CN1394382A

CN1394382A - 转换器控制

Info

Publication number: CN1394382A
Application number: CN01803320A
Authority: CN
Inventors: P·J·M·斯密德特; T·德尔鲍姆
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2003-01-29
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: EP1329016A1; WO2002035692A1; CN1394382B; JP2004512798A; US20020190698A1; KR20020074177A; US6717388B2

Abstract

一种降压转换器，升压转换器或者回扫转换器通常以一个具有初级转换设备(10；38；70；98；110)的初级侧以及具有次级转换设备(20；50；80；106)的次级侧的两端口表示。初级转换设备以这样的方式被控制：接通时间由转换器的初级侧的电压控制。初级转换设备的接通时间与初级电压之间的关系一般为双曲函数。

Description

转换器控制

本发明涉及一种转换器，该转换器用于将提供给初级端口的初级电压转换为提供给次级端口的次级电压，该转换器包括一个与初级端口串联连结的初级转换设备，一个与次级端口串联连结的次级转换设备，用于控制初级转换设备的转换的初级转换控制装置，以及用于控制次级转换设备的转换的次级转换控制装置。该转换器可以被用于AC-DC以及DC-DC能量转换中，尤其是用于诸如，但不局限于通用能量系统的较低能量范围中。本发明也涉及一种用于这样的转换器的控制方法，以及用于执行这种控制方法的控制电路。本发明还进一步涉及一种包括这样的转换器的显示设备。

在不得不处理诸如50-400V这样的较宽的输入电压变化范围的转换器设备中，在转换器的初级端口的初级转换设备的导通时间不得不以这样的方式进行选择，就是即使是对于最低的初级电压也必须保证具有足够高的能量传递。如果初级转换设备使用的是固定的导通时间，正如在EP-A-0336725中所公开的，对于更高的初级电压需要非常高的电流，这导致了高的额定电流，高的RMS损耗，以及造成了转换器中大量的流通能量。

作为示例，详细描述了一种双向回扫转换器。US-A-3986097以及EP-A-0013332中公开了一种双向回扫转换器的能量训练结构。

一般而言，双向回扫转换器包括一个具有一个初级线圈的和一个次级线圈的变压器，一个与初级变压器线圈串联连结的初级转换设备，以及一个与次级变压器线圈串联连结的次级转换设备。如果假设所有的电路元件都是理想的(没有寄生电感，漏电感或者杂散电感，没有寄生电容)，转换器的基本操作具有两种模式：在变压器的初级侧的操作模式以及在变压器的次级侧的操作模式。两种模式都可以被分成两个子模式：在每一导通模式的第一时间周期中，能量被传递给相关的一侧，在每一导通模式的第二时间周期中，将被传递给另一侧的能量被存储在变压器中。在所述的第一时间周期中，电流能够流过与转换设备平行耦合的二极管，或者流过转换设备本身，如果它是双向的。转换设备能够在所述的第一时间周期中在零电压条件下被打开。

在一个双向回扫转换器中，能量可以从初级侧流向次级侧，也可以以相反的方向流动。次级侧能够被控制向初级侧反射多余的能量，这允许在次级侧对输出电压或者输出电流进行调整。初级侧可以受控为次级侧提供足够的能量。

现有技术中的回扫转换器存在着下述的一个或者更多的问题：高的转换损耗，必须具有孤立的反馈(至少当精确控制被强制的时候)，困难的无负载控制以及在低输出电压的情况下由于输出整流的损耗造成的低效率。

本发明的一个目的是降低转换器中的转换损耗，从而允许较高的转换频率和/或较小的设计规模。

根据本发明，该目的通过一种其特征在权利要求1中定义的转换器控制方法，其特征在权利要求5中定义的一种转换器以及其特征在权利要求13中定义的一种用于该转换器的控制转换电路来实现。

