CN100418293C - 容性耦合的电源 - Google Patents

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Abstract

电源包括供给电感器和连接的第一电容器，形成谐振电路，在电源的周期的第一部分，产生在谐振运行中的谐振波形。电荷存储元件，增强输出电压给负载以能量。整流器，连接到电荷存储元件和谐振电路，响应谐振波形，当谐振波形在整流器中产生状态的第一改变时，在运行周期的第一部分末尾时间，施加输出电压回到谐振电路中断谐振运行。第一传感器检测何时在整流器中出现状态的第一改变，电流源的源连接到整流器并在整流器中整流，产生整流的电流，在运行周期的第二部分，电流源的源连接到电荷存储元件补充那里的电荷。开关晶体管，在运行周期的第二部分，响应第一传感器的输出信号，使得供应电流连接到整流器，在运行周期的第一部分，使得电流源的源不连接到整流器。

Description

容性耦合的电源
相关申请
本申请要求2002年10月16日申请的美国临时专利申请序列号60/418,823的优先权。
技术领域
本发明涉及通常的电源，特别是在主电流通道使用电容性耦合产生供给电压。
背景技术
电源可作为转换输入电压为一个或几个输出电压的用途。可使用AC电源提供AC输线输入，它可以得到转换为DC调节的输出电压。典型的使用变压器提供电源或转换器的“热”地和“冷”地之间的隔离。变压器的主线圈典型的传导非隔离的直流(DC)。不利的是在过载的情况下，在主线圈中的电流可能是过分大或可能损害如驱动变压器的功率晶体管。此外，变压器典型的是尺寸大(由于在其中的磁部件的尺寸)，体积大并且是贵重的设备。为避免使用专用电路元件，要求具有内在的短路保护电路的电源。
在实现本发明的特征中，稳压电源利用电容性元件将来自DC电源的输入电压转换为负载两端的指定输出电压电平。有利的，电容性元件能提供“热”地和“冷”地之间的隔离。
发明内容
实现本发明的电源包括电源电感器和耦合的第一电容器形成谐振电路，在电源的运行周期的第一部分，在谐振运行中产生谐振波形。电荷存储元件增强输出电压给负载以能量。整流器连接到电荷存储元件和谐振电路，在运行周期的第一部分结束期间，当谐振波形在整流器中产生了状态的第一改变时，响应谐振波形，输出电压施加回谐振电路中断谐振运行。第一传感器检测何时在整流器中出现状态的第一改变。电流源的源连接到整流器并在整流器中整流，在电源的运行周期的第二部分，产生耦合到电荷存储元件的整流的电流，以补充那里的电荷。在运行周期的第二部分，开关晶体管响应第一传感器的输出信号，使得电流源耦合到整流器。在运行周期的第一部分，使得电流源不能耦合到整流器。
附图说明
图1显示根据本发明实例的有电容性主隔离的电源；
图2a，2b，2c，2d，2e和2f显示与显示在图1中的电源的运行关联的波形；
图3a，3b和3c分别显示在图2a-2f的运行周期的三个分离的间隔时段，
图1的电源的三个等效电路；
图4显示使用发明的图1电源的特征的电源的运行和更多的细节；
图5a，5b和5c显示与显示在图4中的电源的运行关联的第一负载的波形；
图6a，6b和6c显示与显示在图4中的电源的运行关联的比第一负载更高的负载的波形；
图7说明显示在图4中的电源的效率的变化为输出功率的函数的例子的曲线图；
图8图表的说明用显示在图4中的电源获得对无线电频率(RFI)的抗扰性的方式。
具体实施方式
图1说明电源300，部分的以图例的形式，实现本发明有电容性主隔离的电源。例如，在没有示出的常规的桥式整流器中产生涉及“热”地导体50的输入电源电压Vin，而且与“热”地导体50是非隔离的。电压Vin通过供给电感器L1连接到由开关功率晶体管形成的开关S1的端点302，没有显示的由控制电路301控制开关高频。当开关S1导通时，端点302连接到地导体50。
