CN1212497A - 具有多输出电压能力的功率变换器及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种用在功率变换器中的电路,该功率变换器具有:第一和第二输出二极管,第一和第二输出电感器,以及输出端,由第一和第二输出电抗器以及隔离变压器的二次绕组的中心抽头引出,一电路,用于使功率变换器能按多种输出电压提供输出电流,其中,该电路包含:开关器,连接到第一输出二极管和输出电感器之间的第一节点和第二输出二极管和输出电感器之间的第二节点,第一和第二导通通道,其将中心抽头分别连接到第一节点和第二节点。

Description

具有多输出电压能力的功率 变换器及其运行方法

本发明一般地说涉及功率变换，更确切地说，涉及一种功率变换器，其可重新配置，以便提供多个输出电压中选择的一个电压，以及涉及一种运行功率变换器使之能提供这样选择的一种输出电压的方法。

用户通常依靠的电信系统的工作可靠性很大程度上是由于系统使用高可靠的和备用的电源系统。用于电信场合的电源系统通常由一DC电源系统组成，其将市用交流(AC)电源变换为直流(DC)电源，供电信系统使用。为适用于很多不同的国家，该DC电源必须与很广范围的电压和频率相兼容。市用电源在欧洲例如按220V(AC)50Hz提供。然而在美国，标准电压为120V(AC)、60Hz。此外，限电可能明显降低线电压，相反，照明负荷特别在夜间可能引起线电压增加。因此，通常设计电源按照47到63Hz的频率以及按照范围由85V(AC)到高达265V(AC)的电压的条件工作(通常称之为通用电压)。

该DC电源将这一AC电压变换为由包含在一特定电信系统中的电信设备所需的DC电压。该DC电源通常包含：电磁干扰(EMI)滤波器、功率因数校正电路和DC/DC功率变换器。采用EMI滤波器是为了保证与EMI标准兼容。功率因数校正电路将市用AC电源变换为例如400V(DC)的DC电压。DC/DC功率变换器将高DC电压降低到为在电信设备内部的板装电源(BMP)所需的较低的电压。

电信设备通常按两种电压：+24V(DC)或-48V(DC)的其中之一工作。例如无线通信设备经常需要+24V(DC)。然而中央办公设备通常需要一48V(DC)。因此，电信电源按照+24V(DC)或-48V(DC)设计。

为了保持电信系统的高度有效性，在电源系统中使用的各种电源配置都有冗余度。即使一个DC电源故障，也要保证电信系统的不间断运行。然而，故障的DC电源必须立即更换，以保持冗余度和避免有损通信服务。因此通信服务部门必须保有能在系统中需要立即更换时可得到电源库存。由于电信设备需要不同的电压，通信服务部门要同时保持两种类型的电源的储备。由于多种原因(例如减少研制项目和制造费用)最好仅库存一种类型的DC电源。

因此，在现有技术中需要一种DC电源，其能按照其所供电的系统的需要提供多种输出电压(例如+24V(DC)或-48V(DC))。

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种功率变换器，其采用有：连接到隔离变压器中的二次绕组上的第一和第二输出二极管，以及分别连接到第一和第二输出二极管上的第一和第二输出电感器；以及由第一和第二输出电感器和二次绕组的中心抽头引出的输出端；以及提供使该功率变换器能提供多种输出电压下的输出电流的电路和方法。在一个实施例中，该电路包含：(1)开关器，其连接到介于第一输出二极管和输出电抗器之间的第一节点以及介于第二输出二极管和输出电感器之间的第二节点，其选择性地：(1a)闭合，以便形成一电感器间的导通通道，以便使第一和第二输出电感器并联从而使功率变换器能工作在第一输出电压；和(1b)断开，以便断开该电感器间的导通通道和使功率变换器能工作在低于第一输出电压的第二输出电压，以及(2)第一和第二导通通道分别将中心抽头连接到第一节点和第二节点，形成用于输出电流的导通通道。

