CN1819426A - 具同步整流功能的电源转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种具同步整流功能的交直流电源转换器(AC/DCconverter)。该交直流电源转换器包含一整流器(rectifier)、一升压转换器(boost converter)、一直流转换(DC/DC converter)以及一控制器；其中，该整流器用以从一交流(AC)电源产生一整流(rectified)电压；该升压转换器电连接到该整流器，以将该整流电压转换成一稳定(regulated)电压；该直流转换器电连接到该升压转换器，以将该稳定电压转换成一输出电压；而该控制器则对应该稳定电压产生一信号，以对该升压转换器提供一反馈控制，以进一步反馈控制及调整该稳定电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种交直流(AC/DC)电源转换器，特别是一种具同步整流功能的电源转换器。
背景技术
在很多电子产品中，例如计算机或消费性电子产品等都设计成在直流(DC)供应电源下操作。因此，交直流(AC/DC)电源转换器被广泛地用来将一交流(AC)电源转换成稳定的直流电源，以驱动这些电子产品。
请参阅图1，其表示常见的一种交直流电源转换器的典型电路结构。如图中所示，该AC/DC转换器通常包含两个部分，其中第一部分为一升压型的功率校正预调节器(PFC pre-regulator)10’，用以将一输入的AC电压Vin调节成一稳定电压(regulated voltage)，而第二部分则是一DC/DC转换器20’，用以将该稳定电压转换成一平整的直流输出电压。
如图1中所示，该功率校(PFC)预调节器10’基本上由一整流器(rectifier)BD1与一输出电容器16’所构成。而除了上述构件外，该功率校正预调节器10’还包含一升压电路(boost circuit)插入于该整流器BD1与该输出电容器16之间。该升压电路包含相互电连接的一电感器11’与一二极管14’以及连接在该电感器11’与该二极管14’的连接节点13’与一接地端之间的一开关装置12’。通过该开关装置12’适当的切换控制，在该PFC电路中流经该电感器11’的电流波形将会跟随着该整流器16的输入电压的波形而变化，因而可以获得较高的功率因子；同时，可以使该PFC电路在不同的AC电压输入下维持产生一稳定的电压输出。一般来说，获得固定的稳定电压对于后面DC/DC电源转换器20’的效能转换效率是有好处的。
然而，如图1所示的升压型PFC预调节器10’与DC/DC转换器20’的电路配置，对于控制或减少该AC/DC电源转换器的整体功率损失上仍会遭遇某些问题。由于一般常见的DC/DC电源转换器的特色为高输入电压时具有较低的能量转换效率，而低输入电压操作时则具有较高的转换效率。因此，当该AC/DC电源转换器需要面临广泛范围的AC电压输入时，由于较低的AC输入电压需要输入该AC/DC电源转换器时，因而使该升压型PFC预调节器10’的开关12’必须维持较长的开启时间以提高该稳定电压值，因而使得该升压型PFC预调节器10’因为其开关12’的开启时间过长而面临相当严重的能量耗损，因而也使该电源转换器产生更高的电传导损失。同时，在这样的电路配置下，该DC/DC转换器20’也需要设计成能够接收广泛范围的稳定电压输入，以产生足够的停滞时间来渡过该AC输入电压消失的情况。
因此，如图1所示的AC/DC电源转换器的电路结构的整体效率实际上会因为为了维持较高的稳定电压作为DC/DC转换器的输入电压而使得该AC/DC电源转换器的整体能量转换效率变差，尤其是在该AC输入电压为最小值时最为明显。
有鉴于此，本申请的发明动机即由此而产生。在目前的公知技术中，常见的AC/DC电源转换器的整体效率常会因为AC输入电压的范围变化过大，而遭遇整体能量转换效率变差的缺点。
发明内容
