CN106664017B - 包括隔离直流/直流转换器电路的电压转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电压转换器，其包括：隔离直流/直流转换器电路，具有至少一个第一隔离变压器及开关，所述开关以至少一个占空比进行的一连串的断开及闭合使得能够通过第一隔离变压器经由隔离直流/直流转换器电路传送能量；调节电路，用于调节隔离直流/直流转换器电路的输入电压；调节电路被配置成通过修改被递送至隔离直流/直流转换器电路的电压来控制隔离直流/直流转换器电路的输出电压，隔离直流/直流转换器电路的占空比保持恒定，且在转换器中，调节电路的输出连接至隔离直流/直流转换器电路的包括第一隔离变压器的分支。藉此，隔离直流/直流转换器电路能够以恒定占空比进行操作而提高性能。

Description

包括隔离直流/直流转换器电路的电压转换器
技术领域
本发明涉及一种包括隔离直流/直流转换器电路的电压转换器、一种包括交错的根据本发明的转换器的电压转换器装置、及一种用于根据本发明的转换器的电压转换方法。
背景技术
隔离直流/直流(direct current/direct current，DC/DC)转换器可具有零电压切换(zero voltage switching，ZVS)或零电流切换(zero current switching，ZCS)，从而使得可减少电压转换期间的切换损耗。这些转换器因此尤其有利于能量资源受限的汽车应用。在车辆中，可使用电压转换器来适配车辆的多个电网络之间的电压电平，或在能量源与车辆上装载的耗电器之间进行电压转换。
从专利US5754413已知在图1中说明的隔离直流/直流电压转换器。所述转换器包括呈半桥式(half-bridge)配置的两个开关，所述两个开关在其中点处连接至包括两个串联连接的变压器的分支。所述开关控制经由变压器进行的能量传送，以实现转换器的输入电压至输出电压的转换。连接至变压器的次级绕组的二极管使得可对输出信号进行整流。输出电压是通过控制开关的占空比(duty ratio)而获得。通过修改占空比以实现目标输出电压值，能调整转换器的增益以达到输出电压的目标值。具体来说，当隔离直流/直流转换器的输入电压变化时，已知要改变隔离直流/直流转换器的开关的占空比以调节其输出电压，也就是说将其输出电压维持在期望值。
然而，整流二极管的电压应力(voltage stress)是转换器的开关的占空比的函数。当占空比接近0％或100％时，此应力可变高。为了限制整流二极管的电压应力，为这两个变压器提供不同的相应变压比(transformation ratio)。然而，这会使转换器的设计复杂化，原因是转换器无法完全相同且次级绕组中的电流呈现不连续性。
另外，通过以可变的占空比工作，输出电流的纹波(ripple)可强烈变化，从而使得转换器的合格率(yield)发生变化。为了保持以好的合格率进行操作，占空比的可变性必须为低的。然而，在车辆中，例如蓄电池等能量源的电压可根据可用能量而大幅变化。转换器的输入处的此种变化涉及到对应地改变占空比，而这会限制隔离直流/直流转换器在车辆中的使用。
因此，需要寻找一种旨在提高隔离直流/直流转换器的性能，以使其可用于机动车辆中的解决方案。
发明内容
为实现此目的，本发明涉及一种电压转换器，所述电压转换器包括：
隔离直流/直流转换器电路，具有开关，所述开关以至少一个占空比进行的一连串的断开及闭合，使得能够经由所述隔离直流/直流转换器电路传送能量；
电路，用于调节所述隔离直流/直流转换器电路的输入电压；
所述调节电路被配置成通过修改被递送至所述隔离直流/直流转换器电路的电压来控制所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压，所述隔离直流/直流转换器电路的所述占空比保持恒定。
利用所述调节电路，通过调整所述隔离直流/直流转换器电路的输入电压，而获得所述隔离直流/直流转换器电路的所期望输出电压值。对于所述隔离直流/直流转换器电路的输出处的每一所期望电压值，均对应有所述隔离直流/直流转换器电路的一个输入电压值。所期望输出电压值是在不修改所述隔离直流/直流转换器电路的占空比的条件下获得。占空比可因此固定在能够实现最大合格率的值处。
在所述隔离直流/直流转换器电路的给定输出电压下，所述调节电路使得所述隔离直流/直流转换器电路能够对于任何输入电压均以恒定的占空比进行操作、特别是在所述隔离直流/直流转换器电路的操作范围内进行操作。
举例来说，所述转换器的输入电压的最小值与最大值之间的差介于150V与500V之间；举例来说，所述输入电压的最小值介于150V与200V之间；且所述输入电压的最大值介于400V与500V之间，或甚至介于400V与650V之间。
所述隔离直流/直流转换器电路的所述开关的占空比因此在虑及不确定性的同时保持恒定。
具体来说，所述调节电路包括开关且使得其占空比得到调整，以在所述调节电路的输出处(也就是说，在所述隔离直流/直流转换器电路的输入处)获得电压值。此电压值被调整以在所述隔离直流/直流转换器电路的输出处获得所期望电压值。
