專利名稱:用于變換電功率的電變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于變換電功率的電變換器。
背景技術(shù):
在電子電源的領(lǐng)域中,電變換器一般是公知的,其從輸送的電功率儲(chǔ)存和釋放電能。這種變換器通常通過(guò)使用電子開(kāi)關(guān)來(lái)操作以使電流流過(guò)電感器,然后周期性地中斷電流,從而產(chǎn)生通過(guò)二極管傳送到電容性負(fù)載的“逆程”電壓。這些變換器例如被用在諸如便攜式通信接收機(jī)的電池供電的設(shè)備中。在這種設(shè)備中,電池通常必須連接到110V或220V的AC電源上,而電池必須用1.5V的DC電流來(lái)充電。
美國(guó)專利公開(kāi)文獻(xiàn)5864225公開(kāi)了一種DC-DC雙重可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器。可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器包括作為與二極管串聯(lián)的開(kāi)關(guān)操作的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。電感器的觸點(diǎn)連接到場(chǎng)效應(yīng)晶體管和二極管之間的節(jié)點(diǎn)上。電感器的另一觸點(diǎn)經(jīng)電阻器與電源電壓輸出串聯(lián)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極連接到開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器電路,該開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器電路控制柵極的電壓,并由此控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)。這樣,開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器電路還控制可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器中的能量的儲(chǔ)存和釋放。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器電路具有固定導(dǎo)通時(shí)間、可變截止時(shí)間電路,該固定導(dǎo)通時(shí)間、可變截止時(shí)間電路經(jīng)緩沖電路控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)關(guān)。固定導(dǎo)通時(shí)間、可變截止時(shí)間電路的截止時(shí)間經(jīng)反饋控制電路被控制,該反饋控制電路在可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器電路的輸出處的輸出負(fù)載電流和電壓的基礎(chǔ)上控制固定導(dǎo)通時(shí)間、可變截止時(shí)間電路中的振蕩器電路。因此,固定可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器電路的導(dǎo)通時(shí)間,同時(shí)根據(jù)輸出負(fù)載電流和輸出電壓改變截止時(shí)間。因此,可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器電路的操作取決于輸出負(fù)載電流和輸出電壓。
從所述美國(guó)專利公開(kāi)文獻(xiàn)中得知的該電路的缺陷是可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器電路的操作取決于連接到輸出上的負(fù)載,因?yàn)樵诜答佒惺褂幂敵鲐?fù)載電流和輸出電壓來(lái)確定可變截止時(shí)間。另一缺陷是這種公知電路需要復(fù)雜的反饋電路,因?yàn)檩敵鲐?fù)載電流和輸出電壓均被反饋。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一般目的是提供一種改進(jìn)的電變換器,更具體地說(shuō)是提供一種輸出獨(dú)立于變換器的輸出電壓的電流的電變換器。為了此目的,本發(fā)明提供一種根據(jù)權(quán)利要求1的電變換器。
確定了在首次行程周期(stroke period)和二次行程周期期間的平均電流,因?yàn)榈谝粫r(shí)間控制裝置限制了首次行程周期和二次行程周期期間的電流等于或低于預(yù)定的最大電流。第二時(shí)間控制裝置控制截止周期的持續(xù)時(shí)間,因此確定了開(kāi)關(guān)周期期間的平均電流。因此,時(shí)間控制裝置,周期的控制只基于流過(guò)電能儲(chǔ)存裝置的電流。因此,平均變換器電流不取決于變換器的輸出電壓。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種根據(jù)權(quán)利要求11的電氣設(shè)備。在這種設(shè)備中,平均變換器電流與變換器裝置的輸出電壓無(wú)關(guān)。
本發(fā)明的具體實(shí)施例體現(xiàn)在從屬權(quán)利要求中。本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)、方面和實(shí)施例將在下面通過(guò)參照附圖僅以舉例的形式進(jìn)行說(shuō)明。
