CN104052265B - 耦合电感器直流降压转换器 - Google Patents

Abstract

一种降压功率转换器，包括开关、电感器、二极管、电容器以及磁耦合到电感器的线圈。二极管、电感器和电容器串联耦接，并且晶体管、耦合线圈以及电容器被串联地耦接。在电容器的两端提供输出电压Vout。当开关导通时，能量从输入电源电压转移到耦接到电容器两端的负载，并且电流流过耦合线圈并且由此在线圈中存储能量。当开关关断时，没有电流流过耦合线圈，但是存储在线圈中的能量在磁耦合的电感器中感应出电流，由此将能量从线圈传递到负载。

Description

耦合电感器直流降压转换器

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2013年3月15日提交的序列号为61／798,836的、题目为“LASERMEASUREMENT SYSTEM AND METHOD IN A CNC MACHINE(在CNC机器中的激光测量系统及其方法)”的共同待决美国临时申请的优先权。通过引用，将序列号为61／798,836的美国临时申请的全部内容合并于此。

技术领域

本发明一般涉及功率转换器领域。更加具体地，本发明涉及具有增加的效率的新型功率转换器架构。

背景技术

多年来已经研发出多种功率转换器拓扑结构，其试图改善功率转换器的功率密度以及开关效率。新型转换器拓扑结构的新兴关注点在于提供用于减小或者消除转换器开关损耗、同时增加开关频率的机制。更低的损耗和更高的开关频率意味着更加高效的转换器，其可以减小转换器组件的大小和重量。此外，随着例如由脉宽调制(PWM)来操作的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关的高速复合半导体开关的引入，最近的正反激(forward and flyback)拓扑结构现在可以以极大增加的开关频率来进行操作，诸如，例如，高达1.0MHz的频率。

然而，由于半导体开关以高电压和／或高电流水平来进行快速的开／关切换，开关频率的增加可能会导致与开关和组件应力相关的损耗的相应增加，以及增加的电磁干扰(EMI)、噪声和切换通信问题。此外，现代电子组件被期望来执行多种功能，例如，期望其提供用于可变升压或者降压电压变换的功能。

不同种类的功率转换器拓扑结构可以被广泛用在各种应用中。发光二级管(LED)技术正在被用在从未被如此扩展的应用中。为了实现LED发光，需要高效LED驱动器来获取从线电压到应用于LED灯泡发光的负载电压的整体功率转换。功率转换器的常用功能被提供用于将输出或者“负载”电压与输入或者“源”电压隔离。然而，这种隔离导致减小的功率转换效率和成本增加。在LED灯泡发光应用中，可以通过使用灯泡盖来实现安全隔离，从而消除了对于在LED驱动器电路中隔离的需要。当前，降压转换器、非隔离反向激转换器、以及升降压型转换器是很普遍的，在LED灯泡发光系统的LED驱动器电路中使用非隔离转换器电路。然而，当在其中高交流(AC)线电压被转换为例如小于10V的低输出电压的应用中、如LED灯泡发光应用中使用时，这种LED驱动器电路将受到功率转换低效的影响。

图1示出了传统的降压电压转换器。转换器10包括晶体管Q1、电感器L1、电容器C1以及二极管D1。到电路的输入电压可以是在整流和滤波之后从AC电源中获得的未调节直流(DC)电压。晶体管Q1是快速开关器件，例如MOSFET，其的开关通过快速动态控制器(未示出)来控制以维持所需要的输出电压Vout。在操作中，晶体管Q1和二极管D1在将电感器L1连接到电压源Vin以在电感器L1中存储能量与将电感器L1与电压源Vin断开以将在电感器中存储的能量释放到耦接到输出处的负载之间进行交替。

