專利名稱：具有減小輸出電壓的增壓轉換器及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及功率轉換，更具體地說，涉及一種具有減小輸出電壓的三相增壓轉換器及其操作方法。
穩(wěn)壓直流電源一般滿足大多數模擬和數字電子系統(tǒng)的需要。兩大類穩(wěn)壓直流電源是線性電源和切換電源。通常，在線性電源中，為了在輸入與輸出之間提供電氣隔離和為了提供在希望電壓范圍內的輸出，一個晶體管(在其有效區(qū)域工作)與一個變壓器，例如60Hz變壓器串聯聯接。
在切換電源中，從一個電平到另一個電平的直流電壓變換一般用直流/直流轉換器電路實現，如降壓(消壓)或升壓(增壓)電路。固態(tài)裝置，如晶體管，作為這些切換轉換器內的開關(完全接通或完全斷開)操作。由于功率裝置不需要在其有效區(qū)中工作，所以這種模式的操作導致較低的功率消耗。而且，增大這些功率裝置的切換速度、較高的電壓和電流額定值是提高切換電源普及的因素。
對于要求具有低輸入電流總諧波失真(THD)的三相離線整流的用途，最簡單的切換功率轉換器結構是一種單開關不連續(xù)電流模式(DCM)增壓轉換器。通過以DCM操作增壓轉換器的三個輸入電感器，在每個切換循環(huán)的開始處當增壓開關接通時，通過輸入電感器的電流開始從初始值零以與輸入電感器相應相電壓成比例的速率斜坡上升。因此，也是相電流的輸入電感器電流在當增壓開關接通的時段期間，自然與其相應相電壓成比例。當增壓開關斷開時，比輸入相間電壓峰值高的輸出電壓將驅動輸入電感器的電流，以在下一切換循環(huán)開始前減小回零。然而，由于已經存儲在每個輸入電感器中的能量大小不同，所以每個輸入電感器電流的減小速率不與其相應輸入相電壓成比例。結果，在當增壓開關斷開的時間段期間的輸入電感器電流，也不與導致輸入相電流失真的輸入電感器的相應相電壓成比例。應該注意，輸出電壓越高，各輸入電感器電流的下降速率越快。輸入電感器電流下降到零越快，具有減小輸入電流失真的相應好處。
研究已經表明，為了達到小于10％的總諧波失真(THD)，要求輸出電壓大于輸入峰值線電壓的1.7倍(M＞1.7；其中M=Vout/Vin(rms))。這種對低THD的高輸出電壓要求通常導致比一般希望的高的輸出電壓。例如，對于輸入電壓208Vrms和考慮到輸入電壓波動的存在，要求輸出電壓約為650伏以實現低于10％的THD。該650伏的輸出電壓比通常希望的440伏輸出高得多。對于440Vrms的輸入電壓，要求的輸出電壓因而必須高達1300伏(遠高于常規(guī)800伏的輸出)以達到低于10％的THD。
因而，現有技術需要的是一種克服上述限制的改進功率轉換器。更具體地說，現有技術需要的是一種具有低輸出輸入電壓比值的功率轉換器，該功率轉換器具有高輸出輸入電壓比值(M＞1.7)的功率轉換器的固有低THD特征。
為了克服先有技術的上述缺陷，本發(fā)明提供有與帶有一個三相整流器；一個跨過整流器聯接的增壓開關；和一個增壓二極管的一種增壓轉換器一起使用的一種電路及其方法，該增壓二極管可以以不連續(xù)模式工作，聯接在整流器與增壓轉換器的一個輸出之間，該電路及其方法用來提供來自增壓轉換器的減小輸出電壓。在一個實施例中，該電路包括一個自耦變壓器，該變壓器跨過輸出聯接、具有用來提供減小的輸出電壓的中間抽頭。
本發(fā)明因此引入采用自耦變壓器的廣義概念以減小增壓轉換器的輸出電壓。本發(fā)明公開了一種新穎的電路，該電路具有在具有高M，例如M＞1.7的增壓轉換器中固有的低THD的優(yōu)點。本發(fā)明在增壓轉換器的輸出級處引入一種電路，該電路提供處于希望較低值的輸出電壓，同時仍享有由增壓操作提供的低THD。
在本發(fā)明的一個實施例中，該電路進一步包括一個輸出電容器，該電容器聯接到中間抽頭上、減弱在減小的輸出電壓中的直流分量。熟悉本領域的技術人員通曉輸出電容器及其在增壓轉換器中提供直流輸出方面的功能。
