專利名稱：同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開的實(shí)施例通常涉及電壓轉(zhuǎn)換器。更特別地，本公開的實(shí)施例涉及雙向電壓轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
DC到DC轉(zhuǎn)換器是將直流(DC)源從一個(gè)電壓電平轉(zhuǎn)換到另一電壓電平的電子電路。其為一類功率轉(zhuǎn)換器。DC到DC轉(zhuǎn)換器在主要由電池供電的便攜式電子器件例如手機(jī)和膝上型計(jì)算機(jī)中是重要的。這樣的電子器件經(jīng)常含有若干子電路，每個(gè)子電路都具有不同于電池或外部電源供應(yīng)的電壓的自身電壓電平需求(有時(shí)高于或低于供電電壓)。交換式DC到DC轉(zhuǎn)換器提供一種從部分降低的電池電壓提高電壓的方法，由此節(jié)省空間，而不是使用多個(gè)電池實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)。大多數(shù)DC到DC轉(zhuǎn)換器也調(diào)節(jié)輸出電壓。逐步增壓/升壓(step-up/boost)轉(zhuǎn)換器是具有大于其輸入DC電壓的輸出DC電壓的功率轉(zhuǎn)換器。其為含有至少兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)(二極管和晶體管)和至少一個(gè)儲(chǔ)能元件的一類開關(guān)式電源(SMPS)。電容器(有時(shí)與電感器結(jié)合)制成的濾波器通常被添加到逐步增壓/升壓轉(zhuǎn)換器的輸出以降低輸出電壓脈動(dòng)。逐步減壓/降壓(st印-down/buck)轉(zhuǎn)換器是具有低于其DC輸入電壓的DC輸出電壓的功率轉(zhuǎn)換器。逐步減壓/降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)類似于逐步增壓升壓轉(zhuǎn)換器，并且如同逐步增壓/升壓轉(zhuǎn)換器那樣，逐步減壓/降壓轉(zhuǎn)換器是使用兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)(晶體管和二極管)、電感器和電容器的開關(guān)式電源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種雙向電壓轉(zhuǎn)換的方法。在第一強(qiáng)制換向同步整流器上在第一電壓下接收充電電流，并且通過(guò)第一強(qiáng)制換向同步整流器控制充電電流。通過(guò)充電電流對(duì)電感器進(jìn)行充電，并且通過(guò)第二強(qiáng)制換向同步整流器控制來(lái)自電感器的放電電流。這樣，兩個(gè)強(qiáng)制換向同步整流器可被使用以使得轉(zhuǎn)換器能夠在兩個(gè)方向上有效地處理功率。強(qiáng)制換向方法更有效。由于在使用強(qiáng)制換向開關(guān)時(shí)不需要串聯(lián)二極管，因此效率由于FET損耗通常大大低于整流器損耗而顯著改善。由于需要較少的吸熱材料并且組件可更密集地封裝，因此較低功耗減少了功率器件的重量。這樣，由于需要較少的熱管理硬件，因此可減少航天器重量。此外，通過(guò)使用在此描述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器，電力可從AC電氣總線流動(dòng)到DC電氣總線，或從DC電氣總線流動(dòng)到AC電氣總線。在一個(gè)實(shí)施例中，同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包含耦合到第一強(qiáng)制換向同步整流器的電感器。第一強(qiáng)制換向同步整流器可操作從而通過(guò)在斷開與二極管關(guān)聯(lián)的組件時(shí)將換向電流從二極管的陰極端強(qiáng)制換向到二極管的陽(yáng)極端來(lái)消除二極管中的反向恢復(fù)時(shí)間。同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)進(jìn)一步包含耦合到電感器和第一強(qiáng)制換向同步整流器的第二強(qiáng)制換向同步整流器，并且該第二強(qiáng)制換向同步整流器可操作從而通過(guò)在斷開與二極管關(guān)聯(lián)的組件時(shí)將換向電流從二極管的陰極端強(qiáng)制換向到二極管的陽(yáng)極端來(lái)消除二極管中的反向恢復(fù)時(shí)間。
在另一實(shí)施例中，一種雙向電壓轉(zhuǎn)換的方法在第一強(qiáng)制換向同步整流器上在第一電壓下接收充電電流，并使用第一強(qiáng)制換向同步整流器控制充電電流。該方法進(jìn)一步用充電電流對(duì)電感器進(jìn)行充電，并使用第二強(qiáng)制換向同步整流器控制來(lái)自電感器的放電電流。在另一實(shí)施例中，一種使用同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的方法在第一電壓下接收第一電流，并使用耦合到電感器的第一強(qiáng)制換向同步整流器控制第一電流進(jìn)入電感器的流動(dòng)。該方法進(jìn)一步使用耦合到電感器和第一強(qiáng)制換向同步整流器的第二強(qiáng)制換向同步整流器控制來(lái)自電感器的第二電流的流動(dòng)，并在電感器的輸出處調(diào)節(jié)第二電壓。提供該發(fā)明內(nèi)容從而以簡(jiǎn)化形式描述概念的選擇，這些概念在下面具體實(shí)施方式
中進(jìn)一步描述。該發(fā)明內(nèi)容不意圖確認(rèn)要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或基本特征，也不意圖被用于幫助確定要求保護(hù)的主題的范圍。


本公開的實(shí)施例的更完整理解可通過(guò)在連同附圖考慮時(shí)參考具體實(shí)施方式
