CN101904082A - 电绝缘的ac/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种AC/DC转换器，包括在其输入端的整流电路(2)，该整流器电路(2)与隔离变压器(6)的初级绕组(5)串联连接并且与连接至脉宽调制控制电路(10)的断流开关(T1)连接，该隔离变压器包括方向与初级绕组相同且经由二极管(D4)连接至转换器的输出线(8)的第一次级绕组(7)，该输出线连接至输出电容器(Cout)，特征在于隔离变压器包括方向与所述初级绕组相反且经由二极管(D2)连接至输出线的第二次级绕组(9)。

Description

电绝缘的AC/DC转换器
本发明涉及电隔离的交流/直流(AC/DC)转换器，例如，适用于飞机的配电网络。
发明背景
在飞机中，由飞机引擎驱动的交流发电机供电。交流发电机传送交流电压，该交流电压被转换成DC电压以供飞机中的机载电气设备使用。
在其最简单版本中，借助于具有连接至交流发电机的初级绕组和连接至与滤波电容器相关联的整流桥的次级绕组的变压器进行转换。来自整流桥的输出电压是全波整流的正弦波，且电流消耗遭受高级别畸变，这引起了变压器和交流发电机的效率下降、导体发热和引起干扰的高频电磁辐射。
补救该缺点的一种方式是提供与变压器的初级电路串联的滤波。然而，当交流电压的频率可变时该选择是不适合的，正如对于由喷气涡轮驱动的交流发电机所发生的那样，对于喷气涡轮，频率大约在360Hz(赫兹)至800Hz的范围上变化。
还已知利用功率因数校正器(PFC)电路通过强制电路消耗遵循与输入电压的波形相同的波形——即全波整流正弦波——来减少畸变。存在各种不同结构的PFC。
在“升压”类型结构中，电路不具有电隔离，这使得需要将电路与提供该功能的DC/AC转换器相关联。该组件提供相对低的总效率和高的体积和重量水平。
在所谓的“反激(flyback)”类型结构中，电路包括初级和次级绕组沿相反方向绕制的隔离变压器。这种类型的PFC电路的操作周期性地导致大量能量存储在变压器的磁芯中。因此需要将大变压器用于高功率，由此增加电路的重量和体积。
在所谓的“前向”类型的结构中，电路也包括隔离变压器，但初级和次级绕组沿相同方向绕制。在这种类型的电路中，不可能在全部所得正弦波上使用电流，因此消耗波形与输入电压相同的电流。
发明目的
本发明的目的是提出一种具有改进性能的转换器结构。
发明内容
为此，本发明提供一种AC/DC转换器，包括在其输入端的整流器电路，该整流器电路与隔离变压器的初级绕组串联连接并且与连接至脉宽调制控制电路的断流开关连接，该隔离变压器具有沿与初级绕组相同方向绕制且经由二极管和滤波器线圈连接至转换器的输出线的第一次级绕组，该输出线连接至输出电容器，该隔离变压器包括沿与初级绕组相反方向绕制且经由二极管直接连接至输出线的第二次级绕组。
因此，对于高电压的介质，能量经由第一次级绕组、二极管和滤波器线圈传送至输出端。这使得能够传递高功率。相反，当电压低时，当断流开关导通时，可将存储在变压器的磁芯中的能量经由第二次级绕组和相关联的二极管传送至输出电容器。第二次级绕组因此使得存储在磁芯中的能量能传送到输出端因此避免浪费能量。还有可能在电压低时(正弦波的低振幅部分)确保在输出端使用的能量消耗。此外，当断流开关导通时芯中存在的剩余磁通激发第二次级绕组，将相应的能量传送至输出端，从而在断流开关导通时使浪涌的出现最小化，这种浪涌具有损坏断流开关的风险。因此单个转换器级就能够实现电隔离，并且由于相对高的效率，还以特别简单、可靠和有效的方式提供PFC功能。
根据特定的特性，该转换器包括储备的能量源，包括隔离变压器的第三次级绕组，该第三次级绕组沿与初级绕组相同方向绕制且首先连接至滤波器线圈和能量存储电容器，其次经由功率开关连接至输出线，由放电控制电路随能量存储电容器中的电荷水平的变化来控制该功率开关。
因此，储备能量源结合在该转换器电路中，而没有过度地增加其重量和尺寸，且使其效率的退化最小。
在阅读以下本发明的特定、非限制性实施例的描述时会发现本发明的其它特征和优点。
附图说明
仅对唯一的附图进行参考，该图是根据本发明的转换器的电路示意图。
发明的详细描述
参照附图，根据本发明的转换器连接至AC配电网络，且在其输出侧连接至至少一件DC供电的电子设备。
