TW540197B - Multi-function integrated DC converter - Google Patents

Description

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五、發明說明（1) 本.發明涉及一種實現直流電能到直流電能之間變換的 裝置，尤其涉及一種多功能整合型直流變換器（DC convertor) ° 圖1疋現有的一種全橋移相式軟開關直流—直流變換 器的電路結構圖。.輸入電容器（capacit〇r)cn上的直流電 壓經開關杰件（3\〇 tching device)Sl 1〜S14開關變換成高 頻方波交流電壓送到變壓器（transf〇rmer)Tr，變壓器^ 的輸出側輸出兩組相同幅值的方波交流電壓，經整流二極 管（rectifier diode)Dll、D12整流及由電感器 (inductor)Lo和電容器C3組成的濾波電路（f丨丨tering c 1 rcu 11)濾波得到輸出直流電壓。在這種結構的變換器 中，第一橋臂（arm)的上、下兩個開關器件S1 i和S12及苐 二橋臂的上、下兩個開關器件S13和S14各自在5〇 %占空比 或任務比（duty ratio)方波信號控制下互補開關工作，而 輸出電壓（output voltage)的調節是通過改變第一橋臂的 控制信號和第二橋臂的控制信號的相位差達到的，並利用 、交壓裔T r輸入端回路中的等效電感L k中的儲能實現開關器 件S11〜S14的軟開通（soft turn-on)，以提高變換哭的 作效率。 、-v工 圖2是現有的一種不對稱半橋直流—直流變換器的電 路結構圖。輸入電容器C2 1上的直流電壓經橋臂中上下= 個開關器件S21和S22互補開關工作，輸出高頻方波交流 包’该輸出經隔直電容器（stopping capacitor)Cb濾除直 流電壓部分，使變壓器Tr的輸入側得到方波交流電壓。變

540197 ____逢號 89125526__年月日_修正__ 五、發明說明（2) 壓器Tr·輸出側的電路（包括整流二極管D21、D22和電感器 L〇和電容器C3組成的濾波電路）及工作原理與圖1現有技術 相類似。圖2現有技術中通過改變開關器件S21或S22的控 制信號的方波脈衝時間來改變輸出端電壓，並利用變壓器 T r輪入端回路的等效電感l k的儲能實現開關器件s 2 1和S 2 2 的軟開通工作。 圖3是現有的一種全橋結構串並聯諧振直流一直流變 換器的電路結構圖。輸入電容器C3 i上的直流電壓經開關 器件S3 1〜S34變換成方波交流電壓。再經由串聯諧振電感 器Ls和串聯諧振電容器Cs構成的串聯諧振回路（res〇nance circuit)和由並聯諧振電容器cp和變壓5§Tr 认 P々欠仏為1 r的輪入端激磁 電感構成並聯諧振回路諧振得到正弦交流電壓作 Tr的輸入端電壓。變壓器Tr的輸出端的電路（‘效^ 一°。 極管D31、D32和電感器L◦和電容器㈡組成的正^ 工作原理與圖1相類似。圖3中輪出電壓的；；h # 開關器件S3 1〜S34的開關工作頻率從 疋遇迟汉义 端電壓來實現的。 i - Tr輸入 流電壓及輸出直流電壓均相對變化較小的應用^ 換器的工作性能和變換效率隨著輸出電 ：二且' 壓的升高而下降。因此，當實際應 、牛低和輸入 或輸出電壓條件時，現有的變換；必輸入電 件進行專門的設計才能達到。 、不通的使用 因此

