CN105683854B - 具有降低的开关损耗的升压转换器 - Google Patents

具有降低的开关损耗的升压转换器 Download PDF

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Abstract

例如升压转换器的装置包括被配置为耦合至电感器并且支持来自电源的电感器中的充电电流的第一开关，以及与第一开关并联耦合并且被配置为将电流从电感器选择性地路由至至少两个串联连接的电容器的至少两个串联耦合的第二开关。装置还可以包括被配置为操作第一开关和多个第二开关的控制电路。

Description

具有降低的开关损耗的升压转换器
技术领域
本发明的主题涉及功率转换装置和方法，并且更具体地涉及升压转换器电路及其操作方法。
背景技术
升压转换器用于各种各样的应用中，诸如用于电机驱动和用于太阳能和风力发电机的接口。许多这种应用需要将输入电压升压至高得多的电压。例如，太阳能应用可能需要将由太阳能串产生的相对低的电压升压到耦合至电力网的逆变器所需要的高得多的电压。
已经开发了各种转换器配置以提供这种高电平升压。这些转换器布置包括包含多个升压级的级联升压电路以及耦合电感器、交错并且多电平的升压转换器布置。这种常规的升压转换器可能由于过度开关损耗而遭受降低的效率和/或可能对晶体管和电路的其它部件施加应力。
发明内容
一些实施例提供了一种装置，其包括被配置为耦合至电感器并支持电感器中的充电电流的第一开关。装置还包括至少两个串联耦合的第二开关，该第二开关与第一开关并联耦合并且被配置为将电流从电感器选择性地路由至至少两个串联连接的电容器。装置还可以包括被配置为操作第一开关和多个第二开关的控制电路。在一些实施例中，控制电路可以被配置为操作第一开关以使电感器充电以及操作至少两个串联耦合的第二开关以从电感器选择性地对至少两个串联耦合的电容器充电，并且从而在与至少两个串联耦合的电容器并联耦合的负载两端形成电压。
控制电路可以被配置为以比至少两个串联耦合的第二开关中的每一个第二开关更高的频率操作第一开关。控制电路还可以被配置为将至少两个串联耦合的第二开关的开关约束为在生成负载两端的电压时在大约零伏特处发生。控制电路还可以被配置为将第一开关两端的电压限制为小于负载两端的电压的大约一半。
在一些实施例中，控制电路可以被配置为闭合第一开关以使电感器充电，在至少两个串联耦合的第二开关中的第一个开关打开并且至少两个串联耦合的第二开关中的第二个开关闭合的同时打开第一开关以使电感器放电至至少两个串联耦合的电容器中的第一个电容器，闭合第一开关以使电感器再次充电，以及在至少两个串联耦合的第二开关中的第二个开关打开并且至少两个串联耦合的第二开关中的第一个开关闭合的同时打开第一开关以使电感器放电至至少两个串联耦合的电容器中的第二个电容器。控制电路可以被配置为在第一开关闭合时改变至少两个串联耦合的第二开关的状态。
在一些实施例中，第一开关可以包括第一类型的晶体管，并且至少两个串联耦合的第二开关可以是第二类型的晶体管。例如，在一些实施例中，第一开关可以包括碳化硅(SiC)场效应晶体管(FET)，并且至少两个串联耦合的第二开关可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
装置可以包括电感器以及至少两个串联耦合的电容器。装置还可以包括整流器电路，其被配置为使至少两个串联耦合的第二开关耦合至至少两个串联耦合的电容器。
本发明主题的另外实施例提供了升压转换器，包括：电感器，具有被配置为耦合至电源的第一端子；FET，耦合在电感器的第二端子与电源之间；至少两个串联耦合的电容器，被配置为与负载并联耦合；至少两个串联耦合的双极晶体管，与FET并联耦合并且被配置为使至少两个串联耦合的电容器选择性地耦合至电感器；整流器电路，被配置为使至少两个串联耦合的双极晶体管耦合至至少两个串联耦合的电容器；以及控制电路，被配置为操作FET和至少两个串联耦合的双极晶体管以使电感器充电并将来自电感器的能量选择性地传递至至少两个串联耦合的电容器。
