專利名稱：具有多輸出電壓能力的功率變換器及其運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說涉及功率變換，更確切地說，涉及一種功率變換器，其可重新配置，以便提供多個輸出電壓中選擇的一個電壓，以及涉及一種運行功率變換器使之能提供這樣選擇的一種輸出電壓的方法。
用戶通常依靠的電信系統(tǒng)的工作可靠性很大程度上是由于系統(tǒng)使用高可靠的和備用的電源系統(tǒng)。用于電信場合的電源系統(tǒng)通常由一DC電源系統(tǒng)組成，其將市用交流(AC)電源變換為直流(DC)電源，供電信系統(tǒng)使用。為適用于很多不同的國家，該DC電源必須與很廣范圍的電壓和頻率相兼容。市用電源在歐洲例如按220V(AC)50Hz提供。然而在美國，標(biāo)準(zhǔn)電壓為120V(AC)、60Hz。此外，限電可能明顯降低線電壓，相反，照明負(fù)荷特別在夜間可能引起線電壓增加。因此，通常設(shè)計電源按照47到63Hz的頻率以及按照范圍由85V(AC)到高達265V(AC)的電壓的條件工作(通常稱之為通用電壓)。
該DC電源將這一AC電壓變換為由包含在一特定電信系統(tǒng)中的電信設(shè)備所需的DC電壓。該DC電源通常包含電磁干擾(EMI)濾波器、功率因數(shù)校正電路和DC/DC功率變換器。采用EMI濾波器是為了保證與EMI標(biāo)準(zhǔn)兼容。功率因數(shù)校正電路將市用AC電源變換為例如400V(DC)的DC電壓。DC/DC功率變換器將高DC電壓降低到為在電信設(shè)備內(nèi)部的板裝電源(BMP)所需的較低的電壓。
電信設(shè)備通常按兩種電壓+24V(DC)或-48V(DC)的其中之一工作。例如無線通信設(shè)備經(jīng)常需要+24V(DC)。然而中央辦公設(shè)備通常需要一48V(DC)。因此，電信電源按照+24V(DC)或-48V(DC)設(shè)計。
為了保持電信系統(tǒng)的高度有效性，在電源系統(tǒng)中使用的各種電源配置都有冗余度。即使一個DC電源故障，也要保證電信系統(tǒng)的不間斷運行。然而，故障的DC電源必須立即更換，以保持冗余度和避免有損通信服務(wù)。因此通信服務(wù)部門必須保有能在系統(tǒng)中需要立即更換時可得到電源庫存。由于電信設(shè)備需要不同的電壓，通信服務(wù)部門要同時保持兩種類型的電源的儲備。由于多種原因(例如減少研制項目和制造費用)最好僅庫存一種類型的DC電源。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中需要一種DC電源，其能按照其所供電的系統(tǒng)的需要提供多種輸出電壓(例如+24V(DC)或-48V(DC))。
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種功率變換器，其采用有連接到隔離變壓器中的二次繞組上的第一和第二輸出二極管，以及分別連接到第一和第二輸出二極管上的第一和第二輸出電感器；以及由第一和第二輸出電感器和二次繞組的中心抽頭引出的輸出端；以及提供使該功率變換器能提供多種輸出電壓下的輸出電流的電路和方法。在一個實施例中，該電路包含(1)開關(guān)器，其連接到介于第一輸出二極管和輸出電抗器之間的第一節(jié)點以及介于第二輸出二極管和輸出電感器之間的第二節(jié)點，其選擇性地(1a)閉合，以便形成一電感器間的導(dǎo)通通道，以便使第一和第二輸出電感器并聯(lián)從而使功率變換器能工作在第一輸出電壓；和(1b)斷開，以便斷開該電感器間的導(dǎo)通通道和使功率變換器能工作在低于第一輸出電壓的第二輸出電壓，以及(2)第一和第二導(dǎo)通通道分別將中心抽頭連接到第一節(jié)點和第二節(jié)點，形成用于輸出電流的導(dǎo)通通道。
