本

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
總體涉及電力的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器(switched-mode converter)。更具體地，本發(fā)明內(nèi)容涉及在獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分中公開的內(nèi)容。本發(fā)明內(nèi)容具有特別在電氣裝置的電源中的有利應(yīng)用。

背景技術(shù)：

提供諸如開關(guān)電源的電源被用于向各種電子器件提供直流(DC)電源。例如，此類電源可被連接在裝置的電力輸入端，或者它們可轉(zhuǎn)換用于裝置的特定部分的電力。目前電源通常利用開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的輸入可以是AC電流或DC電流，并且輸入/輸出電壓根據(jù)實(shí)施方式而改變。在大多數(shù)電子器件具有用于提供操作功率的開關(guān)模式電源時(shí)，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器具有良好的效率是必要的。

開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器在一個(gè)階段中使用輸入電流對電感器充電能，并在另一階段中將所充電能引導(dǎo)至負(fù)載。這些工作階段以高頻率切換。開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)包括增加電壓的增壓型轉(zhuǎn)換器，以及降低電壓的降壓型轉(zhuǎn)換器。在增壓型電源中，輸入功率通過電感器被引導(dǎo)給負(fù)載，其中，在第一階段(first phase)中，晶體管將電感器直接連接到輸入電壓以用于向該電感器加載能量，并且在第二階段(second phase)中，經(jīng)充電的電感器被連接至負(fù)載以用于提供具有更高電壓的能量。在降壓型轉(zhuǎn)換器中，電流在電感器和負(fù)載的電路中持續(xù)流動。晶體管相繼將輸入電壓連接至電路，因此在第一階段中增加電感器的能量，以在第二階段中用于負(fù)載。

另外，存在基本類型的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的組合，諸如基于諧振的轉(zhuǎn)換器，以及用于增加電壓的級聯(lián)型轉(zhuǎn)換器。簡單的開關(guān)模式電源通常具有在70％和90％之間的效率。例如，增壓型電源的標(biāo)稱效率通常為70％，并且降壓型電源的效率通常為80-90％。還存在具有更高效率的電源，諸如split-pi型開關(guān)電源，其中，幾個(gè)晶體管被用于連接輸入能量源以相繼向若干電感器饋電，如此來自輸入電壓源的電流幾乎是平坦的。這將使由電流變化和電流峰值(current spike)引起的損失降到最小，并且有可能實(shí)現(xiàn)高于90％的效率。然而，該解決方案產(chǎn)生更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并因此產(chǎn)生更高的生產(chǎn)成本。

下面的兩個(gè)文獻(xiàn)公開了具有兩個(gè)連續(xù)切換的并聯(lián)電感器的交錯式轉(zhuǎn)換器：Taufik Taufik、Tadeus Gunawan、Dale Dolan和Makbul Anwari，國際科學(xué)、工程和技術(shù)學(xué)會，《工程和技術(shù)》2010年第43期，“兩相升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的文檔設(shè)計(jì)與分析(Documents Design and analysis of two-phase boost DC-DC converter)”以及Mounica Ganta、Pallam Reddy Nirupa、Thimmadi Akshitha、Dr.R.Seyezhai，《新興技術(shù)和高級工程》國際期刊2012年第4期卷2，“用于可再生能源的兩相交錯式升壓型轉(zhuǎn)換器的簡便快捷的實(shí)施方式(Simple and Efficient Implementation of Two-Phase interleaved Boost Converter for Renewable Energy Source)”。該解決方案基于并聯(lián)連接的若干升壓型轉(zhuǎn)換器。該解決方案在具有非常小功率的應(yīng)用中具有優(yōu)勢，但是該技術(shù)將不適用于其它應(yīng)用。

大多數(shù)的電源使用兩個(gè)基本轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)中的任一個(gè)來實(shí)現(xiàn)。因此，功率損失形成很大一部分的電能消耗。另外，現(xiàn)有技術(shù)電源的功率損失使裝置變熱并導(dǎo)致它們的工作壽命變短。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供用于各種應(yīng)用的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，其中，所述的現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)得以避免或減少。因此，本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)具有相對簡單結(jié)構(gòu)的能提高效率的電源。

通過使用轉(zhuǎn)換器的鐵磁芯上的次級繞組并控制在兩個(gè)階段中的次級繞組來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，以便通過初級繞組和次級繞組兩者增大從磁通釋放到負(fù)載的功率。

更具體地，通過提供用于轉(zhuǎn)換電力的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，包括：

-鐵磁芯，

-在鐵磁芯上的初級繞組，

-第一可控初級開關(guān)，在開關(guān)處于接通狀態(tài)時(shí)，將初級繞組連接到輸入功率，

-第二初級開關(guān)，其將初級繞組連接到負(fù)載，

其中，利用初級控制脈沖來控制第一可控初級開關(guān)通過在初級脈沖期間增大初級繞組的電流以在芯中形成磁通從而激勵初級繞組，并且

其中，在初級脈沖之間，初級繞組向負(fù)載釋放磁通的能量，由此初級繞組的電流減小，其特征在于為了提高轉(zhuǎn)換器的效率，該轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括具有在鐵磁芯上的次級繞組的次級電路，并且次級電路被布置成在所述初級繞組的電流減小期間，將次級繞組和/或另一個(gè)能量源的能量傳遞到初級繞組。根據(jù)實(shí)施方式，這是在次級繞組的位置處的磁通小于在初級繞組的位置處的磁通，和/或次級繞組的總電流小于初級繞組的總電流的情況。