转换器在其输入端包括滤波器电路1，实质上已知它连接至整流器电路2。同样实质上已知整流器电路2，并且在该示例中由二极管电桥构成，该二极管电桥具有连接至滤波器电路1的输入端子、连接至电流测量分流器3的第一输出端子、以及首先连接至分压器电桥4其次连接至与断流开关T1串联连接的隔离变压器6的初级绕组5的第二输出端子。断流开关T1是诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的功率晶体管。如下所述，断流开关T1连接至控制电路，或者更精确地是连接至断流控制电路10。
隔离变压器6具有沿与初级绕组5相同方向绕制且经由二极管D3和滤波器线圈L1(合称为电感器)与转换器的输出线8串联连接的第一次级绕组7。续流二极管D6以已知方式使滤波器线圈L1接地，以便在二极管D3不导电(由滤波器线圈L1传送的能量)时提供电流连续性。
隔离变压器6具有沿与初级绕组5相反方向绕制且经由二极管D2直接连接至输出线8(即线圈L1的下游)的第二次级绕组9。
隔离变压器6具有沿与初级绕组5相同方向绕制且经由二极管D4连接至以下元件的第三次级绕组11：
·输出线8；
·耦合至滤波器线圈L1且与能量存储电容器Cres串联连接的滤波器线圈L2；以及
·由放电控制电路12随能量存储电容器Cres中的电荷水平变化而控制的放电开关T2。
能量存储电容器Cres是电容值非常高约为几百法拉数量级的超级电容器。随发生电源中断事件中期望可使用的能量的量的变化来确定能量存储电容器的电容值和数量。
放电开关T2与断流开关T1的类型相同。
输出线8还连接至输出电容器Cout和分压电桥13。
断流控制电路10是脉宽调制器控制电路，将其配置成随作为转换器输入端上消耗的电流的反映的电压和其振幅取决于转换器的输出电压与基准电压之间的误差电压的全波整流正弦波形式的信号之间的比较的变化来控制断流开关T1。
断流控制电路10包括比较器14，该比较器14具有的一个输入端连接至与输出线8相连接的分压器电桥13，另一个输入端连接至基准电压源Vref1。比较器14具有的输出端经由隔离器构件15(此处是光电耦合器)连接至乘法器16的第一输入端，该乘法器16具有的第二输入端连接至分压器电桥4。乘法器16具有的输出端连接至迟滞比较器17的第一输入端，且该迟滞比较器17的第二输入端经由反相器18连接至测量分流器3，以便接收作为所消耗电流的反映的电压，该迟滞比较器17的输出端经由时延19连接至断流开关T1的控制输入端(栅极)。
放电控制电路12具有：
·经由反相器20连接至比较器21的输出端的输入端，该比较器21具有第一输入端和第二输入端，该第一输入端连接至分压器电桥4以接收表示来自整流器电路2的输出电压的电压，该第二输入端连接至基准电压源Vref2，以向放电控制电路12提供在整流器电路12的输出端存在的电压和基准电压Vref2之间的误差电压(目的是检测电源网络的失效)；
·连接至滤波器线圈L2和能量存储电容器Cres的输入端(用于测量储备的电压)；
·连接至分压器电桥13的输入端(用于测量输出电压)；
·经由反相器和隔离器构件22(与光电耦合器相关联的反相器)连接至时延19的输出(在断流开关T1导电时防止放电开关T2工作)的输入端；以及
·连接至放电开关T2的控制输入端(栅极)的输出端。
以下描述根据本发明的转换器的操作。
在所描述的示例中，隔离变压器6具有1.5的变压比。
转换器的原理包括向断流开关T1施加脉宽调制控制以便强制电流消耗遵循与电压的波形相同的波形，即全波整流的正弦波。
为此目的，来自分压器电桥4的信号——表示整流器电路2的输出端的电压(全波整流正弦波)——在乘法器16中与表示从比较器14得到的误差电压的信号相乘，该比较器14将来自分压器电桥13的输出电压与基准电压Vref1进行比较。这些信号的乘积是具有振幅取决于输出电压中的误差的全波整流正弦波形的信号。
通过迟滞比较器17将该信号以一定迟滞与作为由测量分流器3感测的电流消耗的反映的电压进行比较。在一时延之后，将由迟滞比较器17输出的信号施加到断流开关T1的栅极。
因此，当电流小于误差电压时，断流开关T1导电(导通)，而当电流大于误差电压时，断流开关T1不导电(断开)。
当断流开关T1导通同时电压为低时(输出电压低于阈值，该阈值等于输入电压乘以变压比1.5的乘积)，则存储在隔离变压器6的磁芯中的能量激发第二次级绕组9并经由二极管D2发送至输出线8。转换器的操作于是类似于反激型转换器的操作，从而使得能够在整流正弦波电压中的低振幅相位期间发生通过输出的能量消耗。
