CN102859855A - 用于高输入到输出电压转换的dc-dc变换器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供串联DC-DC变换器电路设计，以及基于这样的电路设计的DC-DC变换器，这些电路设计和DC-DC变换器提供高输入到输出电压转换。变换器包括谐振回路和用于中断回路电流以产生其中提供零电流和/或零电压切换的接近零损耗“保持”状态而又提供对功率传送量的控制的装置。根据电路设计的一种用于高电压升压比的谐振DC-DC变换器包括：(a)低电压DC-AC变换器；(b)谐振回路；(c)高电压AC-DC变换器；以及(d)(i)不使用变压器的在输入和输出上的共用接地和/或(ii)在谐振回路内的单个高电压可控开关。

Description

用于高输入到输出电压转换的DC-DC变换器电路
技术领域
本发明总体上涉及功率转换装置，并且更具体而言，涉及用于高输入到输出电压转换的DC-DC变换器。
背景技术
直流(DC)架构例如用于传输和分布功率是众所周知的。DC架构相对于交流(AC)架构一般提供电功率的高效(低损耗)分布。
DC架构的重要性已经由于以下因素而增加，这些因素包括：(1)计算和电信设备对DC输入功率的依赖；(2)变速AC和DC驱动对DC输入功率的依赖；以及(3)通过各种可再生能源(如光伏太阳能电池板)的DC功率的产生。
DC架构的普遍使用也已经扩展了对DC-DC功率变换器电路的需要。而且，进一步需要高效并且低成本的DC-DC功率变换器电路。
至少部分通过减少DC-DC功率变换器的部件，例如通过提供无变压器的DC-DC变换器来实现成本减少。两种最常见的无变压器dc/dc变换器是用于降压电压的如图1中所示的降压变换器10和用于升压电压的如图2中所示的升压变换器12。
尽管这两个电路能够在输入到输出电压比接近一时实现很高转换效率，但是在电压比变高时它们的效率小于最优。电路寄生现象引起效率损失以及其它操作问题(包括如二极管前向电压下降、开关和二极管导通损耗、切换损耗、开关电容、电感器绕组电容以及引线和迹线电感等的电路效应)。
另外，在现有技术中已知升压变换器特别容易受寄生效应影响并且高效率操作需要低升压比，如1∶2或者1∶3。例如在N.Mohan、T.Undeland、W.Robbins的″Power electronics：converters，applications，and design″(Wiley，1995)中说明的那样，比如在1∶10或者以上的范围中的更高升压比由于成本和效率约束而完全不切实际。
B.Buti、P.Bartal、I.Nagy的″Resonant boost converter operatingabove its resonant frequency″(EPE，Dresden，2005)是谐振DC-DC功率变换器的示例，其中谐振回路在它的谐振频率受激，以实现高升压/降压转换比，而不使用变压器。D.Jovcic的“Step-up MW dc-dcconverter for MW size applications”(Institute of EngineeringTechnology，论文IET-2009-407)提出了基于H桥的谐振DC-DC功率变换器，并且A.Abbas和P.Lehn(A.Abbas、P.Lehn的“Powerelectronic circuits for high voltage dc to dc converters”University ofToronto，Invention disclosure RIS#10001913，2009-03-31)对其进行了修改以求增强模块性。
这些现有技术拓扑结构有许多弊端。
在B.Buti、P.Bartal、I.Nagy的“Resonant boost converteroperating above its resonant frequency”(EPE，Dresden，2005)中公开的变换器需要各自仅被利用一半时间的两个理想或者接近理想匹配的电感器以恰当工作。理想匹配在许多应用中不可行。另外，电感器仅被利用一半时间的事实在效果上使电路的电感要求加倍。这不合需要，因为电感器通常是功率电路中的单个最贵部件。另外，在B.Buti、P.Bartal、I.Nagy的“Resonant boost converter operating aboveits resonant frequency”(EPE，Dresden，2005)中的变换器需要正输入供应和负输入供应二者。这经常不可用。
