专利名称：整流器和用于控制所述整流器的方法
技术领域：
本发明涉及整流器，尤其涉及使包括前置调节器和DC/DC变换器的整流器的输出功率为最佳的装置和方法。
在这种整流器中，前置调节器的输出功率是DC/DC变换器的输入功率。前置调节器的输入功率是从电网汲取的功率。所述输入功率P=U.I，其中I是输入电流，U是输入电压，其取决于输出端的负载。一般地说，输入电压U取决于环境，而输入电流I被改变，以便进行补偿，使得达到所需的功率。如果输入电压下降，则输入电流增加，但是，由于电和热的原因，输入电流必须被保持在一个最大限制之下。因而，需要一个最小的电压，以便确保一定的功率值。
为了在所有规定条件下能够保证完全运行，规定一个额定的最大输出功率。这个功率被用作一个限制，其和实际的输入电压无关。因此，对于高于最小值的输入电压，前置调节器将不提供其理论上的最大输出功率。
即使前置调节器输出的功率在一个给定的时刻足以维持DC/DC变换器的高于额定最大输出功率值的输出功率，输出功率也被保持在额定最大功率值上。输入功率和输出功率相匹配使得确保其在规定的输入条件下是足够的。即使输入条件较好，额定最大输出功率也总是相同的。因而，当条件好时，即当输入电压高时，输入级也不在其最大电压下使用。
由此可见，可以从整流器获得的输出功率在许多情况下高于额定最大输出功率。当前置调节器的可能的输出功率低于所需的输出功率时，整流器即使能够提供低于一个预定功率值的功率，也根本不提供输出功率。当条件更有利时，整流器即使能够提供较高的功率，也只提供预定的功率。
当从前置调节器可得到的输出功率小于额定输出功率时，已知现有技术的整流器具有上述的功能。不过，如果DC/DC变换器的输出功率太高而不能由前置调节器的输出功率维持时，所述现有技术的整流器将工作在失控状态。
本发明的目的在于使包括前置调节器和DC/DC变换器的整流器在任何给定的时刻能够输出对于当前条件为最大的输出功率。
按照本发明的目的是通过一种特定类型的整流器达到的，所述整流器包括用于和前置调节器的输入功率无关地控制DC/DC变换器的输出功率POUT的装置。
本发明还公开了一种通过和输入电流IIN无关地控制输出功率POUT控制这种整流器的方法。
这种解决方案确保整流器的输出功率永远不会高于前置调节器可以供给的功率。结果，按照本发明的整流器可以在任何功率和任何输入条件下使用。
输出功率POUT可以通过控制DC/DC变换器的输出电流IOUT被控制。
表示输入电流IIN是否处于其最大值的状态信号可以利用几种方式获得根据前置调节器的输入电流IIN。在这种情况下，整流器包括；用于测量前置调节器的输入电流IIN的装置；用于比较输入电流IIN和最大允许输入电流，从而获得状态信号的装置。
根据输入电流的参考值。在这种情况下，整流器包括用于获得在当前条件下输入电流IIN的参考值IINREF的装置；用于比较所述参考值和一个参考值IREF，从而获得所述状态信号的装置。
根据对于前置调节器的输出电压UINT的控制电压。在这种情况下，整流器包括用于测量前置调节器的输出电压UINT的装置；用于通过比较输出电压UINT和参考电压UINTREF，从而产生控制电压UCTRL的装置；用于比较所述参考电压UCTRL和参考电压UREF1，从而获得所述状态信号的装置。
根据前置调节器的输出电压UINT。在这种情况下，整流器包括用于测量前置调节器的输出电压UINT的装置；用于比较所述输出电压UINT和一个参考值UREF2，从而获得所述状态信号的装置。
最好是，所述状态信号在作为控制信号被送到DC/DC变换器之前被处理。
所述处理可以包括在滤波单元中被滤波；获得经过滤波的信号和输出电流参考信号(IOUTREF)之间的差值信号；比较所得差值信号和DC/DC变换器的输出电流IOUT，利用比较的结果构成DC/DC变换器的控制信号。
利用本发明的方案，现有技术中使用的两个反馈环可以用一个反馈环代替。这使得在所有操作条件下都能得到最大输出功率。
