CN101431296A - 可变输出电压功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在包括至少一个DC－DC变换器的功率变换器中至少生成第一电压和第二电压的方法。该方法包括使该DC－DC变换器作为全桥变换器工作以生成第一电压，和使该DC－DC变换器作为半桥变换器工作以生成第二电压。还公开了一种电源，该电源包括可选择性地配置为全桥变换器以提供第一DC电压和半桥变换器以生成第二DC电压的DC－DC变换器和用于这种配置的控制器电路。

Description

可变输出电压功率变换器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年9月28日提交的美国临时申请No.60/976,154的优先权。上述申请的全部公开内容结合在本文中作为参考。
技术领域
本公开涉及可变输出电压功率变换器。
背景技术
该部分提供与本公开相关的但不一定构成现有技术的背景技术信息。
电源通常提供与输入该电源的电压的特性不同的输出电压。许多类型的电源具有不同的特性、益处、功效和不足。可变输出电压电源可操作以从单一电源单元提供至少两种不同的输出电压。已知实现这种可变输出电压的各种方法。
图1是已知的可变电压电源，用附图标记100一般性地表示。电源100包括预调节器电路102和全桥谐振变换器104。该预调节器电路为降压(buck)变换器。降压变换器和全桥谐振变换器的操作细节对本领域技术人员来说是公知的，在此将不再赘述。在操作中，预调节器电路102接收电压输入Vin并生成中间电压Vint。该中间电压Vint被输入至全桥谐振变换器104并产生输出电压Vout。
全桥变换器104以接近百分之五十的固定占空比和固定频率工作。各个开关Q1-Q4接收具有基本恒定的占空比和基本恒定的频率的脉宽调制(PWM)信号。变压器108的匝数比是固定的。由于全桥变换器的占空比是固定的且变压器匝数比是固定的，所以输出电压与中间电压Vint的关系是固定的。因此，通过改变从预调节器电路102输出并输入至全桥变换器104的中间电压Vint的值，诸如从300伏改变到150伏，来改变输出电压Vout。
通常使用如图1所示的可变电压电源来产生两个不同的电压。通常这些电压具有2:1的关系。作为例子，假定电源100用于产生12伏和6伏的输出电压Vout，且具有25:1的变压器匝数比。为了生成12伏的输出，中间电压Vint为300伏。当输出电压Vout从12伏变为6伏且电源100的电流输出保持不变时，中间电压Vint必须减半，即，减至150伏。然而，预调节器电路102输出的电流将保持不变。
预调节器102中的损耗在很大程度上基于输出的电流。当预调节器102和全桥104中的电流不受输出电压的影响而保持不变时，损耗的大小基本保持不变。例如，典型的降压变换器的效率可为98.5％。对于1200瓦的变换器，即，电流为100安时电压为12伏，预调节器102中的电流约为4安且损耗约为18瓦。当期望得到6伏输出时，来自预调节器102的中间电压Vint在电流为4安时约为150伏。功率输出从1200瓦显著下降到600瓦。该恒定的功率损耗与减小的功率输出共同导致效率降低。从而，在600瓦时，恒定的18瓦的损耗导致效率变为约97％。
发明内容
该部分对本公开进行一般性的概括，并不构成本发明的完整保护范围或其全部特征的全面公开。
根据本公开的一个实施例，可变输出电压DC-DC电源包括DC-DC变换器，该DC-DC变换器可选择性地配置为用于从该DC-DC变换器输出第一DC电压的全桥变换器和用于从该DC-DC变换器输出第二DC电压的半桥变换器。
根据另一方面，公开了一种在包含至少一个DC-DC变换器的功率变换器中至少生成第一电压和第二电压的方法。该方法包括使该DC-DC变换器作为全桥变换器工作以生成第一电压，并使该DC-DC变换器作为半桥变换器工作以生成第二电压。
根据再一方面，一种可变输出电压电源包括具有多个开关的谐振变换器，该谐振变换器可选择性地配置为用于提供第一电压至负载的全桥变换器和用于提供第二电压至负载的半桥变换器。该电源还包括用于提供调节电压至该谐振变换器的预调节器电路。该预调节器电路包括至少一个开关。该电源进一步包括控制器，该控制器根据谐振变换器的输出电压来控制该至少一个开关的占空比。
