專利名稱：Ac/dc電力轉(zhuǎn)換方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電力轉(zhuǎn)換并且特別地涉及用于將交流(AC)轉(zhuǎn)換為直流(DC)的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
很多家用電器和工業(yè)機(jī)器和裝置由已經(jīng)從由AC交流電源提供的交流(AC)電力整流獲得的直流(DC)電力進(jìn)行供電。AC至DC整流通常使用由如圖1中所示地構(gòu)造的四個(gè)二極管102-1、102-2、102-3、102-4構(gòu)成的橋整流器104 (或“二極管橋”)來實(shí)現(xiàn)。橋式整流器104將AC輸入電壓Vin的正和負(fù)半周轉(zhuǎn)換為恒定極性的全波整流波形。(參見圖2A和圖2B)。為了在負(fù)載108上產(chǎn)生想要的穩(wěn)定DC輸出電壓Vout，利用平滑電路對(duì)整流波形進(jìn)行濾波，該平滑電路的最簡單形式包括耦合到橋式整流器104的輸出的平滑電容器106。平滑電容器106用于在AC輸入電壓Vin的下部期間將DC輸出電壓Vout保持在峰電壓Vpeak附近，如圖2C中所示。即使通過平滑電容器106進(jìn)行之后的濾波，一些AC紋波疊加在DC輸出Vout上。根據(jù)應(yīng)用，紋波可以是或可以不是可容許的。在其是不可容許的應(yīng)用中，能夠采用額外的濾波來將其降低到可接受水平。圖1中的AC/DC轉(zhuǎn)換器100生成處于AC輸入電壓Vin的峰電壓Vpeak附近的DC輸出電壓Vout (參見圖2C)。然而，很多應(yīng)用要求更低的電壓。例如，很多機(jī)制和裝置要求12伏特DC或更低，但是中心抽頭的峰電壓Vpeakl20伏特RMS(均方根)住宅電源接近170V。為了將DC電壓降低到所要求的水平，使用降壓變壓器或D`C-DC轉(zhuǎn)換器302 (B卩，降壓轉(zhuǎn)換器)。圖3示出了 DC-DC轉(zhuǎn)換器302的使用。DC-DC轉(zhuǎn)換器302包括開關(guān)(通常為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET))304、二極管(或替代地，第二 M0SFET)306、電感器308、濾波電容器310和脈寬調(diào)制器(PWM)控制312。PWM控制312以比60Hz線路頻率高得多的固定頻率f (通常大于IkHz)控制開關(guān)304的接通和關(guān)閉。當(dāng)開關(guān)304被接通時(shí)，電流從其流過，并且流到電感器308、并且然后流到濾波電容器310和負(fù)載108。增大的電流導(dǎo)致電感器308的磁場的堆積并且使得能量存儲(chǔ)在電感器的磁場中。當(dāng)開關(guān)304被關(guān)斷時(shí)，電感器308上的電壓下降快速地反轉(zhuǎn)極性并且由電感器308存儲(chǔ)的能量用作用于負(fù)載108的電流源。與每個(gè)周期T中開關(guān)304接通的時(shí)間成比例地確定DC輸出電壓Vout，其中，T=l/f。更具體地，Vout=DVin (dc)，其中，D=tQN/T已知為“占空比”并且Vin (dc)是設(shè)置在橋式整流器104的輸出處的源DC輸入電壓。PWM控制312被配置在反饋路徑中，允許通過調(diào)節(jié)占空比D來調(diào)節(jié)DC輸出電壓Vout。雖然圖3中的AC/DC轉(zhuǎn)換器300解決了圖1中的AC/DC轉(zhuǎn)換器100不能夠?qū)C電壓降壓到較低的DC電壓的問題，但是其沒有解決傳統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換器-低功率因數(shù)的另一已知問題。AC/DC轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)是表示來自AC電源的電力有多高效真實(shí)地傳輸?shù)截?fù)載的處于O和I之間的無量綱數(shù)。對(duì)于同樣量的有用電力的傳輸，與具有高功率因數(shù)的AC/DC轉(zhuǎn)換器相比，具有較低的功率因數(shù)的AC/DC轉(zhuǎn)換器從電源提取了更多的電流。能夠由于輸入電壓Vin與輸入電流Iin異相或通過破壞輸入電流Iin的形狀的非線性負(fù)載的動(dòng)作來獲得較低的功率因數(shù)。后一種情況出現(xiàn)在非功率因數(shù)校正AC/DC轉(zhuǎn)換器(例如，如上所述使用二極管橋104的圖1和圖3中描述的轉(zhuǎn)換器)中。圖1中的AC/DC轉(zhuǎn)換器100的濾波電容器106 (并且，類似地，圖3中的AC/DC轉(zhuǎn)換器100的濾波電容器310)在大部分時(shí)間內(nèi)保持在峰電壓Vpeak附近。這意味著瞬時(shí)AC線路電壓Vin在大部分時(shí)間低于濾波電容器106。因此橋式整流器104的二極管102-1、102-2、102-3、102-4僅在各AC半周的小部分內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)致從電源提取的輸入電流Iin是一系列窄脈沖，如圖4中所示。注意的是，雖然輸入電流Iin與AC輸入電壓Vin同相，但是其被劣化，并且因此，存在大量線頻率的諧波。諧波降低了功率因數(shù)，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)換效率的降低并且導(dǎo)致了 AC電源生成器和分配系統(tǒng)中的不想要的發(fā)熱。諧波還產(chǎn)生了能夠與其它電子設(shè)備的性能發(fā)生干擾的噪聲。為了減少諧波并且增加功率因數(shù)，傳統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換器常常配備有功率因數(shù)校正(PFC)預(yù)調(diào)節(jié)器。