CN106505885B - 市电功率转换器、其对应的控制器以及其操作方法 - Google Patents

市电功率转换器、其对应的控制器以及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种功率转换器，其被配置成转换AC市电功率到低于所述AC市电的峰值电压的DC输出电压。所述功率转换器包括：电容器，其被配置成存储在所述峰值电压和所述DC输出电压中间的电压范围中的电荷；门控整流级，其包括用于整流AC市电功率的整流器，和至少一个开关，其被配置成仅在所述AC市电的半循环的低电压部分期间供应所述所整流的AC市电功率到所述电容器；以及开关模式DC‑DC功率转换级，其包括至少一个另外的开关，并且被配置成仅在所述半循环的高电压部分期间从所述电容器转换功率到所述DC输出电压。本发明也公开一种用于这种转换器的控制器和一种对应的方法。

Description

市电功率转换器、其对应的控制器以及其操作方法
技术领域
本发明涉及被配置成将AC市电功率转换到DC输出电压的功率转换器、其对应的控制器以及其操作方法。
背景技术
在诸如3.3V、或5V或12V的低电压下操作的多个应用得益于被连接到市电电源。先前，获得低电压的常规方式是使用高电压电容分压器，其中电容器用作阻抗。整流并使用电容器电流。此方法高效，但电容器较大和昂贵。
另一个常规的解决方案是使用整流和开关模式DC-DC转换器，其可以被配置成高效地操作，但由于涉及到高电压，这些通常较为昂贵。在所涉及的低占空比下，这些都难以控制；例如，下转换325V到3.3V，DC-DC转换器将必须在仅仅1％的占空比下操作。
通常比使用DC-DC转换器更便宜的另一已知的解决方案是使用线性电压调节器，诸如低压差电压调节器(LDO)。电压调节器通常包括功率FET和差分放大器。差分放大器比较输出电压(或可替换的是和更通常的是，输出电压的界限分明的部分)与参考电压，并以线性方式驱动功率FET以维持固定的输出电压。如果用于下转换市电电压到典型的低电压，那么电压调节器将极为低效：举例来说，使用产生325V的峰值电压的同一220V市电以提供3.3V输出电压的功率，其必须下降322V。因此，在已知的解决方案中，电压调节器的电源通常由电容器提供，所述电容器从所整流的市电充电到中间电压(出于良好的效率，其刚好超过输出DC电压)。建立中间电压通常通过所谓的“门控整流”完成，其中市电通过桥式整流器整流，并且输出可开关地连接到电容器。已提议使用诸如开关模式功率转换器的DC-DC转换器替换电压调节器。
然而，来自DC-DC转换器的波纹可产生EMI。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供功率转换器，其被配置成将AC市电功率转换到低于AC市电的峰值电压的DC输出电压，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，所述功率转换器包括：电容器，其被配置成存储在峰值电压和DC输出电压中间的电压范围中的电荷；门控整流级，其包括用于整流AC市电功率的整流器和被配置成仅在AC市电的半循环的低电压部分期间供应所整流的AC市电功率到电容器的至少一个开关；以及开关模式DC-DC功率转换级，其包括至少一个另外的开关，并且被配置成仅在AC市电的半循环的高电压部分期间从电容器转换功率到DC输出电压。至少一个开关可为单个开关，或可为超过一个开关，例如在实施例中，其中整流器是全桥式整流器，可为全桥式整流器的两个输出侧臂中的每一个提供一个开关。在其它实施例中，整流器的一个或多个二极管可被相应的同步整流开关代替。接着，同步整流开关可为所述一个或多个开关的至少一部分。
通过操作DC-DC功率转换级以仅在AC市电的半循环的高电压部分期间操作，有可能有效地从市电输入隔离EMI的电源，也就是说，开关模式DC-DC转换器，而不需要使用EMI串联滤波。
在一个或多个实施例中，在AC市电的半循环的低电压部分期间的AC市电的最大绝对电压不超过DC输出电压的4倍，或大于DC输出电压不低于2V。中间电压可在高于DC输出电压不低于2V的最小值和不超过最小值4倍的最大值的范围内。
