專利名稱：諧振功率轉(zhuǎn)換器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諧振功率轉(zhuǎn)換器，更特定來說，涉及一種具有半橋和全橋操作的
諧振功率轉(zhuǎn)換器及其控制方法。
背景技術(shù)：
諧振功率轉(zhuǎn)換器是高效的功率轉(zhuǎn)換器。其現(xiàn)有技術(shù)可在Yang等人的第7， 313， 004號美國專利"用于諧振功率轉(zhuǎn)換器的切換控制器(Switchingcontroller for resonantpower converter)"中找到。諧振功率轉(zhuǎn)換器的缺點是其較窄的操作范圍。其無法在較廣的輸入電壓范圍中操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供解決這一問題的控制方案。其允許諧振功率轉(zhuǎn)換器可在較廣的輸入范圍中操作。本發(fā)明提供一種具有半橋和全橋操作的諧振功率轉(zhuǎn)換器及其控制方法。 根據(jù)本發(fā)明的一示范性實施例，提供一種具有半橋和全橋操作的諧振功率轉(zhuǎn)換器。諧振功率轉(zhuǎn)換器包含全橋電路、控制電路，以及功率因數(shù)校正(Power FactorCorrection,PFC)電路。全橋電路響應(yīng)于切換信號而切換功率轉(zhuǎn)換器。經(jīng)耦合以接收反饋信號和輸入信號的控制電路產(chǎn)生切換信號。反饋信號與功率轉(zhuǎn)換器的輸出有關(guān)，且輸入信號與全橋電路的輸入電壓有關(guān)，其中全橋電路在輸入信號低于閾值時操作為全橋切換，且全橋電路在輸入信號高于所述閾值時操作為半橋切換。PFC電路產(chǎn)生全橋電路的輸入電壓。
為了使本發(fā)明的特征和優(yōu)點易于理解，下文詳細(xì)描述附有附圖的優(yōu)選實施例。
應(yīng)理解，以上大體描述和以下詳細(xì)描述均為示范性的，且希望提供對所主張的本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。


包含附圖以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，且所述附圖被并入本說明書并構(gòu)成本說
明書的一-部分。所述

本發(fā)明的實施例，且與描述一起用以解釋本發(fā)明的原理。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的功率轉(zhuǎn)換器。圖2為控制電路的優(yōu)選實施例。圖3示出了延遲電路的示意圖。圖4為PFC控制電路的優(yōu)選實施例。圖5為根據(jù)本發(fā)明的切換電路的優(yōu)選實施例。圖6為根據(jù)本發(fā)明的電壓控制振蕩器的電路示意圖。圖7示出了模式啟用電路。圖8A到圖8D示出了半橋切換的操作。圖9A到圖9D示出了全橋切換的操作。
圖10示出了增益的實例。
具體實施例方式
現(xiàn)詳細(xì)參考本發(fā)明的當(dāng)前實施例，所述實施例的實例說明于附圖中。只要可能，在圖中和描述中使用相同參考編號來指代相同或相似的部分。 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的功率轉(zhuǎn)換器。電容器45和電感裝置(例如變壓器10和其寄生電感器15)形成諧振回路(resonant tank)。晶體管20、25和30、35形成用以切換諧振回路的全橋電路。兩個整流器81和82從變壓器10的二級繞組連接到輸出電容器85，用于在電容器85處產(chǎn)生輸出V。?？刂齐娐?00產(chǎn)生切換信號SA、 SB、 Sc、 SD以分別控制晶體管20、25、30、35。切換信號SA與切換信號SB對比。切換信號Sc與切換信號S。對比。在接通與斷開切換信號SA、Se、Sc、S。之間產(chǎn)生延遲時間(停滯時間(dead time))。