CN102714466A - 具有保持的电力转换器 - Google Patents

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Abstract

一种由包含具有要求的容量的存储电容器的附属转换器为不具有所需保持容量的主要转换器、特别是环形转换器提供需要的保持的电力转换器。附属转换器可在正常运行期间从主要转换器隔离，并在电源中断期间接入。存储电容器可经由升压电路充电，以实现改进的电荷使用。存储电容器可经由与附属转换器输出路径独立的电荷路径充电，使得存储电容器充电速率可被独立设置。

Description

具有保持的电力转换器
技术领域
本发明涉及一种电力转换器，其包含提供附加的保持（hold up）容量的附属转换器。特别地、但非排他性的，本发明涉及一种电力转换器，其中，附属转换器提供了用于环形转换器（cycloconverter）的所需要的保持。
背景技术
需要电力转换器，以便由具有不同特性的输入电源提供具有第一特性的输出电源，典型地，高电压AC电源被变换为低电压DC电源。
在某些应用中，例如数据中心中，需要最小的“保持”时间，使得在输入电源中断期间，继续在转换器的输出上供给电力。
环形转换器非常高效，但具有最小电荷存储容量。
一种实现保持的方法是提供转换器的DC输出上的存储电容器。这需要大的存储电容器，以提供需要的保持，因为存储的电荷不能在低于特定电压等级下使用，使得这种方案笨重且昂贵。
US7034413公开了一种DC侧保持扩展电路，其中，由DC桥充电的电容器通常从DC/DC转换器隔离，但能在电源丧失期间被接入。这种方法也限制了存储电容器中存储的电荷的使用。
US7034413公开了一种电路，其中，可再充电电池用于在电源丧失期间提供保持。电池的缺点在于慢的再充电速率，并需要周期性的更换。电池也需要特定的充电电路来确保它们受到正确的充电。
B.Yang、P.Xu、F.C.Lee在“Range winding for wide input rangefront end dc/dc converter”（Proc IEEE Applied Power Electron.Conf.，2001，pp476-479）中公开的另一种方法在具有不同匝数的输出变压器的输入绕组之间切换转换器的输出。当在绕组之间切换时，这种方法导致突然的输出电压变化。
美国专利6504497公开了一种使用附加的DC/DC升压型转换器的电路，其在需要保持时使用。这种方法需要附加的部件、增大的成本以及在功率密度上具有不良影响的附加的能量存储电感器。
两级转换器可具有足够大的存储电容器以提供需要的保持时间，但是，由于两级的损耗，它们是不足的，并需要大的存储电容器来提供必要的保持。Y.Jang、M.Jovanovic和D.L.Dillman的“Hold up time extension circuitwith integrated magnetics”（IEEE Applied Power Electronics ConferenceRecord,pp 219-225,2005）是两级转换器的实例，其使用在电源丧失期间以不同的模式运行的升压输出级，以提供改进的保持时间。附加的电力级和控制部件导致增大的成本和效率的丧失。
希望提供一种提供需要的保持的电力转换器，其高效、紧凑、便宜，或者，其至少提供有用的选择。
发明内容
根据一示例性实施例，提供了一种电力转换器，其包含：
a．环形转换器，具有开关级和输出变压器；
b．附属转换器，包含一个或多于一个的存储电容器，用于存储足够的电荷，以便在输入电源中断期间提供电力输出保持，
其中，在到电力转换器的输入电源的中断期间，附属转换器从所述一个或多于一个的存储电容器向输出变压器供给电力，从而维持电力输出。
根据另一示例性实施例，提供了一种电力转换器，包含：
a．主要AC/AC转换器，具有受限的保持容量，包含开关级和输出变压器；以及
b．附属转换器，包含一个或多于一个的电力存储电容器，其经由升压布置在高于主要转换器的开关级的电压上被充电，
其中，在到电力转换器的输入电源中断期间，附属转换器将来自所述一个或多于一个的存储电容器的电力供到输出变压器，以便保持电力输出。
