專利名稱：用于電源的控制器及其操作方法
該申請與由He等人于1999年9月22日申請的美國專利申請序列號為No.09/401728相關(guān)，該美國中請的題目為“相移后調(diào)整器，其操作方法以及使用該方法的功率轉(zhuǎn)換器”。上面所列出的申請被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明，并且在這里被作為參考結(jié)合如同被全面再現(xiàn)。
本發(fā)明通常直接涉及功率轉(zhuǎn)換，并且尤其是涉及用于電源的控制器以及其操作方法。
對于更有效以及較低噪聲的功率轉(zhuǎn)換器的開發(fā)一直是功率電子學(xué)領(lǐng)域的目標(biāo)。功率轉(zhuǎn)換器一般是用于需要將輸入DC電壓轉(zhuǎn)換(有絕緣)為各種高于或低于輸入DC電壓的其它DC電壓的應(yīng)用中。這樣的例子包括其中將高電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓以便于運行系統(tǒng)的電信以及計算機系統(tǒng)。功率轉(zhuǎn)換器通常面臨這些問題比如切換損耗、切換噪聲以及源于功率變壓器的共模噪聲。切換損耗降低了系統(tǒng)的效率并導(dǎo)致比相同輸出功率所需的更高的輸入功率。導(dǎo)致以及發(fā)出的切換以及共模噪聲需要濾波來防止或降低與其它敏感電子設(shè)備之間的干擾。
當(dāng)前的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計通常實現(xiàn)了兩個全橋控制策略中的一個，即，常規(guī)的硬件切換、脈寬調(diào)制的全橋或相移全橋。這兩種控制策略使用具有四個可控開關(guān)(例如，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、一個絕緣變壓器、一個輸出整流器以及一個輸出濾波器的全橋反相器拓撲結(jié)構(gòu)。帶有伍一個控制策略的全橋反相器拓撲結(jié)構(gòu)得益于體二極管或分離附加的與所述四個可控開關(guān)反并聯(lián)的二極管從而可以將電流提供給絕緣變壓器的寄生電感上。包括并使用一個控制器來控制可控開關(guān)。
通用的全橋一般以如下方式操作。將可控開關(guān)呈對角線對排列，這樣可以在切換周期的部分交替接通開關(guān)以便于給該絕緣變壓器的初級繞組提供輸入DC電壓的相反極性。因此可以操縱可控開關(guān)將輸入DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以操作絕緣變壓器。在所述對角線對的導(dǎo)通間隔之間，在切換周期的一小部分時間內(nèi)，所有的可控開關(guān)都截止。理論上，這將強制使穿過絕緣變壓器初級繞組的電壓變?yōu)榱恪］敵稣髌魅缓笳鱽碜越^緣變壓器的AC電壓。該絕緣變壓器的整流電壓因此而應(yīng)該在理論上是帶有與可控開關(guān)對角線對的占空比成比例的平均值的一個方波。
輸出濾波器平滑并將整流過的電壓濾波從而在該功率轉(zhuǎn)換器的輸出端提供基本上恒定的輸出電壓?？刂破鞅O(jiān)視該輸出電壓并調(diào)整可控開關(guān)對角線對的占空比以便于當(dāng)輸入DC電壓而負載電流變化時將輸出電壓維持在一個恒定電平上。
實際上，整流電壓不是一個很好的方波，但是，由于所有可控開關(guān)的截止從而在絕緣變壓器的漏電感和可控開關(guān)的寄生電容之間感應(yīng)出一個振蕩(ring)。該振蕩損耗能量因此而減少了功率轉(zhuǎn)換器的效率。該振蕩還帶來顯著的噪聲，比如傳導(dǎo)和發(fā)射的電磁干擾。此外，變壓器的磁感應(yīng)中的電流應(yīng)該被清除，該電流通常是由可控開關(guān)的反并聯(lián)二極管所導(dǎo)致的。
相移全橋已經(jīng)發(fā)展到可以消除一些切換損耗以及常規(guī)全橋中所存在的切換噪聲問題。相移全橋的動力系結(jié)構(gòu)基本上與通用全橋的結(jié)構(gòu)相同。但是，來自可控開關(guān)的操作的效果導(dǎo)致在可控開關(guān)導(dǎo)通之前產(chǎn)生經(jīng)過可控開關(guān)的基本為零或減少的電壓。通過開始時導(dǎo)通一個對角線對的兩個可控開關(guān)(例如，可控開關(guān)的左上和右下可控開關(guān))來操作相移全橋。然后，相移全橋可以截止該對角線對的其中一個可控開關(guān)(例如，右下開關(guān))來開始零電壓周期，從而取代兩個可控開關(guān)的截止。然后，導(dǎo)通來自相同一邊的一個可控開關(guān)(例如，右上開關(guān))，使初級電路中的電流流經(jīng)帶有經(jīng)過絕緣變壓器的基本為零或減少的電壓的兩個可控開關(guān)。
