CN102130608B - 一种电源设备以及一种用于对电源设备进行调节的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于功率转换器的线路切换器，并提供稳压电源设备和方法。该设备包括用于生成经调节的电压信号的转换器电路。转换器电路包括第一和第二切换电路，两者均与输出电路耦合。第一和第二变压器包括第一和第二次级，彼此串联耦合或者备选地彼此并联耦合。输入整流器电路与第一和第二切换电路耦合。输入整流器电路配置用于接收AC输入电压和用于生成经过整流的电压。输入整流器电路包括受控开关和桥式整流器的第一和第二配置，第一和第二配置根据AC输入电力信号是“高压线路”还是“低压线路”来串联或者并联耦合第一和第二切换电路。控制器电路提供用于使能第一或者第二配置。配置开关由控制器电路控制，用于将第一和第二切换电路耦合在一起。

Description

一种电源设备以及一种用于对电源设备进行调节的方法
技术领域
本发明涉及电源领域。更具体地，本发明涉及用于电源设备的线路切换器电路。
背景技术
在很多应用中，需要电压调节器来提供预定范围内的电压。如果输入电力供给落到一定范围之外，则一些电路容易遭受不确定的和不期望的运行甚至遭受无法修复的损坏。
AC到DC转换器通常被设计为在比如90VAC到264VAC的宽电压范围上工作，以使得转换器可以以来自世界上任何地方的AC线电压工作。在实践中，在全世界上碰到的AC线电压对于“低压线路”操作而言落在90VAC到132VAC的范围内，而对于“高压线路”操作而言落在180VAC到264VAC的范围内。传统AC到DC转换器的主开关半导体的成本以及转换器中的损耗随着转换器所支持的输入电压范围而显著增加。这在转换器使用MOSFET作为主开关半导体时尤其如此。设计为在“低压线路”和“高压线路”范围中仅一个(1.46∶1的比率)上工作的转换器比设计为在“低压线路”和“高压线路”的整个范围90VAC到264VAC(2.93的比率)上工作的转换器成本会比更低且效率更高。
通常低于65瓦特的传统低功率转换器一般不具有政府对高功率因数的要求并且通常以低功率因数工作。这些低功率转换器通常采用在“低压线路”时使能并在“高压线路”时禁用的电压倍增器。电压倍增器之后的转换器电路用额定用于“高压线路”操作的电路来设计，即使AC线路处于“低压线路”也是如此。这是低效并且高成本的。
图5示出传统线路切换器500。在传统线路切换器500中，在AC线路502大约230VAC时，开关S1断开，从而标准二极管桥505将串联的第一和第二大型电解电容器C1、C2充电至AC线路502的230VAC的峰值。开关S1可以是三端双向可控硅开关元件，机械开关，或者如下的触点配置，该触点配置在用户将线路插头连接器模块***一设备中时发生。在AC线路502处于115VAC时，开关S1闭合，使得第一和第二大型电解电容器C1、C2中的每个充电到AC线路502的115VAC的峰值。因为电容器C1和C2串联，所以总电压Vin是AC线路502的峰值电压两倍的值。事实上，开关S1使得线路切换器500的输入部分在低压线路时作为电压倍增器工作。
控制开关S1以将AC线路502的端子耦合到第一和第二大型电解电容器C1、C2的连接点514。在高压线路时，第一和第二大型电解电容器C1、C2两者在正半周期和负半周期内都跨二极管桥505连接。在低压线路时，每次第一和第二大型电解电容器C1、C2中的仅一个跨二极管桥505连接。具体而言，电容器C1在正半周期内连接而电容器C2在负半周期内连接。第一和第二大型电解电容器C1、C2具有的电容如此之大，以致于第一和第二大型电解电容器C1、C2能够从一个50/60Hz周期到下一周期维持它们的电荷。
在传统线路切换器500中，单个转换器(未示出)可以跨第一和第二大型电解电容器C1、C2的串联组合(Cin)连接。一个优点是单个转换器(未示出)总是由等于在高压线路时的电压峰值的电压驱动，而与AC线路502的输入AC电压处于高压线路还是低压线路无关。因此降低了转换器成本。传统线路切换器500的一个缺点是其以很低的功率因数提取功率，因此实际上仅对于比如低于75W的小转换器有用。另一个缺点是传统线路切换器500由于用于对第一和第二大型电解电容器C1、C2充电的高脉冲电流而引起效率降低。
因此，期望制造一种稳压电源，其可操作于“低压线路”和“高压线路”两个范围内，并具有降低的成本和大大增加的功率因数和 效率。
发明内容
本发明使用晶闸管和智能感测及切换方案，来提供从低压线路(85VAC到132VAC)到高压线路(180VAC到264VAC)的快速切换。不同于开启或断开单个半导体开关来使能电压倍增器，本发明根据线路是高压还是低压来开启或断开若干半导体开关，以将两个一半大小的转换器输入级置于串联或者并联。变压器隔离级允许转换器在变压器的初级侧上被置于串联或者并联，同时两个转换器的次级侧可以适当地连接，而与初级侧串联还是并联无关。具有多个输出的转换器可以以与具有单个输出的转换器以相同方式来组合。组合转换器的次级侧的确切方法将取决于转换器的类型和设计约束。
根据本发明的第一方面，提供一种电源设备。该设备包括转换器电路，该转换器电路包括第一切换电路和第二切换电路，两者均与输出电路耦合。输入整流器电路配置用于接收AC输入电压以及用于生成经过整流的电压。该输入整流器电路分别与所述第一切换电路和所述第二切换电路的第一输入和第二输入耦合。该输入整流器电路包括一个或多个受控开关。该输入整流器电路包括桥式整流器的第一配置和桥式整流器的第二配置。控制器电路与配置开关耦合以及与输入整流器电路耦合，用于提供用于根据所述AC输入电压的参数使能所述第一配置或者所述第二配置的控制信号。控制信号使能配置开关。第一配置将所述第一切换电路和所述第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入分别串联地耦合。第二配置将所述第一切换电路和所述第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入分别并联耦合。配置开关由所述控制器电路控制，用于将第一切换电路和第二切换电路耦合在一起。
