CN107925346A - 具有改进的功率密度的开关转换器 - Google Patents

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Abstract

描述的示例包括开关功率转换器(100)、控制方法和波纹滤波器电路(110)，其中，第一开关(S1)和第二开关(S2)被串联连接第一DC总线节点(112)和第二DC总线节点(114)两端，其中，电感器(L1)连接到连接第一开关(S1)和第二开关(S2)的开关节点(116)，以及存储电容器(C1)在电感器(L1)与第二DC总线节点(114)之间。控制电路(120)操作开关(S1、S2)以交替地将波纹能量从DC总线电路的DC总线电容器(C2)通过电感器(L1)传递到存储电容器(C1)，并且然后将波纹能量从存储电容器(C1)通过电感器(L1)传递到DC总线电容器(C2)以调节DC总线电路的波纹电压，并且控制电路(120)在DC总线电容器(C2)与存储电容器(C1)之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的电感器电流(IL1)的绝对值的滞环控制。

Description

具有改进的功率密度的开关转换器
背景技术
开关功率转换器包括开关，其经操作以将电功率从一种形式转换为另一种，其包括DC-AC转换器(如开关逆变器)、AC-DC转换器(其被称为有源整流器)、DC-DC转换器和AC-DC-AC转换器。DC-AC和AC-DC开关转换器通常包括DC总线电路，其具有大总线电容器以提供平稳的DC总线电压。对于单相应用，有源整流器或开关逆变器的开关操作引入在DC总线中的高频电压，和通常是AC基频的两倍的波纹电压(双AC波纹)。DC总线电容器需要非常大，以便控制波纹电压振幅以在AC-DC转换器中将平稳的DC总线电压提供给DC源，或在DC-AC转换器中将平稳的DC总线电压作为输入提供给开关逆变器。常规单相DC-AC转换器由于需要大DC总线电容以控制波纹电压而遭受非常低的功率密度。宽带隙转换器开关(例如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)器件)的最新发展已经导致中等服务器电源功率密度的改进。在单相转换器中，GaN和SiC器件的高频率操作可相对于开关频率噪声减少无源AC滤波器电感器和电容器的尺寸。然而，缓冲双AC频率能量的DC总线电容器的尺寸要求独立于转换器的开关频率并且在单相转换器中对增加的功率密度仍然是显著的障碍。电解电容器已被采用以提供在DC总线中的波纹电压的衰减，但与其他电容器类型比较，这些电解电容器遭受较高的故障率和更短的使用寿命。仍需要减小的DC总线电容以提高在开关转换器中的功率密度。
发明内容
描述的示例包括解决方案以减小DC总线电容和减小DC侧双AC波纹同时显著增加单相功率转换器的功率密度，并且能避免使用易遭受故障的电解电容器，以及减小DC侧双-AC波纹。描述的示例包括开关功率转换器、控制方法和波纹滤波器电路，其中，第一和第二开关被串联连接在第一和第二DC总线节点两端，其中，电感器连接到连接第一和第二开关的开关节点以及存储电容器在电感器与DC总线节点中的一个之间。控制电路操作开关以交替地将波纹能量从DC总线电容器通过电感器传递到存储电容器并且然后将波纹能量从存储电容器通过电感器传递到DC总线电容器，以调节DC总线电路的波纹电压。在一些示例中，控制电路在DC总线电容器与存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的电感器电流的绝对值的滞环控制。
附图说明
图1是具有波纹滤波器电路的开关功率转换器的示意图，波纹滤波器电路包括两个开关、电感器、存储电容器、钳位二极管和控制电路以控制DC总线波纹电压。
图2是示例控制电路的示意图，示例控制电路提供滞环电流控制回路电路和电压控制回路以操作波纹滤波器电路开关以调节图1的转换器中的波纹电压。
图3是示出图1的转换器中的各种信号的波形图。
图4是图1的转换器中的示例全H-桥开关逆变器或有源整流器电路的示意图。
图5是包括波纹滤波器电路和六装置开关逆变器的示例DC-AC开关功率转换器的示意图。
具体实施方式
在附图中，相似的附图标记自始至终指代相似的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。术语“耦合(couple、couples或coupled)”意在包括间接或直接的电连接或机械连接或其组合。例如，如果第一装置耦合到第二设备或与第二设备耦合，则该连接可以是通过直接电连接，或者通过经由一个或更多个中间装置和连接件的间接电连接。
