专利名称：级联功率系统架构的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率转换器领域。更具体地，本发明涉及用于功率转换器的级联功率系统架构。
背景技术：
最近，对于解决诸如计算机和手机的商用产品的功率需求的有效功率转换器存在高需求。因此，已发展了诸如反激、半桥和全桥转换器之类的多种不同隔离功率转换器拓扑来满足这种不断增长的需求。而且，为了解决功率因数校正(PFC)的问题而同时仍从输出隔离主电源，现有技术主要朝向各种“两级”功率转换器发展，其中第一级包括非隔离升压转换器，且第二级包括诸如反激、半桥和全桥转换器之类的隔离转换器。这主要是因为升压和半桥转换器与控制器IC具有公共接地，并且因此是闭合反馈回路的简单方式。然而，这种“两级”功率转换器具有这些缺点:增加的设计复杂度、减小的能量转换效率、增加的组件数量、增加的印刷电路板(PCB)尺寸，以及因此增加的成本。现有技术调节功率设备100的框图在图1中示出。设备100是两级升压半桥功率转换器。设备100—般包括输入滤波器102、整流器104、包括升压转换器116 (第一级)和半桥转换器114 (第二级)的两级转换器106、变压器108、输出滤波器110和反馈控制112。输入滤波器102耦合为接收AC输入信号Vin，并且滤除电磁和射频干扰/噪声。输入滤波器102向整流器104输出经滤波的AC信号。当接收信号时，整流器104产生未调节直流(DC)电压，且将该未调节DC电压输出到升压转换器116的耦合输入。典型地，升压转换器116从整流器104接收未调节DC电压，且产生升高的或增加的电压。这种增加的电压是比输入的未调节DC电压大的调节DC电压。应当注意，在本领域中众所周知，未调节电压是允许其随着电路的负载中的变化和/或电源电压中的变化而改变的电压。相应地，在本领域中还众所周知，调节电压是被控制为使得不管负载和/或电源变化，维持足够恒定输出电压的电压。半桥调节器114接收增加的调节电压，且产生“斩波的”DC信号，该“斩波的”DC信号理想地是跨越输入而输出到变压器108的方波信号。依赖于变压器108的匝数比，变压器108将DC方波转换成期望的输出电压。通常期望的输出电压是5、12或24V。从变压器108输出的AC电压信号被输入到输出滤波器110,该输出滤波器110滤除由于功率电路100导致的谐波噪声且将AC信号转换成DC。DC电压信号Vout被输出到电气设备(未示出)和控制器112。控制器112感测DC电压信号Vout中的功率变化，且控制升压调节器114内的调节开关元件的占空比，以供应补偿功率从而校正DC电压信号Vout中的功率变化。这种类型的功率系统的一个缺点在于，由于调节需要主电源和带电电气设备的隔离，控制器112包括隔离拓扑，该隔离拓扑通常包括诸如光电耦合器之类的装置。这导致增加的设计复杂度、降低的能量转换效率、增加的组件数量、增加的PCB尺寸以及因此增加的成本。
发明内容
级联功率系统包括在具有隔离转换器的级联配置中的非隔离降压转换器，和耦合到该隔离转换器的输出以及非隔离转换器的开关元件的控制器。非隔离转换器将输入电压降压成较低的调节电压。隔离转换器将调节电压转换成被输出到变压器和控制器的方波信号。因此，包括隔离转换器、控制器和非隔离转换器的反馈回路完全与系统的输出独立。因此，可以以反馈算法的形式推导反馈关系，该反馈算法可以有效地调节/调整非隔离转换器的输出且因此也调节/调整隔离转换器输出。而且，因为非隔离转换器降低电压并且隔离转换器在该低的降低的电压操作，系统能够是高效率的。根据第一方面，本申请涉及一种级联功率装置。该装置包括:具有开关元件的非隔离转换器，其中该非隔离转换器接收具有未调节电压的整流功率信号且产生调节电压；与非隔离转换器耦合的隔离转换器，用于接收调节电压且产生转换电压；与隔离转换器耦合的变压器，用于接收转换电压且产生输出电压；以及与隔离转换器的输出耦合的内部控制器，用于接收转换电压且基于反馈算法产生用于调节开关元件的控制信号，其中反馈算法独立于输出电压。非隔离转换器是降压转换器且调节电压低于未调节电压。备选地，非隔离转换器是升压转换器且调节电压高于未调节电压。转换电压低于调节电压。转换电压是方波电压。非隔离降压转换器是buck转换器。隔离转换器是半桥转换器。在一些实施例中，级联功率装置进一步包括用于接收AC输入信号且产生具有未调节的整流电压的整流功率信号的整流器。整流器是二极管桥。在一些实施例中，级联功率装置进一步包括用于从AC输入信号滤除电磁和射频干扰的输入滤波器。在一些实施例中，级联功率装置进一步包括用于从输出电压滤除电磁和射频干扰的输出滤波器。