CN103887974A - 电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电源，该电源包括给负载供应主电力的直流（DC）-DC转换器，及连接至该DC-DC转换器并减少输出损耗的子转换器，其中，该子转换器基于保持时间可操作。

Description

电源
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年12月21日向韩国专利局提交的韩国专利申请第10-2012-0151302号的优先权，将其公开通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及一种在保持时间（hold-up time）期间可操作从而能够减少输出损耗的电源。
背景技术
一般而言，移相全桥（phase shifted full bridge，PSFB）转换器广泛用作电源的DC-DC转换器。由于这样的PSFB转换器不太强调半导体器件且允许零电压开关，因此适用于高容量应用。
DC-DC转换器需要满足保持时间的要求。即，因为负载被供电一定时间段，即使由于故障中断当前交流电源的输入，DC-DC转换器提供来自电源的输入端的电容器中充满的直流链电压的电力。然而，随着时间的过去直流链电压减少，因此考虑到直流链电压的减少，为了向负载提供恒量的电力，需要增加占空比。
相应地，DC-DC转换器需要设计成能接受更广范围的输入电压电平，从而其在正常状态（即，标准状态）下具有小占空比。
因此，PSFB具有提供电力的效率降低的问题。
以下参考的专利文献1涉及PSFB，但没有教导在保持时间期间操作以减少损耗。
【相关技术文献】
(专利文献1）韩国专利公开第2011-0064605号
发明内容
本发明一方面提供了一种能够提高效率的电源。
根据本发明一方面，提供了一种电源，该电源包括：直流电（DC）-DC转换器，给负载供应主电力；以及子转换器，连接至该DC-DC转换器并减少输出损耗，其中，该子转换器基于保持时间可操作。
该DC-DC转换器可包括：初级电路，包括变压器的初级绕组；以及次级电路，包括与该变压器的初级绕组磁性耦接的次级绕组。
该DC-DC转换器的初级电路可包括开关模块，该开关模块中的两端，即串联连接的第一开关元件的一端和第二开关元件的一端连接至电压源的两端，而开关模块中的另两端，即串联连接的第三开关元件的一端和第四开关元件的一端并联连接至所述电压源的两端，其中，所述变压器的初级绕组连接在第一节点与第二节点之间，其中，第一个开关元件和第二开关元件连接于第一节点，第三开关元件和第四开关元件连接于第二节点。
DC-DC转换器的次级电路可包括串联连接至该转换器的次级绕组并控制流入变压器的次级绕组的电流的开关元件。
该子转换器可包括：连接至次级电路的电感元件；第一子开关元件，为要存储在该电感元件中的能源提供路径；以及第二子开关元件，为存储在该电感元件的能源提供传导路径。
第一个子开关元件可在第三开关元件接通时接通，并可在第三开关元件保持接通时断开。
第二子开关元件可在第一子开关元件断开预定时间段之后接通，并可在第三开关元件断开时断开。
第一子开关元件可在第四开关元件接通时接通，并可在第四开关元件保持接通时断开。
第二子开关元件可在第一子开关元件断开预定时间段之后接通，并可在第四开关元件断开时断开。
根据本发明的另一方面，提供了一种电源，该电源包括：DC-DC转换器，通过连接至电压源端的初级电路和与该初级电路磁性耦接的次级电路提供主电力；以及子转换器，存储从该次级电路供应的能源并提供传导存储能源的路径。
附图说明
本发明的以上和其他的方面、特征和其他优点将通过以下结合附图的详细说明更清楚地理解，其中：
图1是根据本发明的实施方式的电力转换器的电路图；
图2是标准模式下电路的主要组件的操作波形的图形；
图3是保持模式下电路的主要组件的操作波形的图形；
