CN102340251B - 交流-直流转换器及其控制电路 - Google Patents

交流-直流转换器及其控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种交流-直流转换器及其控制电路。该控制电路包含一功率控制电路，用以比较感测该交流-直流转换器的一输入电流所产生的一输入电流感测信号与一功率电平控制输入产生一频率调制控制信号，此频率调制控制信号同时用作该交流-直流转换器的输出功率控制及该输入电流的谐波控制；以及一方波产生器，连接至该功率控制电路，依据该频率调制控制信号产生用来驱动该交流-直流转换器的开关电路的驱动信号，且该驱动信号的频率随着频率调制控制信号变化，借此消除该交流-直流转换器的输入电流的谐波噪声以及调整该开关的切换频率，并同时调节该交流-直流转换器的输出功率。

Description

交流-直流转换器及其控制电路
技术领域
本发明涉及一种交流-直流转换器的控制电路，尤其涉及一种不需要一输入电压检测电路与一专门用来来消除输入电流的谐波噪声的频率调制控制电路的交流-直流转换器的控制电路。
背景技术
交流-直流转换器(AC-DC converter)一般用来将一输入交流电压转换成一输出电压来驱动需要直流电压运行的负载元件，例如用于微波炉的磁控管(magnetron)或气体放电灯管。图1显示公知交流-直流转换器的电路方框图。如图1所示，一输入交流电压Vin提供至交流-直流转换器的输入侧。一桥式整流器104，该桥式整流器104的输入侧连接至交流-直流转换器的输入侧以将输入交流电压Vin整流成一全波整流的直流电压。一滤波电感106及一滤波电容112，连接至桥式整流器104，以消除输入交流电压Vin的电磁干扰。此外，图1的交流-直流转换器还包含一变压器T100及一开关电路108，其中开关电路108连接至变压器T100的初级侧绕组且由一高压侧开关(high-side switch)1081与一低压侧开关(low-side switch)1082所组成，用以控制变压器T100的初级侧与次级侧之间的能量传送。图1的交流-直流转换器还包含一减振电容Cb1以及一共振电容Cb2，其中共振电容Cb2和变压器T100的初级侧激磁电感(未图示)组成共振电路。高压侧开关1081和低压侧开关1082是以交错的方式来进行切换，即切换式的导通或截止。通过高压侧开关1081和低压侧开关1082轮流导通，变压器T100的初级侧所储存的能量根据开关电路108的切换传送至变压器T100的次级侧，借此在变压器T100的次级侧感应生成一交流电压。变压器T100所传送的能量大小，根据高压侧开关1081和低压侧开关1082的导通时间比例(责任周期)去控制变压器T100所传送的能量大小，换言之，传统交流-直流转换器的控制方式是通过调整高压侧开关1081和低压侧开关1082导通或关闭时的责任周期(dutycycle)而达成。此外，图1的交流-直流转换器还包含一次级侧电路110，其由输出整流电路(D102，D104)以及输出电容(C102，C104)所组成，其中输出整流电路(D102，D102)将变压器T100的次级侧所感应生成的交流电压整流成一直流电压，而输出电容(C102，C104)将该直流电压输出给负载装置120。
此外，图1的交流-直流转换器还包含一输入电流感测器130，其可为一电流感测电阻或一电流变压器所组成，以感测输入电流Iin并产生对应的输入电流感测信号V1；以及一输入电压感测器140，以感测输入交流电压Vin的正弦波形并产生对应的输入交流电压波形信号V2至振荡电路1062，其中输入交流电压波形信号V2的波形相似于输入交流电压Vin全波整流或半波整流后的波形。图1的交流-直流转换器还包含功率控制电路150，其比较输入电流感测器130所输出的输入电流感测信号V1以及一外部输入功率控制信号，并且根据比较的结果产生用以调整交流-直流转换器的输出功率的一控制信号。此控制信号为单纯的直流信号，不包含输入交流电压Vin的全或半弦波取样信号(输入交流电压波形信号V2)，因此，该控制信号只能提供功率信息，无法实现调整或消除输入电流Iin的谐波的目的。图1的交流-直流转换器还包含一开关控制电路160，其由频率调制控制电路(frequencymodulation control circuit)1061，一振荡电路1062、一空载时间控制电路(dead-time control circuit)1063以及一开关装置驱动电路1064所组成。频率调制控制电路1061接收相似于输入交流电压Vin全波整流或半波整流后的输入交流电压波形信号V2以及功率控制电路150所输出的控制信号，以消除输入电流Iin中的谐波(harmonics)而改善输入交流电压Vin的功率因子(powerfactor)。