多路径功率因数校正的方法及功率变换器的制造方法
【专利说明】
[0001 ] 本申请是申请号为201180049526.3、申请日为2011年8月18日、名称为"基于电池 的甚高频开关功率变换器"的PCT发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请案
[0003] 本申请要求W下临时申请的权益，每个申请W引用的方式整体并入本文:2010年8 月18日提交的美国序号61/374,993;2010年8月18日提交的美国序号61/374,998;^及2010 年10月12日提交的美国序号61/392,329。
技术领域
[0004] 本文所述的方法和系统设及甚高频功率变换技术、技艺、方法、应用和系统。
【背景技术】
[0005] 增加开关模式电源(SMPS)的开关频率是W后广泛寻求的目标作为一种增加功率 密度和提高瞬态性能的手段。然而，使用常规功率变换器拓扑（增压、降压、反激等)增加开 关频率导致显著降级的效率。另外，在开关频率增加时，功率密度只会增加直到达到最优的 开关频率，此时功率密度开始再次减少。因此，常规解决方案似乎缺乏满足需求。
【发明内容】
[0006] 本文所述的方法和系统可W包括使用忍片级部件的下一代甚高频（VHF，30-300MHz)电源架构。鉴于本文所述的方法和系统启用的几个增强作用，本文概述固态照明应 用等的VHF变换的基础技术和方法W及示例性益处。在图式和相关联描述中列举核屯、VHF变 换器架构(AC-DC和DC-DC)的其他应用。运些元件一起提供基本创新和方法的描述与那些创 新的一系列有用的和有益的应用。
[0007] 在为一般照明应用的AC-DC变换器的线连接L抓驱动器的情况下，有几个益处，包 括大于10倍的体积减少、更低成本、更高可靠性、高度的集成、高效率和非常快的瞬态响应。 运些特征一起形成适合于改装灯（例如，A19、MR16、GU10)和各种PAR形式W及固态灯具的 L抓驱动器系统的有用阵列的基础。然而，发明的甚高频忍片级电源架构的应用不限于LED 和/或固态驱动器。运种技术可W用于可W受益于本文所述的几个益处的任何应用。
[0008] 本文所述的VHF电源架构的独特的特征使功率变换器能够在利用非常少的部件时 具有非常高的功率密度、高性能和高瞬态响应。运使在许多空间的应用成为可能，例如，大 小和成本是关键问题的固态照明和便携式移动装置，W及由于更简单和更少的部件引起的 最高功率密度和改善的可靠性非常有用的军事和工业应用。一个示例性应用是雷达，特别 是战斗机上的空中拦截雷达，其中大小、重量和瞬态性能是关键属性。目前的功率变换器系 统需要大型和重型电容器组W维持在传输下的雷达要求的瞬态。通过利用本文所述的本发 明，运些电容器不再需要由瞬态考虑测定大小，而是只需要纹波。运允许大容量能量存储的 大幅度减少W及主要功率级的减少。运组特征将提供此类高性能军事应用的明显的优势。
[0009] 在改装灯空间中有几个需求:最重要的是对低成本的要求，几乎同样重要的是小 尺寸，然而根据特定的灯类型和预期的目标市场，高性能(效率）、高可靠性和完整范围的功 能性都是非常有用的。在每个情况下，现有的功率变换器技术达不到推进S化灯取得商业成 功必需的期望的特征。在运个领域本文中所述的发明技术解决每个运些不足并且为灯制造 商提供引人注目的包装。
[0010] 在一个方面，本发明提供一种高频开关功率变换器。高频开关功率变换器可W包 括柔性连接W串联接收输入信号和提供输出的多个软开关电池。高频开关功率变换器可W 进一步包括用于配置柔性连接和用于控制电池 W接收输入信号的控制器。在一个实施方案 中，多个电池中的每个可W由控制器单独控制。此外，可W用并行输出布置多个电池的一部 分。另外，多个电池中的至少一个可W包括一个或多个开关电容器。在另一实施方案中，多 个电池中的至少一个可W包括至少一个开关电容器和DC/DC调节变换器。