因此，本发明引入一种拓宽构思，使得一功率变换器具有二择一的工作方式，其中由隔离变压器引出的功率在一对输出电感器中或者求和或者不求和。因此，该功率变换器能够产生多种输出电压值。用于本发明的“开关器”广义定义为能够选择性由一个位置到另一个位置形成导通通道。因此“开关器”包含广泛器件的组合，例如固体状态开关(例如晶体管)、继电器、跳线、接线、焊接的连接件等。在所述实施例中的开关器能够偶尔在导通和非导通状态之间转换，相对不频繁形成或断开导通通道。

在本发明的一个实施例中，第一和第二导通通道每个包含-空载续流二极管，当然，从本发明的广义范围而言空载续流二极管不是必须的。

在本发明的一个实施例中，功率变换器还包含一连接到隔离高压器中的一次绕组的逆变器。本技术领域中的技术人员对于逆变器和其运行是很熟悉的。

在本发明的一个实施例中，功率变换器还包含一并联到功率变换器输出端的输出电容器。该输出电容器对功率变换器的输出电压进行滤波。

在本发明的一个实施例中，第一输出电压约48伏，第二输出电压约24伏。如上所述，采用这些数值的输出电压便利于电信设备。然而，本发明的原理适合于能够提供其它输出电压的功率变换器。

在本发明的一个实施例中，第一和第二输出电感器共用一个铁芯。通过装设一个共用铁芯可以降低在功率变换器中的纹波电流。然而，本发明并不是必需共用铁芯的。

在本发明的一个实施例中，功率变换器还包含一连接到隔离变压器的二次绕组上的缓冲电路。本技术领域中的技术人员对于缓冲电路的结构和运行是很熟悉的。

上述部分已经相当广泛地概括了本发明的优选的和可选的特征，使得本技术领域中的技术人员可以更好地理解下面对本发明的更详细的介绍。下面将介绍构成本发明的权利要求主题的本发明的附加特征。本技术领域中的技术人员会认识到，他们可以易于利用所公开的原理和具体实施例作为基础，为实现本发明的相同目的而设计或改进其它结构。本技术领域中的技术人员还会认识到，在更广泛的形式上讲这些等效的结构并没有脱离本发明的构思和范围。

为了更完整地理解本发明，结合附图参照如下的介绍，其中：

图1表示根据本发明的原理构成的全桥式功率变换器的一个实施例；以及

图2表示根据本发明的原理构成的全桥式功率变换器的另一个实施例。

首先参阅所示的图1，其表示根据本发明的原理构成的全桥式功率变换器100的一个实施例。该功率变换器100具有一连接到输入电源110的输入端，输入电压为Vi以及具有一连接到电力负载R上的DC输出端。功率变换器100包含一隔离变压器120，其具有一次绕组NP和两个二次绕组Ns1、Ns2。功率变换器100还包含一逆变器130，其将输入电压Vi联结到一次绕组Np。逆变器130由第一、第二、第三和第四开关S1、S2、S3、S4组成，它们交替地以成对的方式导通电流，以此，将一AC功率提供到隔离变压器120。逆变器130在本技术领域是公知的，因此，将不再详细介绍。

功率变换器100还包含连接到二次绕组Ns1、Ns2上的第一和第二输出二极管D1、D2。功率变换器100还包含分别连接到第一和第二二极管D1、D2上的第一和第二输出电感器L1、L2。功率变换器100的DC输出由第一和第二输出电感器L1和L2以及二次绕组Ns1、Ns2的中心抽头引出。功率变换器100还包含一并联在DC输出端的输出电容器140。功率变换器100还包含缓冲电路150、152，其连接到隔离变压器120的二次绕组Ns1、Ns2，并分别并接第一和第二二极管D1、D2。例如为RCD缓冲电路的各种缓冲电路在本技术领域中是公知的，因此，这里不再进行详细介绍。当然，对于本发明输出电容器140和缓冲电路150，152不是必需的。