电力转换器可包含升压充电电路，其对所述一个或多于一个的存储电容器进行充电。升压充电电路可包含与输出变压器并联的升压变压器，或附加绕卷（overwound）在输出变压器上的绕组。
根据另一示例性实施例，提供了一种电力转换器，包含：
a．主要AC/AC转换器，其具有受限的保持容量，包含开关级和输出变压器，以及
b．附属转换器，其包含用于存储足够的电荷的一个或多于一个的存储电容器，以便在输出电源中断期间经由附属电源路径提供电力输出保持，
其中，所述一个或多于一个的存储电容器经由独立于附属电源路径的充电路径被充电，在到电力转换器的输入电源中断期间，附属转换器从所述一个或多于一个的存储电容器经由附属电源路径向输出变压器供给电力，以便维持电力输出。
附属转换器可包含充电路径，其独立于从附属转换器向输出变压器提供电力的路径。阻抗可在附属转换器的充电路径中提供，以便设置希望的充电速率，并限制主要转换器上的负载。阻抗可以是实质上为电阻性、电感性、电容性或复合的。
附属转换器可包含输出电路，除了在电源中断期间以外，其与主要转换器以及输出变压器隔离。输出电路可包含与存储电容器串联的隔离装置以及开关。输出电路包含两个并联电路，各自包含与存储电容器串联的隔离装置和开关，其被布置为向输出变压器提供交变电流。各个开关优选为场效应管。隔离装置优选为与场效应管的体二极管背对背配置的二极管。二极管优选为慢速开关二极管，使得附属转换器可以以其运行频率执行ZVT开关。
附属转换器的开关频率优选为，基于转换器的输出电压，至少部分地由电压反馈进行控制。
附属转换器的运行频率优选为至少部分地基于主要转换器的输入与输出电压比和/或各个存储电容器的电压水平和/或输出变压器上的负载电力需求。
附属转换器优选为降压转换器。
附图说明
附图并入说明书并构成说明书的一部分，与上面给出的对本发明的一般介绍以及下面给出的对实施例的详细介绍一起示出了本发明的实施例，用于阐释本发明的原理。
图1示出了基本环形转换器电路；
图2示出了包含环形转换器和附属转换器的电力转换器。
具体实施方式
图1示出了传统的环形转换器的电路，其中，三相供电线1、2、3连接到包含FET 4到9以及电容器10到12的桥。桥的输出经过电感器13和电容器14传送到输出变压器15。转换器为LLC谐振转换器，其具有两个谐振运行频率，一个由电容器14和电感器13定义，另一个由电容器14和电感器13与变压器15的总合定义。随着负载增大，谐振频率增大。LLC谐振转换器提供了宽广负载和输入变化范围上狭窄的频率变化以及整个负载范围上开关的零电压开关（ZVS）的优点。
电容器10到12的尺寸被设计为允许环形转换器运行，同时，到供电线1到3的输入电源电压被保持在正常供电参数范围内。在对于任何显著的时间段（10ms为数据中心典型地需要的）需要保持的情况下，需要附加的电荷存储。申请人的在先申请PCT/NZ07/000165公开了优选的环形转换器设计的细节，其公开内容并入此处作为参考。
图2示出了一电路图，其中，采用降压转换器形式的附属转换器16（在虚线框内）被包含在内，以便在到主要转换器的输入电力丧失期间提供保持。在这种情况下，主要转换器为环形转换器，但是，将会明了，附属转换器可与其他的主要转换器拓扑一起使用。
图2示出了全波附属转换器16，其输出在到环形转换器的正常输入电力供给期间从环形转换器以及输出变压器15隔离。在此实施例中，变压器17与输出变压器15并联连接，变压器17的匝18与匝19的匝数比可被选择为对电容器23、24充电，如下面将要介绍的那样。代替使用分立变压器的是，绕组19可附加绕卷在变压器15上。经由电容器20、二极管21与22，电容器23、24经由独立于附属转换器16的输出路径的充电路径充电。控制经由与输出路径独立的充电路径充电防止了到电容器23、24的过大的突入电流，否则其可能在开始时将主要转换器输出保持为低。电容器20可以为任何阻抗，并控制电容器23、24的充电速率。如果电阻器代替电容器20，则电阻损耗将会发生。依赖于频率的阻抗具有低损耗以及充电速率可随着环形转换器开关频率变化的优点。尽管电感可具有最希望的频率依赖性，这可能带来附加电感性元件的成本和尺寸。电容器具有低损耗、小尺寸和低成本的优点。也可使用复合阻抗。阻抗的大小——在这一情况下为电容器20——被设置为使得电容器23、24在可接受的时间段内充电，不会在环形转换器上施加过度的负载。