下面参照附图详细说明本发明，其中
图1表示现有技术的整流器；图2表示按照本发明的第一实施例的整流器；图3表示按照本发明的第二实施例的整流器；图4A和4B表示用于获得状态信号的不同方式；图5A表示按照本发明的优选实施例的一般的控制连接；图5B表示控制连接的一个更具体的实施例；图6A和6B表示和现有技术的整流器相比按照本发明的整流器的功能。
图1表示包括前置调节器1和DC/DC变换器3的现有技术的整流器。在本例中，前置调节器1是AC/DC变换器。前置调节器具有由UIN表示的输入电压和由IIN表示的输入电流。输入功率PIN=UIN·IIN。前置调节器的输出电压由UINT表示，其也是DC/DC变换器的输入电压。DC/DC变换器具有由UOUT表示的输出电压和由IOUT表示的输出电流。
DC/DC变换器3的输出功率POUT是整流器的输出功率，由POUT=UOUT·IOUT确定。DC/DC变换器3的输出功率应当永远不会高于DC/DC变换器3的输入功率，即前置调节器1的输出功率。由于电的和热的原因，前置调节器的输入电流被限制于一个最大的输入电流IINMAX。该电流IINMAX和特定的最小输入电压UINMIN一道将确定在最坏的条件下可得到的输入功率。DC/DC变换器将被编程，使得将其输出功率限制于这个值，以便确保在所有的时间内都能安全运行。当由于有利的条件而使输入电压增加时，输入电流将减少，以便保持功率恒定。
为了保持前置调节器1的输出功率足够高，需要监视输出电压，并且当前置调节器的输出电压UINT降低时，增加输入电流IIN。输入电流IIN可以只允许上升到某个值IINMAX。如果输入电压UIN太低，则输入电流IIN不可能被足够地增加而确保输出功率POUT。在图1所示的现有技术的整流器中，相应于输入电压UIN的信号也被送到前置调节器1的控制输入端。当输入电压UIN下降到一个预定的门限值以下时，因为不能保证全功率值而使整流器1被关断。
图1所示的现有技术中的DC/DC变换器3的输出功率根据输出电压UOUT和输出电流IOUT在单元5中被计算。为了控制整流器的输出功率，输出功率以反馈连接的形式被送到DC/DC变换器3的控制输入端，并且当输出功率超过一个预定值时，使输出功率减少。这一般通过减少DC/DC变换器3的输出电流来实现。
图2表示按照本发明的第一实施例的整流器。如图1所示，整流器包括前置调节器11和DC/DC变换器13，前置调节器11的输出电压UINT构成DC/DC变换器13的输入电压。前置调节器11具有输入电压UIN和输入电流IIN，它们是整流器的输入电压和输入电流。DC/DC变换器具有输出电压UOUT和输出电流IOUT，它们是整流器的输出电压和输出电流。
如同现有技术中的整流器一样，输入电压UIN和输入电流IIN确定了可以提供的输出功率POUT。为了确保在任何给定的时刻DC/DC变换器13的输出功率POUT不会增加到可以由前置调节器11维持的功率以上，在前馈连接14上向DC/DC变换器发送的状态信号S表示在当前条件下输出功率是否达到其极限。状态信号S是一个数字信号，其在输出功率POUT高于输入功率PIN时为高，在输出功率POUT不高于输入功率PIN时为低(或反之亦然)，并用于控制DC/DC变换器13的输出功率POUT，使得其在任何时刻不会超过由前置调节器11提供个输入功率。处理单元15被用于在状态信号S被发送给DC/DC变换器13的控制输入端之前处理状态信号S。
图3表示按照本发明的第二实施例。如图2一样，整流器包括前置调节器21和DC/DC变换器23，前置调节器21的输出电压UINT构成DC/DC变换器23的输入电压。前置调节器21具有输入电压UIN和输入电流IIN，它们是整流器的输入电压和输入电流。DC/DC变换器具有输出电压UOUT和输出电流IOUT，它们是整流器的输出电压和输出电流。
如图2一样，为了确保在任何给定的时刻DC/DC变换器13的输出功率POUT不会增加到可以由前置调节器11维持的功率以上，在前馈连接24中向前向DC/DC变换器发送的状态信号S。在图3中，通过测量输入电流IIN并在处理单元25中对其进行处理来获得状态信号S。