圖1示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的電變換器的例子的電路圖。
圖2A-B示意性地表示作為時(shí)間的函數(shù)的根據(jù)圖1的本發(fā)明的變換器的不同部分中的電流和電壓的圖。
圖3表示適合于根據(jù)圖1的本發(fā)明的電變換器的例子的開(kāi)關(guān)控制裝置的例子的電路圖。
圖4-6示意性地表示適合于圖3的開(kāi)關(guān)控制裝置的例子的電壓-電流變換器的例子的電路圖。
圖7示意性地表示根據(jù)本發(fā)明的電變換器的另一例子的電路圖。
圖8表示包括根據(jù)本發(fā)明的電變換器的電氣設(shè)備的例子。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的根據(jù)本發(fā)明的電變換器1的例子是不連續(xù)電流模式(DCM)變換器。DCM變換器在本領(lǐng)域中一般是公知的。變換器1是下變換器,其具有用于接收電功率(如DC電壓)的變換器輸入IN1、IN2和用于輸出被變換的電功率(例如DC電流或DC電壓)的變換器輸出OUT1、OUT2。在本例中,變換器輸出OUT1、OUT2是電流輸出。變換器輸出OUT1、OUT2連接到電池7,該電池7在不同于施加給變換器輸入IN1、IN2的電壓的電壓下進(jìn)行操作。但是,其它類(lèi)型的裝置也可以連接到變換器輸出,而代替電池7。
變換器1具有用于從接收到的電功率交替地儲(chǔ)存和釋放電能的電能儲(chǔ)存裝置2。在本例中,電能儲(chǔ)存裝置是電感器2,該電感器2能在電磁場(chǎng)中儲(chǔ)存電能并通過(guò)減少電磁場(chǎng)中的能量而釋放電能。
在圖1中,電感器2與電阻器5和開(kāi)關(guān)3串聯(lián)連接到輸入IN1。單向?qū)щ娧b置(例如二極管6)將第二輸入IN2在開(kāi)關(guān)3和電感器2之間的節(jié)點(diǎn)32處連接到電感器2。二極管6具有從輸入IN2到電感器2的正向和從電感器2到輸入IN2的反向。這樣,電流可以通過(guò)二極管6沿正向從輸入節(jié)點(diǎn)IN2到電感器2流到輸出節(jié)點(diǎn)OUT1,并且基本上沒(méi)有電流在朝向輸入節(jié)點(diǎn)IN2或輸出節(jié)點(diǎn)OUT2的反方向中流動(dòng)。其它類(lèi)型的單向?qū)щ娧b置也可以使用,從而代替二極管。例如,可以使用同步整流場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其響應(yīng)電流的方向進(jìn)行打開(kāi)和閉合,或者也可以使用其它裝置。
開(kāi)關(guān)3具有電連接到變換器輸入IN1的第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn),在本例中第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)經(jīng)電阻器5電連接到變換器輸入IN1。開(kāi)關(guān)3還具有電連接到電能儲(chǔ)存裝置(例如電感器2)的第二開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)。在開(kāi)關(guān)3的導(dǎo)電狀態(tài)下,第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)電連接到第二開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)。在這種導(dǎo)電狀態(tài)下,該開(kāi)關(guān)被認(rèn)為是閉合的。因此開(kāi)關(guān)3在導(dǎo)電狀態(tài)下能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存輸入和變換器輸入IN1、IN2之間的電接觸。在這種導(dǎo)電狀態(tài)下,電流可以從輸入節(jié)點(diǎn)IN1經(jīng)電阻器5、開(kāi)關(guān)3和電感器2流到輸出節(jié)點(diǎn)OUT1,并且在這個(gè)狀態(tài)下在電感器2中儲(chǔ)存電能。在開(kāi)關(guān)3的非導(dǎo)電狀態(tài)下,第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)與第二開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)電斷開(kāi)。在非導(dǎo)電狀態(tài)下,開(kāi)關(guān)被認(rèn)為是打開(kāi)的。因此,在非導(dǎo)電狀態(tài)下,電感器2和變換器輸入IN1之間的電接觸被中斷。
在非導(dǎo)電狀態(tài)下,基本上沒(méi)有電流從輸入節(jié)點(diǎn)IN1流過(guò)。然而,在非導(dǎo)電狀態(tài)下,電流可以從輸入節(jié)點(diǎn)IN2經(jīng)二極管6和電感器2流到輸出節(jié)點(diǎn)OUT1,并且通過(guò)電感器2向輸出OUT1釋放電能。在使用中,開(kāi)關(guān)3通過(guò)開(kāi)關(guān)控制裝置4從導(dǎo)電狀態(tài)切換到非導(dǎo)電狀態(tài),反之亦然,并且交替地在電感器中儲(chǔ)存能量和釋放能量。由此可以控制在變換器輸出上的電功率的平均電流和/或電壓,從而可以變換功率。
