CN1659773A - Dc－dc变换器 - Google Patents
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Abstract
在一个太阳能***中，使用包含扼流圈和变压器的升压变换器。可替换地扼流圈在第一时间间隔中升压同时功率传输借助变压器发生在第二时间间隔中。当由太阳能电池板供应的输入电压增加时，第一时间间隔减少，同时第二时间间隔增加。结果该升压变换器可处理大范围的输入电压。
Description
本发明涉及绝缘升压变换器类型的DC-DC变换器，其包含：
-用于连接到DC电源的输入终端，
-第一电路支路，连接输入终端并包含感性元件L和开关装置的串联结构，
-耦合到开关装置的控制电路，用于产生控制开关装置的导通状态的控制信号，
-变压器，装备有
-耦合到开关装置的初级绕组，
-磁耦合到初级绕组的次级绕组，
-耦合到次级绕组的整流装置，以及
-耦合到整流装置的输出终端。
本发明还涉及太阳能变换器和太阳能***。
如开始的段落中所述的DC-DC变换器从DE4426017公知。公知的DC-DC变换器特别适合于用在电池充电器中。该DC-DC变换器包含耦合到输入终端的整流器并打算从供应低频AC电压的主电源得到动力。控制电路以这样的方式控制开关装置，从主电源得到的电流有近似正弦的形状并基本上与主电源电压同相，以致获得高功率因数。而且电绝缘由变压器来实现，该变压器可为小变压器，因为其承载高频电流，以致DC-DC变换器的输入端处的大变压器可省去。
其中使用DC-DC变换器中的另一个技术领域是太阳能变换器领域。因为其高效，正向变换器常常在该应用中使用。然而，尽管正向变换器的高效率，正向变换器的使用有一个重要的缺点。组成太阳能电池板的太阳能电池常常串联排列因而DC-DC变换器的输入终端之间存在的电压依赖于组成这样的串联结构的电池的数量。通常，不同的用户喜欢使用包含不同数量的太阳能电池的串联结构。而且，在太阳能变换器的工作期间，撞击包含电池的太阳能电池板的光将因为云、移动树枝等不是平均分布在该电池板上的。因此部分电池没有接收足够的光以贡献于存在于该串联结构的总电压。因为撞击太阳能电池板的光的强度的分布在工作期间连续变化，所以有贡献的电池的数量通常也将连续变化，以致对于由串联结构的电池产生的电压也是这样。如果期望恒定的输出电压，则正向变换器的开关的工作周期需要被减少，以防在其输入终端之间的电压增加。然而，因为太阳能电池作为电流源，所以输入电压中的增加与电功率中的增加有关，该电功率从正向变换器的输入终端传输到其输出终端。工作周期的减少和能量传输中的增加的结合引起在正向变换器的开关消耗的功率量的实质增加。从上述明显的是，正向变换器不是用于以可接受的效率处理大范围的输入电压的合适的DC-DC变换器。
本发明的目的在于提供一种DC-DC变换器，该DC-DC变换器针对大范围的输入电压有相当高的效率并因此适合于用在太阳能变换器中。
因此根据本发明在开头段落中提及的DC-DC变换器的特征在于，控制信号有恒定的周期T以及变换器进一步装备电流控制回路用于在控制信号的一个周期上将通过感性元件L的电流的平均值控制在恒定水平。
在控制信号周期的第一部分期间，存在于输入终端之间的电压引起电流流过感性元件L和开关装置。这个电流的振幅在该周期的第一部分期间线性增加。在剩余部分期间，电流流过感性元件L和变压器的初级绕组。这个电流的振幅线性减小。这个电流也引起另一个电流流过变压器的次级绕组和整流器以致电源供应到输出终端。当串联排列在DC-DC变换器的输入终端之间的有贡献的太阳能电池的数量增加时，输入终端之间的电压增加。而且，由于每个太阳能电池作为电流源，所以从太阳能电池板传输到DC-DC变换器的输入终端的能量也增加。由于输入终端之间存在的电压增加，所以通过感性元件L的电流在控制信号的每个周期的第一部分更快地增加。由于通过感性元件L的电流在控制信号的周期上的平均值被控制在恒定值并且由于周期的持续时间是恒定的，所以通过感性元件L的电流的更快增加对应于控制信号周期的第一部分的持续时间的减少和剩余部分的持续时间的增加。