因此，本發(fā)明引入一種拓寬構(gòu)思，使得一功率變換器具有二擇一的工作方式，其中由隔離變壓器引出的功率在一對輸出電感器中或者求和或者不求和。因此，該功率變換器能夠產(chǎn)生多種輸出電壓值。用于本發(fā)明的“開關(guān)器”廣義定義為能夠選擇性由一個位置到另一個位置形成導(dǎo)通通道。因此“開關(guān)器”包含廣泛器件的組合，例如固體狀態(tài)開關(guān)(例如晶體管)、繼電器、跳線、接線、焊接的連接件等。在所述實施例中的開關(guān)器能夠偶爾在導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，相對不頻繁形成或斷開導(dǎo)通通道。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一和第二導(dǎo)通通道每個包含-空載續(xù)流二極管，當(dāng)然，從本發(fā)明的廣義范圍而言空載續(xù)流二極管不是必須的。
在本發(fā)明的一個實施例中，功率變換器還包含一連接到隔離高壓器中的一次繞組的逆變器。本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員對于逆變器和其運行是很熟悉的。
在本發(fā)明的一個實施例中，功率變換器還包含一并聯(lián)到功率變換器輸出端的輸出電容器。該輸出電容器對功率變換器的輸出電壓進行濾波。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一輸出電壓約48伏，第二輸出電壓約24伏。如上所述，采用這些數(shù)值的輸出電壓便利于電信設(shè)備。然而，本發(fā)明的原理適合于能夠提供其它輸出電壓的功率變換器。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一和第二輸出電感器共用一個鐵芯。通過裝設(shè)一個共用鐵芯可以降低在功率變換器中的紋波電流。然而，本發(fā)明并不是必需共用鐵芯的。
在本發(fā)明的一個實施例中，功率變換器還包含一連接到隔離變壓器的二次繞組上的緩沖電路。本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員對于緩沖電路的結(jié)構(gòu)和運行是很熟悉的。
上述部分已經(jīng)相當(dāng)廣泛地概括了本發(fā)明的優(yōu)選的和可選的特征，使得本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員可以更好地理解下面對本發(fā)明的更詳細的介紹。下面將介紹構(gòu)成本發(fā)明的權(quán)利要求主題的本發(fā)明的附加特征。本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員會認(rèn)識到，他們可以易于利用所公開的原理和具體實施例作為基礎(chǔ)，為實現(xiàn)本發(fā)明的相同目的而設(shè)計或改進其它結(jié)構(gòu)。本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員還會認(rèn)識到，在更廣泛的形式上講這些等效的結(jié)構(gòu)并沒有脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
為了更完整地理解本發(fā)明，結(jié)合附圖參照如下的介紹，其中

圖1表示根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)成的全橋式功率變換器的一個實施例；以及圖2表示根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)成的全橋式功率變換器的另一個實施例。
首先參閱所示的圖1，其表示根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)成的全橋式功率變換器100的一個實施例。該功率變換器100具有一連接到輸入電源110的輸入端，輸入電壓為Vi以及具有一連接到電力負(fù)載R上的DC輸出端。功率變換器100包含一隔離變壓器120，其具有一次繞組NP和兩個二次繞組Ns1、Ns2。功率變換器100還包含一逆變器130，其將輸入電壓Vi聯(lián)結(jié)到一次繞組Np。逆變器130由第一、第二、第三和第四開關(guān)S1、S2、S3、S4組成，它們交替地以成對的方式導(dǎo)通電流，以此，將一AC功率提供到隔離變壓器120。逆變器130在本技術(shù)領(lǐng)域是公知的，因此，將不再詳細介紹。
