具有可配置输入的高压电源转换器的制造方法
【专利说明】具有可配置输入的高压电源转换器
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年8月7日递交的第62/034，602号美国临时申请的权益。上述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及高压电源转换器。更具体地，本发明涉及具有可配置输入的单相或多相电源转换器，以适应宽范围的交流(AC)或直流(DC)电源输入。
【背景技术】
[0004]本章节提供了与本发明相关的背景信息，其不一定是现有技术。
[0005]以非常高的输出功率级(例如大于三千瓦(KW))运行的设备通常使用高压输入馈电，用于将取自AC通用电线的电流维持在实际水平上。根据应用和地理位置，通用电线通常具有230伏特(V)的三相输入或380V、400V、415V或480V的三相输入。某些应用也可以基于单相运行，但具有200V或更高的优选的高输入电压。
[0006]已知的高压电源转换器通常被设计为用于特定的输入电压并且不适应宽范围的输入电压。这导致多种产品设计和制造版本以适应世界各地所需要的许多不同的输入电压。对这些多种产品配置的需求增加了开发成本、增大了库存部件需求并且使确定成品的库存需求的计算复杂化。
[0007]而且，大多数三相功率因数校正拓扑最初被设计且开发为用于电机控制如下应用:其相对于接地端固有地具有不良的高频摆动电压节点。摆动节点引起不能接受的高共模噪音，从而使得难以在许多电流应用所要求的较高频率下运行。例如，大多数三相功率因数校正(PFC)拓扑(包括三相三开关三电平(Vienna)整流器)具有高压总线，该高压总线以切换频率的速度对地摆动。这种电压摆动是共模辐射的主要来源，这里，共模电流通过直流对直流(DC-DC)转换器的变压器的寄生电容得以接地。这使得控制电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)非常困难；最终需要减小摆动频率和/或使用体积大的EMI滤波器。
[0008]—些设计者更喜欢在具有电流分配机构的输出端使用并联连接的三个独立的单相AC-DC转换器。这种设计使用传统的单相PFC拓扑，其带来极佳的谐波抑制、高PFC以及稳定的DC链路总线。这种方法通过使用简单的、已验证过的设计块来减小设计的复杂性。然而，每个AC-DC转换器可能需要利用480V土 10%的AC输入馈电来运行，从而要求PFC升压型转换器带来800V的DC链路。使用已知的升压型PFC方法需要等级超过1000V的升压开关和二极管，这些升压开关和二极管与更常用的较低电压的开关和二极管相比是昂贵的。如果不使用昂贵的1000V的设备，则转换器的性能将受影响或者需要更复杂的使用600V高性能设备的转换器设计。另外，如果转换器需要适应230V的、三角形三相输入以及380V到480V的、三角形三相输入，则宽电压范围需求使该设计进一步复杂化。公知的是，大范围的升压使转换器的效率恶化并且显著地增加了电源转换器的制造成本。对于一些能够接受成本增加和功率代价的产品，采用这种宽电压范围的电源。例如，诸如手机或笔记本电脑的移动电子设备的用户可能环球旅行，从而要求该设备的充电器以及电源与世界范围的通用馈电相兼容。
[0009]—种已知的三相三角形输入电源使用三个独立的单相、隔离的电源，每个电源在输出端具有其自己的并联连接的PFC和DC-DC转换器块，并且每个电源部署了有源或无源的电流分配。如图1所示，一种已知的单相栏使用廉价的高性能600V设备并且产生升压到800V的DC链路总线。
[0010]如图1所示，PFC转换器100具有分开的DC链路，该分开的DC链路产生例如800V，每个电容器102、104分别分配400V。升压开关106、升压开关108通常通过适当的隔离驱动电路由相同的信号驱动。如果电感器110、电感器112不具有精确相等的电感值，则中心节点114的电压将从输入信号的中心点改变，但仍然处于固定基准。然而，这仅在两个开关106,108同时且同速地导通和断开的理想状况下才是可能的。两个开关两端的电压的上升和下降必须一致。实际上，由于开关的栅极阈值不同、驱动信号不平衡、布局寄生效应等，因此用于两个开关的驱动信号是不同的。因而，因为两个开关不同时以同步的方式导通和断开，所以中心节点114的电压以每个高频率切换周期进行摆动。摆动的程度取决于延时变化的程度以及两个开关的上升次数和下降次数的不同。共模EMI性能通常从单元到单元发生改变并且受到影响两个开关的栅极阈值的温度变化的影响。而且，这种配置不允许对110、112使用共芯电感器。另外，如果延时变化和切换次数大，则在两个串联的大容量电容器102、104上的电压将不同，从而需要特定的控制方案。电源转换器100还包括以116总体示出的EMI滤波器和以118总体示出的桥式整流器。
