CN1445914A - 对称dc/dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种对称DC/DC变换器，适于根据需要选择电能传输方向，和升压或降压操作，以及选择所需的升压或降压比。这种变换器包括单一电感器，具有一对开关装置以相应于电感对称的方式连接到它的终端上。变换器以这样的方式作为升压变换器和降压变换器操作，即一个和另一个开关装置各自用作输入开关和输出开关，并且一个和另一个开关装置相反地各自用作输出开关和输入开关。

Description

对称DC/DC变换器
                      本发明的背景
    技术领域
这项发明涉及一种DC/DC变换器，它用于在传输电能时执行升压或降压操作，并且本发明特别涉及一种对称DC/DC变换器。
    背景技术
例如，双层电容器被认为是电能存储设备，它具有与其中存储的电能的量相关的电压。当使用双层电容器时，在充电或放电操作执行电能传输的情况下，需要DC/DC变换器执行升压或降压操作。
在电动汽车的电机用作负载，而消耗双层电容器中的电能的情况下，例如，电机可以在刹车时可逆地产生电能，而用作发电设备。如果电机产生的电能被回收，那么能够显著地提高整个系统的电能效率，其中这样的系统包括双层电容器和电机，各自作为电源和负载。
由此，在从一个终端部分到另一个终端部分的方向上，并且在从另一个终端部分到这个终端部分的方向上，用于执行升压和降压操作的DC/DC变换器具有双向传输电能的功能，这一点是很重要的，其中，任何一个终端部分都用作提供有电能的输入终端部分。在这方面，建议在各自方向上提供一对DC/DC变换器，并且提供开关来选择一个DC/DC变换器。然而，这种结构不实际，因为整个系统的尺寸增加了。考虑上述问题，有必要提供这样一种DC/DC变换器，它作为单一电路，即使输入终端部分与输出终端部分交换，它也能够操作。
作为上述类型的DC/DC变换器，已经建议了所谓的双向变换器。
第一种已有技术的双向DC/DC变换器是电路设备，它连接到电池或电源(如双层电容器)与负载(如电机)之间，并且具有多个变换电路和四个终端。
第一种已有技术的双向DC/DC变换器以下面的方式操作。当双层电容器对电机提供电能而驱动电机的情况下，一个开关电路进入开路状态，而另一个开关电路在PWM(脉宽调制)控制或相似的条件下操作。在这种情况下，DC/DC变换器作为前向变换电路而操作。另一方面，在电机产生的电能提供给双层电容器，而使双层电容器充电的情况下，一个开关电路在PWM控制和相似的条件下操作，而另一个开关电路进入开路状态。在这种情况下，DC/DC变换器作为前向变换电路操作。
日本未审查专利公开说明书第2000-33445号(JP2000-33445A)介绍了第二种已有技术的双向DC/DC变换器，它连接在d.c.电源与包括电容器的负载之间。第二种已有技术的双向DC/DC变换器使用FET(场效应晶体管)作为开关设备。特别是，第二种已有技术的双向DC/DC变换器包括了第一串联电路、第二串联电路、电感器和控制单元。第一串联电路包括第一和第二FET，它们并联到d.c.电源上。第二串联电路包括第三和第四FET，它们并联到负载上。电感器连接到第一和第二FET的接点与第三和第四FET的另一个接点之间。控制单元控制第一、第二、第三和第四FET各自的栅极。使电能从d.c.电源提供给负载，并且使电容器中存储的电能回收，并且反馈到d.c.电源中。
上述第一种已有技术的双向电容器包括多个电感器，并且具有复杂的电路结构。
在使用具有可变电压的电能存储设备，如双层电容器的情况下，或者在电机被驱动而作为负载，并且可逆地产生电能而被回收的情况下，系统包括可变电压，它相应于电能的量。由此，不仅有必要双向传输电能，而且相应于双层电容器(电源)和电机(负载)的状态，根据需要执行升压或降压操作。