所述调节电路在所述隔离直流/直流转换器电路的输入处递送所述调节电路的输出信号。为实现此效果，所述隔离直流/直流转换器电路可从所述调节电路进行级联。具体来说，所述隔离直流/直流转换器电路直接连接于所述调节电路的下游。
具体来说，所述调节电路是配置用来将电压从所述电压转换器的输入电压直接或间接递送至所述隔离直流/直流转换器电路。
所述电压转换器可为被配置用于将直流输入电压转换成直流输出电压的直流-直流转换器(direct-direct converter)。
所述电压转换器可为被配置用于将交流电压转换成直流电压的直流-交流转换器(direct-alternating converter)。有利地，所述电压转换器此时包括位于所述调节电路上游的交流-直流转换器电路、或位于所述隔离直流/直流转换器电路下游的直流/交流转换器电路。通过适宜的适配，所述电压转换器可为交流-交流转换器(alternating-alternating converter)。
根据一实施例，所述隔离直流/直流转换器电路被配置以使得所述隔离直流/直流转换器电路的占空比实质上等于50％。在为50％的占空比条件下，在所述隔离直流/直流转换器电路的输出处的电流呈现出弱的纹波，原因是所述隔离直流/直流转换器电路的磁化电感器中的电流的纹波被抵消。
根据一实施例，所述调节电路及所述隔离直流/直流转换器电路位于单一模块中。具体来说，所述调节电路及所述隔离直流/直流转换器电路位于电子模块的同一壳体中或位于所述模块的同一电子卡上。
根据一实施例，所述转换器包括电路，所述电路用于构建第一环路以基于所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压的值与所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压设定点之间的差而锁定于所述调节电路的信号的电参数的设定点，所述电参数的设定点使得所述调节电路向所述隔离直流/直流转换器电路递送与所述隔离直流/直流转换器电路的相应输出电压值对应的输入电压值。
根据一变型，所述转换器包括电路，所述电路用于构建第二环路以基于所述电参数的值与所述电参数的设定点之间的差而锁定于所述调节电路的信号的电参数。
根据一变型，所述调节电路的信号为由所述调节电路递送的信号、或在所述调节电路中循环的信号。
根据一变型，所述信号的电参数为所述信号的电流或所述信号的电压。
因此，在一变型中，所述电路用于将所述第一环路构建成基于所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压的值与所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压设定点之间的差，而锁定于由所述调节电路递送的电流、或在所述调节电路中循环的电流。
具体来说，所述第一环路的电路及/或所述第二环路的电路通过控制包含于所述调节电路中的开关、特别是通过锁定于所述开关断开的占空比及所述开关闭合的占空比而锁定于所述电参数。
根据实施例，所述调节电路是单端初级电感器转换器(Single EndedPrimaryInductor Converter，sepic)型、
Figure GDA0001199317590000041
型、降压型、升压型或降压-升压型直流/直流转换器。根据实施例，所述隔离直流/直流转换器电路包括串联连接的至少第一隔离变压器与第二隔离变压器，所述开关使得能够通过所述变压器经由所述隔离直流/直流转换器电路传送能量。
根据实施例，所述隔离直流/直流转换器电路被配置成使得：
-在操作周期的第一部分内，所述第一变压器的初级绕组形成能量存储电感器，且所述第二变压器的初级绕组朝所述第二变压器的次级绕组传递能量；
-在所述操作周期的第二部分内，所述第二变压器的初级绕组形成能量存储电感器，且所述第一变压器的初级绕组朝所述第一变压器的次级绕组传递能量。
根据实施例，所述隔离直流/直流转换器电路被配置成使得：
-在操作周期的第一部分内，所述第一变压器的初级绕组形成能够使所述开关进行软切换的电感器，且所述第二变压器的初级绕组朝所述第二变压器的次级绕组传递能量；
-在所述操作周期的第二部分内，所述第二变压器的初级绕组形成能够使所述开关进行软切换的电感器，且所述第一变压器的初级绕组朝所述第一变压器的次级绕组传递能量。
根据实施例，至少一个变压器的磁化电感器被配置成使得在所述占空比条件下，在所述变压器中循环的磁化电流能够使所述隔离直流/直流转换器电路的所述开关进行软切换。
根据一实施例，所述调节电路的输出在所述隔离直流/直流转换器电路的包括所述隔离直流/直流转换器电路的所述开关中的至少某些开关的分支处连接至所述隔离直流/直流转换器电路。
根据一实施例，所述调节电路的输出连接至所述隔离直流/直流转换器电路的包括所述变压器的分支。
根据一实施例，所述隔离直流/直流转换器电路的开关及初级绕组形成半桥式结构。作为另外一种选择，所述隔离直流/直流转换器电路的开关及初级绕组形成全桥式(full-bridge)结构，或者所述开关及所述初级绕组具有能够使所述隔离直流/直流转换器电路进行操作的任何其他配置。