在D.Jovcic的“Step-up MW dc-dc converter for MW sizeapplications”(Institute of Engineering Technology，论文IET-2009-407)和A.Abbas、P.Lehn的“Power electronic circuits forhigh voltage dc to dc converters”(University of Toronto，Inventiondisclosure RIS#10001913，2009-03-31)中公开的变换器使用四个高电压反向阻塞切换器件。对于中频应用(约20kHz-100kHz)，这样的器件不容易获得，因此它们需要通过绝缘栅双极晶体管(“IGBT”)和二极管或者MOSFET和二极管的串联组合创建。这不仅进一步增加系统成本而且它也使变换器的导通损耗接近加倍。
发明内容
在一个方面，本发明是一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：低电压全桥或者半桥dc-ac变换器；谐振回路；高电压ac-dc整流器；以及在谐振回路内的高电压可控开关，所述高电压可控开关可操作地用于通过维持开关两端的高电压来中断谐振回路中的电流。
在另一方面，本发明是一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：低电压dc-ac变换器；谐振回路；高电压ac-dc变换器；以及以下各项中的一项或者多项：不使用变压器的在输入和输出上的共用接地；以及在谐振回路内的单个高电压可控开关。
在又一方面，本发明是一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：低电压dc-ac变换器；谐振回路；高电压ac-dc变换器；以及在谐振回路电路内的高电压可控开关；其中用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器可操作地用于提供以下各项中的一项或者多项：(i)用于输入和输出的共用接地平面；以及(ii)在输入与输出之间的变压器。
在又一方面，本发明是一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：低电压dc-ac变换器；谐振回路；高电压ac-dc变换器；在谐振回路的电路内的高电压可控开关；以及用于输入和输出的无需使用变压器的共用接地平面。
在另一方面，本发明是一种谐振DC-DC变换器，其特征在于谐振DC-DC变换器包括：无变压器的DC-DC变换器电路，可操作地用于提供高输入到输出电压转换，所述无变压器的DC-DC变换器电路包括：在低电压侧上的全桥变换器；在高电压侧上的半波整流器；以及输入和输出二者共用的接地。
在又一方面，本发明是一种具有变压器的DC-DC变换器，其特征在于具有变压器的DC-DC变换器包括：谐振回路；高电压开关，可与具有变压器的DC-DC变换器的电路一起操作以通过维持高电压开关两端的高电压切换来执行谐振的高电压阻塞而无反向阻塞；在低电压侧上的全桥变换器；以及在高电压侧上的输出整流器。
在另一方面，本发明是一种提供双极输出的具有变压器的谐振DC-DC升压变换器，其特征在于DC-DC升压变换器包括：在变压器上的高电压绕组；两个半波整流器，包括以下各项：第一半波整流器，可操作地用于向正输出电压端子供应电流；以及第二半波整流器，可操作地用于从负输出电压端子汲取电流。
在又一方面，本发明是提供的一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，该谐振dc-dc变换器包括：(a)低电压dc-ac变换器；(b)谐振回路；(c)高电压ac-dc变换器；以及(d)在谐振回路内的单个高电压可控开关。在本发明的实施例中，单个高电压可控开关可以是协调操作的两个并联MOSFET或者MOSFET串联。
可以实现变换器电路而不使用变压器。如果希望和/或根据系统需要，则可以包括变压器。例如可以通过使用变压器来解决对电隔离的需要。
在另一方面，本发明是一种谐振DC-DC变换器，该谐振DC-DC变换器包括：(a)在低电压侧上的全桥dc-ac变换器；(b)在高电压侧上的半桥ac-dc变换器；以及(c)输入和输出二者共用的接地，变换器电路可操作地用于提供高输入到输出电压转换。
在又一方面，提供一种谐振DC-DC变换器，该谐振DC-DC变换器包括具有变压器的DC-DC变换器，该DC-DC变换器包括：(a)在低电压侧上的全桥或者半桥dc-ac变换器；(b)在高电压侧上的ac-dc整流器；(c)谐振回路；以及(d)高电压开关，中断主谐振回路电流，变换器电路可操作以用于通过在高电压开关两端维持高电压、使用或者不使用反向阻塞开关，来使的高电压开关能够执行高电压阻塞。