第一切换电路包括与第一初级耦合的第一切换装置。第二切换电路包括与第二初级耦合的第二切换装置。第一初级和第二初级分 别包括在第一切换电路和第二切换电路的第一变压器和第二变压器中。第一配置包括第一组开关，该第一组开关包括第一对半导体开关和第二对半导体开关，以及第二配置包括第二组开关，该第二组开关包括第一组开关以及一个或多个受控开关。该一个或多个受控开关包括第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关。第一配置包括通过被使能的配置开关而耦合的桥式整流器。第二配置包括被禁用的该配置开关以及被使能的所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关。第二配置通过跨过输入整流器电路生成的相同经整流的电压耦合第一切换电路和第二切换电路的第一输入和第二输入，来并联耦合该第一和第二输入。
栅极驱动电路与第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关耦合。栅极驱动电路通过由控制器电路产生的控制信号来使能。被使能的栅极驱动电路向第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关提供栅极电流。AC输入电压的参数是在高压线路范围(180VAC-264VAC)中的电压或者在低压线路范围(85VAC-132VAC)中的电压。配置开关包括半导体开关。备选地，配置开关包括栅极驱动半导体开关。在另一实施方式中，配置开关包括包含机械触点的机械开关。复位开关包括栅极驱动半导体开关。在控制器电路确定在从低压线路级别到高压线路级别的AC输入电压中的变化时，该复位开关由该控制器电路使能。
第一变压器和第二变压器包括第一次级和第二次级，该第一次级和第二次级彼此串联耦合。可选地，第一次级和第二次级彼此并联耦合。在另一实施方式中，第一次级和第二次级经由ORed二极管彼此耦合。
根据本发明的第二方面，提供一种用于对电源设备进行调节的方法。该方法包括在输入整流器电路处接收AC输入电压。输入整流器电路包括一个或多个受控开关。输入整流器电路包括桥式整流器的第一被配置和桥式整流器的第二配置。利用控制器电路感测AC输入电压的参数。该控制器电路与配置开关耦合以及与输入整流器 电路耦合，用于提供用于根据AC输入电压的参数使能所述第一配置或者所述第二配置的控制信号。第一配置将第一切换电路和第二切换电路的第一输入和第二输入分别串联地耦合。第二配置将所述第一切换电路和第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入分别并联地耦合。配置开关由所述控制器电路控制，用于将所述第一切换电路和所述第二切换电路耦合在一起。利用第一配置或者第二配置根据所述AC输入电压的参数生成经过整流的电压。利用转换器电路生成输出电压信号，该转换器电路与输入整流器电路耦合。该转换器电路包括所述第一切换电路和所述第二切换电路，两者均与输出电路耦合。
第一切换电路包括与第一初级耦合的第一切换装置。第二切换电路包括与第二初级耦合第二切换装置。第一初级和第二初级分别包括在第一切换电路和第二切换电路的第一变压器和第二变压器中。第一配置包括第一组开关，该第一组开关包括第一对半导体开关和第二对半导体开关，以及所述第二配置包括第二组开关，该第二组开关包括所述第一组开关以及一个或多个受控开关。该一个或多个受控开关包括第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关。第一配置包括通过被使能的配置开关而耦合的桥式整流器。第二配置包括被禁用的该配置开关以及被使能的第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关。第二配置将第一切换电路和第二切换电路的第一输入和第二输入并联地耦合，以使得跨过输入整流器电路生成的相同经整流的电压耦合第一输入和第二输入。
该方法包括通过产生控制信号来使能栅极驱动电路。该栅极驱动电路与所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关耦合。被使能的栅极驱动电路向第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关提供栅极电流。AC输入电压的参数包括在高压线路范围(180VAC-264VAC)中的电压或者在低压线路范围(85VAC-132VAC)中的电压。配置开关利用控制信号使 能。配置开关包括半导体开关。备选地，配置开关包括栅极驱动半导体开关。
在控制器电路确定在从低压线路级别到高压线路级别的AC输入电压中的变化时，利用该控制器电路使能复位开关。该复位开关包括栅极驱动半导体开关。提供第一变压器和第二变压器，以使得第一次级和第二次级彼此串联耦合。备选地，第一次级和第二次级彼此并联耦合。在另一实施方式中，第一次级和第二次级经由ORed二极管彼此耦合。
本发明的其他特征将通过考虑结合附图进行的下列描述而变得明显。
附图说明
本发明的新颖性特征在所附权利要求中处阐述。然而，为了解释的目的，在以下附图中展现了本发明的若干实施方式。
图1示出根据本发明一个实施方式的电源设备的功能框图。
图2A示出根据本发明一个实施方式的电源设备的示意图。
图2B示出根据本发明一个实施方式的处于串联配置中的电源设备的示意图。
图2C示出根据本发明一个实施方式的处于并联配置中的电源设备的示意图。
图3示出根据本发明的一种对电源设备进行调节的方法的流程图。
图4A-4B示出通过根据本发明一个实施方式的电源设备的桥式整流器的第一配置的电流路径的示意图。
图4C-4D示出通过根据本发明一个实施方式的电源设备的桥式整流器的第二配置的电流路径的示意图。
图5示出传统线路切换器电路的示意图。
具体实施方式
在下文描述中，为阐释目的而陈述了多个细节和备选方案。然而，本领域技术人员将会认识到，本发明可以在不使用这些特定细节的情况下付诸实践。在其他情况下，公知的结构和设备以框图形式示出，以避免本发明的描述被不必要的细节混淆。