在根据本发明的转换器中，输入电压的变化在初级转换设备中受控，而负载调整发生在次级转换设备中。

根据本发明的控制允许相对少量的流通能量，这带来了转换器较好的局部负载效率。在无负载的情况下，在有限的转换频率中可以得到较小的能量浪费。

在双向转换器的稳定状态下，一定的最小量的能量能够被反射回初级侧。在无负载的情况下，次级侧的控制器可以反射全部的从初级传递的能量(在通过变压器的一个循环中最小的能量浪费)。从以及向次级侧传递能量需要一个特定的时间范围。这样，转换器被调整到一个有限的频率。根据本发明的初级侧的控制通过根据输入电压调整接通时间而调整了多余的能量的数量。这带来了输入电压的更好的局部负载效率。

本发明进一步的方面提供一个包含有权利要求13所定义的转换器的显示设备。

本发明的其它的要求，特征以及优点将从下面追加的附图显示的非限制性的实施例的描述变得明显。

附图1是根据本发明的转换器的第一种类型的示意性的方框图；

附图2是根据本发明的转换器的第二种类型的示意性的方框图；

附图3是根据本发明的转换器的第三种类型的示意性的方框图；

附图4是附图3所示的转换器的主要独立变形的示意性方框图；

附图5表明了转换控制电路的一个实施例；

附图6表明了根据本发明描绘的负载与转换器的峰值电流之间的关系的图表；

附图7表明了根据本发明描绘的负载与转换器的流通能量之间的关系的图表；

附图8表明了根据本发明描绘的初级电压与初级转换的接通时间之间的关系的图表；

附图9表明了包括转换器的显示设备；

在不同的附图中，同样的参考数字表示同样的元件或者具有同样功能的元件。

附图1是一个包括初级端口2以及次级端口4的降压转换器的一般的方框图。初级端口2的终端与一个电容6(可能是本征或者寄生电容，例如一个或者多个其它电路元件，诸如开关，的固有电容)，一个二极管8以及一个初级开关构成的第一平行设备相耦合。初级开关的关闭和开启受初级开关控制电路12的控制，下文将进行详细的解释和讨论。次级端口4的终端与一个感应器14相耦合。由电容16(可能是本征或者寄生的)，二极管18以及第二开关20构成的第二平行设备与第一平行设备以及感应器14相耦合。次级开关20的关闭和开启受次级开关控制电路22的控制，下文将进行详细的解释和讨论。而且，第二平行设备与初级端口2以及次级端口4的公共终端相耦合。

附图2是一个包括初级端口32以及次级端口34的升压转换器的一般的方框图。初级端口32的终端与感应器36相耦合。感应器36背离初级端口32的一侧与由电容38(可能是本征或者寄生的)，二极管40以及初级开关42构成的第一平行设备相耦合。初级开关42的关闭和开启受初级开关控制电路44的控制，下文将进行详细的解释和讨论。由电容46(可能是本征或者寄生的)，二极管48以及次级开关50构成的第二平行设备与第一平行设备，感应器36以及次级端口34的终端相耦合。次级开关50的关闭和开启受次级开关控制电路52的控制，下文将进行详细的解释和讨论。而且，第一平行设备与初级端口32以及次级端口34的公共终端相耦合。

附图3是一个包括初级端口62以及次级端口64的双向回扫转换器的一般的方框图。初级端口62的终端与由一个电容66(可能是本征或者寄生电容)，一个二极管68以及一个初级开关70构成的第一平行设备相耦合。初级开关70的关闭和开启受初级开关控制电路72的控制，下文将进行详细的解释和讨论。次级端口64的终端与一个由电容76(可能是本征或者寄生的)，二极管78以及次级开关80构成的第二平行设备相耦合。次级开关80的关闭和开启受次级开关控制电路82的控制，下文将进行详细的解释和讨论。第一平行设备与第二平行设备与感应器84相耦合，其相对的一侧与初级端口62以及次级端口64的公共终端相耦合。

附图4是一个包括初级端口90以及次级端口92的双向回扫转换器的一般的方框图。初级端口的终端与变压器96的初级线圈94相耦合。初级线圈94串连连接到由二极管196和初级开关98构成的第一平行设备上。初级开关98的关闭和开启受初级开关控制电路100的控制，下文将进行详细的解释和讨论。次级端口的终端与变压器96的次级线圈102相耦合。次级线圈102串联连接到由二极管104和次级开关106构成的平行设备上。次级开关106的关闭和开启受次级开关控制电路108的控制，下文将进行详细的描述和解释。在一个实际的实施例中，开关98和106每一个都可以使用MOSFET，其中二极管196和104分别可以是固有的。MOSFET也可以具有一个本征电容。