這兩個可控開關(guān)因此將經(jīng)過絕緣變壓器的電壓箝位為大約零，并因此基本上消除了當(dāng)可控開關(guān)截止時常規(guī)全橋所經(jīng)受的振蕩狀態(tài)。通過將絕緣變壓器的初級繞組兩端固定到一條干線上，然后固定到其它干線上，然而相移全橋感應(yīng)出流經(jīng)該絕緣變壓器的固有的初級到次級電容的電流。當(dāng)交替從一條干線到另一條干線充電電容電位時，就產(chǎn)生了共模噪聲。
另外，初級電流可替換地流經(jīng)兩個頂部或底部可控開關(guān)可能導(dǎo)致附加的傳導(dǎo)損耗。在初級電流的循環(huán)間隔期間，到達橋的輸入電流以及施加到輸出濾波器的輸出電壓都基本上是零，都需要輸入和輸出濾波。
全橋拓撲結(jié)構(gòu)的一個有效應(yīng)用是使用基本上工作于全工作循環(huán)的未調(diào)節(jié)全橋，基本上同時切換開關(guān)的對角線對從而提供減少的電磁干擾。該全橋電路后跟有具有全范圍調(diào)整的后調(diào)整器。為了提供啟動和過載條件，有必要將該全橋電路用做一個相移電橋。
用于提供相移操作的常用控制集成電路一般都顯示出一些苛刻限制從而使其用于全橋拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。這些控制集成電路通常不能精確地提供全循環(huán)操作。另外，控制集成電路在需要全循環(huán)操作時還不能提供全橋電路對角線開關(guān)的基本同時切換。
因此，在本領(lǐng)域中所需要的是，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中這些局限的用于電源的控制器。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明提供一種可用于帶有可控開關(guān)的全橋功率轉(zhuǎn)換器的控制器，操作該控制器的方法以及使用該控制器或方法的電源。在一個實施例中，該控制器包括(1)被設(shè)計用于以相移方式驅(qū)動可控開關(guān)的信號發(fā)生器電路以及(2)與所述信號發(fā)生器電路相連的切換網(wǎng)絡(luò)，用于使信號發(fā)生器電路以可替換的(2a)相移方式和(2b)通常模式中的一種來操作轉(zhuǎn)換器，在相移模式(2a)中，互補切換轉(zhuǎn)換器第一和第二支路的每一個中的可控開關(guān)，該信號發(fā)生器電路能夠調(diào)整第一和第二支路之間的相對相位；而在通常模式(2b)中，基本上同時并在基本上全工作循環(huán)中切換可控開關(guān)的對角線對。
本發(fā)明一方面引入了切換信號發(fā)生器電路輸出的一個廣泛概念，本發(fā)明被設(shè)計以相移模式驅(qū)動全橋功率轉(zhuǎn)換器的可控開關(guān)，從而允許該信號發(fā)生器電路以相移模式和通常模式驅(qū)動可控開關(guān)。被設(shè)計用于相移操作的通用的信號發(fā)生器電路通常都不能精確提供基本同時切換全橋功率轉(zhuǎn)換器的對角線對。另外，通用的信號發(fā)生器電路都不能精確提供可控開關(guān)切換的全工作循環(huán)。本發(fā)明的控制器因此使用切換網(wǎng)絡(luò)將信號發(fā)生器電路的輸出連接到一組合適的可控開關(guān)上，從而使該信號發(fā)生器電路可替換地以相移模式和通常模式來操作轉(zhuǎn)換器。
在本發(fā)明的一個實施例中，該信號發(fā)生器電路體現(xiàn)為一個集成電路。該信號發(fā)生器電路可以是由美國新罕布什爾州的Merrimack的Unitrode集成電路公司制造的諸如型號3875或型號3879控制集成電路這樣的一些控制集成電路中的一個。當(dāng)然，信號發(fā)生器電路不必僅體現(xiàn)于一個集成電路中。
在本發(fā)明的一個實施例中，該信號發(fā)生器電路用于提供經(jīng)脈寬調(diào)制過的輸出，該輸出可用于驅(qū)動相應(yīng)一組可控開關(guān)。本領(lǐng)域技術(shù)人員都熟知脈寬調(diào)制技術(shù)。
在本發(fā)明的一個實施例中，該切換網(wǎng)絡(luò)包括至少一個雙向開關(guān)。在所示以及所述的一個實施例中，該切換網(wǎng)絡(luò)最好包括四個雙向開關(guān)。雙向開關(guān)可以通過背靠背地連接諸如場效應(yīng)晶體管這樣的兩個單向開關(guān)來實現(xiàn)。當(dāng)然，在本發(fā)明的寬范圍內(nèi)，其它類型的雙向開關(guān)也是可以的。
在本發(fā)明的一個實施例中，切換網(wǎng)絡(luò)開關(guān)以便于將該信號發(fā)生器電路的至少一個輸出連接到至少兩個可控開關(guān)上從而使該信號發(fā)生器電路能以通常模式來操作轉(zhuǎn)換器。該信號發(fā)生器電路因此可以基本同時驅(qū)動可控開關(guān)。
在本發(fā)明的一個實施例中，在啟動期間，該轉(zhuǎn)換器運行于相移模式。在啟動之后，該轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換到通常模式以減少共模噪聲。
