CN101919149A - 配置成用于将ac输入电压转换为dc输出电压的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的装置，所述装置包括：无桥升压转换器和浪涌保护系统。所述浪涌保护系统包括：第一保护二极管(Dprot1)，其中阳极被连接到第一AC输入终端并且阴极被连接到正升压输出终端(Obp)；第二保护二极管(Dprot2)，其中阳极被连接到负升压输出终端(Obn)并且阴极被连接到所述第一AC输入终端；第三保护二极管(Dprot3)，其中阳极被连接到第二AC输入终端并且阴极被连接到所述正升压输出终端(Obp)；以及第四保护二极管(Dprot4)，其中阳极被连接到所述负升压输出终端(Obn)并且阴极被连接到所述第二AC输入终端。

Description

配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的装置
技术领域
本发明涉及配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的装置。
背景技术
在需要将AC电源转换为受控制的DC电源的场合，已知有若干种类型的转换器用在供电系统中。通常将从诸如电力网的AC电力源供应AC电源。DC电源被供应给诸如远程通信设备、宽带数据通信设备(GSM/UMTS基站等)、军事设备、医疗设备等设备。
对DC电源的需求可能变化，但通常重要的是将DC电源保持在某些界限之内，并且也保护DC侧使之免受AC侧上的电压/电流中的不规则的影响。这种不规则可以是浪涌(surge)，即由于闪电、AC电力网中的故障或者由增加的或减少的负载造成的电压变化等在AC电力网中出现的浪涌电压/电流。
在图1A中示出了在输入侧包括二极管电桥(虚线框)的现有技术的升压转换器(boost converter)。该升压转换器包括与升压感应器和升压二极管并联的保护二极管。图1B示出来自AC输入的浪涌电流(实线箭头)如何流动经过升压转换器和经过保护二极管。虚线箭头示出在没有保护二极管的情况下电流将如何流动。如可以看到的，保护二极管保护感应器、开关和升压二极管，并且只有保护二极管需要为浪涌电流而调整尺寸(dimension)。
还有已知的若干种类型的无桥升压转换器，参见例如2007年应用电力电子会议(Applied Power Electronics Conference)的Huber，L.等人的“Performance Evaluation of Bridgeless PFC BoostRectifiers(无桥PFC升压整流器的性能评估)”。
本发明提供配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的装置，该装置包括无桥升压转换器和保护系统，该保护系统为升压转换器提供保护，使之免受来自AC电力网的浪涌和其它所不希望的现象(occurrence)的影响。因此，保护系统也将为供电系统的DC侧上的负载或其它部件提供保护。
由于环境问题并且也由于增加的能源成本，对具有改进的电源效率的供电系统有增加的需求。因此，本发明的目标也是要为供电系统的增加的电源效率做出贡献。
发明内容
本发明涉及配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的装置，所述装置包括：
-无桥升压转换器；和
-浪涌保护系统，所述浪涌保护系统包括：
-第一保护二极管，其中阳极被连接到第一AC输入终端并且阴极被连接到正升压输出终端；
-第二保护二极管，其中阳极被连接到负升压输出终端并且阴极被连接到所述第一AC输入终端；
-第三保护二极管，其中阳极被连接到第二AC输入终端并且阴极被连接到所述正升压输出终端；以及
-第四保护二极管，其中阳极被连接到所述负升压输出终端并且阴极被连接到所述第二AC输入终端。
在本发明的一个方面，所述无桥升压转换器包括：
-包括至少一个升压感应器的升压感应器装置；
-包括至少一个升压二极管的升压二极管装置；
-包括至少一个升压开关的升压开关装置；以及
-包括至少一个升压电容器的升压电容器装置。
在本发明的一个方面，所述保护二极管被调整尺寸用于耐受浪涌。
在本发明的一个方面，所述升压感应器装置包括升压感应器，所述升压感应器具有连接到第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点的第二端；所述升压二极管装置包括第一升压二极管和第二升压二极管，其中所述第一升压二极管被连接在所述第一节点和所述正升压输出终端之间；并且所述升压开关装置包括连接到所述第一节点的第一升压开关。
在本发明的一个方面，所述升压感应器装置包括升压感应器，所述升压感应器具有连接到所述第一(AC)输入终端的第一端和连接到第一节点的第二端；所述升压二极管装置包括连接在所述第一节点和所述正升压输出终端之间的第一升压二极管，以及连接在所述负输出终端和所述第一节点之间的第二升压二极管；所述升压开关装置包括串联连接在所述第一节点和所述第二AC输入终端之间的第一升压开关和第二升压开关；并且所述升压电容器装置包括连接在所述正输出终端和负输出终端之间的第一升压电容器。