和權(quán)利要求獲得，其中在所有附圖中相似的參考數(shù)字相似的元件。提供附圖以便于理解本公開而不限制本公開的寬度、范疇、規(guī)?；蜻m用性。附圖不必須按比例繪制。圖1是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性強(qiáng)制換向同步整流器的圖示。圖2是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的圖示。圖3是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的圖示。圖4是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的圖示。圖5是根據(jù)本公開實(shí)施例示出雙向電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程的示例性流程圖的圖示。圖6是根據(jù)本公開實(shí)施例示出使用雙向電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的過(guò)程的示例性流程圖的圖示。
具體實(shí)施例方式下面具體實(shí)施方式
實(shí)質(zhì)上是示例性的，并且不意圖限制本公開或本申請(qǐng)或本公開實(shí)施例的用途。具體器件、技術(shù)和應(yīng)用的描述僅提供作為示例。在此描述的示例的修改對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的，并且在此定義的一般原理可應(yīng)用于其它示例和應(yīng)用而不背離本公開的思想和范疇。此外，沒(méi)有通過(guò)在前面技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或后面具體實(shí)施方式
中存在的任何明示或暗示的理論進(jìn)行限制的意圖。本公開符合權(quán)利要求構(gòu)成的范疇，并且不限于在此描述并示出的示例。本公開的實(shí)施例可通過(guò)功能塊和/或邏輯塊組件和各種處理步驟的形式進(jìn)行描述。應(yīng)認(rèn)識(shí)到這樣的塊組件可通過(guò)經(jīng)配置執(zhí)行具體功能的任何數(shù)量的硬件、軟件和/或固件組件實(shí)現(xiàn)。為了簡(jiǎn)潔起見，涉及電路設(shè)計(jì)的常規(guī)技術(shù)和組件與系統(tǒng)的其它功能方面(以及系統(tǒng)的個(gè)別操作組件)可能不在此詳細(xì)描述。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到本公開的實(shí)施例可連同各種計(jì)算硬件和軟件一起實(shí)行，而且在此描述的實(shí)施例僅是本公開的示例性實(shí)施例。本公開的實(shí)施例在實(shí)際非限制應(yīng)用即在衛(wèi)星或航天器上的電壓轉(zhuǎn)換的背景下描述。然而，本公開的實(shí)施例不限于這樣的衛(wèi)星或航天器應(yīng)用，并且在此描述的技術(shù)也可用于其它應(yīng)用。例如但非限制地，這些實(shí)施例可應(yīng)用于各種電壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用和電路、交通工具、汽車、飛行器、船舶、船只、建筑物、電氣設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、電池操作和加強(qiáng)的交通工具和交通工具系統(tǒng)等。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本描述之后將明白，以下是本公開的示例和實(shí)施例，并且不限于根據(jù)這些示例進(jìn)行操作?？衫闷渌鼘?shí)施例，并且可做出結(jié)構(gòu)改變而不背離本公開的示例性實(shí)施例的范疇。本公開的實(shí)施例提供兩個(gè)強(qiáng)制換向同步整流器，其可被使用以使得轉(zhuǎn)換器能夠在兩個(gè)方向上有效地處理功率。例如，雙向轉(zhuǎn)換器可在日蝕期間用作放電調(diào)節(jié)器從而維持恒定的電氣總線電壓，然后當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列在陽(yáng)光中的時(shí)候相同的轉(zhuǎn)換器可用來(lái)調(diào)節(jié)到電池的充電電流。在此描述的技術(shù)使得有可能實(shí)現(xiàn)非常有效的雙向轉(zhuǎn)換器，其可以例如但非限制地使用單個(gè)轉(zhuǎn)換器在航天器的陽(yáng)光模式下調(diào)節(jié)電池的充電電流，并在空間站的日蝕模式下調(diào)節(jié)來(lái)自電池的電氣總線。可使用這樣的單獨(dú)轉(zhuǎn)換器替代在現(xiàn)有系統(tǒng)中調(diào)節(jié)充電電流和電氣總線的分離硬件。通過(guò)采用同步整流，本公開的實(shí)施例可以比前代航天器電氣總線調(diào)節(jié)硬件更有效。根據(jù)本公開的各種實(shí)施例，同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器可用作構(gòu)件塊，該構(gòu)件塊可以例如但非限制地用于在兩個(gè)方向上處理功率的DC-DC轉(zhuǎn)換器、可在兩個(gè)方向上處理功率的DC-AC轉(zhuǎn)換器等。例如但非限制地，同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器可作為由經(jīng)控制以產(chǎn)生AC電壓的+200V和-200V干線操作的雙向同步降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行操作，如果兩個(gè)轉(zhuǎn)換器是180度異相操作的，那么其可由單獨(dú)200V干線操作，等等。在此公開的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器可允許電力從第一電氣總線流動(dòng)到第二電氣總線，并從第二電氣總線流動(dòng)到第一電氣總線。第一電氣總線可包含高于第二電氣總線的較高電壓，或第二電氣總線可包含高于第一電氣總線的較高電壓。第一電氣總線可以例如但非限制地包含AC電氣總線、DC電氣總線等。