本發(fā)明還涉及用于轉(zhuǎn)換電力的方法，其中，

-第一初級開關(guān)被控制以在第一階段中將輸入電壓的脈沖連接到鐵磁芯的初級繞組，

-然后，在第二階段中將從初級繞組釋放的能量通過第二初級開關(guān)引導(dǎo)給負(fù)載，由此初級繞組的電流減小，

該方法的特征在于，為了提高轉(zhuǎn)換效率，在所述初級繞組的電流減小期間，次級繞組和/或另一個(gè)能量源的能量被傳遞到初級繞組。

根據(jù)本發(fā)明，用于在第一階段和第二階段中轉(zhuǎn)換電力的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器包括以下耦接件：

-鐵磁芯，

-在鐵磁芯上的初級繞組，

-在鐵磁芯上的次級繞組，

-第一可控初級開關(guān)，在所述第一階段中，其經(jīng)耦接以具有接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)，其經(jīng)耦接以通過具有與所述初級開關(guān)的所述接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)對應(yīng)的狀態(tài)的初級控制脈沖控制，以在開關(guān)被設(shè)定為接通狀態(tài)時(shí)，將初級繞組連接到輸入電源，從而激勵初級繞組以增大其電流以在芯中形成磁通，直到初級開關(guān)通過控制脈沖的斷開狀態(tài)而被設(shè)定為斷開狀態(tài)，以便增大磁通，同時(shí)增大在次級繞組中的次級電流，

-可控次級開關(guān)，其經(jīng)耦接以具有接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)，其經(jīng)耦接以通過具有與所述接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)對應(yīng)的階段的次級控制脈沖控制，其經(jīng)耦接以在開關(guān)被設(shè)定為接通狀態(tài)時(shí)將次級繞組連接到輸入電源，以將次級繞組激勵到負(fù)載，

其中，在所述第二階段中，當(dāng)初級脈沖的狀態(tài)對應(yīng)于所述初級開關(guān)的斷開狀態(tài)時(shí)，所述次級繞組被耦接以由所述輸入電源的次級控制脈沖通過被控制為處于接通狀態(tài)的次級開關(guān)直接被激勵，當(dāng)在所述第二階段時(shí)，初級繞組釋放磁能到鐵磁芯中，

其中，為了使轉(zhuǎn)換器以提高的效率運(yùn)行，所述次級繞組被定位在距初級繞組的一定距離處，以提供在鐵磁芯中形成的不同磁通；和/或所述初級繞組和次級繞組中的至少一個(gè)具有使得鐵磁芯的磁通是不同的形狀或直徑，由于次級繞組的相反的電流方向減小了磁通的生成，因此在次級繞組的位置處的磁通較小。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器包括在耦接時(shí)如同被耦接至相對于次級電流的相對極性的生成反向電壓(counter voltage)的器件，該器件經(jīng)耦接以在次級電路中產(chǎn)生反向電壓，其中，反向電壓器件包括下列中的至少一個(gè)：次級電路的電感和電容器以及蓄能器。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器在耦接時(shí)包括，次級開關(guān)，將次級繞組可控地設(shè)定為不被輸入電源的脈沖激勵的狀態(tài)，其中，耦接的次級側(cè)包括具有自感的電感，該自感產(chǎn)生與次級電流的變化成正比的電壓，所述電感是另外的電感或者是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式中的電感。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，在次級繞組側(cè)的耦接件包括附加電壓源，其是下列中的至少一個(gè)：電感器、電容器、蓄能器。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，次級電路的電感大于初級電路的電感。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，次級繞組通過開關(guān)部件連續(xù)耦接到負(fù)載，并因此還通過這種方式被耦接以在初級電流和次級電流減小期間，這些電流向負(fù)載釋放能量，從而在無需次級開關(guān)的情況下實(shí)施該耦接件。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，次級繞組的內(nèi)徑和芯的外徑之間的距離大于初級繞組的內(nèi)徑和芯的外徑之間的距離。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，根據(jù)實(shí)施方式的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器包括與次級繞組串聯(lián)的電感器，所述電感器與所述芯隔開。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，根據(jù)實(shí)施方式的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器具有為閉合形狀的這種鐵磁芯。根據(jù)實(shí)施方式，鐵磁芯具有環(huán)形、多邊形或罐形芯的形狀。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，初級繞組和次級繞組具有在芯上的隔開位置，優(yōu)選地位于芯的相對側(cè)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，初級繞組和次級繞組被布置在磁芯上，使得鐵磁芯的磁通沿磁芯的路徑是不同的，即在次級繞組的位置處的磁通更小。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，所述初級繞組和次級繞組被配置成使得次級繞組產(chǎn)生相反的電流方向以減小磁通的生成。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，所述初級繞組和次級繞組的繞組被配置成使得在第二階段期間，在該次級繞組的位置處的磁通越小，導(dǎo)致在次級繞組中的反向電壓越小，因此在初級電流和次級電流減小期間，次級繞組在第二階段中所消耗的輸入功率越少。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在根據(jù)實(shí)施方式的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中，該轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括具有在鐵磁芯上的次級繞組的次級電路，并且次級電路被布置成在所述初級繞組的電流減小期間將次級繞組和/或另一個(gè)能量源的能量傳遞到初級繞組。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于轉(zhuǎn)換電力的方法，包括：