在本發(fā)明的一個實施例中，在例如過載情況這樣的故障情況期間，該轉(zhuǎn)換器運行于相移模式?？赡馨l(fā)生諸如偶然連接到輸出的低阻抗負載這樣的故障情況。在這種情況下，全橋功率轉(zhuǎn)換器可以暫時工作于相移模式直到故障被排除。當(dāng)然，該轉(zhuǎn)換器還可以在其它所希望的時間工作于相移模式。
在本發(fā)明的一個實施例中，該控制器進一步包括至少一個連接于信號發(fā)生器電路和一個可控開關(guān)之間的門驅(qū)動變壓器。在一個相關(guān)的實施例中，每個門驅(qū)動變壓器可用于驅(qū)動兩個可控開關(guān)。在一個所示和所述實施例中，該控制器使用兩個門驅(qū)動變壓器，其中每個都用于驅(qū)動全橋功率轉(zhuǎn)換器中的一條支路。
以上已經(jīng)相當(dāng)寬地概述了本發(fā)明的最佳以及可替換特征，從而使相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠較好地理解隨后詳細的說明部分。下面將描述構(gòu)成本發(fā)明權(quán)利要求主題的本發(fā)明的附加特征。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，他們可以容易地使用所公開的概念和特定實施例來作為設(shè)計或變型用于執(zhí)行與本發(fā)明相同的目的其它結(jié)構(gòu)。那些相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以在不脫離以其寬范圍形式出現(xiàn)的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的情況下實現(xiàn)等效的一些結(jié)構(gòu)。
為了更完整理解本發(fā)明，后續(xù)說明將參考附圖進行，其中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的控制器實施例的示意圖；圖2示出了采用本發(fā)明原理構(gòu)造的控制器的電源實施例的示意圖；圖3A和3B示出了可用于本發(fā)明控制器中的雙向開關(guān)的一些實施例。
首先參考圖1，其上示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的控制器100的一個實施例示意圖?？刂破?00被設(shè)計為與全橋功率轉(zhuǎn)換器(反相器)110一起使用，該全橋功率轉(zhuǎn)換器帶有與功率變壓器的初級繞組170相連的第一、第二、第三和第四可控開關(guān)QA、QB、QC、QD。功率轉(zhuǎn)換器110還有一個相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟悉的二次電路(未示出)。
在所示實施例中，控制器100包括連接到功率轉(zhuǎn)換器110輸出端的一個信號發(fā)生器電路120。信號發(fā)生器電路120接收表示功率轉(zhuǎn)換器110輸出特性(例如，輸出電壓或該輸出電壓和表示輸出電流的信號的組合)的一個輸出信號Vout以及表示參考特性(例如，在輸出端所需的電壓)的一個參考信號Vref。信號發(fā)生器電路120將輸出信號Vout和參考信號Vref進行比較，并且在第一、第二、第三和第四信號發(fā)生器電路輸出端A、B、C、D處從所述比較結(jié)果中產(chǎn)生第一、第二、第三和第四脈寬調(diào)制輸出信號，設(shè)計為分別以相移模式驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換器110的第一、第二、第三和第四可控開關(guān)QA、QB、QC、QD。信號發(fā)生器電路120可以是一個通用的控制集成電路，比如，由美國新罕布什爾州的Merrimack的Unitrode集成電路公司制造的型號3875或型號3879的控制集成電路。當(dāng)然，在本發(fā)明寬范圍內(nèi)，包括使用分離元件的其它信號發(fā)生器電路也是可以的。
當(dāng)信號發(fā)生器電路120可以以相移模式驅(qū)動第一、第二、第三和第四可控開關(guān)QA、QB、QC、QD時，該信號發(fā)生器電路120有兩個因素限制。首先，該信號發(fā)生器電路120不能頻繁地精確提供基本全循環(huán)操作。其次，該信號發(fā)生器電路120不能頻繁地提供第一、第二、第三和第四可控開關(guān)QA、QB、QC、QD的對角線對的基本同時切換。
但是，功率轉(zhuǎn)換器110將得益于可以操作于通常模式，即，它具有可以被同時驅(qū)動的可控開關(guān)對角線對以及可以處于基本上是全工作循環(huán)。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以了解到通常模式操作的好處包括較低的共模噪聲、改進的效率、較小的元件尺寸、低輸出電壓波動以及低輸出電流波動。
