功率變換器操作期間的無損傳輸的製作方法
2023-05-30 01:41:56
專利名稱：功率變換器操作期間的無損傳輸的製作方法
技術領域：
本公開的實施方式一般涉及DC-DC功率變換，更具體地涉及DC-DC功率變換期間的無損傳輸。
背景技術：
電子開關模式DC-DC變換器通過存儲介質轉移能量將一個直流電壓電平變換成另一個直流電壓電平。一些開關模式DC-DC變換器(諸如，回掃變換器)利用變壓器執行這樣的能量存儲。在回掃變換器中，在電流控制開關被激活以允許電流流過初級繞組時的第一時期，能量存儲在變壓器的初級繞組，然後在電流控制開關禁用時的第二時期，所存儲的能量轉移至變壓器的次級繞組。在回掃變換器的操作期間，流入初級繞組的電流產生耦合至次級繞組的磁通量。 磁通量還穿過繞組之間的路徑，在變壓器中產生漏電感。當變壓器的繞組似乎具有與每個繞組串聯的一些自電感時，這樣的漏電感為變壓器的屬性。存儲在漏電感中的能量不能轉移至次級繞組，因此被浪費了。此外，當電流控制開關被禁用時，漏電感使電流控制開關兩端的電壓激振，這導致在開關的兩端產生尖銳的電壓峰並且可能損壞開關。為了減少這樣的風險,必須採用高成本開關。因此，在本領域中需要更有效地操作DC-DC變換器的方法和裝置。
發明內容
本發明的實施方式一般涉及操作DC-DC變換器的方法。該方法包括基於DC-DC變換器的變壓器的匝數比，匹配DC-DC變換器的初級側電容與DC-DC變換器的次級側電容以產生匹配的電容；以及用被設定成使初級繞組電流在峰值與O之間振蕩的至少一個操作參數操作DC-DC變換器，使得初級繞組電流的谷與次級開關元件電壓的零交點重合。
參考實施方式可對上面簡要概括的發明進行更具體的描述從而使本發明的上述特徵可被詳細理解，其中一些實施方式在附圖中示出。但是，應注意，附圖僅示出本發明的典型實施方式，因此不能被認為是對本發明範圍的限制，因為本發明可允許其它等同有效的實施方式。圖I是根據本發明的一個或多個實施方式的適於無損傳輸的功率變換系統的框圖；圖2是根據本發明的一個或多個實施方式的當電流控制開關被禁用時等效電路的不意圖；圖3是根據本發明的一個或多個實施方式的當基於第一過渡時間實現無損傳輸時DC-DC變換器的電流和電壓波形的多個曲線圖；圖4是根據本發明的一個或多個實施方式的當基於第二過渡時間實現無損傳輸時DC-DC變換器的電流和電壓波形的多個曲線圖；圖5是根據本發明的一個或多個實施方式的當基於第三過渡 時間實現無損傳輸時DC-DC變換器的電流和電壓波形的多個曲線圖；圖6是根據本發明的一個或多個實施方式的用於在DC-DC變換器操作期間實現無損傳輸的方法的流程圖；圖7是根據本發明的一個或多個實施方式的用於設定初級繞組電容和次級繞組電容以在DC-DC變換器的操作期間實現無損傳輸的方法的流程圖；圖8是根據本發明的一個或多個實施方式的用於減少DC-DC變換器操作期間電流控制開關上的峰值應力的方法的流程圖；圖9是根據本發明的一個或多個實施方式的用於設定電感以在DC-DC變換器操作期間實現無損傳輸的方法的流程圖；以及圖10是根據本發明的一個或多個實施方式的用於確定一個或多個DC-DC變換器操作參數的計算機的框圖。
具體實施例方式圖I是根據本發明的一個或多個實施方式的適於無損傳輸的功率變換系統100的框圖。功率變換系統100包括直流電壓源102和DC-DC變換器104。直流電壓源102可以為任意合適的DC源，諸如用於提供直流電壓的前一變換階段的輸出、電池、可再生能源(例如，太陽電池板、風力渦輪機、水電系統或類似的可再生能源)等。DC-DC變換器104可以如圖I所示的用於DC-DC功率變換的獨立配置的形式被採用。可選地，DC-DC變換器104可與其它功率變換裝置的部件一同使用或被用作其它功率變換裝置的部件，其它功率變換裝置諸如為DC-AC換流器。例如，DC-DC變換器104可以是將來自一個或多個可再生能源(諸如，光伏(PV)面板)的直流功率變換成交流功率的DC-AC換流器中的功率變換部分。