[发明专利]AC-DC转换器和AC-DC转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及AC-DC转换器和AC-DC转换方法。本发明将在无线功率传输情境中描述，特别是其中功率传输线圈作为无线地接收能量的能量接收线圈来运行，例如，为了给便携式电子器件所包括的电池充电。然而，应当理解的是本发明并不仅限于该特殊用途。

背景技术

传统的AC-DC功率开关电源由AC-DC功率转换级（stage）和用于输出电压调节的DC-DC功率转换组成。它们的输出滤波器通常由形成输出电压滤波器的电感和电容组成。具有电隔离的传统AC-DC转换器的原理图如图1所示。它由两个级组成：AC-DC功率级和DC-DC功率转换级。

对于许多电源中所需的电隔离的输出电压，电隔离通常使用隔离变压器来实现。DC-DC功率转换器通常由逆变桥（inverter bridge）（由DC电压从AC-DC功率级提供）、隔离变压器、整流器和包括电感和电容的输出滤波器组成。一般来说，需要来自变压器“次端（secondary side）”的电压反馈，并且由变压器“主端（primary side）”上的逆变器执行用于输出电压调节的控制动作。注意到这个传统的途径需要输出滤波器L_out和C_out来过滤开关电压纹波是很重要的。

为了减少二极管整流器中的传导损失，能够使用同步整流。同步整流已在开关模式电源技术中使用。具有低导通电阻的功率MOSFET替代二极管使同步整流器能够具有比二极管更少的传导损耗。这已经在计算机产品的开关模式电源中所采用，该计算机产品具有在低电压和高电流传导情况下（例如，在100A情况下3.3V DC）运行的中央处理单元（CPU）。在传统的开关模式电源应用中，闭环输出电压控制是重要的特征，因为电源的输出电压必须控制在严格的公差内。

在现存的同步整流技术中，输出电压调节首先从系统主端被控制。图2显示了使用同步整流器的DC-DC功率转换器的典型示意图，该同步整流器基于题目为“Synchronous Rectification in High-Performance Power Converter Design”，作者为Robert Selders Jr的美国国家半导体设计文章，并可在以下网址获得：http://www.national.com/appinfo/power/files/national_power_designer112.pdf。

在这个具有隔离的基于二极管的整流器的传统DC-DC转换器中，输出电压由主端上的驱动电路控制。经由隔离的装置（means），使用次级反馈来控制主电路（primary circuit）中的开关动作以调节输出DC电压。

如图3所示，图2中的二极管能够由具有低导通电阻的功率MOSFET来替代。与图2中的电路相似，输出电压控制在主电路上执行，该主电路具有通过隔离装置提供的次级反馈。另外，需要输出电感L_out。

原则上，如果采用自驱动的栅极（gate）驱动设计，那么能够忽略次级栅极控制器。自驱动同步整流器利用了次级绕组中感应电压的极性。这种自驱动同步整流器如图4所示，相应的控制方案如图5所示。尽管事实上能够忽略次级栅极驱动，但是仍然由主电路来控制输出电压调节。

在这两种情况下，不考虑使用二极管或MOSFET，同步整流器仅提供AC-DC整流。输出电压调节由主电路中的开关动作控制。

当在无线传输系统中使用时，传统方法的问题总结如下：

（a）需要两个功率级，即没有变压器隔离的AC-DC和DC-DC。这增加了电路的成本和尺寸，且对于嵌入如移动电话尤其是具有微小设计的移动电话的便携设备来说是不具吸引力的。

（b）输出电压调节由在隔离变压器的“主端”上的逆变器开关动作来控制，这意味着需要隔离的反馈机制，这将导致增加的成本。

（c）需要输出电感Lout。这增加了功率损耗并降低了次电路（secondary circuit）的能量效率，导致：便携设备中的热量问题，其典型地没有通风设备；电池中的安全问题是由于高温升高；并且整体系统效率的降低。

如果需要输出电压调节，而没有来自变压器的主电路的控制，那么一个解决方法是使用如图6所示的具有电压控制的DC-DC转换器。在次级绕组中感应的AC电压被首先整流，然后DC-DC转换器将使整流的电压变成调节的DC电压。然而，这种方法：

（a）是2级方法；

（b）需要DC-DC转换器，例如，如上所述的DC-DC转换器；以及

（c）需要输出电感。