第二電氣總線可以例如但非限制地包含AC電氣總線、DC電氣總線等。由高電壓(例如大于60V)操作的雙向轉(zhuǎn)換器通常必須具有整流器，該整流器與FET中的每個(gè)串聯(lián)，從而消除與FET的反向恢復(fù)關(guān)聯(lián)的嚴(yán)重開關(guān)損耗。需要并聯(lián)整流器從而允許電感器電流在全部FET斷開期間流動(dòng)。本公開的實(shí)施例包含雙向同步轉(zhuǎn)換器，該雙向同步轉(zhuǎn)換器包含降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，其中兩個(gè)電源開關(guān)每個(gè)都是強(qiáng)制換向同步整流器。強(qiáng)制換向同步整流器允許電流在任一方向上流動(dòng)，而不導(dǎo)致與FET的體二極管的恢復(fù)時(shí)間關(guān)聯(lián)的高開關(guān)損耗，該FET被用于作為整流器操作的強(qiáng)制換向同步整流器。在雙向同步轉(zhuǎn)換器處理來(lái)自電氣總線的電力以對(duì)電池充電時(shí)，雙向同步轉(zhuǎn)換器作為降壓調(diào)節(jié)器操作，并且低側(cè)開關(guān)作為整流器操作，同時(shí)高側(cè)開關(guān)作為降壓轉(zhuǎn)換器電源開關(guān)操作。相似地，在電池向電氣總線供電時(shí)，雙向同步轉(zhuǎn)換器作為升壓轉(zhuǎn)換器操作，其中高側(cè)開關(guān)作為整流器操作，同時(shí)高側(cè)開關(guān)作為電源開關(guān)操作。圖1是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性強(qiáng)制換向同步整流器100的圖示。強(qiáng)制換向同步整流器100包含開關(guān)組件，例如電耦合到強(qiáng)制換向電路140的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)Ql。FET Ql包含源極端112、柵極端114、漏極端116和本征體二極管118。例如但非限制地，圖1中示出的FET Ql包含η型FET，并且體二極管的陽(yáng)極連接到源極端112，以及本征體二極管118的陰極連接到漏極端116。在FET Ql是ρ型FET的實(shí)施例中，本征體二極管118的方向可反向，以使本征體二極管118的陰極連接到ρ型FET的源極端，并且體二極管的陽(yáng)極連接到P型FET的漏極端。盡管本公開利用η型FET作為示例，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到FET Ql可代表任何開關(guān)組件，例如η型FET、ρ型FET或開關(guān)，其包含可具有相關(guān)反向恢復(fù)時(shí)間的本征體二極管。在一個(gè)實(shí)施例中，開關(guān)組件可以是用于電源拓?fù)涞恼髌鏖_關(guān)。通常，在使用大于與接通FET關(guān)聯(lián)的閾值電壓的電壓供應(yīng)柵極端114時(shí)，η型FET允許電流在源極端112和漏極端116之間流動(dòng)。在供應(yīng)到柵極端114的電壓降低到低于閾值電壓或完全去除時(shí)，F(xiàn)ET被斷開，并且在源極端112和漏極端116之間流動(dòng)的電流停止流動(dòng)。如果在FET斷開時(shí)電流從源極端112流動(dòng)到漏極端116，那么由于電流在體二極管的正偏方向上流動(dòng)，因此FET的本征體二極管118需要一段時(shí)間恢復(fù)。這被稱為反向恢復(fù)時(shí)間。然而，如果在FET斷開時(shí)電流從漏極端116流動(dòng)到源極端112，那么由于電流已經(jīng)在本征體二極管118的反偏方向上流動(dòng)，因此不需要反向恢復(fù)時(shí)間。使用上述概念，可通過(guò)在與FET關(guān)聯(lián)的斷開事件期間將電流從二極管的陰極端強(qiáng)制換向到二極管的陽(yáng)極端來(lái)消除二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。FET Ql的柵極端114被電耦合到控制FET Ql的轉(zhuǎn)換/開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)110。在驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)110向柵極端114提供閾值電壓時(shí)，F(xiàn)ETQl接通。在FET Ql的柵極端114沒(méi)有電壓時(shí)，F(xiàn)ET Ql斷開。電流經(jīng)配置以通過(guò)輸入端102流入FET Ql的源極端112，同時(shí)流出FET Ql的電流向輸出端104流動(dòng)。如上所述，F(xiàn)ET Ql被電耦合到強(qiáng)制換向電路140。強(qiáng)制換向電路140包含脈沖電流源120(選擇性控制的強(qiáng)制換向電流源)和換向二極管D1。脈沖電流源120可被配置以生成換向電流，該換向電流被配置為大于通過(guò)輸入端102進(jìn)入的電流。在一個(gè)實(shí)施例中，換向電流是在非常短時(shí)間段內(nèi)由強(qiáng)制換向同步整流器100供應(yīng)的脈沖電流。脈沖電流源120在端子106處被電耦合到換向二極管Dl的陽(yáng)極端(未示出)。換向二極管Dl包含在端子106處被電耦合到脈沖電流源120的陽(yáng)極端。換向二極管Dl也包含在節(jié)點(diǎn)N3處被電耦合到FET Ql的漏極端116和輸出端104的陰極端(未示出)。這樣，換向二極管Dl與FET Ql并聯(lián)。應(yīng)認(rèn)識(shí)到換向二極管Dl應(yīng)以換向二極管Dl的陰極端連接到本征體二極管118的陰極端的方式布置。強(qiáng)制換向同步整流器100可在四個(gè)階段中操作。在第一階段中，F(xiàn)ET Ql斷開，并且脈沖電流源120斷開，以使脈沖電流源不供應(yīng)換向電流。在該階段中，輸入電流在輸入端102處進(jìn)入強(qiáng)制換向同步整流器100，流過(guò)換向二極管D1，并在輸出端104處輸出強(qiáng)制換向同步整流器100。