在更多实施例中的一个中，循环具有循环周期，半循环的低电压部分占用不超过5％的循环周期。
在一个或多个实施例中，功率转换器可另外包括耦合到DC-DC功率转换级的输出并用于使DC输出电压平滑的平滑电容器。这种平滑电容器可降低在市电半循环的低电压部分期间暂时禁用DC-DC功率转换级的影响。
在一个或多个实施例中，功率转换器可另外包括控制器，其被配置成在AC市电的半循环的低电压部分期间确保至少另外的开关是打开的，由此禁用DC-DC转换器。
根据本发明的另一方面，提供控制器，其被配置成操作如上文所描述的市电功率转换器，且包括第一开关控制子单元，所述第一开关控制子单元适用于定期打开和关闭至少一个开关以产生门控整流和将电容器充电到中间电压，以及另一开关控制子单元，所述另一开关控制子单元适用于响应于所打开的至少一个开关，定期打开和关闭至少一个另外的开关以产生输出电压，所述中间电压在市电的峰值电压和输出电压的中间。
根据本发明的另一方面，提供用于移动装置的市电电源，其包括如刚刚所描述的功率转换器、用于直接连接到市电电源上的输入，以及用于直接连接到所述移动装置上的输出。市电电源可不包括任何其它的感应组件或EMI或市电滤波器。尽管如此，市电电源可适用于其中需要高谐波质量的应用。
根据本发明的另一方面，提供包括如刚刚所论述的市电电源的电子设备。电子设备可另外包括存储器和处理器，或诸如图形用户接口的其它电路，这些中的至少一个可在3.3V、5V和12V的电压下操作。
根据本发明的另一方面，提供将AC市电功率转换到低于AC市电的峰值电压的DC输出电压的一种方法，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，所述方法包括：整流AC市电功率，并开关至少一个开关以仅在AC市电的半循环的低电压部分期间供应所整流的AC市电功率到电容器上；在电容器中存储在峰值电压和DC输出电压中间的电压范围中的电荷；以及操作至少一个另外的开关，所述至少一个另外的开关包括在DC-DC功率转换级中，所述DC-DC功率转换级被配置成仅在AC市电的半循环的高电压部分期间从电容器转换功率到DC输出电压。
DC-DC功率转换器可为多种类型的开关模式功率转换器中的任一种。举例来说(但不限于)，其可为返驰转换器，或半桥式转换器；由于降压转换器降低输入和输出之间的电压，所以DC-DC转换器通常可为降压转换器。
附图说明
将仅借助于例子参看图式描述本发明的实施例，在图式中
图1示意性地示出了功率转换器，其包括门控整流级、中间电容器以及DC-DC功率转换级；
图2示出了概念性双级功率转换器的框图，所述概念性双级功率转换器包括EMI隔离；
图3示出了根据本发明的示例方法的流程图；以及
图4示出了开关模式DC-DC功率转换级的例子，其可用于一个或多个实施例中。
应注意，图式是图解说明且未按比例绘制。为在图式中清楚且方便，这些图的各部分的相对尺寸和比例已示出为在大小上放大或缩小。相同的附图标记一般用于指代在修改后且不同的实施例中的相对应的或相似的特征。
具体实施方式
图1示出了功率转换器100。功率转换器100包括输入105，输入105可，如图所示，直接连接到AC市电电源102。AC市电电源102通过桥式整流器112整流。所整流的电压在整个电容器120中间歇地，也就是说，以门控方式连接，借助于与电容器120串联的开关114控制连接和解除连接。整流器112和开关114因此包括门控整流级110。
电容器120充当开关模式DC-DC功率转换器130的输入源。输出平滑电容器160可在整个DC-DC功率转换器的输出中连接，从所述输出平滑电容器160中还获取输出。
图也示出了在三个位置或节点处的电压波形：节点A，其在整流器的输出处；节点B，其在门控整流级的输出处，也就是说，在电容器120的输入处；以及节点C，其在功率转换器的输出处。电压波形的比例是不相同的。如所示意性地示出的，波形中的每一个受到由DC-DC功率转换级的开关操作产生的波纹的影响。应了解，尽管门控整流具有市电频率两倍的周期性，但是DC-DC功率转换级通常在处于千赫兹到兆赫兹(举例来说，0.5kHz到5MHz)的范围内的频率下开关，也就是说，在比主频率高10倍和100,000倍之间的频率下开关，在信号上的波纹的频率相对应地较高(在图中已拉伸波纹的比例以防止其模糊)。