本发明使用晶闸管和智能感测及切换方案来提供从低压线路(85VAC-132VAC)向高压线路(180VAC-264VAC)的快速切换。本发明利用了二极管与SCR之间的相似电压降来提供低成本的切换器，其具有接近于传统输入整流器的效率。尽管晶闸管的成本高于二极管的成本，但是该附加成本由设计在标称功率水平之上的宽输入电压范围转换器的成本进行了抵偿。例如，针对给定的操作阻抗，每当额定电压翻倍时，MOSFET管芯尺寸和最终成本倾向于增加5倍。而且，当在宽输入电压范围而不是窄范围上操作时，诸如电感器和变压器等磁性结构的铜耗成本增加4倍。
本发明包括受控桥式整流器布置，其允许以如下方式在低压线路与高压线路操作之间切换：总是向两个转换器(或者负载，如果存在两个独立负载的话)的每一个馈送经过整流的低压线路线电压，而不考虑线电压是在高压线路还是低压线路处操作。
转向图1，其示出了根据本发明实施方式的用于稳压电源设备100的功能框图。设备100被配置作为双重隔离电源，其包括新颖的线路切换电路。设备100包括输入整流器或者受控整流器电路112，其与转换器电路114耦合，转换器电路114与输出电路117耦合。控制器121也与受控整流器电路112耦合。
一般地，受控整流器电路112包括滤波器电路118，其与受控输入整流器电路122耦合。AC输入116与滤波器电路118耦合。输入整流器电路122包括桥式整流器122A的第一配置以及桥式整流器122A、122B的第二配置。第一配置包括将二极管桥122A与转换器电路114耦合。第二配置包括将受控桥122B和二极管桥122A与转换器电路114耦合。AC输入116配置用于从AC线路或者AC电源接收AC输入信号。AC输入信号可以具有处于“低压线路”范围 (85VAC-132VAC)以及“高压线路”范围(180VAC-264VAC)的电压电势。AC输入信号与滤波器电路118耦合，滤波器电路118包括EMI滤波器118，用以移除AC输入信号中包含的不期望的谐波噪声。滤波器电路118还可以防止由电源设备100产生的任何谐波噪声进入提供AC输入信号的AC电源。尽管在多数实践应用中使用滤波器电路118，但是它不是本发明进行操作所必需的。
控制器121感测AC输入信号处于85VAC-132VAC(“低压线路”)的范围内还是处于180VAC-264VAC(“高压线路”)的范围内。如果AC输入处于“高压线路”范围内，则通过控制器121的控制信号使能配置开关120，并且禁用受控桥122B将AC输入信号耦合至转换器电路114。如果AC输出信号处于“低压线路”范围内，则通过控制器121的控制信号禁用配置开关120，并且受控桥122B被使能以将AC输入信号耦合至转换器电路114。在任何情况下，桥式整流器122的第一配置或第二配置均生成未经调节的、经过整流的电压信号，该信号与转换器114耦合。通过控制器121使能栅极驱动电路140，以产生用于操作配置开关120以及操作受控二极管桥122B的栅极电流。
转换器电路114包括两个隔离的转换器。一般地，转换器电路114包括第一切换电路124，其与第二切换电路126耦合。在122的第一配置或者第二配置中，转换器电路114均与输出电路117耦合。在122的第一配置中，第一切换电路124与第二切换电路126耦合，以使得第一切换电路124和第二切换电路126的输入与桥式整流器122的第一配置串联耦合。在122的第二配置中，第一切换电路124与第二切换电路126耦合，以使得第一切换电路124和第二切换电路126的输入均通过桥式整流器122而并联地耦合至AC输入116。
图2A示出了图1中稳压电源设备100的示例性示意图。根据本发明的实施方式，提供经稳压电源设备200。设备200被配置作为双重隔离降压型电源，其包括新颖的线路切换电路。设备200包括输入整流器或受控整流器电路112(也称作AC至DC转换器)，其与 转换器电路114耦合，转换器电路114与输出电路117耦合。控制器210也与受控整流器电路112耦合。本领域技术人员将会领会如下文描述的受控整流器电路112、转换器电路114和输出电路117的备选示意性变形。
一般地，受控整流器电路112包括滤波器电路204，其与输入整流器电路205耦合。AC输入202与该滤波器电路耦合。AC输入202配置用于从AC线路或者AC电源接收AC输入信号。AC输入信号可以具有处于“低压线路”范围(85VAC-132VAC)以及处于“高压线路”范围(180VAC-264VAC)的电压电势。AC输入信号与滤波器电路204耦合，该滤波器电路204包括EMI滤波器204，用以移除AC输入信号中包含的不期望的谐波噪声。滤波器电路204还可以防止由电源设备200产生的任何谐波噪声进入提供AC输入信号的AC电源。
输入整流器电路205通常包括：第一对半导体开关206A、206B和第二对半导体开关206C、206D，其分别与滤波器电路204耦合；第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对栅极驱动半导体开关208C、208D，其也分别与滤波器电路204耦合；与栅极驱动开关208A-208D耦合的栅极驱动电路212；与栅极驱动开关208A-208D耦合的配置开关214；以及跨AC输入202耦合的复位开关218。滤波器电路204的端子“1”和端子“2”分别与第一对半导体开关206A、206B的阳极耦合。滤波器电路204的端子“1”和端子“2”分别与第一对栅极驱动半导体开关208A、208B的阴极耦合。第一对半导体开关206A、206B每一个的阴极耦合至第一切换电路230的输入231的上节点231A。第一对栅极驱动半导体开关208A、208B每一个的阳极耦合至输入231的下节点231B。滤波器电路204的端子“3”和端子“4”分别耦合至第二对半导体开关206C、206D的阳极。滤波器电路204的端子“3”和“4”还分别耦合至第二对栅极驱动半导体开关208C、208D的阴极。第二对半导体开关206C、206D每一个的阴极耦合至第二切换电路240的输入241的上节点241A。第二 对栅极驱动半导体开关208C、208D每一个的阳极耦合至输入241的下节点241B。
输入整流器电路205包括桥式整流器的第一组开关或者桥式整流器的第一配置205A，其包括第一对半导体开关206A、206B和第二对半导体开关206C、206D。桥式整流器的第一配置205A由控制器电路210使能，并且当第一配置205A被使能时，控制器电路210配置第一切换电路230的第一输入231和第二切换电路240的第二输入241通过配置开关214串联耦合。当第一配置205A被使能时，该第一配置205A对跨过第一切换电路230和第二切换电路240的串联耦合而感知到的AC输入信号提供全波整流。
