CN106877661B - 双向降压-升压变换器 - Google Patents

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Abstract

一种双向降压‑升压DC/DC变换器特别适合于其中多个双向降压‑升压DC/DC变换器并联连接到公共电池的应用。如所公开的那样，多个双向DC/DC变换器可以并联连接到公共电池，并且至少在升压模式下，基本没有电流在所述并联连接的双向DC/DC变换器之间循环。

Description

双向降压-升压变换器
本申请是申请日为2011年12月28日、申请号为201180064255.9、发明名称为“双向降压-升压变换器”的申请的分案申请。
技术领域
本发明一般地涉及双向降压-升压DC/DC变换器。更具体地说，本发明涉及非常适合于其中多个双向降压-升压DC/DC变换器并联地连接到公共电池的应用的双向降压-升压DC/DC变换器。
背景技术
图1示出示例性的现有技术的不间断电源(UPS)100的框图。UPS 100包括将AC线电压105转换为DC 115的AC-DC整流器110。DC 115是相对较高的电压。UPS 100进一步包括将DC 115转换为AC输出125的DC-AC逆变器。UPS 100进一步包括双向DC-DC变换器130和电池140。
当AC线电压105正常时，双向DC-DC变换器130在降压模式下操作，这表示它将相对较高的电压DC 115降到较低的电压DC 135(降压)。双向DC-DC变换器130输出DC 135，该电压对电池140进行充电。DC 135的电压根据电池140进行选择。
当AC线电压105失效时，双向DC-DC变换器130在升压模式下操作，这表示它将相对较低的电压DC 135升高到较高的电压DC 115。电池140给双向DC-DC变换器130馈电，该变换器接着给DC-AC逆变器120馈电，该逆变器对负载进行馈电。
在某些应用中，可能需要部署多个共享公共电池的UPS。在此类应用中，两个或更多个双向DC-DC变换器(例如，变换器130)并联地连接到多个UPS所共用的一个电池或一串电池。
图2示出示例性的现有技术的双向DC-DC变换器200的示意图。
变换器200包括分别与DC Link的正轨(positive rail)和负轨(negative rail)相连的第一组电容器C1和C2。变换器200进一步包括降压开关Q1和Q2，升压开关Q3和Q4，以及二极管D1、D2、D3和D4。降压开关Q1和Q2在降压模式下周期性地接通和关断以及在升压模式下保持关断。升压开关Q3和Q4在升压模式下周期性地接通和关断以及在降压模式下保持关断。变换器200还包括电感器L1和L2，电流传感器CS1和CS2。变换器200还包括与电池BAT相连的第二组电容器C3和C4。
变换器200可以与其它双向DC-DC变换器(未示出)相并联地连接到公共电池BAT。变换器200被示出为通过三个端子(+BAT、-BAT和midBAT)与电池BAT相连。在该配置中，电池BAT必须具有中间连接点midBAT，该连接点可能存在缺陷，因为它增加了额外的连接和布线。变换器200还可仅通过两个端子+BAT和-BAT与电池BAT相连(未示出)，而不用中点连接。但是，该配置具有与DC Link相对于公共电池BAT的电压定心(voltage centering)以及与公共电池BAT相连的并联连接的变换器之间的电流循环有关的缺陷。通常需要用于主动定心或主动平衡的附加控制电路以减轻现有技术的变换器的这些缺陷。附加的电路增加了成本和复杂性。
发明内容
一种双向降压-升压变换器包括具有正端子、负端子和中间端子的第一组电容器和第二组电容器。所述第一组电容器的所述正端子和所述负端子被配置为可操作地(operably)分别与第一源(source)的正轨和负轨相连。所述第二组电容器的所述正端子和所述负端子被配置为可操作地分别与第二源的正端子和负端子相连。所述第一组电容器的所述中间端子可操作地与所述第二组电容器的所述中间端子相连。