为了防止DC-DC功率转换器级的波纹破坏市电输入，本领域的技术人员可在市电输入和门控整流级之间引入EMI滤波器布置。此类EMI滤波器布置可提供为一个或多个分离的组件。标准的EMI滤波器布置可充分地去除EMI以符合法定要求，但其会相当大和高成本，并降低了效率。相比而言，门控整流器是高效的极小的电路。
图1也示意性地示出了控制器131，其包括控制子单元132和第二控制子单元133。控制器子单元132和第二控制子单元133分别用于控制门控整流级和DC-DC功率转换级。
常规的EMI滤波器的典型示意图在图2中示出，其包括在市电线路输入的带电部分和中性部分之间串并联布置的所谓的X-电容器Cx和感应器(或扼流器)L1、L2。其后跟着第二级f的所谓的Y电容器(Cy)。
然而，本发明人已了解，在整流级连接的间隔期间，EMI干扰通过操作开关模式功率转换级引入，且此间隔相对较短；因此，在整流级供应电荷到电容器的间隔期间，通过禁用开关模式功率转换级，有可能改进整个装置的EMI性能。
图3中示意性地示出此情形。图3示出了功率转换器300的示意图，功率转换器300被配置成将AC市电功率转换到低于AC市电的峰值电压的DC输出电压。功率转换器包括电容器320，其被配置成存储在峰值电压和DC输出电压中间的电压范围中的电荷。功率转换器另外包括门控整流级310。门控整流级并未详细地示出，但其可包括用于如图1所示整流AC市电功率的整流器，和至少一个开关，其被配置成仅在AC市电的半循环的低电压部分期间供应所整流的AC市电功率到电容器。这通过在市电半循环的低电压部分期间将选择开关340切换到左边以连接门控整流级310到电容器来概念性地实现。
功率转换器也包括第二级330。第二级是开关模式DC-DC功率转换级。第二级包括至少一个另外的开关，并被配置成仅在AC市电的半循环的高电压部分期间从电容器转换功率到DC输出电压。这通过在AC市电的半循环的高电压部分期间将开关340切换到右边来概念性地实现。
如在图3中概念性地示出，开关340是双刀单掷(DPST)开关，因此在任一时刻，只有第一级门控整流和第二级DC-DC功率转换器中的一个连接到电容器。其结果是，由DC-DC功率转换级，举例来说，由DC-DC功率转换级的相对高频率的开关所产生的任何EMI可与门控整流级隔离，并因此可去除对EMI滤波器布置的需要。本领域的技术人员将了解到，当极点不连接时，DPST的操作可包括在开关期间的“失效”周期，在本例子中，这对应于任选的过渡级；举例来说，当门控整流使得门控开关打开时，DC-DC操作才开始。可由此阻止所谓的“闪络”。
如图3中所示，尽管可通过分离的开关提供隔离，但在其它实施例中，隔离可由在整流级中使用门控开关，并与DC-DC功率转换级中的开关组合来实现。确切地说，由于当门控开关打开时，门控开关使整流器与DC-DC转换级隔离，所以仅需要确保每当门控开关是关闭的，DC-DC功率转换级就不可操作，从而提供恰当的隔离度。
所选择的确保DC-DC功率转换级是不可操作的特定的实施方案将取决于所用的特定类型的DC-DC转换器。举例来说，在半桥式转换器的情况下，这可通过尽管门控开关是关闭的，但在整个市电半循环的低电压部分的持续时间中同时保持低侧开关和高侧开关是打开的来实现。
可包括在一个或多个实施例中的示例DC-DC功率转换级在图4中示出。图示出了半桥式转换器400，其如所示可操作为迟滞转换器。转换器包括控制器405和感应器410，其具有用于提供DC输出电压的连接到转换器输出(在节点C处示出)的输出端子和连接到连接两个串联开关420和430的中间或半桥式节点SW的输入端子。这两个开关中的一个，420，形成高侧开关(HSS)，其中它的其它主端子连接到DC-DC功率转换器输入(在节点B处)。这两个开关中的另一个，430，形成低侧开关(LSS)，其中它的其它主端子接地。借助于提供逻辑和失效时间控制的控制子单元450，经由两个开关420和430相应的控制端子来控制这两个开关420和430。控制子单元提供输出到相应的驱动器425和435上，以驱动HSS 420和LSS 430的控制端子。横跨DC-DC功率转换级的输出提供平滑电容器160，并横跨所述输出还提供电阻分压器440，以提供DC输出电压的经缩放版本到运算放大器(opamp)460上，所述运算放大器(opamp)460比较经缩放版本与参考电压，参考电压可，举例来说，为所示的0.8V。在输出电压的经缩放版本低于0.8V的情况下，opamp 460发送输出启用信号到控制子单元450上，由此指示应关闭HSS 420，并打开LSS 430，以连接半桥式节点SW到在节点B处的DC-DC功率转换级的输入电压上。