变压器17的绕组18、19的匝数比优选为被设置为使得电容器23、24被充电到远远高于供到变压器15的环形转换器正常输出电压的水平。通过这种方式，附属转换器16可更好地使用电容器23和24中存储的电荷。
FET 25和26的阻塞二极管与二极管27、28相反，使得当FET 25、26关断时，电容器23和24从环形转换器以及输出变压器15隔离。在存在到电源线1到3的输入电源中断的情况下，存储在电容器23、24中的电荷可经由FET 25和26以及二极管27、28供到输出变压器15，以维持来自电力转换器的输出供给。控制电路29监视输入电源，当电源中断被检测到时，控制电路29控制FET 25和26的开关，使得存储在电容器23、24的电荷用于维持输出供给。在附属转换器的运行期间，控制电路29以相对较高的频率（大约100kHz）切换FET 25、26，以便向输出变压器15提供高频率AC输出电压。二极管27、28被选择为相比于FET 25、26的开关速度具有缓慢的开关速度，使得当另一FET开通时，在FET 25或26已经导通后，相关联的二极管27或28保持开通，以便使得零电压开关（ZVS）成为可能。例如，如果FET 25在一开始开通，二极管变得导通，来自电容器23的电荷被供到输出变压器15。当FET 25关断时，二极管27关断缓慢，并在FET 26开通时保持导通，使得导通路径经由二极管27和FET25的阻塞二极管保持，因此可进行ZVS开关。通过这种方式，附属转换器的输出可在正常运行期间被隔离，但二极管27和28在附属转换器运行期间实质性导通，以便允许ZVS开关。这种布置还具有使用相对较为便宜的慢速开关二极管27、28的优点。
控制电路29将反馈控制并入，以便在附属转换器的运行期间控制电力转换器的输出。控制电路29监视变压器15的输出上的电力转换器的输出电压，并控制FET 25和26的开关频率，以便基于LLC电路的传递函数产生需要的输出电压。
为了减小附属转换器启动时电力转换器的输出电压下降，控制电路29还可包含前馈控制。控制电路29可监视环形转换器的输入到输出电压比、电容器23、24的电压水平和输出变压器15的负载电力需求（输出电压和电流）。基于这些参数，使用前馈控制，控制电路29可设置附属转换器的初始运行频率，并在其后基于反馈控制运行。
尽管图2示出了全波附属转换器，将会明了，通过取消附属转换器16的一个分支（例如删除二极管21、电容器24、FET 26和二极管28），可简单地制造半波转换器。
因此提供了使用辅助转换器以提供需要的保持的电力转换器，其具有以下优点：
i．由于通过将电容器充电到升高的电压实现的有效的电荷使用，需要低速率存储电容器；
ii．使用主要转换器输出级，提供集成解决方案；
iii.不需要附加的存储电感器；
iv.由于低部件数以及使用低成本部件的低成本实现方式，低成本部件例如慢速二极管27、28和存储电容器23、24，
v．由于独立充电路径，启动期间在主要转换器上的低负载，
vi．通过慢速二极管27、28的使用，使得ZVT开关成为可能。
尽管已经通过介绍本发明的实施例对本发明进行了介绍，并且尽管已经详细介绍了这些实施例，申请人并无意以任何方式将所附权利要求的范围限制于这些细节。本领域技术人员将会明了其他的优点和修改。因此，本发明在其更为宽广的实施形态上不限于这些具体细节、所示出和介绍的示例性设备和方法以及示例性实例。因此，在不脱离发明人的一般发明构思的精神或范围的情况下，可作出对这些细节的修改。

Claims (60)

1.一种电力转换器，包含：
a．环形转换器，其具有开关级和输出变压器；
b．附属转换器，其包含用于存储足够的电荷的一个或多于一个的存储电容器，以便在输入电源中断期间提供电力输出保持，
其中，在到电力转换器的输入电源中断期间，附属转换器将电力从所述一个或多于一个的存储电容器供到输出变压器，以便维持电力输出。
2.根据权利要求1的电力转换器，其中，附属转换器为降压转换器。
