專利名稱:用于高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換的dc-dc變換器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明總體上涉及功率轉(zhuǎn)換裝置,并且更具體而言,涉及用于高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換的DC-DC變換器。
背景技術(shù):
直流(DC)架構(gòu)例如用于傳輸和分布功率是眾所周知的。DC架構(gòu)相對于交流(AC)架構(gòu)一般提供電功率的高效(低損耗)分布。DC架構(gòu)的重要性已經(jīng)由于以下因素而增加,這些因素包括(1)計算和電信設(shè)備對DC輸入功率的依賴;(2)變速AC和DC驅(qū)動對DC輸入功率的依賴;以及(3)通過各種可再生能源(如光伏太陽能電池板)的DC功率的產(chǎn)生。DC架構(gòu)的普遍使用也已經(jīng)擴展了對DC-DC功率變換器電路的需要。而且,進(jìn)一步需要高效并且低成本的DC-DC功率變換器電路。至少部分通過減少DC-DC功率變換器的部件,例如通過提供無變壓器的DC-DC變換器來實現(xiàn)成本減少。兩種最常見的無變壓器dc/dc變換器是用于降壓電壓的如圖I中所示的降壓變換器10和用于升壓電壓的如圖2中所示的升壓變換器12。盡管這兩個電路能夠在輸入到輸出電壓比接近一時實現(xiàn)很高轉(zhuǎn)換效率,但是在電壓比變高時它們的效率小于最優(yōu)。電路寄生現(xiàn)象引起效率損失以及其它操作問題(包括如二極管前向電壓下降、開關(guān)和二極管導(dǎo)通損耗、切換損耗、開關(guān)電容、電感器繞組電容以及引線和跡線電感等的電路效應(yīng))。另外,在現(xiàn)有技術(shù)中已知升壓變換器特別容易受寄生效應(yīng)影響并且高效率操作需要低升壓比,如 I : 2 或者 I : 3。例如在 N. Mohan、T. Undeland、W. Robbins 的"Powerelectronics converters, applications, and design" (Wiley, 1995)中說明白勺男β樣,比 如在I : 10或者以上的范圍中的更高升壓比由于成本和效率約束而完全不切實際。B. Buti、P. Bartal、I. Nagy 的"Resonant boost converter operating aboveits resonant frequency" (EPE,Dresden, 2005)是諧振DC-DC 功率變換器的不例,其中諧振回路在它的諧振頻率受激,以實現(xiàn)高升壓/降壓轉(zhuǎn)換比,而不使用變壓器。D. Jovcic的“Step-up MW dc-dc converter for MW size applications^(Institute of EngineeringTechnology,論文IET-2009-407)提出了基于H橋的諧振DC-DC功率變換器,并且A. Abbas和P. Lehn (A. Abbas、P. Lehn 的“Power electronic circuits for high voltage dc to dcconverters’University of Toronto,Invention disclosure RIS#10001913,2009-03-31)對其進(jìn)行了修改以求增強模塊性。這些現(xiàn)有技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有許多弊端。在 B. Buti、P. Bartal、I. Nagy 的 “Resonant boost converter operating aboveits resonant frequency”(EPE,Dresden, 2005)中公開的變換器需要各自僅被利用一半時間的兩個理想或者接近理想匹配的電感器以恰當(dāng)工作。理想匹配在許多應(yīng)用中不可行。另夕卜,電感器僅被利用一半時間的事實在效果上使電路的電感要求加倍。這不合需要,因為電感器通常是功率電路中的單個最貴部件。另外,在B. Buti、P. Bartal、I. Nagy的“Resonantboost converter operating above its resonant frequency,,(EPE, Dresden, 2005)中的變換器需要正輸入供應(yīng)和負(fù)輸入供應(yīng)二者。這經(jīng)常不可用。在D. Jovcic 的 “Step-up Mff dc_dc converter for Mff sizeapplications,,(Institute of Engineering Technology, 論文 IET-2009-407)和A. Abbas、P. Lehn 的“Power electronic circuits for high voltage dc to dcconverters,,(University of Toronto, Invention disclosure RIS#10001913,2009-03-31)中公開的變換器使用四個高電壓反向阻塞切換器件。對于中頻應(yīng)用(約20kHz-100kHz),這樣的器件不容易獲得,因此它們需要通過絕緣柵雙極晶體管(“IGBT”)和二極管或者M(jìn)OSFET和二極管的串聯(lián)組合創(chuàng)建。這不僅進(jìn)一步增加系統(tǒng)成本而且它也使變換器的導(dǎo)通損耗接近加倍
發(fā)明內(nèi)容
