CN1985428A - 交织的功率转换器 - Google Patents

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Abstract

一种功率转换器结构交织全桥转换器，以减轻大电流应用中的热管理问题，并在减少零件数和降低成本的同时，例如使输出功率能力加倍。例如，在将功率提供给诸如电流加倍整流器的整流器的两个变压器之间，共享三相逆变器的一相，从而提供具有三条高压逆变器支线而不是四条高压逆变器支线的两个全桥DC/DC转换器。

Description

交织的功率转换器
技术领域
本发明一般涉及功率系统，尤其涉及适合整流、反相和/或转换电源和负载之间的功率的功率模块结构。
背景技术
功率模块通常是变换和/或调节来自一个或多个电源的功率以便将功率供应给一个或多个负载的独立单元。通常被称为“逆变器”的功率模块将直流电(DC)变换成交流电(AC)，用在对AC负载的供电中。通常被称为“整流器”的功率模块将AC变换成DC。通常被称为“DC/DC转换器”的功率模块升高或降低DC电压。适当配置和工作的功率模块可以执行这些功能的任何一个或几个功能。术语“转换器”通常一般性地应用于所有功率模块，不管是逆变器、整流器还是DC/DC转换器，并通用地用在本文中。
许多应用采用将高功率、高电流和/或高电压从电源输送到负载。例如，运输应用可能采用高功率来驱动诸如推动电动车或混合型电动车的牵引电机的负载。这样的应用可能采用各种各样的电源中的一种或多种，例如，诸如燃料电源组或光电池组的产能电源，和/或诸如蓄电池组和/或超级电容器组的储能电源。时常，这样的应用采用功率转换器来变换和/或调节功率，例如，降低向负载供电的电压。
功率转换器通常采用功率半导体器件，譬如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和/或半导体二极管。这些功率半导体器件在大功率工作期间散发出大量热量，造成可能限制工作范围、增加成本、增加尺寸和/或重量、负面影响效率和/或降低功率转换器的可靠性的热管理问题。
减轻热管理问题的能够大功率工作的功率转换器的方法和/或结构是人们迫切希望的。
发明内容
在一个方面中，一种功率转换器包括：包括第一相支线、第二相支线和第三相支线的逆变器电路，第一相支线包括第一节点、第二相支线包括第二节点、第三相支线包括第三节点；包括第一侧和第二侧的第一变压器，第一变压器的第一侧电耦合在逆变器电路的第一相支线的第一节点和第二相支线的第二节点之间；和包括第一侧和第二侧的第二变压器，第二变压器的第一侧电耦合在逆变器电路的第一相支线的第一节点和第三相支线的第三节点之间。
在另一个方面中，一种转换功率的方法包括：转换直流电以生成交流电的至少三相；将交流电的三相的第一相和第二相供应给第一变压器的第一侧，以在第一变压器的第二侧上感应交流电；将交流电的三相的第二相和第三相供应给第二变压器的第一侧，以在第二变压器的第二侧上感应交流电；将来自第一变压器的第二侧的交流电供应给整流器；将来自第二变压器的第二侧的交流电供应给所述整流器；以及整流从第一和第二变压器的第二侧分别供应给整流器的第一和第二交流电，以生成第一电位节点和第二电位节点两端的第一电压，并生成第二电位节点和第三电位节点两端的第二电压。
在进一步的方面中，一种功率转换器包括：包括第一侧和第二侧的第一变压器，第一侧至少包括第一电极和第二电极，以及第二侧至少包括第一电极和第二电极；包括第一侧和第二侧的第二变压器，第一侧至少包括第一电极和第二电极，以及第二侧至少包括第一电极和第二电极；将交流电的第一相供应给第一变压器的第一侧的第一电极、将交流电的第二相供应给第一变压器的第一侧的第二电极和第二变压器的第一侧的第一电极、以及将交流电的第三相供应给第二变压器的第一侧的第二电极的部件；以及电流加倍整流从第一和第二变压器的第二侧供应的交流电的部件。
附图说明
在附图中，相同的标号表示相似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置未必按比例画出。例如，各种元件的形状和角度未必按比例画出，以及这些元件的一些被任意放大和定位以便提高图形的可辨性。并且，如图所示的元件的特定形状无意传达与特定元件的实际形状有关的任何信息，以及只是为了易于从图中识别出来而选的。
图1是根据一个例示性实施例的功率转换器的电路图；
图2A是图1的功率转换器的一部分的上前左等角图，模块外壳的盖子被掀开，以示出逆变器、整流器、两个平面变压器、滤波电感器和集成底座散热器；
图2B是根据一个例示性实施例的集成底座散热器的一部分的上前左等角图，示出了使整流器的各个开关与集成底座散热器物理和热耦合的数个多层开关基底；
图2C是根据另一个例示性实施例的集成底座散热器的一部分的上前左等角图，示出了每一个包括在电和热耦合层中形成以便将整流器的各个开关与集成底座散热器物理和热耦合的两个不同区域的两个多层开关基底；