-在第一階段中控制第一初級開關(guān)，該第一初級開關(guān)被控制以將輸入電壓的脈沖連接到鐵磁芯的初級繞組，

-然后在第二階段中，將從初級繞組釋放能量通過第二初級開關(guān)被引導(dǎo)給負(fù)載，由此初級繞組的電流下降，

其特征在于，

-通過在所述初級繞組和/或另一個(gè)能量源的電流減小期間將能量傳遞到初級繞組，以便提高次級繞組的能量轉(zhuǎn)換的效率。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，用于轉(zhuǎn)換電力的方法包括以下步驟：

-在第二階段期間，控制第一次級開關(guān)以將輸入電壓的脈沖連接到鐵磁芯的次級繞組，以便增大從初級繞組釋放到負(fù)載的能量，并且

-在第一階段期間，將從芯的次級繞組所釋放的能量通過第二次級開關(guān)引導(dǎo)到負(fù)載。

根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換電力的方法的實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器被耦接用于利用芯中的不同磁通來轉(zhuǎn)換電力，耦接件具有使所述初級繞組和次級繞組中的至少一個(gè)被定位在距次級繞組和初級繞組一定距離處和/或具有分別提供不同的磁通的形狀或直徑，該方法包括：

-在第一階段中，通過初級控制脈沖控制第一可控開關(guān)以激勵初級繞組，從而增大其電流以在芯中形成磁通，

-由所述初級控制脈沖將第一可控初級開關(guān)切換為接通狀態(tài)，以在所述控制脈沖期間將初級繞組連接到輸入電源，

-在第二階段中，在初級脈沖之后的次級脈沖期間，由輸入電源的所述次級脈沖通過處于接通狀態(tài)的第二開關(guān)來直接激勵次級繞組，

-通過設(shè)定所述第一可控初級開關(guān)為斷開狀態(tài)，引導(dǎo)初級繞組在初級脈沖的接通狀態(tài)之間向負(fù)載釋放磁通的磁能，由此初級繞組的電流減小。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，次級電路的電感大于初級電路的電感。存在兩個(gè)主要的實(shí)施方式來增大次級電路的電感。在一個(gè)實(shí)施方式中，次級繞組的內(nèi)徑和芯的外徑之間的距離大于初級繞組的內(nèi)徑和芯的外徑之間的距離。通過增大繞組的內(nèi)徑，次級繞組的電感因此增大。在另一實(shí)施方式中，存在與次級繞組串聯(lián)的電感器，所述電感器與所述芯隔開。如果使用獨(dú)立電感器，則沒有必要使用更大的次級繞組的內(nèi)徑。然而，也可以使用這兩個(gè)實(shí)施方式的組合并使次級繞組的直徑以及在次級電路的獨(dú)立串聯(lián)電感器的直徑這兩者更大。

根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施方式，鐵磁芯具有密閉形狀，諸如環(huán)形、多邊形。初級線圈和次級繞組優(yōu)選被放置在芯的獨(dú)立位置處。為了在繞組的不同位置處實(shí)現(xiàn)芯中的磁通的不同值，這是有利的。初級繞組和次級繞組優(yōu)選被定位在芯的相對側(cè)，以便在繞組的不同位置處實(shí)現(xiàn)磁通值之間的大的差異。

在從屬權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方式。

相對于現(xiàn)有技術(shù)解決方案，本發(fā)明具有大量優(yōu)點(diǎn)。顯著提高了電源轉(zhuǎn)換器的效率，這節(jié)約了所使用的能量。這對個(gè)人用戶乃至全球范圍都是有利的。

可用少量的電源部件和控制部件來實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，由此可以低成本地制造電路。

在本專利申請中，“脈沖”用于優(yōu)選意指基本上為矩形的脈沖，但是可替代地意指其它形狀的脈沖，諸如正弦波形的脈沖。

附圖說明

通過下面的具體實(shí)施方式并通過參考附圖，本發(fā)明的所述的以及其它優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中：

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的典型降壓增壓型開關(guān)模式電源的電路圖；

圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的電路圖，其中，通過使用次級繞組的增大內(nèi)徑來增大次級電路的電感；

圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的電路圖，其中，通過使用獨(dú)立串聯(lián)的電感器來增大次級電路的電感；

圖2C示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的電路圖，其中，次級電路不具有用于將次級電路連接到電源的有效控制的開關(guān)；

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的電路圖，其中，負(fù)載被耦接到與可控開關(guān)相同的固定電位；

圖4示出了用于圖2和圖3的電路的示例性控制序列的示圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的具有初級繞組和次級繞組的示例性鐵磁芯，其中，次級繞組的內(nèi)徑大于初級繞組的內(nèi)徑；以及

圖6A至圖6B示出了本發(fā)明的轉(zhuǎn)換電力的方法的示例性實(shí)施方式。

具體實(shí)施方式

為了理解本發(fā)明的新特征，將首先參考圖1來描述現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)模式電源的功能，并且接下來將參考圖2至圖6B來描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于提供降壓增壓型的基本開關(guān)模式電源的示例性電路。該電路具有圍繞鐵磁芯纏繞的電感器繞組L。電容器CP利用輸入電源P的輸入電壓U進(jìn)行充電。電容器CP通過開關(guān)晶體管T被耦接至電感器L。利用從脈沖發(fā)生器G提供的短脈沖(例如10μs長度)將晶體管控制為接通狀態(tài)。因此，該晶體管將來自電容器CP的短電流脈沖連接至電感器L。在晶體管T的斷開狀態(tài)期間，電感器L的能量通過二極管開關(guān)D1被引導(dǎo)至負(fù)載電容器C和負(fù)載R。該二極管開關(guān)防止給電容器C所充的能量被排放給電感器或輸入電源。