在一個方面,本發(fā)明是一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括低電壓全橋或者半橋dc-ac變換器;諧振回路;高電壓ac-dc整流器;以及在諧振回路內(nèi)的高電壓可控開關(guān),所述高電壓可控開關(guān)可操作地用于通過維持開關(guān)兩端的高電壓來中斷諧振回路中的電流。在另一方面,本發(fā)明是一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括低電壓dc-ac變換器;諧振回路;高電壓ac-dc變換器;以及以下各項中的一項或者多項不使用變壓器的在輸入和輸出上的共用接地;以及在諧振回路內(nèi)的單個高電壓可控開關(guān)。在又一方面,本發(fā)明是一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括低電壓dc-ac變換器;諧振回路;高電壓ac-dc變換器;以及在諧振回路電路內(nèi)的高電壓可控開關(guān);其中用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器可操作地用于提供以下各項中的一項或者多項(i)用于輸入和輸出的共用接地平面;以及(ii)在輸入與輸出之間的變壓器。在又一方面,本發(fā)明是一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括低電壓dc-ac變換器;諧振回路;高電壓ac-dc變換器;在諧振回路的電路內(nèi)的高電壓可控開關(guān);以及用于輸入和輸出的無需使用變壓器的共用接地平面。在另一方面,本發(fā)明是一種諧振DC-DC變換器,其特征在于諧振DC-DC變換器包括無變壓器的DC-DC變換器電路,可操作地用于提供高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換,所述無變壓器的DC-DC變換器電路包括在低電壓側(cè)上的全橋變換器;在高電壓側(cè)上的半波整流器;以及輸入和輸出二者共用的接地。在又一方面,本發(fā)明是一種具有變壓器的DC-DC變換器,其特征在于具有變壓器的DC-DC變換器包括諧振回路;高電壓開關(guān),可與具有變壓器的DC-DC變換器的電路一起操作以通過維持高電壓開關(guān)兩端的高電壓切換來執(zhí)行諧振的高電壓阻塞而無反向阻塞;在低電壓側(cè)上的全橋變換器;以及在高電壓側(cè)上的輸出整流器。在另一方面,本發(fā)明是一種提供雙極輸出的具有變壓器的諧振DC-DC升壓變換器,其特征在于DC-DC升壓變換器包括在變壓器上的高電壓繞組;兩個半波整流器,包括以下各項第一半波整流器,可操作地用于向正輸出電壓端子供應(yīng)電流;以及第二半波整流器,可操作地用于從負(fù)輸出電壓端子汲取電流。在又一方面,本發(fā)明是提供的一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,該諧振dc-dc變換器包括(a)低電壓dc-ac變換器;(b)諧振回路;(c)高電壓ac-dc變換器;以及(d)在諧振回路內(nèi)的單個高電壓可控開關(guān)。在本發(fā)明的實施例中,單個高電壓可控開關(guān)可以是協(xié)調(diào)操作的兩個并聯(lián)MOSFET或者M(jìn)OSFET串聯(lián)。可以實現(xiàn)變換器電路而不使用變壓器。如果希望和/或根據(jù)系統(tǒng)需要,則可以包括變壓器。例如可以通過使用變壓器來解決對電隔離的需要。在另一方面,本發(fā)明是一種諧振DC-DC變換器,該諧振DC-DC變換器包括(a)在低電壓側(cè)上的全橋dc-ac變換器;(b)在高電壓側(cè)上的半橋ac-dc變換器;以及(C)輸入和輸出二者共用的接地,變換器電路可操作地用于提供高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換。 在又一方面,提供一種諧振DC-DC變換器,該諧振DC-DC變換器包括具有變壓器的DC-DC變換器,該DC-DC變換器包括(a)在低電壓側(cè)上的全橋或者半橋dc-ac變換器;(b)在高電壓側(cè)上的ac-dc整流器;(C)諧振回路;以及(d)高電壓開關(guān),中斷主諧振回路電流,變換器電路可操作以用于通過在高電壓開關(guān)兩端維持高電壓、使用或者不使用反向阻塞開關(guān),來使的聞電壓開關(guān)能夠執(zhí)行聞電壓阻塞。就這一點而言,在具體說明本發(fā)明的至少一個實施例之前,將理解本發(fā)明在它的應(yīng)用上不限于在下文描述中闡述的或者在附圖中圖示的構(gòu)造細(xì)節(jié)和部件布置。本發(fā)明能夠有其它實施例并且以各種方式來實施和實現(xiàn)。也將理解本文運用的措詞和術(shù)語是為了描述的目的而不應(yīng)視為限制。
當(dāng)對本發(fā)明的下文具體描述給予考慮時將更好地理解本發(fā)明并且本發(fā)明的目的將變得清楚。這樣的描述參照以下附圖圖I是圖示了現(xiàn)有技術(shù)降壓變換器的電路圖。圖2是圖示了現(xiàn)有技術(shù)升壓變換器的電路圖。圖3a、圖3b和圖3c圖示了本發(fā)明的具有單個高電壓開關(guān)的半橋諧振DC-DC變換器的三個代表性實現(xiàn)。圖4是圖示了本發(fā)明的具有單個高電壓開關(guān)的全橋諧振DC-DC變換器的一個實現(xiàn)的電路圖。圖5a、圖5b、圖5c和圖5d圖不了本發(fā)明的具有單個聞電壓開關(guān)并且在輸入和輸出上具有共用接地的全橋諧振DC-DC變換器的四個代表性的實現(xiàn)。圖6是圖3a的使用MOSFET和IGBT開關(guān)的組合的半橋諧振DC-DC變換器的一個具體實現(xiàn)。圖7圖示了在操作上與圖6的電路關(guān)聯(lián)的電壓和電流波形。圖8是圖5a的使用MOSFET和IGBT開關(guān)的組合、添加有緩沖二極管的全橋諧振DC-DC變換器的一個具體實現(xiàn)。圖9圖示了在操作上與圖8的電路關(guān)聯(lián)的電壓和電流波形。