在圖2A中,通過(guò)實(shí)線I2示出了儲(chǔ)存和釋放能量的過(guò)程的連續(xù)階段,該實(shí)線I2表示作為時(shí)間t的函數(shù)的從電感器2向輸出OUT1流動(dòng)的電流的量。如圖2A所示,如果開(kāi)關(guān)3處于導(dǎo)電狀態(tài),則電流從輸入IN1經(jīng)過(guò)電感器2流到輸出OUT1,并且在所謂的首次行程周期tprim的時(shí)間期間在電感器中儲(chǔ)存能量。在電感器的電磁場(chǎng)中儲(chǔ)存的能量越多,則從電流取走的功率越少,因此有越多的電流將流過(guò)電感器。在首次行程中,能量被電感器2經(jīng)電流釋放到變換器輸出OUT1;但是,作為凈結(jié)果,在首次行程tprim期間電感器2中儲(chǔ)存的能量增加了。
在某一時(shí)刻,開(kāi)關(guān)3切換到非導(dǎo)電狀態(tài)。結(jié)果是,不再有功率輸送給電感器2,并且當(dāng)電流在所謂的二次行程tsec的時(shí)間周期期間時(shí)從電感器2釋放能量。首次行程tprim和二次行程tsec一起還被稱為變換器1的導(dǎo)通時(shí)間ton。在圖1的例子中,當(dāng)流過(guò)電感器2的電流已經(jīng)到達(dá)預(yù)定最大值時(shí),控制裝置4將開(kāi)關(guān)3切換到非導(dǎo)電狀態(tài)。預(yù)定最大值可以是適合于特定實(shí)施的任何最大值,并且可以具有恒定值或具有可變值,例如通過(guò)某種算法來(lái)預(yù)定。同樣,預(yù)定最大值可以是固定的或可調(diào)的。為了補(bǔ)償電變換器中的延遲,控制裝置4可以在電流實(shí)際達(dá)到預(yù)定最大值之前開(kāi)始切換開(kāi)關(guān)3,例如通過(guò)計(jì)算流過(guò)電感器的電流將達(dá)到預(yù)定最大值的期望時(shí)刻并切換開(kāi)關(guān)3,從而在期望時(shí)刻使開(kāi)關(guān)3處于非導(dǎo)電狀態(tài)。
在電感器2已經(jīng)基本上釋放了所有所儲(chǔ)存的能量之后,基本上沒(méi)有電流從電感器2流到輸出OUT1。二次行程之后的基本上沒(méi)有電流流過(guò)的這個(gè)間隔被稱為截止時(shí)間toff。在截止時(shí)間toff,開(kāi)關(guān)3仍然處于非導(dǎo)電狀態(tài)。首次行程tprim、二次行程tsec和截止時(shí)間toff一起被稱為變換周期T,這還被稱為切換周期T。圖2A表示三個(gè)變換周期。在截止時(shí)間toff之后,開(kāi)關(guān)3將返回到導(dǎo)電狀態(tài),并且可以再次進(jìn)行儲(chǔ)存和釋放能量的循環(huán)。在圖1的例子中,當(dāng)流過(guò)電感器的平均電流已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值時(shí),截止時(shí)間toff結(jié)束。該平均是在一個(gè)變換周期T上取得的。
在首次行程和二次行程期間流過(guò)電感器2的平均電流由最大電流來(lái)確定。一般情況下,因?yàn)殡娮杵?和電感器2電流在首次行程期間呈指數(shù)地增加,并在二次行程期間呈指數(shù)地下降。在本例中,電阻器5具有小電阻,并且電流具有作為時(shí)間函數(shù)的大約線性的性能。因此在導(dǎo)通時(shí)間ton期間的平均電流大致等于預(yù)定最大電流的一半。因此,通過(guò)改變截止時(shí)間toff,可以控制變換周期的平均電流。利用數(shù)學(xué)方式
I平均=Imax*(tprim+tsec)/(2*T)(1)在這個(gè)公式(1)中,I平均表示平均電流,Imax表示預(yù)定最大電流。這樣,通過(guò)截止時(shí)間toff的持續(xù)時(shí)間的控制來(lái)改變變換周期T,可以控制變換周期期間的平均電流。因此,當(dāng)預(yù)定值是最大電流Imax的系數(shù)α倍時(shí),將截止時(shí)間toff控制為toff=(1-α)(tprim+tsec)/α (2)應(yīng)該注意到,在本例中,在首次行程和二次行程期間流過(guò)電感器2的電流作為導(dǎo)通時(shí)間的函數(shù)基本上是線性的。然而,在根據(jù)本發(fā)明的變換器中,電流可以不同地運(yùn)行,例如,可以是時(shí)間的二次方或其它函數(shù)。
在圖1的例子中,電阻器5是檢測(cè)從輸入節(jié)點(diǎn)IN1流過(guò)電感器2到達(dá)輸出OUT1的電流的電流檢測(cè)裝置,因?yàn)殡娮杵?兩端的電壓V5等于這個(gè)電流乘以電阻器5的電阻倍數(shù)。一般情況下,這個(gè)電流具有在1-10安培范圍內(nèi)的最大值,并且電阻器5可以具有適合于特定應(yīng)用的任何電阻。為了減少變換器中的功率損失,電阻應(yīng)該盡可能地低并且在例如10-100mΩ的范圍內(nèi)。這種電阻導(dǎo)致電阻5兩端的電壓降在0.01到1V的范圍內(nèi),這是很容易測(cè)量的。但是,流過(guò)電感器2的電流、電阻器5的電阻以及電阻器5兩端的電壓降也可以具有適合于特定應(yīng)用的任何其它值。
在圖1的例子中,電流檢測(cè)裝置和開(kāi)關(guān)3被實(shí)現(xiàn)為分離裝置,即,電阻器5和開(kāi)關(guān)3。然而,電流檢測(cè)裝置和開(kāi)關(guān)3也可選地可以是單一裝置,例如本領(lǐng)域中作為sensefet公知的檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。一般情況下,檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以檢測(cè)流過(guò)源極和漏極的電流并切換到導(dǎo)電狀態(tài)和非導(dǎo)電狀態(tài)。這樣,連接在輸入節(jié)點(diǎn)IN1和電感器2之間的檢測(cè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以執(zhí)行電流檢測(cè)功能以及開(kāi)關(guān)功能。