在阅读本文提供的描述后将会清楚本发明的其他应用领域。该发明内容部分中的描述和具体实例仅用于说明目的，而不应当限制本发明的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于对所选实施例进行说明的目的，而不是说明所有可能的实施例，并且该说明不应限制本公开的范围。
图1为包括降压预调节器电路和全桥DC-DC变换器的已知的可变电压电源的电路图。
图2为根据一个示例实施例的可变电压电源的电路图，该电源包括降压预调节器和可配置为半桥或全桥变换器的DC-DC变换器，在该图中其被配置成半桥变换器。
图3为根据一个示例实施例的包括降压预调节器和可配置为半桥或全桥变换器的DC-DC变换器的另一可变电压电源的电路图。
图4为用于将图2的DC-DC变换器配置为半桥或全桥变换器的示例电路的电路图。
图5为用于将图3的DC-DC变换器配置为半桥或全桥变换器的另一示例电路的原理图。
图6为根据一个示例实施例的包括升压预调节器和可配置为半桥或全桥变换器的DC-DC变换器的可变电压电源的电路图。
图7为根据一个示例实施例的包括降压-升压预调节器和可配置为半桥或全桥变换器的DC-DC变换器的可变电压电源的电路图。
图8为根据一个示例实施例的包括降压预调节器和可配置为半桥或全桥变换器的谐振DC-DC变换器的另一可变电压电源的电路图。
图9为根据一个示例实施例的包括降压预调节器和可配置为半桥或全桥变换器的硬开关DC-DC变换器的另一可变电压电源的电路图。
图10为用于将图8或9的DC-DC变换器配置为半桥或全桥变换器的一个示例电路的电路图。
具体实施方式
现将参考附图对示例实施例进行充分的描述。
提供示例实施例是为了使本公开变得全面，并使本领域的技术人员完全领会本发明的保护范围。为了使读者彻底理解本公开的实施例，本文阐述了很多特定细节，例如特定部件、设备和方法的例子。本领域技术人员将会理解，不需要采用这些特定细节，这些示例实施例可以以多种不同的形式来实施，并且也不应将这些实施例解释为对本公开的范围的限制。在一些示例实施例中，对于公知的处理、公知的设备结构和公知的技术将不再赘述。
本文所使用的术语仅用于对具体示例实施例进行描述，而不意在进行限制。本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文中以其他方式明确指明。术语“包括”、“包含”和“具有”是开放式的包括，因此表明所说的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们构成的组的存在或增加。本文所描述的方法步骤、处理和操作不应解释为必需以所讨论的或所示的特定顺序进行操作，除非特别指定作为操作的顺序以外。还应当理解，还可以采用附加的步骤或者可替代的步骤。
当提及某一元件或层位于另一元件或层“上”，“啮合至”，“连接至”或“耦合至”另一部件或层时，则可以是直接位于另一部件或层上，直接啮合至、连接至或耦合至另一部件或层，也可以存在中介元件或层。反之，当提及某一元件“直接”在另一部件或层“上”，“直接啮合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一元件或层时，则不存在中介元件或层。其它用于描述元件之间关系的词语应按类似方式进行解释(例如，“位于二者之间”与“直接位于二者之间”，“邻近”与“直接邻近”等)。本文中所使用的术语“和/或”包括所列出的相关项目中的一个或多个的任意或全部组合。
根据本公开的一个方面，公开了一种在具有至少一个DC-DC变换器的功率变换器中至少生成第一电压和第二电压的方法。该方法包括使该DC-DC变换器作为全桥变换器工作以生成第一电压，使该DC-DC变换器作为半桥变换器工作以生成第二电压。
在一些实施例中，当该DC-DC变换器作为全桥和半桥变换器工作时，它以基本恒定的占空比工作。如果该DC-DC变换器的输入电压基本维持恒定，则当该DC-DC变换器被配置为半桥变换器时，生成的电压约为其被配置为全桥变换器时所生成电压的一半。
