CN1031374C - 交直流变换器 - Google Patents

Abstract

一种由交流电压源提供降压输出直流电压的交直流变换器，包括整流器和升压斩波器。斩波器又包括一电感和一开关元件，并通过后者的通断，分别使电感贮存整流输出能量和对充电泵电路释放能量。充电泵电路接收上述能量，以所累积电压的分压对平滑电容充电，形成所需直流电压。另有一开关控制平滑电容连接充电泵电路，或不连接斩波器。

Description

交直流变换器

本发明涉及一种提供降压输出直流电压的交直流变换器，特别是一种包括整流器和斩波器的变换器。

交直流变换器在技术上得到了广泛的应用，例如在电子镇流器中，它与逆变器结合，从诸如交流电网这类交流电压源来驱动放电灯。在此例子中，要求交直流变换器提供给逆变器平滑输出的直流电压，使放电灯工作中有效地避免闪烁。而且，由于输出的直流电压应尽可能地平滑以消除输入到变换器的交流电流中的高频谐波，减少相应的噪声并且提高变换器的功率因数，所以非常希望变换器除整流器之外还包括斩波器，以提供平滑输出的直流电压。因此，变换器设计为提供降压输出直流电压时，其中包括降压斩波器或反相斩波器是很有可能的。然而，众所周知这类斩波器本身使功率因数下降，有可能引起高频谐波，这些高频谐波在由相同交流电压源供电的其它电子器件中引起噪声，与之相反，已知升压斩波器则表现为使功率因数提高。为避免这种问题，如日本专利早期公开号2-237461公报中提出过在反相斩波器前采用升压斩波器以补偿后一斩波器功率因数的下降，同时确保输出降压的直流电压。如附图图1所示，这种变换器包括提供交流电压源100整流直流电压的全波整流器110、升压斩波器120和反相斩波器150。升压斩波器120包括与第一场效应管121一起串接在整流器110两端的第一电感器122，和与第一隔离二极管123一起串接在场效应管121两端的第一平滑电容器125。场效应管121由第一驱动器126控制，按较高的频率导通和截止，以便场效应管121导通时将能量从整流器110贮存到电感器122中。接下来场效应管121一旦截止，电感器122就释放能量，经二极管123向平滑电容器125供给来自电感器122以及来自整流器110的能量，形成升压的直流电压。反相斩波器150包括串接在第一平滑电容器125两端的第二场效应管151、第二电感器152以及第二平滑电容器155，而且还有一第二二极管153与场效应管151一起也串接在第一平滑电容器125的两端。场效应管151由第二驱动器156控制，按较高的频率导通和截止，在场效应管151导通时将能量贮存到电感器152中。接下来场效应管151一旦截止，电感器152就释放能量，此能量经二极管153单独供给到平滑电容器155中，在其上形成降压输出的直流电压给逆变器170用以驱动负载。虽然变换器在反相斩波器前用升压斩波器能够成功地确保功率因数提高，但还存在问题，即由于采用了反相斩波器，而其中提供给平滑电容器155的所有能量是电感器152一次贮存的，所以最后会使整个电路的效率下降。而且，采用升压斩波器120除了需要其电容可以不大以贮存降压输出直流电压的第二平滑电容器155之外，还需要其电容大以暂时贮存升压的第一平滑电容器125，此外在变换器中还需要两个电感器，而造成价格贵的部件成双份。

日本专利审后公告号63-37584公报中揭示的另一已有技术的变换器则如附图图2所示采用一充电泵电路来代替斩波器。充电泵电路250连接在与上述相同的全波整流器210的输出端，由此接收电压，将电压贮存在电容器251和252的串联组中。二极管254、256、258组成的二极管网与电容器251和252连接形成并联支路，电容器251和252各经过这些并联支路分别以并联方式放电，向逆变器270降压提供直流电压。接此方式，这种充电泵电路250能提供降压输出的直流电压，并且提高功率因数。但是，在提高功率因数方面仍然不令人满意，所以难以消除整流器输入交流电流中的高频谐波。