输入整流器电路205还包括桥式整流器的第二组开关或者桥式整流器的第二配置205B、205C。第二组开关205B、205C包括第一组开关205A和受控开关组205D。第一组开关205A包括第一对半导体开关206A、206B和第二对半导体开关206C、206D。受控开关组205D分别包括第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对栅极驱动半导体开关208C、208D。桥式整流器的第二配置205B、205C由控制器电路210使能，并且当第二配置205B、205C被使能时，控制电路210配置第一切换电路230和第二切换电路240的第一输入和第二输入231、241通过受控开关组205D而并联耦合。当第二配置205B、205C被使能时，该第二配置205B、205C对跨过第一切换电路230和第二切换电路240的并联耦合而感知到的AC输入信号提供全波整流。第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D可以包括任何适当类型的开关。在示例性实施方式中，第一对和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D包括诸如晶闸管或SCR(硅控整流器)的栅极驱动半导体开关。在一个实施方式中，第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D包括敏感栅SCR。
栅极驱动212耦合至第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对栅极驱动半导体开关208C、208D的栅极，并且与配置开关 214的栅极耦合，以及与复位开关218的栅极耦合。栅极驱动电路由控制器电路210来使能和禁用。栅极驱动212提供用于开启第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对半导体开关208C、208D以及配置开关214和复位开关218的栅极电流。光耦合TRIAC(用于交流的三极管)216的“G”端子与配置开关214的栅极耦合。G端子还通过电阻器217与第二切换电路240的上节点241A耦合。TRIAC 216的第一端子耦合至第一切换电路230的下端子231B。光耦合TRIAC 216用来向配置开关214提供栅极电流。也可以使用本领域技术人员已知的其他手段向配置开关214提供栅极电流。光耦合TRIAC 216可以包括任何适当类型的开关。在示例性实施方式中，光耦合TRIAC 216包括诸如TRIAC或SCR的栅极驱动半导体开关。在一个实施方式中，光耦合TRIAC 216包括敏感栅SCR。
配置开关214的第一端子耦合至第一对栅极驱动半导体开关208A、208B的阳极，并且耦合至下节点231B。配置开关214的第二端子耦合至第二对栅极驱动半导体开关208C、208D的阴极，并且耦合至上节点241A。配置开关214由控制器电路210所产生的控制信号使能。当配置开关214被使能时，得到短路，并且该短路以串联耦合将第一切换电路230和第二切换电路240的第一输入和第二输入231、241耦合。配置开关214由控制器电路210所产生的控制信号禁用。当配置电路214被禁用时，得到开路，并且该开路提供以并联耦合的第一切换电路230和第二切换电路240的第一输入和第二输入231、241。配置开关214在输入整流器电路205处于第一配置205A时被使能，并且在输入整流器电路205处于第二配置205B、205C时被禁用。配置开关214可以包括任何适当类型的开关。在示例性实施方式中，配置开关214包括半导体开关，优选地为诸如TRIAC或者SCR的栅极驱动半导体开关。在一个实施方式中，配置开关214包括敏感栅SCR。备选地，配置开关214可以包括具有机械触点的机械开关。在另一备选方案中，配置开关可以包括适当的继电器。
复位开关218和串联电容器220跨AC输入202而耦合。复位开关218可以包括任何适当类型的开关。在示例性实施方式中，复位开关218包括半导体开关，优选地为诸如TRIAC或者SCR的栅极驱动半导体开关。在一个实施方式中，复位开关218包括敏感栅SCR。
如果控制器电路210感测到AC线路从“低压线路”范围向“高压线路”范围改变，则由控制器电路210使能复位开关218。继而执行复位序列。复位序列包括控制器电路210立即感测AC线路从“低压线路”范围向“高压线路”范围的改变。第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D的栅极电流被禁用。然而，第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D直到通过它们的传导电流下降到预设电流或者保持电流以下才停止工作。复位开关218由来自栅极驱动电路212的栅极电流使能。复位开关218提供跨输入滤波器204的短路，这减弱了传导电流。串联电容器220将复位开关218短路的持续时间限制为足以促进第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D中的传导停止的小脉冲。控制器电路210等待一段时间，直到AC输入信号的电压稳定。控制器电路210恢复在“高压线路”电压范围或者“低压线路”电压范围中的操作，这取决于感测到的AC输入信号电压。
如果AC输入信号从“高压线路”范围向“低压线路”范围改变，则复位序列包括附加步骤。复位序列的附加步骤包括控制器电路210立即感测AC线路从“高压线路”范围向“低压线路”范围的改变。控制器电路210等待一段时间，直到AC输入信号的电压稳定。控制器电路210禁用去往配置开关214的栅极电流，并且使能用于第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D的栅极电流。第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D的传导将自动切断配置开关214的传导电流。
