开关模式电源转换器制造技术

一种开关模式电源转换器(22)包括连接到第一开关元件(M1)和第二开关元件(M2)的电感器(L1)、连接到第二开关元件(M2)的电容器(C2)以及变压器(Tr)。控制电路(41)被配置为以第一占空比和第二占空比来控制第一开关元件和第二开关元件，使得当一个开关元件导通时，另一个开关元件不导通，并且根据输入电压(V

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】开关模式电源转换器


[0001]本专利技术涉及一种开关模式电源转换器，其包括连接到第一开关元件和第二开关元件的电感器、连接到第二开关元件的电容器以及变压器。本专利技术还涉及包括开关模式电源转换器的电源以及致动器系统。

技术介绍

[0002]许多电气系统和电子系统由电源供电，该电源将来自例如市电AC供电网的电力转换成例如适于被电气系统或电子系统的组件使用的DC电压电平。此类系统的示例是包括一个或多个线性致动器的致动器系统。此类电源可以以不同的方式实现。
[0003]基于形式为整流桥的整流器和用于平滑电压的电容器以及变压器的线性电源非常鲁棒并可靠，但它们又笨重，体积又大，并且效率相对低。
[0004]开关模式电源由于通常在30-100kHz范围内的工作频率而具有较高效率和显著较小的磁路。开关模式电源存在于不同的电路拓扑中，诸如反激转换器、升压转换器、降压转换器、SEPIC和正向转换器。
[0005]在授予Linak A/S的WO 2013/004232中已经描述了开关模式电源的另一个示例。在这种电源中，来自市电供电的AC电压在桥式整流器中进行整流，并且在作为输入电压馈送到转换器之前在电容器中缓冲。转换器包括电感器、两个可控开关元件(例如MOSFET晶体管)、电容器和变压器。电感器连接在输入端子和连接点之间，并且其中一个开关元件在连接点和另一个输入端子(例如接地端子)之间。另一个开关元件连接在连接点和电容器之间，电容器的另一端接地。变压器的初级绕组连接在连接点和输入端子之一之间。在次级侧，对电压进行整流并且将其在至少一个缓冲电容器中缓冲。控制电路控制两个开关元件彼此相反地工作，即，当其中一个接通时，另一个断开。根据输入电压来控制开关元件的占空比，从而可以将输出电压保持为独立于输入电压而基本恒定。换言之，电源自动调整其自身以在不同的市电AC电源电压上操作，诸如在日本使用的100V和在欧洲使用的230V。典型的开关频率可以是50kHz。
[0006]这是使用少量组件的相对简单的开关模式转换器，因此也导致低生产成本。另外，它是非常鲁棒且可靠的构造，并且其在大的输入电压范围内维持基本恒定的输出电压的能力允许其在全球范围内使用，而无需改变组件或使用机械开关来适应不同的市电电压。
[0007]但是，近年来，对功率因数校正的需求在增长，对于这种类型的电源也是如此。
[0008]如上面所提到的，在所述电源中以及在大多数其它开关模式电源中，来自市电的AC电压在桥式整流器中进行整流，并且在其作为输入电压馈送到转换器之前在电容器中缓冲。这意味着电源仅在输入波形的峰处(在该处瞬时AC电压超过电容器两端的电压)以短脉冲的形式从AC市电汲取电流。在AC周期的其余部分中，电容器向转换器提供能量，因此每个电流脉冲必须包含足够的能量以维持负载直到下一个峰。因此，从AC市电汲取的电流的波形将失真为由这些电流脉冲组成，而不是具有与电压对应的正弦波形状。换言之，电源的输入电流在市电电压的基本频率(即，50Hz或60Hz)的谐波处将具有大量的能量。因此，由于仅
电流的基本分量产生有功功率，而其它谐波产生视在功率，因此功率因数将是低的。
[0009]低功率因数在公用线路上产生额外的负载，这对于电力公司来说是个特殊的问题，因为它们无法通过添加简单的电容器或电感器来补偿谐波电流。它还增加建筑物布线和公用变压器的发热，并且在一些应用中会造成稳定性问题，并造成对由同一电源供电的其它设备的干扰。另外，现在世界各地的许多法规标准都对AC输入电流的谐波设置了限制。
[0010]理想情况下，电源应当呈现模拟纯电阻器的负载，以使设备汲取的无功功率为零。在没有输入电流谐波的情况下，电流将是输入电压的理想复制，即正弦波，并且与之同相。
[0011]已知几种改变由电源汲取的电流的波形以改善功率因数的方式。对输入电流进行整形的过程通常称为功率因数校正，其目的是增加功率因数并减少谐波含量。
[0012]控制谐波电流的一种相对简单且众所周知的方法是所谓的无源功率因数校正，其中使用仅使线路频率(50Hz或60Hz)处的电流通过的滤波器。该滤波器可以由电容器或电感器组成，并且它使电源看起来更像线性负载。作为示例，布置在桥式整流器和缓冲电容器之间的一个电感器可以在某种程度上增加功率因数。适当的电感器可以减小电流的峰并及时将电流充分散布，以充分降低谐波，从而满足规定。无源功率因数校正的缺点是它要求大的电感器或电容器，但是在对电感器的大尺寸及重量(由于其铁芯和铜绕组)并无异议的一些电源中，可以使用该方法。另外，可能难以设计适于不同市电AC供电电压(诸如在日本使用的100V和在欧洲使用的230V)的电感器。因此，常常可能需要根据市电电压电平而在两个电感器之间切换的电压范围开关。而且，在实践中，无源功率因数校正常常在改善功率因数方面不太有效，并且滤波器通常非常昂贵。
[0013]还已知有源功率因数校正，其中使用电力电子器件来改变由电源汲取的电流的波形以改善功率因数。在有功功率因数校正的最常见示例中，在桥式整流器和缓冲电容器之间插入电流调节型升压转换器。以对输入电流进行整形以使其与输入电压波形匹配的方式来控制该升压转换器，从而尝试使其在汲取与市电电压同相且处于相同频率的电流的同时在其输出到缓冲电容器的输出端维持恒定的DC电压。在缓冲电容器之后，另一个开关模式转换器从缓冲电容器上的电压产生期望的输出电压。缓冲电容器上的电压中不可避免会有一定的纹波，但这通常可以由其它开关模式转换器处理。这种方法可以校正功率因数，并且与无源功率因数校正相比，它允许更便宜和更小的无源组件。但是，因为其要求附加的半导体开关和控制电子器件，所以增加了完整电源的复杂性和成本。实际上，这是个两阶段解决方案，其中使用两个分离的开关模式转换器而不是一个，这当然会增加复杂性和成本。