在本發(fā)明的一個實施例中，中間抽頭是自耦變壓器的中心抽頭。另外，中間抽頭可以不“分開”自耦變壓器的繞組。
在本發(fā)明的一個實施例中，該電路進一步包括一個緩沖器電路，后者聯接到增壓開關上、箝位其中出現的電壓超調。在一個更具體的實施例中，緩沖器電路是一個無源緩沖器電路。另外，緩沖器電路也可以是一個有源緩沖器電路。然而，本發(fā)明不要求緩沖器電路。
在本發(fā)明的一個實施例中，自耦變壓器包括具有相等匝數的繞組。另外繞組可以在匝數上不同。本發(fā)明不限于具體的匝數比。
在本發(fā)明的一個實施例中，該電路進一步包括一個與跨過輸出的自耦變壓器串聯聯接的二極管。二極管整流通過自耦變壓器的功率。另外，如果在特殊用途中希望的話，一個有效開關能實現該功能。
上面已經相當廣義地概述了本發(fā)明的最佳和可選的特征，從而熟悉本專業(yè)的技術人員可以更好地理解下面本發(fā)明的詳細描述。下文將描述形成本發(fā)明權利要求書的主題的本發(fā)明的附加特征。熟悉本專業(yè)的技術人員應該認識到，他們能容易地把公開的概念和具體實施例用作基礎，以便設計或改進用來實現本發(fā)明相同目的的其他結構。熟悉本專業(yè)的技術人員還應該理解，這種等效結構在本發(fā)明的最廣義形式上不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
為了更完整地理解本發(fā)明，現在參考聯系附圖的如下描述，在附圖中

圖1表明根據本發(fā)明原理建造的一種三相增壓轉換器的實施例的示意圖；圖2表明使用本發(fā)明原理且進一步采用一個有源無損耗緩沖器電路的轉換器實施例的示意圖；及圖3表明使用本發(fā)明原理且進一步采用一個無源無損耗緩沖器電路的轉換器實施例的示意圖。
先參照圖1，表明的是根據本發(fā)明原理建造的一種三相增壓轉換器100的實施例的示意圖。增壓轉換器100從一個三相電壓源110經聯接到一個整流器130上的第一、第二和第三增壓電感器120a、120b、120c接收輸入功率，整流器130包括多個以全橋結構布置的二極管。當一個增壓開關140斷開，即不導通時，整流器130整流其輸送到增壓轉換器100的輸出級之前的交流輸入電壓。當增壓開關140(用一個內體二極管表明)接通，即導通時，增壓二極管145變成反向偏置，因而隔離輸出級。而且，在增壓開關140接通的時間段期間，交流輸入把能量供給到第一、第二和第三增壓電感器120a、120b、120c。
如以上討論那樣，在每個切換循環(huán)的開始處當增壓開關140接通時，通過第一、第二和第三增壓電感器120a、120b、120c[當以不連續(xù)電流模式(DCM)操作時]的電流開始從初始值零以與增壓電感器相應相電壓成比例的速率斜坡上升。因此，也是相電流的增壓電感器電流在當增壓開關140接通的時段期間，自然與其相應相電壓成比例。當增壓開關140斷開時，比輸入線電壓峰值高的輸出電壓Vboost將驅動第一、第二和第三增壓電感器120a、120b、120c的電流，以在下一切換循環(huán)開始前減小回零。然而，由于已經存儲在每個電感器中的能量量不同，所以每個電感器電流的減小速率不與其相應輸入相電壓成比例。因此，在當增壓開關140斷開的時間段期間的電感器電流也不與導致輸入相電流失真的電感器的相應相電壓成比例。應該注意，輸出電壓Vboost越高，各輸入電感器電流的下降速率越快。電感器電流下降到零較快，具有減小輸入電流失真的相應好處。