在系统是由多个电能存储设备、多个发电设备和多个负载设备的组合来构成的情况下，有必要设置DC/DC变换器具有适当的升压比或适当的降压比，其中DC/DC变换器连接到这些部件上。这样，每个已经出现的双向DC/DC变换器不能用在这样的系统中。
                        本发明的概述
由此，本发明的目的是提供对称DC/DC变换器，它在相应于电能传输方向的可变方向中，以相应于输入/输出电压比的升压或降压比操作。
根据本发明，提供了对称的DC/DC变换器，它包括单一的电容器，电容器具有一对开关装置，以相应于电容器对称的方式连接到它的终端上，变换器以这样的方式作为升压(放大)变换器和降压(反向)变换器操作，即一个和另一个开关装置各自用作输入开关和输出开关，并且一个和另一个开关装置相反地各自用作输出开关和输入开关。
                       附图的简要描述
图1是电路图，显示了第一种已有技术的双向DC/DC变换器的结构；
图2是电路图，显示了第二种已有技术的双向DC/DC变换器的结构；
图3是根据本发明第一实施例的对称DC/DC变换器的电路图；
图4是根据本发明第二实施例的对称DC/DC变换器的电路图；
图5显示了图4中的对称DC/DC变换器，它升压操作中使用第三和第四终端作为输入终端；
图6显示了图4中的对称DC/DC变换器，它降压操作中使用第三和第四终端作为输入终端；
图7是根据本发明第三实施例的对称DC/DC变换器的电路图；
图8是根据本发明第四实施例的对称DC/DC变换器的电路图；
图9是根据本发明第五实施例的对称DC/DC变换器的电路图；
图10是根据本发明第六实施例的对称DC/DC变换器的电路图；
图11是流程图，用于描述图10中说明的对称DC/DC变换器的操作；
图12是根据本发明第七实施例的对称DC/DC变换器的电路图；而
图13是流程图，用于描述图12中说明的对称DC/DC变换器的操作。
                      优选实施例的描述
为了更好地理解本发明，将首先对已有技术的DC/DC变换器进行描述。
参考图1，第一种已有技术的双向DC/DC变换器连接到作为电源的双层电容器17与作为负载的电机19之间，并且双向DC/DC变换器包括变压器25和一对开关电路27和29。
在电能从双层电容器17提供给电机19来驱动电机19的情况下，开关电路29进入开路状态，而开关电路27在PWM控制或相似的条件下操作。在这种情况下，DC/DC变换器作为前向变换电路工作。
在电机19产生的电能提供给双层电容器17，而使双层电容器17充电的情况下，开关电路27进入开路状态，而开关电路29在PWM控制或相似的条件下操作。在这种情况下，DC/DC变换器作为前向变换电路工作。
参考图2，第二种已有技术的双向DC/DC变换器31连接到d.c.电源33与包括电容器35的负载37之间。第二种已有技术的双向DC/DC变换器31使用FET作为开关设备。特别是，第二种已有技术的双向DC/DC变换器31包括第一串联电路43、第二串联电路49、电感器23和控制单元(未画出)。第一串联电路43包括第一和第二FET39和41，它们并联到d.c.电源33上。第二串联电路49包括第三和第四FET45和47，它们并联到负载37上。电感器23连接到第一和第二FET39和41的接点，与第三和第四FET45和47的接点之间。控制单元控制第一、第二、第三和第四FET39、41、45和47各自的栅极，使电能从d.c.电源33提供给负载37，并且存储在电容器35中的电能被回收，并反馈给d.c.电源33。
现在，将参考附图对本发明的几个优选实施例进行描述。
参考图3，根据本发明第一实施例的对称DC/DC变换器51，包括电感器23和一对开关部分53、53。通过各自控制开关部分53、53，来选择输入/输出方向(即电能传输方向)和升压或降压方向。