3.根据权利要求1或2的电力转换器，其包含升压充电电路，升压充电电路对所述一个或多于一个的存储电容器充电。
4.根据权利要求3的电力转换器，其中，升压充电电路包含与输出变压器并联的升压变压器。
5.根据权利要求3的电力转换器，其中，升压充电电路包含附加绕卷在输出变压器上的绕组。
6.根据权利要求1-5中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器包含独立于从附属转换器到输出变压器供给电力的路径的充电路径。
7.根据权利要求6的电力转换器，其中，阻抗被设置在附属转换器的充电路径中，以便设置希望的充电速率并限制环形转换器上的负载。
8.根据权利要求7的电力转换器，其中，阻抗实质上为电阻性。
9.根据权利要求6的电力转换器，其中，阻抗为依赖于频率的。
10.根据权利要求9的电力转换器，其中，阻抗实质上为电感性。
11.根据权利要求9的电力转换器，其中，阻抗实质上为电容性。
12.根据权利要求9的电力转换器，其中，阻抗为复合阻抗。
13.根据权利要求1-12中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器包含输出电路，除了在电源中断期间以外，输出电路与环形转换器以及输出变压器隔离。
14.根据权利要求13的电力转换器，其中，输出电路包含与存储电容器串联的隔离装置以及开关。
15.根据权利要求14的电力转换器，其中，输出电路包含两个并联电路，并联电路各自包含与存储电容器串联的隔离装置和开关，其被布置为向输出变压器提供交变电流。
16.根据权利要求13或14的电力转换器，其中，各个开关为场效应管。
17.根据权利要求16的电力转换器，其中，隔离装置为采用与场效应管的体二极管背对背配置的二极管。
18.根据权利要求17的电力转换器，其中，二极管为慢速开关二极管，使得附属转换器能以其运行频率进行ZVT开关。
19.根据权利要求1-18中任意一项的电力转换器，其中，基于转换器的输出电压，附属转换器的开关频率至少部分地受到电压反馈的控制。
20.根据权利要求1-19中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器的运行频率至少部分地基于环形转换器的输入与输出电压比，和/或各个存储电容器的电压等级，和/或输出变压器上的负载电力需求。
21.一种电力转换器，包含：
a．主要AC/AC转换器，其具有受限的保持容量，包含开关级和输出变压器，以及
b．附属转换器，包含一个或多于一个的电力存储电容器，其经由升压布置以高于主要转换器开关级电压的电压充电，
其中，在到电力转换器的输入电源中断期间，附属转换器从所述一个或多于一个的存储电容器向输出变压器供给电力，以维持电力输出。
22.根据权利要求21的电力转换器，其中，升压充电电路包含与输出变压器并联的升压变压器。
23.根据权利要求21的电力转换器，其中，升压充电电路包含附加绕卷在输出变压器上的绕组。
24.根据权利要求21-23中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器包含独立于从附属转换器向输出变压器供给电力的路径的充电路径。
25.根据权利要求24的电力转换器，其中，阻抗被设置在附属转换器的充电路径中，以便设置希望的充电速率，并限制环形转换器上的负载。
26.根据权利要求25的电力转换器，其中，阻抗实质上为电阻性。
27.根据权利要求6的电力转换器，其中，阻抗具有频率依赖性。
28.根据权利要求25的电力转换器，其中，阻抗实质上为电感性。
29.根据权利要求25的电力转换器，其中，阻抗实质上为电容性。
30.根据权利要求25的电力转换器，其中，阻抗为复合阻抗。
31.根据权利要求21-30中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器包含输出电路，除了在电源中断期间以外，输出电路从环形转换器以及输出变压器隔离。
32.根据权利要求31的电力转换器，其中，输出电路包含与存储电容器串联的隔离装置和开关。
33.根据权利要求32的电力转换器，其中，输出电路包含两个并联电路，并联电路各自包含与存储电容器串联的隔离装置和开关，其被布置为向输出变压器提供交变电流。