换言之，控制信号的每个周期的时间间隔的持续增加，在该时间间隔期间发生能量传输到输出终端。出于这个原因，在控制信号的每个周期期间传输的能量的数量的增加只引起DC-DC变换器的部件要承受的压力的有限增加。在控制信号的每个周期期间必须从输入终端传输到输出终端的能量的数量的增加在很大范围内通过每个周期中的时间间隔的持续中的增加来补偿，该每个周期期间这个能量传输被影响。已发现，针对大范围的输入电压和输入功率，根据本发明的DC-DC变换器可以相当高的效率工作。
利用根据本发明的DC-DC变换器的实施例已获得好的结果，其中DC-DC变换器包含
-第一电路部分，用于产生表示通过感性元件L的电流的第一信号，
-第二电路部分，用于产生表示预定的参考值的第二信号，以及
-比较器，其装备有
-耦合到第一电路部分的第一输入终端，
-耦合到第二电路部分的第二输入终端，以及
-耦合到控制电路的输出终端。
可替换地，根据本发明的DC-DC变换器的控制环可装备有
-第一电路部分，用于产生表示通过感性元件L的电流的平均值的第一信号，
-第二电路部分，用于产生表示通过感性元件L的电流的平均值的期望值的第二信号，以及
-与第一电路部分、第二电路部分和控制电路耦合的第三电路部分，用于比较第一信号和第二信号并用于根据该第一和第二信号之间的差来调整控制信号的工作周期。
针对根据本发明的DC-DC变换器的实施例发现大范围的输入电压上的极高效率，其中开关装置包含第一开关元件和第二开关元件的第一串联结构，和旁路第一串联结构以及包含第三开关元件和第四开关元件的第二串联结构；并且其中初级绕组耦合在第一和第二开关元件的公共终端与第三和第四开关元件的公共终端之间。在这样的实施例中控制信号优选地影响开关操作循环，该开关操作循环包含
-第一时间间隔期间的第一工作状态，在该第一时间间隔中能量从DC电源被传输到感性元件L，
-第二时间间隔期间的第二工作状态，在该第二时间间隔中能量从DC电源和从感性元件L借助沿第一方向流过初级绕组的电流被传输到输出终端，
-第三时间间隔期间的第三工作状态，在该第三时间间隔中能量从DC电源被传输到感性元件L，
-第四时间间隔期间的第四工作状态，在该第四时间间隔中能量从DC电源和从感性元件L借助沿第二方向流过次级绕组的电流被传输到输出终端，
并且其中第一和第二时间间隔共同的持续时间等于恒定的预定值并也等于第三和第四时间间隔共同的持续时间。
在根据本发明的DC-DC变换器中，整流装置优选地装备有包含两个二极管并且旁路次级绕组的第一串联结构和包含两个其他的二极管并且旁路次级绕组的第二串联结构。
由于根据本发明的DC-DC变换器可以相当高的效率工作在大范围的输入电压和输入功率上，根据本发明的DC-DC变换器非常适合于在太阳能变换器中使用。这样的太阳能变换器可被用来向常规的主电源提供能量。在那种情况下，太阳能变换器包含耦合到DC-DC变换器的输出终端的逆变器，用于从存在于输出终端之间的DC电压产生低频AC电压。
这样的太阳能变换器非常适合于在太阳能***中使用，该太阳能***进一步包含装备有太阳能电池的太阳能电池板。
参考附图将解释根据本发明的DC-DC变换器的实施例。在附图中
图1示出根据本发明的太阳能***的实施例，以及
图2示出在开关周期期间出现在图1中示出的DC-DC变换器中的不同电流和电压的形状。
在图1中，K1和K2是连接到DC电源的输入终端。输入终端K1和K2被连接到太阳能电池板SP，其包含太阳能电池的串联结构。输入终端K1和K2借助借助第一电路支路连接，该第一电路支路包含感性元件L、第一开关元件M1和第二开关元件M2的串联结构。开关元件M1和M2形成第一串联结构，其通过包含第三开关元件M3和第四开关元件M4的第二串联结构被旁路。CC是用于使开关元件导通和非导通的控制电路。控制电路CC的相应的输出终端被连接到四个开关元件的相应的控制电极。第一开关元件M1和第二开关元件M2的公共终端借助初级绕组L1被连接到第三开关元件和第四开关元件的公共终端。