CN114070076A - 直流电压转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流电压转换装置，其包含一谐振驱动装置、至少两个第一变压器、至少两个第二变压器、至少两个第三变压器与一整流装置。第一变压器的一次侧通过第一导线彼此串联，并通过第二导线耦接谐振驱动装置。第二变压器的一次侧通过第三导线彼此串联，并通过第四导线耦接谐振驱动装置。第三变压器的一次侧通过第五导线彼此串联，并通过第六导线耦接谐振驱动装置。整流装置耦接变压器的二次侧。本发明串联变压器的一次侧，且并联变压器的二次侧，以减少铜损并改善变压器的制作工艺问题。

Description

直流电压转换装置
技术领域
本发明关于一种电压转换装置，且特别关于一种直流电压转换装置。
背景技术
直流-直流转换器(DC-to-DC converter)也称为DC-DC转换器或直流变压器，是电能转换的电路或是机电设备，可以将直流(DC)电源转换为不同电压的直流(或近似直流)电源。其功率范围可以从很小(小的电池)到非常大(高压电源转换)。有些直流-直流转换器的输出电压和输入电压有相同的参考点，而有些直流-直流转换器的输出电压是和输入电压隔离。
图1为现有技术中的三相直流电压转换装置的电路示意图。如图1所示，三相直流电压转换装置1包含六个电子开关10、三个变压器12、三个谐振槽14、六个二极管16、一输入电容18与一输出电容19。所有电子开关10均匀分成三组，每一组彼此并联，且并联输入电容18，又通过一谐振槽14连接一变压器12，其中谐振槽14由串联的电感与电容所组成。所有二极管16亦均匀分成三组，每一组彼此并联，且并联输出电容19，又每一组连接一变压器12。假设设计规格为输入直流电压800伏特，输出直流电压为100伏特，输出直流电流为200安培，输出功率为20千瓦时，需要三个足够高的输出电压的变压器，但这样的变压器的体积较大，不利布局，且不便绕线，铜阻较高。此外，变压器12的二次侧的电流的方均根值为130安培，若二次侧电流为6安培/平方公厘，需要使用为2600条线直径为0.1公厘的绕线构成的利兹(Litzendraht)线，但此利兹线不容易制作。
因此，本发明针对上述的困扰，提出一种直流电压转换装置，以解决现有技术所产生的问题。
发明内容
本发明提供一种直流电压转换装置，其是有利布局、容易热处理与制作利兹(Litzendraht)线、降低铜损与达到在相同高功率下，低电流与高电流的均匀输出。
本发明提供一种直流电压转换装置，其包含一谐振驱动装置、至少两个第一变压器、至少两个第二变压器、至少两个第三变压器、一整流装置与一输出电容。第一变压器的一次侧通过至少一条第一导线彼此串联，所有第一变压器的一次侧具有第一输入端与第二输入端，第一输入端通过第二导线耦接谐振驱动装置，每一第一变压器的二次侧具有第一输出端与第二输出端。第二变压器的一次侧通过至少一条第三导线彼此串联，所有第二变压器的一次侧具有第三输入端与第四输入端，第三输入端通过第四导线耦接谐振驱动装置，每一第二变压器的二次侧具有第三输出端与第四输出端。第三变压器的一次侧通过至少一条第五导线彼此串联，所有第三变压器的一次侧具有第五输入端与第六输入端，第五输入端通过第六导线耦接谐振驱动装置，每一第三变压器的二次侧具有第五输出端与第六输出端，第二输入端、第四输入端与第六输入端彼此耦接，第二输出端、第四输出端与第六输出端彼此耦接。整流装置耦接第一输出端、第三输出端与第五输出端。
在本发明的一实施例中，第一导线与第二导线的总长度、第三导线与第四导线的总长度及条第五导线与第六导线的总长度均相等。
在本发明的一实施例中，整流装置通过至少两条第七导线分别耦接第一变压器的第一输出端，并通过至少两条第八导线分别耦接第二变压器的第三输出端，且通过至少两条第九导线分别耦接第三变压器的第五输出端，第七导线的总长度、第八导线的总长度及第九导线的总长度均相等。
