專利名稱：具有多個(gè)功率變換器的開(kāi)關(guān)模式脈寬調(diào)制的dc-dc轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有多個(gè)功率變換器的開(kāi)關(guān)模式脈寬調(diào)制的dc-dc轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器被廣泛地用于將給定的輸入電功率轉(zhuǎn)換為期望的輸出電功率。通 過(guò)輸入側(cè)上的輸入端子將輸入電功率從源提供給所述轉(zhuǎn)換器，所述輸入電功率被所述轉(zhuǎn)換 器轉(zhuǎn)換成期望的輸出電功率并且隨后通過(guò)被提供給負(fù)載的輸出側(cè)上的輸出端子輸出。所述 轉(zhuǎn)換器包括用于及時(shí)調(diào)制輸入電功率以及用于在電功率被提供給輸出端子之前對(duì)被轉(zhuǎn)換 的電功率進(jìn)行整流的開(kāi)關(guān)布置。在這種開(kāi)關(guān)布置中采用的開(kāi)關(guān)典型地作為固態(tài)開(kāi)關(guān)被提 供，諸如在調(diào)制輸入開(kāi)關(guān)布置中所采用的M0S-FET晶體管，或者在整流輸出開(kāi)關(guān)布置中所 采用的二極管。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)布置中的開(kāi)關(guān)的時(shí)間、頻率和/或占空比以呈現(xiàn)(assume)接通狀態(tài) (開(kāi)關(guān)閉合)或者斷開(kāi)狀態(tài)(開(kāi)關(guān)打開(kāi))的控制電路來(lái)激活所述開(kāi)關(guān)。舉例來(lái)說(shuō)，在M0SFET 開(kāi)關(guān)的情況下，所述控制電路適用于提供門(mén)電壓從而以定時(shí)的方式接通(導(dǎo)通)或者斷開(kāi) (不導(dǎo)通)源極-漏極傳導(dǎo)通道。通過(guò)以同步整流模式來(lái)操作驅(qū)動(dòng)三端子設(shè)備的控制電路， 也可以通過(guò)諸如M0SFET的三端子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)整流二極管。所述dc-dc轉(zhuǎn)換器可以是升壓型(boost-type)轉(zhuǎn)換器，所述升壓型轉(zhuǎn)換器將輸入 電壓轉(zhuǎn)換為更高的輸出電壓。對(duì)于被從所述輸入傳遞到所述輸出的給定量的電功率，這特 別地意味著所述輸入側(cè)需要適用于處理大電流。所述dc-dc轉(zhuǎn)換器可以是降壓型(buck-type)轉(zhuǎn)換器，所述降壓型轉(zhuǎn)換器將輸入 電壓轉(zhuǎn)換為更低的輸出電壓。對(duì)于被從所述輸入傳遞到所述輸出的給定量的電功率，這特 別地意味著所述輸出側(cè)需要適用于處理大電流。所述轉(zhuǎn)換器可以被配置為適用于在兩個(gè)方向上被操作的雙向轉(zhuǎn)換器，即其中端子 可以被可交換地操作為輸入或者輸出端子。所述轉(zhuǎn)換器是隔離的轉(zhuǎn)換器，其中輸入和輸出彼此電氣(galvanically)隔離。 通過(guò)將功率變壓器用于將所述電功率從輸入側(cè)傳遞到輸出側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣隔離(galvanic isolation)0所述dc-dc轉(zhuǎn)換器的高功率應(yīng)用的例子是由燃料電池以高電流的形式提供的處 于低電壓的電功率到高電壓輸出的轉(zhuǎn)換。由于在這種轉(zhuǎn)換中所引入的大電流，轉(zhuǎn)換器電路 的部件經(jīng)受可觀的電流和電壓“壓力”。在已知類型的轉(zhuǎn)換器中，具有大的物理尺寸的部件 可能被需要以處理所述大電流，結(jié)果是伴有增加的感應(yīng)損耗。除了轉(zhuǎn)換效率降低外，過(guò)度的 熱耗散可能導(dǎo)致對(duì)附加的冷卻的需求并且可能嚴(yán)重地限制轉(zhuǎn)換器的額定功率。此外，轉(zhuǎn)換器電路中的漏電感，尤其是與開(kāi)關(guān)部件及關(guān)聯(lián)的連接導(dǎo)線相關(guān)聯(lián)的漏 電感趨向于隨被轉(zhuǎn)換的功率而增加。特別地，處理所述較低電壓并且因此處理所述較高電 流的電路受所述泄漏的影響。克服該問(wèn)題的方式是通過(guò)并行地操作多個(gè)轉(zhuǎn)換器。備選地，處理所述高電流的電路可以被分為多個(gè)并行操作的級(jí)并且處理高電壓的電路的端子可以被串聯(lián)連接。US專利申請(qǐng)no. 6，297，616公開(kāi)了用于電功率存儲(chǔ)裝置的充電和放電設(shè)備。該設(shè) 備包括AC電源及具有第一側(cè)和第二側(cè)的變壓設(shè)備。所述兩側(cè)中的一個(gè)包括多個(gè)并聯(lián)的全 橋轉(zhuǎn)換器，以恒定的百分之五十的占空比來(lái)驅(qū)動(dòng)所述全橋轉(zhuǎn)換器。該設(shè)備還包括多個(gè)存儲(chǔ) 電感器，通過(guò)引導(dǎo)電流通過(guò)串聯(lián)耦合的兩個(gè)主開(kāi)關(guān)并且繼續(xù)通過(guò)變壓設(shè)備的主線圈和次級(jí) 線圈以及最終通過(guò)兩個(gè)次級(jí)開(kāi)關(guān)而使該多個(gè)存儲(chǔ)電感器充電。上述方法的主要缺點(diǎn)是需要附加的開(kāi)關(guān)、整流和/或控制單元。此外，由于所述并 聯(lián)級(jí)中標(biāo)稱一致的部件之間的差別，可觀的損失可能被引入。所述標(biāo)稱一致的部件之間的 差別大部分產(chǎn)生于制造容差?？梢酝ㄟ^(guò)選擇符合較小制造容差的較高質(zhì)量的部件來(lái)將這些 差別減小到一定的程度。然而，這是昂貴的方法，特別是當(dāng)這些電路本身需求較大量部件的 時(shí)候。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換器布置來(lái)提供減小功率轉(zhuǎn)換損失并且克服上述 問(wèn)題的轉(zhuǎn)換器。這通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)模式DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)換器包 括輸入側(cè)上的至少一個(gè)第一電子電路和輸出側(cè)上的第二電子電路，所述輸入側(cè)和所述輸出 側(cè)經(jīng)至少兩個(gè)功率變換器而被耦合，每個(gè)功率變換器包括布置在輸入側(cè)上的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器 級(jí)中的第一線圈和布置在輸出側(cè)的輸出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的第二線圈，所述線圈中的每個(gè)都具 有第一端和第二端。所述第一電子電路包括用于連接源或者負(fù)載的端子、與所述功率變換 器的第一線圈中的至少一個(gè)串聯(lián)耦合的至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器、以及用于每個(gè)功率變換器的 開(kāi)關(guān)的布置，該開(kāi)關(guān)的布置適用于在第一接通狀態(tài)、第一斷開(kāi)狀態(tài)、具有與第一接通狀態(tài)相 反的極性的第二接通狀態(tài)及第二斷開(kāi)狀態(tài)之間切換通過(guò)所述第一線圈的電流，其中所述至 少一個(gè)儲(chǔ)能電感器被布置以便在開(kāi)關(guān)布置中的所有開(kāi)關(guān)都導(dǎo)通時(shí)被充電。所述第二電子電 路包括用于連接負(fù)載或者源的端子，以及單一的開(kāi)關(guān)的布置，該單一的開(kāi)關(guān)的布置適用于 在第一接通狀態(tài)、第一斷開(kāi)狀態(tài)、具有與第一接通狀態(tài)相反的極性的第二接通狀態(tài)及第二 斷開(kāi)狀態(tài)之間切換通過(guò)所述功率變換器的第二線圈的電流，和/或適用于向所述端子提供 整流電流。所有功率變換器的所述第二線圈被串聯(lián)連接并且經(jīng)所述第二電路的所述單一的 開(kāi)關(guān)的布置與所述輸出側(cè)的端子耦合。所述輸入側(cè)上的所述至少一個(gè)第一電路中的電流流動(dòng)比輸出側(cè)上的第二電路中 的對(duì)應(yīng)的電流高。因此，所述輸入側(cè)上的電流被稱為高電流，而所述輸出側(cè)上的電流被稱為 低電流。所述第一線圈的布置和輸入側(cè)上的對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)的布置一起被稱為輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器 級(jí)。所述第二線圈的布置和輸出側(cè)的所述單一的開(kāi)關(guān)的布置一起被稱為輸出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)。所述輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)被連接到用于連接源或者負(fù)載的端子。在實(shí)踐中，不同的輸 入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)常常被連接到相同的DC源(或者負(fù)載)以便并行操作?？商娲?，不同的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)可以被連接到不同的DC源(或者負(fù)載)，由此作 為不同的第一電路獨(dú)立地操作。此外，在不止一個(gè)第一電路的布置中，可以認(rèn)為所述第一電 路中的每個(gè)包括并聯(lián)連接的多個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)。
