CN111213310A - 谐振直流-直流转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种谐振直流‑直流转换器，其具有逆变电路(2)、整流电路(3)和变压器单元(4)，其中逆变电路(2)与变压器单元(4)的第一端子连接，而整流电路(3)与变压器单元(4)的第二端子连接。为了改进直流‑直流转换器而提出：借助于第一变压器(5)将第一和第二端子彼此电隔离，其中变压器单元(4)具有用于调整变压器单元(4)的变压比的部件，其中变压器单元(4)具有能量传递路径(7)，其中能量传递路径(7)具有逆变器(8)和第二变压器(6)，其中能量传递路径(7)的输入端与第一变压器(5)的初级侧并联布置，而能量传递路径(7)的输出端与第一变压器(5)的次级侧串联布置。

Description

谐振直流-直流转换器
技术领域
本发明涉及一种谐振直流-直流转换器，其具有逆变电路、整流电路和变压器单元，其中逆变电路与变压器单元的第一端子连接而整流电路与变压器单元的第二端子连接。
背景技术
直流-直流转换器用于改变直流电压的电压大小。直流-直流转换器也称为直流-直流变换器或直流/直流转换器或直流斩波器。借助半导体，将直流-直流转换器的输入侧电压转换为直流-直流转换器的输出侧的可预设电压。为了减少直流-直流转换器的半导体中的开关损失，在谐振直流-直流转换器的情况下产生交流电流，其中在电流过零点时或在过零点附近执行开关操作。直流-直流转换器的输入端和输出端通常彼此电隔离。
谐振变换器在谐振频率附近的范围内具有优势，因为在该范围内半导体的导通或关断损失最小。如果工作点频率与谐振之间的间距增加，则开关损失持续增加。除了增加导通或关断损失之外，电流还在谐振网络中失去其正弦形变化，进而在频率范围内具有宽带频谱，而宽带频谱在谐振变换器的输出端处需要高开销的滤波。由于低的导通和关断损失，谐振变换器还在接近谐振频率处或就在谐振频率处具有其最佳效率，在其他情况下，谐振变换器具有与常规硬开关拓扑相似的效率。
要覆盖大的输入和输出电压范围的谐振变换器通常在宽泛的频率范围之上运行，这导致了上述缺点。在极端情况下，谐振变换器在纯电容性或电感性范围中运行。
目前，在输入和输出电压有大动态变化的范围之上，使用具有常规硬开关拓扑的直流-直流转换器。谐振结构大多数仅在恒定负载或较小负载波动的情况下使用。在这种情况下，谐振结构能够直接在其谐振频率处或接近其谐振频率处运行并具有上述优点。
根据现有技术，硬开关式全桥用于大的输入和输出电压范围。电路的工作原理如下。输入侧的逆变电路为变压器提供交流电压。交流电压通过交替地导通逆变电路的半导体来产生。为了控制电压-时间面积且进而控制功率通量，将导通持续时间设置在0％与50％之间。以这种方式产生的变压器初级电压根据变压比传输到次级侧，并借助于整流电路进行整流。
在该拓扑结构中，能够明显观察到半导体的开关损失。另外，全桥电路的并联支路中的电流在频率范围内具有非常宽的带宽，并且为了平滑而需要大的输出滤波器。然而，该布置的优点在于输入和输出电压的大设定范围。
在直流-直流转换器的谐振开关式逆变电路中，产生正弦形电流，该电流流过变压器并进而由于重复的过零点而能够在没有电流的情况下接通和断开。产生正弦形电流的谐振回路是逆变电路的桥支路中的电容和电感的串联电路。通过开关逆变电路的半导体，产生正弦形电流，该电流经由变压器传输并且在次级侧上借助整流电路被整流。整流电路的输出端处的电容器用于平滑经整流的电压。根据逆变电路运行的频率高低，能够以略低于谐振的方式(fs<fr)、以谐振的方式(fs＝fr)或略高于谐振的方式(fs>fr)驱控开关。因此，确保以连续正弦形电流进行谐振运行。如果开关频率应远低于或者远高于谐振，则电流曲线不变为正弦形。因此需要：谐振开关式逆变电路始终在谐振频率的范围内运行，以避免桥支路中的高开销的且存在损失的滤波器。
发明内容
本发明所基于的目的是：改进谐振直流-直流转换器。