[0011] 高频开关功率变换器也可W包括输出级，其用于从多个电池的部分接收输出W提 供组合输出和用于将组合输出递送到负载。输出级可W包括具有多个一次绕组的至少一个 变压器。此外，多个一次绕组中的每个可W从多个电池中的一个接收输出。输出级可W进一 步包括多个电容器，每个电容器的输入可W连接到多个电池中的一个的输出。此外，可W并 联连接多个电容器中的每个的输出W提供组合输出。在一个实施方案中，输出级可W促进 配置多个电池的并行输出组合。可W将DC/DC调节变换器安置在至少一个开关电容器与输 出级之间。
[0012] 在一个实施方案中，高频开关功率变换器可W包括多组叠层电池，每组提供至少 一个输出。此外，多组叠层电池的一部分可W被配置成提供并行输出。高频开关功率变换器 可W进一步包括具有或不具有磁忍材料的PCB蚀刻的电感器和/或变压器、变容二极管控制 的网络调优、谐振开关等。在另一实施方案中，高频开关功率变换器可W适合于供膝上型计 算机使用，可W集成到显示屏模块中，可W集成到AC线电源线组件中，可W适合于供移动电 话使用，可W集成到无线基站中，可W集成到电动车中，可W适合于供机载雷达使用等。
[0013] 在另一方面，本发明提供一种叠层电池开关功率变换器。叠层电池开关功率变换 器可W包括柔性连接W串联接收DC输入信号和可W提供DC输出的多个叠层电池。叠层电池 开关功率变换器也可W包括用于配置柔性连接的控制器。控制器可W控制多个叠层电池 W 接收DC输入信号，并且可W促进谐振开关。此外，叠层电池开关功率变换器可W包括输出 级，其用于组合来自多个叠层电池的一部分中的每个的输出W将组合的DC输出递送到负 载。
[0014] 在一个实施方案中，叠层电池开关功率变换器可W包括具有或不具有磁忍材料的 PCB蚀刻的电感器和/或变压器、变容二极管控制的网络调优、谐振开关等。在另一实施方案 中，叠层电池开关功率变换器可W适合于供膝上型计算机使用，可W集成到显示屏模块中， 可W集成到AC线电源线组件中，可W适合于供移动电话使用，可W集成到无线基站中，可W 集成到电动车中，可W适合于供机载雷达使用等。
[0015] 在又一方面，本发明提供一种叠层电池软开关功率变换器。叠层电池软开关功率 变换器可W包括柔性连接W接收输入信号和提供输出的多个叠层电池。此外，叠层电池软 开关功率变换器可W包括用于配置柔性连接的控制器。控制器可W控制多个叠层电池 W接 收输入信号，并且可W促进电池软开关。叠层电池软开关功率变换器也可W包括输出级，其 用于从多个叠层电池的一部分中的每个接收输出和用于将组合输出递送到负载。
[0016] 在一个实施方案中，叠层电池软开关功率变换器可W包括具有或不具有磁忍材料 的PCB蚀刻的电感器和/或变压器、变容二极管控制的网络调优、谐振开关等。在另一实施方 案中，叠层电池软开关功率变换器可W适合于供膝上型计算机使用，可W集成到显示屏模 块中，可W集成到AC线电源线组件中，可W适合于供移动电话使用，可W集成到无线基站 中，可W集成到电动车中，可W适合于供机载雷达使用等。
[0017] 在另一方面，本发明提供一种娃基叠层电池开关功率变换器。娃基叠层电池开关 功率变换器可W包括多个娃电池，其配置在串联叠层中W接收具有大于50V的峰值振幅的 输入信号和提供来自多个娃电池中的每个的输出。娃基叠层电池开关功率变换器可W进一 步包括用于控制多个娃电池 W接收输入信号的控制器。控制器可W促进在超过5MHz的频率 下切换娃基叠层电池开关功率变换器。另外，娃基叠层电池开关功率变换器可W包括输出 级，其用于从多个娃电池的一部分接收输出和用于将组合输出递送到负载。
[0018] 在一个实施方案中，娃基叠层电池开关功率变换器可W包括具有或不具有磁忍材 料的PCB蚀刻的电感器和/或变压器、变容二极管控制的网络调优、谐振开关等。在另一实施 方案中，娃基叠层电池开关功率变换器可W适合于供膝上型计算机使用，可W集成到显示 屏模块中，可W集成到AC线电源线组件中，可W适合于供移动电话使用，可W集成到无线基 站中，可W集成到电动车中，可W适合于供机载雷达使用等。