在圖1的例子中,電流檢測(cè)裝置(例如電阻器5)還限制了流到電感器2的電流為最大值。因此電阻器5用做開(kāi)關(guān)3的導(dǎo)電狀態(tài)下的限制器。但是,當(dāng)開(kāi)關(guān)3處于非導(dǎo)電狀態(tài)下時(shí),例如在二次行程期間和在截止時(shí)間中,電阻器5不限制電流,因?yàn)闆](méi)有電流流過(guò)電阻器5。因此,在二次行程和截止時(shí)間時(shí),電阻器5不消耗從電感器2向變換器輸出OUT1釋放的能量。流過(guò)電阻器5的最大電流例如可以等于預(yù)定最大電流Imax,該預(yù)定最大電流Imax觸發(fā)開(kāi)關(guān)3的切換,由此觸發(fā)首次行程tprim的結(jié)束和二次行程tsec的開(kāi)始。
如圖2A所示,隨著更多的能量被儲(chǔ)存在電感器2中,在電磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量期間(例如在首次行程tprim期間)流過(guò)電感器2的電流增加。飽和電流是在沒(méi)有更多的能量可以被儲(chǔ)存在電感器2中時(shí)流過(guò)電感器2的電流。通過(guò)設(shè)置預(yù)定最大電流Imax低于飽和電流,可以將電阻器5或控制裝置4所允許的最大電流例如設(shè)置為低于或等于電感器2的飽和電流,由此在電感器2飽和之前自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)3。由此電感器2自動(dòng)地相對(duì)于飽和狀態(tài)被保護(hù)。如圖3和4中更詳細(xì)示出的,在圖1的例子中經(jīng)過(guò)控制裝置4自動(dòng)獲得所希望的平均電流。在本例中,控制裝置4是切換開(kāi)關(guān)3的開(kāi)關(guān)控制裝置,因而給出合適的變換器1的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間toff,平均電流等于預(yù)定值。一般情況下,開(kāi)關(guān)控制裝置4可以適合于特定實(shí)施的任何方式來(lái)實(shí)現(xiàn),從而控制根據(jù)本發(fā)明的電變換器裝置的狀態(tài)。圖3表示了可以用在圖1的電變換器1的例子中的用于自動(dòng)切換的開(kāi)關(guān)控制裝置4的例子。應(yīng)該注意到,開(kāi)關(guān)3也可以不同的方式進(jìn)行切換??刂蒲b置4可包括例如適當(dāng)編程的微處理器,該微處理器在首次行程和二次行程期間測(cè)量最大電流,計(jì)算適合于實(shí)現(xiàn)預(yù)定平均電流的截止時(shí)間周期和相應(yīng)地切換開(kāi)關(guān)3或進(jìn)行其它操作。
在第一信號(hào)V5與參考信號(hào)Vref的比較已經(jīng)產(chǎn)生滿足打開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果之后,圖3中的開(kāi)關(guān)控制裝置4打開(kāi)開(kāi)關(guān)3。在本例中,開(kāi)關(guān)控制裝置4具有第一時(shí)間控制裝置,該第一時(shí)間控制裝置包括可以測(cè)量流過(guò)電阻器5的電流和比較所測(cè)量的電流與參考值的比較器44,在本例中,它通過(guò)測(cè)量電阻器5兩端的電壓V5和比較電壓V5與參考電壓Vref來(lái)操作的。當(dāng)電壓V5超過(guò)參考電壓Vref時(shí),控制裝置4打開(kāi)開(kāi)關(guān)3并且首次行程tprim結(jié)束。這樣,通過(guò)改變使第一時(shí)間控制裝置打開(kāi)開(kāi)關(guān)3的標(biāo)準(zhǔn)(例如,通過(guò)調(diào)整參考電壓Vref),可以很容易地調(diào)節(jié)流過(guò)電感器2的峰值電流Ipeak和所希望的平均電流量。
開(kāi)關(guān)控制裝置4比較第二信號(hào)與參考信號(hào)Vtr,并且如果比較結(jié)果滿足閉合標(biāo)準(zhǔn)則使開(kāi)關(guān)3閉合。為此,開(kāi)關(guān)控制裝置4具有第二時(shí)間控制裝置40,其具有比較節(jié)點(diǎn)431上的電壓V431與觸發(fā)電壓Vtr的第二比較器裝置43。當(dāng)電壓V431超過(guò)觸發(fā)電壓Vtr時(shí),開(kāi)關(guān)控制裝置4使開(kāi)關(guān)3閉合,由此首次行程開(kāi)始。這樣,可以很容易地調(diào)節(jié)流過(guò)電感器2的平均電流I平均。平均電流I平均例如可以通過(guò)第二信號(hào)被產(chǎn)生的方式進(jìn)行改變,例如通過(guò)改變第一導(dǎo)通截止周期控制裝置41中的系數(shù)α來(lái)進(jìn)行改變,如在下面更詳細(xì)的解釋,或者可以以某些其他方式進(jìn)行改變。
