专利名称：高效电源转换器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源转换，尤其涉及高效电源转换器系统。
背景技术：
电源转换器对于许多现代电子设备来说是必需的。在其他能力中，电源转换器能向下调节电压电平(降压型转换器)或者向上调节电压电
平(升压型转换器)。电源转换器还可以从交流(AC)电源转换成直流(DC)电源，或相反。电源转换器通常利用一个或多个开关器件，诸如晶体管来实现，开关器件接通和断开来将电力传递到转换器的输出。当这样的开关在某些条件下接通和断开时，可能发生很大的损耗。在电源转换器中还可能由于通过具有相关的前向传导功率损耗的各种电路元件(例如，二极管)的电流流动，发生损耗。希望减小这种损耗或使得这种损耗最小。而且，各种政府管理机构已经命令了对功率因数校正(PFC)的使用，以满足一些应用中的标准(例如，EN61000-3-2谐波控制)。
发明内容
根据本发明的一个实施例，电源转换器系统包括可操作来连接到交流(AC)电源的第一输入端和第二输入端，以及输出端，输出电压可在该输出端被提供给负载。第一电感器和第一二极管串联连接在第 一输入端和输出端之间。第二电感器和第二二极管串联连接在第二输入端和输出端之间。第一开关连接到第一电感器和第一二极管，第二开关连接到第二电感器和第二二极管。第一开关和第二开关交替地起到升压开关和同步整流器的作用，以便在电源转换器系统的操作期间对第一电感器和第二电感器进行充电和放电。在电源转换器系统的操作期间，辅助网络可操作来为第一开关和第二开关两者提供零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件。
根据本发明的另 一实施例，电源转换器系统包括可操作来连接到交流(AC)电源一端的第一输入端和可操作来连接到AC电源另一端的第二输入端。输出电压可被提供给在输出端处的负栽。第一升压电感器和第 一升压二极管串联连接在第 一输入端和输出端之间。第二升压电感器和第二升压二极管串联连接在第二输入端和输出端之间。第 一开关可操作来起到升压开关的作用，来在AC电源的第一半周期内对第一升压电感器进行充电和放电。第二开关可操作来起到升压开关的作用，来在AC电源的第二半周期内对第二升压电感器进行充电和放电。辅助网络可操
作来分别在AC电源的第一半周期和第二半周期内，为第一开关和第二开关两者提供零电压开关(ZVS)和零电流开关UCS)条件。
根椐本发明的又一实施例，电源转换器系统包括可操作来连接到交流(AC)电源的第一输入端和第二输入端，以及输出端，输出电压可在该输出端被提供给负载。第一电感器和第一二极管串联连接在第一输入端和输出端之间。第二电感器和第二二极管串联连接在第二输入端和输出端之间。第一开关连接到第一电感器和第一二极管，而第二开关连接到第二电感器和第二二极管。第一开关和第二开关交替地起到升压开关和同步整流器的作用，以在电源转换器系统的操作期间对第一电感器和第二电感器进行充电和放电。电源转换器系统包括用于在电源转换器系统的操作期间为第一开关和第二开关两者提供零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件的装置。
从以下附图、说明和权利要求，本发明的重要技术优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。
为了更全面的理解本发明并且为了进一步的特征和优点，现在将结合附图对下面说明进行参考。
图1是根据本发明一个实施例的电源转换器系统的实施的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的，图1所示的电源转换器系统的实施的示意性时序图。
图3是根据本发明的一个实施例的电源转换器系统的示意性波形图。
图4到图6是根椐本发明的一个实施例的电源转换器系统的示意性波形图。
6图7是根椐本发明的 一 个实施例的电源转换器系统的另 一 实施的示意图。
图8是根椐本发明的一个实施例的，图7所示的电源转换器系统的实施的示意性时序图。
图9是根据本发明的 一 个实施例的电源转换器系统的另 一 实施的示意图。
图10是根据本发明的一个实施例的，图9所示的电源转换器系统的实施的示意性时序图。
图11是根据本发明的一个实施例的，具有功率因数校正(PFC)控制的电源转换器系统的实施的示意图。
