CN1076538C - 对接式电流功率变换器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种功率变换器，它包括：一对开关，每个所述开关连接在两个恒压源与输出节点之间，所述输出节点与负载相连；以及依次打开和闭合所述开关的调制装置，其中由所述开关控制的电流方向互相相反，所述电流在所述输出节点处相加。

Description

对接式电流功率变换器及其操作方法
发明领域
本发明涉及对接电流的脉宽调制(“PWM”)功率变换器及其操作方法。
背景技术
功率变换器广泛用于工业和商业领域。这种功率变换器可以用来将直流电(DC)变换为交流电(AC)以用作AC电源或者电池充电器/放电器、电机控制器等。功率变换器还可以在娱乐(声音放大器)和工业上作为放大器使用。现有技术的脉宽调制(PWM)变换器采用一对开关交替地将负载与极性相反的直流电源连接起来。调制器交替地(不同时导通)打开和闭合开关以生成脉宽调制输出信号，接着在输送给负载之前由低通滤波器进行滤波。在现有技术的设备中，必须着重关注的问题是确保开关不能同时闭合，但是为了高保真地管理***，要求开关的打开和闭合时间尽可能地接近。为了管理切换期间的瞬时电流(成为“冲击电流”)，在开关之间连接有电感线圈。而且采用“欠交叠”电路在开关导电时间之间产生微小的可控时间间隔。开关的打开和闭合在频率等于开关切换频率的输出波形上叠加所谓的“纹波”频率。由于在语音和声音应用中大多数的公共输入值为零，所以纹波频率的幅度需要尽可能地减小，特别是在功率变换器的零输出上，大多数这样的设备都是在该输出下标定的。
发明内容
本发明的目的是提供一种包含一对开关的功率变换器，开关可以同时激活以向公共输出提供相反的电流信号，从而使纹波和功耗最小并适应高功率需求周期。本发明的另一个目的是提供一种全桥式功率变换器，其中的功率变换器具有上述功率变换器的功能。本发明的另一个目的是提供一种操作上述功率变换器的方法。
因此，按照本发明的一个方面，提供了一种功率变换器，包括：一对开关(50，56)，每个所述开关连接在两个用于控制所经过电流的恒压源(54，58)与输出节点(52)之间，所述输出节点(52)与负载(74)相连，所述电流在所述输出节点处相加；以及依次打开和闭合所述开关的调制装置(82)，其中由所述开关对按照所述开关控制的电流互为相反激活的顺序打开和闭合。
按照本发明的另一方面，提供了一种全桥式功率变换器，包括高侧半桥(48A)和低侧半桥(48B)，负载(74)连接在所述半桥之间，每个所述半桥包括一对开关(50A，50B，56A，56B)，每个半桥的每个开关连接在控制所经过电流的恒压源(54，58)与公共输出节点之间，所述电流在每个半桥相应的输出节点处相加，每个半桥的输出节点与所述负载相连；以及打开和闭合所述半桥的所述开关的调制装置(82)，其中所述开关按照每个半桥所述开关所控制的电流互相相反激活的次序打开和闭合。
按照本发明的另一方面，提供了一种操作功率变换器的方法，包括以下步骤：通过连接在恒压源与公共输出节点之间开关(50，56)将恒压源与输出节点(52)连接起来，其中依次打开和闭合所述开关，所述开关按照开关控制的电流互为相反激活的顺序打开和闭合，以及所述电流在所述输出节点(52)处相加。
在本发明中，不是不让开关存在导电交叠，而是经过精心设计使交叠最大。在本发明中，如果需要零输出，则使S1和S2同时闭合并且使占空比至少小于50％。如果需要正输入，则连接正DC电压源与负载的开关的占空比大于50％，而连接负DC电压源与负载的开关的占空比相应地小于50％。如果只要求开关的“闭合时间”之和在设备正常运行期间不超过100％的占空比，则当开关闭合时间之和大于或小于100％占空比时，设备可以运行在欠交叠或交叠状态。例如为了尽可能减少变换器无输入期间的纹波和功率消耗，可以借助“欠交叠”状态。“交叠”状态可以满足变换器瞬时超过额定功率时的使用要求。
附图的简要说明
