CN107005171A - 电力变换单元 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的一个实施方式的电力变换单元包括：变压器；电流倍增器，该电流倍增器包括开关元件并且连接至变压器的次级侧，以根据开关元件的操作使变压器的电流加倍；以及连接至开关元件的电压谐振器，其中，电压谐振器包括彼此串联连接的开关元件和电容器。

Description

电力变换单元
技术领域
本发明涉及一种电力变换器，更具体地，涉及一种DC-DC变换器。
背景技术
在用于稳定地向电子装置供电的电源中，在电源的容量不断增加的同时需要其更高的可靠性。在这样的电源中，不仅稳定地供给系统所需的电力是重要的，使必要空间最小化也是重要的。因此，为了使系统所需的空间最小化，必须通过提高电力变换效率来减小不必要的元件如散热器的尺寸而使电源更小、更轻且更薄。通常，开关电源由于开关损耗而具有低的电力变换效率，因此开发了用于提高电力变换效率的各种电力变换技术。
例如，谐振型电力变换器是即使在高频范围内也具有高效率的电力变换器，这通过在进行开关时使开关电压或电流为零并且使开关损耗最小化来实现。在谐振型电力变换器中，谐振开关可以通过将产生谐振的电容器和电感器添加至开关元件来构成。
谐振型电力变换器最初开始应用于要求小尺寸、轻重量的航空航天领域的DC电源、逆变器等，近来谐振型电力变换器的应用已经扩展到工业领域。这种谐振型电力变换器根据谐振类型分为串联谐振型变换器和并联谐振型变换器。在小型电源中使用具有少量开关的准谐振型变换器及多谐振型变换器。具有谐振环节的谐振型逆变器已经被研究用于AC电源，并且适用于要求高频的电力系统。同时，还正在研究通过仅在开关期间执行零电压或零电流开关来使谐振能量最小化的脉冲宽度调制(PWM)变换器类型的软开关变换器。
构成这种电力变换器的开关是作为半导体元件的开关元件，并且当开关元件导通及截止时由于开关元件的突变特性而发生损耗。
图1是示出开关元件的电力损耗的波形图。
参照图1，开关元件的电力损耗PL随着开关元件的导通时间ton和截止时间toff变得更长而增加，并且还与开关频率成比例地增加。然而，为了减小电源的尺寸和重量，电力变换器的开关元件通常以高频率进行开关，但是开关元件的高频开关增加了由于开关造成的损耗。开关损耗具有降低电力变换效率的问题。此外，在电力变换系统如新的可再生能源和电动车中，需要双向电力变换。此时，通过一个功率级来实现双向电力控制以简化系统并且还降低其成本。然而，由于双向电力变换系统中包括的绝缘变压器的初级侧绕组与次级侧绕组之间的漏电感，在执行高频开关时，开关损耗增加并且产生浪涌电压。因此，在电力变换器中，存在电力变换损耗和施加到开关的电压应力增加的问题。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种电力变换器，该电力变换器在执行双向电力变换时实现开关元件的电压钳位操作和软开关操作，从而根据开关损耗的降低实现高效率的电力变换和低噪声。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种电力变换器，该电力变换器包括：变压器；电流倍增器，该电流倍增器包括开关元件并且连接至变压器的次级侧，以根据开关元件的操作使变压器的电流加倍；以及连接至开关元件的电压谐振器，其中该电压谐振器包括彼此串联连接的开关元件和电容器。
此外，在根据本发明的一个实施方式的电力变换器中，电流倍增器的开关元件可以包括第一开关元件和第二开关元件，电压谐振器可以包括连接至第一开关元件的第一电压谐振器和连接至第二开关元件的第二电压谐振器，第一电压谐振器可以包括彼此串联连接的第三开关元件和第一电容器，第二电压谐振器可以包括彼此串联连接的第四开关元件和第二电容器。
此外，在根据本发明的另一实施方式的电力变换器中，第一开关元件和第三开关元件可以以死区时间交替地操作，并且第二开关元件和第三开关元件可以以死区时间交替地操作。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，该电力变换器还可以包括逆变整流型变换器，该逆变整流型变换器连接至变压器的初级侧，将输入电压变换成方波脉冲波形，然后将所变换的方波脉冲波形输出至变压器的初级侧。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，该电力变换器还可以包括连接至电流倍增器的两端的负载部分，并且可以执行降压操作或者升压操作，降压操作降低输入至逆变整流型变换器的DC电压的电平，然后从负载部分输出DC电压；升压操作增加输入至负载部分的DC电压的电平，然后从逆变整流型变换器输出DC电压。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，在执行降压操作或者升压操作时，流经第三开关元件和第四开关元件中的每个开关元件的电流可以进行谐振。
此外，在根据本发明又一实施方式的电力变换器中，在执行降压操作时，施加到第一电压谐振器和第二电压谐振器中的每个电压谐振器的两端的电压可以为正弦波。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，电流倍增器可以包括第一电感器和第二电感器，第一电感器和第二电感器中的每个电感器的一个端子彼此连接，第一电感器的另一端子可以连接至变压器的次级侧的一个端子，第二电感器的另一端子可以连接至变压器的次级侧的另一端子，并且在执行降压操作或者升压操作时，流经第一电感器和第二电感器中的每个电感器的电流以及流经第三开关元件的谐振电流可以流经第二开关元件
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，在执行降压操作或者升压操作时，第二开关元件和第三开关元件可以被连接，并且第一开关元件和第四开关元件可以被断开，因此流经第一电感器和第二电感器中的每个电感器的电流以及流经第三开关元件的谐振电流可以流经第二开关元件
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，电流倍增器可以包括第一电感器和第二电感器，第一电感器和第二电感器中的每个电感器的一个端子彼此连接，第一电感器的另一端子可以连接至变压器的次级侧的一个端子，第二电感器的另一端子可以连接至变压器的次级侧的另一端子，并且在执行降压操作或者升压操作时，流经第一电感器和第二电感器中的每个电感器的电流以及流经第四开关元件的谐振电流可以流经第一开关元件。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，在执行降压操作或者升压操作时，第一开关元件和第四开关元件可以被连接，并且第二开关元件和第三开关元件可以被断开，因此流经第一电感器和第二电感器中的每个电感器的电流以及流经第四开关元件的谐振电流可以流经第一开关元件。
本发明的另一方面提供了一种电力变换器，该电力变换器包括：绝缘变压器；连接在绝缘变压器的次级侧的一个端子与第一节点之间的第五开关元件和第七开关元件；连接在绝缘变压器的次级侧的一个端子与第二节点之间的第一电感器；连接在绝缘变压器的次级侧的另一端子与第二节点之间的第二电感器；并联连接至第五开关元件的第一谐振器，该第一谐振器包括第六开关元件和第一电容器；以及并联连接至第七开关元件的第二谐振器，该第二谐振器包括第八开关元件和第二电容器。
此外，在根据本发明的一个实施方式的电力变换器中，第六开关元件和第一电容器可以串联连接，第八开关元件和第二电容器可以串联连接。
此外，在根据本发明的另一实施方式的电力变换器中，电力变换器还可以包括逆变整流型变换器，该逆变整流型变换器连接至绝缘变压器的初级侧，将输入电压变换成方波脉冲波形，然后将所变换的方波脉冲波形输出至变压器的初级侧。
另外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，逆变整流型变换器可以是包括第一开关元件至第四开关元件的全桥电路。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，电力变换器还可以包括连接在第一节点与第二节点之间的负载电容器。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，可以执行降压操作或者升压操作，降压操作降低输入至逆变整流型变换器的DC电压的电平，然后从负载部分输出DC电压，升压操作增加输入至负载部分的DC电压的电平，然后从逆变整流型变换器输出DC电压。
此外，在根据本发明的又一实施方式的电力变换器中，电力变换器还可以包括连接至绝缘变压器的初级侧的初级侧电感器。
此外，在根据本发明又一实施方式的电力变换器中第五开关元件至第八开关元件中的每个开关元件可以包括内部二极管和内部电容器。
此外，在根据本发明又一实施方式的电力变换器中，第五开关元件至第八开关元件可以是MOSFET晶体管，第五开关元件和第七开关元件的漏极端子以及第六开关元件和第八开关元件的源极端子可以共同连接至所述绝缘变压器的一个端子。
附图说明
图1是示出开关元件的电力损耗的波形图。
图2A和2B示出了根据本发明的实施方式的电力变换器。
图3是根据本发明的实施方式的电力变换器的降压模式操作的波形图。
图4是放大地示出图3的虚线A的波形图。
图5是放大地示出图3的虚线B的波形图。
图6是放大地示出图3的虚线C的波形图。
图7是示出处于第三时段State3的电力变换器的等效电路的视图。
图8是放大地示出图3的虚线F的视图。
图9是示出根据本发明的实施方式的电力变换器中的根据频率的输入阻抗的视图。
图10是根据本发明的实施方式的电力变换器的升压模式操作的波形图。
图11是处于第一时段State1的等效模型。
图12是处于第二时段State2的等效模型。
图13是处于第三时段State3的等效模型。
图14是处于第四时段State4的等效模型。
图15是处于第五时段State5的等效模型。
图16是处于第六时段(State6)的等效模型。
图17是图10的波形图中的J区域的放大视图。
图18是图10的波形图中的虚线部分K的放大视图。
图19是图10的波形图中的虚线部分L的放大视图。
图20是图10的波形图中的虚线部分M的放大视图。
图21是示出根据本发明的实施方式的电力变换器中的根据频率的输出阻抗的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的实施方式的电力变换器。作为示例提供了下面描述的示例性实施方式，以将本发明的精神充分转达给本领域技术人员。因此，本发明不限于下面描述的实施方式，而是本发明能够以不同的形式来实施。此外，在附图中，省略了与说明不相关的部分以清楚地描述本发明，为了方便起见，元件的宽度、长度和厚度可能被夸大。遍及本公开，遍及本发明的各附图和实施方式，相同的附图标记表示相同的部件。
图2A和图2B示出了根据本发明的实施方式的电力变换器。
<电力变换器>
参照图2A，根据本发明的实施方式的电力变换器100是将DC电压变换成DC电压的双向电力变换器，并且电力变换器100可以包括：绝缘变压器101、连接至绝缘变压器101的初级侧的逆变整流型变换器102、连接至绝缘变压器101的次级侧的电流倍增器103、连接至电流倍增器103的负载部分104以及连接至电流倍增器103的第一电压谐振器105a和第二电压谐振器105b。
绝缘变压器101的漏电感lp可以等效地连接至绝缘变压器101的初级侧，并且除漏电感lp之外的初级侧电感器Lp可以连接至绝缘变压器101的初级侧。并且绝缘变压器101的漏电感ls可以等效地连接至绝缘变压器101的次级侧。
逆变整流型变换器102可以是半桥电路型、全桥电路型或者推挽电路型。并且逆变整流型变换器102可以连接至绝缘变压器101的初级侧，可以将输入电压变换成方波脉冲波形，然后将所变换的方波脉冲波形输出至绝缘变压器101的初级侧。将描述全桥电路作为逆变整流型变换器102的示例。作为逆变整流型变换器的全桥部分102可以连接在从其提供电压的第一电源VH与作为绝缘变压器101的初级侧的a-b端子之间，可以包括第一开关元件至第四开关元件Q1、Q2、Q3和Q4，并且可以根据第一开关元件至第四开关元件Q1、Q2、Q3和Q4的开关操作将作为DC电源的第一电源VH变换成方波脉冲波形。此外，全桥部分102可以是相移全桥电路。
电流倍增器103可以连接在作为绝缘变压器101的次级侧的d-c端子与负载部分104之间，并且可以包括第一电感器L1和第二电感器L2以及第五开关元件Qa和第七开关元件Qb。根据第五开关元件Qa和第七开关元件Qb的操作，电流倍增器103可以用于使绝缘变压器101的电流加倍。
第一电压谐振器105a可以连接至电流倍增器103的第五开关元件Qa的两端，并且可以包括第六开关元件Qaa以及与第六开关元件Qaa串联连接的第一谐振电容器Ck。此外，第二电压谐振器105b可以连接至第七开关元件Qb的两端，并且可以包括第八开关元件Qbb以及与第八开关元件Qbb串联连接的第二谐振电容器Cj。并且第五开关元件Qa和第六开关元件Qaa可以以死区时间交替地操作，并且第七开关元件Qb和第八开关元件Qbb也可以以死区时间交替地操作。
负载部分104可以连接至电流倍增器103，并且可以包括彼此并联连接的负载电容器CL和负载电阻器RL，并且负载电阻器RL的两端的电压可以是第二电压VL。
电力变换器100可以变换作为DC电压的第一电压VH的电平，并且可以输出所变换的电压作为作为DC电压的第二电压VL。此时，可以执行降压操作，该降压操作降低第一电压VH的电平并且将其输出作为第二电压VL。并且电力变换器100可以变换作为DC电压的第二电压VL的电平，并且可以将输出所变换的电压作为作为DC电压的第一电压VH。此时，可以执行升压操作，该升压操作增加第二电压VL的电平并且将其输出作为第一电压VH。
此外，第一电压谐振器105a和第二电压谐振器105b可以允许电流倍增器103的第五开关元件Qa和第七开关元件Qb根据电压谐振执行零电压开关操作，因此可以使开关损耗最小化，并且还可以使用第一电压谐振器105a和第二电压谐振器105b、电流倍增器103的第一电感器L1和第二电感器L2以及次级侧变压器的漏电感器ls，来允许电流倍增器103的第五开关元件Qa和第七开关元件Qb根据电流谐振执行零电流开关操作，可以使整个电力变换器100的开关损耗最小化，从而可以提高电力变换效率。
在下文中，将参照图2B详细描述根据本发明的实施方式的电力变换器100。
参照图2B，根据本发明的实施方式的电力变换器100可以包括初级侧变换器110和次级侧变换器120。作为变换器的电力变换器100可以使用在电感器中积累的能量，在电力变换器100中，通过开关元件的导通/截止操作，DC输入电压被变换成方波脉冲波形，然后通过变压器进行整流和平滑，从而获得DC输出电压。此外，电力变换器100可以包括在输入端与输出端之间电绝缘的绝缘变压器。
初级侧变换器110可以包括全桥电路111和初级侧变压器112。全桥电路111可以包括第一开关元件至第四开关元件Q1、Q2、Q3和Q4。第一开关元件至第四开关元件Q1、Q2、Q3和Q4可以分别包括内部二极管D1、D2、D3和D4以及内部电容器C1、C2、C3和C4。初级侧变压器112可以包括串联的寄生电感器lp。初级侧变压器112可以包括串联的单独的初级侧电感器Lp。
在构成全桥电路111的元件的连接关系中，全桥电路111连接至第一电源Vh的端口。并且第一开关Q1连接在第一电源Vh的一个端子与a节点之间，第二开关Q2连接在a节点与第一电源Vh的另一端子之间，第四开关Q4连接在第一电源Vh的一个端子与b节点之间，第三开关Q3连接在第一电源Vh的另一端子与b节点之间。
在初级侧变压器112的连接关系中，初级侧变压器112可以包括串联的寄生电感器lp。可替代地，初级侧变压器112可以包括串联的寄生电感器lp和初级侧电感器Lp，并且可以连接在a节点与b节点之间。并且初级侧变压器112的电压由vp标示，并且a节点与b节点之间的电压由vab标示。此外，流经初级侧变压器112的电流由ip标示。
次级侧变换器120可以包括次级侧变压器121、次级侧谐振器122、负载部分123和电感器部分124。
次级侧变压器121可以磁耦接至初级侧变压器112，并且当初级侧变压器112中的绕组数为1时，次级侧变压器121中的绕组数可以是n。因此，电力变换器100可以包括具有1:n的匝数比的变压器T。此外，次级侧变压器121可以包括串联的寄生电感ls。次级侧变压器121可以连接在c节点与d节点之间。
次级侧谐振器122可以包括第一谐振器122a和第二谐振器122b。
第一谐振器122a可以连接在c节点与h节点之间。第一谐振器112a可以包括第五开关Qa、第六开关Qaa和第九电容器Ck。第五开关Qa可以包括体二极管Da和体电容器Ca，并且可以连接在c节点与h节点之间。并且第六开关Qaa可以包括体二极管Daa和体电容器Caa，并且可以连接在c节点与j节点之间。第九电容器Ck可以连接在j节点与h节点之间，并且可以串联连接至第六开关Qaa。
第二谐振器122b可以连接在f节点与h节点之间。第二谐振器122b可以包括第七开关Qb、第八开关Qbb和第十电容器Cj。第七开关Qb可以包括体二极管Db和体电容器Cb，并且可以连接在f节点与h节点之间。并且第八开关Qbb可以包括体二极管Dbb和体电容器Cbb，并且可以连接在f节点与k节点之间。第十电容器Cj可以连接在k节点与h节点之间，并且可以串联连接至第八开关Qbb。
电感器部分124可以用于与次级侧谐振器122一起形成谐振。电感器部分124可以包括连接在c节点与g节点之间的第一电感器L1以及连接在d节点与g节点之间的第二电感器L2。因此，第一电感器L1的一个端子可以连接至次级侧变压器121的一个端子，并且次级侧变压器121的另一端子可以连接至第二电感器L2。并且第二电感器L2的一个端子可以连接至第一电感器L1，并且第二电感器L2的另一端子可以连接至次级侧变压器121的另一端子。
负载部分123可以包括彼此并联连接的负载电容器CL和负载电阻RL。负载部分123可以连接在g节点与h节点之间，并且负载部分123的两端的电压是第二电压VL。
第一开关元件至第八开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Qa、Qaa、Qb和Qbb可以是MOSFET晶体管，并且第一开关元件Q1的源极端子和第二开关元件Q2的漏极端子可以共同连接至a节点，第四开关元件Q4的源极端子和第三开关元件Q3的漏极端子可以共同连接至b节点，第五开关元件Qa的源极端子可以连接至h节点，第六开关元件Qaa的源极端子可以连接至c节点，第七开关元件Qb的源极端子可以连接至h节点，并且第八开关元件Qbb的源极端子可以连接至f节点。并且连接至第一开关元件至第八开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Qa、Qaa、Qb和Qbb中的每个开关元件的内部二极管D1、D2、D3、D4、Da、Daa、Db和Dbb中的每个内部二极管的阴极端子可以连接至漏极端子，并且内部二极管D1、D2、D3、D4、Da、Daa、Db和Dbb中的每个内部二极管的阳极端子可以连接至源极端子。内部电容器C1、C2、C3、C4、Ca、Caa、Cb和Cbb中的每个内部电容器可以连接在第一开关元件至第八开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Qa、Qaa、Qb和Qbb中的每个开关元件的漏极端子与源极端子之间。
<电力变换器正向操作：降压模式操作>
图3是根据本发明的实施方式的电力变换器的降压模式操作的波形图。
在波形图中，Qbb、Qb、Qaa、Qa、Q4、Q3、Q2和Q1是用于驱动开关元件的驱动信号，并且Qbb、Qb、Qaa、Qa、Q4、Q3、Q2和Q1下方的信号指示开关元件中的每个开关元件的根据开关元件的驱动的电压和电流的波形。
参照图3，根据本发明的实施方式的电力变换器100可以执行降压模式操作，在降压模式操作中，作为输入电压的第一电压VH被变换成第二电压V2，第二电压V2是低于输入电压的DC输出电压。
此时，负载部分123和电感器部分124可以用作对AC分量进行滤波的滤波器并且可以称为一个低通滤波器。
在降压模式操作中，电力变换器100的操作可以被划分成第一时段State1至第八时段State8。在第一时段State1至第八时段State8中的开关元件中的每个开关元件的操作关系中，第一开关元件至第四开关元件Q1、Q2、Q3和Q4的第一开关元件Q1和第二开关元件Q2可以交替地操作，并且第三开关元件Q3和第四开关元件Q4可以交替地操作，并且第一开关元件Q1和第二开关元件Q2可以以死区时间交替地操作，以及第三开关元件Q3和第四开关元件Q4可以可以以死区时间交替地操作。此外，第五开关元件Qa和第六开关元件Qaa可以被交替地操作，并且第七开关元件Qb和第八开关元件Qbb可以被交替地操作，并且第五开关元件Qa和第六开关元件Qaa可以通过预定的死区时间交替地操作，以及第七开关元件Qb和第八开关元件Qbb可以通过预定的死区时间交替地操作。
<第一时段State1>
在第一时段State1期间，第一开关元件Q1导通，第二开关元件Q2截止，第三开关元件Q3截止，第四开关元件Q4可以在第一时段State1开始处截止。并且第五开关元件Qa截止，第六开关元件Qaa在第一时段State1开始处截止，第七开关元件Qb导通，第八开关元件Qbb可以截止。
<第二时段State2>
在第二时段State2期间，第一开关元件Q1导通，第二开关元件Q2截止，第三开关元件Q3可以截止然后导通，第四开关元件Q4截止，第五开关元件Qa可以截止然后导通，第六开关元件Qaa截止，第七开关元件Qb可以导通然后截止，并且第八开关元件Qbb可以截止然后导通。
<第三时段State3>
在第三时段State3期间，第一开关元件Q1导通，第二开关元件Q2截止，第三开关元件Q3导通，第四开关元件Q4截止，第五开关元件Qa导通，第六开关元件Qaa截止，第七开关元件Qb截止，第八开关元件Qbb导通。
<第四时段State4>
在第四时段State4期间，第一开关元件Q1在第四时段State4的开始处截止，第二开关元件Q2截止然后导通，第三开关元件Q3导通，第四开关元件Q4截止，第五开关元件Qa导通，第六开关元件Qaa截止，第七开关元件Qb截止，第八开关元件Qbb导通。
<第五时段State5>
在第五时段State5期间，第一开关元件Q1截止，第二开关元件Q2导通，第三开关元件Q3导通然后在第五时段State5结束时截止，第四开关元件Q4截止，第五开关元件Qa导通，第六开关元件Qaa截止，第七开关元件Qb截止，第八开关元件Qbb导通然后在第五时段State5结束时截止。
<第六时段State6>
在第六时段State6期间，第一开关元件Q1截止，第二开关元件Q2导通，第三开关元件Q3截止，第四开关元件Q4截止然后导通，第五开关元件Qa导通然后截止，第六开关元件Qaa截止然后导通，第七开关元件Qb截止然后导通，第八开关元件Qbb截止。
<第七时段State7>
在第七时段State7期间，第一开关元件Q1截止然后在第七时段State7结束时导通，第二开关元件Q2导通然后截止，第三开关元件Q3截止，第四开关元件Q4导通，第五开关元件Qa截止，第六开关元件Qaa导通，第七开关元件Qb导通，第八开关元件Qbb截止。
<第八时段State8>
在第八时段State8期间，导通，第二开关元件Q2截止，第三开关元件Q3截止，第四开关元件Q4导通然后在第八时段State8结束时截止，第五开关元件Qa截止，第六开关元件Qaa导通然后在第八时段State8结束时截止，第七开关元件Qb导通，第八开关元件Qbb截止。
可以周期性地重复上述第一时段State1至第八时段State8。
图4是放大地示出图3的虚线A的波形图，以及图5是放大地示出图3的虚线B的波形图。
图4和图5是示出零电压开关的波形图。
在根据本发明的实施方式的电力变换器100中，当第一开关元件至第八开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Qa、Qaa、Qb和Qbb根据第一时段State1至第八时段State8的驱动信号驱动时，可以理解，在第三开关元件Q3导通的时间点处，零电压开关是可能的，如图4的虚线所示。此外，可以理解，在第二开关元件Q2导通的时间点处，零电压开关是可能的，如图5的虚线所示。
图6是放大地示出图3的虚线C的波形图。以及图7是示出处于第三时段State3的电力变换器的等效电路的视图。图8是放大地示出图3的虚线F的视图。
图6是流经第七开关元件Qb的电流ib、施加到第七开关元件Qb的两端的电压Vb以及第七开关元件Qb的驱动信号Qb的放大波形图。然而，图6可以等同地应用于流经第五开关元件Qa的电流ia、施加到第五开关元件Qa的两端的电压Va以及第五开关元件Qa的驱动信号Qa的波形图。
参照图6至图8，可以理解，第五开关元件Qa和第七开关元件Qb可以执行图6的虚线部分D所示的零电压开关，并且第五开关元件Qa和第七开关元件Qb可以执行如虚线部分E所示的零电流开关。可以理解，如图7所示的流经第八开关元件Qbb的电流ibb发生谐振并且形成如图8所示的正弦波形，并且第二谐振器122b的两端的电压即Vdc电压形成正弦波，因此能够进行零电压开关和零电流开关。并且可以理解，在第八开关元件Qbb的驱动信号被关闭之前，谐振电流ibb变成零。此外，流经第五第七开关元件Qa的电流ia是流经第一电感器L1的电流il、流经第二电感器L2的电流i2以及谐振电流ibb的总电流，因此能够进行如图6所示的零电流开关。此外，流经第七开关元件Qb的电流ib是流经第一电感器L1的电流i1、流经第二电感器L2的电流i2和谐振电流iaa的总电流，因此能够进行如图6所示的零电流开关。
如上所述，根据本发明的实施方式的电力变换器100可以执行零电压开关和零电流开关，由于软开关操作而可以降低开关损耗，可以降低电压应力，可以提高电力变换效率并且还可以实现低噪声。
此外，由于变压器T的寄生电感被电力变换器100的形成谐振电流的谐振电路上的第一电感器L1和第二电感器L2吸收，并且寄生电容也被谐振电路上的第九电容器Ck和第十电容器Cj吸收，因此可以减小由于寄生电感和寄生电容引起的导通电流浪涌和截止电压浪涌。
图9是示出根据本发明的实施方式的电力变换器中的根据频率的输入阻抗的视图。
参照图9，可以理解，假设当从初级侧变压器112看待次级侧变换器120时的阻抗为输入阻抗Zin，则电流谐振频率fc1被指示为根据频率的输入阻抗Zin中的虚线G，并且电压谐振频率fc2被指示为虚线H。电流谐振频率fc1是当电流谐振时次级侧变换器120的第一电感器L1和第二电感器L2以及第九电容器Ck和第十电容器Cj在输入阻抗Zin中的谐振频率，并且输入阻抗Zin可以被最小化。并且电压谐振频率fc2是当电压谐振时由次级侧变换器120的第一电感器L1和第二电感器L2以及第九电容器Ck和第十电容器Cj在输入阻抗Zin中的谐振频率，并且输入阻抗Zin可以被最大化。因此，优选的是确定电流谐振频率fc1和电压谐振频率fc2，并且以低于电流谐振频率fc1和电压谐振频率fc2的频率操作电力变换器100的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Qa、Qaa、Qb和Qbb。也就是说，开关频率fsw优选为fsw<fc2<fc1的关系。
此外，图9中的虚线I的一部分是由次级侧变换器120的第一电感器L1和第二电感器L2以及负载电容器CL形成的谐振频率fc3的阻抗，并且由于优选的是开关频率fsw大于谐振频率fc3，所以，开关频率fsw可以处于fc3<fsw<fc2<fc1的关系。
<电力变换器的反向操作：升压模式操作>
图10是本发明的实施方式的电力变换器的升压模式操作的波形图。
参照图10，根据本发明的实施方式的电力变换器100可以执行升压模式操作，在升压模式操作中，作为输入电压的第二电压VL被变换成第一电压VH，第一电压VH是高于第二电压VL的DC输出电压。
在升压模式操作中，电力变换器100的操作可以被划分成第一时段State1至第六时段State6。
<第一时段State1>
图11是第一时段State1中的等效模型。
参照图11，在第一时段State1中，第八开关元件Qbb截止，第七开关元件Qb开始导通。并且第六开关元件Qaa截止，第六开关元件Qa导通。此外，第一开关元件Q1导通，第二开关元件Q2截止。第三开关元件Q3导通，第四开关元件Q4截止。
<第二时段State2>
图12是第二时段State2中的等效模型。
参照图12，在第二时段State2中，第八开关元件Qbb截止，第七开关元件Qb导通。并且第六开关元件Qaa截止，第六开关元件Qa导通然后在第二时段State2结束时截止。此外，第一开关元件Q1导通然后在第二时段State2结束时截止，第二开关元件Q2截止。
<第三时段State3>
图13是第三部分State3中的等效模型。
参照图13，在第三时段State3中，第八开关元件Qbb截止，第七开关元件Qb导通。并且第六开关元件Qaa关闭然后在第三时段State3结束时导通，并且第六开关元件Qa截止。此外，第一开关元件Q1截止，第二开关元件Q2截止然后在第三时段State3结束时导通。
<第四时段State4>
图14是第四时段State4中的等效模型。
参照图14，在第四时段State4中，第八开关元件Qbb截止，第七开关元件Qb导通。并且第六开关元件Qaa导通然后在第三时段State3的后半段截止，第六开关元件Qa截止然后在第三时段3的后半段开始导通。此外，第一开关元件Q1截止，第二开关元件Q2导通。
<第五时段State5>
图15是第五时段State5中的等效模型。
参照图15，在第五时段State5中，第八开关元件Qbb截止，第七开关元件Qb导通。并且第六开关元件Qaa截止，第六开关元件Qa开始导通。此外，第一开关元件Q1截止，第二开关元件Q2导通。
<第六时段State6>
图16是第六时段State6中的等效模型。
参照图16，在第六时段State6中，第八开关元件Qbb截止，第七开关元件Qb导通然后在第六时段State6结束时截止。第六开关元件Qaa为截止，第六开关元件Qa导通。此外，第一开关元件Q1截止，第二开关元件Q2导通然后在第六时段State6结束时截止。
图17是图10的波形图中的J区域的放大视图。
参照图17，当第七开关元件Qb导通或者第五开关元件Qa导通时，可以执行零电压和零电流开关操作。也就是说，可以理解，在第七开关元件Qb或者第五开关元件Qa导通及截止时实现零电压和零电流，因此也可以理解为能够进行零电流开关操作ZVS和零电压开关操作ZCS。如图17的模拟波形所示，可以理解，第七开关元件Qb的两端的电压Vb或者第五开关元件Qa的两端的电压Va以及流经第七开关元件Qb的电流ib或者流经第五开关元件Qa的电流ia具有基本上零值，因此不会发生开关损耗。此外，第七开关元件Qb导通的时间点可以处于第一时段State1中。此时，可以通过零电流和零电压开关操作将第一时段State1中的等效电路图(图11)变换成第二时段State2中的等效电路图(图12)。并且第五开关元件Qa导通的时间点可以处于第五时段State5中。此时，可以通过零电流和零电压开关操作将第五时段State5中的等效电路图(图15)变换成第六时段State6中的等效电路图(图16)。
图18是图10的波形图中的虚线部分K的放大视图。
参照图18，谐振电流ibb或iaa可以通过第一谐振器122a和第二谐振器122b流经第八开关元件Qbb或者第六开关元件Qaa。也就是说，如图18所示，可以理解，在第四时段State4中流经第六开关元件Qaa的电流iaa形成正弦波形，因此变成谐振电流，并且这可以等同地应用于流经第八开关元件Qbb的谐振电流ibb。并且流经第七开关元件Qb的电流ib是分别流经第一电感器L1的电流i1和第二电感器L2的电流i2以及流经第六开关元件Qaa的谐振电流的总电流。因此，在解释沿箭头方向流经第七开关元件Qb的电流ib时，由分别流经第一电感器L1的电流i1和第二电感器L2的电流i2以及谐振电流iaa的反向电流-iaa的和来指示流经第七开关元件Qb的电流ib，因此可以理解，由于谐振电流iaa及其电平增加了i1和i2的总电流，流经第七开关元件Qb的电流ib具有轻微的纹波。
图19是图10的波形图中的虚线部分L的放大视图，以及图20是图10的波形图中的虚线部分M的放大视图。
参见图19和图20，可以理解，第二开关元件Q2和第三开关元件Q3在第三时段State3和第六时段State6中执行零电压开关，并且这可以等同地应用于第一开关元件Q1和第四开关元件Q4。
如上所述，根据本发明的实施方式的电力变换器100可以执行零电压开关和零电流开关，由于软开关操作而可以降低开关损耗，可以降低电压应力，可以提高电力变换效率并且还可以实现低噪声。
此外，由于变压器T的寄生电感被电力变换器100的形成谐振电流的谐振电路上的第一电感器L1和第二电感器L2吸收，并且寄生电容也被谐振电路上的第九电容器Ck和第十电容器Cj吸收，因此可以减小由于寄生电感和寄生电容引起的导通电流浪涌和截止电压浪涌。
图21是示出根据本发明的实施方式的电力变换器中的根据频率的输出阻抗的视图。
输出阻抗Zout被定义为在次级侧变换器120的负载部分123未连接的情况下看待初级侧变换器110时的阻抗。
参照图21，虚线O对应于电流谐振频率fc1，并且电流谐振频率fc1可以由第一电感器L1和第二电感器L2、第九电容器Ck和第十电容器Cj以及初级侧电感器Lp确定。虚线P对应于电压谐振频率fc2，电压谐振频率fc2也可以由第一电感器L1和第二电感器L2、第九电容器Ck和第十电容器Cj以及初级侧电感器Lp确定。在电流谐振频率fc1中，阻抗可以被最小化，并且在电压谐振频率fc2中，阻抗可以被最大化。优选的是，电力变换器100的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Qa、Qaa、Qb和Qbb以低于电流谐振频率fc1和电压谐振频率fc2的频率工作。也就是说，开关频率fsw优选为fsw<fc2<fc1的关系。
虽然已经示出和描述了本发明的一些实施方式，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可以在这些实施方式中进行改变，本发明范围由权利要求及其等同物限定。因此，本发明的技术范围不受说明书中的详细描述限制，而应受权利要求限制。
工业适用性
本发明可以用于电力变换的技术领域。

Claims (20)

1.一种电力变换器，包括：
变压器；
电流倍增器，所述电流倍增器包括开关元件，并且所述电流倍增器被配置成根据连接至所述变压器的次级侧的一端的第一开关元件和连接至所述变压器的次级侧的另一端的第二开关元件的操作来使所述变压器的电流加倍；以及
并联连接至所述第一开关元件和所述第二开关元件中的每个开关元件的电压谐振器，
其中，所述电压谐振器包括彼此串联连接的开关元件和电容器。
2.根据权利要求1所述的电力变换器，其中，所述电压谐振器包括连接至所述第一开关元件的第一电压谐振器和连接至所述第二开关元件的第二电压谐振器，并且所述第一电压谐振器包括彼此串联连接的第三开关元件和第一电容器，所述第二电压谐振器包括彼此串联连接的第四开关元件和第二电容器。
3.根据权利要求2所述的电力变换器，其中，所述第一开关元件和所述第三开关元件以死区时间交替地操作，并且所述第二开关元件和所述第三开关元件以死区时间交替地操作。
4.根据权利要求3所述的电力变换器，还包括逆变整流型变换器，所述逆变整流型变换器连接至所述变压器的初级侧，将输入电压变换成方波脉冲波形，然后将所变换的方波脉冲波形输出至所述变压器的初级侧。
5.根据权利要求4所述的电力变换器，还包括连接至所述电流倍增器的两端的负载部分，
其中，降压操作或者升压操作被执行，所述降压操作降低输入至所述逆变整流型变换器的DC电压的电平，然后从所述负载部分输出所述DC电压；所述升压操作增加输入至所述负载部分的DC电压的电平，然后从所述逆变整流型变换器输出所述DC电压。
6.根据权利要求5所述的电力变换器，其中，在执行所述降压操作或者所述升压操作时，流经所述第三开关元件和所述第四开关元件中的每个开关元件的电流进行谐振。
7.根据权利要求5所述的电力变换器，其中，在执行所述降压操作时，施加到所述第一电压谐振器和所述第二电压谐振器中的每个电压谐振器的两端的电压为正弦波。
8.根据权利要求5所述的电力变换器，其中，所述电流倍增器包括第一电感器和第二电感器，所述第一电感器和所述第二电感器中的每个电感器的一个端子彼此连接，所述第一电感器的另一端子连接至所述变压器的次级侧的一个端子，所述第二电感器的另一端子连接至所述变压器的次级侧的另一端子，并且在执行所述降压操作或者所述升压操作时，流经所述第一电感器和所述第二电感器中的每个电感器的电流以及流经所述第三开关元件的谐振电流流经所述第二开关元件。
9.根据权利要求8所述的电力变换器，其中，在执行所述降压操作或者所述升压操作时，所述第二开关元件和所述第三开关元件被连接，并且所述第一开关元件和所述第四开关元件被断开，因此流经所述第一电感器和所述第二电感器中的每个电感器的电流以及流经所述第三开关元件的谐振电流流经所述第二开关元件。
10.根据权利要求5所述的电力变换器，其中，所述电流倍增器包括第一电感器和第二电感器，所述第一电感器和所述第二电感器中的每个电感器的一个端子彼此连接，所述第一电感器的另一端子连接至所述变压器的次级侧的一个端子，所述第二电感器的另一端子连接至所述变压器的次级侧的另一端子，并且在执行所述降压操作或者所述升压操作时，流经所述第一电感器和所述第二电感器中的每个电感器的电流以及流经所述第四开关元件的谐振电流流经所述第一开关元件。
11.根据权利要求10所述的电力变换器，其中，在执行所述降压操作或者所述升压操作时，所述第一开关元件和所述第四开关元件被连接，并且所述第二开关元件和所述第三开关元件被断开，因此流经所述第一电感器和所述第二电感器中的每个电感器的电流以及流经所述第四开关元件的谐振电流流经所述第一开关元件。
12.一种电力变换器，包括：
绝缘变压器；
连接在所述绝缘变压器的次级侧的一个端子与第一节点之间的第五开关元件和第七开关元件；
连接在所述绝缘变压器的次级侧的一个端子与第二节点之间的第一电感器；
连接在所述绝缘变压器的次级侧的另一端子与所述第二节点之间的第二电感器；
并联连接至所述第五开关元件的第一谐振器，所述第一谐振器包括第六开关元件和第一电容器；以及
并联连接至所述第七开关元件的第二谐振器，所述第二谐振器包括第八开关元件和第二电容器。
13.根据权利要求11所述的电力变换器，其中，所述第六开关元件和所述第一电容器串联连接，所述第八开关元件和所述第二电容器串联连接。
14.根据权利要求13所述的电力变换器，还包括逆变整流型变换器，所述逆变整流型变换器连接至所述绝缘变压器的初级侧，将输入电压变换成方波脉冲波形，然后将所变换的方波脉冲波形输出至所述变压器的初级侧。
15.根据权利要求14所述的电力变换器，其中，所述逆变整流型变换器是包括第一开关元件至第四开关元件的全桥电路。
16.根据权利要求15所述的电力变换器，还包括连接在所述第一节点与所述第二节点之间的负载电容器。
17.根据权利要求16所述的电力变换器，其中，降压操作或者升压操作被执行，所述降压操作降低输入至所述逆变整流型变换器的DC电压的电平，然后从所述负载部分输出所述DC电压；所述升压操作增加输入至所述负载部分的DC电压的电平，然后从所述逆变整流型变换器输出所述DC电压。
18.根据权利要求14所述的电力变换器，还包括连接至所述绝缘变压器的初级侧的初级侧电感器。
19.根据权利要求12所述的电力变换器，其中，所述第五开关元件至所述第八开关元件中的每个开关元件包括内部二极管和内部电容器。
20.根据权利要求12所述的电力变换器，其中，所述第五开关元件至所述第八开关元件是MOSFET晶体管，所述第五开关元件和所述第七开关元件的漏极端子以及所述第六开关元件和所述第八开关元件的源极端子共同连接至所述绝缘变压器的一个端子。
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