专利名称：谐振功率转换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种谐振功率转换器，更特定来说，涉及一种具有半桥和全桥操作的
谐振功率转换器及其控制方法。
背景技术：
谐振功率转换器是高效的功率转换器。其现有技术可在Yang等人的第7， 313， 004号美国专利"用于谐振功率转换器的切换控制器(Switchingcontroller for resonantpower converter)"中找到。谐振功率转换器的缺点是其较窄的操作范围。其无法在较广的输入电压范围中操作。
发明内容
本发明的目标是提供解决这一问题的控制方案。其允许谐振功率转换器可在较广的输入范围中操作。本发明提供一种具有半桥和全桥操作的谐振功率转换器及其控制方法。 根据本发明的一示范性实施例，提供一种具有半桥和全桥操作的谐振功率转换器。谐振功率转换器包含全桥电路、控制电路，以及功率因数校正(Power FactorCorrection,PFC)电路。全桥电路响应于切换信号而切换功率转换器。经耦合以接收反馈信号和输入信号的控制电路产生切换信号。反馈信号与功率转换器的输出有关，且输入信号与全桥电路的输入电压有关，其中全桥电路在输入信号低于阈值时操作为全桥切换，且全桥电路在输入信号高于所述阈值时操作为半桥切换。PFC电路产生全桥电路的输入电压。
为了使本发明的特征和优点易于理解，下文详细描述附有附图的优选实施例。
应理解，以上大体描述和以下详细描述均为示范性的，且希望提供对所主张的本发明的进一步解释。
包含附图以提供对本发明的进一步理解，且所述附图被并入本说明书并构成本说
明书的一-部分。所述
本发明的实施例，且与描述一起用以解释本发明的原理。图1示出了根据本发明的优选实施例的功率转换器。图2为控制电路的优选实施例。图3示出了延迟电路的示意图。图4为PFC控制电路的优选实施例。图5为根据本发明的切换电路的优选实施例。图6为根据本发明的电压控制振荡器的电路示意图。图7示出了模式启用电路。图8A到图8D示出了半桥切换的操作。图9A到图9D示出了全桥切换的操作。
图10示出了增益的实例。
具体实施例方式
现详细参考本发明的当前实施例，所述实施例的实例说明于附图中。只要可能，在图中和描述中使用相同参考编号来指代相同或相似的部分。 图1示出了根据本发明的优选实施例的功率转换器。电容器45和电感装置(例如变压器10和其寄生电感器15)形成谐振回路(resonant tank)。晶体管20、25和30、35形成用以切换谐振回路的全桥电路。两个整流器81和82从变压器10的二级绕组连接到输出电容器85，用于在电容器85处产生输出V。。控制电路100产生切换信号SA、 SB、 Sc、 SD以分别控制晶体管20、25、30、35。切换信号SA与切换信号SB对比。切换信号Sc与切换信号S。对比。在接通与断开切换信号SA、Se、Sc、S。之间产生延迟时间(停滞时间(dead time))。切换信号SA、 SB、 Se、 SD的切换频率根据用于调节输出V。的反馈信号VFB而变化。齐纳二极管(zener diode) 91、电阻器92和光耦合器95形成耦合到功率转换器的输出V。以产生反馈信号V^的反馈电路。 控制电路100进一步经耦合以接收输入信号Vp，用于产生切换信号SA、 SB、 Sc、 SD。电阻器51和52形成耦合到全桥电路的输入电压VPFe以产生输入信号VP的分压器。全桥电路在输入信号VP低于阈值时操作为全桥切换。全桥电路在输入信号VP高于阈值时操作为半桥切换。图8A到图8D中示出了半桥切换的操作。图9A到图9D中示出了全桥切换的操作。线电压信号V^耦合到控制电路100。全桥电路在线电压信号V^低于第二阈值时操作为全桥切换。全桥电路在线电压信号V^高于第二阈值时操作为半桥切换。通过电阻器61，由功率转换器的线输入电压VAC产生线电压信号VIN。 此外，电感器60、晶体管50、整流器55、电容器70形成用以产生全桥电路的输入电压VPFC的PFC电路。