CN102714460B - 功率转换设备 - Google Patents

Abstract

提供了一功率转换设备，当存在问题时，使用该设备，通过防止累积在电抗器中的电感能量由机械开关吸收，从而可能延长机械开关的寿命。当存在问题时机械开关SW被关闭时，通过将累积在电抗器L中的能量经由二极管DPA或DNA释放至电容器C而防止累积在电抗器L中的电感能量由机械开关SW吸收，因此能延长机械开关SW的寿命。

Description

功率转换设备

技术领域

本发明涉及功率转换设备，诸如DC-DC转换器，使用该功率转换设备可能延长机械开关的寿命并当存在轻负载时减少电抗器中发生的损失。

背景技术

图7是目前已知的升压DC-DC转换器的主要部分的配置图。这在，例如，非专利文献1中示出。

图7是提供功率给负载DC-DC转换器，其通过以合适的时间比交替地导通和截止作为开关元件（在图中，是绝缘栅双极晶体管：IGBT）的TP和TN来将直流电源Vs的电压（=输入电压Vin）转换为高于Vs的电压的电压（=输出电压Vout）。

还有，在图7中，负载是假设是汽车马达等的电流源Load，不过即使当电流源Load的电流ILoad的方向与图中所示的方向相反时，TP和TN仍以合适的时间比导通和截止，从而施加给负载（=该电流源Load）的电压（=输出电压Vout）是所需的电压。在这种情况下，电抗器L的电流IL在与图中所示方向相反的方向上流动，且从该负载（=电流源：马达等）再生功率给直流电源Vs。以此方式，在图7的电路设置的情况下，从直流电源Vs到电流源或从电流源到直流电源Vs的双向功率流（双向流）是可能的。当DC-DC转换器存在问题时，作为机械开关的在图中的SW断开（关掉）电路。由于该机械开关能耐噪声且低成本，因此该机械开关被广泛地使用。还有，作为接触开关的机械开关，它可以是闸刀开关、断路器、具有触点的继电器开关等，也包括插头插入插槽和从插槽移除。尽管在非专利文献1中没有直接示出机械开关，但是它对于实际设备而言是必要的。

图8是目前已知的另一种升压DC-DC转换器的配置图。尽管在图7中双向功率流是可能的，但是存在这样的情况，其中取决于负载，一个方向的功率流是足够的，即足以向负载提供功率（单向流）。在这种情况下，可能省略图7的TP。还有，在流过电抗器L的电流IL沿着图8中箭头方向流动的情况下，功率流和电流方向是单向的。

图9是目前已知的降压DC-DC转换器的配置图。图8是通过升高直流电源Vs的电压而将功率提供给负载的升压DC-DC转换器，而图9的电路设置是通过降低直流电源Vs的电压而将功率提供给负载的降压DC-DC转换器。在这种情况下，可能省略图7的TN。还有，在流过电抗器L的电流IL沿着图中箭头方向流动的情况下，功率流和电流方向是单向的（单向流）。

还有，在专利文献1中，描述了如何通过提供与机械开关串联的电子开关、并通过首先关闭电子开关、然后关闭机械开关设置没有高电压施加至该机械开关来防止电弧（arc）。

还有，在专利文献2中，描述了如何将谐振电路与机械开关并联连接，使直流电源系统的正常电流和谐振电流之和流过机械开关，且当该和为零时关闭该机械开关。

相关技术文献

专利文献

专利文献1：JP-A-2007-213842

专利文献2：JP-A-2007-252164

非专利文献

非专利文献1：E.K.Sato等人的“DoubleDC-DCConverterforUninterruptiblePowerSupplyApplications（用于不间断电源应用的双DC-DC转换器）”。2010国际电力电子会议(2010InternationalPowerElectronicsConference)，635-642页，2010。

本发明的概要

本发明要解决的问题

在图7、图8和图9所示的电路中，机械开关SW是用于断开直流电源Vs或负载（电流源Load）与功率转换设备之间的电连接，且当功率转换设备出现问题时、或者当负载出现问题时，该机械开关SW动作（断开）。

