專利名稱：多諧振變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將第一DC電壓變換為第二DC電壓的多諧振變換器，其中包括半導(dǎo)體開關(guān)的半橋的輸出端通過諧振電容器連接到變壓器的初級(jí)繞組并且該變壓器的次級(jí)繞組與整流元件、輸出電感器和輸出電容器一起構(gòu)成電流輸出。
背景技術(shù)：
對(duì)于電視機(jī)和計(jì)算機(jī)中的液晶顯示屏幕的電源來講，滿足各種要求的電路是必不可少的。除了要求在大負(fù)載范圍以及在出現(xiàn)波動(dòng)輸入電壓情況下的穩(wěn)定輸出電壓以外，還要求最大效率。這特別關(guān)系到例如僅從電路中抽取500mW的功率的待機(jī)操作中。電磁兼容性要求也必須考慮在內(nèi)。例如，R.W.Erickson，D.Maksimovic的“Fundamentalsof Power Electronics”(2001年第二版)中介紹了原理上適用于此的多諧振變換器。但是，公知的電路不能滿足上面提到的要求，特別是不能滿足在所連接的裝置的待機(jī)操作期間對(duì)于低電流消耗的要求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的多諧振變換器的特征在于被提供了輸出電容器兩端的電壓和參考電壓的控制器交替地控制半導(dǎo)體開關(guān)，使得其中一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)在另一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷之后的預(yù)定時(shí)間分別導(dǎo)通。在根據(jù)本發(fā)明的變換器中，特別地，在高抽取功率的范圍內(nèi)，控制頻率，和/或在低抽取功率的范圍內(nèi)，對(duì)于分別選擇的恒定頻率，控制占空比。
根據(jù)本發(fā)明的諧振變換器的顯著特點(diǎn)在于以下優(yōu)點(diǎn)-電流輸出端允許使用一種非常小并由此便宜的輸出電容器，
-在正常工作條件下，根據(jù)本發(fā)明的變換器的占空比總是50％，這使所需輸出電感器的尺寸最小，-根據(jù)本發(fā)明的變換器能夠使半導(dǎo)體開關(guān)在電壓過零時(shí)切換，這降低了EMC濾波器上的損耗和費(fèi)用，-頻率和占空比的組合控制使所必需的頻率范圍和切換時(shí)的電流浪涌最小，-電壓過零時(shí)的切換以及同步整流的高效率和高可行性，使得變換器易于在寬的功率范圍上工作，從而可以使用基本相同的電路來提供不同功率的裝置，-電壓過零時(shí)的切換和高效率特別有利于將變換器用于超小型射頻裝置。
如果在低功率范圍內(nèi)，所選擇頻率的周期由Tlp＝(n+1/2)*T0給出，其中n是由抽取功率決定的整數(shù)，而T0是振蕩周期，其頻率由變壓器的漏電感和主電感的串聯(lián)電路以及諧振電容器確定，則特別有利的實(shí)施例能夠使根據(jù)本發(fā)明的變換器以最小的抽取功率有效工作。
在變換器的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，控制器由可編程器件構(gòu)成，其中，將周期推導(dǎo)為輸出電容器兩端的電壓和參考電壓的函數(shù)，將推導(dǎo)出的周期與最大頻率和所選擇頻率的周期進(jìn)行比較，并且將提供給半導(dǎo)體開關(guān)的控制信號(hào)推導(dǎo)為該頻率和占空比的函數(shù)。
此外，如果次級(jí)繞組具有中心抽頭并且次級(jí)繞組的端部分別連接到整流元件，則在根據(jù)本發(fā)明的變換器中可以實(shí)現(xiàn)特別軟的換流。整流元件可以是如示例性實(shí)施例示出的整流二極管或者由分別施加的電壓的極性所控制的半導(dǎo)體開關(guān)，特別是MOSFET。后者也稱為同步整流器。


參照下文所述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得清楚并顯而易見。
在附圖中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的變換器的電路布置圖；圖2示出了用于說明控制根據(jù)本發(fā)明的變換器的方式的圖；以及圖3示出了用于說明根據(jù)本發(fā)明的變換器的控制器的設(shè)計(jì)的圖。