参考图4A和4B，更详细地讨论获得状态信号S的四种不同方式。
在图4A中示出了和图2、图3所示的整流器的前置调节器类似的前置调节器31。前置调节器31的输入电流IIN在电流测量单元33中被测量。电流测量单元33的输出被送到第一误差放大器37的反相输入端。在第一误差放大器37的同相输入端提供有第二误差放大器39的输出，在它们之间通常具有一个或几个电子元件41。在第二误差放大器39的反相输入端，提供有前置调节器的输出电压UINT。在第二误差放大器39的同相输入端，提供有对于输出电压UINT的参考电压UINTREF，因此，第一误差放大器37的同相输入端的输入信号是表示对于输入电流IIN的参考值的参考信号。第一误差放大器37的输出用于控制前置调节器31，其控制方式和本发明无关，因而在此不详细说明。第二误差放大器39的输出构成控制电压UCTRL，其用途将在下面讨论。
如上所述，前置调节器31的输入电流IIN用于补偿输入电压UIN的变化。因此，如果输入电流变得非常高，则意味着DC/DC变换器的输出功率大于前置调节器在当前条件下可以提供的功率。这在用于获得状态信号S的第一方式中使用，如图4A所示。
在图4A所示的用于获得状态信号S的第一方式中，从电流测量单元33输出信号，并在第一比较器35中和输入电流的参考值LLIMIT比较。比较的结果，即第一比较器35的输出信号是信号S1，其在一个实施例中被用作状态信号S。
在用于获得状态信号S的第二方式中，电流参考信号IINREF被输入到第二比较器43的一个输入端。参考信号IREF被提供给第二比较器43的第二输入端。比较的结果，即第二比较器43的输出信号是信号S2，其在一个实施例中被用作状态信号S。
用于获得状态信号S的第三方式利用输出电压控制电路将试图通过增加输入电流IIN来增加输出电压UOUT这个事实。这只能用于某个极限IIMAX的情况下，因为如前所述，输入电流被限制。因此，第二误差放大器39的控制电压UCTRL将达到超出正常调节范围的一个高的值。这个电压被提供给第三比较器45，并和参考信号UREF1比较。比较结果，即第三比较器45的输出信号是信号S3，其在一个实施例中被用作状态信号S。
图4B表示用于获得状态信号S的第四方式。前置调节器31的输出电压UINT(图4B中未示出)被提供给第四比较器47的一端，并和参考电压信号UREF2比较。比较结果，即第四比较器47的输出信号是信号S4，其在一个实施例中被用作状态信号S。实际上，当电压控制器的输出处于其最大值时，表示前置调节器的输出电压UINT对于当前的输出功率总是太低。因此，应当使输出功率减少。
如果状态信号S按照上述的第三或第四方式被获得，则最大输入电流IIN必须被限制。
当输入电流IIN变得太高时，输出功率POUT必须被减少。按照优选实施例，这通过减少DC/DC变换器的输出电流IOUT来实现。当输出功率POUT被减少时，DC/DC变换器的输入功率被自动地减少。此时，前置调节器的输出功率被减少，因而输入电流IIN被减少。当输入电流IIN降低到IIN＜ILIMIT时，输出功率不必再减少。
图5A表示按照本发明的优选实施例的图3所示的前馈连接的元件。状态信号S在滤波器单元51中被滤波，并在减法单元52中从表示在当前条件下应当具有的输出电流的参考信号IOUTREF中减去滤波后的信号。所得信号被提供给误差放大器53的同相输入端。在误差放大器53的反相输入端上提供有整流器(未示出)的输出电流IOUT。比较单元的输出信号被提供给DC/DC变换器，例如图2所示的DC/DC变换器13的控制输入端。
因此，假定状态信号S为高，滤波器51的输出增加。减法单元52的输出将小于输出电流IOUT，并且控制单元的输出将下降。因此，被送到DC/DC变换器的控制输入端的信号将表示输出功率应当被降低。
