CN108880257A - 发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发电系统，其包括用于提供第一直流电压的电池、具有与电池耦合的第一初级绕组、与电池耦合的第二初级绕组和次级绕组的隔离变压器、与第一初级绕组耦合的第一功率开关、与第二初级绕组耦合的第二功率开关、以及与变压器的次级绕组耦合的电压倍增器。第一功率开关，第二功率开关和隔离变压器被配置用于将来自电池的第一直流电压转换为第二交流电压。电压倍增器被配置用于将来自变压器的次级绕组的第二交流电压转换为提供给负载的第三直流电压。本发明还公开了一种发电方法。

Description

发电系统及方法
技术领域
本发明大体涉及发电领域，尤其涉及一种高压发电系统及高压发电方法。
背景技术
高压发电系统例如被用于将调节后的高压直流电(Direct Current，DC)提供给负载。现有的发电系统通常包括变压器及耦合到变压器的电压倍增器。变压器具有高的次级-初级匝数比，因此可以将相对低压的交流电(Alternating Current，AC)转换为相对高压的交流电。电压倍增器利用二极管和电容器以将来自变压器的次级绕组的高压交流电进一步升高，以及将该高压交流电转换为目标高压直流电。
一种类型的高压发电系统主要依赖于变压器来提供高压，并且因此包括非常高的次级-初级匝数比。然而，这种具有非常高的次级-初级匝数比的高压发电系统所伴随的问题是会导致变压器的次级绕组具有大的寄生阻抗和高的交流应力，而且变压器的漏感很难控制。如果使用多个变压器来提供高压，则会增加整个高压发电系统的体积。
另一种类型的高压发电系统主要依赖于电压倍增器来提供高压，并且因此需要具有很高的的放大因数。然而，这种发电系统在运行期间会产生很高的热值，这无疑会增加功耗。
因此，有鉴于此，有必要提供一种改进的高压发电系统及发电方法以解决如上所述的至少一个问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种发电系统。所述发电系统包括用于提供第一直流电压的电池、包括与所述电池耦合的第一初级绕组、与所述电池耦合的第二初级绕组及次级绕组的隔离变压器、与所述第一初级绕组耦合的第一功率开关、与所述第二初级绕组耦合的第二功率开关、以及与所述变压器的所述次级绕组耦合的电压倍增器。所述第一功率开关，所述第二功率开关和所述隔离变压器被配置用于将来自所述电池的所述第一直流电压转换为第二交流电压。所述电压倍增器被配置用于将来自所述变压器的所述次级绕组的所述第二交流电压转换为提供给负载的第三直流电压。
本发明的另一个方面在于提供一种发电方法。所述发电方法包括：由电池提供第一直流电压；将来自所述电池的所述第一直流电压转换为第二交流电压，其包括将所述第一直流电压交替地施加到隔离变压器的第一初级绕组和第二初级绕组及从所述变压器的次级绕组输出所述第二交流电压；由电压倍增器将来自所述变压器的所述次级绕组中的所述第二交流电压倍增到第三直流电压；以及将所述第三直流电压提供给负载。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明的一个具体实施方式的发电系统的示意图；
图2是施加的互补的栅极驱动信号的一个具体实施方式的波形图；
图3是施加的互补的栅极驱动信号的另一个具体实施方式的波形图；及
图4是根据本发明的一个具体实施方式的示意性发电方法的流程图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，指示特定位置的术语，例如“顶”、“底”、“左”及“右”等，仅仅只是参考特定附图所做的描述。本发明所披露的各个具体实施方式可以是以本发明附图所示的不同方式放置。因此，在本文中所使用的位置术语并不应局限于特定具体实施方式所示的位置。
发电系统
图1示出根据本发明的一个具体实施方式的发电系统100的示意图。如图1所示，发电系统100包括电池Vin、隔离变压器1、第一功率开关Q1、第二功率开关Q2及电压倍增器2。电池Vin可以提供第一直流(DC)电压。变压器1具有与电池Vin耦合的第一初级绕组W1、与电池Vin耦合的第二初级绕组W2及次级绕组W3。第一功率开关Q1与第一初级绕组W1相耦合，第二功率开关Q2与第二初级绕组W2相耦合。第一功率开关Q1、第二功率开关Q2及隔离变压器1可以协作将来自电池Vin的第一直流电压转换为第二交流(AC)电压。电压倍增器2与变压器1的次级绕组W3耦合，且可以将来自变压器1的次级绕组W3的第二交流电压转换为第三直流(DC)电压Vo。第三直流电压Vo可以通过功率存储装置，例如超级电容被提供给负载(未示出)。
