CN101057387A - 具有低压元件的预调节器 - Google Patents

Abstract

一种预调节器电路，包括第一和第二预调节器模块(10，12)，每个预调节器模块具有输入(Vin1，Vin2)和输出(Vout1，Vout2)，输出(Vout1，Vout2)与相应的负载模块(14，16)耦合。每个预调节器模块(10，12)的输出(Vout1，Vout2)与另一预调节器模块(12，10)的输入(Vin2，Vin1)串联，使得依赖于原始电压(Vin)，获得负载模块(14，16)的任意串联或并联连接。这样，在预调节器模块(10，12)和负载模块(14，16)中可以使用低压元件，而不需要过渡配置。

Description

具有低压元件的预调节器

本发明通常涉及一种预调节器或DC-DC转换器，它使得应用可以在大范围的输入电压下操作。

电源是一种装置，用于将一组特性的可用功率转换成满足专用需要的另一组特性。电源的典型应用包括将原始的输入功率转换成受控的稳定电压和/或电流，用于电子设备的操作。

有时，电源是缓冲电路，从具有与负载不兼容的特性的主电源提供具有负载所需特性的功率，由此使负载与其电源兼容。该缓冲电路通常称为线性调节器或预调节器。

最简单的未稳压电源包括三个部分：变压器、整流器和电容器。这类电源是简单的，但是所得的输出电压不是很稳定(在输出中可能有明显纹波，且输出电压随着负载变化和主电压变化而变化)。中等功率应用，例如X射线发生器等，一般由三相公共设施网络供给，各相之间的典型供给电压大约为400V。三相交流(AC)线源通过三条引线有效供给，每个引线具有单相AC，与其它两相相差三分之一圆周(120°)，如附图的图1示意性示出。在这类应用中使用三相变压器，具有三组初级线圈和三组次级线圈，即实际上三个分离的高压互连变压器，且使用整流器网络以给出如附图的图2所示的整流输出。平滑电路，例如与负载并联的电容器，一般用于平滑输出波形。

在各相之间具有大约400V的供给电压的上述三相公共设施网络的情况，考虑所有可能的电压变化，导致整流的电压约在400-750V_DC之间变化。因此，必须对后续应用的功率元件进行设计，使得它们将承受该范围内的最大电压，并仍能以最小电压传递所需功率。然而，这排除了标准500V元件的使用，且还需要很多过度配置以在该范围的较低电压提供定额功率。

通常，为了克服这些问题中的一些问题，使用某种形式的预调节器将输入电压限制到适当范围，或是使输入电压升高到常量，从而消除后续电路中的过度配置的需求。参考附图的图3，典型的预调节器结构包括预调节器或DC-DC转换器模块100，与电源V_IN相连，产生用于主应用102的调整的输出电压V_OUT。一般地，出现在预调节器模块100的功率元件处的最大电压V_IN至少是任意两个端子之间的最大电压差。

已知很多不同类型的预调节器，它们一般是DC-DC转换器，用于逐步增加输入电压、逐步降低输入电压和/或使供给到主应用的电压维持在基本恒定的值。实际上，美国专利No.5,847,949描述了一种升压转换器，用于将在其输入接收的输入电压转换成在其第一和第二相应输出提供的第一和第二输出电压，供给到主应用的相应部分。

常规解决方案的主要缺点之一在于，尽管不再需要设计主应用102的元件来承受最大输出电压而在该范围的最小电压仍传递所需的功率，这种方式还必须设计预调节器模块100的元件以及进行过度配置。换句话说，预处理器模块100需要设计成在宽输入电压范围正确操作，和应用电路本身需要设计以承受全部输入电压范围的情况一样，这种情况也会遇到元件尺寸和成本方面的相同缺点。

我们现在设计了一种改进的结构，且本发明的目的是提供用于电学应用的预调节设备，使得该应用在相对宽的输入电压的范围操作而不需要专门设计该预调节设备或电学应用的元件来承受该范围中较高的输入电压且仍能以该范围中较低电压传送所需功率。

根据本发明，提供一种预调节器电路，具有输入端子，用于接收输入电压，所述预调节器用于根据负载调整用于应用的所述输入电压，该预调节器电路包括至少两个预调节器模块，每个预调节器模块都具有输入和与相应负载模块相连的输出，每个所述预调节器模块的输出与另一个所述预调节器模块的输入串联耦合，使得每个预调节器模块的输入依赖于与之耦合的预调节器模块的输出。

本发明扩展到包括如上所述的预调节器电路的电源模块。所述提议可以理解成，根据控制能够有效地实现从负载模块的串联连接到并联连接的逐步转变，这将在此处的说明书中显而易见。