能夠以各種方式形成PFC預(yù)調(diào)節(jié)器。一種方法采用耦接在橋式整流器104與DC-DC轉(zhuǎn)換器302之間的PFC升壓轉(zhuǎn)換器502，如圖5中的功率因數(shù)校正AC/DC轉(zhuǎn)換器500中所示。PFC升壓轉(zhuǎn)換器502包括電感器504、開關(guān)506、二極管508、輸出電容器510和PFC控制512。PFC控制512控制開關(guān)506的接通和關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)506被接通時(shí)，電流從電源流動(dòng)通過電感器504，使得能量積聚并且存儲(chǔ)在電感器的磁場中。在該期間，通過電容器510中的充電提供到DC-DC轉(zhuǎn)換器302和負(fù)載108的電流。當(dāng)開關(guān)506被關(guān)斷時(shí)，電感器504兩端的電壓快速地反轉(zhuǎn)極性以抑制任何電流的降低，并且電流流過電感器504、二極管508并且流到DC-DC轉(zhuǎn)換器302，也對(duì)電容器510進(jìn)行再?zèng)_電。利用極性反轉(zhuǎn)，電感器504上的電壓被與源輸入DC電壓相加，從而對(duì)輸入DC電壓進(jìn)行升壓。PFC升壓轉(zhuǎn)換器502輸出電壓依賴于由PFC控制電路512提供的接通-關(guān)閉開關(guān)控制信號(hào)的占空比D。更具體地，PFC升壓轉(zhuǎn)換器502輸出電壓與1/(1-D)成比例，其中，D是占空比，并且(1-D)是開關(guān)周期T (即，整流周期)的開關(guān)506被關(guān)斷的部分。除了設(shè)置占空比D之外，PFC控制512強(qiáng)制DC-DC轉(zhuǎn)換器302和負(fù)載108提取平均上與AC輸入電壓Vin的正弦形狀一致的電流，從而減少了諧波并且增加了 AC/DC轉(zhuǎn)換器500的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正AC/DC轉(zhuǎn)換器500適合于很多應(yīng)用。然而，其具有很多缺點(diǎn)。首先，AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率低于預(yù)期，特別是由于AC至DC功率轉(zhuǎn)換要求兩級(jí)-PFC升壓轉(zhuǎn)換器502前端和DC-DC轉(zhuǎn)換器302終端。其次，轉(zhuǎn)換器500具有較大的部件數(shù)量，其包括實(shí)施兩個(gè)控制電路(PFC控制512和PWM控制312)所需的部件，這增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本，并且使得轉(zhuǎn)換器500更易于出現(xiàn)故障。第三，PFC升壓轉(zhuǎn)換器502產(chǎn)生非常高的電壓，這對(duì)于轉(zhuǎn)換器的部件施加了壓力并且增加的安全隱患。因此，期望的是具有一種AC/DC轉(zhuǎn)換方法和設(shè)備，其高效地將AC轉(zhuǎn)換為DC，避免了由于使用橋式整流器導(dǎo)致的功率因數(shù)劣化，不要求電壓升壓器來應(yīng)對(duì)功率因數(shù)劣化，并且不具有大量部件。

發(fā)明內(nèi)容
公開了用于將交流(AC)轉(zhuǎn)換為直流(DC)的方法和設(shè)備。將例如可以由AC電源提供的AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓的不例性AC/DC轉(zhuǎn)換器包括電感器、電容器、多個(gè)開關(guān)和控制器?？刂破鲗⒍鄠€(gè)開關(guān)、電感器和電容器構(gòu)造為在Vin > Vout期間用作降壓轉(zhuǎn)換器并且在Vin < -Vout期間用作反相降壓轉(zhuǎn)換器?？刂破髡{(diào)制多個(gè)開關(guān)的占空比以將DC輸出電壓Vout調(diào)節(jié)到想要的恒定輸出電平。本發(fā)明的AC/DC轉(zhuǎn)換器將AC輸入電壓Vin直接轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout而無需橋式整流器或變壓器來完成AC至DC轉(zhuǎn)換。直接的AC至DC轉(zhuǎn)換避免了由于橋式整流器的使用導(dǎo)致的功率因數(shù)劣化問題，避免了專用功率因數(shù)校正預(yù)調(diào)節(jié)器電路的需要，并且導(dǎo)致了減少的部件數(shù)目和節(jié)能設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)描述包括本發(fā)明的上述概括的以及其它示例性實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)和操作的描述的本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中，使用相同的附圖標(biāo)記來表示相同或功能上類似的元件。


圖1是傳統(tǒng)的交流至直流(AC/DC)轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖2A是施加到圖1中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的AC輸入的AC輸入電壓Vin的信號(hào)圖；圖2B是圖1中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的橋式整流器的輸出處產(chǎn)生的未濾波的全波整流電壓波形的信號(hào)