图2D是根据另一个例示性实施例的集成底座散热器的一部分的上前左等角图，示出了包括在电和热耦合层中形成以便将整流器的各个开关与集成底座散热器物理和热耦合的四个不同区域的单个多层开关基底；
图3是根据一个例示性实施例的平面变压器之一的上前左等角图；
图4是图3的平面变压器的上前左等角分解图；
图5A是根据另一个例示性实施例的功率转换器的上前左等角图，其中，逆变器和滤波电感器处于模块外壳中；
图5B是根据另一个例示性实施例的集成底座散热器的一部分的上前左等角图，示出了包括在电和热耦合层中形成以便将整流器和逆变器的各个开关与集成底座散热器物理和热耦合的十个不同区域的单个多层开关基底；
图5C是根据另一个例示性实施例的集成底座散热器的一部分的上前左等角图，示出了包括在电和热耦合层中形成以便将整流器和逆变器的各个开关与集成底座散热器物理和热耦合的十个不同区域，以及形成两个变压器的绕组的区域的单个多层开关基底；
图5D是与图5C的那个类似的集成底座散热器的一部分的上前左等角图，示出了使用多层基底的导电和导热层之一将变压器的第二侧与整流器的功率半导体开关的各端子电耦合；
图6是根据一个例示性实施例的集成底座散热器的上前左等角图；以及
图7是例示根据一个例示性实施例，用于控制功率转换器的操作的控制信号，以及获得的电压和电流图形。
具体实施方式
在如下的描述中，为了使人们全面了解各种实施例，给出了某些具体细节。但是，本领域的普通技术人员应该明白，没有这些细节也可以实现本发明。在其它情况中，未详细示出或描述与功率转换器、控制器和/或门驱动器有关的公知的结构，以避免不必要地使本发明的描述重点不突出。
除非上下文另有需要，在如下的说明书和所附的权利要求书中，词汇“包括”和它的各种变体，譬如，“含有”或“带有”，应该理解成开放式的，也就是说，应该理解成“包括，但不局限于”。
在整个说明书中提到“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例所述的特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，出现在整个说明书中的各个地方的短语“在一个实施例中”未必都指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中可以以任何适当方式组合特征、结构或特性。
本文提供的标题只是为了方便说明，不能解释为要求保护发明的范围或含义。
图1示出了根据一个例示性实施例的功率转换器10，其中，功率转换器10具有DC/DC功率转换器的形式。功率转换器10起变换和/或调节电源V1供应的功率，以便供应给一个或多个负载R1、R2的作用。功率转换器10可以包括逆变器12、整流器14和伽伐尼电耦合逆变器12与整流器14的一对变压器T1、T2。功率转换器10也可以包括成对端子16a、16b，成对端子16a、16b可以电耦合成接收来自电源V1的功率。电源V1可以例如具有诸如燃料电源组或光电池组的一个或多个产能电源的形式，和/或具有诸如蓄电池组和/或超级电容器组的一个或多个储能电源的形式。功率转换器10还包括一组端子18a、18b、18c，这组端子18a、18b、18c可以电耦合成将功率供应给一个或多个负载R1、R2。
逆变器12包括由电压干线20a、20b形成的逆变器侧总线20(统称)。逆变器12还包括由上功率半导体开关S1和下功率半导体开关S2形成的第一相支线12a、由上功率半导体开关S3和下功率半导体开关S4形成的第二相支线12b、和由上功率半导体开关S5和下功率半导体开关S6形成的第三相支线12c，相支线12a-12c的每一条电耦合在电压干线20a、20b之间。功率半导体开关S1-S6可以例如具有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、和/或适用于大功率工作的其它开关的形式。
逆变器12进一步包括功率半导体二极管D1-D6，功率半导体二极管D1-D6反向并联地电耦合在功率半导体开关S1-S6的每一个的两端。正如在本文和权利要求书中所使用的那样，术语“功率半导体器件”包括设计成相对于标准半导体器件来说管理大电流、高电压和/或大功率的半导体器件，包括功率半导体开关器件、功率半导体二极管、和用在配电，例如电网或运输相关应用中的其它这种器件。在一些实施例中，功率半导体二极管D1-D6可以作为功率半导体开关S1-S6的一部分例如作为体二极管形成，而在其它实施例中，功率半导体二极管D1-D6可以采取离散半导体器件的形式。
处在分别形成每条相支线12a、12b、12c的功率半导体开关S1、 S2、S3、S4、S5、S6的每一对之间的是在工作期间呈现逆变器12的三相输出的各个相的相节点A、B、C。虽然被例示成单个开关和二极管，但功率半导体开关S1-S6和/或二极管D1-D6的每一个可以具有并联电耦合的一个或多个功率半导体开关和/或二极管的形式。控制器24通过控制信号26控制功率半导体开关S1-S6。