就这一点而言，在具体说明本发明的至少一个实施例之前，将理解本发明在它的应用上不限于在下文描述中阐述的或者在附图中图示的构造细节和部件布置。本发明能够有其它实施例并且以各种方式来实施和实现。也将理解本文运用的措词和术语是为了描述的目的而不应视为限制。
附图说明
当对本发明的下文具体描述给予考虑时将更好地理解本发明并且本发明的目的将变得清楚。这样的描述参照以下附图：
图1是图示了现有技术降压变换器的电路图。
图2是图示了现有技术升压变换器的电路图。
图3a、图3b和图3c图示了本发明的具有单个高电压开关的半桥谐振DC-DC变换器的三个代表性实现。
图4是图示了本发明的具有单个高电压开关的全桥谐振DC-DC变换器的一个实现的电路图。
图5a、图5b、图5c和图5d图示了本发明的具有单个高电压开关并且在输入和输出上具有共用接地的全桥谐振DC-DC变换器的四个代表性的实现。
图6是图3a的使用MOSFET和IGBT开关的组合的半桥谐振DC-DC变换器的一个具体实现。
图7图示了在操作上与图6的电路关联的电压和电流波形。
图8是图5a的使用MOSFET和IGBT开关的组合、添加有缓冲二极管的全桥谐振DC-DC变换器的一个具体实现。
图9图示了在操作上与图8的电路关联的电压和电流波形。
图10a和图10b是图示了本发明的对于输入和输出具有共用接地但无高电压开关的全桥谐振DC-DC变换器的替代实现的电路图。
图11a、图11b和图11c是图示了本发明的包括变压器的电路设计的一个替代实现的三个代表性的电路。
图12是使用MOSFET开关、添加有缓冲二极管的图11d的实现。
图13图示了在操作上与图12的电路关联的电压和电流波形。
在附图中，通过示例图示本发明的实施例。将明确理解说明书和附图仅用于示例目的并且作为辅助理解而并非旨在于定义本发明的限制。
具体实施方式
本发明是一种可操作地用于实现高输入到输出电压转换的谐振变换器电路设计。具体而言，本发明可以包括提供高输入到输出电压转换并且实现高效率操作的串联变换器电路拓扑结构。变换器电路拓扑结构可以包括谐振回路和用于中断回路电流以产生其中提供零电流和/或零电压切换的接近零损耗“保持”状态而又提供对功率传送数量的控制的装置。具体而言，变换器电路拓扑结构可以通过控制接近零损耗“保持”的持续时间来控制能量传送。可以使用单个高电压可控开关来实现这一能量功率传送控制。
本发明可以在低功率操作期间避免不必要的循环电流，由此减少在回路部件和低电压DC/AC变换器内的损耗并且也减少基于低电压DC/AC变换器的零电压切换和低电压DC/AC变换器的零电流切换的切换损耗。也可以实现回路内的高电压可控开关的零电流切换，并且由此保持它自己的切换损耗低。
如本文描述的那样，本发明可以具有呈现变换器电路拓扑结构的若干实施例，这些变换器电路拓扑结构提供高输入高输出电压转换并且实现高效率操作。本文公开这些实施例的示例，然而本领域读者将认识到这些示例不限制本发明的范围并且本发明的其它实施例可以也是有可能的。
为了清楚，术语“低电压”在本公开内容中用来指代具有与输入的电压额定值相当的电压额定值的部件，而术语“高电压”在本公开内容中用来指代具有与在谐振回路电容器两端所见峰值电压电平相当或者以上的电压额定值的部件。
在本发明的实施例中，接近零损耗保持状态的适当实现可以使得针对电路内的所有可控开关实现零电压切换或者零电流切换。
本发明的实施例可以提供一种用于高输入到输出电压转换比变换器的更低损耗的变换器电路。
本发明的电路设计可以包括多种元件。在一个实施例中，这些元件可以包括：(1)输入DC/AC变换器；(2)谐振回路；(3)回路中断装置(比如如本文描述的开关)；以及(4)输出整流器。输出整流器例如可以包括滤波电感滤波电感器，该滤波电感滤波电感器限制输出二极管中的电流的上升速率。关于输入DC/AC，本领域读者将认识到可以适用多个不同类型的逆变器，例如半桥或者全桥型逆变器。本领域读者还将认识到输出整流器可以包括任何输出整流器级，例如半桥或者全桥整流器。在本发明的一些实施例中，可以在输出整流级之前在电路中包括变压器。
在本发明的一个实施例中，电路设计可以包括如下电路，该电路包括：(1)全桥DC/AC变换器；(2)谐振回路，由两个L部件和一个C部件组成；(3)回路中断开关；以及(4)输出整流器级(全桥或者半桥)，其中可以对输入电压和输出电压二者提供共用接地。电路可以包括或者可以不包括变压器。在其中利用全桥输出整流器的本发明一个实施例中，也可以需要变压器。在本发明的包括变压器的一个实施例中，谐振L部件可以集成到变压器设计中。在图5a至图5d中示出了本发明的包括这样的电路设计的可能实施例。