在圖3的例子中,開(kāi)關(guān)控制裝置4具有第一導(dǎo)通截止周期控制裝置41。第一導(dǎo)通截止周期控制裝置41具有表示為積分電容器413的第一電容器、第一電流源412、和開(kāi)關(guān)414,它們彼此連接并形成可中斷的電流回路。開(kāi)關(guān)414用做中斷器和可以打開(kāi)和閉合可中斷電流回路。在積分電容器413的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,可中斷電流回路連接到第二電流源411。這樣,當(dāng)開(kāi)關(guān)414保持回路打開(kāi)時(shí),沒(méi)有電流流過(guò)該回路并且電流只能從第二電流源411流到連接到第二電流源411的積分電容器413的上述節(jié)點(diǎn)上。在打開(kāi)回路狀態(tài)下,積分電容器413被充電,因此積分電容器413兩端的電壓增加。當(dāng)該回路被開(kāi)關(guān)414閉合時(shí),電流可以流過(guò)該回路。因此,積分電容器413將放電并且積分電容器413兩端的電壓將減小。
在圖3的例子中,在首次行程和二次行程期間第一導(dǎo)通截止周期控制裝置41的回路被閉合,并且在截止時(shí)間toff期間該回路被打開(kāi)。這樣,在首次行程tprim和二次行程tsec期間開(kāi)關(guān)414閉合,或者在導(dǎo)電狀態(tài)和截止時(shí)間toff中,開(kāi)關(guān)414打開(kāi)或處于非導(dǎo)電狀態(tài)下。因此,在首次行程tprim和二次行程tsec期間電壓V413減小,并且在截止時(shí)間toff期間增加。流到積分電容器413的電流在圖2A中用虛線I413示出。積分電容器413兩端的電壓在圖2B中作為時(shí)間的函數(shù)用虛線V413示出。如圖2B所示,積分電容器413兩端的電壓在DC偏置電平VDC周?chē)惶娴卦黾雍蜏p小。
在所示例子中,第一電流源412沿所示方向輸送電流Iref,第二電流源411設(shè)置成沿箭頭所示的方向輸送電流Iref*α,其中α是小于1的系數(shù)。因此,在閉合回路狀態(tài)下,積分電容器413兩端的電壓V413可以表述為V413=V0-((1-α)*Iref*t閉合)/C413,C413表示積分電容器413的電容;V0表示在回路閉合時(shí)刻積分電容器413兩端的電壓,t閉合表示回路閉合之后所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
當(dāng)該回路打開(kāi)時(shí),積分電容器413兩端的電壓可以表述為V413=V0+(α*Iref*t打開(kāi))/C413,其中t打開(kāi)表示利用開(kāi)關(guān)414打開(kāi)該回路之后所經(jīng)過(guò)的時(shí)間,V0表示在回路打開(kāi)時(shí)刻積分電容器413兩端的電壓。打開(kāi)時(shí)間t打開(kāi)等于變換器1的截止時(shí)間,閉合時(shí)間t閉合等于變換器1的導(dǎo)通時(shí)間ton。這樣,如果積分電容器413兩端的電壓用做第二信號(hào)V431,而觸發(fā)電壓Vtr設(shè)置為V0,則開(kāi)關(guān)3閉合,即,當(dāng)截止時(shí)間已經(jīng)等于(1-α)(tprim+tsec)/α并且平均電流具有預(yù)定值時(shí),開(kāi)始首次行程tprim。
根據(jù)本發(fā)明的變換器的平均電流可以很容易地通過(guò)改變電流源411、412的電流的比例α來(lái)調(diào)節(jié),其中本發(fā)明的變換器具有包括如圖3所示的第一導(dǎo)通截止周期控制裝置41的控制裝置。例如,可以通過(guò)交替地使電流從第二電流源411流動(dòng)和使其不流動(dòng)而控制從第二電流源411流到積分電容器413的平均電流(以及因此的常數(shù)α)。那么從第二電流源411流到積分電容器413的平均電流等于α乘以Iref乘以使能和不使能的占空比。來(lái)自第二電流源411的電流則將具有使能和不使能的頻率。然而,這個(gè)頻率成分通過(guò)積分電容器413的積分屬性消除。利用從第二電流源411流到積分電容器413的電流的交替使能和不使能,平均變換器電流線性地取決于占空比,因此通過(guò)占空比的控制獲得了平均電流的線性控制。例如通過(guò)在第二電流源411和開(kāi)關(guān)的積分電容器413之間提供開(kāi)關(guān)和通過(guò)合適的開(kāi)關(guān)控制裝置交替地打開(kāi)和閉合該開(kāi)關(guān),可以實(shí)現(xiàn)上述使能和不使能。
變換器的電流同樣可以經(jīng)過(guò)積分電容器413兩端的電壓來(lái)控制。例如,場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以通過(guò)其源極和漏極連接到積分電容器413的相應(yīng)電極上。通過(guò)給場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極施加合適的電壓,可以使電流流經(jīng)積分電容器413的電極之間的場(chǎng)效應(yīng)晶體管,由此積分電容器413放電并且改變積分電容器413兩端的電壓。
第一導(dǎo)通截止周期控制裝置41和任選的第二導(dǎo)通截止周期控制裝置42是簡(jiǎn)單的并使用很少的部件。此外,第一導(dǎo)通截止控制裝置41形成一階積分控制回路,其中導(dǎo)通時(shí)間ton作為其輸入,截止時(shí)間toff作為其輸出。這樣,開(kāi)關(guān)控制裝置4不使用反饋回路,因此沒(méi)有由反饋引起的穩(wěn)定性問(wèn)題。
