CN107112905B - 隔离直流/直流转换器及用于转换电压的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隔离直流/直流转换器(1)及用于转换电压的装置及方法，隔离直流/直流转换器(1)包括：第一臂(A)，包括串联连接的开关(MA1，MA2)，第一臂(A)连接至转换器的输入；第二臂(B)，包括串联连接的开关(MB1，MB2)；电感(L2)，连接在第一臂的中点与第二臂(B)的中点之间；电容器，连接在第二臂(B)的端部端子之间；第三臂(C)，包括磁性组件，第三臂(C)连接至第二臂(B)的中点；其中开关(MA1、MA2、MB1、MB2)的一系列断开动作及合闭动作使输入电压(Ue)通过磁性组件转换成输出电压(Vout)。因此，可改善隔离直流/直流转换器的性能以使其能够在机动车中使用。

Description

隔离直流/直流转换器及用于转换电压的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种隔离直流/直流转换器、一种用于转换电压的装置(包括根据本发明的各转换器的组合)以及一种利用根据本发明的转换器实施的转换电压的方法。
背景技术
隔离DC/DC(直流/直流)转换器可具有零电压开关(ZVS)或者零电流开关(ZCS)，此使得能够在电压转换期间减少开关损耗。这些转换器因此在其中能量资源有限的汽车应用中特别有利。在交通工具中，可使用电压转换器在交通工具中的多个电气系统之间修改电压电平或在能量来源与交通工具所搭载的电气负载之间进行电压转换。
一种隔离直流/直流转换器是从专利US5754413得知，且在图1中进行说明。所述转换器包括两个开关Q1、Q2，这两个开关Q1、Q2将其中心点连接至包括串联的两个变压器的分支。所述转换器被设计成半桥形式。开关对通过变压器进行的能量传输进行控制以将转换器的输入电压转换成输出电压。连接至变压器的二次的二极管使得能够对输出信号进行整流。通过对开关的负载循环进行控制来获得输出电压。通过更改所述负载循环以便达到目标输出电压值，对转换器的增益进行调整从而达到目标输出电压值。具体来说，当隔离直流/直流转换器的输入电压变化时，已知做法是改变隔离直流/直流转换器的开关的负载循环来调节其输出电压，即将其输出电压维持为期望值。
然而，整流二极管的电压应力依赖于转换器的开关的负载循环。此应力在负载循环接近于0％或100％时可变得非常大。为了限制整流二极管的电压应力，所述两个变压器分别提供有不同的变压比。然而，此会使转换器的设计复杂化，因为变压器不可能为相同的且二次中的电流表现出不连续性。
此外，当以可变负载循环来工作时，输出处的电流纹波可极大地变化，从而导致来自转换器的输出变化。为了维持以良好的输出电平运行，负载循环必须变化非常小。当今，在交通工具中，能量来源(例如电池)的电压可根据可得能量而极大地变化。转换器的输入处的此种变化会涉及以对应的方式来使负载循环变化，从而限制了隔离直流/直流转换器在交通工具中的使用。
因此，寻求一种改善隔离直流/直流转换器的性能以使其能够在机动车中使用的解决方案。
发明内容
为了解决这个问题，本发明涉及一种隔离直流/直流转换器，所述隔离直流/直流转换器包括：
第一臂，包括串联的开关，所述第一臂连接至所述转换器的输入；
第二臂，包括串联的开关；
电感，连接在所述第一臂的中心点与所述第二臂的中心点之间；
电容，连接在所述第二臂的端部端子之间；
第三臂，包括磁性组件，所述第三臂连接至所述第二臂的所述中心点；
其中所述开关的接连的断开操作及闭合操作使得能够通过所述磁性组件将输入电压转换成输出电压。
在本申请的上下文中，将隔离转换器理解为意指在转换器的各功能元件之间包括电隔离隔板的转换器。所述转换器特别地可包括使得能量能够通过此隔离隔板来传输的元件。
特别地，所述第一臂直接连接至所述隔离直流/直流转换器的输入。
所述第一臂以及电容及电感有助于控制通过所述磁性组件进行能量传递。相对于现有技术，所述第一臂的负载循环在控制通过所述磁性组件进行能量传递时构成补充参数。因此，获得一种其中相对于现有技术可对控制进行改进以提高性能(特别地就通过磁性组件进行能量传输来说)的隔离直流/直流转换器。根据一个实施例，所述第一臂被配置成通过更改在所述电感中流动的信号的电参数来控制所述隔离直流/直流转换器的输出电压，所述第二臂的负载循环保持实质上恒定。所述第二臂的开关的负载循环因此在不确定的程度上保持恒定。