如本文描述的那样并且如本领域读者将认识到的那样，本发明的实施例可以包括变压器或者可以无变压器。在本发明的一个实施例中，包括变压器的选择可以基于本发明实施例的电路的规格或者其它偏好或者考虑。本文公开和描述二者的一些示例：本发明的包括变压器元件的实施例；以及本发明的未包括变压器元件、因此无变压器的实施例。
图11a、图11b和图11c分别示出了本发明的实施例，这些实施例是包括一个替代实现的电路42、44和46，在该替代实现中向主电感器的磁芯添加附加绕组，因此减少开关Sx上的电压应力。添加绕组可以将电感器L转换成具有隔离的变压器，这提供附加电路实现选项。图11c中所示本发明实施例可以提供双极输出，以允许实现2×V2的差动输出电压而又将对地电压维持于电平V2。
如图12所示，电路48可以是图11c中所示电路的一个实际实现。变压器磁化支路可以提供主谐振回路电感“L”。通过适当变压器设计，滤波电感“Lf”也可以集成到变压器中。这可以通过将变压器设计成具有值为“Lf”的漏电感来完成。如图12中所示，可以使用MOSFET来实施所有开关。可以运用缓冲电路以在导通时段结束时限制高电压MOSFET两端的瞬态电压。假设电压V2低于高电压MOSFET的电压额定值，缓冲可以由从MOSFET的漏极到正输出V2的单个二极管组成。这可以允许向输出传送缓冲电路中正常损耗的能量，由此产生接近无损耗缓冲。这可以提高总体变换器效率。
如图13中所示，本发明的实施例可以与重要电压和电流波形一起产生特定结果50，结果50包括用于图12的变换器的门控信号。下文描述一种可能的切换循环方法：
1.在时间0.900ms，循环可以开始于开关S1、S2p和Sx接通。随后从正电压Vin和正回路输入电流I1来看，能量可以被传送到谐振回路。
2.当回路电流I1达到零时，开关S1和S2p可以关断，几乎紧接在该关断之后，开关S2和S1p可以接通。这可以使输入电压极性在与电流变负的同时变负。
3.开关Sx可以与S1和S2p同时关断，但是MOSFET体二极管可以允许负电流导通。如果计算MOSFET导通沟道中的损耗低于体二极管导通损耗，则应当保持MOSFET在负电流脉冲的持续时间接通以减少导通损耗。
4.当电流达到零时，开关Sx必须关断。这可以中断回路电流并且允许电路进入接近零损耗“保持状态”，在该状态中变换器操作中止并且保持于接近无损耗状态。
5.可以改变保持状态的持续时间以控制从输入向输出的平均功率传送量。在保持状态之后，可以跟着另一相似操作循环。
从谐振回路到输出的功率传送可以每周期两次：一次向正dc输出传送，一次向负dc输出传送。向正输出的功率传送可以紧接于开关S1和S2p接通之后发生。向负输出的功率传送可以紧接于开关S2和S1p接通之后发生。
在本发明的一个实施例中，可以提供由DC-AC变换器、继而为具有单个可控高电压开关的(并联)谐振回路、继而为AC-DC变换器组成的电路。
在三个具体代表性的实现中在图3a、图3b和图3c中示出了包括提出的“半桥浮回路”谐振DC-DC变换器配置的本发明实施例。图3a中所示本发明实施例可以是不包括输出滤波电感器的电路14。图3a图示了本发明的基本电路设计概念并且呈现根据本发明的半桥浮回路变换器。图3b中所示本发明实施例可以是包括输出滤波电感器的电路16。对于本发明的多数实现，包括滤波电感器是实际要求。一般而言，有便于添加滤波电感器的两个位置。在图3b中图示了第一个。在图3c中示出了第二个，该图示出了本发明的一个实施例，该实施例可以是包括集成于回路的滤波电感器的电路18。
如图4所示，在本发明的一个实施例中，电路20可以是图图3a、图3b和图3c中所示电路设计的“全桥浮回路”配置。图4可以是图3a、图3b和图3c中所示变换器的延伸。本领域读者将认识到图4中所示电路20相对于图5a、图5b、图5c和图5d中分别所示电路22、24和26，例如可以缺少输入和输出上的共用接地，因此对于许多无变压器的应用而言可能是不需要的。在本发明的实施例中，可以在电容器与二极管整流器之间添加隔离变压器，以允许将输入和输出电压源二者接地。
如图5a、图5b、图5c和图5d中所示，本发明实施例可以表现本发明的全桥谐振DC-DC变换器的变体，并且可以包括单个高电压开关以及用于输入和输出的共用接地。更具体而言：图5中所示本发明实施例可以是电路22，其中电感器电流可以由单个高电压开关(Sx)切换；图5b中所示本发明实施例可以是电路24，其中电容器电流可以由单个高电压开关(Sx)切换；图5c中所示本发明实施例可以是与图5a中所示电路22相似的电路26，并且图5c中所示电路26可以包括可以由Sx切换的电感器电流，并且滤波电感器可以集成到回路中；并且图5d中所示本发明实施例可以是与图5b中所示电路24相似的相似电路28，并且图5d中所示电路28可以包括可以由Sx切换的电感器电流，并且滤波电感器可以集成到回路中。