根据一实施例，所述开关中的至少一个包括并联连接的电容器。
本发明还涉及一种电压转换器，所述电压转换器包括：
-隔离直流/直流转换器电路，具有至少一个第一隔离变压器及开关，所述开关以至少一个占空比进行的一连串的断开及闭合，使得能够通过所述第一变压器经由所述隔离直流/直流转换器电路传送能量；
-电路，用于调节所述隔离直流/直流转换器电路的输入电压；
所述调节电路被配置成通过修改被递送至所述隔离直流/直流转换器电路的电压来控制所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压，所述隔离直流/直流转换器电路的所述占空比保持恒定，且
在所述转换器中，所述调节电路的输出连接至所述隔离直流/直流转换器电路的包括所述第一变压器的分支。
根据本发明的所述转换器可包括上述步骤中与所述转换器兼容的任一个。
具体来说，根据一实施例，所述隔离直流/直流转换器电路包括至少所述第一隔离变压器及串联连接至所述第一变压器的第二隔离变压器，所述开关使得能够通过所述变压器经由所述隔离直流/直流转换器电路传送能量，且所述调节电路的输出连接至所述隔离直流/直流转换器电路的包括所述变压器的分支。在此实施例中，所述至少一个第一隔离变压器被至少两个串联连接的隔离变压器取代。
根据一实施例，所述第一变压器的所述分支连接至所述开关的中点，且所述调节电路在与所述分支与所述开关的所述中点的连接点不同的点处连接至所述第一变压器的所述分支。具体来说，所述调节电路连接于所述第一变压器与电容器之间，所述电容器一方面连接至所述变压器且另一方面连接至所述电压转换器的接地。
此实施例与前述实施例兼容。具体来说，包括所述两个串联连接的隔离变压器的所述分支连接至所述开关的中点，且所述调节电路在与所述分支与所述开关的所述中点的所述连接点不同的点处连接至所述分支。具体来说，所述调节电路连接于所述第二变压器与电容器之间，所述电容器一方面连接至所述一系列变压器且另一方面连接至所述电压转换器的接地。
本发明还涉及一种电压转换装置，所述电压转换装置包括至少两个根据本发明的电压转换器，所述转换器是交错的；且其中所述调节电路被配置成以2π/n的相移进行操作，且所述隔离直流/直流转换器电路被配置成以π/n的相移进行操作，n是交错的所述电压转换器的数目。
根据一实施例，各所述电压转换器共享用于构建第一环路的单一电路，从而使所述调节电路接收相同的设定点。
本发明还涉及一种电压转换方法，所述电压转换方法包括由以下组成的步骤：
-供应具有开关的至少一个隔离直流/直流转换器电路，所述开关以至少一个占空比进行的一连串的断开及闭合，使得能够经由所述隔离直流/直流转换器电路传送能量；以及电路，用于调节所述隔离直流/直流转换器电路的输入电压；
-通过修改被递送至所述隔离直流/直流转换器电路的电压来控制所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压，所述隔离直流/直流转换器电路的所述占空比保持恒定。
根据一实施例，所述隔离直流/直流转换器电路的所述占空比实质上等于50％。
根据一实施例，对所述隔离直流/直流转换器电路的所述输出电压的所述控制包括第一环路基于所述隔离直流/直流转换器电路的所述输出电压的值与所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压设定点之间的差而锁定于所述调节电路的信号的电参数的设定点，所述电参数的所述设定点使得所述隔离直流/直流转换器电路接收到具有与所述隔离直流/直流转换器电路的相应输出电压值对应的值的输入电压。
根据一实施例，所述方法包括供应包括串联连接的至少第一隔离变压器与第二隔离变压器的所述隔离直流/直流转换器电路；以及：
-在所述隔离直流/直流转换器电路的操作周期的第一部分内，所述第一变压器的初级绕组形成能量存储电感器，且所述第二变压器的初级绕组朝所述第二变压器的次级绕组传递能量；
-在所述隔离直流/直流转换器电路的所述操作周期的第二部分内，所述第二变压器的初级绕组形成能量存储电感器，且所述第一变压器的初级绕组朝所述第一变压器的次级绕组传递能量。
根据一实施例，所述方法包括供应包括串联连接的至少第一隔离变压器与第二隔离变压器的所述隔离直流/直流转换器电路；以及：
-在所述隔离直流/直流转换器电路的操作周期的第一部分内，所述第一变压器的初级绕组形成能够使所述开关进行软切换的电感器，且所述第二变压器的初级绕组朝所述第二变压器的次级绕组传递能量；
-在所述隔离直流/直流转换器电路的所述操作周期的第二部分内，所述第二变压器的初级绕组形成能够使所述开关进行软切换的电感器，且所述第一变压器的初级绕组朝所述第一变压器的次级绕组传递能量。
根据一实施例，对所述隔离直流/直流转换器电路的所述输出电压的控制包括修改由所述调节电路递送至所述隔离直流/直流转换器电路的包括所述隔离直流/直流转换器电路的所述开关中的至少某些开关的分支的电压。
根据一实施例，对所述隔离直流/直流转换器电路的所述输出电压的控制包括修改由所述调节电路递送至所述隔离直流/直流转换器电路的包括所述隔离直流/直流转换器电路的所述变压器的分支的电压。