第一電路中的端子可以被連接到提供高電流(低電壓)源輸出的源。要在輸入側(cè) 被處理的所述高電流被分開(kāi)并且被分布到分開(kāi)的輸入級(jí)。在每個(gè)輸入級(jí)中，所述電流通過(guò) 適用于控制第一線圈中的電流狀態(tài)的所述第一線圈的對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)布置而被提供給所述第 一線圈。通過(guò)在至少兩個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)上分布高電流，由輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的每一個(gè)處 理的功率對(duì)應(yīng)地被劃分，由此減小單個(gè)開(kāi)關(guān)部件上的電流壓力以及由于寄生阻抗引起的損 耗，諸如漏電感和/或?qū)Ь€電阻。所述電流經(jīng)功率變換器被傳遞到輸出側(cè)輸出級(jí)并且經(jīng)所 述輸出側(cè)的端子作為經(jīng)整流的輸出電流被提供給負(fù)載。由于所有第二線圈都被直接串聯(lián)耦 合，通過(guò)第二線圈的電流被箝位，由此有助于所述輸入側(cè)輸入級(jí)之間相等的電流分布。此 外，只需要單一的開(kāi)關(guān)的布置，此處為通用的整流器電路，由此減小了電路復(fù)雜度和成本。當(dāng)所述開(kāi)關(guān)布置的所有開(kāi)關(guān)都導(dǎo)通時(shí)，并且在沒(méi)有電流通過(guò)輸出側(cè)上的第二線圈 的地方和/或輸出側(cè)上的開(kāi)關(guān)布置阻止電流的地方，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器從輸入側(cè)的 所述端子而被充電。通過(guò)使開(kāi)關(guān)布置中的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)不導(dǎo)通以便將儲(chǔ)能電感器的至少一端與源 斷開(kāi)來(lái)停止儲(chǔ)能電感器的充電。同時(shí)，開(kāi)關(guān)布置中的一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)被保持導(dǎo)通以便維持 用于將存儲(chǔ)在所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器中的能量傳遞到至少一個(gè)第一線圈的電流通路。用來(lái)自輸入側(cè)的輸入操作的、根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的典型的開(kāi)關(guān)周期包括與通過(guò) 至少一個(gè)第一線圈的電流的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的四個(gè)連續(xù)的部分
_在第一斷開(kāi)狀態(tài)期間，所述儲(chǔ)能電感器被充電，-在第一接通狀態(tài)期間，通過(guò)使電流在第一方向上流過(guò)第一線圈而將能量從所述 儲(chǔ)能電感器傳遞到所述至少一個(gè)第一線圈，-在第二斷開(kāi)狀態(tài)期間，所述儲(chǔ)能電感器被重新充電，以及-在第二接通狀態(tài)期間，通過(guò)使電流在與第一方向相反的第二方向上流過(guò)第一線 圈而將能量從所述儲(chǔ)能電感器傳遞到所述至少一個(gè)第一線圈。因此在所述功率變換器的第一線圈中被感應(yīng)的電流脈沖被耦合到對(duì)應(yīng)的第二線 圈。所述第二線圈直接被串聯(lián)耦合，并且因此在所述第二線圈中被感應(yīng)的電流被提供最 小感應(yīng)的電流的功率變換器限制，由此將其他功率變換器中的電流箝位至實(shí)質(zhì)上相等的分 布。相等的分布減小輸入側(cè)上的不同轉(zhuǎn)換器級(jí)中的部件上不均勻的壓力的風(fēng)險(xiǎn)，減小調(diào)整 部件尺寸以具有大的安全余量的需求，并且由此減小生產(chǎn)成本。所述第二線圈中的電流脈 沖通過(guò)第二電路的單個(gè)的開(kāi)關(guān)布置而被整流并且作為低電流整流的輸出經(jīng)輸出側(cè)上的端 子而被提供給負(fù)載。根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的另外的優(yōu)點(diǎn)是不同輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的開(kāi)關(guān)布置典型地以 同步的方式被操作以便在輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的所有第一線圈中同時(shí)提供實(shí)質(zhì)上相同的電流 狀態(tài)。因此，單個(gè)控制電路對(duì)于驅(qū)動(dòng)所有輸入側(cè)開(kāi)關(guān)布置是足夠的。這很大程度上簡(jiǎn)化了 用于根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的架空電路(overhead circuitry)，由此降低了生產(chǎn)成本。如前所述，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器直接通過(guò)優(yōu)選地為四個(gè)的主開(kāi)關(guān)充電。由 此，由于寄生阻抗而引起的損耗對(duì)應(yīng)于僅來(lái)自一個(gè)開(kāi)關(guān)的阻抗。因此，與美國(guó)專利申請(qǐng) no. 6，297，616相比，本發(fā)明避免了來(lái)自一個(gè)主開(kāi)關(guān)、變壓級(jí)的主線圈和次級(jí)線圈以及兩個(gè) 次級(jí)開(kāi)關(guān)的損耗。優(yōu)選地，經(jīng)輸入側(cè)上的開(kāi)關(guān)布置來(lái)控制所述脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)模式DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)第一優(yōu)選實(shí)施例，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器被耦合到電流平衡電路或者是電 流平衡電路的一部分。新的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)使電流平衡成為必需以便使來(lái)自轉(zhuǎn)換器的 損耗最小。在實(shí)踐中，根據(jù)本發(fā)明的電流平衡可以以兩種方式實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)至少成對(duì)地磁耦 合公共的磁芯上的儲(chǔ)能電感器以便使它們的電感相等，或者通過(guò)將所述儲(chǔ)能電感器與輸入 側(cè)上的至少一個(gè)電流平衡變壓器串聯(lián)耦合。這些實(shí)施例將在后面被說(shuō)明。所述電流平衡也可以被用于降壓轉(zhuǎn)換器。因此，根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供脈 寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)模式DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，所述降壓轉(zhuǎn)換器包括輸入側(cè)上的至少一個(gè)第一電子 電路和輸出側(cè)上的第二電子電路，所述輸入側(cè)和輸出側(cè)經(jīng)至少兩個(gè)功率變換器耦合，每個(gè) 功率變換器包括布置在輸入側(cè)上的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的第一線圈和布置在輸出側(cè)上的輸 出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的第二線圈，每個(gè)所述線圈都具有第一端和第二端。