在某些時(shí)間段內(nèi)，通過將施加到負(fù)載R的能量除以由輸入電源P提供的能量來計(jì)算電路的效率。對于約200mm的平均長度的芯來說，該基本電路的效率約為80％。通過本申請人利用下面的數(shù)據(jù)測試圖1的電路：

U＝30V

lu＝0.038...0.040A

Pin＝U*lin＝1.17+/-0.03W

Uc＝30.11V

lc＝0.030A

Pout＝Uc*lc＝0.903W

η＝Pout/Pin＝77.2％

這些項(xiàng)具有下列含義：

U＝輸入電壓

lu＝初級電流

Pin＝從電源提供給轉(zhuǎn)換器的功率

Uc＝由初級繞組提供的電壓

lc＝負(fù)載電流

Pout＝至負(fù)載的功率

η＝轉(zhuǎn)換器的效率

因此，測量結(jié)果顯示該現(xiàn)有技術(shù)的電路的效率為77.2％。

圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器電路。該轉(zhuǎn)換器的初級電路類似于現(xiàn)有技術(shù)的電路。初級電路具有圍繞鐵磁芯纏繞的電感器繞組L。電容器CP利用輸入電源P的輸入電壓U來進(jìn)行充電。電容器CP通過開關(guān)晶體管T1被耦接至電感器L1。利用從脈沖發(fā)生器G提供的短脈沖G1(例如10μs的長度)將晶體管控制為接通狀態(tài)。因此，該晶體管將來自電容器CP的短電流脈沖連接至電感器L。在晶體管T的斷開狀態(tài)期間，電感器L的能量通過二極管開關(guān)D1被引導(dǎo)至負(fù)載電容器C和負(fù)載R。該二極管開關(guān)防止給電容器C所充的能量被排放給電感器或輸入電源。

鐵磁芯具有電感器次級繞組L2。次級繞組未緊密圍繞芯纏繞，而是該繞組具有比芯的外徑大的內(nèi)徑，因此，在芯與次級繞組之間留下非鐵磁空間。次級繞組通過二極管D2被連接至負(fù)載，這允許電能從次級繞組流向負(fù)載，但反之則不然。該電路具有另一開關(guān)晶體管T2，用于將次級繞組L2的一端切換到輸入電源。該次級繞組的第二端也被連接到輸入電源。因此，初級電路和次級電路是對稱的。

利用連續(xù)脈沖來控制開關(guān)晶體管T1和T2，在第一階段中，該脈沖首先在短時(shí)間內(nèi)將晶體管T1切換至接通狀態(tài)。在初級晶體管T1已被切換回至斷開狀態(tài)之后，在第二階段中，第二晶體管T2在短時(shí)間(諸如10至13秒)內(nèi)被切換至接通狀態(tài)。在第一階段中，次級繞組通過二極管開關(guān)D2向負(fù)載釋放電能。在第二階段中，次級繞組被連接到輸入電壓，從而增大從第一繞組釋放到負(fù)載的能量。

圖4示出了示例性的控制順序。G1是初級開關(guān)的控制脈沖，并且G2是次級開關(guān)的控制信號。11是初級繞組的電流。在第一階段中，當(dāng)初級開關(guān)通過G1控制信號被切換為接通時(shí)，初級繞組的電流隨著初級繞組的輸入電壓和電感而增大。在第一階段期間，能量通過次級繞組L2部分流向負(fù)載。

在第二階段中，在短時(shí)間內(nèi)初級開關(guān)被信號G1控制以斷開并且次級開關(guān)被信號G2控制以接通。因此，次級繞組被連接到輸入電壓。但是由于在次級繞組中的電壓的影響，初級繞組的電流以較慢的速度減小。在初級繞組的電流更緩慢地減小時(shí)，能量在更長的時(shí)間內(nèi)從初級繞組流向負(fù)載，并且更多的能量流向負(fù)載。以此方式實(shí)現(xiàn)輸出功率的增大以及效率的提高。隨后以間隔重復(fù)脈沖G1和G2以及第一階段和第二階段。

