CN107124103B - Dc/dc转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的DC/DC转换装置(10)具有：输出直流电源电压的直流电压源(V1)；与直流电压源V1电连接，且设置有串联连接的电感器和电容器的振荡电路(2)；多个开关元件Q1～Q4；开关控制部(6)，通过以设定的工作频率来切换多个开关元件的闭合和断开，可使直流电压源(V1)与振荡电路(2)的电连接导通或断开，且可使施加于振荡电路(2)上的电压的方向在每个工作周期内切换；变换部(4)，将振荡电路(2)中产生的电流输出并转换成直流电流，且设置有变压器(3)，变压器(3)的原边与振荡电路(2)串联连接；以及短路电路(7)，短路电路(7)的两端与变压器(3)的原边、电感器(Lr)及电容器(Cr)中的至少一个并联连接，开关控制部(6)至少在一个工作周期内，导通或者断开短路电路(7)，调整使短路电路(7)工作的短路占空比，根据短路占空比使与短路电路(7)并联连接的变压器(3)的原边、电感器(Lr)及电容器(Cr)中的至少一个短路，从而调整DC/DC转换装置(10)的增益。

Description

DC/DC转换装置
技术领域
本发明涉及一种采用了LLC全桥电路的DC/DC转换装置，特别涉及一种在不改变开关元件的工作频率的情况下能够降低增益的DC/DC转换装置。
背景技术
在现有技术中，开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关闭合和断开的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，其中，DC/DC转换装置即直流-直流转换电路是一种将直流输入电压有效地转换成固定的直流输出电压的电压变换器。一般而言，DC/DC转换装置分为三类：升压型DC/DC变换器、降压型DC/DC变换器以及升降压型DC/DC变换器，根据需求可采用三类控制。具体而言，利用电容器、电感器的储能的特性，通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容器或电感器里，当开关断开时，将电能再释放给负载来提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比、即开关导通时间与整个开关的周期的比值有关。
图11示出了现有的一种采用了LLC全桥电路的DC/DC转换装置100。如图11所示，DC/DC转换装置100具有：直流电压源V10，4个开关元件Q1～Q4，由电感器Lr和电容器Cr构成的振荡电路20，以及由变压器30和整流电路构成的变换部40。在该DC/DC转换装置100中，通过控制各个开关元件Q1～Q4的导通和断开，从而控制从变压器30的原边Tr1向副边Tr2所传输的能量。
目前，为了获得特定的稳定直流电源，通常通过变压电路、例如桥式电路、Bulk、Boost等，从更大的非稳定的输入直流电源或交流电源处转换来获得。
然而，由于上述变压电路的输出电压要求恒定，因此通常需要根据某些环境变化而调整变压电路的增益。例如，若输出端所连接的负载变小，在增益保持不变的情况下，输出电流会增加，在此情况下，为了防止电流过大，需要使增益减小。
目前，在DC/DC转换装置的领域中，调整增益的方法有如下两种。
第一，调整开关元件的工作频率fs。如图12所示的那样，在开关元件的工作频率fs大于谐振频率fr时，增益G随着开关元件的工作频率fs的增大而减小，利用这一关系可以调整DC/DC转换装置的增益。专利文献1(申请号CN200510116967.7)中公开的开关电源用控制装置和开关电源正是通过提高开关频率的方法来降低增益的。
第二，调整DC/DC转换装置的输出功率的占空比。由于DC/DC转换装置的增益与输出功率成正比，因此通过减小DC/DC转换装置的输出功率的占空比，利用这一关系同样也可以调整DC/DC转换装置的增益。在专利文献2(申请号CN201110394250.4)中公开了一种直流-直流转换器、电力变换器及其控制方法。当负载的状态为轻载或空载时，控制单元以一个打嗝模式来控制矩形波发生器，进而减小工作期间/停止期间的比例。藉由上述方式减小工作期间/停止期间的比例，或逐次减少该工作期间内相对于该驱动脉冲的占空比为50％时的该驱动脉冲的数量，使得能量传输时间的比率减小，从而提高轻载时的效率。
专利文献1:中国专利申请，申请号CN200510116967.7；
专利文献2:中国专利申请，申请号CN201110394250.4。
发明内容
发明所要解决的问题
在上述专利文献1中，在提高开关元件的工作频率fs时，因开关频繁切换必然会导致开关损耗的增加。因此，若仅通过提高开关元件的工作频率fs来降低增益，会导致开关元件的损耗增大，从而会降低转换效率。
在上述专利文献2中，其技术方案通过对各个开关的占空比进行调整来调整增益以适应特定的运行环境(如轻载、空载等)。上述方法由于参数的设置较为复杂，且适用范围也受到一定限制，在某些特定的条件下并不一定能获得最佳效率。
用于解决技术问题的技术手段
本发明是为了解决上述问题而设计的，其目的在于提供一种DC/DC转换装置，能够在至少一个工作周期内减小输出端上流经的输出电流Itr的总量，从而根据需要来降低DC/DC转换装置的增益。
本发明第一方面所涉及的DC/DC转换装置，具有：直流电压源，输出直流电源电压；振荡电路，与所述直流电压源电连接，且设置有串联连接的电感器和电容器；多个开关元件；开关控制部，通过以设定的工作频率来切换所述多个开关元件的闭合和断开，可使所述直流电压源与所述振荡电路的电连接导通或断开，且可使施加于所述振荡电路上的电压的方向在每个工作周期内切换；变换部，将所述振荡电路中产生的电流输出并转换成直流电流，且设置有变压器，所述变压器的原边与所述振荡电路串联连接；以及短路电路，所述短路电路的两端与所述变压器的原边、所述电感器及所述电容器中的至少一个并联连接，所述开关控制部至少在一个所述工作周期内，导通或者断开所述短路电路，调整使所述短路电路工作的短路占空比，根据所述短路占空比使与所述短路电路并联连接的所述变压器的原边、所述电感器及所述电容器中的至少一个短路，从而调整所述DC/DC转换装置的增益。