对于开关元件的调整通过调整非隔离转换器的占空比控制非隔离转换器的输出。根据本申请的另一方面，级联功率系统包括用于接收输出电压的电子装置、用于产生AC输入信号的电源以及耦合在电源和电子设备之间的功率转换器，该功率转换器包括:整流器，其用于接收AC输入信号且产生具有未调节整流电压的整流功率信号；具有开关元件的非隔离转换器，其中非隔离转换器接收未调节电压且产生调节电压；与非隔离转换器耦合的隔离转换器，用于接收调节电压且产生转换电压；与隔离转换器耦合的变压器，用于接收转换电压且产生输出电压；以及与隔离转换器的输出耦合的内部控制器，用于接收转换电压并且基于反馈算法产生用于调节开关元件的控制信号，其中反馈算法独立于输出电压。非隔离转换器是降压转换器且调节电压低于未调节电压。备选地，非隔离转换器是升压转换器且调节电压高于未调节电压。转换电压低于调节电压。转换电压是方波电压。非隔离降压转换器是buck转换器。隔离转换器是半桥转换器。整流器是二极管桥。在一些实施例中，系统进一步包括用于从AC输入信号滤除电磁和射频干扰的输入滤波器。在一些实施例中，系统进一步包括用于从输出电压滤除电磁和射频干扰的输出滤波器。对于开关元件的调整通过调整非隔离转换器的占空比控制非隔离转换器的输出。本申请的另一方面针对调节级联功率装置的方法。该方法包括:在包括开关元件的非隔离转换器处接收未调节整流电压并且产生调节电压；在隔离转换器处接收调节电压且产生转换电压；在变压器接收转换电压并且产生输出电压；以及在内部控制器接收转换电压且基于反馈算法产生调整开关元件的控制信号，其中反馈算法独立于输出电压。非隔离转换器是降压转换器且调节电压低于未调节电压。备选地，非隔离转换器是升压转换器且调节电压高于未调节电压。转换电压低于调节电压。转换电压是方波电压。非隔离降压转换器是buck转换器。隔离转换器是半桥转换器。在一些实施例中，该方法进一步包括在整流器接收AC输入信号并且产生具有未调节整流电压的整流功率信号。整流器是二极管桥。在一些实施例中，该方法进一步包括使用输入滤波器从AC输入信号滤除出电磁和射频干扰。在一些实施例中，该方法进一步包括使用输出滤波器从输出电压滤除电磁和射频干扰。基于反馈算法调整开关元件包括改变开关元件的占空比。在一些实施例中，该方法进一步包括用非隔离转换器的功率因数校正功能来增加级联功率装置的功率因数。本申请的又一方面针对一种级联功率装置。该装置包括:整流器，用于接收AC输入信号并且产生具有未调节整流电压的整流功率信号；具有开关元件的非隔离转换器，其中非隔离转换器接收具有未调节电压的整流功率信号且产生调节电压；与非隔离转换器耦合的隔离转换器，用于接收调节电压且产生转换电压；与隔离转换器耦合的变压器，用于接收转换电压且产生输出电压；以及与隔离转换器的输出耦合的内部控制器，用于接收转换电压且基于反馈算法产生用于调节开关元件的控制信号，其中反馈算法独立于输出电压。非隔离转换器是降压转换器且调节电压低于未调节电压。备选地，非隔离转换器是升压转换器且调节电压高于未调节电压。转换电压低于调节电压。非隔离降压转换器是buck转换器。隔离转换器是半桥转换器。对于开关元件的调整通过调整非隔离转换器的占空比控制非隔离转换器的输出。产生的调节电压是50V。产生的未调节电压是200V。产生的输出电压是5、12或24V。结合附图考虑下文的描述，本发明的其他特征将变得显而易见。
在所附权利要求书中阐述本发明的新颖特征。然而，出于解释的目的，在以下附图中阐述本发明的若干实施例。图1图示现有技术功率装置的功能框图。图2图示根据本申请的一些实施例的级联功率系统的功能框图。图3图示根据本申请的一些实施例的级联功率电路的示意图。图4图示根据本申请的一些实施例调节级联功率转换系统的方法的过程流程图。
具体实施例方式在下面的描述中，出于解释的目的阐述各种细节和备选方案。然而，本领域技术人员应当认识到可以不使用这些具体细节实践本发明。在其他实例中，以框图形式示出已知结构和设备以避免用不必要的细节混淆本发明的描述。本文描述的级联功率系统、方法和装置被设计为提供转换功率供应的更有效方式。不像现有技术的基于级的系统，本文描述的级联功率系统的级联拓扑能够提供反馈回路，该反馈回路从系统输出隔离，由此简化反馈控制算法且消除反馈回路内对于输出隔离电子器件的需要。具体而言，因为级联拓扑使得反馈回路能够在它经过变压器之前测量系统输出，所以系统的控制器不需要补偿变压器对输出信号的影响。而且，因为该反馈回路已经通过变压器从输出隔离，所以不需要在基于级的转换器中使用的附加昂贵隔离电路。此夕卜，通过配置与非隔离转换器级联的隔离转换器，级联功率系统能够获得二者的益处。