切換信號SA、 SB、 Se、 SD的切換頻率根據(jù)用于調(diào)節(jié)輸出V。的反饋信號VFB而變化。齊納二極管(zener diode) 91、電阻器92和光耦合器95形成耦合到功率轉(zhuǎn)換器的輸出V。以產(chǎn)生反饋信號V^的反饋電路。 控制電路100進(jìn)一步經(jīng)耦合以接收輸入信號Vp，用于產(chǎn)生切換信號SA、 SB、 Sc、 SD。電阻器51和52形成耦合到全橋電路的輸入電壓VPFe以產(chǎn)生輸入信號VP的分壓器。全橋電路在輸入信號VP低于閾值時操作為全橋切換。全橋電路在輸入信號VP高于閾值時操作為半橋切換。圖8A到圖8D中示出了半橋切換的操作。圖9A到圖9D中示出了全橋切換的操作。線電壓信號V^耦合到控制電路100。全橋電路在線電壓信號V^低于第二閾值時操作為全橋切換。全橋電路在線電壓信號V^高于第二閾值時操作為半橋切換。通過電阻器61，由功率轉(zhuǎn)換器的線輸入電壓VAC產(chǎn)生線電壓信號VIN。 此外，電感器60、晶體管50、整流器55、電容器70形成用以產(chǎn)生全橋電路的輸入電壓VPFC的PFC電路。PFC電路將在線電壓信號VIN低于第二閾值時產(chǎn)生第一輸入電壓VPFC1。PFC電路將在線電壓信號V^高于第二閾值時產(chǎn)生第二輸入電壓Vp^。第二輸入電壓Vp^高于第一輸入電壓VPFC1。 圖2為控制電路100的優(yōu)選實施例。控制電路100包含經(jīng)耦合以接收線電壓信號VIN以用于產(chǎn)生控制信號MODE的檢測電路。比較器110、電阻器120、延遲電路150和"與"門160形成檢測電路。 一旦線電壓信號V^低于閾值信號Vn，將產(chǎn)生控制信號MODE以便啟用全橋切換。延遲電路150提供用于產(chǎn)生控制信號MODE的反跳。PFC控制電路200經(jīng)耦合以接收輸入信號VP和控制信號MODE，用于產(chǎn)生PFC切換信號Sp。 PFC切換信號SP經(jīng)耦合以切換晶體管50和調(diào)節(jié)PFC電路的輸出。PFC電路的輸出為全橋電路的輸入電壓V^。切換電路300經(jīng)耦合以接收反饋信號V吣輸入信號VP和控制信號MODE，用于產(chǎn)生切換信號SA、SB、 Sc、 SD。切換信號SA、 SB、 Sc、 SD分別經(jīng)耦合以切換晶體管20、25、30、35。切換信號SA、 SB、Sc、 SD的頻率響應(yīng)于反饋信號VFB而變化。 圖3示出了延遲電路150的示意圖。反相器171、晶體管172、恒定電流源173、電容器175和"與"門179形成延遲電路150。輸入信號I經(jīng)耦合以通過反相器171控制晶體管172。電流源173經(jīng)連接以對電容器175充電。輸入信號I進(jìn)一步耦合到"與"門179的輸入。"與"門179的另一輸入耦合到電容器175。 一旦啟用輸入信號I，"與"門179的輸出便將在延遲時間后產(chǎn)生輸出信號O。延遲時間由電流源173的電流和電容器的電容確定。
圖4為PFC控制電路的優(yōu)選實施例。誤差放大器230經(jīng)耦合以接收輸入信號VP。參考信號VK1和VK2經(jīng)由開關(guān)220和225耦合到誤差放大器230的輸入。控制信號MODE控制開關(guān)225。控制信號MODE通過反相器210控制開關(guān)220。參考信號VK1或VK2將連接到誤差放大器230。誤差放大器230的輸出產(chǎn)生放大信號Ve。M，所述放大信號Ve。M耦合到脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation,P麗)控制電路250，用于產(chǎn)生PFC切換信號SP。因此，PFC電路將根據(jù)參考信號VK1或VK2產(chǎn)生第二輸入電壓Vprc2或第一輸入電壓VPFC1。