在第二階段中，F(xiàn)ET Ql接通，并且脈沖電流源120保持?jǐn)嚅_。在該階段中，輸入電流在輸入端102處進(jìn)入，并從源極端112流過(guò)FET Ql到達(dá)漏極端116，并通過(guò)輸出端104離開。由于FET Ql兩端的電壓降小于換向二極管Dl的正向電壓，因此電流不再流過(guò)換向二極管D1。在第三階段中，在FET Ql接通時(shí)，脈沖電流源120接通。在該階段中，輸入電流在輸入端102處進(jìn)入強(qiáng)制換向同步整流器100，并流過(guò)脈沖電流源120和換向二極管D1。另夕卜，脈沖電流源120供應(yīng)流過(guò)Dl和FET Ql的換向電流。在節(jié)點(diǎn)N3處，輸入電流流到輸出端，同時(shí)換向電流從漏極端116經(jīng)過(guò)FET Ql到達(dá)源極端112。在第四階段中，F(xiàn)ET Ql斷開，同時(shí)換向電流從漏極端116流過(guò)FETQl到達(dá)源極端112。在該階段中，換向電流停止流動(dòng)，并且輸入電流流過(guò)換向二極管Dl并在輸出端104輸出。為消除與FET Ql的體二極管關(guān)聯(lián)的反向恢復(fù)時(shí)間，F(xiàn)ET Ql應(yīng)該在電流從漏極端116流過(guò)FET Ql到達(dá)源極端112(與本征體二極管118的方向相反)時(shí)斷開。通過(guò)遵照由四個(gè)階段敘述的事件順序，F(xiàn)ET Ql在換向電流從漏極端116流過(guò)FET Ql到達(dá)源極端112時(shí)斷開。因此，消除與FET Ql關(guān)聯(lián)的反向恢復(fù)時(shí)間。上述強(qiáng)制換向同步整流器100可用作各種應(yīng)用的構(gòu)件塊。特別地，利用包含本征體二極管的開關(guān)組件的開關(guān)應(yīng)用可通過(guò)利用上述強(qiáng)制換向同步整流器100更有效地執(zhí)行任務(wù)。另外，開關(guān)調(diào)節(jié)器如降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器也可利用上述強(qiáng)制換向裝置。常規(guī)開關(guān)調(diào)節(jié)器在主FET的斷開時(shí)間期間可使用整流器提供電感器電流的電流通路。通過(guò)現(xiàn)代的改善，由于FET開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間變得很小并由此具有非常小的能量消耗，因此用FET取代整流器變得可行。然而，在高電壓應(yīng)用中，反向恢復(fù)時(shí)間相對(duì)較大，導(dǎo)致顯著的功率消耗和對(duì)FET的開關(guān)頻率的限制。為消除本征體二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，在高電壓開關(guān)調(diào)節(jié)器應(yīng)用例如升壓轉(zhuǎn)換器、常規(guī)整流器或同步開關(guān)FET中用作整流器的FET可用圖1中描述的強(qiáng)制換向同步整流器100取代。在包括開關(guān)的整流應(yīng)用中，整流貫穿上述四個(gè)階段循環(huán)。該循環(huán)可稱為整流器開關(guān)循環(huán)。四個(gè)階段在整流器開關(guān)循環(huán)的斷開邊緣發(fā)生。在高電壓整流器應(yīng)用中，施加到開關(guān)例如FET的電壓可以大于60V。圖2是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200的圖示。同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200包含電感器202、第一強(qiáng)制換向同步整流器204、第二強(qiáng)制換向同步整流器206、驅(qū)動(dòng)邏輯208、升壓側(cè)電容器210、電池212和太陽(yáng)能電池陣列214。圖2示出作為電池充/放電調(diào)節(jié)器操作的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200的功率級(jí)的部分示意圖。電感器202經(jīng)電氣總線2 耦合到第一強(qiáng)制換向同步整流器204和第二強(qiáng)制換向同步整流器206，并經(jīng)鏈路218耦合到電池212。第一強(qiáng)制換向同步整流器204經(jīng)鏈路222耦合到驅(qū)動(dòng)邏輯208，并且第二強(qiáng)制換向同步整流器206經(jīng)鏈路2M耦合到驅(qū)動(dòng)邏輯208。升壓側(cè)電容器210經(jīng)電氣總線220耦合到太陽(yáng)能電池陣列214和第一強(qiáng)制換向同步整流器204。電池212、第二強(qiáng)制換向同步整流器206、升壓側(cè)電容器210和太陽(yáng)能電池陣列214中的每一個(gè)都分別連接到公共地線216。在航天器應(yīng)用中，電氣總線220的電壓高于電池212的電壓。因此，在太陽(yáng)能電池陣列214產(chǎn)生不足以滿足航天器需要的電力時(shí)，同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200從電池212汲取電力以便為電氣總線220提供必需的電流。在太陽(yáng)能電池陣列214具有可用的過(guò)多電力時(shí)，同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200變?yōu)榻祲赫{(diào)節(jié)器以對(duì)電池212進(jìn)行充電。因此，由于電流必須流出電池212從而向電氣總線220供電并且流入電池212從而對(duì)電池212進(jìn)行充電，同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200是雙向功率處理器。此外，由于開關(guān)整流器是在合適時(shí)間接通的FET，因此同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200被同步整流。