在本发明的一实施例中，整流装置包含彼此串联的两个第一整流器、彼此串联的两个第二整流器、彼此串联的两个第三整流器、彼此串联的两个第四整流器、彼此串联的两个第五整流器与彼此串联的两个第六整流器。两个第一整流器之间的节点与两个第二整流器之间的节点分别耦接两个第一变压器的第一输出端。两个第三整流器之间的节点与两个第四整流器之间的节点分别耦接两个第二变压器的第三输出端。两个第五整流器之间的节点与两个第六整流器之间的节点分别耦接两个第三变压器的第五输出端。所有第一整流器并联所有第二整流器、所有第三整流器、所有第四整流器、所有第五整流器与所有第六整流器。
在本发明的一实施例中，第一整流器、第二整流器、第三整流器、第四整流器、第五整流器与第六整流器为二极管。
在本发明的一实施例中，谐振驱动装置包含一电流切换装置与一谐振电路。谐振电路耦接电流切换装置、第二导线、第四导线与第六导线。
在本发明的一实施例中，电流切换装置包含彼此串联的两个第一电子开关、彼此串联的两个第二电子开关与彼此串联的两个第三电子开关。两个第一电子开关之间的节点耦接谐振电路，两个第二电子开关之间的节点耦接谐振电路，两个第三电子开关之间的节点耦接谐振电路，其中所有第一电子开关并联所有第二电子开关，且并联所有第三电子开关。
在本发明的一实施例中，第一电子开关、第二电子开关与第三电子开关均为N通道金氧半场效晶体管。
在本发明的一实施例中，谐振电路包含一第一谐振槽、一第二谐振槽与一第三谐振槽。第一谐振槽耦接在第二导线与电流切换装置之间，第二谐振槽耦接在第四导线与电流切换装置之间，第三谐振槽耦接在第六导线与电流切换装置之间。
在本发明的一实施例中，第一谐振槽、第二谐振槽与第三谐振槽均由电感与电容串联而成。
在本发明的一实施例中，第一变压器、第二变压器与第三变压器的总数量为3的N倍，N为大于或等于2的正整数。
基于上述，直流电压转换装置串联变压器的一次侧，且并联变压器的二次侧，以有利布局、容易热处理与制作利兹线、降低铜损与达到在相同高功率下，低电流与高电流的均匀输出。
附图说明
图1为现有技术的三相直流电压转换装置的电路示意图。
图2为本发明的直流电压转换装置的第一实施例的电路示意图。
图3为本发明的直流电压转换装置的第二实施例的电路示意图。
附图标记说明：1-三相直流电压转换装置；10-电子开关；12-变压器；14-谐振槽；16-二极管；18-输入电容；19-输出电容；2-直流电压转换装置；21-谐振驱动装置；211-电流切换装置；2111-第一电子开关；2112-第二电子开关；2113-第三电子开关；212-谐振电路；2121-第一谐振槽；2122-第二谐振槽；2123-第三谐振槽；22-第一变压器；221-第一导线；222-第二导线；223-第七导线；23-第二变压器；231-第三导线；232-第四导线；233-第八导线；24-第三变压器；241-第五导线；242-第六导线；243-第九导线；25-整流装置；251-第一整流器；252-第二整流器；253-第三整流器；254-第四整流器；255-第五整流器；256-第六整流器；26-输出电容；I1-第一输入端；I2-第二输入端；O1-第一输出端；O2-第二输出端；I3-第三输入端；I4-第四输入端；O3-第三输出端；O4-第四输出端；I5-第五输入端；I6-第六输入端；O5-第五输出端；O6-第六输出端；N1-节点；N2-节点；N3-节点；N1’-节点；N2’-节点；N3’-节点；N4’-节点；N5’-节点；N6’-节点。
具体实施方式
本发明的实施例将通过下文配合相关图式进一步加以解说。尽可能的，于图式与说明书中，相同标号代表相同或相似构件。于图式中，基于简化与方便标示，形状与厚度可能经过夸大表示。可以理解的是，未特别显示于图式中或描述于说明书中的元件，为所属技术领域中具有通常技术者所知的形态。本领域的通常技术者可依据本发明的内容而进行多种的改变与修改。
当一个元件被称为“在…上“时，它可泛指所述元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在于两者之中。相反地，当一个元件被称为“直接在“另一元件，它是不能有其他元件存在于两者的中间。如本文所用，词汇“及/或“包含了列出的关联项目中的一个或多个的任何组合。
于下文中关于“一个实施例”或“一实施例”的描述指关于至少一实施例内所相关连的一特定元件、结构或特征。因此，于下文中多处所出现的“一个实施例”或“一实施例”的多个描述并非针对同一实施例。再者，于一或多个实施例中的特定构件、结构与特征可依照一适当方式而结合。