图4A至图4C是示出在标准模式下电路操作的电路图；以及
图5A至图5D是示出在保持模式下电路操作的电路图。
具体实施方式
现将参考附图来详细描述本发明的实施方式。本发明的实施方式可修改为不同的形式并且本发明的范围不应当解释为受在此提出的实施方式的限制。更确切来说，提供这些实施方式旨在使本发明被全面且完整地了解，并将向本领域技术人员全面传达本发明的理念。附图中，元件的形状和尺寸可能为清晰起见而被放大。
图1是根据本发明的一个实施方式的电力转换器的电路图。
图2和图3是示出根据本发明的实施方式的电力转换器的主要元件的波形的示图。
根据本发明的实施方式的电力转换器可包括向负载供应主电力的主转换器100和减少主电力损耗的子转换器110。例如，主转换器100可为向负载提供主电力的移相全桥直流电（DC）-DC转换器。
子转换器110可整合到主转换器100中。子转换器110在交流电（AC）发生损耗的保持阶段可操作以减少输出损耗。
在下文中，将参考图1详细地描述根据本发明的实施方式的电力转换器。
参考图1，以根据本发明的实施方式的主转换器100为例，示出了在输出端并入了子转换器110的移相全桥DC-DC转换器（PSFBC）。移相全桥DC-DC转换器由于低电流/电压应力和零电压开关（ZVS）而具有高效率，并且因此非常有利于电力应用。
更具体地，主转换器100包括：桥接电路Q1至Q4，桥接电路Q1至Q4中的两端，即串联连接的第一开关元件Q1的一端和第二开关元件Q2的一端，并联连接至电压源Vs，而桥接电路Q1至Q4中的另两端，即串联连接的第三开关元件Q3的一端和第四开关元件Q4的一端，并联连接至所述电压源Vs；变压器101和102包括初级绕组101和至少一个次级绕组102，初级绕组101连接在第一节点N1与第二节点N2之间，其中第一个开关元件Q1和第二开关元件Q2连接于第一节点N1而第三开关元件Q3和第四开关元件Q4连接于第二节点N2，该次级绕组102与初级绕组101磁性耦接；以及连接至变压器101和102的次级绕组102的电感元件Lo和电容元件Co。
此外，主转换器100可包括开关模块Q5和Q6用以允许或中断变压器101和102的次级绕组102的电流iQ5和iQ6。子转换器110可设置于变压器101和102两端和电容元件Co的两端之间。子转换器110可包括：连接至次级绕组的电感元件Lo，为电感元件Lo提供存储能源路径的第一子开关元件QB1，以及为电感器元件Lo提供传导存储能源路径的第二子开关元件QB2。根据本发明的实施方式，子开关元件允许或中断来自变压器101和102的次级绕组102的电流iQB1和iQB2。
变压器101和102的匝数比可是Np:Ns=n:1，如图1中所示，初级绕组101可通过漏电感和励磁电感组件Llkg和Lm表示。同时，第一开关元件Q1至第四开关元件Q4中的每个可分别包括二极管D1至D4中各自的一个和寄生电容C1至C4中各自的一个。
由此构造成的主转换器100在标准模式和保持模式下给负载Ro供应主电力。
在下文中，包括主转换器100的变压器101和102的初级绕组101和开关元件Q1至第四开关元件Q4中的至少一个的结构称为主转换器100的初级电路。此外，包括变压器101和102的次级绕组102、第五开关元件Q5、第六开关元件Q6、子转换器110和电容器元件Co中的至少一个的结构称为主转换器100的次级电路。
升压转换器示为子转换器110的实例。如所示，子转换器110可包括电感元件Lo、第一子开关元件QB1和第二子开关元件QB2。
更具体地，子转换器110可设置在变压器101和102的次级绕组102的两端和电容器元件Co两端之间。
从变压器的次级绕组102的两端流到负载的电流可通过子开关元件QB1和QB2调节。
根据本发明的实施方式，在标准模式下，可反复接通第二子开关元件QB2同时可反复断开第一子开关元件QB1。这里，从变压器的次级绕组102至电感器元件Lo的电流可流入第二子开关元件QB2。
根据本发明的实施方式，在保持模式下，第一子开关元件QB1和第二子开关元件QB2可周期性地接通和断开。例如，在保持模式下，第一子开关元件QB1可在第三开关元件Q3接通时接通。此外，第一子开关元件QB1可在第三开关元件Q3保持接通时断开。另外，第二子开关元件QB2可在第一子开关元件QB1已经断开预定时间段之后接通。此外，第二子开关元件QB2可在第三开关元件Q3断开后断开。而且，在保持模式下，第一子开关元件QB1可在第四开关元件Q4接通时接通。此外，第一子开关元件QB1可在第四开关元件Q4保持接通时断开。另外，第二子开关元件QB2可在第一子开关元件QB1已经断开预定时间段之后接通。此外，第二子开关元件QB2可在第四开关元件Q4断开时断开。
在下文中，将参考图2和图5详细地描述根据本发明的实施方式的电力转换器与辅助转换器整合的工作原理。
图2是示出在标准模式下电路的主要组件的操作波形的图形。
图3时示出在保压模式下电路的主要组件的操作波形的图形。
图4A至图4B示出在标准模式下电路操作的电路图。
图5A至图5D是示出在保持模式下电路操作的电路图。
图4A至图4C及图5A至图5D中，不操作的组件以虚线表示。
参考图2和图4A至图4C，标准模式可划分成第一阶段t0至t1，第二阶段t1至t2，第三阶段t2至t3，第四阶段t3至t4，第五阶段t4至t5和第六阶段t5至t6。第四阶段t3至t4到第六阶段t5至t6的工作原理与第一阶段t0至t1到第三阶段t2至t3的工作原理相同；因此，为简洁明了起见，将主要描述第一阶段t0至t1到第三阶段t2至t3。
1.第一阶段t0至t1：Q1/Q3/Q5/QB2接通；Q2/Q4/Q6/QB1断开（见图4A）
因为第一开关元件Q1和第三开关元件Q3处于接通状态，主转换器100的初级绕组101的电压Vpri等于电压源Vs。因此，流过从第一开关元件Q1到变压器的初级绕组101再到第三开关元件Q3的路径的初级电流ipri以同一斜率递增。此外，由于第五开关元件Q5处于接通状态，根据匝数比（n：1），次级绕组102的电压Vrec2成为的电压Vs/n，使得流入电感器Lo的电流iLO以（Vs/n-Vo）/LO的斜率增加。
第二开关元件Q2和第四开关元件Q4的寄生电容C2和C4中每一个都充有电压Vs。如上所述，在第一阶段，主电力从主转换器100的初级电路供应电力到其次级电路。其他的未描述的符号iQ5和iQ6分别表示在第五开关元件Q5和第六开关元件Q6中流动的电流。
2.第二阶段t1至t2：Q3/Q5/QB2接通；Q1/Q4/QB1：断开；Q2/Q6：接通（见图4B）
在这一阶段，第二开关元件Q2和第六开关元件Q6接通。在第一阶段充入第二开关元件Q2的寄生电容C2的电压完全释放之后，第二开关元件Q2接通，使得执行第二开关元件Q2的零电压开关。
主转换器100的初级绕组101的电压Vpri为0V，使得初级电流ipri流过从第二开关元件Q2到变压器的初级绕组101再到第三开关元件Q3的路径。由于主转换器100的初级绕组101的电压Vpri为0V，次级绕组102的电压Vrec也是0V。
这里，流入主转换器100的电感器Lo的电流iLo流经第五开关元件Q5和第六开关元件Q6。这里，电流iLo的斜率是Vo/Lo。
3.第三阶段t2至t3：Q2/Q6/QB2接通；Q1/Q4/QB1：断开；Q3/Q5：断开（见图4C）
在这一阶段，第三开关元件Q3和第五开关元件Q5断开。由于第三开关元件Q3断开，充入第四开关元件Q4的电压通过从电压源Vs到第二开关元件Q2再到变压器的初级绕组101的路径完全释放，且主转换器100的初级绕组101的电压Vpri从0V减至–Vs。由于变压器的初级绕组101的电压从0V减至–Vs，在变压器的初级绕组101内流动的初级电流ipri也相应地的减少。此外，当第五开关元件Q5断开时，流过第五开关元件Q5通道的电流流过二极管D5。
流过第五开关元件Q5的二极管D5的电流iQ5和流过第六开关元件Q6主体的电流iQ6的总和等于流过主转换器100的电感器Lo的电流iLo。如所示，主转换器100的次级绕组102的电压Vrec为0V。
在图2中，符号Ts表示一个开关循环的时间段。在标准模式下根据本实施方式的电源的DC转换比可以由等式1表达。
【等式1】
V O V S = 2 D FB × N S N P
这里，DFB表示移相全桥DC-DC转换器的有效占空比，Vs表示输入电压，以及Vo表示输出电压。此外，Np表示变压器初级绕组的匝数，而Ns表示次级绕组的匝数。
参考图3和图5，保持模式可划分成第一阶段t0至t1、第二阶段t1至t2、第三阶段t2至t3、第四阶段t3至t4、第五阶段t4至t5、第六阶段t5至t6、第七阶段t6至t7和第八阶段t7至t8。第五阶段t4至t5到第八阶段t7至t8的工作原理与第一阶段t0至t1到第四阶段t3至t4的工作原理相同；因此，将主要描述第一阶段t0至t1到第四阶段t3至t4。
1.第一阶段t0至t1：Q1/Q3/Q5/QB1接通；Q2/Q4/Q6/QB2：断开（见图5A）
由于第一开关元件Q1和第三开关元件Q3处于接通状态，主转换器100的初级绕组101的电压Vpri等于电压源Vs的电压。因此，流过从第一开关元件Q1到变压器的初级绕组101再到第三开关元件Q3的路径的初级电流ipri以同一斜率递增。此外，因为第五开关元件Q5处于接通状态且第一子开关元件QB1处于接通状态，根据匝数比（n：1），次级绕组102的电压Vrec成为电压Vs/n，使得流入电感器Lo的电流iLO以（Vs）/nLO的斜率增加。
第二开关元件Q2和第四开关元件Q4的寄生电容C2和C4中每一个都充入电压Vs。如上所述，在第一阶段，主电力从主转换器100的初级电路供应到其次级电路。此外，在第一阶段，第一子开关元件QB1处于接通状态，因此供应至次级电路的能源可存储在电感器Lo。
其他的未描述的符号iQ5和iQ6分别表示在第五开关元件Q5和第六开关元件Q6中流动的电流。
2.第二阶段t1至t2：Q1/Q3/Q5/QB2接通；Q2/Q4/Q6/QB1：断开（见图5B）
与第一阶段相同，在第二阶段，主电力从主转换器100的初级电路供应到其次级电路。
然而，在第二阶段，第一子开关元件QB1可断开而第二子开关元件QB2可接通。因此，存储在电感器Lo的能量可传导给负载。
3.第三阶段t2至t3：Q3/Q5/QB2接通；Q1/Q4/QB1：断开；Q2/Q6：接通（见图5C）
在这一阶段，第二开关元件Q2和第六开关元件Q6接通。在第一阶段充入第二开关元件Q2的寄生电容C2的电压完全释放之后，第二开关元件Q2接通，使得执行第二开关元件Q2的零电压开关。
主转换器100的初级绕组101中的电压Vpri是0V，使得初级电流ipri流过从第二开关元件Q2到变压器的初级绕组101然后到第三开关元件Q3的路径。由于主转换器100的初级绕组101的电压Vpri是0V，所以次级绕组102的电压Vrec也是0V。
相应地，可执行子开关元件的零电压开关，且流入主转换器100的电感器Lo的电流iLo流过第五开关元件Q5和第六开关元件Q6。这里，电流iLo的斜率是Vo/Lo。
4.第四阶段t3至t4：Q2/Q6/QB2接通；Q1/Q4/QB1：断开；Q3/Q5：断开（见图5D）
在这一阶段，第三开关元件Q3和第五开关元件Q5断开。由于第三开关元件Q3断开，充入第四开关元件Q4的电压通过从电压源Vs到第二开关元件Q2再到变压器的初级绕组101的路径完全释放，且主转换器100的初级绕组101的电压Vpri从0V减至–Vs。由于变压器的初级绕组101的电压从0V减至–Vs，在变压器的初级绕组101内流动的初级电流ipri也相应地减少。此外，由于第五开关元件Q5断开，流过第五开关元件Q5通道的电流流过二极管D5。
流过第五开关元件Q5的二极管D5的电流iQ5和流过第六开关元件Q6主体的电流iQ6的总和等于流过主转换器100的电感器Lo的电流iLo。如所示，主转换器100的次级绕组102的电压Vrec为0V。
在图3中，符号Ts表示一个开关循环的时间段。在正常模式下根据本实施方式的电源的DC转换比可由等式2表达。
【等式2】
V O V S = ( 2 D FB × N S N P ) × D B 1 - D B
其中，DFB表示移相全桥DC-DC转换器的有效占空比。且其中，Vs表示输入电压，而Vo表示输出电压。此外，Np表示变压器的初级绕组的匝数，Ns表示次级绕组的匝数。此外，DB表示子转换器的第一子开关元件的占空比。
根据本发明的实施方式，包含在电源中的子转换器110可执行升压功能。子转换器110在发生AC损耗的保持阶段期间可操作，从而可保持输出电压。
此外，在标准模式下，子转换器110可持续地将第一子开关元件QB1保持在断开状态，而持续地将第二子开关元件保持在接通状态，由此最小化附加损耗。
相应地，根据本发明的实施方式的PSFB允许占空比被设计成具有较高的值。
已参考附图描述了本发明的实施方式。尽管已描述的本发明的实施方式中移相全桥DC-DC转换器为主转换器，而升压转换器为辅助转换器，但是这仅仅是例证性的。应注意，除了移相全桥DC-DC转换器外的各种类型的DC-DC转换器和升压转换器可用作主转换器和辅助转换器。
如上所述，根据本发明的实施方式，电源的效率可通过在保持时间期间控制输出电压来提高。
尽管本发明结合实施方式来示出和描述，但是对于本领域技术人员而言，显然在不偏离由所附权利要求限定的本发明的实质和范围的条件下可以进行各种修改和变形。

Claims (10)

1.一种电源，包括：
直流电（DC）-DC转换器，向负载供应主电力；以及子转换器，连接至所述DC-DC转换器并减少输出损耗，其中，所述子转换器基于保持时间可操作。
2.根据权利要求1所述的电源，其中，所述DC-DC转换器包括：
初级电路，包括变压器的初级绕组；以及
次级电路，包括与所述变压器的所述初级绕组磁性耦接的次级绕组。
3.根据权利要求2所述的电源，其中，所述DC-DC转换器的所述初级电路包括开关模块，所述开关模块中的两端，即串联连接的第一开关元件的一端和第二开关元件的一端，被连接至电压源的两端，且所述开关模块中的另两端，即串联连接的第三开关元件的一端和第四开关元件的一端，被并联连接至所述电压源的所述两端，
其中，所述变压器的所述初级绕组连接在第一节点与第二节点之间，其中，所述第一开关元件和所述第二开关元件连接于所述第一节点，且所述第三开关元件和所述第四开关元件连接于所述第二节点。
4.根据权利要求3所述的电源，其中，所述DC-DC转换器的所述次级电路包括串联连接至所述转换器的所述次级绕组并控制流入所述变压器的所述次级绕组的电流的开关元件。
5.根据权利要求2所述的电源，其中，所述子转换器包括：
电感元件，连接至所述次级电路；
第一子开关元件，为要存储在所述电感元件中的能量提供路径；以及
第二子开关元件，为存储在所述电感元件中的能量提供传导路径。
6.根据权利要求5所述的电源，其中，所述第一子开关元件在所述第三开关元件接通时接通，并在所述第三开关元件保持接通时断开。
7.根据权利要求6所述的电源，其中，所述第二子开关元件在从所述第一子开关元件断开时起预定时间段之后接通，并在所述第三开关元件断开时断开。
8.根据权利要求5所述的电源，其中，所述第一子开关元件在所述第四开关元件接通时接通，并在所述第四开关元件保持接通时断开。
9.根据权利要求8所述的电源，其中，所述第二子开关元件在从所述第一子开关元件断开时起预定时间段之后接通，并在所述第四开关元件断开时断开。
10.一种电源，包括：
DC-DC转换器，通过连接至电压源端的初级电路和与所述初级电路磁性耦接的次级电路供应主电力；以及
子转换器，存储从所述次级电路供应的能量，并提供用于传导所存储的能量的路径。
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