本发明的第一构想是提出一种电源转换器，其包含一整流器(rectifier)、一升压转换器(boost converter)、一直流转换器(DC/DC converter)以及一控制器；其中，该整流器用以从一交流(AC)电源产生一整流(rectified)电压；该升压转换器电连接到该整流器，以将该整流电压转换成一稳定(regulated)电压；该直流转换器电连接到该升压转换器，以将该稳定电压转换成一输出电压；而该控制器则对应该稳定电压产生一信号，以对该升压转换器提供一反馈控制，以进一步反馈控制及调整该稳定电压。
根据上述构想，其中该整流器为一桥式二极管(diode bridge)整流器。
根据上述构想，其中该升压转换器还包含一开关装置、一电感器、一二极管以及一电容器。
根据上述构想，其中该电感器具有一第一端与该整流器电连接，及具有一第二端与该开关装置的一输入端电连接。
根据上述构想，其中该二极管及该电容器串联连接后与该开关装置并联连接。
根据上述构想，其中该开关装置还包含一控制输入端，与该控制器电连接，以接收该信号，因而使流经该电感器的电流受该开关装置控制。
根据上述构想，其中该控制器为一脉宽调制(PWM)电路，其具有一输入端，用以接收该稳定电压，以及具有一输出端，与该开关装置的该控制输入端相连接，以提供一系列的脉冲来控制该开关装置的工作周期(dutycycle)。
根据上述构想，其中该开关装置为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
根据上述构想，其中该直流转换器还包含一变压器、一桥式开关装置及一整流电路。
根据上述构想，其中该变压器具有一主绕组与一次绕组，该桥式开关装置与该变压器的该主绕组电连接，而该整流电路与该变压器的该次绕组电连接。
根据上述构想，其中该桥式开关装置为全桥式开关装置与半桥式开关装置其中之。
根据上述构想，其中该整流电路还包含两个同步整流器与一输出滤波器。
本发明的第二构想是提出一种电源转换器，其包含一双重升压转换器(dual boost converter)、一直流转换器以及一控制器；其中，该双重升压转换器(dual boost converter)具有一第一升压电路与一第二升压电路，分别电连接到一交流(AC)电源的两输出端，以将该交流电源的一输入电压转换成一稳定电压；该直流转换器与该双重升压转换器电连接，以将该稳定电压转换成一输出电压；而该控制器则对应该稳定电压而产生一信号，以对该双重升压转换器提供一反馈控制，以进一步控制及调整该稳定电压。
根据上述构想，其中该第一与该第二升压电路还分别包含一开关装置、一电感器以及一升压二极管；其中，该电感器具有一第一端与该AC电源的两输出端其中之一电连接，及具有一第二端与该开关装置的一输入端电连接；而该升压二极管则具有一第一端与一储能电容器的一第一端电连接，及具有一第二端与该电感器的一第二端电连接。
根据上述构想，其中该开关装置还包含一控制输入端，与该控制器电连接，以接收该信号，因而使流经该电感器的电流受该开关装置控制。
根据上述构想，其中该控制器为一脉宽调制(PWM)电路，该PWM电路具有一输入端，用以接收该稳定电压，以及具有一输出端，与该开关装置的该控制输入端相连接，以提供一系列的脉冲来控制该开关装置的工作周期(duty cycle)。
根据上述构想，其中该开关装置为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
根据上述构想，其中该直流转换器还包含一变压器、一桥式开关装置以及一整流电路，其中该变压器具有一主绕组与一次绕组；该桥式开关装置与该变压器的该主绕组电连接；而该整流电路则与该变压器的该次绕组电连接。
根据上述构想，其中该桥式开关装置为全桥式开关装置与半桥式开关装置其中之一。
根据上述构想，其中该整流电路还包含两个同步整流器与一输出滤波器。
本发明的第三构想是提出一种从一交流(AC)电源产生一直流(DC)电压的方法，该方法包含下列步骤：(1)对该AC电源的一输入电压进行整流，以产生一整流电压(rectified voltage)；(2)通过一升压转换器将该整流电压转换成一稳定电压；(3)利用一控制器检测该稳定电压，并且根据该稳定电压产生一信号，以对该升压转换器进行反馈控制；以及(4)通过一直流转换器将该稳定电压转换成一输出电压。
根据上述构想，其中该升压转换器的反馈控制为对该升压转换器的一开关提供一脉宽调制(PWM)信号，以调变该开关的工作周期(duty cycle)。