下面将更加详细地描述能够执行上述方法的示例性功率变换器。然而，应当理解，在不脱离本公开保护范围的情况下也可以采用其它功率变换器。
图2示出了根据本公开的一个例子的可变电压电源200。该功率变换器200包括预调节器电路202和DC/DC变换器204。该预调节器电路202是降压变换器。预调节器电路202从电压源接收输入电压输入Vin并生成中间电压Vint。预调节器由控制器206进行控制，控制器206可以是模拟控制器、数字控制器或二者的组合。当该控制器为数字控制器时，其可以是，例如，微处理器、DSP、ASIC等。当预调节器电路202是降压变换器时，如图2中所示，中间电压Vint将小于预调节器电路的输入电压Vin。中间电压被输入至变换器204并生成输出电压Vout。变压器212的匝数比是固定的。变换器204由控制器操作，具有接近百分之五十的固定占空比和基本固定的频率。该控制器可以是模拟控制器、数字控制器或二者的组合。用于操作变换器204的控制器可以是控制器206或单独的控制器。
可以通过选择性地将变换器204配置为全桥变换器或半桥变换器来改变电源200的输出电压Vout。变换器204包括四个开关Q1-Q4。在全桥配置中，全部4个开关Q1-Q4以本领域技术人员已知的全桥变换器的方式工作。图2中所示的电源200为半桥配置。当开关Q4维持断开时开关Q3被短路。开关Q1和Q2作为半桥变换器的两个开关进行操作。半桥变换器的操作对本领域技术人员来说是公知的，因此这里将再详细描述。
尽管本公开的各个附图中的开关被示出为MOSFET，但应当理解，在不背离本公开范围的情况下也可以使用其它类型的开关。
当将变换器204配置成作为全桥变换器工作时，输出电压Vout为由变压器212的匝数比分压后的中间电压Vint。当将该变换器配置成作为半桥变换器工作时，输出电压Vout为由两倍的变压器212匝数比所分压后的中间电压Vint。如果中间电压Vint和匝数比基本上是固定的，则半桥配置中的输出电压Vout约为全桥配置输出电压Vout的一半。
尽管在全桥配置和半桥配置中的中间电压Vint基本上维持不变，但来自预调节器202的电流输出并非如此。在半桥配置中，来自预调节器202的电流输出约为全桥配置的预调节器电流的一半。由于预调节器202中的损耗在很大程度上取决于，和正比于，预调节器输出电流202，所以当变换器204被配置为半桥变换器时预调节器202的操作损耗较小。因此，这可以得到比其它可变输出电压变换器更高的效率。
一个示例功率变换器200可提供100安培下的12伏和6伏变换器输出。变压器212的匝数比为25:1。中间电压Vint为300伏。如上所述，典型的降压变换器可以具有98.5％的效率。这样，当将变换器204设置为作为全桥变换器工作时，预调节器202中的电流约为4安且损耗约为18瓦。当期望6伏的输出时，变换器204被配置为半桥。预调节器202继续输出300伏的中间电压Vint。然而，预调节器的输出电流为2安培。这样，预调节器202工作在当变换器204被配置为全桥变换器时的电流负载的一半。一半负载下的典型降压变换器的效率可达到约99％。
图3示出了另一示例可变电压电源300。该电源包括DC-DC变换器304。变换器304包括四个开关Q1-Q4。变换器304按上面关于图2中的电路讨论的那样工作。然而，电源300还包括耦合在开关Q3两端的电磁继电器322，该电磁继电器322可由控制电路324断开和闭合以将开关Q3短路。与图2中电路相类似，当变换器304被配置为半桥变换器时，控制电路324使继电器322闭合并短路开关Q3，而开关Q4维持断开。继电器322比开关Q3效率更高。因此，通过继电器322使开关Q3周围短路比图2的电路更能够提高变换器304的效率。
图8和9示出了两个另外的示例可变电压电源800和900。电源800包括预调节器电路802和DC-DC变换器804。变换器304包括四个开关Q1-Q4。变换器804以类似于图2中电路的方式工作。但是，电源800包括电磁继电器822，该电磁继电器822可由控制电路824控制以在两个位置A和B之间切换。当继电器822位于位置A时，变换器804作为谐振全桥变换器工作。当继电器822位于位置B时，变换器804作为谐振半桥变换器工作。除了变换器904不是谐振变换器之外，电源900与电源800类似。更具体地说，变换器904是开环、硬开关变换器。