当开关S1不导通时，端点302通过串联连接的第一隔离电容C1、第二隔离电容C2、连接在电容C1和C2之间的第二供给电感器L2和电流取样电阻器Rtrig2连接到地导体50。电流取样电阻器Rtrig2连接在电容C2和导体50之间。当开关S1不导通时，端点302通过串联连接的电容Ctrig和电流取样电阻器Rtrig1也连接到地导体50。电流取样电阻器Rtrig1连接在电容Ctrig和地导体50之间。整流二极管D1和滤波器电容C3形成跨接在电感器L2的串联结构，在电容C3上发展整流的输出电压Vout形成电荷存储元件。负载电阻RL与电容C3并联连接并由电压Vout供给能量。在电容C1和C2处于低频时，由高阻抗50隔离来自地导体50对电压Vout的电冲击的危险。
二极管D1的正极连接到电容C1和电感器L1之间的连接点303。与二极管D1的负极远离的电容C3的端点形成“冷”地导体51。关于“冷”地导体51的电压Vout与来自地导体50电冲击向隔离。远离二极管D1的电感器L2的端点和远离电阻器Rtrig2的电容C2的端点也是在“冷”地导体51的参考电位。
由于电容在电压Vin相对低的频率有高阻抗，电容C1和C2提供地隔离。然而，开关S1运行在相对高的频率时电容表现为低阻抗，这是在比电压Vin的频率更高的频率。开关S1响应来自控制电路3的控制信号62在端点302和50之间作选择性的开/关连接，启动/停止把输入电源电压Vin加到电感器L1。以这种方式，开关根据控制信号在给定的频率下周期的运行。电容C1和C2具有相对于此频率的低阻抗。例如，电容C1和C2有相对于开关S1在50KHz运行的低阻抗，同时在50Hz或60Hz的输入电压Vin提供高阻抗和隔离。电源300是自激振荡功率变换器，这是在最小开关损失下的最大能量转换最优化的。
电源300的运行循环或周期T区分为如在图2a-2f所显示的三个时间间隔T1，T2和T3，图1的电感器L1的值等于电感器L2值的两倍。在图1和图2a-2f中同样的符号和数字指示同样的功能和部件。图3a表示图1的电路在图2a-2f的间隔T1的等效电路。在图1，2a-2f和3a中同样的符号和数字指示同样的功能和部件。
在图2a-2f中的间隔T1中，图1的开关S1导通。如在后面描述的一样，电容C1和C2在图2a-2f的间隔T2充电。在截止图1的开关S1后，在图2a-2f中的间隔T1中，图2b的电流IL1线性上升，而且能量存储在图1的电感器L1中。同时，在图1的电感器L2与图1的电容C1和C2形成图3a的谐振电路305，在图1的电感器L2中图2d的电流IL2以谐振的方式成为负的正弦，前面存储在电容C1和C2中的能量以谐振的方式以电流I2的形式传递到电感器L2。
在图2a-2f的间隔T1末尾，图2e的电压V2等于图1的电压Vout，导致二极管D1导通。因此，在电容C1和C2中的电压之和箝位到电压Vout，电流I2陡峭的改变为零。那么，电容C1和C2放电到最大程度，在图1的电感器L2中电压和图2e的电压V2等于电压Vout。因此，在图2a-2f的间隔T2开始时，图1的二极管D1导通。因此，在图1的传感器电阻器Rtrig2两端的电压接近于零伏。当电阻器Rtrig2两端的电压变为零时，控制电路301通过信号62使开关S1截止。有利的，在二极管D1导通后立即导通开关S1，避免在图2a-2f的周期T的“死时间(dead time)”的可能性，“死时间”对通过电容C1和C2的通量没有贡献。
图3b表示图1的电路在图2a-2f的间隔T2的等效电路。在图1，2a-2f和3a中同样的符号和数字指示同样的功能和部件。在图2a-2f中的间隔T2中，图1的开关S1截止。因为电容C3有比其它电容高得多的值，导通的二极管D1和电容C3有效地形成可忽略的低阻抗。在间隔T2末尾，通过电感器L1充电电容C1和C2和Ctrig至T2结束，图2a的电压V1达到最大值，图2c的电流I2变为零。在此瞬间几乎所有存在于电路中的能量存储在电容C1和C2中。