技术实现思路

[0014]因此，本专利技术的实施例的一个目的是提供一种简单、鲁棒且可靠的开关模式电源转换器，其能够对于大范围的输入电压提供基本恒定的输出电压，其中该转换器使用少量的组件并具有低生产成本，并且其中转换器可以同时校正转换器的功率因数而无需使用大且重的电感器，也避免了使用两个分离的转换器来校正功率因数的两级电源的相当大的复杂性和成本。
[0015]根据本专利技术的实施例，此目的是在一种开关模式电源转换器中实现的，该开关模式电源转换器用于将转换器的初级侧的输入电压转换成转换器的次级侧的输出电压，所述开关模式电源转换器包括：第一电感器，连接在用于所述输入电压的第一输入端子与连接
点之间；第一电可控开关元件，连接在所述连接点和用于所述输入电压的第二输入端子之间；第二电可控开关元件，连接在所述连接点与第一电容器之间，第一电容器的另一端连接到用于所述输入电压的所述第二输入端子；变压器，具有初级绕组和次级绕组，其中所述初级绕组连接在所述连接点与用于所述输入电压的所述第一输入端子和第二输入端子之一之间；输出电路，连接到所述次级绕组并且被布置为对存在于所述次级绕组上的电压进行整流，并且将经整流的电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种开关模式电源转换器(20；22)，用于将该转换器的初级侧的输入电压(V
in
)转换成该转换器的次级侧的输出电压(V
out
)，所述开关模式电源转换器包括：
·
第一电感器(L1)，连接在用于所述输入电压(V
in
)的第一输入端子与连接点(A)之间；
·
第一电可控开关元件(M1)，连接在所述连接点(A)与用于所述输入电压(V
in
)的第二输入端子之间；
·
第二电可控开关元件(M2)，连接在所述连接点(A)与第一电容器(C2)之间，第一电容器(C2)的另一端连接到用于所述输入电压(V
in
)的所述第二输入端子；
·
变压器(Tr)，具有初级绕组(L1；L2)和次级绕组(L3)，其中所述初级绕组连接在所述连接点(A)与用于所述输入电压(V
in
)的所述第一输入端子和第二输入端子之一之间；
·
输出电路，连接到所述次级绕组(L3)，并且布置为对所述次级绕组上存在的电压进行整流，并将经整流的电压在连接到用于所述输出电压(V
out
)的第一输出端子和第二输出端子的至少一个缓冲电容器(C4，C5；C
42
)中缓冲；以及
·
控制电路(41)，被配置为以开关频率生成控制信号，用于以第一占空比(D
M1
)控制所述第一电可控开关元件(M1)并以第二占空比(D
M2
)控制所述第二电可控开关元件(M2)，使得当所述电可控开关元件之一导通时，另一个电可控开关元件不导通，其中控制电路(41)还被配置为根据输入电压(V
in
)确定所述第一占空比和第二占空比(D
M1
，D
M2
)，其特征在于转换器(20；22)还被配置为连续地检测指示由转换器从所述输入电压(V
in
)汲取的负载电流(I
load
)的瞬时值的信号(V
curr
)；并且控制电路(41)还被配置为在开关频率的每个时间周期(T)中根据连续检测到的指示负载电流(I
load
)的瞬时值的信号(V
curr
)来确定所述第一占空比和第二占空比(D
M1
，D
M2
)。2.根据权利要求1所述的开关模式电源转换器，其特征在于，所述第一电可控开关元件和第二电可控开关元件(M1，M2)中的每一个包括场效应晶体管。3.根据权利要求1或2所述的开关模式电源转换器，其特征在于，变压器(Tr)的初级绕组包括所述第一电感器(L1)。4.根据权利要求1或2所述的开关模式电源转换器，其特征在于，变压器(Tr)的初级绕组(L2)的一端连接到用于所述输入电压(V
in
)的所述第二输入端子，并且初级绕组(L2)的另一端通过第二电容器(C3)连接到所述连接点(A)。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的开关模式电源转换器，其特征在于，控制电路(41)被配置为在开关频率的每个时间周期(T)中与控制信号(V
diff...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：利纳克有限公司，
类型：发明
国别省市：