本发明第二方面所涉及的DC/DC转换装置，所述短路电路与所述变压器的原边并联连接。
本发明第三方面所涉及的DC/DC转换装置，所述短路电路与所述电感器并联连接。
本发明第四方面所涉及的DC/DC转换装置，还具有电压检测部，所述电压检测部与所述DC/DC转换装置的输出端相连接，所述开关控制部根据所述电压检测部所检测到的输出电压来调整所述短路电路的所述短路占空比，从而调整所述DC/DC转换装置的增益以维持稳定的输出电压。
本发明第五方面所涉及的DC/DC转换装置，若多个所述开关元件的工作频率未达到设定频率值，则不允许所述短路电路导通。
本发明第六方面所涉及的DC/DC转换装置，所述设定频率值位于与多个所述开关元件的开关损耗允许上限值所对应的开关频率至所述开关控制部所允许的开关上限频率的范围内。
本发明第七方面所涉及的DC/DC转换装置，当所述电容器两端的电压为零时，导通所述短路电路以使所述电容器短路。
本发明第八方面所涉及的DC/DC转换装置，在施加于所述振荡电路的电源电压方向切换之前，通过调整多个所述开关元件的闭合和断开以设置所述直流电源电压未施加于所述振荡电路的自由振荡期间，在所述自由振荡期间，当所述电容器两端的电压为零时，导通所述短路电路以使所述电容器短路。
本发明第九方面所涉及的DC/DC转换装置，所述短路电路与储能装置连接，在所述短路电路导通时，所述存储装置对能量进行储存。
本发明第十方面所涉及的DC/DC转换装置，所述储能装置中包括能量传递单元和能量存储单元。
发明的效果
根据本发明所涉及的DC/DC转换装置，能够在至少一个工作周期内减小输出端上流经的输出电流Itr的总量，从而根据需要来降低DC/DC转换装置的增益。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的DC/DC转换装置10的电路结构的框图。
图2是示出了图1中的第一实施方式所涉及的各个开关元件Q1～Q4、Q7～Q8的闭合/断开的时刻与输出电流Itr之间的关系的图。
图3a是表示本发明第一实施方式的变形例1的DC/DC转换装置10的第一种电路结构的框图，图3b是表示本发明第一实施方式的变形例1的DC/DC转换装置10的第二种电路结构的框图，图3c是表示本发明第一实施方式的变形例1的DC/DC转换装置10的第三种电路结构的框图。
图4是表示本发明第二实施方式的DC/DC转换装置10的电路结构的框图。
图5a是表示本发明第二实施方式的变形例2的DC/DC转换装置10的第一种电路结构的框图，图5b是表示本发明第二实施方式的变形例2的DC/DC转换装置10的第二种电路结构的框图，图5c是表示本发明第二实施方式的变形例2的DC/DC转换装置10的第三种电路结构的框图。
图6是表示本发明第三实施方式的DC/DC转换装置10的电路结构的框图。
图7是示出了第三实施方式所涉及的各个开关元件Q1～Q4、Q7～Q8的闭合/断开的时刻与输出电流Itr之间的关系的图。
图8a是表示本发明第三实施方式的变形例3的DC/DC转换装置10的第一种电路结构的框图，图8b是表示本发明第三实施方式的变形例3的DC/DC转换装置10的第二种电路结构的框图，图8c是表示本发明第三实施方式的变形例3的DC/DC转换装置10的第三种电路结构的框图。
图9a、图9b、图9c是在本发明的第一实施方式至第三实施方式的DC/DC转换装置10中分别设置了电压检测部的结构的框图。
图10a是表示本发明第六实施方式的DC/DC转换装置10的第一种电路结构的框图，图10b是表示本发明第六实施方式的DC/DC转换装置10的第二种电路结构的框图，图10c是表示本发明第六实施方式的DC/DC转换装置10的第三种电路结构的框图。
图11是表示现有技术中的DC/DC转换装置100的电路结构的框图。
图12是表示开关元件Q1～Q4的工作频率fs与DC/DC转换装置100的增益G之间的关系。
具体实施方式
第一实施方式
(DC/DC转换装置的结构)
下面，参照图1对本发明第一实施方式所涉及的DC/DC转换装置进行说明。
图1是表示本发明第一实施方式的DC/DC转换装置10的电路结构的框图。如图1所示，DC/DC转换装置10具有：输出直流电源电压Vin的直流电压源V1；与直流电压源V1电连接的振荡电路2；多个开关元件Q1～Q4；开关控制部6，通过以设定的工作频率来切换多个开关元件Q1～Q4的闭合和断开，可使直流电压源V1与振荡电路2的电连接导通或断开，且可使施加于振荡电路2上的电压的方向在每个工作周期内切换；变换部4，将振荡电路2中产生的电流输出并转换成直流电流；以及短路电路7，该短路电路7的两端与变压器3的原边Tr并联连接。
具体而言，直流电压源V1的正极侧连接至开关元件Q1和开关元件Q3的漏极侧，直流电压源V1的负极侧连接至开关元件Q2和开关元件Q4的源极侧。在本发明中，直流电压源V1是能为负载提供稳定直流电源电压Vin的电子装置，例如可以采用干电池、蓄电池、直流发电机等。
变换部4中设置有变压器3，整流二极管D1、D2，以及输出电容器Co。变压器3中包括原边Tr1和副边Tr2，其中，原边Tr1具有线圈n1，副边Tr2具有线圈n2和线圈n3。整流二极管D1的阳极连接在副边Tr2的线圈n3的一端，且整流二极管D1的阴极经由输出电容Co连接至副边Tr2的线圈n3的另一端。另外，整流二极管D2的阳极连接至变副边Tr2的线圈n2一端，且整流二极管D2的阴极连接至整流二极管D1的阴极。
振荡电路2中设置有电感器Lr和电容器Cr，且设置有高电位侧端子Vc+和低电位侧端子Vc-。而且，上述变压器3的原边Tr1与振荡电路2串联连接。高电位侧端子Vc+与开关元件Q1和开关元件Q2的连接点相连接，且低电位侧端子Vc-与开关元件Q3和开关元件Q4的连接点相连接。而且，电感器Lr和电容器Cr经由变压器3的原边Tr1，串联连接在高电位侧端子Vc+与低电位侧端子Vc-之间。
多个开关元件Q1～Q4的连接关系如图1所示。开关元件Q1设置于直流电压源V1的正极侧与振荡电路2的高电位侧端子Vc+之间，开关元件Q3设置于直流电压源V1的正极侧与振荡电路2的低电位侧端子Vc-之间，开关元件Q2设置于直流电压源V1的负极侧与振荡电路2的高电位侧端子Vc+之间，以及开关元件Q4设置于直流电压源V1的负极侧与振荡电路2的低电位侧端子Vc-之间。
另外，上述多个开关元件Q1～Q4可以采用被广泛使用于模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)，例如是金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。其中，MOSFET依照其工作载流子的极性不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET。在本发明中，对于多个开关元件Q1～Q4没有具体的限制，可以采用“N型”MOSFET，也可以采用“P型”MOSFET，当然也可以是本领域其它类型的开关元件。
开关控制部6根据振荡电路2中流过的电流ILLC，来切换多个开关元件Q1～Q4的闭合和断开。具体而言，当利用开关控制部6的控制来使开关元件Q1和开关元件Q4闭合、且开关元件Q2和开关元件Q3断开时，在振荡电路2的两端所施加的电压Vc+－与直流电源电压Vin同向，即施加正向的电压。当利用开关控制部6的控制来使开关元件Q2和开关元件Q3闭合、且开关元件Q1和开关元件Q4断开时，在振荡电路2的两端所施加的电压Vc+－与直流电源电压Vin反向，即施加负向的电压。另外，当开关元件Q1和开关元件Q3均断开时，或者当开关元件Q2和开关元件Q4均断开时，振荡电路2不与直流电压源V1电连接，即不会有电压施加在振荡电路2的两端。
而且，如图1所示，在所述变压器3的原边Tr1的两端并联有短路电路7，该短路电路7包括开关元件Q7和开关元件Q8。开关控制部6至少在一个工作周期内，导通或者断开该短路电路7，调整使该短路电路7工作的短路占空比，且根据该短路占空比使与短路电路7并联连接的变压器3的原边Tr1短路。在开关控制部6使开关元件Q7和开关元件Q8同时闭合从而导通短路电路7时，短路电路7使变压器3的原边Tr1短路。此时，如果直流电源电压Vin施加于振荡电路2，则由于变压器3的原边Tr1被短路，导致振荡电路2中流过的电流ILLC不经过变压器3的原边Tr1而直接经由开关元件Q7和开关元件Q8流回直流电压源V1的负端。在这种情况下，由于振荡电路2中流过的电流ILLC不经过变压器3的原边Tr1，因此，不会有能量通过变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。也就是说，在导通短路电路7以使得变压器3的原边Tr1被短路的期间，没有能量从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2，因而，在相同的单位时间内的输出能量减小，从而能够使DC/DC转换装置10的增益降低。
综上所述，如图1所示，无论直流电源电压Vin是正向地还是负向地施加于振荡电路2，均能够利用短路电路7来实现DC/DC转换装置10的增益降低。
另外，如上所述，图1中以短路电路7由开关元件构成的结构为例进行了说明，但是并不仅限于此，只要是能够通过控制其导通和断开来短路变压器3的原边Tr1的结构即可。
(DC/DC转换装置的控制方法)
下面，图2是示出了图1中的第一实施方式所涉及的各个开关元件Q1～Q4、Q7～Q8的闭合/断开的时刻与输出电流Itr之间的关系的图。
在t0时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q1和开关元件Q4同时闭合，且使开关元件Q2和开关元件Q3同时断开，由此，振荡电路2与直流电压源V1的电连接导通，且施加在振荡电路2上的电压Vc+－瞬间变为正值。此时，由于整流二极管D1的整流作用，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr正向地逐渐变大。
在t1时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q7和开关元件Q8同时闭合，由此，变压器3的原边Tr1被短路，所以能量无法从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因此，从t1时刻起，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr变为零。
在t2时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q7和开关元件Q8同时断开，由此，变压器3的原边Tr1再次与电感器Lr及电容器Cr串联连接，所以能量能够从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。与此同时，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q2和开关元件Q3同时闭合，且使开关元件Q1和开关元件Q4同时断开，由此，振荡电路2与直流电压源V1的电连接导通，且施加在振荡电路2上的电压Vc+－瞬间变为负值。此时，由于整流二极管D1的整流作用，在t2时刻，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr也正向地逐渐变大。
在t3时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q7和开关元件Q8同时闭合，由此，变压器3的原边Tr1被短路，所以能量无法从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因此，从t3时刻起，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr变为零。
在t4时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q7和开关元件Q8同时断开，由此，变压器3的原边Tr1再次与电感器Lr及电容器Cr串联连接，所以能量能够从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。与此同时，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q1和开关元件Q4同时闭合，且使开关元件Q2和开关元件Q3同时断开，由此，振荡电路2与直流电压源V1的电连接导通，且施加在振荡电路2上的电压Vc+－瞬间变为正值。此时，由于整流二极管D1的整流作用，在t4时刻，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr也正向地逐渐变大。
如上所述，在一个工作周期、即t0至t4期间内，在t0至t1以及t2至t3期间(图1中所示的t4至t5及t6至t7期间也同样适用)，由于开关控制部6使开关元件Q7和开关元件Q8断开，从而使变压器3的原边Tr1与电感器Lr及电容器Cr串联连接，因此，变换部4的输出端上的输出电流Itr正向地逐渐变大。与此相对地，在t1至t2以及t3至t4期间(图1中所示的t5至t6及t7至t8期间也同样适用)，由于开关控制部6使开关元件Q7和开关元件Q8闭合，从而使变压器3的原边Tr1被短路，因此，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr变为零。因此，在一个的工作周期中，开关控制部6通过以图2所示的短路占空比来控制短路电路7，能够减小变换部4的输出端上流经的输出电流Itr的总量，从而能够降低DC/DC转换装置10的增益。
综上所述，图2中以短路电路7在每个工作周期内都工作，并且在一个工作周期内的振荡电路2的正向导通期间和负向导通期间都工作为例进行了说明，但是并不仅限于此，开关控制部6可以通过调整使短路电路7工作的短路占空比，从而可以使该短路电路7在至少一个工作周期内工作，而且，在一个工作周期内也可以仅在振荡电路2的正向导通期间或者仅在振荡电路2的负向导通期间内工作。
(变形例1)
如图1所示，短路电路7直接并联连接在变压器3的原边Tr1两端。然而，并不仅限于此，也可以如图3a、3b、3c所示那样，以不同的连接方式来设置短路电路7。
具体而言，如图3a所示，将短路电路7的一端连接在电容器Cr与变压器3的原边Tr1之间，且将短路电路7的另一端连接在直流电压源10的负端。根据图3a所示的结构，在至少一个工作周期内，当开关控制部6使开关元件Q7和开关元件Q8同时闭合从而导通短路电路7，此时如果直流电源电压Vin正向地施加于振荡电路2、即闭合开关元件Q1和开关元件Q4且断开开关元件Q2和开关元件Q3，则由于变压器3的原边Tr1和开关元件Q4同时被短路，导致振荡电路2中流过的电流ILLC不经过变压器3的原边Tr1和开关元件Q4而直接经由开关元件Q7和开关元件Q8流回直流电压源V1的负端。此时，与图1所示的结构同样地，由于不会有能量通过变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因而，在相同的单位时间内的输出能量减小，从而能够使DC/DC转换装置10的增益降低。
另外，如图3b所示，将短路电路7的一端连接在电容器Cr与变压器3的原边Tr1之间，且将短路电路7的另一端连接在直流电压源10的正端。根据图3b所示的结构，在至少一个工作周期内，当开关控制部6使开关元件Q5和开关元件Q6同时闭合从而导通短路电路7，此时如果直流电源电压Vin负向地施加于振荡电路2、即闭合开关元件Q2和开关元件Q3且断开开关元件Q1和开关元件Q4，则由于变压器3的原边Tr1和开关元件Q3同时被短路，导致振荡电路2中流过的电流ILLC不经过变压器3的原边Tr1和开关元件Q3而直接经由开关元件Q5和开关元件Q6流回直流电压源V1的负端。此时，与图1所示的结构同样地，由于不会有能量通过变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因而，在相同的单位时间内的输出能量减小，从而能够使DC/DC转换装置10的增益降低。
再者，如图3c所示，短路电路7包括由开关元件Q7和开关元件Q8构成的短路单元7a和由开关元件Q5和开关元件Q6构成的短路单元7b。短路单元7a的一端连接在电容器Cr与变压器3的原边Tr1之间，且将短路单元7a的另一端连接在直流电压源10的负端，并且，短路单元7b的一端连接在电容器Cr与变压器3的原边Tr1之间，且将短路单元7b的另一端连接在直流电压源10的正端。在直流电源电压Vin正向地施加于振荡电路2时，与上述图3a同理，导通短路单元7a使变压器3的原边Tr1短路，此时，由于不会有能量通过变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2，所以在相同的单位时间内的输出能量减小，从而能够使DC/DC转换装置10的增益降低。另一方面，在直流电源电压Vin负向地施加于振荡电路2时，与上述图3b同理，导通短路单元7b使变压器3的原边Tr1短路，此时，由于不会有能量通过变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2，所以在相同的单位时间内的输出能量减小，从而能够使DC/DC转换装置10的增益降低。
如上所述，与图1所示的结构相对应地，利用图3a所示的结构，能够在直流电源电压Vin是正向地施加于振荡电路2时，降低DC/DC转换装置10的增益，并且，利用图3b所示的结构，能够在直流电源电压Vin是负向地施加于振荡电路2时，降低DC/DC转换装置10的增益。再者，图3c所示的结构与图1所示的结构能够实现完全相同的效果，即无论直流电源电压Vin是正向地还是负向地施加于振荡电路2，均能够降低DC/DC转换装置10的增益。
另外，如上所述，图3中以短路单元7a及短路单元7b由开关元件构成的结构为例进行了说明，但是并不仅限于此，只要是能够通过控制其导通和断开来短路变压器3的原边Tr1的结构即可。
再者，关于变形例1所涉及的各个开关元件Q1～Q4、Q7～Q8的闭合/断开的时刻与输出电流Itr之间的关系，也适用于图2所示的波形图。
(第一实施方式以及变形例1所涉及的DC/DC转换装置的效果)
如上所述，开关控制部6根据图2所示的短路占空比来控制短路电路7、短路单元7a、7b的工作，即控制开关元件Q5～Q6以及/或者Q7～Q8，此时，由于在一个工作周期内，开关控制部6通过以图2所示的短路占空比来控制短路电路7、短路单元7a、7b导通或断开，由此能够减小变换部4的输出端上流经的输出电流Itr的总量，从而能够根据需要来降低DC/DC转换装置10的增益。
第二实施方式
(DC/DC转换装置的结构)
本发明第二实施方式所涉及的DC/DC转换装置10的结构如图4所示，对比图1与图4可知：本发明第二实施方式所涉及的DC/DC转换装置10与第一实施方式所涉及的DC/DC转换装置10的区别在于，短路电路7的两端与电感器Lr并联连接。
如图4所示，在所述电感器Lr的两端并联有短路电路7，该短路电路7包括开关元件Q7和开关元件Q8。开关控制部6至少在一个工作周期内，导通或者断开该短路电路7，调整使该短路电路7工作的短路占空比，且根据该短路占空比使与短路电路7并联连接的电感器Lr短路。考虑到DC/DC转换器10的工作原理是当流过电感器Lr的电流Ilr大于流过变压器3的原边Tr1的电流ILm时，才有能量从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因此，虽然此时直流电源电压Vin施加于振荡电路2，但是由于电感器Lr被短路，导致流过电感器Lr的电流ILr为零，所以没有能量从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。也就是说，在导通短路电路7以使得电感器Lr被短路的期间，没有能量从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2，因而，在相同的单位时间内的输出能量减小，从而能够使DC/DC转换装置10的增益降低。
综上所述，如图4所示，无论直流电源电压Vin是正向地还是负向地施加于振荡电路2，均能够通过短路电路7来实现DC/DC转换装置10的增益降低。
并且，与第一实施方式相同，关于短路电路7的结构，只要是能够通过控制其导通和断开来短路电感器Lr的结构即可。
(DC/DC转换装置的控制方法)
图4所示的第二实施方式所涉及的DC/DC转换装置10中，关于各个开关元件Q1～Q4、Q7～Q8的闭合/断开的时刻与输出电流Itr之间的关系，也适用于图2所示的波形图。
(变形例2)
如图4所示，短路电路7直接并联连接在电感器Lr的两端。然而，并不仅限于此，也可以如图5a、5b、5c所示那样，以不同的连接方式来设置短路电路7。
具体而言，如图5a所示，将短路电路7的一端连接在电感器Lr与电容器Cr之间，且将短路电路7的另一端连接在直流电压源V1的负端。如图5b所示，将短路电路7的一端连接在电感器Lr与电容器Cr之间，且将短路电路7的另一端连接在直流电压源V1的正端。再者，如图5c所示，短路电路7包括由开关元件Q7和开关元件Q8构成的短路单元7a和由开关元件Q5和开关元件Q6构成的短路单元7b。短路单元7a的一端连接在电感器Lr与电容器Cr之间，且将短路单元7a的另一端连接在直流电压源10的负端，并且，短路单元7b的一端连接在电感器Lr与电容器Cr之间，且将短路单元7b的另一端连接在直流电压源10的正端。第二实施方式的变形例2所涉及的DC/DC转换装置10与第一实施方式的变形例1所涉及的DC/DC转换装置10相类似，利用图5a所示的结构，能够在直流电源电压Vin是负向地施加于振荡电路2时，降低DC/DC转换装置10的增益，利用图5b所示的结构，能够在直流电源电压Vin是正向地施加于振荡电路2时，降低DC/DC转换装置10的增益。再者，利用图5c所示的结构，无论直流电源电压Vin是正向地还是负向地施加于振荡电路2，均能够降低DC/DC转换装置10的增益。
(第二实施方式以及变形例2所涉及的DC/DC转换装置的效果)
如上所述，第二实施方式以及变形例2所涉及的DC/DC转换装置能够得到与第一实施方式以及变形例1所涉及的DC/DC转换装置相同的效果，在此不再赘述。
第三实施方式
(DC/DC转换装置的结构)
本发明第三实施方式所涉及的DC/DC转换装置10的结构如图6所示，对比图1及图4与图6可知：本发明第三实施方式所涉及的DC/DC转换装置10与第一实施方式及第二实施方式所涉及的DC/DC转换装置10的区别在于，短路电路7的两端与电容器Cr并联连接。
如图6所示，在所述电容器Cr的两端并联有短路电路7，该短路电路7包括开关元件Q7和开关元件Q8。开关控制部6至少在一个工作周期内，导通或者断开该短路电路7，调整使该短路电路7工作的短路占空比，且根据该短路占空比使与短路电路7并联连接的电容器Cr短路。考虑到DC/DC转换器10的工作原理中必须包括一个振荡电路、即本发明中的振荡电路2，才有能量从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因此，虽然此时直流电源电压Vin施加于振荡电路2，但是由于电容器Cr被短路，导致振荡电路2无法起振，所以没有能量从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。也就是说，在导通短路电路7以使得电容器Cr被短路的期间，没有能量从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2，因而，在相同的单位时间内的输出能量减小，从而能够使DC/DC转换装置10的增益降低。
如上所述，在施加于振荡电路2的电源电压方向切换之前，通过调整多个开关元件Q1～Q4的闭合和断开以设置直流电源电压V1未施加于振荡电路2的自由振荡期间，在该自由振荡期间，当电容器Cr两端的电压为零时，导通短路电路7以使电容器Cr短路。
综上所述，如图6所示，无论直流电源电压Vin是正向地还是负向地施加于振荡电路2，均能够通过短路电路7来实现DC/DC转换装置10的增益降低。
并且，与第一实施方式及第二实施方式相同，关于短路电路7的结构，只要是能够通过控制其导通和断开来短路电容器Cr的结构即可。
(DC/DC转换装置的控制方法)
众所周知，在对电容器进行短路时，如果此时电容器的两端存在电压差、即有电压施加于电容器的两端，则此时短路电容器会导致电容器上存储的电荷无法释放，可能会损坏电容器本身。因此，在短路电容器时，必须保证此时电容器的两端没有电压差、即没有电压施加于电容器的两端。另一方面，在本发明中，由于电感器Lr与变压器3的原边T的励磁电感Lm之间存在分压关系，因此，如果在振荡电路2的两端施加了直流电源电压V1的情况下，即使短路电容器Cr，也可能有部分的能量经由变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因而，为了克服上述问题，要在电容器Cr两端的电压为零时，才能导通短路电路7以使该电容器Cr短路。
针对上述情况，在本发明的第三实施方式中，根据图7所示的各个开关元件Q1～Q4、Q7～Q8的闭合/断开的时刻与输出电流Itr之间的关系图来控制短路电路7的工作。
在t0时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q1和开关元件Q4同时闭合，且使开关元件Q2和开关元件Q3同时断开，由此，振荡电路2与直流电压源V1的电连接导通，且施加在振荡电路2上的电压Vc+－瞬间变为正值。此时，由于整流二极管D1的整流作用，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr正向地逐渐变大。
在t1时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q2和开关元件Q4同时闭合，且使开关元件Q1和开关元件Q3同时断开，由此振荡电路2与直流电压源V1的电连接断开，即直流电源电压V1未施加于振荡电路2上，此时振荡电路2中电流开始振荡，因此，电容器Cr两端存在电压为零的时刻。与此同时，使开关元件Q7和开关元件Q8同时闭合，由此，电容器Cr被短路，所以能量无法从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因此，从t1时刻起，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr变为零。
在t2时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q7和开关元件Q8同时断开，由此，电容器Cr再次与电感器Lr及变压器3的原边Tr1串联连接，所以能量能够从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。与此同时，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q2和开关元件Q3同时闭合，且使开关元件Q1和开关元件Q4同时断开，由此，施加在振荡电路2上的电压Vc+－瞬间变为负值。此时，由于整流二极管D1的整流作用，在t2时刻，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr也正向地逐渐变大。
在t3时刻，利用开关控制部6的控制，再次使开关元件Q2和开关元件Q4同时闭合，且使开关元件Q1和开关元件Q3同时断开，由此振荡电路2与直流电压源V1的电连接断开，即直流电源电压V1未施加于振荡电路2上，此时振荡电路2中电流开始振荡，因此，电容器Cr两端存在电压为零的时刻。与此同时，使开关元件Q7和开关元件Q8同时闭合，由此，电容器Cr被短路，所以能量无法从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。因此，从t3时刻起，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr变为零。
在t4时刻，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q7和开关元件Q8同时断开，由此，电容器Cr再次与电感器Lr及变压器3的原边Tr1串联连接，所以能量能够从变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2。与此同时，利用开关控制部6的控制，使开关元件Q1和开关元件Q4同时闭合，且使开关元件Q2和开关元件Q3同时断开，由此，施加在振荡电路2上的电压Vc+－瞬间变为正值。此时，由于整流二极管D1的整流作用，在t4时刻，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr也正向地逐渐变大。
如上所述，在一个工作周期、即t0至t4期间内，在t0至t1以及t2至t3期间(图7中所示的t4至t5及t6至t7期间也同样适用)，由于开关控制部6使开关元件Q7和开关元件Q8断开，从而使电容器Cr与电感器Lr及变压器3的原边Tr1串联连接，因此，变换部4的输出端上的输出电流Itr正向地逐渐变大。与此相对地，在t1至t2以及t3至t4期间(图7中所示的t5至t6期间也同样适用)、即上述自由振荡期间，由于开关控制部6使开关元件Q7和开关元件Q8闭合，从而使电容器Cr被短路，因此，变换部4的输出端上流经的输出电流Itr变为零。因此，在一个同样的工作周期中，开关控制部6通过以图7所示的短路占空比来控制短路电路7，能够减小变换部4的输出端上流经的输出电流Itr的总量，从而能够降低DC/DC转换装置10的增益。
(变形例3)
如图6所示，短路电路7直接并联连接在电容器Cr的两端。然而，并不仅限于此，也可以如图8a、8b、8c所示那样，以不同的连接方式来设置短路电路7。
具体而言，如图8a所示，将短路电路7的一端连接在电容器Cr与电感器Lr之间，且将短路电路7的另一端连接在直流电压源V1的负端。如图8b所示，将短路电路7的一端连接在电容器Cr与电感器Lr之间，且将短路电路7的另一端连接在直流电压源V1的正端。再者，如图8c所示，短路电路7包括由开关元件Q7和开关元件Q8构成的短路单元7a和由开关元件Q5和开关元件Q6构成的短路单元7b。短路单元7a的一端连接在电容器Cr与电感器Lr之间，且将短路单元7a的另一端连接在直流电压源10的负端，并且，短路单元7b的一端连接在电容器Cr与电感器Lr之间，且将短路单元7b的另一端连接在直流电压源10的正端。第三实施方式的变形例3所涉及的DC/DC转换装置10与第二实施方式的变形例2所涉及的DC/DC转换装置10一样，利用图8a所示的结构，能够在直流电源电压Vin是负向地施加于振荡电路2时，降低DC/DC转换装置10的增益，利用图8b所示的结构，能够在直流电源电压Vin是正向地施加于振荡电路2时，降低DC/DC转换装置10的增益。再者，利用图8c所示的结构，无论直流电源电压Vin是正向地还是负向地施加于振荡电路2，均能够降低DC/DC转换装置10的增益。
(第三实施方式以及变形例3所涉及的DC/DC转换装置的效果)
如上所述，第三实施方式以及变形例3所涉及的DC/DC转换装置能够得到与第一实施方式以及变形例1所涉及的DC/DC转换装置以及第二实施方式以及变形例2所涉及的DC/DC转换装置相同的效果，在此不再赘述。
第四实施方式
如图9a、图9b、图9c所示的那样，在第一实施方式至第三实施方式所涉及的DC/DC转换装置的结构上再设置有电压检测部8，该电压检测部8与DC/DC转换装置10的输出端并联连接，开关控制部6根据电压检测部8所检测到的输出电压来调整短路电路7、短路单元7a、以及短路单元7b的短路占空比，从而调整DC/DC转换装置10的增益以维持稳定的输出电压。
在第四实施方式所涉及的DC/DC转换装置中，根据变换部4的输出端的负载不同，对于输出电压设定有设定值，当电压检测部8检测到输出电压偏离了设定值时，使开关控制部7控制短路电路7以使其导通，并调整该短路电路7的短路占空比，从而使得输出电压恢复到设定值。
第五实施方式
在第一实施方式至第四实施方式所涉及的DC/DC转换装置10中，开关控制部6对各个开关元件Q1～Q8的闭合和断开进行控制。然而，由于开关控制部6本身存在一定限制，即其所能控制的工作频率fs具有上限制。而且，众所周知，在开关元件的工作频率fs高到一定程度时，该开关元件的损耗会非常大。因而，开关控制部6不能将各个开关元件Q1～Q8的工作频率fs控制得过高，即具有一个设定频率值。当开关控制部6将各个开关元件Q1～Q8的工作频率fs控制成上述设定频率值时，该各个开关元件Q1～Q8不仅能够在开关看这部6的允许范围内工作，且能够将开关元件的损耗控制在允许的范围内。
因而，在本发明的第一实施方式至第四实施方式所涉及的DC/DC转换装置10中，仅当多个开关元件Q1～Q8的工作频率fs达到上述设定频率值时，才允许短路电路7导通。另外，如上所述，上述设定频率值位于与多个开关元件的开关损耗允许上限值W所对应的开关频率fw至开关控制部6所允许的开关上限频率fmax的范围内。
第六实施方式
本发明的第六实施方式所涉及的DC/DC转换装置10的结构如图10a所示，如图10a所示，短路电路7并联连接在变压器3的原边Tr1的两端，且短路电路7与变压器11的原边T1串联连接。具体而言，短路电路7的一端经由变压器11的原边T1连接在电容器Cr与变压器3的原边Tr1之间，其另一端连接在直流电压源V1的负端。并且，二极管D3的阳极连接至变压器11的副边T2的一端，而二极管D3的阴极经由电容器Co’连接至副边T2的另一端，电容器Co’的两端并联连接有负载Z。在图10a所示的DC/DC转换装置10中，当导通短路电路7时，变压器3的原边Tr1被短路，所以施加在振荡电路2中的能量在由电感器Lr、电容器Cr、变压器11的原边T1、以及被导通的短路电路7所形成的振荡环中振荡。此时，原本要经由变压器3的原边Tr1传输至副边Tr2的能量在经由振荡环中的变压器11的原边T1被存储到储能装置12中。
因此，在本发明的第六实施方式所涉及的DC/DC转换装置10的DC/DC转换装置10中，储能装置12具有由变压器11的原边T1和副边T2构成的能量传递单元，以及由二极管D3、电容器Co'、以及负载Z构成的能量存储单元，在短路电路7被导通时，上述存储装置12对能量进行储存。
同理，上述储能装置12也能如图10b所示那样，变压器11的原边T1与用于短路电感器Lr的短路电路7相连接。此时，由于短路电路7短路了电感器Lr，所以由变压器3的原边Tr1、电容器Cr、变压器11的原边T1、以及被导通的短路电路7形成了振荡环，能量经由变压器11的原边T1被存储到上述储能装置12中。或者，上述储能装置也能如10c图所示那样，变压器11的原边T1与用于短路电容器Cr的短路电路7相连接。此时，由于短路电路7短路了电容器Cr，所以由变压器3的原边Tr1、电感器Lr、变压器11的原边T1、以及被导通的短路电路7形成的振荡环，能够经由变压器11的原边T1被存储到上述储能装置12中。
其他说明
在第一实施方式至第三实施方式中，仅以利用短路电路7单独地短路变压器3的原边T1，或者单独地短路电感器Lr，或者单独地短路电容器Cr的情况为例进行了说明。但是本发明并不仅限于此，也可以利用短路电路7同时短路变压器3的原边T1和电感器Lr，或者同时短路变压器3的原边T1和电容器Cr，或者同时短路电感器Lr和电容器Cr，或者同时短路变压器3的原边T1和电感器Lr及电容器Cr。
本发明在不脱离本发明的广义精神与范围的情况下，可进行各种实施方式和变形。另外，上述实施方式仅用来对本发明进行说明，而不对本发明的范围进行限定。即，本发明的范围由权利要求的范围来表示，而不由上述实施方式来表示。并且，在权利要求的范围内及与其同等发明意义的范围内所实施的各种变形也视为在本发明的范围内。
标号说明
1、10 DC/DC转换装置，V1、V10 直流电压源，2、20 振荡电路，Cr、Co’ 电容器，Lr电感器，Q1～Q4、Q5～Q8 开关元件，3、30 变压器，Tr1 变压器3的原边，Tr2 变压器3的副边，4、40 变换部，6 开关控制部，7 短路电路，7a、7b 短路单元，11 变压器，T1 变压器11的原边，T2 变压器11 的副边，8 电压检测部，D1、D2 整流二极管，D3 二极管，Z 负载，12 储能装置。

Claims (10)

1.一种DC/DC转换装置，其特征在于，具有：
直流电压源，输出直流电源电压；
振荡电路，与所述直流电压源电连接，且设置有串联连接的电感器和电容器；
多个开关元件；
开关控制部，通过以设定的工作频率来切换所述多个开关元件的闭合和断开，可使所述直流电压源与所述振荡电路的电连接导通或断开，且可使施加于所述振荡电路上的电压的方向在每个工作周期内切换；
变换部，将所述振荡电路中产生的电流输出并转换成直流电流，且设置有变压器，所述变压器的原边与所述振荡电路串联连接；以及
短路电路，所述短路电路的两端与所述变压器的原边、所述电感器及所述电容器中的至少一个并联连接，
所述开关控制部至少在一个所述工作周期内，导通或者断开所述短路电路，调整使所述短路电路工作的短路占空比，根据所述短路占空比使与所述短路电路并联连接的所述变压器的原边、所述电感器及所述电容器中的至少一个短路，从而调整所述DC/DC转换装置的增益。
2.如权利要求1所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
所述短路电路与所述变压器的原边并联连接。
3.如权利要求1所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
所述短路电路与所述电感器并联连接。
4.如权利要求1至3中任一项所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
还具有电压检测部，所述电压检测部与所述DC/DC转换装置的输出端相连接，所述开关控制部根据所述电压检测部所检测到的输出电压来调整所述短路电路的所述短路占空比，从而调整所述DC/DC转换装置的增益以维持稳定的输出电压。
5.如权利要求4所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
若多个所述开关元件的工作频率未达到设定频率值，则不允许所述短路电路导通。
6.如权利要求5所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
所述设定频率值位于与多个所述开关元件的开关损耗允许上限值所对应的开关频率至所述开关控制部所允许的开关上限频率的范围内。
7.如权利要求1所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
当所述电容器两端的电压为零时，导通所述短路电路以使所述电容器短路。
8.如权利要求7所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
在施加于所述振荡电路的电源电压方向切换之前，通过调整多个所述开关元件的闭合和断开以设置所述直流电源电压未施加于所述振荡电路的自由振荡期间，在所述自由振荡期间，当所述电容器两端的电压为零时，导通所述短路电路以使所述电容器短路。
9.如权利要求8所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
所述短路电路与储能装置连接，在所述短路电路导通时，所述储能装置对能量进行储存。
10.如权利要求9所述的DC/DC转换装置，其特征在于，
所述储能装置中包括能量传递单元和能量存储单元。
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