專利名稱：容性耦合的電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通常的電源，特別是在主電流通道使用電容性耦合產(chǎn)生供給電壓。
背景技術(shù)：
電源可作為轉(zhuǎn)換輸入電壓為一個或幾個輸出電壓的用途。可使用AC電源提供AC輸線輸入，它可以得到轉(zhuǎn)換為DC調(diào)節(jié)的輸出電壓。典型的使用變壓器提供電源或轉(zhuǎn)換器的“熱”地和“冷”地之間的隔離。變壓器的主線圈典型的傳導(dǎo)非隔離的直流(DC)。不利的是在過載的情況下，在主線圈中的電流可能是過分大或可能損害如驅(qū)動變壓器的功率晶體管。此外，變壓器典型的是尺寸大(由于在其中的磁部件的尺寸)，體積大并且是貴重的設(shè)備。為避免使用專用電路元件，要求具有內(nèi)在的短路保護電路的電源。
在實現(xiàn)本發(fā)明的特征中，穩(wěn)壓電源利用電容性元件將來自DC電源的輸入電壓轉(zhuǎn)換為負載兩端的指定輸出電壓電平。有利的，電容性元件能提供“熱”地和“冷”地之間的隔離。

發(fā)明內(nèi)容
實現(xiàn)本發(fā)明的電源包括電源電感器和耦合的第一電容器形成諧振電路，在電源的運行周期的第一部分，在諧振運行中產(chǎn)生諧振波形。電荷存儲元件增強輸出電壓給負載以能量。整流器連接到電荷存儲元件和諧振電路，在運行周期的第一部分結(jié)束期間，當(dāng)諧振波形在整流器中產(chǎn)生了狀態(tài)的第一改變時，響應(yīng)諧振波形，輸出電壓施加回諧振電路中斷諧振運行。第一傳感器檢測何時在整流器中出現(xiàn)狀態(tài)的第一改變。電流源的源連接到整流器并在整流器中整流，在電源的運行周期的第二部分，產(chǎn)生耦合到電荷存儲元件的整流的電流，以補充那里的電荷。在運行周期的第二部分，開關(guān)晶體管響應(yīng)第一傳感器的輸出信號，使得電流源耦合到整流器。在運行周期的第一部分，使得電流源不能耦合到整流器。


圖1顯示根據(jù)本發(fā)明實例的有電容性主隔離的電源；圖2a，2b，2c，2d，2e和2f顯示與顯示在圖1中的電源的運行關(guān)聯(lián)的波形；圖3a，3b和3c分別顯示在圖2a-2f的運行周期的三個分離的間隔時段，圖1的電源的三個等效電路；圖4顯示使用發(fā)明的圖1電源的特征的電源的運行和更多的細節(jié)；圖5a，5b和5c顯示與顯示在圖4中的電源的運行關(guān)聯(lián)的第一負載的波形；圖6a，6b和6c顯示與顯示在圖4中的電源的運行關(guān)聯(lián)的比第一負載更高的負載的波形；圖7說明顯示在圖4中的電源的效率的變化為輸出功率的函數(shù)的例子的曲線圖；圖8圖表的說明用顯示在圖4中的電源獲得對無線電頻率(RFI)的抗擾性的方式。
具體實施例方式
圖1說明電源300，部分的以圖例的形式，實現(xiàn)本發(fā)明有電容性主隔離的電源。例如，在沒有示出的常規(guī)的橋式整流器中產(chǎn)生涉及“熱”地導(dǎo)體50的輸入電源電壓Vin，而且與“熱”地導(dǎo)體50是非隔離的。電壓Vin通過供給電感器L1連接到由開關(guān)功率晶體管形成的開關(guān)S1的端點302，沒有顯示的由控制電路301控制開關(guān)高頻。當(dāng)開關(guān)S1導(dǎo)通時，端點302連接到地導(dǎo)體50。
當(dāng)開關(guān)S1不導(dǎo)通時，端點302通過串聯(lián)連接的第一隔離電容C1、第二隔離電容C2、連接在電容C1和C2之間的第二供給電感器L2和電流取樣電阻器Rtrig2連接到地導(dǎo)體50。電流取樣電阻器Rtrig2連接在電容C2和導(dǎo)體50之間。當(dāng)開關(guān)S1不導(dǎo)通時，端點302通過串聯(lián)連接的電容Ctrig和電流取樣電阻器Rtrig1也連接到地導(dǎo)體50。電流取樣電阻器Rtrig1連接在電容Ctrig和地導(dǎo)體50之間。整流二極管D1和濾波器電容C3形成跨接在電感器L2的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在電容C3上發(fā)展整流的輸出電壓Vout形成電荷存儲元件。負載電阻RL與電容C3并聯(lián)連接并由電壓Vout供給能量。在電容C1和C2低頻時，電壓Vout由高阻抗50隔離來自地導(dǎo)體50的有關(guān)電沖擊的危險。