开关转换器之前遭受低功率密度，如对于单相DC-AC转换器的约5W/立方英寸，并且许多服务器电源具有仅25W/立方英寸的功率密度。为了改善DC-AC或AC-DC转换器的功率密度，示例实施例提供了用于调节或控制在DC总线电路中的波纹电压的波纹滤波器电路系统和控制方法。描述的示例选择性地以受控的方式存储波纹能量或将波纹能量从DC总线电容器传递到存储电容器并且然后将波纹能量从存储电容器传递到DC总线电容器。某些示例包括波纹滤波器开关控制电路系统，其在DC总线电容器与存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的波纹滤波器电感器电流的滞环控制。示例还提供二极管连接以当存储电容器电压超过DC总线电压时从存储电容器传导电流到DC总线，以及提供第二二极管以当存储电容器电压为负时从存储电容器传导电流。以这种方式，描述的示例减轻或避免波纹滤波器电路的存储电容器上的潜在过电压应力。
示例实施例的某些概念提供优于需要复杂的闭环控制和参数估计的其他波纹端口的方法的优点，并且可促进完全使用存储电容器。而且，某些控制电路示例利用也可用于正常的开关转换器的闭环操作的DC总线电压反馈信号以及表示流过波纹滤波器电感器的电流而不需要感测相脚中的相关联的寄生电感增加中的开关电流的信号。某些描述的示例也避免与不连续电流模式或不连续导通模式(DCM)操作相关联的电流应力，该不连续电流模式或不连续导通模式(DCM)操作与其他波纹端口方法相关联。在给定的开关功率转换器的设计中，描述的示例有利地促进DC电容的减小或最小化，这潜在地导致功率密度大的增加。而且，公开的概念允许使用非电解电容器以提供DC总线电容，同时提高功率密度，从而避免了与电解电容器相关联的故障问题。此外，描述的示例划分DC侧双AC波纹调节或控制，以促进提供用于在驱动DC负载(例如，用于AC-DC转换器应用)中使用的平稳的DC总线电压或用于提供平稳的DC输入到开关逆变器以驱动DC-AC转换器应用中的AC负载。
图1说明了开关功率转换器100，其在不同的应用中可以是AC-DC转换器或DC-AC转换器。功率转换器100包括具有第一(例如，正)DC总线节点112和第二DC总线节点114的DC总线电路。在一个示例中，第二DC总线节点114是系统的公共连接COM，其可以是接地连接或其他参考电压。DC总线电路还包括连接在第一DC总线节点112与第二DC总线节点114之间的DC总线电容器C2。在一个示例中，DC总线电路被设计为特定范围的DC总线电压，例如约400VDC。示例实施例的概念可与具有任何标称的或预期的DC总线电压电平的开关功率转换器系统相关联使用，并且不限于描述的示例。在一个示例中，DC总线端子112和114被耦合以从DC源130(例如，DC-AC转换器)接收DC输入功率。在其他示例中，DC总线被连接以驱动DC负载130(例如，AC-DC转换器)。DC总线节点112和114还被连接到开关电路140，开关电路140包括开关装置以使DC总线电路与AC负载或AC源150连接。图3和图4说明了可使用的开关电路140的两个示例。在操作中，DC源130或有源整流器140在DC总线节点112与114之间提供DC总线电压。在描述的示例中，相对于第二DC总线节点114，在第一DC总线节点112处，DC总线电压为正。
开关功率转换器100还包括连接到DC总线节点112和114的波纹滤波器电路110。在操作中，波纹滤波器电路110使用存储电容器C1、由第一开关S1和第二开关S2形成的半桥开关电路脚以及电感器L1存储来自DC总线电路的波纹能量。开关S1和S2由控制电路120根据一个或更多个反馈信号(如表示DC总线节点112与114之间的DC总线电压的电压传感器信号VDC，以及表示在电感器L1中流动的电流IL1的电感器电流信号)操作。在一个示例中，波纹滤波器电路110包括与电感器L1串联耦合的电流传感器128，以测量电感器电流IL1。可以使用任何合适的电流传感器，包括电感式传感器或提供电压信号的感测电阻器。传感器128具有输出126，以将信号IL1提供给控制电路120。第一(上)开关S1选择性地经由电感器L1将电容器连接到第一DC总线节点112，以使用在图1中指示的方向流动的电流IL1对电容器C1进行充电，其将波纹能量从DC总线电路传递到存储电容器C1。第二(下)开关S2操作以选择性地将存储电容器C1的上端子连接到第二DC总线节点114，以便通过电感器L1对电容器C1进行放电，其将能量从存储电容器C1传递回DC总线电路。