附图说明
图1为表示公知的一种交直流转换器的电路结构图；
图2为表示本发明的第一具体实施例的一交直流转换器的电路结构图；
图3为表示本发明的第二具体实施例的一交直流转换器的电路结构图；
图4为表示本发明的第三具体实施例的一交直流转换器的电路结构图；以及
图5为表示本发明的第四具体实施例的一交直流转换器的电路结构图。
其中，附图标记说明如下：
10 升压型PFC预调节器 20 直流转换器
102、202 端点 104、204 端点
L11、L12 升压电感器 D11、D12 升压二极管
Q11、Q12 开关装置 C11 储能电容器
BD1 整流器 30 PFC追踪控制器
B20 半桥式开关装 T21 变压器
R20 滤波电路 100-400 交直流转换器
C21 电容器 C22 电容器
Q21、Q23 开关 Q22、Q24 开关
W1 主绕组 W2 次绕组
Q31 开关 Q32 开关
C31 电容器 L31 电感器
40 双重升压PFC预调节器
50 直流转换器
具体实施方式
请参阅图2，其为表示根据本发明的电源转换器的第一具体实施例的电路配置图。如图中所示，该电源转换器100由一升压型的功率校正预调节器(PFC pre-regulator)10与一直流转换器(DC/DC converter)20所组成，其中，该PFC预调节器10用来对一交流(AC)输入电压Vin进行整流，接着根据该AC输入电压Vin的波形中得出一正弦波形的输入电流，以符合谐波电流放射(harmonic current emission)的限制。因此，经由该升压型PFC预调节器10作用后所获得的一稳定电压的振幅将会随着该AC输入电压Vin的振幅而变动。另外，该直流转换器20则是用来将该稳定电压转换成一固定大小的稳定输出电压Vout。
在该升压型PFC预调节器10中，其包含一整流器BD1、一升压电感器L11、一升压二极管D11、一储能电容器C11、一开关装置Q11及一PFC追踪控制器30。该整流器BD1通常为一桥式整流器，用以对该AC输入电压Vin进行整流以提供一整流过的AC输入电压。该开关装置Q11优选为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其包含一控制栅极、一源极与一漏极。该升压电感器L11的一第一端点102电连接到该整流器BD1；而该升压电感器L11的一第二端点104则电连接到该开关装置Q11的漏极。该升压二极管D11及该储能电容器C11串联连接后再与该开关装置Q11并联连接。此外，该升压型PFC预调节器10所产生的稳定电压将会产生一反馈信号传送到该PFC追踪控制器30，该PFC追踪控制器30则根据该反馈信号产生一系列的脉宽调制(PWM)的电压脉冲传送到该控制装置Q11的控制栅极，以对该升压型PFC预调节器10进行反馈控制。通过这样的控制，在该升压型PFC预调节器10中流经该升压电感器L11的电流波形将会随着该AC输入电压Vin的波型而变动，以维持较高的功率因素。
在图2的电路结构中，在该开关装置Q11的开启期间，流经该电感器L11的电流将会随着一(Vin/Lp)的比值而线性增加；其中Vin表示瞬间的输入电压值，而Lp则表示该电感器的电感值。另一方面，当该开关装置Q11关闭时，流经该电感器L11的电流则会随着(Vreg-Vin)/Lp的比值而降低，其中该Vreg表示该升压型PFC预调节器10所产生的稳定电压值。因此，通过该PFC追踪控制器30对该稳定电压的回馈控制，可以有效的降低该稳定电压值与该输入电压值之间的电压差，因而可以延缓流经该电感器L11的电流值的降低。由于流经该电感器L11的电流值下降的速度趋缓，可以使该开关装置Q11的关闭时间维持更久，因而可以有效地降低最小AC电压输入时，因为频繁的切换该开关装置所造成的功率损失。同时，降低的稳定电压值与该输入电压值之间的电压差也使流经该电感器L11的涟波电流降低，因而可使该电感器L11的设计能够选择较小电感值的电感器，这同时也进一步改善电源转换器的转换效率。
