CN202059336U

CN202059336U - 一种能提高电源转换效率的供电装置

Info

Publication number: CN202059336U
Application number: CN2011201500726U
Authority: CN
Inventors: 许道飞; 章进法
Original assignee: Delta Electronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: Delta Electronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-05-12

Abstract

本实用新型提供一种能提高电源转换效率的供电装置，具有一个升压电路，该升压电路包含由二极管和电容器串联连接构成的串联电路，该串联电路与开关装置并联连接，开关装置的一端连接电感。本实用新型能使供电装置的交流/直流电源转换器维持较高的功率因素。

Description

一种能提高电源转换效率的供电装置

技术领域

本实用新型涉及一种能提高电源转换效率的供电装置，特别是涉及一种能提高电源转换效率的供电装置的供电装置。

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）电源转换稳定的直流电源转换器的典型电路结构。

然而，现有的 AC/DC电源转换器的电路结构的整体效率实际上会因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。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能量转换效率较高的升压电路。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种能提高电源转换效率的供电装置，具有一个升压电路，该升压电路包含由二极管和电容器串联连接构成的串联电路，该串联电路与开关装置并联连接，开关装置的一端连接电感。

所述升压电路包含第一升压单元和第二升压单元，该第一升压单元分别点连接到交流电源的两个输出端。

所述开关装置为金属氧化物半导体场效应晶体管。

所述供电装置还包含整流器和直流转换器，所述升压电路耦接该整流器和该直流转换器。

所述供电装置还包含控制器，该控制器与升压电路构成反馈电路。

本实用新型能使AC/DC电源转换器能量转换效率较高，从而维持较高的功率因素。

下面结合附图对本实用新型的实施和优点作进一步解释。

附图说明

图1是本实用新型的第一实施例的一交直流转换器的电路结构图；

图2是本实用新型的第二实施例的一交直流转换器的电路结构图；

图3是本实用新型的第三实施例的一交直流转换器的电路结构图；

图4是本实用新型的第四实施例的一交直流转换器的电路结构图。

具体实施方式

以下给出四个实施例详细说明本实用新型，分别可以参考图1至图3。在不同的图中，相同的元件是以相同的符号表示。

请参阅图1，为根据本实用新型的电源转换器的第一实施例的电路配置图。如图中所示，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参调节器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输入由电压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Vin。

该升压型PFC预调节器10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1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1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包含一主绕线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1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 los）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2，为本实用新型的电源转换器的第二实例的电路配置图。如图中所示，本实用新型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2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1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1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。

在本实用新型第二实施中的电源转换器200中，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2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其中一端点，而该第二升压电路上的输入端点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，该第一与第二的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3，为本实用新型的电源转换器的第三实施的电路配置图。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L31及一电容器C31所构成的输出滤波器；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4，在本实用新型的第四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4中可以看出，该电源转换装置400的前半部分的电路由如图2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3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，本实用新型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，本实用新型的主要目的为提供一种能提高电源转换效率的供电装置，该交直流电源转换装置可如前述第一与第二实施例中所述的电源装置100、200或者是如该第三与第四实施例中的电源转换装置300、400所示，而这些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1到图4的具体实施说明可知，本实用新型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，以一形成一稳定电压；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，本实用新型通过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，该直流转换器效率将会随着该稳定电压的增加而降低。因此，在本实用新型中，更重要的观点是使得该直流转换器效率的降低小于该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能有改善。

当然，以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式。凡根据本实用新型所作的等同变换都属于本实用新型所要求保护的范围。

Claims

1.一种能提高电源转换效率的供电装置，具有一个升压电路，其特征在于，该升压电路包含由二极管和电容器串联连接构成的串联电路，该串联电路与开关装置并联连接，开关装置的一端连接电感。

2.根据权利要求1所述的能提高电源转换效率的供电装置，其特征在于，所述升压电路包含第一升压单元和第二升压单元，该第一升压单元分别点连接到交流电源的两个输出端。

3.根据权利要求1所述的能提高电源转换效率的供电装置，其特征在于，所述开关装置为金属氧化物半导体场效应晶体管。

4.根据权利要求1所述的能提高电源转换效率的供电装置，其特征在于，所述的供电装置还包含整流器和直流转换器，所述升压电路耦接该整流器和该直流转换器。

5.根据权利要求1所述的能提高电源转换效率的供电装置，其特征在于，所述的供电装置还包含控制器，该控制器与升压电路构成反馈电路。