第一开关S1包括连接到第一DC总线节点112的第一(上)端子，和连接到开关节点116的第二端子。开关S1的第一控制端子122经耦合以从控制电路120接收第一开关控制信号SC1。第二开关S2包括连接到开关节点116的第一端子、连接到第二DC总线节点114的第二端子和经耦合以从控制电路120接收第二开关控制信号SC2的第二控制端子124。第一开关S1和第二开关S2形成DC总线节点112与114之间的半桥开关脚，其中，开关节点116连接开关S1和S2。电感器L1包括连接到开关节点116的第一端子和连接到第二节点118的第二端子。存储电容器C1包括连接到第二节点118的第一(上)端子和连接到第二DC总线节点114的第二(下)端子。在其他示例中，存储电容器C1的第二端子被连接到第一DC总线节点112。
通过分别提供开关控制信号SC1和SC2至控制端子122和124，控制电路120操作开关S1和S2，以便交替地将波纹能量从DC总线电容器C2传递通过电感器L1用于存储在存储电容器C1中，并且然后将波纹能量从存储电容器C1传递到DC总线电容器C2以调节DC总线电路的波纹电压。该操作控制如图1中指示的表示在存储电容器C1两端的电压的电压信号VC1。存储电容器C1的交替存储(例如，充电)和放电控制或调节DC总线电路的波纹电压的量。反过来，这放松DC总线电容器C2所需的电容量。较低的电容要求减轻电解DC总线电容器的需要，并且有利地允许开关功率转换器100的功率密度的潜在地显著增加。在某些示例中，DC总线电容器C2是非电解的。而且，虽然C1和C2被说明为单个电容器组件，但是DC总线电容器C2和/或存储电容器C1也可以是以任何合适的串联和/或并联配置连接的两个或更多个电容器组件。
波纹滤波器电路110还包括具有连接到第二节点118的阳极和连接到第一DC总线节点112的阴极的第一二极管D1。在操作中，当存储电容器C1两端的正电压VC1超过第一DC总线节点112与第二DC总线节点114之间的DC总线电压VDC时，二极管D1将电流从存储电容器C1传导到DC总线电容器C2。波纹滤波器电路110包括具有连接到第二DC总线节点114的阳极和连接到第二节点118的阴极的第二二极管D2。当存储电容器C1两端的电压VC1为负时，二极管D2从存储电容器C1的第二端子传导电流。以这种方式，波纹滤波器电路120可有利地利用存储电容器C1的存储容量的全部或大部分(例如，以暂时存储接近DC总线电压VDC的电压VC1)，其中，二极管D1和D2减轻或防止存储电容器C1上的过压应力。
图2示出了提供滞环电流控制电路240和电压控制电路250的示例控制电路120。电路120实施电压和电流控制回路以操作波纹滤波器电路开关S1和S2并且调节波纹电压及控制图1的转换器中的电感器电流IL1。在这个示例中，电压控制电路250包括被说明为第一低通滤波器电路200和第二低通滤波器电路202的滤波器电路以及求和电路204。滤波器电路系统200、202、204对表示在第一DC总线节点112的DC总线电压VDC的第一信号VDC滤波，以提供表示DC总线电路的波纹电压的第二信号VR。在这个示例中，第一低通滤波器电路200(图中LPF1)具有5至10kHz的截止频率以除去较高频率的开关噪声分量并且在输出201提供第一滤波器输出信号VD。第二低通滤波器电路202具有低于AC负载或源150的基本AC频率的截止频率(如约为10Hz)。第二滤波器电路202具有提供表示DC总线电路的DC电压的第二滤波器信号VF的输出203。求和电路204从VD信号减去VF信号以在输出节点205提供第二信号VR。信号VR表示DC总线电路的波纹电压。
图2中的电压控制电路250包括两个比较器电路、两个参考电路、逻辑门和驱动器电路以实施电压控制回路以根据VR信号调节DC总线电路的波纹电压。第一比较器206具有通过第一电阻器R1连接到求和电路输出节点205的非反相输入(+)以接收信号VR。第二电阻器R2和电容器C3的并联组合被连接在比较器206的非反相输入与输出207之间。第一比较器输出207提供顶侧开关使能信号ENT。比较器206的反相输入(-)被连接到第一电压参考208，第一电压参考208提供了用作第一阈值的参考电压TH1。当波纹电压信号VR超过第一阈值TH1时，比较器206提供在第一(例如，高)状态或电平的使能信号ENT。第二比较器220包括连接到求和电路输出节点205的反相输入以接收VR信号。第二比较器220的非反相输入通过电阻器R3被连接以从第二电压参考220接收第二阈值电压TH2。由电阻器R4和电容器C4形成的并联反馈电路被连接在第二比较器220的非反相输入与输出221之间以提供底侧使能信号ENB。当波纹电压信号VR小于第二阈值电压TH2时，比较器220断言底侧使能信号ENB(为高电平有效)。