研究已經表明，為了達到小于10％的總諧波失真(THD)，要求輸出電壓大于輸入峰值線電壓的1.7倍(M＞1.7；其中M=Vout/Vin(rms))。這種對低THD的高輸出電壓要求通常導致比一般希望的高的輸出電壓。例如，對于輸入電壓208Vrms和考慮到輸入電壓波動的存在，要求輸出電壓約為650伏以實現低于10％的THD。該650伏的輸出電壓比通常希望的440伏輸出高得多。對于440Vrms的輸入電壓，要求的輸出電壓因而必須高達1300伏(遠高于常規(guī)800伏的輸出)以達到低于10％的THD。
本發(fā)明公開了一種新穎的電路，該電路具有在具有高M，例如M＞1.7的增壓轉換器中固有的低THD的優(yōu)點。本發(fā)明在增壓轉換器100的輸出級處引入一種電路，該電路提供處于希望較低值的輸出電壓Vout2，同時仍享有由增壓操作提供的低THD。
在增壓轉換器100的輸出級處，一個輸出電路150表示為聯接到一個增壓二極管140上。該輸出電路包括一個聯接到一個二極管160上的自耦變壓器155。熟悉本專業(yè)的技術人員應該容易地認識到，在其他有利的實施例中一個有效開關可以代替二極管160。輸出電壓Vout2從自耦變壓器155的一個中間抽頭導出。在表明的實施例中，中間抽頭是自耦變壓器的中心抽頭。應該注意在其他有利的實施例中，中間抽頭可以不“分開”自耦變壓器的繞組。一個輸出電容器165表示為跨過自耦變壓器155的中間抽頭和二極管160聯接，以減弱輸出電壓Vout2的直流分量。
為了表明增壓轉換器100的操作，假定自耦變壓器155的兩個繞組的匝數比相等，即為1∶1，并且把輸出電壓Vboost選擇為剛好稍高于輸入線電壓峰值的一個值(這對于任何類型的增壓轉換器是最小的可能電壓)。當切斷增壓開關140時，正在驅動第一、第二和第三增壓電感器120a、120b、120c放電的輸出電壓Vboost是輸出電壓Vout2的兩倍(假定跨過二極管160的電壓降可以忽略)。是輸出電壓Vout2的值的兩倍的輸出電壓Vboost提供一個M＞2的值，保留高M值增壓轉換器的低THD特征。此外，由于轉換器100的操作等效于M＞2的增壓轉換器的操作，所以第一、第二和第三增壓電感器120a、120b、120c的充電周期總是大于其各自的放電周期(當使用自耦變壓器155時)，從而保證自耦變壓器155在增壓開關140的每個切換循環(huán)期間有足夠的復位時間。盡管已經描述了具有1∶1匝數比的自耦變壓器，但在其他有利的實施例中，可以采有具有不同匝數比的自耦變壓器。
由于當增壓開關140切斷時自耦變壓器155的漏電感，通過添加一個箝位增壓開關140上電壓“超調”瞬時值的緩沖器，可以改進增壓轉換器100的操作。緩沖器能減小在切換間隔和瞬態(tài)期間增壓開關140上的應力。可以有利地用在轉換器100中的緩沖器電路的具體實施例表示在圖2和3中。表明的緩沖器電路的實施例是先有技術中熟知的常規(guī)緩沖器電路。因此，其操作在這里不詳細描述。為了更好地理解在切換功率轉換器時的緩沖器電路及其應用，見Ned Mohan等的“Power Electronics:Converters,Applications and Design(功率電子學轉換器，應用和設計)”,John Wiley & Sons,Inc.(1989)，該文章通過參考包含在這里。
現在轉到圖2，表明的是使用本發(fā)明原理且進一步采用一個有源無損耗緩沖器電路210的一種轉換器200的實施例的示意圖。有源無損耗緩沖器電路210包括一個與一個緩沖器電容器230串聯聯接的輔助開關220。
現在轉到圖3，表明的是使用本發(fā)明原理且進一步采用一個無源無損耗緩沖器電路310的一種轉換器300的實施例的示意圖。無源無損耗緩沖器電路310包括一個跨過一個增壓開關360與一個電感器340、和一個二極管350串聯聯接的電容器320。在無源無損耗緩沖器電路中還表明的是一個聯接到轉換器300的輸出上的二極管330。
盡管已經詳細描述了本發(fā)明，但熟悉本專業(yè)的技術人員應該理解，他們在這里能進行各種變更、替代和更改，而不脫離本發(fā)明在其廣義形式上的精神和范圍。