在本发明的一个方面，所述升压感应器装置包括第一升压感应器和第二升压感应器，其中所述第一升压感应器具有连接到所述第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点的第二端，以及其中所述第二升压感应器具有第一端并连接到所述第二AC输入终端和第二节点；所述升压二极管装置包括连接在所述第一节点和所述正升压输出终端之间的第一升压二极管以及连接在所述负输出终端和所述第一节点之间的第二升压二极管；所述升压开关装置包括串联连接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一升压开关和第二升压开关；并且所述升压电容器装置包括连接在所述正输出终端和所述第二节点之间的第一升压电容器以及连接在所述第二节点和所述负输出终端之间的第二升压电容器。
在本发明的一个方面，所述升压感应器装置包括第一升压感应器和第二升压感应器，其中所述第一升压感应器具有连接到第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点的第二端，以及其中所述第二升压感应器具有连接到第二AC输入终端的第一端和连接到第二节点的第二端；所述升压二极管装置包括连接在所述第一节点和所述正升压输出终端之间的第一升压二极管以及连接在所述第二节点和所述正升压输出终端之间的第二升压二极管；所述升压开关装置包括连接在所述第一节点和所述负升压输出终端之间的第一升压开关以及连接在所述第二节点和所述负升压输出终端之间的第二升压开关；并且所述升压电容器装置包括连接在所述正输出终端和负输出终端之间的第一升压电容器。
具体说明
现在将参考附图说明本发明的实施例，其中：
图1A示出具有二极管电桥和保护二极管的现有技术的升压转换器；
图1B示出经过图1A中的转换器的浪涌的传播；
图2示出本发明的第一实施例；
图3A示出本发明的第二实施例的拓扑结构(具有两个输入感应器以及保护系统的无桥升压转换器)；
图3B示出经过图3A中的转换器的浪涌的传播；
图4A示出本发明的第三实施例的拓扑结构；
图4B经过图4A中的转换器的浪涌的传播；
图5A示出本发明的第四实施例的拓扑结构；以及
图5B和图5C分别示出经过图5A中的转换器的正浪涌和负浪涌的传播。
现在参考图2、图3A、图4A和图5A，其中示出了配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的装置的不同的实施例。AC电压通常是AC电力网。DC输出电压可以被直接供应给负载或者可以被供应给DC-DC转换器，用于进一步改进传递到负载的DC电压的质量。
第一实施例
根据图2所示的第一实施例，所述装置包括以下部件：
-无桥升压转换器；和
-浪涌保护系统。
浪涌保护系统包括四个保护二极管：
-第一保护二极管Dprot1，其中阳极被连接到第一AC输入终端，并且阴极被连接到正升压输出终端Obp；
-第二保护二极管Dprot2，其中阳极被连接到负升压输出终端Obn并且阴极被连接到第一AC输入终端；
-第三保护二极管Dprot3，其中阳极被连接到第二AC输入终端，并且阴极被连接到正升压输出终端Obp；以及
-第四保护二极管Dprot4，其中阳极被连接到负升压输出终端Obn并且阴极被连接到第二AC输入终端。
浪涌保护系统由图中的虚线框示出。无桥升压转换器在图2中被示出为无缝框(solid drawn box)，并且包括例如像在介绍中提到的Huber，L等人的文章中所示出和说明的无桥升压转换器。
典型的无桥升压转换器包括：
-包括至少一个升压感应器的升压感应器装置；
-包括至少一个升压二极管的升压二极管装置；
-包括至少一个升压开关的升压开关装置；以及
-包括至少一个升压电容器的升压电容器装置。
应当注意的是保护二极管Dprot1、Dprot2、Dprot3和Dprot4被调整尺寸用于耐受浪涌，即例如由于击中AC电力网的闪电而从AC输入到达的浪涌电流/电压。
第二实施例
现在参考图3A。保护系统与第一实施例中的一样，并且将不会在这里详细描述。
升压感应器装置包括具有连接到第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点1的第二端的第一升压感应器Lb1。而且，升压感应器装置包括连接在第二AC输入终端和第二节点2之间的第二升压感应器Lb2。
升压二极管装置包括第一升压二极管Db1和第二升压二极管Db2。第一升压二极管Db1被连接在第一节点1和正升压输出终端Obp之间。第二升压二极管Db2被连接在第二节点2和正升压输出终端Obp之间。应当注意的是第一和第二升压二极管Db1、Db2的阴极被连接到正升压输出终端Obp。