当晶体管Q1导通时，电流从电压源Vin通过晶体管Q1和电感器L1流到电容器C1以及耦接到输出处的负载。当晶体管Q1导通时，电感器L两端的电压VL为VL=Vin-Vout。通过电感器L的电流线性地上升。二极管D1被电压源Vin反向偏置，并且因此没有电流流过它。在该时间段期间，电感器L1正以磁场的形式来存储能量。当晶体管Q1关断时，电压源Vin被从电路中移除，并且电感器L1充当电压源，其中，电流从电感器L1流向电容器C1以及负载和正向偏置的二极管D1。在该时间段期间，电感器L1将其存储的能量放电到电路中。电容器C1用于当电感器L1在每个周期中充电和放电时平滑输出的电压波形。

图2示出了低端(1ow-side)驱动的传统降压电压转换器。除了晶体管Q2位于电路的低端而不是如晶体管Q1那样在高端(high-side)之外，图2中所示的降压电压转换器与图1中的降压电压转换器相同。在低端配置晶体管简化了驱动器电路，因为晶体管的源极引脚被连接到地。相反，当如图1所示地在高端配置晶体管时，高端的晶体管的源极是浮置的。具有低端MOSFET的降压电路的输出是浮置的，因此，其仅仅适合用于在输入侧和输出侧不需要公共地的应用。

降压转换器的效率受到输入电压与输出电压的比率的限制。更高的电压比率导致更低的效率。在小于10V的低输出电压的情况下，续流二极管两端的正向电压降大于1V。因此，二极管消耗了总输出功率的5％到10％，并且导致较差的功率转换效率。

发明内容

降压功率转换器的实施例包括开关、电感器、二极管、电容器以及磁耦合到电感器的线圈。功率转换器接收整流的AC电压来作为输入。在一些实施例中，整流的AC电压是整流的AC线电压。开关的占空比通过耦接到开关的控制器来控制。在一些实施例中，开关是晶体管。二极管、电感器以及电容器被串联耦接，并且晶体管、耦合线圈以及电容器被串联耦接。在电容器的两端提供输出电压Vout。当开关导通时，能量从输入电源电压转移到耦接到电容器两端的负载，并且电流流过耦合线圈并由此在线圈中存储能量。当开关关断时，电流不流过耦合线圈，但是存储在线圈中的能量在磁耦合的电感器中感应出电流，由此将能量从线圈传递到负载。功率转换器为将高AC线输入电压转换为低输出电压、例如小于10V的输出电压的那些应用提供了改善的效率。

在一方面，公开了一种用于将输入电压转换为输出电压的功率转换器电路。所述功率转换器包括：二极管、第一电感器、输出电容器、第二电感器以及开关。第一电感器被与二极管串联连接。输出电容器被耦接到输入电源电压，并且被并联耦接到串联耦接的二极管和第一电感器。输出电压是电容器两端的电压。第二电感器被串联地耦接到电容器。第二电感器被磁耦接到第一电感器。开关被串联耦接到第二电感器以及输入电源电压。

在一些实施例中，功率转换器电路被配置为当开关导通时，将能量从输入电源电压转移到耦接到电容器的负载，并且将能量存储在第二电感器中。在一些实施例中，功率转换器被配置为当开关关断时，将能量从第二电感器转移到耦接到电容器的负载。在一些实施例中，当开关被导通时，二极管被反相偏置，并且没有电流流过串联耦接的第一电感器。在这种情况下，当开关被导通时，通过第二电感器的电流可以线性地上升到峰值。在一些实施例中，当开关被关断时，二极管被正向偏置，并且电流流过串联耦接的第一电感器。在这种情况下，当开关被关断时，通过第一电感器的电流可以线性地下降。在一些实施例中，二极管的阴极被耦接到输入电源电压的高端，并且耦接到电容器的第一端，二极管的阳极被耦接到第一电感器的第一端，并且第一电感器的第二端被耦接到电容器的第二端。在一些实施例中，第二电感器的第一端被耦接到开关，并且第二电感器的第二端被耦接到电容器的第二端。在一些实施例中，开关被耦接到输入电源电压的低端。在一些实施例中，开关包括晶体管。在一些实施例中，功率转换器还包括耦接到开关的控制器。

