CN103929075B - 直流断路器电路、降低并调节直流母线电压的方法及电源 - Google Patents

直流断路器电路、降低并调节直流母线电压的方法及电源 Download PDF

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Abstract

总的来讲，本公开提供直流断路器电路、通过使用DC断路器电路降低并调节电源中的直流母线电压的方法及电源。所述断路器电路可包括被配置成将电源的输入级电路耦合到所述电源的输出级电路并向所述输出级电路提供经调节的DC母线电压的断路器开关，所述DC母线电压的电平基于所述断路器开关的开关状态。所述断路器电路还可以包括控制电路，所述控制电路被配置成生成门控信号以控制所述断路器开关的所述开关状态，所述门控信号基于所述DC母线电压与高压阈值和低压阈值的比较，使得所述DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波。

Description

直流断路器电路、降低并调节直流母线电压的方法及电源
技术领域
本公开涉及电源，更具体地讲，涉及具有提供降低的且经调节的DC母线电压（DC link voltage）的DC断路器开关电路的电源。
背景技术
现有的电源通常在电源的输入级采用整流器电路（例如全桥整流器）以将交流（AC）正弦波输入变换成整流正弦波。整流正弦波可用于为电容器充电，以生成直流（DC）母线电压，从而驱动电源的输出级，例如反相器/变换器电路。然而，DC母线电压通常接近AC峰值电压，而AC峰值电压的幅度可能相对较高。这可导致增大的开关损耗、噪音和待机（空载）功耗。还可能需要使用相对更昂贵的高压部件以及冲击/浪涌（inrush/surge）电流控制和电路保护部件，诸如保险丝和热敏电阻，这会增加电源的总体成本。
发明内容
在一个示例中，提供一种直流（DC）断路器电路，包括：断路器开关，所述断路器开关被配置成将电源的输入级电路耦合到所述电源的输出级电路，并向所述输出级电路提供经调节的DC母线电压，所述DC母线电压的电平基于所述断路器开关的开关状态；控制电路，所述控制电路被配置成生成门控信号以控制所述断路器开关的所述开关状态，所述门控信号基于所述DC母线电压与高压阈值的比较和所述DC母线电压与低压阈值的比较，使得所述DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波；并且所述控制电路还被配置成生成所述门控信号，使得所述断路器开关状态变化与所述输入级电路提供的电压的频率同步，以提供所述断路器开关的零电压切换（ZVS）情况。
在另一示例中，提供一种降低并调节电源中的DC母线电压的方法，所述方法包括：通过断路器开关将电源的输入级电路耦合到所述电源的输出级电路；将所述断路器开关配置为向所述输出级电路提供DC母线电压，所述DC母线电压的电平基于所述断路器开关的开关状态；生成门控信号以控制所述断路器开关的所述开关状态，所述门控信号基于所述DC母线电压与高压阈值的比较和所述DC母线电压与低压阈值的比较，使得所述DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波；以及为所述门控信号定时，使得所述断路器开关状态变化提供所述断路器开关的零电压切换（ZVS）情况。
在另一示例中，提供一种电源系统，包括：输入级电路，所述输入级电路被配置成接受输入电压；输出级电路，所述输出级电路被配置成提供输出电压；断路器开关，所述断路器开关被配置成将所述输入级电路耦合到所述输出级电路并向所述输出级电路提供经调节的DC母线电压，所述DC母线电压的电平基于所述断路器开关的开关状态；以及控制电路，所述控制电路被配置成生成门控信号以控制所述断路器开关的所述开关状态，所述门控信号基于所述DC母线电压与高压阈值的比较和所述DC母线电压与低压阈值的比较，使得所述DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波。
附图说明
随着以下具体实施方式的阐述并参考附图，要求保护的主题的实施例的特征和优点将变得显而易见，在附图中，类似的数字示出类似的部件，并且其中：