图12是根据本发明的一个实施例的经过整流的交流输入信号的示意性波形图。
图13是根据本发明的一个实施例的乘法器和输出调节环路的实施的示意图。
图14是根椐本发明的一个实施例的电流调节器和脉冲宽度调制(PWM)电路的实施的示意图。
具体实施例方式
通过参考附图的图1到图14最好地理解本发明的实施例和它们的优点。相同的附图标记被用于各个附图的相同或对应部分。
在一个实施例中，提供一种AC-DC电源转换器系统，其结合了输入侧整流和软开关功率因数校正(PFC)。对于软开关PFC,电源转换器系统中的各种开关在零电压开关(ZVS)和/或零电流开关(ZCS)条件下接通和断开。该转换器系统可以能够真正同步整流。电源转换器系统可以包括用于输入側整流、升压和软开关PFC的电路。
另外，在一些实施例中，通过减小传导损耗以及开关损耗，本发明增加了转换器效率。在一些实施例中，这减小了散热器大小并且增加了功率密度。
图1是根据本发明的一个实施例的电源转换器系统10的实施的示意图。电源转换器系纟克10能把交流(AC)电源转换成直流(DC)电源，因此是一种AC/DC转换器。电源转换器IO在具有第一端子(P)和第二端子(N)的输入处从AC电源6接收AC电力。电源转换器系统10将升压DC电力传递到输出端V。ut处的负载8。电源转换器系统IO可以比先前设计具有更高的效率，因为在系统10中传导损耗以及开关损耗两者都减小。
对于典型应用，AC电源6可具有从85伏特rms到264伏特rms的范围，并且工作在从50Hz到60Hz范围内的频率处。对于这些典型AC输入条件，V。ut电压例如将会是390Vdc。在一些实施例中，电源转换器系统IO可以具有如以下参考附图11到图14所示并描述的用于AC的功率因数校正(PFC)的电路。
如图所示，电源转换器系统10包括电感器12， 14, 16，开关18, 20,22， 二极管24， 26， 28， 30， 32， 34， 36,电容器38， 40， 42， 44和控制器46。开关18， 20， 22每一个可以实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),但是要理解的是这些晶体管可以采用其他适合器件实现，诸如，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、绝缘栅场效应晶体管(IGFET)、双极结型晶体管(BJT)，等等。由于MOSFET沟道能在与它的体二极管相同的方向上传送电流，所以开关18, 20的MOSFET实现允许它们起到同步整流器的作用。即，对于同步整流来说，MOSFET沟道及其体二极管两者都传送电流，所以传导损耗减小而且效率增加。与开
关18和20并联的电容器42和44可以4吒表Coss,开关18和20的寄生漏源电容和/或与开关18和20并联放置来限制开关上升和下降dv/dt的附加电容。可以采用任何适合逻辑实现的控制器46提供控制信号用于接通和断开开关18, 20和22。在一个实施例中，可以在电源转换器系统10中提供电路(未明确示出)以允许控制器46感测跨开关18和20的漏源电压(Vds),从而控制器可以响应于接近零的漏源电压来驱动这些开关，以实现开关18和20的ZVS操作。
在一些实施例中，电源转换器系统10的元件的全部或者一部分能在单个或多个半导体棵片(通常称为"芯片，，)或分立元件上实现。每个棵片都是由例如硅或者其他适合材料构成的单片结构。对于利用多个棵片或者元件的实现来说，这些棵片或者元件可以在具有用于在其间传送信号的各种迹线的印刷电路板(PCB)上组装。
电感器12, 14， 二极管24， 26，开关18， 20和电容器40可以实现用于输入侧整流以及升压功能的电路。在P端子处的电压为正时的AC电源半周期内，开关18持续接通而开关20起到升压开关的作用。当开关20接通时，电源电压6的绝对值被施加到电感器12和14的串联组 合，从而将这些电感器充电到某个能量等级。这称为充电周期。当开关 20断开时，电感器12和14通过二极管26、负栽8与电容器40的并联 组合、开关18以及AC电源放电。这称为放电周期。因此开关18提供 了用于输入电流返回到N端子的返回路径，从而在P端子处的电压为正 时的这个输入半周期内起到同步整流器的作用。在放电周期内传送到电 容器40的能量是来自升压电感器12和14的能量加上在该周期内流自 AC电源6的能量。在N端子处的电压为正时的交替的半个周期内，开关 18和20的作用颠倒。开关20持续接通，而开关18起到升压开关的作 用。当开关18接通时，电源电压的绝对值被施加到电感器14,从而对 该电感器充电。当开关18断开时，电感器12和14通过二极管24、负 载8、电容器40和开关20放电。因此开关20提供了用于输入电流返回 到P端子的返回路径，由此在N端子处的电压为正时的这个输入半个周 期内起到同步整流器的作用。电容器40起到输出滤波电容器的作用。