[0019] 在又一方面，本发明提供一种低功率密度叠层电池开关功率变换器。低功率密度 叠层电池开关功率变换器可W包括多个电池，其被配置成串联接收具有大于50V的峰值振 幅的输入信号和提供输出。此外，低功率密度叠层电池开关功率变换器可W包括用于配置 多个电池 W接收输入信号的控制器。控制器可W促进在超过5MHz的频率下切换低功率密度 叠层电池开关功率变换器。低功率密度叠层电池开关功率变换器也可W包括输出级，其用 于从多个电池的一部分接收输出和用于将组合输出递送到负载。在一个实施方案中，低功 率密度叠层电池开关功率变换器可W提供功率密度，其可W低于由提供实质上相同功能的 单个电池功率变换器提供的功率密度。
[0020] 在一个实施方案中，低功率密度叠层电池开关功率变换器可W包括具有或不具有 磁忍材料的PCB蚀刻的电感器和/或变压器、变容二极管控制的网络调优、谐振开关等。在另 一实施方案中，低功率密度叠层电池开关功率变换器可W适合于供膝上型计算机使用，可 W集成到显示屏模块中，可W集成到AC线电源线组件中，可W适合于供移动电话使用，可W 集成到无线基站中，可W集成到电动车中，可W适合于供机载雷达使用等。
[0021] 在另一方面，本发明提供一种叠层娃电池开关功率变换器。叠层娃电池开关功率 变换器可W包括多个娃功率变换器电池，其配置在串联叠层中W接收具有大于50V的峰值 振幅的输入信号和提供多个输出。此外，叠层娃电池开关功率变换器可W包括控制器，其用 于控制多个娃功率变换器电池 W确保没有娃功率变换器电池接收超过60V的输入信号。控 制器可W促进在超过5MHz的频率下切换叠层娃电池开关功率变换器。另外，叠层娃电池开 关功率变换器可W包括输出级，其用于组合来自多个娃功率变换器电池的一部分中的每个 的输出W将组合输出递送到负载。
[0022] 在一个实施方案中，叠层娃电池开关功率变换器可W包括具有或不具有磁忍材料 的PCB蚀刻的电感器和/或变压器、变容二极管控制的网络调优、谐振开关等。在另一实施方 案中，叠层娃电池开关功率变换器可W适合于供膝上型计算机使用，可W集成到显示屏模 块中，可W集成到AC线电源线组件中，可W适合于供移动电话使用，可W集成到无线基站 中，可W集成到电动车中，可W适合于供机载雷达使用等。
[0023] 在又一方面，本发明提供一种叠层娃电池开关功率变换器。叠层娃电池开关功率 变换器可W包括多个娃功率变换器电池，其配置在串联叠层中W接收具有大于50V的峰值 振幅的输入信号和提供多个输出。叠层娃电池开关功率变换器可W进一步包括控制器，其 用于控制多个娃功率变换器电池 W确保没有娃功率变换器电池接收小于20V或超过60V的 输入信号。控制器可W促进在超过5MHz的频率下切换叠层娃电池开关功率变换器。叠层娃 电池开关功率变换器也可W包括输出级，其用于组合来自多个娃功率变换器电池的一部分 中的每个的输出W将组合输出递送到负载。
[0024] 在一个实施方案中，叠层娃电池开关功率变换器可W包括具有或不具有磁忍材料 的PCB蚀刻的电感器和/或变压器、变容二极管控制的网络调优、谐振开关等。在另一实施方 案中，叠层娃电池开关功率变换器可W适合于供膝上型计算机使用，可W集成到显示屏模 块中，可W集成到AC线电源线组件中，可W适合于供移动电话使用，可W集成到无线基站 中，可W集成到电动车中，可W适合于供机载雷达使用等。
[0025] 在另一方面，本发明提供一种VHF功率变换器。VHF功率变换器可W包括开关电容 器级。开关电容器级可W包括用于在多个电容器中分割输入电压的多个开关电容器。VHF功 率变换器可W进一步包括旁路开关。旁路开关可W在开关电容器级的输入电压与输出之间 选择。此外，对旁路开关的控制可W基于输入电压。VHF功率变换器也可W包括用于将输入 电压变换为输出电压的VHF调节级。开关电容器级可W后面有可W进一步连接到VHF调节级 的旁路开关。