由于FET的電壓降通常大大低于整流器的電壓降，因此同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200可實(shí)現(xiàn)大大高于常規(guī)降壓或升壓調(diào)節(jié)器的效率。即，在使80V電池升壓到100V電氣總線時(shí)，現(xiàn)有升壓調(diào)節(jié)器具有大約96. 5%的效率。同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200可具有大約98%的效率。該效率改善是與同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)200關(guān)聯(lián)的減少的整流器損耗和減少的開關(guān)損耗的結(jié)果。圖3是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)300的圖示。同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)300包含電感器302(圖2中的20 、第一強(qiáng)制換向同步整流器 304(圖2中的204)、第二強(qiáng)制換向同步整流器306(圖2中的206)、驅(qū)動(dòng)邏輯308 (圖2中的208)、反作用輪310和航天器負(fù)載314。圖3示出作為30V電氣總線318調(diào)節(jié)器操作的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)300的功率級(jí)的部分示意圖。電感器302經(jīng)電氣總線3 耦合到第一強(qiáng)制換向同步整流器304和第二強(qiáng)制換向同步整流器306，并經(jīng)30V電氣總線318耦合到反作用輪310和航天器負(fù)載314。第一強(qiáng)制換向同步整流器304經(jīng)鏈路322耦合到驅(qū)動(dòng)邏輯308，并且第二強(qiáng)制換向同步整流器306經(jīng)鏈路3M耦合到驅(qū)動(dòng)邏輯308。反作用輪310、航天器負(fù)載314和第二強(qiáng)制換向同步整流器 306中的每一個(gè)都分別連接到公共地線316。同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)300起到降壓調(diào)節(jié)器的作用，從而使在100V操作的 100V電氣總線320變換為30V電氣總線318。在一些情況下，來(lái)自反作用輪310的能量可被傾卸回30V電氣總線318，以使得從反作用輪傾卸的功率超過(guò)航天器負(fù)載314的30V電氣總線318。在此情況下，同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)300作為升壓分路調(diào)節(jié)器操作，從而使過(guò)多電力返回到100V電氣總線320，其中基本總是存在充足的航天器負(fù)載來(lái)吸收該電力。圖4是根據(jù)本公開實(shí)施例的示例性同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)400的圖示。同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)400包含耦合到電池Vl和電阻器R3的電感器Li、第一強(qiáng)制換向同步整流器404(類似于圖3中的304)和第二強(qiáng)制換向同步整流器406(類似于圖3中的 306)。圖4示出經(jīng)配置作為電池充/放電調(diào)節(jié)器操作的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng) 400(系統(tǒng)400)的SPICE模型。如圖4所示，第一強(qiáng)制換向同步整流器404包含高側(cè)強(qiáng)制換向電路410 (U7)和耦合到變壓器TXl的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器408 (U3)。變壓器TXl包含初級(jí)線圈 Pl和次級(jí)線圈Sl以及電阻器R1。類似地，第二強(qiáng)制換向同步整流器406包含低側(cè)強(qiáng)制換向電路414 (U6)和耦合到變壓器TX2的低側(cè)驅(qū)動(dòng)器412 (U5)。變壓器TX2包含初級(jí)線圈Pl 和次級(jí)線圈Sl以及電阻器R2。高側(cè)FET (或開關(guān))Ql和低側(cè)FET (或開關(guān))Q2是任一分別連接VL(電感器的右側(cè))到輸出或接地的同步開關(guān)。高側(cè)強(qiáng)制換向電路410 (U7)和低側(cè)強(qiáng)制換向電路414(U6) 分別防止高側(cè)FET Ql和低側(cè)FET Q2中的體二極管導(dǎo)通。高側(cè)強(qiáng)制換向電路410和低側(cè)強(qiáng)制換向電路414處理脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)(DRl)，從而分別為低側(cè)FET Q2和高側(cè)FET Ql創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)信號(hào)。低側(cè)FET Q2由與PWM信號(hào)(DRl)基本同相的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。高側(cè)驅(qū)動(dòng)器408 (U3) 用基本上是DRl反相版的信號(hào)驅(qū)動(dòng)高側(cè)FET Ql0除驅(qū)動(dòng)低側(cè)FET Q2之外，低側(cè)驅(qū)動(dòng)器412 (U5)延遲柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的到達(dá)，從而高側(cè)FET Ql在低側(cè)FET Q2開啟之前有時(shí)間關(guān)閉。