图2为本发明的直流电压转换装置的第一实施例的电路示意图。以下请参阅图2，并介绍本发明的直流电压转换装置的第一实施例。直流电压转换装置2包含一谐振驱动装置21、至少两个第一变压器22、至少两个第二变压器23、至少两个第三变压器24、一整流装置25与一输出电容26。第一变压器22的一次侧通过至少一条第一导线221彼此串联，所有第一变压器22的一次侧具有第一输入端I1与第二输入端I2，第一输入端I1通过第二导线222耦接谐振驱动装置21，每一第一变压器22的二次侧具有第一输出端O1与第二输出端O2。所有第一变压器22的第一输出端O1通过至少两条第七导线223分别耦接整流装置25。第二变压器23的一次侧通过至少一条第三导线231彼此串联，所有第二变压器23的一次侧具有第三输入端I3与第四输入端I4，第三输入端I3通过第四导线232耦接谐振驱动装置21，每一第二变压器23的二次侧具有第三输出端O3与第四输出端O4。所有第二变压器23的第三输出端O3通过至少两条第八导线233分别耦接整流装置25。第三变压器24的一次侧通过至少一条第五导线241彼此串联，所有第三变压器24的一次侧具有第五输入端I5与第六输入端I6，第五输入端I5通过第六导线242耦接谐振驱动装置21，每一第三变压器24的二次侧具有第五输出端O5与第六输出端O6。所有第三变压器24的第五输出端O5通过至少两条第九导线243分别耦接整流装置25。第二输入端I2、第四输入端I4与第六输入端I6彼此耦接，第二输出端O2、第四输出端O4与第六输出端O6彼此耦接。整流装置25耦接第一输出端O1、第三输出端O3与第五输出端O5，输出电容26并联整流装置25。
为了方便与清晰的缘故，第一变压器22、第二变压器23、与第三变压器24的数量均为二，第一导线221、第三导线231与第五导线241的数量均为一。第一变压器22、第二变压器23与第三变压器24的总数量为3的N倍，N为大于或等于2的正整数。第一变压器22的总数量等于第二变压器23的总数量，亦等于第三变压器24的总数量。当第一变压器22、第二变压器23与第三变压器24的数量增加时，第七导线223、第八导线233与第九导线243的数量也会对应增加。相较图1的架构，变压器有至少六个，可有效减少单颗元件的体积，布局摆置可较弹性且热处理较为容易。此外，变压器的一次侧为串联方式，圈数可以降低以减少铜损。变压器的二次侧为并联方式，故二次侧的电流的方均根值可以降低为65安培。若二次侧的电流密度为6安培/平方公厘时，容易制作1300条线直径为0.1公厘的绕线构成的利兹(Litzendraht)线。由于变压器的一次侧为串联，二次侧为并联，可达到在相同高功率下，低电流与高电流的均匀输出，例如适用于100伏特与200安培的输出规格，也适用于400伏特与50安培的输出规格。
在本发明的某些实施例中，第一导线221与第二导线222的总长度、第三导线231与第四导线232的总长度及条第五导线241与第六导线242的总长度均相等。第七导线223的总长度、第八导线233的总长度及第九导线243的总长度均相等。谐振驱动装置21接收一直流输入电压Vi，并将此通过第一变压器22、第二变压器23与第三变压器24传送给整流装置25，进而在输出电容26上产生直流输出电压Vo。因为在多相式直流电压转换装置中，每一相位的导线所形成的电感若差异过大，将会造成输出电流不均匀的问题，因此各相位的导线所形成的漏感值至关重要。直流电压转换装置2对应每一相位具有至少两个变压器，可有效平衡各相位的导线长度，使各相位的漏感值为一致，进而输出均匀电流。
图3为本发明的直流电压转换装置的第二实施例的电路示意图。以下请参阅图3，并介绍本发明的直流电压转换装置的第二实施例。第一实施例与第二实施例差别在于谐振驱动装置21与整流装置25。在第二实施例中，谐振驱动装置21可包含一电流切换装置211与一谐振电路212。谐振电路212耦接电流切换装置211、第二导线222、第四导线232与第六导线242。