由于信號發(fā)生器電路120不能使全橋功率轉(zhuǎn)換器110工作于通常模式，因此，本發(fā)明的控制器100包括連接到信號發(fā)生器電路120上的一個切換網(wǎng)絡(luò)130，該切換網(wǎng)絡(luò)可用于使信號發(fā)生器電路120操作全橋功率轉(zhuǎn)換器110可替換地工作于相移模式和通常模式中的一個。
在所示實施例中，控制器100還包括第一和第二門驅(qū)動變壓器140、150。第一門驅(qū)動變壓器140有一個初級繞組，該初級繞組帶有連接到第一信號發(fā)生器電路輸出端A的第一初級端142，以及連接到第二信號發(fā)生器電路輸出端B的第二初級端144。第一門驅(qū)動變壓器140還有第一和第二次級繞組146、148。第一次級繞組146有連接到第一可控開關(guān)QA控制端(例如，柵極)的第一次級端147。第二次級繞組148有連接到第二可控開關(guān)QB的控制端的第二次級端149。在所示實施例中，第一和第二次級端147、149其極性相反以便于可以以互補的方式驅(qū)動第二可控開關(guān)QA、QB。第一門驅(qū)動變壓器140因此可用于提供驅(qū)動信號到第一和第二可控開關(guān)QA、QB。
第二門驅(qū)動變壓器150有一個初級繞組，該初級繞組帶有連接到第三信號發(fā)生器電路輸出端C的第一初級端152，以及連接到第四信號發(fā)生器電路輸出端D的第二初級端154。第二門驅(qū)動變壓器150還有第一和第二次級繞組156、158。第一次級繞組156有連接到第三可控開關(guān)QC控制端的第一次級端157。第二次級繞組158有連接到第四可控開關(guān)QD控制端的第二次級端159。在所示實施例中，第一和第二次級端157、159其極性相反。第二門驅(qū)動變壓器150因此可被用于提供驅(qū)動信號到第三和第四可控開關(guān)QC、QD。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉這些門驅(qū)動變壓器。有關(guān)門驅(qū)動變壓器的更多信息，可以參見于1996年1月2日公開的在這里被作為參考文獻的美國專利No.5481219，該專利發(fā)明人是Jacobs等人，題目是“用于產(chǎn)生用于絕緣MOSFET柵極驅(qū)動電路的負偏置的裝置及方法”。
在所示實施例中，切換網(wǎng)絡(luò)130包括第一、第二、第三和第四雙向開關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4。在所示實施例描述這些雙向開關(guān)時，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員可以了解，可以以任何一種方式來實現(xiàn)這些雙向開關(guān)，其中包括將兩個單向開關(guān)背靠背連接。第一雙向開關(guān)Q1連接于第一和第四信號發(fā)生器電路輸出端A、D之間。第二雙向開關(guān)Q2連接于第二和第三信號發(fā)生器電路輸出端B、C之間。第三雙向開關(guān)Q3串連于第四信號發(fā)生器電路輸出端D和第二門驅(qū)動變壓器150的第一初級端152之間。第四雙向開關(guān)Q4串連于第三信號發(fā)生器電路輸出端C和第二門驅(qū)動變壓器150的第二初級端154之間。
在所示實施例中，由邏輯控制信號Q控制第一和第二雙向開關(guān)Q1、Q2。由反相邏輯控制信號Q′來控制第三和第四雙向開關(guān)Q3、Q4。當(dāng)邏輯控制信號Q是OFF時，反相邏輯控制信號Q′是ON，并且反之亦然。例如，可以通過比較器比較輸出信號Vout和參考信號Vref以確定功率轉(zhuǎn)換器110的操作模式，以這種方式提供邏輯控制信號Q和反相的邏輯控制信號Q′。在所示實施例中，切換網(wǎng)絡(luò)130將切換以便于當(dāng)邏輯控制信號Q是高值時允許信號發(fā)生器電路120以通常模式操作功率轉(zhuǎn)換器110。可替換地，當(dāng)邏輯控制信號Q是低值時，切換網(wǎng)絡(luò)130將切換以便于允許信號發(fā)生器電路120以相移模式操作功率轉(zhuǎn)換器110。
控制器100的操作如下所述。當(dāng)邏輯控制信號Q是表明操作是處于通常模式的高值時，第一和第二雙向開關(guān)Q1、Q2導(dǎo)通以便于將第一和第二門驅(qū)動變壓器140、150連接到第一和第二信號發(fā)生器電路輸出端A、B上。第三和第四雙向開關(guān)Q3、Q4截止，將第三和第四信號發(fā)生器電路輸出端C、D從第二門驅(qū)動變壓器150上斷開。信號發(fā)生器電路120因此可以將第一脈寬調(diào)制輸出信號提供給構(gòu)成全橋功率轉(zhuǎn)換器110的可控開關(guān)的第一對角線對的第一和第四可控開關(guān)QA、QD。信號發(fā)生器電路120同樣可以將第二脈寬調(diào)制輸出信號提供給構(gòu)成全橋功率轉(zhuǎn)換器110的可控開關(guān)的第二對角線對的第二和第三可控開關(guān)QB、QC。由于將基本上相同的脈寬調(diào)制輸出信號提供給第一和第二對角線對的每一個上，因此，第一和第二對角線對可以被基本上同時切換。信號發(fā)生器電路120可以提供基本上全工作循環(huán)切換以便于使全橋功率轉(zhuǎn)換器110具有最小的共模噪聲。