在图1到图4所示的转换器中，输入到初级端口2，32，62以及90的初级电压Up被分别用作初级开关控制电路12，44，72以及100的输入控制变量，而输入到次级端口4，34，63以及92的次级电压Us和次级电流Is被分别用作第二开关控制电路22，52，82以及108的输入控制变量。正如在图5中将详细描述的，初级电压将与一个相应的参考电压相比较。产生的误差信号被用于控制控制初级电压的初级开关的接通时间。

次级电压Us和次级电流Is将与相应的参考值进行比较。产生的误差信号被用于控制次级开关的接通时间从而设定用于负载调整的次级能量的数量。次级能量的数量可以通过控制负的峰值电流或者有源开关的前向导通时间来确定。控制值与误差的偏移可以通过传统的技术实现，例如通过具有PI特性的误差放大方式。

一个表明与开关相联的二极管正在导通的附加信号允许有源开关在零电压的条件下被打开。附加信号可以是跨在有源开关以及与其相连的二极管的平行组合上的电压，或者是通过该组合的电流。附加信号可以通过传统的方法获得。

在图4中，用于两个开关以及变压器电流的正确方向的控制信号之间的截止时间的使用导致了零电压转换。与转换相联系的损耗几乎被完全的消除。

附图5示出了双线回扫转化器的一部分，包括具有初级线圈94的变压器96。在图5中忽略了与变压器96的次级线圈102相耦合的电路。在图5中，以长划线表示的初级开关控制电路100被详细的示出。具体表示为MOSFET(包括一个本征反平行二极管)的初级转换设备110与变压器96的初级线圈94串连连结。转换控制输入或者MOSFET110的门与驱动器112的输出相耦合用于控制MOSFET的通断。驱动器112，本质上都为人们所熟知，因此这里将不再更为详细的示出，它具有一个输入，耦合到触发设备114的输出0。触发器设备114的复位输入端R耦合到比较器116的输出端，比较器116被提供给一个参考电压Uref。在比较器116中电压Uref与从电阻118和电容120的串连连接获得的跨接在转换器的初级端口122的输入的电压Uc相比较。一个旁路开关124与电容120并行连接，并由来自于触发设备114的反向输出信号Oinv控制其通断。元件112到120，124形成了初级转换设备110的初级开关控制电路100。

初级开关控制电路1 00是如下的进行工作的。一个开始初级时钟被提供给触发设备114的设定输入端S。这样，触发设备即被设定，并且初级转换设备110通过驱动器112被打开。同时，旁路开关124被打开。结果是，通过电容120的电压上升到参考电压Uref。比较器116然后通过其输入端R重置触发设备114，并且结果是打开了初级转换设备110(初级时钟的末端)，关闭旁路开关124，并且保持旁路开关的关闭状态使电容120放电，直至下一个初级时钟到来。初级转换设备的接通时间Ton根据下面的等式进行计算：

Ton＝R.C.Uref/Up

其中：R＝单位为Ω[欧姆]的电阻值

C＝单位为F[法]的电容值

控制电路112到120，124可以是分离元件也可以被集成。

附图6以粗体线示出了在0-100％的不同的负载条件下对于一个特定的转换器的正的峰值电流Ipeak，并且以普通的线示出了其负的峰值电流Ipeak，这里虚线表示在最小初级电压Up下的值，实线表示在额定初级电压Up下的值，并且粗线表示在最大初级电压Up下的值。

附图7示出了在0-100％的不同的负载条件下对于一个特定的转换器的流通能量Peir，其中虚线表示在最小初级电压Up下的值，实线表示在额定初级电压Up下的值，并且粗线表示在最大初级电压Up下的值。

附图7和8清楚的示出了使用本发明的控制方法的优点。对于所有的初级电压，在最大负载的情况下，负的峰值电流能够被调整到同样的值。因此，峰值电流以及流通能量都被最小化，这带来了比现有技术更为有效并且更加节省成本的转换器。