[0026] 在一个实施方案中，VHF功率变换器可W包括具有或不具有磁忍材料的PCB蚀刻的 电感器和/或变压器、变容二极管控制的网络调优、谐振开关等。在另一实施方案中，VHF功 率变换器可W适合于供膝上型计算机使用，可W集成到显示屏模块中，可W集成到AC线电 源线组件中，可W适合于供移动电话使用，可W集成到无线基站中，可W集成到电动车中， 可W适合于供机载雷达使用等。
[0027] 在另一方面，本发明提供一种控制从VHF功率变换器递送到辅助输出的平均功率 的方法。方法可W包括在第一相位整流可W从VHF功率变换器的反相器产生的AC功率和将 AC功率提供到辅助电源端口。辅助电源端口可W用于供应驱动一个或多个供电装置的栅极 所需的功率。在一个实施方案中，供电装置可W是基于Lm)的照明单元。辅助电源端口也可 W用于将功率提供到VHF功率变换器的一部分。
[00%]方法可W进一步包括在第二相位从辅助电源端口产生AC功率和将AC功率提供到 VHF功率变换器。可W控制在第一相位产生辅助功率与在第二相位产生AC功率之间的切换 W促进控制从VHF功率变换器递送的平均功率。在一个实施方案中，方法可W进一步包括控 制辅助功率控制回路中的辅助整流器，辅助功率控制回路可W独立于用于将功率提供到负 载的VHF功率变换器的控制回路。在实施方案中，辅助功率控制回路可W是前馈控制回路。
[0029]在另一方面，本发明提供一种方法。方法可W包括接收施加于多个串联叠层高频 功率变换器电池的不同的输入电压信号。多个串联叠层高频功率变换器电池用于从不同的 输入电压信号产生输出。在一个实施方案中，不同的输入电压信号可W是AC线信号。此外， 输出可W是DC电压、固定电流等。在一个实施方案中，可W在不同的输入电压信号的振幅变 化时W确定的不同振幅激活多个串联叠层高频功率变换器电池的个别电池。可W在不同的 输入电压信号的确定振幅减少时W不同的振幅停用多个串联叠层高频功率变换器电池的 个别电池。此外，可W在不同的输入电压信号的确定振幅减少时W确定的不同振幅绕过多 个串联叠层高频功率变换器电池的个别电池。
[0030] 在另一实施方案中，多个串联叠层高频功率变换器电池中的每个可W单独控制。 此外，可W用并行输出布置多个串联叠层高频功率变换器电池的一部分。多个串联叠层高 频功率变换器电池中的至少一个可W包括一个或多个开关电容器。此外，多个串联叠层高 频功率变换器电池中的至少一个可W包括至少一个开关电容器和DC/DC调节变换器。可W 与至少一个开关电容器串联安置DC/DC调节变换器。
[0031] 方法可W进一步包括确定不同的输入电压信号的振幅。方法也可W包括基于不同 的输入电压信号的振幅控制多个串联叠层高频功率变换器电池产生输出。控制可W包括软 切换多个串联叠层高频功率变换器电池。此外，控制可W基于不同的输入电压信号的瞬时 振幅、不同的输入电压信号的局部平均值等。
[0032] 在一个实施方案中，控制可W包括操作多个串联叠层高频功率变换器电池的至少 一个高频功率变换器电池旁路功能。控制可W进一步包括保持多个串联叠层高频功率变换 器电池的效率高于最低效率阔值。在另一实施方案中，最低效率阔值可W是百分之屯十、百 分之屯十五、百分之八十等。另外，控制可W包括无源开关电容器电压平衡。方法可W进一 步包括可W促进配置多个串联叠层高频功率变换器电池的并行输出组合的输出级。
[0033] 在又一方面，本发明提供一种方法。方法可W包括接收施加于多个串联叠层高频 功率变换器电池的不同的输入电压信号。多个串联叠层高频功率变换器电池用于从不同的 输入电压信号产生输出。在一个实施方案中，不同的输入电压信号可W是AC线信号。此外， 输出可W是DC电压、固定电流等。在一个实施方案中，可W在不同的输入电压信号的振幅变 化时W确定的不同振幅激活多个串联叠层高频功率变换器电池的个别电池。可W在不同的 输入电压信号的确定振幅减少时W不同的振幅停用多个串联叠层高频功率变换器电池的 个别电池。此外，可W在不同的输入电压信号的确定振幅减少时W确定的不同振幅绕过多 个串联叠层高频功率变换器电池的个别电池。