二极管28， 30， 32， 34， 36，电容器38，电感器16和开关22组 成了辅助开关网络。这个辅助开关网络供给了主升压开关18， 20在零 电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件下的接通，并且还供给了主 升压开关18， 20在ZVS条件下的断开。而且，辅助开关网络的开关22 自身工作在接近ZVS条件下。对于ZVS，在跨开关18和20的零电压或 者接近跨开关18和20的零电压(即，Vk大致为0)处进行开关转换。 对于ZCS,在流经开关的零电流或者接近流经开关的零电流处进行开关 转换。在两个开关器件上的ZVS和ZCS条件消除了与二极管反向恢复电 流有关的损耗。这极大地减小了在电源转换器系统10中的开关损耗， 从而允许工作在较高的开关频率。例如，如果没有提供辅助开关网络， 那么当开关18或20接通时，它将分别硬切换恢复二极管24或者26。 由于二极管恢复电流将流过大总线电压(例如390V),所以这将引起大 的接通开关损耗。因此，辅助开关网络产生了较高效率以及引起升压扼 流圈大小和成本的减小。所得到的改进的电路电流方向转变柔和还减小 了传导和辐射的电磁千扰(EMI)。
图2示出了电源转换器系统10的实施的示意性时序图100。时序图 100包括多个波形102， 104， 106和108,大致分别代表了 AC电源输入 和开关18， 20和22的栅极的电压。在AC电源的P端子为正时的时序
9图IOO的前一半中，开关18持续接通并且开关20起到升压开关的作用。 在AC电源的P端子为负时的时序图IOO的后一半中，开关20持续接通 并且开关18起到升压开关的作用。要理解的是，AC电源波形可以是正 弦曲线形状。
现在参考图1和图2，辅助开关网络的开关22在升压开关18或20 接通之前接通。通过开关22的电流将以Vw除以电感器16的电感值的 di/dt速率开始增加， 一旦该电流的幅度达到升压电感器12和14中流 动的电流的幅度，相应的升压二极管24或26就停止传导前向电流而开 始传导它的反向恢复Qn电荷。 一旦二极管24或26 Q"反向恢复电流结 束，则辅助开关网络中的电感器16将根据准备好被接通的开关来分别 对升压开关18或20的输出电容器42或44进行谐振放电。在电容器42 或44被放电到O伏特时，电感器16中的电流将大于电感器12和14中 的电流。这过多的电流回流通过开关18或20的寄生体二极管，将跨开 关18或20的电压反向一个二极管压降。现在跨升压开关18或20的电 压几乎为0,该零电压条件可以由控制器46感测到，控制器46接着允 许升压开关18或20接通。在一个替代实施例中，通过将电源转换器系 统10配置成在开关22的接通与升压开关18或20的接通之间具有延迟
(例如O. 5ps),可以实现开关18或20的零电压开关(ZVS)。这个的 实现例如可以通过，制作足够大小的电感器16来使得电感器16和电容 器42或44的谐振四分之一周期加上二极管24或26的二极管恢复时间
(trr )小于0. 5微秒。因此，升压开关18或20在ZVS-ZCS条件下接 通。 一旦感测到零电压，当升压开关18或20中任一个接通时，辅助网 络的开关22也断开。存储在电感器16中的能量随后传递到电容器38， 通过二极管34将电容器38充电到V。 t电势。对电容器38的充电允许通 过开关22的电流在极低的漏源电压下下降到0，开关22在接近ZVS条 件下断开。电感器16中的多余能量(在电容器38被充电到V。u,之后) 随后通过二极管30或32， 34和28被传送到输出。由于它自身的Coss