根据一实施例，所述方法包括供应多个交错的隔离直流/直流转换器电路；且
-所述隔离直流/直流转换器电路以π/n的相移进行操作，n是交错的所述转换器电路的数目；且
-所述调节电路以2π/n的相移进行操作。
根据实施例，对所述隔离直流/直流转换器电路的所述输出电压的控制是以由单一调节电路递送的相同的设定点来实施。
本发明还涉及一种电压转换方法，所述电压转换方法包括由以下组成的步骤：
-供应具有开关的至少一个隔离直流/直流转换器电路，所述开关以至少一个占空比进行的一连串的断开及闭合，使得能够经由所述隔离直流/直流转换器电路传送能量；至少一个第一隔离变压器；以及电路，用于调节所述隔离直流/直流转换器电路的输入电压；
-通过修改被递送至所述隔离直流/直流转换器电路的电压来控制所述隔离直流/直流转换器电路的输出电压，所述隔离直流/直流转换器电路的占空比保持恒定，所述步骤包括修改由所述调节电路递送至所述隔离直流/直流转换器电路的包括所述隔离直流/直流转换器电路的所述第一变压器的分支的电压。
根据本发明的方法可包括上述步骤中的与所述方法兼容的任一个。
附图说明
参照图示将更好地理解本发明，在图示中：
图1说明根据现有技术的隔离直流/直流转换器的实例。
图2说明根据本发明的直流/直流电压转换器的实例。
图3说明根据本发明的直流/直流电压转换器的实例。
图4说明根据本发明的直流/直流电压转换器的实例。
图5说明根据本发明的直流/直流电压转换器的实例。
图6说明根据本发明的直流/直流电压转换器的实例。
图7说明根据本发明的直流/直流电压转换器的实例。
图8表示根据本发明的隔离直流/直流转换器中增益随占空比而变化的曲线图。
图9说明包括交错的根据本发明的转换器的转换装置的致动过程的实例。
[符号的说明]
1：电压转换器/转换器
2：电路/调节电路/单一调节电路
3：隔离直流/直流转换器电路/电路
5：电路/单一电路/致动单元
10：装置/转换装置
C1、C21、C22、C31、C32、C33：电容器
CF：电容器/过滤电容器
D31、D32：二极管
G、K1、K2：增益
GND1：第一接地
GND2：第二接地
I2cons：设定点/电流设定点/电流/所预期电流/单一电流设定点
I2mes：电流的值/电流
L2：电感器
L11、L21：初级绕组
L12、L22：次级绕组
M21、M22、M31、M32：开关
Rout：输出负载
S2：脉冲宽度调制(PWM)信号/致动信号/信号
T1：第一隔离变压器/第一变压器/变压器/隔离变压器
T2：第二隔离变压器/第二变压器/变压器/隔离变压器
U：电压/所预期电压/输入电压
Ue：输入电压
Vout：输出电压/所期望输出电压/所期望电压/电压值/电压/目标电压
Vout_mes：输出电压的值/电压
V*：输出电压设定点/电压设定点
α：占空比
α1、α2：值
具体实施方式
参照图2将更好地理解所述电压转换器。
转换器1包括隔离直流/直流转换器电路3及用于调节隔离直流/直流转换器电路3的输入电压的电路2。电路2、3包括开关M21、M22、M31、M32，开关M21、M22、M31、M32进行的一连串的断开及闭合使得能够控制这些电路的输出信号。这些开关可为例如金属-氧化物-半导体场效晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等晶体管。电路2、3可由例如硅(Si)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、或任何其他半导电性材料等半导体材料制成。
在所考虑的实例中，调节电路2为直流/直流降压转换器；然而，调节电路2可为如图3及图4中所示的另一直流/直流转换器类型。调节电路2包括串联连接的两个开关M21、M22。开关M21(称作上部开关)连接至电压源的上部端子(图中未表示)。开关M22(称作下部开关)连接至电压源的下部端子。此下部端子具体来说对应于转换器1的第一接地GND1。每一开关M21、M22可包括并联连接至续流二极管(free wheeling diode)的晶体管。
每一开关M21、M22包括并联连接的电容器C21、C22。这些电容器C21、C22用于在所述开关断开时进行零电压切换(ZVS)。在开关M21、M22断开期间，存储于电感器中的能量被恢复，以对位于开关的端子处的电容器C21、C22进行放电及重新充电。一旦电压接近0V，开关便被致动，由此引发零电压切换，从而大幅减少切换损耗。
电感器L2具有连接至所述两个开关M21、M22的中点的第一端子、及连接至隔离直流/直流转换器电路3的输入的第二端子。
电容器C1连接于电感器L2的第二端子与转换器1的第一接地GND1之间。此电容器C1使得能够例如形成电路2与电路3之间的界面。