逆变器12可以进一步包括输入电容器C1，输入电容器C1电耦合在逆变器侧总线20的电压干线20a、20b的两端。
整流器14可以具有诸如例示在图1中的电流加倍整流器的有源整流器的形式。整流器14包括由上功率半导体开关S7和下功率半导体开关S9形成的第一支线14a、和由上功率半导体开关S8和下功率半导体开关S10形成的第二支线14b。整流器14还包括功率半导体二极管D7-D10，功率半导体二极管D7-D10分别反向并联地电耦合在功率半导体开关S7-S10每一个的两端。在一些实施例中，功率半导体二极管D7-D10可以作为功率半导体开关S7-S10的一部分，例如作为体二极管形成，而在其它实施例中，功率半导体二极管D7-D10可以具有离散半导体器件的形式。虽然被例示成单个开关和二极管，但功率半导体开关S7-S10和/或二极管D7-D10的每一个可以具有并联地电耦合的一个或多个功率半导体开关和/或二极管的形式。
整流器14的第一和第二支线14a、14b的每一个之间的节点相互电耦合，以便为整流器14提供中性节点O。控制器24通过控制信号28来控制功率半导体开关S7-S10。
变压器T1、T2可以是高频变压器，它提供伽伐尼电隔离以及功率转换器10的逆变器侧和整流器侧之间的电压升高/降低。每个变压器T1、T2分享功率转换器10的一半功率。
第一变压器T1包括第一侧T1a和第二侧T1b。在将功率从电源V1传送到负载R1、R2的情况下，第一侧T1a通常被称为初级绕组，以及第二侧T1b通常被称为次级绕组。在一些实施例中，功率可以沿着相反方向传送，例如，在再生制动期间，功率可以从“负载”R1、R2(例如，电机)传送到“电源”VI(例如，蓄电池和/或超级电容器)。因此，术语第一侧和第二侧在整个说明书和权利要求书中一般用于指变压器T1、T2的绕组，而与功率传送的方向无关。同样，正如在整个说明书和权利要求书中所使用的那样，负载R1、R2可能在第一模式(例如，驱动)下消耗功率，而在第二模式(例如，再生制动)下产生功率，以及电源V1可能在第一模式下提供功率，而在第二模式下消耗或存储功率。其它模式和操作也是可以的。
第一变压器T1的第一侧T1a包括一对电极T1c、T1d，以及第二侧T1b也包括一对电极T1e、T1f。同样，第二变压器T2包括第一侧T2a和第二侧T2b。第二变压器T2的第一侧T2a包括一对电极T2c、T2d，以及第二侧T2b也包括一对电极T2e、T2f。第二变压器T2的第二侧T2b与形成整流器侧总线的各条电流路径K、L、M、N电耦合，整流器侧总线也包括整流器14的中性节点O。
逆变器12的第一相支线12a的相节点A与第一变压器T1的第一侧T1a的第一电极T1c电耦合。逆变器12的第二相支线12b的相节点B与第一变压器T1的第一侧T1a的第二电极T1d电耦合，并与第二变压器T2的第一侧T2a的第一电极T2c电耦合。逆变器12的第三相支线12c的相节点C与第二变压器T2的第一侧T2a的第二电极T2d电耦合。
整流器14的第一支线14a电耦合在通过电流路径K的第一变压器T1的第二侧T1b的第一电极T1e和通过电流路径N的第二变压器T2的第二侧T2b的第二电极T2f之间。整流器14的第二支线14b电耦合在通过电流路径L的第一变压器T1的第二侧T1b的第二电极T1f和通过电流路径M的第二变压器T2的第二侧T2b的第一电极T2e之间。滤波电感器L1、L2、L3、L4电耦合在通过电流路径K、L、M、N的变压器T1、T2的次级侧T1c、T2c的每个电极T1e、T1f、T2e、T2f和端子18a-18c之间。滤波电感器L1-L4分享负载电流。输出电容器CO1、CO2电耦合在每对端子18a-18b、18b-18c的两端。
控制器24提供控制信号26、28，以便分别控制逆变器12的功率半导体开关S1-S6和/或整流器14的功率半导体开关S7-S10。控制器24可以具有诸如微处理器、数字信号处理器(DSP)和/或专用集成电路(ASIC)的微控制器的形式。控制器24可以从感测与来自电源V1的输入有关的电压或电流的电压传感器40a和/或电流传感器40b接收诸如电压和电流测量结果的输入信号。控制器24可以另外或可替代地从测量输出电压/电流的电压传感器42a和/或电流传感器42b接收电压和/或电流信号。
图2A示出了根据一个例示性实施例的功率模块50，功率模块50容纳了如图1的虚线方框52所例示的功率转换器10的一部分。具体地说，功率模块50包括一起形成外壳的电绝缘引线框54、集成底座散热器56和电绝缘盖58。该图未画出在这个例示性实施例中作为功率半导体开关S6-S10的一部分的功率半导体二极管D6-D10。如图2A所示，例示在图1中的功率半导体开关S6-S10的每一个实际上可以具有相互并联地电耦合的一个或多个(例示了四个)功率半导体开关S6-S10的形式。