PFC电路将在线电压信号VIN低于第二阈值时产生第一输入电压VPFC1。PFC电路将在线电压信号V^高于第二阈值时产生第二输入电压Vp^。第二输入电压Vp^高于第一输入电压VPFC1。 图2为控制电路100的优选实施例。控制电路100包含经耦合以接收线电压信号VIN以用于产生控制信号MODE的检测电路。比较器110、电阻器120、延迟电路150和"与"门160形成检测电路。 一旦线电压信号V^低于阈值信号Vn，将产生控制信号MODE以便启用全桥切换。延迟电路150提供用于产生控制信号MODE的反跳。PFC控制电路200经耦合以接收输入信号VP和控制信号MODE，用于产生PFC切换信号Sp。 PFC切换信号SP经耦合以切换晶体管50和调节PFC电路的输出。PFC电路的输出为全桥电路的输入电压V^。切换电路300经耦合以接收反馈信号V吣输入信号VP和控制信号MODE，用于产生切换信号SA、SB、 Sc、 SD。切换信号SA、 SB、 Sc、 SD分别经耦合以切换晶体管20、25、30、35。切换信号SA、 SB、Sc、 SD的频率响应于反馈信号VFB而变化。 图3示出了延迟电路150的示意图。反相器171、晶体管172、恒定电流源173、电容器175和"与"门179形成延迟电路150。输入信号I经耦合以通过反相器171控制晶体管172。电流源173经连接以对电容器175充电。输入信号I进一步耦合到"与"门179的输入。"与"门179的另一输入耦合到电容器175。 一旦启用输入信号I，"与"门179的输出便将在延迟时间后产生输出信号O。延迟时间由电流源173的电流和电容器的电容确定。
图4为PFC控制电路的优选实施例。误差放大器230经耦合以接收输入信号VP。参考信号VK1和VK2经由开关220和225耦合到误差放大器230的输入。控制信号MODE控制开关225。控制信号MODE通过反相器210控制开关220。参考信号VK1或VK2将连接到误差放大器230。误差放大器230的输出产生放大信号Ve。M，所述放大信号Ve。M耦合到脉宽调制(Pulse-Width Modulation,P丽)控制电路250，用于产生PFC切换信号SP。因此，PFC电路将根据参考信号VK1或VK2产生第二输入电压Vprc2或第一输入电压VPFC1。
图5为根据本发明的切换电路300的优选实施例。电压控制振荡器500接收反馈信号VFB以用于产生振荡信号Sw。"与"门320、325、反相器310、330、335和延迟电路340、345形成专有驱动电路(exclusive drive circuit)。专有驱动电路响应于振荡信号Sw而产生信号XpX"信号XA通过输出驱动器380产生切换信号SA。信号Xe通过输出驱动器385产生切换信号SB。延迟电路340和345在切换信号SA、 SB、 Sc、 SD的接通与断开之间提供延迟时间(停滞时间)。 模式启用电路600经耦合以接收控制信号MODE和输入信号VP，用于产生模式启用信号EN。模式启用信号EN用以确定全桥切换或半桥切换用于全桥电路。
"与"门350、352、360、365、反相器351、370、375禾P"或"门353形成用于响应于信号XA(第一信号)、信号XB (第二信号)和模式启用信号EN而产生切换信号Se(第三信号)、S。(第四信号)的另一专有驱动电路。将在启用模式启用信号EN时根据信号XpXe而产生切换信号S。S。。当停用模式启用信号EN(逻辑低)时，切换信号Sc将断开且切换信号S。将接通。输出驱动器390和395输出切换信号Sc、 SD。 图6为根据本发明的电压控制振荡器500的电路示意图。运算放大器510、晶体管511和电阻器512形成用以响应于反馈信号VFB而产生电流1512的V-I电路。晶体管513、514形成用以响应于电流I512而产生电流I514的电流镜。电流1514的最大值受到恒定电流源I52。限制。