二極管D1的正極連接到電容C1和電感器L1之間的連接點303。與二極管D1的負極遠離的電容C3的端點形成“冷”地導(dǎo)體51。關(guān)于“冷”地導(dǎo)體51的電壓Vout與來自地導(dǎo)體50電沖擊向隔離。遠離二極管D1的電感器L2的端點和遠離電阻器Rtrig2的電容C2的端點也是在“冷”地導(dǎo)體51的參考電位。
由于電容在電壓Vin相對低的頻率有高阻抗，電容C1和C2提供地隔離。然而，開關(guān)S1運行在相對高的頻率時電容表現(xiàn)為低阻抗，這是在比電壓Vin的頻率更高的頻率。開關(guān)S1響應(yīng)來自控制電路3的控制信號62在端點302和50之間作選擇性的開/關(guān)連接，啟動/停止把輸入電源電壓Vin加到電感器L1。以這種方式，開關(guān)根據(jù)控制信號在給定的頻率下周期的運行。電容C1和C2具有相對于此頻率的低阻抗。例如，電容C1和C2有相對于開關(guān)S1在50KHz運行的低阻抗，同時在50Hz或60Hz的輸入電壓Vin提供高阻抗和隔離。電源300是自激振蕩功率變換器，這是在最小開關(guān)損失下的最大能量轉(zhuǎn)換最優(yōu)化的。
電源300的運行循環(huán)或周期T區(qū)分為如在圖2a-2f所顯示的三個時間間隔T1，T2和T3，圖1的電感器L1的值等于電感器L2值的兩倍。在圖1和圖2a-2f中同樣的符號和數(shù)字指示同樣的功能和部件。圖3a表示圖1的電路在圖2a-2f的間隔T1的等效電路。在圖1，2a-2f和3a中同樣的符號和數(shù)字指示同樣的功能和部件。
在圖2a-2f中的間隔T1中，圖1的開關(guān)S1導(dǎo)通。如在后面描述的一樣，電容C1和C2在圖2a-2f的間隔T2充電。在關(guān)閉圖1的開關(guān)S1后，在圖2a-2f中的間隔T1中，圖2b的電流IL1線性上升，而且能量存儲在圖1的電感器L2中。同時，在圖1的電感器L2與圖1的電容C1和C2形成圖3a的諧振電路305，在圖1的電感器L2中圖2d的電流IL2以諧振的方式成為負的正弦，前面存儲在電容C1和C2中的能量以諧振的方式以電流I2的形式傳遞到電感器L2。
在圖2a-2f的間隔T1末尾，圖2e的電壓V2等于圖1的電壓Vout，導(dǎo)致二極管D1導(dǎo)通。因此，在電容C1和C2中的電壓之和箝位到電壓Vout，電流I2陡峭的改變?yōu)榱?。那么，電容C1和C2放電到最大程度，在圖1的電感器L2中電壓和圖2e的電壓V2等于電壓Vout。因此，在圖2a-2f的間隔T2開始時，圖1的二極管D1導(dǎo)通。因此，在圖1的傳感器電阻器Rtrig2兩端的電壓接近于零伏。當(dāng)電阻器Rtrig2兩端的電壓變?yōu)榱銜r，控制電路301通過信號62關(guān)閉開關(guān)S1。有利的，在二極管D1導(dǎo)通后立即打開開關(guān)S1，避免在圖2a-2f的周期T的“死時間(dead time)”的可能性，“死時間”對通過電容C1和C2的通量沒有貢獻。
圖3b表示圖1的電路在圖2a-2f的間隔T2的等效電路。在圖1，2a-2f和3a中同樣的符號和數(shù)字指示同樣的功能和部件。在圖2a-2f中的間隔T2中，圖1的開關(guān)S1關(guān)閉。因為電容C3有比其它電容高得多的值，導(dǎo)通的二極管D1和電容C3有效地形成可忽略的低阻抗。在間隔T2末尾，通過電感器L1充電電容C1和C2和C3至T2結(jié)束，圖2a的電壓V1達到最大值，圖2c的電流I2變?yōu)榱?。在此瞬間幾乎所有存在于電路中的能量存儲在電容C1和C2中。