引线框54支承着与由引线框54、散热片56和盖子58形成的外壳的外部形成电耦合的数个外部端子或连接器。例如，功率模块50可以包括在逆变器12的相节点A、B、C和变压器T1、T2的第一侧T1a、T2a的电极之间进行电耦合的数个端子60a-60d。具体地说，第一端子60a通过线接合61将逆变器12的相节点A与第一变压器T1的第一电极T1c电耦合。第二端子60b和第三端子60c通过线接合61分别将逆变器12的相节点B与第一变压器T1的第二电极T1d和第二变压器T2的第一电极T2c电耦合。第四端子60d通过线接合61将逆变器12的相节点C与第二变压器T2的第二电极T2d电耦合。虽然图2A只例示了每个电耦合一个线接合61，但大多数实际应用对于每个电耦合包括多个线接合。
此外，例如，数个端子或连接器也通过线接合(未示出)将整流器14与滤波电感器L1-L4电耦合并与端子18a-18c电耦合。例如，一对端子62a、62b将整流器12的中性节点O与端子18b电耦合。其它端子64a-64d通过电流路径K-N将整流器14和/或变压器T1、T2的第二侧T1b、T2b与滤波电感器L1-L4耦合。
诸如引脚66a、66h、66c、66d的端子或连接器通过线接合(未示出)将控制信号28从控制器24耦合到整流器14的功率半导体开关S7-S10。引脚66a-66d位于与中性节点O连接的端子18b附近。
功率模块50内的许多电耦合通过线接合来有利地进行。例如，端子60a-60d与变压器T1、T2的第一侧T1a、T2a之间的电耦合通过线接合61来形成。此外，例如变压器T1、T2的第二侧T1b、T2b与功率半导体开关S7-S10和功率半导体二极管D7-D10之间的电耦合也通过线接合(未示出)来形成。并且，端子62a、62b、64a-64b与功率半导体开关S7-S10和功率半导体二极管D7-D10之间的电耦合也通过线接合(未示出)来形成。
图2B-2D示出了根据数个例示性实施例，如何通过一个或多个多层开关基底44将整流器14的功率半导体开关S7-S10和功率半导体二极管D7-D10物理安装在集成底座散热器56上并与集成底座散热器56热耦合。多层开关基底44包括导电和导热的第一层44a、电绝缘和导热的第二层44b以及导电和导热的第三层44c。在一些实施例中，多层开关基底44可以包括更多的层。
具体地说，图2B示出了配有数个多层开关基底44的一个实施例，每个多层开关基底44用于形成整流器14的每个功率半导体器件S7-S10和相关的功率半导体二极管D7-D10。因此，对于整流器14，图2B的这个实施例总共可以包括四个分立的多层开关基底44。
图2C示出了配有数个多层开关基底44的另一个实施例，每个多层开关基底44用于整流器14的每条支线14a、14b。在这样的实施例中，每个多层开关基底44的导电和导热层44a形成不同的区域，以便安装形成整流器14的各条支线14a、14b的每个功率半导体器件S7-S10和相关的功率半导体二极管D7-D10。
图2D示出了为形成整个整流器14配备了单个多层开关基底44的又一个实施例。在第一导电和导热层44a中形成数个不同的区域，这些区域相互电隔离。在这个实施例中，形成整流器14的每个功率半导体器件S7-S10和相关的功率半导体二极管D7-D10使用一个区域，因此总共有四个不同区域。
一般说来，尽管在制造过程中形成不同区域会抵消一些节约，但包括较少单独多层基底44、70会使零件数减少，并可能使制造操作的次数减少。但是，这种数量减少通常伴随着其余多层基底44、70的尺寸增大。这种尺寸增大使多层基底44、70受到的压力增大，因此增大了出现诸如例如从焊料回流发展的裂缝的缺陷的可能性。
图3和4更详细地示出了变压器之一T1。第二变压器T2可以具有与第一变压器T1相似的结构。
变压器T1包括多层变压器基底70和磁芯72。多层变压器基底70包括导电和导热的第一层70a、电绝缘和导热的第二层70b、导电和导热的第三层70c、电绝缘和导热的第四层70d以及导电和导热的第五层70e。多层变压器基底70可以包括更多的层，例如，通过改变层数并因此改变变压器的初级和次级绕组之间的“匝数”比和/或通过减小涡流，来改变变压器T1的性能。
第一层70a和第五层70e上形成图案以形成第一绕组的一些部分，并通过通道74a、74b和连接垫片74c、74d、74e电耦合以形成第一绕组。第三层70c上也形成图案以形成第二绕组。虽然这些图例示了第一绕组包括比第二绕组更多的层，但在一些实施例中，第二绕组也可以包括比第一绕组更多的层，或第一和第二绕组可以包括一样多的层。
第五层70e上可以进一步形成图案以形成例如通过焊接将多层变压器基底70附在散热器56上的安装区域70f。这缩小了多层基底70和集成底座散热器56之间的耦合区，从而降低了相关压力和例如在焊料回流期间发展诸如裂缝的瑕疵的可能性。
磁芯72可以包括环绕多层变压器基底70的第一和第二绕组的两个或多个部分72a、72b。磁芯72的一部分72c可以容纳穿过在多层变压器基底70的每个层70a-70e中形成的开口70g。