利用另一个输入另外供应控制子单元450，所述输入从比较器的输出提供，所述比较器比较另一参考电压(其可为如所示的1.2V)与“启用”输入。此“启用”输入确定门控整流级的门控开关是否打开。
在门控整流级的门控开关是关闭的情况下，控制子单元450通过打开HSS和LSS开关420和430两者来禁用迟滞转换器。HSS和LSS两者保持打开状态直到门控整流级的门控开关打开。由于因此中断了迟滞转换器的开关，所以与此开关相关的或由此开关产生的任何EMI中止。到功率转换器100的输入因此与DC-DC功率转换级隔离。
应了解，如图4中所示，控制器405可包括HSS 420和LSS 430，所述控制器405可包括一个或多个另外的开关。在其它实施例中，控制器405可为分开的组件或与一个或多个另外的开关分离，举例来说，HSS 420和LSS 430可为分开或与控制器405分离，如在图1中示出的那样，其中用于DC-DC功率转换级的子控制器133示出为与DC-DC功率转换级自身分离。
此外，应了解，图3中示出的双刀单掷开关320可包括刚刚描述的HSS、LSS和门控整流门控开关的组合。在一或多个其它实施例中，其中DC-DC功率转换级由另一类型的转换器(诸如仅具有一个开关组件的返驰转换器)提供，所述概念性开关320可包括门控整流级门控开关和DC-DC功率转换级的开关组件。
适用于实施例中的DC-DC转换器的操作方法将是本领域的技术人员熟知的，并且因此此处将不再重复。然而，应注意，尽管非限制性的但极为方便的控制方法是迟滞控制。如本领域的技术人员将了解到，在迟滞控制中，比较器用于测量输出电容器上的电压，并且每当输出电压降到低于所希望的值，例如3.3V时，产生转换脉冲。
通过阅读本发明，本领域的技术人员将明白其它变化和修改。此类变化和修改可涉及等效物和其它特征，所述等效物和其它特征在电力转换器技术中已知且可用作本文已经描述的特征的替代或补充。
尽管所附权利要求书是针对特定特征组合，但应理解，本发明的公开内容的范围还包括本文中明确地或隐含地公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合或其任何一般化形式，而不管其是否涉及与当前在任何权利要求中主张的相同的发明或其是否缓解与本发明所缓解的任一或全部技术问题相同的技术问题。
在单独实施例的上下文中描述的特征也可以组合地提供于单个实施例中。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中所描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合提供。申请人特此提醒，在审查本申请案或由此衍生的任何另外的申请案期间，可根据此类特征和/或此类特征的组合而制订新的权利要求。
为完整性起见，还规定术语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一”不排除多个，单个处理器或其它单元可满足在权利要求中叙述的若干构件的功能，且权利要求中的参考符号不应解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种功率转换器(100)，其被配置成将AC市电功率转换到低于所述AC市电的峰值绝对电压的DC输出电压，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，其特征在于，所述功率转换器包括：
电容器(120)，其被配置成存储在所述AC市电的峰值电压和所述DC输出电压中间的电压范围中的电荷；