振荡电路1062用以根据频率调制控制电路1061的输出对应产生波形为锯齿波的时钟脉冲信号(timing pulse signal)。开关装置驱动电路1064根据振荡电路1062所输出的锯齿波脉冲信号产生用来调整开关电路108的切换频率或是责任周期(duty cycle)的方波信号。空载时间控制电路(dead-timecontrol circuit)1063用来控制开关电路108的空载时间避免开关1081，1082同时导通或关闭，即控制开关电路108导通或关闭时的责任周期。
然而，公知的交流-直流转换器需要一输入电压感测器140来检测输入交流电压的变化，以及一专门的频率调制控制电路1061来消除输入电流Iin的谐波。此外，用以消除输入电流Iin的谐波的电路和功率控制电路是分开的。若是能够将这些元件的电路设计简化或是采用较低成本的元件来完成，便可以节省成本并且降低设计困难度。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种交流-直流转换器的控制电路，其可以在不需要输入电压检测电路(输入电流感测器)的情形下消除输入电流的谐波噪声，也不需要一专门用作谐波控制的频率调制控制电路，并且可以根据使用者的需求来调节交流-直流转换器的输出功率。
本发明的另一目的在于提供一种交流-直流转换器，包含一控制电路，其可以在不需要输入电压检测电路的情形下消除输入电流的谐波噪声，也不需要一专门用作谐波控制的频率调制控制电路，并且可以根据使用者的需求来调节交流-直流转换器的输出功率。
本发明的交流-直流转换器的控制电路主要包含：一功率控制电路，比较感测该交流-直流转换器的一输入电流所产生的一输入电流感测信号与一功率电平控制输入产生一频率调制控制信号，该频率调制控制信号同时用作该交流-直流转换器的输出功率控制及该输入电流的谐波控制；以及一方波产生器，连接至该功率控制电路，依据该频率调制控制信号产生用来驱动该交流-直流转换器的开关电路运行的驱动信号，且该驱动信号的频率随着该频率调制控制信号变化，借此消除该交流-直流转换器的输入电流的谐波噪声以及调整该开关电路的切换频率，并同时调节该交流-直流转换器的输出功率。
本发明的交流-直流转换器包含：一整流器，连接至该交流-直流转换器的输入侧，以将输入交流电压整流成为一个整流的直流电压；一滤波电路，连接至该整流器的一输出端，是消除该输入交流电压的电磁干扰及高频噪声而产生相似于该输入交流电压全波整流或半波整流后的波形的一直流电压；一变压器，具有一初级侧连接至该滤波电路以及一次级侧；一开关电路，连接至该变压器的该初级侧与该滤波电路，用以控制变压器的初级侧以及次级侧之间的能量传送；一电流感测器，连接至该整流器，检测一输入电流并对应产生一输入电流感测信号；以及一控制电路，连接至该开关电路的一控制输入端，根据该输入电流感测信号以及一功率电平控制输入对应产生用来驱动该开关电路运行的一驱动信号，借此消除该输入电流的谐波噪声，并同时调节该交流-直流转换器的输出功率；其中，该驱动信号的频率随着该输入电流感测信号及该外部功率电平控制输入变化。
本发明的交流-直流转换器的控制电路不需要输入电压感测电路(输入电压感测器)来产生一参考电压以进行输出功率控制，也不需要一专门的频率调制控制电路来消除输入电流的谐波噪声，仅需要一个由功率放大器所组成的功率控制电路与方波产生器便可以消除输入电流的谐波噪声，并且根据使用者的需求来调整交流-直流转换器的输出功率。
附图说明
图1为显示公知交流-直流转换器的电路方框图；
图2为显示本发明的交流-直流转换器的一第一实施例的电路方框图；
图3为显示功率控制电路的电路图；
图4为显示本发明的一第二实施例的交流-直流转换器的电路方框图；以及
图5为显示本发明的交流-直流转换器的节点上所测量到的电流波形与电压波形。
上述附图中的附图标记说明如下：
104，204，404：桥式整流器
106，206，406：滤波电感
108，208，408：开关电路
1081，2081：高压侧开关
1082，2082：低压侧开关
112，212，412：滤波电容
213：LLC串联共振电路
Cb1：减振电容
Cb2：共振电容
Cb：第二共振电容
Cs：第一共振电容
Ls：第一共振电感
Lm：第二共振电感
T100，T200，T400：变压器
130，230，430：输入电流感测器
140：输入电压感测器
150：功率控制电路
160：开关控制电路
1061：频率调制控制电路
1062：振荡电路
1063：空载时间控制电路