参考图1和图2，电压控制电路250包括驱动器电路系统和逻辑门，逻辑门将开关控制信号SC1提供给第一开关S1的控制端子122，并且将第二开关控制信号SC2提供给第二开关S2的控制端子124。电压控制电路250从电流控制电路240接收第一驱动使能信号DR和第二驱动使能信号DRN以促进波纹滤波器电路110中的电感器电流IL1的滞环电流控制。顶侧开关使能信号ENT作为输入被提供到AND门210。AND门210的第二输入从电流控制电路240接收DR信号。AND门210的输出提供输入至OR门214。OR门的输出被连接到波纹滤波器电路110的上第一开关S1的控制端子122。在图1的示例中，开关S1和S2是NMOS晶体管。使用不同类型的晶体管(例如，双极型或IGBT)的其他实施方式是可能的。而且，可使用PMOS晶体管或NMOS与PMOS晶体管的组合进行其他示例，在这种情况下，电压控制电路250中的驱动器电路系统的逻辑被修改以提供低电平有效的开关控制信号SC1和/或SC2。
在图2的示例中，AND门210将逻辑高输出信号提供给OR门214，以当ENT和DR信号都为高时选择性地提供第一开关控制信号SC1。这指示电流控制电路240已经选择了正常极性以解决正的波纹电压，并且电压控制电路250的第一比较器206已经检测到第二信号VR超过第一阈值TH1。第二比较器220的输出221提供底侧使能信号ENB作为输入至AND门224，并且AND门224的第二输入从电流控制电路240接收驱动使能信号DR。AND门224的输出作为输入被连接至第二OR门228。OR门228的输出124提供第二开关控制信号SC2以控制波纹滤波器电路110的第二开关S2的操作。OR门228的其他输入由另一个AND门226提供，其接收ENT和DRN信号作为输入。在一个示例中，电压控制电路250还包括具有连接到比较器输出的输入207和221的另一个OR门216。OR门216将信号提供给生成使能信号EN的反相器218。当ENT或ENB信号为高时，使能信号EN为低有效电平，并且可由主系统使用以控制开关电路140的操作或用于在开关转换器系统100内的其他控制目的。在其他示例中，可在可编程或编程的装置(如经由固件和/或软件程序代码或指令的微控制器或计算机)中实施电流控制电路240和电压控制电路250的逻辑的全部或部分。
在一个示例中，第一阈值TH1表示第一波纹电压阈值VTH1(图3)，其高于标称DC总线电压约3V。例如，如果DC总线具有第一DC总线端子112与第二DC总线端子114之间的400VDC电压，则当第一DC总线端子112的电压高于第二DC总线端子114的电压约403V时，检测器206断言ENT信号(高电平有效)。第二AND门212提供第二输入至OR门214以选择性地使能第一开关控制信号SC1。AND门212具有输入以从电流控制电路240接收反相驱动器使能信号DRN和从第二比较器220接收ENB信号。当波纹电压信号VR低于第二阈值电压TH2时，第二比较器220断言ENB信号(高电平有效)。例如，电压参考222提供在表示第二波纹电压阈值VTH2(图3)(其低于标称DC总线电压约3V)的电平处的第二阈值电压TH2。第一阈值TH1和第二阈值TH2允许电压控制电路250在一范围(例如，397V到403V)内有效地调节DC总线电路波纹电压，该范围为DC总线电容器C2提供可管理的电容要求。反过来，这促进使用非电解电容器C2，以及DC总线电容器C2的整体物理尺寸的潜在地显著减少以得到开关功率转换器100的功率密度的改进。
OR门214选择性地使能第一开关控制信号SC1以根据第一阈值TH1或第二阈值TH2(取决于来自电流控制电路240的驱动器使能信号DR和DRN)并且根据基于电压阈值比较的ENT和ENB信号控制第一开关S1。OR门228选择性地使能第二开关控制信号SC2，以便根据基于DR和DRN信号的阈值TH1和TH2中的另一个控制第二开关S2。在说明的示例中，电压控制电路250的驱动器电路系统和逻辑响应于信号VR超过第一阈值TH1选择性地使能开关控制信号SC1或SC2中的一个，以及响应于信号VR降至第二阈值TH2以下选择性地使能第一开关控制信号SC1和第二开关控制信号SC2中的另一个，以调节DC总线电路的波纹电压。结合下图3进一步地说明和描述，通过选择性地提供第一开关控制信号SC1和第二开关控制信号SC2，电压控制电路250控制DC总线电路的波纹电压，以响应于DC总线电压VDC超过上阈值VTH1选择性地将波纹能量从DC总线电容器C2传递给存储电容器C1。电压控制电路250还控制信号SC1和SC2以响应于DC总线电压VDC降至下阈值VTH2以下选择性地将波纹能量从存储电容器C1传递到DC总线电容器C2。