隔离直流/直流转换器电路3包括两个串联连接的、优选地为相同的开关M31、M32。开关M31、M32包括与以上针对开关M21、M22所述的二极管及电容器C21、C22相似的二极管及电容器C31、C32。所述两个开关M31、M32之间的中点连接至包括两个串联连接的隔离变压器T1、T2的分支。每一变压器T1、T2包括初级绕组L11、L21及次级绕组L12、L22。初级绕组L11、L21及次级绕组L12、L22分别为串联连接的。开关M31、M32的中点连接至初级绕组L11、L21。变压器T1、T2与第一接地GND1之间设置有电容器C33。次级绕组L12、L22串联连接，其中点连接至电压转换器1的第二接地GND2。
二极管D31、D32连接至次级绕组L12、L22以对源自于变压器T1、T2的信号进行整流。为实现此目的，一个二极管D31的阳极连接至一个次级绕组L12的端子，且另一个二极管D32的阳极连接至另一个次级绕组L22的端子，这些端子不同于所述两个次级绕组L12、L22的中点。二极管D31、D32可被开关、尤其是MOSFET或IGBT等晶体管有利地取代，以例如在变压器T1、T2的输出处实现同步整流。对于在次级绕组中具有高电流的应用，使用MOSFET替代二极管使得能够提高转换器1的总体合格率。
隔离直流/直流转换器电路3的输出取自于二极管D31、D32的不连接至次级绕组L12、L22且由所述两个二极管D31、D32共享的端子与第二接地GND2之间。
电压转换器1包括用于对由隔离直流/直流转换器电路3递送的信号进行过滤的电容器CF。
隔离直流/直流转换器电路3的开关M31、M32具有使得能够通过变压器T1、T2传递能量的占空比。
在操作周期的第一部分内，开关M31闭合，且开关M32断开。第一变压器T1的初级绕组L11形成能够使开关M31、M32进行软切换的电感器，且第二变压器T2的初级绕组L21朝第二变压器T2的次级绕组L22传递能量。
在操作周期的第二部分内，第二变压器T2的初级绕组L21形成能够使开关M31、M32进行软切换的电感器，且第一变压器T1的初级绕组L11朝第一变压器T1的次级绕组L12传递能量。第一操作部分的持续时间及第二操作部分的持续时间由开关M31、M32的占空比α定义。
开关M31、M32以不发生变化(也就是说随时间而保持恒定)的占空比α进行操作。在转换器1的操作期间，隔离直流/直流转换器电路3的输出电压Vout受到由调节电路2递送的、也就是在隔离直流/直流转换器电路3的输入处的电压控制。为实现此效果，转换器1包括用于调节电路2的致动单元5。致动单元5递送脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号S2，所述PWM信号S2致动调节电路2的开关M21、M22的断开及闭合，以控制由调节电路2递送的电信号。开关M21、M22被致动，以使在隔离直流/直流转换器电路3的输入处、也就是在调节电路2的输出处递送的电压能够在隔离直流/直流转换器电路3的输出处获得所期望电压值。因此，相比于现有技术，不必改变隔离直流/直流转换器电路3的占空比α。隔离直流/直流转换器电路3可因此以其最有利的占空比、具体来说以50％的占空比进行操作。
二极管D31、D32的端子处的电压应力V(D31)、V(D32)是占空比α的函数，且由以下表达式给出：
V(D31)＝Vout/(1-α)及V(D32)＝Vout/α
占空比α优选地等于50％。因此，所述两个二极管D31、D32的端子处的电压应力相等，各所述端子之间的耗损相同。另外，在为50％的占空比的条件下，因变压器T1、T2的磁化电感器而产生的电流纹波彼此之间抵消。因此，次级绕组L12、L22中的电流为直流。
更具体来说，变压器T1、T2的磁化电感器使得在恒定的占空比条件下、具体来说在等于50％的占空比条件下，在变压器T1、T2中循环的磁化电流能够使隔离直流/直流转换器电路3的开关M31、M32进行软切换。
具体来说，当电压转换器1的输入电压Ue变化时，调节电路2使得能够确保隔离直流/直流转换器电路3的输入处的电压U保持在能够获得所期望输出电压Vout的值。因此，若转换器1的输入电压Ue的值发生变化，则致动单元5对应地修改对开关M21、M22的占空比的致动，以维持调节电路2的输出处、也就是隔离直流/直流转换器电路3的输入处的电压U。此在电动车辆中尤其有利-在电动车辆中蓄电池的充电的变化可随时间而变化。
更具体来说，致动单元5构建第一环路，所述第一环路基于隔离直流/直流转换器电路3的输出电压的值Vout_mes与隔离直流/直流转换器电路3的输出处的所期望电压Vout之间的差而锁定于由调节电路2递送的电流。为实现此效果，致动单元5接收在隔离直流/直流转换器电路3的输出处测量的(可能乘以增益K1)电压Vout_mes。致动单元5接着将电压设定点V*与所测量的电压Vout_mes进行比较。电压设定点V*对应于隔离直流/直流转换器电路3的输出处的所期望电压Vout。根据比较的结果，控制器51向调节电路2递送电流设定点I2cons，以在调节电路2的输出处、也就是在隔离直流/直流转换器电路3的输入处，获得所预期电压U。电流设定点I2cons使得调节电路2向隔离直流/直流转换器电路3递送输入电压U的值，此值对应于在隔离直流/直流转换器电路3的输出处的所预期相应电压值Vout。
第一控制环路可以任何其他方式实施。举例来说，第一环路可直接锁定于由调节电路2递送的电压U。