1064：开关装置驱动电路
110，210，410：次级侧电路
(D102，D104)，(D202，D204)，(D402，D404)：整流电路
(C102，C104)，(C202，C204)，(C402，C404)：输出电容
120，220，420：负载
306：频率调制控制信号
250：功率控制电路
260：方波产生器
Va：输入电流感测信号
Vin：输入交流电压
Iin：输入电流
V1：输入电流感测信号
V2：输入交流电压波形信号
VDC：直流电压
304：逆向电流阻隔电路
(C31～C37，R31～R34，302)：比例差值电路
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化，其都不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。
图2显示本发明的一第一实施例的交流-直流转换器的电路方框图。在图2中，输入电流感测器230、桥式整流器204、滤波电感206、滤波电容212、开关电路208(包含高压侧开关2081与低压侧开关2082)、变压器T200、次级侧电路210(包含整流电路(D202，D204)以及输出电容(C202，C204))以及负载220，其中滤波电感206与滤波电容212构成一滤波电路，该滤波电路连接于桥式整流器204的正输出端与开关电路208，以消除输入交流电压Vin的电磁干扰及高频噪声而产生相似于输入交流电压Vin全波整流或半波整流后的波形的直流电压VDC，例如消除大于输入交流电压Vin频率(60Hz)的高频噪声。图2与图1的相对应元件具有类似的功能与电路结构，因此在此不予以赘述。图2的交流-直流转换器还包含一LLC串联共振电路213(电感-电感-电容串联共振电路，不局限为串联式)，由一第一共振电容Cs、一第一共振电感Ls以及一第二共振电感Lm所组成。于本实施例中，第一共振电容Cs的一端连接至高压侧开关2081与低压侧开关2082之间的一共同节点，另一端连接至第一共振电感Ls的一端。第一共振电感Ls的一端连接至第一共振电容Cs的另一端，另一端连接至变压器T200的初级侧。第二共振电感Ls可为变压器T200的漏电感而第二共振电感Lm可为变压器T200的激磁电感。第一共振电容Cs可作用为一直流阻隔电容以阻止输入交流电压Vin的直流部分输入至变压器T200。LLC串联共振电路213根据开关电路208的切换来将输入交流电压Vin的能量以共振的方式传送至变压器T200的初级侧，于运行时，开关电路208的高压侧开关2081与低压侧开关2082以交错的方式来进行切换，即切换式的导通或截止，使LLC串联共振电路213选择性地分别经由高压侧开关2081或低压侧开关2082连接于滤波电感206或输入电流感测器230。关于LLC串联共振电路213的操作，可参考美国专利US 6,344,979，在此不予以赘述。图2的交流-直流转换器还包含一个功率控制电路250以及方波产生器260且构成一控制电路，其中功率控制电路250接收输入电流感测器230感测输入电流Iin所产生的输入电流感测信号Va以及一外部功率电平控制输入，以产生一频率调制控制信号306。方波产生器260连接于功率控制电路250以及开关电路208的控制输入端之间，以根据频率调制控制信号306产生用来控制开关电路208切换的驱动信号，且该驱动信号的频率随着频率调制控制信号306变化，由于，频率调制控制信号306会同时随着输入电流感测信号Va及外部功率电平控制输入变化，因此该驱动信号的频率也会随着输入电流感测信号Va及外部功率电平控制输入变化。由于频率调制控制信号306同时包括了功率控制信息，以及由输入电流Iin取样得到类似输入交流电压Vin全波整流后的波形信息(例如将弦波全波整流后的波形)，该频率调制控制信号306可以同时控制交流-直流转换器的输出功率及消除输入电流Iin的谐波。因此，单一的功率控制电路250就足以取代了传统的功率控制电路150和频率调制控制电路1061。关于功率控制电路250的电路组成以及操作方法，将在底下详细说明。
