CN102047539A - 开关模式功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适于零电压过渡操作的开关模式功率转换器，其中，该转换器包括：半桥，其具有第一功率开关(206)和第二功率开关；发生器(201)，其适于在第一时间段之后生成开关信号S1，其中，第一时间段在第二功率开关的断开时开始；以及控制器(202)，其用于将开关信号S1转换成控制信号S2，其中，在控制信号S2的情况下，接通第一功率开关(206)，其中，控制器(202)包括：检测器(205)，其中，检测器(205)适于在第一功率开关(206)上的电压(U+，U-)减小的情况下生成第一信号S3；处理器(203)，其中，处理器(203)适于在开关信号S1的情况下并且同时不存在所述第一信号(S3)时生成触发信号S4；以及存储元件(204)，其中，该存储元件(204)适于在触发信号S4和开关信号S1的情况下生成控制信号S2，其中，该存储元件(204)适于在触发信号S4消失之后保持控制信号S2，其中，该存储元件(204)适于在开关信号S1消失之后终止控制信号S2。

Description

开关模式功率转换器
技术领域
本发明涉及一种适于零电压过渡操作的开关模式功率转换器。此外，本发明涉及一种用于控制开关模式功率转换器的方法，其中，该转换器适于零电压过渡操作。此外，本发明涉及一种计算机断层摄影系统，该系统包括这样的转换器和实现这样的方法的程序单元以及包括这样的程序单元的计算机可读介质。
背景技术
谐振转换器适于向谐振电路、负载供应电能并且经常向对应的变压器供应电能。优选类型的谐振转换器至少包括半桥。该半桥包括两个功率开关，其中，功率开关串联连接。因此，存在着布置在高电位和介于高电位和低电位之间的变化电位之间的功率开关和布置在变化电位和低电位之间的另一功率开关。存在着控制这样的谐振转换器的不同的可能性。一种可能的操作模式是软开关。软开关是一种以在进行开关时开关中的电流为零(零电流开关，ZCS)或在开关事件时开关处的电压为零(零电压开关，ZVS)为特征的操作模式。通过负载电流对与开关并联的电容进行充电，由此开关处的电压在开关断开之后不久出现，在该情况下，该操作模式被称为零电压过渡开关(ZVT)，意指只有在开关的接通和断开事件期间，开关处的电压才为零。为了使零电压过渡开关成为可能，要求功率开关的导电时间段之间的所谓的死区时间。因此，死区时间以所有功率开关都处于断开状态(不导电)的时间段为特征。适当的死区时间很大程度上取决于转换器的操作条件。太短的死区时间可能在几个开关周期内破坏转换器。太长的死区时间导致额外的损失和电磁干扰(EMI)，并且因而可能使得期望的操作不可行。
目前，使用非常简单的死区时间适应方法，该方法需要大量的设计余量并阻止转换器的最佳使用。简单地，将固定的时间段用作死区时间。该固定的死区时间保证了对功率开关的保护。作为缺陷，由于允许部件的理论限制且必须将动态行为视为相当差，因而转换器的最大功率显著地降低。还存在着自适应方法。现有技术的自适应方法具有在瞬态的情况下在常规操作的起动或衰退期间启动的问题，这导致非单调控制行为。
发明内容
因此，可能存在着对计算死区时间的最佳时间段的设备的需要，其中，最佳时间段意指转换器的常规操作正好可能的最小时间段。
可以由根据独立权利要求中的一项的主题来满足这些需要。在从属权利要求中描述本发明的有利的实施例。
根据本发明的第一方面，提出一种适于零电压过渡操作的开关模式功率转换器，其中，转换器包括：半桥，其具有第一功率开关和第二功率开关；发生器，其适于在第一时间段之后生成开关信号，其中，第一时间段在第二功率开关的断开时开始；以及控制器，其用于将开关信号转换成控制信号，其中，在控制信号的情况下，接通第一功率开关，其中，控制器包括：检测器，其中，该检测器适于在第一功率开关上的电压减小的情况下生成第一信号；处理器，其中，该处理器适于在开关信号的情况下并且同时不存在第一信号时生成触发信号，以及存储元件，其中，该存储元件适于在触发信号和开关信号的情况下生成控制信号，其中，该存储元件适于在触发信号消失之后保持控制信号，其中，该存储元件适于在开关信号消失之后终止控制信号。