在一些实施例中，控制电路可以被配置为接通FET以使电感器充电，在至少两个串联耦合的双极晶体管中的第一个双极晶体管断开并且至少两个串联耦合的双极晶体管中的第二个双极晶体管导通的同时关断FET以使电感器放电至至少两个串联耦合的电容器中的第一个电容器，接通FET以使电感器再次充电，以及在双极晶体管中的第二个双极晶体管断开并且至少两个串联耦合的双极晶体管中的第一个双极晶体管导通的同时关断FET以使电感器放电至至少两个串联耦合的电容器中的第二个电容器。控制电路可以被配置为在FET导通时改变至少两个第二双极晶体管的状态。控制电路可以被配置为在用于FET的栅极信号转变之后将用于至少两个串联耦合的双极晶体管的栅极信号的转变延迟至少大约FET的接通时间那么久的时间段。
控制电路还可以被配置为将至少两个串联耦合的双极晶体管的开关约束为在大约零伏特处发生。控制电路还可以被配置为将FET两端的电压限制为小于负载两端的电压的大约一半。
在一些实施例中，FET可以包括SiC MOSFET。在另外的实施例中，双极晶体管可以包括IGBT。
又另外的实施例提供了方法，其包括使至少两个串联耦合的电容器与负载并联耦合，以及从电源对电感器重复地充电并且使充电的电感器放电至至少两个串联耦合的电容器中的不同电容器以在负载两端生成大于电源两端的电压的电压。使电感器充电可以包括闭合第一开关以使电感器与电源串联耦合。使电感器放电可以包括在打开至少两个串联耦合的第二开关中的不同开关的同时打开第一开关以使至少两个串联连接的电容器中的不同电容器充电。使电感器充电可以包括闭合第一开关以使电感器充电。使电感器放电可以包括在打开至少两个串联耦合的第二开关中的第一个开关并且闭合至少两个串联耦合的第二开关中的第二个开关的同时打开第一开关以使电感器放电至至少两个串联耦合的电容器中的第一个电容器。使电感器充电还可以包括闭合第一开关以使电感器再次充电。使电感器放电还可以包括在打开至少两个串联耦合的第二开关中的第二个开关并且闭合至少两个串联耦合的第二开关中的第一个开关的同时打开第一开关以使电感器放电至至少两个串联耦合的电容器中的第二个电容器。
附图说明
包含为提供对本发明主题的进一步理解以及并入本申请中并且构成本申请的一部分的附图图示了本发明主题的某个(或者某些)实施例。在附图中：
图1A-B是图示根据一些实施例的升压转换器的示意图；
图2是图示根据另外实施例的升压转换器的示意图；
图3是图示图2的升压转换器的操作的波形图；
图4A-D是图示图2的升压转换器的操作的示意图；以及
图5是图示根据另外实施例的升压转换器的示意图。
具体实施方式
现在将参照示出本发明主题的实施例的附图在下文中对本发明主题的实施例进行更充分的描述。然而，本发明的主题可以以许多不同形式体现并且不应该被看作限于本文阐述的实施例。相反地，将这些实施例提供以使得本公开将是彻底的并且完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明主题的范围。在整个附图中，相同的数字指代相同的元件。
应当理解，尽管本文可以使用术语第一、第二等等描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件进行区别。例如，在不背离本发明主题的范围的情况下，第一元件可以称为第二元件，并且类似地，第二元件可以称为第一元件。如本文使用的，术语“和/或”包括关联列举项目中的一个或者多个的任意组合和全部组合。
应当理解，当元件被称为“连接”或者“耦合”至另一个元件时，其可以直接连接或者耦合至其它元件或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或者“直接耦合”至另一个元件时，不存在中间元件。还应当理解，“串联耦合”或者“串联连接”的元件可以直接耦合或者可以通过中间元件耦合。
为了便于描述，本文可以使用空间相对术语(诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上”等等)描述如在图中所图示的一个元件或者特征相对于(一个或者多个)另外的元件或者特征的关系。应当理解，除图中所描绘的取向以外，空间相对术语旨在包括在使用或者工作中的设备的不同取向。在整个说明书中，附图中相同的参考数字指示相同的元件。