圖3c表示圖1的電路在圖2a-2f的隨后間隔T3的等效電路。在圖1，2a-2f和3c中同樣的符號和數(shù)字指示同樣的功能和部件。在圖2a-2f中的間隔T3中，產(chǎn)生接通開關(guān)S1的觸發(fā)信號。在圖2a-2f中的間隔T3中，圖1的電容C1和C2可以忽略，因為它們的電容有比電容Ctrig高得多的值。電容Ctrig與電感器L1和L2形成圖3c的并行諧振電路304，并出現(xiàn)振蕩的半周期。在間隔T3的末尾，電壓V1達到它的最小值，并且電流I2L回到零。在間隔T3的末尾，圖1的電流取樣電阻器Rtrig1兩端的電壓極性從負改變?yōu)檎z測零交叉轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)致控制電路301打開開關(guān)S1。有利的，因為電壓V1是在最小值，開關(guān)損耗是可忽略的。所有電容是部分的諧振網(wǎng)路，它阻止高dv/dt的存在，因此，保證了高的效率。
圖4詳細說明類似于圖1的電源。在圖1，2a-2f和3a-3c和4中同樣的符號和數(shù)字指示同樣的功能和部件。
圖4的部件L1，L2，C1，C2，S1，D1和C3實現(xiàn)如圖1同樣的功能。為了變換電壓Vout為低電平，抽頭電感器L2。在主連接邊，補充附加的線濾波器601，保證在主邊和次邊之間要求的隔離。因此，線濾波器電感器在運行頻率下建立高的不均勻的衰減。使用晶體管開關(guān)S1的內(nèi)在漏-源電容實現(xiàn)圖1的電容Ctrig的功能。
在第一實例中，圖4的電源400產(chǎn)生有115V AC輸入電壓的25W的輸出功率。在第二實例中，圖4的電源產(chǎn)生有230V AC輸入電壓的100W的輸出功率。只是開關(guān)S1和電感器L2的抽頭比率是不同的。由下面的公式給出由電源400變換的功率P＝Vc12·(電容C1的值)·f，如果C2的值等于C1的值，Vc1是C1兩端的電壓，f是開關(guān)頻率。
變換比率依賴于電感器L1和L2電感量的比率和間隔T3的時段。由提供有抽頭401的電感器L2增加比率。變換器由功率振蕩器401和脈沖模式控制器402組成。振蕩器401運行在約f＝300kHz。當(dāng)脈沖模式控制器402的比較器IC2檢測額定的輸出電壓，由中斷振蕩器的功率通過光耦合器IC1和晶體管Q8關(guān)閉振蕩器401。在輸出的較低的電壓下再次打開振蕩器401。那么電源運行在脈沖模式。脈沖之間的間隔隨輸入電壓和負載變化。當(dāng)振蕩器連續(xù)打開時獲得最大的功率輸出。效率和輸出功率之間的關(guān)系顯示在圖7中。
通過濾波器電容Cmains經(jīng)由二極管D12和電容C7的充電電流產(chǎn)生控制電路的電源404，電容C7與電容Cmains形成電容性電壓分壓器。電路包括晶體管Q9，晶體管Q10和限制跨接在電容C7的電壓為20V的參考電壓二極管D11組成。
晶體管Q7，晶體管Q8，光耦合器IC1和比較器IC2的作用像振蕩器401的電源的開/關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān)，以便控制脈沖的周期。電阻器R10和二極管D10能初始化功率振蕩器401的啟動。快速上升沿的打開晶體管Q7和晶體管Q8，導(dǎo)致經(jīng)由晶體管Q3打開開關(guān)S1。在同樣的上升沿打開晶體管Q6，但因為電容C5和電阻器R6的時間常數(shù)，在幾微秒后晶體管Q6關(guān)閉。這打開晶體管Q2并關(guān)閉開關(guān)S1。使用此安排保證振蕩器適當(dāng)?shù)膯印＝Y(jié)果，啟動了圖2a-2f的間隔T2。
在開關(guān)S1的接通時段(相似于圖2a-2f的間隔T1)，存儲在電感器L1中的能量用正弦形的(相似于圖2b的電流IL1)電流充電圖4的電容C1和C2，這也通過圖1的次級的整流器D1流動。