图2图示了根据一些实施例的级联功率系统的功能框图。图2的级联功率系统200包括输入滤波器电路202、整流器电路204、包括非隔离转换器216和隔离转换器214的转换器级联电路206、变压器208、输出滤波器电路210和控制器212。在一些实施例中，功率系统200包括任意数目的附加滤波器、整流器、转换器、变压器、控制器和本领域中众所周知的其它装置，诸如电容器、二极管、电阻器、电感器、晶体管等。在一些实施例中，功率系统200包括被配置为作为功率因数校正(PFC)组件操作的附加转换器。备选地，非隔离转换器216通过确保输入电流和线路频率同相而作为PFC组件操作。输入滤波器电路202耦合到电源(未示出)和整流器电路204。在操作中，输入滤波器电路202从电源接收AC输入电压(Vin)且从信号Vin滤除电磁干扰(EMI)、射频干扰(RFI)和其他类型的噪声，从而使得来自电源的噪声能够被最小化(如果未消除)。输入滤波器电路202向整流器电路204输出经滤波的AC电压。如本领域中众所周知的，输入滤波器电路202可以是能够有效滤除噪声的任意电路。整流器电路204耦合到输入滤波器电路202和转换器级联电路206。整流器电路204从输入滤波器电路202接收经滤波的AC电压且将经滤波的AC电压转换成未调节DC电压(Vun)。整流器电路204将未调节DC电压Vun输出到转换器级联电路206。在一些实施例中，未调节的DC电压Vun大约为200V。备选地，未调节的DC电压是具有大于零的绝对值的任意电压。在一些实施例中，整流器204是二极管桥。备选地，如本领域中众所周知的，整流器电路204包括任意类型的AC到DC转换电路。转换器级联电路206包括隔离转换器214和非隔离转换器216。具体地，转换器级联电路206的级联拓扑使得电路206的输出电压保持隔离，而无需使用隔离电路或牺牲用控制器212容易调节电路206的能力。备选地，应当理解还在级联拓扑中获得与各个转换器214、216中的每一个相关的其他益处。应当注意，变压器208能够看作是隔离转换器214的组件，但是为了描述的目的，将变压器分离成单个组件。转换器级联电路206耦合到整流器电路204、变压器208和控制器212。转换器级联电路206输入由整流器电路204输出的未调节DC电压并且非隔离级转换器216将未调节DC电压“降压”为预定调节电压。在一些实施例中，调节电压大约为50V。备选地，调节DC电压是小于由转换器级联电路206输入的未调节DC电压的任意电压。在其他实施例中，非隔离转换器216将未调节DC电压“升压”/升高为较高的调节DC电压。在每个“降压”实施例中，作为对电压“降压”的结果，级联功率系统200能够比使用“升压”非隔离转换的功率系统更高效地操作。具体地，这是因为，如本领域所已知，具有较低电压额定值的组件本质上比具有较高电压额定值的组件更有效。此外，通过在降压/降低电压操作，由于组件尺寸的节省，系统整体较不昂贵。隔离转换器214输入调节DC电压且输出在OV和输入调节DC电压之间脉动的方波电压(Vsq)信号。通过转换器级联电路206而将脉冲输出到变压器208和控制器212。在一些实施例中，非隔离转换器216是buck转换器。备选地，非隔离转换器216是如本领域中所公知的任意其他类型的非隔离转换器。在一些实施例中，隔离转换器214是半桥转换器。备选地，隔离转换器214是诸如是本领域众所周知的推挽式转换器或任意其他隔离转换器之类的任意类型的隔离转换器。控制器212能够是如本领域中众所周知的任意集成电路(IC)控制器。在一些实施例中，控制器212包括复用器、运算放大器和比较器(未示出)的任意组合。备选地，控制器包括如本领域中众所周知的用于控制转换器214、216的输出的电路的任意其他组合。控制器212耦合到隔离转换器214的输出电压和非隔离转换器216。控制器212、隔离转换器214和非隔离转换器216形成反馈回路218，该反馈回路218通过变压器208与输出电压Vout完全隔尚。可以得出描述级联功率系统200输出电压/电流Vout、1ut和到非隔尚转换器216的输入Vun之间的关系的两个反馈算法(I)和(2)。由于级联拓扑，尽管缺少控制器212和两个转换器214和216之间的公共接地，这些反馈算法仍是可以推导出的。具体而言，第一反馈算法(I)使得控制器212能够精确地调节非隔离转换器216的电压输出，且由此调节接收非隔离转换器的电压输出的隔离转换器214的输出电压Vsq。类似地，第二反馈算法(2)使得控制器212能够精确地调节非隔离转换器216的输出电流，且由此调节隔离转换器214的输出电流。电流和电压输出的调节通过控制器212控制，且通过调整非隔离转换器216的占空比比值(ton/T = Δ)实现，其中ton是转换器216的导通时间且T是转换器216的周期。具体地，如图3所示，基于隔离转换器214的输出电压Vsq、输入到非隔离转换器216的未调节电压Vun、输入到非隔离转换器的电流Iin以及通过电感器LI的峰值电流Ip，来调节占空比比值。占空比比值ton/T的测量/计算以及占空比比值与非隔离转换器的输出的具体关系在本领域是已知的，且取决于非隔离转换器的类型而变化。对于图3中示出的示例性示意图，反馈算法如下:
权利要求
1.一种级联功率装置，包括: a.具有开关元件的非隔离转换器，其中所述非隔离转换器接收具有未调节电压的整流功率信号且产生调节电压； b.与所述非隔离转换器耦合的隔离转换器，用于接收所述调节电压且产生转换电压； c.与所述隔离转换器耦合的变压器，用于接收所述转换电压且产生输出电压；以及 d.与所述隔离转换器的输出耦合的内部控制器，用于接收所述转换电压且基于反馈算法产生用于调节所述开关元件的控制信号，其中所述反馈算法独立于所述输出电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述非隔离转换器是降压转换器，并且所述调节电压低于所述未调节电压。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述非隔离转换器是升压转换器，并且所述调节电压高于所述未调节电压。
4.根据权利要求2 所述的装置，其中所述转换电压低于所述调节电压。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述转换电压是方波电压。
6.根据权利要求4所述的装置，其中所述非隔离降压转换器是buck转换器。
7.根据权利要求4所述的装置，其中所述隔离转换器是半桥转换器。
8.根据权利要求4所述的装置，进一步包括用于接收AC输入信号且产生具有所述未调节整流电压的所述整流功率信号的整流器。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述整流器是二极管桥。
10.根据权利要求4所述的装置，进一步包括用于从所述AC输入信号滤除电磁和射频干扰的输入滤波器。
11.根据权利要求4所述的装置，进一步包括用于从所述输出电压滤除电磁和射频干扰的输出滤波器。
12.根据权利要求4所述的装置，其中对于所述开关元件的调整通过调整所述非隔离转换器的占空比来控制所述非隔离转换器的所述输出。
13.一种级联功率系统，包括: a.用于接收输出电压的电子设备； b.用于产生AC输入信号的电源；以及 c.耦合在所述电源和所述电子设备之间的功率转换器，并且所述功率转换器包括: 1.整流器，用于接收所述AC输入信号且产生具有未调节整流电压的整流功率信号； .具有开关元件的非隔离转换器，其中所述非隔离转换器接收所述未调节电压且产生调节电压； ii1.与所述非隔离转换器耦合的隔离转换器，用于接收所述调节电压且产生转换电压； iv.与所述隔离转换器耦合的变压器，用于接收所述转换电压且产生所述输出电压；以及 V.与所述隔离转换器的输出耦合的内部控制器，用于接收所述转换电压且基于反馈算法产生用于调节所述开关元件的控制信号，其中所述反馈算法独立于所述输出电压。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述非隔离转换器是降压转换器，并且所述调节电压低于所述未调节电压。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述非隔离转换器是升压转换器，并且所述调节电压高于所述未调节电压。
16.根据权利要求14所述的系统，其中所述转换电压低于所述调节电压。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述转换电压是方波电压。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述非隔离降压转换器是buck转换器。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述隔离转换器是半桥转换器。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述整流器是二极管桥。
21.根据权利要求16所述的系统，进一步包括用于从所述AC输入信号滤除电磁和射频干扰的输入滤波器。