(并联电容器42或44)和电容器38，所以相同的升压开关将在ZVS条 件下断开。随着通过开关18或20的电流下降到0，流过电感器12或 14的AC输入电流将分别传送到二极管30或32。该电流流过电容器38 和二极管28，使得电容器38放电以准备下一个开关周期。在设置开关 18或20的漏电压的增加速率中，通常电容器38的值相对于电容器42或44是占主导的。这种电压的緩慢增加将开关18和20的断开开关损 耗降低到接近0。这样，所有开关18， 20和22在软开关条件下接通和 断开。由于这些条件，电源转换器系统IO的效率可以增加到大约97%。
图3是根据本发明的一个实施例的电源转换器系统10的示意性波 形图200。图200包括代表流过开关22的电流的波形202,代表流过二 极管26的电流的波形204，代表开关22的栅极驱动信号的波形206, 代表升压开关20 (或18)的栅极驱动信号的波形208，代表开关22的 漏-源电压(Vds)的波形210，代表流过升压开关20 (或18)的电流的 波形212,以及代表开关20 (或18)的Vd,的波形214。
图200描绘了在图1的AC电源电压6在P端子处为正(+ )和在N 端子处为负(-)时的二分之一周期内的系统10的开关周期。在该时间 段内，开关18将持续接通，并且将输入电流从它的源极传导到漏极并 返回到N端子。4艮定电流i^流入P端子并且通过二极管26流到输出电 容器40。如果开关22随后在t,时刻处接通从而开始升压电感器12和 14的下一充电周期，那么输出电压V。ut将被施加在电感器16上并且它 的电流将以速率c(,/c^/。uf//_r (其中"为电感器16的值)增加，直到它 达到等于输入电流L加上升压二极管26中的峰值反向恢复电流(Im) 的值。当升压二极管26建立起它的反向阻断能力时，电感器16将与升 压开关20的输出电容44谐振，由此使得电容器44放电并且将升压开 关20置于用于ZVS的条件。此时，电感器16中的电流大于AC输入电 流iAe,并且差电流在12时刻处将通过开关20的体二极管回流。
一旦开关20的漏-源电压(Vds)达到0电势，则控制器46感测到 这个并且使得开关20接通而使得开关22断开。因此开关20在ZVS和 ZCS条件下在L时刻处接通。电感器16中的能量随后传送到电容器38,
将其充电到rdxV^7^的电势，其中乙是电容器38上的电压，而~ 是流过电感器16的电流。如果电感器16中的能量大于将电容器38充 电到V。ut所需的能量，则多余能量将流到输出电容器40。用于该电流流 动的路径是通过二极管32、电感器16、 二极管34和二极管28。以图3 中"时刻开始示出了开关22的该断开次序。注意，电容器38两端的电 压就在开关22断开之前接近于0,由此开关22的电流差不多立即传送 到电容器38，从而为开关22提供ZVS开关。二极管36防止开关22的 输出电容与电感器16和电容器38发生将使得电容器38放电的减幅振荡。因此，提供二极管36以使得在升压开关20断开时，留下被完全充电的电容器38,由此允许升压开关20在ZVS条件下断开。
在ts时刻处，当开关20断开，从而终止了开关20的功率因数校正(PFC)充电周期时，AC输入电流i"可以立即传送到二极管32、电容器38和二极管28,直接流到输出电容器40并且通过开关18的体二极管返回到N输入端。如果适当地设置了电感器16和电容器38的电感/电容比率，则在开关20断开时，电容器38将差不多被充电到输出电容器40的电势。因此，开关20中的电流将在很低的电压下传送到二极管32，由此实现ZVS条件下的开关操作。开关20两端的电压随后将以
Cfv/Cf产/Ac/Cr的速率增加到V。ut的电势，其中//u;为该时间AC输入电流的
幅度，而Cr为电容器38的值。参考图3中的波形212,在开关20的漏-源电压增加到V。ul的时间内在开关20中流动的小电流是将电容器44和开关20 Coss输出电容充电到V。w所需的电流。
一旦开关20的漏-源电压(I)达到V^的电势，那么电容器38 Cr将彻底放电并且AC输入电流将传送到升压二极管26。随后电源转换器系统10为下一个升压电感器充电周期准备好或者被预置。
注意，当开关22重新接通开始下一个充电周期时，电感器16中的电流为0。因此，如果开关22接通的足够快，开关操作将发生在ZCS条件下(具有最小接通损耗)。
在交替的AC电源周期内，当AC电源电压6在N端子处为正(+ )而在P端子处为负(-)时，开关20将持续接通，而开关18、 二极管30和二极管24将以基本上图3所述和示出的方式进行操作。