在圖3的例子中,積分電容器413連接到第二導(dǎo)通截止周期控制裝置42的電壓-電流變換器421的電壓輸入415。電壓-電流變換器421輸出電流I,該電流I是存在于其輸入端的電壓V的函數(shù),例如用數(shù)學(xué)符號(hào)I=f(V)表示。圖4-6表示電壓-電流變換器421的例子。在圖3的例子中,假設(shè)電壓-電流變換器421如圖4中所描述地那樣實(shí)施。
電壓-電流變換器421的電流輸出連接到第二電容器422的觸點(diǎn)。由此響應(yīng)積分電容器413兩端的電壓V413,利用來(lái)自電流輸出的電流給第二電容器422充電。因此,饋送給第二電容器422的電流量以及第二電容器422兩端的電壓V422取決于積分電容器413兩端的電壓V413以及取決于系數(shù)α。相應(yīng)地截止時(shí)間也同樣取決于系數(shù)α。此外,變換器可以經(jīng)過(guò)電壓-電流變換器421和積分電容器413軟起動(dòng)。初始地,只有低電壓將存在于積分電容器413兩端,這個(gè)電壓將在一些開(kāi)關(guān)操作之后增加。幾個(gè)周期之后,積分電容器413兩端的電壓將具有DC-偏置VDC,如圖2B所示。當(dāng)積分電容器413兩端的電壓很低時(shí),只有小電流將被電壓-電流變換器421輸出,因此第二電容器422將被相對(duì)緩慢地充電,并且它將花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間,直到第二電容器422兩端的電壓達(dá)到觸發(fā)電壓Vtr為止。這樣,使用積分電容器413的合適電容,用于給第二電容器422充電到Vref的時(shí)間將相對(duì)長(zhǎng),并且在變換器輸出OUT1提供的功率量可以初始地設(shè)置為很低,然后隨著時(shí)間而增加。用于充電和放電的時(shí)間也可以經(jīng)過(guò)第二電流源411的常數(shù)α來(lái)調(diào)整。
第二導(dǎo)通截止周期控制裝置42連接到第二比較器43的輸入。在圖2B中,線V422表示作為時(shí)間函數(shù)的在正輸入431上的電壓。觸發(fā)電壓Vtr用虛線Vtr表示。第二電容器422連接到開(kāi)關(guān)423并與這個(gè)開(kāi)關(guān)423形成電流回路。開(kāi)關(guān)423可以打開(kāi)和閉合該回路。在第二電容器423的一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,該回路連接到第二比較器43的正輸入431。這樣,第二電容器422兩端的電壓V422被輸送給第二比較器43。開(kāi)關(guān)423與流過(guò)圖1的變換器的電感器2的電流無(wú)關(guān)地切換,并且在流過(guò)電感器2的電流達(dá)到其最大值的時(shí)刻開(kāi)關(guān)423打開(kāi),如圖2A中利用虛線Imax所示。
在圖3的例子中,當(dāng)首次行程tprim開(kāi)始時(shí),開(kāi)關(guān)423閉合,即,開(kāi)關(guān)423被切換到導(dǎo)電狀態(tài)。因此,在開(kāi)始首次行程tprim時(shí),第二電容器422被短路和放電,如圖2B中利用實(shí)線V422所示。由此防止首次行程tprim的太短時(shí)間周期,如果必須以高精度控制在變換器輸出OUT1、OUT2上的輸出電流量,則這尤其是有用的。
在圖3的例子中,在整個(gè)首次行程tprim期間,開(kāi)關(guān)423保持閉合,但是,同樣可能只在首次行程tprim開(kāi)始時(shí)在短周期內(nèi)閉合開(kāi)關(guān)423,例如利用脈沖方式使其閉合。還可能根據(jù)第二電容器422兩端的電壓保持開(kāi)關(guān)423閉合,例如直到第二電容器422兩端的電壓基本上為零。
電壓-電流變換器421可以例如如圖4所示那樣實(shí)施,但是也可以不同方式實(shí)施,例如,如圖5和6所示,或利用其它方式。一般情況下,電壓-電流變換器421可以適合于特定應(yīng)用的任何方式來(lái)實(shí)施。
在圖4的電壓-電流變換器421中,放大器4211的輸出連接到雙極晶體管4224的基極。放大器4211的反向輸入連接到雙極晶體管4224的發(fā)射極。該發(fā)射極經(jīng)電阻器4222進(jìn)一步連接到地gnd。雙極晶體管4224的集電極連接到電流反射鏡4223的輸入,該電流鏡在輸出端輸出與通過(guò)雙極晶體管4224從電流反射鏡4223提取的電流成比例的電流,這些電流具有A∶1的比例。因此,電流反射鏡4223的輸出上的電流線性地取決于施加于放大器4211的非反向輸入的電壓。
在圖5的例子中,雙極晶體管4225用其基極連接到第一時(shí)間控制裝置。雙極晶體管的集電極連接到電流鏡,并且發(fā)射極連接到地。因此,在電流反射鏡4223的輸出上的電流與施加于晶體管的基極的電壓呈指數(shù)關(guān)系。
在圖6中,場(chǎng)效應(yīng)晶體管4226的柵極連接到第一時(shí)間控制裝置41。源極連接到地,漏極連接到電流反射鏡。這樣,在電流反射鏡4223的輸出上的電流或多或少地與施加于場(chǎng)效應(yīng)晶體管4226的控制電壓呈二次方的關(guān)系。
根據(jù)本發(fā)明的變換器的切換只取決于流過(guò)電能儲(chǔ)存裝置的電流。因此,該切換基本上獨(dú)立于變換器的輸入電壓或輸出電壓,也同樣獨(dú)立于電感器2的電感。因此根據(jù)本發(fā)明的變換器的輸出電流也與變換器的輸入電壓或輸出電壓無(wú)關(guān),同樣與電感器2的電感無(wú)關(guān)。