如图2中进一步地示出，电流控制电路240实施电流控制回路。电流控制电路240选择性地将驱动使能信号DR和DRN提供给电压控制电路250，以根据表示在电感器L1中流动的电感器电流IL1的绝对值的信号|IL1|在任何给定时间选择性地使能第一开关控制信号SC1或第二开关控制信号SC2。电流控制电路240在DC总线电容器C2与存储电容器C1之间的波纹能量传递期间提供在第一值ITH1与较高的第二值ITH2之间的电感器电流IL1的绝对值的滞环控制。在这个示例中，正常的驱动信号DR从S-R触发器238的Q输出被提供给电压控制电路250，并且由触发器238的Q’输出提供反相驱动信号DRN。
电流控制电路240包括接收电感器电流传感器信号IL1并提供绝对电流值信号|IL1|的绝对值电路242。可使用任何合适的绝对值电路242，如在一个示例中，为整流器。提供信号|IL1|给第三比较器230的反相输入用于与来自第三电压参考232的第三阈值TH3进行比较。电压参考232设置对应于图3中的第一电流电平ITH1(例如，10A)的阈值TH3。比较器230的输出231提供设置(S)输入到触发器238。当绝对电流值信号|IL1|降至阈值TH3以下时，触发器238设置DR信号为高以使能电压控制电路250的AND门210和224。在这种状态下，当比较器206通过波纹电压信号VR超过阈值TH1断言信号ENT时，第一开关控制信号SC1被使能(S1可接通)。而且在这种状态下，当比较器220通过波纹电压信号VR降至阈值TH2以下断言信号ENB时，第二开关控制信号SC2被使能(S2可接通)。
电流控制电路240还包括在非反相输入接收信号|IL1|并且在反相输入接收来自第四电压参考236的第四阈值TH4的另一个比较器234。比较器234的输出235提供复位(R)输入到触发器238。电压参考236设置对应于图3中的第二较高电流电平ITH2(例如，13A)的阈值TH4。当绝对电流值信号|IL1|超过阈值TH4时，触发器238设置DRN信号为高以使能电压控制电路250的AND门212和226。在这种状态下，当比较器220通过波纹电压信号VR降至阈值TH2以下断言信号ENB时，第一开关控制信号SC1被使能(SI可接通)。而且在这种状态下，当比较器206通过波纹电压信号VR超过阈值TH1断言信号ENT时，第二开关控制信号SC2被使能(S2可接通)。
控制电路120实施双回路控制以调节波纹电压，从而允许在DC总线电路中使用较低电容、非电解电容器C2。电压控制电路250实施电压控制回路以在由电压参考208和222(对应于图3中的电压阈值VTH1和VTH2)限定的范围内调节DC总线电路的波纹电压，以将波纹能量从DC总线电容器C2传递到存储电容器C1以减小波纹电平，并且然后将波纹能量从存储电容器C1传递回DC总线电容器C2以交替的方式来支撑DC总线电压。在通过电压控制电路250对存储电容器C1交替充电和放电期间，电流控制电路240实施具有滞回的电流控制回路以控制电感器电流IL1的绝对值在第一值ITH1与较高的第二值ITH2之间。该滞环电流控制减轻对波纹滤波器电感器L1的应力。而且，图1中的二极管D1和D2抑制对存储电容器C1的过压应力以防止负的或过量的正电容器电压。反过来，波纹滤波器电路110的这些优点促进显著的空间节省，特别是减少DC总线电容器C2的物理尺寸和电容，从而提高了开关功率转换器的功率密度。
图3示出了说明在开关逆变器140的稳态操作期间DC-AC转换器的实施方式的情况下图1和图2中的波纹滤波器电路110和转换器100的各种信号的波形图300。在这个示例中，AC输出电压曲线302和AC输出电流曲线304说明了开关逆变器140的大致正弦形输出以驱动AC负载150。DC总线电路将DC输入功率提供给逆变器140。逆变器140的开关动作产生DC总线电压VDC中的波纹电压，如曲线308所示。根据感测到的VDC和IL1信号，波纹滤波器电路110通常独立于逆变器开关操作。对于其中开关电路140是产生DC总线电路中的波纹电压的有源整流器的AC-DC转换器实施方式，波纹滤波器电路110是类似的。
图3示出顶侧使能信号ENT为曲线310，以及底侧使能信号ENB被示出为曲线312。当DC总线电压VDC在电压控制阈值VTH1和VTH2外转换时，电压控制电路150选择性地使开关S1和S2致动。对于高于上阈值VTH1(例如，高于403V)转换，电路110从DC总线电路传递能量以对存储电容器C1进行充电，其被示出为存储电容器电压曲线312的上升部分(图1中的VC1)。当VDC转换低于下阈值VTH2(例如，低于397V)时，开关S1和S2被操作以将能量从存储电容器C1传递到DC总线电容器C2，其被示出为VC1曲线314的下降部分。DC总线电流曲线306(图1中的IDC)响应于接通和断开S1和S2经历转换。