圖2C是已經(jīng)由平滑電容器進(jìn)行了濾波之后的圖1中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的DC輸出電壓的信號(hào)圖；圖3是配備有用于將DC輸出電壓降壓到低于僅使用橋式整流器和平滑電容器的情況的緩降降壓轉(zhuǎn)換器的AC/DC轉(zhuǎn)換器；圖4是示出圖1和圖3中的AC/DC轉(zhuǎn)換器所使用的橋式整流器如何以存在大量諧波的窄脈沖的方式從AC電源提取電流的信號(hào)圖；圖5是具有補(bǔ)償了由于AC/DC轉(zhuǎn)換器的橋式整流器引起的功率因數(shù)劣化的緩降降壓轉(zhuǎn)換器和功率因數(shù)校正升壓轉(zhuǎn)換器；圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的AC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖7是提供到圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的AC輸入電壓Viin以及與由AC/DC轉(zhuǎn)換器生成的DC輸出電壓Vout及其負(fù)數(shù)-Vout的關(guān)系的信號(hào)圖；圖8是示出如何根據(jù)與圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器生成的DC輸出電壓Vout及其負(fù)數(shù)-Vout相比的AC輸入電壓Vin的瞬時(shí)值切換和驅(qū)動(dòng)圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的表；圖9是示出當(dāng)Vin > Vout時(shí)在AC輸入電壓的正半周期間如何將圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器減少并且用作降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖10是示出當(dāng)Vin < -Vout時(shí)在AC輸入電壓的負(fù)半周期間如何將圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器減少并且用作反相降壓轉(zhuǎn)換器的電路圖；圖11是比較電路的電路圖，其形成了圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的控制器的一部分并且將AC輸入電壓Vin與DC輸出電壓Vout進(jìn)行比較來確定是否Vin > Vout和Vin < -Yout ；以及圖12是形成了圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的控制器的一部分并且用于控制圖6中的AC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的切換的開關(guān)控制電路的電路圖。
具體實(shí)施例方式參考圖6，示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的交流到直流(AC/DC)轉(zhuǎn)換器600。AC/DC轉(zhuǎn)換器600包括第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608、電感器610、平滑電容器612和控制器614。第一開關(guān)602稱接在AC輸入的一個(gè)端子與電感器610的第一端子之間；第二開關(guān)604耦接在電感器610的第一端子與AC輸入的相反極性端子之間；第三開關(guān)606耦接在AC輸入和電感器610的第二端子之間；并且第四開關(guān)608耦接在電感器610的第二端子與正DC輸出端子之間?？刂破?14根據(jù)與DC輸出電壓比較的瞬時(shí)AC輸入電壓Vin生成用于控制第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608的切換的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且選擇性地調(diào)制第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608切換的占空比，從而Vout的DC輸出電壓保持在想要的電平，如下面更詳細(xì)地描述的。AC/DC轉(zhuǎn)換器600的組件包括離散器件、一個(gè)或多個(gè)集成電路(IC)芯片或離散器件與IC芯片的組合。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制器614和第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608集成在根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造處理制造的單個(gè)IC芯片中，其中，第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)。在另一實(shí)施方式中，第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608形成在第一 IC芯片中并且控制器形成在第二 IC芯片中。而第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604,606和608包括剛剛描述的示例性實(shí)施方式中的硅基M0SFET，也可以使用其它類型的切換裝置，例如傳統(tǒng)的開 關(guān)、二極管、繼電器或其它半導(dǎo)體基或非半導(dǎo)體基開關(guān)裝置。