转换器电路114包括双重隔离降压型转换器，其包括与输出电路117耦合的第一切换电路230和第二切换电路240。第一切换电路 230包括与第一切换装置232耦合的第一输入231，第一切换装置232与第一隔离变压器234耦合。第一输入231可以分别包括上节点231A和下节点231B。第一切换装置232包括半导体开关。可以使用本领域技术人员已知的任意数目的半导体开关。在示例性实施方式中，第一切换装置232包括MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管。第一切换电路230可以提供有若干不同的配置。在示例性实施方式中，第一切换电路230可被配置作为单个开关正向转换器。本领域技术人员将会理解，可以利用双开关和四开关配置来替换第一切换装置232。例如，双开关配置(未示出)可以包括半桥式转换器或者甚至推挽式转换器。四开关配置(未示出)可以包括全桥式转换器。
第一隔离变压器234包括第一初级绕组234A和第一次级绕组234B。第一隔离变压器234的匝数比可以是取决于输出电压Vout的期望电压的值。第一次级绕组234B的第一端子与输出电路117的负载250耦合，并且第一次级绕组234B的第二端子与第二隔离变压器244的第二次级绕组244B的第一端子耦合。第二次级绕组244B的第二端子也与负载250耦合。在示例性实施方式中，第一次级绕组234B和第二次级绕组244B彼此串联耦合。备选地，第一次级绕组234B和第二次级绕组244B分别彼此并联耦合。在又一实施方式中，第一次级绕组234B和第二次级绕组244B分别经由Ored二极管或者Ored同步MOSFET彼此耦合。在一个实施方式中，在第一次级绕组234B和第二次级绕组244B以串联耦合的实施方式或者并联耦合的实施方式彼此耦合时，控制器电路210中包括的同步模块(未示出)可以提供第一切换电路230与第二切换电路240之间的同步。在第一次级绕组234B和第二次级绕组244B经由Ored二极管或者Ored同步MOSFET的实施方式彼此耦合时，将不需要对第一切换电路230与第二切换电路240进行同步。
第二切换电路240包括与第二切换装置242耦合的第二输入241，第二切换装置与第二隔离变压器244耦合。第二输入241可以 分别包括上节点241A和下节点241B。第二切换装置242包括半导体开关。可以使用本领域技术人员已知的任意数目的半导体开关。在示例性实施方式中，第二切换装置242包括MOSFET晶体管。第二切换电路240可以提供有若干不同的配置。在示例性实施方式中，第二切换电路240可被配置作为单个开关正向转换器。本领域技术人员将会理解，可以利用双开关和四开关配置来替换第一切换装置242。例如，双开关配置(未示出)可以包括半桥式转换器或者甚至推挽式转换器。四开关配置(未示出)可以包括全桥式转换器。
在稳压电源设备200中包括脉冲宽度调制(PWM)模块(未示出)。PWM模块用来控制第一切换装置232和第二切换装置242的占空比。PWM模块通过以下方式来调节输出电压Vout：对输出电压Vout进行采样，并且将第一切换装置232和第二切换装置242的占空比调节到较高或较低值，直到输出电压近似等于Vout的目标电压。PWM模块通常以此方式使用，本领域技术人员将会理解用于调节输出电压Vout的这一手段以及其他手段。
第二隔离变压器244包括第二初级绕组244A和第二次级绕组244B。第二隔离变压器244的匝数比可以是取决于输出电压Vout的期望电压的值。第二次级绕组244B与输出电路117耦合，并且与第一隔离变压器234的第一次级绕组234耦合。如上所述，第二次级绕组244B与第一次级绕组234B的耦合可以具有多种备选方案。在示例性实施方式中，第二次级绕组244B和第一次级绕组234B彼此串联耦合。输出电路177一般地包括负载250。负载250可以是需要经调节的输出电压Vout的任何适当类型的装置。备选地，负载250可以不需要严格的电压调节。在这里描述的示例性实施方式中，对输出电压Vout进行调节。备选地，可以调节其他实体，诸如电流和功率，或者电压、电流和功率的复杂结合。
控制器电路210可以包括微处理器，用于感测AC输入信号以及确定AC输入信号是处于在“低压线路”范围(85VAC-132VAC)内还是在“高压线路”(180VAC-264VAC)范围内的电压电势。控制 器电路210可以由AC线路电压V1供电。备选地，控制器电路210可以包括模拟组件。控制器电路210提供控制信号以使能第一配置205A或者第二配置205B、205C。控制器电路210还产生控制信号以使能或者禁用栅极驱动电路212。如果控制器电路210感测到AC输入信号处于“低压线路”范围(85VAC-132VAC)内，则控制器电路210使能第一配置205A。控制器电路210通过使能配置开关214来使能第一配置205A。当配置开关214被使能时，该配置开关214的动作类似于短路。当第一配置205A被使能时，第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D被禁用。如果控制器电路210感测到AC输入信号处于“高压线路”范围(180VAC-264VAC)内，则控制器电路210使能第二配置205B、205C。控制器电路210通过禁用配置开关214来使能第二配置205B、205C。当被禁用时，配置开关214是开路。当第二配置205B、205C被启用时，第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关208A-208D被禁用。
图2B和图2C示出了在分别以第一配置和第二配置而布置的操作中的、图2A中稳压电源设备200的简化示意图。在图2B中，以简化方式示出了第一配置中的设备200。考虑图2B同时参考图2A，配置开关214被“开启”，使得电流自由地从转换器1230的下节点231B流向转换器2240的上节点241A。同时，SCR 1-4(图2A中的208A-208D)未被驱动，并由此通过阻止双向的电流而形成开路。在图2B中示出了开路被移除并且传导电路被短接的简化路径。经过整流的电流经由顶部节点231A通过D1 206A流向转换器1230。经过整流的电流还从转换器1230上的底部节点231B流向转换器2240上的顶部节点241A。如上所述，第一隔离变压器234和第二隔离变压器244分别通过其次级绕组234B和244B而耦合在一起。在第一配置中，对于可从本公开受益的本领域普通技术人员将清楚是，因为电流从转换器1230流向转换器2240，转换器1230与转换器2240串联连接。
