用于转换电压的转换器单元和方法技术

本发明专利技术涉及用于将输入电压(V10)转换为输出电压(V20)的转换器单元(10)。转换器包括：输入端子(12、14)，用于将转换器单元(10)连接到电压供应(16)并且用于接收来自电压供应(16)的输入电压(V10)；和输出端子(18、20)，用于将转换器单元(10)连接到负载以驱动该负载。可控开关(22)连接到电感器(26)。转换器单元进一步包括：电流检测器(34)，用于检测电感器(26)的电流(I30)；电压斜率检测器(38)，用于检测在可控开关(22)两端测量的电压(V30)的斜率；以及控制单元(32)，用于基于电感器电流(I30)和电压斜率而控制可控开关(22)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于转换电压的转换器单元和方法
本专利技术涉及用于将输入电压转换为输出电压的转换器单元并且涉及对应的方法。
技术介绍
在功率转换领域，开关式电源(SMPS)是标准选择。已知不同的SMPS实施方式，其包括两个可控开关连同电感器作为同步转换器，或者包括一个可控开关连同电感器和二极管或者电容器作为异步转换器。在以下讨论中，步降转换器或者降压转换器将被用作示例SMPS拓扑；然而，该概念还可以被应用于升压、降压-升压、E类等转换器。通过将可控开关或多个可控开关导通和关断，控制SMPS的输出电压，其中通常高频控制回路和低频控制回路被用于控制可控开关或多个可控开关。使用具有一个可控开关的异步SMPS作为示例，可以基于开关频率或者基于可控开关的占空比控制输出电压，其中占空比控制可以通过将具有固定频率的斜升信号与参考信号进行比较来实现，并且当斜升信号达到参考信号时确定开关时间。在这一情形下，低频控制回路例如基于输入电流、输出电流、输出电压、或者输出功率来提供参考信号，并且高频控制回路基于斜升信号和参考信号来控制开关。通常，当斜升信号低于参考信号时可控开关导通，并且当斜升信号高于参考信号时可控开关关断。可以通过将参考信号设置到更高的值或者更低的值(借助于低频控制回路)来控制转换器的输出功率或者输出电流。为了将转换器单元的开关损失最小化，开关时间必须与可控开关两端的电压同步。在异步SMPS中，当可控开关两端的电压为零(零电压开关)或者达到局部最小值(谷值开关)时，可控开关导通。这服务于将可控开关的开关损失最小化。现有技术控制器被配置为当电感器中的电流为零时或者当检测到最小值时将可控开关导通。在这些控制器中，一般利用由与振荡器电路组合的低频控制回路确定的导通时间控制，诸如与参考信号组合的斜升信号。在备选解决方案中，当电感器电流达到峰值阈值时可控开关关断，并且当电感器电流过零时可控开关导通。然而，由于二极管的开关延迟和反向恢复时间，这可能产生次最优开关时间；因此，使用这种方案未将开关损失最小化。根据EP2528216A1，已知自振荡降压转换器，其使用以电感器电流和开关电压为基础的阈值控制。然而，当整流器单元连接到输入端子时，对于AC到DC应用而言，检测可控开关的导通转变是困难的。这是由于在ac周期的不同点处需要的零电压或者谷值开关，这不容易经由固定的电压阈值处理。因此，在这样的情况下，未将开关损失最小化。US2012286752(D1)公开了用于开关式调节器的控制电路。该电路包括电感器、可控开关、以及电流检测器。检测到的电感器电流被用于控制开关。控制电路还包括其控制高侧可变电流源和低侧可变电流源中的至少一个可变电流源的电流值的转换速率控制，该转换速率控制限定向开关提供的开关电压信号的改变速率。US488882(D2)公开了用于谐振回扫高压供应的同步电路。该电路被提供有负斜率检测电路。负斜率检测电路的基本功能是要在回扫波形的斜率下降期间禁用开关，直到负斜率的dv/dt等于零。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供改进的转换器单元，用于将输入电压转换为输出电压；以及提供对应的方法，用于以高功率因子和少的技术努力将输入电压转换为输出电压。根据本专利技术的一个方面，提供了用于将输入电压转换为输出电压的转换器单元，其包括：-输入端子，用于将转换器单元连接到电压供应并且用于接收来自电压供应的输入电压，-输出端子，用于将转换器单元连接到负载以驱动该负载，-可控开关，-电感器，连接到可控开关，-电流检测器，用于检测电感器的电流，-电压斜率检测器，用于检测在可控开关两端测量的电压的斜率，以及-控制单元，用于基于电感器电流和电压斜率而控制可控开关，并且-其中电压斜率检测器包括：彼此反并联连接并且经由电容器连接到可控开关的两个二极管；用于检测两个二极管处的电压的电压检测器；以及用于将偏移电压电势提供到两个二极管的偏移电压源。在从属权利要求中限定了本专利技术的优选实施例。应该理解的是，要求保护的方法具有与要求保护的设备相似和/或相同的并且如在从属权利要求中限定的优选实施例。本专利技术基于以下构思，即基于检测到的电感器电流和可控开关两端的电压降的斜率，而开关转换器单元的可控开关。由于可控开关基于电感器电流而关断，可以贯穿整个AC周期应用相同的电流阈值，使得可以实现与恒定的低频输入电流可比拟的高功率因子。由于可控开关基于斜率检测而导通，可以在周期的早期检测到开关电压的最小值，使得可控开关可以在最小电压处精确地开关，并且可以将可控开关的开关损失最小化。