[0011]如图2所示，使用一对输入分相电容器来略微地改善图1的设计，以减少大容量电容器的摆动中心节点。
[0012]用于图2的电源转换器的控制方法实质上与以上关于图1所描述的相同。如果在106、108的切换之间存在短延时，则分相电容器202、分相电容器204使中心节点114保持处于固定的DC或低频水平。假定106的断开略早于108，则电感器110开始凭惯性前行通过二极管206、电容器102、开关108以及电感器112。因为108仍然导通，所以电感器112中的电流通过从电容器204获得电流而继续增大，直到108断开。由于对电容器208充电，因此在中心节点114处存在最小的摆动。当106在108之前导通时，产生类似的行为。获得来自202的电流以增大110中的电流。然而，如果存在切换次数的变化，则中心节点114的有效高频稳定性取决于202和204两端的电压的强度。电容器202、电容器204的值由所需要的PFC的电平决定。202、204的非常高的值使位移因数恶化；而低的值经受共模EMI问题。而且，由于由耦合扼流圈的泄漏电感与电容器202、电容器204引起的高频振铃，因此电源转换器200不允许对110、112使用共芯电感器。
【发明内容】
[0013]本章节提供了本发明的总体概述，但不是本发明的全部范围或所有特征的全面公开。
[0014]根据本发明的一方面，高压电源转换器具有用于接收交流(AC)输入的第一开关、第二开关和第三开关。控制功率因数校正(PFC)栏连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者。从属PFC栏连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者，用于提供与所述控制PFC栏的输出相比基本上相同的输出。所述控制PFC栏的输出和所述从属PFC栏的输出分别连接到输出级，并且所述输出级用于连接到负载。
[0015]根据本发明的另一方面，高压电源转换器具有第一开关、第二开关和第三开关。用于接收交流(AC)输入的控制功率级连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者。控制功率因数校正(PFC)转换器连接到所述控制功率级。控制直流到直流(DC-DC)转换器连接到所述控制PFC转换器。所述控制功率级、所述控制PFC转换器和所述控制DC-DC转换器共同形成控制PFC栏，其中，从所述控制PFC栏获取用于控制所述高压电源转换器的交流信号和直流反馈信号。用于接收AC输入的从属功率级连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者。从属PFC转换器连接到所述从属功率级。从属DC-DC转换器连接到所述从属PFC转换器。所述从属功率级、所述从属PFC转换器和所述从属DC-DC转换器共同形成从属PFC栏，用于提供与所述控制PFC栏的输出相比基本上相同的输出。所述控制DC-DC转换器的控制输出和所述从属DC-DC转换器的从属输出分别连接到输出级，并且所述输出级用于连接到负载。
[0016]根据本发明的另一方面，高压电源转换器具有用于接收电压输入的第一开关、第二开关和第三开关。控制电压栏连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者。从属电压栏连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者，用于提供与所述控制电压栏的输出相比基本上相同的输出。所述控制电压栏的输出和所述从属电压栏的输出分别连接到输出级，并且所述输出级用于连接到负载。
[0017]概念1、一种高压电源转换器，包括:
[0018]用于接收交流AC输入的第一开关、第二开关和第三开关；
[0019]控制功率因数校正PFC栏，所述控制PFC栏连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者；
[0020]从属PFC栏，所述从属PFC栏连接到所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关中的每一者，用于提供与所述控制PFC栏的输出相比基本上相同的输出；以及
[0021]其中，所述控制PFC栏的输出和所述从属PFC栏的输出分别连接到输出级，其中，所述输出级用于连接到负载。
[0022]概念2、根据概念1所述的高压电源转换器，其中，所述第一开关、