当输出电压增加到与输入电压乘以变压比的乘积相等的门限值时，二极管D3导电，且磁芯的能量经由第一绕组7、二极管D3和滤波器线圈L1传送到输出线。转换器的操作于是类似于前向类型的转换器的操作。转换器于是还具有反激型少数操作模式，这有助于使隔离变压器的磁芯完全放电。
这由此构成在本身是全波整流正弦波形式的误差电压的振幅上进行伺服控制的自振荡系统，由此有可能获得精确的输出电压和正弦曲线形式的电流消耗。
能量存储电容器Cres经由第三次级绕组11和二极管D4充电(当转换器在前向型操作模式下操作时)。耦合在一起的滤波器线圈L1和L2用于限制充电电流峰值并提供充电电压的近似调整。
由放电控制电路12检测电源电压的故障，该放电控制电路通过施加脉宽调制控制放电开关T2。包括滤波器线圈L2和能量存储电容器Cres的组件于是用作升压器，具有伺服控制为正常的操作设定值的所得值。将放电控制电路12配置成将其控制信号的占空比调节至能量存储电容器Cres中的电荷水平。
自然，本发明不限于所述实施例，且覆盖不背离权利要求所限定的本发明的范围内的任何变形。
特别地，储备能量源是可选的。

Claims (7)

1.一种AC/DC转换器，包括在其输入端的整流器电路(2)，所述整流器电路(2)与隔离变压器(6)的初级绕组(5)串联连接并且与连接至脉宽调制控制电路(10)的断流开关(T1)连接，所述隔离变压器具有沿与所述初级绕组相同方向绕制且经由二极管(D4)和滤波器线圈L1连接至所述转换器的输出线(8)的第一次级绕组(7)，所述输出线连接至输出电容器(Cout)，所述转换器的特征在于所述隔离变压器具有沿与所述初级绕组相反方向绕制且经由二极管(D2)直接连接至输出线的第二次级绕组(9)。
2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，将所述控制电路(10)配置成随作为所述转换器输入端上消耗的电流的反映的电压和其振幅取决于所述转换器的输出电压与基准电压(Vref1)之间的误差电压的全波整流正弦波形式的信号之间的比较的变化来控制功率开关。
3.如权利要求2所述的转换器，其特征在于，所述断流开关(T1)的控制电路(10)包括比较器(14)，所述比较器(14)具有的输入端连接至输出线(8)和基准电压源(Vref1)，所述比较器(14)具有的输出端连接至乘法器(16)的第一输入端，所述乘法器(16)具有的第二输入端接收来自所述整流器电路(2)的输出电压，所述乘法器(16)具有的输出端连接至迟滞比较器(17)的第一输入端，所述迟滞比较器(17)具有的第二输入端接收作为所消耗电流的反映的电压，所述迟滞比较器(17)具有的输出端经由时延(19)连接至断流开关的控制输入端。
4.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，包括储备的能量源，包括所述隔离变压器(6)的第三次级绕组(11)，所述第三次级绕组(11)沿与所述初级绕组(5)相同方向绕制，且首先连接至滤波器线圈(L2)和能量存储电容器(Cres)，其次经由功率开关(T2)连接至输出线(8)，由放电控制电路(12)随所述能量存储电容器中的电荷水平变化来控制所述功率开关(T2)。
5.如从属于权利要求3的权利要求4所述的转换器，其特征在于，包括比较器(21)，所述比较器(21)具有接收整流器电路(2)的输出电压的第一输入端和连接至基准电压源(Vref2)的第二输入端以及连接至所述放电控制电路(12)的输出端。
6.如权利要求5所述的转换器，其特征在于，所述放电电路(12)还具有：
·连接至所述滤波器线圈(L2)和所述能量存储电容器(Cres)的输入端；
·连接至所述输出线(8)的输入端；
·经由反相器和隔离构件(22)连接至所述时延(19)的输出端的输入端；以及
·连接至功率开关(T2)的控制输入端的输出端。
7.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，包括在所述整流器电路(2)的上游的滤波器电路(1)。
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