34.根据权利要求32或33的电力转换器，其中，各个开关为场效应管。
35.根据权利要求34的电力转换器，其中，隔离装置为采用与场效应管的体二极管背对背配置的二极管。
36.根据权利要求35的电力转换器，其中，二极管为慢速开关二极管，使得附属转换器可以以其运行频率进行ZVT开关。
37.根据权利要求21-36中任意一项的电力转换器，其中，基于转换器的输出电压，附属转换器的开关频率至少部分地受到电压反馈的控制。
38.根据权利要求21-37中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器的运行频率至少部分地基于环形转换器的输入与输出电压比，和/或各个存储电容器的电压水平，和/或输出变压器上的负载电力需求。
39.根据权利要求21-38中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器为降压转换器。
40.根据权利要求21-39中任意一项的电力转换器，其中，主要转换器为环形转换器。
41.一种电力转换器，包含：
a．主要AC/AC转换器，其具有受限保持容量，包含开关级和输出变压器；以及
b．附属转换器，其包含用于存储足够的电荷的一个或多于一个的存储电容器，以便在输入电源中断期间经由附属电源路径提供电力输出保持，
其中，所述一个或多于一个的存储电容器经由独立于附属电源路径的充电路径被充电，在到电力转换器的输入电源中断期间，附属转换器从所述一个或多于一个的存储电容器经由附属电源路径向输出变压器供给电力，以便维持电力输出。
42.根据权利要求41的电力转换器，其包含升压充电电路，升压充电电路对所述一个或多于一个的存储电容器充电。
43.根据权利要求42的电力转换器，其中，升压充电电路包含与输出变压器并联的升压变压器。
44.根据权利要求42的电力转换器，其中，升压充电电路包含附加绕卷在输出变压器上的绕组。
45.根据权利要求41-44中任意一项的电力转换器，其中，阻抗被设置在附属转换器的充电路径中，以便设置希望的充电速率，并限制环形转换器上的负载。
46.根据权利要求45的电力转换器，其中，阻抗实质上为电阻性。
47.根据权利要求45的电力转换器，其中，阻抗具有频率依赖性。
48.根据权利要求47的电力转换器，其中，阻抗实质上为电感性。
49.根据权利要求47的电力转换器，其中，阻抗实质上为电容性。
50.根据权利要求47的电力转换器，其中，阻抗为复合阻抗。
51.根据权利要求41-30中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器包含输出电路，除了在电源中断期间以外，输出电路从主要转换器以及输出变压器隔离。
52.根据权利要求51的电力转换器，其中，输出电路包含与存储电容器串联的隔离装置和开关。
53.根据权利要求52的电力转换器，其中，输出电路包含两个并联电路，并联电路各自包含与存储电容器串联的隔离装置和开关，其被布置为向输出变压器提供交变电流。
54.根据权利要求52或53的电力转换器，其中，各个开关为场效应管。
55.根据权利要求54的电力转换器，其中，隔离装置为采用与场效应管的体二极管背对背配置的二极管。
56.根据权利要求55的电力转换器，其中，二极管为慢速开关二极管，使得附属转换器可以以其运行频率进行ZVT开关。
57.根据权利要求41-56中任意一项的电力转换器，其中，基于转换器的输出电压，附属转换器的开关频率至少部分地受到电压反馈的控制。
58.根据权利要求41-57中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器的运行频率至少部分地基于环形转换器的输入与输出电压比，和/或各个存储电容器的电压等级，和/或输出变压器上的负载电力需求。
59.根据权利要求41-58中任意一项的电力转换器，其中，附属转换器为降压转换器。
60.根据权利要求41-59中任意一项的电力转换器，其中，主要转换器为环形转换器。
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