初级绕组L1与次级绕组L2磁耦合并且初级绕组L1与次级绕组L2一起形成变压器T。次级绕组L2的第一端借助二极管D1、输出终端K3、电容器C1、输出终端K4和二极管D4的串联结构被连接到次级绕组L2的第二端。输出终端K4借助二极管D3被连接到次级绕组L2的第一端，而输出终端K3借助二极管D2被连接到次级绕组L2的第二端。输入终端K1和K2，感性元件L，开关元件M1、M2、M3和M4，变压器T，控制电路CC，二极管D1、D2、D3和D4和输出终端K3和K4一起形成绝缘升压变换器类型的DC-DC变换器。二极管D1、D2、D3和D4一起形成耦合到次级绕组L2的整流装置。电容器C1是缓冲电容器。输出终端K3和K4被连接到逆变器INV的相应的输入终端，该逆变器用于从存在于DC-DC变换器的输出终端K3和K4之间的DC电压产生低频AC电压。逆变器INV可例如被实施为一个全桥电路。逆变器INV的输出终端K5和K6被连接到主电源的相应的终端。
图1中示出的太阳能***的运行如下。
当太阳光撞击太阳能电池板时，在输入终端K1和K2之间存在DC电压V1。控制电路CC根据图2中示出的开关周期使得开关元件导通和非导通。Δt1、Δt2、Δt3和Δt4分别是第一、第二、第三和第四时间间隔。在这些时间间隔期间DC-DC变换器基本上在第一、第二、第三和第四运行状态。第一和第二时间间隔共同的持续时间等于恒定的预定值而且也等于第三和第四时间间隔共同的持续时间。图2示出作为时间函数的控制信号控制开关元件M1、M2、M3和M4的导通状态。图2也示出作为时间函数的通过感性元件L的电流IL、初级绕组L1上的电压Uprim和通过次级绕组L2的电流Isec。在第一时间间隔期间DC-DC变换器在第一运行状态中，其中控制电路CC使所有的开关元件都导通。结果电流IL从输入终端K1通过感性元件L和所有的开关元件流到输入终端K2。在这个第一时间间隔期间变压器T的第一绕组L1和第二绕组L2不承载电流并且没有能量从DC-DC变换器的输入终端传输到输出终端。如图2中所见的，电流IL的振幅线性增加。借助图1中未示出的电路，表示电流IL的实际值的第一信号与表示预定参考值的第二信号比较。当第一信号等于第二信号时，控制电路CC将DC-DC变换器的运行状态从第一运行状态改变到第二运行状态。DC-DC变换器在第二时间间隔期间在第二运行状态。在第二运行状态中，控制电路CC使第二开关元件M2和第三开关元件M3导通而第一开关元件M1和第四开关M4元件非导通。现在电流IL从输入终端K1通过感性元件L、开关元件M3、初级绕组L1和开关元件M2流到输入终端K2。在第二时间间隔期间电流IL的幅度线性减少。次级绕组L2也承载具有线性减少的振幅的电流Isec，该电流Isec对电容器C1充电，借此将能量从输入终端K1和K2传输到输出终端K3和K4。当输入电压V1增加时，在第一时间间隔期间电流IL的幅度增加的速率也增加。结果更快地达到预定参考值而且第一时间间隔的持续时间将减少。由于控制电路CC将第一和第二时间间隔共同的持续时间保持在预定的恒定值，所以第二时间间隔的持续时间增加。由于太阳能电池作为电流源的事实，DC-DC变换器的输入电流独立于输入电压，以致输入电压中的增加总是与输入功率中的增加相关。第二时间间隔的持续时间的增加使得对于DC-DC变换器可能将所增加的输入功率传输到DC-DC变换器的输出终端，同时构成DC-DC变换器的部件上的压力微小增加。因此，DC-DC变换器能够处理大范围的输入电压和输入功率。DC-DC变换器的第三运行状态与其第一运行状态相同。电流IL的幅度在第三时间间隔增加。第四运行状态不同于第二运行状态，因为控制电路CC使第一开关元件M1和第四开关元件M4导通而第二开关元件M2和第三开关元件M3非导通。现在电流IL从输入终端K1通过感性元件L、开关元件M1、初级绕组L1和开关元件M4流到输入终端K2。在第四时间间隔期间电流IL的幅度线性减少。次级绕组L2也承载具有线性减少的幅度的电流Isec，该电流Isec对电容器C1充电，借此将能量从输入终端K1和K2传输到输出终端K3和K4。当输入电压和功率增加时，第三时间间隔的持续时间减少，同时第四时间间隔的持续时间增加。类似于第二时间间隔的持续时间的增加，第四时间间隔的持续时间的这个增加使得DC-DC变换器能够处理所增加的输入功率而DC-DC变换器中的部件上的压力不增加。