该目的通过一种谐振直流-直流转换器来实现，其具有逆变电路、整流电路和变压器单元，其中逆变电路与变压器单元的第一端子连接，而整流电路与变压器单元的第二端子连接，其中借助第一变压器将第一和第二端子彼此电隔离，其中变压器单元具有用于调整变压器单元的变压比的部件，其中变压器单元具有能量传递路径，其中能量传递路径具有逆变器和第二变压器，其中能量传递路径的输入端与第一变压器的初级侧并联布置，而能量传递路径的输出端与第一变压器的次级侧串联布置。
在从属权利要求中给出本发明的其他有利设计方案。
本发明基于以下认知：变压器单元的可变的变压比，能够显著改进直流-直流转换器的损失表现。在此，“可变的变压比”表示：变压器单元的输出电压与输入电压的比例是可变化的。这例如能够通过第一变压器的可变的变压比来实现。为此，第一变压器能够构成有分接开关。
补充可行的是，将另一电压增加到第一变压器的输出电压上，即增加到第一变压器的次级侧电压上。这例如能够通过将变压器输出端的次级侧串联有能量传递路径的电压来执行。在此尤其有利的是，增加的电压是可变的。该电压例如能够借助逆变器可变地产生。此外，能量传递路径的输出端由于存在于能量传递路径中的第二变压器是无电势的，从而当第一变压器的次级侧和能量传递路径的输出端布置成串联电路时，电压能够无问题地增加至第一变压器的输出电压处。
在此尤其有利的是，逆变器与第一变压器的初级侧连接，因为此时对于逆变器来说针对所需要的截止电压也能够使用与存在于逆变电路中相同的半导体。因此能够以简单的方式借助类似的或者甚至相同的半导体构建逆变器和逆变电路。
在此已证明有利的是直流-直流转换器的损失降低能够通过以下方式实现：要通过直流-直流转换器传递的功率的75％经由第一变压器传递，而要通过直流-直流转换器传递的功率的25％经由能量传递路径传递。由此，第一变压器具有与第二变压器相比的三倍功率。
由于变压器单元的可变变压比而可行的是，借助调节器来提高谐振直流-直流转换器在大的输入和输出电压范围上的动态范围，调节器直接处于第一变压器中或与第一变压器并联。该调节器例如能够如上描述通过第一变压器中的分接开关或者通过能量供应路径中与第一变压器并联的逆变器来实现，在后一种情况中能量供应路径的输出电压通过串联电路增加至第一变压器的次级侧电压上。此外，该调节器能够通过可变的电压增益将由于输入和输出电压而更远离谐振的工作点移近于谐振。因此，逆变电路的半导体中的损失由于距谐振频率的间距更小而降低，并且相对于常规的变换器拓扑提高了谐振变换器的效率。代替上述列举的实现方案，调节器也能够通过倍增电路来实现，倍增电路与变压器并联。根据各个分级的数量，能够单独地接通或切断分级。
可变变压比的作用在于，谐振开关式逆变电路由于该拓扑而能够针对大的输入和输出电压范围且伴随高效率来设计。这意味着，所有工作点都接近谐振频率，以获得正弦形电流变化曲线。为了改变变压比，不再需要影响逆变电路的频率，而是借助变压器单元的可变变压比能够在不改变频率的情况下影响整流电路的输出端处的电压。在此，谐振桥电路应在输入电压不同和输出电压恒定的情况下具有大的动态范围。为此，通过在低变压比的情况下选择谐振频率附近工作点的方式，避免了在远离谐振频率的频率处有更大的关断损失。通过可变变压比，能够对于宽泛的功率范围选择接近于谐振频率的开关频率。由此能够避免在半导体开关中在工作点处出现更大的关断损失，因为工作点不再必须被选择得远离谐振频率。由此改进运行表现，并且由于接近谐振频率，半导体开关的关断损失非常低。
谐振直流-直流转换器的优点一方面在于，逆变电路中的半导体的导通和关断损失极低，并且直流-直流转换器在大的工作范围之上具有与低损失关联的高效率。另外，通过由桥支路中的额外调节器构成的这种新型拓扑而取消使用滤波器，因为通过以可变的变压比运行能够在桥支路中产生正弦形变化曲线并且避免出现不期望的谐波。
附图说明
下面，将根据附图示出的实施例详细描述和阐述本发明。附图示出：
图1示出具有变压器的谐振直流-直流转换器，变压器具有分接开关，
图2示出谐振直流-直流转换器的频率响应，和
图3示出具有能量传递路径的谐振直流-直流转换器。