另一方面，经过该升压型PFC预调节器10所产生的稳定电压随后被传送到该直流转换器(DC/DC converter)20以进行进一步的直流电压转换。如图2中所示，该直流转换器20包含一变压器T21，一半桥式开关装置B20以及一滤波电路R20。该半桥式开关装置B20包含两个开关Q21与Q22，通过程序化的控制该二开关的Q21、Q22的开启与关闭可以产生一可调整工作周期(duty cycle)的对称方波传送到给该变压器T21。该变压器T21包含一主绕组W1与一次绕组W2，该主绕组W1与该半桥式开关装置B20电连接，而该次绕组W2则与该滤波电路R20电连接。因此，该变压器T21用来将一能量从该半桥式开关装置B20传送到该滤波电路R20。通过根据该调整电压与负载的情况而适当地调整提供到该变压器T21该对称方波的工作周期，一固定的直流输出电压便因而可以维持。另外，如图2所示，该直流输出电压输出之前会先经该过滤波电路R20进行滤波。该滤波电路为由两个同步整流器Q31、Q32以及由一电感器L31与一电容器C31所构成的一输出滤波器。
在这样的电路配置下，由于该同步整流器Q31、Q32较传统具二极管整流器具有较低的电压降，因而可以使该变压器T21的次绕组端能在相当低的电传导损失(conduction loss)的情况下来传导输出电流。另一方面，这两个同步整流器Q31、Q32将会与主绕组端的半桥式开关装置的开关Q21、Q22互补地进行启动与关闭，以使得该同步整流器Q31、Q32可以交替的在其工作周期内传导该输出电流，而且该两个同步整流器Q31、Q32在其工作周期以外的时间也同时传导出输出电流，因此更进一步降低在该直流转换器内的能量损失。因此，通过采用上述的直流转换器的电路配置，该直流转换器的能量转换效率将会大幅的改善，尤其是当该直流转换器的输入电压值可能会面临大幅度变动的情况时，特别是在超低输入电压值时的能量转换效率改善更加明显。
请继续参阅图3，其为表示本发明的电源转换器的第二具体实施例的电路配置图。如图中所示，本发明第二具体实施例中所述的电源转换器200与前述第一具体实施例的电源转换器100相较，其差别在原来的升压型PFC预调节器10由一同步整流的双重升压PFC预调节器40所取代，以进一步避免原先在升压型PFC预调节器10的整流器BD1所造成的电传导损失，以进一步改善该电源转换器200的整体能量转换效率，尤其是针对该交流输入电压为最小值的情况。除此之外，从图3中也可以看出，该电源转换器200所包含的某些构件完全与图2所示的电源转换器100的构件完全相同或类似。因此，这些相同或类似的构件仍依循图2中的符号来标示，以更清楚地呈现两个具体实施例之间的差异。
在本发明第二具体实施例中的电源转换器200中，该同步整流的双重升压PFC预调节器40包含一储能电容器C11以及一第一与一第二升压电路，其中该第一与第二升压电路分别由一升压电感器L11、L12以及一主动开关Q11、Q12所组成。如图3中所示，该第一与该第二升压电路分别连接于该AC输入电压Vin的两个端点；也就是说该第一升压电路上的一输入端点202连接于该AC输入电压Vin的其中一端点，而该第二升压电路上的一输入端点204则是连接到该AC输入电压Vin的另一端点。由于该AC输入电压Vin的两端互为相反方向的回路而且又不断的交替循环，因此当该第一升压电路上的该输入端点202用以接收该AC输入电压时，该第二升压电路上的该输入端点204在同一时间作为该第一升压电路的返回端点；而在AC输入电压Vin的下一个半循环中，该端点204则为该第二升压电路的输入端点，而该端点202则为该第二升压电路的返回端点。除此之外，该第一与第二升压电路的输出端则都与该储能电容器C11并联连接，以提供一稳定电压作为该直流转换器20的输入电压。因此，通过上述构想，该第一升压电路于该AC输入电压的第一半循环中开始运作，其中该端点202相对于该端点204为正电压，以产生一电流流经该电感器L11到该储能电容器C11；接着，于该第二半循环中，该第二升压电路开始运作，其中该端点204相对于该端点202为正，以提供一电流流经该电感器L12到该储能电容器C11，以产生一稳定电压。