當(dāng)開關(guān)S1變得不導(dǎo)通時，實現(xiàn)開關(guān)S1的晶體管內(nèi)部的漏極-源極電容與串聯(lián)連接的電容C1和C2并聯(lián)連接，其漏極-源極電容作用像圖1的電容Ctrig。當(dāng)通過二極管D1的電流變?yōu)榱銜r，包括電容Ctrig和電感器L1和L2的高頻率的諧振電路運行在諧振方式。這相似于圖2a-2f的間隔T3。在諧振振蕩的半周期時段，通過圖4的二極管D3，D4和D5流動的電流保持晶體管Q4和Q5關(guān)閉。此電流一旦改變極性，晶體管Q4和Q5打開。因此晶體管Q2關(guān)閉，晶體管開關(guān)S1經(jīng)由晶體管Q3開通。晶體管Q4和Q5作用像電流傳感器。由通過晶體管開關(guān)S1的電流，晶體管Q4保持打開。
當(dāng)電容C1和C2中的能量傳輸?shù)诫姼衅鱈2中時，電感器L2兩端的電壓達到導(dǎo)致次級二極管D1開通的量級，并停止在電容C2中的電流。通過開關(guān)S1和電感器L1的電流流經(jīng)二極管D6而不是通過電容C2打開晶體管Q2。因此，二極管D6和晶體管Q2形成關(guān)閉晶體管開關(guān)S1的電流傳感器。步驟如所描述的重復(fù)到脈沖模式控制器402關(guān)閉振蕩器401的電源。
圖5a，5b和5c顯示與圖4所示的負載電阻RL等于7.50hm的電源的運行關(guān)聯(lián)的波形，然而，圖6a，6b和-6c顯示與圖4所示的負載電阻RL等于10hm形成的更高負載的電源的運行關(guān)聯(lián)的波形。在圖1，2a-2f和3a-3c，4，5a-5c和6a-6c中同樣的符號和數(shù)字指示同樣的功能和部件。
如果振蕩器401連續(xù)的運行而且不是在脈沖模式，負載(沒有顯示)進一步增加作為故障情況的結(jié)果，輸出電壓將Vout下降。結(jié)果，圖2a-2f的間隔T1增加，振蕩器401頻率降低，圖6c的電壓V1的電平將比圖2a-2f的間隔T3開始前更低。在此方式中，傳送能量的數(shù)量顯著的降低是有利的。此趨向維持到達到短路的條件。因此，電路保護它自己過載。
圖4的電源400也保證軟啟動。圖2a-2f的間隔T1漸漸降低，同樣地在輸出電壓Vout要求的電平達到前，增加頻率和傳送能量。如在圖4和圖8中所示的，提供線濾波器600的RFI抑制和安全。圖4的濾波器電感器601在振蕩器401的運行頻率建立高均勻的衰減。20mH的電感器完成要求的衰減到50W。在實驗中，觀察到電容C1和C2相當(dāng)大的溫度增加。選擇這些電容器的適當(dāng)類型和構(gòu)造是重要的。如果選擇有負溫度系數(shù)的電容器，提供一些固有的安全，因為傳送功率的數(shù)量和溫度隨電容量下降。
權(quán)利要求
1.一種電源，包括與第一電容器耦合的供給電感器，在電源的運行周期的第一部分，在諧振運行中形成產(chǎn)生諧振波形的第一諧振電路；電荷存儲元件，用于增強輸出電壓給負載以能量；整流器，連接到電荷存儲元件和第一諧振電路，響應(yīng)諧振波形，在整流器中產(chǎn)生狀態(tài)的第一改變，根據(jù)諧振波形，在運行周期的第一部分末尾時間，使得輸出電壓耦合回到第一諧振電路，并中斷諧振運行；第一傳感器，檢測何時在整流器中出現(xiàn)狀態(tài)的第一改變；電流源的源連接到整流器并在整流器中整流，產(chǎn)生整流的電流，在運行周期的第二部分，電流源的源連接到電荷存儲元件補充那里的電荷；開關(guān)晶體管，在整流器中出現(xiàn)狀態(tài)的第一改變后，響應(yīng)第一傳感器的輸出信號，耦合電流到整流器，在整流器中出現(xiàn)狀態(tài)的第一改變前，源電流不連接到整流器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于電荷存儲元件包括輸出電壓的濾波器電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于整流器包括兩個端點的半導(dǎo)體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于第一電容器電容性地耦合源電流到整流器，其中，當(dāng)在整流器中出現(xiàn)狀態(tài)的第一改變時，整流器耦合輸出電壓回到第一電容器，并中斷在第一電容器中流動的電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電源，其特征在于第一傳感器檢測何時中斷在第一電容器中流動的電流。