另外，致动单元5可确保对隔离直流/直流转换器电路3的保护。举例来说，在输出负载Rout处发生短路的情形中，致动单元5可出于保护隔离直流/直流转换器电路3的目的，而通过以消除隔离直流/直流转换器电路3的输入电压的方式作用于调节电路2的致动信号S2来保护隔离直流/直流转换器电路3。
电流设定点I2cons可直接传送至控制器52，所述控制器52基于电流设定点I2cons而向调节电路2递送PWM信号S2。然而，致动单元5可构建第二环路，所述第二环路基于由调节电路2递送的电流的值I2mes与电流设定点I2cons之间的差而锁定于由调节电路2递送的电流。具体来说，致动单元5将源自于第一环路的电流设定点I2cons与在调节电路2的输出处测量的电流I2mes进行比较。视需要在所述比较之前将电流I2cons乘以增益K2。根据此比较的结果，控制器52确定用于对调节电路2的开关M21、M22的占空比进行致动的信号S2，从而调整由调节电路2递送的电流以获得所预期电流I2cons；以及因此在调节电路2的输出处、也就是在隔离直流/直流转换器电路3的输入处获得具有所预期电压U的信号。第二控制环路可通过使得能够在调节电路2的输出处获得电压U，以在隔离直流/直流转换器电路3的输出处实现电压Vout的任何其他方式形成。具体来说，可使用电压环路。然而，电流环路更易于使用，原因是在小的信号条件下，电流环路使得能够具有一阶传递函数，而电压环路则为二阶的。另外，电压转换器1可使用第一环路而不使用第二环路。
根据本发明的转换器1可被设计成涵盖操作范围。所述操作范围对应于转换器1的介于最小值Uemin1与最大值Uemax1之间的输入电压Ue；以及介于最小值Voutmin1与最大值Voutmax1之间的输出电压Vout。举例来说，输入电压Ue介于170V与450V之间；且隔离直流/直流转换器电路的输出处的目标电压Vout介于12V与16V之间。举例来说，输出电压的最小值Voutmin1介于8V与14V之间，且输出电压的最大值Voutmax1介于15V与16V之间。
在图2所示样本中，调节电路2为降压转换器。转换器1、具体来说调节电路2此时被配置成能够以最小电压Uemin1递送最大输出电压Voutmax1。
图3及图4中所示转换器的实例相似于图2所示实例，但就调节电路2来说有所不同。
图3说明转换器的其中调节电路2为升压电路的实例，升压电路自身为已知的。转换器1、具体来说调节电路2此时被配置成能够以最大输入电压Uemax1递送最小输出电压Voutmin1。
图4说明转换器的其中调节电路2为升压-降压电路的另一实例，升压-降压电路自身为已知的。在此实例中，调节电路2可使电压降压或升压，这有助于调节电路2的使用。
在图2至图4所示实例中，调节电路2的输出在隔离直流/直流转换器电路3的包括开关M31、M32的分支处连接至隔离直流/直流转换器电路3。
除在图5至图6中调节电路2的输出连接至隔离直流/直流转换器电路3的包括变压器T1、T2的分支以外，图5至图7中所示实例相同于图2至图4所示实例。具体来说，调节电路2连接于变压器T1、T2与电容器C33之间。
另外，二极管D31、D32被开关取代；且上部输出连接至次级绕组L12、L22的中点，而在前述实例中，上部输出连接至二极管D31、D32的共用端子。然而，在虑及这些特征的情况下，图5至图7中所示实例可相同于图2至图4所示实例。
转换器1的实例可被配置成在转换器1的第一操作范围内，以隔离直流/直流转换器电路3的恒定的占空比进行操作，且在转换器1的第二操作范围内，以可变的占空比进行操作。此尤其有利于获得与其中隔离直流/直流转换器电路的占空比始终恒定的操作相比更大的输入电压Ue范围及/或输出电压Vout范围。
在图8中，曲线图表示图3中所示转换器1的隔离直流/直流转换器电路3的增益G随隔离直流/直流转换器电路3的占空比α而变化。增益G对应于隔离直流/直流转换器电路3的输出处的电压Vout对隔离直流/直流转换器电路3的输入处的电压U的比。增益G与占空比α之间的关系定义为：
Figure GDA0001199317590000141
其中m是变压器T1、T2的变压比。
举例来说，隔离直流/直流转换器电路3以等于0.5的恒定占空比进行操作。以上定义的操作范围对应于第一操作范围。若希望达到处于第一操作范围外的值，则可修改隔离直流/直流转换器电路3的占空比α以达到所期望值。因此，转换器1具有相对于上述实施例而言加宽的总操作范围。
举例来说，在第一操作范围中，输入电压Ue介于170V与450V之间；且隔离直流/直流转换器电路3的输出处的目标电压Vout介于12V与16V之间。第二操作范围由等于450V的下输入电压阈值Uemin2及等于12V的上输出电压阈值Voutmax2定义。若当输入电压等于450V时希望达到小于12V的目标输出电压值(例如，9V)，则通过修改调节电路2的占空比无法达到所述目标值，原因是电路2为仅可提升输入电压Ue的升压转换器。另一方面，通过修改隔离直流/直流转换器电路的占空比α，隔离直流/直流转换器电路的增益减小，这使得能够增大隔离直流/直流转换器电路的输出电压Vout，且因此使得能够达到目标值(例如，9V)。为实现此效果，可将隔离直流/直流转换器电路3的占空比α减小至小于0.5的较低的值α1或减小至大于0.5的值α2。