图4示出了用于将变换器，如变换器204，选择性地配置为全桥变换器或半桥变换器的控制电路424的实例的一部分。控制电路424包括输出电压选择开关426。当该电压选择开关426连接至第一电压位置430时，该电路使继电器触点432位于第一继电器位置434。由控制器提供的用于开关Q3和Q4的驱动脉冲在驱动输入438处被接收，并被允许通过驱动变压器440到达开关Q3和Q4。这样，变换器204将作为包含四个开关Q1-Q4的全桥变换器工作。控制电路424还包括锁存器442，当电源200工作时，该锁存器442阻止变换器从全桥变为半桥，或反之亦然。
当输出电压选择开关426连接至第二电压位置428时，控制电路424使变换器204配置为半桥功率变换器。将电压选择开关426放置在第二电压位置428会激活开关Q5-Q7。继电器触点432移动至第二位置436。结果，开关Q3将持续保持激活，即，持续闭合，而开关Q4将持续保持断开。这导致变换器204被配置为图2所示的半桥变换器。
图5示出了用于将变换器，如变换器304，选择性地配置为全桥变换器或半桥变换器的另一控制电路524的一部分。控制电路524包括输出电压选择开关526。当该电压选择开关连接至第一电压位置530时，该电路使继电器522断开。由控制器提供的用于开关Q3和Q4的驱动脉冲在驱动输入538处被接收，并被允许通过驱动变压器540到达开关Q3和Q4。这样，变换器304将作为包含四个开关Q1-Q4的全桥变换器工作。控制电路524还包括锁存器542，当功率变换器304工作时，该锁存器542阻止变换器从全桥变为半桥，或反之亦然。
当输出电压选择开关526被连接至第二电压位置528时，控制电路524将功率变换器304配置为半桥功率变换器。将电压选择开关放置在第二电压位置会激活开关Q5-Q7。这使得继电器522闭合，而开关Q4保持持续断开。继电器522的闭合在开关Q3周围引起短路。这导致变换器304被配置为半桥变换器。
图10示出了用于将变换器，如变换器804和904，选择性地配置为全桥变换器或半桥变换器的又一控制电路1024的一部分。控制电路1024包括输出电压选择开关1026。当该电压选择开关连接至第一电压位置1030时，该电路使继电器1022保持在位置A。由控制器所提供的用于开关Q3和Q4的驱动脉冲在驱动输入1038处被接收，并被允许通过驱动变压器1040到达开关Q3和Q4。这样，变换器804或904将作为包含四个开关Q1-Q4的全桥变换器工作。控制电路1024还包括锁存器1042，当功率变换器804或904工作时，该锁存器1042阻止变换器从全桥变为半桥，或反之亦然。
当该输出电压选择开关1026连接至第二电压位置1028时，控制电路1024将功率变换器804或904配置为半桥功率变换器。将电压选择开关置于第二电压位置会激活开关Q5-Q7。这使得继电器1022移动至位置B。这导致变换器804或904被配置为半桥变换器。
尽管在前述实施例中所示出的预调节器电路为降压变换器，但本公开同样可用于不同的变换器拓扑。图6示出了包含预调节器电路602的示例电源600，其中该预调节器电路602为升压变换器。由该升压预调节器电路所产生的中间电压Vint将大于该升压预调节器电路的输入电压Vin。类似地，图7示出了包含预调节器电路702的电源700，其中该预调节器电路702是降压-升压变换器。根据驱动该降压-升压预调节器的控制信号，由该降压-升压预调节器电路产生的中间电压Vint可以大于、小于或等于输入电压Vin。降压变换器、升压变换器和降压-升压变换器对于本领域技术人员来说是公知的，为了简便起见省去了这种变换器的工作细节。电源600和700的其它部分以本公开中前面所述的方式工作。因此省略了对这些操作细节的再一次重复描述。开关S1和S2仅用于示例目的，而并不是实际包括在电源600或700中。