升压开关装置包括连接在第一节点1和负升压输出终端Obn之间的第一升压开关Sb1和连接在第二节点2和负升压输出终端Obn之间的第二升压开关Sb2。
升压电容器装置包括连接在正升压输出终端Obp和负升压输出终端Obn之间的升压电容器Cb1。
当正浪涌电流到达第一AC输入终端时，第一保护二极管Dprot1开始导通，如图3B所示。电流传播经过第一升压电容器Cb1，并且随后经过第四保护二极管Dprot4返回到第二A C输入终端。负浪涌电流将传播经过第三保护二极管D Prot3、升压电容器Cb1和第二保护二极管Dprot2。
因此，没有任何一个无桥升压转换器的主要部件，诸如升压感应器、升压二极管或者升压开关将会导通任何大量的浪涌电流，并且因此那些部件被保护免于被浪涌电流破坏。
第三实施例
现在参考图4A和4B，其示出具有三级无桥升压转换器以及保护系统的装置。保护系统与第一和第二实施例中的一样，并且将不会在这里详细描述。
升压感应器装置包括连接在第一AC输入终端和第一节点1之间的第一升压感应器Lb1。而且，升压感应器装置包括连接在第二AC输入终端和第二节点2之间的第二升压感应器Lb2。
升压二极管装置包括第一升压二极管Db1和第二升压二极管Db2。第一升压二极管Db1被连接在第一节点1和正升压输出终端Obp之间。第二升压二极管Db2被连接在负输出终端Obn和第一节点1之间。应当注意的是第一升压二极管Db1以其阳极连接到第一节点1并且第二升压二极管Db2以其阴极连接到第一节点1。
升压开关装置包括在一端连接到第一节点1并且在另一端连接到第二升压开关Sb2的第一升压开关Sb1。第二升压开关Sb2被连接在第一升压开关Sb1和第二节点2之间。升压开关Sb1、Sb2串联连接成所谓的双向开关。
升压电容器装置包括连接在正输出终端Obp和第二节点2之间的第一升压电容器Cb1以及连接在第二节点2和负输出终端Obn之间的第二升压电容器Cb2。
如从图4B可以看到的，与上述实施例类似，当正浪涌电流到达第一AC输入终端时，没有任何一个无桥升压转换器的主要部件，诸如升压感应器、升压二极管或者升压开关将会导通任何大量的浪涌电流，并且因此那些部件被保护免于被其破坏。
在一可替代实施例中，第二升压感应器Lb2在无桥升压转换器中可以被省略。因此，保护系统的保护二极管Dprot3和Dprot4也可以被省略。
第四实施例
现在参考图5A、5B和5C，其示出具有双向开关的二级无桥升压转换器。保护系统与第一实施例中的一样，并且将不会在这里详细描述。
升压感应器装置包括具有连接到第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点1的第二端的第一升压感应器Lb1。
升压二极管装置包括第一升压二极管Db1和第二升压二极管Db2。第一升压二极管Db1被连接在第一节点1和正升压输出终端Obp之间。第二升压二极管Db2被连接在负输出终端Obn和第一节点1之间。应当注意的是第一升压二极管Db1以其阳极连接第一节点1并且第二升压二极管Db2以其阴极连接第一节点1。
升压开关装置包括连接在第一节点1和第二升压开关Sb2之间的第一升压开关Sb1。第二升压开关Sb2被连接在第一升压开关Sb1和第二AC输入终端之间。因此，在第一节点1和第二AC输入终端之间将第一和第二升压开关Sb1和Sb2串联连接成所谓的双向开关。
而且，升压电容器装置包括连接在正输出终端Obp和负输出终端Obn之间的升压电容器Cb1。
如从图5B和5C可以看到的，与上述实施例类似，当正浪涌电流或者负浪涌电流到达第一AC输入终端时，没有任何一个无桥升压转换器的主要部件，诸如升压感应器、升压二极管或者升压开关将会导通任何大量的浪涌电流，并且因此那些部件被保护免于被浪涌电流破坏。
在一可替代的实施例中，双向开关可以被二极管电桥和MOSFET开关代替。
在上述说明中，开关的类型是MOSFET开关。可替代地，开关是具有内在的二极管(with intrinsic diodes)的开关或者与反并联二极管并联连接的开关。可替代的开关的例子是与反并联二极管并联连接的IGBT。
控制系统基于诸如测量的电压和/或电流等参数来控制开关。由控制系统使用的用于控制开关的方法对于本领域技术人员是已知的。可以利用一个或若干个模拟控制电路或者数字信号处理器来实现该控制系统。
当阅读上述说明时，另外的修改和变化对于技术人员来说将是显而易见的。本发明的范围将从以下的权利要求和它们的等同物中体现。

Claims (8)

1.一种配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的装置，所述装置包括：
-无桥升压转换器；和
-浪涌保护系统，所述浪涌保护系统包括：
-第一保护二极管(Dprot1)，其中阳极被连接到第一AC输入终端并且阴极被连接到正升压输出终端(Obp)；
-第二保护二极管(Dprot2)，其中阳极被连接到负升压输出终端(Obn)并且阴极被连接到所述第一AC输入终端；