本發明的目的在於提供 種具有多種輸入輸出

540197 月 曰 一修正 _ 案號 8912552B 五、發明說明（3) 2 能的多功能整合型直流變換器，從而實現直流 文換„。的夕功能化和靈巧化，達到減少產品σ 化產品品質和進一步降低產品成本。 σ σσ 、 ° 的畜：:二在通信領域中，常用的直流變換器有彻到24V =，換和20到權的直流變換。目前是通過兩種不同 —衣置分別貫現相應的變換功能。本發明的目的在於 貫現一種新的變換裝置可直接用於上述兩種應用場合。、 Ζ此，根據本發明的上述目的，本發明提供一種多功 月匕整合型直流變換器，它包括： 輸入電容器，用於提供直流電壓； 直流-交流變換電路，與所述輸入電容器相連，將所 述輸入電容器提供的直流電壓轉換成高頻交流電壓； 開關為件控制信號發生器（C 〇 n t r 〇 1 S i g n a 1 generator)，用於產生控制信號，控制所述直流—交流變 換電路的全橋開關器件組中各個開關器件的導通和關斷； 堯I杰，與所述直流—父流變換電路相連，將所述高 頻交流電壓進行電氣隔離和變壓； η 整流電路，與所述變壓器輸出端相連，將所述變壓器 輸出的經變壓的高頻交流電壓整流成直流電壓；以及°° 渡波電容器，與所述整流電路相連； 本發明的特徵在於，還包括一個輸出電壓轉換開關 (switch)，所述整流電路為四個全橋結構的整流二極管構 成’所述輸出電壓轉換開關的一端連接到全橋整流二極管 的共陽極連接點上，另一端連接到所述變壓器的中心抽頭

第6頁 540197 89125526 上 連 發明說明（4) - 所.述輪出電壓轉換開關的轉換黠與所述濾波電容器相 〇 下面結合附圖詳細描述本發明的較佳實施例， 的上述和复〜 十π η 為 /、匕目的、優點和效果通過下面的描述將變得更 句月瞭。附圖中： 圖1 —同〇 _ 圖3不出了已有技術的直流變換器的三種結構； ®1 4 7R Φ ^ r 結構圖； 了本舍明的多功能整合裂直流變換器的電路 t解釋圖4所示的直流變換器的卫作原理； 種電路結構囷了·本‘月的夕功此整合型直流變換器的另一 所示的直流變換器的工作原理； 一種電路結構圖。^明的多功能整合開型直流變換器的再 如圖4戶斤- 入電容器c 1不全’二發二的/功能整合型直流變換器由輪 聯諧振電感器“：：=81，、諧振電容器。與串 :LD4構成的輪出整流電路以及二？Tr、由整流二極 入電谷器C1輿全 及/慮波電容器C3组成。蛤 組S1-以啟# 橋開關态件組S1-S4 i表掉 、且风翰 μ Λ專統直流變換器巾M ^ n ，全橋開關器件 ::通和關斷。從二;輪中的全，器件組一樣，交 轉換成高頻夺、☆ 電容器C1上猶々L > 和電感器Ls争;全橋開關器件組81二件電壓 換電路。发中:構成的4振電路連接，構出古、包谷态Cs /、中串聯諧振電感器L 構成直流-交流變 _____ T从破整合在變壓器Tr

變壓器T r將直流-交流變換雷放 電氣隔離和„ 輪出的交流電壓進行 _案號 89125526 、發明說明（5) 中。 D4以全柊 j出正饥私路由四個整流二極管D1- 轉換開^ =山回4中的Sm為輪出電壓轉換開關，該 連接至接到變壓器Tr的中心抽頭上，另-端 轉換點i濟波電容連接點上。轉換開關Sm的 連接相連。而全橋整流二極管的共陰極 接點連接到濾波電容器C3的另一端。 2橋整流電路的工作原理如下：全橋開關器件組的 J ^的上、下開關器件S1_各自受控制信號控制^ 和關冑°第二橋臂的上、下開關器件S3和S4也受 组二、^控制而互補導通和關斷（關於如何控制開關器件 、=導通和«，都是公知技術，因此，在此不再詳細描 ,L輸入電容器C1的直流電壓經開關器件S1〜S4變換， 王橋^ ϋ件組第-橋臂的中點A1和第二橋臂的中點B1 2獲得回頻方波父流電壓，該高頻方波交流電壓施加到 串，諧振電容器Cs，變壓器Tr的輸入侧繞組及串聯諧振 “感為L s構成的串聯諧振回路，產生串聯諧振而在變壓器 f的輸入侧繞組中得到正弦波交流電流。正弦波交流電流 經變壓器Tr傳送到變壓器輸出侧的上、下兩個繞組中。根 f輸出轉換開關Sm所處的位置，變壓器輸出側上的電流會 $過整流二極管元件D1和…（輸出轉換開關Sm處於A位置 日守）或D1〜D4 (輪出轉換開頭Sm處於b位置時）被送至輸