图3中的曲线316示出了流过电感器L1的波纹滤波器电路的电感器电流IL1。在这个示例中，正电流从开关节点118流过电感器L1以对存储电容器C1进行充电。这减小了总线电压VDC，示出为在曲线308中T0与T1之间、T3与T4之间以及再次在T7与T8之间的下降。电压控制电路250通过操作开关S1和S2将能量从存储电容器C1传递回DC总线电容器C2以传导负电流IL1。这引起存储电容器电压VC1的下降(曲线314)并增加DC总线电压VDC(曲线308)，在图3中示出在T1与T2之间、T5与T6之间以及再次在T9之后。在介入阶段期间，当VDC在阈值VTH1与VTH2之间的调节范围时，电压控制电路250禁用开关控制信号SC1和SC2，示出在图3中T2与T3之间、T4与T5之间、T6与T7之间以及再次T8与T9之间。
电流控制电路240提供来自触发器238的DR和DRN信号以选择性地控制开关控制信号SC1和SC2的使能，以在正阈值范围+ITH1至+ITH2内调节电感器电流IL1以对C1进行充电，或在从-ITH1至-ITH2的负阈值范围内调节电感器电流IL1以使C1进行放电。在说明的示例中，ITH1为10A以及ITH2为13A。在说明的示例中，电流控制电路240使能SC1以随着电流IL1从+10A增加至+13A传导电流，并且然后使信号DR和DRN反相以使能SC2来传导正电流通过S2以使电感器电流从+13A下降至+10A(例如，在图3中，T0与T1之间、T3与T4之间以及再次T7与T8之间)。对于图3中的T1与T2之间、T5与T6之间以及再次在T9之后的负电流调节，电流控制电路240使能SC2以随着负电流IL1从-10A增加至-13A传导电流，并且然后使信号DR和DRN反相以使能SC1来传导负电流通过S1以使电感器电流从-13A下降至-10A。可使用其他电流调节范围，并且正和负范围如图所示可以是相同的，或在其他示例可以不同。控制电感器电流IL1促进最小化电感器的尺寸，并且由此进一步有助于提高转换器的功率密度。
参考图4和图5，公开的波纹滤波器电路110可与各种不同的开关电路140组合使用。可使用其他逆变器/整流器电路，并且本公开并不限于说明的示例。图4示出了可在图1的转换器中使用的示例全H桥开关逆变器或有源整流器电路140，以连接DC总线电路与单相AC负载或AC源150。在这种情况下，开关电路140包括形成连接在DC总线节点112与114之间的半桥开关电路脚的开关装置S3和S4，具有通过输出电感器L2连接到AC源或AC负载150的第一AC连接件的开关节点。其他AC端子被连接到在第二半桥开关脚电路中连接开关装置S5和S6的开关节点。图5示出了在单相DC-AC开关功率转换器中的示例六装置开关逆变器电路140，以及如上所述的波纹滤波器电路110。在这个示例中，开关电路140是开关逆变器以转换来自DC总线电路的功率，以使用从DC源的输出转换的功率驱动AC负载150。该示例逆变器140包括六个开关装置S7-S12，其中，在所述DC总线节点112与114之间，S7、S12和S10连接在第一脚电路中，以及其中，S8、S9和S11连接在第二脚电路中。每个脚电路具有通过对应输出电感器L3或L4连接到AC负载150的上开关节点，以及通过对应二极管D3或D4连接到另一个上开关节点的下开关节点。图5中的示例逆变器140还包括输出滤波器电容器C5。
示例实施例的进一步的方面提供了用于控制在开关功率转换器的DC总线电路中的波纹电压的方法。在一个示例中，方法包括将第一开关和第二开关彼此串联连接在DC总线电路的第一和第二DC总线节点之间，将电感器的第一端子连接到连接第一开关与第二开关的开关节点，将存储电感器连接在电感器的第二端子与DC总线节点中的一个之间，以及控制开关以交替地将波纹能量从DC总线电路的DC总线电容器通过电感器传递到存储电容器，并且然后将波纹能量从存储电容器通过电感器传递到DC总线电容器以调节DC总线电路的波纹电压。方法进一步包括根据表示在电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地使能第一开关和第二开关的操作，以在DC总线电容器与存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的电感器电流的绝对值的滞环控制。在某些示例中，方法进一步包括对表示DC总线电路的DC总线电压的第一信号进行滤波，以提供表示DC总线电路的波纹电压的第二信号，以及响应于第二信号超过第一阈值选择性地操作第一开关和第二开关中的一个，以及响应于第二信号降至第二阈值以下选择性地操作第一开关和第二开关中的另一个以调节DC总线电路的波纹电压。
在描述的实施例中修改是可能的，并且在权利要求的范围内其他实施例是可能的。