類似地，低側(cè)強(qiáng)制換向電路414延遲高側(cè) FET Ql的開啟，從而低側(cè)FETQ2在高側(cè)FET Ql開啟之前有充足的時(shí)間關(guān)閉。來(lái)自PWM控制電路(未示出)的PWM信號(hào)使用電壓和電流反饋來(lái)通過(guò)調(diào)整DRl的脈沖寬度而調(diào)節(jié)電氣總線電壓。隨著DRl占空比提高，輸出電氣總線電壓提高。隨著DRl 占空比降低，電氣總線電壓降低。在系統(tǒng)400用作升壓轉(zhuǎn)換器以便向100V電氣總線供應(yīng)電流時(shí)，低側(cè)FET Q2具有從低側(cè)FET Q2的漏極到源極的電流，并因此該電流被顯示為進(jìn)入低側(cè)FET Q2的正電流。由于電流從低側(cè)FET Q2的漏極流動(dòng)到源極，因此低側(cè)FET Q2的體二極管在低側(cè)FET Q2關(guān)閉時(shí)將不可能具有在該體二極管中流動(dòng)的電流。因此，盡管低側(cè)強(qiáng)制換向電路414被附連并操作，但其不為升壓轉(zhuǎn)換器操作模式執(zhí)行有用功能。高側(cè)FET Ql電流從FET Ql的源極流動(dòng)到漏極。因此在關(guān)閉時(shí)，至關(guān)重要的是高側(cè)強(qiáng)制換向電路410在器件關(guān)閉之前使FET中的電流反向，從而防止體二極管導(dǎo)通。在高側(cè)強(qiáng)制換向電路410啟動(dòng)時(shí)，電流在FET中反向，繼之以高側(cè)FET Ql的關(guān)閉。然后，電感器 Ll的電流繼續(xù)在高側(cè)強(qiáng)制換向電路410中流動(dòng)，直到低側(cè)FET Q2開啟。在系統(tǒng)400充當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器從而對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，高側(cè)FET Ql具有從漏極流動(dòng)到源極的電流，并因此該電流被顯示為進(jìn)入高側(cè)FETQl的正電流。由于電流從漏極流動(dòng)到源極，因此高側(cè)FET Ql的體二極管在高邊FET Ql關(guān)閉時(shí)將不可能具有在該體二極管中流動(dòng)的電流。因此，盡管高側(cè)強(qiáng)制換向電路410被附連并操作，但其不為降壓轉(zhuǎn)換器操作模式執(zhí)行有用功能。低側(cè)FET Ql電流從源極流動(dòng)到漏極(例如可通過(guò)負(fù)電流表示)。因此在關(guān)閉時(shí)， 至關(guān)重要的是強(qiáng)制換向電路在器件關(guān)閉之前使低側(cè)FET Ql中的電流反向，從而防止體二極管導(dǎo)通。在換向電路410啟動(dòng)時(shí)，電流在低側(cè)FET Ql中反向，繼之以高側(cè)FET Ql的關(guān)閉。 然后，電感器Ll中的電流繼續(xù)在換向電路410中流動(dòng)，直到低側(cè)FET Q2開啟?？傊?，需要兩個(gè)強(qiáng)制換向電路來(lái)有效地操作同步整流雙向轉(zhuǎn)換器(1)與高側(cè)FET Ql并聯(lián)的高側(cè)強(qiáng)制換向電路410是必需的，從而在系統(tǒng)400作為升壓轉(zhuǎn)換器操作以調(diào)節(jié)電氣總線時(shí)避免與高側(cè)FET Ql的反向恢復(fù)特性關(guān)聯(lián)的損耗，以及(2)與低側(cè)FET Q2并聯(lián)的低側(cè)強(qiáng)制換向電路414是必需的，從而在同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)400作為升壓轉(zhuǎn)換器操作以調(diào)節(jié)電氣總線時(shí)避免與高側(cè)FET Ql的反向恢復(fù)特性關(guān)聯(lián)的損耗。盡管使用升壓/降壓調(diào)節(jié)器圖示說(shuō)明了該原理，但其可應(yīng)用于其它轉(zhuǎn)換器，例如但不限于降壓-升壓(逆變反激(inverting flyback))轉(zhuǎn)換器、非逆變-反激、Cuk轉(zhuǎn)換器或耦合的電感器降壓轉(zhuǎn)換器。在此描述的基本原理是兩個(gè)(或更多個(gè))強(qiáng)制換向電路可用來(lái)將幾乎任何開關(guān)調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為同步整流雙向轉(zhuǎn)換器。圖5是根據(jù)本公開實(shí)施例示出雙向電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程500 (過(guò)程500)的示范流程圖的圖解。連同過(guò)程500 —起執(zhí)行的各種任務(wù)可通過(guò)軟件、硬件、固件或其任何結(jié)合機(jī)械地執(zhí)行。應(yīng)認(rèn)識(shí)到過(guò)程500可包括任何數(shù)量的額外或可替換的任務(wù)，圖5中示出的任務(wù)不需要以圖解順序執(zhí)行，并且過(guò)程500可被合并到具有未在此詳細(xì)描述的額外功能性的更廣泛程序或過(guò)程中。為圖解目的，過(guò)程500的以下描述可能涉及在上面連同圖1-4提到的元件。在實(shí)際實(shí)施例中，過(guò)程500的一些部分可通過(guò)系統(tǒng)100-400的不同元件執(zhí)行，例如源極端 112、柵極端114、漏極端116、本征體二極管118、電感器320/L1、第一強(qiáng)制換向同步整流器 304/404、第二強(qiáng)制換向同步整流器306/406等。過(guò)程500可具有類似于圖1-4中示出的實(shí)施例的功能、材料和結(jié)構(gòu)。因此在這里可以不多余地描述共同的特征、功能和元件。過(guò)程500可通過(guò)在第一強(qiáng)制換向同步整流器304/404上在第一電壓下接收充電電流而開始(任務(wù)502)。過(guò)程500可通過(guò)用第一強(qiáng)制換向同步整流器304/404控制充電電流而繼續(xù)(任務(wù)504)。