圖IOa和圖IOb是圖示了本發(fā)明的對于輸入和輸出具有共用接地但無高電壓開關(guān)的全橋諧振DC-DC變換器的替代實現(xiàn)的電路圖。圖11a、圖Ilb和圖Ilc是圖示了本發(fā)明的包括變壓器的電路設(shè)計的一個替代實現(xiàn)的三個代表性的電路。圖12是使用MOSFET開關(guān)、添加有緩沖二極管的圖Ild的實現(xiàn)。圖13圖示了在操作上與圖12的電路關(guān)聯(lián)的電壓和電流波形。在附圖中,通 過示例圖示本發(fā)明的實施例。將明確理解說明書和附圖僅用于示例目的并且作為輔助理解而并非旨在于定義本發(fā)明的限制。
具體實施例方式本發(fā)明是一種可操作地用于實現(xiàn)高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換的諧振變換器電路設(shè)計。具體而言,本發(fā)明可以包括提供高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換并且實現(xiàn)高效率操作的串聯(lián)變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以包括諧振回路和用于中斷回路電流以產(chǎn)生其中提供零電流和/或零電壓切換的接近零損耗“保持”狀態(tài)而又提供對功率傳送數(shù)量的控制的裝置。具體而言,變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以通過控制接近零損耗“保持”的持續(xù)時間來控制能量傳送。可以使用單個高電壓可控開關(guān)來實現(xiàn)這一能量功率傳送控制。本發(fā)明可以在低功率操作期間避免不必要的循環(huán)電流,由此減少在回路部件和低電壓DC/AC變換器內(nèi)的損耗并且也減少基于低電壓DC/AC變換器的零電壓切換和低電壓DC/AC變換器的零電流切換的切換損耗。也可以實現(xiàn)回路內(nèi)的高電壓可控開關(guān)的零電流切換,并且由此保持它自己的切換損耗低。如本文描述的那樣,本發(fā)明可以具有呈現(xiàn)變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的若干實施例,這些變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供高輸入高輸出電壓轉(zhuǎn)換并且實現(xiàn)高效率操作。本文公開這些實施例的示例,然而本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到這些示例不限制本發(fā)明的范圍并且本發(fā)明的其它實施例可以也是有可能的。為了清楚,術(shù)語“低電壓”在本公開內(nèi)容中用來指代具有與輸入的電壓額定值相當(dāng)?shù)碾妷侯~定值的部件,而術(shù)語“高電壓”在本公開內(nèi)容中用來指代具有與在諧振回路電容器兩端所見峰值電壓電平相當(dāng)或者以上的電壓額定值的部件。在本發(fā)明的實施例中,接近零損耗保持狀態(tài)的適當(dāng)實現(xiàn)可以使得針對電路內(nèi)的所有可控開關(guān)實現(xiàn)零電壓切換或者零電流切換。本發(fā)明的實施例可以提供一種用于高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換比變換器的更低損耗的變換器電路。本發(fā)明的電路設(shè)計可以包括多種元件。在一個實施例中,這些元件可以包括(I)輸入DC/AC變換器;(2)諧振回路;(3)回路中斷裝置(比如如本文描述的開關(guān));以及(4)輸出整流器。輸出整流器例如可以包括濾波電感濾波電感器,該濾波電感濾波電感器限制輸出二極管中的電流的上升速率。關(guān)于輸入DC/AC,本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到可以適用多個不同類型的逆變器,例如半橋或者全橋型逆變器。本領(lǐng)域讀者還將認(rèn)識到輸出整流器可以包括任何輸出整流器級,例如半橋或者全橋整流器。在本發(fā)明的一些實施例中,可以在輸出整流級之前在電路中包括變壓器。在本發(fā)明的一個實施例中,電路設(shè)計可以包括如下電路,該電路包括(I)全橋DC/AC變換器;(2)諧振回路,由兩個L部件和一個C部件組成;(3)回路中斷開關(guān);以及(4)輸出整流器級(全橋或者半橋),其中可以對輸入電壓和輸出電壓二者提供共用接地。電路可以包括或者可以不包括變壓器。在其中利用全橋輸出整流器的本發(fā)明一個實施例中,也可以需要變壓器。在本發(fā)明的包括變壓器的一個實施例中,諧振L部件可以集成到變壓器設(shè)計中。在圖5a至圖5d中示出了本發(fā)明的包括這樣的電路設(shè)計的可能實施例。如本文描述的那樣并且如本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到的那樣,本發(fā)明的實施例可以包括變壓器或者可以無變壓器。在本發(fā)明的一個實施例中,包括變壓器的選擇可以基于本發(fā)明實施例的電路的規(guī)格或者其它偏好或者考慮。本文公開和描述二者的一些示例本發(fā)明的包括變壓器元件的實施例;以及本發(fā)明的未包括變壓器元件、因此無變壓器的實施例。