專利名稱：具有用于改進(jìn)的效率的可適配變壓器匝數(shù)比的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及供電電源。
背景技術(shù)：
供電電源是以下設(shè)備或系統(tǒng)，其能夠通常通過將電能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式以使該能量與負(fù)載的需求兼容來將電能提供給負(fù)載。例如，供電電源可能將120或MO 伏的交流電(“AC”)能量轉(zhuǎn)換為適于被電子設(shè)備(如計(jì)算機(jī)系統(tǒng))使用的低電壓、經(jīng)過調(diào)節(jié)的直流電(“DC”)能量。有時(shí)，將電源與由這些電源向其供給能量的設(shè)備集成。在其他應(yīng)用中， 電源是分立的組件并可以處于負(fù)載內(nèi)部或外部。開關(guān)供電電源(還以不同方式稱作開關(guān)式電源、開關(guān)模式電源以及其他類似的術(shù)語)是利用有源開關(guān)電路以及電感性元件從而以最小能量損耗完成能量轉(zhuǎn)換任務(wù)的那些電源。在從AC干線取得它們的輸入的開關(guān)電源中，常用配置是采用整流電路和大容量電容器來根據(jù)可用AC輸入創(chuàng)建DC電源。然后，將該DC電源提供給產(chǎn)生期望的DC輸出電平的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。供電電源的重要類別是提供電隔離的那些電源。在隔離電源中，在電源的輸出與電源的輸入之間不存在DC電路。例如，在從AC干線產(chǎn)生經(jīng)過調(diào)節(jié)的低電壓DC輸出的隔離電源中，在低電壓DC輸出與AC干線之間將不存在DC電路。通常，變壓器被用于提供這種電隔離。在隔離DC-DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，以交替的極性將DC電源電壓施加至變壓器的初級(jí)繞組， 結(jié)果是功率被傳送至變壓器的次級(jí)繞組。在次級(jí)繞組處對(duì)電壓施加整流。


圖1是示意了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的利用H橋電路和變壓器的DC-DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖。圖2是示意了在第一占空比下圖1的H橋電路和變壓器的操作的波形。圖3是示意了在比第一占空比大的第二占空比下圖2的H橋電路和變壓器的操作的波形。圖4是示意了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖。圖5是示意了圖4的電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的優(yōu)選行為的狀態(tài)圖。圖6是示意了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的系統(tǒng)可以有用地適配的許多時(shí)變輸入電壓的一個(gè)示例的曲線圖。
具體實(shí)施例方式圖1示意了現(xiàn)有技術(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100。將DC能量源102應(yīng)用于H橋電路104， H橋電路104以交替的極性將源102連接至變壓器108的初級(jí)側(cè)106。初級(jí)側(cè)106中得到的時(shí)變電流導(dǎo)致在變壓器108的次級(jí)側(cè)110上出現(xiàn)電勢。整流電路112將該電勢轉(zhuǎn)換為DC。將整流后的DC施加至能量存儲(chǔ)元件114，典型地，能量存儲(chǔ)元件114是大容量電容器。然后，能量存儲(chǔ)元件114上的電壓可以直接被負(fù)載使用，或者可以由其他能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)一步修改，如箭頭116處指示的。為了控制能量存儲(chǔ)元件114處的DC電壓電平，可以采用感測電路118。感測電路118將反饋信號(hào)120提供給控制電路122，控制電路122可以調(diào)整H 橋電路104中的開關(guān)元件的占空比以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)元件114處期望的DC電壓電平。H橋電路104由4個(gè)場效應(yīng)晶體管(“FET”)開關(guān)元件1M-130組成。控制電路122 連接至開關(guān)元件124-130的柵極，并通常接通開關(guān)元件的交替對(duì)角線對(duì)，以便以交替的極性在初級(jí)側(cè)106上施加DC能量源102。