例如，在要求快速切換速度的應(yīng)用中，可以使用例如高電子遷移率晶體管(HEMT)或異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT),并且可以用于實(shí)施第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608來代替娃基MOSFET0為了本公開的目的，以最寬泛的意義使用術(shù)語“開關(guān)”來包括所有三種類型的開關(guān)并且可以具有適合的切換裝置。電感器610和電容器612也可以集成在一個(gè)或多個(gè)IC芯片中，或者這些器件中的一個(gè)或兩者可以是耦合到一個(gè)或多個(gè)IC芯片的外部針腳。AC/DC轉(zhuǎn)換器600用于將例如可以由AC電源提供的AC輸入電壓Vin直接轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout，而無需二極管橋或降壓變壓器。通過使用控制器614控制和調(diào)節(jié)第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608的接通/關(guān)斷狀態(tài)來實(shí)線該直接轉(zhuǎn)換。更具體地，根據(jù)與DC輸出電壓Vout相比的瞬時(shí)AC輸入電壓Vin，通過利用占空比D的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)或者利用占空比(1-D)的互補(bǔ)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)來接通(閉合)、關(guān)斷(斷開)開關(guān)。開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(在圖6中標(biāo)記為“D”)和互補(bǔ)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(在圖6中標(biāo)記為“1-D”)是周期性的(或半周期性的)，并且具有共同的固定的切換頻率f=l/T，其中，T是切換周期。如圖7中的信號(hào)圖中所示并且如圖8中的切換表中所示，當(dāng)Vin > Vout時(shí)，第一開關(guān)602由占空比tM/T=D的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，第二開關(guān)604由占空比(T-tJ/T=(1-D)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，第三開關(guān)606關(guān)斷，并且第四開關(guān)608接通。當(dāng)Vin < -Vout時(shí)，第一開關(guān)602關(guān)斷，第二開關(guān)604接通，第三開關(guān)606由占空比D的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，并且第四開關(guān)由占空比(1-D)的互補(bǔ)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。最終，當(dāng)Vin大于-Vout但是小于Vout時(shí)，即，當(dāng)|Vin|< Vout時(shí)，第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608被關(guān)斷。AC/DC轉(zhuǎn)換器600的DC輸出電壓等于D I Vin |，其中|Vin|是瞬時(shí)AC輸入電壓的絕對(duì)值。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，控制器614對(duì)占空比D進(jìn)行調(diào)制，對(duì)DC輸出電壓Vout進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使其保持在恒定水平。在這里描述的示例性實(shí)施方式中，也可以對(duì)占空比D進(jìn)行管理以改進(jìn)AC/DC轉(zhuǎn)換器600的功率因數(shù)。而對(duì)D進(jìn)行調(diào)制以將DC輸出電壓Vout保持在恒定電平，一般來說，Vout、D和Vin都是變量。因此，不必將Vout保持在恒定水平。
通過理解AC/DC轉(zhuǎn)換器600包括集成的(即，結(jié)合的)降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓轉(zhuǎn)換器能夠使得Vout=D I Vin I更明顯。在Vin > Vout的AC輸入波形的正半周期間,第三開關(guān)606關(guān)斷，第四開關(guān)608接通，并且AC/DC轉(zhuǎn)換器600降低并且用作降壓轉(zhuǎn)換器600A，如圖9中所示，第一和第二開關(guān)602和604用作降壓轉(zhuǎn)換器的高側(cè)和底側(cè)開關(guān)并且分別由占空比D的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和占空比(1-D)的互補(bǔ)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)。因此，第一和第二開關(guān)602和604將電感器610在Vin > Vout的AC輸入電壓的正半周期間交替地配置為存儲(chǔ)能量和提供電流，并且DC輸出電壓Vout=Dvin。在Vin < -Vout的AC輸入波形的負(fù)半周期間，開關(guān)604接通，并且AC/DC轉(zhuǎn)換器600降低并且用作所謂的“反相”降壓轉(zhuǎn)換器600B，如圖10中所示。第三和第四開關(guān)606和608分別由開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)D和互補(bǔ)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(1-D)驅(qū)動(dòng)。