過(guò)程500可通過(guò)用充電電流對(duì)電感器320/L1進(jìn)行充電而繼續(xù)(任務(wù)506)。過(guò)程500可通過(guò)使用第二強(qiáng)制換向同步整流器306/406控制來(lái)自電感器320/L1 的放電電流而繼續(xù)(任務(wù)508)。圖6是根據(jù)本公開實(shí)施例示出使用雙向電壓轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的過(guò)程600的示例性流程圖的圖示。連同過(guò)程600—起執(zhí)行的各種任務(wù)可通過(guò)軟件、硬件、固件或其任何結(jié)合機(jī)械地執(zhí)行。應(yīng)認(rèn)識(shí)到過(guò)程600可包括任何數(shù)量的額外或可替換的任務(wù)，圖6中示出的任務(wù)不需要以圖解順序執(zhí)行，并且過(guò)程600可被合并到具有未在此詳細(xì)描述的額外功能性的更廣泛程序或過(guò)程中。為圖解目的，過(guò)程600的以下描述可能涉及在上面連同圖1-4提到的元件。在實(shí)際實(shí)施例中，過(guò)程600的一些部分可通過(guò)系統(tǒng)100-400的不同元件執(zhí)行，例如源極端 112、柵極端114、漏極端116、本征體二極管118、電感器320/L1、第一強(qiáng)制換向同步整流器 304/404、第二強(qiáng)制換向同步整流器306/406等。過(guò)程600可具有類似于圖1-4中示出的實(shí)施例的功能、材料和結(jié)構(gòu)。因此在這里可以不多余地描述共同的特征、功能和元件。過(guò)程600可通過(guò)在第一電壓下接收第一電流開始(任務(wù)602)。過(guò)程600可通過(guò)用耦合到電感器320/L1的第一強(qiáng)制換向同步整流器304/404控制進(jìn)入電感器320/L1的第一電流的流動(dòng)而繼續(xù)(任務(wù)604)。過(guò)程600可通過(guò)用耦合到電感器320/L1和第一強(qiáng)制換向同步整流器304/404的第二強(qiáng)制換向同步整流器306/406控制來(lái)自電感器320/L1的第二電流的流動(dòng)而繼續(xù)(任務(wù) 606)。過(guò)程600可通過(guò)在電感器320/L1的輸出處調(diào)節(jié)第二電壓而繼續(xù)(任務(wù)608)。這樣，本公開的實(shí)施例提供兩個(gè)強(qiáng)制換向同步整流器，其可被使用以使得轉(zhuǎn)換器能夠在兩個(gè)方向上有效地處理功率。強(qiáng)制換向方法更有效。由于在使用強(qiáng)制換向開關(guān)時(shí)不需要串聯(lián)二極管，因此效率由于FET損耗通常大大低于整流器損耗而顯著改善。由于需要較少吸熱材料并且組件可更密集地封裝，因此較低功耗減少功率器件的重量。這樣，由于需要較少熱管理硬件，因此可減少航天器重量。通過(guò)使用在此描述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器，電力可從AC電氣總線流動(dòng)到DC電氣總線，或從DC電氣總線流動(dòng)到AC電氣總線。以上描述提到“連接”或“耦合”在一起的元件或節(jié)點(diǎn)或特征。如在此所用，除非另外明確陳述，“連接”的意思是一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/特征直接聯(lián)結(jié)到另一元件/節(jié)點(diǎn)/特征 (或與其直接通信)，并且不必是機(jī)械性聯(lián)結(jié)。同樣，除非另外明確陳述，“耦合”的意思是一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/特征直接或間接聯(lián)結(jié)到另一元件/節(jié)點(diǎn)/特征(或與其直接或間接通信)， 并且不必是機(jī)械性聯(lián)結(jié)。因此，盡管圖1-4示出了元件的示例性排列，但另外的插入元件、 器件、特征或組件可在本公開的實(shí)施例中存在。除非另外明確陳述，該文檔中所用的術(shù)語(yǔ)和短語(yǔ)及其變化應(yīng)被解讀為是可擴(kuò)充的，與限制相反。如前面的示例術(shù)語(yǔ)“包括”應(yīng)理解為“包括而不限于”等；術(shù)語(yǔ)“示例”被用來(lái)提供所討論的項(xiàng)目的示范實(shí)例，不是其窮舉或限制性列表；以及形容詞例如“常規(guī)的”、 “傳統(tǒng)的”、“正常的”、“標(biāo)準(zhǔn)的”、“已知的”和相似意思的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)解釋為將描述的項(xiàng)目限制到給定時(shí)間段或限制到在給定時(shí)間可用的項(xiàng)目，而應(yīng)理解為包含常規(guī)的、傳統(tǒng)的、正常的或標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，該技術(shù)可在當(dāng)前或在未來(lái)任何時(shí)間可用或已知。 同樣，用連詞“和”連接的一組項(xiàng)目不應(yīng)理解為分組中存在這些項(xiàng)目中的每一個(gè)， 而應(yīng)理解為“和/或”，除非另外明確陳述。類似地，用連詞“或”連接的一組項(xiàng)目不應(yīng)理解為在該組中需要相互排斥性，而同樣應(yīng)理解為“和/或”，除非另外明確陳述。此外，盡管本公開的項(xiàng)目、元件或組件可能以單數(shù)形式描述或要求保護(hù)，但預(yù)期復(fù)數(shù)形式在其范疇內(nèi)，除非明確陳述限于單數(shù)形式。在一些示例中，加寬單詞和短語(yǔ)例如“一個(gè)或更多個(gè)”、“至少”、 “但不限于”或其它相似短語(yǔ)的存在不應(yīng)理解為意思是在可缺少此類加寬短語(yǔ)的示例中意欲或要求更窄的情況。
權(quán)利要求