圖3和4的開(kāi)關(guān)控制裝置4的例子具有內(nèi)在的穩(wěn)定性,因?yàn)椴淮嬖诜答伈⒁郧梆伔绞娇刂平刂箷r(shí)間。因此為了穩(wěn)定根據(jù)本發(fā)明的電變換器而不需要附加措施。此外,如果使用第二導(dǎo)通截止周期控制裝置42,第一導(dǎo)通截止周期控制裝置41中的電容器413對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的電變換器的機(jī)能不是關(guān)鍵性的。只要積分電容器413兩端的電壓不被箝位,則經(jīng)過(guò)導(dǎo)通截止周期控制裝置41、42中的電流平衡將獲得所希望的平均電流。此外,因?yàn)殡娏髌胶?,例如由toff的不規(guī)則變化引起的次諧波變化不會(huì)明顯地干擾平均電流。然而,在根據(jù)本發(fā)明的電變換器中,開(kāi)關(guān)控制裝置4可以同樣只具有第一導(dǎo)通截止周期控制裝置而沒(méi)有第二導(dǎo)通截止周期控制裝置。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的電變換器電路的另一例子。在圖7的例子中,因?yàn)殡姼衅髟诨芈分信c二極管和電池相連,所以在首次行程期間基本上沒(méi)有電流流過(guò)電池,而電感器和二極管之間的節(jié)點(diǎn)經(jīng)開(kāi)關(guān)連接到輸入,并且二極管和電池之間的節(jié)點(diǎn)連接到另一輸入。在圖7的例子中,開(kāi)關(guān)可以由類(lèi)似于圖3的例子的控制電路來(lái)控制。但是,在一個(gè)變換周期期間經(jīng)過(guò)電感器2流到電池的平均電流等于(1/2*Ipeak*tsec)/T,而不是1/2*Imax*(tprim+tsec)/T,并通過(guò)例如在tsec而不是ton切換開(kāi)關(guān)413,也可以經(jīng)過(guò)截止時(shí)間toff來(lái)控制平均電流。
圖1和6的根據(jù)本發(fā)明電變換器的例子的變換器輸出OUT1、OUT2是電流輸出。然而,根據(jù)本發(fā)明的電變換器也可以具有為電壓輸出的變換器輸出。例如,圖1中的電變換器1的例子的變換器輸出OUT1、OUT2可以連接到輸出電壓控制電路,該輸出電壓控制電路檢測(cè)變換器輸出上的輸出電壓并調(diào)節(jié)在變換器輸出上輸出的電流,以便保持特定的輸出電壓。輸出電壓控制電路可以例如通過(guò)合適的裝置(如上面更詳細(xì)地所述的開(kāi)關(guān)的占空比)來(lái)調(diào)節(jié)圖1的開(kāi)關(guān)控制裝置4中的第二電流源411的常數(shù)α。
根據(jù)本發(fā)明的電變換器適合于具有可再充電電池的各種設(shè)備,該可再充電電池從電源電壓被充電,特別是可再充電的電動(dòng)剃須刀和牙刷。圖8以舉例形式表示具有驅(qū)動(dòng)剃須頭SH的電機(jī)M的剃須刀SVR。電機(jī)M與開(kāi)關(guān)SW嚙合,該開(kāi)關(guān)SW將電機(jī)M連接到可再充電電池B上,該可再充電電池與其它電子部件(例如圖1和3中所示的電路的部件)一起被容納在剃須刀SVR中的印刷電路板PCB上。圖8進(jìn)一步表示了包含電變換器裝置的部件的電源單元PSU。電源單元PSU具有用于連接到電源電壓的集成電源插頭PLG和連接塞繩CRD,該連接帶CRD通過(guò)出口OTL耦合到剃須刀SVR的入口插座(未示出)上。
權(quán)利要求
1.一種電變換器(1),其包括-用于接收電功率的至少一個(gè)變換器輸入(IN1、IN2);-用于釋放電功率的至少一個(gè)變換器輸出(OUT1、OUT2);-電能儲(chǔ)存裝置(2),其具有連接到至少一個(gè)變換器輸入(IN1、IN2)的儲(chǔ)存輸入并具有連接到至少一個(gè)變換器輸出(OUT1、OUT2)的儲(chǔ)存輸出,用于在首次行程周期(tprim)期間儲(chǔ)存來(lái)自接收到的電功率的電能,和用于在二次行程周期(tsec)期間將電能釋放到變換器輸出(OUT1、OUT2),所述電變換器(1)還包括控制裝置(4),該控制裝置(4)包括-用于檢測(cè)流到電能儲(chǔ)存裝置(2)的電流量的電流傳感器(5);-可通信地連接到電流檢測(cè)裝置的第一時(shí)間控制裝置(44),用于控制所述行程周期中的至少一個(gè)的持續(xù)時(shí)間,從而使在所述行程周期期間流到電能儲(chǔ)存裝置(2)的電流基本上等于或低于預(yù)定最大電流(Imax);和-第二時(shí)間控制裝置(40),用于控制電能儲(chǔ)存裝置(2)基本上不釋放電能的截止時(shí)間周期(toff)的持續(xù)時(shí)間,從而流到電能儲(chǔ)存裝置(2)的電流的時(shí)間平均值等于預(yù)定值,該時(shí)間平均值是在包括首次行程周期(tprim)、二次行程周期(tsec)和截止時(shí)間周期(toff)的切換周期上的平均值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電變換器(1),其中第一時(shí)間控制裝置(44)包括在流到電能儲(chǔ)存裝置(2)的電流等于預(yù)定最大電流(Imax)時(shí)用于結(jié)束首次行程周期(tprim)的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電變換器(1),其中第二時(shí)間控制裝置(40)包括當(dāng)在切換周期期間流到電能儲(chǔ)存裝置(2)的平均電流等于預(yù)定值時(shí)用于結(jié)束截止時(shí)間周期(toff)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電變換器(1),其中所述第二時(shí)間控制裝置(40