功率變換器100還包含連接到二次繞組Ns1、Ns2上的第一和第二輸出二極管D1、D2。功率變換器100還包含分別連接到第一和第二二極管D1、D2上的第一和第二輸出電感器L1、L2。功率變換器100的DC輸出由第一和第二輸出電感器L1和L2以及二次繞組Ns1、Ns2的中心抽頭引出。功率變換器100還包含一并聯(lián)在DC輸出端的輸出電容器140。功率變換器100還包含緩沖電路150、152，其連接到隔離變壓器120的二次繞組Ns1、Ns2，并分別并接第一和第二二極管D1、D2。例如為RCD緩沖電路的各種緩沖電路在本技術(shù)領(lǐng)域中是公知的，因此，這里不再進行詳細介紹。當(dāng)然，對于本發(fā)明輸出電容器140和緩沖電路150，152不是必需的。
功率變換器100還包含一電路160，其使功率變換器100能按多種輸出電壓提供輸出。電路160包含一開關(guān)器SW，其連接到位于第一輸出二極管D1和第一輸出感器L1之間的第一節(jié)點162與位于第二輸出二極管D2和第二輸出電感器L2之間的第二節(jié)點164上。開關(guān)器SW選擇性地閉合，以便形成一電感器的導(dǎo)通通道，以便將第一和第二輸出電感器L1、L2并聯(lián)，從而使功率變換器100能工作在第一輸出電壓下。另外，開關(guān)器SW斷開，以便斷開電感間的導(dǎo)通通道，從而使功率變換器100能工作在低于第一輸出電壓的第二輸出電壓下。電路160還包含第一和第二導(dǎo)通通道，它們分別將中心抽頭連接到第一節(jié)點162和第二節(jié)點164上。在一優(yōu)選實施例中，第一和第二導(dǎo)通通道分別包含第一和第二空載續(xù)流二極管Df1、Df2。
功率變換器100按照兩種不同的方式即全電壓方式和降電壓方式工作。在全電壓方式中，該開關(guān)器SW是閉合的，因此形成電感器間的導(dǎo)通通道，將第一和第二輸出電感器L1和L2并聯(lián)，因此，該功率變換器100的工作情況與常規(guī)全橋式功率變換器相似。
逆變器130中的開關(guān)交替地導(dǎo)通電流，以此將輸入電壓Vi施加到隔離變壓器120上。在第一時間段的過程中，即對于第一工作周期D，逆變器130轉(zhuǎn)換，將正電壓加到隔離變壓器120的兩端，第一二極管D1導(dǎo)通，第一和第二電感器電流I1、I2增加。在第二時間段的過程中，即對于第二工作周期1-D，施加到隔離變壓器120上的電壓基本為零，在這一時間段期間，第一和第二電感器電流I1、I2降低。然后，在第三時間段的過程中，即對于第一工作周期D，逆變器130將負(fù)電壓施加到隔離變壓器120上。這時第二二極管D2導(dǎo)通。由于電感器處于并聯(lián)狀態(tài)，第一和第二電感器電流I1和12再次下降。在第四時間段的過程中，即對于第二工作周期1-D，再次將基本上為零的電壓施加到隔離變壓器120上。因此，第一和第二電感器電流在這一時間段期間再次下降。
當(dāng)加到隔離變壓器120上的電壓為正或為負(fù)時，電感器的并聯(lián)狀態(tài)使得第一和第二電感器電流I1,I2增加。因此，第一和第二電感器L1、L2在一個完整的轉(zhuǎn)換周期經(jīng)歷兩個正電壓脈沖，使得功率變換器100能以全電壓方式提供一全電壓輸出。