測量結(jié)果還顯示出，本發(fā)明使用次級電路既增大轉(zhuǎn)換器的功率輸出又提高了效率。在測量示例性電路時(shí)，提出下面的值：

U＝Ut＝30V

Ne＝25

Nt＝38

lin＝0.105A

Pin＝Ue*lin＝3.15W

Uc＝28.03...28.22V

lc＝0.104A

Pout＝Uc*lin＝2.925W+/-0.01W

η＝Pout/Pin＝92.8％

這些項(xiàng)具有下列含義：

U＝輸入電壓

Ut＝次級繞組的電壓

Ne和Nt分別是在初級繞組和次級繞組中的匝數(shù)lin＝從電源提供給轉(zhuǎn)換器的電流

Pin＝從電源提供給轉(zhuǎn)換器的功率

Uc＝由初級繞組提供提供的電壓

lc＝負(fù)載電流

Pout＝至負(fù)載的功率

η＝轉(zhuǎn)換器的效率

如通過測量結(jié)果所顯示的，效率為92.8％，該效率與圖1的現(xiàn)有技術(shù)的電路相比是非常高的。

接下來通過更詳細(xì)地研究上面的示例來詳細(xì)描述函數(shù)的原理。在該示例中，鐵磁芯由兩個(gè)半U(xiǎn)形體構(gòu)成，該鐵磁芯被附接到閉合磁電路中。芯的直徑為17mm，b芯的平均長度為200mm。芯具有初級繞組L1，該初級繞組具有Ne＝25匝。次級繞組與初級繞組相對被定位在芯上。次級繞組具有Nt＝38匝，以及次級繞組的直徑d2為100mm，并且繞組的柱形長度可以為例如25mm至5mm。具有25mm的長度的繞組具有L2＝200μΗ的電感，并且具有35mm的長度的繞組具有L2＝170μΗ的電感。在先前示例中，使用170μΗ的線圈，但是在下面的示例中，使用200μΗ的線圈。雖然在階段1中的dl/dt的值略低，但是它們兩者提高了同樣的效率。

在第一階段中，10μs的脈沖被饋送給初級繞組，這使次級繞組向負(fù)載饋送供應(yīng)電流。在第二階段中，初級繞組的電流被饋送給負(fù)載，同時(shí)次級繞組被連接到輸入電壓U。如果開關(guān)、磁芯以及繞組在沒有損耗的情況下工作并且U＝Uc，則第一階段和第二階段將是等長的，并且在第一階段中由初級繞組從輸入的電壓獲取的能量將在第二階段期間被同樣饋送給負(fù)載。而且次級繞組在第一階段期間供應(yīng)給負(fù)載的電流與在第二階段期間饋送給負(fù)載的電流一樣多。在實(shí)施過程中，部件具有損耗，并且第二階段比第一階段短。然而，如在理想變壓器中，乘積Ne*le和Nt*It幾乎是相同的，在上面的布置中可以測量出這些乘積具有很大的差別：明顯Ne*le比Nt*It大。測量結(jié)果顯示出的是通常Ne*le＝25*0.9A＝22.5A，并且Nt*It＝38*0.45A＝17.1A，以及Ne*le/Nt*It＝1.32或Ne*le＝1.32Nt*It的關(guān)系。

初級繞組和次級繞組的高電流差的影響表現(xiàn)為以下方式：如果電壓U和Uc是相等的，則在階段1期間，次級繞組向負(fù)載饋送更小的電流，但是在階段2中，同樣饋送更小的功率，而且可以看出，效率并沒有提高?，F(xiàn)在，如果階段2在一個(gè)方向或其它方向更長，則次級繞組在初級電流減小到零時(shí)保持較高的初級電流更長的時(shí)間段。在此情況下，次級電流根據(jù)公式Pt＝U*It獲取功率，但是初級電流根據(jù)Pe＝Uc*le向負(fù)載供應(yīng)功率。在這里，Nt*It現(xiàn)在比Ne*le小了乘數(shù)1.32。因?yàn)槌跫壚@組匝數(shù)為25，并且次級繞組匝數(shù)為38且它們的關(guān)系為0.658，在階段中施加于次級繞組的電壓是初級繞組的這種關(guān)系的兩倍效果，但是然而，由于電流差異，次級電流并不是小了這么多，而是小了0.658/1.32倍，即次級電流不是0.6A，而是0.45A。因此，在階段2中獲取了更小的功率，如果階段2比階段1更長，那么這樣提高了效率。然而，也存在在階段2的更長時(shí)間內(nèi)減小效率的提高的負(fù)面效果。只要T2將電壓切換到次級繞組時(shí)，在次級繞組中的電壓就開始減小電流差，并且階段2越長，在階段2中的負(fù)面效果就越大。

除上面的Uc比U小并且階段2比階段1長的示例以外，在Uc等于或高于U時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)效率的提高。在后面的情況下，階段2變得比階段1短，而且在此情況下，與Ne*le相比，在次級繞組中的總電流Nt*It小了上述的乘數(shù)，這意味著在短時(shí)間內(nèi)，電容器電壓U給予次級電流更少的能量，并因此提高效率。也可以通過其它布置來實(shí)現(xiàn)相同的效果。例如，如果次級電流電路自身包含足夠的電感，那么該電感的能量給次級繞組提供與電容器電壓U類似的正向電壓，并且次級電流可以被引導(dǎo)至在第二階段中也具有提高效率的負(fù)載電容器。在本申請的其它地方更詳細(xì)地說明了該示例。

為了說明上述效果，示出了實(shí)際的示例計(jì)算。電壓Uc從30V減小到29V(其是電容器電壓28.5V和開關(guān)電壓降0.5V的總和)，以便使階段2更長，這表示電壓Uc較小了3.3％。這種減小稍微增大了初級電流和次級電流，但是大多數(shù)情況下，根據(jù)其它設(shè)置，其將階段2的時(shí)間從理想的10秒向上增大到12.5秒，這意味著在第二階段中的功率輸出增大了25％。