當(dāng)邏輯控制信號Q是表明工作于相移模式的低值時，第一和第二雙向開關(guān)Q1、Q2截止。第三和第四雙向開關(guān)Q3、Q4導(dǎo)通以便于將第三和第四信號發(fā)生器電路輸出端C、D連接到第二門驅(qū)動變壓器150上。第一和第二信號發(fā)生器電路輸出端A、B被連接到第一門驅(qū)動變壓器140上。第一、第二、第三和第四信號發(fā)生器電路輸出端因此可以分別將第一、第二、第三和第四脈寬調(diào)制輸出信號提供給第一、第二、第三和第四可控開關(guān)QA、QB、QC、QD。
切換網(wǎng)絡(luò)130因此可以允許信號發(fā)生器電路120互補切換全橋功率轉(zhuǎn)換器110的第一和第二支路中的可控開關(guān)。在所示實施例中，全橋功率轉(zhuǎn)換器110的第一支路包括第一和第二可控開關(guān)QA、QB。全橋功率轉(zhuǎn)換器110的第二支路包括第三和第四可控開關(guān)QC、QD。全橋功率轉(zhuǎn)換器110因此可以工作于相移模式，其中調(diào)整全橋功率轉(zhuǎn)換器110的第一和第二支路之間的相對相移從而控制其輸出電壓。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖2，其上示出了使用根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的控制器220的電源200的一個實施例的示意圖。電源200包括與電源200的輸入端相連的全橋反相器210。該電源200還包括具有連接到反相器210的一個初級繞組T1p的絕緣變壓器T1。電源200還包括連接到該絕緣變壓器T1次級繞組T1s上的一個輸出整流器270，該整流器整流由該絕緣變壓器T1提供的周期性波形。電源200還包括連接到輸出整流器270上的一個輸出濾波器275。該輸出濾波器275濾波來自輸出整流器270的整流波形從而提供一個輸出電壓Vout到位于電源200輸出端上的負載290。電源200還包括連接到電源200輸出端以及輸出整流器270上的后調(diào)整反相器280，該后調(diào)整反相器調(diào)整電源200的輸出電壓Vout?？刂破?20監(jiān)視該輸出電壓Vout并驅(qū)動反相器210和后調(diào)整反相器280以便于將輸出電壓Vout維持在基本恒定電平上。
在所示實施例中，反相器210包括以全橋拓撲結(jié)構(gòu)排列的第一、第二、第三以及第四可控開關(guān)QA、QB、QC、QD。絕緣變壓器T1的初級繞組T1p連接于反相器210的第一節(jié)點212(位于第一和第二可控開關(guān)QA、QB之間)和第二節(jié)點214(位于第三和第四可控開關(guān)QC、QD之間)之間。
輸出整流器270包括如同全波整流器那樣排列的第一和第二整流二極管D1、D2。第一和第二整流二極管D1、D2被連接到絕緣變壓器T1的次級繞組T1s上并接收來自其上的周期波形。輸出整流器270整流該周期波形以便于將整流后的波形提供給輸出濾波器275。相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉全波整流器，并且在本發(fā)明的寬范圍內(nèi)可以實現(xiàn)其它包括使用同步整流器的整流器拓撲結(jié)構(gòu)。
輸出濾波器275包括連接到輸出電容器Cout上的輸出電感器Lout。輸出濾波器275接收來自輸出整流器270的整流波形，并平滑和濾波該整流波形以將輸出電壓Vout維持在基本恒定電平上。相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉這些輸出濾波器。當(dāng)然，在本發(fā)明寬范圍內(nèi)，可以使用其它濾波器結(jié)構(gòu)。
后調(diào)整反相器280包括切換電路282和穩(wěn)壓變壓器T2。在所示的實施例中，切換電路282包括連接到電源200的輸出端上的第五和第六可控開關(guān)QE、QF。切換電路282還包括連接到第五和第六可控開關(guān)QE、QF的第一和第二電容器C1、C2。當(dāng)所示和所述的切換電路282具有半橋拓撲結(jié)構(gòu)時，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員可以認識到，在本發(fā)明寬范圍內(nèi)的其它切換拓撲結(jié)構(gòu)也是可以的。