此处，由于机械开关SW必然消耗累积在电抗器L中的电感能量，因此一般指定连接至机械开关SW的电感的允许值。然而，通常，即使当连接了具有所指定的电感的电抗器L时，当机械开关SW被切断（打开）时仍产生电弧，从而磨损了机械开关SW且缩短了机械开关SW的寿命。还有，当高于所指定的电感的电感被连接时，问题在于机械开关SW的寿命变得明显更短等。

特定地，在图7和图8中，累积在电抗器L中的所有能量由在机械开关被切断时所产生的电弧所消耗。当以此方式在机械开关SW断开时产生电弧时，机械开关的接触被损坏，且其寿命被缩短。还有，在图9中，由于当机械开关SW被切断时累积在电抗器L中的能量由电容器C所吸收，因此可能抑制机械开关SW的寿命的缩短。然而，当电容器C的电容较小时，由于吸收了累积在电抗器L中的能量，电容器C的电压明显上升，这意味着有必要通过使用具有较大耐受电压的电容器、或者使用具有较大电容的电容器来将电容器的电压设置为等于或低于电容器的耐受电压，这意味着电容器引起设备尺寸的增加。

还有，尽管假设各种负载被连接作为功率转换设备的负载，但是一般来说，输出电压Vout越高，功率转换设备的输出功率越高，且反之，输出电压Vout越低，功率转换设备的输出功率越低。

此处，使用升压DC-DC转换器，假设将在其中当负载较轻（当设备输出功率较低）时，输出电压Vout等于输入电压Vin的条件下执行驱动。然而，严格地说，由于半导体元件（例如，二极管DP）电压降的效果等，输出电压Vout不一定等于输入电压Vin。

在这种情况下，原则上，电抗器L不是必须的。然而，存在的问题在于，电抗器L安装在电路中，由于流过电抗器L的电流引起损失发生。

还有，在专利文献1和2中，添加至机械开关SW的电路以及控制该电路的电路是大规模的，从而导致成本的上升。还有，当存在轻负载时输出电压和输入电压相同，不可能解决流过电抗器L的电流IL的损失的问题。

本发明的目的在于提供功率转换设备，使用该功率转换设备，可能通过消除当存在问题时机械开关对累积在电抗器中的电感能量的吸收而解决上述问题，且不会引起设备尺寸的增加，因此延长了机械开关的寿命。

还有，本发明的目的在于提供功率转换设备，使用该功率转换设备，可能当存在轻负载时减少电抗器中的损失。

解决问题的手段

为了实现上述目的，根据权利要求1所述的本发明，功率转换设备（例如，图1的升压DC-DC转换器100），包括：通过串联连接（例如，通过连接图1的TP的发射极和TN的集电极）第一功率半导体开关（例如，图1的TP和DP）和第二功率半导体开关（例如，图1的TN和DN）构成的功率半导体串联电路、与该功率半导体串联电路并联连接的电容器（例如，图1的C），以及电抗器（例如，图1的L），该电抗器的一端连接至该第一功率半导体开关和该第二功率半导体开关的串联连接点（例如，图1的TP的发射极和TN的集电极的连接点），该功率转换设备被设置为包括第一功率二极管（例如，图1的DPA），其阳极连接至电抗器的另一端且其阴极连接至该功率半导体串联电路的高电位侧端（例如，图1的TP的集电极侧端），以及第二功率二极管（例如，图1的DNA），其阴极连接至电抗器的另一端，且其阳极连接至功率半导体串联电路的低电位侧端（例如，图1的TN的发射极侧端）。例如，图1中电抗器的另一端经由机械开关SW连接至直流电源Vs的正电极，且电容器连接至图1的负载Load。