功率变换器100还包含一电路160，其使功率变换器100能按多种输出电压提供输出。电路160包含：一开关器SW，其连接到位于第一输出二极管D1和第一输出感器L1之间的第一节点162与位于第二输出二极管D2和第二输出电感器L2之间的第二节点164上。开关器SW选择性地闭合，以便形成一电感器的导通通道，以便将第一和第二输出电感器L1、L2并联，从而使功率变换器100能工作在第一输出电压下。另外，开关器SW断开，以便断开电感间的导通通道，从而使功率变换器100能工作在低于第一输出电压的第二输出电压下。电路160还包含第一和第二导通通道，它们分别将中心抽头连接到第一节点162和第二节点164上。在一优选实施例中，第一和第二导通通道分别包含第一和第二空载续流二极管Df1、Df2。

功率变换器100按照两种不同的方式即全电压方式和降电压方式工作。在全电压方式中，该开关器SW是闭合的，因此形成电感器间的导通通道，将第一和第二输出电感器L1和L2并联，因此，该功率变换器100的工作情况与常规全桥式功率变换器相似。

逆变器130中的开关交替地导通电流，以此将输入电压Vi施加到隔离变压器120上。在第一时间段的过程中，即对于第一工作周期D，逆变器130转换，将正电压加到隔离变压器120的两端，第一二极管D1导通，第一和第二电感器电流I1、I2增加。在第二时间段的过程中，即对于第二工作周期1-D，施加到隔离变压器120上的电压基本为零，在这一时间段期间，第一和第二电感器电流I1、I2降低。然后，在第三时间段的过程中，即对于第一工作周期D，逆变器130将负电压施加到隔离变压器120上。这时第二二极管D2导通。由于电感器处于并联状态，第一和第二电感器电流I1和12再次下降。在第四时间段的过程中，即对于第二工作周期1-D，再次将基本上为零的电压施加到隔离变压器120上。因此，第一和第二电感器电流在这一时间段期间再次下降。

当加到隔离变压器120上的电压为正或为负时，电感器的并联状态使得第一和第二电感器电流I1,I2增加。因此，第一和第二电感器L1、L2在一个完整的转换周期经历两个正电压脉冲，使得功率变换器100能以全电压方式提供一全电压输出。

另外，功率变换器100可以工作在降压方式。开关器SW断开，从而断开电感器间的导通通道。降压方式的原理如下。逆变器130中的开关交替地导通电流，将输入电压Vi施加到隔离变压器120上。在第一时间段的过程中，即对于第一工作周期D，逆变器130将正电压施加到隔离变压器120上。第一二极管D1和第二空载续流二极管Df2导通电流，当第一电感器电流I1增加时，第二电感器电流I2下降。在第二时间段的过程中即对于第二工作周期1-D，施加到隔离变压器120上的电压基本上为零。第二二极管D2和第一空载续流二极管Df1导通。使电流通过该导通通道形成续流。在第二时间段的过程中，第一和第二电感器电流I1、I2两者下降。然后，在第三时间段的过程中，即对于第一工作周期D，逆变器130将负电压施加到隔离变压器120上。第一二极管D1和第二空载续流二极管Df2关断。第二二极管D2和第一空载续流二极管Df2导通，第二电感器电流增加。在这一时间段的过程中，第一电感器电流继续下降。最后，在第四时间段的过程中，即对于工作周期1D，施加到隔离变压器120上的电压基本为零。第一二极管D1和第二空载续流二极管Df1导通，使电流通过导通通道形成续流。第一和第二输出电感器L1、L2每个仅在一个转换周期内经历一个正电压脉冲。因此，功率变换器100以降压方式仅提供一半的输出电压。

转阅图2，图中示有根据本发明的原理构成的全桥式功率变换器200。功率变换器200具有一连接到输入电源210的输入端和一连接到电力负载R上的DC输出端。功率变换器200包含一具有一次绕组Wp和两个二次绕组Ns1、Ns2的隔离变压器220。功率变换器200还包含一逆变器230，其将输入电压Vi转换到一次绕组Np。功率变换器200还包含该连接到二次绕组Ns1、Ns2上的第一和第二输出二极管D1、D2。功率变换器200还包含第一和第二输出电感器L1、L2，它们分别连接到第一和第二二极管D1、D2。在所述实施例中，第一和第二输出电感器共用一铁芯。当然，对于本发明该共用铁芯不是必需的。功率变换器200还包含一连接到DC输出端上的输出电容器240。功率变换器200还包含一电路260，其通过交替地闭合和断开电感器间的导通通道，使功率变换器200能按多种输出电压提供输出电流。在所述实施例中，电路260包含一开关器SW和第一与第二空载续流二极管Df1、Df2。因此，将第一和第二电感器L1、L2可以按照需要并联。