应当理解如图5a、图5b、图5c和图5d中所示本发明的DC-DC变换器相对于半桥电路的现有技术全桥延伸可以表现显著不对称程度。特别是，可以表现不对称，因为接地不对称、输入开关配置不对称并且输出级不对称。
本领域读者将认识到本发明的其它变体和实施例是有可能的。例如本发明的一个实施例可以使用新兴的反向阻塞IGBT器件，在该情况下可以消除Sx，但是S1和S2可能各自需要由高电压反向阻塞IGBT构成。本发明的这样的实施例可以在回路和输出电路内精确地产生相同的电压和电流波形。许多其他变体也是可能的。
在本发明的一个实施例中，电路设计可以使得高电压开关无需反向阻塞，因此可以使用MOSFET或者IGBT而不是例如晶闸管(这些晶闸管使切换频率限于过度低值)或者MOFSET串联二极管/IGBT串联二极管组合。
也在本发明的实施例中，如下文进一步说明的那样，电路设计可以使用电浮回路。
下文更具体说明本发明的某些方面，然而这些细节不应解读为以任何方式限制本发明的范围，而是作为本发明实施例的示例。
半桥浮回路变换器
可以在本发明的实施例中包括一种半桥浮回路变换器。在本发明的这样的实施例中，切换过程可以基于所用开关类型和/或回路电路内的高电压开关(Sx)的位置/定向而略微变化。这里参照如图6中所示拓扑结构30提供对将在本发明的一个实施例中使用的可能切换过程的描述，在该拓扑结构中，使用MOSFET来实现S1和S2并且使用高电压IGBT来实现Sx。
在本发明的一个实施例中，如图7中所示，使用该实施例的波形结果32可以示出与半桥浮回路变换器关联的特定电压和电流波形。例如，变换器可以在如下模式中操作，在该模式中，电感器电流不连续振荡，但是由单个高电压开关Sx每个周期中断一次。
电路的操作示例可以如下：
1.S1和Sx可以激发以开始LC谐振振荡的一个循环。对于IGBT(Sx)的给定定向，关于电容器电压的初始条件可以近似为-V2。
2.电流I1可以为正，并且输入电压Vin可以持续半个循环为正从而将能量传送到电路。
3.一旦Vcg达到V2，可以向输出传送输出二极管导体和I1从而实现输出功率传送(可以通过将电感器与输出二极管串联放置或者放置在回路电容器中以引入附加电流改变速率限制电感器来减少输出电流的迅速上升速率)。
4.在输入电流过零时，S1可以关断并且S2可以接通。输出二极管这时可以关断，并且IGBT反向导通二极管这时可以接通。这允许回路振荡继续，由此将电容器再充电至-V2为下一循环做准备。
5.当电流I1再次尝试变成正时，IGBT可以在“关断”状态中，因此在电流过零时中断回路振荡。
6.电路然后可以在‘保持状态’中直至需要新能量脉冲。
具有共用接地的全桥浮回路变换器
本发明的实施例可以包括具有共用接地的全桥浮回路变换器。在本发明的这样的实施例中，切换过程可以基于所用开关类型和回路电路内的高电压开关(Sx)的位置/定向而略微变化。本发明的一个实施例包括一种具有共用接地的全桥浮回路变换器，该变换器可以包括如图8中所示拓扑结构34，在该拓扑结构中使用MOSFET来实现四个开关S1、S1p、S2和S2p并且使用高电压IGBT来实现Sx。在包括具有共用接地的全桥浮储能变换器的本发明一个实施例中，可以运用缓冲电路以在导通时段结束时限制高电压MOSFET两端的瞬态电压。缓冲可以由从IGBT的集电极到输出的单个二极管构成。这可以使得能够向输出传送的缓冲电路中通常损耗的能量，由此产生接近无损耗缓冲。本发明的这样的实施例可以提高总体变换器效率。
在本发明的一个实施例中，如图9中所示，使用该实施例的波形结果36可以示出与这一具有共用接地的全桥浮回路变换器关联的特定电压和电流波形。变换器可以在如下模式中操作，在该模式中，电感器电流不连续振荡，但是由单个高电压开关Sx在每个周期中断一次。
电路的操作示例可以如下：
1.对于IGBT(Sx)的给定定向，S1、S2p和Sx可以激发以开始LC谐振振荡的一个循环。
2.电流I1可以为正并且输入电压Vin可以持续半个循环为正从而将能量传送到电路。
3.当I1过零时，S1、S2p可以关断并且S2和S1p可以接通。有时在负I1期间，可以无损耗地关断开关Sx，因为电流在反并联二极管中流动。
4.当Vcg达到V2时可以开始向输出传送功率。这可以继续直至电流I2衰减至零。