因此，通过调整在电感中流动的信号的电参数来获得所述隔离直流/直流转换器的输出处的期望电压值。所述隔离直流/直流转换器的输出处的每一期望电压值具有在电感中流动的信号的电参数的对应值。所述隔离直流/直流转换器的输出处的期望输出电压值是在不更改第二臂的负载循环的条件下获得。所述第二臂的负载循环因此可固定至特别地对于通过磁性组件进行能量传输来说使来自所述隔离直流/直流转换器的输出能够最大的值。
在所述隔离直流/直流转换器的给定输出电压下，所述第一臂使得对于任何输入电压、具体来说处于所述隔离直流/直流转换器的运行范围内的输入电压，所述第二臂均能够以恒定的负载循环运行。举例来说，所述隔离直流/直流转换器的输入电压的最小值与最大值之间的差值处于150V与500V之间；举例来说，所述输入电压的最小值处于150V与200V之间；且所述输入电压的最大值处于400V与500V之间，或甚至处于400V与650V之间。
具体来说，所述第一臂被配置成通过更改所述第一臂自己的负载循环来更改在电感中流动的信号的电参数。
根据此实施例的一种变型，所述第二臂被配置成使得所述第二臂的负载循环实质上等于50％。在第二臂中的负载循环为50％时，所述隔离直流/直流转换器的输出处、更具体来说所述磁性组件的输出处的电流表现出小的纹波，因为所述隔离直流/直流转换器的磁化电感中电流中的纹波、具体来说所述磁性组件的磁化电感中电流中的纹波得到抵消。
根据一个实施例，所述转换器包括电路，所述电路用以构建第一环路，以将流经连接在所述第一臂与所述第二臂之间的电感的信号的电参数的设定点抑制至所述隔离直流/直流转换器的所述输出电压的值与所述隔离直流/直流转换器的设定点输出电压之间的差值。
根据一种变型，所述转换器包括电路，所述电路用以构建第二环路以将流经连接在所述第一臂与所述第二臂之间的电感的信号的电参数抑制至所述电参数的值与所述电参数的设定点之间的差值。
根据一种变型，所述信号的电参数是电流或电压。因此，在一种具体变型中，所述电路用以构建所述第一环路以将流经连接在所述第一臂与所述第二臂之间的电感的电流抑制至所述隔离直流/直流转换器的所述输出电压的值与所述隔离直流/直流转换器的设定点输出电压之间的差值。
具体来说，所述第一环路和/或所述第二环路的电路通过抑制所述第一臂的开关、特别地通过抑制所述开关的断开或闭合的负载循环来抑制所述电参数。
根据一个实施例，所述磁性组件具有通过电隔离隔板分隔开的一次电路与二次电路，所述磁性组件被配置成在将所述隔离直流/直流转换器的输入电压转换成输出电压的转换期间用作从所述一次电路至所述二次电路的变压器、且在所述一次电路中用作存储能量的阻抗。
具体来说，所述隔离直流/直流转换器的输出电压是从所述磁性组件的二次电路的端子得到。
根据一个实施例，所述磁性组件被配置成使得：
在所述转换器的运行周期的第一部分中，所述一次电路的第一部分将能量传递至所述二次电路的第一部分，且所述一次电路的第二部分提供存储能量的电感；
在所述转换器的所述运行周期的第二部分中，所述一次电路的所述第二部分将能量传递至所述二次电路的第二部分，且所述一次电路的所述第一部分提供存储能量的电感。
具体来说，所述第二臂是利用脉冲宽度调制来控制；所述第一运行周期部分对应于所述调制周期的第一部分；且所述运行周期的第二部分对应于所述调制周期的第二部分。这些第一部分及第二部分特别地取决于所述第二臂的负载循环。
根据一种变型，所述磁性组件的所述一次电路包括一次绕组，且所述磁性组件的所述二次电路包括至少一个第一二次绕组及至少一个第二二次绕组，所述至少一个第一二次绕组与所述至少一个第二二次绕组在磁性上不耦合至彼此，所述第一二次绕组及所述第二二次绕组在磁性上耦合至所述一次绕组。必须理解，所述二次电路包括至少一个一次绕组、至少一个第一二次绕组及至少一个第二二次绕组。具体来说，所述磁性组件的一次电路包括单个一次绕组。特别地，所述一次绕组连接至所述第二臂的中心点。
具体来说，所述隔离直流/直流转换器的输出电压是从所述第一二次绕组和/或所述第二二次绕组的端子得到。
根据一种具体变型，所述磁性组件被配置成首先用作从所述一次绕组至所述二次绕组、特别地从所述一次绕组的一部分至所述二次绕组的变压器；且其次在所述一次绕组中、特别地在所述一次绕组的另一部分中用作存储能量的阻抗。
具体来说，所述磁性组件被配置成用作从所述一次绕组、特别地从所述一次绕组的一部分至所述第一二次绕组或至所述第二二次绕组的变压器；同时还在所述一次绕组中、特别地在所述一次绕组的另一部分中用作存储能量的阻抗。
根据一种具体变型，所述磁性组件用作至其的变压器的二次绕组依赖于在一次绕组处提供的电压。换句话说，根据在一次绕组上提供的电压，所述磁性组件用作至所述第一二次绕组或至所述第二二次绕组的变压器。
根据一种变型，所述磁性组件包括串联的至少第一变压器与第二变压器，在所述变压器中：
所述第一变压器的一次形成所述一次电路的所述第一部分，且所述第一变压器的二次形成所述二次电路的所述第一部分；
所述第二变压器的一次形成所述一次电路的所述第二部分，且所述第二变压器的二次形成所述二次电路的所述第二部分。
具体来说，所述变压器的一次串联且连接至所述第二臂的中心点。具体来说，所述隔离直流/直流转换器的输出电压是从所述第一变压器和/或所述第二变压器的二次的端子得到。
根据一个实施例，第二臂与磁性组件、特别地磁性组件的一次电路形成半桥结构。具体来说，包括磁性组件的第三臂首先连接至第二臂的中心点且其次连接至隔离直流/直流转换器的接地端。
作为另外一种选择，第二臂与磁性组件、特别地磁性组件的一次电路形成具有其他开关的全桥结构。具体来说，包括磁性组件的第三臂首先连接至第二臂的中心点且其次连接至包括串联的开关的第四臂的中心点。
根据一个实施例，所述开关中的至少一者包括并联的电容，特别地第二臂和/或第四臂的开关。
本发明此外涉及一种用于转换电压的装置，所述装置包括：至少两个根据本发明的隔离直流/直流转换器的组合；且其中所述隔离直流/直流转换器各自的所述第一臂被配置成以2π/n的相移运行，且所述转换器各自的所述第二臂被配置成以π/n的相移运行，n是所述隔离直流/直流转换器的数目。
具体来说，所述装置的所述至少两个隔离直流/直流转换器是交错的。
根据一个实施例，所述隔离直流/直流转换器共享用以构建第一环路的单个电路，以使得所述隔离直流/直流转换器的各自的第一臂接收相同的设定点。
本发明还涉及一种转换电压的方法，所述方法包括涉及以下的步骤：
提供至少一个根据本发明的隔离直流/直流转换器；
执行所述开关的接连的断开操作及闭合操作，以使得能够通过所述隔离直流/直流转换器的所述磁性组件将输入电压转换成输出电压。
根据一个实施例，所述执行所述开关的接连的断开操作及闭合操作包括更改流经所述电感的信号的电参数，所述第二臂的所述负载循环保持实质上恒定。所述第二臂的开关的负载循环因此在不确定的程度上保持恒定。
具体来说，所述更改在所述电感中流动的信号的电参数包括更改所述第一臂的负载循环。
根据一个实施例，所述第二臂的负载循环实质上等于50％。
根据一个实施例，所述将所述输入电压转换成输出电压包括第一环路将流经所述第一臂的信号的电参数的设定点抑制至所述隔离直流/直流转换器的输出电压的值与所述隔离直流/直流转换器的设定点输出电压之间的差值。
根据一个实施例，所述方法包括提供多个隔离直流/直流转换器；且所述方法是：
所述隔离直流/直流转换器各自的所述第二臂以π/n的相移运行，n是所述隔离直流/直流转换器的数目；且
所述隔离直流/直流转换器各自的所述第一臂以2π/n的相移运行。
根据一个实施例，所述将所述输入电压转换成输出电压是以由在各所述隔离直流/直流转换器之间共享的单个第一臂递送的同一设定点来执行。
根据本发明的所述方法可包括以上关于根据本发明的隔离直流/直流转换器阐述的特征中的一者。
附图说明
将参考附图来更好地理解本发明，在附图中：
图1说明根据现有技术的隔离直流/直流转换器的实例；
图2及图3分别说明根据本发明的隔离直流/直流转换器的实例；
图4说明根据本发明的一种对包括交错的转换器的转换装置进行控制的方法的实例；
图5说明图2及图3所示转换器的磁性组件的变型；
图6a至图6e说明在图5中所说明的磁性组件的示例性实施例。
[符号的说明]
1：隔离直流/直流转换器/电压转换器；
5：控制单元；
10：转换装置/装置；
31：磁性组件；
33：一次绕组；
35a：二次绕组/第一二次绕组；
35b：二次绕组/第二二次绕组；
51、52：控制器；
A：第一臂/臂；
B：第二臂/第二分支/分支/臂；
C：第三臂；
C1、C33、CB1、CB2：电容；
CF：滤波电容/电容；
D：第四臂；
D31、D32：二极管；
GND1：第一接地端；
GND2：第二接地端；
I2mes：电流/值；
I2cons：设定点电流/电流；
K1、K2：增益；
L2：电感/线圈；
L11：第一部分/一次；
L12：第一部分/二次；
L21：第二部分/一次；
L22：第二部分/二次；
MA1、MA2、MB1、MB2、Q1、Q2：开关；
Rout：电阻；
S2：脉冲宽度调制信号/信号；
T1：第一变压器/隔离变压器/变压器；
T2：第二变压器/隔离变压器/变压器；
Ue：输入电压；
Vout：输出电压/期望电压/目标电压；
Vout_mes：输出电压的值/电压/所测量电压；
V*：设定点电压；
αA、αB：负载循环。
具体实施方式
将参考图2更好地理解根据本发明的转换器，图2呈现根据本发明的隔离直流/直流转换器的实例。
隔离直流/直流转换器1包括由串联的开关形成的第一臂A以及由串联的开关形成的第二臂B。臂A、B包括开关MA1、MA2、MB1、MB2，其中接连的断开动作及闭合动作使得能够对隔离直流/直流转换器1的输出进行控制。这些开关可为晶体管，例如金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或其他晶体管。隔离直流/直流转换器1的一部分(特别地是第二臂的开关)或整个隔离直流/直流转换器1可由半导体材料制成，例如由硅(Si)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或任何其他半导体材料制成。
第一臂A包括串联的两个开关MA1、MA2。开关MA1被称为高侧开关，并连接至电压源(图中未示出)的高的端子。开关MA2被称为低侧开关，连接至电压源的低的端子。此低的端子特别地对应于隔离直流/直流转换器1的第一接地端GND1。每一开关MA1、MA2可包括与续流二极管并联的晶体管。
电感L2具有第一端子及第二端子，所述第一端子连接至第一臂A的所述两个开关MA1、MA2的中心点，所述第二端子连接至第二臂B的中心点。
第二臂B包括串联的两个开关MB1、MB2，所述两个开关MB1、MB2优选为相同的。开关MB1、MB2包括与以上针对第一臂A的开关MA1、MA2所述的二极管相似的二极管。此外，每一开关MB1、MB2包括并联的电容CB1、CB2。这些电容CB1、CB2在开关MB1、MB2断开时用于进行零电压开关或ZVS。在开关MB1、MB2断开期间，在电感、特别地稍后所述的磁性组件的漏电感中存储的能量被回收，以对位于所述开关的端子处的电容CB1、CB2进行放电。一旦电压接近于0V，则对开关进行控制且因此产生零电压开关，由此会极大地减少开关损耗。这些电容CB1、CB2可作为寄生元件固有地存在于构成开关MB1、MB2的半导体的结构中。开关MB1、MB2的寄生电容因此可足以在不添加补充电容的条件下产生零电压开关。第一臂A还可包括用于对第一臂A的开关MA1、MA2进行软开关的电容。然而，此会在电感L2中引起电流纹波，所述电流纹波可能导致产生损耗。由此造成的结果是丧失第一臂A的开关MA1、MA2的软开关的优点。
电容C1连接在第二臂B的端部端子之间。具体来说，电容C1在与第二臂B的中心点不同的相应端子处连接至第二臂B的高侧开关MB1且连接至所述第二臂的低侧开关MB2。
第二臂B的所述两个开关MB1、MB2之间的中心点连接至第三臂C，第三臂C包括串联的两个隔离变压器T1、T2。每一变压器T1、T2包括一次L11、L21以及二次L12、L22。一次L11、L21与二次L12、L22分别串联。开关MB1、MB2的中心点连接至一次L11、L21。电容C33与变压器T1、T2串联。然而，隔离直流/直流转换器1也可不具有此电容。电容C33使得能够消除由变压器T1、T2传输的信号的直流分量，特别地在半桥结构的情形中。在全桥结构中可去除电容C33。二次L12、L22串联，其中二次L12、L22的中心点连接至隔离直流/直流转换器1的第二接地端GND2。
二极管D31、D32连接至二次L12、L22以对来自变压器T1、T2的信号进行整流。为此，二极管D31将其阳极连接至一个二次L12的端子，且另一二极管D32将其阳极连接至另一二次L22的端子，这些端子与所述两个二次L12、L22的中心点不同。隔离直流/直流转换器1的输出是在二极管D31、D32的不连接至二次L12、L22且由所述两个二极管D31、D32共用的端子与第二接地端GND2之间得到。高的输出因此是从二极管D31、D32的共用端子得到。
在一种变型中，每一二极管D31、D32将其各自的阴极连接至二次L12、L22的与中心点不同的端子。高的输出是从二次L12、L22的中心点得到。二次L12、L22的中心点因此不连接至第二接地端GND2。所述两个二极管D31、D32共用的端子连接至第二接地端GND2。
二极管D31、D32可有利地被替换为开关、特别地晶体管(例如金属氧化物半导体场效晶体管、绝缘栅极双极晶体管或其他晶体管)，例如以在变压器T1、T2的输出处进行同步整流。对于在二次上的高电流应用来说，使用晶体管来替代二极管使得能够提高来自隔离直流/直流转换器1的总输出。
隔离直流/直流转换器1包括用于对输出信号进行滤波的电容CF。
第二臂B的开关MB1、MB2具有使得能量能够通过变压器T1、T2来传递的负载循环。具体来说，在运行周期的第一部分中，开关MB1闭合而开关MB2断开。第一变压器T1的一次L11的磁化电感存储能量且第二变压器T2的一次L21将能量传递至第二变压器T2的二次L22。
在运行周期的第二部分中，第二变压器T2的一次L21的磁化电感存储能量，且第一变压器T1的一次L11将能量传递至第一变压器T1的二次L12。运行的第一部分及第二部分的持续时间是由开关MB1、MB2的负载循环来界定。
在图1所说明的现有技术中，通过变压器T1、T2进行的能量传输是由串联的开关Q1、Q2来控制。在根据本发明的隔离直流/直流转换器中，第二臂B同样使得能够对此能量传输进行控制。然而，在现有技术中，包括所述两个开关Q1、Q2的分支的端子处的电压等于转换器的输入电压Ue。相比之下，在根据本发明的隔离直流/直流转换器1中，第二分支B的端子处、即电容C1的端子处的电压VC1是由以下表达式来提供：
其中αA是第一臂A的负载循环，且αB是第二臂B的负载循环。
因此，在隔离直流/直流转换器1中，相对于现有技术，第一臂A的负载循环αA在控制通过变压器T1、T2进行能量传递时构成补充参数。因此，相对于现有技术，对隔离直流/直流转换器1的控制得到改进。
此外，第二分支B的端子处的电压VC1可取得的值的范围高于现有技术中的开关Q1、Q2的分支的端子处的电压可取得的值的范围。原因在于，如果比率αA/αB高于1，则第二分支B的端子处的电压VC1高于输入电压Ue。具体来说，电压VC1可高于输入电压Ue的最大值Uemax。与现有技术相比，分支B的端子处的电压VC1因此可高于隔离直流/直流转换器1的输入电压Ue。同样地，如果比率αA/αB低于1，则第二分支B的端子处的电压VC1低于输入电压Ue。具体来说，电压VC1可低于输入电压Ue的最小值Uemin。与现有技术相比，第二分支B的端子处的电压VC1因此可低于隔离直流/直流转换器的输入电压Ue。
可注意到，使输入电压降低或升高的此种性质可通过向图1中所说明的现有技术转换器添加补充阶段来实现。举例来说，补充阶段可为将升压/降压(“升压-降压(buck-boost)”)转换器连接至所述转换器的一次侧。所获得的转换器因此相对于由开关Q1、Q2形成的臂将具有由开关形成的两个补充臂。因此由开关形成的臂的总数目在转换器的一次侧上将为3。相比之下，在根据本发明的转换器中，使输入电压降低或升高的性质是利用在转换器1的一次侧上由开关MA1、MA2、MB1、MB2形成的两个臂A、B来获得。
具体来说，第二臂B的开关MB1、MB2以不会变化(即在时间过程中保持恒定)的负载循环αB来运行。在隔离直流/直流转换器1的运行期间，由在电感L2中流动的电流来控制输出电压Vout。此电流是通过第一臂A来控制。为此，隔离直流/直流转换器1包括用于第一臂A的控制单元5。控制单元5递送脉冲宽度调制或PWM信号S2，脉冲宽度调制或PWM信号S2对第一臂A的开关MA1、MA2的断开及闭合进行控制以控制在电感L2中流动的电流。第一臂A的开关MA1、MA2被控制成使得在电感L2中流动的电流能够在隔离直流/直流转换器1的输出处获得期望电压值。因此，与现有技术相比，不必使连接至变压器T1、T2的开关MB1、MB2的负载循环αB变化。第二臂B因此可以对于通过变压器T1、T2进行能量传输来说最有利的负载循环αB、特别地为50％的负载循环αB来运行。
二极管D31、D32的端子处的电压应力依赖于第二臂B的负载循环αB，且由以下表达式来提供：
V(D31)＝Vout/(1-αB)以及V(D32)＝Vout/αB
负载循环αB优选地等于50％。因此，两个二极管D31、D32的端子处的电压应力相等，且二极管D31、D32之间的耗损相同。此外，在负载循环为50％时，由于变压器T1、T2的磁化电感而引起的电流纹波彼此抵消。因此，二次L12、L22上的电流是连续的。
因而第二分支B的端子处的电压VC1等于2αAUe。利用第一臂A的负载循环αA，可改变第二臂B的端子处的电压VC1。如果第一臂A的负载循环αA低于0.5，则第二臂B的端子处的电压VC1低于2Ue。如果第一臂A的负载循环αA高于0.5，则第二臂B的端子处的电压VC1高于2Ue。因此第二臂B的为0.5的负载循环αB使得能够简便地控制隔离直流/直流转换器1。
具体来说，当电压转换器1的输入电压Ue变化时，第一臂A使得可确保输出电压Vout保持期望值。因此，如果隔离直流/直流转换器1的输入电压Ue的值改变，则控制单元5会以对应的方式来更改对第一臂A的开关MA1、MA2的负载循环αA的控制，以将流经线圈L2的电流维持为期望值。此在其中电池的充电量可随时间过程而变化的电动车辆中特别有利。
更具体来说，控制单元5产生第一反馈环路，所述第一反馈环路将流经连接在第一臂A与第二臂B之间的电感的电流抑制至隔离直流/直流转换器1的输出电压的值Vout_mes与隔离直流/直流转换器1的输出处的期望电压Vout之间的差值。为此，控制单元5接收在隔离直流/直流转换器的输出处测量的电压Vout_mes，此电压Vout_mes可能被乘以增益K1。控制单元5然后将设定点电压V*与所测量电压Vout_mes进行比较。设定点电压V*对应于在隔离直流/直流转换器1的输出处的所期望的电压Vout。根据比较的结果，控制器51将必须流经电感L2的设定点电流I2cons递送至第一臂A。
设定点电流I2cons可直接传输至控制器52，控制器52将来自设定点电流I2cons的脉冲宽度调制信号S2递送至第一臂A。然而，控制单元5可产生第二环路，所述第二环路将流经电感L2的电流抑制至流经电感L2的电流的值I2mes与设定点电流I2cons之间的差值。具体来说，控制单元5将由第一环路输出的设定点电流I2cons与在电感L2上测量的电流I2mes进行比较。电流I2cons可能在比较之前被乘以增益K2。根据此比较的结果，控制器52确定出用于对第一臂A的开关MA1、MA2的负载循环αA进行控制的信号S2，以调整流经电感L2的电流。可使用电压环路。然而，电流环路更易于构建，这是因为作为小的信号，电流环路使得可具有一阶传递函数，而电压环路则属于二阶。此外，隔离直流/直流转换器1可在不使用第二环路的情况下构建第一环路。
根据本发明的隔离直流/直流转换器1可被设计成覆盖运行范围。运行范围对应于隔离直流/直流转换器1的处于最小值Uemin1与最大值Uemax1之间的输入电压Ue；且对应于处于最小值Voutmin1与最大值Voutmax1之间的输出电压Vout。举例来说，输入电压Ue处于170V与450V之间，且隔离直流/直流转换器1的输出处的目标电压Vout处于12V与16V之间。举例来说，输出电压的最小值Voutmin1处于8V与14V之间，且输出电压的最大值Voutmax1处于15V与16V之间。
在图2及图3所说明的实例中，隔离直流/直流转换器1的磁性组件包括串联的第一变压器T1及第二变压器T2。磁性组件可被替换为在图5中所说明的磁性组件31。磁性组件31包括一次电路及二次电路，所述一次电路具有连接至电容C33的单个一次绕组33，所述二次电路具有两个二次绕组35a及35b。所述两个二次绕组35a及35b在磁性上耦合至一次绕组33，但在磁性上不耦合至彼此。此种磁性组件31使得不仅能够通过减少包含铁氧体的组件的数目来降低转换器的成本且也能够通过使得能够获得更紧凑的转换器来减小转换器的块体。
隔离直流/直流转换器1的运行保持相同。磁性组件31以与串联的两个理想变压器相似的方式运行。在调制周期的第一部分中，一次绕组33的第一部分提供电感，且一次绕组33的第二部分将能量传递至第二二次绕组35b。在调制周期的第二部分中，一次绕组33的第一部分将能量传递至第一二次绕组35a，且一次绕组33的第二部分提供电感。
在图6a至图6c中说明了对使得能够获得磁性组件31以便能够在一次绕组33与二次绕组35a及35b之间进行磁性耦合而在二次绕组35a及35b之间不存在任何磁性耦合的各种构型。
图6d、图6e说明包括并联的至少两个第一二次绕组35a以及并联的至少两个第二二次绕组35b的磁性组件31的实例。在其中隔离直流/直流转换器1中流动的电流为高、例如高于100A或甚至高于200A的应用中，这些构型是有利的。因而隔离直流/直流转换器1包括：多个二极管D31，所述多个二极管D31中的每一者连接至相应的第一二次绕组35a；以及多个二极管D32，所述多个二极管D32中的每一者连接至相应的第二二次绕组35b。如在图2及图3中说明的实例中一样，二极管D31、D32可用开关来替换。
在法国专利申请1458573中更详细地阐述了在图6a至图6e中所说明的组件31，所述法国专利申请的内容并入本申请。
在图2中所说明的实例中，第二臂B与变压器T1、T2的一次形成半桥结构。在图3中所说明的实例相同于在图2中所说明的实例，只是在图3中，第二臂B与变压器T1、T2的一次形成具有第四臂D的全桥结构。第四臂D的开关优选地相同于第二臂B的开关。
对于电力应用来说，将在图2及图3中所说明的多个隔离直流/直流转换器1进行组合可为有利的。隔离直流/直流转换器1可并联地放置并进行组合以限制电流纹波并降低隔离直流/直流转换器1的输出处的滤波电容CF的值。在每一隔离直流/直流转换器1中，由于第一臂A，第二臂B的负载循环αB保持恒定。
图4说明包括隔离直流/直流转换器1的组合的转换装置10的运行。优选地，所有隔离直流/直流转换器1共用第一反馈环路。因此，第一臂A接收同一设定点电流I2cons。为此，装置10可包括单个控制器51，控制器51将单个设定点电流I2cons递送至隔离直流/直流转换器1的所有第一臂A。因此，能够确保转换器之间的电流平衡。
优选地，隔离直流/直流转换器1以相移运行。具体来说，第一臂A以2π/n的相移运行，其中n是隔离直流/直流转换器1的数目，此使得能够对装置10的输出的波动以及电磁兼容性问题进行限制。隔离直流/直流转换器1的第二臂B以π/n的相移运行，此使得能够对装置10的输出处的纹波进行限制。这些纹波可由寄生元件(例如一次侧寄生电感或二次侧寄生电感)引起。
本发明并非仅限于所述的实例。具体来说，电压环路可替换为电流环路。隔离直流/直流转换器还可用于被配置成将交流电压转换成直流电压或反之的交流/直流转换器中，或可用于交流/交流转换器中。有利地，所述隔离直流/直流转换器因而通过第一臂上游的交流/直流转换器和/或隔离直流/直流转换器下游的直流/交流转换器来补充。

Claims (17)

1.一种隔离直流/直流转换器(1)，其特征在于，包括：
第一臂(A)，包括串联的开关(MA1，MA2)，所述第一臂(A)连接至所述隔离直流/直流转换器(1)的输入；
第二臂(B)，包括串联的开关(MB1，MB2)；
电感(L2)，连接在所述第一臂(A)的中心点与所述第二臂(B)的中心点之间；
电容(C1)，连接在所述第二臂(B)的端部端子之间；
第三臂(C)，包括磁性组件(31)，所述第三臂(C)连接至所述第二臂(B)的所述中心点；
其中所述第一臂与所述第二臂的所述开关(MA1，MA2，MB1，MB2)的接连的断开操作及闭合操作使得能够通过所述磁性组件(31)将输入电压(Ue)转换成输出电压(Vout)。
2.根据权利要求1所述的隔离直流/直流转换器(1)，其中所述第一臂(A)被配置成通过更改流经所述电感(L2)的信号的电参数来控制所述隔离直流/直流转换器(1)的所述输出电压(Vout)，所述第二臂(B)的负载循环(αB)保持恒定。
3.根据权利要求2所述的隔离直流/直流转换器(1)，其中所述第二臂(B)被配置成使所述第二臂(B)的所述负载循环(αB)等于50％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的隔离直流/直流转换器(1)，包括电路(5)，所述电路(5)用以构建第一环路，以将流经连接在所述第一臂(A)与所述第二臂(B)之间的所述电感(L2)的信号的电参数的设定点(I2cons)抑制至所述隔离直流/直流转换器(1)的所述输出电压的值(Vout_mes)与所述隔离直流/直流转换器(1)的设定点输出电压(V*)之间的差值。
5.根据权利要求1所述的隔离直流/直流转换器(1)，其中所述磁性组件具有通过电隔离隔板分隔开的一次电路与二次电路，所述磁性组件被配置成在将所述隔离直流/直流转换器(1)的所述输入电压(Ue)转换成所述输出电压(Vout)的期间用作从所述一次电路至所述二次电路的变压器、且在所述一次电路中用作存储能量的阻抗。
6.根据权利要求5所述的隔离直流/直流转换器(1)，其中所述磁性组件被配置成使得：
在所述隔离直流/直流转换器的运行周期的第一部分中，所述一次电路的第一部分(L11)将能量传递至所述二次电路的第一部分(L12)，且所述一次电路的第二部分(L21)提供存储能量的电感；
在所述隔离直流/直流转换器的所述运行周期的第二部分中，所述一次电路的所述第二部分(L21)将能量传递至所述二次电路的第二部分(L22)，且所述一次电路的所述第一部分(L11)提供存储能量的电感。
7.根据权利要求6所述的隔离直流/直流转换器(1)，其中所述磁性组件(31)的所述一次电路包括一次绕组(33)，且所述磁性组件(31)的所述二次电路包括至少一个第一二次绕组(35a)及至少一个第二二次绕组(35b)，所述至少一个第一二次绕组(35a)与所述至少一个第二二次绕组(35b)在磁性上不耦合至彼此，所述至少一个第一二次绕组(35a)及所述至少一个第二二次绕组(35b)在磁性上耦合至所述一次绕组(33)。
8.根据权利要求7所述的隔离直流/直流转换器(1)，其中所述磁性组件(31)被配置成用作从所述一次绕组(33)至所述至少一个第一二次绕组(35a)或至所述至少一个第二二次绕组(35b)的变压器；同时还在所述一次绕组(33)中用作存储能量的阻抗。
9.根据权利要求6所述的隔离直流/直流转换器(1)，其中所述磁性组件包括至少为串联的第一变压器(T1)与第二变压器(T2)，在所述第一变压器与所述第二变压器中：
所述第一变压器(T1)的一次(L11)形成所述一次电路的所述第一部分，且所述第一变压器(T1)的二次(L12)形成所述二次电路的所述第一部分；
所述第二变压器(T2)的一次(L21)形成所述一次电路的所述第二部分，且所述第二变压器(T2)的二次(L22)形成所述二次电路的所述第二部分。
10.一种用于转换电压的装置(10)，其特征在于，包括至少两个根据权利要求中1-9任一项所述的隔离直流/直流转换器(1)的组合；且其中所述至少两个隔离直流/直流转换器各自的所述第一臂相互之间被配置成以2π/n的相移运行，且所述至少两个隔离直流/直流转换器各自的所述第二臂相互之间被配置成以π/n的相移运行，n是所述隔离直流/直流转换器(1)的数目。
11.根据权利要求10所述的装置(10)，其中各所述隔离直流/直流转换器(1)共享用以构建第一环路的单个电路(5)，以使各所述隔离直流/直流转换器(1)的所述第一臂接收同一设定点(I2cons)。
12.一种转换电压的方法，其特征在于，包括涉及以下的步骤：
提供至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的隔离直流/直流转换器(1)；
执行所述第一臂与所述第二臂的所述开关的接连的断开操作及闭合操作，以使得能够通过所述隔离直流/直流转换器的所述磁性组件(31)将输入电压转换成输出电压。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述执行所述第一臂与所述第二臂的所述开关的所述接连的断开操作及闭合操作包括更改流经所述电感(L2)的信号的电参数，所述第二臂(B)的负载循环(αB)保持恒定。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二臂(B)的所述负载循环(αB)等于50％。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的方法，其中所述将所述输入电压转换成所述输出电压包括第一环路将流经所述第一臂(A)的信号的电参数的设定点(I2cons)抑制至所述隔离直流/直流转换器(1)的所述输出电压的值(Vout_mes)与所述隔离直流/直流转换器(1)的设定点输出电压(V*)之间的差值。
16.根据权利要求12所述的方法，包括提供多个隔离直流/直流转换器(1)；且其中：
所述多个隔离直流/直流转换器各自的所述第二臂相互之间以π/n的相移运行，n是所述隔离直流/直流转换器的数目；且
所述多个隔离直流/直流转换器各自的所述第一臂相互之间以2π/n的相移运行。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述将所述输入电压转换成所述输出电压是以由在各所述隔离直流/直流转换器之间共享的单个第一臂(A)递送的同一设定点(I2cons)来执行。
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