本发明中消除了以上问题，提供一种供给降压输出直流电压的改进的交直流变换器。本发明的交直流变换器包括与交流电压源连接的整流器，由此提供给升压斩波器经整流的直流电压。斩波器包括电感器和与该电感器一起串接在整流器两端的开关元件，并驱动该开关元件交替地通断，以便在开关元件接通时将整流后的直流电压的能量贮存到电感器中，在开关元件断开时经隔离二极管将电感器的能量释放给充电泵电路。该充电泵电路连接成接收电感器以及整流器释放的能量以累积为第一电压，并提供该第一电压的分压对一平滑电容器充电，在其上形成降压输出的直流电压以驱动负载。变换器还包括一开关，它至少在开关元件导通的一部分期间被导通，从而将平滑电容器与充电泵电路连接，由上述分压对平滑电容器充电。该开关在开关元件截止区间期间被断开，使平滑电容器与斩波器断开连接。按此方式，升压斩波器起到直接将整流器的能量传送给充电泵电路在其上给出第一直流电压的作用，而充电泵电路则将第一直流电压变换为平滑电容器的下降直流电压，作为提供给负载的降压输出直流电压。有了此开关，平滑电容器被断开与斩波器的连接，使之不受升压斩波器高压的影响，而仅仅由充电泵电路充电，以累积降压输出直流电压。因此，采用升压斩波器时电路中仅有一个低电容的平滑电容器就够了。利用与整流器连接的升压斩波器向充电泵电路贮存能量，可提高功率因数，并且使整流器输入电流中的高频谐波减少。而且，利用充电泵电路能使从充电泵电路至平滑电容器的直流电压变换中的能量损失为最小，提高整流器提供降压输出直流电压时的电路效率。

因此，本发明的主要目的在于提供一种能以较高的电路效率使功率因数为最大的交直流变换器。

上述开关可以包括一与平滑电容器串联的辅助开关元件，它由与斩波器中开关元件共用的控制器控制，使得两开关元件控制得互相同步地通断。

另一方案是，此开关可以包括斩波器的开关元件和一个与平滑电容器一起串接在隔离二极管两端的二极管，这两个二极管按其极性呈反向并接关系。这样，仅增加二极管而共用斩波器的开关元件，就可以使充电泵电路与平滑电容器连接和断开连接，从而减少部件数。

本发明的这些目的以及其它目的和优点通过以下结合附图对较佳实施例的说明将会变得更清楚。

图1和图2分别是已有的交直流变换器的电路图；

图3是本发明第一实施例的交直流变换器的电路图；

图4是图3电路中所用控制器的电路图；

图5A至5E是表示图3电路工作情况的波形图；

图6是第一实施例修改方案的交直流变换器的电路图；

图7是本发明第二实施例的交直流变换器的电路图；

图8A和8B是表示图7电路工作情况的说明图。

第一实施例(图3和图4)

参见图3，它示出了本发明第一实施例的交直流变换器。该变换器适合用于从交流电压源1向逆变器70提供下降的直流电压，逆变器70再驱动放电灯5。此变换器包括一个二极管桥路形式的全波整流器10，它经一扼流线圈2与交流电压源1连接，提供经整流的直流电压。与整流器10连接的升压斩波器20从整流的直流电压产生一上升电压。升压斩波器20包括一与电感器22和电流检测电阻24一起串接在整流器10两端的场效应管21，它由控制器30控制，按较高的频率通断，使电感器22在场效应管21通时从整流器10的整流直流电压贮存能量，在场效应管21断时经隔离二极管23释放能量。此能量叠加到也经二极管23从整流器10提供的整流直流输出上，以提供加到充电泵电路50的上升电压。

