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HK1041119A1 - Power converter - Google Patents

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HK1041119A1
HK1041119A1 HK02102709A HK02102709A HK1041119A1 HK 1041119 A1 HK1041119 A1 HK 1041119A1 HK 02102709 A HK02102709 A HK 02102709A HK 02102709 A HK02102709 A HK 02102709A HK 1041119 A1 HK1041119 A1 HK 1041119A1
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HK
Hong Kong
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switch
voltage
coupled
inductor
winding
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HK02102709A
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English (en)
French (fr)
Chinese (zh)
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HK1041119B (en
Inventor
Franki Ngai Kit Poon
Bryan Man Hay Pong
Joe Chui Pong Liu
Original Assignee
香港大学
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/10—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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  • Power Engineering (AREA)
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Claims (25)

  1. Leistungswandler mit:
    einem Eingang (101,102) zum Empfangen von Eingangsleistung;
    einem Ausgang zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsleistung;
    einer variablen Induktivitätseinrichtung (130, 540), die zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeschlossen ist, wobei die variable Induktivitätseinrichtung (130, 540) einen Zustand mit höherer Induktivität und einen Zustand mit niedrigerer Induktivität aufweist, wobei die variable Induktivitätseinrichtung steuerbar ist, so dass zwischen dem Zustand mit höherer Induktivität und dem Zustand mit niedrigerer Induktivität umgeschaltet werden kann; und
    einer Steuerschaltung (120, 520) die ausgebildet ist, eine Spannung an dem Ausgang zu erfassen;
    dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung ausgebildet ist, der variablen Induktivitätseinrichtung anzuzeigen:
    in den Zustand mit niedrigerer Induktivität zu schalten, wenn die Spannung an dem Ausgang unter einen ersten Spannungspegel (V11) fällt,
    in den Zustand mit höherer Induktivität zu schalten, wenn die Spannung an dem Ausgang über einen zweiten Spannungspegel (V12) ansteigt, der höher als der erste Spannungspegel (V11) ist,
    in den Zustand mit niedrigerer Induktivität zu schalten, wenn die Spannung an dem Ausgang über einen dritten Spannungspegel (V13) ansteigt, und
    in den Zustand mit höherer Induktivität zu schalten, wenn die Spannung an dem Ausgang unter einen vierten Spannungspegel (V14) fällt, der tiefer liegt als der dritte Spannungspegel (V13), wobei der vierte Spannungspegel (V14) höher ist als der zweite Spannungspegel (V12).
  2. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die variable Induktivitätseinrichtung (130) eine feste Induktivitätskomponente (L101) und eine variable Induktivitätskomponente (140) aufweist, wobei die variable Induktivitätskomponente (140) mit der festen lnduktivitätskomponente (L101) in Reihe geschaltet ist, und wobei die variable Induktivitätskomponente (140) einen Transformator (T101) mit mehreren Wicklungen (W101, W102, W103) aufweist.
  3. Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei der Transformator (T101) drei Wicklungen (W101, W102, W103) aufweist.
  4. Leistungswandler nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine erste Wicklung (W101) des Transformators (T101) mit der festen lnduktivitätskomponente (L101) in Reihe geschaltet ist.
  5. Leistungswandler nach Anspruch 4, der ferner eine Hiffsleistungsquelle (Vi101) aufweist, die mit einer zweiten Wicklung (W102) des Transformators (T101) und einem ersten Schalter (S104) in Reihe geschaltet ist.
  6. Leistungswandler nach Anspruch 5, wobei die Hilfsleistungsquelle (Vi101) mit einer dritten Wicklung (W103) des Transformators (T101) und einem zweiten Schalter (S103) in Reihe geschaltet ist.
  7. Leistungswandler nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Hilfsleistungsquelle (Vi101) mit der Eingangsleistungsquelle verbunden ist.
  8. Leistungswandler nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Hilfsleistungsquelle (Vi101) mit dem Ausgang gekoppelt ist.