晶体管516、517、541、542、543、545和546还形成用以产生电流1541、充电电流I546和放电电流I543的其它电流镜。电流I514经耦合以产生电流I541。电流I541的最大值由恒定电流源I53。确定。电流I541进一步经耦合以产生用于对电容器550充电和放电的充电电流I546和放电电流I543 。电容器550响应于开关551、552的接通/断开而产生波形信号。响应于电容器550的波形信号，比较器561、562、"与非"门567、568和反相器569产生用以控制开关551、552的控制信号。反相器569的输出连接到D型触发器570的时钟输入，用于产生振荡信号S『D型触发器570经连接以操作为二分电路(divided-by-twocircuit)，因此振荡信号Sw是50%占空比信号。振荡信号Sw的频率响应于反馈信号VFB的减小(轻载)而增大。恒定电流源530的电流确定振荡信号Sw的最大频率。振荡信号Sw的频率响应于反馈信号VFB的增大(重载)而减小。恒定电流源530的电流和恒定电流源520的电流确定振荡信号Sw的最小频率。 图7示出了模式启用电路600。比较器610、延迟电路615、"与"门620形成另一检测电路。 一旦输入信号Vp低于阈值信号V^将产生控制信号MODE2以便启用全桥切换。延迟电路615提供用于产生控制信号MODE2的反跳。"或"门630用于响应于控制信号MODE和控制信号MODE2而启用模式启用信号EN。 图8A到图8D示出了半桥切换的操作。当执行半桥切换时，晶体管30断开且晶体管35接通。晶体管20和25为切换状态。可将输出电压V。表达为<formula>formula see original document page 7</formula>( 1 )，其中VPFC为输入电压VPFC的电压，n为变压器的匝数比，n为效率，且增益与谐振回路的Q因数有关。图10示出了增益的实例，其中Vw为谐振回路上的电压(其为VpK或VPFC/2)。 在每一切换循环的开始，如图8A中所示，开关20和35接通，电流^从输入电压VPFC流过开关20、电容器45、电感装置15和开关35 (越过变压器10的一级绕组)。因此，能量从一级电路传递到二级电路。能量因此传递到输出端子并以输出电压V。输出。在图8B中，开关20关断，且诱发电流12从变压器10的一级绕组流动到开关25的寄生二极管。
在图8C中，开关25接通，电流13从开关25流动到变压器10的一级绕组且接着流动到电感装置15和电容器45以用于放电。在图8D中，开关25断开，诱发电流14从变压器10的一级绕组经由开关20的寄生二极管流动到输入电压VPFC。
图9A到图9D示出了全桥切换的操作，输出电压V。可定义为
、， 丄^" N/pfc
Vo二土曾益x-xr) ,、
n --------------------------------------- (2)。 在每一切换循环的开始，如图9A中所示，开关20和35接通，电流^从输入电压
VPFC流过开关20、电容器45、电感装置15和开关35 (越过变压器10的一级绕组)。因此，能
量从一级电路传递到二级电路。能量因此传递到输出端子并以输出电压V。输出。在图9B
中，开关20和35关断，且诱发电流12从变压器10的一级绕组经由开关25和30的寄生二
极管流动到输入电压VPrc。 在图9C中，开关25和30接通，电流13从输入电压VPFC流过开关30、电感装置15、电容器45和开关25 (越过变压器10的一级绕组)。因此，能量从一级电路传递到二级电路。能量因此传递到输出端子并以输出电压V。输出。在图9D中，开关25和30关断，且诱发电流14从变压器10的一级绕组经由开关35和20的寄生二极管流动到输入电压VPFC。全桥电路将在其输入电压VPrc为低时操作全桥切换。半桥切换将在其输入电压VPrc为高时得以执行。PFC电路没有必要在线输入电压V^为低时产生高输出电压。因此，实现功率转换器的较高效率和较广操作范围。 尽管以上已通过优选实施例揭示了本发明，但不希望其限制本发明。本领域的技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出一些修改和变化。因此，本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。