)包括第一導(dǎo)通截止周期控制裝置(41),用于確定對(duì)應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置(2)的首次和二次行程(tprim,tsec)的所希望時(shí)間的導(dǎo)通時(shí)間周期(ton)和對(duì)應(yīng)電能儲(chǔ)存裝置(2)的所希望的截止時(shí)間周期(toff)的截止周期,該第一導(dǎo)通截止周期控制裝置(41)具有用于輸出截止時(shí)間結(jié)束信號(hào)的輸出,該輸出可通信地連接到電能儲(chǔ)存裝置(2)的控制端上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電變換器(1),其中第一導(dǎo)通截止周期控制裝置(41)包括連接到可中斷回路再(412-414)中的第一電流源(412)的第一電容器(413),該可中斷回路(412-414)還連接到第二電流源(411),和中斷器(414),當(dāng)檢測(cè)到的電流等于預(yù)定最大電流(Imax)時(shí),該中斷器(414)用于中斷所述可中斷回路,并且當(dāng)由電流檢測(cè)裝置檢測(cè)到的電流基本上為零時(shí),該中斷器(414)用于閉合可中斷回路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電變換器(1),其中第二時(shí)間控制裝置(40)還包括可通信地連接到第一導(dǎo)通截止周期控制裝置(41)的輸出的第二導(dǎo)通截止周期控制裝置(42),用于確定對(duì)應(yīng)二次行程周期(tsec)和截止時(shí)間周期(toff)的所希望組合時(shí)間的第二截止周期,該第二導(dǎo)通截止周期控制裝置(42)設(shè)置成用于產(chǎn)生起始信號(hào)(strt tprim),該起始信號(hào)(strt tprim)用于在第二截止周期結(jié)束時(shí)開(kāi)始首次行程周期(tprim)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電變換器,其中第二導(dǎo)通截止周期控制裝置(42)包括電壓-電流變換器(421),其具有用于在電流輸出端輸出對(duì)應(yīng)第一電容器(413)兩端的電壓(V413)的電流的電流輸出,該電壓-電流變換器(421)連接到第一電容器(413),和利用觸點(diǎn)與電流輸出連接的第二電容器(422),該觸點(diǎn)也連接到比較器裝置(43),該比較器裝置(43)用于將第二電容器(422)兩端的電容器電壓(V422)與觸發(fā)電壓(Vtr)相比較,并且如果觸發(fā)電壓(Vtr)低于電容器電壓,則輸出起始信號(hào),和用于響應(yīng)起始信號(hào)而使第二電容器放電的放電裝置(423)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的電變換器(1),還包括至少一個(gè)開(kāi)關(guān)(3),當(dāng)在導(dǎo)電狀態(tài)下時(shí),該開(kāi)關(guān)(3)在儲(chǔ)存輸入和至少一個(gè)變換器輸入(IN1、IN2)之間建立電接觸以便在電能儲(chǔ)存裝置(2)中儲(chǔ)存電能時(shí)并且當(dāng)在非導(dǎo)電狀態(tài)下時(shí),該開(kāi)關(guān)(3)中斷電能儲(chǔ)存裝置(2)與變換器輸入(IN1、IN2)的電接觸以便從電能儲(chǔ)存裝置(2)向變換器輸出(OUT1、OUT2)釋放電能時(shí),該開(kāi)關(guān)(3)被所述控制裝置(4)控制。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的電變換器(1),其中電流檢測(cè)裝置(5)、開(kāi)關(guān)(3)和電能儲(chǔ)存裝置(2)串聯(lián)連接在第一變換器輸入(IN1)和第一變換器輸出(OUT1)之間,并且開(kāi)關(guān)(3)和電能儲(chǔ)存裝置(2)之間的節(jié)點(diǎn)(32)利用單向?qū)щ娧b置(6)連接到第二變換器輸入(IN2)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求的任一項(xiàng)的電變換器(1),其中預(yù)定最大電流(Imax)低于或等于電能儲(chǔ)存裝置(2)的飽和電流。
11.一種電氣設(shè)備(SVR),其包括可再充電電池(B)、電機(jī)(M)、用于將電機(jī)(M)連接到電池(B)的開(kāi)關(guān)(SW)以及如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的電變換器裝置,該電變換器裝置用于給電池(B)充電和/或給電機(jī)(M)供電。
全文摘要
一種電變換器(1)包括用于接收電功率的變換器輸入(IN1、IN2);用于釋放電功率的變換器輸出(OUT1、OUT2);電能儲(chǔ)存裝置(2),其具有連接到變換器輸入(IN1、IN2)的儲(chǔ)存輸入端并具有連接到變換器輸出(OUT1、OUT2)的儲(chǔ)存輸出。在首次行程周期(t
文檔編號(hào)G05F1/10GK1742422SQ200480002629
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2004年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月23日
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