  9. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die variable Induktivitätseinrichtung (540) umfasst:
    ein Element mit niedrigerer Induktivität (L501);
    einen Schalter (S503), der mit dem Element mit niedrigerer Induktivität (L501) in Reihe geschaltet ist, wodurch eine Reihenschaltung (S503, L501) eines Schalters und dem Element mit niedrigerer Induktivität gebildet ist; und
    ein Element mit höherer Induktivität (L502), das parallel zu der Reihenschaltung aus dem Schalter und dem Element mit niedrigerer Induktivität (S503, L501) geschaltet ist;
    wobei der Schalter (S503) ausgebildet ist, die variable Induktivitätseinrichtung (540) von dem Zustand mit niedrigerer Induktivität in den Zustand mit höherer Induktivität und umgekehrt zu schalten.
  10. Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerschaltung (120, 520) einen ersten Komparator (8102, B502) aufweist, wobei der erste Komparator ausgebildet ist, die Spannung an dem Ausgang zu erfassen und der variablen Induktivitätseinrichtung (130, 540) anzuzeigen, von dem Zustand mit höherer Induktivität in den Zustand mit niedrigerer Induktivität in Reaktion auf die erfasste Ausgangsspannung zu schalten.
  11. Leistungswandler nach Anspruch 10, wobei die Steuerschaltung (120, 520) ferner einen zweiten Komparator (B103, 8503) aufweist, wobei der zweite Komparator ausgebildet ist, eine Spannung an dem Ausgang zu erfassen und der variablen Induktivitätseinrichtung (130, 540) anzuzeigen, von dem Zustand mit niedrigerer Induktivität in den Zustand mit höherer Induktivität in Reaktion auf die erfasste Ausgangsspannung zu schalten.
  12. Leistungswandler nach Anspruch 11, der ferner eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (506) aufweist, die mit dem Schalter (S503) verbunden ist, wobei die Pulsbreitenmodulationssteuerung (506) ausgebildet ist, dem Schalter (S503) anzuzeigen, die variable Induktivitätseinrichtung (540) von dem Zustand mit niedrigerer Induktivität in den Zustand mit höherer Induktivität und umgekehrt zu schalten.
  13. Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der ferner umfasst:
    eine Schaltereinrichtung (M101, M102), die mit der variablen Induktivitätseinrichtung (130) verbunden ist, wobei die Schaltereinrichtung einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, wobei die Schaltereinrichtung ausgebildet ist, ein Zuführen von Eingangsleistung zu der variablen Induktivitätseinrichtung zu ermöglichen, wenn sie in dem ersten Zustand ist, und wobei die Schaltereinrichtung ausgebildet ist, das Zuführen von Eingangsleistung zu der variablen Induktivitätseinrichtung zu unterbinden, wenn sie in dem zweiten Zustand ist; und
    eine Pulsbreitenmodulationssteuerung (106), die mit der Schaltereinrichtung (M101, M102) verbunden ist, wobei die Pulsbreitenmodulationssteuerung (106) ausgebildet, der Schaltereinrichtung anzuzeigen, von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt umzuschalten.
  14. Leistungswandler nach Anspruch 13, der ferner eine Einrichtung (IC403, IC404) umfasst, die ausgebildet ist, der variablen induktivitätseinrichtung (130, 430) anzuzeigen, von dem Zustand mit höherer Induktivität in den Zustand mit niedrigerer Induktivität umzuschalten, wenn die Schaltereinrichtung (M401, M402) sich in dem ersten Zustand befindet, wobei die Einrichtung (IC403, IC404) ferner ausgebildet ist, der variablen Induktivitätseinrichtung anzuzeigen, von dem Zustand mit niedrigerer Induktivität in den Zustand mit höherer Induktivität umzuschalten, wenn sich die Schaltereinrichtung (M401, M402) in dem zweiten Zustand befindet.