门控整流级(110)，其包括
用于整流AC市电功率的整流器(112)，以及
至少一个开关(114)，其被配置成仅在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间供应所述所整流的AC市电功率到所述电容器；
以及开关模式DC-DC功率转换级(130)，其包括至少一个另外的开关(420、430)，并且被配置成仅在所述AC市电的半循环的所述高电压部分期间从所述电容器转换功率到所述DC输出电压。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间的所述AC市电的最大绝对电压不超过所述DC输出电压的4倍。
3.根据权利要求2所述的功率转换器，其特征在于，在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间的所述最大绝对电压大于所述DC输出电压，且最大绝对电压与DC输出电压的差值大于2V。
4.根据在前的任一项权利要求所述的功率转换器，其特征在于，所述DC输出电压中间的电压在具有高于所述DC输出电压2V以上的最小值和不超过所述最小值4倍的最大值的范围内。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的功率转换器，其特征在于，所述AC市电的半循环具有循环周期，并且半循环的所述低电压部分占用不超过5％的所述循环周期。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的功率转换器，其特征在于，另外包括耦合到所述DC-DC功率转换级的输出并用于使所述DC输出电压平滑的平滑电容器(160)。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的功率转换器，其特征在于，包括控制器(131)，所述控制器被配置成确保至少另外的开关是打开的，由此在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间禁用所述DC-DC转换器。
8.一种控制器(131)，其被配置成操作根据权利要求1到6中任一权利要求所述的市电功率转换器，其特征在于，包括：第一开关控制子单元(132)，所述第一开关控制子单元(132)适用于定期打开和关闭所述至少一个开关以产生门控整流和将电容器充电到中间电压；以及另一开关控制子单元(133)，所述另一开关控制子单元(133)适用于响应于所打开的所述至少一个开关，定期打开和关闭所述至少一个另外的开关以产生输出电压，所述中间电压在所述市电的峰值电压和所述输出电压的中间。
9.一种用于移动装置的市电电源，其特征在于，包括根据权利要求1到7中任一权利要求所述的功率转换器、用于直接连接到市电电源的输入，以及用于直接连接到所述移动装置的输出。
10.一种包括市电电源的电子设备，其特征在于，所述市电电源包括根据权利要求1到7中任一权利要求所述的功率转换器。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其特征在于，另外包括存储器和处理器，其中的至少一个可在3.3V、5V和12V的电压下操作。
12.一种将AC市电功率转换到低于所述AC市电的峰值电压的DC输出电压的方法，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，其特征在于，所述方法包括：
整流所述AC市电功率；
开关至少一个开关以仅在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间供应所述所整流的AC市电功率到电容器；
在所述电容器中存储在所述峰值电压和所述DC输出电压中间的电压范围中的电荷；以及
操作至少一个另外的开关，所述至少一个另外的开关包括在开关模式DC-DC功率转换级中，所述开关模式DC-DC功率转换级被配置成仅在所述AC市电的半循环的所述高电压部分期间从所述电容器转换功率到所述DC输出电压。
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