充电泵电路50包括与二极管23一起串接在斩波器20的场效应管21两端的一对电容器51和52，以便斩波器20的上升电压经二极管23加到电容器51和52的串联组。这样，电容器51和52分别充电到上升电压的对半分压。二极管54、56、58组成的二极管网络与电容器51和52连接，形成使电容器51和52各向平滑电容器60放电的两条并联支路，由此在其两端形成充电泵电路50所加电压之半的降压输出直流电压。也就是说，二极管56与第一电容器51串联，并且与二极管54以及第二电容器52的串联组相并联，构成第一电容器51为了向平滑电容器60充电而进行放电的并联支路之一，而二极管58与第二电容器52串联，并且与二极管54以及第一电容器51的串联组相并联，构成第二电容器52为了向平滑电容器60充电而进行放电的另一并联支路。

场效应管61与平滑电容器60一起串接在充电泵电路50两端，使上述并联支路与平滑电容器60连接和断开连接。场效应管61与斩波器20的场效应管21共同由控制器30控制，同步地导通和截止。为此，场效应管61使其栅极经过变压器62与控制器30连接。在场效应管61导通时，在此期间场效应管41与导通，将能量贮存到电感器22中，充电泵电路50则与平滑电容器60连接，分别由电容器51和52经过并联支路对平滑电容器60充电。相反，当场效应管61未导通时，平滑电容器60与充电泵电路50断开连接，从充电泵电路50以及斩波器20接收不到电压，在此状态下，场效应管21也处于未导通状态，除了整流器10的整流直流输出之外，还从电感器22释放能量对电容器51和52组成的串联连接对充电。电阻65和66组成的电压分压器与平滑电容器60并联连接，提供给控制器30一分压以指示平滑电容器60上的降压输出直流电压。

控制器30包括一可由Unitrode公司提供的UC3852型专用集成电路IC31和相关部件，以监测流过斩波器20中电阻24的电流以及平滑电容器60上的直流输出电压，同时控制场效应管21和61。IC31有一个经电阻32、电容器33以及齐纳二极管34与交流电压源1连接的输入端(引脚7)。当电容器33充电向输入端(引脚7)提供工作电压时，IC31就被激励，在控制端(引脚6)产生一起动脉冲使场效应管21和61导通。电阻65和66构成的分压器的分压送到反馈端(引脚1)。如图4所示，IC31包括对应两输入间的差值输出误差电压的差分放大器40，其中，一个输入是反馈端(引脚1)上接收到的分压，另一个则是电压发生器41确定的内部基准电压，IC31中的内部电流源42通过一端(引脚3)与外部电阻35连接，以提供充电电流对与其一端(引脚4)连接的外部电容器36充电。比较器43将电容器36的电压与放大器40输出的误差电压作比较，在电容器36的电压超过误差电压时提供一高电平输出。此输出经过一“或”门44送到RS触发器45的复位输入端R，该RS触发器进而在Q输出端提供低电平信号，在 Q输出端提供高电平信号。Q输出端的低电平信号经缓冲器46以及控制端(引脚6)送出，使场效应管21和61截止，在这种情况下， Q输出端的高电平信号提供一偏置使晶体管47导通，由此电容器36进行放电，使之为其下次充电作好准备。这样，场效应管21和61的导通时间由平滑电容器60上积累的电压、和电阻35与电容器36的时间常数确定。流过斩波器中电感器22的电流按电流检测电阻24两端的电压被检测。这种检测电压经一端(引脚2)送给零点检测器48和极大电流检测器49。当流过电感器22的电流在场效应管21截止后下降到零时，零点检测器48响应，将一高电平信号提供给触发器45的置位输入端S，从而使场效应管21和61导通。在这种情况下，晶体管47截止，对电容器36充电直到某一电平，在该电平，比较器43提供使触发器45复位的输出。按此方式重复上述工作过程，使场效应管21和61导通和截止，没有电感器22无电流流过的死时间。极大电流检测器49是在万一有过高电流流过电感器22时用来使触发器45复位保护电路的。