如本发明所提出的转换器可以被视为鲁棒的且提供自适应死区时间延长。这一实施例避免上述缺点，并且在任何情况下都允许稳定的操作。此外，根据本发明理念的转换器对瞬态操作不敏感。作为其结果，本发明理念使得将转换器使用至高达其理论极限变成可能。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于控制适于零电压过渡操作的开关模式功率转换器的方法，其中，该转换器包括具有第一功率开关和第二功率开关的半桥，其中，该方法包括步骤：在第一时间段之后生成开关信号，其中，第一时间段在第二功率开关的断开时开始；将开关信号转换成控制信号，其中，在控制信号的情况下，接通第一功率开关，其中，该方法包括步骤：在第一功率开关上的电压减小的情况下生成第一信号；在开关信号的情况下并且同时不存在第一信号时生成触发信号；在触发信号和开关信号的情况下生成控制信号，其中，该存储元件适于在触发信号消失之后保持控制信号，其中，该存储元件适于在开关信号消失之后终止控制信号。
根据本发明的方法主要将众所周知的谷值开关与启动条件结合。其结果为自适应死区时间延长。谷值开关意指：即将发生的开关的接通被延迟，直到开关的阻断电压达到最小值为止。启动条件意指：只有检测到阻断电压的下降，才应用延迟。以这种方式，忽略通常导致不适当的开关延迟并阻止转换器启动常规操作的所有特殊条件。
根据本发明的第三方面，提出一种包括如权利要求1至8之一所述的转换器的计算机断层摄影系统。
根据本发明的第四方面，提出一种在由处理器执行时适于实现如权利要求9所述的方法的程序单元。
根据本发明的第五方面，提出一种存储有如权利要求11所述的程序单元的计算机可读介质。
根据本发明，提供一种转换器，其中，存储元件是锁存器。
根据示范性实施例，提供一种转换器，其中，存储元件是双稳态多谐振荡器，尤其是触发器。
根据本发明，提供一种转换器，其中，该转换器包括用于生成第一死区时间的第一延迟器，从而使得在第一功率开关的接通和第二功率开关的断开之间存在着时间段。第一死区时间适于阻止第一功率开关和第二功率开关的短路。
根据示范性实施例，提供一种转换器，其中，该转换器包括用于生成第二死区时间的第二延迟器，从而使得在接通第一功率开关之前，第一功率开关上的电压下降至零。这是零电压过渡操作期间的典型行为。第二死区时间对于获得零电压过渡操作是必要的。
根据另一示范性实施例，提供一种转换器，其中，第一时间段比从控制信号的变化直到第一功率开关已改变其导电状态为止的时间段更长，比在零电压过渡操作期间以开关信号的消失开始并以第一功率开关的第一最小电压结束的时间段更短。
根据另一示范性实施例，提供一种转换器，其中，第一时间段在10至5000ns的范围内。
根据另一示范性实施例，提供一种转换器，其中，该转换器是用于供应用于X射线应用的高电压发生器的谐振电路和变压器的DC/AC转换器的一部分。
在半桥的一个功率开关处于接通状态的情形下，不可能接通该半桥的另一功率开关。在该情况下，会有短路，并且功率开关可能被损坏。因此，为了确保安全的操作模式，有必要在一个功率开关从接通状态(导电状态)改变至断开状态(不导电状态)之后、在接通另一功率开关之前等待一时间段。该过程确保阻止可能导致短路的两个功率开关都导电的情形。
除了该问题之外，还有必要为了实现零电压过渡操作而必须等待又一时间段，以允许在接通功率开关之前使功率开关上的电压下降至零。该附加的时间段通常很大程度上取决于转换器的操作条件。必须相对于功率开关的开关考虑根据上面提到的两种情形而要求的总时间段。因此，根据本发明，生成死区时间，由死区时间控制模块延长死区时间，以获得该总时间段。
可以看作本发明的要旨的是：使谐振转换器的死区时间最优化，以便实现部件的最优的动态行为和良好利用。
应当注意到，下面所描述的本发明的示范性实施例还应用于方法、设备、程序单元以及计算机可读介质。
应当注意到，还可以组合上面的特征。即使没有详细地明确描述，上面的特征的组合也可能导致协同效应。
参考下文所描述的实施例，本发明的这些及其他方面将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
以下将参考下面的附图来描述本发明的示范性实施例。
图1显示电压特性；
图2是本发明的实施例的方块图；
图3显示计算机断层摄影扫描架。
附图标记列表：
91    计算机断层摄影扫描架
92    扫描架的固定部分
93    扫描架的旋转部分
94    X射线源
95    X射线探测器
97    台
98    高频电源
99    控制及分析单元
101   开关信号
102   功率开关上的电压
103   第一信号
104   控制信号
201   发生器
202   控制器
203   处理器
204   锁存器
205   检测器
206   功率开关
具体实施方式
本发明理念将众所周知的谷值开关(valley-switching)与启动条件结合。谷值开关意指：即将发生的开关的接通被延迟，直到开关的阻断电压达到最小值为止。启动条件意指：只有检测到阻断电压的下降，才应用延迟。以这种方式，忽略通常导致不适当的开关延迟并阻止转换器启动常规操作的所有特殊条件。