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的各种优点。
图1为按照现有技术制造的半桥式功率变换器的电路图；
图2为图1所示电路开关运行方式的开关时序图；
图3为按照本发明制造的变换器的电路示意图；
图4为图3所示电路开关在打开和闭合时的时序图；
图5为图3所示电路开关向输出节点提供电流以及它们之和的示意图；
图6为按照本发明制造的全桥式变换器的电路图；
图7为调制器用来控制图3所示和按照本发明制造的变换器的电路的原理图；
图8-12为图7的调制器在正常状态和交叠与欠交叠状态下产生切换脉冲的切换示意图。
现在参见示出现有技术设备的图1和图2，标号10表示的现有技术变换器或放大器电路一般位于调制器与负载(例如扬声器)之间。功率变换器10包括连接在正向电流源18与节点20之间的开关16和连接在节点20与负DC电源24之间的开关22。随时间变化的信号施加在节点20上。感应线圈26和28分别连接在开关16、22与节点20之间以在开关16、22同时打开和闭合时对冲击短路电流进行管理。开关16和22由输出信号管理，输出信号由调制器12产生并且通过线路30和32施加在开关16和22上。调制器在输入34上接收偏压信号并从输出节点36接收反馈信号，该信号通过线路38输送至调制器12。输出节点36连接至负载14。由感应线圈40和电容42组成的低通滤波器连接在输出节点36与节点20之间以对开关16和22打开和闭合时产生的开关信号进行滤波。开关16和22可以是MOSEFT或IGBT(绝缘栅极双极晶体管)，对于本领域内熟练技术人员来说它们都是熟知的，并且它们由经过线路30和32输送的开关信号控制。
现在参见图2，调制器产生波形44，该波形经线路32输送以操作开关16，调制器还产生波形46，该波形经线路32输送以操作开关22。由此可见，脉冲经线路32和32交替输送；即线路30上的闭合开关16的信号决不允许闭合开关16除非开关22打开，反之也是如此。但是如上所述，为了用于高保真和语音放大，需要在开关16打开后立即闭合开关22，反之也是如此。感应线圈26和28用来管理“冲击短路”，它是开关16和22基本同时打开和闭合时产生的瞬时电流。
现在参见图3和图4，按照本发明的功率变换器电路用标号48表示，它包括将输出节点52与正DC电源54相连的开关50和将输出节点52与负DC电源58相连的开关56。当开关50闭合之后重新打开时，二极管60允许电流经输出节点52向负DC电源58续流，而二极管62允许电流经输出节点52向正DC电源54续流。通过开关50施加在输出节点52上的信号经过由电感64和电容66组成的低通滤波器的滤波，而由电感68和电容66组成的类似低通滤波器对开关56闭合与打开引起的电流进行滤波。开关50和56由下面借助图8详细讨论的调制器控制。如上所述，开关50和56可以用MOSFET、IGBT或其它类似器件实现。
现在参见图4，波形70表示来自操作开关50的调制器(未画出)的信号而波形72表示来自操作开关56的调制器的信号。如图所示，波形70、72的占空比都是50％。因此它们相加时，由于开关50将输出节点与正DC电源54相连而开关56将输出节点52与负直流电源58相连，所以在输出节点52上的输出为零。波形70和72上的小箭头表示与负载74连接的公共电源节点52上为了增加正向输出的调制方向。波形70、72的中心部分互为重合，在正向输出增加时波形72的宽度减小而波形70的宽度增加。