电流切换装置211可包含彼此串联的两个第一电子开关2111、彼此串联的两个第二电子开关2112与彼此串联的两个第三电子开关2113。举例来说，第一电子开关2111、第二电子开关2112与第三电子开关2113均为N通道金氧半场效晶体管，但本发明并不以此为限。两个第一电子开关2111之间的节点N1耦接谐振电路212，两个第二电子开关2112之间的节点N2耦接谐振电路212，两个第三电子开关2113之间的节点N3耦接谐振电路212。所有第一电子开关2111并联所有第二电子开关2112，且并联所有第三电子开关2113。谐振电路212可包含一第一谐振槽2121、一第二谐振槽2122与一第三谐振槽2123。第一谐振槽2121耦接在第二导线222与电流切换装置211的节点N1之间，第二谐振槽2122耦接在第四导线232与电流切换装置211的节点N2之间。第三谐振槽2113耦接在第六导线242与电流切换装置的节点N3之间。第一谐振槽2121、第二谐振槽2122与第三谐振槽2123均由电感与电容串联而成，但本发明并不以此为限。
整流装置25可包含彼此串联的两个第一整流器251、彼此串联的两个第二整流器252、彼此串联的两个第三整流器253、彼此串联的两个第四整流器254、彼此串联的两个第五整流器255与彼此串联的两个第六整流器256。两个第一整流器251之间的节点N1’与两个第二整流器252之间的节点N2’分别耦接两个第一变压器22的第一输出端O1。两个第三整流器253之间的节点N3’与两个第四整流器254之间的节点N4’分别耦接两个第二变压器23的第三输出端O3。两个第五整流器255之间的节点N5’与两个第六整流器256之间的节点N6’分别耦接两个第三变压器24的第五输出端O5。所有第一整流器251并联所有第二整流器252、所有第三整流器253、所有第四整流器254、所有第五整流器255、所有第六整流器256与输出电容26。第一整流器251、第二整流器252、第三整流器253、第四整流器254、第五整流器255与第六整流器256可以二极管实现，但本发明不限于此。当第一整流器251、第二整流器252、第三整流器253、第四整流器254、第五整流器255与第六整流器256以二极管实现时，节点N1’为其中一第一整流器251的阳极与另一第一整流器251的阴极，节点N2’为其中一第二整流器252的阳极与另一第二整流器252的阴极，节点N3’为其中一第三整流器253的阳极与另一第三整流器253的阴极，节点N4’为其中一第四整流器254的阳极与另一第四整流器254的阴极，节点N5’为其中一第五整流器255的阳极与另一第五整流器255的阴极，节点N6’为其中一第六整流器256的阳极与另一第六整流器256的阴极。由于在第二实施例中，共有十二个二极管，相对第一实施例，二极管的布局摆置会更有弹性，且热处理也更容易。
根据上述实施例，直流电压转换装置串联变压器的一次侧，且并联变压器的二次侧，以有利布局、容易热处理与制作利兹线、降低铜损与达到在相同高功率下，低电流与高电流的均匀输出。
以上所述仅为本发明一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故举凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种直流电压转换装置，其特征在于，包含：
一谐振驱动装置；
至少两个第一变压器，其一次侧通过至少一条第一导线彼此串联，所述至少两个第一变压器的所述一次侧具有第一输入端与第二输入端，所述第一输入端通过第二导线耦接所述谐振驱动装置，每一所述第一变压器的二次侧具有第一输出端与第二输出端；
至少两个第二变压器，其一次侧通过至少一条第三导线彼此串联，所述至少两个第二变压器的所述一次侧具有第三输入端与第四输入端，所述第三输入端通过第四导线耦接所述谐振驱动装置，每一所述第二变压器的二次侧具有第三输出端与第四输出端；
至少两个第三变压器，其一次侧通过至少一条第五导线彼此串联，所述至少两个第三变压器的所述一次侧具有第五输入端与第六输入端，所述第五输入端通过第六导线耦接所述谐振驱动装置，每一所述第三变压器的二次侧具有第五输出端与第六输出端，所述第二输入端、所述第四输入端与所述第六输入端彼此耦接，所述第二输出端、所述第四输出端与所述第六输出端彼此耦接；以及