基本特征是，仅评价开关电压的初始下降过渡，并且，只有在出现开关接通信号时已经正在进行该初始下降过渡，才进行评价。在所有其他情况下，不考虑死区时间延长，立即进行开关控制。
图1描述本发明的发明理念。第一个图描绘开关信号101。开关信号101可以被解释为使能信号并指示功率开关的期望状态。只有在开关信号101即将到来的情况下，才有可能接通功率开关。此外，存在开关信号101是不够的。开关信号101的边缘105开启接通功率开关的可能性。电压特性102描绘功率开关上的电压。在边缘105的时间点，功率开关上的电压减小。这导致第一信号103。第一信号103的存在阻止控制信号104的生成。在功率开关102上的电压减小期间，尽管存在开关信号101，还是阻止功率开关的开关。最后，电压特性102恒定或增大，在该情形下，可以通过控制信号104接通功率开关。
在开关信号101的边缘106，电压102并不减小。因此，控制信号104无时间延迟地立即存在。随后的电压102的减小并不导致任何变化，因为控制信号104已经接通。因此，由于本发明理念而导致在由控制信号104控制的功率开关的接通时间段期间忽略电压102和第一信号103的变化。
图1描述本发明的原理的操作模式。在第一次出现开关信号101之前不久，功率开关上的电压102开始下降。电压102的这一减小取决于由功率开关供电的计算机断层摄影系统的谐振电路和变压器的电感和电容。该减小由检测器检测并由第一信号指示。虽然该第一信号103存在，但不存在控制信号104。在下一个情形下，当功率开关102上的电压停止下降时，第一信号103消失。此刻，控制信号104接通功率开关。进一步的变化，特别是功率开关102上的电压的交替上升和下降，不再有任何影响。
在边缘106处显示第二种情形。在该情况下，并不受到减小的电压102的阻止。因此，控制信号104可以接通功率开关。
图2描绘本发明的实施例的方块图。方块206描绘功率开关。功率开关206适于开关其终端U+和U-之间的导电连接。功率开关206由控制信号S2控制。方块202描绘根据本发明理念的控制器。描绘了监控终端U+和U-之间的电压的检测器205。在减小的电压的情况下，检测器205生成第一信号S3。描绘了生成开关信号S1的发生器201。开关信号S1可以被视为用于接通功率开关206的使能信号。信号S1(开关信号)和S3(第一信号)将由处理器203处理。在存在开关信号S1但不存在第一信号S3的情况下，处理器将生成触发信号S4。信号S4(触发信号)和S1(开关信号)将由存储元件204处理。在触发信号S4和开关信号S1的情况下，存储元件将生成控制信号S2。功率开关206将由控制信号S2接通。在触发信号S4在功率开关206被接通之后改变的情况下，不存在任何变化。只要存在开关信号S1，存储元件204就保持控制信号S2。仅在开关信号S1消失的情况下才由存储元件204终止控制信号S2。
图2显示本发明的原理的实施方式。在两条信号线的帮助下，死区时间控制系统202接收受控的功率开关206两端的电压。将该电压供应至死区时间控制模块202中的检测器205。如果功率开关206上的电压减小，则检测器205在其输出端生成第一信号S3，即，如果电压恒定或上升，则检测器205不生成信号。换句话说，第一信号S3指示功率开关206处的下降电压。将该第一信号S3发送至接收开关信号S1的信号消隐方块(signal blanking block)203。如果第一信号S3不存在，则将开关信号S1转发至例如锁存器的信号存储方块204。如果存在第一信号S3，那么，只要第一信号S3存在，消隐方块203就拖延信号S1到存储元件204的传播。存储元件204还接收开关信号S1。如果信号S1和S4都存在于存储元件204，则存储元件204生成针对功率开关206的控制信号S2。从现在开始，忽视随后的信号S4的变化。只有在信号S1被去除即开关信号S1被断开时，那么，存储元件204才也去除其输出信号——控制信号S2，并且因而断开功率开关206。
图3显示计算机断层摄影扫描架91布置的示范性实施例。扫描架91包括连接至高频电源98的固定部分92和适于相对于固定部分92旋转的旋转部分93。X射线源94和X射线探测器95在相对的位置处附接至旋转部分93，以便可围绕定位在台97上的患者旋转。X射线探测器95和X射线源94连接至控制及分析单元99，该控制及分析单元99适于控制X射线探测器95和X射线源并评价X射线探测器95的探测结果。
在开关模式功率转换器中实现的自适应控制器避免了DC/AC转换器的太长或太短的关闭时间段的缺点，并在任何情况下都允许DC/AC转换器的稳定且鲁棒的操作。控制器还对瞬态操作不敏感。此外，使转换器操作至高达其理论极限变得可行。