反相降壓轉(zhuǎn)換器600B反轉(zhuǎn)負(fù)輸入電壓Vin，由第三和第四開關(guān)606和608交替地將電感器610在Vin < -Vout的AC輸入電壓的負(fù)半周期間交替地配置為存儲(chǔ)能量和提供電流，以產(chǎn)生等于DlVinI的輸出電壓Vout0因此，考慮正和負(fù)半周，AC/DC轉(zhuǎn)換器600產(chǎn)生DC輸出電壓Vout=D | Vin |。AC/DC轉(zhuǎn)換器600的控制器614包括比較電路，其連續(xù)地比較AC輸入電壓Vin與DC輸出電壓Vout以確定是否Vin > Vout或Vin <-Vout。圖11是執(zhí)行該任務(wù)的示例性比較電路1100的圖。比較電路1100包括第一和第二比較器1102和1104、反相放大器1106、第一分壓器(包括電阻器1108和1·110)和第二分壓器(包括電阻器1112和1114)。第一分壓器將AC輸入電壓按比例減小為按比例減小的AC輸入電壓a Vin,從而該電壓處于第一比較器1102的可接受的輸入電壓范圍限制內(nèi)。第二分壓器將DC輸出電壓以相同的量按比例減小以產(chǎn)生按比例減小的DC輸出電壓aVout。第一比較器1102比較按比例減小的AC輸入電壓a Vin和按比例減小的DC輸出電壓a Vout,當(dāng)Vin > Vout時(shí)產(chǎn)生高輸出電壓并且當(dāng)Vin < Vout時(shí)產(chǎn)生低輸出電壓。反相放大器1106反轉(zhuǎn)按比例減小的DC輸出電壓a Vout以產(chǎn)生按比例減小的反轉(zhuǎn)的DC輸出電壓-a Vout。第二比較器1104比較按比例減小的反轉(zhuǎn)的DC輸出電壓-a Vout和按比例減小的AC輸入電壓a Vin,當(dāng)Vin < -Vout時(shí)產(chǎn)生高輸出電壓，并且當(dāng)Vin > -Vout時(shí)產(chǎn)生低輸出電壓。AC/DC轉(zhuǎn)換器600的控制器614還包括圖12中所示的開關(guān)控制電路1200，其控制第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608的切換。開關(guān)控制電路1200包括誤差放大器1202、脈寬調(diào)制器(PWM) 1204和具有控制第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608的切換的接通/關(guān)閉狀態(tài)的開關(guān)1206-1216。誤差放大器1202比較DC輸出電壓Vout和等于并且限定想要的DC輸出電壓Vout的精確的基準(zhǔn)電壓Vref以基于Vref和Vout之間的差產(chǎn)生誤差信號(hào)ε。PWM1204基于該誤差信號(hào)ε產(chǎn)生上述開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(在圖12中標(biāo)記為“D”)和互補(bǔ)開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(在圖12中標(biāo)記為“1-D”)，并且對(duì)D進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而為開關(guān)控制電路1200提供調(diào)節(jié)DC輸出電壓Vout的能力。通過圖11中的比較器電路1100的第一和第二比較器1102和1104的輸出來控制開關(guān)1206-1216，并且根據(jù)圖8中的切換表來控制第一、第二、第三和第四開關(guān)602、604、606和608的切換狀態(tài)。在上述示例性實(shí)施方式中，開關(guān)控制電路1200被描述為根據(jù)圖8中的切換表來控制開關(guān)606、604、606和608的斷開和閉合。在另一不例性實(shí)施方式中，控制器614替選地或進(jìn)一步配置為在輕負(fù)載狀態(tài)下將開關(guān)608保持為斷開。(輕負(fù)載狀態(tài)依賴于應(yīng)用并且在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行設(shè)置)。剩余的開關(guān)602、604和606被配置為根據(jù)圖8中的切換表進(jìn)行操作，或者被配置為不全部切換，對(duì)負(fù)載616沒有影響。因此，在輕負(fù)載狀態(tài)下，電容器612用作用于負(fù)載616的電源。雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，但是僅借助于示例示出了這些實(shí)施方式并且不是限制性的。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不偏離本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍的情況下，能夠?qū)κ纠詫?shí)施方式進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種改變。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)受到示例性實(shí)施方式的細(xì)節(jié)的限制。相反地，本發(fā)明的范圍應(yīng)該由包括權(quán)利要求的等價(jià)物的全部范圍的所附 權(quán)利要求來確定。
權(quán)利要求