第一電子電路包括用 于連接負(fù)載或者源的端子，以及適用于在第一接通狀態(tài)、第一斷開(kāi)狀態(tài)、具有與第一接通狀 態(tài)相反的電極的第二接通狀態(tài)及第二斷開(kāi)狀態(tài)之間切換通過(guò)第一線圈的電流的單一的開(kāi) 關(guān)布置。所有功率變換器的第一線圈被串聯(lián)連接并且經(jīng)第一電路的單一的開(kāi)關(guān)布置與輸入 側(cè)的端子耦合。所述第二電子電路包括用于連接源或者負(fù)載的端子，與所述功率變換器的 第二線圈中的至少一個(gè)串聯(lián)耦合的至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器，以及用于每個(gè)功率變換器的開(kāi)關(guān) 布置，其適用于整流電流。當(dāng)通過(guò)第一線圈的電流處于第一接通狀態(tài)和/或第二接通狀態(tài)時(shí)，所述至少一個(gè) 儲(chǔ)能電感器被充電。典型地，這在輸入側(cè)上的開(kāi)關(guān)中的兩個(gè)導(dǎo)通時(shí)發(fā)生。在一個(gè)實(shí)施例中， 第一儲(chǔ)能電感器在開(kāi)關(guān)中的兩個(gè)導(dǎo)通時(shí)充電，并且第二儲(chǔ)能電感器在兩個(gè)其他開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí) 充電。根據(jù)降壓轉(zhuǎn)換器的第一優(yōu)選實(shí)施例，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器耦合到電流平衡電 路或者是電流平衡電路的一部分。在實(shí)踐中，根據(jù)本發(fā)明的電流平衡可以以兩種方式來(lái)實(shí) 現(xiàn)，即通過(guò)至少成對(duì)地磁耦合公共的磁芯上的儲(chǔ)能電感器以便使它們的電感相等，或者通 過(guò)將儲(chǔ)能電感器與輸出側(cè)上的至少一個(gè)電流平衡變壓器串聯(lián)耦合。因此，所說(shuō)明的用于使 升壓轉(zhuǎn)換器電流平衡的方法和在下文中所說(shuō)明的實(shí)施例也可以被用于降壓轉(zhuǎn)換器。根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，適用于切換通過(guò)第一線圈的電流的開(kāi)關(guān)布置包括兩個(gè)并 聯(lián)耦合的級(jí)，每個(gè)并聯(lián)耦合的連接包括串聯(lián)連接到第二開(kāi)關(guān)的第一開(kāi)關(guān)，并且其中所述第 一線圈的第一端被耦合到所述兩個(gè)并聯(lián)耦合的級(jí)中的一個(gè)的串聯(lián)連接，并且其中所述第一 線圈的第二端被耦合到所述兩個(gè)并聯(lián)耦合的級(jí)中的另一個(gè)的串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述轉(zhuǎn)換器適用于作為升壓轉(zhuǎn)換器操作，其中所述輸入 側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)作為調(diào)制輸入級(jí)被提供并且所述輸出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)作為整流輸出級(jí)被提供。在實(shí)踐中，所述調(diào)制輸入級(jí)是(除制造容差之外)標(biāo)稱一致的，并且所述調(diào)制輸入 級(jí)的開(kāi)關(guān)布置典型地被配備有固態(tài)開(kāi)關(guān)，諸如具有源極端子和經(jīng)源極-漏極通道連接到所 述源極端子的漏極端子以及用于切換源極-漏極通道的傳導(dǎo)性(conductivity)的門(mén)極端 子的M0SFET。所述切換動(dòng)作被控制單元定時(shí)并且驅(qū)動(dòng)。為了避免單個(gè)部件上的電流和電壓 壓力，以同步的方式驅(qū)動(dòng)所述開(kāi)關(guān)布置。因此，單個(gè)的控制單元對(duì)于控制調(diào)制輸入開(kāi)關(guān)的所 有固態(tài)開(kāi)關(guān)通常是足夠的。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述輸出級(jí)被提供有用于所有功率轉(zhuǎn)換器的公共的單一整流開(kāi)關(guān)布置。所述開(kāi)關(guān)可以是二極管或者以同步的方式被驅(qū)動(dòng)的三端子的固態(tài)開(kāi)關(guān)以便當(dāng)電流 在一個(gè)方向上流動(dòng)時(shí)使所述開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，并且當(dāng)電流在相反的方向上流動(dòng)時(shí)，使所述開(kāi)關(guān)不 導(dǎo)通，由此所述固態(tài)開(kāi)關(guān)有效地起二極管的作用。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所有調(diào)制輸入級(jí)被并聯(lián)連接到公共的輸入端子，并且 每個(gè)所述調(diào)制輸入級(jí)中的開(kāi)關(guān)布置是全橋升壓式開(kāi)關(guān)布置。在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所有調(diào)制輸入級(jí)被并聯(lián)連接到公共的輸入端 子，并且所述調(diào)制輸入級(jí)的開(kāi)關(guān)布置是推挽升壓式開(kāi)關(guān)布置。在根據(jù)本發(fā)明的又另一個(gè)實(shí)施例中，所有調(diào)制輸入級(jí)被并聯(lián)連接到公共的輸入端 子，并且所述調(diào)制輸入級(jí)的開(kāi)關(guān)布置是雙電感器升壓式開(kāi)關(guān)布置。在上述實(shí)施例的另外的改進(jìn)中，所述輸入級(jí)中的單一的開(kāi)關(guān)布置由以整流全橋布 置的二極管來(lái)提供。所述整流輸出級(jí)的另外的配置可以被構(gòu)想，諸如分離次級(jí)整流器或者 電壓倍增整流器配置。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)被并聯(lián)連接到公共的端 子對(duì)。當(dāng)來(lái)自一個(gè)高電流(低電壓)源的DC功率(DC-power)(諸如燃料電池布置)要被 轉(zhuǎn)換以便驅(qū)動(dòng)要求超過(guò)由所述源提供的電壓的電壓的負(fù)載時(shí)，該實(shí)施例是尤其優(yōu)選的。可 替代地，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的轉(zhuǎn)換器可以從低電流(高電壓)源供給一個(gè)要求大 電流的高功率負(fù)載。在根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，所述輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的每個(gè)包括與所述輸入 側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的第一線圈串聯(lián)連接的至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器。通過(guò)在每個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中布置儲(chǔ)能 電感器，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)儲(chǔ)能電感器僅處理一小部分電流。這對(duì)于高功率應(yīng)用尤其有利，其中 例如單個(gè)儲(chǔ)能電感器中的熱耗散否則可能將轉(zhuǎn)換器的縮放比例限制為所要求的規(guī)范。另外，根據(jù)本發(fā)明，至少兩個(gè)儲(chǔ)能電感器(每個(gè)被布置在不同的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí) 中)至少經(jīng)公共的磁芯成對(duì)地磁耦合以便使它們的電感相等。