在初級繞組和次級繞組的匝數(shù)的關(guān)系為25/38＝0.658時(shí)，從下面的計(jì)算公式可以導(dǎo)出第二階段的時(shí)間：dT2＝0.658*L2*dle/(Uc–0.658*U)＝0.658*200*0.9/(28.5+0.5-0.658*30)＝12.8μs?？紤]到公式中的主因數(shù)為初級繞組匝數(shù)和次級繞組匝數(shù)與次級繞組電感的比率，以及與所測得的結(jié)果的相對良好的一致性，那么該計(jì)算結(jié)果也支持效果說明的可靠性。應(yīng)注意到的是，該布置的許多損失因素未包含在公式中，這也是計(jì)算結(jié)果可以大于所測得的值的原因。

圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一示例性開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器電路。該實(shí)施方式類似于圖2A的實(shí)施方式，除了次級電路的電感部件之外。在該實(shí)施方式中，次級電路的電感隨與次級繞組L2串聯(lián)的獨(dú)立電感器L3變大。在該實(shí)施方式中，由于次級電路的電感隨獨(dú)立電感器L3變大，因此次級繞組L2可與初級繞組L1具有相同的電感和相同的內(nèi)徑獨(dú)立電感器。次級電路的電感是次級繞組L2的電感和獨(dú)立電感器L3的總和，由此該次級電路的總電感一定大于初級電路的電感?？梢酝ㄟ^與圖2A的實(shí)施方式類似的方式來確定本實(shí)施方式的效率，但是不是使用次級繞組的電感值，而是必須使用次級繞組的電感和獨(dú)立電感器的值的總和。

因此，存在增大次級電路的電感的兩種主要方式；增大次級繞組的直徑(如應(yīng)用于圖2A中的實(shí)施方式以及使用獨(dú)立的串聯(lián)電感器(如應(yīng)用于圖2B中的實(shí)施方式)。然而，也可以使用這兩種方式的組合來增大次級電路的電感，即，使用具有增大的直徑的次級繞組L2和獨(dú)立的串聯(lián)電感器兩者。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在部件拓?fù)渲校郊与妷涸幢欢ㄎ辉陔姼蠰3的位置。根據(jù)實(shí)施方式的總效果，電壓源可以包括由以下項(xiàng)組成的組中的至少一個(gè)：電感器L3、電容器C3、蓄能器A3。虛線示出了實(shí)施方式的組合之間的可選性。根據(jù)另外的實(shí)施方式，如在圖2B中和附帶文本中所指示的，在圖2B中指示的附加電壓源也可同樣在圖2C中實(shí)施?；谒镜膶?shí)施方式，雖然示出了具有包括組的并聯(lián)耦接多部件的實(shí)施方式的示例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以提供包括串聯(lián)耦接部件的這些部件(L3，C3，A3)的其它拓?fù)?。此外，還可以使用電阻性的部件以使待耦接的電抗與所指示的位置相符。

圖2C示出了另外的示例性開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的電路圖。該實(shí)施方式類似于圖2A的實(shí)施方式，除了次級繞組未用可控開關(guān)連接到電源。相反，次級繞組僅通過二極管D2連接到負(fù)載。雖然效率并沒有增加與在圖2A的實(shí)施方式中那么多，但是該電路具有更少的部件，并且在一些電源應(yīng)用中是可用的。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，包括由電感L3、電容器C3和蓄能器A3組成的組中的至少一個(gè)的另外電壓源可以作為次級開關(guān)T2的替代或補(bǔ)充被添加到所實(shí)施的電路中。通過用于另外電壓源或其組合的示例性的替代方式示出用于此類另外電壓源的電位位置。在圖2C中由虛線指示耦接件的可替代的特征。雖然相同符號用于不同位置的可替代的部件，但是該示例并不將部件值限制為相同的值。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另外示例性開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的電路圖。在該實(shí)施方式中，負(fù)載的兩個(gè)端子中的一個(gè)被耦接至與可控開關(guān)T1和T2相同的固定極。在圖2A和2B的實(shí)施方式中，負(fù)載端子被耦接到與繞組L1和L2相同的固定電位。在圖3的實(shí)施方式中，在能量被傳遞給負(fù)載時(shí)，輸入電壓U被添加到繞組L1和L2的電壓中。因此，在轉(zhuǎn)換器的階段1和階段2兩者期間，能量也從輸入源被傳遞給負(fù)載：

-在階段1中，負(fù)載電壓-Uc＝-57V并且輸入電壓U＝30V，兩者均影響次級繞組。這些電壓的差為27V，并且在本示例中，當(dāng)前有效反向電壓為-27V，這與先前的示例中，即，-Uc＝-29V大約相同。在階段1中，初級繞組被連接到輸入電壓U＝30V，這使次級繞組中的電壓上升，并使得次級繞組中的電流隨著次級電壓、-Uc和次級繞組以及初級繞組中的電感以與先前示例類似的方式增大；

-在階段2中，輸入電壓U和負(fù)載電壓-Uc兩者均影響初級繞組。在本示例中，反向電壓為-27V，由此考慮到從次級電路至初級電路的減小的正向電壓，與較早的示例反向電壓為29V相比，該反向電壓下降2V。在此情況下，給出的方程式給出用于轉(zhuǎn)換器的階段2的較長時(shí)間段；

-階段2的計(jì)算時(shí)間長度可以通過使用給出的方程式dt＝(Ne/Nt)*L2*dle/(Uc-(Ne/Nt)*U)來導(dǎo)出。在本實(shí)施方式中，該方程式中的其它值與圖2A的實(shí)施方式中的值相同，除了電壓Uc，當(dāng)前其具有值Uc＝U-56.5V-0.5V＝27V。該公式現(xiàn)在給出dt＝16.3μs，這與測量結(jié)果匹配。