圖5為根據(jù)本發(fā)明的切換電路300的優(yōu)選實施例。電壓控制振蕩器500接收反饋信號VFB以用于產(chǎn)生振蕩信號Sw。"與"門320、325、反相器310、330、335和延遲電路340、345形成專有驅(qū)動電路(exclusive drive circuit)。專有驅(qū)動電路響應(yīng)于振蕩信號Sw而產(chǎn)生信號XpX"信號XA通過輸出驅(qū)動器380產(chǎn)生切換信號SA。信號Xe通過輸出驅(qū)動器385產(chǎn)生切換信號SB。延遲電路340和345在切換信號SA、 SB、 Sc、 SD的接通與斷開之間提供延遲時間(停滯時間)。 模式啟用電路600經(jīng)耦合以接收控制信號MODE和輸入信號VP，用于產(chǎn)生模式啟用信號EN。模式啟用信號EN用以確定全橋切換或半橋切換用于全橋電路。
"與"門350、352、360、365、反相器351、370、375禾P"或"門353形成用于響應(yīng)于信號XA(第一信號)、信號XB (第二信號)和模式啟用信號EN而產(chǎn)生切換信號Se(第三信號)、S。(第四信號)的另一專有驅(qū)動電路。將在啟用模式啟用信號EN時根據(jù)信號XpXe而產(chǎn)生切換信號S。S。。當(dāng)停用模式啟用信號EN(邏輯低)時，切換信號Sc將斷開且切換信號S。將接通。輸出驅(qū)動器390和395輸出切換信號Sc、 SD。 圖6為根據(jù)本發(fā)明的電壓控制振蕩器500的電路示意圖。運(yùn)算放大器510、晶體管511和電阻器512形成用以響應(yīng)于反饋信號VFB而產(chǎn)生電流1512的V-I電路。晶體管513、514形成用以響應(yīng)于電流I512而產(chǎn)生電流I514的電流鏡。電流1514的最大值受到恒定電流源I52。限制。晶體管516、517、541、542、543、545和546還形成用以產(chǎn)生電流1541、充電電流I546和放電電流I543的其它電流鏡。電流I514經(jīng)耦合以產(chǎn)生電流I541。電流I541的最大值由恒定電流源I53。確定。電流I541進(jìn)一步經(jīng)耦合以產(chǎn)生用于對電容器550充電和放電的充電電流I546和放電電流I543 。電容器550響應(yīng)于開關(guān)551、552的接通/斷開而產(chǎn)生波形信號。響應(yīng)于電容器550的波形信號，比較器561、562、"與非"門567、568和反相器569產(chǎn)生用以控制開關(guān)551、552的控制信號。反相器569的輸出連接到D型觸發(fā)器570的時鐘輸入，用于產(chǎn)生振蕩信號S『D型觸發(fā)器570經(jīng)連接以操作為二分電路(divided-by-twocircuit)，因此振蕩信號Sw是50%占空比信號。振蕩信號Sw的頻率響應(yīng)于反饋信號VFB的減小(輕載)而增大。恒定電流源530的電流確定振蕩信號Sw的最大頻率。振蕩信號Sw的頻率響應(yīng)于反饋信號VFB的增大(重載)而減小。恒定電流源530的電流和恒定電流源520的電流確定振蕩信號Sw的最小頻率。 圖7示出了模式啟用電路600。比較器610、延遲電路615、"與"門620形成另一檢測電路。 一旦輸入信號Vp低于閾值信號V^將產(chǎn)生控制信號MODE2以便啟用全橋切換。延遲電路615提供用于產(chǎn)生控制信號MODE2的反跳。"或"門630用于響應(yīng)于控制信號MODE和控制信號MODE2而啟用模式啟用信號EN。 圖8A到圖8D示出了半橋切換的操作。當(dāng)執(zhí)行半橋切換時，晶體管30斷開且晶體管35接通。晶體管20和25為切換狀態(tài)?？蓪⑤敵鲭妷篤。表達(dá)為<formula>formula see original document page 7</formula>( 1 )，其中VPFC為輸入電壓VPFC的電壓，n為變壓器的匝數(shù)比，n為效率，且增益與諧振回路的Q因數(shù)有關(guān)。圖10示出了增益的實例，其中Vw為諧振回路上的電壓(其為VpK或VPFC/2)。 在每一切換循環(huán)的開始，如圖8A中所示，開關(guān)20和35接通，電流^從輸入電壓VPFC流過開關(guān)20、電容器45、電感裝置15和開關(guān)35 (越過變壓器10的一級繞組)。因此，能量從一級電路傳遞到二級電路。能量因此傳遞到輸出端子并以輸出電壓V。輸出。在圖8B中，開關(guān)20關(guān)斷，且誘發(fā)電流12從變壓器10的一級繞組流動到開關(guān)25的寄生二極管。