多层变压器基底70可以利用各种技术和材料来形成，例如，多层变压器基底70可以采取例如可从美国德州Curamik Electronics ofAddison公司获得的直接粘合铜(DBC，direct bonded copper)基底的形式。另外，或可替代地，多层变压器基底70可以采取例如可从美国明尼苏达州Bergquist Company of Chanhassen公司获得的绝缘金属基底(IMS，insulated metal substrates)的形式。
导电和导热层可以具有诸如铜、铝和/或其它良导电和导热体的各种各样的形式。虽然通常以薄膜的形式来提供，但导电和导热层也可以具有其它形式，例如，冲压片状金属。电绝缘和导热层可以例如具有可从美国俄亥俄州Du Pont de Nemours，High PerformanceMaterials of Circleville公司获得的诸如Kapton薄膜的热增强型聚酰亚胺薄膜的形式。另外，或可替代地，电绝缘和导热层可以例如具有诸如氧化铝、氮化铝和/或氮化硅陶瓷的适用陶瓷的形式。在一个实施例中，多层变压器基底70具有利用诸如环氧基粘合剂的粘合剂将冲压片状金属层与可从美国俄亥俄州Du Pont de Nemours，HighPerformance Materials of Circleville公司获得的诸如Mylar薄膜的绝缘层层叠在一起的形式。
可以通过焊料回流技术将多层开关和变压器基底44、70附在集成底座散热器56上。例如可以将功率半导体开关S1-S10和功率半导体二极管D1-D10焊接在各个多层基底44、70上，然后，将多层基底44、70放置在集成底座散热器56上。然后，利用焊料回流技术同时和/或单个动作地，例如通过在烤箱中加热而将多层基底44、70焊接在集成底座散热器56上。
可替代地，可以将多层基底44、70放置在集成底座散热器56上，将功率半导体开关S1-S10和功率半导体二极管D1-D10放置在多层基底44、70上。功率半导体开关S1-S10和功率半导体二极管D1-D10与多层基底44、70之间以及多层基底44、70与集成底座散热器56之间的连接可以利用焊料回流技术同时和/或单个动作地，例如通过在烤箱中加热而形成。
所述的技术可以减少制造功率模块所涉及的动作次数，从而降低了制造成本，此外，让各种元件受到较少热循环有利地提高了可靠性和生产量。
图5A示出了根据另一个例示性实施例的功率转换器50，其中容纳了图1中除了控制器24之外的整个功率转换器10。图5A的功率模块50包括逆变器12、整流器14和变压器T1、T2。一对端子20a、20b允许与电源V1形成电连接。三个端子18a、18b、18c允许与负载R1、R2形成电连接。端子18a、18c可以形成为总线条80a、80b。诸如引脚85a-85f的端子或连接器接收来自控制器24的控制信号26，以便操作逆变器的功率半导体开关S1-S6。逆变器12的功率半导体开关S1-S6和相关的功率半导体二极管D1-D6可以有利地通过只例示了少数几条的线接合81与变压器T1、T2的第一侧T1a、T2a电耦合。变压器T1、T2的第一侧T1a、T2a可以有利地通过只例示了少数几条的线接合81与整流器14的功率半导体开关S7-S10和相关的功率半导体二极管D7-D10电耦合。
在图5A的实施例中，功率模块50可以包括一个或多个附加多层开关基底44，以便将形成逆变器12的功率半导体开关S1-S10和相关的功率半导体二极管D1-D10安装在集成底座散热器56上。
例如，功率模块50可以以与针对整流器14如图2B所示的方式相似的方式，包括用于逆变器12的每个功率半导体开关S1-S6和相关功率半导体二极管D1-D6对的分立多层开关基底44。因此，针对逆变器12，功率模块50可以包括六个分立多层开关基底44。
此外，例如，功率模块50可以包括用于逆变器12的每条相支线12a-12c的分立多层开关基底44。在每个多层开关基底44的导电层44a上，以与针对整流器14如图2C所示的方式相似的方式来形成两个不同区域，每个区域用于各条相支线12a-12c的每个功率半导体开关S1-S6和相关的功率半导体二极管D1-D6。因此，对于逆变器12，功率模块50可以包括三个附加多层开关基底44。
在进一步的例子中，功率模块50可以以与针对整流器14如图2D所示的方式相似的方式，包括安装逆变器12的所有功率半导体开关S1-S6和相关功率半导体二极管D1-D6的单个附加多层开关基底44。因此，多层开关基底44可以包括在导电和导热层44a上形成的六个不同区域，每个区域用于每个功率半导体开关S1-S6和相关的功率半导体二极管D1-D6对。
除了上面讨论的实施例之外，例示在图5B中的进一步实施例示出了与形成整流器14的功率半导体器件S7-S10和相关功率半导体二极管D7-D10一起，安装形成逆变器12的功率半导体开关S1-S6和相关功率半导体二极管D1-D6的单个多层开关基底44。因此，这样的实施例可以包括在第一导电和导热层44a上形成的十个不同区域，这些区域相互电隔离。