参见图5所示的波形，波形76表示电感64中的电流，波形78表示电感68中的电流，而波形80表示图5所示上下波形之和，它是输出节点52上的电流。将会看到的是，波形76和78包括叠加在波形上的纹波，这种纹波频率或叠加的波形是波形76情况下开关50闭合与打开的结果以及波形78情况下开关56闭合与打开的结果。将会看到的是，在波形80上叠加了类似的波形但是波形频率是叠加在曲线76和78上波形频率的两倍。这是因为开关50和56在不同的时刻启动，所以在波形之和上叠加的纹波使任何单个开关的频率增加一倍。由于较高频率的纹波容易滤掉，所以是希望的。将会看到的是，在如图5所示X表示的零输出上，纹波幅度基本为零。这是因为如图4所示，开关50和56在零输出电流下几乎同时启动。因此纹波在零输出上为零。如上所述，DC-AC变换器的测试标准一般用零输出下的纹波规定。利用本发明，零输出下的纹波幅度最小。选择零输出下的纹波指标是因为在声音放大时，无输出的停顿处纹波叠加噪声最为显著和恼人。在语音放大中，由于词语之间的停顿，这种情况最为普遍。
将会看到的是，在本发明中，用来管理冲击短路的诸如图1所示的电感26和28之类的小电感是不需要的，这是因为开关被作为低通滤波器的电感64、68隔离了开来。而且如下所述，可以在更长的时间间隔上叠加零输出的欠交叠借助操作变换器48所需的调制器较易实现。而且调制器与现有技术所需的相比结构大大简化，并且无需电路来实现欠交叠而是通过简单位移在三角波形上的一个DC偏压来实现，将会在下面详述。
现在参见图6，负载74连接至由两个半桥式变换器48A、48B组成的全桥式变换器，每个变换器都与图3所示的半桥式变换器相同。因此每个半桥式变换器48A、48B的单元都保留相同的标号，但是添加字母“A”和“B”。相对于另一个半桥而移动全桥式变换器中一个半桥的开关的工作作相位是熟知的技术。因此送往负载79的电流纹波频率是每个半桥上的两倍。增加本发明的半桥将使每一个提高纹波频率。如上所述，高频纹波更容易滤波。
现在参见图7，标号82表示的调制器包括误差放大器84，它将输出节点上代表所需电平(被反馈到内部放大器84的输入端86)的输入信号与输入88上内部放大器84的输入端88上接受的反馈信号之间的差值求和。输入88上的反馈信号从输出节点52提取。误差放大器84的输出被送往比较器89的反相输入端87，该比较器的输出送往线路90以操作开关56。误差放大器84的输出还经过反相器29馈送并随后送往比较器96的反相输入94，比较器的输出98连接操作开关50。
调制器82还包括用标号100表示的三角波发生器，它在102接收以常规方式产生的方波输入并在线路104上产生三角波输出，随后传送到比较器89的正输入106和比较器96的正输入108。三角波发生器100是普通的设备并且包括向上向下调整三角波发生器产生的波形DC电平的偏压控制装置110。偏压控制装置110可以响应动态条件，例如语音传送中的停顿和一般由变换器提供的暂时功率需求和访问。
现在参见图8-12，以下描述调制器82和变换器48的操作。参见图8，由三角波发生器100产生的三角波T中心位于零。假定误差放大器84的输出也为零。在这种情况下，比较器89和96在点A导通而在点B断开。因此产生了如图4所示的波形70和72。波形70和72同时导通和断开，并且周期精确地等于占空比的一半(三角波T上圆点之间占空比，例如点A与A或点B与B之间)。如上所述，与正DC电源相连的开关50由波形70导通和断开，而与负DC电源相连的开关56由波形72导通和断开。由于开关50和56的周期精确地等于占空比的一半，所以送往开关的电压在输出节点52上求和之后为零。
现在参见图9，三角波T仍然以零为中心，但是放大器84的输出为+1单位。该输出经反相器92送至比较器96。因此比较器96在三角波超过如点C所示-1单位时导通，并如F所示，在三角波低于一个单位时断开。同样比较器98在三角波超过如点D所示+1单位时导通，并如E所示，在三角波低于一个单位时断开。因此波形70在C处导通并在F处断开，波形72在D处导通并在E处断开。如图9所示，波形70和72的中心互相重合。因此，由于波形70和72在输出节点52处求和，所以有正输出提供给负载74。参见图10，假定放大器84的输出是负的一个单位，则开关50和56的“导通”时间与图9所示波形70和72的相反。因此开关56将在点G处导通并在点J处断开，开关50将在将在点H处导通并在点I处断开。波形70、72导通时间之和仍然等于三角波T的一个周期。