在所示實施例中，穩(wěn)壓變壓器T2有連接于切換電路282的第三節(jié)點284(位于第五和第六可控開關(guān)QE、QF之間)和第四節(jié)點286(位于第一和第二電容器C1、C2之間)之間的初級繞組T2p。該穩(wěn)壓變壓器T2還有分別串聯(lián)于絕緣變壓器T1的次級繞組T1s和第一第二整流二極管D1、D2之間的第一和第二次級繞組T2s1、T2s2。切換電路282接收來自電源200的輸出電壓Vout并從中產(chǎn)生相移波形。穩(wěn)壓變壓器T2然后將該相移波形傳送到輸出整流器270上以調(diào)整電源200。在所示實施例中，第一和第二整流二極管D1、D2處理來自絕緣變壓器T1的次級繞組T1s以及穩(wěn)壓變壓器T2的相應(yīng)第一和第二次級繞組T2s1、T2s2的功率。
在所示實施例中，后調(diào)整反相器280有利地接收來自電源200的輸出并因此防止了共模電流在電源200的輸入和輸出之間流動的附加路徑(即，絕緣變壓器T1)。另外，在所示實施例中，通過使用與反相器210分離的切換電路282，本發(fā)明的后調(diào)整反相器280可以執(zhí)行電壓相加和電壓相減(通過調(diào)整相對于反相器210的工作相位)，其結(jié)果導(dǎo)致對于后調(diào)整反相器280一般所需的較低功率額定值。此外，通過使用用于反相器210和后調(diào)整反相器280的獨立可控開關(guān)，可以減少輸入到電源200中的輸入波動電流，特別是在標(biāo)稱操作條件下。
在所示實施例中，控制器220包括連接到電源200輸出端的第一電壓定標(biāo)電路222，該電路用于接收輸出電壓Vout并從中產(chǎn)生定標(biāo)輸出信號Vsout1?？刂破?20還包括連接到第一電壓定標(biāo)電路222的信號發(fā)生器電路226。在所示實施例中，信號發(fā)生器電路226是一種脈寬調(diào)制電路，該電路接收定標(biāo)的輸出信號Vsout1和參考信號Vref1，并從中產(chǎn)生位于第一、第二、第三、第四信號發(fā)生器電路輸出端A、B、C、D處的第一、第二、第三和第四脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，設(shè)計為來分別驅(qū)動反相器210的第一、第二、第三和第四可控開關(guān)QA、QB、QC、QD。信號發(fā)生器電路對于相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是公知的。例如，可以參見由美國新罕布什爾州的Merrimack的Unitrode集成電路公司制造的型號3875控制集成電路。
控制器220還包括連接到信號發(fā)生器電路226的切換網(wǎng)絡(luò)228。控制器220還包括第一、第二和第三門驅(qū)動變壓器230、240、250。在所示實施例中，第一門驅(qū)動變壓器230連接到反相器210的第一和第二可控開關(guān)QA、QB。第二門驅(qū)動變壓器240與反相器210的第二和第三可控開關(guān)QC、QD相連。第三門驅(qū)動變壓器250與后調(diào)整反相器280的第五和第六可控開關(guān)QE、QF相連。
在所示實施例中，切換網(wǎng)絡(luò)228包括第一、第二、第三和第四雙向開關(guān)Q1、Q2、Q3、Q4。第一雙向開關(guān)Q1連接于第一和第四信號發(fā)生器電路輸出端A、D之間。第二雙向開關(guān)Q2連接于第二和第三信號發(fā)生器電路輸出端B、C之間。第三雙向開關(guān)Q3串聯(lián)于第四信號發(fā)生器電路輸出端D和第二門驅(qū)動變壓器240的第一初級端242之間。第四雙向開關(guān)Q4串聯(lián)于第三信號發(fā)生器電路輸出端C和第二門驅(qū)動變壓器240的第二初級端244之間。
在所示實施例中，由邏輯控制信號Q控制第一和第二雙向開關(guān)Q1、Q2。由反相邏輯控制信號Q′控制第三和第四雙向開關(guān)Q3、Q4。在所示實施例中，控制器220包括連接到電源200輸出端的第二電壓定標(biāo)電路223。第二電壓定標(biāo)電路223接收輸出電壓Vout并從中產(chǎn)生第二定標(biāo)輸出信號Vsout2。該控制器220還包括連接到第一電壓定標(biāo)電路222的比較器電路224。比較器電路224接收第二定標(biāo)輸出信號Vsout2和第二參考信號Vref2并從中產(chǎn)生邏輯控制信號Q。該控制器220還包括接收邏輯控制信號Q并從中產(chǎn)生反相的邏輯控制信號Q′的反相器225。
在所示實施例中，切換網(wǎng)絡(luò)228將切換以便于當(dāng)邏輯控制信號Q是高值時使信號發(fā)生器電路226以通常模式操作反相器210?？商鎿Q地，當(dāng)邏輯控制信號Q是低值時，切換網(wǎng)絡(luò)228將切換從而使信號發(fā)生器電路226以相移模式操作反相器210。