图2C示出第二配置中的、图2A中的设备200的简化示意图。在此配置中，图2A中的配置开关214被“关断”或者断开，以使得电流无法在从转换器1230的底部节点231B向转换器2240的顶部节点241A的任一方向流动。而且，SCR1-4 208A-208D同时被驱动“导通”。当SCR被驱动时，SCR将作为二极管动作。可从本公开受益的普通技术人员将会认识到，D1 206A、D2 206B、SCR1 208A和SCR2 208B形成桥式整流器(也称作全波整流器)电路，它与转换器1230的顶部节点231A和底部节点231B耦合。
类似地，SCR3 208C和SCR4 208D表现为来自输入滤波器204的节点1和2的二极管。SCR3 208C、SCR4 208D、D3 206C和D4 206D形成第二桥式整流器或全波整流器电路，其耦合至转换器2240的顶部节点241A和底部节点241B。在上文描述并在图2C中示出的第二配置中，转换器1 230和转换器2 240二者均耦合至输入滤波器204的输出。尽管说法不同，但是输入滤波器204的任何输出在转换器1 230和转换器2 240二者上同时并且等同地被施加。因此，转换器1230和转换器2240以并行配置操作。这与图2B的串联配置大不相同。
转到图3，参考图2A，示出了根据本发明实施方式的对电源设备200进行调节的方法的流程图300。电源设备200被提供作为串联或并联配置的双重转换器。该方法开始于步骤305。在步骤310，在受控整流器电路112的AC输入202处接收AC输入信号。AC输出202与滤波器电路204耦合，滤波器电路204耦合至输入整流器电路205，其用于产生未经调节的、经过整流的电压信号。AC输入202配置用于接收和操作处于85VAC到264VAC电压范围内的AC输入信号。输入整流器205包括桥式整流器电路的第一配置205A和桥式整流器电路的第二配置205B、205C。
在步骤315，利用控制器电路210感测输入AC电力信号的参数。控制器电路210与输入整流器电路205耦合，用于根据输入AC电力信号的参数来提供控制信号，以使能第一配置205A或者第二配置 205B、205C。输入AC功率信号的参数包括高压线路范围(180VAC-264VAC)内的电压或者低压线路范围(85VAC-132VAC)内的电压。控制器电路210针对高压线路范围(180VAC-264VAC)内的AC输入信号使能第一配置205A，并且针对低压线路范围(85VAC-132VAC)中的AC输入信号使能第二配置205B、205C。在一个实施方式中，如果AC输入信号在“低压线路”和“高压线路”范围二者之外，则控制器电路210可以保持第一切换电路230和第二切换电路240被禁用，因为“低压线路”和“高压线路”范围之外的电压通常指示AC线路电力扰动。控制器电路210继而可以等待，直到AC输入信号稳定在“低压线路”和“高压线路”范围内。
在步骤330，根据输入AC电力信号的参数，利用第一配置205A或者第二配置205B、205C，生成经过整流的电压信号。在第一配置205A中，输入整流器电路205通过被使能的配置开关214被耦合，以使得第一对半导体开关206A、206B和第二对半导体开关206C、206D分别与第一切换电路230和第二切换电路240的第一输入和第二输入231、241耦合，其是串联耦合的。
图4A和图4B示出了当AC输入电压信号202处于高压线路(180VAC-264VAC)时通过桥式整流器的第一配置205A的电流路径。图4A示出了高压线路AC输入202的正相部分期间的电流路径。第一切换电路230和第二切换电路240的第一输入和第二输入231、241分别通过配置开关214串联连接。第一切换电路230和第二切换电路240分别连接在第一隔离变压器234和第二隔离变压器244的初级绕组侧。控制器电路210使用栅极驱动212来使能配置开关214。电流通过半导体开关206A流向串联连接的第一切换电路230和第二切换电路240，并流向半导体开关206D。图4B示出了在高压线路AC输入202的负相部分期间的电流路径。类似于高压线路AC输入202的正相部分，控制器电路210使用栅极驱动212来使能配置开关214，以便串联连接第一切换电路230和第二切换电路240。第一切换电路230和第二切换电路240仍分别连接在第一隔离变压器234 和第二隔离变压器244的初级绕组侧。电流通过半导体开关206C流向串联连接的第一切换电路230和第二切换电路240，并流向半导体开关206B。
在第二配置205B、205C中，配置开关214被禁用。输入整流器电路205被耦合，使得第一对半导体开关206A、206B和第二对半导体开关206C、206D以及第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对栅极驱动半导体开关208C、208D分别与第一切换电路230和第二切换电路240的第一输入和第二输入231、241耦合，其是并联耦合的。
图4C和图4D示出了当AC输入电压信号202处于低压线路(85VAC-132VAC)时通过桥式整流器的第二配置205B、205C的电流路径。图4C示出了低压线路AC输入202的正相部分期间的电流路径。第一切换电路230和第二切换电路240的第一输入和第二输入231、241分别通过第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对栅极驱动半导体开关208C、208D而并联连接。第一切换电路230和第二切换电路240分别连接在第一隔离变压器234和第二隔离变压器244的初级绕组侧。控制器电路210使用栅极驱动212来使能第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对栅极驱动半导体开关208C、208D。电流经由半导体开关206A和栅极驱动半导体开关208B而流过第一切换电路230。类似地，电流经由半导体开关206D和栅极驱动半导体开关208C而流过第二切换电路240。