具體實(shí)施例方式
在根據(jù)圖1的電路布置圖中，兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管S1和S2構(gòu)成半橋，該半橋由控制器R控制并且施加DC電壓Uin。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的變換器用作電源單元時(shí)，應(yīng)當(dāng)在其之前放置合適的整流器。
兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管S1和S2的連接點(diǎn)構(gòu)成半橋的輸出端，并且通過諧振電容器Cr連接到變壓器Tr的初級(jí)繞組P。為了解釋電路的功能，漏電感Lr和主電感Lm被單獨(dú)表示，盡管在電路中它們并沒有以單獨(dú)元件提供。
次級(jí)繞組S具有中心抽頭，同時(shí)次級(jí)繞組S的端部分別通過整流二極管D1、D2和輸出電感器Lo連接到輸出電容器Co，并因此連接到負(fù)載L。輸出電感器Lo具有足夠高的電感以將電流施加到負(fù)載L上。然而，通過關(guān)于圖2和圖3所述的控制使得輸出電壓Ua基本保持恒定。
控制器R產(chǎn)生用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管S1和S2的相應(yīng)控制信號(hào)C1、C2。切換時(shí)間相互不同之處在于其中一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)斷并且另一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在一預(yù)定時(shí)間之后導(dǎo)通。補(bǔ)償電流可以流過輸出電容器(圖中未示出)，并且選擇性地通過緩沖電容器和體二極管。諧振頻率為f0＝1/T0＝1/[Lr+Lm]*Cr]1/2，例如150Hz。
在pmax和p1之間的高功率范圍工作期間，將該變換器驅(qū)動(dòng)作為傳統(tǒng)的多諧振變換器(圖2)，其中占空比為d＝0.5，并且頻率從fmin升高到fmax。在圖2中，示出了在兩個(gè)不同輸入電壓Uin1、Uin2的情況下作為輸出功率p的函數(shù)的頻率f的輪廓。這里，輸入電壓Uin1大于輸入電壓Uin2。
對(duì)于小于p1的功率損耗，通過頻率f和占空比d來控制該變換器。在這種情況下，選擇離散頻率。相應(yīng)的周期Tlp計(jì)算如下Tlp＝(n+1/2)*T0。這里，下標(biāo)1p表示低功率范圍中的操作模式。
對(duì)于n＝0、1、2和3而言，可以獲得由圖2中的垂線所表示的頻率f0、f1、f2和f3。當(dāng)在p1和p2之間的功率范圍內(nèi)、頻率在值f0處保持恒定時(shí)，占空比不斷降低。當(dāng)功率在p2和p3之間進(jìn)一步降低時(shí)，將頻率設(shè)置為f1，同時(shí)占空比進(jìn)一步降低，等等。對(duì)于最小功率損耗而言，即，當(dāng)所連接的裝置以待機(jī)操作方式工作時(shí)，將d假設(shè)為確保即使在非常小的功率消耗下仍保持高效率的最小值。
控制器R(圖1)優(yōu)選基本上由微處理器構(gòu)成。在圖3中，可以找到控制器的功能說明。將輸出電壓Ua和參考電壓Uref提供給模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1。借助控制算法，將周期Tout計(jì)算為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1的輸出信號(hào)的函數(shù)。在3中，將其與周期Tref1＝1/fmax相比較。如果Tout較大，則該變換器在高功率范圍內(nèi)工作。因此，在4中，將占空比設(shè)置為0.5。將d＝0.5以及T＝Tout用作脈沖寬度調(diào)制器5的輸入值?？刂菩盘?hào)C1和C2根據(jù)這些規(guī)范導(dǎo)出。