参考图4，根据本发明第二实施例的对称DC/DC变换器55包括：电感器23；第一和第二开关部分57和59，使它们的一端连接到电感器23的一端；第三和第四开关部分61和63，使它们的一端连接到电感器23的另一端；第一到第四终端65、67、69和71，它们各自连接到第一到第四开关部分57、59、61和63的另一端；和一对电容器73、73，它们各自连接到第一与第二开关部分57与59之间，和第三与第四开关部分69与71之间。第二和第四终端67和71彼此连接。
表1显示了在第一和第二终端65和67用作输入终端，而第三和第四终端69和71用作输出终端的情况下，和在第一和第二终端65和67用作输出终端，而第三和第四终端69和71用作输入终端的情况下，第一到第四开关部分57、59、61和63的状态。对于每种情况，显示了升压操作和降压操作。
                                    表1
 第一、第二终端   第三、第四终端 57 59 61 63
输入 输出 升压   ON    OFF    D    SW
降压   SW    D    ON    OFF
输出 输入 升压   D    SW    ON    OFF
降压   ON    OFF    SW    D
在表1中，“ON”、“OFF”各自代表短路或闭合状态和开路状态。“SW”是控制状态，在PWM控制或相似条件下，ON/OFF间歇地变换，从而得到适当的升压或降压比。“D”代表执行整流操作的整流状态。
参考图5，对称DC/DC变换器55作为升压变换器操作，它具有第一和第二终端67和67用作输入终端，并且具有第三和第四终端69和71，用作输出终端。
第一开关部分57在ON状态，即在闭合状态，而第二开关部分59在OFF状态，即在开路状态。第三开关部分61在D状态，即用作二极管75来执行整流操作。第四开关部分63在SW状态，即用作开关电路77，而可控制地设置适当的升压比。
参考图6，根据本发明第二实施例的对称DC/DC变换器55作为降压变换器操作，它具有第一和第二终端65和67，用作输入终端，并且具有第三和第四终端69和71，用作输出终端，像图5中的情况一样。
第一开关部分57在SW状态，即用作开关电路77，来可控制地设置适当的降压比。第二开关部分59在D状态，即用作二极管75来执行整流操作。第三开关部分61在ON状态，即在闭合状态，而第四开关部分63在OFF状态，即在开路状态。
相反，在第一和第二终端65和67用作输出终端，而第三和第四终端69和71用作输入终端的情况下，通过改变一对第一和第二开关部分57和59，与另一对第三和第四开关部分61和63之间的开关部分的状态，来实现相似的操作。
参考图7，根据本发明第三实施例的对称DC/DC变换器，在结构上与第二实施例相似。在第三实施例中，第一到第四开关部分57、59、61和63的每个，包括开关电路77(77a-77d)和整流器75，它们彼此并联。
表2显示了在第一和第二终端65和67用作输入终端，而第三和第四终端69和71用作输出终端的情况下，和在第一和第二终端65和67用作输出终端，而第三和第四终端69和71用作输入终端的情况下，第一到第四开关部分57、59、61和63的状态。对于每种情况，显示了升压操作和降压操作。
                               表2
 第一、第二终端   第三、第四终端 57 59 61 63
输入 输出   升压   ON     D     D   SW
  降压   SW     D     ON   D
输出 输入   升压   D     SW     ON   D
  降压   ON     D     SW   D
在表2中，如果开关电路77进入OFF状态，即开路状态，那么开关部分在D状态下执行整流操作，因为二极管并联到开关电路77上。由此，表1每部分中的OFF状态或开路状态改变为执行整流操作的D状态。