在一個實施方式中，DC-DC變換器104可以是包括變壓器的回掃變換器(S卩，開關模式變換器)，變壓器可建模成理想變壓器108和模擬變壓器的非理想方面的外部電感(諸如，磁化電感和漏電感)。DC-DC變換器104的初級側包括輸入電容器106、變壓器108的初級繞組108p、耦合在初級繞組108p兩端且表示變壓器磁化電感的電感LM、以及電流控制開關112。變壓器108的漏電感表示成與初級繞組108p串聯的電感器LK ;可選地，電感器LK可通過與初級繞組108p串聯耦合電等效的方式耦合至DC-DC變換器104 (例如，電感器LK可與次級繞組108s串聯耦合以表示漏電感)。電容器CP (表示有效的初級側電容)與電流控制開關112並聯耦合；可選地，電容器CP可通過與耦合在電流控制開關112兩端電等效的方式耦合至DC-DC變換器104 (例如，電容器CP可耦合在初級繞組108p的兩端)。在一些實施方式中，電容器CP可表不電流控制開關112的寄生電容。輸入電容器106稱合在DC-DC變換器104的兩個輸入端以從直流電壓源102接收輸入電壓Vf5入，並且還耦合在初級繞組108p、電感器LK和電流控制開關112的串聯組合的兩端。在一些可選實施方式中，電感器LK可表示變壓器漏電感和與初級繞組108p和/或次級繞組108s串聯的一個或多個附加電感的組合，即，LK表示提供至初級側的總有效串聯電感，並且可體現有意和/或無意地出現於初級和/或次級側的電感。例如，LK可表示變壓器108的寄生漏電感加上耦合至DC-DC變換器104的一個或多個電感器的電感和/或一個或多個其它部件的寄生電感。附加地或可選地，CP可表示控制開關112的寄生電容和一個或多個附加電容的組合，諸如控制開關112兩端或以與耦合在控制開關112兩端電等效的方式耦合至DC-DC變換器104的一個或多個電容器的電容和/或一個或多個其它部件的寄生電容。在一些這樣的可選實施方式中，附加電感器和/或電容器中的一個或多個可以是可調諧的和/或能夠操作地接入DC-DC變換器或從DC-DC變換器斷開(例如，電感器可通過與電感器並聯的開關接入電路或從電路斷開；電容器可通過與電容器串聯的開關接入電路或從電路斷開)。DC-DC變換器104的次級側包括變壓器108的次級繞組108s、二極體114和輸出電容器118。次級繞組108s耦合在二極體114 (即，次級開關元件)和輸出電容器118的組合的兩端，其中二極體114的陽極端耦合至次級繞組108s的第一端，二極體114的陰極端耦合至輸出電容器118的第一端，輸出電容118的第二端耦合至次級繞組108s的第二端。在一些可選實施方式中，可為次級整流採用不同的配置。例如，第二二極體可耦合在次級繞組108s的第二端與電容器118的第二端之間；二極體114可耦合在次級繞組108s的第二 端與輸出電容器118的第二端之間；或者次級整流可通過合適的控制器而不是二極體控制的開關實現(例如，「同步整流」)。DC-DC變換器104的兩個輸出端耦合在輸出電容器118的兩端以提供輸出電壓V 電容器CS (表示有效的次級側電容)與二極體114並聯耦合；可選地，電容器CS可通
過與耦合在二極體114兩端電等效的方式耦合至DC-DC變換器104。與電容器CP類似，在一些實施方式中，電容器CS可表不二極體114的寄生電容；在一些可選實施方式中，電容器CS可表示二極體114的寄生電容與耦合在二極體114兩端或以與耦合在二極體114兩端電等效的方式耦合至DC-DC變換器104的一個或多個附加電容器和/或一個或多個其它部件的寄生電容的組合。在一些這樣的可選實施方式中，附加電容器中的一個或多個可以是可調諧的和/或能夠操作地接入DC-DC變換器104或從DC-DC變換器104斷開(例如，具體的電容器可通過與電容器串聯的開關接入電路或從電路斷開)。DC-DC變換器104還包括DC-DC變換控制模塊120，DC-DC變換控制模塊120耦合至電流控制開關112的一端以控制(即，激活和禁用)電流控制開關112。