在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在第二階段期間，在次級繞組的位置處的磁通越小，導(dǎo)致次級繞組中的反向電壓越小，這要求在隨后在初級電流和次級電流減小期間，次級繞組在第二階段中消耗的輸入功率越少。

因此，轉(zhuǎn)換器的輸出功率在與圖2A的實(shí)施方式相比時(shí)是增大的，并且效率也提高了3-4個(gè)百分比單位。

圖4示出了用于圖2和3的電路的示例性控制順序的示圖。如在圖4中的實(shí)施方式所示，雖然電流11的上升和放電的示例相對于脈沖G1和G2具有所指示的接通狀態(tài)上升，以及在相同階段的兩個(gè)連續(xù)上升之間的中間時(shí)間，但是該實(shí)施方式并不僅限于所示的示例。在實(shí)施過程中，結(jié)合脈沖發(fā)生器G的脈沖的部件值確定上升和放電的持續(xù)時(shí)間，以及在圖4中實(shí)施的三角形脈沖11之間的中間時(shí)間，即11的脈沖幾何形狀的細(xì)節(jié)。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性鐵磁芯F，該鐵磁芯具有初級繞組L1和次級繞組L2。次級繞組L2的內(nèi)徑d2大于初級繞組的內(nèi)徑d1。

在本專利說明書中，開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的其它各種部件的結(jié)構(gòu)未更詳細(xì)描述，因?yàn)榭梢允褂蒙厦娴拿枋龊捅绢I(lǐng)域的技術(shù)人的通用知識來實(shí)現(xiàn)它們。諸如開關(guān)晶體管、芯、繞組以及獨(dú)立電感器的元件中的每一個(gè)可以包括一個(gè)部件或它可由兩個(gè)或若干個(gè)部件組成。部件類型已作為示例在上面提及，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以聯(lián)想提供上述功能的替代部件類型。

例如，轉(zhuǎn)換器電路的開關(guān)元件T1和T2可為功率半導(dǎo)體，諸如MOSFET或IGBT。利用脈沖發(fā)生器G的相應(yīng)輸出來控制開關(guān)晶體管的柵極。

圖6A示出了用于轉(zhuǎn)換電力的方法，其中，開關(guān)類型的電力轉(zhuǎn)換器被用于該方法的實(shí)施。在該方法的實(shí)施方式中，通過脈沖G1的相應(yīng)電平來控制T1斷開(601)。能量被存儲到L1、L2和負(fù)載中(602)。通過對應(yīng)的G1階段來控制T1閉合(603)，并且在使用T2的那些實(shí)施方式中同時(shí)通過G2來控制T2斷開。能量從L1和L2被釋放(604)，能量從U被添加到L2。接下來，在使用T2的那些實(shí)施方式中，通過G2來控制T2閉合(605)。如箭頭所示，循環(huán)從601再次開始。在本方法的第一階段中，轉(zhuǎn)換器電路的第一初級開關(guān)T1被脈沖發(fā)生器的脈沖控制，使得第一初級開關(guān)T1根據(jù)輸入電壓U的脈沖G1連接到鐵磁芯F的初級繞組L1。脈沖發(fā)生器G被配置和/或耦接以產(chǎn)生對應(yīng)于T1的接通狀態(tài)的脈沖，并且在兩個(gè)緊接的此類脈沖之間存在與T1的斷開狀態(tài)相對應(yīng)的脈沖電平(在這里被稱為斜度(pitch))。能量被存儲到L1、L2和負(fù)載中。

通過G1控制T1閉合并且同時(shí)通過G2控制T2斷開。根據(jù)實(shí)施方式，在第二階段中，能量隨后從初級繞組L1被釋放，該能量通過第二開關(guān)T2被引導(dǎo)給負(fù)載，由此初級繞組L1的電流11減小。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在所述初級繞組L1和/或另一個(gè)能量源的電流11減小期間，將該能量傳遞到初級繞組L1，以便提高次級繞組L2的轉(zhuǎn)換能量的效率。

根據(jù)可替代的或補(bǔ)充的實(shí)施方式，在第二階段期間，控制次級開關(guān)T2使其根據(jù)輸入電壓U的脈沖G2連接到鐵磁芯F的次級繞組L2，以便增大從初級繞組L1釋放到負(fù)載(負(fù)載、C、R)的能量，以便在第一階段期間，將從芯F的次級繞組L2釋放的能量通過第二次級開關(guān)T2引導(dǎo)給負(fù)載。在下一循環(huán)中，在T1被控制而斷開(601)之前，T2被控制以閉合。在使用不同于T2的其它能量引導(dǎo)部件的那些實(shí)施方式中，電路操作遵循如在圖2C中所示的實(shí)施方式，并且能量根據(jù)所實(shí)施的電路拓?fù)浔灰龑?dǎo)給負(fù)載。