1.一種同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其包含電感器；第一強(qiáng)制換向同步整流器，其被耦合到所述電感器，并可操作從而通過(guò)在斷開與二極管關(guān)聯(lián)的組件時(shí)將換向電流從所述二極管的陰極端強(qiáng)制換向到所述二極管的陽(yáng)極端來(lái)消除所述二極管中的反向恢復(fù)時(shí)間；以及第二強(qiáng)制換向同步整流器，其被耦合到所述電感器和所述第一強(qiáng)制換向同步整流器，并可操作從而通過(guò)在斷開與二極管關(guān)聯(lián)的組件時(shí)將換向電流從所述二極管的陰極端強(qiáng)制換向到所述二極管的陽(yáng)極端來(lái)消除所述二極管中的反向恢復(fù)時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含驅(qū)動(dòng)邏輯，所述驅(qū)動(dòng)邏輯被耦合到所述第一強(qiáng)制換向同步整流器和所述第二強(qiáng)制換向同步整流器，并可操作從而驅(qū)動(dòng)所述第一強(qiáng)制換向同步整流器和所述第二強(qiáng)制換向同步整流器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中所述第一強(qiáng)制換向同步整流器被進(jìn)一步耦合到第一電氣總線，所述第二強(qiáng)制換向同步整流器被進(jìn)一步耦合到地線，并且所述電感器被進(jìn)一步耦合到第二電氣總線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中所述第一電氣總線具有高于所述第二電氣總線的較高電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中所述第一電氣總線被耦合到太陽(yáng)能電池陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中所述第二電氣總線被耦合到電池和反作用輪中至少一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中所述第一強(qiáng)制換向同步整流器和所述第二強(qiáng)制換向同步整流器中的每一個(gè)都包含強(qiáng)制換向同步整流器，所述強(qiáng)制換向同步整流器包含場(chǎng)效應(yīng)晶體管FET開關(guān)，其包含柵極端、漏極端、源極端和含有陰極端和陽(yáng)極端的本征體二極管；換向二極管，其被并聯(lián)電耦合到所述FET開關(guān)，以使所述換向二極管的陰極電耦合到所述本征體二極管的所述陰極端；以及選擇性受控強(qiáng)制換向電流源，其被電耦合到所述換向二極管，并可操作從而在所述FET開關(guān)接通時(shí)使換向電流從所述換向二極管轉(zhuǎn)到所述FET開關(guān)，以使所述換向電流從所述本征體二極管的所述陰極端轉(zhuǎn)到所述本征體二極管的所述陽(yáng)極端。
8.一種雙向電壓轉(zhuǎn)換的方法，所述方法包含在第一強(qiáng)制換向同步整流器上在第一電壓下接收充電電流；用所述第一強(qiáng)制換向同步整流器控制所述充電電流；用所述充電電流對(duì)電感器進(jìn)行充電；以及使用第二強(qiáng)制換向同步整流器控制來(lái)自所述電感器的放電電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述充電電流從第一電氣總線接收；該方法進(jìn)一步包含使用所述充電電流和所述放電電流電壓調(diào)節(jié)第二電氣總線；電壓調(diào)節(jié)所述第二電氣總線到第二電壓；以及其中所述第二電壓低于所述第一電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第一強(qiáng)制換向同步整流器和所述第二強(qiáng)制換向同步整流器中的每一個(gè)都包含強(qiáng)制換向同步整流器，所述強(qiáng)制換向同步整流器包含場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)開關(guān)，其包含柵極端、漏極端、源極端和含有陰極端和陽(yáng)極端的本征體二極管；換向二極管，其被并聯(lián)電耦合到所述FET開關(guān)，以使所述換向二極管的陰極被電耦合到所述本征體二極管的所述陰極端；以及選擇性受控強(qiáng)制換向電流源，其被電耦合到所述換向二極管，并可操作從而在所述FET開關(guān)接通時(shí)使換向電流從所述換向二極管轉(zhuǎn)到所述FET開關(guān)，以使所述換向電流從所述本征體二極管的所述陰極端轉(zhuǎn)到所述本征體二極管的所述陽(yáng)極端。
11.一種使用同步整流器雙向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的方法，所述方法包含在第一電壓下接收第一電流；用耦合到電感器的第一強(qiáng)制換向同步整流器控制所述第一電流進(jìn)入所述電感器的流動(dòng)；用耦合到所述電感器和所述第一強(qiáng)制換向同步整流器的第二強(qiáng)制換向同步整流器控制來(lái)自所述電感器的第二電流的流動(dòng)；以及在所述電感器的輸出處調(diào)節(jié)第二電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第二電壓低于所述第一電壓；以及該方法進(jìn)一步包含通過(guò)所述第二強(qiáng)制換向同步整流器將所述電感器的所述輸出耦合到電氣總線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種雙向電壓轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法。在第一強(qiáng)制換向同步整流器上在第一電壓下接收充電電流，并且通過(guò)第一強(qiáng)制換向同步整流器控制充電電流。通過(guò)充電電流對(duì)電感器進(jìn)行充電，并且通過(guò)第二強(qiáng)制換向同步整流器控制來(lái)自電感器的放電電流。
文檔編號(hào)H02M7/797GK102570893SQ20111040260
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者R·M·馬蒂內(nèi)利 申請(qǐng)人:波音公司