例如，當(dāng)接通FET 126/130且關(guān)斷FET 124/128時(shí)， 發(fā)生第一極性施加，而當(dāng)接通FET 1M/U8且關(guān)斷FET U6/130時(shí)，發(fā)生第二極性施加。適度地，控制電路122可以通過響應(yīng)于反饋信號(hào)120持續(xù)地或以離散的增量改變開關(guān)元件124-130的占空比，來維持能量存儲(chǔ)元件114處相對(duì)恒定的平均DC電壓電平。用于控制占空比的若干種方法之一是利用圖2和3所示的脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。圖2所示的波形200示意了 25%左右的占空比。在該模式中，在間隔202和206期間關(guān)斷所有開關(guān)元件 124-130，使得在這些時(shí)刻沒有能量施加至初級(jí)側(cè)106。在間隔204期間，接通這些開關(guān)元件中的兩個(gè)，以產(chǎn)生能量對(duì)初級(jí)側(cè)106的第一極性施加。在間隔208期間，接通另外兩個(gè)開關(guān)元件，以產(chǎn)生第二極性施加。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間和非導(dǎo)通時(shí)間相等時(shí)，結(jié)果是25%的占空比。圖3 中的波形300示意了 50%左右的占空比。在該模式中，基本上不存在以下時(shí)間，在該時(shí)間期間，開關(guān)元件的對(duì)角線對(duì)之一不是導(dǎo)通的。代替地，在間隔302期間以第一極性將能量施加至初級(jí)側(cè)106，并在間隔304期間以第二極性將能量施加至初級(jí)側(cè)106。通常，能量存儲(chǔ)元件114處的DC電壓電平將與占空比成比例地變化，在50%占空比下達(dá)到其最大值并在較低的占空比處下降。但是，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)諸如系統(tǒng)100之類的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的問題。按照設(shè)計(jì)(by design)，它們通常在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50%的占空比下進(jìn)行操作，而由于在更高的占空比下死區(qū)時(shí)間減少，因此在與50%更接近的占空比下可以實(shí)現(xiàn)更高的效率?，F(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)主要在較低占空比下進(jìn)行操作的原因在于諸如系統(tǒng)100之類的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須被設(shè)計(jì)為容忍由能量源102供給的輸入電壓的范圍。盡管源102上的電壓的期望操作點(diǎn)可能是 400VDC，但是例如，系統(tǒng)100必須能夠容忍明顯更低的輸入電壓(比如說300VDC)，該明顯更低的輸入電壓可能在欠壓(brown out)狀況期間暫時(shí)發(fā)生，并且，系統(tǒng)100必須仍能夠維持能量存儲(chǔ)元件114處的期望DC電壓電平?，F(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)100必須僅僅通過改變開關(guān)元件 124-130的占空比來做到這一點(diǎn)，如剛剛描述的那樣。由于該原因，設(shè)計(jì)者通過確定當(dāng)在最大(50%)占空比下操作H橋電路104時(shí)以及當(dāng)由源102供給的電壓處于其最小值時(shí)可以在能量存儲(chǔ)元件114處產(chǎn)生多大電壓，來固定現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的變壓器108中的匝數(shù)比。因此， 現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)100僅在源102處的電壓處于最小值的暫時(shí)且罕見的情形期間操作在50%附近的占空比下。在常見得多的情形期間，當(dāng)源102處的電壓處于其正常(更高)操作點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)100必須在遠(yuǎn)遠(yuǎn)更低且更低效的占空比下進(jìn)行操作，以維持能量存儲(chǔ)元件114處的正確 DC電平。圖4所示的本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)400建設(shè)性地解決了該問題，并且甚至在當(dāng)源 102處的電壓處于其正常操作點(diǎn)時(shí)的常見情形期間允許在更高的占空比下進(jìn)行操作。其通過動(dòng)態(tài)改變變壓器402中的匝數(shù)比來做到這一點(diǎn)。