图5C示出了包括至少三个导电和导热层70a、70c、70e和至少两个电绝缘和导热层70b、70d的单个多层开关基底70，电绝缘和导热层70b、70d将各个导电和导热层对70a-70c、70c-70e隔开。多层开关基底70的第二导电和导热层70c形成十个不同区域。这些区域相互电隔离，用于以与如图5B所示的方式相似的方式来安装形成逆变器12的功率半导体开关S1-S6和相关功率半导体二极管D1-D6(在图5C中未示出)、和形成整流器14的功率半导体器件S7-S10和相关功率半导体二极管D7-D10(在图5C中未示出)。至少第一和第三导电和导热层70a、70e上形成图案并相互电耦合以形成变压器T1、T2的第一绕组。至少第二导电和导热层70c上形成图案以形成变压器T1、T2的第二绕组。
虽然图5C示出了三个导电和导热层70a、70c、70e和两个电绝缘和导热层70b、70d，但多层基底70可以包括更多的层。并且，虽然功率半导体器件S1-S10、D1-D10被例示成安装在第二导电和电热层上，但也可以将那些功率半导体器件的一些或所有安装在其它一些导电和电热层上。
图5D示出了与图5C类似的集成底座散热器的一部分，其中例示了使用多层基底70的第二导电和导热层70c之一来电耦合变压器T1、T2的第二侧T1b、T2b与整流器14的功率半导体开关S7-S10和/或功率半导体二极管D7-D10的各自端子(例如，漏极/集电极)，有利地消除了数条线接合。其它实施例可以以例如消除线接合的相似方式来应用相同或其它的导电和导热层70a、70c、70e。
图6示出了根据一个例示性实施例的集成底座散热器56。集成底座散热器56可以包括板部分56a和管道部分56b。板部分56a可以包括含有一对凹口82a、82b的上表面82，一对凹口82a、82b的大小和尺度被调整成适合容纳诸如部分72b的磁芯72的一部分，使得多层变压器基底70与表面82齐平。管道部分56b包括入口84a、出口84b和由第一通道部分86a和第二通道部分86b形成的通道，第一通道部分86a和第二通道部分86b可传送流体地与入口84a和出口84b耦合。板82可以在与上表面82相反的表面上包括诸如鳍状物或引脚87的热辐射结构，这些热辐射结构被放入通道部分86a、86b中，将来自板56a的热量传送给流过通道部分86a、86b的流体。功率转换器10可以包括循环系统(未示出)，该循环系统包括，例如泵、压缩器和/或风扇，使流体沿着通道部分86a、86b循环，帮助传送来自集成底座散热器56的热量。虽然被显示成集成底座散热器56，但其它实施例可以应用其它形式的散热器。
图7示出了例示在周期TS上的各种时间间隔t0-t12上施加到逆变器12的半导体开关S1-S6的开关信号、施加到变压器T1的第一侧T1a的电压UAB、和施加到变压器T2的第一侧T2a的电压UBC的时序图。图7还分别示出了滤波电感器L1-L4的电流输出IL1-IL4。
逆变器12的每条相支线12a-12c的功率半导体开关S1-S6(图1)的每一个都生成大约50％占空度的方波形。逆变器12的第一和第二相支线12a、12b受到相移控制，以便生成施加到第一变压器T1的第一侧或绕组T1a的三电平方波形UAB。逆变器12的第二支线12b和第三支线12c受到相移控制，以便生成施加到第二变压器T2的第一侧或绕组T2a的三电平方波形UBC。因此，变压器T1、T2共享相位B，以形成两个传统全桥DC/DC转换器的等效物，同时，有利地节省了一条高压支线(即，至少两个功率半导体开关和相关的功率半导体二极管)和门驱动电路。
两个输出UAB和UBC相互锁相，以便第二相支线12b(相位B)可以通过变压器T1中的负载电流来实现宽的软开关范围。软开关是通过存储在滤波电感器L1-L4中的能量来实现的，不依赖于存储在变压器T1的漏电感中的能量。输出电压Vout1通过相移角φAB来调整，以及输出电压Vout2通过相移角φBC来调整。
可以将功率转换器10配置成单输出或双输出。在单输出配置中，输出Vout1和Vout2并联在一起，使输出电流/功率加倍。如果在单输出电压配置中使Vout1和Vout2并联在一起，则相移角φAB和φBC相等。在双输出配置中，可以独立地控制Vout1和Vout2。
如上所述的交织全桥DC/DC功率转换器10使输出功率能力加倍，同时在高散热温度(例如，105℃)下工作，并将电流和热压力保持在可接受水平上，从而提供了高可靠性。通过变压器T1、T2和滤波电感器L1-L4中的负载电流，在宽的负载范围上实现了软开关，降低了开关损耗并提供了高效操作。因此，所述的功率转换器可以有效地提供大功率转换，以及大功率密度和高散热温度。所述交织还有利地减小了到输入和输出电容器Cl、CO1、CO2的高频脉动电流。共享逆变器12的相支线12a-12c允许使用比通常所需少一条的逆变器相支线(即，至少两个功率半导体开关和相关二极管)，从而在提高可靠性的同时，减少了零件数，降低了复杂性和成本。功率转换器10可容易地进一步配置成单输出单元或双输出单元。