Claims (20)

1.一种波纹滤波器电路，其用于在开关功率转换器中存储来自DC总线电路的波纹能量，所述波纹滤波器电路包括：
第一开关，包括连接到第一DC总线节点的第一端子、连接到开关节点的第二端子以及经耦合以接收第一开关控制信号的第一控制端子；
第二开关，包括连接到所述开关节点的第一端子、连接到第二DC总线节点的第二端子以及经耦合以接收第二开关控制信号的第二控制端子；
电感器，包括连接到所述开关节点的第一端子和连接到第二节点的第二端子；
存储电容器，包括连接到所述第二节点的第一端子和连接到所述第一和第二DC总线节点中的一个的第二端子；
第一二极管，包括连接到所述第二节点的阳极和连接到所述第一DC总线节点的阴极，以当在所述存储电容器两端的正电压超过所述第一与第二DC总线节点之间的DC总线电压时从所述存储电容器传导电流到所述DC总线电路的DC总线电容器；
第二二极管，包括连接到所述第二DC总线节点的阳极和连接到所述第二节点的阴极，以当在所述存储电容器两端的所述电压为负时从所述存储电容器的所述第二端子传导电流；以及
控制电路，其将所述第一开关控制信号提供给所述第一控制端子且将所述第二开关控制信号提供给所述第二控制端子以操作所述第一和第二开关，以交替地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器并且然后将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
2.根据权利要求1所述的波纹滤波器电路，其中所述控制电路包括电压控制电路，所述电压控制电路包括滤波器电路以对表示所述DC总线电压的第一信号进行滤波，以提供表示所述DC总线电路的波纹电压的第二信号，所述电压控制电路进一步包括驱动器电路以响应于所述第二信号超过第一阈值，选择性地使能所述第一和第二开关控制信号中的一个，并且响应于所述第二信号降至第二阈值以下，选择性地使能所述第一和第二开关控制信号中的另一个，以调节所述DC总线电路的波纹电压。
3.根据权利要求2所述的波纹滤波器电路，其中所述控制电路进一步包括电流控制电路，以根据表示在所述电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地使能所述第一开关控制信号或所述第二开关控制信号，以在所述DC总线电容器与所述存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的所述电感器电流的绝对值的滞环控制。
4.根据权利要求3所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述电压控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
5.根据权利要求2所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述电压控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
6.根据权利要求1所述的波纹滤波器电路，其中所述控制电路包括电流控制电路以根据表示在所述电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地使能所述第一开关控制信号或所述第二开关控制信号，以在所述DC总线电容器与所述存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的所述电感器电流的绝对值的滞环控制。
7.根据权利要求6所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
8.根据权利要求1所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
9.一种开关功率转换器，其包括：
DC总线电路，包括：第一DC总线节点、第二DC总线节点以及连接在所述第一和第二DC总线节点之间的DC总线电容器；
开关电路，包括多个开关装置以连接所述DC总线电路与AC负载或AC源；以及
波纹滤波器电路，其存储来自所述DC总线电路的波纹能量以调节所述DC总线电路的波纹电压，所述波纹滤波器电路包括：
连接在所述第一DC总线节点与开关节点之间的第一开关，
连接在所述开关节点与所述第二DC总线节点之间的第二开关，
连接在所述开关节点与第二节点之间的电感器，
连接在所述第二节点与所述第一和第二DC总线节点中的一个之间的存储电容器，
第一二极管，包括连接到所述第二节点的阳极和连接到所述第一DC总线节点的阴极，