这样组成的控制器30提供送给斩波器20中场效应管21使之导通和截止的如图5A所示的脉冲序列，从而电感器22流过如图5B所示的三角波电流。因此，充电泵电路50在电容器51和52组成的串联组两端得到如图5C所示的矩形波电压，此电压由场效应管21截止期间的高电平电压和场效应管21导通期间的低电平电压组成。低电压接近为高电压的一半。如前所述，场效应管61与场效应管21同步导通时，充电泵电路50就可以从各个电容器51和52分别经二极管54和55，并且共同经过场效应管61流过如图5D所示的电流，对平滑电容器60充电。相反，场效应管61未导通时，电流就无法从电容器51和52流到平滑电容器60。结果，对平滑电容器60充电到如图5E所示基本上为恒定电平的下降直流电压。

本实施例中，场效应管61由控制器30共同控制；使之与场效应管21同步地导通和截止，但场效应61也可以分开控制。在此情况下，场效应管61可以在场效应管21导通时间的至少一部分时间内被控制为导通而对平滑电容器60充电，在其两端得到进一步下降的直流电压。但是，必须在场效应管21的全部截止时间内使场效应管61截止，以便将平滑电容器60与斩波器20隔离，避免平滑电容器60由斩波器20直接充电。

平滑电容器60上得到的恒定直流电压加到逆变器70上使其工作，以较高的频率点亮放电灯。逆变器70是中心抽头类型的，包括一对晶体管71和72，以及具有初级绕组81、与放电灯5相连的次级绕组82和反馈绕组83的输出变压器80。晶体管71和72的发射极共接，集电极则分别与初级绕组81的相对两端连接。初级绕组81具有一中心抽头，该抽头经电感器73与平滑电容器60的一端连接。平滑电容器60的另一端与共接的晶体管71和72的发射极连接。电容器74连接在初级绕组81的两端。反馈绕组83连接成提供一偏置，使晶体管71和72以自激方式交替地导通和截止，从而在初级绕组81的两端产生高频交流电压，并通过次级绕组82施加相应的交流电压以点亮放电灯5。电阻75至77是用来起动逆变器70的。

图6图示了与第一实施例相类似的第一实施例修改方案，只是将充电泵电路50A配置为向上述相同的平滑电容器60A提供进一步下降的电压。相同的部件标注带有后缀字母“A”的相同标号。方便起见在此不再重复说明这些相同部件。充电泵电路50A包括三个电容器51A、52A和53，它们与二极管54A、55，以及隔离二极管23A一起串接在场效应管21A的两端，其中二极管54A连接在第一和第二电容器51A和52A之间，二极管55连接在第二和第三电容器52A和53之间。除二极管54A、55以外，还有二极管56A、57、58A以及59组成的二极管网络与电容器51A、52A以及53一起形成将各个电容器与平滑电容器60A连接的三条并联支路，由此在平滑电容器中累积相应的下降直流电压，此直流电压接近于斩波器20A加到充电泵电路50A的电压的三分之一。在这种情况下应该注意到，充电泵电路可以包括适当数量(n)的电容器以及相关的二极管，以提供给平滑电容器n分之一(n≥2)斩波器输出电压的降压输出直流电压。

修改方案中如图所示与交直流变换器连接的逆变器70A包括一个晶体管71A，电感器73A和电容74A组成的LC谐振电路，以及具有初级绕组91和反馈绕组92的反馈变压器90。晶体管71A与LC谐振电路一起串接在平滑电容器60A的两端。放电灯5A连接在谐振电路的两端，其中在灯5A一端与电容器47A之间连接有初级绕组91。反馈绕组92与晶体管71A的基极连接，使晶体管71A以自激方式导通和截止，从而谐振电路响应，以产生点亮放电灯5A的振荡电压。电阻93和电容器94组成的起动器电路连接在平滑电容器60A的两端，经二端交流开关95向晶体管71A的基极提供一起动偏压。

第二实施例(图7)