图3c表示图1的电路在图2a-2f的随后间隔T3的等效电路。在图1，2a-2f和3c中同样的符号和数字指示同样的功能和部件。在图2a-2f中的间隔T3中，产生导通开关S1的触发信号。在图2a-2f中的间隔T3中，图1的电容C1和C2可以忽略，因为它们的电容有比电容Ctrig高得多的值。电容Ctrig与电感器L1和L2形成图3c的并行谐振电路304，并出现振荡的半周期。在间隔T3的末尾，电压V1达到它的最小值，并且电流IL2回到零。在间隔T3的末尾，图1的电流取样电阻器Rtrig1两端的电压极性从负改变为正。检测零交叉转换，并导致控制电路301导通开关S1。有利的，因为电压V1是在最小值，开关损耗是可忽略的。所有电容是部分的谐振网路，它阻止高dv/dt的存在，因此，保证了高的效率。
图4详细说明类似于图1的电源。在图1，2a-2f和3a-3c和4中同样的符号和数字指示同样的功能和部件。
图4的部件L1，L2，C1，C2，S1，D1和C3实现如图1同样的功能。为了变换电压Vout为低电平，抽头电感器L2。在主连接边，补充附加的线滤波器601，保证在主边和次边之间要求的隔离。因此，线滤波器电感器在运行频率下建立高的不均匀的衰减。使用晶体管开关S1的内在漏-源电容实现图1的电容Ctrig的功能。
在第一实例中，图4的电源400产生有115V AC输入电压的25W的输出功率。在第二实例中，图4的电源产生有230V AC输入电压的100W的输出功率。只是开关S1和电感器L2的抽头比率是不同的。由下面的公式给出由电源400变换的功率：P＝Vc1·(电容C1的值)·f，如果C2的值等于C1的值，Vc1是C1两端的电压，f是开关频率。
变换比率依赖于电感器L1和L2电感量的比率和间隔T3的时段。由提供有抽头401的电感器L2增加比率。变换器由功率振荡器401和脉冲模式控制器402组成。振荡器401运行在约f＝300kHz。当脉冲模式控制器402的比较器IC2检测额定的输出电压，由中断振荡器的功率通过光耦合器IC1和晶体管Q8截止振荡器401。在输出的较低的电压下再次导通振荡器401。那么电源运行在脉冲模式。脉冲之间的间隔随输入电压和负载变化。当振荡器连续导通时获得最大的功率输出。效率和输出功率之间的关系显示在图7中。
通过滤波器电容Cmains经由二极管D12和电容C7的充电电流产生控制电路的电源404，电容C7与电容Cmains形成电容性电压分压器。电路包括晶体管Q9，晶体管Q10和限制跨接在电容C7的电压为20V的参考电压二极管D11组成。
晶体管Q7，晶体管Q8，光耦合器IC1和比较器IC2的作用像振荡器401的电源的开/关转换开关，以便控制脉冲的周期。电阻器R10和二极管D10能初始化功率振荡器401的启动。由快速上升沿导通晶体管Q7和晶体管Q8，并经由晶体管Q3导通开关S1。在同样的上升沿导通晶体管Q6，但因为电容C5和电阻器R6的时间常数，在几微秒后晶体管Q6截止。这导通晶体管Q2并截止开关S1。使用此安排保证振荡器适当的启动。结果，启动了图2a-2f的间隔T2。
在开关S1的导通时段(相似于图2a-2f的间隔T1)，存储在电感器L1中的能量用正弦形的(相似于图2b的电流IL1)电流充电图4的电容C1和C2，这也通过图1的次级的整流器D1流动。
当开关S1变得不导通时，实现开关S1的晶体管内部的漏极-源极电容与串联连接的电容C1和C2并联连接，其漏极-源极电容作用像图1的电容Ctrig。当通过二极管D1的电流变为零时，包括电容Ctrig和电感器L1和L2的高频率的谐振电路运行在谐振方式。这相似于图2a-2f的间隔T3。在谐振振荡的半周期时段，通过图4的二极管D3，D4和D5流动的电流保持晶体管Q4和Q5截止。此电流一旦改变极性，晶体管Q4和Q5导通。因此晶体管Q2截止，晶体管开关S1经由晶体管Q3导通。晶体管Q4和Q5作用像电流传感器。由通过晶体管开关S1的电流，晶体管Q4保持导通。
当电容C1和C2中的能量传输到电感器L2中时，电感器L2两端的电压达到导致次级二极管D1开通的量级，并停止在电容C2中的电流。通过开关S1和电感器L1的电流流经二极管D6而不是通过电容C2导通晶体管Q2。因此，二极管D6和晶体管Q2形成截止晶体管开关S1的电流传感器。步骤如所描述的重复到脉冲模式控制器402截止振荡器401的电源。