另外，功率變換器100可以工作在降壓方式。開關(guān)器SW斷開，從而斷開電感器間的導(dǎo)通通道。降壓方式的原理如下。逆變器130中的開關(guān)交替地導(dǎo)通電流，將輸入電壓Vi施加到隔離變壓器120上。在第一時間段的過程中，即對于第一工作周期D，逆變器130將正電壓施加到隔離變壓器120上。第一二極管D1和第二空載續(xù)流二極管Df2導(dǎo)通電流，當(dāng)?shù)谝浑姼衅麟娏鱅1增加時，第二電感器電流I2下降。在第二時間段的過程中即對于第二工作周期1-D，施加到隔離變壓器120上的電壓基本上為零。第二二極管D2和第一空載續(xù)流二極管Df1導(dǎo)通。使電流通過該導(dǎo)通通道形成續(xù)流。在第二時間段的過程中，第一和第二電感器電流I1、I2兩者下降。然后，在第三時間段的過程中，即對于第一工作周期D，逆變器130將負(fù)電壓施加到隔離變壓器120上。第一二極管D1和第二空載續(xù)流二極管Df2關(guān)斷。第二二極管D2和第一空載續(xù)流二極管Df2導(dǎo)通，第二電感器電流增加。在這一時間段的過程中，第一電感器電流繼續(xù)下降。最后，在第四時間段的過程中，即對于工作周期1D，施加到隔離變壓器120上的電壓基本為零。第一二極管D1和第二空載續(xù)流二極管Df1導(dǎo)通，使電流通過導(dǎo)通通道形成續(xù)流。第一和第二輸出電感器L1、L2每個僅在一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)經(jīng)歷一個正電壓脈沖。因此，功率變換器100以降壓方式僅提供一半的輸出電壓。
轉(zhuǎn)閱圖2，圖中示有根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)成的全橋式功率變換器200。功率變換器200具有一連接到輸入電源210的輸入端和一連接到電力負(fù)載R上的DC輸出端。功率變換器200包含一具有一次繞組Wp和兩個二次繞組Ns1、Ns2的隔離變壓器220。功率變換器200還包含一逆變器230，其將輸入電壓Vi轉(zhuǎn)換到一次繞組Np。功率變換器200還包含該連接到二次繞組Ns1、Ns2上的第一和第二輸出二極管D1、D2。功率變換器200還包含第一和第二輸出電感器L1、L2，它們分別連接到第一和第二二極管D1、D2。在所述實施例中，第一和第二輸出電感器共用一鐵芯。當(dāng)然，對于本發(fā)明該共用鐵芯不是必需的。功率變換器200還包含一連接到DC輸出端上的輸出電容器240。功率變換器200還包含一電路260，其通過交替地閉合和斷開電感器間的導(dǎo)通通道，使功率變換器200能按多種輸出電壓提供輸出電流。在所述實施例中，電路260包含一開關(guān)器SW和第一與第二空載續(xù)流二極管Df1、Df2。因此，將第一和第二電感器L1、L2可以按照需要并聯(lián)。
通過使第一和第二電感器L1、L2相關(guān)的DC電阻連同二次繞組Ns1和Ns2的電壓降以及第一和第二輸出二極管D1、D2相配合，在第一和第二電感器L1、L2之間分配的電流可以維持。逆變器230的電流波形控制可以進一步改進例如按降壓方式運行中電流的分配。
按降壓方式，在第一和第二輸出電感器L1、L2中的紋波電流較高。按理想方式，應(yīng)盡量降低紋波電流，以便降低電磁干擾(EMI)輻射和電感器功率損耗。因此，所述實施例利用其用鐵芯以降低在鐵芯中的AC磁通，從而降低EMI輻射和降低電感器功率損耗。
因此，功率變換器200可以用在需要多種輸出電壓的場合例如電信設(shè)備。在電信應(yīng)用場合，可以將功率變換器200設(shè)計得能產(chǎn)生48伏或24伏的電壓。通過將開關(guān)器SW置于斷開或閉合狀態(tài)，功率變換器200可以按照需要提供適當(dāng)?shù)碾妷?。?dāng)然，可將功率變換器200設(shè)計得按照其所供電的系統(tǒng)的需要提供其它輸出電壓。
功率變換器200還可以應(yīng)用于電動機驅(qū)動或其它應(yīng)用場合，其中在起動過程中需要低輸出電壓和高輸出電流。開關(guān)器SW于是可用于選擇輸出電壓范圍，使功率變換器200的效率實現(xiàn)最佳。
本發(fā)明的構(gòu)思同樣可應(yīng)用于一些系統(tǒng)，因此，DC連線電壓(即輸入到功率變換器的電壓)明顯變化。例如，正端的整流器未控制DC連線電壓，功率變換器在低線路電壓下可工作在全電壓方式，以及在高線路電壓下工作在降壓方式下，從而產(chǎn)生相同的輸出電壓。