本发明的发电系统100为一种高压发电系统。在发电系统100中，来自电池Vin的第一直流电压的值小于来自变压器1的次级绕组W3的第二交流电压的值，来自变压器1的次级绕组W3的第二交流电压的值小于由电压倍增器2输出的第三直流电压Vo的值。例如，第一直流电压是低压直流电，第二交流电压是中压交流电，第三直流电压是高压直流电。
电池Vin的正极分别与第一初级绕组W1的异名端以及第二初级绕组W2的同名端相连。第一初级绕组W1与次级绕组W3的匝数比等于第二初级绕组W2与次级绕组W3的匝数比。
作为一个示例，第一功率开关Q1和第二功率开关Q2均为晶体管，分别被称为第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。结合参考图2，第一晶体管Q1的栅极g1和第二晶体管Q2的栅极g2被提供互补的栅极驱动信号。也就是说，在T时间段内，当第一晶体管Q1的栅极g1被提供高电平，第一晶体管Q1导通时，则第二晶体管Q2的栅极g2被提供低电平，第二晶体管Q2关断；而当第一晶体管Q1的栅极g1被提供低电平，第一晶体管Q1关断时，则第二晶体管Q2的栅极g2被提供高电平，第二晶体管Q2导通。因此，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2可以交替地被导通，从而来自电池Vin的第一直流电压可以交替地被施加于变换器1的第一初级绕组W1和第二初级绕组W2。当然，应该注意的是，在T时间段内，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2可能会存在死区时间Td。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的死区时间Td非常短，因此通常可以被忽略。
继续参考图1，第一晶体管Q1的漏极d1与第一初级绕组W1的同名端相耦合，第二晶体管Q2的漏极d2与第二初级绕组W2的异名端相耦合，且第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的源极s1和s2均接地。因此，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的驱动方式可以极大地被简化。
在一个可选的具体实施方式中，本发明的发电系统100可以执行软启动方案来限制超级电容的高涌入电流，从而延长超级电容的使用寿命。如图3所示，提供给第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的互补的栅极驱动信号的占空比可以逐渐增加。因此，通过这种驱动方式可以限制超级电容的高涌入电流。
返回参照图1，电压倍增器2可以包括负倍增器部分21和正倍增器部分22。负倍增器部分21和正倍增器部分22均包括与变压器1的次级绕组W3的输出端相连的一对输入端。
负倍增器部分21和正倍增器部分22中的每一个可以包括级联的至少一个倍增级。每一个倍增级具有二极管和电容。例如，负倍增器部分21可以包括n个倍增级，因此，来自变压器1的次级绕组W3的交流电压可以在负倍增器部分21被放大为2n倍的负直流电压。负倍增器部分21的第一个倍增级具有二极管D1、D3以及电容C1、C3，负倍增器部分21的第n个倍增级具有二极管D2n-1、D2n+1以及电容C2n-1、C2n+1。正倍增器部分22也可以包括n个倍增级，因此，来自变压器1的次级绕组W3的交流电压可以在正倍增器部分22被放大为2n倍的正直流电压。正倍增器部分22的第一个倍增级具有二极管D2、D4以及电容C2、C4，正倍增器部分22的第n个倍增级具有二极管D2n、D2(n+1)以及电容C2n、C2(n+1)。因此，由电压倍增器2输出的直流电压Vo被放大了4n倍。输出的第三直流电压Vo可以实现更高的电压。
本发明的发电系统100可以实现高升压比和低功耗，并且具有高效率。此外，本发明的发电系统100可以具有简单的驱动方式和紧凑的尺寸。
发电方法
图4示出了根据本发明的一个具体实施方式的示意性发电方法的流程图。根据本发明的一个具体实施方式的发电方法可以包括如下步骤。
如图4所示，在步骤B1中，由电池Vin提供第一直流(DC)电压。
在步骤B2中，来自电池Vin的第一直流电压可以被转换为第二交流(AC)电压。在本具体实施方式中，步骤B2可以包括如下步骤。
在步骤B21中，第一直流电压可以被交替地施加于隔离变压器1的第一初级绕组W1和第二初级绕组W2。
