市电功率转换器、其对应的控制器以及其操作方法技术

本发明专利技术公开一种功率转换器，其被配置成转换AC市电功率到低于所述AC市电的峰值电压的DC输出电压。所述功率转换器包括：电容器，其被配置成存储在所述峰值电压和所述DC输出电压中间的电压范围中的电荷；门控整流级，其包括用于整流AC市电功率的整流器，和至少一个开关，其被配置成仅在所述AC市电的半循环的低电压部分期间供应所述所整流的AC市电功率到所述电容器；以及开关模式DC‑DC功率转换级，其包括至少一个另外的开关，并且被配置成仅在所述半循环的高电压部分期间从所述电容器转换功率到所述DC输出电压。本发明专利技术也公开一种用于这种转换器的控制器和一种对应的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及被配置成将AC市电功率转换到DC输出电压的功率转换器、其对应的控制器以及其操作方法。
技术介绍
在诸如3.3V、或5V或12V的低电压下操作的多个应用得益于被连接到市电电源。先前，获得低电压的常规方式是使用高电压电容分压器，其中电容器用作阻抗。整流并使用电容器电流。此方法高效，但电容器较大和昂贵。另一个常规的解决方案是使用整流和开关模式DC-DC转换器，其可以被配置成高效地操作，但由于涉及到高电压，这些通常较为昂贵。在所涉及的低占空比下，这些都难以控制；例如，下转换325V到3.3V，DC-DC转换器将必须在仅仅1％的占空比下操作。通常比使用DC-DC转换器更便宜的另一已知的解决方案是使用线性电压调节器，诸如低压差电压调节器(LDO)。电压调节器通常包括功率FET和差分放大器。差分放大器比较输出电压(或可替换的是和更通常的是，输出电压的界限分明的部分)与参考电压，并以线性方式驱动功率FET以维持固定的输出电压。如果用于下转换市电电压到典型的低电压，那么电压调节器将极为低效：举例来说，使用产生325V的峰值电压的同一220V市电以提供3.3V输出电压的功率，其必须下降322V。因此，在已知的解决方案中，电压调节器的电源通常由电容器提供，所述电容器从所整流的市电充电到中间电压(出于良好的效率，其刚好超过输出DC电压)。建立中间电压通常通过所谓的“门控整流”完成，其中市电通过桥式整流器整流，并且输出可开关地连接到电容器。已提议使用诸如开关模式功率转换器的DC-DC转换器替换电压调节器。然而，来自DC-DC转换器的波纹可产生EMI。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供功率转换器，其被配置成将AC市电功率转换到低于AC市电的峰值电压的DC输出电压，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，所述功率转换器包括：电容器，其被配置成存储在峰值电压和DC输出电压中间的电压范围中的电荷；门控整流级，其包括用于整流AC市电功率的整流器和被配置成仅在AC市电的半循环的低电压部分期间供应所整流的AC市电功率到电容器的至少一个开关；以及开关模式DC-DC功率转换级，其包括至少一个另外的开关，并且被配置成仅在AC市电的半循环的高电压部分期间从电容器转换功率到DC输出电压。至少一个开关可为单个开关，或可为超过一个开关，例如在实施例中，其中整流器是全桥式整流器，可为全桥式整流器的两个输出侧臂中的每一个提供一个开关。在其它实施例中，整流器的一个或多个二极管可被相应的同步整流开关代替。接着，同步整流开关可为所述一个或多个开关的至少一部分。通过操作DC-DC功率转换级以仅在AC市电的半循环的高电压部分期间操作，有可能有效地从市电输入隔离EMI的电源，也就是说，开关模式DC-DC转换器，而不需要使用EMI串联滤波。在一个或多个实施例中，在AC市电的半循环的低电压部分期间的AC市电的最大绝对电压不超过DC输出电压的4倍，或大于DC输出电压不低于2V。中间电压可在高于DC输出电压不低于2V的最小值和不超过最小值4倍的最大值的范围内。在更多实施例中的一个中，循环具有循环周期，半循环的低电压部分占用不超过5％的循环周期。在一个或多个实施例中，功率转换器可另外包括耦合到DC-DC功率转换级的输出并用于使DC输出电压平滑的平滑电容器。这种平滑电容器可降低在市电半循环的低电压部分期间暂时禁用DC-DC功率转换级的影响。在一个或多个实施例中，功率转换器可另外包括控制器，其被配置成在AC市电的半循环的低电压部分期间确保至少另外的开关是打开的，由此禁用DC-DC转换器。根据本专利技术的另一方面，提供控制器，其被配置成操作如上文所描述的市电功率转换器，且包括第一开关控制子单元，所述第一开关控制子单元适用于定期打开和关闭至少一个开关以产生门控整流和将电容器充电到中间电压，以及另一开关控制子单元，所述另一开关控制子单元适用于响应于所打开的至少一个开关，定期打开和关闭至少一个另外的开关以产生输出电压，所述中间电压在市电的峰值电压和输出电压的中间。根据本专利技术的另一方面，提供用于移动装置的市电电源，其包括如刚刚所描述的功率转换器、用于直接连接到市电电源上的输入，以及用于直接连接到所述移动装置上的输出。市电电源可不包括任何其它的感应组件或EMI或市电滤波器。尽管如此，市电电源可适用于其中需要高谐波质量的应用。根据本专利技术的另一方面，提供包括如刚刚所论述的市电电源的电子设备。电子设备可另外包括存储器和处理器，或诸如图形用户接口的其它电路，这些中的至少一个可在3.3V、5V和12V的电压下操作。