雖然是按照全橋式功率變換器對本發(fā)明進行描述和介紹的，但應(yīng)當(dāng)理解，其它在變壓器二次側(cè)具有全波整流線路的其它變換器結(jié)構(gòu)(例如非對稱半橋或正反饋功率變換器)也處在本發(fā)明的廣義范圍之內(nèi)。另外，上面參照特定的電子和磁性元件對本發(fā)明的示范性的實施例進行描述。然而，本技術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員會認(rèn)識到，為了產(chǎn)生預(yù)期的狀態(tài)或得到預(yù)期的結(jié)果，這些元件可以替換(不一定使用相同類型的元件)。例如，可以用單一的元件替換多個元件，或者相反。與之相似，雖然，所述的是具有單一鐵芯和單一一次繞組的磁性器件，但具有其它結(jié)構(gòu)的例如具有多個一次繞組或多個鐵芯的磁性器件可以用于基本上實現(xiàn)本發(fā)明提出的相同目的。為了更好地理解功率型電子電路、功率變換器技術(shù)，例如全橋式功率變換器，參閱由J.Kassakian、M.Schlecht和G.Verghese所著的“電力電子電路原理”。這里引用上述參考文獻，可供參考。
迄今，已經(jīng)詳細介紹了本發(fā)明，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解，在不脫離本發(fā)明的廣義形式的構(gòu)思和范圍的前提下可以進行各種改變、替換和變換。
權(quán)利要求
1．一種用在功率變換器的電路，該功率變換器具有第一和第二輸出二極管，它們連接到隔離變壓器的二次繞組；第一和第二輸出電感器，它們分別連接到所述第一和第二輸出二極管；輸出端，由所述第一和第二輸出電感器以及所述二次繞組的中心抽頭引出；一種電路用于使所述功率變換器能按多種輸出電壓提供輸出電流，包含-開關(guān)器，連接到介于所述第一輸出二極管和輸出電感器之間的第一節(jié)點以及介于所述第二輸出二極管和輸出電感器之間的第二節(jié)點，其選擇性地閉合，以便形成一電感器間的導(dǎo)通通道，以使所述第一和第二輸出電感器并聯(lián)，使所述功率變換器能工作在第一輸出電壓下，以及斷開，以便斷開所述電感器間的導(dǎo)通通道，以使所述功率變換器能工作在一低于所述第一輸出電壓的第二輸出電壓下；以及第一和第二導(dǎo)通通道，它們分別將所述中心抽頭分別連接到所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點上，為所述輸出電流提供導(dǎo)通通道。
2．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述第一和第二導(dǎo)通通道每個包含一空載續(xù)流二極管。
3．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述功率變換器還包含一逆變器，其連接到所述隔離變壓器的一次繞組上。
4．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述功率變換器還包含一輸出電容器，其并聯(lián)連接到所述功率變換器的所述輸出端上。
5．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述第一輸出電壓約為48伏，所述第二輸出電壓約為24伏。
6．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述第一和第二輸出電感器共用一鐵芯。
7．如權(quán)利要求1所述的電路，其中所述功率變換器還包含一緩沖電路，其連接到所述隔離變換器中的所述二次繞組上。