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于在運行周期的第二部分，第一電容器電容性地耦合電流到整流器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于還包括連接到開關(guān)晶體管和輸入供應(yīng)電壓源的第二電感器，在運行周期的第二部分，用于在第二電感器中存儲電流，其中，在運行周期的第二部分，開關(guān)晶體管使得第二電感器電流耦合到整流器，在運行周期的第一部分，使得電感器電流不能耦合到整流器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電源，其特征在于在運行周期的第二部分，第二電感器電流變化，其中，在運行周期的第二部分的末尾時間，整流器響應(yīng)在第二電感器中電流的變化，據(jù)此產(chǎn)生在整流器中狀態(tài)的第二改變，這是與狀態(tài)的第一改變相反的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電源，其特征在于在整流器中狀態(tài)的第二改變后，電容連接到至少第一和第二電感器中的一個，形成第二諧振電路，該諧振電路導(dǎo)致開關(guān)晶體管的一對主電流導(dǎo)電端點之間增強的第一電壓以諧振的方式改變。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電源，其特征在于還包括第二傳感器，用于檢測何時第一電壓的諧振周期的第一部分箝位，其中，開關(guān)晶體管響應(yīng)第二傳感器的輸出信號打開晶體管，當(dāng)在開關(guān)晶體管的一對主電流導(dǎo)電端點之間增強的第一電壓低于當(dāng)?shù)谝浑妷旱闹C振方式的變化開始時，在晶體管中狀態(tài)改變時降低功率浪費。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源，其特征在于還包括產(chǎn)生源電流的輸入電壓源和第二電容器，其中，第二電容器和第一電容器在源電流的電流路徑上連接，在低于運行周期頻率的頻率上，隔離負載與輸入電壓源。
全文摘要
電源包括供給電感器和連接的第一電容器，形成諧振電路，在電源的周期的第一部分，產(chǎn)生在諧振運行中的諧振波形。電荷存儲元件，增強輸出電壓給負載以能量。整流器，連接到電荷存儲元件和諧振電路，響應(yīng)諧振波形，當(dāng)諧振波形在整流器中產(chǎn)生狀態(tài)的第一改變時，在運行周期的第一部分末尾時間，施加輸出電壓回到諧振電路中斷諧振運行。第一傳感器檢測何時在整流器中出現(xiàn)狀態(tài)的第一改變，電流源的源連接到整流器并在整流器中整流，產(chǎn)生整流的電流，在運行周期的第二部分，電流源的源連接到電荷存儲元件補充那里的電荷。開關(guān)晶體管，在運行周期的第二部分，響應(yīng)第一傳感器的輸出信號，使得供應(yīng)電流連接到整流器，在運行周期的第一部分，使得電流源的源不連接到整流器。
文檔編號H02M3/156GK1703823SQ200380101040
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月16日
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