图1示出符合本公开的一个示例性实施例的顶层系统图；
图2示出符合本公开的一个示例性实施例的框图；
图3示出符合本公开的一个示例性实施例的电路图；
图4示出与符合本公开的一个示例性实施例相关的电压波形；
图5示出与符合本公开的一个示例性实施例相关的电压波形；
图6示出符合本公开的另一个示例性实施例的电路图；
图7示出符合本公开的另一个示例性实施例的电路图；
图8示出与符合本公开的另一个示例性实施例相关的电压波形；
图9示出符合本公开的另一个示例性实施例的电路图；以及
图10示出符合本公开的示例性实施例的操作流程图。
虽然下面的具体实施方式将参照示例性实施例进行，但是这些实施例的多个替代形式、修改形式和变型对于本领域技术人员来说将是清楚的。
具体实施方式
总的来讲，本公开提供通过使用DC断路器开关电路来降低并调节电源中的DC母线电压的电路、系统和方法。DC断路器开关电路可被配置成降低电源的输入级与电源的输出级之间的DC母线电压，这将在下文更详细地加以描述。在一些实施例中，电源可以为被配置成例如将第一电平的AC输入电压变换成第二电平的DC输出电压的开关模式电源。电源的输入级可包括整流器电路，而电源的输出级可包括反相器/变换器电路。可以提高的精度调节后的降低的DC母线电压，可允许使用具有提高的效率、更小的尺寸和更低的成本的较低额定电压部件。降低的DC母线电压还使得在待机运行期间的功耗变低。DC断路器开关电路还可以被配置成通过响应于过热、过电压或过电流情况而断开或在负载开关或电源管理系统的控制下断开，来为电源及相关的负载提供冲击/浪涌电流控制和保护。
图1示出符合本公开的一个示例性实施例的顶层系统100图。电源102显示为包括被配置成接受输入电压Vin的输入级104和被配置成生成输出电压Vout的输出级108。输出电压Vout可以是输入电压Vin的变换形式或电压电平转换形式。DC断路器电路106将输入级104耦合到输出级108，并被配置成降低并调节电源102的输入级与输出级之间的DC母线电压，这将在下文更详细地加以描述。
图2示出符合本公开的一个示例性实施例的框图。电源102以开关模式电源的示例构造更详细地示出。输入级104显示为包括滤波器电路202和整流器电路204，滤波器电路202可以为电磁干扰（EMI）滤波器，整流器电路204可以被配置成对AC输入电压Vin进行整流以提供整流电压VAB214。整流器电路可以为全桥整流器、同步整流器、无桥整流器或任何其他合适的整流器电路，其中一些例子将在下文示出。DC断路器电路106可被配置成生成降低的且经调节的整流电压Vdc-link216，该整流电压Vdc-link216被提供给DC母线电容器206。这种电压降低在图4中示出，图4显示了整流正弦波VAB214以及（使用DC断路器得到的）降低的电压Vdc-link216与（在不使用DC断路器电路的情况下得到的）更常规的Vdc-link402的比较。在一些应用中，VAB214的范围可达数百伏或更高，因而，通过使用DC断路器可显著降低Vdc-link（例如，约几百伏或更高）。
降低的DC母线电压216然后可提供给输出级108，输出级108可包括反相器/变换器电路208（其可以包括开关和脉冲宽度调制（PWM）控制电路）、变压器210、光耦合器218以及输出整流器和滤波器212，以产生所需的输出电压Vout。在一些实施例中，可通过光耦合器（例如，光隔离器）218从输出Vout向后提供反馈控制给反相器/变换器电路208，以调整反相器/变换器调制（例如，频率和/或脉冲宽度），从而实现或维持所需的输出电压电平。
图3示出符合本公开的一个示例性实施例的电路图。更详细地显示了DC断路器和相关的控制电路106，并参考图5所示的电压波形对电路的运行进行阐释。耦合在整流器204与DC母线电容器CdcL206之间的开关Sdc304在VAB214的每个周期期间选择性断开和闭合，以调节Vdc-link216的电压范围以及用于其他目的，如下文所阐释。在一些实施例中，在电源轻载或空载情况下，开关Sdc304可跳过开/关周期（脉冲）以进一步减少功率耗散。在一些实施例中，开关Sdc304可包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关。