變壓器402的初級(jí)側(cè)404設(shè)置有如圖所示的多個(gè)抽頭。開關(guān)電路406包括與初級(jí)側(cè)404形成H橋的4個(gè)開關(guān)元件408-414。開關(guān)元件408和414的第一端子分別在抽頭420和422處連接至初級(jí)側(cè)404。開關(guān)元件408和 414的第二端子連接在節(jié)點(diǎn)4 處。添加了另外兩個(gè)開關(guān)元件416和418。開關(guān)元件416 和418的第一端子分別在抽頭似4和似6處連接至初級(jí)側(cè)404。開關(guān)元件416和418的第二端子也連接在節(jié)點(diǎn)4 處。本發(fā)明的控制電路430被配置為在至少兩個(gè)模式中進(jìn)行操作。在第一模式中，開關(guān)元件416和418根本不導(dǎo)通，而由開關(guān)元件408-414形成的H橋電路可以以傳統(tǒng)方式進(jìn)行操作，使得對(duì)408/412和410/414交替導(dǎo)通。具體地，對(duì)410/414導(dǎo)通，而對(duì)408/412不導(dǎo)通，并且然后，對(duì)408/412導(dǎo)通，而對(duì)410/414不導(dǎo)通。在第二模式中，開關(guān)元件408和414 根本不導(dǎo)通，并且對(duì)410/418和412/416交替導(dǎo)通。具體地，對(duì)410/418導(dǎo)通，而對(duì)412/416 不導(dǎo)通，并且然后，對(duì)412/416導(dǎo)通，而對(duì)410/418不導(dǎo)通。注意，兩組開關(guān)元件410/414和410/418均包含開關(guān)元件410。類似地，兩組開關(guān)元件412/408和412/416均包含開關(guān)元件412。還要注意，兩對(duì)抽頭420/422和420/似6均包含抽頭420。并且，兩對(duì)抽頭420/422和422/4 均包含抽頭422。抽頭對(duì)424/422之間的匝數(shù)可以與抽頭對(duì)420/4 之間的匝數(shù)相同。抽頭對(duì) 420/422之間的匝數(shù)大于對(duì)424/422或?qū)?20/似6之間的匝數(shù)。因此，當(dāng)控制電路430在第一模式中進(jìn)行操作時(shí)，變壓器402的匝數(shù)比由抽頭420和422之間的匝數(shù)確定。但是，當(dāng)控制電路430在第二模式中進(jìn)行操作時(shí)，匝數(shù)比由抽頭420和似6之間的匝數(shù)確定或者等效地由抽頭422和似4之間的匝數(shù)確定。因此，變壓器402的初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比在第一模式中大于在第二模式中?？梢蕴峁└袦y電路432以感測能量源102上的電壓電平Vin。感測電路432可以將用于指示Vin的電平的控制信號(hào)434提供給控制電路430。作為示例，提供了圖5中的狀態(tài)圖500和圖6所示的波形，以示意本發(fā)明的系統(tǒng) 400的許多有益應(yīng)用之一。可以采用任何合適的手段來確定電路最初將在其下操作的匝數(shù)比。在所示的示例中，系統(tǒng)在開始狀態(tài)502初始化，并且然后，控制電路430根據(jù)Vin是否超過電壓閾值Hireshl進(jìn)入狀態(tài)504或506。(在圖6的示意中，電壓閾值Threshl被示出于電壓閾值Hiresh2和Thresh3之間。在其他實(shí)施例中，可以以不同方式選擇Threshl。) 優(yōu)選地，狀態(tài)506與上述第一操作模式相對(duì)應(yīng)，并且優(yōu)選地，狀態(tài)504與第二模式相對(duì)應(yīng)，使得狀態(tài)506中的初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比Tl高于狀態(tài)504中的初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比T2。典型地，狀態(tài)506將與其中Vin位于其正常操作點(diǎn)處或附近的常見情況相對(duì)應(yīng)。典型地，狀態(tài)504將與其中Vin由于某種原因(例如其將暫時(shí)在欠壓狀況期間)而低于正常的情況相對(duì)應(yīng)。當(dāng)在狀態(tài)506中時(shí)，如果感測到Vin降至低于Thresh2，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至狀態(tài)504 以在較低匝數(shù)比T2下進(jìn)行操作。當(dāng)在狀態(tài)504中時(shí)，如果感測到Vin回升至高于Thresh3， 則系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至狀態(tài)506以在較高匝數(shù)比Tl下進(jìn)行操作。