本发明还可以与X射线计算机断层摄影系统一起应用，并且，可以与用于计算机断层摄影应用的非接触式功率传递系统一起应用。在这些高功率应用中，允许将转换器设计为接近具有ZVT开关的谐振功率转换器的原理的极限，并且因而有助于系统的成本和尺寸的最小化。
本发明使得将转换器设计为接近具有零电压过渡开关(ZVT)的谐振功率转换器的原理极限的极限变成可能，并且因而有助于系统的成本和尺寸的最小化。本发明理念还可以在所有其他种类的具有零电压过渡开关(ZVT)的准谐振功率转换器中应用。尤其是，可以更可靠地且以减少的设计努力来生产较小的功率转换器。
应当注意到，术语“包括”并不排除其他单元或步骤，并且，“一”或“一个”并不排除多个。还可以组合与不同的实施例关联而描述的元件。
应当注意到，权利要求书的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种适于零电压过渡操作的开关模式功率转换器，其中，所述转换器包括：
-半桥，其具有第一功率开关(206)和第二功率开关，
-发生器(201)，其适于在第一时间段之后生成开关信号(S1)，其中，所述第一时间段在所述第二功率开关的断开时开始，
-控制器(202)，其用于将所述开关信号(S1)转换成控制信号(S2)，其中，在所述控制信号(S2)的情况下，接通所述第一功率开关(206)，其中，
所述控制器(202)包括：
-检测器(205)，其中，所述检测器(205)适于在所述第一功率开关(206)上的电压(U+，U-)减小的情况下生成第一信号(S3)，
-处理器(203)，其中，所述处理器(203)适于在开关信号(S1)的情况下并且同时不存在所述第一信号(S3)时生成触发信号(S4)，
-存储元件(204)，其中，所述存储元件(204)适于在所述触发信号(S4)和所述开关信号(S1)的情况下生成所述控制信号(S2)，其中，所述存储元件(204)适于在所述触发信号(S4)消失之后保持所述控制信号(S2)，其中，所述存储元件(204)适于在所述开关信号(S1)消失之后终止所述控制信号(S2)。
2.如权利要求1所述的转换器，其中，所述存储元件(204)是锁存器。
3.如先前权利要求之一所述的转换器，其中，所述存储元件(204)是双稳态多谐振荡器，尤其是触发器。
4.如先前权利要求之一所述的转换器，其中，所述转换器包括：
-第一延迟器，其用于生成第一死区时间，从而使得在所述第一功率开关(206)的接通和所述第二功率开关的断开之间存在着时间段。
5.如先前权利要求之一所述的转换器，其中，所述转换器包括：
-第二延迟器，其用于生成第二死区时间，从而使得在接通所述第一功率开关(206)之前，所述第一功率开关(206)上的电压(U+，U-)下降至零。
6.如先前权利要求之一所述的转换器，其中，所述第一时间段：
-比从所述控制信号(S2)的变化直到所述第一功率开关(206)已改变其导电状态为止的时间段更长，
-比在零电压过渡操作期间以所述开关信号(S1)的消失开始并以所述第一功率开关(206)的第一最小电压结束的时间段更短。
7.如先前权利要求之一所述的转换器，其中，所述第一时间段在10至5000ns的范围内。
8.如先前权利要求之一所述的转换器，其中，所述转换器是用于供应用于X射线应用的高电压发生器的谐振电路和变压器的DC/AC转换器的一部分。
9.一种用于控制适于零电压过渡操作的开关模式功率转换器的方法，其中，所述转换器包括具有第一功率开关(206)和第二功率开关的半桥，其中，
所述方法包括步骤：
-在第一时间段之后生成开关信号(S1)，其中，所述第一时间段在所述第二功率开关的断开时开始，
-将所述开关信号(S1)转换成控制信号(S2)，其中，在所述控制信号(S2)的情况下，接通所述第一功率开关(206)，其中，
所述方法包括步骤：
-在所述第一功率开关(206)上的电压(U+，U-)减小的情况下生成第一信号(S3)，
-在开关信号(S1)的情况下并且同时不存在所述第一信号(S3)时生成触发信号(S4)，
-在所述触发信号(S4)和所述开关信号(S1)的情况下生成所述控制信号(S2)，其中，所述存储元件(204)适于在所述触发信号(S4)消失之后保持所述控制信号(S2)，其中，所述存储元件(204)适于在所述开关信号(S1)消失之后终止所述控制信号(S2)。
10.一种计算机断层摄影系统，其包括如权利要求1至8之一所述的转换器。
11.一种程序单元，其在被处理器执行时适于实现如权利要求9所述的方法。
12.一种计算机可读介质，其存储有如权利要求11所述的程序单元。
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