在另一方面，公开了另一种功率转换器电路。所述功率转换器电路包括：降压型转换器、线圈和开关。降压型转换器包括：二极管、电容器以及电感器，其中，降压型转换器被耦接到输入电源电压，并且在电容器的两端提供降压输出电压。线圈被串联耦接到电容器，并且磁耦合到电感器。开关被串联耦接到耦合线圈和输入电源电压的低端。在一些实施例中，功率转换器还可以包括耦接到开关以将开关导通和关断的控制器，其中，功率转换器电路被配置为使得当开关导通时电流流过线圈而不流过电感器，由此在线圈中存储能量，并且将能量从输入电源电压传递到耦接到电容器的负载，并且使得当开关关断时电流流过电感器而不流过线圈，由此在线圈中存储的能量在电感器中感应电流，从而将能量从线圈传递到耦接到电容器的负载。

附图说明

参考附图，对一些示例性实施例进行描述，其中，相同的组件被提供有相同的参考标号。示例性实施例用于示例本发明，而不是限制本发明。附图包括以下的视图：

图1示出了传统的降压电压转换器。

图2示出了低端驱动的传统降压电压转换器。

图3示出了根据实施例的功率转换器。

具体实施方式

本发明的实施例涉及功率转换器。本领域的普通技术人员应该认识到功率转换器的以下详细描述仅仅是示例性的，并且其不用于任何方式的限制。功率转换器的其他实施例对于从本公开获益的技术人员而言将变得容易理解。

现在将对如附图中所示的功率转换器的实施方式进行详细的描述。在整个附图和以下的详细描述中，相同的参考标识被用于表示相同或者相似的部件。为了清楚，并没有示出和描述在此描述的实施方式的所有的常规特征。当然，应该理解，在任何该实际实施方式的研发中，必须进行多个实施方式特定的判定，以实现研发者的特定目标，例如，与应用和业务相关的限制的兼容，并且应该理解，这些特定的目标将根据实施方式而变化，并且根据研发者而变化。此外，应该理解，这样的研发努力应该是复杂的而且是耗时的，但其仍是从公开获益的本领域的技术人员在工程学上的例行工作。

图3示出了根据实施例的功率转换器。功率转换器10被配置为接收未调节的直流(DC)电压信号来作为输入电压Vin，并且提供未调节的输出电压Vout。到电路的输入电压可以是在整流之后从交流(AC)电源获取的未调节的DC电压。通常输入电压被滤波，例如，经由电容器滤波。在一些实施例中，输出电压电平适合于诸如膝上型计算机、蜂窝式电话机以及其他手提设备的许多低电压应用。在示例性实施例中，输出电压Vout被设置为10V或者更小。或者，功率转换器10可以提供大于10VDC的输出电压Vout。

功率转换器10被配置为降压转换器。在一些实施例中，功率转换器被配置为包括降压型转换器的属性。一般地，功率转换器可以包括本领域技术人员已知的开关模式电源的配置。功率转换器10包括：二极管12、电容器14、电感器16、开关18、控制器20以及电感器22。二极管12与电感器16串联耦接，并且该串联耦接被并联耦接到电容器14。开关18与电感器22串联耦接。

开关18是适当的开关器件。在示例性实施例中，开关18是n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。或者，对于本领域技术人员而言已知的任何其他的半导体开关器件都可以用来替代开关18。晶体管18通过控制器20来控制，以获取需要的输出电压Vout。在一些实施例中，控制器20包括脉宽调制(PWM)电路。控制器20利用PWM电路来调节晶体管18的占空比。

电感器22磁耦合到电感器16，使得电感器22形成初级线圈，并且电感器16形成变压器TX1的次级线圈。然而，电感器16的第二端被电耦接到电感器22的第二端。该公共端被耦接到电容器14。如图3中所示，续流二极管12被耦合到耦合线圈，即电感器22，而不是如在图2的传统低端降压转换器中那样耦接到MOSFET Q2的漏极。