图5B表示图5A所示的前馈连接的一个实施例。输入给前置调节器的反相的状态信号S通过第一电阻63被输入到第一误差放大器61的同相输入端。电容器65被连接在第一比较装置61的同相输入端和地之间。因而，电阻63和电容器65构成作为图5A所示的滤波器51的RC连接。比较单元61的输出信号通过二极管67被反馈给比较单元61的反相输入端，并且通过第二电阻71被送到第二误差放大器69的同相输入端。
连接在第二误差放大器69的同相输入端和参考电压UREF之间的第二电阻71和第三电阻73作为分压器。在第二误差放大器69的反相输入端提供有DC/DC变换器(未示出)的输出电流IOUT。
如果状态信号S为高，则反相的状态信号S为低。此时，通过RC连接被滤波的第一误差放大器61的输入将减少。第一误差放大器61的输出信号减少。因而，第二误差放大器69的输入将小于IOUT。因而，第二误差放大器69的输出信号减少，并且DC/DC变换器的控制信号将表示DC/DC变换器的输出功率应当被减少。
第二误差放大器69的同相输入端的输入电压在任何给定的时刻正比于整流器的最大允许输出电流IOUT，因而被用于表示所述最大允许输出电流。整流器的输出电流IOUT被连接到第二误差放大器69的反相输入端。因而，第二误差放大器69比较规定的最大允许输出电流和实际的输出电流IOUT。比较的结果被送到DC/DC变换器的控制输入端。
图6A和6B表示和现有技术的整流器相比，按照本发明的整流器的功能。
在图6A中，前置调节器的输入功率是输入电压UIN的线性函数。曲线的斜率相应于最大输入电流IINMAX。沿着PIN轴线上的一点PINMAX表示在最小输入电压下的最高的可能输入功率。
在现有技术的整流器中，这是为达到整流器的允许的最高输出功率POUT所需的输入功率。这一点PINMAX相应于规定的最小输入电压UINMIN，其是可以维持这个输出功率所需的整流器的最低输入电压。如果输入电压UIN下降到这个最低输入电压UINMIN以下，整流器则停止工作，因为此时输入功率PIN不能被保持在所需的值。因此，现有技术的整流器通常在输入电压UIN下降到规定的最小输入电压UINMIN时被关断。
对于按照本发明的整流器，不需要额定最小电压。整流器可以在所有的电压下工作，而没有输出电压POUT变得大于可以提供的输出电压的危险。此外，可以允许输出功率利用增加输入电压UIN来增加。
图6B表示作为输出电流IOUT的函数的输出电压UOUT。对于现有技术的整流器，直到输出电流IOUT的某个值，输出电压是恒定的，超过这个值，输出电压则开始减少。直到输出电流的最大值IOUTMAX，输出电压UOUT以这样的方式减少，使得输出功率POUT=UOUT·IOUT为常数。用这种方式，输出功率POUT不会超过其最大值。对于增加的负载，电流保持恒定，而电压继续下降。
对于按照本发明的整流器，输出功率不必被限制。因此，根据可以由前置调节器得到的功率，因而根据输入电压，由UOUTMAX和IOUTMAX限定的整个面积都可以被利用。可以看出，当条件允许时，这使得能够达到最高的可能输出功率。
权利要求
1．一种具有前置调节器(11；21)和DC/DC变换器(13；23)的整流器，前置调节器(11；21)的输出构成DC/DC变换器(13；23)的输入，其特征在于，其包括用于与前置调节器(11；21)的可得到的输入功率无关地控制DC/DC变换器(13；23)的输出功率(POUT)的装置(14；24)。
2．如权利要求1所述的整流器，其特征在于其包括用于通过控制DC/DC变换器(13；23)的输出电流(IOUT)控制输出功率(POUT)的装置(14；24)。
3．如权利要求1或2所述的整流器，其特征在于其包括用于测量前置调节器(11；21)的输入电流(IIN)的装置(33)；用于比较输入电流(IIN)和最大允许输入电流(ILINIT)，从而获得状态信号(S)的装置(35)，所述状态信号可用于控制DC/DC变换器(13；23)。