根據(jù)實(shí)施方式的變形例，斜度被設(shè)定為恒定的持續(xù)時(shí)間，但是根據(jù)實(shí)施方式的變形例，該斜度是可調(diào)節(jié)的。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，接通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間被設(shè)定為恒定的持續(xù)時(shí)間，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的變形例，該接通狀態(tài)持續(xù)時(shí)間是可調(diào)節(jié)的。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，由脈沖發(fā)生器的脈沖幾何外形確定脈沖和/或斜度的持續(xù)時(shí)間，但是在此實(shí)施方式的變形例中，通過經(jīng)調(diào)節(jié)用于脈沖幾何外形的中間鎖存器電路以及關(guān)于幅度、斜度和/或脈沖長度的細(xì)節(jié)確定。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，脈沖發(fā)生器可以被調(diào)節(jié)以從第一脈沖持續(xù)時(shí)間改變到另一脈沖持續(xù)時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，脈沖發(fā)生器可以被用于調(diào)節(jié)以從第一斜度持續(xù)時(shí)間改變到第二斜度持續(xù)時(shí)間。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，G2的脈沖可以以與上面所公開的用于G1的方式相同的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)實(shí)施方式，G1獨(dú)立于G2進(jìn)行調(diào)節(jié)。在替代或補(bǔ)充實(shí)施方案中，根據(jù)實(shí)施方式，G2獨(dú)立于G1進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，至少G1和G2中的至少一個(gè)的斜度或脈沖持續(xù)時(shí)間的調(diào)節(jié)是逐步的，但是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該調(diào)節(jié)是移動式的。G1的脈沖特性可以以此方式從第一組脈沖參數(shù)改變到第二組脈沖參數(shù)，因此有利于轉(zhuǎn)換器用于不同類型的負(fù)載。根據(jù)逐步變化，可以如電子器件所允許的響應(yīng)時(shí)間一樣快地在不同類型的負(fù)載之間進(jìn)行切換。

如在圖4的示例中所示，雖然在本發(fā)明的實(shí)施方式中，就G1和/或G2的脈沖本身而言被認(rèn)為作為正方形脈沖生成，即，具有急劇的上升時(shí)間和下降時(shí)間并在這兩個(gè)時(shí)間之間具有基本上恒定的值電平，因此被認(rèn)為按照類似的正方形脈沖幾何外形，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，脈沖發(fā)生器G或驅(qū)動G的傳導(dǎo)中的T1和/或T2的接口鎖存電路(在實(shí)施方式的變形例中，鎖存器可被包含在G中)可以被數(shù)字調(diào)節(jié)以產(chǎn)生脈沖G1和/或G2。在一些實(shí)施方式的變形例中，T1和T2中的至少一個(gè)可以被數(shù)字信號直接驅(qū)動或用于如在圖4中所示的待組合的相應(yīng)G1和G2的兩個(gè)成形合適的脈沖串驅(qū)動。負(fù)載可以根據(jù)數(shù)字控制信號以此方式被激勵。

圖6B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式所實(shí)施的利用開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電力的方法的實(shí)施方式的變形例。此變換器被耦接用于通過利用芯F中的不同磁通來轉(zhuǎn)換電力，具有所述初級繞組L1和次級繞組L2中的至少一個(gè)的耦接被定位，和/或在距次級繞組L2和初級繞組L1的特定距離分別具有此形狀或直徑d1、d2，以提供不同的磁通。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，該方法包括：在第一階段中，利用初級控制脈沖G1控制第一可控開關(guān)T1(611)以激勵初級繞組L1以增大其電流11，從而在芯F中形成磁通。該方法包括，在所述控制脈沖G1期間，由所述初級控制脈沖G1將第一可控初級開關(guān)G1切換為接通狀態(tài)(612)，以將初級繞組L1連接到輸入功率。該方法還包括，在第二階段中，在初級脈沖G1之后由輸入電源P的次級脈沖G2通過在所述次級脈沖G2期間處于接通狀態(tài)的第二初級開關(guān)T2來直接激勵每個(gè)次級繞組L2(613)。

在本方法的實(shí)施方式中，還包括通過設(shè)定所述第一可控初級開關(guān)T1將其引導(dǎo)為斷開狀態(tài)(614)，初級繞組L1在初級脈沖G1的接通狀態(tài)之間向負(fù)載(負(fù)載、R、C)釋放磁通的磁能，由此初級繞組L1的電流11減小。T2的接通狀態(tài)的G2的時(shí)間段可以根據(jù)與圖4所示相關(guān)的實(shí)施方式來實(shí)現(xiàn)。在階段611中，當(dāng)T1被控制斷開時(shí)，安排下一個(gè)循環(huán)開始(615)。

可以利用模擬電路(諸如ASIC電路)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的控制功能，由此可以實(shí)現(xiàn)簡單的具體實(shí)施方式。然而，為實(shí)現(xiàn)更高級的功能，數(shù)字的具體實(shí)施是優(yōu)選的。在使用微控制器/處理器時(shí)，電路需要在器件中執(zhí)行的合適處理器程序。為了將已知的器件或系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，除了硬件更改以外，有必要在存儲器裝置中存儲一組機(jī)器可讀的指令，該指令指示微處理器執(zhí)行上述的功能。將此類指令組合并存儲在存儲器中涉及已知的技術(shù)，在與本專利申請的教義組合時(shí)，這在本領(lǐng)域的技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)。

上面僅描述根據(jù)本發(fā)明的解決方案的一些實(shí)施方式。根據(jù)本發(fā)明的原理本質(zhì)上可以在權(quán)利要求所定義的范圍的框架內(nèi)進(jìn)行更改，例如，通過更改具體實(shí)施和使用范圍的細(xì)節(jié)。

本發(fā)明可以在用于各種目的和各種電子器件的外部和內(nèi)部直流電源中使用。