在圖8C中，開關(guān)25接通，電流13從開關(guān)25流動到變壓器10的一級繞組且接著流動到電感裝置15和電容器45以用于放電。在圖8D中，開關(guān)25斷開，誘發(fā)電流14從變壓器10的一級繞組經(jīng)由開關(guān)20的寄生二極管流動到輸入電壓VPFC。
圖9A到圖9D示出了全橋切換的操作，輸出電壓V?？啥x為
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n --------------------------------------- (2)。 在每一切換循環(huán)的開始，如圖9A中所示，開關(guān)20和35接通，電流^從輸入電壓
VPFC流過開關(guān)20、電容器45、電感裝置15和開關(guān)35 (越過變壓器10的一級繞組)。因此，能
量從一級電路傳遞到二級電路。能量因此傳遞到輸出端子并以輸出電壓V。輸出。在圖9B
中，開關(guān)20和35關(guān)斷，且誘發(fā)電流12從變壓器10的一級繞組經(jīng)由開關(guān)25和30的寄生二
極管流動到輸入電壓VPrc。 在圖9C中，開關(guān)25和30接通，電流13從輸入電壓VPFC流過開關(guān)30、電感裝置15、電容器45和開關(guān)25 (越過變壓器10的一級繞組)。因此，能量從一級電路傳遞到二級電路。能量因此傳遞到輸出端子并以輸出電壓V。輸出。在圖9D中，開關(guān)25和30關(guān)斷，且誘發(fā)電流14從變壓器10的一級繞組經(jīng)由開關(guān)35和20的寄生二極管流動到輸入電壓VPFC。全橋電路將在其輸入電壓VPrc為低時操作全橋切換。半橋切換將在其輸入電壓VPrc為高時得以執(zhí)行。PFC電路沒有必要在線輸入電壓V^為低時產(chǎn)生高輸出電壓。因此，實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器的較高效率和較廣操作范圍。 盡管以上已通過優(yōu)選實施例揭示了本發(fā)明，但不希望其限制本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下作出一些修改和變化。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍以本發(fā)明的權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種諧振功率轉(zhuǎn)換器，其包括全橋電路，其用于響應(yīng)于切換信號而切換功率轉(zhuǎn)換器；及控制電路，其經(jīng)耦合以接收反饋信號和輸入信號以用于產(chǎn)生切換信號；其中所述反饋信號與所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出有關(guān)，且所述輸入信號與所述全橋電路的輸入電壓有關(guān)，其中所述全橋電路在所述輸入信號低于閾值時操作為全橋切換；且所述全橋電路在所述輸入信號高于所述閾值時操作為半橋切換。
2. 如權(quán)利要求1所述的諧振功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述控制電路進(jìn)一步經(jīng)耦合以接收線電壓信號；其中所述全橋電路在所述線電壓信號低于第二閾值時操作為全橋切換；且所述全橋電路在所述線電壓信號高于所述第二閾值時操作為半橋切換；所述線電壓信號與所述功率轉(zhuǎn)換器的線輸入電壓有關(guān)。