540197 案號 89125526 曰 修· 五、發明說明（6) 出電容.器C 3上，經電容器C 3濾波後獲得相應的直流輸出電 壓。當轉換開關Sm被連接到A點時（如圖5 A )，輸出直流電 壓是變壓器Tr輸出側的上、下兩個相同繞組上的電壓分別 經過整流二極管D1和D 2整流得到。因此輸出電壓的幅度對 應於變壓器T r輸出侧上、下兩個繞組的電壓幅度。當轉換 開關被連接到B點時（如圖5 B所示），輸出直流電壓是變壓 器Tr輸出側的上、下兩個相同繞組串聯疊加後經過整流二 極官Dl、D4和D2、D3整流後得到。因此此時輸出電壓的幅 度對應於變壓器Tr輸出侧上、下兩個繞組上的電壓之和。 因此轉換開關Sm被連接到A點時輸出直流電壓是轉換開關 S4連接到B點時輸出直流電壓的一半。或者㉟，轉換開 =被連接到B點時的輸出直流電壓是轉換開關&被連接 。因此，通過改變轉換開關sm的連接位置 可以得到兩種不同的亩#私 用ί彳4 A直輪出電壓（如在通信電源中通常 用到的2 4 V和4 8 V直流雷懕、二十人 能。 私& )而不會明顯影響電路的工作性 在圖4的貫施例中 關器件組。應當理解，也t肌雙換電路採用了全橋開 正激開關器件組、推挽式n =知用例如半橋開關器件組、 交流變換電路，只= =種類型的直流- 作用即可。 換電路忐起到直流至交流的變換 圖4所不的你| Η、又 “例中’是通過轉換直流變換

的電路結構來達到變換Τ出過電轉二直f變換器的輪出部分 明的另-個實施例。在4=功。圖6示了 了本發 540197

___89125526 五、發明說明（7) 器的輸·入部分的電路結構來達到變換輸 如圖6所示，從圖6所示的直流變換器々功能。 看，它與圖1所示的傳統的直流變換器'的^/ i @结構來 者的區別點在於，控制全橋開關器件組的冋。這兩 方法）不同。傳統的直流變換器對該全橋開I （控制 制方式為：使第一橋臂上的兩個開關器件p 一 、、且的控 兩個開關器件交替導通和關斷，即，使:橋臂上的 器件S11和S12互補導通和關斷，使第二於辟^是上的開關 法在此基礎上再增加了一種，即，使全控制方 一橋臂上的兩個開關器件S1和32互補（交‘二二第 :使=㈣組的第二橋臂上的上開二7二 ：開關器件組的第二橋臂上的下開關器件S4:: :通。也就是㉟’本發明的直流變換器的全橋開關器件組 有兩種工作狀態，一種工作狀態與傳統的—樣，另一工 作狀態是本發明新增加了工作狀態。 在^種狀態下，即傳統的工作狀態了，全橋開關器 組的第一橋臂的上開關s 1和第二橋臂的下開關S4盥第一 ，臂的下開關S2和第二橋臂的上開關S3互補導通和關斷。 弟一橋臂的中心點A1和第二橋臂的中心點B1之間輸出電壓 為方波交流電壓。該方波交流電壓的幅度與輪入電容器c i 的輪入直流電壓幅度相等。如果在額定工作條件下，^聯 譜振電容器Cs和串聯諧振電感器Ls被設計在工作于完全言1 振狀態下，則變壓器Tr輸入側的電壓等於點Al和…之間^

第10頁

540197 發明說明（8) 電壓$，電壓幅度等於輸入直流電壓幅度 、=本發明的直流變換器的全橋開關器件組工作在另一 ^ 即全^開關器件組的卜橋臂上的兩個開關器件 ^互補（交替）導通和關斷，而全橋開關器件組的第二 二j的上開關器件S3固定關斷，全橋開關器件組的第二 :蚩ί的下開-關态件以固定導通時，可以把圖6的電路結 a : ί Γ所古示的電路結構。此時點Α2到β2之間輸出電壓 ::t i電壓一半幅度直流分量的方波脈衝電壓， 、、、工過串聯谐振電容哭c s陪哈吉、;六八旦 „ .. 哭Ls 士入扯拉 卩同除直級刀里，亚與串聯諧振電感 壓的：；：；波^器ΤΓ，：側獲得幅度為輸入直流電 / “堅。也就疋說，在維護相同的輸出雷；g 的條件的，該工作狀態可使本發 二屋 兩種不同的輸入㈣，保持輸出電壓不變4路可以適應 因此，通過改變第二橋臂上、下 關工作條件’ “變換器可適用於兩種二：S:、S4的開 件，而不明顯改變電路的工作性能。 ° 、輸入直流條 與傳統的直流變換器一樣，全 號是由開關器件控制信號發生器提；：：：：組的控制信 述的本發明的全橋開關器件組的控根據上面已經描 信號發生器CT可以包括兩個控制信號於生。’。，本*明的控制 號發生器產生傳統的控制信號，使全‘二：第-控制信 橋臂上的兩個開關器件和第二橋臂上二4關益件組的第一 導通和隊第二控制信號發 勺：個開關器件交替