5.电容器电压然后可以在‘保持状态’中直至需要新能量脉冲。
具有共用接地和碳化硅器件的全桥浮回路变换器
本发明的实施例可以包括一种具有共用接地的全桥浮回路变换器，该变换器如许多应用所需要的那样可操作地用于在回路电流的正和负半循环二者期间传送能量而不使用变压器而又在输入和输出上维持共用接地。这一电路中的Sx的目的可以在于实现零电流/零电压切换而又仍然赋予对功率传送量的控制。因此可以实现接近零切换损耗而又同时维持对功率传送量的控制。
由于碳化硅切换器件变得更成本有效，所以可以最终变成值得消除Sx。然而可能仍然希望一种能够在回路电流的正和负半循环二者期间传送能量的共用接地布置。图10a和图10b的电路拓扑结构38和40实现这一点。这些拓扑结构可以与图5a和图5b中所示电路设计有关。由于碳化硅器件可以赋予极大地减少的切换损耗(尤其是消除二极管反向恢复电流)，所以可以牺牲维持零电流/零电压切换而未负面地影响效率。然后可以如在其它谐振变换器(参见R.Erickson、D.Maksimovic的“Fundamentals of Power Electronics”(Kluwer Academic Publishers，2001))中常见的那样经由频率控制实现功率传送。
具有共用接地的全桥变换器与如在R.Erickson、D.Maksimovic的“Fundamentals of Power Electronics”(Kluwer Academic Publishers，2001)中概述的常规谐振变换器相比可以赋予重要益处。具体而言，包括具有共用接地的全桥变换器的本发明实施例的拓扑结构可以将输入和输出上的共用接地与高升压比一起赋予，并且可以赋予在回路电流的正和负半循环二者期间将功率传送到回路中。
作为本发明实施例的示例和这些实施例较现有技术而言赋予的益处，下文描述两种主要电路布置(半桥浮回路变换器和具有共用接地的全桥浮回路变换器)的特定特征的益处。本领域读者将认识到下文讨论的特征和益处仅作为示例提供，并且其它实施例和益处也是有可能的。
半桥浮回路变换器
包括半桥浮回路变换器的本发明实施例可以赋予较现有技术而言的特定益处。这些益处中的一些益处包括以下益处：
1.与A.Abbas、P.Lehn的“Power electronic circuits for highvoltage dc to dc converters”(University of Toronto，Inventiondisclosure RIS#10001913，2009-03-31)的电路或者D.Jovcic的“Step-up MW dc-dc converter for MW size applications”(Institute of Engineering Technology，论文IET-2009-407)的电路相比，本发明的半桥电路可以仅使用标注为Sx的一个高电压器件。另外，Sx可以无需是反向阻塞器件。
2.单个高电压开关可以在本发明的实施例中可操作地用于中断变换器的谐振操作，由此控制能量传送。
3.可以在本发明的实施例中仅使用低电压部件来实现S1和S2从而减少损耗。
4.与B.Buti、P.Bartal、I.Nagy的发明“Resonant boostconverter operating above its resonant frequency”(EPE，Dresden，2005)相比，本发明的实施例可以仅需单个电源和单个回路电感器。
5.本发明的实施例可以提供输入AC/DC变换器的零电流/零电压切换。
具有共用接地的全桥浮回路变换器
包括具有共用接地的全桥浮回路变换器的本发明实施例可以赋予较现有技术而言的特定益处。这些益处中的一些益处包括以下益处：
1.与A.Abbas、P.Lehn的“Power electronic circuits for highvoltage dc to dc converters”(University of Toronto，Inventiondisclosure RIS#10001913，2009-03-31)的电路或者D.Jovcic的“Step-up MW dc-dc converter for MW size applications”(Institute of Engineering Technology，论文IET-2009-407)的电路相比，本发明实施例的电路可以如图3a、图3b、图3c和图3d中所示仅使用标注为Sx的一个高电压器件。另外，Sx可以无需是反向阻塞器件。