一整流装置，耦接所述第一输出端、所述第三输出端与所述第五输出端。
2.如权利要求1所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述至少一条第一导线与所述第二导线的总长度、所述至少一条第三导线与所述第四导线的总长度及所述至少一条第五导线与所述第六导线的总长度均相等。
3.如权利要求1所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述整流装置通过至少两条第七导线分别耦接所述至少两个第一变压器的所述第一输出端，并通过至少两条第八导线分别耦接所述至少两个第二变压器的所述第三输出端，且通过至少两条第九导线分别耦接所述至少两个第三变压器的所述第五输出端，所述至少两条第七导线的总长度、所述至少两条第八导线的总长度及所述至少两条第九导线的总长度均相等。
4.如权利要求1所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述整流装置包含：
两个第一整流器，其彼此串联；
两个第二整流器，其彼此串联，所述两个第一整流器之间的节点与所述两个第二整流器之间的节点分别耦接所述至少两个第一变压器的所述第一输出端；
两个第三整流器，其彼此串联；
两个第四整流器，其彼此串联，所述两个第三整流器之间的节点与所述两个第四整流器之间的节点分别耦接所述至少两个第二变压器的所述第三输出端；
两个第五整流器，其彼此串联；以及
两个第六整流器，其彼此串联，所述两个第五整流器之间的节点与所述两个第六整流器之间的节点分别耦接所述至少两个第三变压器的所述第五输出端，其中所述两个第一整流器并联所述两个第二整流器、所述两个第三整流器、所述两个第四整流器、所述两个第五整流器与所述两个第六整流器。
5.如权利要求4所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述第一整流器、所述第二整流器、所述第三整流器、所述第四整流器、所述第五整流器与所述第六整流器为二极管。
6.如权利要求1所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述谐振驱动装置包含：
一电流切换装置；以及
一谐振电路，耦接所述电流切换装置、所述第二导线、所述第四导线与所述第六导线。
7.如权利要求6所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述电流切换装置包含：
两个第一电子开关，彼此串联，所述两个第一电子开关之间的节点耦接所述谐振电路；
两个第二电子开关，彼此串联，所述两个第二电子开关之间的节点耦接所述谐振电路；以及
两个第三电子开关，彼此串联，所述两个第三电子开关之间的节点耦接所述谐振电路，其中所述两个第一电子开关并联所述两个第二电子开关，且并联所述两个第三电子开关。
8.如权利要求7所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述两个第一电子开关、所述两个第二电子开关与所述两个第三电子开关均为N通道金氧半场效晶体管。
9.如权利要求6所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述谐振电路包含：
一第一谐振槽，耦接在所述第二导线与所述电流切换装置之间；
一第二谐振槽，耦接在所述第四导线与所述电流切换装置之间；以及
一第三谐振槽，耦接在所述第六导线与所述电流切换装置之间。
10.如权利要求9所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述第一谐振槽、所述第二谐振槽与所述第三谐振槽均由电感与电容串联而成。
11.如权利要求1所述的直流电压转换装置，其特征在于，所述至少两个第一变压器、所述至少两个第二变压器与所述至少两个第三变压器的总数量为3的N倍，N为大于或等于2的正整数。
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