現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖3A和3B，其上示出了可用于本發(fā)明控制器中的雙向開關(guān)的實施例。更特別地，圖3A示出了以連接到整流器330的單向開關(guān)320實現(xiàn)的第一雙向開關(guān)310。整流器330的二極管的排列方式使該雙向開關(guān)310可以在兩個方向上導(dǎo)通和阻塞電流。圖3B示出了第二雙向開關(guān)350，該雙向開關(guān)是通過連接第一和第二單向開關(guān)360、370以便于使與第一和第二單向開關(guān)360、370連成整體的第一和第二二極管365、375以相反方向相對來實現(xiàn)。當(dāng)然，在本發(fā)明的寬范圍內(nèi)，雙向開關(guān)的其它實現(xiàn)方式也是可能和可以的。
相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解前面所述的電源和控制器實施例僅用于說明的目的，并且在本發(fā)明寬范圍內(nèi)，可以切換信號發(fā)生器電路輸出的其它實施例也可以用于使該信號發(fā)生器電路以相移模式和通常模式來驅(qū)動可控開關(guān)。另外，已經(jīng)參考特定電子元件來說明本發(fā)明的示范性實施例。但是，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以用一些元件替代(不必是同型元件)以產(chǎn)生所需條件或?qū)崿F(xiàn)所需結(jié)果。例如，可用多個元件來替換單個元件，反之亦然。同樣，可以使用其它電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)本發(fā)明的這些概念。
為了更好地理解包括電源和全橋功率轉(zhuǎn)換器的功率電子學(xué)技術(shù)，可以參見在這里作為參考的由John Wiley&Sons出版公司(1989)出版的N.Mohan、T.M.Undeland以及W.P.Robbins所著的“轉(zhuǎn)換器、應(yīng)用以及設(shè)計”，以及美國新罕布什爾州、Merrimack的7 Continental Blvd.的Unitrode的“Unitrode產(chǎn)品和應(yīng)用手冊”的第6-348到6-361頁。
盡管已經(jīng)詳細地描述了本發(fā)明，但是，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)和范圍的情況下，可以進行各種變化、替代以及變更。
權(quán)利要求
1．供帶有可控開關(guān)的全橋功率轉(zhuǎn)換器使用的一種控制器，其中包括一個信號發(fā)生器電路，被設(shè)計用來以相移模式驅(qū)動所述可控開關(guān)；以及一個切換網(wǎng)絡(luò)，與所述信號發(fā)生器電路相連，被用于使所述信號發(fā)生器電路以可替換的下面方式中的一種來操作所述轉(zhuǎn)換器所述相移模式，其中可以互補切換位于所述轉(zhuǎn)換器的第一和第二支路的每個中的所述可控開關(guān)，并且所述信號發(fā)生器電路可以調(diào)整位于所述第一和第二支路之間的相對相位；以及通常模式，其中可以基本上同時以及在基本上全工作循環(huán)中切換所述可控開關(guān)的對角線對。
2．如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述信號發(fā)生器電路是以集成電路形式體現(xiàn)。
3．如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述信號發(fā)生器電路適用于提供可被用于驅(qū)動相應(yīng)一個所述可控開關(guān)的脈寬調(diào)制輸出。
4．如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述切換網(wǎng)絡(luò)包括至少一個雙向開關(guān)。
5．如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述切換網(wǎng)絡(luò)切換以便于將所述信號發(fā)生器電路的至少一個輸出連接到至少兩個所述可控開關(guān)上，以便于使所述信號發(fā)生器電路以所述通常模式操作所述轉(zhuǎn)換器。
6．如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述轉(zhuǎn)換器在啟動期間以所述相移模式運行。
7．如權(quán)利要求1所述的控制器，其中所述轉(zhuǎn)換器在故障條件期間以所述相移模式運行。
8．如權(quán)利要求1所述的控制器，其中進一步包括連接于所述信號發(fā)生器電路和其中一個所述可控開關(guān)之間的至少一個門驅(qū)動變壓器。