1.一種用于將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的AC/DC轉(zhuǎn)換器，所述AC/DC轉(zhuǎn)換器包括: 電感器； 第一開關(guān)和第二開關(guān)，在Vin > Vout的AC輸入電壓的正半周期間，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)將所述電感器交替地配置為存儲(chǔ)能量和提供電流； 第三開關(guān)和第四開關(guān)，在Vin <-Vout的AC輸入電壓的負(fù)半周期間，所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)將所述電感器交替地配置為存儲(chǔ)能量和提供電流；以及 控制器，所述控制器被構(gòu)造為控制所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)、所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器包括比較電路，所述比較電路被構(gòu)造為比較AC輸入電壓Vin和DC輸出電壓Vout。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器進(jìn)一步包括開關(guān)控制電路，所述開關(guān)控制電路根據(jù)AC輸入電壓Vin與DC輸出電壓Vout的比較控制所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)、所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的切換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器包括開關(guān)控制電路，所述開關(guān)控制電路根據(jù)與DC輸出電壓Vout比較的AC輸入電壓Vin控制所述第一開關(guān)、所述第二開關(guān)、所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的切換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，在Vin> Vout的AC輸入電壓的正半周期間，所述控制器被構(gòu)造為以頻率f和占空比D切換所述第一開關(guān)的接通和關(guān)斷，并且被構(gòu)造為以頻率f和占空比( 1-D)切換所述第二開關(guān)的接通和關(guān)斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，在Vin< -Vout的AC輸入電壓的負(fù)半周期間，所述控制器被構(gòu)造為以頻率f和占空比D切換所述第三開關(guān)的接通和關(guān)斷，并且被構(gòu)造為以頻率f和占空比(1-D)切換所述第四開關(guān)的接通和關(guān)斷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器包括脈寬調(diào)制器，所述脈寬調(diào)制器被構(gòu)造為調(diào)制D和調(diào)節(jié)DC輸出電壓Vout。
8.一種用于將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的AC/DC轉(zhuǎn)換器，所述AC/DC轉(zhuǎn)換器包括: 電感器； 電容器，所述電容器選擇性地耦合到所述電感器； 多個(gè)開關(guān)；以及 控制器，所述控制器將所述多個(gè)開關(guān)、所述電感器和所述電容器配置為在Vin >Vout期間用作降壓轉(zhuǎn)換器，并且將所述多個(gè)開關(guān)、所述電感器和所述電容器配置為在Vin< -Vout期間用作反相降壓轉(zhuǎn)換器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述多個(gè)開關(guān)包括第一開關(guān)和第二開關(guān)，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)在Vin > Vout期間用作降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)晶體管。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述多個(gè)開關(guān)進(jìn)一步包括第三開關(guān)和第四開關(guān)，所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)在Vin < -Vout期間用作反相降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)晶體管。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器被構(gòu)造為:在Vin > Vout期間，以公共頻率f并且分別以占空比D和占空比(1-D)切換所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的接通和關(guān)斷；以及 在Vin < -Vout期間，以公共頻率f并且分別以占空比D和占空比(1-D)切換所述第三開關(guān)和所述第四開關(guān)的接通和關(guān)斷。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器包括脈寬調(diào)制器，所述脈寬調(diào)制器被構(gòu)造為通過調(diào)制第一開關(guān)和第三開關(guān)的占空比D并且通過調(diào)制第二和第四開關(guān)的占空比(1-D)來調(diào)節(jié)DC輸出電壓。