节点A与B之间的整流电压VAB214可以是相对高的电压（例如，几百伏），可以通过分压电阻网络306（或其他合适的衰减电路）衰减到与控制逻辑电路处理兼容的电压电平（例如，在5伏或更低的范围内），以供DC断路器和相关控制电路106使用。将衰减后的电压提供给差分电路310以产生参考接地的衰减后的整流电压C502。也可以处于相对高压的Vdc-link216通过分压电阻网络308（或其他合适的衰减电路）相似地衰减到衰减后的Vdc-link524并提供给比较器326和328。
比较器326将衰减后的Vdc-link524与低压参考信号VrefL506进行比较，而比较器328将衰减后的Vdc-link524与高压参考信号vRefH504进行比较。电压参考信号504、506可被选择为将所生成的Vdc-link信号216的滞环控制的上阈值和下阈值限定在所需的设定点和容差范围（例如，与VAB214相比幅度和峰间电压均降低）。比较器326、328的输出为门控信号J508和K510，门控信号J508和K510标记VAB214上升沿上的关注区域，该区域将对应于所生成的Vdc-link信号216的电压纹波。
比较器312将衰减后的整流电压C502与衰减后的Vdc-link524进行比较以生成门控信号D512，该门控信号D512对应于其中VAB214大于Vdc-link216的区域。在信号D512从低电平变为高电平时，通过反相器313和比较器314生成单触发（one shot）信号E514。生成该单触发信号E514以有利于信号处理。该信号E514与J508一起（一旦两信号变高后）为触发器（flip-flop）SREF320生成接通信号F516，其通过限定接通开关Sdc304所需的时间来向DC断路器电路106提供提高的精度的同步功能，并因而实现在Sdc304接通时的零电压切换（ZVS）。控制信号K510通过信号D512被门控，以通过触发器SREF320为Sdc304生成切断信号。信号F516和L518分别用作触发器SREF320的设置和重置控制信号，以生成门驱动信号G520。
由“与”门（AND gate）322通过负载开关控制信号M对门驱动信号G520进行门控。在正常运行期间，负载开关控制信号M为高电平，并且控制信号G520得以通过，以生成用于控制Sdc开关304的控制信号H522。在控制信号H522为高电平时，Sdc开关304闭合，从而允许DC母线电容器206充电。在控制信号H522回到低状态时，Sdc开关304断开。Sdc开关304以此方式进行的倒换将Vdc-link信号216调节并限制到由阈值电压参考信号504、506限定的范围。在一些实施例中，门驱动电路（未示出）可用于将信号H522变换成适于Sdc304的门驱动信号。
门控信号E514提供Sdc开关304的切换时间与VAB214频率的同步，从而能够在Sdc开关304上实现零电压切换（ZVS）。零电压切换（其中，例如，当MOSFTET开关断开和闭合时，该开关的漏-源极电压基本上为零伏）可避免切换损耗，并降低（例如，如果Sdc304在VAB高于CdcL206两端的电压时接通）对DC母线电容器CdcL206的电应力。
可提供负载开关控制信号M以取代控制信号G520并驱使Sdc开关304断开（例如，作为DC电路断路器运行）。这可用于在出现外部感测到的过电流情况、过电压情况、过温情况和/或其他瞬态情况时向电源和/或负载提供保护并可消除对保险丝、热敏电阻、压敏电阻等的需要。在一些实施例中，负载开关控制信号M还可用于控制冲击电流。在一些实施例中，负载开关控制信号M可遵循先进的电源管理通信协议并可由计算机系统和电源控制器提供。
Sdc开关304在图3中显示为耦合在整流器204的低侧（B）与地之间。然而，在一些实施例中，开关可耦合在整流器204的高侧（A）与DC母线电容器206的高侧之间。
图6示出符合本公开的另一个示例性实施例的电路图。在可适于较低功率应用的该实施例中，开关Sdc304可包括形成同步整流器构造的背对背MOSFET602，以将输入正弦波的负电压相位滤除并因而取代二极管桥整流器的操作。通过消除二极管桥整流器，与各二极管的典型正向偏置相关的0.7伏压降可得以避免，总共节省1.4伏。DC断路器电路106的其余部分如之前所述运行。
