CN101878587B - 具有多个功率变换器的开关模式脉宽调制的dc-dc转换器 - Google Patents

Abstract

开关模式脉宽调制的DC-DC功率转换器包括输入侧(1)上的至少一个第一电子电路和输出侧(2)上的第二电子电路。所述输入侧(1)和所述输出侧(2)经至少两个功率变换器(T1，T2)而被耦合。每个功率变换器(T1，T2)包括布置在所述输入侧(1)上的输入侧转换器级(3，4)中的第一线圈(T1a，T2a)以及布置在所述输出侧(2)上的输出侧转换器级(5)中的第二线圈(T1b，T2b)，并且线圈(T1a，T1b，T2a，T2b)中的每一个都具有第一端和第二端。所述第一电子电路包括用于连接源或者负载的端子(A0，A1)、与所述功率变换器(T1，T2)的第一线圈(T1a，T2a)中的至少一个串联耦合的至少一个储能电感器(L)、以及用于每个功率变换器(T1，T2)的开关布置，所述开关布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态以及第二断开状态之间切换通过所述第一线圈(T1a，T2a)的电流，和/或适用于向端子(A0，A1)提供经整流的电流，其中所述至少一个储能电感器(L)被布置以在开关布置中的所有开关都导通并且通过与所述储能电感器串联耦合的所述至少一个第一线圈的电流处于断开状态时被充电。所述第二电子电路包括用于连接负载或者源的端子(B0，B1)、适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态和第二断开状态之间切换通过所述功率变换器(T1，T2)的第二线圈(T1b，T2b)的电流，和/或适用于向端子(B0，B1)提供经整流的电流的单一开关布置。所述功率变换器(T1，T2)的第二线圈(T1b，T2b)串联连接并且经所述第二电路的单一开关布置与所述输出侧的端子(B0，B1)耦合。

Description

具有多个功率变换器的开关模式脉宽调制的DC-DC转换器

技术领域

本发明涉及具有多个功率变换器的开关模式脉宽调制的dc-dc转换器。 

背景技术

开关模式转换器被广泛地用于将给定的输入电功率转换为期望的输出电功率。通过输入侧上的输入端子将输入电功率从源提供给所述转换器，所述输入电功率被所述转换器转换成期望的输出电功率并且随后通过被提供给负载的输出侧上的输出端子输出。所述转换器包括用于及时调制输入电功率以及用于在电功率被提供给输出端子之前对被转换的电功率进行整流的开关布置。在这种开关布置中采用的开关典型地作为固态开关被提供，诸如在调制输入开关布置中所采用的MOS-FET晶体管，或者在整流输出开关布置中所采用的二极管。 

通过控制开关布置中的开关的时间、频率和/或占空比以呈现(assume)接通状态(开关闭合)或者断开状态(开关打开)的控制电路来激活所述开关。举例来说，在MOSFET开关的情况下，所述控制电路适用于提供门电压从而以定时的方式接通(导通)或者断开(不导通)源极-漏极传导通道。通过以同步整流模式来操作驱动三端子设备的控制电路，也可以通过诸如MOSFET的三端子设备来实现整流二极管。 

所述dc-dc转换器可以是升压型(boost-type)转换器，所述升压型转换器将输入电压转换为更高的输出电压。对于被从所述输入传递到所述输出的给定量的电功率，这特别地意味着所述输入侧需要适用于处理大电流。 

所述dc-dc转换器可以是降压型(buck-type)转换器，所述降压 型转换器将输入电压转换为更低的输出电压。对于被从所述输入传递到所述输出的给定量的电功率，这特别地意味着所述输出侧需要适用于处理大电流。 

所述转换器可以被配置为适用于在两个方向上被操作的双向转换器，即其中端子可以被可交换地操作为输入或者输出端子。 

所述转换器是隔离的转换器，其中输入和输出彼此电气(galvanically)隔离。通过将功率变压器用于将所述电功率从输入侧传递到输出侧来实现电气隔离(galvanic isolation)。 

所述dc-dc转换器的高功率应用的例子是：由燃料电池以高电流的形式提供的处于低电压的电功率到高电压输出的转换。由于在这种转换中所引入的大电流，转换器电路的部件经受可观的电流和电压“压力”。在已知类型的转换器中，具有大的物理尺寸的部件可能被需要以处理所述大电流，结果是伴有增加的感应损耗。除了转换效率降低外，过度的热耗散可能导致对附加的冷却的需求并且可能严重地限制转换器的额定功率。 

此外，转换器电路中的漏电感，尤其是与开关部件及关联的连接导线相关联的漏电感趋向于随被转换的功率而增加。特别地，处理所述较低电压并且因此处理所述较高电流的电路受所述泄漏的影响。 

克服该问题的方式是通过并行地操作多个转换器。备选地，处理所述高电流的电路可以被分为多个并行操作的级并且处理高电压的电路的端子可以被串联连接。 

US专利申请no.6,297,616公开了用于电功率存储装置的充电和放电设备。该设备包括AC电源及具有第一侧和第二侧的变压设备。所述两侧中的一个包括多个并联的全桥转换器，以恒定的百分之五十的占空比来驱动所述全桥转换器。该设备还包括多个存储电感器，通过引导电流通过串联耦合的两个主开关并且继续通过变压设备的主线圈和次级线圈以及最终通过两个次级开关而使该多个存储电感器充电。 

JP2004007907公开了开关功率单元，其中由电感器和升压开关构成的串联电路被提供用于全波整流电路的输出。两组绝缘的转换器被并联地提供给所述升压开关。所述绝缘的转换器中的每一个在主侧上包括电流转变开关、所述转换器的主线圈、减小开关以及续流二极管。所述两个转换器中的每一个交替地被操作(以电感器开关频率的一半)，以每秒电感器放电间隔吸收全部的电感器电流。在次级侧上，所述绝缘的转换器包括整流元件和电容器。 

上述方法的主要缺点是需要附加的开关、整流和/或控制单元。此外，由于所述并联级中标称一致的部件之间的差别，可观的损失可能被引入。所述标称一致的部件之间的差别大部分产生于制造容差。可以通过选择符合较小制造容差的较高质量的部件来将这些差别减小到一定的程度。然而，这是昂贵的方法，特别是当这些电路本身需求较大量部件的时候。 

发明内容

本发明的目标是：通过简单的转换器布置来提供减小功率转换损失并且克服上述问题的转换器。 

这通过根据本发明的脉宽调制的开关模式DC-DC升压转换器来实现，该转换器包括输入侧上的至少一个第一电子电路和输出侧上的第二电子电路，所述输入侧和所述输出侧经至少两个功率变换器而被耦合，每个功率变换器包括布置在输入侧上的输入侧转换器级中的第一线圈和布置在输出侧的输出侧转换器级中的第二线圈，所述线圈中的每个都具有第一端和第二端。所述第一电子电路包括用于连接源或者负载的端子、与所述功率变换器的第一线圈中的至少一个串联耦合的至少一个储能电感器、以及用于每个功率变换器的开关的布置，该开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与第一接通状态相反的极性的第二接通状态及第二断开状态之间切换通过所述第一线圈的电流，其中所述至少一个储能电感器被布置以便在开关布置中的所有开关都导通时被充电。所述第二电子电路包括用于连接负载或者源的端子，以及单一的开关的布置，该单一的开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与第一接通状态相反的极性的第二接通状态及第二断开状态之间切换通过所述功率变换器的第二线圈的电流，和/或适用于向所述端子提供整流电流。所有功率变换器的所述第二线圈被串联连接并且经所述第二电路的所述单一的开关的布置与所述输出侧的端子耦合。 

所述输入侧上的所述至少一个第一电路中的电流流动比输出侧上的第二电路中的对应的电流高。因此，所述输入侧上的电流被称为高电流，而所述输出侧上的电流被称为低电流。 

所述第一线圈的布置和输入侧上的对应的开关的布置一起被称为输入侧转换器级。所述第二线圈的布置和输出侧的所述单一的开关的布置一起被称为输出侧转换器级。 

所述输入侧转换器级被连接到用于连接源或者负载的端子。在实践中，不同的输入侧转换器级常常被连接到相同的DC源(或者负载)以便并行操作。 

可替代地，不同的输入侧转换器级可以被连接到不同的DC源(或者负载)，由此作为不同的第一电路独立地操作。此外，在不止一个第一电路的布置中，可以认为所述第一电路中的每个包括并联连接的多个输入侧转换器级。 

第一电路中的端子可以被连接到提供高电流(低电压)源输出的源。要在输入侧被处理的所述高电流被分开并且被分布到分开的输入级。在每个输入级中，所述电流通过适用于控制第一线圈中的电流状态的所述第一线圈的对应的开关布置而被提供给所述第一线圈。通过在至少两个输入侧转换器级上分布高电流，由输入侧转换器级中的每一个处理的功率对应地被划分，由此减小单个开关部件上的电流压力以及由于寄生阻抗引起的损耗，诸如漏电感和/或导线电阻。所述电流经功率变换器被传递到输出侧输出级并且经所述输出侧的端子作为经整流的输出电流被提供给负载。由于所有第二线圈都被直接串联耦合，通过第二线圈的电流被箝位，由此有助于所述输入侧输入级之间相等的电流分布。此外，只需要单一的开关的布置，此处为通用的整流器电路，由此减小了电路复杂度和成本。 

当所述开关布置的所有开关都导通时，并且在没有电流通过输出侧上的第二线圈的地方和/或输出侧上的开关布置阻止电流的地方，所述至少一个储能电感器从输入侧的所述端子而被充电。 

通过使开关布置中的一个或多个开关不导通以便将储能电感器的至少一端与源断开来停止储能电感器的充电。同时，开关布置中的一个或多个开关被保持导通以便维持用于将存储在所述至少一个储能电感器中的能量传递到至少一个第一线圈的电流通路。 

用来自输入侧的输入操作的、根据本发明的转换器的典型的开关周期包括与通过至少一个第一线圈的电流的状态相关联的四个连续的部分： 

-在第一断开状态期间，所述储能电感器被充电， 

-在第一接通状态期间，通过使电流在第一方向上流过第一线圈而将能量从所述储能电感器传递到所述至少一个第一线圈， 

-在第二断开状态期间，所述储能电感器被重新充电，以及 

-在第二接通状态期间，通过使电流在与第一方向相反的第二方向上流过第一线圈而将能量从所述储能电感器传递到所述至少一个第一线圈。 

因此在所述功率变换器的第一线圈中被感应的电流脉冲被耦合到对应的第二线圈。所述第二线圈直接被串联耦合，并且因此在所述第二线圈中被感应的电流被提供最小感应的电流的功率变换器限制，由此将其他功率变换器中的电流箝位至实质上相等的分布。相等的分布减小输入侧上的不同转换器级中的部件上不均匀的压力的风险，减小调整部件尺寸以具有大的安全余量的需求，并且由此减小生产成本。所述第二线圈中的电流脉冲通过第二电路的单个的开关布置而被整流并且作为低电流整流的输出经输出侧上的端子而被提供给负载。 

根据本发明的转换器的另外的优点是：不同输入侧转换器级的开关布置典型地以同步的方式被操作以便在输入侧转换器级的所有第一线圈中同时提供实质上相同的电流状态。因此，单个控制电路对于驱动所有输入侧开关布置是足够的。这很大程度上简化了用于根据本发明的转换器的架空电路(overhead circuitry)，由此降低了生产成本。 

如前所述，所述至少一个储能电感器直接通过优选地为四个的主 开关充电。由此，由于寄生阻抗而引起的损耗对应于仅来自一个开关的阻抗。因此，与美国专利申请no.6,297,616相比，本发明避免了来自一个主开关、变压级的主线圈和次级线圈以及两个次级开关的损耗。 

优选地，经输入侧上的开关布置来控制所述脉宽调制的开关模式DC-DC升压转换器。 

根据第一优选实施例，所述至少一个储能电感器被耦合到电流平衡电路或者是电流平衡电路的一部分。新的转换器拓扑结构已经使电流平衡成为必需以便使来自转换器的损耗最小。在实践中，根据本发明的电流平衡可以以两种方式实现，即通过至少成对地磁耦合公共的磁芯上的储能电感器以便使它们的电感相等，或者通过将所述储能电感器与输入侧上的至少一个电流平衡变压器串联耦合。这些实施例将在后面被说明。 

所述电流平衡也可以被用于降压转换器。因此，根据另一个方面，本发明提供：脉宽调制的开关模式DC-DC降压转换器，所述降压转换器包括输入侧上的至少一个第一电子电路和输出侧上的第二电子电路，所述输入侧和输出侧经至少两个功率变换器耦合，每个功率变换器包括布置在输入侧上的输入侧转换器级中的第一线圈和布置在输出侧上的输出侧转换器级中的第二线圈，每个所述线圈都具有第一端和第二端。第一电子电路包括用于连接负载或者源的端子，以及适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与第一接通状态相反的电极的第二接通状态及第二断开状态之间切换通过第一线圈的电流的单一的开关布置。所有功率变换器的第一线圈被串联连接并且经第一电路的单一的开关布置与输入侧的端子耦合。所述第二电子电路包括用于连接源或者负载的端子，与所述功率变换器的第二线圈中的至少一个串联耦合的至少一个储能电感器，以及用于每个功率变换器的开关布置，其适用于整流电流。 

当通过第一线圈的电流处于第一接通状态和/或第二接通状态时， 所述至少一个储能电感器被充电。典型地，这在输入侧上的开关中的两个导通时发生。在一个实施例中，第一储能电感器在开关中的两个导通时充电，并且第二储能电感器在两个其他开关导通时充电。 

根据降压转换器的第一优选实施例，所述至少一个储能电感器耦合到电流平衡电路或者是电流平衡电路的一部分。在实践中，根据本发明的电流平衡可以以两种方式来实现，即通过至少成对地磁耦合公共的磁芯上的储能电感器以便使它们的电感相等，或者通过将储能电感器与输出侧上的至少一个电流平衡变压器串联耦合。因此，所说明的用于使升压转换器电流平衡的方法和在下文中所说明的实施例也可以被用于降压转换器。 

根据另一个优选实施例，适用于切换通过第一线圈的电流的开关布置包括两个并联耦合的级，每个并联耦合的连接包括串联连接到第二开关的第一开关，并且其中所述第一线圈的第一端被耦合到所述两个并联耦合的级中的一个的串联连接，并且其中所述第一线圈的第二端被耦合到所述两个并联耦合的级中的另一个的串联连接。 

根据本发明的一个方面，所述转换器适用于作为升压转换器操作，其中所述输入侧转换器级作为调制输入级被提供并且所述输出侧转换器级作为整流输出级被提供。 

在实践中，所述调制输入级是(除制造容差之外)标称一致的，并且所述调制输入级的开关布置典型地被配备有固态开关，诸如具有源极端子和经源极-漏极通道连接到所述源极端子的漏极端子以及用于切换源极-漏极通道的传导性(conductivity)的门极端子的MOSFET。所述切换动作被控制单元定时并且驱动。为了避免单个部件上的电流和电压压力，以同步的方式驱动所述开关布置。因此，单个的控制单元对于控制调制输入开关的所有固态开关通常是足够的。 

根据一个实施例，所述输出级被提供有用于所有功率转换器的公共的单一整流开关布置。所述开关可以是二极管或者以同步的方式被驱动的三端子的固态开关以便当电流在一个方向上流动时使所述开 关导通，并且当电流在相反的方向上流动时，使所述开关不导通，由此所述固态开关有效地起二极管的作用。 

在本发明的一个实施例中，所有调制输入级被并联连接到公共的输入端子，并且每个所述调制输入级中的开关布置是全桥升压式开关布置。 

在根据本发明的另一个实施例中，所有调制输入级被并联连接到公共的输入端子，并且所述调制输入级的开关布置是推挽升压式开关布置。 

在根据本发明的又另一个实施例中，所有调制输入级被并联连接到公共的输入端子，并且所述调制输入级的开关布置是双电感器升压式开关布置。 

在上述实施例的另外的改进中，所述输入级中的单一的开关布置由以整流全桥布置的二极管来提供。所述整流输出级的另外的配置可以被构想，诸如分离次级整流器或者电压倍增整流器配置。 

在根据本发明的一个优选实施例中，所述输入侧转换器级被并联连接到公共的端子对。当来自一个高电流(低电压)源的DC功率(DC-power)(诸如燃料电池布置)要被转换以便驱动要求超过由所述源提供的电压的电压的负载时，该实施例是尤其优选的。可替代地，通过根据本发明的该实施例的转换器可以从低电流(高电压)源供给一个要求大电流的高功率负载。 

在根据本发明的另外的实施例中，所述输入侧转换器级中的每个包括与所述输入侧转换器级的第一线圈串联连接的至少一个储能电感器。通过在每个转换器级中布置储能电感器，可以实现每个储能电感器仅处理一小部分电流。这对于高功率应用尤其有利，其中例如单个储能电感器中的热耗散否则可能将转换器的缩放比例限制为所要求的规范。 

另外，根据本发明，至少两个储能电感器(每个被布置在不同的输入侧转换器级中)至少经公共的磁芯成对地磁耦合以便使它们的电感 相等。在实践中，典型地通过将所述至少两个储能电感器卷绕到公共的磁芯上来提供所述磁耦合。因此，该至少两个储能电感器可以被看作在公共的芯上具有至少两个线圈的单个储能电感器。 

优选地，所述电感器线圈被卷绕在一起以在相同的磁片上形成交错的感应圈。所述磁耦合确保了对于耦合的电感器的实质上相同的电感并且确保了电流在两个耦合的级之间被平衡。可以通过功率变换器有效地控制所述电流分布。由此实现的耦合级之间良好平衡的电流分布使损耗最小，因为电流间的差别否则将不得不在输入侧上的保护电路中被消耗以便满足由第二线圈的直接串联耦合所强加的对第一线圈的最小电流的电流限制的条件。此外，所述转换器级部件(诸如开关布置中的固态开关)中的电流和电压压力被最小化，从而允许更优化的并且因此成本更有效的部件的尺寸选择。 

在根据本发明的另外的实施例中，所述至少一个储能电感器作为公共的储能电感器被提供用于功率变换器。由于所有输入侧转换器级都从公共的储能电感器被供给，故该实施例消除了由于不同储能电感器之间的差别而引起的输入侧转换器级之间的电流分布中的假象。 

在本发明的另外的方面，所述转换器包括输入侧上的至少一个电流平衡变压器。所述电流平衡变压器包括在与输入侧上的第一转换器级的开关布置串联的主支路中被提供的至少一个主线圈，以及在与另外的输入侧转换器级的开关布置串联的次级支路中被提供的至少一个次级线圈。所述主线圈和所述次级线圈被以相反的极性布置以使主支路和次级支路磁耦合以便感应耦合的支路中的相反的电流，由此以预先定义的电流平衡比成对地平衡所述耦合的支路之间的电流分布。 

至少一个电流平衡变压器提供至少两个输入侧转换器级之间的耦合，由此能量可以在所述至少两个转换器级之间被传递以便平衡对应的第一线圈中的电流。所述电流平衡变压器不需要处理提供给各个转换器级的全部功率，而是只平衡与预先确定的平衡比的偏差，并且因此在实践中，所述电流平衡变压器被调整尺寸到与每个输入侧转换 器级中的标称电流流动的偏差的期望的扩展。所述平衡比实质上由所述变压器比来确定，所述变压器比适合于通过主支路被供给的功率变换器的数量与通过次级支路被供给的功率变换器的数量之间的比。典型地，所述主支路和所述次级支路将适用于将电流相等地分布到一致数量的功率变换器并且所述电流平衡比被选择为1∶1。 

在上述实施例的另外的改进中，转换器包括偶数N＝2n个功率变换器，其中n为大于1的整数，以及M＝(2n-1)个电流平衡变压器的级联布置，该电流平衡变压器被布置为使通过级联的耦合的支路对中的N个功率变换器的第一线圈的电流相继地平衡，其中每个所述电流平衡变压器提供1∶1的电流平衡比。 

电流平衡变压器的这种树形布置主要适用于输入侧转换器级，所述输入侧转换器级被并行操作并且经公共的端子对从相同的源被供给。特别地，2^k个功率变换器良好地适合用于这种布置，其中k是在功率变换器级之前支路被划分的次数的数量。 

在所述级联的第一阶中，连接到输入侧上的一个端子的第一支路被分路为第一主支路和第一次级支路。所述第一主支路经第一电流平衡变压器被耦合到所述第一次级支路以便提供主支路和次级支路之间的电流的相等分布。在所述级联的每个进一步的阶中，该阶的第一主支路和第一次级支路中的每一个被分路为下一个阶的主支路和次级支路直到支路的数量等于输入侧转换器级的数量，所述输入侧转换器级中的每个都包括一个功率变换器。所述级联的最后阶的支路随后被连接以便使每个支路供给一个输入侧转换器级。在所述级联的每个阶中，主支路和次级支路被提供有具有1∶1的平衡比的电流平衡变压器以便确保电流相等分布到每个支路中，由此确保电流到所有输入侧转换器级的相等分布。 

在上述实施例的另一个改进中，所述转换器包括奇数P＝(2n+1)个功率变换器，其中n为大于或者等于1的整数，以及Q＝2n个电流平衡变压器的级联布置，该电流平衡变压器被布置为使通过级联的耦 合支路对中的N个功率变换器的第一线圈的电流相继地平衡，其中至少一个电流平衡变压器提供2∶1的电流平衡比。电流平衡变压器的这种布置确保电流在奇数个(大于1)输入侧转换器级上的均匀分布。根据本发明的这个实施例对于其中从一个支路被供给的功率变换器的数量不能被表示为2的乘幂(诸如奇数个功率变换器)的转换器尤其恰当。举例来说，通过向第一主支路提供两倍于第一次级支路的电流并且接着只将第一主支路分路为以1∶1的电流分布比被供给的进一步的主支路和进一步的次级支路，可以在级联的第一阶中实现到三个输入侧转换器级的电流的相等分布，每个输入侧转换器级包括一个功率变换器。第一阶中的所述电流分布比由具有2∶1的电流平衡比的电流分布变压器来平衡，同时另外的主支路和另外的次级支路之间的电流分布由具有1∶1的电流分布比的电流分布变压器来平衡。所述第一次级支路、进一步的主支路和进一步的次级支路随后被连接以每个供给一个输入侧转换器级。 

根据本发明的另一个方面，所述转换器适用于作为双向转换器的操作，其中通过以全桥配置的开关来提供所有的开关布置。为了在两个方向上操作转换器，开关布置中的开关必须是可控的开关，即三端子设备。控制电路必须被提供用于转换器的两侧，所述控制电路被用于在对应的转换器级作为输入操作时驱动用于输入调制的开关，并且在对应的转换器级作为输出操作时驱动用于整流的开关。 

在根据本发明的转换器电路的实际实现中，第一电路的并联级可以通过箝位和保护电路而被连接。此外，低通滤波器在实践中常常作为跨输入端子和/或输出端子连接的电容被提供，以从将在各个端子处被提供的dc电流中去除瞬态变化和波动。为了清楚起见，诸如箝位、保护和过滤电路没有被详细说明。 

附图说明

现在通过参考附图将实施例作为例子来解释本发明。附图示出： 

图1现有技术的隔离升压转换器； 

图2具有两个并联输入级的隔离升压转换器，每个输入级包含储能电感器； 

图3具有两个并联输入级和磁耦合的储能电感器的隔离升压转换器； 

图4具有两个并联输入级、一个公共的储能电感器和电流平衡变压器的隔离升压转换器； 

图5具有两个并联输入级、磁耦合的储能电感器和电流平衡变压器的隔离升压转换器； 

图6具有四个并联输入级和三个电流平衡变压器的级联布置的隔离升压转换器； 

图7具有三个并联输入级和两个电流平衡变压器的级联布置的隔离升压转换器； 

图8具有两个并联输出级的隔离降压转换器，输出级具有电流倍增整流器布置、磁耦合的储能电感器和电流平衡变压器； 

图9具有两个并联的第一侧转换器级的隔离双向转换器，每个第一侧转换器级包括电流倍增整流器布置、磁耦合的储能电感器和电流平衡变压器； 

图10具有通过电流平衡变压器耦合的独立的输入侧转换器级的隔离降压转换器，以及 

图11具有保护电路的图3的隔离升压转换器。 

具体实施方式

图1示出具有通过功率变换器T1耦合的一个输入级和一个输出级的现有技术的隔离升压转换器。 

输入级被提供有储能电感器L，以及控制通过功率变换器T1的第一线圈T1a的电流的调制开关S1、S2、S3、S4的全桥布置。 

输出级包括用于对从功率变换器T1的第二线圈T1b接收的电流 脉冲进行整流的二极管D1、D2、D3、D4的全桥整流布置。输出功率可以通过输出端子对B0、B1提供给负载(未示出)。通过调制通过第一线圈的电流脉冲的脉宽来控制输出电流，使用控制单元(未示出)相应地控制开关S1、S2、S3、S4来进行该调制。当所有开关S1、S2、S3、S4闭合时，储能电感器L被充电同时第一线圈T1a的第一端和第二端被短路。第一线圈T1a中的电流处于第一断开状态。同时打开开关对S1、S4使通过第一线圈T1a的电流处于第一接通状态用于驱动通过第一线圈T1a的第一电流脉冲，从而将能量从升压电感器传递到功率变换器直到开关S1、S4再次闭合并且储能电感器L被重新充电。接着，余下的开关对S2、S3被激活并且与第一电流脉冲相反流向的第二电流脉冲被生成。开关S1、S2、S3、S4的激活方案是要被操作用于始终为储能电感器的放电提供电流路径以避免穿过(across)开关S1、S2、S3、S4中的任何一个的有害电压压力的过度聚集。通常，保护电路(缓冲器、此处未示出)被提供以吸收过度的电流/电压。 

此外，电容器C跨接在输出端子B0、B1上以从输出功率中去除波动和瞬态变化。电容器C的功能在所有实施例中都是相同的，并且因而对电容器C的说明在下文中被省略。 

图2示出根据本发明的dc-dc转换器的第一实施例。图2所示的隔离升压转换器在输入侧1上具有并联连接并且通过两个功率变换器T1、T2耦合到输出侧2上的输出侧转换器级5的两个输入侧转换器级3、4。 

输入侧1的转换器级3、4被配置为输入级，其中每个转换器级包括储能电感器L1、L2，以及控制通过功率变换器T1、T2的第一线圈T1a、T2a的电流的调制开关{S1、S2、S3、S4}、{S5、S6、S7、S8}的全桥布置。 

输出侧2的转换器级5包括用于对从两个功率变换器T1、T2接收的电流脉冲进行整流的二极管{D1、D2、D3、D4}的单一全桥整流器布置。第二线圈T1b和T2b被直接串联连接，其中最外端被连接到 整流器{D1、D2、D3、D4}。 

在操作中，高电流通过端子A0、A1被提供给输入侧。电流根据输入侧转换器级的阻抗在节点N1处被分开，并且被馈送到分别由开关{S1、S2、S3、S4}、{S5、S6、S7、S8}的布置调制的第一线圈T1a、T2a。所生成的电流脉冲被传递到第二线圈T1b、T2b。由于第二线圈T1b、T2b的直接串联连接，在其中所感应的电流被限于从第一线圈T1a、T2a并联传递的电流的最小值。不能从输入侧1传递到输出侧2的过载电流通常由输入侧上的保护电路(缓冲器)P吸收。被吸收的能量可以在保护电路P中被消耗或者在一些情况中被恢复用于从保护电路P的稍后的传递。在第二线圈T1b、T2b的串联中被感应的电流脉冲在由单一开关布置构成的通用整流器中被整流，此处所示出的是二极管{D1、D2、D3、D4}的全桥布置。整流输出可以通过低通滤波器C并且经输出端子B0、B1被提供给负载。 

图3示出图2所示的隔离升压转换器的修正版本，通过提供两个并联输入级3、4之间的耦合以使到所述输入级3、4的电流分布相等来修正图2所示的隔离升压转换器。通过使在第一输入级3中被提供的储能电感器L1-1和在第二输入级4中被提供的储能电感器L1-2磁耦合来提供耦合，例如通过将两个电感器卷绕到公共的磁芯上。磁耦合确保耦合的储能电感器呈现(assume)大体上相同的电感，并且通过功率变换器的第二线圈的串联连接在能量传递状态(即接通状态)期间控制两个电感器之间的电流平衡。 

图4示出根据本发明的隔离dc-dc转换器的另外的实施例。储能电感器作为公共电感器L被提供，其被置于节点N1的分路之前。该实施例在单个储能电感器L的大小和/或功率性能没有限制的地方尤其适用。该实施例的优点是电流分布中没有扩散(spread)发生。这种扩散典型地由于置于例如图2所示的实施例的输入级内的独立的储能电感器L1、L2之间的电感中的差别而产生。 

在图4所示的实施例中，两个并联输入级3、4通过电流平衡变 压器X1耦合。电流平衡变压器X1包括布置在第一输入级3中的主支路6中的主线圈X1-1，以及第二输入级4的第二支路7中的次级线圈X1-2。 

如果两个输入级3、4中的电流彼此不同，变压器X1通过将电压从一个输入级“拉”至另一个输入级来使两个输入级中的电流平衡。电流平衡变压器X1只需要处理所要求用于使电流平衡的较小的电压而不是需要处理每个输入级3、4中的全部功率。这具有相当可观的实践优势，因为与被转换的全部功率相比电流平衡变压器X1只需要一小部分额定功率。 

图5示出图3和图4所示的隔离升压变压器的实施例的组合。输入级3、4中的每一个具备储能电感器L1-1、L1-2。储能电感器L1-1、L1-2磁耦合以使它们的电感相等。另外，电流平衡变压器X1被提供用于耦合两个输入级3、4以补偿两个输入级3、4中的电流流动的差别。在其中储能电感器L1-1、L1-2不是磁耦合的实施例也是本发明所预期的。 

图6示出包括四个功率变换器T1、T2、T3、T4的隔离升压转换器，这些功率变换器分别连接到输入侧1上的四个并联的输入级中的一个，并且连接到输出侧2上的整流输出级Re。 

四个输入级中的每一个都包括储能电感器L1-1、L1-2、L1-3、L1-4，以及用于控制通过对应的功率变换器T1、T2、T3、T4的第一线圈的电流的调制开关的全桥式布置。在所示的配置中，所有四个储能电感器L1-1、L1-2、L1-3、L1-4磁耦合以使它们的电感相等。 

通过分路节点N3、N2、N1的级联布置向输入侧1供给电流，该分路节点N3、N2、N1分开通过端子A1被提供的输入电流以向所有四个输入级提供相等的电流。在每个分路N3、N2、N1处，通过电流平衡变压器X3、X2、X1使电流分布平衡，每个电流平衡变压器包括主线圈X3-1、X2-1、X1-1和次级线圈X3-2、X2-2、X1-2。 

为了实现相等的电流分布，所有四个输入级的阻抗被设计为大体 上相同，并且由变压器比给定的电流平衡比对于所有三个电流平衡变压器X3、X2、X1都为1∶1。 

其中储能电感器L1-1、L1-2、L1-3、L1-4不是磁耦合的实施例也是本发明所预期的。 

图7示出根据本发明的dc-dc升压转换器的另一个实施例。图7所示的实施例包含通过具有电流平衡变压器X4、X1的分路节点N4、N1的级联布置从输入侧1被供给的三个功率变换器T1、T2、T3，每个电流平衡变压器包括主线圈X4-1、X1-1和次级线圈X4-2、X1-2。节点N1向两个标称相同的输入级提供电流。因而，电流平衡变压器X1以平衡比1∶1平衡电流。然而，节点N4向三个输入级提供电流，即通过主线圈X4-1被供给的两个输入级，及通过电流平衡变压器X4的次级线圈X4-2被供给的一个输入级。因此，电流平衡变压器X4的电流平衡比为1∶2，以提供两倍于通过次级线圈X4-2的电流的通过主线圈X4-1的电流。因而，X4-2包括两倍于X4-1的线圈。其中储能电感器L1-1、L1-2、L1-3不是磁耦合的实施例也是本发明所预期的。 

图8示出利用电流平衡变压器的dc-dc转换器的备选实施例。图8所示的实施例是包括两个功率变换器T1、T2的隔离降压型转换器，其中输出侧2作为输入级操作，并且输入侧1包括两个并联的整流输出级。 

在输入侧，开关{S9、S10、S11、S12}的单一全桥式布置控制通过彼此串联耦合的所有第二线圈T1b、T2b的电流。 

在输出侧，第一线圈T1a、T2a中的每一个都向电流倍增整流电路馈电(feed)。取决于第一线圈T1a、T2a中的电流的方向，通过连接到第一线圈T1a、T2a的输入侧的储能电感器L1-1和L1-2，或者通过连接到第一线圈T1a、T2a的输出侧的储能电感器L2-1、L2-2并联地提供输出。 

并联输出级的对应的支路被耦合以确保输出级之间的电流的相等分布。对应的支路是被连接以同时通过节点N5向输出端子A1提供 电流的那些支路。就是说，支路8和支路10彼此对应，并且支路9和支路11彼此对应。通过并联输出及的对应支路中的储能电感器L1-1、L1-2和L2-1、L2-2的磁耦合和/或借助于电流平衡变压器X5、X6来实现耦合，其中电流平衡变压器X5、X6分别用于平衡主支路8中的主线圈X5-1和次级支路10中的次级线圈X5-2之间的电流，以及相应地通过平衡电流平衡变压器X6的主线圈X6-1和次级线圈X6-2之间的电流来平衡支路9和支路11之间的电流。 

当S9和S12导通时，通过第二线圈T1b、T2b的电流处于第一接通状态，并且二极管D6和D8为断开。因而，储能电感器L1-1和L1-2被充电，同时储能电感器L2-1和L2-2被放电。当S10和S11导通时，通过第二线圈T1b、T2b的电流处于第二接通状态，并且二极管D5和D7断开。因而，储能电感器L2-1和L2-2被充电，同时储能电感器L1-1和L1-2被放电。 

其中储能电感器L1-1、L1-2和/或储能电感器L1-3、L1-4不是磁耦合的实施例也是本发明所预期的。 

图9示出根据本发明的dc-dc转换器的另外的实施例。图9所示的实施例是包括两个功率变换器T1、T2的隔离双向转换器。两侧的开关布置具备可控开关{S9...S12}、{S13，S14}、{S15，S16}，诸如三端子的固态开关。因而，转换器可以在两个方向上操作。在被选为输入的那侧，(一个或多个)开关布置被驱动用于调制输入电流。在相反侧(其被选为输出)，(一个或多个)开关布置被驱动用于对从功率变换器T1、T2接收的电流脉冲进行整流。 

其中储能电感器L1-1、L1-2和/或能量电感器L1-3、L1-4不是磁耦合的实施例也是本发明所预期的。 

图10示出根据本发明的隔离升压型转换器，其包括两个功率变换器T1、T2。输入侧作为输入操作，其中输入侧转换器级独立操作。输入侧上的两个输入级耦合以确保两个输入级之间的电流的相等分布。在图10所示的实施例中，经具有布置在一个输入级中的主线圈 X7-1和其他输入级中的次级线圈X7-2的电流平衡变压器来实现耦合。备选地或者除其之外，储能电感器L1和L2可以磁耦合，例如通过将两个电感器L1、L2卷绕在公共的磁芯上以使它们的电感相等。 

与输入侧转换器级之间的标称电流分布的偏差或者控制单元中驱动开关布置的开关的失败可以在部件上引起所不希望的压力并且因此引起那些部件的故障。为了避免这种压力，输入电路典型地配备有保护电路P。保护电路的许多实现是有可能的。一些保护电路吸收和消耗过剩能量。其他保护电路可以提供被吸收的能量的至少部分恢复。图11示出图3的隔离升压转换器中的消耗性保护电路P的例子。保护电路可以通过节点N6和二极管D9从第一输入级3接收过剩电流，以及通过节点N7和二极管D10从第二输入级4接收过剩电流。过剩能量通过大电容器Cp被吸收并且最终通过电阻Rp被消耗。 

已经参考优选的实施例描述了本发明。然而，本发明的范围不限于所示出的实施例，并且可以实现变化和修改而不背离本发明的所述范围。 

参考标号列表

1                      输入侧 

2                      输出侧 

3，4                   输入侧转换器级 

5                      输出侧转换器级 

6，8，9                主支路 

7，10，11              次级支路 

A0，A1，A2，A3         输入侧端子 

B0，B1                 输出侧端子 

C                      电容器 

D1，D2，...，D10       二极管 

L，L1，L2              储能电感器 

L1-1，L1-2，L1-3，L1-4 磁耦合储能电感器 

L2-1，L2-2             磁耦合储能电感器 

N1，N2，...，N7    节点 

Re                 整流器单元 

S1，S2，...，S16   开关 

T1，T2，T3，T4     功率变换器 

T1a，T2a           第一线圈 

T1b，T2b           第二线圈 

X1，X2，...，X7    电流平衡变压器 

变压器    主线圈    次级线圈 

X1        X1-1      X1-2 

X2        X2-1      X2-2 

X3        X3-1      X3-2 

X4        X4-1      X4-2 

X5        X5-1      X5-2 

X6        X6-1      X6-2 

X7        X7-1      X7-2 

Claims (17)

1.一种脉宽调制的开关模式DC-DC升压转换器，所述升压转换器包括输入侧(1)上的至少一个第一电子电路和输出侧(2)上的第二电子电路，所述输入侧(1)和所述输出侧(2)经至少两个功率变换器(T1，T2)而被耦合，每个功率变换器(T1，T2)包括布置在所述输入侧(1)上的输入侧转换器级(3，4)中的第一线圈(T1a，T2a)和布置在所述输出侧(2)上的输出侧转换器级(5)中的第二线圈(T1b，T2b)，所述线圈(T1a，T1b，T2a，T2b)中的每一个都具有第一端和第二端，其中

所述第一电子电路包括：

-端子(A0，A1)，所述端子(A0，A1)用于连接源或者负载；

-至少一个储能电感器(L)，所述至少一个储能电感器(L)与所述功率变换器(T1，T2)的所述第一线圈(T1a，T2a)中的至少一个串联耦合，

-用于每个功率变换器(T1，T2)的开关的布置，所述开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态以及第二断开状态之间切换通过所述第一线圈(T1a，T2a)的电流，借助于控制电路激活所述开关，所述控制电路控制所述开关的时间、频率和/或占空比来呈现接通状态或断开状态，并且其中

-所述至少一个储能电感器(L)被布置以便在所述开关布置中的所有开关都导通时被充电，

以及

所述第二电子电路包括：

-端子(B0，B1)，所述端子用于连接负载或者源，

-单一的开关的布置，所述单一的开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态以及第二断开状态之间切换通过所述功率变换器(T1，T2)的所述第二线圈(T1b，T2b)的电流，和/或适用于向所述端子(B0，B1)提供经整流的电流，并且其中

所述功率变换器(T1，T2)的所述第二线圈(T1b，T2b)被串联连接并且经所述第二电子电路的所述单一的开关的布置而被耦合到所述输出侧的所述端子(B0，B1)。

2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，其中经所述输入侧(1)上的所述开关的布置来控制所述脉宽调制的开关模式DC-DC升压转换器。

3.一种脉宽调制的开关模式DC-DC升压转换器，所述升压转换器包括输入侧(1)上的至少一个第一电子电路和输出侧(2)上的第二电子电路，所述输入侧(1)和所述输出侧(2)经至少两个功率变换器(T1，T2)而被耦合，每个功率变换器(T1，T2)包括布置在所述输入侧(1)上的输入侧转换器级(3，4)中的第一线圈(T1a，T2a)和布置在所述输出侧(2)上的输出侧转换器级(5)中的第二线圈(T1b，T2b)，所述线圈(T1a，T1b，T2a，T2b)中的每一个都具有第一端和第二端，其中

所述第一电子电路包括：

-端子(A0，A1)，所述端子(A0，A1)用于连接源或者负载；

-至少一个储能电感器(L)，所述至少一个储能电感器(L)与所述功率变换器(T1，T2)的所述第一线圈(T1a，T2a)中的至少一个串联耦合，

-用于每个功率变换器(T1，T2)的开关的布置，所述开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态以及第二断开状态之间切换通过所述第一线圈(T1a，T2a)的电流，并且其中

-在所述开关布置中的所有开关都导通时所述至少一个储能电感器(L)被充电，以及

所述第二电子电路包括：

-端子(B0，B1)，所述端子用于连接负载或者源，

-单一的开关的布置，所述单一的开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态以及第二断开状态之间切换通过所述功率变换器(T1，T2)的所述第二线圈(T1b，T2b)的电流，或适用于向所述端子(B0，B1)提供经整流的电流，并且其中

所述功率变换器(T1，T2)的所述第二线圈(T1b，T2b)被串联连接并且经所述第二电子电路的所述单一的开关的布置而被耦合到所述输出侧的所述端子(B0，B1)，

并且其中所述至少一个储能电感器(L)被耦合到电流平衡电路或者是所述电流平衡电路的一部分。

4.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，其中适用于切换通过所述第一线圈的电流的所述开关的布置包括两个并联耦合的级，所述并联耦合的连接中的每一个都包括串联连接到第二开关的第一开关，并且其中所述第一线圈的所述第一端被耦合到所述两个并联耦合的级中的一个的所述串联连接，并且其中所述第一线圈的所述第二端被耦合到所述两个并联耦合的级中的另一个的所述串联连接。

5.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，其中所述输入侧转换器级(3，4)作为调制输入级被提供并且所述输出侧转换器级(5)作为整流输出级被提供。

6.根据权利要求5所述的转换器，其特征在于，其中所述输入侧转换器级(3，4)被并联连接到所述第一电子电路的所述公共的输入端子(A0，A1)并且其中所述输入侧转换器级(3，4)中的每个中的所述开关的布置是全桥开关布置，可替代地是推挽升压式开关布置，或者可替代地是双电感器升压式开关布置。

7.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，其中所述输入侧转换器级(3，4)被并联连接到所述第一电子电路的公共的端子对(A0，A1)。

8.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，其中所述输入侧转换器级(3，4)中的每一个都包括至少一个与所述输入侧转换器级(3，4)的所述第一线圈(T1a，T2a)串联连接的储能电感器(L1，L2)。

9.根据权利要求8所述的转换器，其特征在于，其中至少两个储能电感器(L1-1，L1-2)至少经公共的磁芯被成对地磁耦合，所述至少两个储能电感器(L1-1，L1-2)中的每一个被布置在不同的输入侧转换器级(3，4)中。

10.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，其中所述至少一个储能电感器(L)作为公共的储能电感器被提供用于所述功率变换器(T1，T2)。

11.一种脉宽调制的开关模式DC-DC升压转换器，所述升压转换器包括输入侧(1)上的至少一个第一电子电路和输出侧(2)上的第二电子电路，所述输入侧(1)和所述输出侧(2)经至少两个功率变换器(T1，T2)而被耦合，每个功率变换器(T1，T2)包括布置在所述输入侧(1)上的输入侧转换器级(3，4)中的第一线圈(T1a，T2a)和布置在所述输出侧(2)上的输出侧转换器级(5)中的第二线圈(T1b，T2b)，所述线圈(T1a，T1b，T2a，T2b)中的每一个都具有第一端和第二端，其中

所述第一电子电路包括：

-端子(A0，A1)，所述端子(A0，A1)用于连接源或者负载；

-至少一个储能电感器(L)，所述至少一个储能电感器(L)与所述功率变换器(T1，T2)的所述第一线圈(T1a，T2a)中的至少一个串联耦合，

-用于每个功率变换器(T1，T2)的开关的布置，所述开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态以及第二断开状态之间切换通过所述第一线圈(T1a，T2a)的电流，并且其中

在所述开关布置中的所有开关都导通时所述至少一个储能电感器(L)被充电，以及

所述第二电子电路包括：

-端子(B0，B1)，所述端子用于连接负载或者源，

-单一的开关的布置，所述单一的开关的布置适用于在第一接通状态、第一断开状态、具有与所述第一接通状态相反的极性的第二接通状态以及第二断开状态之间切换通过所述功率变换器(T1，T2)的所述第二线圈(T1b，T2b)的电流，或适用于向所述端子(B0，B1)提供经整流的电流，并且其中

所述功率变换器(T1，T2)的所述第二线圈(T1b，T2b)被串联连接并且经所述第二电子电路的所述单一的开关的布置而被耦合到所述输出侧的所述端子(B0，B1)

进一步包括所述输入侧上的至少一个电流平衡变压器(X1)，所述电流平衡变压器(X1)包括：

-至少一个主线圈(X1-1)，所述至少一个主线圈(X1-1)在与所述输入侧(1)上的第一转换器级(3)的所述开关的布置串联的主支路(6)中被提供，

-至少一个次级线圈(X1-2)，所述至少一个次级线圈(X1-2)在与另外的输入侧转换器级(4)的所述开关的布置串联的次级支路(7)中被提供，

其中所述主线圈(X1-1)和所述次级线圈(X1-2)以相反的极性被布置以使所述主支路(6)和所述次级支路(7)磁耦合以便感应所述耦合的支路(6，7)中的相反的电流，由此以预先确定的电流平衡比成对地平衡所述耦合的支路(6，7)之间的电流分布。

12.根据权利要求11所述的转换器，其特征在于，其中所述转换器包括：

-偶数N＝2n个所述功率变换器(T1，T2，...)，其中n为大于1的整数，以及

-M＝(2n-1)个所述电流平衡变压器(X1，X2，...)的级联布置，所述电流平衡变压器(X1，X2，...)被布置为相继地平衡通过级联的耦合支路对中的所述N个功率变换器(T1，T2，...)的所述第一线圈(T1a，T2a，...)的所述电流，其中所述电流平衡变压器(T1，T2，...)中的每一个提供1∶1的电流平衡比。

13.根据权利要求11所述的转换器，其特征在于，其中所述转换器包括：

-奇数P＝(2n+1)个所述功率变换器(T1，T2，...)，其中n为大于或者等于1的整数，以及

-Q＝2n个所述电流平衡变压器(X1，X2，...)的级联布置，所述电流平衡变压器(X1，X2，...)被布置为相继地平衡通过级联的耦合支路对中的所述N个功率变换器(T1，T2，...)的所述第一线圈(T1a，T2a)的所述电流，其中所述电流平衡变压器中的至少一个提供2∶1的电流平衡比。

14.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，其中通过整流全桥布置中的二极管来提供所述输出级(5)中的所述单一的开关的布置。

15.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，其中所述转换器还适用于作为双向转换器的操作。

16.根据权利要求15所述的转换器，其特征在于，其中通过全桥配置中的开关来提供所有开关的布置。

17.根据权利要求1或者2所述的转换器，其特征在于，所述转换器还包括连接所述输入侧(1)上的所述端子(A0，A1)的电容器(C)和/或连接所述输出侧(2)上的所述端子(B0，B1)的电容器(C)。