4．如权利要求1或2所述的整流器，其特征在于其包括用于获得在当前条件下输入电流IIN的参考值(IINREF)的装置(39；41)；用于比较所述参考值和一个参考值(IREF)，从而获得状态信号(S)的装置(43)，所述状态信号可用于控制DC/DC变换器(13；23)。
5．如权利要求1或2所述的整流器，其特征在于其包括用于测量前置调节器(11；21)的输出电压(UINT)的装置()；用于通过比较输出电压(UINT)和参考电压(UINTREF)，从而产生控制电压(UCTRL)的装置(39)；用于比较所述控制电压(UCTRL)和参考电压(UREF1)，从而获得状态信号(S)的装置(45)，所述状态信号可用于控制DC/DC变换器(13；23)。
6．如权利要求1或2所述的整流器，其特征在于其包括用于测量前置调节器(11；21)的输出电压(UINT)的装置；用于比较所述输出电压(UINT)和一个参考值(UREF2)，从而获得状态信号(S)的装置(47)，所述状态信号可用于控制DC/DC变换器(13；23)。
7．如前面任何一个权利要求所述的整流器，其特征在于其包括处理单元(15；25)，用于在所述状态信号作为控制信号被送到DC/DC变换器(13；23)之前处理所述状态信号(S)。
8．如权利要求7所述的整流器，其特征在于所述处理单元(15；25)包括滤波单元(51；63,65)，用于对状态信号(S)进行滤波；减法单元(52；61,67,71,73)，用于获得经过滤波的信号和输出电流参考信号(IOUTREF)之间的差值信号；误差放大器(69)，用于比较所得差值信号和DC/DC变换器(13；23)的输出电流(IOUT)，利用比较的结果构成DC/DC变换器(13；23)的控制信号。
9．一种用于控制整流器的方法，所述整流器具有前置调节器(11；21)和DC/DC变换器(13；23)，前置调节器(11；21)的输出构成DC/DC变换器(13；23)的输入，其特征在于，与前置调节器(11；21)的输入功率(PIN)无关地控制DC/DC变换器(13；23)的输出功率(POUT)。
10．如权利要求9所述的方法，其特征在于通过控制DC/DC变换器(13；23)的输出电流(IOUT)控制输出功率(POUT)。
11．如权利要求9或10所述的方法，其特征在于使用前置调节器(11；21)的输入电流(IIN)获得输入功率(PIN)的状态信号(S)。
12．如权利要求9或10所述的方法，其特征在于使用输入电流的参考值(IINREF)获得输入功率(PIN)的状态信号(S)。
13．如权利要求9或10所述的方法，其特征在于前置调节器(11；21)的输入电流(IIN)被限制，并通过以下步骤获得状态信号(S)测量前置调节器(11；13)的输出电压(UINT)；通过比较输出电压(UINT)和参考电压(UINTREF)，从而产生控制电压(UCTRL)；比较所述控制电压(UCTRL)和参考电压(UREF1)，从而获得状态信号(S)。
14．如权利要求9或10所述的方法，其特征在于前置调节器(11；21)的输入电流(IIN)被限制，并通过以下步骤获得状态信号(S)测量前置调节器(11；13)的输出电压(UINT)；比较所述输出电压(UINT)和一个参考值(UREF2)，从而获得状态信号(S)。
15．如权利要求9到14任何一个权利要求所述的方法，包括以下步骤对状态信号(S)进行滤波；比较经过滤波的信号和DC/DC变换器(13；23)的输出电流；将比较的结果送到DC/DC变换器(13；23)的控制输入端。
全文摘要
本发明公开了一种包括前置调节器(11;21)和DC/DC变换器(13;23)的整流器,包括用于与前置调节器的输入功率无关地控制DC/DC变换器的输出功率P
文档编号H02M7/217GK1314022SQ99809920
公开日2001年9月19日 申请日期1999年6月28日 优先权日1998年7月1日
发明者C·托伦, T·萨尔斯特伦 申请人:埃默森能源系统有限公司