所述双向降压-升压变换器进一步包括一组降压开关元件，其中包括第一降压开关元件和第二降压开关元件。所述一组降压开关元件被配置为在降压模式下周期性地接通和关断以及在升压模式下保持关断。所述第一降压开关元件可操作地与所述第一组电容器的所述正端子相连并且所述第二降压开关元件可操作地与所述第一组电容器的所述负端子相连。
所述双向降压-升压变换器可以进一步包括一组电感器，其中包括第一电感器和第二电感器。所述第一电感器的一个端子可操作地与所述第二组电容器的所述正端子相连，另一端子可操作地与所述第一降压开关元件相连。所述第二电感器的一个端子可操作地与所述第二组电容器的所述负端子相连，另一端子可操作地与所述第二降压开关元件相连。
所述双向降压-升压变换器进一步包括升压开关元件，其被配置为在升压模式下周期性地接通和关断以及在降压模式下保持关断。所述升压开关元件的一个端子可操作地与所述第一降压开关元件和所述第一电感器相连，第二端子可操作地与所述第二降压开关元件和所述第二电感器相连。
所述双向降压-升压变换器进一步包括一组单向导电元件，其中包括可操作地分别与所述第一降压开关元件、所述第二降压开关元件，以及所述升压开关元件反并联连接的第一、第二和第三单向导电元件。所述单向导电元件可以是寄生体二极管、同封装二极管、分立式二极管等。
所述双向降压-升压变换器进一步包括至少一个电流传感器，其被配置为检测通过所述第一电感器和所述第二电感器中的至少一者的电流。在一个实施例中，所述至少一个电流传感器包括与所述第一电感器串联连接的第一电流传感器以及与所述第二电感器串联连接的第二电流传感器。
在一个实施例中，所述升压开关元件包括单个开关设备。
所述双向降压-升压变换器可以进一步包括控制电路，其可操作地与所述降压开关元件和所述升压开关元件相连。所述控制电路被配置为将信号发送到所述降压开关元件和所述升压开关元件。所述信号使得所述降压开关元件在降压模式下周期性地接通和关断以及在升压模式下保持关断。所述信号导致所述升压开关元件在升压模式下周期性地接通和关断以及在降压模式下保持关断。
在一个实施例中，所述第一源是不间断电源(UPS)的DC环节(DC link)，所述第二源是多个UPS所共用的电池。在这种配置中，所公开的多个双向降压-升压变换器可以并联连接到所述公共电池。在升压模式下，所述并联连接的双向降压-升压变换器之间基本没有电流循环。因此，至少在升压模式下，电流不在所述多个UPS之间循环。
在一个实施例中，UPS包括可操作地与所述UPS的DC环节耦合(couple)的DC环节端口，被配置为可操作地与至少一个电池耦合的电池端口，以及可操作地与所述DC环节端口和所述电池端口耦合的DC/DC变换器。所述DC/DC变换器在降压模式下，将电力从所述DC环节端口传输到所述电池端口，以及在升压模式下，将电力从所述电池端口传输到所述DC环节端口。所述DC/DC变换器通过操作，使得在升压模式下，所述DC/DC变换器使跨过所述电池端口的电池电压自动地基本置于跨过所述DC环节端口的DC环节电压的中心，无需主动执行电压定心。因此，无需任何附加的电压定心电路。
在一个实施例中，所述DC/DC变换器包括单个升压开关元件。
在一个实施例中，所述UPS与至少另一个UPS相并联地连接到至少一个电池。至少在升压模式下，基本没有电流在所述UPS与所述另一个UPS之间流动。
一种操作可操作地与DC环节和电池耦合的双向DC/DC变换器的方法包括从其中所述双向DC/DC变换器将电力从所述DC环节传输到所述电池的降压操作模式切换到其中所述双向DC/DC变换器将电力从所述电池传输到所述DC环节的升压操作模式。所述方法进一步包括在升压模式下操作单个开关元件，以使跨过所述电池的电压幅度基本置于跨过所述DC环节的电压幅度的中心。
在其中至少一个附加的双向DC/DC变换器可操作地与所述第一双向DC/DC变换器相并联地连接到电池的一个实施例中，一种操作所述第一双向DC/DC变换器的方法包括操作所述单个开关元件，以使基本没有电流从所述双向DC/DC变换器流动到所述至少一个附加的双向DC/DC变换器。
附图说明
在此纳入并构成说明书一部分的附图示出各种示例性系统、方法等，这些示例性系统、方法等示出本发明的各方面的各种示例性实施例。本领域的普通技术人员将理解，附图中所示的各组件的边界表示边界的一个实例。本领域的普通技术人员还将理解，可将一个组件设计为多个组件，或者可将多个组件设计为单个组件。此外，内部组件可以实现为外部组件，反之亦然。进一步地，附图可以不按比例绘制，为了方便说明，可将特定部件的比例放大。