附图8示出了在理想的情况下(双曲形的)对于一个给定的设备在不同的初级电压Up的条件下的标准接通时间Ton。但是，描绘的曲线与垂直线交叉于标准的Ton的值1处的任何延时函数都是对于现有技术的一个进步。

根据本发明获得控制方法可以有不同的可能。取代在图5中解释的模拟解决方法，在一个数字设备中，初级电压Up能够被转换成数字值，其与表示在图9中示出的曲线的查找表相比较。这样，相应的Ton就能够被选择，并且计数器可以在由消磁信号获得的门打开信号下开始计数。在计数器达到零以后，开关设备被关闭并且计数器被一个新的更新值重装。

这样，根据本发明，转换器是这样受控的：转换器的初级侧的开关设备的接通时间依赖于施加在转换器的初级端口的电压而受控，通常在增加初级电压的时候接通时间会减少。以这种方法，可以得到转换器的较好的局部负载效率，同时在有限的开关频率内无负载浪费也较小。转换器的进一步的小型化也是可能的。

附图9示出了具有转换器200，处理平台203以及显示设备205的显示设备。

转换器具有一个初级端口用于接收初级电压(例如，整流电源电压)以及一个次级端口用于提供次级电压。

处理平台203接收视频输入信号206(例如，RGB+同步信号，或者复合视频信号)，以及次级电压，其为一个能量提供电压，为显示设备提供驱动信号204。

显示设备205(例如一个阴极射线管，或者诸如液晶显示的显示阵列设备)显示与视频输入信号206相应的图像。

Claims

1.一种用于控制提供给转换器的初级端口(2；32；62；90；122)的初级电压转换成提供给转换器的次级端口(4；34；64；92)次级电压的方法，该转换器进一步包括一个与初级端口串联连接的初级转换设备(10；38；70；98；110)以及一个与次级端口串联连接的次级开关设备(20；50；80；106)，其特征在于初级转换设备的接通时间被初级电压所控制。

2.如权利要求1所述的方法，其中初级转换设备(10；38；70；98；110)的接通时间在初级电压提高的时候减少。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中初级转换设备(10；38；70；98；110)的接通时间一般以初级电压的双曲函数变化。

4.如权利要求1所述的方法，其中次级转换设备(10；38；70；98；110)被控制从而向初级侧反射多余的能量。

5.一种转换器，用于将提供给转换器的初级端口(2；32；62；90；122)的初级电压转换成提供给转换器的次级端口(4；34；64；92)次级电压，该转换器包括一个与初级端口串联连接的初级转换设备(10；38；70；98；110)，一个与次级端口串联连接的次级转换设备(20；50；80；106)，初级开关控制装置(12；44；72；100)，用于控制初级转换设备的转换，以及次级开关控制装置(22；52；82；108)，用于控制次级转换设备的转换，其特征在于初级开关控制装置适于根据初级电压控制初级转换设备的接通时间。

6.如权利要求5所述的转换器，其中初级转换设备(10；38；70；98；110)的接通时间在初级电压提高的时候减少。

7.如权利要求5或6所述的转换器，其中初级转换设备(10；38；70；98；110)的接通时间一般以初级电压的双曲函数变化。

8.如权利要求5所述的转换器，其中初级转换设备(10；38；70；98；110)和/或次级转换设备(20；50；80；106)包括一个MOSFET(110)。

9.如权利要求5所述的转换器，包括一个变压器96，其具有一个与初级端口(2；32；62；90；122)串联连接的初级线圈94，以及一个与次级端口(4；34；64；92)串联连接的次级线圈(102)。

10.如权利要求5所述的转换器，其中转换器是一个降压转换器。

11.如权利要求5所述的转换器，其中转换器是一个升压转换器。

12.如权利要求5所述的转换器，其中转换器是一个回扫转换器。

13.一种控制电路(12；44；72；100)用于控制与转换器的初级端口(2；32；62；90；122)串联连接的初级转换设备(10；38；70；98；110)，控制电路包括：

一个控制输入端，用于输出控制变量；以及

一个控制输出端，用于驱动初级转换设备，

其特征在于控制变量是施加于转换器的初级端口的初级电压，控制电路根据初级电压通过控制输出用于控制初级转换设备的接通时间。

14.一种显示设备，包括权利要求5所述的转换器。