圖11a、圖Ilb和圖IIc分別示出了本發(fā)明的實施例,這些實施例是包括一個替代實現(xiàn)的電路42、44和46,在該替代實現(xiàn)中向主電感器的磁芯添加附加繞組,因此減少開關(guān)Sx上的電壓應(yīng)力。添加繞組可以將電感器L轉(zhuǎn)換成具有隔離的變壓器,這提供附加電路實現(xiàn)選項。圖Ilc中所示本發(fā)明實施例可以提供雙極輸出,以允許實現(xiàn)2 X V2的差動輸出電 壓而又將對地電壓維持于電平V2。如圖12所示,電路48可以是圖Ilc中所示電路的一個實際實現(xiàn)。變壓器磁化支路可以提供主諧振回路電感“L”。通過適當(dāng)變壓器設(shè)計,濾波電感“Lf”也可以集成到變壓器中。這可以通過將變壓器設(shè)計成具有值為“Lf”的漏電感來完成。如圖12中所示,可以使用MOSFET來實施所有開關(guān)。可以運用緩沖電路以在導(dǎo)通時段結(jié)束時限制高電壓MOSFET兩端的瞬態(tài)電壓。假設(shè)電壓V2低于高電壓MOSFET的電壓額定值,緩沖可以由從MOSFET的漏極到正輸出V2的單個二極管組成。這可以允許向輸出傳送緩沖電路中正常損耗的能量,由此產(chǎn)生接近無損耗緩沖。這可以提高總體變換器效率。如圖13中所示,本發(fā)明的實施例可以與重要電壓和電流波形一起產(chǎn)生特定結(jié)果50,結(jié)果50包括用于圖12的變換器的門控信號。下文描述一種可能的切換循環(huán)方法I.在時間O. 900ms,循環(huán)可以開始于開關(guān)SI、S2p和Sx接通。隨后從正電壓Vin和正回路輸入電流Il來看,能量可以被傳送到諧振回路。2.當(dāng)回路電流Il達(dá)到零時,開關(guān)SI和S2p可以關(guān)斷,幾乎緊接在該關(guān)斷之后,開關(guān)S2和Slp可以接通。這可以使輸入電壓極性在與電流變負(fù)的同時變負(fù)。3.開關(guān)Sx可以與SI和S2p同時關(guān)斷,但是MOSFET體二極管可以允許負(fù)電流導(dǎo)通。如果計算MOSFET導(dǎo)通溝道中的損耗低于體二極管導(dǎo)通損耗,則應(yīng)當(dāng)保持MOSFET在負(fù)電流脈沖的持續(xù)時間接通以減少導(dǎo)通損耗。4.當(dāng)電流達(dá)到零時,開關(guān)Sx必須關(guān)斷。這可以中斷回路電流并且允許電路進(jìn)入接近零損耗“保持狀態(tài)”,在該狀態(tài)中變換器操作中止并且保持于接近無損耗狀態(tài)。5.可以改變保持狀態(tài)的持續(xù)時間以控制從輸入向輸出的平均功率傳送量。在保持狀態(tài)之后,可以跟著另一相似操作循環(huán)。從諧振回路到輸出的功率傳送可以每周期兩次一次向正dc輸出傳送,一次向負(fù)dc輸出傳送。向正輸出的功率傳送可以緊接于開關(guān)SI和S2p接通之后發(fā)生。向負(fù)輸出的功率傳送可以緊接于開關(guān)S2和Slp接通之后發(fā)生。在本發(fā)明的一個實施例中,可以提供由DC-AC變換器、繼而為具有單個可控高電壓開關(guān)的(并聯(lián))諧振回路、繼而為AC-DC變換器組成的電路。
在三個具體代表性的實現(xiàn)中在圖3a、圖3b和圖3c中示出了包括提出的“半橋浮回路”諧振DC-DC變換器配置的本發(fā)明實施例。圖3a中所示本發(fā)明實施例可以是不包括輸出濾波電感器的電路14。圖3a圖示了本發(fā)明的基本電路設(shè)計概念并且呈現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的半橋浮回路變換器。圖3b中所示本發(fā)明實施例可以是包括輸出濾波電感器的電路16。對于本發(fā)明的多數(shù)實現(xiàn),包括濾波電感器是實際要求。一般而言,有便于添加濾波電感器的兩個位置。在圖3b中圖示了第一個。在圖3c中示出了第二個,該圖示出了本發(fā)明的一個實施例,該實施例可以是包括集成于回路的濾波電感器的電路18。如圖4所示,在本發(fā)明的一個實施例中,電路20可以是3a、圖3b和圖3c中所示電路設(shè)計的“全橋浮回路”配置。圖4可以是圖3a、圖3b和圖3c中所示變換器的延伸。本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到圖4中所示電路20相對于圖5a、圖5b、圖5c和圖5d中分別所示電路22,24和26,例如可以缺少輸入和輸出上的共用接地,因此對于許多無變壓器的應(yīng)用而言可能是不需要的。在本發(fā)明的實施例中 ,可以在電容器與二極管整流器之間添加隔離變壓器,以允許將輸入和輸出電壓源二者接地。如圖5a、圖5b、圖5c和圖5d中所示,本發(fā)明實施例可以表現(xiàn)本發(fā)明的全橋諧振DC-DC變換器的變體,并且可以包括單個高電壓開關(guān)以及用于輸入和輸出的共用接地。更具體而言圖5中所示本發(fā)明實施例可以是電路22,其中電感器電流可以由單個高電壓開關(guān)(Sx)切換;圖513中所示本發(fā)明實施例可以是電路24,其中電容器電流可以由單個高電壓開關(guān)(Sx)切換;圖5c中所示本發(fā)明實施例可以是與圖5a中所示電路22相似的電路26,并且圖5c中所示電路26可以包括可以由Sx切換的電感器電流,并且濾波電感器可以集成到回路中;并且圖5d中所示本發(fā)明實施例可以是與圖5b中所示電路24相似的相似電路28,并且圖5d中所示電路28可以包括可以由Sx切換的電感器電流,并且濾波電感器可以集成到回路中。應(yīng)當(dāng)理解如圖5a、圖5b、圖5c和圖5d中所示本發(fā)明的DC-DC變換器相對于半橋電路的現(xiàn)有技術(shù)全橋延伸可以表現(xiàn)顯著不對稱程度。