本文使用的术语仅仅是为了描述具体实施例的目的并且不旨在限制本发明的主题。如本文使用的，除非上下文以其它方式清楚地指示，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。还应当理解，术语“包括”、和/或“包含”在本文使用时，规定了所陈述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或者附加一个或者多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
除非另外限定，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明主题所属领域的普通技术人员通常理解的意义相同的意义。还应当理解，本文使用的术语应当解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的意义一致的意义并且将不会以理想化或者过度形式化的意义来解释，除非本文这样明确地限定。本文使用术语“多个”指代所提到项目中的两个或者更多个。
本发明主题的一些实施例源自可以由升压转换器提供提高的效率和其它益处的发明实现，该升压转换器使用相对较低开关损耗的设备(诸如MOSFET)以结合低传导损耗开关(例如，IGBT)的多级网络使升压电感器充电，该低传导损耗开关选择性地使存储用于供应负载能量的电容器的串联组合中的电容器充电。使用单独电感器充电开关可以便于多级开关网络的设备的零电压开关。本发明的实施例还可以约束开关部件两端形成的电压，这可以允许使用较便宜的零件并且提高可靠性。
图1A图示了根据一些实施例的升压转换器100。升压转换器100包括具有被配置为耦合至电源10的第一端子的至少一个升压电感器L。第一开关S1耦合至电感器L的第二端子并且被配置为当闭合时传导充电电流通过电感器L。多个串联耦合的第二开关S21、...、S2n也耦合至电感器L的第二端子，与第一开关S1并联。第二开关S21、...、S2n还耦合至多个串联耦合的电容器C1、...、Cn，该多个串联耦合的电容器C1、...、Cn被配置为与负载20并联耦合。这里示出为包括开关S31、S32(例如，二极管和/或有源开关)的整流器电路还使电容器C1、...、Cn耦合至电感器L和电源10。
控制电路110被配置为操作第一开关S1和第二开关S21、...、S2n以生成相对于由电源10提供的输入电压vin升压的输出电压vout。具体地，控制电路110可以支持包括第一充电阶段和随后第一放电阶段的操作周期，在第一充电阶段中闭合第一开关S1以使电感器L充电，接着在第一放电阶段中在打开第二开关S21、...、S2n中的至少一个的同时打开第一开关S1以使得电感器L放电至电容器C1、...、Cn中的至少一个。该放电阶段之后可以接着第二电感器充电阶段，其中再次闭合第一开关S1并且使电感器L充电。第二放电阶段从打开第一开关S1开始，同时打开第二开关S21、...、S2n中的至少一个不同开关以允许电荷传递至并联耦合的电容器C1、...、Cn中的另外的至少一个电容器。取决于例如第二开关S21、...、S2n和电容器C1、...、Cn的数量，周期可以包括额外的充电/放电阶段。
应当意识到，第一开关S1和第二开关S21、...、S2n可以包括晶体管，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和/或场效应晶体管(FET)。在一些实施例中，可以通过将相对低开关损耗的晶体管(例如，碳化硅(SiC)或者其它MOSFET)使用于第一开关S1以及将相对低传导损耗的晶体管(例如，IGBT)使用于第二开关S21、...、S2n来实现有利性能。沿着上面描述的线路使用充电/放电周期，可以将第二开关S21、...、S2n的开关约束为在小于或者等于第一晶体管S1的开关频率的大约一半的频率处发生，从而与常规多电平升压电路相比，限制用于第二开关S21、...、S2n的晶体管中的开关损耗。另外，可以将用于第二开关S21、...、S2n的晶体管的开关约束为在闭合第一开关S1时(即，在电感器充电阶段期间)发生，使得用于第二开关S21、...、S2n的晶体管的开关在零伏特处或者接近零伏特处发生。通过将第二开关S21、...、S2n中的至少一个约束为在任何给定时间处闭合，也可以限制第一开关S1两端的电压，从而降低第一开关S1的耐电压要求。应当意识到，可以使用各种不同类型的模拟和/或数字电路系统(诸如微控制器)和用于感测电压和/或电流并向开关设备(例如，晶体管)提供驱动信号的关联外围电路系统来实现控制电路110。
尽管图1A图示了根据一些实施例的一个配置，但是可以在本发明主题的其它实施例中使用其它布置。例如，图1B图示了根据另外实施例的升压转换器100’的布置，其中相对于图1A的升压转换器100修改了升压电感器L的位置。应当意识到，其它实施例可以使用不同布置。
图2图示了结合根据本发明主题的另外实施例的这种特征的升压转换器200。升压转换器200包括具有被配置为耦合至电源10的第一端子的电感器L。SiC MOSFET Q1耦合至电感器L的第二端子并且被配置为在接通时使电感器L充电。第一和第二串联耦合的IGBTQ21、Q22与SiC MOSFET Q1并联耦合并且还耦合至连接串联耦合的电容器C1、C2的节点。电容器C1、C2被配置为与负载20并联耦合，以及第一和第二二极管D1、D2使电容器C1、C2耦合至电感器L和电源10。控制电路210控制SiC MOSFET Q1和IGBT Q21、Q22。
图3图示了可以施加至SiC MOSFET Q1和IGBT Q21、Q22的栅极端子以从由电源10提供的输入电压vin生成升压的输出电压vout的驱动信号，而图4A-D图示了源自这些栅极驱动信号的各个电感器充电和放电阶段的电流流动。参照图3和图4A，在时间t0处，用于SiCMOSFET Q1的栅极驱动信号转变为接通SiC MOSFET Q1，开始电流流动通过电感器L和SiCMOSFET Q1的电感器充电阶段。之后在时间t0+δ(例如，足以确保SiC MOSFET Q1完全导通的时间)处，用于IGBT Q21、Q22的栅极驱动信号转变为使得第一IGBT Q21接通并且第二IGBT Q22关断。参照图3和图4B，在后续时间t1处，SiC MOSFET Q1关断，结束电感器充电阶段并且开始电感器L经由第一IGBT Q21放电至第二电容器C2的放电阶段。
参照图3和图4C，在时间t2处，随着SiC MOSFET Q1再次接通新的电感器充电阶段开始，使得电流从电源10流过电感器L和SiC MOSFET Q1。之后在时间t2+δ处，用于IGBT Q21、Q22的栅极驱动信号转变为使得第一IGBT Q21关断并且第二IGBT Q22接通。参照图3和图4D，在后续时间t3处，SiC MOSFET Q1再次关断，开始电感器L放电至第一电容器C1的另一个放电阶段。
可以重复地执行图4A-4D中图示的周期。尽管，图3中图示的波形示出了按照固定频率以及近似50％占空比操作的SiC MOSFET Q1和IGBT Q21、Q22，但是应当理解，SiC MOSFETQ1和IGBT Q21、Q22的频率和/或占空比可以变化。例如，随着负载20的电流需求变化，可以通过响应于输出电压vout控制充电和/或放电阶段的长度来调节输出电压vout。
还应当理解，可以使用额外的电容器和关联开关来提供甚至更大的升压。例如，参照图5，根据一些实施例的升压转换器500可以包括具有被配置为耦合至电源10的第一端子的电感器L。SiC MOSFET Q1耦合至电感器L的第二端子并且被配置为在接通时使电感器L充电。第一、第二、第三和第四串联耦合的IGBT Q21、Q22、Q23、Q24与SiC MOSFET Q1并联耦合并且耦合至连接串联耦合的电容器C1、C2、C3、C4的节点。电容器C1、C2、C3、C4被配置为与负载20并联耦合，以及第一和第二二极管D1、D2使电容器C1、C2、C3、C4耦合至电感器L和电源10。控制电路510控制SiC MOSFET Q1和IGBT Q21、Q22、Q23、Q24。
可以以类似于上面参照图3和图4A-D描述的方式操作SiC MOSFET Q1和IGBT Q21、Q22、Q23、Q24。具体地，可以在包括电感器充电阶段交错着放电阶段的周期中操作这些设备，在电感器充电阶段中，接通SiC MOSFET Q1以使电感器L充电，在放电阶段中，通过在SiCMOSFET Q1关断时接通和关断IGBT Q21、Q22、Q23、Q24中的选定IGBT来使电容器C1、C2、C3、C4中的各种电容器充电。如同图2的升压转换器200一样，可以改变SiC MOSFET Q1和IGBT Q21、Q22、Q23、Q24的频率和/或占空比以提供输出电压vout的调节。
应当理解，可以以各种不同形式实现本发明主题的实施例。例如，可以将本发明主题实施为包括电感器、电容器、开关设备和控制电路系统的升压转换器装置。这种装置可以应用于例如功率转换或者电机驱动应用，并且可以是配置为连接至电机和/或电源的独立单元或者作为另一个组件的子单元。在一些实施例中，可以将本发明主题实施为模块或者类似子单元，诸如功率晶体管模块，该功率晶体管模块包括安装在共同衬底上、如上所述互连并且被配置为耦合至诸如电感器和电容器的外部部件的开关设备(例如，图2的晶体管Q1、Q21、Q23和二极管D1、D2)。
在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的典型实施例，尽管采用了特定术语，但是仅在一般性和描述性意义上使用它们并不为了限制目的，在下列权利要求中阐述本发明主题的范围。

Claims (22)

1.一种升压转换装置，包括：
第一开关，被配置为耦合至电感器并支持来自电源的所述电感器中的充电电流；
至少两个串联耦合的第二开关，与所述第一开关并联耦合并且被配置为将电流从所述电感器选择性地路由至至少两个串联耦合的电容器；以及
控制电路，被配置为闭合所述第一开关以在间隔开的第一间隔中从所述电源对所述电感器充电，并且在穿插了所述第一间隔的相应的间隔开的第二间隔中操作所述至少两个串联耦合的第二开关以使充电的电感器直接放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的不同的单独电容器，从而在与所述至少两个串联耦合的电容器并联耦合的负载两端形成电压。
2.根据权利要求1所述的升压转换装置，其中所述控制电路被配置为以比所述至少两个串联耦合的第二开关中的每一个第二开关更高的频率操作所述第一开关。
3.根据权利要求1所述的升压转换装置，其中所述控制电路被配置为将所述至少两个串联耦合的第二开关的开关约束为在生成所述负载两端的电压时在大约零伏特处发生。
4.根据权利要求1所述的升压转换装置，其中所述控制电路被配置为将所述第一开关两端的电压限制为小于所述负载两端的电压的一半。
5.根据权利要求1所述的升压转换装置，其中所述控制电路被配置为闭合所述第一开关以使所述电感器充电，在所述至少两个串联耦合的第二开关中的第一个开关打开并且所述至少两个串联耦合的第二开关中的第二个开关闭合的同时打开所述第一开关以使所述电感器放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的第一个电容器，闭合所述第一开关以使所述电感器再次充电，以及在所述至少两个串联耦合的第二开关中的所述第二个开关打开并且所述至少两个串联耦合的第二开关中的所述第一个开关闭合的同时打开所述第一开关以使所述电感器放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的第二个电容器。
6.根据权利要求5所述的升压转换装置，其中所述控制电路被配置为在所述第一开关闭合时改变所述至少两个串联耦合的第二开关的状态。
7.根据权利要求1所述的升压转换装置，其中所述第一开关包括第一类型的晶体管，并且其中所述至少两个串联耦合的第二开关包括第二类型的晶体管。
8.根据权利要求7所述的升压转换装置，其中所述第一开关包括碳化硅SiC场效应晶体管FET，并且其中所述至少两个串联耦合的第二开关包括绝缘栅双极晶体管IGBT。
9.根据权利要求1所述的升压转换装置，还包括整流器电路，被配置为使所述至少两个串联耦合的第二开关耦合至所述至少两个串联耦合的电容器。
10.一种升压转换器，包括：
电感器，具有被配置为耦合至电源的第一端子；
FET，耦合在所述电感器的第二端子与所述电源之间；
至少两个串联耦合的电容器，被配置为与负载并联耦合；
至少两个串联耦合的双极晶体管，与所述FET并联耦合并且被配置为使所述至少两个串联耦合的电容器选择性地耦合至所述电感器；
整流器电路，被配置为使所述至少两个串联耦合的双极晶体管耦合至所述至少两个串联耦合的电容器；以及
控制电路，被配置为接通所述FET以在间隔开的第一间隔中从所述电源对所述电感器充电，并且在穿插了所述第一间隔的相应的间隔开的第二间隔中操作所述至少两个串联耦合的双极晶体管以使充电的电感器直接放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的不同的单独电容器，从而在与所述至少两个串联耦合的电容器并联耦合的负载两端形成电压。
11.根据权利要求10所述的升压转换器，其中所述控制电路被配置为接通所述FET以使所述电感器充电，在所述至少两个串联耦合的双极晶体管中的第一个双极晶体管断开并且所述至少两个串联耦合的双极晶体管中的第二个双极晶体管导通的同时关断所述FET以使所述电感器放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的第一个电容器，接通所述FET以使所述电感器再次充电，以及在所述双极晶体管中的所述第二个双极晶体管断开并且所述至少两个串联耦合的双极晶体管中的所述第一个双极晶体管导通的同时关断所述FET以使所述电感器放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的第二个电容器。
12.根据权利要求10所述的升压转换器，其中所述控制电路被配置为在所述FET导通时改变所述至少两个第二双极晶体管的状态。
13.根据权利要求10所述的升压转换器，其中所述控制电路被配置为在用于所述FET的栅极信号转变之后将用于所述至少两个串联耦合的双极晶体管的栅极信号的转变延迟至少所述FET的接通时间那么久的时间段。
14.根据权利要求10所述的升压转换器，其中所述控制电路被配置为将所述至少两个串联耦合的双极晶体管的开关约束为在大约零伏特处发生。
15.根据权利要求10所述的升压转换器，其中所述控制电路被配置为将所述FET两端的电压限制为小于所述负载两端的电压的一半。
16.根据权利要求10所述的升压转换器，其中所述FET包括SiC MOSFET。
17.根据权利要求10所述的升压转换器，其中所述双极晶体管包括IGBT。
18.一种操作升压转换器的方法，包括：
使至少两个串联耦合的电容器与负载并联耦合；以及
在间隔开的第一间隔中从电源对电感器重复地充电并且在穿插了所述第一间隔的相应的间隔开的第二间隔中使充电的电感器直接放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的不同的单独电容器以在所述负载两端生成大于所述电源两端的电压的电压。
19.根据权利要求18所述的方法，其中使所述电感器充电包括闭合第一开关以使所述电感器与所述电源串联耦合，并且其中使所述电感器放电包括在打开至少两个串联耦合的第二开关中的不同开关的同时打开所述第一开关以使所述至少两个串联耦合的电容器中的不同电容器充电。
20.根据权利要求19所述的方法：
其中使所述电感器充电包括闭合所述第一开关以使所述电感器充电；
其中使所述电感器放电包括在打开所述至少两个串联耦合的第二开关中的第一个开关并且闭合所述至少两个串联耦合的第二开关中的第二个开关的同时打开所述第一开关以使所述电感器放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的第一个电容器；
其中使所述电感器充电还包括闭合所述第一开关以使所述电感器再次充电；以及
其中使所述电感器放电还包括在打开所述至少两个串联耦合的第二开关中的所述第二个开关并且闭合所述至少两个串联耦合的第二开关中的所述第一个开关的同时打开所述第一开关以使所述电感器放电至所述至少两个串联耦合的电容器中的第二个电容器。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一开关包括FET，并且其中所述至少两个串联耦合的第二开关包括IGBT。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述FET包括SiC MOSFET。
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