另一方面，由脉宽调制电路所构成的一PFC追踪控制器30用来检测跨接在该储能电容器C11上的调整电压值，并且根据该调整电压值产生一反馈控制信号，以控制开关装置Q11、Q12的开启与关闭。因此，通过这两个开关装置Q11、Q12的适当控制，该双重升压PFC预调节器40可以同时操作升压与同步整流器的功能。因此，该电源转换器200的电路不仅可以减少该PFC预调节器40中所需的半导体构件，而且相较于该电源转换器100也可以有效的降低电路中的电传导损失，因而可以有效地提高该电源转换器200的整体能量转换效率。
请继续参阅图4，其为表示本发明的电源转换器的第三具体实施例的电路配置图。在该第三具体实施例的电源转换器300中，该升压型PFC预调节器10采用与第一具体实施例的电源转换器100相同的升压型PFC预调节器，只不过原先包含一半桥式开关装置B20的直流转换器20变更为包含一全桥式开关装置B50的一直流转换器50。因此，该直流转换器50包含由两组半桥式连接的开关装置Q21、Q22及Q23、Q24所组成的全桥式开关装置B50，一变压器T21以及一整流电路R20，其中，如同前面第一与第二具体实施例所述，该整流电路包含二同步整流器Q31、Q32以及由一电感器L31及一电容器C31所构成的一输出滤波器；而且，同样的，在该直流转换器50中，该全桥式开关装置B50与该变压器T21的主绕组W1电连接，而该整流电路R20则与该变压器T21的次绕组W2电连接。另外，请参阅图5，在本发明的第四具体实施例中还提出一种结合第二与第三实施例的技术特征的电源转换装置400。从图5中可以看出，该电源转换装置400的前半部分的电路由如图3所示的双重升压PFC预调节器40所构成，而后半部分的电路则是由图4中所示具全桥式开关装置B50的直流转换器50所构成。
在前述第三与第四具体实施例中，该直流转换器中的桥式开关装置，无论是全桥式或半桥式开关装置都是用来产生一个可调整工作周期的对称方波信号，而且通过其所耦接的变压器提供一输出电压。在一个预定最大工作周期的情况下，该输出电压与该调整电压的比值(Vout/Vreg)与该变压器的主绕组与次绕组的绕数比值成反比。因此当该调整电压的范围扩张时，该变压器的主绕组与次绕组的绕数比值应该进一步减少以确保相同的最佳工作周期。然而，这样会使得在输出端的滤波装置的额定电压值增加，因而造成该滤波电路中更高的电传导损失。因此，本发明采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来作为该直流转换器中的滤波电路，以减少该直流转换器中的电传导损失。这是因为MOSFET所构成的滤波器电路比传统由二极管所构成的滤波电路仅会产生更低的电压降。此外，这两个同步整流器在其交替的工作周期期间将输出电流，而且在其工作周期以外的期间该等同步整流器也同步输出该电流，以进一步降低该整流器的电传导损失。
如同前面所述，本发明的主要目的为提供一种新颖的交直流电源转换装置，该交直流电源转换装置可如前述第一与第二具体实施例中所述的电源装置100、200或者是如该第三与第四具体实施例中的电源转换装置300、400所示，而这些具体实施例中的电源转换装置都具备相同的功能与目的，亦即，前述四个具体实施例中所述结合PFC预调节器以及直流转换器的新配置以及搭配一PWM控制器的适当控制策略所形成的交直流电源转换装置。而通过图2到图5的具体实施例说明可知，本发明所提出交直流电源转换装置的电路结构如这些实施例所示，而其交直流电压转换的控制策略则可由下列步骤来说明：首先，从一AC电源中将一AC电压进行整流，以形成一整流电压；接着将该整流电压通过升压转换器进行调节，以形成一稳定电压；接着再通过一直流转换器将该稳定电压转换成一固定的直流电压输出；其中，在该稳定电压形成的期间，一控制器会检测该调整电压并且根据该调整电压值产生一反馈信号，以对该升压转换器的电路进行反馈控制，以使得提供给该直流转换器的稳定电压能够同时兼顾该PFC预调节器以及该直流转换器的能量转换效率。
更进一步来说，本发明通过一PFC追踪控制器的控制方式有效降低该升压型PFC预调节电路的电传导损失而改善其能量转换效率。然而，该PFC追踪控制器的操作将会对该直流转换器的最佳转换效能产生某一程度影响。在公知的技术中，该PFC预调节电路维持提供一固定的电压值到该直流转换器，以使得该直流转换器操作在最多最佳工作周期下而且维持在泛用(universal)输入范围下的最佳转换效率。然而，当该PFC预调节电路所产生的稳定电压范围扩大时，因为该直流转换器的工作周期大幅的降低，该直流转换器的效率将会随着该稳定电压的增加而降低。因此，在本发明中，更重要的观点是使得该直流转换器转换效率的降低小于该PFC预调节电路在最小AC输入电压时所造成的转换效率损失。如此，便得以使该电源转换装置的整体能量转换效能有效的改善。