DC-DC變換器104基於電流控制開關112的激活和禁用從直流電壓源102接收輸入電壓Vf5入並且將輸入電壓Vf5入變換成輸出電壓當電流控制開關112被激活(即閉合)時，線性上升的初級繞組電流Ip流過電感器LM，將能量存儲在電感器LM和電感器LK中。在初級繞組電流Ip的峰值水平處(即在Ippeak處)，電流控制開關112被禁用(即打開)，使存儲在電感器LM中的能量轉移至次級繞組108s並且產生流過二極體114的線性下降的次級繞組電流Is。通過電流控制開關112的切換循環所導致的輸出電容器118的充電/放電產生期望的輸出電壓Vf5tijtj在電流控制開關112打開時，能量存儲在電感器LK中。然而，因為電感器LK與次級繞組108s之間沒有耦合，該能量不能轉移至次級繞組108s。根據如下所述的本發明一個或多個實施方式，創建峰值電流Ippeak、電容器CP和CS、以及電感器LK使得存儲在電感器LK中的能量轉移至電容器CP和CS。然後，轉移的能量可在DC-DC變換器104的軟切換期間恢復，由此消除初級繞組108p與次級繞組108s之間的能量轉移期間電流控制開關112的漏源電壓上的激振，並且導致變壓器108中能量的無損傳輸。在一個或多個可選實施方式中，可利用DC-DC變換器104中的一個或多個附加元件，諸如一個或多個電容器(例如，耦合在電容器CP、電容器CS兩端，和/或以與耦合在CP和/或CS兩端電等效的方式耦合至DC-DC變換器)和/或一個或多個電感器(例如，與電感器LK串聯耦合，或以與LK串聯耦合電等效的方式耦合至DC-DC變換器104)實現無損傳輸。在一些實施方式中，這些附加元件中的一個或多個可以是可調諧的和/或能夠接入DC-DC變換器104或從DC-DC變換器104斷開。在一個或多個可選實施方式中，DC-DC變換器104可以是升壓變換器、升降壓變換器、正向變換器、全橋變換器、或具有類似傳輸功能的類似變換器。圖2是根據本發明的一個或多個實施方式的當電流控制開關112被禁用時的等效電路200的示意圖。等效電路200利用圖I所示的理想變壓器模型以及分別模擬磁化電感和漏電感的電感器LM和LK，其中實際變壓器被建模成理想變壓器108。電路200包括電感·器LM、電感器LK和電容器CP的串聯耦合，其中電感器LM的電感遠大於電感器LK的電感。電壓Vf5入為LM、LK和CP串聯耦合的兩端的電壓。表示電流控制開關112的理想開關202耦合在電容器CP的兩端。電容器CS-反映表示反映到變壓器108的初級側上的電容器。電容器CS-反映和二極體114並聯耦合；在電感器LM的第一端處二極體114的陽極端耦合在電感器LM與LK之間。電壓為LM的第二端和二極體114的陰極端兩端的電壓。根據本發明的一個或多個實施方式，當開關202打開時，對於實現無損傳輸來說，初級側電容和次級側電容(分別為Ccp和Ccs)、LK的電感(Ilk)、峰值電流(Ippeak)和變換器輸入和輸出電壓(分別為V 入和是相互依賴的，如下所述。為了實現無損傳輸，第一條件要求，電容器CP和CS-反映的電容必須相等；即，電容器CP和CS的電容必須基於變壓器108的匝數比匹配
(TVsY( I )
Ccp 二 ^Ccs = Cmi
VnPJ其中，Ccp=電容器CP的電容，Ccs=電容器CS的電容，Np=初級線圈108p的匝數，Ns=次級線圈108s的匝數，以及Ces=匹配的初級和次級側電容。在一些實施方式中，電容Ccp和Ccs可能不是線性的；例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)或二極體的寄生電容可隨電壓顯著變化。在這些實施方式中，可改變本文給出的等式，然而，非線性電容在特定操作點處具有有效電容，並且本發明的方法支持。例如，實現本發明結果的值可通過數值分析、仿真或類似的技術確定。在一些可選實施方式中，電容器CP和/或CS表不寄生電容與分別稱合在電流控制開關112 (或以與耦合在電流控制開關112兩端電等效的方式耦合至DC-DC變換器104)或二極體114 (或以與耦合在二極體114兩端電等效的方式耦合至DC-DC變換器104)兩端的一個或多個電容器的組合。在這些實施方式中，CP的總電容(S卩，由CP表示的所有電容器的電容)和CS的總電容(B卩，由CS表示的所有電容器的電容)關於變壓器匝數比匹配。在一些這樣的實施方式中，附加的電容器可以是可調諧的和/或操作地接入電路和從電路斷開以在特定的時間實現匹配的初級側電容和次級側電容。