9．供帶有可控開關(guān)的全橋功率轉(zhuǎn)換器使用的一種控制所述可控開關(guān)的方法，其中包括步驟使用一個被設(shè)計來以相移模式驅(qū)動所述可控開關(guān)的信號發(fā)生器電路；以及允許所述信號發(fā)生器電路以下面任何一種方式來操作所述轉(zhuǎn)換器所述相移模式，其中可以互補切換位于所述轉(zhuǎn)換器的第一和第二支路的每個中的所述可控開關(guān)，并且所述信號發(fā)生器電路可以調(diào)整位于所述第一和第二支路之間的相對相位；以及通常模式，其中可以基本上同時以及在基本上全工作循環(huán)中切換所述可控開關(guān)的對角線對。
10．如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述信號發(fā)生器電路是以集成電路形式體現(xiàn)。
11．如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述信號發(fā)生器電路適用于提供可被用于驅(qū)動相應(yīng)一個所述可控開關(guān)的脈寬調(diào)制輸出。
12．如權(quán)利要求9所述的方法，其中通過包括至少一個雙向開關(guān)的切換網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行所述允許步驟。
13．如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述允許步驟包括將所述信號發(fā)生器電路的至少一個輸出連接到至少兩個所述可控開關(guān)上，以便于使所述信號發(fā)生器電路以所述通常模式操作所述轉(zhuǎn)換器。
14．如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換器在啟動期間以所述相移模式運行。
15．如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)換器在故障條件期間以所述相移模式運行。
16．如權(quán)利要求9所述的方法，其中進一步包括連接所述信號發(fā)生器電路和其中一個所述可控開關(guān)之間的至少一個門驅(qū)動變壓器。
17．一種電源，包括帶有可控開關(guān)的全橋功率轉(zhuǎn)換器；連接到所述全橋功率反相器的具有初級繞組的一個絕緣變壓器；一個整流器，與所述絕緣變壓器的次級繞組相連；以及一個控制器，包括一個信號發(fā)生器電路，被設(shè)計用來以相移模式驅(qū)動所述可控開關(guān)；以及一個切換網(wǎng)絡(luò)，與所述信號發(fā)生器電路相連，用于使所述信號發(fā)生器電路以可替換的下面方式中的一種來操作所述轉(zhuǎn)換器所述相移模式，其中可以互補切換位于所述轉(zhuǎn)換器的第一和第二支路的每個中的所述可控開關(guān)，并且所述信號發(fā)生器電路可以調(diào)整位于所述第一和第二支路之間的相對相位；以及通常模式，其中可以基本上同時以及在基本上全工作循環(huán)中切換所述可控開關(guān)的對角線對。
18．如權(quán)利要求17所述的電源，其中所述信號發(fā)生器電路是以集成電路形式體現(xiàn)。
19．如權(quán)利要求17所述的電源，其中所述信號發(fā)生器電路適用于提供可被用于驅(qū)動相應(yīng)一個所述可控開關(guān)的脈寬調(diào)制輸出。
20．如權(quán)利要求17所述的電源，其中所述切換網(wǎng)絡(luò)包括至少一個雙向開關(guān)。
21．如權(quán)利要求17所述的電源，其中所述切換網(wǎng)絡(luò)切換以便于將所述信號發(fā)生器電路的至少一個輸出連接到至少兩個所述可控開關(guān)上，以便于使所述信號發(fā)生器電路以所述通常模式操作所述轉(zhuǎn)換器。
22．如權(quán)利要求17所述的電源，其中所述轉(zhuǎn)換器在啟動期間以所述相移模式運行。
23．如權(quán)利要求17所述的電源，其中所述轉(zhuǎn)換器在故障條件期間以所述相移模式運行。
24．如權(quán)利要求17所述的電源，其中進一步包括連接于所述信號發(fā)生器電路和其中一個所述可控開關(guān)之間的至少一個門驅(qū)動變壓器。
全文摘要
帶有可控開關(guān)的全橋功率轉(zhuǎn)換器的一種控制器、操作該控制器的方法和使用該控制器或方法的電源?？刂破靼?1)信號發(fā)生器電路,以相移模式驅(qū)動可控開關(guān)及(2)切換網(wǎng)絡(luò),與信號發(fā)生器電路相連,使信號發(fā)生器電路以可替換的(2a)相移模式和(2b)通常模式之一操作轉(zhuǎn)換器,相移模式中,可互補切換轉(zhuǎn)換器的第一和第二支路每個中的可控開關(guān)并可調(diào)整第一和第二支路間的相對相位;通常模式中,可同時及在全工作循環(huán)中切換可控開關(guān)的對角線對。
文檔編號H02M3/28GK1301081SQ0013548
公開日2001年6月27日 申請日期2000年12月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月22日
發(fā)明者何進, 馬克·E·加克布斯 申請人:朗迅科技公司