以上所述，仅用以说明本发明的较佳实施例，然而本发明的范围当不受限于上述的各项具体实施方式；且本发明可由本领域的技术人员进行各种修改，但不脱离本发明请求保护的范围。
Claims (10)
1、一电源转换器，其包含：
一整流器，用以从一交流电源产生一整流电压；
一升压转换器，连接到该整流器，以将该整流电压转换成一稳定电压；
一直流转换器，电连接到该升压转换器，以将该稳定电压转换成一输出电压；以及
一控制器，其对应该稳定电压而产生一信号，以对该升压转换器提供一反馈控制，以进一步反馈控制及调整该稳定电压。
2、如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于该整流器为一桥式二极管整流器。
3、如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于该升压转换器还包含：
一开关装置；
一电感器，其具有一第一端与该整流器电连接，及一第二端与该开关装置的一输入端连接；以及
一二极管及一电容器，其串联连接后与该开关装置并联连接，其中：
该开关装置还包含一控制输入端，与该控制器电连接，以接收该信号，因而使流经该电感器的电流受该开关装置控制，而该控制器为一脉宽调制电路，其具有一输入端，用以接收该稳定电压，以及具有一输出端，与该开关装置的该控制输入端相连接，以提供一系列的脉冲来控制该开关装置的工作周期；及/或
该开关装置为一金属氧化物半导体场效应晶体管。
4、如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于该直流转换器还包含：
一变压器，其具有一主绕组与一次绕组；
一桥式开关装置，与该变压器的该主绕组电连接；以及
一滤波电路，与该变压器的该次绕组电连接，其中：
该桥式开关装置为全桥式开关装置与半桥式开关装置其中之一；及/或
该滤波电路还包含两个同步整流器与一输出滤波器。
5、一电源转换器，其包含：
一双重升压转换器，具有一第一升压电路与一第二升压电路，该第一与第二升压电路分别电连接到一交流电源的两输出端，以将该交流电源的一输入电压转换成一稳定电压；
一直流转换器，与该双重升压转换器电连接，以将该稳定电压转换成一输出电压；以及
一控制器，其对应该稳定电压而产生一信号，以对该双重升压转换器提供一反馈控制，以进一步控制及调整该稳定电压。
6、如权利要求5所述的电源转换器，其特征在于该第一与该第二升压电路还分别包含：
一开关装置；
一电感器，其具有一第一端与该交流电源的两输出端其中之一电连接，及具有一第二端与该开关装置的一输入电连接；以及
一升压二极管，其具有一第一端与一储能电容器的一第一端电连接，及具有一第二端与该电感器的一第二端电连接。
7、如权利要求5所述的电源转换器，其特征在于该直流转换器还包含：
一变压器，其具有一主绕组与一次绕组；
一桥式开关装置，与该变压器的该主绕组电连接；以及
一滤波电路，与该变压器的该次绕组电连接。
8、如权利要求7所述的电源转换器，其特征在于：
该桥式开关装置为全桥式开关装置与半桥式开关装置其中之一；及/或
该滤波电路还包含两个同步整流器与一输出滤波器。
9、一种从一交流电源产生一直流电压的方法，该方法包含下列步骤：
对该交流电源的一输入电压进行整流，以产生一整流电压；
通过一升压转换器将该整流电压转换成一稳定电压；
利用一控制器检测该稳定电压，并且根据该稳定电压产生一信号，以对该升压转换器进行反馈控制；以及
通过一直流转换器将该稳定电压转换成一输出电压。
10、如权利要求9所述的方法，其特征在于该升压转换器的反馈控制为对该升压转换器的一开关提供一脉宽调制信号，以调变该开关的工作周期。
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