  15. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die variable Induktivitätseinrichtung (130) umfasst:
    ein erstes induktives Element (L101);
    einen ersten Transformator (T101) mit mehreren Wicklungen (W101, W102, W103), die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei der Transformator (T101) eine erste Wicklung (W101), die mit dem ersten induktiven Element (L101) gekoppelt ist, eine zweite Wicklung (W103) und eine dritte Wicklung (W103) aufweist;
    eine Spannungsquelle (Vi101);
    einen ersten Schalter (S104), der mit der zweiten Wicklung (W102) gekoppelt und ausgebildet ist, Spannung von der Spannungsquelle (Vi101) zu der zweiten Wicklung (W102) zu führen;
    einen zweiten Schalter (S103), der mit der dritten Wicklung (W103) gekoppelt und ausgebildet ist, Spannung von der Spannungsquelle (Vi101) zu der dritten Wicklung (W103) zu führen;
    wobei die Steuerschaltung (120) umfasst:
    eine erste Steuerschaltung (B102), die ausgebildet ist, den ersten Schalter (S104) zu veranlassen, die Spannung von der Spannungsquelle (Vi101) zu der zweiten Wicklung (W102) zu führen;
    eine zweite Steuerschaltung (B103), die ausgebildet ist, den zweiten Schalter (S103) zu veranlassen, die Spannung von der Spannungsquelle (Vi101) zu der dritten Wicklung (W103) zu führen; und
    wobei der Leistungswandler ferner umfasst:
    einen ersten Knotenpunkt, der Schaltspannungspulse bereitstellt;
    eine Einheit, die das erste induktive Element (L101) und den ersten Transformator (T101) umfasst und die mit dem ersten Knoten, der die Schaltspannungspulse bereitstellt, gekoppelt ist;
    einen Ausgangskondensator (C101), der mit der Einheit und einem Rückführknoten des Wandlers verbunden ist;
    Ausgangsanschlüsse, die mit dem Ausgangskondensator (C101) zum Anschluss einer Last (107) verbunden sind; und
    einer Überspannungsschutzschaltung, die ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Schalter (S104, S103) vor einer Beaufschlagung mit Überspannungen zu schützen.
  16. Leistungswandler nach Anspruch 15, der ferner eine Einrichtung (B101, B102, B103) zum Überwachen der Wandleriastspannung an den Ausgangsanschlüssen aufweist; und wobei die erste Steuerschaltung (B102) ausgebildet ist, den ersten Schalter (S104) zu veranlassen, die Spannung von der Spannungsquelle (Vi101) zu der zweiten Wicklung (W102) zu führen, wenn die Lastspannung unter den ersten Spannungspegel abfällt, wobei die erste Steuerschaltung (B102) ausgebildet ist, den ersten Schalter (S104) zu veranlassen, die Spannungsquelle (Vi101) von der zweiten Wicklung (W102) zu trennen, wenn die Lastspannung über den zweiten Spannungspegel ansteigt; und wobei die zweite Steuerschaltung (B103) ausgebildet ist, den zweiten Schalter (S103) zu veranlassen, die Spannungsquelle (Vi101) mit der dritten Wicklung (W103) zu verbinden, wenn die Lastspannung über den dritten Spannungspegel steigt, wobei die zweite Steuerschaltung (B103) ferner ausgebildet ist, den zweiten Schalter (S103) zu veranlassen, die Spannungsquelle (Vi101) von der dritten Wicklung (W103) zu trennen, wenn die Lastspannung unter den vierten Spannungspegel abfällt.
  17. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die variable Induktivitätseinrichtung (230) umfasst:
    ein erstes induktives Element (L201);
    einen ersten Transformator (T201) mit mehreren Wicklungen, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei die Wicklungen eine erste Wicklung (W201), die mit dem ersten induktiven Element (L201) gekoppelt ist, eine zweite Wicklung (W202) und eine dritte Wicklung (W203) aufweisen;
    einen ersten Schalter (S204), der mit der zweiten Wicklung (W202) verbunden ist;
    einen zweiten Schalter (S203), der mit der dritten Wicklung (W203) verbunden ist;
    wobei der Leistungswandler ferner umfasst:
    ein Paar an Eingangsanschlüssen (201, 202) zum Anschluss einer Gleichspannungsquelle, wobei der erste der Anschlüsse ein positiver Anschluss und der zweite der Anschlüsse ein negativer Anschluss ist;
    einen ersten Knotenpunkt, der Schaltspannungspulse bereitstellt;
    eine Einheit, die das erste induktive Element (L201) und den ersten Transformator (T201) enthält und die mit dem ersten Knotenpunkt, der die Schaltspannungspulse liefert, verbunden ist;
    einen Ausgangskondensator (C201), der mit der Einheit und einem Rückführknoten des Wandlers verbunden ist;
    ein Paar an Ausgangsanschlüssen, wobei der erste der Ausgangsanschlüsse ein positiver Anschluss und der zweite der Ausgangsanschlüsse ein negativer Anschluss ist und wobei diese mit dem Ausgangskondensator (C201) zum Bereitstellen eines Verbindungspunktes für eine Last (207) verbunden sind;
    eine Überspannungsschutzschaltung, die ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Schalter (S204, S203) vor Beaufschlagung mit Überspannungen zu schützen; und
    wobei die Steuerschaltung (220) umfasst:
    eine erste Steuerschaltung (B202), die ausgebildet ist, den ersten Schalter (S204) zu veranlassen, die zweite Wicklung (202) mit dem Ausgangskondensator (C201) zu verbinden; und
    eine zweite Steuerschaltung (B203), die ausgebildet ist, den zweiten Schalter (S203) zu veranlassen, die dritte Wicklung (W203) mit dem Ausgangskondensator (C201) zu verbinden.