特別是,可以表現(xiàn)不對稱,因為接地不對稱、輸入開關(guān)配置不對稱并且輸出級不對稱。本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到本發(fā)明的其它變體和實施例是有可能的。例如本發(fā)明的一個實施例可以使用新興的反向阻塞IGBT器件,在該情況下可以消除Sx,但是SI和S2可能各自需要由高電壓反向阻塞IGBT構(gòu)成。本發(fā)明的這樣的實施例可以在回路和輸出電路內(nèi)精確地產(chǎn)生相同的電壓和電流波形。許多其他變體也是可能的。在本發(fā)明的一個實施例中,電路設(shè)計可以使得高電壓開關(guān)無需反向阻塞,因此可以使用MOSFET或者IGBT而不是例如晶閘管(這些晶閘管使切換頻率限于過度低值)或者M(jìn)OFSET串聯(lián)二極管/IGBT串聯(lián)二極管組合。也在本發(fā)明的實施例中,如下文進(jìn)一步說明的那樣,電路設(shè)計可以使用電浮回路。下文更具體說明本發(fā)明的某些方面,然而這些細(xì)節(jié)不應(yīng)解讀為以任何方式限制本發(fā)明的范圍,而是作為本發(fā)明實施例的示例。半橋浮回路變換器可以在本發(fā)明的實施例中包括一種半橋浮回路變換器。在本發(fā)明的這樣的實施例中,切換過程可以基于所用開關(guān)類型和/或回路電路內(nèi)的高電壓開關(guān)(Sx)的位置/定向而略微變化。這里參照如圖6中所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)30提供對將在本發(fā)明的一個實施例中使用的可能切換過程的描述,在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,使用MOSFET來實現(xiàn)SI和S2并且使用高電壓IGBT來實現(xiàn)Sx。在本發(fā)明的一個實施例中,如圖7中所示,使用該實施例的波形結(jié)果32可以示出與半橋浮回路變換器關(guān)聯(lián)的特定電壓和電流波形。例如,變換器可以在如下模式中操作,在該模式中,電感器電流不連續(xù)振蕩,但是由單個高電壓開關(guān)Sx每個周期中斷一次。電路的操作示例可以如下1.S1和Sx可以激發(fā)以開始LC諧振振蕩的一個循環(huán)。對于IGBT(Sx)的給定定向,關(guān)于電容器電壓的初始條件可以近似為-V2。2.電流Il可以為正,并且輸入電壓Vin可以持續(xù)半個循環(huán)為正從而將能量傳送到電路。3. 一旦Vcg達(dá)到V2,可以向輸出傳送輸出二極管導(dǎo)體和Il從而實現(xiàn)輸出功率傳送(可以通過將電感器與輸出二極管串聯(lián)放置或者放置在回路電容器中以引入附加電流改變速率限制電感器來減少輸出電流的迅速上升速率)。4.在輸入電流過零時,SI可以關(guān)斷并且S2可以接通。輸出二極管這時可以關(guān)斷,并且IGBT反向?qū)ǘO管這時可以接通。這允許回路振蕩繼續(xù),由此將電容器再充電至-V2為下一循環(huán)做準(zhǔn)備。5.當(dāng)電流Il再次嘗試變成正時,IGBT可以在“關(guān)斷”狀態(tài)中,因此在電流過零時中斷回路振湯。6.電路然后可以在‘保持狀態(tài)’中直至需要新能量脈沖。具有共用接地的全橋浮回路變換器本發(fā)明的實施例可以包括具有共用接地的全橋浮回路變換器。在本發(fā)明的這樣的實施例中,切換過程可以基于所用開關(guān)類型和回路電路內(nèi)的高電壓開關(guān)(Sx)的位置/定向而略微變化。本發(fā)明的一個實施例包括一種具有共用接地的全橋浮回路變換器,該變換器可以包括如圖8中所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)34,在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用MOSFET來實現(xiàn)四個開關(guān)Sl、Slp、S2和S2p并且使用高電壓IGBT來實現(xiàn)Sx。在包括具有共用接地的全橋浮儲能變換器的本發(fā)明一個實施例中,可以運用緩沖電路以在導(dǎo)通時段結(jié)束時限制高電壓MOSFET兩端的瞬態(tài)電壓。緩沖可以由從IGBT的集電極到輸出的單個二極管構(gòu)成。這可以使得能夠向輸出傳送的緩沖電路中通常損耗的能量,由此產(chǎn)生接近無損耗緩沖。本發(fā)明的這樣的實施例可以提高總體變換器效率。在本發(fā)明的一個實施例中,如圖9中所示,使用該實施例的波形結(jié)果36可以示出與這一具有共用接地的全橋浮回路變換器關(guān)聯(lián)的特定電壓和電流波形。變換器可以在如下模式中操作,在該模式中,電感器電流不連續(xù)振蕩,但是由單個高電壓開關(guān)Sx在每個周期中斷一次。電路的操作示例可以如下I.對于IGBT(Sx)的給定定向,SI、S2p和Sx可以激發(fā)以開始LC諧振振蕩的一個循環(huán)。2.電流Il可以為正并且輸入電壓Vin可以持續(xù)半個循環(huán)為正從而將能量傳送到電路。3.當(dāng)Il過零時,Sl、S2p可以關(guān)斷并且S2和Slp可以接通。有時在負(fù)Il期間,可以無損耗地關(guān)斷開關(guān)Sx,因為電流在反并聯(lián)二極管中流動。4.當(dāng)Vcg達(dá)到V2時可以開始向輸出傳送功率。這可以繼續(xù)直至電流12衰減至零。5.電容器電壓然后可以在‘保持狀態(tài)’中直至需要新能量脈沖。具有共用接地和碳化硅器件的全橋浮回路變換器