图5a，5b和5c显示与图4所示的负载电阻RL等于7.5Ohm的电源的运行关联的波形，然而，图6a，6b和-6c显示与图4所示的负载电阻RL等于1Ohm形成的更高负载的电源的运行关联的波形。在图1，2a-2f和3a-3c，4，5a-5c和6a-6c中同样的符号和数字指示同样的功能和部件。
如果振荡器401连续的运行而且不是在脉冲模式，负载(没有显示)进一步增加作为故障情况的结果，输出电压将Vout下降。结果，图2a-2f的间隔T1增加，振荡器401频率降低，图6c的电压V1的电平将比图2a-2f的间隔T3开始前更低。在此方式中，传送能量的数量显著的降低是有利的。此趋向维持到达到短路的条件。因此，电路保护它自己过载。
图4的电源400也保证软启动。图2a-2f的间隔T1渐渐降低，同样地在输出电压Vout要求的电平达到前，增加频率和传送能量。如在图4和图8中所示的，提供线滤波器600的RFI抑制和安全。图4的滤波器电感器601在振荡器401的运行频率建立高均匀的衰减。20mH的电感器完成要求的衰减到50W。在实验中，观察到电容C1和C2相当大的温度增加。选择这些电容器的适当类型和构造是重要的。如果选择有负温度系数的电容器，提供一些固有的安全，因为传送功率的数量和温度随电容量下降。

Claims (11)

1. 一种电源，包括：
与第一电容器耦合的供给电感器，在电源的运行周期的第一部分，在谐振运行中形成产生谐振波形的第一谐振电路；
电荷存储元件，用于增强输出电压给负载以能量；
整流器，连接到电荷存储元件和第一谐振电路，响应谐振波形，在整流器中产生状态的第一改变，根据谐振波形，在运行周期的第一部分末尾时间，使得输出电压耦合回到第一谐振电路，并中断谐振运行；
第一传感器，检测何时在整流器中出现状态的第一改变；
电流源的源连接到整流器并在整流器中整流，产生整流的电流，在运行周期的第二部分，电流源的源连接到电荷存储元件补充那里的电荷；
开关晶体管，在整流器中出现状态的第一改变后，响应第一传感器的输出信号，耦合电流到整流器，在整流器中出现状态的第一改变前，源电流不连接到整流器。
2. 根据权利要求1所述的电源，其特征在于电荷存储元件包括输出电压的滤波器电容。
3. 根据权利要求1所述的电源，其特征在于整流器包括两个端点的半导体。
4. 根据权利要求1所述的电源，其特征在于第一电容器电容性地耦合源电流到整流器，其中，当在整流器中出现状态的第一改变时，整流器耦合输出电压回到第一电容器，并中断在第一电容器中流动的电流。
5. 根据权利要求4所述的电源，其特征在于第一传感器检测何时中断在第一电容器中流动的电流。
6. 根据权利要求1所述的电源，其特征在于在运行周期的第二部分，第一电容器电容性地耦合电流到整流器。
7. 根据权利要求1所述的电源，其特征在于还包括：
连接到开关晶体管和输入供应电压源的第二电感器，用于在第二电感器中存储电流；
在运行周期的第一部分，所述开关晶体管防止电感器电流耦合到整流器；
在运行周期的第二部分，开关晶体管使得第二电感器电流耦合到整流器。
8. 根据权利要求7所述的电源，其特征在于在运行周期的第二部分，第二电感器电流变化，其中，在运行周期的第二部分的末尾时间，整流器响应在第二电感器中电流的变化，据此产生在整流器中状态的第二改变，这是与状态的第一改变相反的。
9. 根据权利要求8所述的电源，其特征在于在整流器中状态的第二改变后，电容连接到至少第一和第二电感器中的一个，形成第二谐振电路，该谐振电路导致开关晶体管的一对主电流导电端点之间增强的第一电压以谐振的方式改变。
10. 根据权利要求9所述的电源，其特征在于还包括第二传感器，用于检测何时第一电压的谐振周期的第一部分箝位，其中，开关晶体管响应第二传感器的输出信号使晶体管导通，当在开关晶体管的一对主电流导电端点之间增强的第一电压低于当第一电压的谐振方式的变化开始时，在晶体管中状态改变时降低功率浪费。
11. 根据权利要求1所述的电源，其特征在于还包括产生源电流的输入电压源和第二电容器，其中，第二电容器和第一电容器在源电流的电流路径上连接，在低于运行周期频率的频率上，隔离负载与输入电压源。
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