图4D示出了在低压线路AC输入202的负相部分期间的电流路径。类似于低压线路AC输入202的正相部分，控制器电路210使用栅极驱动212来使能第一对栅极驱动半导体开关208A、208B和第二对栅极驱动半导体开关208C、208D，以便并联连接第一切换电路230和第二切换电路240。第一切换电路230和第二切换电路240仍分别连接在第一隔离变压器234和第二隔离变压器244的初级绕组侧。电流经由半导体开关206B和栅极驱动半导体开关208A而流过第一切换电路230。类似地，电流经由半导体开关206C和栅极驱 动半导体开关208D而流过第二切换电路240。
在步骤335，利用与受控整流器电路112耦合的转换器电路114产生经过调节的电压信号。转换器电路114包括第一切换电路230和第二切换电路240，二者均与输出电路117耦合。第一切换电路包括与第一变压器234耦合的第一切换装置232。第二切换电路240包括与第二变压器244耦合的第二切换装置242。输出电路117包括负载250。当控制器电路210确定AC输入信号从低压线路水平向高压线路水平的改变时，控制器电路210使能复位开关218。电力通过两个路径或配置被发送，其稍后被合并为单个输出Vout。在上文于图4A-图4B中描述的高压线路或第一配置中，受控输入整流器电路205包括第一切换电路230和第二切换电路240，其在第一输入和第二输入231、241处串联耦合。第一切换电路230和第二切换电路240通过被使能的配置开关214而串联耦合。来自第一切换电路230和第二切换电路240的电力通过串联连接的次级绕组234B、244B而合并，并被耦合至输出电路117。在上文于图4C-图4D中描述的低压线路或第二配置中，受控输入整流器电路205包括第一切换电路230和第二切换电路240，其在第一输入231和第二输入241处并联耦合。配置开关214被禁用。第一切换电路230和第二切换电路240通过被使能的栅极驱动半导体开关208A、208B、208C、208D以及第一对半导体开关206A、206B和第二对半导体开关206C、206D而并联耦合。来自第一切换电路230和第二切换电路240的电力通过串联连接的次级绕组234B、244B而合并，并被耦合至输出电路117。过程300结束于步骤340。
第一切换电路230和第二切换电路240每一个作为完整的转换器而操作。第一切换电路230和第二切换电路240每一个在正半周期和负半周期二者期间接收电力，而不考虑AC输入202处于低压线路还是高压线路。对于本发明的操作而言，不需要强滤波。因此，可以将本发明与高功率因数转换器使用，其中高功率因数转换器在整个线路周期上需要来自线路的近似正弦波的电流。在备选实施方 式中，第一切换电路230和第二切换电路240可以被任意数目的负载所替代。例如，设计用于在低压线路处操作的照明负载。
尽管已经参考多个特定细节而描述了本发明，但是本领域普通技术人员将会认识到，在不脱离本发明精神的情况下，可以按照其他特定形式来具体实施本发明。由此，本领域普通技术人员将会理解，本发明不受前文说明性细节所限制，而是由所附权利要求书来限定。

Claims (27)

1.一种电源设备，包括：
转换器电路，包括第一切换电路和第二切换电路，两者均与输出电路耦合；
输入整流器电路，配置用于接收AC输入电压以及用于生成经过整流的电压，该输入整流器电路分别与所述第一切换电路和所述第二切换电路的第一输入和第二输入耦合，该输入整流器电路包括多个受控开关，该输入整流器电路包括桥式整流器的第一配置和桥式整流器的第二配置；以及
控制器电路，与配置开关耦合以及与所述输入整流器电路耦合，用于提供用于根据所述AC输入电压的参数来使能所述第一配置或者所述第二配置的控制信号，所述第一配置将所述第一切换电路和所述第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入分别串联地耦合，而所述第二配置将所述第一切换电路和所述第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入分别并联地耦合，其中所述配置开关由所述控制器电路控制，用于将所述第一切换电路和所述第二切换电路耦合在一起，其中所述第一配置包括第一组开关，该第一组开关包括第一对半导体开关和第二对半导体开关，以及所述第二配置包括第二组开关，该第二组开关包括所述第一组开关以及所述多个受控开关，其中所述多个受控开关包括第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一切换电路包括与第一初级耦合的第一切换装置，所述第二切换电路包括与第二初级耦合的第二切换装置，所述第一初级和所述第二初级分别包括在所述第一切换电路和所述第二切换电路的第一变压器和第二变压器中。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一配置包括通过被使能的配置开关而耦合的桥式整流器，其中所述第二配置包括被禁用的该配置开关以及被使能的所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关。
4.根据权利要求1所述的设备，其中栅极驱动电路与所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关耦合，所述栅极驱动电路通过由所述控制器电路产生的控制信号来使能，其中所述被使能的栅极驱动电路向所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关提供栅极电流。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二配置通过跨过由所述输入整流器电路产生的相同整流电压耦合所述第一输入和所述第二输入中的每个，来将所述第一切换电路和所述第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入并联地耦合。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述AC输入电压的参数包括在180VAC至264VAC的高压线路范围中的电压或者在85VAC至132VAC的低压线路范围中的电压。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制信号使能该配置开关。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述配置开关包括半导体开关。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述配置开关包括栅极驱动半导体开关。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述配置开关包括包含机械触点的机械开关。