2.与P.Lehn的“A low switch-count resonant dc/d convertercircuit for high input-to-output voltage conversion ratios”(University ofToronto，Invention disclosure RIS#10001968，2009-08-13)的电路或者本发明的半桥电路相比，本发明实施例的全桥DC-DC变换器可以提供大致加倍的功率传送，因为可以在回路电流的正和负半循环二者期间将能量从电源传送到回路中。
3.本发明的实施例可以提供输入ac/dc变换器的零电流/零电压切换。
4.在本发明的实施例中，可以在输入电压源与输出电压源之间提供共用接地。
5.在本发明的实施例中，单个高电压开关可以可操作地用于中断变换器的谐振操作，由此控制能量传送。
本领域读者将认识到本发明的技术的多种实现是有可能的。如上文描述的那样，本发明实施例的电路设计可以在提供设计的功能之时呈现一种模块化结构，因此可以添加或者去除部件。例如本发明的DC-DC变换器的具体实施例可以无变压器。在本发明的其它实施例中，可能希望在电路如图4中所示电路中包括变压器。例如，可以在图4中所示电路中的谐振回路电感器或者谐振回路电容器与二极管整流器之间包括变压器。另外，尽管针对本发明的一些实施例描述使用Sx，但是例如可以通过使用新兴的反向阻塞IGBT器件来消除这一部件，其中S1和S1将各自需要由高电压反向阻塞IGBT构成。
本领域读者将认识到在本发明的实施例中可以修改本文描述和示出的拓扑结构的具体方面而不脱离拓扑结构的实质性、实质元件和实质功能。例如，在图11(b)中所示电路设计42中，如果Lf和C串联而无中点，则可以有可能交换Lf和C。类似地，当与变压器一起使用时，可以应用任何数目的已知输出绕组和整流器配置以实现相同目标。
在本发明的一个实施例中，例如如图10(b)中所示切换元件可以运用碳化硅器件。可以实现切换以提供在+V1与-V1之间向回路电路的方波电压切换。为了提供方波电压而实现的切换可以是在+V1与0之间(或者在0与-V1之间)向回路电路的切换。回路输入电压切换可以在接近额定功率操作时出现于+V1与-V1之间而在低功率之下出现于+V1与0之间(或者0与-V1之间)。可替换地，在这一段落中记载的元件可以使用于如下拓扑结构中，在该拓扑结构中，电感器Lf向输出路径移动(比如图10a中所示)。
本领域技术人员将理解也可以实现本文描述的实施例的其它变化而不脱离本发明的范围。其它修改因此是有可能的。本领域读者将认识到描述的DC-DC变换器技术有多种应用。本发明的DC-DC变换器可以提供一种对提供高输入到输出电压转换的许多部件的高效低成本替换。另外，作为本发明实施例的具有高放大比的DC-DC变换器可以用来在可再生/可替换能量应用中产生固定电压DC总线。

Claims (19)

1.一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：
(a)低电压全桥或者半桥dc-ac变换器；
(b)谐振回路；
(c)高电压ac-dc整流器；以及
(d)在所述谐振回路内的高电压可控开关，所述高电压可控开关可操作地用于通过维持所述开关两端的高电压来中断所述谐振回路中的电流。
2.根据权利要求1所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述高电压可控开关仅在一个方向上阻塞电流。
3.根据权利要求2所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述高电压可控开关是具有无反向阻塞特性的高电压开关。
4.根据权利要求2所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于通过从以下各项中的任一项到所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器的输出端子连接二极管来向所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器引入无损耗缓冲电路：
(a)所述高电压开关的漏极，所述高电压开关是高电压MOSFET；
(b)所述高电压开关的集电极，所述高电压开关是IGBT；或者
(c)所述高电压开关的阳极，所述高电压开关是晶闸管。
5.根据权利要求2所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包含变压器，所述变压器可操作地用于提供输入和输出之间的电隔离。
6.根据权利要求5所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于输出整流器被连接成可操作地用于提供双极(正和负)dc输出。