然而，在开路状态改变为执行整流操作的D状态的部分，开关部分中的二极管不应用前向电压，这意味着这个D状态与开路状态等效。由此，实现了与表1显示相似的操作。
这样，在图7的对称DC/DC变换器中，可以通过开关电路77ON/OFF状态的变换，来容易地实现与表1显示相似的操作。
参考图8，根据本发明第四实施例的对称DC/DC变换器79使用FET81，作为图7中说明的开关电路77(77a-77d)。每个FET81具有体二极管83，它可以用作整流器。
如图8所说明的，作为高性能二极管的二极管75，并联到在相同方向上定向的每个FET81的体二极管83上，其中二极管75与体二极管83相比，前向电压较低，而恢复时间较短。通过这种结构，对称DC/DC变换器79独立于体二极管83来操作。
参考图9，根据本发明第五实施例的对称DC/DC变换器85，具有这样的结构，其中通过同步整流，实现了图8中DC/DC变换器的二极管操作，从而提高了效率。
特别是在第五实施例中，二极管21通过电阻87连接到每个FET81的一端，而以操作放大器89的输出不在副边饱和的方式，来执行模拟控制。
如上所述，根据本发明的第一到第五实施例，能够提供对称DC/DC变换器，它在所需的电能传输方向上，并且以所需的升压或所需的降压比操作。
参考图10，根据本发明第六实施例的对称DC/DC变换器91，用在联系第二实施例叙述的相似的电能传输系统中。变换器91连接到双层电容器17、太阳能电池93和光发射设备95上，它们分别用作电能存储设备、发电设备和负载，电能在它们之中传输。控制单元97从电压监视器99和101获得每个终端的电压信息，并且从电流传感器103和105获得每个终端的电流信息。控制单元97具有参考电压信息和电流信息，来判断电能状态的功能。控制单元97连接到第一到第四开关部分57、59、61和63上，使每个开关部分可控制地进入开关状态(SW状态)、闭合状态(ON状态)、开路状态(OFF状态)和整流状态(D状态)之一，其中在开关状态(SW状态)，在开路状态与闭合状态之间高速变换，而在整流状态(D状态)进行整流操作，或者电流只在一个方向上流动。
参考图11，在根据本发明第六实施例的对称DC/DC变换器91中，第一到第四开关部分57、59、61和63中每个的状态由控制单元97控制。控制单元97从电压监视器99和101(步骤SA1和SA2)获得并判断电压信息，并从电流监视器103和105获得电流信息，确定哪个终端将用作输入和输出终端(即电流传输方向)，并且确定DC/DC变换器是否作为升压变换器和降压变换器操作(步骤SA3)。
一旦确定了电能传输方向和升压与降压操作之一，开关部分57、59、61和63可控制地进入图3显示的状态，来执行相应的操作。而且，对于SW状态中的每个开关部分，开路与闭合操作之间的时间间隔，可控制地设置在适当的长度上(步骤SA4)，这个长度相应于输入/输出电压比。在执行了电能传输后(步骤SA5)，控制单元97再次从电压监视器99和101判断电压信息，并从电流传感器103和105判断电流信息，并且确定下面如何操作开关部分(步骤SA6)。通常地，上述操作被重复，直到提供结束指令为止。
                                  表3
 第一、第二终端   第三、第四终端 77a 77b 77c 77d
输入 输出   升压   ON   OFF   OFF   SW
  降压   SW   OFF   ON   OFF
输出 输入   升压   OFF   SW   ON   OFF
  降压   ON   OFF   SW   OFF