  18. Der Leistungswandler nach Anspruch 17, wobei die Überspannungsschutzschaltung umfasst:
    eine erste Diode (D304), deren Kathode mit dem positiven Eingangsanschluss (301) und deren Anode mit dem Knotenpunkt verbunden ist, der die zweite Wicklung (W302) mit dem ersten Schalter (S304) verbindet; und
    eine zweite Diode (D303), deren Kathode mit dem positiven Eingangsanschluss (301) und deren Anode mit einem Knotenpunkt verbunden ist, der die dritte Wicklung (W303) mit dem zweiten Schalter (S303) verbindet.
  19. Leistungswandler nach Anspruch 17, wobei die Überspannungsschutzschaltung umfasst:
    eine erste Diode (D404), deren Anode mit einem Knotenpunkt verbunden ist, der das erste induktive Element (L401) mit der ersten Transformatorvvicklung (W401) verbindet, und deren Kathode mit dem positiven Einganganschluss (402) verbunden ist; und
    eine zweite Diode (D403), deren Anode mit dem negativen Eingangsanschluss (401) und deren Kathode mit einem Knoten verbunden ist, der die zweite Wicklung (W402) mit der dritten Wicklung (W403) verbindet.
  20. Leistungswandler nach einem der Ansprüche 17 bis 19, der ferner eine Einrichtung (8201, B202, 8203) zum Überwachen der Wandlerlastspannung an den Ausgangsanschlüssen aufweist; und wobei die erste Steuerschaltung (B202) ausgebildet ist, den ersten Schalter (S204) zu veranlassen, die zweite Wicklung (W202) mit dem Ausgangskondensator (C201) zu verbinden, wenn die Lastspannung unter den ersten Spannungspegel abfällt, wobei die erste Steuerschaltung (B202) ferner ausgebildet ist, den ersten Schalter (S204) zu veranlassen, die zweite Wicklung (W202) von dem Ausgangskondensator (C201) zu trennen, wenn die Lastspannung über den zweiten Spannungspegel steigt; und wobei die zweite Steuerschaltung (B203) ausgebildet ist, den zweiten Schalter (S203) zu veranlassen, die dritte Wicklung (W203) mit dem Ausgangskondensator (C201) zu verbinden, wenn die Lastspannung über den dritten Spannungspegel steigt, wobei die zweite Steuerschaltung (B203) ferner ausgebildet ist, den zweiten Schalter (S203) zu veranlassen, die dritte Wicklung (W203) von dem Ausgangskondensator (C201) zu trennen, wenn die Lastspannung unter den vierten Spannungspegel fällt.
  21. Leistungswandler nach Anspruch 20, der ferner umfasst:
    eine erste Einrichtung (IC404) zum Schalten des ersten Schalters (S404) in einen Ein-Zustand nur dann, wenn eine hohe Pulsspannung an das erste induktive Element (L401) angelegt wird;
    eine zweite Einrichtung (IC403) zum Schalten des zweiten Schalters (S403) in einen Ein-Zustand nur dann, wenn eine geringe Pulsspannung an das erste induktive Element (L401) angelegt wird.