图11示出了调制器82和变换器48在所谓交叠状态下的操作，这种状态例如发生于相应瞬时大功率需求的情况下。假定放大器84的输出为零。在交叠状态下，操作偏压控制装置110以使波形T向上位移一个单位，从而使中心位于零上面一个单位而不是图8-10中的中心为零。图11和图12中的虚线包括DC偏压没有位移时的三角波形的位置。因此两个比较器在点K处导通并在点L处断开，产生与波形70和72相同的波形来操作开关50和56。但是将会看到的是，波形70和72所示的开关50和56“导通”时间之和超过三角波T的一个占空比。参见图12，它示出了欠交叠状态，其中开关50、56在小于三角波T占空比的总周期内导通。当例如在一段时间内不需要变换器输出时采用欠交叠状态。通过操作偏压控制装置110使三角波T向上位移一个单位实现欠交叠状态。如图12所示，三角波T向下位移一个单位，从使其中心位于零下面的一个单位。假定放大器48的输出为零。在这种情况下，如图12所示，当三角波大于零时产生波形70和72，参见点M，并当三角波低于点N时结束。因此波形70和72同时导通和断开，但是由于三角波T的直流偏压发生向下偏移，所以总占空比小于三角波T的一个占空比。
在功率变换器操作过程中，首先通过连接在恒压源与公共输出节点之间开关(50，56)将恒压源与输出节点(52)连接起来，其中依次打开和闭合所述开关，所述开关按照开关控制的电流互为相反激活的顺序打开和闭合，并且所述电流在所述输出节点(52)处相加。还可以包括以一个可控占空比的周期打开和闭合所述开关(50，56)的步骤。另外，也可以通过增减所述其中一个开关(50，56)的占空比而相应减增另一个所述开关(50，56)的占空比来控制输出节点(52)输出。此外，也可以闭合其中一个所述开关、闭合另一个开关并在打开所述开关之前打开另一个开关的步骤。最后，可以闭合其中一个所述开关并随后在打开该开关之前闭合另一个开关。

Claims (19)

1. 一种功率变换器，其特征在于包括：一对开关(50，56)，每个所述开关连接在两个用于控制所经过电流的恒压源(54，58)与输出节点(52)之间，所述输出节点(52)与负载(74)相连，所述电流在所述输出节点处相加；以及依次打开和闭合所述开关的调制装置(82)，其中由所述开关对按照所述开关控制的电流互为相反激活的顺序打开和闭合。
2. 如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述调制装置(82)包括在可控占空比内打开和闭合每个所述开关(50，56)的装置(84，89，96，100)。
3. 如权利要求2所述的功率变换器，其特征在于所述调制装置(82)包括通过增减所述其中一个开关的占空比而相应减增另一个所述开关的占空比来控制输出节点输出的装置(100，89，86)。
4. 如权利要求3所述的功率变换器，其特征在于所述恒压源包括正电压源(54)和负电压源(58)，其中一个所述开关(50)连接在所述正电压源与所述公共输出节点(52)之间而另一个开关(56)连接在所述负电压源(58)与所述公共输出节点(52)之间，第一单向导电装置(60)连接在所述一个开关(50)与所述负电压源(58)之间以在所述开关(50)打开时允许从公共输出节点(52)提取电流，第二单向导电装置(62)连接在所述另外一个开关(56)与正电压源(54)之间以在所述另外一个开关(56)打开时允许从所述公共输出节点(52)提取电流。
5. 如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述调制装置包括闭合其中一个所述开关、闭合另一个开关并在打开所述开关之前打开另一个开关的装置(100，89，86)。
6. 如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于其中一个所述开关(50)通过第一电感线圈(64)与所述输出节点连接而另一个开关(56)通过第二电感线圈(68)与所述输出节点连接。