8．一種應(yīng)用在功率變換器中的方法，該功率變換器具有第一和第二輸出二極管，它們連接到隔離變壓器的二次繞組上；第一和第二輸出電感器，它們分別連接到所述第一和第二輸出二極管上；輸出端，由所述第一和第二輸出電感器以及所述二次繞組中的中心抽頭引出，該方法能使所述功率變換器按多種輸出電壓提供輸出電流，包含的步驟有將所述中心抽頭分別轉(zhuǎn)接到所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點，以便為所述輸出電流提供導(dǎo)通通道；形成一電感器間導(dǎo)通通道，以便將所述第一和第二輸出電感器并聯(lián)，使所述功率變換器能工作在第一輸出電壓下，以及斷開所述電感器間導(dǎo)通通道，使所述功率變換器能工作在低于所述第一輸出電壓的第二輸出電壓。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一和第二導(dǎo)通通道每個都包含一空載續(xù)流二極管。
10．如權(quán)利要求8所述的方法，還包含操作逆變器的步驟，以便向所述隔離變壓器的一次繞組供電。
11．如權(quán)利要求8所述的方法，還包含對并聯(lián)在所述功率變換器的所述輸出端上的輸出電容器中的所述輸出電流進行處理的步驟。
12．如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一輸出電壓約48伏，所述第二輸出電壓約24伏。
13．如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述的第一和第二輸出電感器共用一鐵芯。
14．如權(quán)利要求8所述的方法，還包含操作連接在所述隔離變壓器的所述二次繞組上的緩沖電路的步驟。
15．一種功率變換器，包含一隔離變壓器，具有一次和二次繞組；第一和第二輸出二極管，它們連接到所述二次繞組；第一和第二輸出電感器，分別連接到所述第一和第二輸出二極管上，所述功率變換器的輸出端由所述第一和第二輸出電感器和所述二次繞組的中心抽頭引出；以及一電路，用于使所述功率變換器能按多種輸出電壓提供輸出電流；包含一開關(guān)器，連接到介于所述第一輸出二極管和輸出電感器之間的第一節(jié)點和介于第二輸出二極管和輸出電感器之間的第二節(jié)點，其選擇性地閉合，以便形成一電感器間的導(dǎo)通通道，使所述第一和第二輸出電感器并聯(lián)，使所述功率變換器能工作在第一輸出電壓下，以及斷開，以便斷開所述電感器間的導(dǎo)通通道，使所述功率變換器能工作在低于所述第一輸出電壓的第二輸出電壓下，以及第一和第二導(dǎo)通通道，其將所述中心抽頭分別連接到所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點，提供用于所述輸出電流的導(dǎo)通通道。
16．如權(quán)利要求15所述的功率變換器，其中所述第一和第二導(dǎo)通通道每個都包含一空載續(xù)流二極管。
17．如權(quán)利要求15所述的功率變換器，還包含一逆變器，其連接到所述隔離變壓器中的所述一次繞組。
18．如權(quán)利要求15所述的功率變換器，還包含一輸出電容器，其并聯(lián)在所述功率變換器的所述輸出端。
19．如權(quán)利要求15所述的功率變換器，其中第一所述輸出電壓約48伏，所述第二輸出電壓約24伏。
20．如權(quán)利要求15所述的功率變換器，其中所述第一和第二輸出電感器共用一鐵芯。
21．如權(quán)利要求15所述的功率變換器，還包含一緩沖電路，其連接到所述隔離變壓器中的所述二次繞組。
全文摘要
一種用在功率變換器中的電路,該功率變換器具有:第一和第二輸出二極管,第一和第二輸出電感器,以及輸出端,由第一和第二輸出電抗器以及隔離變壓器的二次繞組的中心抽頭引出,一電路,用于使功率變換器能按多種輸出電壓提供輸出電流,其中,該電路包含:開關(guān)器,連接到第一輸出二極管和輸出電感器之間的第一節(jié)點和第二輸出二極管和輸出電感器之間的第二節(jié)點,第一和第二導(dǎo)通通道,其將中心抽頭分別連接到第一節(jié)點和第二節(jié)點。
文檔編號H02M3/24GK1212497SQ98119698
公開日1999年3月31日 申請日期1998年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月23日
發(fā)明者馬克·E·雅各布, 毛恒春(音譯) 申請人:朗迅科技公司