在一个具体实施方式中，将第一直流电压交替地施加于变压器1的第一初级绕组W1和第二初级绕组W2可以包括：将互补的栅极驱动信号(如图2所示)提供给第一晶体管Q1和第二晶体管Q2；及通过第一晶体管Q1和第二晶体管Q2控制去将第一直流电压分别施加到第一初级绕组W1和第二初级绕组W2。第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的源极s1和s2均接地，因此，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的驱动方式很简单。可选地，可以将占空比逐渐增加的互补的栅极驱动信号(如图3所示)提供给第一晶体管Q1和第二晶体管Q2。因此，可以限制超级电容的高涌入电流，从而延长超级电容的使用寿命。
在步骤B22中，第二交流电压可以从变压器1的次级绕组W3被输出，然后过程前进到步骤B3。
在步骤B3中，来自变压器1的次级绕组W3的第二交流电压通过电压倍增器2被倍增为第三直流(DC)电压Vo。
在步骤B4中，将第三直流电压提供给负载。
本发明的发电方法可以实现高升压比和低功耗。此外，本发明的发电方法可以具有简单的驱动方式。本发明的发电方法可以使得发电系统具有高效率和紧凑的尺寸。
虽然根据本发明的具体实施方式的发电方法的步骤被示出为功能块，但是在图4中所示的各个功能块的顺序和各个功能块之间的动作的分离并不意图是限制性的。例如，可以以不同的顺序来执行各个功能块，并且，与一个功能块相关联的动作可以与一个或者多个其它功能块相结合或者可以被细分成多个功能块。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (13)

1.一种发电系统，其包括：
电池，其用于提供第一直流电压；
隔离变压器，其包括：
与所述电池耦合的第一初级绕组；
与所述电池耦合的第二初级绕组；及
次级绕组；
第一功率开关，其与所述第一初级绕组耦合；
第二功率开关，其与所述第二初级绕组耦合，其中，所述第一功率开关、所述第二功率开关和所述隔离变压器被配置用于将来自所述电池的所述第一直流电压转换为第二交流电压；以及
电压倍增器，其与所述变压器的所述次级绕组耦合，并被配置用于将来自所述变压器的所述次级绕组的所述第二交流电压转换为提供给负载的第三直流电压。
2.如权利要求1所述的发电系统，其中，所述第一直流电压的值小于所述第二交流电压的值，且所述第二交流电压的值小于所述第三直流电压的值。
3.如权利要求1所述的发电系统，其中，所述电池的正极分别与所述第一初级绕组的异名端和所述第二初级绕组的同名端相连。
4.如权利要求3所述的发电系统，其中，所述第一初级绕组与所述次级绕组的匝数比等于所述第二初级绕组与所述次级绕组的匝数比。
5.如权利要求1所述的发电系统，其中，所述第一功率开关为第一晶体管，所述第二功率开关为第二晶体管，且所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极被提供互补的栅极驱动信号。
6.如权利要求5所述的发电系统，其中，所述第一晶体管的漏极与所述第一初级绕组的同名端相耦合，所述第二晶体管的漏极与所述第二初级绕组的异名端相耦合，且所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极均接地。
7.如权利要求5所述的发电系统，其中，提供的所述互补的栅极驱动信号的占空比逐渐增加。
8.如权利要求1所述的发电系统，其中，所述电压倍增器包括正倍增器部分和负倍增器部分，所述正倍增器部分和所述负倍增器部分均包括与所述次级绕组的输出端相连的一对输入端。
9.如权利要求8所述的发电系统，其中，所述正倍增器部分和所述负倍增器部分中的每一个包括级联的至少一个倍增级。
10.一种发电方法，其包括：
由电池提供第一直流电压；
将来自所述电池的所述第一直流电压转换为第二交流电压，其包括：
将所述第一直流电压交替地施加到隔离变压器的第一初级绕组和第二初级绕组；及
从所述变压器的次级绕组输出所述第二交流电压；
由电压倍增器将来自所述变压器的所述次级绕组的所述第二交流电压倍增到第三直流电压；以及
将所述第三直流电压提供给负载。
11.如权利要求10所述的发电方法，其中，将所述第一直流电压交替地施加到所述变压器的所述第一初级绕组和所述第二初级绕组包括：
将互补的栅极驱动信号提供给第一晶体管和第二晶体管；及
通过所述第一晶体管和所述第二晶体管控制去将所述第一直流电压分别施加到所述第一初级绕组和所述第二初级绕组。
12.如权利要求11所述的发电方法，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管的源极均接地。
13.如权利要求11所述的发电方法，其中，将所述互补的栅极驱动信号提供给所述第一晶体管和所述第二晶体管包括：将占空比逐渐增加的互补的栅极驱动信号提供给所述第一晶体管和所述第二晶体管。
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