具体实施方式
图1示出具有第一变压器5的谐振直流-直流转换器1的一个实施例，第一变压器具有能够在负载下开关的分接开关。直流-直流转换器1能够将输入电压U1转换成输出电压U2。为此，在逆变电路2中产生交流电压。利用交流电压能够借助变压器单元4将电能从逆变电路2传输到整流电路3。为此，逆变电路2和整流电路3分别与变压器单元4连接。在此，变压器单元包括用于改变变压器单元4的变压比i的部件。在简单的实施方案中，该用于改变变压比i的部件能够是第一变压器5中的分接开关。由于分接开关，变压器单元4的增益能够以特别高的效率被单独地设置到在谐振频率附近的各个工作点。有利地，针对相应的应用设计分接开关的绕组比和级数。图2示出变压器单元4的与所产生的交流电压的频率相关的变压比i。不同的线反映分接开关的不同位置或者借助串联电路在第一变压器的次级侧处增加的不同电压。显然，变压比的改变现在不再是仅能够通过改变频率实现的，而是也能够通过改变分接开关的位置来实现。可替代地，在第一变压器的次级侧处能够增加电压，该电压影响变压器单元的变压比i。在此，图2清楚地示出，能够经由分接开关来预设电压增益。因此可行的是，以特别高的效率在谐振附近在大的动态范围之上跟踪工作点。在此需注意的是，应分别为相应的应用设计级数和调节范围。技术上，也能够利用逆变器实现电压增益的变化，这例如在图3中示出。为了避免重复，参考图1的描述以及参考在那里引入的附图标记。逆变器8布置在与第一变压器并联的能量传递路径7中。在此，通过将能量传递路径与第一变压器5的初级绕组51并联布置，能量传递路径7从逆变电路2获取能量。为了能够影响变压器单元4的输出端处的电压，能量传递路径7的输出端能够与第一变压器的次级绕组52串联布置。串联电路同时形成变压器单元4的输出端。有利地，在能量传递路径7中布置第二变压器6以将直流-直流转换器1的输入端和输出端电隔离。借助该电路能够产生如图2所示的变压特性，其中曲线簇能够具有任意多的曲线，因为逆变器能够产生几乎任何电压。
综上，本发明涉及一种谐振直流-直流转换器，其具有逆变电路、整流电路和变压器单元，其中逆变电路与变压器单元的第一端子连接而整流电路与变压器单元的第二端子连接。为了改进直流-直流转换器而提出，借助第一变压器将第一和第二端子彼此电隔离，其中变压器单元具有用于调整变压器单元的变压比的部件，其中变压器单元具有能量传递路径，其中能量传递路径具有逆变器和第二变压器，其中能量传递路径的输入端与第一变压器的初级侧并联布置，而能量传递路径的输出端与第一变压器的次级侧串联布置。

Claims (4)

1.一种谐振直流-直流转换器(1)，具有
-逆变电路(2)，
-整流电路(3)，和
-变压器单元(4)，
其中，所述逆变电路(2)与所述变压器单元(4)的第一端子连接，而所述整流电路(3)与所述变压器单元(4)的第二端子连接，其中借助于第一变压器(5)将所述第一端子和所述第二端子彼此电隔离，其中所述变压器单元(4)具有用于调整所述变压器单元(4)的变压比的部件，其中所述变压器单元(4)具有能量传递路径(7)，其中所述能量传递路径(7)具有逆变器(8)和第二变压器(6)，其中所述能量传递路径(7)的输入端与所述第一变压器(5)的初级侧并联布置，而所述能量传递路径(7)的输出端与所述第一变压器(5)的次级侧串联布置。
2.根据权利要求1所述的谐振直流-直流转换器(1)，其中，所述第一变压器(5)具有分接开关。
3.根据权利要求1或2所述的谐振直流-直流转换器(1)，其中，所述逆变器(8)与所述第一变压器(1)的初级绕组(51)并联布置，而所述第二变压器(6)的绕组与所述第一变压器(5)的次级绕组(52)串联布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振直流-直流转换器(1)，其中，所述第一变压器(5)与所述第二变压器(6)相比具有三倍功率。
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