前述对实施例的描述仅用于例示和描述的目的。并不意在穷举或对本发明进行限制。特定实施例的单独元件或特征一般不限于该特定实施例，但是，在可应用的情况下，它们可以互换并可用在选定的实施例中，即使没有具体示出或描述这样的实施方式。同一部件可以有多种变化方式。这种变化不应视为偏离了本发明，所有这种修改都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (24)

1.一种可变输出电压DC-DC电源，该电源包括DC-DC变换器，该DC-DC变换器可选择性地配置为用于从该DC-DC变换器输出第一DC电压的全桥变换器和用于从该DC-DC变换器输出第二DC电压的半桥变换器。
2.如权利要求1所述的电源，其中，所述DC-DC变换器是谐振变换器。
3.如权利要求2所述的电源，其中，所述第二DC电压约为所述第一DC电压的一半。
4.如权利要求3所述的电源，其中，所述第一DC电压约为12伏，所述第二DC电压约为6伏。
5.如权利要求1所述的电源，其中，所述DC-DC变换器被配置为以基本恒定的占空比在开环回路中工作。
6.如权利要求1所述的电源，其中，所述DC-DC变换器包括可选择性地配置为用在所述全桥变换器中的四个MOSFET开关。
7.如权利要求6所述的电源，其中，所述DC-DC变换器被配置为，当所述DC-DC变换器被选择性地配置为半桥变换器时，维持所述MOSFET开关之中的一个开关闭合，并维持所述MOSFET开关中的另一个开关断开。
8.如权利要求1所述的电源，其中，所述DC-DC变换器包括多个MOSFET开关和至少一个继电器，所述至少一个继电器在所述DC-DC变换器被选择性地配置为半桥变换器时将所述MOSFET开关之中的一个开关短路。
9.如权利要求8所述的电源，其中，所述继电器为电磁继电器。
10.如权利要求1所述的电源，进一步包括用于提供调节电压给所述DC-DC变换器的输入的预调节器电路。
11.如权利要求10所述的电源，其中，所述预调节器电路是降压变换器。
12.如权利要求10所述的电源，进一步包括控制器，该控制器被配置为根据所述DC-DC变换器的输出电压，来控制由所述预调节器电路提供的调节电压。
13.如权利要求1所述的电源，进一步包括用于选择性地将所述DC-DC变换器配置为全桥变换器和半桥变换器中的一个的开关。
14.如权利要求1所述的电源，其中，所述DC-DC变换器是硬开关变换器。
15.一种在包括至少一个DC-DC变换器的功率变换器中至少生成第一电压和第二电压的方法，该方法包括：
使所述DC-DC变换器作为全桥变换器工作，以生成所述第一电压；和
使所述DC-DC变换器作为半桥变换器工作，以生成所述第二电压。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括在改变所述DC-DC变换器的工作前使所述DC-DC变换器断电。
17.如权利要求15所述的方法，其中，使所述DC-DC变换器工作包括使所述DC-DC变换器以基本恒定的占空比工作。
18.如权利要求15所述的方法，其中，使所述DC-DC变换器工作包括接收输入至所述DC-DC变换器的基本恒定的电压。
19.一种可变输出电压电源，包括：
具有多个开关的变换器，该变换器可选择性地配置为用于向负载提供第一输出电压的全桥变换器和用于向负载提供第二输出电压的半桥变换器，
预调节器电路，其用于提供调节电压给所述变换器，该预调节器电路包括至少一个开关；和
控制器，其根据所述变换器的输出电压来控制所述至少一个开关的占空比。
20.如权利要求19所述的电源，其中，所述变换器为谐振变换器。
21.如权利要求19所述的电源，其中，所述变换器为硬开关变换器。
22.如权利要求19所述的电源，其中，所述变换器被配置成在开环回路中工作。
23.如权利要求22所述的电源，其中，所述预调节器电路是降压变换器。
24.如权利要求23所述的电源，其中，当所述多个开关被配置为全桥变换器时提供给所述变换器的所述调节电压与当所述多个开关被配置为半桥变换器时提供给所述变换器的所述调节电压基本相同。
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