还有，根据权利要求2所述的本发明，功率转换设备，包括：通过串联连接（例如，通过连接图3的DP的阳极和TN的集电极）第一功率二极管（例如，图3的DP）和功率半导体开关（例如，图3的TN和DN）构成的功率半导体串联电路，与该功率半导体串联电路并联连接的电容器（例如，图3的C）、以及电抗器（例如，图3的L），其一端连接至第一功率二极管和功率半导体开关的串联连接点（例如，图3的DP的阳极和TN的集电极的连接点），该功率转换设备被设置为包括第二功率二极管（例如，图3的的DNA），其阴极连接至电抗器的另一端且其阳极连接至功率半导体串联电路的低电位侧端（例如，图3的TN的发射极侧端）。电抗器的另一端经由图3中的机械开关SW连接至直流电源Vs的正电极，且例如，图3中的电容器连接至的负载Load。

还有，根据权利要求3所述的本发明，功率转换设备，包括：通过串联连接（例如，通过连接图5的TP的发射极和DN的阳极）功率半导体开关（例如，图5的TP和DP）和第一功率二极管（例如，图5的DN）构成的功率半导体串联电路、电抗器（例如，图5的L），其一端连接至该功率半导体开关和第一功率二极管的串联连接点（例如，图5的TP发射极和DN的阳极的连接点）、以及电容器（例如，图5的C），连接至电抗器的另一端以及功率半导体串联电路的低电位侧端（例如，图5的DN的阳极侧端），该功率转换设备被设置为包括第二功率二极管（例如，图5的DPA），其阳极连接至电抗器的另一端且其阴极连接至功率半导体串联电路的高电位侧端（例如，图5的TP的集电极侧端）。例如，图5中的功率半导体串联电路的高电位侧端连接至直流电源Vs的正电极，且电抗器的另一端经由机械开关SW连接至负载。

还有，根据权利要求4所述的本发明，优选的是根据权利要求1到3的本发明的功率半导体开关是通过并联连接自切断器件和二极管构成的开关。

还有，根据权利要求5所述的本发明，优选的是根据权利要求4的本发明的自切断器件是MOS晶体管（IGBT或MOSFET）或双极晶体管。

还有，根据权利要求6所述的本发明，优选的是根据权利要求1到3的本发明的功率半导体开关是结合了寄生二极管的MOS晶体管（例如，结合了寄生二极管的功率MOSFET等）。

本发明的优点

根据本发明，当存在问题时机械开关SW被切断时，通过将累积在电抗器中的能量经由二极管释放至电容器C而防止了累积在电抗器中的电感能量由SW所吸收。作为其结果，可能延长SW的寿命。

还有，当存在轻负载时，通过使用二极管将通过电抗器的电流旁路，可能显著地减少发生在电抗器电流中的损失。

附图简述

[图1]图1是本发明第一实施例的功率转换设备的主要部分配置图。

[图2]图2是示出图1的升压DC-DC转换器100的操作状况的说明性示图。

[图3]图3是本发明第二实施例的功率转换设备的主要部分配置图。

[图4]图4是示出图3的升压DC-DC转换器200的操作状况的说明性示图。

[图5]图5是本发明第三实施例的功率转换设备的主要部分配置图。

[图6]图6是示出图5的降压DC-DC转换器300的操作状况的说明性示图。

[图7]图7是目前已知的升压DC-DC转换器的主要部分配置图。

[图8]图8是目前已知的另一种升压DC-DC转换器的配置图。

[图9]图9是目前已知的降压DC-DC转换器的配置图。

用于实现本发明的最佳模式

将使用以下实施例来描述实施方式。对于与目前已知的结构中相同的部分，给出相同的附图标号和标记。

实施例1

图1是本发明第一实施例的功率转换设备的主要部分配置图。该功率转换设备是升压DC-DC转换器100，其中功率流是从直流电源Vs到作为负载的电流源Load、以及从该电流源Load到直流电源Vs的双向流。还有，图1中还示出了直流电源Vs、机械开关SW、以及作为负载的电流源Load。

该升压DC-DC转换器100由电抗器L、二极管DPA、以及二极管DNA形成，电抗器L的一端经由机械开关SW连接至直流电源Vs的高电位侧（正电极）、二极管DPA的阳极连接至电抗器L的该一端，二极管DNA的阴极连接至电抗器L的该一端。

