[发明专利]用于开关变换器的快速瞬态响应的阶跃电感器

说明书

发明领域

本发明涉及开关型电力变换器。

技术背景

开关变换器电路结构被广泛地用作为像在计算机中使用的电源一样的高效率和重量轻的电源中的主要结构单元。然而开关变换器的一个主要缺点是它对于一个快速负载变化的瞬态输出响应。因为大多数的开关电力变换器包括一个输出电感器，所以一个开关电力变换器的瞬态响应固有地被限制。例如，一个典型的补偿变换器包括一个具有多个开关和一个电感器-电容器滤波器的电源级和一个反馈电路。反馈电路监视变换器的输出电压并且对开关进行脉冲宽度调制控制。当有一个快速动态负载变化时，由反馈电路和电源级限制了变换器的响应能力。通过传统的线性或非线性方法能够设计反馈电路的响应更快。然而由电源级和特别是输出电感器限制了变换器的原有响应。

一些人已经尝试利用具有一个小电感值的电感器来改进电力变换器的动态响应。因为当使用一个小的电感器时电流流动能够迅速地变化，所以该方法增加了电力变换器的动态响应。然而该方法的缺点在于使用一个小的电感器导致了在正常操作期间的一个脉动电流。高的脉动电流把高的均方根电流引入到变换器开关和无源部件中，其结果是增加了功率损耗。

其他人已经尝试通过使用并联开关来分配该电流以便减小功率损耗，但是这种方法增加了变换器的费用和复杂性。还有其他人已经尝试通过增加变换器的开关频率来改进变换器的瞬态响应。该技术的缺点在于它在开关中产生了额外的开关损失和在电感器铁芯中产生了额外的磁损耗。此外，高频操作需要使用高性能的驱动电路，该驱动电路能够进一步扩大变换器的费用。

因此，依然需要一种提供一种具有快速瞬态响应同时把变换器的功率损失减到最小的开关电力变换器的方法。

发明的内容

为了改进在前面公开的现有技术中的技术方案，本发明公开一种改进开关电力变换器的瞬态响应的装置和方法。本发明通过在瞬态期间使输出电感器进入到一种低电感状态同时在稳定状态期间通过把输出电感器保持在一个更高的电感状态，能够显著地增加流过变换器的输出电感器中电流的变化速率。

本发明提供了许多优于目前已知电力变换电路结构之处。实现作为权利要求的本发明不是同时需要所有的这些优点，下面列出的优点仅仅是说明各种益处，这些益处由本发明可以单独或结合的设置。这些优点包括：(1)快速动态响应；(2)低输出电感器脉动电流；(3)增加了供电效率；(4)不需要在高开关频率上操作；(5)对于负载需求的可调节性；(6)非复杂的控制方法；和(7)适用于大多数的电力变换器电路结构。

根据本发明提供一种电力变换电路，该电力变换电路包括用于接收输入电源的输入装置，一个用于提供稳压输出电源的输出端和一个连接在输入装置和输出端之间的可变电感装置。可变电感装置具有一个较高电感状态和一个较低电感状态。该可变电感装置可控制地在较高电感状态和较低电感状态之间转换。在一个实施例中，电力变换器进一步包括一个控制电路，该控制电路能够给可变电感装置提供控制信号以便使可变电感装置从一种电感状态转换到另一种电感状态。

根据本发明，在一种实施例中可变电感装置包括一种固定部分和一个与固定部分串联的可变部分。该可变电感装置作为选择包括一个变压器，该变压器多个彼此磁耦合的线圈，其中第一线圈与固定电感部分串联连接。第二和第三线圈中的每个线圈可选择地与一个电源和一个开关串联连接，其中通过利用开关把电源施加到第二或第三线圈中的一个线圈中有效地减小了可变电感部分的有效电感。

在另一个实施例中，可变电感装置包括一个较低电感元件，一个与较低电感元件串联连接的开关，从而形成一个开关与较低电感元件的串联连接结构，和一个与该开关和较低电感元件串联连接结构并联连接的较高电感元件。该开关通过把较低电感元件与较高电感元件的并联连接或断开连接，能够在较低电感状态与较高电感状态之间转换可变电感装置。

附图说明

通过下面结合附图的描述本发明将变得更明显：

图1是一个现有技术中补偿电力变换器的简化等效电路；

图2是一个用于在图1中所示的补偿变换器电路在负载瞬态期间的波形图；

图3是在一个补偿变换器电路中实现的本发明的第一实施例的一个电路图；

图4是一个表示当在负载电流中有一个快速瞬态增加时本发明的第一实施例的响应波形图；

图5是一个表示当在负载电流中有一个快速瞬态减小时本发明的第一实施例的响应波形图；

图6是在一个补偿变换器电路中实现的本发明的第二实施例的一个电路图；

图7是在一个补偿变换器电路中实现的本发明的第三实施例的一个电路图；