7.根据权利要求1所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于通过将所述高电压可控开关的端子的二极管连接到所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器的输出端子来向所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器引入无损耗缓冲电路，从而在所述高电压可控开关两端钳位一个或者多个电压尖峰。
8.根据权利要求1所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述高电压可控开关可与所述低电压全桥或者半桥ac-dc变换器同步操作，并且从而一个或者多个dc-ac变换器开关的一个或者多个切换事件在相应的一个或者多个dc-ac变换器开关的电流过零时出现。
9.根据权利要求8所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述高电压可控开关是可操作地，使得所述高电压可控开关的一个或者多个切换事件在所述高电压可控开关的电流过零时出现。
10.根据权利要求8所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述高电压可控开关的非导通持续时间可变化，以调节从输入到输出的功率流。
11.一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：
(a)低电压dc-ac变换器；
(b)谐振回路；
(c)高电压ac-dc变换器；以及
(d)以下各项中的一项或者多项：
(i)不使用变压器的在输入和输出上的共用接地；以及
(ii)在所述谐振回路内的单个高电压可控开关。
12.一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：
(a)低电压dc-ac变换器；
(b)谐振回路；
(c)高电压ac-dc变换器；以及
(d)在所述谐振回路电路内的高电压可控开关；
其中所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器可操作地用于提供以下各项中的一项或者多项：(i)用于输入和输出的共用接地平面；以及(ii)在输入与输出之间的变压器。
13.一种用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器包括：
(a)低电压dc-ac变换器；
(b)谐振回路；
(c)高电压ac-dc变换器；
(d)在所述谐振回路的电路内的高电压可控开关；以及
(e)用于输入和输出的无需使用变压器的共用接地平面。
14.根据权利要求13所述的用于高电压升压比的谐振dc-dc变换器，其特征在于所述高电压可控开关可操作地用于中断所述谐振回路的所述电路的电流。
15.一种谐振DC-DC变换器，其特征在于所述谐振DC-DC变换器包括：
(a)无变压器的DC-DC变换器电路，可操作地用于提供高输入到输出电压转换，所述无变压器的DC-DC变换器电路包括：
(i)在低电压侧上的全桥变换器；
(ii)在高电压侧上的半波整流器；以及
(iii)输入和输出二者共用的接地。
16.一种具有变压器的DC-DC变换器，其特征在于所述具有变压器的DC-DC变换器包括：
(a)谐振回路；
(b)高电压开关，可与所述具有变压器的DC-DC变换器的电路一起操作以通过维持所述高电压开关两端的高电压切换来执行谐振的高电压阻塞而无反向阻塞；
(c)在低电压侧上的全桥变换器；以及
(d)在高电压侧上的输出整流器。
17.一种提供双极输出的具有变压器的谐振DC-DC升压变换器，其特征在于所述DC-DC升压变换器包括：
(a)在所述变压器上的高电压绕组；
(b)两个半波整流器，包括以下各项：
(i)第一半波整流器，可操作地用于向正输出电压端子供应电流；以及
(ii)第二半波整流器，可操作地用于从负输出电压端子汲取电流。
18.根据权利要求17所述的提供双极输出的具有变压器的谐振DC-DC升压变换器，其特征在于所述输入DC-AC转换由全桥或者半桥来执行。
19.根据权利要求18所述的提供双极输出的具有变压器的谐振DC-DC升压变换器，其特征在于所述谐振回路包含电容元件、电感元件和具有低磁化电感的串联组合或者等效物。
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