有利的是，提供控制装置，用于控制每个预调节器模块的输出，并由此通过串联或并联一个或多个所述负载模块，控制与所述输出相连的预调节器模块的输入。换句话说，通过预调节器(和负载)模块的特殊连接，可以实现负载模块的任意串联或并联连接。这意味着，通过利用负载模块的完全串联连接，出现在任意功率元件处的最大电压可以减小到模块的最大值的1/2。同时，如果输入电压低，可以相应地配置负载模块的并联连接，这样可以避免过度配置。

本发明的一个示例性实施例中，每个所述预调节器模块包括切换装置，用于交替地切换相应的预调节器模块开和关，还提供控制电路，用于控制所述切换装置的占空比。该控制电路优选地配置成：使用相移180°(即，360°/2)的基本相同图形，切换每个预调节器模块的所述切换装置，这导致转换器的输入电流中纹波的减少以及高频元件上的压力减少。例如，预调节器模块可以包括升压转换器。

参考这里描述的实施例，本发明的这些和其它方案将显而易见并得到阐述。

现在，参考附图，仅以举例的方式描述本发明的实施例，附图中：

图1是三相电源的独立分量的示意图；

图2是三相整流电压的示意图；

图3是根据现有技术，关于电学应用的预调节器结构的示意性框图；

图4是根据本发明的示例性实施例，关于电学应用的预调节器结构的示意性框图；

图5的示意图描述了图4的预调节器结构的特殊实现；

图6示出了图5的电路中的电感器和电容器电流以及输入电流；以及

图7示出了图5的电路的输入和输出电压以及切换电压。

参考附图的图4，根据本发明的示意性实施例的典型预调节器结构包括DC源(由V_IN表示)，该电源之间连接有第一和第二预调节器模块(或DC-DC转换器)10、12，每个预调节器模块都具有相应的输入端子(分别由V_IN1和V_IN2表示)和输出端子(分别由V_OUT1和V_OUT2表示)。预调节器模块10、12的输出端子连接到第一和第二相应主应用14，16。如图所示，第一预调节器模块10的输出V_OUT1与第二预调节器模块12的输入串联，且第二预调节器模块12的输出V_OUT2与第一预调节器模块10的输入串联。进一步假设，第一预调节器模块10产生一个输出，其上部电压轨(voltage rail)的电势与输入电压的上部电压轨相同，而第二预调节器模块12产生一个输出，其下部电压轨的电势与输入电压的下部电压轨相同。

因此，相对于供给的输入V_IN，每个预调节器模块10，12的最大输入电压减小。具体而言，第一预调节器模块10的输入电压遵循下面的规则：

V_IN1＝V_IN-V_OUT2

且第二预调节器模块12的输入电压遵循下面的规则：

V_IN2＝V_IN-V_OUT1

取决于预调节器模块10，12的拓扑，可以判定每个预调节器模块的电压V_OUT的所得使用范围。例如，如果预调节器模块10，12包括上转换器，即，它的输入电压总是小于它的输出电压，则可以为每个预调节器模块获得下面的范围V_OUT：

0＜V_IN1/2＝V_IN-V_OUT＜V_OUT＝＞V_IN/2＜V_OUT＜V_IN

换句话说，如果相应V_IN太高但不小于V_IN/2，通过控制，可以减少每个上转换器的V_OUT。

参考附图的图5，示出了图4所示结构的实际电路实施。在图5的电路的情况下，主应用14、16(即负载)考虑成简单的电阻器，且预调节器模块10、12属于上转换器类型以提供上述输出电压。

上转换器(或升压转换器)的基本元件包括电感器、晶体管(即开关)和二极管。这样图5的电路中，预调节器模块1包括与电阻器14并联的电容器C1。通过n沟道IGFET(绝缘栅场效应晶体管)Q1提供开关，还为之提供二极管D1。类似地，预调节器模块2包括电容器C2、电阻器16、开关Q2以及二极管D2。节点A和X之间呈现V_IN1，且节点B和Y之间呈现V_IN2，且如图所示，V_OUT1和V_OUT2分别落在负载14、16上。

提供控制电路(未示出)以控制晶体管Q1、Q2的切换，由此通过功率晶体管Q1、Q2的占空比实现预调节器模块的控制。一个优选实施例中，晶体管Q1、Q2使用相移180°的图形切换，这导致每个转换器的输入电流中纹波的减少以及滤波电容器上压力的减少。