當初級繞組電流Ip在DC-DC變換器104操作期間到達峰值Ippeak時，開關202(即，表示電流控制開關112的理想開關202)被禁用並且存儲在電感器LK中的能量產生初級繞組電流Ip的連續流，其被稱為正弦漏電感電流IIk(S卩，開關202打開之後的初級繞組電流Ip)。電容器CP和C S-反映兩端的電壓Vcp和Vcsr分別開始上升。為了實現無損傳輸，漏電感電流IIk的谷(B卩，當IIk為O並且具有零斜率dllk/dt=0)必須與Vcsr的零交點(即，Vcs的零交點)重合；另外在該點處，電壓Vcp與值ν@λ + (Νρ/Ν8)*ν ^相交。從該點向前，漏電感電流IIk為0，電壓Vcp位於ν|λ + (Νρ/Ν8)*ν_的穩態值處，並且Vcsr (以及Vcs)為穩態值O。在開關打開之後，漏電感電流IIk (也可稱為初級繞組電流Ip)在峰值Ippeak與O之間振蕩，使得漏電感電流IIk的谷可在基於諧振周期Cm的規律間隔的過渡時間TTR處與Vcsr的零交點重合(以及Vfix + (Np/Ns) 與Vcp相交)
Γι(2)
TTR = η* πΑ- Llk * CB&其中n=任意奇整數(I、3、5等)，LIk為電感器LK的電感(S卩，提供至初級側的總有效串聯電感)，Ces為匹配的初級側和次級側有效電感。如先前所描述的，LK表示提供至初級側的總有效串聯電感，其可體現有意或無意出現於初級側和/或初級側的一個或多個電感。然後可通過適當地設定DC-DC變換器104的一個或多個參數使得在瞬變點之一處IIk=O並具有零斜率以及Vcsr=O來實現無損傳輸。在這個點處，電壓Vcp=Vf57^(NpziNs)W輸出。在一些實施方式中，通過在峰值電流Ippeak處操作DC-DC變換器104來實現無損傳輸，峰值電流Ippeak基於過渡時間TTR並導致漏電感電流IIk的谷與Vcsr的零交點重合以及V輸人+ (Np/Ns)*V輸出與Vcp相交
2* Cmi * ( + 生 Vmt)( 3 )
Ippeak =-f...............................................Mi=-
nM^Uk^Cmt其中η=任意奇整數(1、3、5等)，CES為匹配的初級側和次級側有效電容，Llk為提供至初級側的總有效串聯電感，Np=初級繞組108p的匝數，Ns=次級繞組108s的匝數，Vfi入為變換器輸入電壓，以及為變換器輸出電壓。在基於等式(3)確定DC-DC變換器峰值電流的這樣的實施方式中，
和VfM中的一個或多個可以是固定的，或者可在DC-DC變換器104的操作期間動態變化從而確定新的Ippeak值。例如,Ces^P Llk可以為固定值,而V1ia和Vf5tij是變化的，由此峰值電流Ippeak隨著^^入和Vf5tij的變化而改變。在一些實施方式中，通過在均導致無損傳輸的不同峰值電流Ippeak處操作DC-DC變換器104可對給定的輸入電壓Vf^實現期望的輸出電壓Vfiiiii。例如，可利用用於無損傳輸的第一峰值電流Ippeak(I)將DC-DC變換器104操作一個或多個切換循環，然後利用用於無損傳輸的第二峰值電流Ippeak(2)將DC-DC變換器104操作一個或多個切換循環，其中第一峰值電流與第二峰值電流之間的脈動產生平均峰值電流，以在實現無損傳輸的同時為給定的Vf5入產生期望的輸出電壓在其它實施方式中，通過基於計算的Ces值設定初級側和次級側有效電容(SP，Ccp和Ccs)使得漏電感電流IIk谷與Vcsr的零交點重合以及ν ^ + (Νρ/Ν8)*ν ^與Vcp相
交，可實現無損傳輸
權利要求