在實(shí)踐中，典型地通過(guò)將所 述至少兩個(gè)儲(chǔ)能電感器卷繞到公共的磁芯上來(lái)提供所述磁耦合。因此，該至少兩個(gè)儲(chǔ)能電 感器可以被看作在公共的芯上具有至少兩個(gè)線圈的單個(gè)儲(chǔ)能電感器。優(yōu)選地，所述電感器線圈被卷繞在一起以在相同的磁片上形成交錯(cuò)的感應(yīng)圈。所 述磁耦合確保了對(duì)于耦合的電感器的實(shí)質(zhì)上相同的電感并且確保了電流在兩個(gè)耦合的級(jí) 之間被平衡?？梢酝ㄟ^(guò)功率變換器有效地控制所述電流分布。由此實(shí)現(xiàn)的耦合級(jí)之間良好 平衡的電流分布使損耗最小，因?yàn)殡娏鏖g的差別否則將不得不在輸入側(cè)上的保護(hù)電路中被 消耗以便滿足由第二線圈的直接串聯(lián)耦合所強(qiáng)加的對(duì)第一線圈的最小電流的電流限制的 條件。此外，所述轉(zhuǎn)換器級(jí)部件(諸如開(kāi)關(guān)布置中的固態(tài)開(kāi)關(guān))中的電流和電壓壓力被最 小化，從而允許更優(yōu)化的并且因此成本更有效的部件的尺寸選擇。在根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施例中，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器作為公共的儲(chǔ)能電感 器被提供用于功率變換器。由于所有輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)都從公共的儲(chǔ)能電感器被供給，故該 實(shí)施例消除了由于不同儲(chǔ)能電感器之間的差別而引起的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)之間的電流分布 中的假象。在本發(fā)明的另外的方面，所述轉(zhuǎn)換器包括輸入側(cè)上的至少一個(gè)電流平衡變壓器。 所述電流平衡變壓器包括在與輸入側(cè)上的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)的開(kāi)關(guān)布置串聯(lián)的主支路中被提 供的至少一個(gè)主線圈，以及在與另外的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的開(kāi)關(guān)布置串聯(lián)的次級(jí)支路中被提供的至少一個(gè)次級(jí)線圈。所述主線圈和所述次級(jí)線圈被以相反的極性布置以使主支路和次 級(jí)支路磁耦合以便感應(yīng)耦合的支路中的相反的電流，由此以預(yù)先定義的電流平衡比成對(duì)地 平衡所述耦合的支路之間的電流分布。至少一個(gè)電流平衡變壓器提供至少兩個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)之間的耦合，由此能量可 以在所述至少兩個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)之間被傳遞以便平衡對(duì)應(yīng)的第一線圈中的電流。所述電流平衡 變壓器不需要處理提供給各個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的全部功率，而是只平衡與預(yù)先確定的平衡比的偏 差，并且因此在實(shí)踐中，所述電流平衡變壓器被調(diào)整尺寸到與每個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的標(biāo) 稱電流流動(dòng)的偏差的期望的擴(kuò)展。所述平衡比實(shí)質(zhì)上由所述變壓器比來(lái)確定，所述變壓器 比適合于通過(guò)主支路被供給的功率變換器的數(shù)量與通過(guò)次級(jí)支路被供給的功率變換器的 數(shù)量之間的比。典型地，所述主支路和所述次級(jí)支路將適用于將電流相等地分布到一致數(shù) 量的功率變換器并且所述電流平衡比被選擇為1 1。在上述實(shí)施例的另外的改進(jìn)中，轉(zhuǎn)換器包括偶數(shù)N = 2n個(gè)功率變換器，其中n為 大于1的整數(shù)，以及M = (2n-l)個(gè)電流平衡變壓器的級(jí)聯(lián)布置，該電流平衡變壓器被布置 為使通過(guò)級(jí)聯(lián)的耦合的支路對(duì)中的N個(gè)功率變換器的第一線圈的電流相繼地平衡，其中每 個(gè)所述電流平衡變壓器提供11的電流平衡比。電流平衡變壓器的這種樹(shù)形布置主要適用于輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)，所述輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器 級(jí)被并行操作并且經(jīng)公共的端子對(duì)從相同的源被供給。特別地，2k個(gè)功率變換器良好地適 合用于這種布置，其中k是在功率變換器級(jí)之前支路被劃分的次數(shù)的數(shù)量。在所述級(jí)聯(lián)的第一階中，連接到輸入側(cè)上的一個(gè)端子的第一支路被分路為第一主 支路和第一次級(jí)支路。所述第一主支路經(jīng)第一電流平衡變壓器被耦合到所述第一次級(jí)支路 以便提供主支路和次級(jí)支路之間的電流的相等分布。在所述級(jí)聯(lián)的每個(gè)進(jìn)一步的階中，該 階的第一主支路和第一次級(jí)支路中的每一個(gè)被分路為下一個(gè)階的主支路和次級(jí)支路直到 支路的數(shù)量等于輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的數(shù)量，所述輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)中的每個(gè)都包括一個(gè)功率變 換器。所述級(jí)聯(lián)的最后階的支路隨后被連接以便使每個(gè)支路供給一個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)。在 所述級(jí)聯(lián)的每個(gè)階中，主支路和次級(jí)支路被提供有具有1 1的平衡比的電流平衡變壓器 以便確保電流相等分布到每個(gè)支路中，由此確保電流到所有輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的相等分布。在上述實(shí)施例的另一個(gè)改進(jìn)中，所述轉(zhuǎn)換器包括奇數(shù)P = (2n+l)個(gè)功率變換器， 其中n為大于或者等于1的整數(shù)，以及Q = 2n個(gè)電流平衡變壓器的級(jí)聯(lián)布置，該電流平衡 變壓器被布置為使通過(guò)級(jí)聯(lián)的耦合支路對(duì)中的N個(gè)功率變換器的第一線圈的電流相繼地 平衡，其中至少一個(gè)電流平衡變壓器提供2 1的電流平衡比。電流平衡變壓器的這種布 置確保電流在奇數(shù)個(gè)(大于1)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)上的均勻分布。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例 對(duì)于其中從一個(gè)支路被供給的功率變換器的數(shù)量不能被表示為2的乘冪(諸如奇數(shù)個(gè)功率 變換器)的轉(zhuǎn)換器尤其恰當(dāng)。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)向第一主支路提供兩倍于第一次級(jí)支路的電 流并且接著只將第一主支路分路為以11的電流分布比被供給的進(jìn)一步的主支路和進(jìn)一 步的次級(jí)支路，可以在級(jí)聯(lián)的第一階中實(shí)現(xiàn)到三個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的電流的相等分布，每 個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)包括一個(gè)功率變換器。第一階中的所述電流分布比由具有21的電流 平衡比的電流分布變壓器來(lái)平衡，同時(shí)另外的主支路和另外的次級(jí)支路之間的電流分布由 具有1 1的電流分布比的電流分布變壓器來(lái)平衡。所述第一次級(jí)支路、進(jìn)一步的主支路 和進(jìn)一步的次級(jí)支路隨后被連接以每個(gè)供給一個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述轉(zhuǎn)換器適用于作為雙向轉(zhuǎn)換器的操作，其中通過(guò) 以全橋配置的開(kāi)關(guān)來(lái)提供所有的開(kāi)關(guān)布置。為了在兩個(gè)方向上操作轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)布置中的 開(kāi)關(guān)必須是可控的開(kāi)關(guān)，即三端子設(shè)備?？