通过使第一和第二电感器L1、L2相关的DC电阻连同二次绕组Ns1和Ns2的电压降以及第一和第二输出二极管D1、D2相配合，在第一和第二电感器L1、L2之间分配的电流可以维持。逆变器230的电流波形控制可以进一步改进例如按降压方式运行中电流的分配。

按降压方式，在第一和第二输出电感器L1、L2中的纹波电流较高。按理想方式，应尽量降低纹波电流，以便降低电磁干扰(EMI)辐射和电感器功率损耗。因此，所述实施例利用其用铁芯以降低在铁芯中的AC磁通，从而降低EMI辐射和降低电感器功率损耗。

因此，功率变换器200可以用在需要多种输出电压的场合例如电信设备。在电信应用场合，可以将功率变换器200设计得能产生48伏或24伏的电压。通过将开关器SW置于断开或闭合状态，功率变换器200可以按照需要提供适当的电压。当然，可将功率变换器200设计得按照其所供电的系统的需要提供其它输出电压。

功率变换器200还可以应用于电动机驱动或其它应用场合，其中在起动过程中需要低输出电压和高输出电流。开关器SW于是可用于选择输出电压范围，使功率变换器200的效率实现最佳。

本发明的构思同样可应用于一些系统，因此，DC连线电压(即输入到功率变换器的电压)明显变化。例如，正端的整流器未控制DC连线电压，功率变换器在低线路电压下可工作在全电压方式，以及在高线路电压下工作在降压方式下，从而产生相同的输出电压。

虽然是按照全桥式功率变换器对本发明进行描述和介绍的，但应当理解，其它在变压器二次侧具有全波整流线路的其它变换器结构(例如非对称半桥或正反馈功率变换器)也处在本发明的广义范围之内。另外，上面参照特定的电子和磁性元件对本发明的示范性的实施例进行描述。然而，本技术领域中的技术人员会认识到，为了产生预期的状态或得到预期的结果，这些元件可以替换(不一定使用相同类型的元件)。例如，可以用单一的元件替换多个元件，或者相反。与之相似，虽然，所述的是具有单一铁芯和单一一次绕组的磁性器件，但具有其它结构的例如具有多个一次绕组或多个铁芯的磁性器件可以用于基本上实现本发明提出的相同目的。为了更好地理解功率型电子电路、功率变换器技术，例如全桥式功率变换器，参阅由J.Kassakian、M.Schlecht和G.Verghese所著的“电力电子电路原理”。这里引用上述参考文献，可供参考。

迄今，已经详细介绍了本发明，本技术领域的技术人员会理解，在不脱离本发明的广义形式的构思和范围的前提下可以进行各种改变、替换和变换。

Claims (21)

1．一种用在功率变换器的电路，该功率变换器具有：第一和第二输出二极管，它们连接到隔离变压器的二次绕组；第一和第二输出电感器，它们分别连接到所述第一和第二输出二极管；输出端，由所述第一和第二输出电感器以及所述二次绕组的中心抽头引出；一种电路用于使所述功率变换器能按多种输出电压提供输出电流，包含：