如上所述的功率转换器10中平面变压器的集成避免了使用传统的气冷笨重铜印刷线路板绕组。平面变压器的集成通过像上述那样应用直接线接合连接，允许降低在高频下尤其成问题的与接触有关的欧姆损耗和电感。可以应用平面变压器T1、T2的扁平绕组结构来降低漏电感和AC损耗。在所述功率转换器10中使用平面变压器可以有利地提高磁芯窗利用率，降低磁芯值，并提高功率密度。如上所述的功率转换器10还可以提供改善的EMI性能。
尽管本文为了例示的目的描述了功率转换器及其方法的特定实施例和例子，但本领域的普通技术人员应该认识到，可以在不偏离本发明精神和范围的情况下作出各种各样的等效修改。本文提供的教导可以应用于任何功率转换器，未必是上面概述的带有平面变压器的DC/DC交织功率转换器。
例如，功率转换器10可以共享第一或第三相支线12a、12c，而不是第二相支线12b。此外，例如，这些教导不局限于三相逆变器12，也可以应用于相支线数还要多的逆变器，例如，以便提供还要大的功率。例如，功率转换器10可以包括加入逆变器12中的第四相支线和电耦合在第三相支线12c和附加相支线之间的第三变压器。功率转换器还可以包括两个滤波电感器，以及将从第三变压器的第二侧供电的功率半导体开关和相关二极管加入整流器中，以便提供50％的功率提高。此外，例如，同步整流是可选的，以及在一些实施例中可以省略，例如，用二极管整流器来取代。作为一个进一步的例子，集成平面变压器可以有利地应用在诸如逆变器和/或整流器的其它功率转换器中。作为一个更进一步的例子，所述交织可以有利地不与集成平面变压器一起应用。
如上所述的各种实施例可以组合在一起，以提供进一步的实施例。本说明书提及和/或列在申请一览表中的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物，包括，但不局限于，2003年12月16日提出以及发明名称为“PowerModule With Heat Exchange”的普通转让美国专利申请第10/738,926号、2003年10月16日提出以及发明名称为“Power ConverterEmploying A Planar Transformer”的美国专利申请第10/688,834号、以及2003年6月4日提出以及发明名称为“Integration of PlanarTransformer and Power Switches in Power Converter”的美国专利申请第____号(快件第EV449558056US号)全文在这里通过引用而并入。如有必要，本发明的这些方面可以修改成应用各种专利、申请和公布的系统、电路和概念，以便提供本发明更进一步的实施例。
可以根据上面的详细描述对本发明作出这些和其它改变。一般说来，在所附的权利要求书中，所用的术语不应该解释为本发明局限于公开在说明书和权利要求书中的特定实施例，而是应该解释为包括所有的功率转换器。于是，本发明不受本公开限制，取而代之，它的范围完全由所附权利要求书限定。

Claims (28)

1.一种功率转换器，包括：
第一变压器，包括：至少包括第一电极和第二电极的第一侧，和至少包括第一电极和第二电极的第二侧；
第二变压器，包括：至少包括第一电极和第二电极的第一侧，和至少包括第一电极和第二电极的第二侧；以及
将交流电的第一相供应给第一变压器的第一侧的第一电极、将交流电的第二相供应给第一变压器的第一侧的第二电极和第二变压器的第一侧的第一电极、以及将交流电的第三相供应给第二变压器的第一侧的第二电极的部件。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，进一步包括：
用于电流加倍整流从第一和第二变压器的第二侧供应的交流电的部件。
3.根据权利要求2所述的功率转换器，其中，用于电流加倍整流的部件生成第一电位节点和第二电位节点两端的第一电压，以及生成第二电位节点和第三电位节点两端的第二电压。
4.根据权利要求3所述的功率转换器，其中，第一和第二电位节点两端的输出与第三和第二电位节点两端的输出并联地电耦合。
5.根据权利要求3所述的功率转换器，其中，第一和第二电位节点两端的输出相对于第三和第二电位节点两端的输出是可独立控制的。
6.根据权利要求2所述的功率转换器，进一步包括：
数个电感器，每个电感器与第一和第二变压器的第二侧的各自一个电极串联地电耦合。
7.根据权利要求2所述的功率转换器，进一步包括：
并联地电耦合在第一和第二电位节点两端的第一电容器；和
并联地电耦合在第二和第三电位节点两端的第二电容器。
8.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述供应部件包括：包括第一相支线、第二相支线和第三相支线的逆变器电路，第一相支线包括第一节点，第二相支线包括第二节点，以及第三相支线包括第三节点，以及其中，第一变压器的第一侧电耦合在逆变器电路的第一相支线的第一节点和第二相支线的第二节点之间；以及第二变压器的第一侧电耦合在逆变器电路的第一相支线的第一节点和第三相支线的第三节点之间。