图7示出符合本公开的另一个示例性实施例的电路图。在该实施例中，开关Sdc304可包括形成同步整流器构造的一对背对背MOSFET702（S2-S4和S1-S3），该配置还在图9中更详细地示出。参考图8中所示的电压波形对DC断路器电路106的运行加以阐释。相对较高电压的信号VAB和Vdc-link如之前所述通过分压电阻网络（在该图中未示出）而衰减到与控制逻辑电路处理相兼容的电压电平。
比较器704将衰减后的Vdc-link814与低压参考信号816进行比较，而比较器706将衰减后的Vdc-link814与高压参考信号812进行比较。电压参考信号812、816可被选择为将生成的Vdc-link信号216的上下阈值限定到所需的设定点和范围（例如，与VAB相比降低）。比较器704、706的输出为门控信号J822和K824，门控信号J822和K824标记在VAB的上升沿上的关注区域，该区域将对应于所生成的Vdc-link信号216的电压设定点和范围。
生成衰减后的电压差C=A-B802和D=B-A804并通过二极管DL和DN合并以形成整流电压波形N810。C信号802还用于生成与其中C802为正（并且D804为负）的区域对应的门控信号E=VPL806。D信号804还用于生成与其中C802为负（并且D804为正）的区域对应的门控信号F=VPN808。
比较器708将整流电压波形N810与衰减后的Vdc-link进行比较以生成门控信号P818，该门控信号P818对应于其中VAB214大于Vdc-link216的区域。通过反相器714和比较器716基于信号P818的上升沿（从低到高）生成单触发脉冲L820以有利于信号处理。通过限定Sdc702的低侧开关（S2或S4）可以接通的时间，该门控信号L820与J822一起通过“与”门718来为DC断路器电路106提供同步接通信号R828，从而实现接通时的零电压切换（ZVS）以及降低对CdcL的电应力。控制信号K824通过信号P818被门控，从而为Sdc开关702中的S2或S4生成关断控制信号Q826。触发器710用于分别通过R828（设置）和Q826（重置）为Sdc开关702中的S2和S4生成控制信号G830。
由“与”门712通过负载开关控制信号M对控制信号G830与进行门控。在正常运行期间，负载开关控制信号M为高电平，并且控制信号G830得以通过，以生成控制信号H832。门控信号P818被分路，利用信号VPL806和VPN808对控制信号H832进行门控，以生成分别对应于VAB的交替正负相位的交替控制信号VPdc834和VNdc836。VPdc834和VNdc836交替地闭合Sdc开关702的开关S2和S4以控制DC母线电容器206的充电，使得Vdc-link信号216被调节到由阈值电压参考信号812、816限定的范围。
负载开关控制信号M以与之前结合图3的电路所述的相似方式运行。
图9示出符合本公开的另一个示例性实施例的电路图。无桥整流器构造902显示为同步桥整流器702的替代形式。在该实施例中，二极管D1和D3替代开关S1和S3，可以降低电路具体实施的成本，代价是与二极管相关的附加正向偏置电压降。
图10示出符合本公开的示例性实施例的操作1000的流程图。在操作1010处，通过一个或多个断路器开关将电源的输入级电路耦合到电源的输出级电路。在操作1020处，将断路器开关配置成向输出级电路提供DC母线电压，DC母线电压的电平基于断路器开关的开关状态。在操作1030处，生成门控信号以控制断路器开关的开关状态，门控信号基于衰减后的DC母线电压与高压阈值的比较以及衰减后的DC母线电压与低压阈值的比较，使得DC母线电压的幅度被调节到设定点。在操作1040处，对门控信号定时，使得断路器开关状态变化提供断路器开关的零电压切换（ZVS）情况。
因此，本公开提供用于具有DC断路器开关电路的电源的装置、方法和系统，该DC断路器开关电路提供降低的且经调节的DC母线电压。以下例子属于另外的实施例。