本發(fā)明的實施例可以包括一種具有共用接地的全橋浮回路變換器,該變換器如許多應(yīng)用所需要的那樣可操作地用于在回路電流的正和負(fù)半循環(huán)二者期間傳送能量而不使用變壓器而又在輸入和輸出上維持共用接地。這一電路中的Sx的目的可以在于實現(xiàn)零電流/零電壓切換而又仍然賦予對功率傳送量的控制。因此可以實現(xiàn)接近零切換損耗而又同時維持對功率傳送量的控制。由于碳化硅切換器件變得更成本有效,所以可以最終變成值得消除Sx。然而可能仍然希望一種能夠在回路電流的正和負(fù)半循環(huán)二者期間傳送能量的共用接地布置。圖IOa和圖IOb的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)38和40實現(xiàn)這一點。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以與圖5a和圖5b中所示電路設(shè)計有關(guān)。由于碳化硅器件可以賦予極大地減少的切換損耗(尤其是消除二極管反向恢復(fù)電流),所以可以犧牲維持零電流/零電壓切換而未負(fù)面地影響效率。然后可以如在其它諧振變換器(參見 R. Erickson、D. Maksimovic 的 “Fundamentals of PowerElectronics”(Kluwer Academic Publishers, 2001))中常見的那樣經(jīng)由頻率控制實現(xiàn)功率傳送。具有共用接地的全橋變換器與如在R. Erickson、D. Maksimovic的“Fundamentalsof Power Electronics”(Kluwer Academic Publishers, 2001)中概述的常規(guī)諧振變換器相比可以賦予重要益處。具體而言,包括具有共用接地的全橋變換器的本發(fā)明實施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以將輸入和輸出上的共用接地與高升壓比一起賦予,并且可以賦予在回路電流的正和負(fù)半循環(huán)二者期間將功率傳送到回路中。作為本發(fā)明實施例的示例和這些實施例較現(xiàn)有技術(shù)而言賦予的益處,下文描述兩種主要電路布置(半橋浮回路變換器和具有共用接地的全橋浮回路變換器)的特定特征的益處。本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到下文討論的特征和益處僅作為示例提供,并且其它實施例和益處也是有可能的。半橋浮回路變換器包括半橋浮回路變換器的本發(fā)明實施例可以賦予較現(xiàn)有技術(shù)而言的特定益處。這些益處中的一些益處包括以下益處I.與 A. Abbas、P. Lehn 的“Power electronic circuits for high voltage dcto dc converters,,(University of Toronto, Invention disclosure RIS#10001913,2009-03-31)的電路或者 D. Jovcic 的 “Step-up MW dc-dc converter for MW sizeapplications”(Institute of Engineering Technology,論文 IET-2009-407)的電路相t匕,本發(fā)明的半橋電路可以僅使用標(biāo)注為Sx的一個高電壓器件。另外,Sx可以無需是反向阻塞器件。2.單個高電壓開關(guān)可以在本發(fā)明的實施例中可操作地用于中斷變換器的諧振操作,由此控制能量傳送。3.可以在本發(fā)明的實施例中僅使用低電壓部件來實現(xiàn)SI和S2從而減少損耗。
4.與 B. Buti、P. Bartal、I. Nagy 的發(fā)明 “Resonant boost converter operatingabove its resonant frequency” (EPE, Dresden, 2005)相比,本發(fā)明的實施例可以僅需單個電源和單個回路電感器。5.本發(fā)明的實施例可以提供輸入AC/DC變換器的零電流/零電壓切換。具有共用接地的全橋浮回路變換器包括具有共用接地的全橋浮回路變換器的本發(fā)明實施例可以賦予較現(xiàn)有技術(shù)而言的特定益處。這些益處中的一些益處包括以下益處I.與 A. Abbas、P. Lehn 的“Power electronic circuits for high voltage dcto dc converters,, (University of Toronto, Invention disclosure RIS#10001913,2009-03-31)的電路或者 D. Jovcic 的 “Step-up MW dc-dc converter for MW sizeapplications”(Institute of Engineering Technology,論文 IET-2009-407)的電路相t匕,本發(fā)明實施例的電路可以如圖3a、圖3b、圖3c和圖3d中所示僅使用標(biāo)注為Sx的一個 高電壓器件。另外,Sx可以無需是反向阻塞器件。2.與 P. Lehn 的 “A low switch-count resonant dc/d converter circuitfor high input-to-output voltage conversion ratios,,(University of Toronto,Invention disclosure RIS#10001968, 2009-08-13)的電路或者本發(fā)明的半橋電路相比,本發(fā)明實施例的全橋DC-DC變換器可以提供大致加倍的功率傳送,因為可以在回路電流的正和負(fù)半循環(huán)二者期間將能量從電源傳送到回路中。