  22. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die variable Induktivitätseinrichtung (540) umfasst:
    ein erstes induktives Element (L502), das mit einem ersten Knotenpunkt verbunden ist, der Schaltspannungspulse mit einem hohen Spannungspegel und einem niedrigen Spannungspegel liefert;
    ein zweites induktives Element (501), das mit einem ersten Reihenschalter (S503) in Reihe geschaltet ist, wodurch eine Kombination aus induktivem Element und Reihenschalter gebildet wird, wobei die Kombination parallel zu dem ersten induktiven Element (L502) angeordnet ist;
    wobei die Steuerschaltung (520) ausgebildet ist, den ersten Reihenschalter (S503) zu veranlassen, das zweite induktive Element (L501) in Reihe zu dem ersten induktiven Element (L502) zu schalten; wobei der Leistungswandler ferner umfasst:
    ein Paar an Eingangsanschlüssen (501, 502) zur Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle, wobei der erste der Anschlüsse ein positiver Anschluss und zweite der Anschlüsse ein negativer Anschluss ist;
    eine erste Diode, deren Kathode mit dem positiven Eingangsanschluss und deren Anode mit einem Knotenpunkt verbunden ist, der das zweite induktive Element (L501) mit dem ersten Reihenschalter (S503) verbindet;
    eine zweite Diode, deren Anode mit dem negativen Eingangsanschluss und deren Kathode mit einem Knotenpunkt verbunden ist, der das zweite induktive Element (L501) mit dem ersten Reihenschalter (S503) verbindet;
    einen Ausgangskondensator (C501), der mit dem ersten induktiven Element (L502) und einem Rückführknotenpunkt des Wandlers verbunden ist;
    einem Paar an Ausgangsanschlüssen, die mit dem Ausgangskondensator (C501) zum Bereitstellen eines Anschlusspunktes für eine Last (507) verbunden sind; und
    eine Überspannungsschutzschaltung, die ausgebildet ist, den ersten Schalter vor einer Beaufschlagung mit einer Überspannung zu schützen.
  23. Leistungswandler nach Anspruch 22, der ferner eine Einrichtung (B501, B502, B503) zum Überwachen der Wandlerlastspannung an den Ausgangsanschlüssen aufweist; und wobei die Steuerschaltung (525) ausgebildet ist, den ersten Reihenschalter (S503) zu veranlassen, das zweite induktive Element (L501) parallel zu dem ersten induktiven Element (L502) zu schalten, wenn die Lastspannung unter den ersten Spannungspegel fällt, wobei die Steuerschaltung (525) ferner ausgebildet ist, den ersten Reihenschalter (S503) zu veranlassen, das zweite induktive Element (L501) von dem ersten induktiven Element (L502) zu trennen, wenn die Lastspannung über den zweiten Spannungsspiegel steigt; wobei die Steuerschaltung (525) ferner ausgebildet ist, den ersten Reihenschalter (S503) zu veranlassen, das zweite induktive Element (L501) parallel mit dem ersten induktiven Element (L502) zu verbinden, wenn die Lastspannung über den dritten Spannungspegel steigt, wobei die Steuerschaltung (525) ferner ausgebildet ist, den ersten Reihenschalter (S503) zu veranlassen, das zweite induktive Element (L501) von dem ersten induktiven Element (L502) zu trennen, wenn die Lastspannung unter den vierten Spannungspegel sinkt.
  24. Leistungswandler nach Anspruch 23, der ferner umfasst:
    eine erste Einrichtung (IC504) zum Schalten des ersten Reihenschalters (S503) in einen Ein-Zustand nur dann, wenn eine hohe Pulsspannung an das erste induktive Element (L502) angelegt wird; und
    eine zweite Einrichtung (IC503) zum Schalten des Reihenschalters (S503) in einen AusZustand nur dann, wenn eine geringe Pulsspannung an das erste induktive Element (L502) angelegt wird.
  25. Vorrichtung mit einem Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 24 und einer elektrischen Last, die mit dem Ausgang gekoppelt ist, um die geregelte Ausgangsleistung zu empfangen.
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