权利要求
一种谐振功率转换器，其包括全桥电路，其用于响应于切换信号而切换功率转换器；及控制电路，其经耦合以接收反馈信号和输入信号以用于产生切换信号；其中所述反馈信号与所述功率转换器的输出有关，且所述输入信号与所述全桥电路的输入电压有关，其中所述全桥电路在所述输入信号低于阈值时操作为全桥切换；且所述全桥电路在所述输入信号高于所述阈值时操作为半桥切换。
2. 如权利要求1所述的谐振功率转换器，其特征在于所述控制电路进一步经耦合以接收线电压信号；其中所述全桥电路在所述线电压信号低于第二阈值时操作为全桥切换；且所述全桥电路在所述线电压信号高于所述第二阈值时操作为半桥切换；所述线电压信号与所述功率转换器的线输入电压有关。
3. 如权利要求2所述的谐振功率转换器，其进一步包括功率因子校正电路，其产生所述全桥电路的所述输入电压；其中所述功率因子校正电路在所述线电压信号低于所述第二阈值时产生第一输入电压；且所述功率因子校正电路在所述线电压信号高于所述第二阈值时产生第二输入电压；所述第二输入电压高于所述第一输入电压。
4. 如权利要求1所述的谐振功率转换器，其特征在于所述控制电路包括切换电路，其响应于所述反馈信号和所述输入信号而产生切换信号；其中切换信号包括第一信号、第二信号、第三信号和第四信号；其中切换信号的频率响应于所述反馈信号而变化；对于所述全桥切换，切换信号交替地切换；对于所述半桥切换，所述第三信号断开，所述第四信号接通，且所述第一信号和所述第二信号切换。
5. —种用于控制谐振功率转换器的方法，其包括响应于反馈信号和输入信号而产生用以驱动全桥电路的切换信号；当输入信号低于阈值时，响应于切换信号而全桥切换功率转换器；当所述输入信号高于所述阈值时，响应于切换信号而半桥切换所述功率转换器；其中所述反馈信号与所述谐振功率转换器的输出有关，且所述输入信号与所述全桥电路的输入电压有关。
6. 如权利要求5所述的方法，其进一步包括响应于线电压信号而产生切换信号；当所述线电压信号低于第二阈值时，响应于所述切换信号而全桥切换功率转换器；当所述线电压信号高于所述第二阈值时，响应于所述切换信号而半桥切换所述功率转换器；其中所述线电压信号与所述谐振功率转换器的线输入电压有关。
7. 如权利要求6所述的方法，其进一步包括由功率因子校正电路产生所述全桥电路的所述输入电压；其中所述功率因子校正电路在所述线电压信号低于所述第二阈值时产生第一输入电压；且所述功率因子校正电路在所述线电压信号高于所述第二阈值时产生第二输入电压；所述第二输入电压高于所述第一输入电压。
8. 如权利要求5所述的方法，其特征在于所述切换信号包括第一信号、第二信号、第三信号和第四信号；其中切换信号的频率响应于所述反馈信号而变化；对于所述全桥切换，所述切换信号交替地切换；对于所述半桥切换，所述第三信号断开，所述第四信号接通，且所述第一信号和所述第二信号切换。
全文摘要
本发明提供一种具有半桥和全桥操作的谐振功率转换器及其控制方法。谐振功率转换器包含全桥电路、控制电路，以及功率因数校正(PFC)电路。全桥电路响应于切换信号而开关功率转换器。经耦合以接收反馈信号和输入信号的控制电路产生切换信号。反馈信号与功率转换器的输出有关，且输入信号与全桥电路的输入电压有关，其中全桥电路在输入信号低于阈值时操作为全桥开关，且全桥电路在输入信号高于阈值时操作为半桥开关。PFC电路产生全桥电路的输入电压。
文档编号H02M3/337GK101719728SQ200910265649
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月28日 优先权日2009年8月14日
发明者杨大勇 申请人:崇贸科技股份有限公司