对于电力应用，使多个图2至图7所示的转换器1交错是有利的。可将转换器1并联连接并使转换器1交错，以限制隔离直流/直流转换器电路3的输出处的电流纹波及减小过滤电容器CF在隔离直流/直流转换器电路3的输出处的值。在每一转换器1中，依靠调节电路2，隔离直流/直流转换器电路3的占空比α保持恒定。或者，在每一转换器1中，隔离直流/直流转换器电路3的占空比α如上所述在操作范围的第一部分内保持恒定且在操作范围的第二部分内有所变化。
图9说明包括交错的转换器1的转换装置10的操作。优选地，所有转换器1共用第一控制环路。因此，调节电路2接收相同的电流设定点I2cons。为实现此效果，装置10可包括用以将单一电流设定点I2cons递送至所有调节电路2的单一控制器51。因此，能确保电压转换器1之间的电流平衡。
优选地，转换器1以相移进行操作。具体来说，调节电路2以2π/n的相移进行操作，从而使得能够限制装置10的输出处的波动及限制电磁兼容性问题，其中n是交错的转换器1的数目。隔离直流/直流转换器电路3以π/n的相移进行操作，从而使得能够限制装置10的输出处的纹波。
本发明并非仅限于所述实例。具体来说，电压环路可被电流环路取代，反过来电流环路可被电压环路取代。另外，隔离直流/直流转换器电路3被阐述为具有半桥式结构。然而，隔离直流/直流转换器电路3可具有全桥式结构或使得能够实施隔离直流/直流转换器功能的任何其他结构。
除以下不同以外，隔离直流/直流转换器电路的其他实例相似于上述实例。在操作周期的第一部分内，第一变压器T1的初级绕组L11形成能量存储电感器，且第二变压器T2的初级绕组L21朝第二变压器T2的次级绕组L22传递能量。在操作周期的第二部分内，第二变压器T2的初级绕组L21形成能量存储电感器，且第一变压器T1的初级绕组L11朝第一变压器T1的次级绕组L12传递能量。在隔离直流/直流转换器电路的这些实例中，在变压器T1、T2中循环的磁化电流未必要能够实现隔离直流/直流转换器电路的开关M31、M32的软切换。

Claims (16)

1.一种电压转换器(1)，包括：
隔离直流/直流转换器电路(3)，具有至少一个第一隔离变压器(T1)及开关(M31，M32)，所述开关(M31，M32)以至少一个占空比(α)进行的一连串的断开及闭合，使得能够通过所述第一隔离变压器(T1)经由所述隔离直流/直流转换器电路(3)传送能量；
调节电路(2)，用于调节所述隔离直流/直流转换器电路(3)的输入电压；
所述调节电路(2)被配置成通过修改被递送至所述隔离直流/直流转换器电路(3)的电压来控制所述隔离直流/直流转换器电路(3)的输出电压(Vout)，所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述占空比(α)保持恒定，且
在所述转换器(1)中，所述调节电路(2)的输出连接至所述隔离直流/直流转换器电路(3)的包括所述第一隔离变压器(T1)的分支，
所述至少一个第一隔离变压器(T1)的所述分支连接至所述开关(M31，M32)的中点，且所述调节电路(2)连接至所述第一隔离变压器(T1)的所述分支上的点不同于所述分支与所述开关(M31，M32)的所述中点的连接点的点。
2.根据权利要求1所述的转换器(1)，其中所述隔离直流/直流转换器电路(3)被配置成使所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述占空比(α)实质上等于50％。
3.根据权利要求1或2所述的转换器(1)，其中所述调节电路(2)与所述隔离直流/直流转换器电路(3)处于单一模块中。
4.根据权利要求1所述的转换器(1)，包括锁定电路(5)，所述锁定电路(5)用于构建第一环路以基于所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述输出电压的值(Vout_mes)与所述隔离直流/直流转换器电路(3)的输出电压设定点(V*)之间的差而锁定于所述调节电路(2)的信号的电参数的设定点(I2cons)，所述电参数的所述设定点(I2cons)使得所述调节电路(2)向所述隔离直流/直流转换器电路(3)递送与所述隔离直流/直流转换器电路(3)的相应输出电压值对应的输入电压值。
5.根据权利要求1所述的转换器(1)，其中所述调节电路(2)是单端初级电感器转换器型、
Figure FDA0002124684470000021
型、降压型、升压型或升压-降压型直流/直流转换器。
6.根据权利要求1所述的转换器(1)，其中所述隔离直流/直流转换器电路(3)包括至少所述第一隔离变压器(T1)与串联连接至所述第一隔离变压器的第二隔离变压器(T2)，所述开关(M31，M32)使得能够通过所述变压器(T1，T2)经由所述隔离直流/直流转换器电路(3)传送能量，且所述调节电路(2)的所述输出连接至所述隔离直流/直流转换器电路(3)的包括所述变压器(T1，T2)的分支。
7.根据权利要求1所述的转换器(1)，其中所述隔离直流/直流转换器电路(3)被配置成使得：