图4、图5和闺6是示出二极管36对电源转换器系统IO的操作的影响的波形图。图4是如果提供或者包括二极管36的系统10的波形图220。图4包括代表电容器38两端电压的波形222，代表开关22的栅极驱动信号的波形224,代表电感器16中流过的电流的波形226,代表开关22的漏-源电压(Vds)的波形228,代表开关20 (或者18)的Vds的波形230。在图4中，电容器38两端的电压保持接近或者靠近在开关20断开时输出电容器40两端的电压。
图5是在二极管不存在或者没有被提供并且由在开关22的漏极与电感器16和二极管34相连接处的节点之间的直接连接所替代时，系统10的波形图240。图5包括代表流入电感器16中的电流的波形242，代表开关20 (或者18)的V&的波形244，代表电容器38两端电压的波形246，代表开关22的漏-源电压(Vds)的波形248,以及代表开关22的栅极驱动信号的波形250。在图5中，开关22的输出电容通过电感器16、电容器38和二极管28减幅振荡，由此使得电容器38放电到小于输出电压V。u,的电势。这使得当开关20断开时开关20的电压陡峭上升，由此增加了它的开关损耗。在一些实施例中，由二极管36所提供的益处或优势与电容器38和开关22的输出电容Coss的比率有关联。即，当开关22的输出电容Coss较大时，二极管36提供了更大的益处或优势(例如，在增加效率方面)。
图6是根椐本发明的 一个实施例的电源转换器系统的示意性波形图260。特别地，图6示出了开关22的开关特性。图6包括代表流入电感器16中的电流的波形262，代表流过开关22的电流的波形264，代表电容器38两端电压的波形266,以及代表开关22的漏-源电压(Vds)的波形268。如图所示，开关22在零电流开关(ZCS)下接通并且在零电压处断开。Vds上升期间开关22中的电流不指示开关22中消耗的能量，而是与对它的Coss输出电容充电有关的充电电流。开关22可以看作是与电容Coss并联的开关。如果这个开关非常快的断开，那么流入开关22中的大部分电流通过二极管34传送到充电电容器38。如通过开关22中衰减的电流所示的，该电流的一小部分流入Coss,将其充电到V。u,电势。Coss为非线性电容(即，当Vas低时大，而随着增加充电电势而减小)。这就是电流随着Vds增加而下降的原因。
图7是根据本发明的一个实施例的，电源转换器系统310的另一实施的示意图。电源控制器系统310将AC电源电压6转换成DC电力用以传送到负载8。图7所示的电源转换器系统310类似于图1所示的电源转换器系统0，这样，包括电感器12， 14， 16,开关18, 20， 22， 二极管24， 26, 28, 30， 32,以及电容器40， 42， 44。电源转换器系统310还包括电容器312和控制器346。电感器12， 14, 二极管24， 26，开关18， 20以及电容器40可以实现用于输入侧整流以及升压功能的电路。二极管28， 30， 32，电容器40, 312，电感器16以及开关22可以形成辅助开关网络。该辅助开关网络供给了主升压开关18, 20在零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件下的接通。特别地，电源转换器系统310中的二极管30和32有助于针对每半个周期(基频处的)分别支持或提供升压开关18和2 0在ZVS或ZCS条件下的开关操作。而且，二极管30和32有助于在稳态期间减小或消除通过二极管28的电流，从而消除或减小在开关22接通时二极管28的恢复电流。因此，与电源转换器系统10 —样，升压开关18和20的接通是在ZVS-ZCS条件下。
图8示出了电源转换器系统310的实施的示意性时序图350。时序图350包括多个波形352， 354, 356和358,这些波形大致分别代AC电源输入电压和开关18, 20和22的栅极电压。要理解的是，AC电源输入的波形352可以采取正弦波的形式。在AC电源电压为正时的时序图350的前半部分中，开关18持续接通并且开关20起到升压开关的作用。在AC电源电压为负时的时序图350的后半部分中，开关20持续接通并且开关18起到升压开关的作用。开关22就在升压开关18或20接通之前接通。