根据一个方面，提供了一种直流（DC）断路器电路。该DC断路器电路可包括断路器开关，该断路器开关被配置成将电源的输入级电路耦合到电源的输出级电路并向输出级电路提供经调节的DC母线电压，DC母线电压的电平基于断路器开关的开关状态。该例子的DC断路器电路还可以包括控制电路，该控制电路被配置成生成门控信号以控制断路器开关的开关状态，门控信号基于DC母线电源与高压阈值的比较和DC母线电源与低压阈值的比较，使得DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波。该例子的控制电路还可以被配置成生成所述门控信号，使得断路器开关状态变化与输入级电路提供的电压的频率同步，以提供断路器开关的零电压切换（ZVS）情况。
根据另一方面，提供了一种方法。该方法可包括通过断路器开关将电源的输入级电路耦合到电源的输出级电路。该例子的方法还可以包括将断路器开关配置成向输出级电路提供DC母线电压，DC母线电压的电平基于断路器开关的开关状态。该例子的方法还可以包括生成门控信号以控制断路器开关的开关状态，门控信号基于DC母线电压与高压阈值额比较DC母线电压与低压阈值的比较，使得DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波。该例子的方法还可以包括对门控信号定时，使得断路器开关状态变化提供断路器开关的零电压切换（ZVS）情况。
根据另一方面，提供了一种电源系统。该电源系统可包括被配置成接受输入电压的输入级电路和被配置成提供输出电压的输出级电路。该例子的电源系统还可以包括断路器开关，它被配置成将输入级电路耦合到输出级电路并向输出级电路提供经调节的DC母线电压，DC母线电压的电平基于断路器开关的开关状态。该例子的电源系统还可以包括控制电路，它被配置成生成门控信号以控制断路器开关的开关状态，门控信号基于DC母线电压与高压阈值的比较和DC母线电压与低压阈值的比较，使得DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波。
本文所述的方法的实施例可在包括一种或多种存储介质的系统中具体实施，该存储介质在其上单独地或组合地存储有在通过一个或多个处理器执行时执行该方法的指令。这里，处理器可包括例如系统CPU（例如，核心处理器）和/或可编程电路。因此，意图是，根据本文所述的方法的操作可分布在多个物理装置，诸如在多个不同物理位置的处理结构。另外，意图是，方法的操作可单独地或以子组合执行，如本领域的技术人员所理解。因此，不是每一流程图的所有操作都需要执行，并且本公开明确地旨在能够实现此类操作的所有子组合，如本领域的普通技术人员将会理解。
存储介质可包括任何类型的有形介质，例如任何类型的磁盘（包括软盘、光盘、压缩光盘只读存储器（CD-ROM）、可重写光盘（CD-RW）、数字通用光盘（DVD）和磁光盘），半导体装置（诸如只读存储器（ROM）、诸如动态和静态随机存取存储器（RAM）的RAM、可擦可编程只读存储器（EPROM）、电可擦可编程只读存储器（EEPROM）、闪存、磁卡或光卡）或任何类型的适于存储电子指令的介质。
如在本文的任何实施例中所用的“电路”可例如单独地或以任何组合包括硬连接电路、可编程电路、状态机电路和/或存储由可编程电路执行的指令的固件。应用程序可体现为可在诸如主处理器的可编程电路或其他可编程电路上执行的编码或指令。如在本文的任何实施例中所用的模块可体现为电路。电路可体现为集成电路，诸如集成电路芯片。
本文中采用的术语和表达方式作为描述而非限制的术语使用，并且在使用这种术语和表达方式的过程中，不旨在排除示出和描述的特征（或其一部分）的任何等同物，并且认识到，各种修改形式可落入权利要求书的范围内。因此，权利要求书旨在涵盖所有这种等同物。已在本文中描述了各种特征、方面和实施例。这些特征、方面和实施例容许存在相互组合以及变形形式和修改形式，如本领域技术人员将理解的那样。因此，应该认为本发明涵盖这种组合、变形形式和修改形式。

Claims (20)

1.一种直流DC断路器电路，包括：
断路器开关，所述断路器开关被配置成将电源的输入级电路耦合到所述电源的输出级电路，并向所述输出级电路提供经调节的DC母线电压，所述DC母线电压的电平基于所述断路器开关的开关状态；
控制电路，所述控制电路被配置成生成门控信号以控制所述断路器开关的所述开关状态，所述门控信号基于所述DC母线电压与高压阈值的比较和所述DC母线电压与低压阈值的比较，使得所述DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波；并且