3.本發(fā)明的實施例可以提供輸入ac/dc變換器的零電流/零電壓切換。4.在本發(fā)明的實施例中,可以在輸入電壓源與輸出電壓源之間提供共用接地。5.在本發(fā)明的實施例中,單個高電壓開關(guān)可以可操作地用于中斷變換器的諧振操作,由此控制能量傳送。本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到本發(fā)明的技術(shù)的多種實現(xiàn)是有可能的。如上文描述的那樣,本發(fā)明實施例的電路設(shè)計可以在提供設(shè)計的功能之時呈現(xiàn)一種模塊化結(jié)構(gòu),因此可以添加或者去除部件。例如本發(fā)明的DC-DC變換器的具體實施例可以無變壓器。在本發(fā)明的其它實施例中,可能希望在電路如圖4中所示電路中包括變壓器。例如,可以在圖4中所示電路中的諧振回路電感器或者諧振回路電容器與二極管整流器之間包括變壓器。另外,盡管針對本發(fā)明的一些實施例描述使用Sx,但是例如可以通過使用新興的反向阻塞IGBT器件來消除這一部件,其中SI和SI將各自需要由高電壓反向阻塞IGBT構(gòu)成。本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到在本發(fā)明的實施例中可以修改本文描述和示出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體方面而不脫離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實質(zhì)性、實質(zhì)元件和實質(zhì)功能。例如,在圖11(b)中所示電路設(shè)計42中,如果Lf和C串聯(lián)而無中點,則可以有可能交換Lf和C。類似地,當(dāng)與變壓器一起使用時,可以應(yīng)用任何數(shù)目的已知輸出繞組和整流器配置以實現(xiàn)相同目標(biāo)。在本發(fā)明的一個實施例中,例如如圖10(b)中所示切換元件可以運用碳化硅器件??梢詫崿F(xiàn)切換以提供在+Vl與-Vl之間向回路電路的方波電壓切換。為了提供方波電壓而實現(xiàn)的切換可以是在+Vl與O之間(或者在O與-Vl之間)向回路電路的切換?;芈份斎腚妷呵袚Q可以在接近額定功率操作時出現(xiàn)于+Vi與-VI之間而在低功率之下出現(xiàn)于+Vl與O之間(或者O與-VI之間)??商鎿Q地,在這一段落中記載的元件可以使用于如下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,電感器Lf向輸出路徑移動(比如圖IOa中所示)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解也可以實現(xiàn)本文描述的實施例的其它變化而不脫離本發(fā) 明的范圍。其它修改因此是有可能的。本領(lǐng)域讀者將認(rèn)識到描述的DC-DC變換器技術(shù)有多種應(yīng)用。本發(fā)明的DC-DC變換器可以提供一種對提供高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換的許多部件的高效低成本替換。另外,作為本發(fā)明實施例的具有高放大比的DC-DC變換器可以用來在可再生/可替換能量應(yīng)用中產(chǎn)生固定電壓DC總線。
權(quán)利要求
1.一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括 (a)低電壓全橋或者半橋dc-ac變換器; (b)諧振回路; (C)高電壓ac-dc整流器;以及 (d)在所述諧振回路內(nèi)的高電壓可控開關(guān),所述高電壓可控開關(guān)可操作地用于通過維持所述開關(guān)兩端的高電壓來中斷所述諧振回路中的電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述高電壓可控開關(guān)僅在一個方向上阻塞電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述高電壓可控開關(guān)是具有無反向阻塞特性的高電壓開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于通過從以下各項中的任一項到所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器的輸出端子連接二極管來向所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器引入無損耗緩沖電路 (a)所述高電壓開關(guān)的漏極,所述高電壓開關(guān)是高電壓MOSFET; (b)所述高電壓開關(guān)的集電極,所述高電壓開關(guān)是IGBT;或者 (c)所述高電壓開關(guān)的陽極,所述高電壓開關(guān)是晶閘管。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包含變壓器,所述變壓器可操作地用于提供輸入和輸出之間的電隔離。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于輸出整流器被連接成可操作地用于提供雙極(正和負(fù))dc輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于通過將所述高電壓可控開關(guān)的端子的二極管連接到所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器的輸出端子來向所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器引入無損耗緩沖電路,從而在所述高電壓可控開關(guān)兩端鉗位一個或者多個電壓尖峰。