[0034] 在另一实施方案中，多个串联叠层高频功率变换器电池中的每个可W单独控制。 此外，可W用并行输出布置多个串联叠层高频功率变换器电池的一部分。多个串联叠层高 频功率变换器电池中的至少一个可W包括一个或多个开关电容器。此外，多个串联叠层高 频功率变换器电池中的至少一个可W包括至少一个开关电容器和DC/DC调节变换器。可W 与至少一个开关电容器串联安置DC/DC调节变换器。
[0035] 方法可W进一步包括确定不同的输入电压信号的振幅。方法也可W包括基于不同 的输入电压信号的振幅控制多个串联叠层高频功率变换器电池产生输出。控制可W包括软 切换多个串联叠层高频功率变换器电池。此外，控制可W基于不同的输入电压信号的瞬时 振幅、不同的输入电压信号的局部平均值等。
[0036] 在一个实施方案中，控制可W包括操作多个串联叠层高频功率变换器电池的至少 一个高频功率变换器电池旁路功能。控制可W进一步包括保持多个串联叠层高频功率变换 器电池的效率高于最低效率阔值。在另一实施方案中，最低效率阔值可W是百分之屯十、百 分之屯十五、百分之八十等。另外，控制可W包括无源开关电容器电压平衡。方法可W进一 步包括可W促进配置多个串联叠层高频功率变换器电池的并行输出组合的输出级。在一个 实施方案中，输出的要求可W是电流要求、电压要求、纹波要求、功率要求、隔离要求等。
[0037] 在另一方面，本发明提供一种方法。方法可W包括接收施加于多个串联叠层高频 功率变换器电池的不同的输入电压信号。多个串联叠层高频功率变换器电池用于从不同的 输入电压信号产生输出。在一个实施方案中，不同的输入电压信号可W是AC线信号。此外， 输出可W是DC电压、固定电流等。在一个实施方案中，可W在不同的输入电压信号的振幅变 化时W确定的不同振幅激活多个串联叠层高频功率变换器电池的个别电池。可W在不同的 输入电压信号的确定振幅减少时W不同的振幅停用多个串联叠层高频功率变换器电池的 个别电池。此外，可W在不同的输入电压信号的确定振幅减少时W确定的不同振幅绕过多 个串联叠层高频功率变换器电池的个别电池。
[0038] 在另一实施方案中，多个串联叠层高频功率变换器电池中的每个可W单独控制。 此外，可W用并行输出布置多个串联叠层高频功率变换器电池的一部分。多个串联叠层高 频功率变换器电池中的至少一个可W包括一个或多个开关电容器。此外，多个串联叠层高 频功率变换器电池中的至少一个可W包括至少一个开关电容器和DC/DC调节变换器。可W 与至少一个开关电容器串联安置DC/DC调节变换器。
[0039] 方法可W进一步包括确定不同的输入电压信号的振幅。方法也可W包括基于不同 的输入电压信号的振幅控制多个串联叠层高频功率变换器电池产生输出。控制可W包括软 切换多个串联叠层高频功率变换器电池。此外，控制可W基于不同的输入电压信号的瞬时 振幅、不同的输入电压信号的局部平均值等。
[0040] 在一个实施方案中，控制可W包括操作多个串联叠层高频功率变换器电池的至少 一个高频功率变换器电池旁路功能。控制可W进一步包括保持多个串联叠层高频功率变换 器电池的效率高于最低效率阔值。在另一实施方案中，最低效率阔值可W是百分之屯十、百 分之屯十五、百分之八十等。另外，控制可W包括无源开关电容器电压平衡。方法可W进一 步包括可W促进配置多个串联叠层高频功率变换器电池的并行输出组合的输出级。此外， 反馈可W是输出电流的测量。
[0041] 在又一方面，本发明提供一种方法。方法可W包括接收施加于多个串联叠层高频 功率变换器电池的不同的输入电压信号。多个串联叠层高频功率变换器电池用于产生输 出。输入电压可W大于可W由多个电池中的任何一个持续的电压。在一个实施方案中，不同 的输入电压信号可W是AC线信号。此外，输出可W是DC电压、固定电流等。在一个实施方案 中，可W在不同的输入电压信号的振幅变化时W确定的不同振幅激活多个串联叠层高频功 率变换器电池的个别电池。可W在不同的输入电压信号的确定振幅减少时W不同的振幅停 用多个串联叠层高频功率变换器电池的个别电池。此外，可W在不同的输入电压信号的确 定振幅减少时W确定的不同振幅绕过多个串联叠层高频功率变换器电