图3为显示功率控制电路250的电路图。如图所示，于本实施例中，功率控制电路250由一比例差值电路(比例减法电路)与一逆向电流阻隔电路304组成，其中比例差值电路由一功率放大器302(或运算放大器)、数个电阻(R31～R34)以及数个电容(C31～C37)以负反馈(negative feedback)的方式实现，功率放大器302具有一反向输入端以接收输入电流感测器230所检测到的输入电流感测信号Va，以及一非反向输入端以接收一外部功率电平控制输入。该外部功率电平控制输入为供使用者输入所想要的输出功率的反映数值，例如为直流电压5V时代表使用者所想要的输出功率为100W(瓦)。功率放大器302组态设定为比较反向输入端与非反向输入端的信号，即输入电流感测器230所检测到的输入电流感测信号Va以及使用者所输入的外部功率电平控制输入分别传送至功率放大器302的非反向输入端与反向输入端的信号，并且根据比较的结果产生一频率调制控制信号306。换言之，频率调制控制信号306为外部功率电平控制输入与输入电流感测信号Va间的比例差值。功率控制电路250还包含一逆向电流阻隔电路304，其为一非必要的元件且为一二极管所组成，连接于功率放大器302以及方波产生器260之间，用以避免一逆向电流由方波产生器260流向功率放大器302。频率调制控制信号306传送至方波产生器260，借此使得方波产生器260能够根据频率调制控制信号306调整用以驱动开关电路208的驱动信号的切换频率，并且消除输入电流Iin的谐波噪声。
图4为显示本发明的一第二实施例的交流-直流转换器的电路方框图。在图4中，输入电流感测器430、桥式整流器404、滤波电感406、滤波电容412、变压器T400、次级侧电路410(包含整流电路(D402，D404)以及输出电容(C402，C404))以及负载420，图4与图2的相对应元件具有类似的功能与电路结构，因此在此不予以赘述。与图2的第一实施例相比较，图4的实施例不使用LLC共振电路来将输入交流电压Vin的能量传送至变压器T400的次级侧。图4的交流-直流转换器使用一第二共振电容Cb与变压器T400的激磁电感(未显示)形成一个类共振电路(quasi-resonance circuit)，取代了图2的LLC共振电路，并且图2的高压侧开关2081与低压侧开关2082简化成一个单一开关的开关电路408。因此，通过开关电路408切换的运行，使第二共振电容Cb构成的类共振电路会提供一个类似共振效果的共振频率将输入交流电压Vin的能量传送至变压器T400的初级侧，进而使能量由变压器T400的初级侧传送至变压器的次级侧。此外，图4的交流-直流转换器仅采用一个开关的开关电路408来控制变压器T400的初级侧与次级侧之间的能量传送，因此可以降低开关的开关损失与功率损失。
图5A～图5E显示本发明的交流-直流转换器的节点上所测量到的电流波形与电压波形，其中图5A为桥式整流器(204，404)所输出为输入交流电压Vin全波整流的直流电压经过输入滤波电容(212，412)滤除高频噪声后的直流电压VDC的电压波形，其频率为输入交流电压Vin的频率的一倍或两倍(例如60Hz或120Hz)。图5B为当本发明的功率控制电路250与方波产生器260未应用至交流-直流转换器时，未经过修正的输入电流Iin的电流波形，而图5C为当本发明的功率控制电路250与方波产生器260应用至交流-直流转换器时，经过修正的输入电流Iin的电流波形。由图5B与图5C可看出当本发明的功率控制电路250与方波产生器260应用至交流-直流转换器时，图5B的输入电流的波形会平滑化而趋近如图5A所示的直流电压VDC的波形或输入交流电压Vin全波整流后的波形，而得到如图5C所示一个的类似正弦波全波整流后的波形且高频谐波噪声也会消除。图5F为输入电流感测信号Va的电流波形，其为图5C的经过修正的输入电流Iin取样或衰减后的电流波形。图5G为使用者所输入的功率电平控制输入的波形，其为一代表使用者所想要的输出功率的平缓数值，例如为5V时代表使用者所想要的输出功率为100W(瓦)。图5H为功率放大器302所输出的频率调制控制信号306。图5D为高压侧开关2081的驱动信号，而图5E为低压侧开关2082的驱动信号。由图5D与图5E可看出高压侧开关2081与低压侧开关2082采用互补切换的方式来进行切换运行。此外开关电路208的驱动信号的责任周期比例(dutyratio)为固定不变，例如为50％，但是高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率则会随着频率调制控制信号306来调整。当直流电压VDC或输入交流电压Vin全波整流后的电压值升高时，高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率对应升高；当直流电压VDC或输入交流电压Vin全波整流后的电压值降低时，高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率对应降低，因此交流-直流转换器的功率输出除了可通过使用者输入所想要的功率电平来调整高压侧开关2081与低压侧开关2082的切换频率以达到输出功率调节的目的外，更可以实现调整或消除输入电流Iin的谐波的目的。