權利要求
1．與帶有一個三相整流器；一個跨過所述整流器聯接的增壓開關；和一個增壓二極管的一種增壓轉換器一起使用的一種電路，該增壓二極管可以以不連續(xù)模式工作，聯接在所述整流器與所述增壓轉換器的一個輸出之間，該電路用來提供來自所述增壓轉換器的減小輸出電壓，包括一個自耦變壓器，跨過所述輸出聯接，具有一個用來提供所述減小的輸出電壓的中間抽頭。
2．根據權利要求1所述的電路，進一步包括一個聯接到所述中間抽頭上的、減弱所述減小輸出電壓中的直流分量的輸出電容器。
3．根據權利要求1所述的電路，其中所述中間抽頭是所述自耦變壓器的中心抽頭。
4．根據權利要求1所述的電路，進一步包括一個聯接到所述增壓開關上、箝位其中出現的電壓超調的緩沖器電路。
5．根據權利要求4所述的電路，其中所述緩沖器電路是一個無源緩沖器電路。
6．根據權利要求1所述的電路，其中所述自耦變壓器包括具有相等匝數的繞組。
7．根據權利要求1所述的電路，進一步包括一個與跨過所述輸出的所述自耦變壓器串聯聯接的二極管。
8．與帶有一個三相整流器；一個跨過所述整流器聯接的增壓開關；和一個增壓二極管的一種增壓轉換器一起使用的一種方法，該增壓二極管可以以不連續(xù)模式工作，聯接在所述整流器與所述增壓轉換器的一個輸出之間，該方法用來提供來自所述增壓轉換器的減小輸出電壓，包括步驟把三相功率提供到所述整流器；和從跨過所述輸出聯接的一個自耦變壓器的一個中間抽頭，導出所述減小輸出電壓。
9．根據權利要求8所述的方法，進一步包括用一個聯接到所述中間抽頭上的輸出電容器減弱所述減小輸出電壓中的直流分量的步驟。
10．根據權利要求8所述的方法，其中所述中間抽頭是所述自耦變壓器的中心抽頭。
11．根據權利要求8所述的方法，進一步包括用一個聯接到所述增壓開關上的緩沖器電路箝位其中出現的電壓超調的步驟。
12．根據權利要求11所述的方法，其中所述緩沖器電路是一個無源緩沖器電路。
13．根據權利要求8所述的方法，其中所述自耦變壓器包括具有相等匝數的繞組。
14．根據權利要求8所述的方法，進一步包括用跨過所述輸出的所述自耦變壓器串聯聯接一個二極管的步驟。
15．一種增壓轉換器，包括一個三相整流器，接收和整流來自一個電源的三相電力；一個跨過所述整流器聯接的增壓開關；一個增壓二極管，可以以不連續(xù)模式工作，聯接在所述整流器與所述增壓轉換器的一個輸出之間；及一個自耦變壓器，跨過所述輸出聯接，具有一個用來從所述增壓轉換器提供一個減小的輸出電壓的中間抽頭。
16．根據權利要求15所述的增壓轉換器，進一步包括一個聯接到所述中間抽頭上的、減弱所述減小輸出電壓中的直流分量的輸出電容器。
17．根據權利要求15所述的增壓轉換器，其中所述中間抽頭是所述自耦變壓器的中心抽頭。
18．根據權利要求15所述的增壓轉換器，進一步包括一個聯接到所述增壓開關上、箝位其中出現的電壓超調的緩沖器電路。
19．根據權利要求18所述的增壓轉換器，其中所述緩沖器電路是一個無源緩沖器電路。
20．根據權利要求15所述的增壓轉換器，其中所述自耦變壓器包括具有相等匝數的繞組。
21．根據權利要求15所述的增壓轉換器，進一步包括一個與跨過所述輸出的所述自耦變壓器串聯聯接的二極管。
全文摘要
與帶有一個三相整流器;一個跨過整流器聯接的增壓開關;和一個增壓二極管,可以以不連續(xù)模式工作,聯接在整流器與增壓轉換器的一個輸出之間的一種增壓轉換器一起使用的一種電路及其方法,該電路及其方法用來提供來自增壓轉換器的減小輸出電壓。在一個實施例中,該電路包括一個自耦變壓器,該變壓器跨過輸出聯接、具有用來提供減小的輸出電壓的中間抽頭。
文檔編號H02M3/04GK1234644SQ99106518
公開日1999年11月10日 申請日期1999年4月28日 優(yōu)先權日1998年5月4日
發(fā)明者蔣毅敏 申請人:朗迅科技公司