图9是根据本发明的 一 个实施例的电源转换器系统410的另 一 实施的示意图。电源转换器系统410将AC电源电压6转换成DC电力用以传送到负载8。图9所示的电源转换器系统410类似于图1所示的电源转换器系统IO,这样，包括电感器12， 14， 16，开关18， 20， 22, 二极管28, 30, 32,以及电容器40, 42， 44。与电源转换器系统10—样，升压开关18和20的接通在ZVS-ZCS条件下。由于这一点，电源转换器系统410可以用具有快速体二极管的SuperFET 424和426来代替转换器系统10的升压二极管24和26,由此进一步减小系统的传导损耗。电源转换器系统IIO还包括控制器446用于控制开关18, 20， 22， 424和426。
图10示出了电源转换器系统410的实施的示意性时序图450。时序图450包括多个波形452， 454， 456， 458, 460和462，这些波形大致分别代表AC电源输入电压和开关18， 20, 424， 426和22的栅极电压。在AC电源电压在电接头(P)上为正并在电接头(N)上为负时的时序图200的前半部分中，开关18持续接通，开关424持续断开，并且开关20和426起到升压开关的作用。在AC电源电压为负时的时序图450的后半部分中，开关20持续接通，开关426持续断开，并且开关18和424起到升压开关的作用。
与图1的电源转换器系统IO—样，参考图7到图IO所示出和描述的电源转换器系统310和410可以比先前设计提供更高的效率。在此示出和描述的电源转换器系统的各种实现可以提供下面的一种或多种使得一个或两个升压开关在零电压开关(ZVS)条件下接通，使得一个或两个升压开关在ZVS条件下断开，以及使得一个或两个升压开关在零电流开关(ZCS )条件下断开。这减小了开关损耗。还减小了电磁干扰(EMI )。这允许开关频率增加，从而减小了升压扼流圏的尺寸。由于这些条件，AC-DC转换器的效率可以增加到大约97%。
图11到图14示出了 PFC的波形和电路。电源转换器系统可以具有或支持功率因数校正(PFC)。通常，PFC减小了高峰值电流和从AC输入引入的谐波电流，这减小了 EMI并且产生或支持具有增加的能量潜力的更净化的AC线路。
参考图11，示出了具有有源PFC控制电路512的电源转换器系统510。电源转换器系统510具有用于AC电源506的输入端和输出端V,。对于PFC来说，由电源转换器系统510引入的电流的波形应当紧密地与AC电源506 (可以是正弦波形)的电压波形匹配。换言之，PFC输入电流应当具有与电源输入电源506的电压同相的正弦波形。
图11示出了有源PFC控制电路512与传统升压PFC电路的电源电路之间的接口。如果使用了无桥路PFC电路，那么可能需要共模隔离电路来建立与经过整流的AC输入成比例而以地输出为基准的信号。图11的这个实施例可以是用于控制电路的模拟实现。利用诸如数字信号处理(DSP )或微处理器之类的数字电路可以实现相同的功能。
在电源转换器系统510中，整流器电路508对正弦输入进行整流来产生例如图U所示的经过整流的AC输入基准信号。图12示出了峰值幅度为1伏特的经过整流的60Hz电压。经过整流的AC输入基准信号可以被输入到有源PFC控制电路512。有源PFC控制电路512还具有用于从输出V。ut反馈的输入。在一个实施例中，有源PFC控制电路512包括乘法器输出调节环路514和电流调节和PWM电路516。
图13示出了乘法器和输出调节环路514的示意性实施。如图所示，乘法器和输出调节环路514包括乘法器520和输出调节放大器522。乘法器520接收第一输入(A)处的图12的经过整流的AC输入基准信号和第二输入(B)处的来自输出调节放大器522的输出。电阻分压器524对PFC输出电压V。u,进行分压。电阻分压器524可以包括对PFC输出进行分压的多个电阻(如图所示，例如，阻值为395kQ和5kQ )。输出
15较，基准电压例如可以是5V。如果PFC输出电压例如是400V，那么电阻分压器524将提供5V给输出调节放大器522的输入，并且放大器522的输出将被保持在它的值。如果PFC输出电压降低，那么输出调节放大器522的输出将开始增加，由此增加到乘法器520的输入的值。乘法器5 2 0的输出为它的A和B输入的乘积，并且被提供作为对电流调节和PWM电路516的基准。因此，这个对调节和PWM电路516的输入基准的波形与图12所示的信号的波形相同，其幅度经过乘法器和输出调节环路514的调整。