参见图7，图中示出与第一实施例类似的本发明第二实施例的交直流变换器，但包括一独特的开关使与上例相同的充电泵电路50B与平滑电容器60B通断，以取代原先的第二场效应管61。相同的部件标注带有后缀字母“B”的相同标号。此开关利用斩波器20B中的场效应管21B，并且包括一个与平滑电容器60B一起串接在隔离二极管23B两端的附加二极管68。此二极管68接成与隔离二极管23B的极性相反，以建立两条并联支路，使充电泵电路50B的各个电容器51B和52B都通过二极管68和场效应管21B向平滑电容器60B放电。也就是说，如图8A所示在场效应管21B导通使电流I_A从整流器10B流过电感器22B时，充电泵电路50B就能分别经二极管56B、第一电容器51B、平滑电容器60B、二极管68以及场效应管21B等组成的第一回路P₁，和第二电容器52B、二极管58B、平滑电容器60B、二极管68以及场效应管21B等组成的第二回路P₂使各个电容器51B和52B放电，从而在平滑电容器60B上累积得到接近于斩波器20B输出电压一半的下降电压。在这种情况下，平滑电容器60B与斩波器20B隔离，不由斩波器20B的电压充电。当场效应管21B截止时，如图8B所示，电感器22B释放叠加在整流器10B输出的整流直流电压上的能量，经过电容器51B和52B的串联组流过相应的电流I_B，由此对各个电容器充电。在这种情况下，场效应管21B断开平滑电容器60B与充电泵电路50B的连接，从而阻止平滑电容器60B由斩波器20B充电。因此，本实施例的变换器仅增加这个二极管68，不需要另外的场效应管，或开关元件，就可以具备与第一实施例相同的功能。本实施例中，电阻65B和66B组成的分压器不是连接在第一实施例中的平滑电容器两端而是连接在第二电容器52B的两端，提供给控制器30B指示直流输出电压的监测电压的。同样也可以改动本实施例，在充电泵电路中采用适当数量的电容器，以提供给逆变器70B或相应负载电路进一步降压输出的直流电压。

Claims (5)

1.一种交直流变换器，提供降压输出直流电压，它包括：

一交流电压源；

一整流器，与所述交流电压源连接提供已整流直流电压；

一升压斩波器，包括与第一开关元件一起串接在所述整流器两端的电感器，所述第一开关元件被驱动交替地导通和断开，在所述第一开关元件导通时将所述已整流直流电压的能量贮存到所述电感器中，在所述第一开关元件断开时从所述电感器释放此能量，所述斩波器还包括一隔离二极管，所述电感器通过此二极管释放所述能量；

一充电泵电路，它连接成接收所述电感器释放的以及所述整流器经所述隔离二极管释放的所述能量，以累积第一电压，并且提供所述第一电压的分压，再由所述分压对平滑电容器充电，在该电容器上建立所述降压输出直流电压，用来驱动一负载；

其特征在于，所述交直流变换器还包括：

开关装置，在所述第一开关元件导通的至少一部分时间内导通，使所述平滑电容器与所述充电泵电路连接，由所述充电泵电路的所述分压对所述平滑电容器充电，并且在所述第一开关元件断开时间内断开，使所述平滑电容器与所述斩波器断开连接。

2.如权利要求1所述的交直流变换器，其特征在于所述开关装置包括一个与所述平滑电容器串联连接的第二开关元件。

3.如权利要求2所述的交直流变换器，其特征在于所述第一和第二开关元件由共同的控制器控制，使之互相同步地通断。

4.如权利要求1所述的交直流变换器，其特征在于所述开关装置包括所述斩波器的所述开关元件和一二极管，此二极管与所述平滑电容器一起串接在所述隔离二极管的两端，所述的这些二极管按其极性呈反向并联关系。

5.如权利要求1或4所述的交直流变换器，其特征在于所述充电泵电路包括：

多个电容器，与所述隔离二极管一起串接在所述第一开关元件的两端，所述电容器由所述电感器经所述隔离二极管释放的以及所述整流器释放的能量充电，以在所述电容器的串联电路两端累积所述第一电压，而所述各个电容器充电至具有所述分压；

一二极管网络，与所述电容器连接形成并联支路，通过这些并联支路各个电容器与所述平滑电容器以并联方式连接，使得所述平滑电容器由所述分压充电。

Images