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述高電壓可控開關(guān)可與所述低電壓全橋或者半橋ac-dc變換器同步操作,并且從而一個或者多個dc-ac變換器開關(guān)的一個或者多個切換事件在相應(yīng)的一個或者多個dc-ac變換器開關(guān)的電流過零時出現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述高電壓可控開關(guān)是可操作地,使得所述高電壓可控開關(guān)的一個或者多個切換事件在所述高電壓可控開關(guān)的電流過零時出現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述高電壓可控開關(guān)的非導(dǎo)通持續(xù)時間可變化,以調(diào)節(jié)從輸入到輸出的功率流。
11.一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括 (a)低電壓dc-ac變換器; (b)諧振回路;(C)高電壓ac-dc變換器;以及 (d)以下各項中的一項或者多項 (i)不使用變壓器的在輸入和輸出上的共用接地;以及 ( )在所述諧振回路內(nèi)的單個高電壓可控開關(guān)。
12.一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括 (a)低電壓dc-ac變換器; (b)諧振回路; (C)高電壓ac-dc變換器;以及 (d)在所述諧振回路電路內(nèi)的聞電壓可控開關(guān); 其中所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器可操作地用于提供以下各項中的一項或者多項(i)用于輸入和輸出的共用接地平面;以及(ii)在輸入與輸出之間的變壓器。
13.一種用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器包括 (a)低電壓dc-ac變換器; (b)諧振回路; (C)高電壓ac-dc變換器; (d)在所述諧振回路的電路內(nèi)的高電壓可控開關(guān);以及 (e)用于輸入和輸出的無需使用變壓器的共用接地平面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于高電壓升壓比的諧振dc-dc變換器,其特征在于所述高電壓可控開關(guān)可操作地用于中斷所述諧振回路的所述電路的電流。
15.—種諧振DC-DC變換器,其特征在于所述諧振DC-DC變換器包括 (a)無變壓器的DC-DC變換器電路,可操作地用于提供高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換,所述無變壓器的DC-DC變換器電路包括 (i)在低電壓側(cè)上的全橋變換器; ( )在高電壓側(cè)上的半波整流器;以及 (iii)輸入和輸出二者共用的接地。
16.一種具有變壓器的DC-DC變換器,其特征在于所述具有變壓器的DC-DC變換器包括 (a)諧振回路; (b)高電壓開關(guān),可與所述具有變壓器的DC-DC變換器的電路一起操作以通過維持所述高電壓開關(guān)兩端的高電壓切換來執(zhí)行諧振的高電壓阻塞而無反向阻塞; (c)在低電壓側(cè)上的全橋變換器;以及 (d)在高電壓側(cè)上的輸出整流器。
17.一種提供雙極輸出的具有變壓器的諧振DC-DC升壓變換器,其特征在于所述DC-DC升壓變換器包括 (a)在所述變壓器上的高電壓繞組; (b)兩個半波整流器,包括以下各項 (i)第一半波整流器,可操作地用于向正輸出電壓端子供應(yīng)電流;以及( )第二半波整流器,可操作地用于從負(fù)輸出電壓端子汲取電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的提供雙極輸出的具有變壓器的諧振DC-DC升壓變換器,其特征在于所述輸入DC-AC轉(zhuǎn)換由全橋或者半橋來執(zhí)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的提供雙極輸出的具有變壓器的諧振DC-DC升壓變換器,其特征在于所述諧振回路包含電容元件、電感元件和具有低磁化電感的串聯(lián)組合或者等效物。
全文摘要
本發(fā)明提供串聯(lián)DC-DC變換器電路設(shè)計,以及基于這樣的電路設(shè)計的DC-DC變換器,這些電路設(shè)計和DC-DC變換器提供高輸入到輸出電壓轉(zhuǎn)換。變換器包括諧振回路和用于中斷回路電流以產(chǎn)生其中提供零電流和/或零電壓切換的接近零損耗“保持”狀態(tài)而又提供對功率傳送量的控制的裝置。根據(jù)電路設(shè)計的一種用于高電壓升壓比的諧振DC-DC變換器包括(a)低電壓DC-AC變換器;(b)諧振回路;(c)高電壓AC-DC變換器;以及(d)(i)不使用變壓器的在輸入和輸出上的共用接地和/或(ii)在諧振回路內(nèi)的單個高電壓可控開關(guān)。
文檔編號H02M3/305GK102859855SQ201180017205
公開日2013年1月2日 申請日期2011年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月18日
發(fā)明者彼得·瓦爾德瑪·萊恩 申請人:彼得·瓦爾德瑪·萊恩