通过先看一看两个极端情况可以获得电路功能的理解。第一极端情况下，考虑两个功率晶体管Q1、Q2总是截止的。在这种情况下，电源电流首先流经负载电阻器14。然后分成两部分，一部分流过二极管D1和电感器L1，另一部分流过电感器L2和二极管D2。D2和L1的连接处两部分再次汇合，此后电流经过负载电阻器16流向接地。实际上，负载模块现在串联，意味着每个负载模块接纳输入电压V_IN的一半。

第二极端情况中，两个功率晶体管总是导通的。在这种情况下，负载电阻器14通过电感器L2和晶体管Q2与地相连。对于平均电流，电感器L1保持无效。负载电阻器16通过电感器L1和晶体管Q1与高端供给电压相连，两个负载电阻器并联，意味着每个负载模块接纳全部的输入电压。

通过在这两个边界情况之间调整两个功率晶体管的占空比，可以获得两个负载模块的可调节供给电压V_IN1、V_IN2，它们为输入电压V_IN的50％～100％。

从图5所示的电路显而易见，和图4所述的结构一样：

V_IN1＝V_IN-V_OUT2且

V_IN2＝V_IN-V_OUT1

图6示出了一个电感器中的典型电流波形I_L和滤波电容器中的典型电流波形I_C，以及输入处的I_IN，且图7阐述相应的电压V_IN和V_OUT，以及切换电压V_Q。可以看出，即使在较高的输入电压，功率开关处(Q1或Q2)的电压仅为400V。

这样，本发明具有这样的事实优势：很多应用可以分割成两个相同的子模块，且这通过使用预调节器模块完成。通过预调节器和负载模块的特殊设计，可以获得模块的任意串联和并联连接。这意味着，通过实现负载模块的完全串联，任意功率元件处出现的最大电压可以减小到等于输入电压的一半的最大值。这使得，当考虑800V的最大输入电压时，能够使用500V(以及理论上甚至400V)的元件。同时，当输入电压低时，模块的滑动结构允许并联连接。因此，可以使用低压元件，且同时可以避免过度配置。

本发明在使用X射线发生器的应用中是尤其有用的，因为这些(应用)一般由弱的三相公共设施网络供电，其中涉及大的输入电压范围。本发明的结构允许在整个发生器中(除了输入整流器之外)使用500V的元件。这减少了成本并保持低损耗。其它潜在的应用包括通信电源，它也具有高度并行化(parallelization)，需要覆盖很大的输入电压范围。

应当理解，上述实施例阐述而非限制本发明，且本领域技术人员应当能够设计很多备选实施例而不偏离所附权利要求限定的本发明的范围。各权利要求中，圆括号内的任何参考符号不应理解成是对权利要求书的限制。动词“包括”及其变形并不排除存在任意权利要求以及说明书作为整体所陈述的元件或步骤之外的元件或步骤。对元件的单数引用不排除对该元件的多次引用，反之亦然。本发明可以借助包含若干独立单元的硬件和适于编程的计算机实现。在枚举若干装置的设备权利要求中，这些装置中的若干个可由硬件的一个和同一单元实现。在互不相同的从属权利要求中陈述特殊措施的这一纯粹事实并不说明这些措施的组合使用就不具有优越性。

Claims (7)

1.一种预调节器电路，具有输入端子，用于接收输入电压(Vin)，所述预调节器用于根据负载为应用调节所述输入电压(Vin)，该预调节器电路包括至少两个预调节器模块(10，12)，每个预调节器模块都具有输入(Vin1，Vin2)以及连接到相应负载模块(14，16)的输出(Vout1，Vout2)，每个所述预调节器模块(10，12)的输出与另一所述预调节器模块(10，12)的输入串联耦合，使得每个预调节器模块(10，12)的输入依赖于与之耦合的预调节器模块的输出(Vout1，Vout2)。

2.根据权利要求1的电路，包括这样的装置，使得通过连接串联和/或并联的一个或多个所述负载模块(14，16)，控制每个预调节模块(10，12)的输出(Vout2，Vout1)以及与所述输出(Vout2，Vout1)相连的预调节器模块(12，10)的输入(Vin1，Vin2)。

3.根据权利要求1的电路，其中每个所述预调节器模块(10，12)包括切换装置(Q1，Q2)，用于交替地切换相应预调节器模块(10，12)开和关，并提供控制电路，用于控制所述切换装置(Q1，Q2)的占空比。

4.根据权利要求3的电路，其中控制电路使用相移的基本相同图形切换每个预调节器模块(10，12)的所述切换装置(Q1，Q2)。

5.根据权利要求4的电路，其中所述相移基本是180°。

6.根据权利要求1的电路，其中所述预调节器模块(10，12)包括升压转换器。

7.一种电源模块，包括根据权利要求1的预调节器电路。

Images