CN103457473A - 电流反馈全桥直流-直流转换器 - Google Patents

Abstract

公开了一种电流反馈全桥直流-直流转换器，该直流-直流转换器包括电流源电路、逆变器电路、变压器和整流电路，所述电流源电路包含直流电压源电路和串联连接到该直流电压源电路的电抗器，所述逆变器电路包含切换元件、输入端和输出端，该电流源电路的输出连接到所述输入端，所述变压器具有连接到所述输出端的初级线圈和次级线圈，所述整流电路连接到次级线圈，并且通过整流电路该电流反馈全桥直流-直流转换器生成直流输出。该直流-直流转换器还包括电容器和控制器，所述电容器串联连接到所述输出端和初级线圈，所述控制器控制切换元件的接通/切断操作使得在停止电流反馈全桥直流-直流转换器时电流可以从电流源电路流过初级线圈和电容器。

Description

电流反馈全桥直流-直流转换器

技术领域

本发明大体上涉及直流-直流转换器，更具体地，涉及将直流电转换成不同的直流电的电流反馈全桥直流-直流转换器。

背景技术

除了配备有驱动车辆的引擎之外还配备有电机的车辆或运输机械（在下文中统称为车辆）已付诸实现，诸如混合动力汽车、插电式混合动力车辆、混合动力车辆或混合动力电动车辆。最近已提出了插电式混合动力车辆，可以通过诸如家用电源的系统电源对该插电式混合动力车辆的电池进行充电。

这样的车辆配备有工作在高电压的牵引电机。驱动车辆的电池的直流电压被直流-直流转换器升高到足以驱动该牵引电机的另一直流电压。因此，该牵引电机在升压后的直流电压下工作。当车辆正在减速时，该牵引电机用作发电机。该电机因此生成的电力的电压转换成适于驱动车辆的电池电压，并且具有这样的转换后的电压的电力用于对电池充电。

将直流电转换成为不同的直流电的直流-直流转换器也用于太阳能电力系统、诸如电视机以及用于移动电话或计算机的充电器的各种电子设备和电器。

在直流-直流转换器中，已知电流反馈全桥直流-直流转换器。配置电流反馈全桥直流-直流转换器使得逆变器电路的输入连接到直流电压电路的输出，该直流电压电路串联连接到用作具有感应效应的固定式感应设备的螺旋电抗器（coiled reactor）。逆变器电路的输出连接到变压器的初级线圈。变压器的次级线圈连接到整流电路使得产生直流电。

电流反馈全桥直流-直流转换器的特点在于：输入电流具有带有波纹的直流连续波形，并且使用简单的转换器电路，输入电流波形可整流成具有良好的功率因数并且没有失真的正弦直流波形。

在直流-直流转换器中，通过重复快速地接通和切断诸如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管MOS)或IGBT（绝缘栅双极型晶体管)的切换元件来实现功率转换。在切换操作期间，在直流-直流转换器中流动的电流被快速改变，使得由于直流-直流转换器的寄生电感和电容而出现过电压（或浪涌电压）。

在电流反馈全桥直流-直流转换器中，包括电压电路和电抗器的直流电路通过逆变器电路的切换元件连接到变压器。在连接变压器的电流路径中存在变压器的漏电感，此外，逆变器电路的切换元件具有寄生电容。在电流反馈全桥直流-直流转换器工作期间，从电流源电路流出的电流在电抗器和漏电感中累积能量。如果当例如为了其保护目的需要停止电流反馈全桥直流-直流转换器时快速切断逆变器电路的切换元件，则能量累积在电抗器和漏电感中，但无处可去，使得逆变器的切换元件的寄生电容趋于被快速充电，结果对切换元件生成过电压。如果过电压超过切换元件的耐受电压，则可损坏切换元件。为了保护切换元件不受这样的损坏，需要采取适当的措施。

为了防止在电流反馈全桥直流-直流转换器中生成的过电压损坏电流反馈全桥直流-直流转换器的切换元件，日本专利申请公开2002-272135公开了连接用于抑制当每一切换元件被切断时出现的过电压的缓冲电路的电流反馈全桥直流-直流转换器。

然而，这种电流反馈全桥直流-直流转换器的不利之处在于：部件的数目增加，从而导致成本增加以及在电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间的电路损耗增加。

发明内容

本发明旨在提供一种电流反馈全桥直流-直流转换器，所述电流反馈全桥直流-直流转换器具有简单结构并且防止电流反馈全桥直流-直流转换器在停止电流反馈全桥直流-直流转换器时生成过电压。