22.根据权利要求16所述的系统，进一步包括用于从所述输出电压滤除电磁和射频干扰的输出滤波器。
23.根据权利要求16所述的系统，其中对于所述开关元件的调整通过调整所述非隔离转换器的占空比来控制所述非隔离转换器的所述输出。
24.一种调节级联功率装置的方法，包括: a.在包括开关元件的非隔离转换器处接收未调节整流电压且产生调节电压； b.在隔离转换器处接收所述调节电压且产生转换电压； c.在变压器处接收所述转换电压且产生输出电压；以及 d.在内部控制器处接收所述转换电压，且基于反馈算法产生调整所述开关元件的控制信号，其中所述反馈算法独立于所述输出电压。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述非隔离转换器是降压转换器，并且所述调节电压低于所述未调节电压。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述非隔离转换器是升压转换器，并且所述调节电压高于所述未调节电压。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述转换电压低于所述调节电压。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述转换电压是方波电压。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述非隔离降压转换器是buck转换器。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述隔离转换器是半桥转换器。
31.根据权利要求27所述的方法，进一步包括在整流器处接收AC输入信号，且产生具有所述未调节整流电压的整流功率信号。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述整流器是二极管桥。
33.根据权利要求27所述的方法，进一步包括利用输入滤波器从所述AC输入信号中滤除电磁和射频干扰。
34.根据权利要求27所述的方法，进一步包括利用输出滤波器从所述输出电压滤除电磁和射频干扰。
35.根据权利要求27所述的方法，其中基于所述反馈算法调整所述开关元件包括改变所述开关兀件的占空比。
36.根据权利要求27所述的方法，进一步包括利用所述非隔离转换的功率因数校正功能增加所述级联功率设备的功率因数。
37.一种级联功率装置，包括:a.整流器，用于接收AC输入信号且产生具有未调节整流电压的整流功率信号； b.具有开关元件的非隔离转换器，其中所述非隔离转换器接收具有所述未调节电压的所述整流功率信号且产生调节电压； c.与所述非隔离转换器耦合的隔离转换器，用于接收所述调节电压且产生转换电压； d.与所述隔离转换器耦合的变压器，用于接收所述转换电压且产生输出电压；以及 e.与所述隔离转换器的输出耦合的内部控制器，用于接收所述转换电压且基于反馈算法产生用于调节所述开关元件的控制信号，其中所述反馈算法独立于所述输出电压。
38.根据权利要求37 所述的装置，其中所述非隔离转换器是降压转换器，并且所述调节电压低于所述未调节电压。
39.根据权利要求37所述的装 置，其中所述非隔离转换器是升压转换器，并且所述调节电压高于所述未调节电压。
40.根据权利要求38所述的装置，其中所述转换电压低于所述调节电压。
41.根据权利要求40所述的装置，其中所述非隔离降压转换器是buck转换器。
42.根据权利要求40所述的装置，其中所述隔离转换器是半桥转换器。
43.根据权利要求40所述的装置，其中对于所述开关元件的调整通过调整所述非隔离转换器的占空比来控制所述非隔离转换器的所述输出。
44.根据权利要求40所述的装置，其中所述产生的调节电压是50V。
45.根据权利要求40所述的装置，其中所述产生的未调节电压是200V。
46.根据权利要求40所述的装置，其中所述产生的输出电压是5V、12V或24V。
全文摘要
一种级联功率系统架构，包括在具有隔离转换器的级联配置中的非隔离转换器以及与隔离转换器的输出和非隔离转换器的开关元件耦合的控制器。非隔离转换器将输入电压降压成较低的调节电压。隔离转换器将调节电压转换成被输出到变压器和控制器的方波信号。因此，结果得到的包括隔离转换器、控制器和非隔离转换器的反馈回路完全与该系统的输出独立。
文档编号H02M7/00GK103201940SQ201180053958
公开日2013年7月10日 申请日期2011年11月8日 优先权日2010年11月9日
发明者M·塔莱弗斯, B·沙菲波尔 申请人:弗莱克斯电子有限责任公司