图1示出示例性的现有技术的不间断电源的框图。
图2示出示例性的现有技术的双向DC-DC变换器的示意图。
图3示出示例性的双向降压-升压变换器的示意图。
图4示出表示示例性降压-升压双向变换器的降压模式操作的电感器充电部分的示意图。
图5示出表示示例性降压-升压双向变换器的降压模式操作的电感器放电部分的示意图。
图6示出表示示例性降压-升压双向变换器的升压模式操作的电感器充电部分的示意图。
图7示出表示示例性降压-升压双向变换器的升压模式操作的电感器放电部分的示意图。
图8A示出包括两个具有降压-升压双向变换器的不间断电源的示例性系统的框图。
图8B示出表示在变换器的升压模式操作期间，降压-升压双向变换器的跨过电池端口的电池电压和跨过DC环节端口的DC环节电压的示例性图。
具体实施方式
虽然所公开的系统和方法在UPS应用的上下文中进行描述，并且所公开的系统和方法可能对于UPS应用具有特殊意义，但是所公开的系统和方法也适用于需要双向降压-升压变换器的任何应用。
图3示出示例性双向降压-升压变换器300的示意图。在所示实施例中，变换器300与UPS DC环节DC Link和电池BAT相连。在其它实施例中，变换器300连接在两个电压之间，而非UPS DC环节与电池之间。
变换器300包括第一组电容器310。在所示实施例中，第一组电容器包括两个电容器310a-b。在其它实施例中，第一组电容器包括多个电容器，而非两个。第一组电容器310具有正端子315、负端子317和中间端子319。正端子315与DC Link的正轨+DC Link和负轨-DCLink相连。
变换器300进一步包括第一降压开关元件320a和第二降压开关元件320b。第一降压开关元件320a可操作地与第一组电容器310的正端子315相连。第二降压开关元件320b可操作地与第一组电容器310的负端子317相连。
变换器300还包括升压开关元件330。升压开关元件330的一个端子可操作地与第一降压开关元件320a相连，另一个端子可操作地与第二降压开关元件320b相连。
如在此使用的例如指降压开关元件320a-b和升压开关元件330而言的“开关元件”指的是实质上充当一个开关设备的一个或多个开关设备(例如，晶体管、金属氧化物衬底场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)、结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)，以及它们的组合等)。如在此使用的“开关元件”包括但不限于两个或更多个的串联连接(例如发射极到集电极，源极到漏极等)且通过相同的或基本相同的驱动信号偏置(例如，基极，栅极-源极等)的晶体管。如在此使用的“开关元件”还包括但不限于单个开关设备。
变换器300包括一组单向导电元件，例如可操作地分别与第一降压开关元件320a、第二降压开关元件320b和升压开关元件330反并联连接的二极管340a-c。除了二极管，所述单向导电元件还可以包括整流器、晶闸管等。在其中第一降压开关元件320a、第二降压开关元件320b和升压开关元件330中的一者或多者例如是MOSFET的实施例中，对应的单向导电元件不能是分立式设备，但是，对应的单向导电元件可以是其对应MOSFET的寄生体二极管。在其它实施例中，单向导电元件可以是同封装二极管、分立式二极管等。
变换器300进一步包括第一电感器350a和第二电感器350b。第一电感器350a的一个端子可操作地与第一降压开关元件320a和升压开关元件330相连。第二电感器350b的一个端子可操作地与第二降压开关元件320b和升压开关元件330相连。在某些实施例中，电感器350a-b通过电流传感器，可操作地分别与降压开关元件320a-b和升压开关元件330相连。在一个实施例(未示出)中，变换器包括一个电感器。在其它实施例中，变换器包括三个或更多个电感器。
变换器300包括第二组电容器360。在所示实施例中，第二组电容器包括两个电容器360a-b。在其它实施例中，第二组电容器包括两个以外的多个电容器。第二组电容器具有正端子365、负端子367和中间端子369。
正端子365和负端子367可操作地分别与第一和第二电感器350a-b相连。在所示实施例中，正端子365和负端子367通过电流传感器370a-b，可操作地分别与电感器350a-b相连。在其它实施例(未示出)中，正端子365和负端子367直接或通过一个或多个设备(例如，分流器、电流传感器、变流器等)，可操作地与电感器350a-b相连。
正端子365和负端子367还可操作地分别与电池BAT的正端子和负端子相连。在某些实施例(未示出)中，正端子365和负端子367通过一个或多个设备(熔断器、电流传感器、EMI滤波器、分流器、开关、断开器、连接器、继电器等)，可操作地与电池BAT相连。第二组电容器360的中间端子369可操作地与第二组电容器310的中间端子319相连。
在所示实施例中，变换器300还包括分别与电感器350a和350b串联连接的第一电流传感器370a和第二电流传感器370b。在某些实施例(未示出)中，电流传感器在电路中的连接位置不同于所示的位置。例如，电流传感器可以在电感器与降压-升压开关元件之间与电感器串联连接。在其它实施例中，电流传感器可能不与电感器串联连接。在一个实施例(未示出)中，变换器仅包括一个电流传感器。在其它实施例(未示出)中，变换器包括三个或更多电流传感器。为了此公开的目的，电流传感器包括但不限于分流器、霍尔效应电流传感器、变流器等。
在一个实施例(未示出)中，控制电路可操作地与降压开关元件320a-b和升压开关元件330相连。控制电路将驱动信号发送到降压开关元件320a-b，从而使得降压开关元件320a-b在降压模式下周期性地接通和关断以及在升压模式下保持关断。控制电路将信号发送到升压开关元件330，从而使得升压开关元件在升压模式下周期性地接通和关断以及在降压模式下保持关断。
图4和5示出表示示例性降压-升压双向变换器300的降压模式操作的示意图。在降压模式下，降压开关元件320a-b周期性地接通和关断，而升压开关元件330保持关断。图4示出降压模式周期的电感器充电部分，图5示出降压模式周期的电感器放电部分。
参考图4，第一和第二降压开关元件320a-b在降压模式周期的电感器充电部分期间接通。电流从DC Link流出，经过第一降压开关元件320a、第一电感器350a，到达电池BAT，然后经过第二电感器350b、第二降压开关元件320b返回。在降压模式周期的这半部分中，第一和第二电感器350a和350b中的电流上升。
参考图5，在降压模式周期的电感器放电部分期间，第一和第二降压开关元件320a-b关断。电流停止流过第一和第二降压开关元件320a-b。二极管340c变为正向偏压。电流从第二电感器350b流出，经过二极管340c、第一电感器350a，从第一电感器350a流出，然后返回。在降压模式周期的这半部分中，第一和第二电感器350a和350b中的电流下降。
第一组电容器310可以使来自DC环节的电压输入变得平滑。第二组电容器360a-b连同电感器350a-b一起从提供给电池BAT的输出电压中过滤出某些纹波电压。
图6和7示出表示示例性降压-升压双向变换器300的升压模式操作的示意图。在升压模式中，降压开关元件320a-b保持关断，而升压开关元件330周期性地接通和关断。图6示出升压模式周期的电感器充电部分，图7示出升压模式周期的电感器放电部分。
参考图6，在升压模式周期的电感器充电部分期间，升压开关元件330接通。电流从电池BAT流出，经过第一电感器350a、升压开关元件330，然后经过第二电感器350b返回。在升压模式周期的这半部分期间，第一和第二电感器350a和350b中的电流上升。
参考图7，在升压模式周期的电感器放电部分期间，升压开关元件330关断。电流停止流过升压开关元件330。二极管340a和340b变为正向偏压。电流经过二极管340a流到DCLink，然后经过二极管340b返回。在降压模式周期的这半部分期间，第一和第二电感器350a和350b中的电流下降。
第二组电容器360可以使来自电池BAT的电压输入变得平滑。第一组电容器310连同电感器350a-b一起从提供给DC Link的输出电压中过滤出某些纹波电压。
诸如变换器300之类的两个或更多个变换器可以并联连接，以便它们共享公共电池。
图8A示出包括两个UPS 810和820的示例性系统。如上所述，UPS 810和820分别包括双向降压-升压DC/DC变换器830和840。变换器830和840分别包括DC环节端口850和860，所述端口可操作地与其各自的UPS的DC Link耦合。变换器830和840进一步分别包括电池端口870和880，所述端口可操作地与电池890相连。变换器830和840并联地连接到公共电池890。
图8B示出在变换器830的升压模式操作期间，跨过电池端口870的电池电压VB和跨过DC环节端口850的DC环节电压VL。至少在升压模式下，变换器830通过操作，使得电池电压VB基本位于DC环节电压VL的中心。变换器840具有类似的操作。因此，至少在升压模式下，DC环节850和860相对于电池890的电压定心或平衡自动发生，无需附加的电路来主动执行平衡或定心。基本没有电流从变换器830流到变换器840或从变换器840流到变换器830。基本没有电流在并联连接的变换器830和840或UPS 810和820之间循环。至少部分地基于这些原因，与现有技术的双向降压-升压变换器电路配置相比，变换器的控制相对简单。
“可操作的连接”或组件“可操作地相连”时所借助的连接是指可操作地相连的组件或可操作的连接执行其目标操作时借助的连接。例如，两个组件可以直接地或借助一个或多个中间组件可操作地相互连接。“可操作的连接”包括通过设备的连接，这些设备包括例如熔断器、电流传感器、分流器等的对流经其中的电流没有影响或具有可忽略的影响的设备。在另一实例中，两个组件可通过直接地或借助一个或多个中间组件(例如，导体、电线、处理器、逻辑或其它组件)彼此发送信号而可操作地相连。
就在说明书或权利要求中使用的术语“包括”或“包含”而言，该术语的包含方式旨在与权利要求中用作连接词的术语“包括”被解释的包含方式类似。此外，就所采用的术语“或”而言(例如，A或B)，该术语旨在表示“A或B，或两者”。当申请人旨在指示“仅A或B，而非两者”时，则可以采用术语“仅A或B，而非两者”。因此，此处对术语“或”的使用是可兼的，并非排他使用。请参见Bryan A.Garner,A Dictionary of Modern Legal Usage 624(2d.Ed.1995)。此外，就在说明书或权利要求中使用的术语“在...中”或“在...内”而言，该术语旨在另外表示“在...之上”或“在...上面”。此外，就在说明书或权利要求中使用的术语“连接”而言，该术语旨在不仅表示“直接地连接到”，而且还表示“间接的连接到”，例如通过另外的一个或多个组件连接。
尽管本公开示出各种实施例，并且这些实施例在某种程度上进行了详细地描述，但是申请人并非旨在将所要求保护的发明限于这些细节或以任何方式将所要求保护的发明限于这些细节。本领域的技术人员很容易理解其它优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面，不限于所示或所描述的特定细节和示例性实例。因此，在不偏离所要求保护的发明的精神或范围的情况下，可以对这些细节做出修改。而且，上述实施例是示例性的，没有任何一个特征或元件对于本申请或后面的申请中要求保护的所有可能组合是必不可少的。

Claims (9)

1.一种双向降压-升压变换器系统，包括：
直流(DC)端口，其与DC环节耦合；
电池端口，其与至少一个电池耦合，其中所述电池端口包括第一端子和第二端子，在所述第一端子与所述第二端子之间没有中点连接；
DC/DC变换器，其与所述DC端口和所述电池端口耦合，所述DC/DC变换器被配置为在降压模式中时，将电力从所述DC端口传输到所述电池端口，以及被配置为在升压模式中时，将电力从所述电池端口传输到所述DC端口，其中所述DC/DC变换器在升压模式中操作时，使得跨过所述电池端口的所述第一端子和第二端子的电池电压基本位于跨过所述DC环节的DC环节电压的中心；
其中，所述DC/DC变换器包括：
第一组两个串联电容器，其中所述第一组两个串联电容器具有正端子、负端子和第一中间端子，并且其中所述第一组两个串联电容器的所述正端子和所述负端子被配置为可操作地与所述直流环节的正轨和负轨相连；
第二组两个串联电容器，其中所述第二组两个串联电容器具有正端子、负端子和第二中间端子，其中所述第一组两个串联电容器的所述第一中间端子直接耦合到所述第二组两个串联电容器的仅仅所述第二中间端子，以及所述第二组两个串联电容器的所述正端子和所述负端子分别直接与仅仅所述电池端口的正端子和负端子相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述DC/DC变换器包括多个开关元件，所述开关元件被配置为在相应模式下，在各个状态之间循环，以将电力从所述DC端口传输到所述电池端口，以及将电力从所述电池端口传输到所述DC端口。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个开关元件中的一个是升压开关元件，所述升压开关元件被配置为在升压模式下，在接通状态与关断状态之间循环，以将电力从所述电池端口传输到所述DC端口，同时所述多个开关元件中的其余开关元件处于关断状态。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述多个开关元件中的两个是降压开关元件，这两个降压开关元件被配置为在降压模式下，在接通状态与关断状态之间循环，以将电力从所述DC端口传输到所述电池端口，同时所述多个开关元件中的其余开关元件处于关断状态。
5.一种双向降压-升压变换器操作方法，包括：
从与DC环节和电池端口耦合的双向直流(DC)/DC变换器的降压操作模式切换到所述双向DC/DC变换器的升压操作模式，以将电力从所述电池端口传输到所述DC环节，所述电池端口与至少一个电池耦合，所述电池端口包括第一端子和第二端子，在与所述电池耦合的所述第一端子和第二端子之间没有中点连接点；以及
在所述双向DC/DC变换器的升压操作模式期间操作开关元件，以使跨过所述电池端口的所述第一端子和第二端子的电压的幅度基本位于跨过所述DC环节的电压的幅度的中心；
其中，所述双向DC/DC变换器包括：
第一组电容器，其中所述第一组电容器具有正端子、负端子和中间端子，并且其中所述第一组电容器的所述正端子和所述负端子被配置为可操作地分别与所述DC环节的正轨和负轨相连；
第二组电容器，其中所述第二组电容器具有正端子、负端子和中间端子，其中所述第二组电容器的所述正端子和所述负端子被配置为可操作地分别与所述电池端口的正端子和负端子相连，并且其中所述第一组电容器的所述中间端子可操作地与所述第二组电容器的所述中间端子相连。
6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括：
从所述双向DC/DC变换器的升压操作模式切换到所述双向DC/DC变换器的降压操作模式，以将电力从所述DC环节传输到所述至少一个电池；以及
操作多个开关元件，以将电力从所述DC环节传输到所述至少一个电池。
7.根据权利要求5所述的方法，
其中所述双向DC/DC变换器是第一双向DC/DC变换器；以及
所述方法进一步包括将第二双向DC/DC变换器与所述至少一个电池耦合，其中所述第二双向DC/DC变换器与所述第一双向DC/DC变换器并联耦合。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述第一双向DC/DC变换器的升压操作模式期间操作所述开关元件，以使基本没有电流在所述第一双向DC/DC变换器与所述第二双向DC/DC变换器之间流动。
9.一种包括多个双向降压-升压变换器的系统，包括：第一系统以及第二系统；
其中，所述第一系统是根据权利要求1所述的双向降压-升压变换器系统，其对应于第一不间断电源(UPS)，所述第一UPS与至少一个电池耦合；以及
其中，所述第二系统是根据权利要求1所述的双向降压-升压变换器系统，其对应于第二不间断电源(UPS)，所述第二UPS与所述至少一个电池耦合并且与所述第一UPS并联，其中在所述第一UPS和第二UPS之一的至少升压模式下，基本没有电流在所述第一UPS与所述第二UPS之间流动。
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