电流反馈全桥直流-直流转换器包括电流源电路、逆变器电路、变压器和整流电路，其中，所述电流源电路包含直流电压源电路和串联连接到直流电压源电路的电抗器，所述逆变器电路包含切换元件、输入端和输出端，其中，电流源电路的输出连接到所述输入端，所述变压器具有连接到所述输出端的初级线圈和次级线圈，所述整流电路连接到该次级线圈，并且电流反馈全桥直流-直流转换器通过该整流电路生成直流输出。电流反馈全桥直流-直流转换器还包括电容器和控制器，其中，所述电容器串联连接到所述输出端和初级线圈，所述控制器控制切换元件的接通/切断操作，使得在停止电流反馈全桥直流-直流转换器时电流可以从电流源电路流过初级线圈和电容器。

根据结合附图的、通过示例示出了本发明的原理的以下说明，本发明的其他方面和优点将变得明显。

附图说明

在所附的权利要求中特别提出了被认为是新颖的本发明的特征。通过参考当前优选实施例的以下说明以及附图，可最好地理解本发明及其目标和优点，在附图中：

图1是根据本发明优选实施例的电流反馈全桥直流-直流转换器的电路图；

图2是示出了图1的电流反馈全桥直流-直流转换器工作的时序图；

图3A和图3B是分别示出了图1的电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间的模式1和模式2的示意性电路图；

图4A和图4B是分别示出了在图1的电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间的模式3和模式4的示意性电路图；

图5是示出了当图1的电流反馈全桥直流-直流转换器停止时出现的问题的示意性电路图；以及

图6A和图6B是示出了当图1的电流反馈全桥直流-直流转换器停止时电流反馈全桥直流-直流转换器工作的示意性电路图。

具体实施方式

下面将参考附图根据本发明优选实施例来描述电流反馈全桥直流-直流转换器。在图1中大体上示出了根据本发明优选实施例的电流反馈全桥直流-直流转换器。

参考图1，电流反馈全桥直流-直流转换器包括电流源电路100。电流源电路100包括DC（直流）电压源电路102和串联连接到电压源电路102的电抗器L。电抗器L是具有感应效应的螺旋固定式感应设备(coiledstationary induction device)。

电流反馈全桥直流-直流转换器还包括具有切换元件S1、S2、S3和S4的逆变器电路、控制器101、具有初级线圈和次级线圈的变压器103、电容器104、多个控制线106、输入端107、108和输出端109、110。逆变器电路的输入端107、108连接到电流源电路100的输出。逆变器电路的输出端109、110连接到变压器103的初级线圈。在逆变器电路中，切换元件S1和S3的一端或第一端连接到输入端107，而切换元件S2和S4的一端或第一端连接到输入端108。切换元件S1和S4的另一端或第二端连接到输出端109，而切换元件S2和S3的另一端或第二端连接到输出端110。切换元件S1-S4是由MOSFET或IGBT制成的。

电容器104串联连接到变压器103的初级线圈和输出端109之间。电容器104还兼任用于防止变压器103的励磁电感生成的偏磁。

变压器103的次级线圈在其中心连接到地G，而在其相对端通过用作本发明的整流电路的整流二极管D1和D2连接到作为外部输出的负载105。负载105可以是例如驱动电机或电池。

如稍后将描述的，可例如通过包括其中存储控制程序的存储器和执行该控制程序的处理器的微计算机来提供控制器101。如稍后将描述的，在电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间，控制器101在对应于四个模式1-4的任一个的时序控制形成逆变器的切换元件S1-S4的接通/切断操作。因此，在图1中示出的电路作为直流-直流逆变器工作。当电流反馈全桥直流-直流转换器例如为了其保护目的被停止时，控制器101通过各自的控制线106控制切换元件S1-S4的接通/切断操作，使得电流可从电流源电路100流过变压器103的初级线圈和电容器104。特别地，当电流反馈全桥直流-直流转换器为了其保护被停止时，控制器101切断切换元件S1和S2并且接通切换元件S3和S4。

在此时，控制器101使由于在电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间存储在电抗器L和变压器103的漏电感中的能量产生的电流流经切换元件S3、变压器103的初级线圈、电容器104和切换元件S4所形成的路径。结果，在电容器104上生成了电压电势差，这限制了连接到电流源电路100的输入端107、108之间的过电压VB的增加。因此，切换元件S1-S4被保护以防止当停止电流反馈全桥直流-直流转换器的操作时可能出现的损害。

在这种情形中，设置在变压器103的初级线圈和输出端109之间并且与其串联连接的电容器104还用来防止变压器103在图1中示出的电路中生成偏磁。当在控制器101控制逆变器电路的切换元件S1-S4时因为任何原因由于变压器103的寄生励磁电感而在切换元件S1-S4之间生成具有时间延迟的励磁电流时，可出现偏磁。当在变压器103的初级线圈中生成正向的直流电流分量时，由于提供了电容器104，所以在电容器104中生成正向的直流电压分量，使得初级线圈的相对端之间的电压下降并且阻止偏磁的进展。根据实施例的电流反馈全桥直流-直流使用简单的结构可阻止过电压（浪涌电压）的生成，其中，电容器104用作反偏磁保护以防止在停止电流反馈全桥直流-直流转换器时控制切换元件S1-S4的接通/切断操作时生成过电压。

图2是示出了根据实施例的电流反馈全桥直流-直流转换器工作的时序图，图3A、3B和图4A、4B是分别示出了根据实施例的电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间的模式1、模式2、模式3和模式4的示意性电路图。为了方便，在图3A、3B和图4A、4B中省略了图1中示出的控制器101。在下文中，切换元件S1、S2、S3、S4将分别简称为S1、S2、S3、S4。

参考图2，时序图中的Ts表示切换元件S1-S4（S1、S2、S3、S4分别对应于图2中的（a）、（c）、（b）、（d））的一个工作周期。每一切换元件S1-S4在接通状态或切断状态的持续时间是Ts/2。

参考图1和图2，连接到与电抗器L相邻的输入端107的S1和S3被控制以按相反的相位接通和切断。特别地，当S1接通（图2（a）中的信号电平为高）时S3切断（图2（b）中的信号电平为低），反之亦然。类似地，连接到电抗器L的输入端107的相对侧上的输入端108的S2和S4被控制以按相反的相位接通和切断。具体地，当S2接通（图2（c）中信号电平为高）时，S4切断（图2（d）中的信号电平为低），反之亦然。

如图2所示，S1和S3的信号以及S2和S4的信号通过控制器101相移相位

，并且由相位

确定负载105的输出电压Vo。

参考图2的时序图，在时间段201中，S1和S4接通，而S2和S3切断。在下文中，该时间段201将称为模式1。参考示出模式1的图3A的示意性电路图，在电压源电路102的正极侧生成的电流IL如图3A中的虚箭头301所示按顺序经过电抗器L、S1和S4流到其负极侧。在S1和S4都接通的时间段201中，在电流源电路100所连接的输入端107、108之间的电压VB如图2（e）所示变为0。如图2（f）所示，通过施加输入电压Vi流经电抗器L的电流IL线性增加，使得能量累积在电抗器L中。因此，模式1用作能量累积模式。

参考图2的时序图，在时间段202中，S1和S2接通，而S3和S4切断。在下文中，时间段202将被称为模式2。参考示出模式2的图3B的示意性电路图，在模式1中累积在电抗器L中的能量如图3B中的虚箭头302所示按顺序流经S1、电容器104和变压器103的初级线圈并返回到电压源电路102的负极侧。在时间段202中，累积在电抗器L中的能量从变压器103的初级线圈被转移到其次级线圈。结果，电流从变压器103的次级线圈的地G通过整流二极管D2流向负载105，使得在负载105生成电压Vo。在S1和S2都接通的时间段202中，通过电容器104和变压器103的初级线圈的电感，连接到电流源电路100的输入端107、108之间的电压VB如图2（e）所示变成预定的高电平电压。如图2（f）所示，流经电抗器L的电流IL线性下降。将从电抗器L辐射的能量转移到变压器103的次级线圈。模式2用作能量转移模式。

参考图2的时序图，在时间段203中，S1和S4切断而S2和S3接通。在下文中，时间段203将被称为模式3。模式3中的切换元件S1-S4的接通/切断状态与模式1中的切换元件S1-S4的接通/切断状态相反。参考示出模式3的图4A的示意性电路图，在电压源电路102的正极侧生成的电流IL如图4A中的虚箭头401所示按顺序经过电抗器L、S3和S2而流向其负极侧。在这个S2和S3都接通的时间段203中，连接到电流源电路100的输入端107、108之间的电压VB如图2（e）所示变成0。如图2（f）所示，通过施加输入电压Vi流经电抗器L的电流IL线性增加，使得能量在电抗器L中累积。类似于模式1，模式3用作能量累积模式。

参考图2的时序图，在时间段204中，S3和S4接通而S1和S2切断。时间段204在下文中将被称为模式4。模式4中的切换元件S1-S4的接通/切断状态与模式2中的切换元件S1-S4的接通/切断状态相反。参考示出模式4的图4B的示意性电路图，在模式3中在电抗器L中累积的能量如图4B中的虚箭头402所示按顺序流经S3、变压器103的初级线圈和电容器104并且返回电压源电路102的负极侧。在时间段204中，累积在电抗器L中的能量从变压器103的初级线圈转移到其次级线圈。结果，电流从变压器103的次级线圈的地G经过整流二极管D1流向负载105，使得在负载105生成输出电压Vo。在S3和S4接通的时间段204中，连接到电流源电路100的输入端107、108之间的电压VB通过电容器104和变压器103的初级线圈的电感如图2（e）所示变成预定的高电平电压。如图2（f）所示，流经电抗器L的电流IL线性下降。从电抗器L辐射的能量被转移到变压器103的次级线圈。类似于模式2，模式4用作能量转移模式。

通过在图1中示出的电流反馈全桥直流-直流转换器的如参考图2、3A、3B和图4A、4B描述的模式1-4中的操作完成直流-直流转换。

下面将参考图5和图6A、6B描述图1中示出的电流反馈全桥直流-直流转换器例如为了其保护需要被停止的情形。图5是示出了当电流反馈全桥直流-直流转换器需要被停止时出现的问题的示意性电路图。在图1中示出的电流反馈全桥直流-直流转换器的电路中，在连接变压器103的电流路径中存在漏电感，并且切换元件S1-S4中的每一个具有寄生电容。在能量累积模式（即模式1和模式3）的操作期间，通过从电流源电路100流出的电流，能量在电抗器L和漏电感中累积。在一些情形中，如图5中的箭头501所示，电流反馈全桥直流-直流转换器例如为了其保护而需要被停止。如果在这样的情形中快速切断S1、S2、S3、S4，则在电抗器L和漏电感中的能量无处可去，而用于对S1、S2、S3和S4的各自的寄生电容快速充电，使得在S1、S2、S3和S4生成过电压VB。如果过电压超过S1、S2、S3、S4的耐受电压，则S1、S2、S3和S4可被损坏。

参考图6A和图6B，下面将描述如果上述的电流反馈全桥直流-直流转换器停止由控制器101执行的控制。如果控制器101从外部接收到表示为了其保护而停止电流反馈全桥直流-直流转换器的信号或检测到这样的停止状态，则通过控制线106，S1和S2被切断而S3和S4被接通，结果在电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间在模式1或模式3中累积在电抗器L和变压器103的漏电感中的能量使电流按顺序流经S3、变压器103的初级线圈、电容器104和S4。替换地，控制器101可通过控制线接通S1和S2并切断S3和S4。在这种情形中，在电流反馈全桥直流-直流转换器正常工作期间在模式1或模式3中累积在电抗器L和变压器103的漏电感中的能量使电流按顺序流经S1、电容器104、变压器103的初级线圈和S2。

适当地选择电容器104的电容使得在电容器104上生成的电压Vc变得充分高。通过这样的选择，当在停止电流反馈全桥直流-直流转换器时，通过累积在电抗器L和变压器103的漏电感中的能量的辐射，电流流过电容器104时，产生大到足以抑制连接到电流源电路100的输入端107、108之间的电压电势差VB的增加的电压电势差Vc。因此，根据实施例的电流反馈全桥直流-直流转换器可以在停止电流反馈全桥直流-直流转换器过程中抑制过电压的增加并且防止切换元件S1-S4损坏。

当电容器104上的电压达到电压源电路102的输出电压Vi时，上述的电流流动停止，结果如图6B所示电流反馈全桥直流-直流转换器停止工作。

可制造结构简单的根据实施例的电流反馈全桥直流-直流转换器，其中，电容器104适于防止偏磁以及过电压，而控制器101在停止电流反馈全桥直流-直流转换器时适当地控制切换元件S1-S4的接通/切断操作。

Claims (3)

1.一种电流反馈全桥直流-直流转换器，包括：

包括直流电压源电路和串联连接到所述直流电压源电路的电抗器的电流源电路；

包括多个切换元件、输入端和输出端的逆变器电路，其中，所述电流源电路的输出连接到所述逆变器电路的输入端；

具有连接到所述逆变器电路的输出端的初级线圈和次级线圈的变压器；以及

连接到所述变压器的次级线圈的整流电路，通过所述整流电路，所述电流反馈全桥直流-直流转换器生成直流输出，特征在于所述电流反馈全桥直流-直流转换器还包括：

串联连接到所述逆变器电路的输出端和所述变压器的初级线圈的电容器；以及

控制所述切换元件的接通/切断操作使得在停止所述电流反馈全桥直流-直流转换器时电流能够从所述电流源电路流过所述变压器的初级线圈和所述电容器的控制器。

2.根据权利要求1所述的电流反馈全桥直流-直流转换器，特征在于所述电容器用来在所述控制器的控制下防止在所述切换元件生成过电压。

3.根据权利要求1所述的电流反馈全桥直流-直流转换器，特征在于所述电容器还用来防止通过所述变压器的励磁电感生成的偏磁。

Images