第11頁 生本發明的另一種押 540197

修正 ，信號·，使全橋開關器件組 父替導通和關斷，而使全棒 爵臂上的兩個開關器件 開關器件固定關斷，使全:開關件組的第二橋臂上的上 開關器件固定導通。這:，關器件級的第二橋臂上的下 (或者，換裝置）來控制它們分別：;發生器通過轉換開關 口上所述，圖4所示的實施 的輸出電路結構來達到變換電路通過轉換直流變換器 例是通過轉換直流變換器的=入=功能，圖6所示的實施 的功能。在一個新實施例中:可結構來達到變換電路 與圖6所示的輸入電路結構相結合/巴圖4的輸出電路結構 圖8所示，對於其工作原理 ^具體的電路結構如 上面詳細描述了本發明的各個仏述。 理解’上述這些並不是對本發明範圍的；：例對=應當 :域的-般技術人員來說…在 】c 所附申請專利範圍來決定。 纟祀圍應由

540197 _案號 89125526_年月日_修正 圖式簡單說明 第13頁

Claims (1)

1. 540197 — --室號 89125526 车日 女工 ——μ---- 1、一種多功能整合型直流變換器，它包括： 輸=電容器，用於提供直流電壓； 直流-交流變換電路，與所述輸入電容器相連，將所述 輪入電容。器提供的直流電壓轉換成高頻交流電壓； 開關器件控制信號發生器，用於產生控制信號，控制 斤述直々lL父力11•受換電路的全橋開關器件組中各個開關 =件的$通和關辦，所述開關器件控制信號發生器包括第 才工制k號發生器和第二控制信號發生器，所述第一控制 k號發生器產生的信號使所述全橋開關器件組的第/橋臂 上的兩個開關器件和第二橋臂上的兩個開關器件交替導通 和關斷，所述第二控制信號發生器產生的信號使所述全橋 開關為件組的第一橋臂上的兩個開關器件交替導通和關 斷，使所述全橋開關器件組的第二橋臂上的上開關器件固 定關斷’使所述全橋開關器件組的第二橋臂上的下開關器 件固定導通，所述第一控制信號發生器和所述第二控制信 號發生器通過轉換開關分別工作，且所述全橋開關器件組 具有兩種工作狀態，第一種工作狀態是所述全橋開關器件 組的第一橋臂上的兩個開關器件和第二橋臂上的雨個開關 器件交替導通和關斷；第二種工作狀態是所述全橋開關器 件組的第一橋臂上的兩個開關器件交替導通和關斷，所述 全橋開關器件組的第二橋臂上的上開關器件固定關斷，所 述金橋開關器件組的第二橋臂上的下開關器件固定導通， 所述全橋開關器件組的兩穆工作狀態通過轉換開關轉換； 麦壓杰’與所述直流-交流變換電路相連，將所述高頻

   第14頁 540197 89125526 年 月 曰 修正 一—一 六、申請專利範圍 父流電.壓進行變壓 整級電路，與所述^:壓杰輪出端相連，將所述變 輸出的經變壓的高頻交流電壓整流成直流電壓；以及 濾波電容器，與所述整流電路相連； 六其特徵在於，還包括一個輪出電壓轉換開關，所述整 四個全橋結構的整流二極管構成，所述輸出 I轉換開關的一端連接到全橋$ * — 連接科L ， 正机一極官的共陽極 所^;!上，另一端連接到所述變壓器的中心抽頭上， 連斤逑輪出電壓轉換開關的轉換點與所述滤波電容器相 壓器