1.操作DC-DC變換器的方法，包括 基於所述DC-DC變換器的變壓器的匝數比，匹配所述DC-DC變換器的初級側電容與所述DC-DC變換器的次級側電容以產生匹配的電容；以及 用被設定成使初級繞組電流在峰值與O之間振蕩的至少ー個操作參數操作所述DC-DC變換器，使得所述初級繞組電流的谷與次級開關元件電壓的零交點重合。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述初級側電容包括電流控制開關的第一寄生電容，並且所述次級側電容包括具有次級開關元件電壓的次級開關元件的第二寄生電容。
3.如權利要求2所述的方法，其中(i)所述初級側電容包括所述第一寄生電容和至少ー個第一電容器的第一有效電容，所述至少ー個第一電容器以與耦合在所述電流控制開關兩端電等效的方式耦合至所述DC-DC變換器；以及(ii)所述次級側電容包括所述第二寄生電容和至少ー個第二電容器的第二有效電容，所述至少ー個第二電容器以與耦合在所示次級開關元件兩端電等效的方式耦合至所述DC-DC變換器。
4.如權利要求I所述的方法，其中匹配所述初級側電容和所述次級側電容的步驟包括動態調節所述DC-DC變換器的電容。
5.如權利要求4所述的方法，其中動態調節所述電容包括下列步驟中的至少ー個 (i)調諧至少ー個電容器的ー個或多個； (ii)將所述至少ー個電容器的ー個或多個接入所述DC-DC變換器，或 (iii)將所述至少ー個電容器的ー個或多個從所述DC-DC變換器斷開。
6.如權利要求I所述的方法，還包括確定至少ー個電流峰值，其中所述至少ー個操作參數為所述至少一個電流峰值。
7.如權利要求6所述的方法，其中確定所述至少ー個電流峰值的步驟包括確定第一電流峰值和第二電流峰值，操作所述DC-DC變換器的步驟包括在所述第一電流峰值處使電流控制開關切換第一數量的循環；以及在所述第二電流峰值處使所述電流控制開關切換第二數量的循環。
8.如權利要求I所述的方法，還包括基於峰值電流、有效電感、輸入電壓和輸出電壓確定所述匹配的電容值，其中所述初級側電容和所述次級側電容基於該值進行匹配。
9.如權利要求I所述的方法，還包括基於所述匹配的電容設定所述DC-DC變換器的電感。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述電感為提供至所述DC-DC變換器的初級側的總有效串聯電感。
11.如權利要求9所述的方法，其中設定所述電感的步驟包括動態調節所述DC-DC變換器的至少ー個電感器。
12.如權利要求11所述的方法，其中動態調節所述至少ー個電感器的步驟包括下列步驟中的至少ー個 (i)調諧至少ー個電感器中的ー個或多個； (ii)將所述至少ー個電感器中的ー個或多個接入所述DC-DC變換器；或者 (iii)將所述至少ー個電感器中的ー個或多個從所述DC-DC變換器斷開。
13.如權利要求I所述的方法，還包括 計算用於在操作範圍內操作所述DC-DC變換器的所述DC-DC變換器的至少ー個電壓和至少ー個電流； 基於計算出的至少ー個電壓和至少ー個電流，確定與所述DC-DC變換器的開關上的最大應力點對應的峰值電流；以及 基於所述峰值電流確定所述匹配的電容的值，其中所述初級側電容和所述次級側電容基於所述匹配的電容的值進行匹配。
14.如權利要求13所述的方法，還包括在所述操作範圍內映射所計算出的至少ー個電壓和至少ー個電流以生成操作映射。
15.如權利要求13所述的方法，其中所述峰值電流對應於在所述操作範圍內出現的最大峰值電流。
全文摘要
一種操作DC-DC變換器的方法。該方法包括基於DC-DC變換器的變壓器的匝數比，匹配DC-DC變換器的初級側電容與DC-DC變換器的次級側電容以產生匹配的電容；以及用被設定成使初級繞組電流在峰值與0之間振蕩的至少一個操作參數操作DC-DC變換器，使得初級繞組電流的谷與次級開關元件電壓的零交點重合。
文檔編號H02M3/28GK102959845SQ201180031815
公開日2013年3月6日 申請日期2011年5月10日 優先權日2010年5月10日
發明者馬丁·馮納格, 唐納德·理察·奇曼克 申請人:恩菲斯能源公司