级(7)。
18. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述降压PFC (7)包括降压 开关(23)，且用直接以所述降压开关的源极端子处的电压为基准的信号来驱动所 述降压PFC。
19. 根据权利要求3所述的功率转换器(1)，其中所述中间降压级(11)使用低侧电流 感测来操作。
20. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1),其中使用肖特基二极管来操作所述 中间降压级(11)。
21. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其屮所述中间降压级(11)在大约 40%的向下转换模式中操作。
22. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(l)，其中通过控制所述中间降压级(11) 的工作循环来控制所述总体功率转换器输出(5)。
23. 根据权利要求22所述的功率转换器(1)，其中使用电流模式控制来控制所述中间 降压级(11)的所述工作循环。
24. 根据权利要求22所述的功率转换器(1)，其中使用电压模式控制来控制所述中间 降压级(11)的所述工作循环。
25. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述中间降压级(11)进一步 包括中间降压开关(33)，且用直接以所述中间降压开关的源极端子处的电压为基 准的信号来驱动所述中间降压级。
26. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述隔离级(9)高侧是以所 述功率转换器的所述高侧轨道为基准。
27. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1),其中所述隔离级(9)作为固定比 率DCDC变压器而操作。
28. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述隔离级(9)经配置以实 现零电压切换。
29. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1),其中所述隔离级(9)经配置以允 许在所述转换器输出上部署自驱动同步整流器。
30. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1),其中所述隔离级(9)具备平衡绕 组。
31. 根据权利要求30所述的功率转换器(1)，其中使用全桥方法来实施所述平衡绕组。
32. 根据权利要求31所述的功率转换器(1)，其中所述隔离级(9)次级绕组经配置以 确保无声箔终端邻近于初级绕组(87)。
33. 根据权利要求31或32所述的功率转换器U)，其中采用使用冗余中心接头的全桥 次级绕组。
34. 根据权利要求33所述的功率转换器(1)，其中所述次级绕组(89、 91)缠绕在内 部初级绕组周围，且所述有冗余中心接头的次级绕组的无声节点定位成邻近于所述 内部初级绕组。
35. 根据权利要求33或34所述的功率转换器(1)，其中所述次级绕组的自由端子连接 到输出整流器元件。
36. 根据权利要求32到35中任一权利要求所述的功率转换器(1 )，其中提供虚设的半 匪部分(95),其连接到所述无声次级部分以使噪声最小化。
37. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中使用交叉耦合自驱动方法来实 施所述隔离级(9)。
38. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中提供备用电源电路(19)，备 用电源电压取自所述降压PFC级(7)的所述大容量电容器(31)。
39. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中提供用于保持所述功率转换器 的所述高侧轨道相对于系统接地无声的构件。
40. 根据权利要求39所述的功率转换器(1),其中所述用于保持所述功率转换器的所 述高侧轨道相对于所述系统接地无声的构件包括在低侧线上放置差动模式滤波器。
41. 根据权利要求39或40所述的功率转换器(1),其中提供高侧散热片，其直接连接 到所述功率转换器的一个或一个以上二极管的阴极连接。
42. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中通过在所述隔离级(9)处使 用积分循环控制算法来代替所述中间降压级(U)。
43. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中在适当轨道与所述降压PFC 级开关(23)之间提供电阻器和变流器中的一者。
44. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中在适当轨道与所述中间降压开关(33)之间提供电阻器和变流器中的一者。
45. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1),其中提供安装在所述输入轨道上的 箝位电路。
46. 根据权利要求45所述的功率转换器(1)，其中所述箝位电路包括变阻器型元件。
47. 根据权利要求46所述的功率转换器(1)，其中进一步提供与所述变阻器串联的闸 流晶体管型箝位装置。
48. 根据权利要求45到47中任一权利要求所述的功率转换器(1)，其中提供放置在所 述高电压轨道与所述共同轨道之间的另一变阻器。
49. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述降压PFC级在突发模式 下操作。
50. 根据任何前述权利要求所述的功率转换器(1)，其中所述功率系元件在突发模式下 操作。
51. —种功率转换器(l)，其包括如本文中参考附图所描述且如所述附图所说明的具有 低侧驱动的降压功率因数校正电路，其后为常规拓扑。
全文摘要
本发明涉及一种功率转换器(1)，其包括转换器输入(3)、转换器输出(5)、功率因数校正(PFC)级(7)和隔离级(9)。PFC级(7)借助具有低侧驱动和低侧电流感测的降压PFC来实施。提供第三级，即中间降压预调节级(11)，其在降压PFC级(7)与隔离级(9)中间。通过改变中间降压预调节级(11)的工作循环来实现功率转换器输出电压的控制，且因此，隔离级(9)可以是作为固定DCDC电压转换器操作的未经调节级。隔离级(9)作为50％-50％工作循环双端级而操作。功率转换器的配置实现具有90％+效率和简化控制的相对便宜、高效率的转换器。
文档编号H02M1/42GK101351949SQ200680046369
公开日2009年1月21日 申请日期2006年10月10日 优先权日2005年10月10日
发明者乔治·扬, 加里·汤姆林斯, 迈克尔·约翰·巴里, 雅各布斯·马蒂纳斯·巴纳德 申请人:科梅奇技术有限公司