7. 如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述调制器装置(82)包括闭合其中一个所述开关并随后在打开该开关之前闭合另一个开关的装置(100，89，96)。
8. 如权利要求1所述的功率变换器，其特征在于所述调制装置(82)包括产生用于控制所述一个开关的第一电信号和控制另一个开关的第二电信号的装置(89，96)；用来产生三角波信号的三角波发生装置(100)；以及产生作为由所述三角波发生装置产生的同一三角波信号的函数的所述第一和第二电信号的装置(84，92)。
9. 如权利要求8所述的功率变换器，其特征在于所述调制装置(82)包括一对产生所述第一和第二电信号的比较器(89，96)，其中的一个比较器(89)将所述三角波信号与基准信号进行比较，另一个比较器(96)将所述三角波信号与所述基准信号的反相信号进行比较。
10. 如权利要求8所述的功率变换器，其特征在于所述调制装置(82)包括位移所述三角波信号DC电平以在所述开关输出之间形成欠交叠的装置(110)。
11. 一种全桥式功率变换器，其特征在于包括高侧半桥(48A)和低侧半桥(48B)，负载(74)连接在所述半桥之间，每个所述半桥包括一对开关(50A，50B，56A，56B)，每个半桥的每个开关连接在控制所经过电流的恒压源(54，58)与公共输出节点之间，所述电流在每个半桥相应的输出节点处相加，每个半桥的输出节点与所述负载相连；以及打开和闭合所述半桥的所述开关的调制装置(82)，其中所述开关按照每个半桥所述开关所控制的电流互相相反激活的次序打开和闭合。
12. 如权利要求11所述的全桥功率变换器，其特征在于所述调制器装置(82)包括相对于另一个半桥开关的操作对一个半桥开关操作进行相移的装置(100，110)。
13. 如权利要求11所述的全桥功率变换器，其特征在于所述调制装置(82)包括通过增减每个半桥所述其中一个开关的占空比而相应减增每个半桥另一个所述开关的占空比来控制每个半桥(48A，48B)输出节点(52)输出的装置。
14. 如权利要求13所述的全桥功率变换器，其特征在于所述恒压源包括正电压源(54A，54B)和负电压源(58A，58B)，其中每个半桥的一个所述开关连接在所述正电压源与所述公共输出节点之间而每个半桥的其它开关连接在所述负电压源与所述公共输出电机之间，第一单向导电装置连接在每个半桥所述一个开关与所述负电压源之间以在每个半桥的所述开关打开时允许从公共输出节点提取电流，第二单向导电装置连接在每个半桥所述另外一个开关与正电压源之间以在每个半桥所述另外一个开关打开时允许从所述公共输出节点提取电流。
15. 一种操作功率变换器的方法，其特征在于包括以下步骤：通过连接在恒压源与公共输出节点之间开关(50，56)将恒压源与输出节点(52)连接起来，其中依次打开和闭合所述开关，所述开关按照开关控制的电流互为相反激活的顺序打开和闭合，以及所述电流在所述输出节点(52)处相加。
16. 如权利要求15所述的功率变换器操作方法，其特征在于所述方法包括以一个可控占空比的周期打开和闭合所述开关(50，56)的步骤。
17. 如权利要求15所述的功率变换器操作方法，其特征在于所述方法包括通过增减所述其中一个开关(50，56)的占空比而相应减增另一个所述开关(50，56)的占空比来控制输出节点(52)输出的步骤。
18. 如权利要求15所述的功率变换器操作方法，其特征在于进一步包括闭合其中一个所述开关、闭合另一个开关并在打开所述开关之前打开另一个开关的步骤。
19. 如权利要求1所述的功率变换器操作方法，其特征在于所述方法包括闭合其中一个所述开关并随后在打开该开关之前闭合另一个开关的步骤。
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