如果PFC输出电压下降到400V以下，那么乘法器和输出调节环路514将通过它的乘法器520的运算来增加提供给电流调节和PWM电路516的基准信号的值。相反，如果PFC输出电压大于400V，那么乘法器和输出调节环路514将降低提供给电流调节和PWM电路516的基准信号的值。在一些实施例中，这个乘法器和输出调节环路514相对迟緩，具有只有几Hz的范围内的零增益交越频率(zero ga in crossover f requency )。这对于防止输出紋波通过乘法器520对输入电流引入失真会是期望的。
图14示出了电流调节和PWM电路516的示意性实施。如图所示，电流调节和PWM电路516包括电流环路放大器528和PWM比较器530。
电流环路放大器528接收来自乘法器和输出调节环路514的乘法器520的输出(图13),并将其同与经过整流的输入电流成比例的信号比较。特别地，乘法器520的输出被输入到电流环路放大器528的非反向端。该信号与-争感测电阻(Rsense)的，与经过整流的输入电流成比例的信号进行比较。如果Rsense信号大于基准乘法器信号，那么电流环路放大器528的输出将减小，由此减小升压开关脉沖宽度。相反，如果Rsense信号小于乘法器520的输出，那么电流环路放大器528的输出将增大，由此增加了升压开关传导时间。PWM比较器530接收来自电流环路放大器528的输出信号，并且将其与开关频率下的斜坡或锯齿信号比较。PWM比较器530将PWM信号输出到升压开关。
在一个实施例中，电流调节和PWM电路516能够相对快的操作，其中它的交越频率设置在几KHz范围内，从而它能迫使跨Rsense电阻器的信号跟随经过整流的电压输入信号。
对有源PFC控制电路512总结，输出电压由乘法器和输出调节环路514感测，并且使用误差信号来控制到电流调节和PWM电路516的电压 幅度。电流调节和PWM电路516随后迫使输入电流跟随乘法器输出信号。 尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应该理解的是，在不脱 离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以在其中做 出各种变化、替代和改变。即，在本申请中所包含的讨论意在起到基本 概念的作用。应该理解的是，特定的讨论可能没有明确地描述所有可能 的实施例，许多替代实施例都是暗含的。它可能没有完全说明本发明的 普遍性，并且可能没有明确地示出每个特征或组件实际上如何可以代表 更广泛功能或者多种替代物或者等同组件。而且，这些暗含地包括在本 公开中。只要采用针对装置的术语来描述本发明，该装置的每个组件都 暗含地执行功能。描迷或者术语都并非意在限制权利要求的范围。
权利要求
1. 一种电源转换器系统，包括第一输入端和第二输入端，可操作来连接到交流(AC)电源；输出端，可在该输出端将输出电压提供给负载；第一电感器和第一二极管，串联连接在第一输入端和输出端之间；第二电感器和第二二极管，串联连接在第二输入端和输出端之间；第一开关，连接到第一电感器和第一二极管；第二开关，连接到第二电感器和第二二极管；其中第一开关和第二开关交替地起到升压开关和同步整流器的作用，以在电源转换器系统的操作期间对第一电感器和第二电感器进行充电和放电；以及辅助网络，可操作来在电源转换器系统的操作期间为第一开关和第二开关两者提供零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件。
2. 如权利要求1所述的电源转换器系统，其中辅助网络包括 第三开关；以及第三电感器， 一端连接到第一电感器和第二电感器，而另一端连接 到第三开关；其中，在操作期间，来自第三电感器的电流流过第三开关并且回流 过第一开关或者第二开关的体二极管，从而减小第一开关或第二开关上 的压降。
3. 如权利要求2所述的电源转换器系统，其中辅助网络包括与第 三电感器并联连接的电容器和第三二极管。
4. 如权利要求1所述的电源转换器系统，其中，所述系统是在集 成电路(IC)器件上实现的。
5. 如权利要求1所迷的电源转换器系统，包括用于为接通和断开 第一开关和第二开关提供控制信号的控制器。
6. 如权利要求1所述的电源转换器系统，包括检测在第一开关或 第二开关上的零电压条件的电路。
7. 如权利要求1所述的电源转换器系统，包括提供功率因数校正 (PFC)控制的电路。