刂齐娐繁仨毐惶峁┯糜谵D(zhuǎn)換器的兩側(cè)，所述控制 電路被用于在對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換器級(jí)作為輸入操作時(shí)驅(qū)動(dòng)用于輸入調(diào)制的開(kāi)關(guān)，并且在對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn) 換器級(jí)作為輸出操作時(shí)驅(qū)動(dòng)用于整流的開(kāi)關(guān)。在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器電路的實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，第一電路的并聯(lián)級(jí)可以通過(guò)箝位和保 護(hù)電路而被連接。此外，低通濾波器在實(shí)踐中常常作為跨輸入端子和/或輸出端子連接的 電容被提供，以從將在各個(gè)端子處被提供的dc電流中去除瞬態(tài)變化和波動(dòng)。為了清楚起 見(jiàn)，諸如箝位、保護(hù)和過(guò)濾電路沒(méi)有被詳細(xì)說(shuō)明。


現(xiàn)在通過(guò)參考附圖將實(shí)施例作為例子來(lái)解釋本發(fā)明。附圖示出圖1現(xiàn)有技術(shù)的隔離升壓轉(zhuǎn)換器；圖2具有兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)的隔離升壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)輸入級(jí)包含儲(chǔ)能電感器；圖3具有兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)和磁耦合的儲(chǔ)能電感器的隔離升壓轉(zhuǎn)換器；圖4具有兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)、一個(gè)公共的儲(chǔ)能電感器和電流平衡變壓器的隔離升壓 轉(zhuǎn)換器；圖5具有兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)、磁耦合的儲(chǔ)能電感器和電流平衡變壓器的隔離升壓轉(zhuǎn) 換器；圖6具有四個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)和三個(gè)電流平衡變壓器的級(jí)聯(lián)布置的隔離升壓轉(zhuǎn)換器；圖7具有三個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)和兩個(gè)電流平衡變壓器的級(jí)聯(lián)布置的隔離升壓轉(zhuǎn)換器；圖8具有兩個(gè)并聯(lián)輸出級(jí)的隔離降壓轉(zhuǎn)換器，輸出級(jí)具有電流倍增整流器布置、 磁耦合的儲(chǔ)能電感器和電流平衡變壓器；圖9具有兩個(gè)并聯(lián)的第一側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的隔離雙向轉(zhuǎn)換器，每個(gè)第一側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)包 括電流倍增整流器布置、磁耦合的儲(chǔ)能電感器和電流平衡變壓器；圖10具有通過(guò)電流平衡變壓器耦合的獨(dú)立的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的隔離降壓轉(zhuǎn)換 器，以及圖11具有保護(hù)電路的圖3的隔離升壓轉(zhuǎn)換器。
具體實(shí)施例方式圖1示出具有通過(guò)功率變換器T1耦合的一個(gè)輸入級(jí)和一個(gè)輸出級(jí)的現(xiàn)有技術(shù)的 隔離升壓轉(zhuǎn)換器。輸入級(jí)被提供有儲(chǔ)能電感器L，以及控制通過(guò)功率變換器T1的第一線圈Tla的電 流的調(diào)制開(kāi)關(guān)SI、S2、S3、S4的全橋布置。輸出級(jí)包括用于對(duì)從功率變換器T1的第二線圈Tib接收的電流脈沖進(jìn)行整流的 二極管Dl、D2、D3、D4的全橋整流布置。輸出功率可以通過(guò)輸出端子對(duì)BO、B1提供給負(fù)載 (未示出)。通過(guò)調(diào)制通過(guò)第一線圈的電流脈沖的脈寬來(lái)控制輸出電流，使用控制單元(未 示出)相應(yīng)地控制開(kāi)關(guān)SI、S2、S3、S4來(lái)進(jìn)行該調(diào)制。當(dāng)所有開(kāi)關(guān)SI、S2、S3、S4閉合時(shí)， 儲(chǔ)能電感器L被充電同時(shí)第一線圈Tla的第一端和第二端被短路。第一線圈Tla中的電流
11處于第一斷開(kāi)狀態(tài)。同時(shí)打開(kāi)開(kāi)關(guān)對(duì)S1、S4使通過(guò)第一線圈Tla的電流處于第一接通狀態(tài) 用于驅(qū)動(dòng)通過(guò)第一線圈Tla的第一電流脈沖，從而將能量從升壓電感器傳遞到功率變換器 直到開(kāi)關(guān)SI、S4再次閉合并且儲(chǔ)能電感器L被重新充電。接著，余下的開(kāi)關(guān)對(duì)S2、S3被激 活并且與第一電流脈沖相反流向的第二電流脈沖被生成。開(kāi)關(guān)SI、S2、S3、S4的激活方案 是要被操作用于始終為儲(chǔ)能電感器的放電提供電流路徑以避免穿過(guò)(across)開(kāi)關(guān)S1、S2、 S3、S4中的任何一個(gè)的有害電壓壓力的過(guò)度聚集。通常，保護(hù)電路(緩沖器、此處未示出) 被提供以吸收過(guò)度的電流/電壓。此外，電容器C跨接在輸出端子BO、B1上以從輸出功率中去除波動(dòng)和瞬態(tài)變化。 電容器C的功能在所有實(shí)施例中都是相同的，并且因而對(duì)電容器C的說(shuō)明在下文中被省略。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的dc-dc轉(zhuǎn)換器的第一實(shí)施例。圖2所示的隔離升壓轉(zhuǎn)換器 在輸入側(cè)1上具有并聯(lián)連接并且通過(guò)兩個(gè)功率變換器T1、T2耦合到輸出側(cè)2上的輸出側(cè)轉(zhuǎn) 換器級(jí)5的兩個(gè)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)3、4。輸入側(cè)1的轉(zhuǎn)換器級(jí)3、4被配置為輸入級(jí)，其中每個(gè)轉(zhuǎn)換器級(jí)包括儲(chǔ)能電感器L1、 L2，以及控制通過(guò)功率變換器Tl、T2的第一線圈Tla、T2a的電流的調(diào)制開(kāi)關(guān){SI、S2、S3、 S4}、{S5、S6、S7、S8}的全橋布置。輸出側(cè)2的轉(zhuǎn)換器級(jí)5包括用于對(duì)從兩個(gè)功率變換器T1、T2接收的電流脈沖進(jìn)行 整流的二極管{Dl、D2、D3、D4}的單一全橋整流器布置。第二線圈Tib和T2b被直接串聯(lián) 連接，其中最外端被連接到整流器{Dl、D2、D3、D4}。在操作中，高電流通過(guò)端子AO、A1被提供給輸入側(cè)。電流根據(jù)輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)的 阻抗在節(jié)點(diǎn)N1處被分開(kāi)，并且被饋送到分別由開(kāi)關(guān){S1、S2、S3、S4}、{S5、S6、S7、S8}的布 置調(diào)制的第一線圈Tla、T2a。所生成的電流脈沖被傳遞到第二線圈Tib、T2b。由于第二線 圈Tlb、T2b的直接串聯(lián)連接，在其中所感應(yīng)的電流被限于從第一線圈Tla、T2a并聯(lián)傳遞的 電流的最小值。不能從輸入側(cè)1傳遞到輸出側(cè)2的過(guò)載電流通常由輸入側(cè)上的保護(hù)電路 (緩沖器)P吸收。被吸收的能量可以在保護(hù)電路P中被消耗或者在一些情況中被恢復(fù)用于 從保護(hù)電路P的稍后的傳遞。在第二線圈Tlb、T2b的串聯(lián)中被感應(yīng)的電流脈沖在由單一開(kāi) 關(guān)布置構(gòu)成的通用整流器中被整流，此處所示出的是二極管{Dl、D2、D3、D4}的全橋布置。 整流輸出可以通過(guò)低通濾波器C并且經(jīng)輸出端子B0、B1被提供給負(fù)載。圖3示出圖2所示的隔離升壓轉(zhuǎn)換器的修正版本，通過(guò)提供兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)3、4 之間的耦合以使到所述輸入級(jí)3、4的電流分布相等來(lái)修正圖2所示的隔離升壓轉(zhuǎn)換器。