然而，如果Tout不大于Tref1，則在6中將Tout與Tref2相比較。該周期與頻率例如97Hz對(duì)應(yīng)。因此，在7中，將控制信號(hào)C1和C2的周期設(shè)置為T＝Tref1，并且將占空比設(shè)置為d＝0.5Tout/T。在這種情況下，該變換器在圖2所示的抽取功率p1和p2之間的范圍內(nèi)工作。在8、9和10中，分別與其他的參考周期Tref3、Tref4和Tref5進(jìn)行比較。在所示的實(shí)例中，Tref3＝1/36kHz，而Tref4＝1/22kHz。相應(yīng)地，在11、12、13中計(jì)算T和d。
如果Tout小于另一個(gè)閾值Tref5，則在14中完全切斷控制信號(hào)C2和C1，即d＝0。
權(quán)利要求
1.一種用于將第一DC電壓變換為第二DC電壓的多諧振變換器，其中包括半導(dǎo)體開關(guān)(S1，S2)的半橋的輸出端通過諧振電容器(Cr)連接到變壓器(Tr)的初級(jí)繞組(P)并且該變壓器(Tr)的次級(jí)繞組(S)與整流元件(D1，D2)、輸出電感器(Lo)和輸出電容器(Co)一起構(gòu)成電流輸出，其特征在于，被提供了所述輸出電容器(Co)兩端的電壓和參考電壓的控制器(R)交替地控制所述半導(dǎo)體開關(guān)(S1，S2)，使得所述半導(dǎo)體開關(guān)(S1，S2)中的一個(gè)在另一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)(S2，S1)關(guān)斷之后的預(yù)定時(shí)間分別導(dǎo)通。
2.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，在高抽取功率的范圍內(nèi)控制頻率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的變換器，其特征在于，在低抽取功率的范圍內(nèi)，對(duì)于分別選擇的恒定頻率，控制占空比。
4.如權(quán)利要求3所述的變換器，其特征在于，在所述低功率范圍內(nèi)，所選擇頻率的周期由Tlp＝(n+1/2)*T0給出，其中n是由所述抽取功率決定的整數(shù)，而T0是振蕩周期，其頻率由所述諧振電容器(Cr)和所述變壓器(Tr)的漏電感(Lr)和主電感(Lm)來確定。
5.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的變換器，其特征在于，所述控制器由可編程器件構(gòu)成，其中，將周期推導(dǎo)為所述輸出電容器(Co)兩端的所述電壓和所述參考電壓的函數(shù)，將所推導(dǎo)出的周期與最大頻率和所選擇頻率的周期進(jìn)行比較，并且將提供給所述半導(dǎo)體開關(guān)(S1，S2)的控制信號(hào)推導(dǎo)為所述頻率和所述占空比的函數(shù)。
6.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的變換器，其特征在于所述次級(jí)繞組(S)具有中心抽頭，并且所述次級(jí)繞組(S)的端部分別連接到整流元件(D1，D2)。
全文摘要
在一種用于將第一DC電壓變換為第二DC電壓的多諧振變換器中，其中包括半導(dǎo)體開關(guān)的半橋的輸出端通過諧振電容器連接到變壓器的初級(jí)繞組并且該變壓器的次級(jí)繞組與整流元件、輸出電感器和輸出電容器一起構(gòu)成電流輸出，要求被提供了輸出電容器兩端的電壓和參考電壓的控制器交替地控制半導(dǎo)體開關(guān)，使得其中一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)在另一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷之后的預(yù)定時(shí)間分別導(dǎo)通。優(yōu)選地，在高抽取功率的范圍內(nèi)，控制頻率，而在低抽取功率的范圍內(nèi)，對(duì)于分別選擇的恒定頻率，控制占空比。
文檔編號(hào)H02M3/338GK101091303SQ200580040957
公開日2007年12月19日 申請(qǐng)日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者G·紹爾拉恩德, R·埃爾費(fèi)里奇, C·舍特爾斯, H·德格羅特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司