13.—種將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的方法,所述方法包括: 使用降壓轉(zhuǎn)換器將正半周期間的AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout ；以及 使用反相降壓轉(zhuǎn)換器將負(fù)半周期間的AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，通過調(diào)制所述降壓轉(zhuǎn)換器和所述反相降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)的占空比來執(zhí)行在正半周和負(fù)半周期間將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，使用降壓轉(zhuǎn)換器將正半周的AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的步驟包括: 確定Vin > Vout的時(shí)間；以及 在確定了 Vin > Vout的時(shí)間，將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，使用反相降壓轉(zhuǎn)換器將負(fù)半周的AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的步驟包括: 確定Vin < -Vout的時(shí)間；以及 在確定了 Vin < -Vout的時(shí)間，將AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，降壓轉(zhuǎn)換器和反相降壓轉(zhuǎn)換器包括共享公共電感器的結(jié)合的降壓和反相降壓轉(zhuǎn)換器電路。
18.一種用于將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的AC/DC轉(zhuǎn)換器，所述AC/DC轉(zhuǎn)換器包括: 用于確定Vin > Vout的時(shí)間以及Vin < -Vout的時(shí)間的裝置； 第一轉(zhuǎn)換裝置，所述第一轉(zhuǎn)換裝置用于在Vin > Vout期間將正半周期間的AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout ；以及 第二轉(zhuǎn)換裝置，所述第二轉(zhuǎn)換裝置用于在Vin < -Vout期間將負(fù)半周期間的AC輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，所述AC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括用于控制所述第一轉(zhuǎn)換裝置和所述第二轉(zhuǎn)換裝置的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中: 所述第一轉(zhuǎn)換裝置包括第一切換裝置； 所述第二轉(zhuǎn)換裝置包括第二切換裝置；以及 所述控制器被構(gòu)造為控制所述第一切換裝置和所述第二切換裝置以將DC輸出電壓Vout保持在恒定電平。
21.一種用于將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的AC/DC轉(zhuǎn)換器，所述AC/DC轉(zhuǎn)換器包括:電感器； 電容器；以及 多個(gè)開關(guān)，所述多個(gè)開關(guān)被構(gòu)造為將所述電容器與所述電感器選擇性地耦接和解除耦接，以將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述AC/DC轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造為在不使用橋式整流器的情況下將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述AC/DC轉(zhuǎn)換器被構(gòu)造為在不使用降壓變壓器的情況下將AC輸入電壓降壓到DC輸出電壓Vout。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述電感器、電容器和所述多個(gè)開關(guān)中的開關(guān)被構(gòu)造為在Vin > Vout期間用作降壓轉(zhuǎn)換器。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述電感器、電容器和所述多個(gè)開關(guān)中的開關(guān)被構(gòu)造為在Vin < -Vout期間用作反相降壓轉(zhuǎn)換器。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的AC/DC轉(zhuǎn)換器，其中，所述多個(gè)開關(guān)中的一個(gè)或更多個(gè)開關(guān)被構(gòu)造為在輕負(fù)載狀況期間將所述電容器與所述電感器隔離，從而允許所述電容器在所述輕負(fù)載狀況期間用作 用于負(fù)載的電源 。
全文摘要
一種將AC輸入電壓Vin轉(zhuǎn)換為DC輸出電壓Vout的AC/DC轉(zhuǎn)換器包括電感器、選擇性地耦接到電感器的電容器、多個(gè)開關(guān)和控制器?？刂破鲗⒍鄠€(gè)開關(guān)、電感器和電容器配置為在Vin＞Vout期間用作降壓轉(zhuǎn)換器，并且在Vin＜-Vout期間用作反相降壓轉(zhuǎn)換器?？刂破髡{(diào)制多個(gè)開關(guān)的占空比以將DC輸出電壓Vout調(diào)節(jié)到想要的恒定輸出電平。
文檔編號(hào)H02M3/156GK103229401SQ201180045955
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2011年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者E·W·小麥克卡尼 申請(qǐng)人:E·W·小麥克卡尼