通 過(guò)使在第一輸入級(jí)3中被提供的儲(chǔ)能電感器L1-1和在第二輸入級(jí)4中被提供的儲(chǔ)能電感 器L1-2磁耦合來(lái)提供耦合，例如通過(guò)將兩個(gè)電感器卷繞到公共的磁芯上。磁耦合確保耦合 的儲(chǔ)能電感器呈現(xiàn)(assume)大體上相同的電感，并且通過(guò)功率變換器的第二線圈的串聯(lián) 連接在能量傳遞狀態(tài)(即接通狀態(tài))期間控制兩個(gè)電感器之間的電流平衡。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的隔離dc-dc轉(zhuǎn)換器的另外的實(shí)施例。儲(chǔ)能電感器作為公共 電感器L被提供，其被置于節(jié)點(diǎn)m的分路之前。該實(shí)施例在單個(gè)儲(chǔ)能電感器L的大小和/ 或功率性能沒(méi)有限制的地方尤其適用。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是電流分布中沒(méi)有擴(kuò)散(spread) 發(fā)生。這種擴(kuò)散典型地由于置于例如圖2所示的實(shí)施例的輸入級(jí)內(nèi)的獨(dú)立的儲(chǔ)能電感器 L1、L2之間的電感中的差別而產(chǎn)生。在圖4所示的實(shí)施例中，兩個(gè)并聯(lián)輸入級(jí)3、4通過(guò)電流平衡變壓器XI耦合。電流平衡變壓器XI包括布置在第一輸入級(jí)3中的主支路6中的主線圈X1-1，以及第二輸入級(jí)4 的第二支路7中的次級(jí)線圈X1-2。如果兩個(gè)輸入級(jí)3、4中的電流彼此不同，變壓器XI通過(guò)將電壓從一個(gè)輸入級(jí)“拉” 至另一個(gè)輸入級(jí)來(lái)使兩個(gè)輸入級(jí)中的電流平衡。電流平衡變壓器XI只需要處理所要求用 于使電流平衡的較小的電壓而不是需要處理每個(gè)輸入級(jí)3、4中的全部功率。這具有相當(dāng)可 觀的實(shí)踐優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榕c被轉(zhuǎn)換的全部功率相比電流平衡變壓器XI只需要一小部分額定功率。圖5示出圖3和圖4所示的隔離升壓變壓器的實(shí)施例的組合。輸入級(jí)3、4中的每 一個(gè)具備儲(chǔ)能電感器Ll-l、Ll-2。儲(chǔ)能電感器Ll-l、Ll-2磁耦合以使它們的電感相等。另 外，電流平衡變壓器XI被提供用于耦合兩個(gè)輸入級(jí)3、4以補(bǔ)償兩個(gè)輸入級(jí)3、4中的電流流 動(dòng)的差別。在其中儲(chǔ)能電感器Ll-l、Ll-2不是磁耦合的實(shí)施例也是本發(fā)明所預(yù)期的。圖6示出包括四個(gè)功率變換器T1、T2、T3、T4的隔離升壓轉(zhuǎn)換器，這些功率變換器 分別連接到輸入側(cè)1上的四個(gè)并聯(lián)的輸入級(jí)中的一個(gè)，并且連接到輸出側(cè)2上的整流輸出 級(jí)Re。四個(gè)輸入級(jí)中的每一個(gè)都包括儲(chǔ)能電感器Ll-1、Ll-2、Ll-3、Ll_4，以及用于控制 通過(guò)對(duì)應(yīng)的功率變換器Tl、T2、T3、T4的第一線圈的電流的調(diào)制開(kāi)關(guān)的全橋式布置。在所 示的配置中，所有四個(gè)儲(chǔ)能電感器L1-1、L1-2、L1-3、L1_4磁耦合以使它們的電感相等。通過(guò)分路節(jié)點(diǎn)N3、N2、N1的級(jí)聯(lián)布置向輸入側(cè)1供給電流，該分路節(jié)點(diǎn)N3、N2、N1 分開(kāi)通過(guò)端子A1被提供的輸入電流以向所有四個(gè)輸入級(jí)提供相等的電流。在每個(gè)分路N3、 N2.N1處，通過(guò)電流平衡變壓器X3、X2、X1使電流分布平衡，每個(gè)電流平衡變壓器包括主線 圈 X3-1、X2-1、X1-1 和次級(jí)線圈 X3-2、X2-2、Xl-2。為了實(shí)現(xiàn)相等的電流分布，所有四個(gè)輸入級(jí)的阻抗被設(shè)計(jì)為大體上相同，并且由 變壓器比給定的電流平衡比對(duì)于所有三個(gè)電流平衡變壓器X3、X2、X1都為1 1。其中儲(chǔ)能電感器Ll-1、Ll-2、Ll-3、Ll_4不是磁耦合的實(shí)施例也是本發(fā)明所預(yù)期 的。圖7示出根據(jù)本發(fā)明的dc-dc升壓轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)實(shí)施例。圖7所示的實(shí)施例包 含通過(guò)具有電流平衡變壓器X4、X1的分路節(jié)點(diǎn)N4、m的級(jí)聯(lián)布置從輸入側(cè)1被供給的三個(gè) 功率變換器T1、T2、T3，每個(gè)電流平衡變壓器包括主線圈X4-1、X1-1和次級(jí)線圈X4-2、Xl-2。 節(jié)點(diǎn)m向兩個(gè)標(biāo)稱相同的輸入級(jí)提供電流。因而，電流平衡變壓器XI以平衡比1 1平 衡電流。然而，節(jié)點(diǎn)N4向三個(gè)輸入級(jí)提供電流，即通過(guò)主線圈X4-1被供給的兩個(gè)輸入級(jí)， 及通過(guò)電流平衡變壓器X4的次級(jí)線圈X4-2被供給的一個(gè)輸入級(jí)。因此，電流平衡變壓器 X4的電流平衡比為1 2，以提供兩倍于通過(guò)次級(jí)線圈X4-2的電流的通過(guò)主線圈X4-1的 電流。因而，X4-2包括兩倍于X4-1的線圈。其中儲(chǔ)能電感器L1-1、L1-2、L1_3不是磁耦合 的實(shí)施例也是本發(fā)明所預(yù)期的。圖8示出利用電流平衡變壓器的dc-dc轉(zhuǎn)換器的備選實(shí)施例。圖8所示的實(shí)施例 是包括兩個(gè)功率變換器T1、T2的隔離降壓型轉(zhuǎn)換器，其中輸出側(cè)2作為輸入級(jí)操作，并且輸 入側(cè)1包括兩個(gè)并聯(lián)的整流輸出級(jí)。在輸入側(cè)，開(kāi)關(guān){S9、S10、Sll、S12}的單一全橋式布置控制通過(guò)彼此串聯(lián)耦合的 所有第二線圈Tib、T2b的電流。
在輸出側(cè)，第一線圈Tla、T2a中的每一個(gè)都向電流倍增整流電路饋電(feed)。取 決于第一線圈Tla、T2a中的電流的方向，通過(guò)連接到第一線圈Tla、T2a的輸入側(cè)的儲(chǔ)能電 感器L1-1和L1-2，或者通過(guò)連接到第一線圈Tla、T2a的輸出側(cè)的儲(chǔ)能電感器L2_l、L2-2 并聯(lián)地提供輸出。并聯(lián)輸出級(jí)的對(duì)應(yīng)的支路被耦合以確保輸出級(jí)之間的電流的相等分布。對(duì)應(yīng)的支 路是被連接以同時(shí)通過(guò)節(jié)點(diǎn)N5向輸出端子A1提供電流的那些支路。就是說(shuō)，支路8和支 路10彼此對(duì)應(yīng)，并且支路9和支路11彼此對(duì)應(yīng)。通過(guò)并聯(lián)輸出及的對(duì)應(yīng)支路中的儲(chǔ)能電 感器Ll-l、Ll-2和L2-l、L2-2的磁耦合和/或借助于電流平衡變壓器X5、X6來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合， 其中電流平衡變壓器X5、X6分別用于平衡主支路8中的主線圈X5-1和次級(jí)支路10中的次 級(jí)線圈X5-2之間的電流，以及相應(yīng)地通過(guò)平衡電流平衡變壓器X6的主線圈X6-1和次級(jí)線 圈X6-2之間的電流來(lái)平衡支路9和支路11之間的電流。當(dāng)S9和S12導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)第二線圈Tib、T2b的電流處于第一接通狀態(tài)，并且二極 管D6和D8為斷開(kāi)。因而，儲(chǔ)能電感器L1-1和L1-2被充電，同時(shí)儲(chǔ)能電感器L2-1和L2-2 被放電。當(dāng)S10和S11導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)第二線圈Tlb、T2b的電流處于第二接通狀態(tài)，并且二極 管D5和D7斷開(kāi)。因而，儲(chǔ)能電感器L2-1和L2-2被充電，同時(shí)儲(chǔ)能電感器L1-1和L1-2被 放電。其中儲(chǔ)能電感器L1-1、L1_2和/或儲(chǔ)能電感器L1-3、L1_4不是磁耦合的實(shí)施例也 是本發(fā)明所預(yù)期的。圖9示出根據(jù)本發(fā)明的dc-dc轉(zhuǎn)換器的另外的實(shí)施例。圖9所示的實(shí)施例是包 括兩個(gè)功率變換器T1、T2的隔離雙向轉(zhuǎn)換器。兩側(cè)的開(kāi)關(guān)布置具備可控開(kāi)關(guān){S9. . . S12}、 {S13，S14}、{S15，S16}，諸如三端子的固態(tài)開(kāi)關(guān)。因而，轉(zhuǎn)換器可以在兩個(gè)方向上操作。在 被選為輸入的那側(cè)，(一個(gè)或多個(gè))開(kāi)關(guān)布置被驅(qū)動(dòng)用于調(diào)制輸入電流。在相反側(cè)(其被 選為輸出)，(一個(gè)或多個(gè))開(kāi)關(guān)布置被驅(qū)動(dòng)用于對(duì)從功率變換器T1、T2接收的電流脈沖進(jìn) 行整流。其中儲(chǔ)能電感器L1-1、L1_2和/或能量電感器L1-3、L1_4不是磁耦合的實(shí)施例也 是本發(fā)明所預(yù)期的。圖10示出根據(jù)本發(fā)明的隔離升壓型轉(zhuǎn)換器，其包括兩個(gè)功率變換器T1、T2。輸入 側(cè)作為輸入操作，其中輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)獨(dú)立操作。輸入側(cè)上的兩個(gè)輸入級(jí)耦合以確保兩個(gè) 輸入級(jí)之間的電流的相等分布。在圖10所示的實(shí)施例中，經(jīng)具有布置在一個(gè)輸入級(jí)中的主 線圈X7-1和其他輸入級(jí)中的次級(jí)線圈X7-2的電流平衡變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合。備選地或者除 其之外，儲(chǔ)能電感器L1和L2可以磁耦合，例如通過(guò)將兩個(gè)電感器L1、L2卷繞在公共的磁芯 上以使它們的電感相等。與輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)之間的標(biāo)稱電流分布的偏差或者控制單元中驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)布置的 開(kāi)關(guān)的失敗可以在部件上引起所不希望的壓力并且因此引起那些部件的故障。為了避免這 種壓力，輸入電路典型地配備有保護(hù)電路P。保護(hù)電路的許多實(shí)現(xiàn)是有可能的。一些保護(hù)電 路吸收和消耗過(guò)剩能量。其他保護(hù)電路可以提供被吸收的能量的至少部分恢復(fù)。圖11示 出圖3的隔離升壓轉(zhuǎn)換器中的消耗性保護(hù)電路P的例子。保護(hù)電路可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)N6和二 極管D9從第一輸入級(jí)3接收過(guò)剩電流，以及通過(guò)節(jié)點(diǎn)N7和二極管D10從第二輸入級(jí)4接 收過(guò)剩電流。過(guò)剩能量通過(guò)大電容器Cp被吸收并且最終通過(guò)電阻Rp被消耗。0097] 已經(jīng)參考優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明的范圍不限于所示出的實(shí)施 列，并且可以實(shí)現(xiàn)變化和修改而不背離本發(fā)明的所述范圍。
0098]參考標(biāo)號(hào)列表0099]1輸入側(cè)0100]2輸出側(cè)0101]3,4輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)0102]5輸出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)0103]6,8,9主支路0104]7，10，11次級(jí)支路0105]AO, Al, A2, A3輸入側(cè)端子0106]BO, B1輸出側(cè)端子0107]C電容器0108]Dl, D2,..，D10二極管0109]L, LI, L2儲(chǔ)能電感器0110]Ll-1, Ll--2, Ll-3, Ll-4磁耦合儲(chǔ)能電感器0111]L2-1, L2--2磁耦合儲(chǔ)能電感器0112]Nl, N2,..，N7節(jié)點(diǎn)0113]Re整流器單元0114]S1j S2.，S16開(kāi)關(guān)0115]Tl, T2, T3, T4功率變換器0116]Tla, T2a第一線圈0117]Tib, T2b第二線圈0118]XI，X2，. .，X7電流平衡變壓器0119]變壓器主線圈次級(jí)線圈0120]XIX1-1X1-20121]X2X2-112-20122]X3X3-1X3-20123]X4X4-1X4-20124]X5X5-1X5-20125]X6X6-1X6-20126]X7X7-1X7-權(quán)利要求
一種脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)模式DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器，所述升壓轉(zhuǎn)換器包括輸入側(cè)(1)上的至少一個(gè)第一電子電路和輸出側(cè)(2)上的第二電子電路，所述輸入側(cè)(1)和所述輸出側(cè)(2)經(jīng)至少兩個(gè)功率變換器(T1，T2)而被耦合，每個(gè)功率變換器(T1，T2)包括布置在所述輸入側(cè)(1)上的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(3，4)中的第一線圈(T1a，T2a)和布置在所述輸出側(cè)(2)上的輸出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(5)中的第二線圈(T1b，T2b)，所述線圈(T1a，T1b，T2a，T2b)中的每一個(gè)都具有第一端和第二端，其中所述第一電子電路包括-端子(A0，A1)，所述端子(A0，A1)用于連接源或者負(fù)載；-至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器(L)，所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器(L)與所述功率變換器(T1，T2)的所述第一線圈(T1a，T2a)中的至少一個(gè)串聯(lián)耦合，-用于每個(gè)功率變換器(T1，T2)的開(kāi)關(guān)的布置，所述開(kāi)關(guān)的布置適用于在第一接通狀態(tài)、第一斷開(kāi)狀態(tài)、具有與所述第一接通狀態(tài)相反的極性的第二接通狀態(tài)以及第二斷開(kāi)狀態(tài)之間切換通過(guò)所述第一線圈(T1a，T2a)的電流，并且其中-所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器(L)被布置以便在所述開(kāi)關(guān)布置中的所有開(kāi)關(guān)都導(dǎo)通時(shí)被充電，以及所述第二電子電路包括-端子(B0，B1)，所述端子用于連接負(fù)載或者源，-單一的開(kāi)關(guān)的布置，所述單一的開(kāi)關(guān)的布置適用于在第一接通狀態(tài)、第一斷開(kāi)狀態(tài)、具有與所述第一接通狀態(tài)相反的極性的第二接通狀態(tài)以及第二斷開(kāi)狀態(tài)之間切換通過(guò)所述功率變換器(T1，T2)的所述第二線圈(T1b，T2b)的電流，和/或適用于向所述端子(B0，B1)提供經(jīng)整流的電流，并且其中所述功率變換器(T1，T2)的所述第二線圈(T1b，T2b)被串聯(lián)連接并且經(jīng)所述第二電路的所述單一的開(kāi)關(guān)的布置而被耦合到所述輸出側(cè)的所述端子(B0，B1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中經(jīng)所述輸入側(cè)(1)上的所述開(kāi)關(guān)的 布置來(lái)控制所述脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)模式DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器 (L)被耦合到電流平衡電路或者是所述電流平衡電路的一部分。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中適用于 切換通過(guò)所述第一線圈的電流的所述開(kāi)關(guān)的布置包括兩個(gè)并聯(lián)耦合的級(jí)，所述并聯(lián)耦合的 連接中的每一個(gè)都包括串聯(lián)連接到第二開(kāi)關(guān)的第一開(kāi)關(guān)，并且其中所述第一線圈的所述第 一端被耦合到所述兩個(gè)并聯(lián)耦合的級(jí)中的一個(gè)的所述串聯(lián)連接，并且其中所述第一線圈的 所述第二端被耦合到所述兩個(gè)并聯(lián)耦合的級(jí)中的另一個(gè)的所述串聯(lián)連接。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述輸 入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(3，4)作為調(diào)制輸入級(jí)被提供并且所述輸出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(5)作為整流輸出級(jí) 被提供。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述調(diào)制輸入級(jí)(3，4)被并聯(lián)連接 到所述公共的輸入端子(A0，A1)并且其中所述調(diào)制輸入級(jí)(3，4)中的每個(gè)中的所述開(kāi)關(guān)的 布置是全橋開(kāi)關(guān)布置，可替代地是推挽升壓式開(kāi)關(guān)布置，或者可替代地是雙電感器升壓式開(kāi)關(guān)布置。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述輸 入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(3，4)被并聯(lián)連接到公共的端子對(duì)(A0，A1)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述輸 入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(3，4)中的每一個(gè)都包括至少一個(gè)與所述輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(3，4)的所述第一 線圈(Tla，T2a)串聯(lián)連接的儲(chǔ)能電感器(L1，L2)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中至少兩個(gè)儲(chǔ)能電感器(Ll-l，Ll-2) 至少經(jīng)公共的磁芯被成對(duì)地磁耦合，所述至少兩個(gè)儲(chǔ)能電感器(Ll-1，L1-2)中的每一個(gè)被 布置在不同的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(3，4)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述至 少一個(gè)儲(chǔ)能電感器L作為公共的儲(chǔ)能電感器被提供用于所述功率變換器(Tl，T2)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器 還包括所述輸入側(cè)上的至少一個(gè)電流平衡變壓器(XI)，所述電流平衡變壓器(XI)包括-至少一個(gè)主線圈(X1-1)，所述至少一個(gè)主線圈(X1-1)在與所述輸入側(cè)(1)上的第一 轉(zhuǎn)換器級(jí)(3)的所述開(kāi)關(guān)的布置串聯(lián)的主支路(6)中被提供，-至少一個(gè)次級(jí)線圈(X1-2)，所述至少一個(gè)次級(jí)線圈(X1-2)在與另外的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器 級(jí)(4)的所述開(kāi)關(guān)的布置串聯(lián)的次級(jí)支路(7)中被提供，其中所述主線圈(X1-1)和所述次級(jí)線圈(X1-2)以相反的極性被布置以使所述主支路 (6)和所述次級(jí)支路(7)磁耦合以便感應(yīng)所述耦合的支路(6，7)中的相反的電流，由此以預(yù) 先確定的電流平衡比成對(duì)地平衡所述耦合的支路(6，7)之間的所述電流分布。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述轉(zhuǎn)換器包括-偶數(shù)N = 2n個(gè)所述功率變換器(Tl，T2，...)，其中n為大于1的整數(shù)，以及-M = (2n-l)個(gè)所述電流平衡變壓器(XII，X2,...)的級(jí)聯(lián)布置，所述電流平衡變壓 器(XI，X2，...)被布置為相繼地平衡通過(guò)級(jí)聯(lián)的耦合支路對(duì)中的所述N個(gè)功率變換器 (T1，T2，...)的所述第一線圈(Tla，T2a，...)的所述電流，其中所述電流平衡變壓器(T1， T2，...)中的每一個(gè)提供1 1的電流平衡比。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述轉(zhuǎn)換器包括-奇數(shù)P = (2n+l)個(gè)所述功率變換器(T1，T2，...)，其中n為大于或者等于1的整數(shù)，以及-Q = 2n個(gè)所述電流平衡變壓器(XI，X2，...)的級(jí)聯(lián)布置，所述電流平衡變壓器 (XI，X2，...)被布置為相繼地平衡通過(guò)級(jí)聯(lián)的耦合支路對(duì)中的所述N個(gè)功率變換器(T1， T2，...)的所述第一線圈(Tla，T2a)的所述電流，其中所述電流平衡變壓器中的至少一個(gè) 提供2 1的電流平衡比。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中通過(guò)整 流全橋布置中的二極管來(lái)提供所述輸出級(jí)(5)中的所述單一的開(kāi)關(guān)的布置。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中所述 轉(zhuǎn)換器還適用于作為雙向轉(zhuǎn)換器的操作。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中通過(guò)全橋配置中的開(kāi)關(guān)來(lái)提供 所有開(kāi)關(guān)的布置。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換器 還包括連接所述輸入側(cè)(1)上的所述端子(AO, A1)的電容器(C)和/或連接所述輸出側(cè) ⑵上的所述端子(B0，B1)的電容器(C)。
全文摘要
開(kāi)關(guān)模式脈寬調(diào)制的DC-DC功率轉(zhuǎn)換器包括輸入側(cè)(1)上的至少一個(gè)第一電子電路和輸出側(cè)(2)上的第二電子電路。所述輸入側(cè)(1)和所述輸出側(cè)(2)經(jīng)至少兩個(gè)功率變換器(T1，T2)而被耦合。每個(gè)功率變換器(T1，T2)包括布置在所述輸入側(cè)(1)上的輸入側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(3，4)中的第一線圈(T1a，T2a)以及布置在所述輸出側(cè)(2)上的輸出側(cè)轉(zhuǎn)換器級(jí)(5)中的第二線圈(T1b，T2b)，并且線圈(T1a，T1b，T2a，T2b)中的每一個(gè)都具有第一端和第二端。所述第一電子電路包括用于連接源或者負(fù)載的端子(A0，A1)、與所述功率變換器(T1，T2)的第一線圈(T1a，T2a)中的至少一個(gè)串聯(lián)耦合的至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器(L)、以及用于每個(gè)功率變換器(T1，T2)的開(kāi)關(guān)布置，所述開(kāi)關(guān)布置適用于在第一接通狀態(tài)、第一斷開(kāi)狀態(tài)、具有與所述第一接通狀態(tài)相反的極性的第二接通狀態(tài)以及第二斷開(kāi)狀態(tài)之間切換通過(guò)所述第一線圈(T1a，T2a)的電流，和/或適用于向端子(A0，A1)提供經(jīng)整流的電流，其中所述至少一個(gè)儲(chǔ)能電感器(L)被布置以在開(kāi)關(guān)布置中的所有開(kāi)關(guān)都導(dǎo)通并且通過(guò)與所述儲(chǔ)能電感器串聯(lián)耦合的所述至少一個(gè)第一線圈的電流處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)被充電。所述第二電子電路包括用于連接負(fù)載或者源的端子(B0，B1)、適用于在第一接通狀態(tài)、第一斷開(kāi)狀態(tài)、具有與所述第一接通狀態(tài)相反的極性的第二接通狀態(tài)和第二斷開(kāi)狀態(tài)之間切換通過(guò)所述功率變換器(T1，T2)的第二線圈(T1b，T2b)的電流，和/或適用于向端子(B0，B1)提供經(jīng)整流的電流的單一開(kāi)關(guān)布置。所述功率變換器(T1，T2)的第二線圈(T1b，T2b)串聯(lián)連接并且經(jīng)所述第二電路的單一開(kāi)關(guān)布置與所述輸出側(cè)的端子(B0，B1)耦合。
文檔編號(hào)H02M3/335GK101878587SQ200880108770
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月25日
發(fā)明者M·尼曼德 申請(qǐng)人:丹麥特克尼斯克大學(xué)