在操作周期的第一部分内，所述第一隔离变压器(T1)的初级绕组(L11)形成能量存储电感器，且所述第二隔离变压器(T2)的初级绕组(L21)朝所述第二隔离变压器(T2)的次级绕组(L22)传递能量；
在所述操作周期的第二部分内，所述第二隔离变压器(T2)的所述初级绕组(L21)形成能量存储电感器，且所述第一隔离变压器(T1)的所述初级绕组(L11)朝所述第一隔离变压器(T1)的次级绕组(L12)传递能量。
8.根据权利要求1或7所述的转换器(1)，其中所述变压器(T1，T2)中的至少一个的磁化电感器被配置成使得在所述占空比(α)条件下，在所述变压器(T1，T2)中循环的磁化电流能够使所述隔离直流/直流转换器(3)电路的所述开关(M31，M32)进行软切换。
9.一种对电压进行转换的装置(10)，包括至少两个根据前述权利要求1所述的电压转换器(1)，所述两个电压转换器(1)是交错的；且其中所述调节电路(2)被配置成以2π/n的相移进行操作，且所述隔离直流/直流转换器电路(3)被配置成以π/n的相移进行操作，n是交错的所述电压转换器(1)的数目。
10.根据权利要求9所述的装置(10)，包括根据权利要求4所述的转换器(1)，其中所述电压转换器(1)共享用于构建第一环路的单一电路(5)，使得所述调节电路(2)接收相同的所述设定点(I2cons)。
11.一种对电压进行转换的方法，包括由以下组成的步骤：
供应具有开关(M31，M32)的至少一个隔离直流/直流转换器电路(3)，所述开关(M31，M32)以至少一个占空比(α)进行的一连串的断开及闭合，使得能够经由所述隔离直流/直流转换器电路(3)传送能量；至少一个第一隔离变压器(T1)；以及调节电路(2)，用于调节所述隔离直流/直流转换器电路(3)的输入电压；
通过修改被递送至所述隔离直流/直流转换器电路(3)的电压来控制所述隔离直流/直流转换器电路(3)的输出电压(Vout)，所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述占空比(α)保持恒定，所述步骤包括修改由所述调节电路(2)在所述隔离直流/直流转换器电路(3)的包括所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述第一隔离变压器(T1)的分支处递送的电压，
所述至少一个第一隔离变压器(T1)的所述分支连接至所述开关(M31，M32)的中点，且所述调节电路(2)连接至所述第一隔离变压器(T1)的所述分支上的点不同于所述分支与所述开关(M31，M32)的所述中点的连接点的点。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述占空比(α)实质上等于50％。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中对所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述输出电压的所述控制包括构建第一环路基于以所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述输出电压的值(Vout_mes)与所述隔离直流/直流转换器电路(3)的输出电压设定点(V*)之间的差而锁定于所述调节电路(2)的信号的电参数的设定点(I2cons)，所述电参数的所述设定点(I2cons)使得所述隔离直流/直流转换器电路(3)接收到具有与所述隔离直流/直流转换器电路(3)的相应输出电压值对应的值的输入电压。
14.根据权利要求11所述的方法，包括：供应包括串联连接的至少所述第一隔离变压器及第二隔离变压器(T1，T2)的所述隔离直流/直流转换器电路(3)；且其中：
在所述隔离直流/直流转换器电路(3)的操作周期的第一部分内，所述第一隔离变压器(T1)的所述初级绕组(L11)形成能量存储电感器，且所述第二隔离变压器(T2)的初级绕组(L21)朝所述第二隔离变压器(T2)的次级绕组(L22)传递能量；
在所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述操作周期的第二部分内，所述第二隔离变压器(T2)的所述初级绕组(L21)形成能量存储电感器，且所述第一隔离变压器(T1)的所述初级绕组(L11)朝所述第一隔离变压器(T1)的次级绕组(L12)传递能量。
15.根据权利要求11所述的方法，包括：供应多个交错的所述隔离直流/直流转换器电路(3)；且其中：
所述隔离直流/直流转换器电路(3)以π/n的相移进行操作，n是交错的所述隔离直流/直流转换器电路(3)的数目；且
所述调节电路(2)以2π/n的相移进行操作。
16.根据权利要求13所述的方法，其中对所述隔离直流/直流转换器电路(3)的所述输出电压(Vout)的所述控制是以由单一调节电路(2)递送的相同的所述设定点(I2cons)来实施。
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