总而言之，本发明提供一种交流-直流转换器的控制电路，其具有一功率控制电路及方波产生器，该功率控制电路由可由一比例差值电路现实，例如由一功率放大器以负反馈的方式实现，其比较相似于输入交流电压全波整流或半波整流后的波形的输入电流感测信号Va与使用者输入所想要的功率电平来产生一频率调制控制信号，借此使得方波产生器能够产生用来控制开关的切换的驱动信号，其中驱动信号的频率会随着频率调制控制信号而改变，而能够调节交流-直流转换器的输出功率。因此，本发明的交流-直流转换器的控制电路不需要输入电压感测电路(输入电压感测器)来产生一参考电压以进行输出功率控制，也不需要一专门的频率调制控制电路来消除输入电流的谐波噪声，仅需要一个由功率放大器所组成的功率控制电路与方波产生器便可以消除输入电流的谐波噪声，并且根据使用者的需求来调整交流-直流转换器的输出功率。
本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，都不脱如附权利要求所欲保护的范围。

Claims (9)

1.一种交流-直流转换器的控制电路，用于控制一交流-直流转换器的一开关电路运行，其包含：
一功率控制电路，比较感测该交流-直流转换器的一输入电流所产生的一输入电流感测信号与一外部功率电平控制输入产生一频率调制控制信号，该频率调制控制信号同时用作该交流-直流转换器的输出功率控制及该输入电流的谐波控制；以及
一方波产生器，连接至该功率控制电路，依据该频率调制控制信号产生用来驱动该交流-直流转换器的该开关电路运行的一驱动信号，且该驱动信号的频率随着该频率调制控制信号变化，借此消除该交流-直流转换器的该输入电流的谐波噪声以及调整该开关电路的切换频率，并同时调节该交流-直流转换器的输出功率。
2.如权利要求1所述的交流-直流转换器的控制电路，其中该功率控制电路包含一比例差值电路。
3.如权利要求2所述的交流-直流转换器的控制电路，其中该功率控制电路还包含一逆向电流阻隔装置，连接于该比例差值电路与该方波产生器之间，用以避免一逆向电流由该方波产生器流向该比例差值电路。
4.如权利要求2所述的交流-直流转换器的控制电路，其中该逆向电流阻隔装置包含一二极管。
5.一种交流-直流转换器，包含：
一整流器，连接至该交流-直流转换器的输入侧，以将一输入交流电压整流成为一个整流的直流电压;
一滤波电路，连接至该整流器的一输出端，是消除该输入交流电压的电磁干扰及高频噪声而产生相似于该输入交流电压全波整流或半波整流后的波形的一直流电压；
一变压器，具有一初级侧连接至该滤波电路以及一次级侧；
一开关电路，连接至该变压器的该初级侧与该滤波电路，用以控制该变压器的该初级侧以及次级侧之间的能量传送；
一电流感测器，连接至该整流器，检测一输入电流并对应产生一输入电流感测信号；以及
一控制电路，连接至该开关电路的一控制输入端，根据该输入电流感测信号以及一外部功率电平控制输入对应产生用来驱动该开关电路运行的一驱动信号，借此消除该输入电流的谐波噪声，并同时调节该交流-直流转换器的输出功率；
其中，该驱动信号的频率随着该输入电流感测信号及该外部功率电平控制输入变化；
其中该控制电路包含:
一功率控制电路，比较该输入电流感测信号与该外部功率电平控制输入产生一频率调制控制信号，该频率调制控制信号同时用作该交流-直流转换器的输出功率控制及该输入电流的谐波控制；以及
一方波产生器，连接至该功率控制电路，依据该频率调制控制信号产生用来驱动该开关电路运行的驱动信号，且该驱动信号的频率随着该频率调制控制信号变化，藉此消除该输入电流的谐波噪声以及调整该开关电路的切换频率，并同时调节该交流-直流转换器的输出功率。
6.如权利要求5所述的交流-直流转换器，还包含一共振电路，连接于该开关电路与该变压器的该初级侧之间，用以将该输入交流电压的能量以共振的方式传送至该变压器的该初级侧。
7.如权利要求6所述的交流-直流转换器，其中该共振电路包含一共振电容、一第一共振电感以及一第二共振电感，且该第一共振电感为该变压器的一漏电感而该第二共振电感为该变压器的一激磁电感。
8.如权利要求5所述的交流-直流转换器，还包含一类共振电路，连接于该开关电路和该变压器的该初级侧，通过该开关电路的运行，使该类共振电路提供一个类似共振效果的共振频率，将该输入交流电压的能量传送至该变压器的该初级侧，进而使能量由该变压器的该初级侧传送至该变压器的该次级侧。
9.如权利要求5所述的交流-直流转换器，其中该功率控制电路包含一比例差值电路。
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