第二二极管，包括连接到所述第二DC总线节点的阳极和连接到所述第二节点的阴极，以及
控制电路，其经耦合以控制所述第一和第二开关，以选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器并且然后将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器，以调节所述DC总线电路的波纹电压。
10.根据权利要求9所述的开关功率转换器，其中所述DC总线电容器是非电解的。
11.根据权利要求9所述的开关功率转换器，其中所述开关电路是开关逆变器以转换来自所述DC总线电路的功率以驱动AC负载。
12.根据权利要求9所述的开关功率转换器，其中所述控制电路包括电压控制电路，所述电压控制电路包括滤波器电路以对表示所述DC总线电压的第一信号进行滤波，以提供表示所述DC总线电路的波纹电压的第二信号，所述电压控制电路进一步包括驱动器电路以响应于所述第二信号超过第一阈值，选择性地操作所述第一和第二开关中的一个，以及响应于所述第二信号降至第二阈值以下，选择性地操作所述第一和第二开关中的另一个，以调节所述DC总线电路的波纹电压。
13.根据权利要求12所述的开关功率转换器，其中所述控制电路进一步包括电流控制电路以根据表示在所述电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地使能所述第一和第二开关的操作，以在所述DC总线电容器与所述存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的所述电感器电流的绝对值的滞环控制。
14.根据权利要求13所述的开关功率转换器，其中通过控制所述第一和第二开关的操作，所述电压控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
15.根据权利要求12所述的开关功率转换器，其中通过控制所述第一和第二开关的操作，所述电压控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
16.根据权利要求9所述的开关功率转换器，其中，所述控制电路包括电流控制电路以根据表示在所述电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地控制所述第一和第二开关的操作，以在所述DC总线电容器与所述存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的所述电感器电流的绝对值的滞环控制。
17.根据权利要求16所述的开关功率转换器，其中，通过控制所述第一和第二开关的操作，所述控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
18.根据权利要求9所述的开关功率转换器，其中通过提供所述第一和第二开关控制信号，所述控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。
19.一种控制开关功率转换器的DC总线电路中的波纹电压的方法，所述方法包括：
将第一和第二开关彼此串联连接在所述DC总线电路的第一与第二DC总线节点之间；
将电感器的第一端子连接到连接所述第一和第二开关的开关节点；
将存储电容器连接在所述电感器的第二端子与所述第一和第二DC总线节点中的一个之间；
控制所述第一和第二开关以交替地将波纹能量从所述DC总线电路的DC总线电容器通过所述电感器传递到所述存储电容器并且然后将波纹能量从所述存储电容器通过所述电感器传递到所述DC总线电容器，以调节所述DC总线电路的所述波纹电压；以及
根据表示在所述电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地使能所述第一和第二开关的操作，以在所述DC总线电容器与所述存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的所述电感器电流的绝对值的滞环控制。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括：
对表示所述DC总线电路的DC总线电压的第一信号进行滤波，以提供表示所述DC总线电路的波纹电压的第二信号；以及；
响应于所述第二信号超过第一阈值，选择性地操作所述第一和第二开关中的一个，以及响应于所述第二信号降至第二阈值以下，选择性地操作所述第一和第二开关中的另一个，以调节所述DC总线电路的所述波纹电压。
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