3. 如權(quán)利要求2所述的諧振功率轉(zhuǎn)換器，其進(jìn)一步包括功率因子校正電路，其產(chǎn)生所述全橋電路的所述輸入電壓；其中所述功率因子校正電路在所述線電壓信號低于所述第二閾值時產(chǎn)生第一輸入電壓；且所述功率因子校正電路在所述線電壓信號高于所述第二閾值時產(chǎn)生第二輸入電壓；所述第二輸入電壓高于所述第一輸入電壓。
4. 如權(quán)利要求1所述的諧振功率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述控制電路包括切換電路，其響應(yīng)于所述反饋信號和所述輸入信號而產(chǎn)生切換信號；其中切換信號包括第一信號、第二信號、第三信號和第四信號；其中切換信號的頻率響應(yīng)于所述反饋信號而變化；對于所述全橋切換，切換信號交替地切換；對于所述半橋切換，所述第三信號斷開，所述第四信號接通，且所述第一信號和所述第二信號切換。
5. —種用于控制諧振功率轉(zhuǎn)換器的方法，其包括響應(yīng)于反饋信號和輸入信號而產(chǎn)生用以驅(qū)動全橋電路的切換信號；當(dāng)輸入信號低于閾值時，響應(yīng)于切換信號而全橋切換功率轉(zhuǎn)換器；當(dāng)所述輸入信號高于所述閾值時，響應(yīng)于切換信號而半橋切換所述功率轉(zhuǎn)換器；其中所述反饋信號與所述諧振功率轉(zhuǎn)換器的輸出有關(guān)，且所述輸入信號與所述全橋電路的輸入電壓有關(guān)。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其進(jìn)一步包括響應(yīng)于線電壓信號而產(chǎn)生切換信號；當(dāng)所述線電壓信號低于第二閾值時，響應(yīng)于所述切換信號而全橋切換功率轉(zhuǎn)換器；當(dāng)所述線電壓信號高于所述第二閾值時，響應(yīng)于所述切換信號而半橋切換所述功率轉(zhuǎn)換器；其中所述線電壓信號與所述諧振功率轉(zhuǎn)換器的線輸入電壓有關(guān)。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其進(jìn)一步包括由功率因子校正電路產(chǎn)生所述全橋電路的所述輸入電壓；其中所述功率因子校正電路在所述線電壓信號低于所述第二閾值時產(chǎn)生第一輸入電壓；且所述功率因子校正電路在所述線電壓信號高于所述第二閾值時產(chǎn)生第二輸入電壓；所述第二輸入電壓高于所述第一輸入電壓。
8. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于所述切換信號包括第一信號、第二信號、第三信號和第四信號；其中切換信號的頻率響應(yīng)于所述反饋信號而變化；對于所述全橋切換，所述切換信號交替地切換；對于所述半橋切換，所述第三信號斷開，所述第四信號接通，且所述第一信號和所述第二信號切換。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有半橋和全橋操作的諧振功率轉(zhuǎn)換器及其控制方法。諧振功率轉(zhuǎn)換器包含全橋電路、控制電路，以及功率因數(shù)校正(PFC)電路。全橋電路響應(yīng)于切換信號而開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。經(jīng)耦合以接收反饋信號和輸入信號的控制電路產(chǎn)生切換信號。反饋信號與功率轉(zhuǎn)換器的輸出有關(guān)，且輸入信號與全橋電路的輸入電壓有關(guān)，其中全橋電路在輸入信號低于閾值時操作為全橋開關(guān)，且全橋電路在輸入信號高于閾值時操作為半橋開關(guān)。PFC電路產(chǎn)生全橋電路的輸入電壓。
文檔編號H02M3/337GK101719728SQ200910265649
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者楊大勇 申請人:崇貿(mào)科技股份有限公司