所述控制电路还被配置成生成所述门控信号，使得所述断路器开关状态变化与所述输入级电路提供的电压的频率同步，以提供所述断路器开关的零电压切换ZVS情况。
2.根据权利要求1所述的DC断路器电路，还包括：滞环控制电路，该滞环控制电路被配置成响应于与所述输入级电路提供的所述电压相关的噪音而限制所述断路器开关的开关状态变化。
3.根据权利要求1所述的DC断路器电路，还包括：负载开关控制电路，该负载开关控制电路被配置成响应于检测到过电流、过电压或过温情况而断开所述断路器开关。
4.根据权利要求1所述的DC断路器电路，其中，所述断路器开关为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
5.根据权利要求1所述的DC断路器电路，其中，所述断路器开关为同步桥整流器。
6.根据权利要求1所述的DC断路器电路，其中，所述断路器开关为无桥整流器。
7.一种降低并调节电源中的DC母线电压的方法，所述方法包括：
通过断路器开关将电源的输入级电路耦合到所述电源的输出级电路；
将所述断路器开关配置为向所述输出级电路提供DC母线电压，所述DC母线电压的电平基于所述断路器开关的开关状态；
生成门控信号以控制所述断路器开关的所述开关状态，所述门控信号基于所述DC母线电压与高压阈值的比较和所述DC母线电压与低压阈值的比较，使得所述DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波；以及
为所述门控信号定时，使得所述断路器开关状态变化提供所述断路器开关的零电压切换ZVS情况。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：响应于与所述输入级电路提供的电压相关的噪音，限制所述断路器开关的开关状态变化。
9.根据权利要求7所述的方法，还包括：响应于检测到过电流、过电压或过温情况，断开所述断路器开关。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述断路器开关为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述断路器开关为同步桥整流器。
12.根据权利要求7所述的方法，其中，所述断路器开关为无桥整流器。
13.一种电源系统，包括：
输入级电路，所述输入级电路被配置成接受输入电压；
输出级电路，所述输出级电路被配置成提供输出电压；
断路器开关，所述断路器开关被配置成将所述输入级电路耦合到所述输出级电路并向所述输出级电路提供经调节的DC母线电压，所述DC母线电压的电平基于所述断路器开关的开关状态；以及
控制电路，所述控制电路被配置成生成门控信号以控制所述断路器开关的所述开关状态，所述门控信号基于所述DC母线电压与高压阈值的比较和所述DC母线电压与低压阈值的比较，使得所述DC母线电压的幅度被调节到设定点和峰间纹波。
14.根据权利要求13所述的电源系统，其中，所述控制电路还被配置成生成所述门控信号，使得所述断路器开关状态变化与所述输入级电路提供的电压的频率同步，以提供所述断路器开关的零电压切换ZVS情况。
15.根据权利要求13所述的电源系统，还包括：滞环控制电路，该滞环控制电路被配置成响应于与所述输入级电路提供的电压相关的噪音而限制所述断路器开关的开关状态变化。
16.根据权利要求13所述的电源系统，还包括：负载开关控制电路，该负载开关控制电路被配置成响应于检测到过电流、过电压或过温情况而断开所述断路器开关。
17.根据权利要求13所述的电源系统，其中，所述断路器开关为金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT。
18.根据权利要求13所述的电源系统，其中，所述断路器开关为同步桥整流器。
19.根据权利要求13所述的电源系统，其中，所述断路器开关为无桥整流器。
20.根据权利要求13所述的电源系统，其中，所述电源为开关模式电源并且所述输入级电路包括电磁干扰EMI滤波器。
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