在太阳能***运行期间电容器C1上存在的电压基本上是恒定的DC电压。逆变器INV将这个基本上恒定的DC电压以现有技术中公知的方式转换为低频AC电压。这个低频AC电压经由逆变器INV的输出终端K5和K6被提供给主电源。
在DC-DC变换器的特定的实施例中，该DC-DC变换器是图1中所示的太阳能***的部分，运行频率被选在85kHz而输出电压等于400V。发现DC-DC变换器可有效地处理从80V至350V变化的输入电压。
Claims (9)
1.绝缘升压变换器类型的DC-DC变换器包含
-用于连接DC电源的输入终端，
-第一电路支路，连接输入终端并包含感性元件L和开关装置的串联结构，
-耦合到开关装置的控制电路，用于产生用于控制开关装置的导通状态的控制信号，
-变压器，其装备有
-耦合到开关装置的初级绕组，
-磁耦合到初级绕组的次级绕组，
-耦合到次级绕组的整流装置，以及
-耦合到整流装置的输出终端，
其特征在于控制信号有恒定的周期T而且在于该变换器进一步被装备有电流控制回路，其用于在控制信号的一个周期上将通过感性元件L的电流的平均值控制在恒定水平。
2.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其中所述DC-DC变换器包含
-第一电路部分，用于产生表示通过感性元件L的电流的瞬时幅度的第一信号，
-第二电路部分，用于产生表示预定的参考值的第二信号，以及
-比较器，其装备有
-耦合到第一电路部分的第一输入终端，
-耦合到第二电路部分的第二输入终端，以及
-耦合到控制电路的输出终端。
3.如权利要求1所述的DC-DC变换器，其中所述控制回路装备有
-第一电路部分，用于产生表示通过感性元件L的电流的平均值的第一信号，
-第二电路部分，用于产生表示通过感性元件L的电流的平均值的期望值的第二信号，以及
-与第一电路部分、第二电路部分和控制电路耦合的第三电路部分，用于比较第一信号和第二信号并且用于根据该第一和第二信号之间的差调节控制信号的工作周期。
4.如权利要求1、2或3所述的DC-DC变换器，其中所述开关装置包含第一开关元件和第二开关元件的第一串联结构，和旁路第一串联结构并且包含第三开关元件和第四开关元件的第二串联结构，并且其中初级绕组连接在第一和第二开关元件的公共终端与第三和第四开关元件的公共终端之间。
5.如权利要求4所述的DC-DC变换器，其中所述控制电路影响开关周期，该开关周期包含
-在第一时间间隔期间的第一运行状态，其中能量从DC电源被传输到感性元件L，
-在第二时间间隔期间的第二运行状态，其中能量从DC电源和从感性元件L借助沿第一方向流过初级绕组的电流被传输到输出终端，
-在第三时间间隔期间的第三运行状态，其中能量从DC电源被传输到感性元件L，
-在第四时间间隔期间的第四运行状态，其中能量从DC电源和从感性元件L借助沿第二方向流过初级绕组的电流被传输到输出终端。
并且其中第一和第二时间间隔共同的持续时间等于恒定的预定值而且也等于第三和第四时间间隔共同的持续时间。
6.如一个或多个前述权利要求所述的DC-DC变换器，其中所述整流装置装备有包含两个二极管并且旁路次级绕组的第一串联结构和包含两个另外的二极管并且旁路次级绕组的第二串联结构。
7.包含如权利要求1-6所述的DC-DC变换器的太阳能变换器。
8.如权利要求7所述的太阳能变换器，包含耦合到DC-DC变换器的输出终端的逆变器，该逆变器用于从在所述输出终端之间存在的DC电压产生低频AC电压。
9.包含装备有太阳能电池和如权利要求7或8所述的太阳能变换器的太阳能电池板的太阳能***。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |