CN107408885B - 直流-直流转换器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种直流‑直流转换方案，包括降压转换器，包括与第一电感器串联连接的第一开关，所述第一开关和所述第一电感器提供了在输入和输出之间的切换连接，跨输出连接的第二开关，以及连接在所述第一开关和所述第一电感器之间的直流增压布置，所述直流增压布置包括磁性连接的第二电感器和第三电感器，所述第二电感器串联连接在所述第一开关和所述第一电感器之间，而所述第三电感器电性连接到所述第一电感器和第二电感器之间的点，所述第二电感器和第三电感器的绕组为使得流过所述第二电感器的电流的变化在所述第三电感器中感生出增压电流，以补充流过所述第二电感器的电流。

Description

直流-直流转换器
技术领域
本发明涉及一种直流-直流(DC-DC)转换器方案，例如将输入的直流电压降低到所需的输出直流电压水平，并从而提高输出电流。一种用于提高或降低输入直流信号的设备和方法也被描述。
背景技术
多种直流-直流转换方案是已知的。它们通常用在电源中，以控制例如供应到计算机或其他电子设备(例如电视和音频设备、速度可变马达、电动车辆等等)的输出电压。另一可能需要提供该方案的应用是控制从发电机供应到电功率电源或分布网络或电网，例如从基于光伏的发电方案。
一种形式的直流-直流转换方案包括线性调节器。可替选的方案包括使用所谓的降压转换器。使用降压转换器相较于使用线性调节器是有利的，因为较少的能量以热量的方式耗损。图1示出了简单形式的降压转换器。在图1中示出的降压转换器包括电感器1和串联在电源3和负载5之间的开关2。第二开关(在该情况下，以二极管4的形式)跨接负载5两端。在使用时，从开关2打开的情况开始，没有电流流过电感器1及流到负载5。如果开关2随后闭合，则流动通过电感器1且流到负载5的电流将增大。电感器1将产生电动势(emf)以对抗电流的增大，并且能量将储存在电感器1中。负载5上得电压将相应地低于电源。随后开关2的打开将中断电源3和负载5之间的连接，并将导致储存在电感器1的能量通过负载5和二极管3的释放。通过重复地打开和闭合开关2，该循环可以重复。输出电压(即，跨接负载5两端的电压)在该布置中将总是低于来自电源3的输入电压。这些方案允许负载5上的电压相较于输入或电源3的电压而降低。然而，在一些情况中可能需要提供相较于输入增大的输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种相较于本文中前面描述的一般降压转换方案具有改进效率的直流-直流转换方案。
根据本发明的一个方面，提供了一种直流-直流转换方案，包括：降压转换器，包括与第一电感器串联连接的第一开关，所述第一开关和所述第一电感器提供了在输入和输出之间的切换连接，连接在输出上的第二开关，以及连接在所述第一开关和所述第一电感器之间的直流增压布置，所述直流增压布置包括磁性连接第二电感器和第三电感器，所述第二电感器串联连接在所述第一开关和所述第一电感器之间，而所述第三电感器电性连接到所述第一电感器和第二电感器之间的点，所述第二电感器和第三电感器的绕组为使得流过所述第二电感器的电流的变化在所述第三电感器中感生出增压电流，以补充流过所述第二电感器的电流。
所述第二开关便利地包括二极管。所述第二开关可连接到第一电感器和第二电感器之间的点。可替选地，所述第二开关连接到所述第二电感器和所述第一开关之间的点。
另一开关(例如，以二极管形式)可连接成控制流过所述第三电感器的电流的方向。
通过该布置，从第一开关打开的情况开始，没有电流从输入流到第一电感器和第二电感器，当闭合第一开关时，导致了电流开始流过第二电感器和第一电感器到达输出。流过第二电感器的电流的改变产生了改变的磁通量，其借助于第二电感器和第三电感器之间的磁通量，在第三电感器上感应了emf。第二电感器和第三电感器的缠绕的方向为所感应的emf引起了在第三电感器中感生出电流，以补充流过第二电感器的电流。
通过重复打开和闭合开关，结果是，流过第二电感器的电流大体上连续改变。可以理解的是，在第三电感器中感生的电流的效果可以很显著。
切换频率可在很大程度上取决于第一电感器、第二电感器和第三电感器中的电感。可以期望，切换频率将大于1kHz，但是可以理解的是，本发明不限于该方面。
这种类型的布置提供了足够的直流-直流转换方案，当第一开关闭合时，有效地增大了供应至降压转换器的第一电感器的电流的幅度，允许第一电感器的电感的幅度降低。
所述第二电感器的电感优选地大于所述第三电感器的电感。结果是，即使当没有提供另一开关或二极管来控制流过第三电感器的电流方向时，第二电感器和第三电感器的组合都可以对输入呈现高电感。
可以提供另一开关(例如，以二极管的形式)以控制流过所述第二电感器的电流的方向。该二极管的提供可以用于保护第一开关。考虑到的是，在相对低电压的应用中，该开关或二极管是不一定需要的。
为了提供对输出电压的另外的控制，输出控制电路可以连接到输出，输出控制电路包括第四电感器和第五电感器，其电连接并且磁性连接到彼此，输出连接到第四电感器和第五电感器之间的点，在第四电感器和地之间提供了切换连接，以及一对二极管将输出和第五电感器连接到输出端子。
在该布置中，当切换连接闭合时，电流将流过第四电感器，这在第五电感器中感生出电流。
直流链路电路可以集成在降压转换器和输出之间。直流链路电路方便地包括磁性连接的第四电感器和第五电感器，以及第四电感器和地之间的切换连接。通过适当地控制开关的操作，输出处的电压的幅度可得到控制。可以理解的是，该布置可以在需要可控输出(例如在可变速度驱动器等)的布置中特别有利的。
本发明还涉及到一种实现直流-直流转换方法，所述方法利用了本文中前面所述的直流-直流转换方案，所述方法的步骤包括：重复打开和闭合第一开关，从而当所述第一开关闭合时，流过所述第二电感器的电流的改变感生了所述第三电感器中的电流，以补充流过所述第二电感器的电流，由此增加了供应至降压转换器的电流。所述第一开关优选地以大于1kHz的切换频率在其打开和闭合情况之间切换。
根据本发明的另一方面，提供了一种直流-直流转换方案，包括主电感器，第一电路部分和第二电路部分，每一电路部分包括主开关，次级开关和主电感器，每一部分的主开关和主电感器与位于输入和输出之间的主电感器串联连接，每一部分的次级开关提供了切换到地的连接，其连接到相关的部分的相关主开关和主电感器之间的点，其中，第一部分和第二部分的主电感器磁性连接。
每一部分可包括次级电感器，所述次级电感器磁性连接到每一部分的主电感器，相应的切换到地的连接连接到每一部分的主电感器和相关的部分的次级电感器之间的点。
这种类型的布置可被配置成操作为增压电路，其中输出处的电压大于输入处的电压。在该布置中，每一主开关便利地采取二极管的形式，并且每一次级开关便利地采取可控的开关的形式，每一可控的开关的操作例如由相关的电子控制单元控制。作为示例，适当的晶体管或类似于晶体管的设备可被用作次级开关。
可替选地，每一主开关采取例如利用相关的电子控制单元适当可控的开关设备的形式，并且每一次级开关可采取二极管的形式。该布置可以用作类似于降压的电路，其中输出电压低于输入处的电压。
尽管本文中参考了将二极管用作第一开关或第二开关，但是可以理解的是，本发明不限于此方面，并且其他设备或组件如有必要可以替代二极管使用。
本发明还涉及到一种操作本文中前面所述类型的电路的方法，其中，在至少某些操作阶段期间，两个主开关或两个次级开关都同时处于闭合情况。
附图说明
现以示例的方式参照附图来进一步描述本发明，其中：
图1为示出如前面所描述的一般降压转换方案的示意图；
图2为根据本发明一个实施方式的直流-直流转换方案的电路图，其应用在转换光伏板能量提取方案的输出；
图3示出了根据一个替选实施方式的方案；
图4示出了一个变形；
图5示出了在一种操作模式中的另一直流-直流转换电路；
图6示出了在另一操作模式中的图5中示出的电路的变形；
图7为示出在一种操作模式中的图5的电路的操作的视图；以及
图8为类似于图5和图6的示出了另一电路配置的视图。
具体实施方式
首先参照图2，示出了直流-直流转换方案10，该方案10被布置成将来自与光伏板14相关的能量提取方案12的可变直流转换以经由H桥电路16输出到例如电源或分布网络或电网(未示出)。
方案10包括串联连接到第二电感器22的第一电感器20，第一电感器20和第二电感器22将输入24(其连接到能量提取方案12的输出)连接到输出26(其连接到H桥电路16的输入)。第一开关28位于输入24和第二电感器22之间。第一电感器20和第二电感器22在连接点处互连，第三电感器30也连接到该连接点。第二电感器22和第三电感器30缠绕在公共磁芯32上，因此彼此磁性连接。因此，通过第二电感器22的可变电流在使用时将产生磁通量，其接着将在第三电感器30中产生emf，该第三电感器30在其中感生出电流。第二电感器22和第三电感器30缠绕的方向为使得当第一开关28闭合时，第三电感器30中感生出的电流补充流过第二电感器22的电流。
如图2-3所示，第二开关34(以二极管形式)跨第一电感器20和输出26连接。同样以二极管的形式的另一开关36连接到第三电感器30，并且可操作以控制流过第三电感器30的电流方向。虽然开关34，36被示出为采取二极管的形式，但可以理解的是，如有必要，它们可以由其他装置替代，该装置包括被适当地控制的电子开关装置等等。
可以理解的是，第一电感器20以及第一开关28和第二开关34一起形成了降压转换电路，磁性连接的第二电感器22和第三电感器30一起形成了电流提升方案，其在使用时可操作以提升供应至降压转换电路的第一电感器20的电流。
因此，在使用时，从第一开关28打开的情况开始，可以理解的是，没有电流从输入24流到输出26。随后闭合第一开关28导致了电流开始流过第二电感器22和第一电感器20到达输出26。流过第二电感器22的电流的改变产生了变化的磁通量。借助于第二电感器22和第三电感器30彼此的磁性连接，所产生的磁通量在第三电感器30上产生了emf。第二电感器22和第三电感器30的缠绕的方向为使得所产生的emf引起了另一开关(在该情况下以二极管的形式)打开并且感生出电流，以补充通过第二电感器22供应的电流，从而增大供应到第一电感器20的电流。根据所产生的emf的水平，形成开关的二极管可仅仅部分地打开。
如前所述，第一电感器20形成降压转换器的一部分，供应至其的增大电流导致了能量以通常的方式储存在其中。
第一开关28的随后再次打开中断了第二电感器22到输入24的连接，并且电流不再经由第二电感器22而被供应到第一电感器20。开始时，在第一开关28打开时，形成另一开关36的二极管将继续导通。在方案的操作中的这个阶段期间，如一般的降压转换器一样，第一电感器20将放电。
当在使用时供应到第一电感器20的电流增大时，可以理解的是，为了实现在输出26处的特别的效果，第一电感器20的电感将降低。因此，方案的效率可以提高。
如图2所示，如有必要可以提供另一二极管38以保护第一开关28免受损坏或故障。可以考虑的是，在相对低电压的应用中，这可能是不需要的，但是其在较大的电压应用中，这可能是需要的。
尽管图2示出了将本发明用于将来自光伏板的输出转换成适于被电源或分布网络或电网使用的水平，可以理解的是，本发明可用在多种其他应用中。作为示例，其可以用在与多种不同的电子或电子设备(例如，计算机设备、电视和音频设备)相关的电源中。而且，其可以集成到与电动马达相关的功率控制系统中，该马达例如那些用在电动车辆中的马达。可以理解的是，这些仅仅为本发明可以用于其中的应用的示例，并且本发明不限于该方面。
图4示出了对图2的电路的变型。在图4的变型中，直流链路电路40连接在降压转换器(部分地由第一电感器20形成)和输出26之间。直流链路电路40包括第四电感器42和第五电感器44，第四电感器42和第五电感器44缠绕在公共磁性磁芯上并因此彼此磁性连接。此外，它们在点46上彼此磁性连接，点46连接到第一电感器20。第四电感器42经由开关48接地，第五电感器44经由二极管50连接到输出26。
在使用时，当开关48打开时，没有电流经由第四电感器42流入地。在随后打开开关48时，电流开始流过第四电感器42。流过第四电感器42的电流的变化感生了第五电感器44上的电势差。可以理解的是，通过适当地控制开关48的打开和闭合，输出26上的输出电压的幅度可得以控制。输出26的电压和输入24的电压之间的关系可以表达为：
V_out/V_in＝D_1/(1-D_2/2)
其中，Vout和Vin分别为输出26处和输入24处的电压，并且D1和D2分别表示开关28和开关48闭合的时间比。
可以理解的是，图4中示出的变型在需要控制或改变输出电压的幅度(例如，在可变速度驱动应用中)的应用中是特别有利的。该布置的另一优点在于，电路的操作不导致明显的谐波的产生或其他需要过滤以避免在供应时产生负面影响的效果。
图3示出了图2中输出的布置的变型，其中第二开关34不连接到第一电感器20和第二电感器22之间的点而连接到开关28和第二电感器22之间的点。图3的布置的操作与图2中的布置的操作大体相同，并因此将不再详尽地进行描述。如有需要，图4的直流链路电路可以应用到该电路中。
本文中前面所描述的布置是有利的，因为电路简单并且集成了不多的组件。其制造因此可经济地实现。如果需要，电感器可以为多磁芯形式。
可以考虑到，电感器可以为非常小的尺寸，例如每一者仅包括几个绕组。作为示例，每一电感器可以具有4-6个绕组。然而，可以理解的是，本发明不限于该方面。
接着参照图5，示出直流-直流转换电路，包括主电感器110，其与多对平行臂112，114串联连接，每一臂112，114包括初级电感器116a，116b，次级电感器118a，118b，以及主开关120a，120b，它们全部彼此串联地布置，并且次级开关122a，122b提供了到在相关的初级电感器116a，116b和主开关120a，120b之间的点的切换接地连接。在示出的布置中，主开关120a，120b采取了二极管的形式，并且因此并且根据电路的操作形式而打开和导通。次级开关122a，122b(虽然示出为简单开关)将通常为被适当地控制的电子开关设备的形式，例如，晶体管或类似于晶体管的设备。可以理解的是，多种不同的设备是可行的，并且本发明不限于此。如图5所示，提供了控制单元124并且控制次级开关122a，122b的操作。
第一部分112和第二部分114的初级电感器116a，116b和次级电感器118a，118b全都缠绕在公共磁芯(未示出)上，并因此磁性地连接到彼此，缠绕的方向如图5所示。电感器116a，116b，118a，118b的独立电感非常低。作为示例，每一电感器可以仅仅由几个绕组制成。然而，如有需要，可以使用更多数目的绕组。
通过将电路连接在输入126和输出128之间，当次级开关122a，122b二者均闭合时，流过主电感器110的电流上升达Δi的量，并在主电感器110中感生出对抗电流上升的emf。从该情况可见，当次级开关122a，122b中的一者打开而另一者闭合时，流过主电感器110的电流下降达Δi的量，下降的电流在相反的方向上在主电感器110中感生出emf。
通过重复打开和闭合次级开关122a，122b，而总是确保次级开关122a，122b中的一者或另一者闭合，并且没有两个次级开关122a，122b均打开的时刻，并且通过适当选择切换频率，可以理解的是，流过主电感器110的电流可连续地改变。
初级电感器116a，116b和次级电感器118a，118b的电感优选地为对称的，其中初级电感器116a，116b的电感彼此相等，而次级电感器118a，118b的电感彼此相等。因此，电流的幅度的改变并且因此感生的emf将相同，而不论次级开关122a，122b中的哪一个在任何给定时刻操作。
当两个次级开关122a，122b都闭合时，在点Vn的电势(如图5所示)为0，因此：
V_in＝L_mΔi/t_on
其中，ton为两个次级开关122a，122b都闭合的持续时间，并且利用了图5中示出的术语。图7示出了两个次级开关122a，122b随着时间而改变的位置，识别了在整个切换周期的时间期间T中两个次级开关122a，122b都闭合的那些周期ton。可以想到的是，切换周期的频率将在kHZ区域内，但是本发明不限于此方面。
当两个次级开关122a，122b中的一者或另一者打开(并且另一者闭合)时，则Vn等于Vα，Vα为部分112，114(打开的次级开关122a，122b与其相关)的跨主电感器116a，116b上的电势，并且
V_in-V_α＝[-L]_mΔi/(T-t_on)
其中，T为切换周期的时间期间，如图7所示。
限定占空比D为：
D＝t_on/T
上面提出的等式可以一起解决以产生转换函数：
V_out/V_in＝(2+η)1/((1-D))
其中：
η＝√(L_b/L_a)＝√(L_d/L_c)
从上面提出的表达中可以理解，输出电压与输入电压的比可以通过控制占空比而控制，即改变两个次级开关122a，122b都处于其闭合位置的时间比例；和/或通过选择次级电感器118a，118b相对于主电感器116a，116b的电感。
图5中示出的电路因此可以用作升压电路，将输出128处的电压以可控的量相对于输入126处的电压增大。该电路在使用时非常高效，经受最小的损耗。
尽管图7示出了一种可行的模式，其，次级开关122a，122b可被控制，但是本发明不限于该方面。如上面所述，通过适当地控制占空比，可以控制利用电路实现的增压水平。尽管以没有两个开关同时打开的时间期间的方式操作电路是特别有利的，但是本发明不限于该方面。
在一些布置中可能是优选的另一切换布置包括控制开关以使得次级开关122a，122b在操作周期中的多个点处切换，在该点处，跨被切换的开关122a，122b的电势差为0。多种技术可用于实现该控制。一种可能性是独立于主电感器116a，116b但是与其磁性相关而集成另一感测绕组，从而在感测绕组中感生的EMF与在相关的电感器116a，116b内流过的电流相关。通过监控在感测绕组中感生出的EMF，可以确定跨开关122a，122b的电势差何时为0并因此该0电压切换应当何时出现。
图5的电路可以被修改或稍微重新配置以用作降压转换器而非增压转换器。图6示出了当以这样的方式重新配置时的这样的电路。通过将图5与图6比较，可以理解的是，电路的重新配置包括将输入切换为输出，用可控开关替换形成主开关120a，120b的二极管，并且用二极管替换用作次级开关122a，122b的开关。
图6的电路以与图5大体上相同的方式操作，除了在使用时，主开关120a，120b而非次级开关122a，122b被有效地控制。该电路的转换函数可以表达为：
V_out/V_in＝D+((1-D))/((2+η))
从上面提出的转换函数可见，图6的电路包括降压元件(占空比D)和与占空比和电感器值的比二者相关的偏差。因此，如图5的电路，输出电压可以相对于输入电压以以下方式控制：通过控制占空比D，或通过适当地控制主开关120a，120b的操作，或通过控制用在第一部分112和第二部分114中的电感的相对幅度。
如图5的电路一样，虽然图6的电路优选地以主开关120a，120b不同时都处于其打开位置的方式操作，但是如有必要该电路可以这样的方式操作。
如果主开关120a，120b和次级开关122a，122b为可控形式，则可以理解的是，可以产生单个电路，其能够用作增压转换器或用作降压转换器(取决于其在输入和输出之间的连接方式并且根据其被控制的方式)。
如图5的布置，图6的电路优选地被控制以使得0电压切换可以出现。
图8示出了集成了与图5的增压电路串联布置的图6的降压电路的布置，其中增压和降压电路共用一个主电感器110。可以理解的是，通过适当地控制图8的电路的开关的操作，提供了通用的直流-直流转换器方案，其允许输出信号被控制成高于或低于输入信号。该电路可以用在多种范围的应用中，包括但不限于需要将输出信号保持在恒定水平上(尽管具有可变的输入信号)的应用。
在本文中前面所述的电路中，两个部分112，114的电感对称布置。可以理解的是，尽管这是优选的，但是不同于该情况的布置也是可行的。
图5和图6中的增压和降压转换器电路允许输出信号相对于输入处的信号以较高的效率水平而增大或降低。电路相对简单，并且因此组件成本相对低。
可以理解的是，如有必要，图5，图6，和图8中的电路可以集成到图2和图4中示出的通常形式的电路中。
尽管附图示出了落入本发明的范围内的具体电路，但是可以理解的是，在不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，可以对其进行多种变形或替换。

Claims (12)

1.一种直流-直流转换电路，包括主电感器、第一臂和第二臂；该第一臂和第二臂中的每一个都包括主开关、次级开关和初级电感器；所述第一臂和第二臂中的每一个中的所述主开关和所述初级电感器，与所述主电感器在输入和输出之间串联连接；所述第一臂和第二臂中的每一个中的次级开关提供了切换到地的连接，其连接到相关的臂的相关主开关和初级电感器之间的点；并且其中，所述第一臂和第二臂的所述初级电感器之间通过磁性连接；其特征在于所述第一臂和第二臂中的每一个中的所述次级开关被控制使得在所述电路的操作期间，所述的次级开关不同时处于它们的打开位置，从而使得流经所述主电感器的电流连续地变化；并且，在所述电路的操作的某些阶段中，所述的次级开关同时处于闭合位置；其中所述第一臂和第二臂中的每一个都包括磁性连接到相关的臂中的所述初级电感器的次级电感器，并且所述第一臂和第二臂中的每一个中的所述切换到地的连接，都连接到相关的臂中所述初级电感器和所述次级电感器之间的点。
2.如权利要求 1所述的电路，其中该电路配置成操作为增压电路，其中所述输出处的电压大于所述输入处的电压。
3.如权利要求2所述的电路，其中每一所述主开关都采取二极管的形式，并且每一所述次级开关都采取可控的开关的形式。
4.如权利要求3所述的电路，其中，每一所述可控的开关的操作都由相关的电子控制单元控制。
5.如权利要求3所述的电路，其中，每一所述可控的开关都包括晶体管或类似于晶体管的设备。
6.如权利要求1所述的电路，其中该电路配置成操作为降压电路，其中所述输出处的电压小于所述输入处的电压。
7.如权利要求6所述的电路，其中每一所述主开关都采取可控的开关的形式，并且每一所述次级开关都采取二极管的形式。
8.如权利要求7 所述的电路，其中，每一所述可控的开关的操作都由相关的电子控制单元控制。
9.如权利要求7所述的电路，其中，每一所述可控的开关都包括晶体管或类似于晶体管的设备。
10.如权利要求 1所述的电路，其中，切换被设置成当跨被切换的开关的电势差为 0时出现。
11.如权利要求10所述的电路，其中，提供感测绕组以用于确定跨被切换的开关的电势差何时为0。
12.一种操作电路的方法，该电路是如前述任意一条权利要求所述的电路，该方法包括其中在至少某些操作阶段期间，配置两个次级开关使得它们同时处于闭合情况的步骤；以及配置所述次级开关使得它们不同时处于它们的打开位置，从而使得流经主电感器的电流连续地变化的步骤。
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