在操作中，当晶体管18导通时，电流从电压源Vin流过电容器14、电感器22和晶体管18。当晶体管18导通时，电容器14两端的电压等于输出电压Vout，并且电感器22两端的电压近似等于Vin-Vout，其中，在晶体管18两端的电压降可以被忽略。流过电感器22的电流以(Vin-Vout)／Lp1的斜率开始线性增加，其中，Lp1是电感器22的电感。当晶体管18导通时，二极管12被反向偏置，并且没有电流流过二极管12。在这个时间段期间，电感器22以磁场的形式来存储能量。

当晶体管18关断时，电压源Vin被从电路中移除，并且通过与电感器16的磁耦合，电感器22充当电压源。在电感器22中存储的能量通过电感器16而感应出电流，并且感应电流从电感器16流到正向偏置的二极管12以及电容器14。在该时间段期间，电感器22将其存储的能量放电到电路中。通过电感器16的电流以Vout／Ls1的斜率而线性减小。电容器C1用于当电感器L1在每个周期中充电和放电时平滑电压波形。

二极管12上的电压应力从Vin减小到(Vin-Vout)／N+Vout，其中，N是电感器22与电感器16的匝数比。二极管12上的正向电压可以被大大减小。100V二极管的典型的正向电压Vf是大约0.7V，而400V二极管的正向电压Vf大约是1.5V。对于常规整流为264VAC的AC电压，其最大值大约是264×1.414=373.3V。在传统的降压转换器中，二极管反向击穿电压必须高于400V。通过使用图3中的耦合电感器方案，对于二极管12的反向偏置电压可以减小到低于100V，例如，通过假设N=7且Vout=10V，373.3／7+10=63V。使得能够使用额定电压更低的二极管导致二极管12两端的减小的功率耗散。此外，通过晶体管18的峰值电流从Ipk减小到Ipk／N。峰值电流的减小导致低的RMS电流。考虑到晶体管的Rdson是相同的，利用公式Irms×Irms×Rdson，晶体管上的功率耗散被大大减小。如果功率耗散保持相同，则可以使用具有更高Rdson的晶体管，这降低了其成本。晶体管18上的传导损耗同样也减小。这些因素中的每一个都导致改善的能量转换效率。此外，因为在半导体上的电压应力和电力应力相比于传统的解决方案要小很多，所以可以减小材料成本。

使用图3的功率转换器，二极管功率和晶体管这两者的功率耗散都被大大减小，并且因此转换效率得到改善。对于输出电压，其可以高于10V。需要折中的是，更高的输出电压可能不会得到有如低电压一样大的收获。其原因在于由输出电压分压的二极管电压降的比率影响了效率。更高的输出电压意味着关于能量转换效率的二极管电压降的改善变小。

已经从合并有便于理解功率转换器的操作和构造的原理的细节的特定实施例的角度描述了本发明。在各个附图中示出和描述的许多组件可以互换以实现需要的结果，并且该描述应该被理解为包含该种互换。因此，在此对于特定实施例及其细节的描述不用于限制所附权利要求的范围。对于本领域的技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对被选择用于示例的实施例进行修改。

Claims (16)

1.一种用于将输入电压转换为输出电压的功率转换器电路，所述功率转换器包括：

a、二极管，具有阳极和阴极，其中，所述阴极耦接为与输入电源电压的高端直接电接触；

b、具有第一端和第二端的第一电感器，其中，所述第一电感器的所述第一端耦接为与所述二极管的阳极直接电接触，从而形成第一电感器-二极管串；

c、输出电容器，耦接到输入电源电压，并且并联耦接到第一电感器-二极管串，其中所述输出电压是输出电容器两端的电压；

d、具有第一端和第二端的第二电感器，其中，所述第二电感器的所述第二端串联耦接到输出电容器，并且所述第二电感器的所述第二端被耦接为与所述第一电感器的所述第二端直接电接触，其中所述第二电感器磁耦合到第一电感器；以及

e、开关，串联耦接到第二电感器以及输入电源电压的低端。

2.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述功率转换器电路被配置为：当开关导通时，将能量从输入电源电压转移到耦接到输出电容器的负载，并且将能量存储在第二电感器中。