根据本专利技术的另一方面，提供将AC市电功率转换到低于AC市电的峰值电压的DC输出电压的一种方法，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，所述方法包括：整流AC市电功率，并开关至少一个开关以仅在AC市电的半循环的低电压部分期间供应所整流的AC市电功率到电容器上；在电容器中存储在峰值电压和DC输出电压中间的电压范围中的电荷；以及操作至少一个另外的开关，所述至少一个另外的开关包括在DC-DC功率转换级中，所述DC-DC功率转换级被配置成仅在AC市电的半循环的高电压部分期间从电容器转换功率到DC输出电压。DC-DC功率转换器可为多种类型的开关模式功率转换器中的任一种。举例来说(但不限于)，其可为返驰转换器，或半桥式转换器；由于降压转换器降低输入和输出之间的电压，所以DC-DC转换器通常可为降压转换器。附图说明将仅借助于例子参看图式描述本专利技术的实施例，在图式中图1示意性地示出了功率转换器，其包括门控整流级、中间电容器以及DC-DC功率转换级；图2示出了概念性双级功率转换器的框图，所述概念性双级功率转换器包括EMI隔离；图3示出了根据本专利技术的示例方法的流程图；以及图4示出了开关模式DC-DC功率转换级的例子，其可用于一个或多个实施例中。应注意，图式是图解说明且未按比例绘制。为在图式中清楚且方便，这些图的各部分的相对尺寸和比例已示出为在大小上放大或缩小。相同的附图标记一般用于指代在修改后且不同的实施例中的相对应的或相似的特征。具体实施方式图1示出了功率转换器100。功率转换器100包括输入105，输入105可，如图所示，直接连接到AC市电电源102。AC市电电源102通过桥式整流器112整流。所整流的电压在整个电容器120中间歇地，也就是说，以门控方式连接，借助于与电容器120串联的开关114控制连接和解除连接。整流器112和开关114因此包括门控整流级110。电容器120充当开关模式DC-DC功率转换器130的输入源。输出平滑电容器160可在整个DC-DC功率转换器的输出中连接，从所述输出平滑电容器160中还获取输出。图也示出了在三个位置或节点处的电压波形：节点A，其在整流器的输出处；节点B，其在门控整流级的输出处，也就是说，在电容器120的输入处；以及节点C，其在功率转换器的输出处。电压波形的比例是不相同的。如所示意性地示出的，波形中的每一个受到由DC-DC功率转换级的开关操作产生的波纹的影响。应了解，尽管门控整流具有市电频率两倍的周期性，但是DC-DC功率转换级通常在处于千赫兹到兆赫兹(举例来说，0.5kHz到5MHz)的范围内的频率下开关，也就是说，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率转换器(100)，其被配置成将AC市电功率转换到低于所述AC市电的峰值绝对电压的DC输出电压，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，其特征在于，所述功率转换器包括：电容器(120)，其被配置成存储在所述峰值电压和所述DC输出电压中间的电压范围中的电荷；门控整流级(110)，其包括用于整流AC市电功率的整流器(112)，以及至少一个开关(114)，其被配置成仅在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间供应所述所整流的AC市电功率到所述电容器；以及开关模式DC‑DC功率转换级(130)，其包括至少一个另外的开关(420、430)，并且被配置成仅在所述AC市电的半循环的所述高电压部分期间从所述电容器转换功率到所述DC输出电压。

【技术特征摘要】
2015.09.03 EP 15183633.51.一种功率转换器(100)，其被配置成将AC市电功率转换到低于所述AC市电的峰值绝对电压的DC输出电压，所述AC市电具有由低电压部分和高电压部分组成的半循环，其特征在于，所述功率转换器包括：电容器(120)，其被配置成存储在所述峰值电压和所述DC输出电压中间的电压范围中的电荷；门控整流级(110)，其包括用于整流AC市电功率的整流器(112)，以及至少一个开关(114)，其被配置成仅在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间供应所述所整流的AC市电功率到所述电容器；以及开关模式DC-DC功率转换级(130)，其包括至少一个另外的开关(420、430)，并且被配置成仅在所述AC市电的半循环的所述高电压部分期间从所述电容器转换功率到所述DC输出电压。2.根据权利要求1所述的功率转换器，其特征在于，在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间的所述AC市电的最大绝对电压不超过所述DC输出电压的4倍。3.根据权利要求2所述的功率转换器，其特征在于，在所述AC市电的半循环的所述低电压部分期间的所述最大绝对电压大于所述DC输出电压不低于2V。4.根据在前的任一项权利要求所述的功率转换器，其特征在于，所述中间电压在具有高于所述DC输出电压不低于2V的最小值和不超过所述最小值4倍的最大值的范围内。5.根据在前的任一项权利要求所述的功率转换器，其特征在于，所述循环具有循环周期，并且半循环的所述低电压部分占用不超过5％的所述循环周期。6.根据在前的任一项权利要求所述的功率转换器，其特征在于，另外包括耦合到所述DC-DC功率转换级的输出并用于使所述DC输出电压平滑的平滑电容器(160)。7.根据在前的任一项权利要求所述的功率转换器，其特征在于，包括控制器(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：亨克里斯·科内利斯·约翰内斯·布思克尔，
申请(专利权)人：恩智浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰;NL