當(dāng)Thresh3高于Thresh2時(shí)，提供滯后以幫助防止振蕩。在其他實(shí)施例中，Thresh3和Thresh2可以相同。盡管參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是所描述的實(shí)施例是作為示例而非限制給出的。本領(lǐng)域技術(shù)人員在參考了本說明書的情況下將理解，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以對(duì)所描述的實(shí)施例的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變。
本文使用詞語“抽頭”來指代變壓器繞組的內(nèi)部抽頭以及變壓器繞組的末端端子二者。盡管這里將本發(fā)明的系統(tǒng)400的變壓器402示意為具有帶有4個(gè)抽頭的初級(jí)側(cè)，但是其他實(shí)施例可以被構(gòu)造為具有更多或更少抽頭以及對(duì)應(yīng)地更少或更多數(shù)目的開關(guān)元件。 例如，可以使用具有3個(gè)抽頭的變壓器來構(gòu)造最低限度實(shí)施例，其中，需要向H橋布置添加僅1個(gè)開關(guān)元件而不是2個(gè)開關(guān)元件。并且，可以利用使用多于4個(gè)抽頭的其他實(shí)施例，對(duì)應(yīng)地在控制電路430中有更多狀態(tài)，以便以更高的分辨度改變變壓器402的匝數(shù)比。盡管已經(jīng)使用FET作為開關(guān)元件來示意開關(guān)電路406的實(shí)施例，但是還可以使用任何合適的開關(guān)元件。此外，用于支持這里的討論的具體電壓電平(如400VDC和300VDC) 僅是為了示例而選擇的?？梢葬槍?duì)任何實(shí)際操作點(diǎn)設(shè)計(jì)本發(fā)明的實(shí)施例。此外，盡管變壓器402被示意為降壓變壓器，但是本發(fā)明的實(shí)施例不限于降壓變壓器或具有圖中所示的具體匝數(shù)比的變壓器?？梢栽诎ㄩ_關(guān)或者其他類型的供電電源的任何適當(dāng)電氣系統(tǒng)中部署本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本發(fā)明的實(shí)施例不限于如圖4所示的DC-DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。因此，整流電路112、能量存儲(chǔ)元件114和感測電路118不是在本發(fā)明的所有實(shí)施例中都必要。在所附權(quán)利要求中以及在以上書面描述中，詞語“包括”和“包含”應(yīng)在開放式的意義上進(jìn)行理解，表示“包括以下元素但不排除其他元素”。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括變壓器，在其初級(jí)側(cè)上具有多個(gè)抽頭；開關(guān)電路，被配置為在至少兩個(gè)模式中將能量源連接至所述抽頭，使得所述變壓器在所述第一模式中以第一初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比進(jìn)行操作并在所述第二模式中以第二初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比進(jìn)行操作，其中，第一匝數(shù)比大于第二匝數(shù)比；以及控制電路，被配置為在所述能量源的電壓電平高于第一閾值時(shí)在所述第一模式中操作所述開關(guān)電路，并在所述電壓電平低于第二閾值時(shí)在所述第二模式中操作所述開關(guān)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中， 所述第一閾值高于所述第二閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中， 所述第一閾值和所述第二閾值相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述開關(guān)電路包括四個(gè)開關(guān)元件，其被布置為H橋并在第一抽頭和第四抽頭處連接至所述初級(jí)側(cè)；以及兩個(gè)附加開關(guān)元件，其分別在第二抽頭和第三抽頭處連接至所述初級(jí)側(cè)。
5.一種方法，包括當(dāng)DC能量源的電壓電平超過第一閾值時(shí)，使用第一組開關(guān)元件在變壓器初級(jí)側(cè)的至少第一對(duì)抽頭上施加所述能量源；以及當(dāng)所述電壓電平低于第二閾值時(shí)，使用第二組開關(guān)元件在所述變壓器初級(jí)側(cè)的至少第二對(duì)抽頭上施加所述能量源，其中，第一對(duì)中的抽頭之間的匝數(shù)比第二對(duì)中的抽頭之間的匝數(shù)更多。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中， 所述第二閾值低于所述第一閾值。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中， 所述第一閾值和所述第二閾值相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第一組開關(guān)元件和所述第二組開關(guān)元件包括兩者共用的至少一個(gè)開關(guān)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第一對(duì)抽頭和所述第二對(duì)抽頭包括兩者共用的至少一個(gè)抽頭。
10.一種系統(tǒng)，包括變壓器，在其初級(jí)側(cè)上具有至少四個(gè)抽頭；與所述初級(jí)側(cè)形成H橋的四個(gè)開關(guān)元件，其中，第一開關(guān)元件和第四開關(guān)元件的第一端子分別連接至第一抽頭和第四抽頭，并且第一開關(guān)元件和第四開關(guān)元件的第二端子連接在節(jié)點(diǎn)處；第五和第六開關(guān)元件，其中，第五開關(guān)元件和第六開關(guān)元件的第一端子分別連接至第二抽頭和第三抽頭，并且第五開關(guān)元件和第六開關(guān)元件的第二端子連接在所述節(jié)點(diǎn)處；以及控制器，被配置為在至少兩個(gè)模式中進(jìn)行操作，使得在第一模式中，所述第一開關(guān)元件和所述第四開關(guān)元件交替導(dǎo)通并且所述第五開關(guān)元件和所述第六開關(guān)元件不導(dǎo)通，以及在第二模式中，所述第五開關(guān)元件和所述第六開關(guān)元件交替導(dǎo)通并且所述第一開關(guān)元件和所述第四開關(guān)元件不導(dǎo)通。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括感測電路，被配置為感測對(duì)所述H橋施加的電壓電平；以及其中，所述控制器被配置為在所述電壓電平高于第一閾值時(shí)在所述第一模式中進(jìn)行操作，并在所述電壓電平低于第二閾值時(shí)在所述第二模式中進(jìn)行操作。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中， 所述第一閾值大于所述第二閾值。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中， 所述第一閾值和所述第二閾值相同。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的系統(tǒng)，其中，在所述第一模式中，所述變壓器以第一初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比進(jìn)行操作，以及，在所述第二模式中，所述變壓器以大于所述第一初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比的第二初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比進(jìn)行操作。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中， 所述系統(tǒng)形成開關(guān)供電電源的一部分。
全文摘要
一種電功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有用于改進(jìn)的效率的可適配變壓器匝數(shù)比。變壓器在其初級(jí)側(cè)上具有多個(gè)抽頭。開關(guān)電路被配置為在至少兩個(gè)模式中將能量源連接至抽頭，使得變壓器在第一模式中以第一初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比進(jìn)行操作并在第二模式中以第二初級(jí)-次級(jí)匝數(shù)比進(jìn)行操作。第一匝數(shù)比大于第二匝數(shù)比?？刂齐娐繁慌渲脼樵谀芰吭吹碾妷弘娖礁哂诘谝婚撝禃r(shí)在第一模式中操作開關(guān)電路并在該電壓電平低于第二閾值時(shí)在第二模式中操作開關(guān)電路。
文檔編號(hào)H02M7/48GK102414973SQ200980158981
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2009年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月27日
發(fā)明者P. 莫爾 D., A. 貝馬特 M., P. 多明戈 R. 申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司