-开关器，连接到介于所述第一输出二极管和输出电感器之间的第一节点以及介于所述第二输出二极管和输出电感器之间的第二节点，其选择性地：

闭合，以便形成一电感器间的导通通道，以使所述第一和第二输出电感器并联，使所述功率变换器能工作在第一输出电压下，以及

断开，以便断开所述电感器间的导通通道，以使所述功率变换器能工作在一低于所述第一输出电压的第二输出电压下；以及

第一和第二导通通道，它们分别将所述中心抽头分别连接到所述第一节点和所述第二节点上，为所述输出电流提供导通通道。

2．如权利要求1所述的电路，其中所述第一和第二导通通道每个包含一空载续流二极管。

3．如权利要求1所述的电路，其中所述功率变换器还包含一逆变器，其连接到所述隔离变压器的一次绕组上。

4．如权利要求1所述的电路，其中所述功率变换器还包含一输出电容器，其并联连接到所述功率变换器的所述输出端上。

5．如权利要求1所述的电路，其中所述第一输出电压约为48伏，所述第二输出电压约为24伏。

6．如权利要求1所述的电路，其中所述第一和第二输出电感器共用一铁芯。

7．如权利要求1所述的电路，其中所述功率变换器还包含一缓冲电路，其连接到所述隔离变换器中的所述二次绕组上。

8．一种应用在功率变换器中的方法，该功率变换器具有：第一和第二输出二极管，它们连接到隔离变压器的二次绕组上；第一和第二输出电感器，它们分别连接到所述第一和第二输出二极管上；输出端，由所述第一和第二输出电感器以及所述二次绕组中的中心抽头引出，该方法能使所述功率变换器按多种输出电压提供输出电流，包含的步骤有：

将所述中心抽头分别转接到所述第一节点和所述第二节点，以便为所述输出电流提供导通通道；

形成一电感器间导通通道，以便将所述第一和第二输出电感器并联，使所述功率变换器能工作在第一输出电压下，以及

断开所述电感器间导通通道，使所述功率变换器能工作在低于所述第一输出电压的第二输出电压。

9．如权利要求8所述的方法，其中所述第一和第二导通通道每个都包含一空载续流二极管。

10．如权利要求8所述的方法，还包含操作逆变器的步骤，以便向所述隔离变压器的一次绕组供电。

11．如权利要求8所述的方法，还包含对并联在所述功率变换器的所述输出端上的输出电容器中的所述输出电流进行处理的步骤。

12．如权利要求8所述的方法，其中所述第一输出电压约48伏，所述第二输出电压约24伏。

13．如权利要求8所述的方法，其中所述的第一和第二输出电感器共用一铁芯。

14．如权利要求8所述的方法，还包含操作连接在所述隔离变压器的所述二次绕组上的缓冲电路的步骤。

15．一种功率变换器，包含：

一隔离变压器，具有一次和二次绕组；

第一和第二输出二极管，它们连接到所述二次绕组；

第一和第二输出电感器，分别连接到所述第一和第二输出二极管上，所述功率变换器的输出端由所述第一和第二输出电感器和所述二次绕组的中心抽头引出；以及

一电路，用于使所述功率变换器能按多种输出电压提供输出电流；包含：

一开关器，连接到介于所述第一输出二极管和输出电感器之间的第一节点和介于第二输出二极管和输出电感器之间的第二节点，其选择性地：

闭合，以便形成一电感器间的导通通道，使所述第一和第二输出电感器并联，使所述功率变换器能工作在第一输出电压下，以及

断开，以便断开所述电感器间的导通通道，使所述功率变换器能工作在低于所述第一输出电压的第二输出电压下，以及

第一和第二导通通道，其将所述中心抽头分别连接到所述第一节点和所述第二节点，提供用于所述输出电流的导通通道。

16．如权利要求15所述的功率变换器，其中所述第一和第二导通通道每个都包含一空载续流二极管。

17．如权利要求15所述的功率变换器，还包含一逆变器，其连接到所述隔离变压器中的所述一次绕组。

18．如权利要求15所述的功率变换器，还包含一输出电容器，其并联在所述功率变换器的所述输出端。

19．如权利要求15所述的功率变换器，其中第一所述输出电压约48伏，所述第二输出电压约24伏。

20．如权利要求15所述的功率变换器，其中所述第一和第二输出电感器共用一铁芯。

21．如权利要求15所述的功率变换器，还包含一缓冲电路，其连接到所述隔离变压器中的所述二次绕组。

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