第六实施例具有这样的结构，使太阳能电池93产生的电能不仅被光发射设备95消耗，而且多余的电能对双层电容器17充电。当太阳能电池93产生足以使光发射设备95充分光发射的电能时，控制单元97判断对双层电容器17充电的操作将被执行。这时，与电能状态即双层电容器17的电压无关，控制单元97判断变换器91的输入和输出电压，并且确定升压操作或降压操作，而对双层电容器17充电。更进一步，假设在太阳能电池93不产生电能的情况下，光发射设备95也需要光发射。在这种情况下，如果双层电容器17的电压高于或低于光发射设备95光发射所需的特定电压，那么电压被调整到适当的水平上，然后提供给光发射设备95。这样，光发射设备95以所需要的亮度光发射。
参考图12，根据本发明第七实施例的对称DC/DC变换器，用在联系第三实施例叙述的相似电能传输系统中。DC/DC变换器连接到双层电容器17和电机19上，它们分别用作电能存储设备、发电设备和负载，电能在它们之中传输。控制单元97从电压监视器99和101获得每个终端的电压信息，并且从电流传感器103和105获得每个终端的电流信息。
控制单元97还根据用户的需要，从扭矩设定单元107获得扭矩信息，其中扭矩信息代表电机19的扭矩。控制单元97具有从提供给它的这些信息中判断电能状态的功能。控制单元97连接到开关电路77上，使每个开关电路可以可控制地进入开关状态(SW状态)、闭合状态和开路状态之一，其中在开关状态(SW状态)，在闭合状态(OFF状态)和开路状态(ON状态)之间高速切换。
参考图13，在根据本发明第七实施例的对称DC/DC变换器中，开关电路77的状态由控制单元97控制。控制单元97获得外部输入信息，即在说明的例子中，从扭矩设定单元107提供扭矩信息(步骤SB1)。控制单元97还从电压监视器99和101获得电压信息，从电流传感器103和105获得电流信息(步骤SB2)。控制单元97判断提供给它的这些信息(步骤SB3)，确定哪个终端用作输入和输出终端(即电能传输方向)(步骤SB4)，并且确定DC/DC变换器是作为升压变换器，还是作为降压变换器操作(步骤SB5)。
一旦确定了电能传输方向和升压操作与降压操作之一，开关电路77可控制地进入表4显示的状态，使开关部分57、59、61和63执行相应的操作。对于SW状态下的每个开关部分，开关电路的开路与闭合操作之间的时间间隔，可控制地设置在适当的长度上(步骤SB6)，这个长度相应于输入/输出电压比。在执行了电能传输后(步骤SB7)，控制单元97再次从电压监视器99和101判断电压信息，从电流传感器103和105判断电流信息，并且确定下面如何操作开关电路77(步骤SB8)。
                                  表4
  第一、第二终端   第三、第四终端 57 59 61 63
输入 输出   升压   ON   D   D     SW
  降压   SW   D   ON     D
输出 输入   升压   D   SW   ON     D
  降压   ON   D   SW     D
在本发明的第七实施例中，所需的电机19的扭矩用作外部信息或信号。例如，如果在操作中，所需扭矩小于电机19的实际扭矩，如果需要旋转停止，而电机19旋转，那么电机19作为发电设备。这时，与电能状态即双层电容器17的电压水平无关，并且与电机19产生的电压无关。控制单元97判断输入和输出电压，并且确定升压或降压操作，而使双层电容器充电。例如在操作中，如果所需的扭矩大于电机19的实际扭矩，如果需要以适当的速度旋转而电机19停止，那么电机19作为负载。在这种情况下，如果双层电容器的电压高于或低于操作电机19所需的特定电压，那么电压被调整到适当的水平上，来驱动电机19。

Claims (8)

1.一种对称DC/DC变换器，它包括单一的电容器，电容器具有一对开关装置，相应于所述电容器对称的安排连接到它的终端上，所述变换器以这样的方式作为升压变换器和降压变换器操作，即一个和另一个所述开关装置各自作为输入开关和输出开关，并且一个与另一个所述开关装置相反地各自作为输出开关和输入开关。
2.根据权利要求1的对称DC/DC变换器，其中：