3.根据权利要求2所述的功率转换器电路，其中，所述功率转换器电路被配置为：当开关关断时，将能量从第二电感器转移到耦接到输出电容器的负载。

4.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，当开关被导通时，所述二极管被反向偏置，并且没有电流流过串联耦接的第一电感器。

5.根据权利要求4所述的功率转换器电路，其中，当开关被导通时，通过第二电感器的电流线性地上升到峰值。

6.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，当开关被关断时，所述二极管被正向偏置，并且电流流过串联耦接的第一电感器。

7.根据权利要求6所述的功率转换器电路，其中，当开关被关断时，通过第一电感器的电流线性地减小。

8.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述二极管的阴极被耦接到输入电源电压的高端和所述输出电容器的第一端，所述二极管的阳极被耦接到所述第一电感器的所述第一端，并且所述第一电感器的所述第二端被耦接到所述输出电容器的第二端。

9.根据权利要求8所述的功率转换器电路，其中，所述第二电感器的所述第一端被耦接到所述开关，并且所述第二电感器的所述第二端被耦接到所述电容器的第二端。

10.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述开关被耦接到输入电源电压的低端。

11.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述开关包括晶体管。

12.根据权利要求1所述的功率转换器电路，进一步包括耦接到所述开关的控制器。

13.根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述二极管是分立组件。

14.一种功率转换器电路，包括：

a、降压型转换器，包括：二极管、电容器以及具有第一端和第二端的电感器，其中，所述二极管具有阳极和阴极，其中，所述阴极耦接为与输入电源电压的高端直接电接触，所述电感器的所述第一端耦接为与所述二极管的阳极直接电接触，从而形成电感器-二极管串，所述降压型转换器被耦接到输入电源电压，并且在电容器两端提供降压输出电压；

b、具有第一端和第二端的线圈，其中所述线圈的所述第二端被串联耦接到电容器，并且磁耦合到电感器，进一步其中所述电感器的所述第二端被耦接为与所述线圈的所述第二端直接电接触；以及

c、开关，被串联耦接到所述线圈的所述第一端，并且被耦接到输入电源电压的低端。

15.根据权利要求14所述的功率转换器电路，进一步包括：耦接到开关以将开关导通和关断的控制器，其中，所述功率转换器电路被配置为：使得当开关导通时电流流过线圈而不流过电感器，由此在线圈中存储能量，并且将能量从输入电源电压传递到耦接到电容器的负载；并且使得当开关关断时电流流过电感器而不流过线圈，由此在线圈中存储的能量在电感器中感应出电流，从而将能量从线圈传递到耦接到电容器的负载。

16.一种用于将输入电压转换为输出电压的功率转换器电路，所述功率转换器包括：

a、输入电源电压，具有高端和低端；

b、二极管，具有阳极和阴极，其中，所述阴极耦接为与输入电源电压的高端直接电接触；

c、第一电感器，具有第一端和第二端，其中，所述第一电感器的第一端耦接为与所述二极管的阳极直接电接触，从而形成第一电感器-二极管串；

d、输出电容器，具有第一端和第二端，其中，所述输出电容器的第一端耦接为与所述输入电源电压的高端直接电接触，并且所述输出电容器的第二端耦接为与所述第一电感器的第二端直接电接触，使得所述输出电容器并联耦接到所述第一电感器-二极管串，其中所述输出电压还是所述输出电容器两端的电压；

e、第二电感器，具有第一端和第二端，其中，所述第二电感器的第二端耦接为与所述第一电感器的第二端和所述输出电容器的第二端直接电接触，其中所述第二电感器磁还耦合到第一电感器；以及

f、开关，具有第一端、第二端和第三端，其中，所述开关的第一端耦接为与所述第二电感器的第一端直接电接触，并且所述开关的第二端耦接为与所述输入电源电压的低端直接电接触，并且所述开关的第三端耦接为接收驱动信号。