还有，升压DC-DC转换器100由IGBT（TP）、IGBT(TN)、二极管DP和二极管DN形成，该IGBT（TP）是发射极连接至电抗器L的另一端的开关元件、该IGBT(TN)是集电极连接至电抗器L的另一端的开关元件、二极管DP的阳极连接至IGBT（TP）的发射极、且二极管DN的阴极连接至IGBT(TN)的集电极。功率半导体串联电路由TP、TN、DP和DN形成，且电抗器L的另一端连接至串联连接点，TP的发射极和TN的集电极连接至该串联连接点。还有，TP集电极侧端将被称为功率半导体串联电路的高电位侧端，且TN发射极侧端将被称为功率半导体串联电路的低电位侧端。

还有，二极管DPA的阴极、IGBT(TP)的集电极、以及二极管DP的阴极彼此连接，升压DC-DC转换器100由其一端（形成正电极的那侧）连接至IGBT(TP)的集电极的电容器C形成。

还有，直流电源Vs的低电位侧端（处于地电位的负电极）、二极管DNA的阳极、IGBT(TN)的发射极、二极管DN的阳极、以及电容器C的另一端（形成负电极的那侧）彼此连接。

还有，作为负载的电流源Load并联连接至电容器C。该电流源Load被假设为电池、马达等，机械开关SW被假设为闸刀开关、触点继电器、插头的插入和移除等，且直流电源Vs被假设为其中商用交流电源被转换为直流的直流电源、或诸如电池之类的直流电源。

与图7中所示的目前已知的技术不同的一点在于，提供了二极管DPA和DNA，且电抗器L的一端经由二极管DPA和DNA连接至电容器C的两端。

图2是示出图1的升压DC-DC转换器100的操作状况的说明性示图。例如，假设，在其中功率被提供至负载（=电流源Load）的情况下，即，当使得电流IL以图示箭头方向流动时，机械开关SW由于某个问题而被切断。当机械开关SW切断（断路）时，电流沿图2的路径1流动，且累积在电抗器L中的能量被释放至电容器C。

同时，假设，在其中能量从负载（=电流源Load）再生至直流电源Vs的情况下，即，当使得电流IL以与图2所示箭头方向相反的方向流动时，机械开关SW由于某个问题而被切断。当机械开关SW切断时，电流沿图2的路径2流动，且累积在电抗器L中的能量被释放至电容器C。

以此方式，当机械开关SW切断时电流沿路径1或路径2流动，累积在电抗器L中的能量被释放至电容器C，且不会再发生累积在电抗器L中的电感能量被机械开关SW吸收的情况。

以此方式，由于在任何情况下，累积在电抗器L中的电感能量不会再被机械开关SW吸收，因此可能延长了机械开关SW的寿命。

还有，当存在轻负载时，停止交替导通和截止功率半导体元件TP和TN。这意味着TP和TN都处于截止状态，或者TP一直处于导通（TN一直截止）状态。通过这样做，输出电压Vout基本等于输入电压Vin（=直流电源Vs的电压）。

当存在这种类型的操作状况时，从直流电源Vs流出的电流沿着以下两个路径。(1)从直流电源Vs流过二极管DPA、电容器C和作为负载的电流源Load，流到直流电源Vs，（2）从直流电源Vs流过电抗器L、二极管DP、电容器C和作为负载的电流源Load，流到直流电源Vs。

在这两个电流路径中，由于相比路径（2），路径（1）具有低阻抗，因此大多数电流沿着路径（1）流动。即，电流不通过电抗器L而流动。由于此，减少了电抗器L中发生的损失。作为这个的结果，当存在诸如轻负载之类的驱动状况时，可能通过不将导通信号发送至IGBT（TP和TN）而减少电抗器L中发生的损失。

良好的是未示出的低容量电容器被并联连接至图1的二极管DNA。由于功率转换设备100的操作引起的流过电抗器L的电流IL包括脉冲分量，不过，当直流电源Vs是诸如电池之类的充电电池时，该脉冲分量可能具有不利效果，诸如促进该充电电池的寿命缩短。由于此，可能通过连接该未示出的低容量电容器而抑制流过直流电源Vs的脉冲分量。

实施例2

图3是本发明第二实施例的功率转换设备的主要部分配置图。该功率转换设备是升压DC-DC转换器200，其中功率流是从直流电源Vs到电流源Load的单向流。还有，图3中还示出了直流电源Vs、机械开关SW、以及作为负载的电流源Load。

该升压DC-DC转换器200由电抗器L以及二极管DNA形成，该电抗器L的一端经由机械开关SW连接至直流电源Vs的高电位侧端（正电极），且二极管DNA的阴极连接至电抗器L的该一端。

还有，该升压DC-DC转换器200由IGBT(TN)、二极管DP、二极管DN、以及电容器C形成，该IGBT(TN)的集电极连接至电抗器L的另一端，二极管DP的阳极连接至电抗器L的另一端，二极管DN的阴极连接至IGBT(TN)的集电极，且电容器的一端（形成正电极的那侧）连接至二极管DP的阴极。

还有，直流电源Vs的低电位侧端（负电极）、二极管DNA的阳极、IGBT(TN)的发射极、二极管DN的阳极、以及电容器C的另一端（形成负电极的那侧）彼此连接。作为负载的电流源Load并联连接至电容器C。

与图8中所示的目前已知的技术不同的一点在于，提供了二极管DNA，且电抗器L的一端经由二极管DNA连接至电容器C的负电极。

图4是示出图3的升压DC-DC转换器200的操作状况的说明性示图。假设，由于在驱动时（此时使电流IL以箭头方向流动）的某个问题，机械开关SW被切断。当机械开关SW切断时，电流沿图的路径1流动，且累积在电抗器L中的能量被释放至电容器C。

以此方式，当机械开关SW切断时电流沿路径1流动，累积在电抗器L中的能量被释放至电容器C，且不会再发生能量被机械开关SW吸收的情况。作为其结果，可能延长机械开关SW的寿命。

良好的是未示出的低容量电容器被并联连接至图2的二极管DNA。由于功率转换设备200的操作引起的流过电抗器L的电流IL包括脉冲分量，不过，当直流电源Vs是诸如电池之类的充电电池时，该脉冲分量可能具有不利效果，诸如促进该充电电池的寿命缩短。由于此，可能通过连接该未示出的低容量电容器而抑制流过直流电源Vs的脉冲分量。

实施例3

图5是本发明第三实施例的功率转换设备的主要部分配置图。该功率转换设备是降压DC-DC转换器300，其中功率流是从直流电源Vs到电流源Load的单向流。还有，图5中还示出了直流电源Vs、机械开关SW、以及作为负载的电流源Load。

降压DC-DC转换器300由IGBT(TP)、二极管DP、和电抗器L形成，且IGBT(TP)的集电极连接至直流电源Vs的高电位侧（正电极），二极管DP的阴极连接至IGBT(TP)的集电极，且电抗器L的一端连接至IGBT(TP)的发射极和二极管DP的阳极。

还有，该降压DC-DC转换器300由二极管DN、二极管DPA、和电容器C形成，二极管DN的阴极连接至IGBT(TP)的发射极，二极管DPA的阴极连接至IGBT(TP)的集电极，且电容器的一端（正电极）连接至二极管DPA的阳极和电抗器L的另一端。

还有，直流电源Vs的低电位侧端（负电极）、二极管DN的阳极、以及电容器C的另一端（负电极）彼此连接。电容器C的一端（形成正电极的那侧）经由机械开关SW连接至作为负载的电流源Load。

与图9中所示的目前已知的电路设置不同的一点在于提供了二极管DPA，且二极管DPA的阳极连接至电抗器L的另一端且二极管DPA的阴极连接至TP的集电极。在图5中，未示出的开关被安装在降压DC-DC转换器300和直流电源Vs之间。

图6是示出图5的降压DC-DC转换器300的操作状况的说明性示图。假设，操作状况是当用商用电源为汽车电池充电的时候等。假设，由于在操作的过程中（此时使电流IL以箭头方向流动）的某个问题，机械开关SW被切断。当机械开关SW切断时，图的路径1中的电流为电容器C充电，且累积在电抗器L中的能量被吸收。然而，当电容器C较小时，由于电抗器L的能量，电容器C的正电极的电压超过了直流电源Vs的电压Vin。由于此，图中的路径2中的电流通过二极管DPA流向直流电源Vs，且电容器C的正电极的电压被钳制在直流电源Vs的电压处。

即，不用再使用具有不必要地大的耐受电压的电容器和具有较大电容的电容器，并且可能实现设备的尺寸的减少。

在实施例1、2和3中，作为自切断器件的IGBT(TP和TN)以及与之反向并联的二极管（DP和DN），被给出作为功率半导体开关的示例，不过存在替代IGBT而使用功率MOSFET或双极晶体管的情况。还有，当使用包括寄生二极管的功率MOSFET时，与TP或TN反向并联的二极管DP和DN对于功率半导体开关而言变得不是必须的。

附图标记和符号的描述

Vs直流电源

SW机械开关

TP、TN功率半导体元件

L电抗器

C电容器

DP、DN、DPA、DNA二极管

Load电流源（负载）

Vin输入电压

Vout输出电压

ILoad负载电流

IL电抗器电流

100升压DC-DC转换器（双向流）

200升压DC-DC转换器（单向流）

300降压DC-DC转换器（单向流）

Claims (9)

1.一种功率转换设备，包括：

通过将第一功率半导体开关和第二功率半导体开关串联连接而构成的功率半导体串联电路；

并联连接到所述功率半导体串联电路的第一电容器；以及

电抗器，其一端连接至所述第一功率半导体开关和所述第二功率半导体开关的串联连接点，

所述功率转换设备的特征在于包括：

第一功率二极管，其阳极连接至所述电抗器的另一端且其阴极连接至所述功率半导体串联电路的高电位侧端；

第二功率二极管，其阴极连接至所述电抗器的另一端且其阳极连接至所述功率半导体串联电路的低电位侧端；以及

与该第二功率二极管并联连接的低容量电容器。

2.如权利要求1所述的功率转换设备，其特征在于，所述功率半导体开关是通过并联连接MOS晶体管或双极晶体管、以及二极管而构成的开关。

3.如权利要求1所述的功率转换设备，其特征在于，所述功率半导体开关是结合有寄生二极管的MOS晶体管。

4.一种功率转换设备，包括：

通过将第一功率二极管和功率半导体开关串联连接而构成的功率半导体串联电路；

并联连接到所述功率半导体串联电路的第一电容器；以及

电抗器，其一端连接至所述第一功率二极管和所述功率半导体开关的串联连接点，

所述功率转换设备的特征在于包括：

第二功率二极管，其阴极连接至所述电抗器的另一端且其阳极连接至所述功率半导体串联电路的低电位侧端；以及

与该第二功率二极管并联连接的低容量电容器。

5.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于，所述功率半导体开关是通过并联连接MOS晶体管或双极晶体管、以及二极管而构成的开关。

6.如权利要求4所述的功率转换设备，其特征在于，所述功率半导体开关是结合有寄生二极管的MOS晶体管。

7.一种功率转换设备，包括：

通过将功率半导体开关和第一功率二极管串联连接而构成、且高电位侧端与直流电源的正极相连的功率半导体串联电路；

电抗器，其一端连接至所述功率半导体开关和所述第一功率二极管的串联连接点，另一端与负载相连；以及

第三电容器，连接至所述电抗器的另一端以及所述功率半导体串联电路的低电位侧端，

所述功率转换设备的特征在于，该功率转换设备为降压型，包括：

第二功率二极管，其阳极连接至所述电抗器的另一端且其阴极连接至所述功率半导体串联电路的高电位侧端。

8.如权利要求7所述的功率转换设备，其特征在于，所述功率半导体开关是通过并联连接MOS晶体管或双极晶体管、以及二极管而构成的开关。

9.如权利要求7所述的功率转换设备，其特征在于，所述功率半导体开关是结合有寄生二极管的MOS晶体管。