-第三保护二极管(Dprot3)，其中阳极被连接到第二AC输入终端并且阴极被连接到所述正升压输出终端(Obp)；以及
-第四保护二极管(Dprot4)，其中阳极被连接到所述负升压输出终端(Obn)并且阴极被连接到所述第二AC输入终端。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述无桥升压转换器包括：
-包括至少一个升压感应器的升压感应器装置；
-包括至少一个升压二极管的升压二极管装置；
-包括至少一个升压开关的升压开关装置；以及
-包括至少一个升压电容器的升压电容器装置。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述保护二极管(Dprot1、Dprot2、Dprot3、Dprot4)被调整尺寸用于耐受电流/电压浪涌。
4.根据权利要求2所述的装置，其中：
-所述升压感应器装置包括升压感应器(Lb1)，所述升压感应器具有连接到第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点(1)的第二端；
-所述升压二极管装置包括第一升压二极管(Db1)和第二升压二极管(Db2)，其中所述第一升压二极管(Db1)被连接在所述第一节点(1)和所述正升压输出终端(Obp)之间；
-所述升压开关装置包括连接到所述第一节点(1)的第一升压开关(Sb1)。
5.根据权利要求2所述的装置，其中：
-所述升压感应器装置包括升压感应器(Lb1)，所述升压感应器具有连接到所述第一(AC)输入终端的第一端和连接到第一节点(1)的第二端；
-所述升压二极管装置包括连接在所述第一节点(1)和所述正升压输出终端(Obp)之间的第一升压二极管(Db1)以及连接在所述负输出终端(Obn)和所述第一节点(1)之间的第二升压二极管(Db2)；
-所述升压开关装置包括在所述第一节点(1)和所述第二AC输入终端之间串联连接成双向开关的第一升压开关(Sb1)和第二升压开关(Sb2)；并且
-所述升压电容器装置包括连接在所述正输出终端(Obp)和负输出终端(Obn)之间的第一升压电容器(Cb1)。
6.根据权利要求2所述的装置，其中：
-所述升压感应器装置包括第一升压感应器(Lb1)和第二升压感应器(Lb2)，其中所述第一升压感应器(Lb1)具有连接到所述第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点(1)的第二端，以及其中所述第二升压感应器(Lb2)具有第一端并连接到所述第二AC输入终端和第二节点(2)；
-所述升压二极管装置包括连接在所述第一节点(1)和所述正升压输出终端(Obp)之间的第一升压二极管(Db1)以及连接在所述负输出终端(Obn)和所述第一节点(1)之间的第二升压二极管(Db2)；
-所述升压开关装置包括在所述第一节点(1)和所述第二节点(2)之间串联连接成双向开关的第一升压开关(Sb1)和第二升压开关(Sb2)；并且
-所述升压电容器装置包括连接在所述正输出终端(Obp)和所述第二节点(2)之间的第一升压电容器(Cb1)以及连接在所述第二节点(2)和所述负输出终端(Obn)之间的第二升压电容器(Cb2)。
7.根据权利要求2所述的装置，其中：
-所述升压感应器装置包括第一升压感应器(Lb1)和第二升压感应器(Lb2)，其中所述第一升压感应器(Lb1)具有连接到第一AC输入终端的第一端和连接到第一节点(1)的第二端，以及其中所述第二升压感应器(Lb2)具有连接到第二AC输入终端的第一端和连接到第二节点(2)的第二端；
-所述升压二极管装置包括连接在所述第一节点(1)和所述正升压输出终端(Obp)之间的第一升压二极管(Db1)以及连接在所述第二节点(2)和所述正升压输出终端(Obp)之间的第二升压二极管(Db2)；
-所述升压开关装置包括连接在所述第一节点(1)和所述负升压输出终端(Obn)之间的第一升压开关(Sb1)以及连接在所述第二节点(2)和所述负升压输出终端(Obn)之间的第二升压开关(Sb2)；并且
-所述升压电容器装置包括连接在所述正输出终端(Obp)和负输出终端(Obn)之间的升压电容器(Cb1)。
8.一种用于配置成用于将AC输入电压转换为DC输出电压的无桥升压转换器的浪涌保护系统，所述系统包括：
-第一保护二极管(Dprot1)，其中阳极被连接到第一AC输入终端并且阴极被连接到正升压输出终端(Obp)；
-第二保护二极管(Dprot2)，其中阳极被连接到负升压输出终端(Obn)并且阴极被连接到所述第一AC输入终端；
-第三保护二极管(Dprot3)，其中阳极被连接到第二AC输入终端并且阴极被连接到所述正升压输出终端(Obp)；以及
-第四保护二极管(Dprot4)，其中阳极被连接到所述负升压输出终端(Obn)并且阴极被连接到所述第二AC输入终端。
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