8. —种电源转换器系统，包括第一输入端，可操作来连接到交流(AC)电源的一端； 第二输入端，可操作来连接到AC电源的另一端； 输出端，可在该输出端将输出电压提供给负载； 第一升压电感器和第一升压二极管，串联连接在第一输入端和输出 端之间；第二升压电感器和第二升压二极管，串联连接在第二输入端和输出 端之间；第一开关，可操作来起到升压开关的作用，以在AC电源的第一半 周期内对第一升压电感器进行充电和放电；第二开关，可操作来起到升压开关的作用，以在AC电源的第二半 周期内对第二升压电感器进行充电和放电；以及辅助网络，可操作来分别在AC电源的第一半周期和第二半周期内 为第一开关和第二开关两者提供零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS ) 条件。
9. 如权利要求8所迷的电源转换器系统，其中辅助网络包括 第三开关；以及第三电感器， 一端连接到第一电感器和第二电感器，而另一端连接 到第三开关；其中，在操作期间，来自第三电感器的电流流过第三开关并且回流 过第一开关或者第二开关的体二极管，从而减小第一开关或第二开关上 的压降。
10. 如权利要求8所述的电源转换器系统，其中所述系统是在集成 电路(IC)器件上实现的。
11. 如权利要求8所述的电源转换器系统，包括用于为接通和断开 第一开关和第二开关提供控制信号的控制器。
12. 如权利要求8所述的电源转换器系统，包括检测在第一开关或 第二开关上的零电压条件的电路。
13. 如权利要求8所述的电源转换器系统，包括提供功率因数校正 (PFC)控制的电路。
14. 一种电源转换器系统，包括第一输入端和第二输入端，可操作来连接到交流(AC)电源； 输出端，可在该输出端将输出电压提供给负载；第一电感器和第一二极管，串联连接在第一输入端和输出端之间；第二电感器和第二二极管，串联连接在第二输入端和输出端之间；第一开关，连接到第一电感器和第一二极管；第二开关，连接到第二电感器和第二二极管；其中第一开关和第二开关交替地起到升压开关和同步整流器的作 用，以在电源转换器系统的操作期间对第一电感器和第二电感器进行充 电和》i:电；以及用于在电源转换器系统的操作期间为第一开关和第二开关两者提 供零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件的装置。
15. 如权利要求14所述的电源转换器系统，其中用于提供ZVS和 ZCS条件的装置包括辅助网络。
16. 如权利要求14所述的电源转换器系统，其中用于提供ZVS和 ZCS条件的装置包括第三开关；以及第三电感器， 一端连接到第一电感器和第二电感器，而另一端连接 到第三开关；其中，在操作期间，来自第三电感器的电流流过第三开关并且回流 过第一开关或者第二开关的体二极管，从而减小第一开关或第二开关上 的压降。
17. 如权利要求16所迷的电源转换器系统，包括与第三电感器并 联连接的电容器和第三二极管。
18. 如权利要求14所迷的电源转换器系统，其中所述系统是在集 成电路(IC)器件上实现的。
19. 如权利要求14所迷的电源转换器系统，包括用于为接通和断 开第一开关和第二开关提供控制信号的控制器。
20. 如权利要求14所迷的电源转换器系统，包括检测在第一开关 或第二开关上的零电压条件的电路。
21. 如权利要求14所迷的电源转换器系统，包括提供功率因数校 正(PFC)控制的电路。
全文摘要
在一个实施例中，电源转换器系统包括可操作来连接到交流(AC)电源的第一输入端和第二输入端，以及输出端，在该输出端可将输出电压提供给负载。第一电感器和第一二极管串联连接在第一输入端和输出端之间。第二电感器和第二二极管串联连接在第二输入端和输出端之间。第一开关连接到第一电感器和第一二极管，第二开关连接到第二电感器和第二二极管。第一开关和第二开关交替起到升压开关和同步整流器的作用，以在电源转换器系统的操作期间对第一电感器和第二电感器进行充电和放电。在电源转换器系统的操作期间，辅助网络可操作来为第一开关和第二开关两者提供零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件。
文档编号H02M7/5387GK101485073SQ200780024377
公开日2009年7月15日 申请日期2007年6月29日 优先权日2006年6月30日
发明者D·曹, R·H·兰达尔, S·舍克哈沃特 申请人:美国快捷半导体有限公司