一个所述开关装置包括两个串联的开关部分，所述电感器使它的一个终端连接到一个开关装置的所述两个开关部分一个终端之间的接点上，电容器与所述两个开关部分并联到其另一个终端上，所述另一个终端作为所述对称DC/DC变换器的输入或输出终端；
另一个所述开关装置包括两个串联的开关部分，所述电感器使它的另一个终端连接到另一个开关装置的所述两个开关部分一个终端之间的接点上，另一个电容器与所述两个开关部分并联到其另一个终端上，所述另一个终端作为所述对称DC/DC变换器的输出或输入终端；
所述输入终端和所述输出终端之一彼此连接。
3.根据权利要求1的对称DC/DC变换器，其中：所述一对开关装置包括四个开关部分，每个所述开关部分包括快速开关机构，用于以适当的间隔，在每个所述开关部分的开路状态与闭合状态之间高速变换，并且包括保持闭合状态的机构，还包括整流机构，用于使电流只在一个方向上流动。
4.根据权利要求1的对称DC/DC变换器，其中所述一对开关装置包括四个开关部分，至少一个所述开关部分具有整流机构，它使用了同步整流技术。
5.根据权利要求1到4任何之一的对称DC/DC变换器，其中一个和另一个所述开关装置各自包括第一与第二开关部分的组合和第三与第四开关部分的组合，一个输入终端和一个输出终端与形成其间的输入/输出公共点彼此连接，通过以下方式，输入电压升压到所需的电压，作为输出电压：
可控制地使输入终端与电感器之间的第一开关部分进入闭合状态；
可控制地使第二开关部分进入开路状态，其中第二开关部分在输入/输出公共点与第一开关部分和所述电感器的接点之间；
可控制地使输出终端与电感器之间的第三开关部分进入整流状态，使电流在从电感器到输出终端的方向上流动；
可控制地使第四开关部分进入开关状态，而以适当的时间间隔在开路状态与闭合状态之间高速变换，其中第四开关部分在输入/输出公共点与所述电感器和第三开关部分的接点之间；并且
在开关状态下，控制第一到第四开关部分的每个在开路操作与闭合操作之间的时间间隔。
6.根据权利要求1到5任何之一的对称DC/DC变换器，其中一个和另一个所述开关装置各自包括第一与第二开关部分的组合和第三与第四开关部分的组合，通过以下方式，输入电压降压到所需的电压，作为输出电压：
可控制地使输入终端与电感器之间的第一开关部分进入开关状态，而以适当的时间间隔在开路状态与闭合状态之间变换；
可控制地使第二开关部分进入整流状态，使电流在从输入/输出公共点到电感器的方向上流动，其中第二开关部分在输入/输出终端公共点，与第一开关部分和电感器的接点之间；
可控制地使输出终端与电感器之间的第三开关部分进入闭合状态，；
可控制地使第四开关部分进入开路状态，其中第四开关部分在输入/输出终端公共点与第三开关部分和电感器的接点之间；并且
在开关状态下控制第一到第四开关部分的每个在开路操作与闭合操作之间的时间间隔。
7.根据权利要求1到6任何之一的对称DC/DC变换器，它进一步包括控制单元，用于监视两个输入终端和两个输出终端的电压或电流，相应于每个输入和输出终端的状态，自动地判断电能传输方向，并且从开关状态、闭合保持状态和整流状态中选择，可控制地使四个开关部分的每个进入所需的状态，在开关状态下，以适当的间隔在开路状态与闭合状态之间高速变换，而在整流状态下，使电流只在一个方向上流动，所述四个开关部分组成所述一对开关装置。
8.根据权利要求1的对称DC/DC变换器，进一步包括控制单元，用于监视两个输入终端和两个输出终端的电压或电流，判断每个所述输入和所述输出终端的状态，从代表每个所述输入和所述输出终端状态的信息，与外部信息的合成判断中，自动地判断电能传输方向，并且从开关状态、闭合保持状态和整流状态中选择，可控制地使四个开关部分的每个进入所需的状态，在开关状态下，以适当的间隔在开路状态与闭合状态之间变换，而在整流状态下，使电流只在一个方向上流动，所述四个开关部分组成所述一对开关装置。
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