11.根据权利要求1所述的设备，进一步包括复位开关，该复位开关包括栅极驱动半导体开关，在所述控制器电路确定AC输入电压从低压线路级别到高压线路级别的变化时，该复位开关被该控制器电路使能。
12.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一变压器和所述第二变压器包括第一次级和第二次级，所述第一次级和所述第二次级彼此串联耦合。
13.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一变压器和所述第二变压器包括第一次级和第二次级，所述第一次级和所述第二次级彼此并联耦合。
14.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一变压器和所述第二变压器包括第一次级和第二次级，所述第一次级和所述第二次级经由ORed二极管彼此耦合。
15.一种用于对电源设备进行调节的方法，包括：
在输入整流器电路处接收AC输入电压，所述输入整流器电路包括多个受控开关，所述输入整流器电路包括桥式整流器的第一配置和桥式整流器的第二配置；
利用控制器电路感测AC输入电压的参数，该控制器电路与配置开关耦合并且与所述输入整流器电路耦合，用于提供用于根据所述AC输入电压的参数使能所述第一配置或者所述第二配置的控制信号，所述第一配置将第一切换电路和第二切换电路的第一输入和第二输入分别串联地耦合，而所述第二配置将所述第一切换电路和第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入分别并联地耦合，其中所述配置开关由所述控制器电路控制，用于将所述第一切换电路和所述第二切换电路耦合在一起；
利用所述第一配置或者所述第二配置根据所述AC输入电压的参数生成经过整流的电压；以及
利用与输入整流器电路耦合的转换器电路生成输出电压信号，该转换器电路包括所述第一切换电路和所述第二切换电路，两者均与输出电路耦合，其中所述第一配置包括第一组开关，该第一组开关包括第一对半导体开关和第二对半导体开关，以及所述第二配置包括第二组开关，该第二组开关包括所述第一组开关以及所述多个受控开关，其中所述多个受控开关包括第一对栅极驱动半导体开关和第二对栅极驱动半导体开关。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一切换电路包括与第一初级耦合的第一切换装置，所述第二切换电路包括与第二初级耦合的第二切换装置，所述第一初级和所述第二初级分别包括在所述第一切换电路和所述第二切换电路的第一变压器和第二变压器中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一配置包括通过被使能的配置开关而耦合的桥式整流器，其中所述第二配置包括被禁用的该配置开关以及被使能的所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：通过产生所述控制信号来使能栅极驱动电路，该栅极驱动电路与所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关耦合，其中所述被使能的栅极驱动电路向所述第一对栅极驱动半导体开关和所述第二对栅极驱动半导体开关提供栅极电流。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：所述第二配置并联地耦合所述第一切换电路和所述第二切换电路的所述第一输入和所述第二输入，以使得跨过由所述输入整流器电路产生的相同整流电压来耦合第一输入和第二输入中的每个。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述AC输入电压的参数包括在180VAC至264VAC的高压线路范围中的电压或者在85VAC至132VAC的低压线路范围中的电压。
21.根据权利要求15所述的方法，进一步包括利用所述控制信号使能所述配置开关。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述配置开关包括半导体开关。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述配置开关包括栅极驱动半导体开关。
24.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：在所述控制器电路确定在AC输入电压从低压线路级别到高压线路级别变化时，利用该控制器电路使能复位开关，该复位开关包括栅极驱动半导体开关。
25.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：提供所述第一变压器和所述第二变压器，以使得第一次级和第二次级彼此串联地耦合。
26.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：提供所述第一变压器和所述第二变压器，以使得第一次级和第二次级彼此并联地耦合。
27.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：提供所述第一变压器和所述第二变压器，以使得第一次级和第二次级经由ORed二极管彼此耦合。
CN201110026279.7A 2010-01-14 2011-01-14 一种电源设备以及一种用于对电源设备进行调节的方法 Active CN102130608B (zh)

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