因此，可以增加功率因子而不需要倍增器(multiplier)电路或者对低频控制回路的平均，使得对转换器单元的技术努力减少，同时保持低的开关损失。由于电压斜率检测器包括彼此反并联连接并且经由电容器连接到可控开关的两个二极管、以及用于检测两个二极管处的电压的电压检测器，提供了当电压斜率为正时检测逻辑高电压并且当电压斜率为负时检测逻辑低电压的可能性。通过电容器的电流与可控开关两端的电压的斜率成比例。由于电压斜率检测器包括用于将偏移电压电势提供到两个二极管的偏移电压源，可能区分关于偏移电压电势的在两个二极管处检测到的逻辑低电压值和逻辑高电压值，使得电压斜率检测更可靠。在优选实施例中，诸如二极管或者电容器之类的阻断器件连接到可控开关。换句话说，可控开关、电感器、以及阻断器件共享共用节点。因此，转换器单元可以被形成为步升转换器、步降转换器、或者E类SMPS。在优选实施例中，控制单元适于基于检测到的电感器电流而关断可控开关，并且基于检测到的电压斜率而将可控开关导通。峰值电流控制是产生良好功率因子的简单解决方案，并且电压斜率的使用允许通过在合适的时间开关而减少当可控开关导通时的开关损失。在优选实施例中，控制单元适于当电感器电流达到阈值时关断可控开关，并且当电压斜率达到预定义值时将可控开关导通。这可能精确控制可控开关以便增加功率因子同时保持低的开关损失。在优选实施例中，电流检测器包括串联连接到可控开关的电阻器，并且包括用于检测该电阻器两端的电压的电压检测器。这可能以低的技术努力在可控开关导通的同时检测电感器电流，其中如果电阻器连接到地，则差分电压测量可以省略。进一步优选的是将电阻器串联连接到电感器。这可能以低的技术努力检测电感器电流。在优选实施例中，电压斜率检测器包括参考电流源，例如通过经由参考电阻器连接到两个二极管的参考电压源实现的参考电流源。这可能调整电压斜率检测器和调整用于触发可控开关的触发点。在优选实施例中，电流检测器包括彼此并联连接并且并联连接到可控开关的多个传感器开关，以用于将电感器电流分成多个感测电流。这可能以低的技术努力提供其可以集成在集成电路中的电流检测器。在优选实施例中，电流检测器包括用于将感测到的电流之一与参考电流进行比较的比较器电路。这可能以低的技术努力基于感测到的电流之一精确地确定电感器电流。在优选实施例中，传感器开关经由感测电阻器并联连接到可控开关，以检测感测电阻器处的对应于电感器电流的感测电压。这可能以低的技术努力和高准确性来检测电感器电流。在优选实施例中，控制单元适于基于电感器电流和两个不同的连续电压斜率值而控制可控开关。这可能当电压开始下降并且电压斜率为负时准备控制单元，并且当电压斜率值达到足够接近之后本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于将输入电压(V10)转换为输出电压(V20)的转换器单元(10)，包括：‑输入端子(12、14)，用于将转换器单元连接到电压供应(16)并且用于接收来自所述电压供应的所述输入电压，‑输出端子(18、20)，用于将所述转换器单元连接到负载以驱动所述负载，‑可控开关(22)，‑电感器(26)，连接到所述可控开关，‑电流检测器(34)，用于检测所述电感器的电流(I30)，‑电压斜率检测器(38)，用于检测在所述可控开关两端测量的电压(V30)的斜率，以及‑控制单元(32)，用于基于电感器电流和电压斜率而控制所述可控开关，并且‑其中所述电压斜率检测器包括：两个二极管(42、44)，所述两个二极管彼此反并联连接并且经由电容器(40)连接到所述可控开关；电压检测器(48)，用于检测所述两个二极管处的电压；以及偏移电压源(46)，用于将偏移电压(V40)电势提供到所述两个二极管。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.30 EP 13182322.11.用于将输入电压转换为输出电压的转换器单元，包括：-输入端子，用于将转换器单元连接到电压供应并且用于接收来自所述电压供应的所述输入电压，-输出端子，用于将所述转换器单元连接到负载以驱动所述负载，-可控开关，-电感器，连接到所述可控开关，-电流检测器，用于检测所述电感器的电流，-电压斜率检测器，用于检测在所述可控开关两端测量的电压的斜率，以及-控制单元，用于基于电感器电流和电压斜率而控制所述可控开关，并且-其中所述电压斜率检测器包括：两个二极管，所述两个二极管彼此反并联连接并且经由电容器连接到所述可控开关；电压检测器，用于检测所述两个二极管处的电压；以及偏移电压源，用于将偏移电压电势提供到所述两个二极管。2.根据权利要求1所述的转换器单元，其中所述控制单元适于基于检测到的所述电感器电流而关断所述可控开关，并且适于基于检测到的所述电压斜率而将所述可控开关导通。3.根据权利要求2所述的转换器单元，其中所述控制单元适于当电感器电流达到阈值时关断所述可控开关，并且适于当所述电压斜率达到预定义值时将所述可控开关导通。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·L·约翰，P·G·布兰肯，R·埃尔弗里奇，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL