CN101895200A - 轮替主从分路的交错并联反激变换器 - Google Patents

轮替主从分路的交错并联反激变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轮替主从分路的交错并联反激变换器，能够提高变换器的可靠性和使用寿命。其技术方案为：本发明通过在反激变换器中设置有主从之分的反激电路，通过输出端的电流和电压控制每一个反激电路的运作：主分路持续运行，分路只在功率比阈值高时运行，而主分路和从分路进行周期性的轮替，尤其是通过功率过零来进行主从分路的周期性轮替。

Description

轮替主从分路的交错并联反激变换器
技术领域
本发明涉及能量转换设备，尤其涉及反激变换器的能量转换设备。
背景技术
反激变换拓扑是一种常用的DC-DC转换技术，适用于要求电绝缘、升压及高效率的情况。反激拓扑包括一个变压器、一个开关器件、和一个二极管。通常，开关器件与变压器的主线圈串联，变压器的次线圈通过串联的二极管接到负载。通过开关主线圈的电流，直流电压被升高。
为了加倍输出功率，两个反激变换器可以通过并联方式交错工作。每个反激变换器形成一个分路，独立而交错的工作。两个分路必须匹配，以保证二者平衡工作，从而能够有效地进行能量转换。但是当两个分路都工作时，所有的器件会多损耗能量，从而降低效率。一个减少损耗的方法是使用主从分路：主路一直工作，而从路在功率低时停止工作。
然而，当主路和从路固定时，主路和从路间的不同工作状态又会造成二者的失配和相关的问题，如温度差别、不同的器件老化等等。另外，由于主路工作时间更多，主路就成为了限制变换器可靠性和寿命的因素。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种轮替主从分路的交错并联反激变换器，能够提高变换器的可靠性和使用寿命。
本发明的技术方案为：本发明揭示了一种轮替主从分路的交错并联反激变换器，包括：
多个平行连接的反激电路；
输出电流检测器，检测该交错并联反激变换器输出端的电流；
输出电压检测器，检测该交错并联反激变换器输出端的电压；
控制器，一方面耦接该输出电流检测器和该输出电压检测器，另一方面分别耦接该每一反激电路的开关，根据检测到的电流和电压控制该每一反激电路的运作：将其中的部分反激电路设为主分路，其余的反激电路设为从分路，其中该主分路在该控制器的控制下持续运行，该从分路只在该交错并联反激变换器的输出端的功率比阈值高时运行，该控制器控制主分路和从分路进行周期性的轮替。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的一实施例，该每一反激电路进一步包括：
变压器；
开关器件，与该变压器的主线圈串联；
二极管，与该变压器的次线圈串联。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的一实施例，该开关器件是场效应晶体管。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的一实施例，该控制器进一步包括：
检测电路，其输入端耦接该输出电流检测器和该输出电压检测器，将模拟信号形式的输出电流和输出电压转换为数字信号；
处理电路，耦接该检测电路，基于该数字信号形式的输出电流和输出电压，利用功率过零获得每一反激电路的控制信号并发送；
控制电路，耦接该处理电路，根据接收到的该控制信号向所连接的该每一反激电路中开关器件发出开启或关闭的运作信号。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的一实施例，该控制器是通过功率过零来控制主分路和从分路进行周期性的轮替。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的一实施例，该交错并联反激变换器是直流到直流转换器。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的一实施例，该直流到直流转换器还包括：
输入电容，连接在该转换器的输入端，用于存储能量。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明通过在反激变换器中设置有主从之分的反激电路，通过输出端的电流和电压控制每一个反激电路的运作：主分路持续运行，分路只在功率比阈值高时运行，而主分路和从分路进行周期性的轮替，尤其是通过功率过零来进行主从分路的周期性轮替。
附图说明
图1是本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的一个实施例的结构示意图。
图2是图1实施例中控制器的原理图。
图3是使用现有的交错反激式直流到直流变换器的信号时序图。
图4是不采用轮替手段的主从分路的交错并联反激变换器的信号时序图。
图5是本发明的采用轮替手段的主从分路的交错并联反激变换器的信号时序图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1示出了本发明的轮替主从分路的交错并联反激变换器的实施例的结构。请参见图1，为了描述方便，本实施例以两个反激电路交错并联为例来说明，其中一支作为主分路，另一支作为从分路，本实施例也是直流到直流转换器100。直流到直流转换器100将直流电源101的直流电压转换到直流电压输出102。直流电源101可以是光伏或一些其他来源的直流电源。直流电压输出102可以连接到使用直流电源的设备，包括直流到交流的转换器。
直流到直流转换器100包括一个输入电容103，连接在直流电源101上，用来储存能量。对于输入端的直流电源101和输出端的直流电压输出102，两个反激电路105和106是并行连接的，两个反激电路的构造相同，在本实施例中均可被称为“分路”。反激电路105包括变压器T1、开关Q1和二极管D1，变压器T1的初级线圈与开关Q1串联，变压器T1的次级线圈通过二极管D1连接至直流电压输出102。同样的，反激电路106包括变压器T2、开关Q2和二极管D2，变压器T2的初级线圈与开关Q2串联，变压器T2的次级线圈通过二极管D2连接至直流电压输出102。
在本实施例中，开关Q1是一个场效应晶体管(FET)。这个场效应晶体管的漏极耦合接地，源极耦合到变压器T1的初级线圈，栅极耦合到控制器110的G1输出端口。同样的，开关Q2也是一个场效应晶体管。这个场效应晶体管的漏极耦合接地，源极耦合到变压器T2的初级线圈，栅极耦合到控制器110的G2输出端口。
在输出端的直流电压输出102处，还设有输出电流检测器111和输出电压检测器112。其中输出电流检测器111耦合到控制器110的lo端口，输出电压检测器112耦合到控制器110的Vo端口，它们都用来控制分路(也就是反激电路105或106)的开启或关闭，并实现主从分路的轮替控制。
图2示出了控制器110的内部原理。请参见图2，本实施例的控制器110包括检测电路201、内存202、处理器204、控制电路205和外围电路206。其中检测电路201使用模数转换器将获取的输出电流检测器111的电流信号和输出电压检测器112的电压信号从模拟信号转换为数字信号。内存202可以是任何存储器元件类型，比如随机存取存储器、只读存储器、闪存芯片、处理器寄存器、高速缓存、硬盘、可读或可写光盘或磁带存储、电容器、其他电路、或任何其他类型的已知设备。内存202中存储的控制软件203可由处理器204来执行。处理器204基于数字信号形式的输出电流和输出电压，获得每一分路(反激电路105或106)的控制信号，并发送给控制电路205，这种处理除了将其中的一个反激电路设为主分路，另一个反激电路设为从分路，让主分路保持持续运作，而从分路只在功率大于阈值时才工作之外，还可以对主从分路进行轮替的控制，例如以一定的周期互换主从分路，具体的轮替过程将在下面的内容中详细的说明。控制电路205根据接收到的控制信号向所连接的反激电路中的开关器件Q1或Q2发出开启或关闭的运作信号。处理器204可以是处理器、微控制器、FGPA、专用集成电路(ASIC)的形式。外围电路209可以包括众所周知的外围电路，例如电源、时钟电路、总线电路、电路的I/O等。
图3是现有交错反激式转换器电路的信号时序图。坐标301描绘的对象是控制器110的G1端口的信号，也就是开关Q1的栅极电路；坐标302描述的对象是控制器110的G2端口的信号，也就是开关Q2的栅极电压。从坐标301和302中可以看出，直流到直流转换器100激活和停用每个分路(反激电路105、106)。每个分路是以交错的方式来运作，这样一分路被激活，而另一分路被停用，反之亦然。坐标303显示了反激电路105输出功率的包络线P1，坐标304显示了反激电路106输出功率的包络线P2。在现有技术中，坐标303和304是相同的，坐标305显示的是复合功耗Po，亦即输出功率P1和P2的总和，实质上也等于输出电流检测器111检测到的输出电流Io和输出电压检测器112检测到的输出电压Vo的乘积。复合功耗Po的峰值是Pm，而P1和P2的峰值均为Pm/2。可见，交错方式可减少输出直流电流和电压的纹波，此外，反激电路的并联使用使输出功率大幅提高的负载，例如两并联电路的输出功率增加了一倍。可以看出，在现有技术中，两个分路并没有主从之分。
稍加改进的是将两个分路分为主分路和从分路，其中主分路一直运作，而从分路在输出端的直流电压输出102的功率低于阈值时关闭。图4是这种主从交错反激转换器电路的信号时序图。坐标401和402分别描绘了开关Q1和Q2的栅极电压G1和G2，坐标403显示了反激电路(分路)105输出功率的包络线P1，坐标404显示了反激电路(分路)106的输出功率的包络线P2。坐标405显示的是复合功耗，亦即P1和P2的总和。即使坐标405和305相同，坐标403和303以及坐标404和303也不相同。所有的时间都是相同的，按周期1和周期2所示，每个周期有A、B和C三个区。在A区，Po从0提高到Pm/2；在B区，Po从Pm/2增加到Pm，再减少到Pm/2；在C区，Po从Pm/2降到0。在A区和C区，只有主分路105运作，而从分路106关闭，P2为0，P1介于0和Pm/2，而不是坐标303所示的Pm/4。在B区，主从分路均匀地运作，P1和P2是相同的，和坐标系303和304所示相同。
下面详述主从分路的轮替。当主分路是一个固定的分路时，主分路一直运作，从分路有时关闭，所以两个分路是失配的，比如在工作温度和应力等方面，这将导致不匹配的所有相关问题。另外主分路由于承受了更多的应力，从而限制了变换器的寿命。因此，本实施例中的控制器110控制进行主从分路的轮替，也就是将主分路和从分路进行周期性轮换，使得两个分路的运作时间相同，都低于固定主分路的情况。请同时参见图5，坐标501和502分别描绘了开关Q1和Q2的栅极电压信号G1和G2。在时期1，分路105是主分路而分路106是从分路。如上所示，分路105始终在运作，而分路106在功率低于阈值时不运作。在时期2，分路106作为主分路而分路105是从分路。坐标503显示了分路105输出功率的包络线P1，坐标504显示了分路106输出功率的包络线P2，坐标505显示了复合功耗Po，即P1和P2的总和。在时期1，坐标503和403相同，坐标504和404相同。然而在时期2，主从分路轮替，坐标503和404相同，坐标504和403相同。具体的轮替触发点可以由复合功耗Po过零来控制，也就是说，当Po到达0时，主分路变为从分路，从分路变为主分路。
在上述的例子中，轮替周期是输出功率的周期。当然，控制器110也可以设置任何的一个轮替周期，如多周期、1秒、1分钟、1小时、1天、1周、1个月或其他。
需要理解的是，上述的实施例是两个分路的例子，本发明可以扩展到任意数量(N个)的分路。对于Po的峰值输出功率Pm，每个分路的峰值输出功率为Pm/N。为轮替控制的阈值电压可以定为Pth＝Pm/(N*N)。运行的分路数是Po和Pth的整数商。当Po是介于0和Pth时，1路开启，称为主分路。当Po介于Pth和2Pth之间，有2路运行，1路为主分路，另一路为从分路。当Po介于i*Pth和i*(i+1)*Pth，主分路和第1至第i个从分路开启。当Po介于(n-1)*Pth和Pm之间时，所有分路运行，包括主分路和1到N-1分路。类似上面的例子，主从分路轮替，例如：主分路变成从分路1，从分路1变成从分路2，从分路N-1变成了主分路。
另一个需要理解的是，在上述的实施例中是用输出功率Po控制分路，如果输出电压Vo是一个恒定的直流电压，还可以使用输出电路Io来控制分路。
本发明的反激变换器中设置了多个平行连接的反激电路，通过控制器控制各个反激电路的运作，将其中的部分反激电路设为主分路，另一部分反激电路设为从分路，其中主分路持续运作，而从分路只在功率高于阈值时才运行。此外，控制器控制主从分路的周期性轮替。对比现有技术，本发明可以减少单一分路的工作时间，提高变换器的可靠性和使用寿命。
上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种轮替主从分路的交错并联反激变换器，包括：
多个平行连接的反激电路；
输出电流检测器，检测该交错并联反激变换器输出端的电流；
输出电压检测器，检测该交错并联反激变换器输出端的电压；
控制器，一方面耦接该输出电流检测器和该输出电压检测器，另一方面分别耦接该每一反激电路的开关，根据检测到的电流和电压控制该每一反激电路的运作：将其中的部分反激电路设为主分路，其余的反激电路设为从分路，其中该主分路在该控制器的控制下持续运行，该从分路只在该交错并联反激变换器的输出端的功率比阈值高时运行，该控制器控制主分路和从分路进行周期性的轮替。
2.根据权利要求1所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器，其特征在于，该每一反激电路进一步包括：
变压器；
开关器件，与该变压器的主线圈串联；
二极管，与该变压器的次线圈串联。
3.根据权利要求2所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器，其特征在于，该开关器件是场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器，其特征在于，该控制器进一步包括：
检测电路，其输入端耦接该输出电流检测器和该输出电压检测器，将模拟信号形式的输出电流和输出电压转换为数字信号；
处理电路，耦接该检测电路，基于该数字信号形式的输出电流和输出电压，利用功率过零获得每一反激电路的控制信号并发送；
控制电路，耦接该处理电路，根据接收到的该控制信号向所连接的该每一反激电路中开关器件发出开启或关闭的运作信号。
5.根据权利要求1所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器，其特征在于，该控制器是通过功率过零来控制主分路和从分路进行周期性的轮替。
6.根据权利要求1所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器，其特征在于，该交错并联反激变换器是直流到直流转换器。
7.根据权利要求6所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器，其特征在于，该直流到直流转换器还包括：
输入电容，连接在该转换器的输入端，用于存储能量。
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