9.根据权利要求8所述的功率转换器，其中，第一、第二和第三相支线的每一个包括各自一对功率开关元件，每对中的功率开关元件之一电耦合在功率总线的第一干线和第一、第二或第三节点的各自一个之间，以及每对中的功率开关元件的另一个电耦合在功率总线的第二干线和第一、第二或第三节点的各自一个之间。
10.根据权利要求9所述的功率转换器，进一步包括：
与第一和第二变压器的第二侧电耦合的电流加倍整流器。
11.根据权利要求10所述的功率转换器，其中，所述电流加倍整流器包括：
串联地电耦合在第一变压器的第二侧的第一电极和第二变压器的第二侧的第一电极之间的第一对开关，在第一对开关的开关之间形成第一整流器节点；和
串联地电耦合在第一变压器的第二侧的第二电极和第二变压器的第二侧的第二电极之间的第二对开关，在第二对开关的开关之间形成第二整流器节点，第二整流器节点与第一整流器节点电耦合。
12.根据权利要求11所述的功率转换器，进一步包括：
控制器，可通信地耦合成控制逆变器电路的第一、第二和第三相支线的功率开关元件的操作，以及控制电流加倍整流器的第一和第二对开关的操作。
13.根据权利要求10所述的功率转换器，进一步包括：
与第一变压器的第二侧的第一电极串联地电耦合的第一电感器；
与第一变压器的第二侧的第二电极串联地电耦合的第二电感器；
与第二变压器的第二侧的第一电极串联地电耦合的第三电感器；和
与第二变压器的第二侧的第二电极串联地电耦合的第四电感器。
14.根据权利要求13所述的功率转换器，进一步包括：
包括第一电极和第二电极的第一电容器，第一电容器的第一电极在第一电位节点与第一和第二电感器电耦合；和
包括第一电极和第二电极的第二电容器，第二电容器的第二电极在第三电位节点与第三和第四电感器电耦合，第二电容器的第一电极在第二电位节点与第一电容器的第二电极电耦合。
15.根据权利要求14所述的功率转换器，进一步包括：
与第二和第三电位节点并联地电耦合在第一和第二电位节点两端的单个负载。
16.根据权利要求14所述的功率转换器，进一步包括：
电耦合在第一和第二电位节点两端的第一负载；和
电耦合在第二和第三电位节点两端的第二负载。
17.根据权利要求9所述的功率转换器，其中，每个功率开关元件包括至少一个大功率晶体管和电耦合在至少一个大功率晶体管两端的至少一个反向并联二极管。
18.根据权利要求9所述的功率转换器，其中，每个功率开关元件包括至少一个绝缘栅双极晶体管。
19.根据权利要求9所述的功率转换器，其中，每个功率开关元件包括至少一个金属氧化物半导体场效应晶体管。
20.根据权利要求8所述的功率转换器，其中，第一和第二变压器是平面变压器，以及第一和第二变压器的第一侧中的匝数大于第一和第二变压器的第二侧中的匝数。
21.根据权利要求8所述的功率转换器，其中，第一和第二变压器的第一侧中的匝数小于第一和第二变压器的第二侧中的匝数。
22.一种转换功率的方法，包括：
逆变直流电以生成交流电的至少三相；
将三相交流电的第一相和第二相供应给第一变压器的第一侧，以在第一变压器的第二侧上感应交流电；
将三相交流电的第二相和第三相供应给第二变压器的第一侧，以在第二变压器的第二侧上感应交流电；
将来自第一变压器第二侧的交流电供应给整流器；
将来自第二变压器第二侧的交流电供应给整流器；以及
整流从第一和第二变压器的第二侧分别供应给整流器的第一和第二交流电，以生成第一电位节点和第二电位节点两端的第一电压，并生成第二电位节点和第三电位节点两端的第二电压。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，第二电位节点和第三电位节点两端的第二电压近似等于第一电位节点和第二电位节点两端的第一电压。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
将来自第一变压器的第二侧的交流电电感耦合到第一和第二电位节点；和
将来自第二变压器的第二侧的交流电电感耦合到第二和第三电位节点。
25.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
锁相供应给第一变压器的第一侧的交流电的相位与供应给第二变压器的第一侧的交流电的相位。
26.根据权利要求22所述的方法，其中，将三相交流电的第一相和第二相供应给第一变压器的第一侧包括：生成到第一变压器的初级绕组的三电平方波形，以及其中，将三相交流电的第二相和第三相供应给第二变压器的第一侧包括：生成到第二变压器的初级绕组的三电平方波形。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，生成到第一变压器的初级绕组的三电平方波形包括：相移控制逆变器电路的第一和第二支线的每一个的上侧和下侧开关。
28.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
与负载并联地电耦合所述第一和第二电压。
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