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CN102405587A - Dc/dc变换器 - Google Patents

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CN102405587A
CN102405587A CN2010800018823A CN201080001882A CN102405587A CN 102405587 A CN102405587 A CN 102405587A CN 2010800018823 A CN2010800018823 A CN 2010800018823A CN 201080001882 A CN201080001882 A CN 201080001882A CN 102405587 A CN102405587 A CN 102405587A
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格罗弗·维克多·托里科·巴斯科佩
费尔南多·鲁伊兹·瑞兹·戈麦斯
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Huawei Technologies Co Ltd
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Huawei Technologies Co Ltd
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Abstract

本发明涉及其中初级侧(11)由谐振变换器组成的DC/DC变换器(1)，该DC/DC变换器(1)包括在该DC/DC变换器的初级侧(11)及次级侧(12)上均串联连接的第一变压器及第二变压器(T1、T2)。次级侧(12)包括由第一绕组及第二绕组(Tcda、Tcdb)与共用中心抽头(Tcdc)相连而组成的自耦变压器(Tcd)，其中自耦变压器(Tcd)的第一绕组(Tcda)与第一变压器(T1)的二次绕组(T1b)相连，形成第一输出连接点(P1)，自耦变压器(Tcd)的第二绕组(Tcdb)与第二变压器(T2)的二次绕组(T2b)相连，形成第二输出连接点(P2)，并且自耦变压器(Tcd)的中心抽头(Tcdc)与次级侧(12)的正输出(21)相连。次级侧(12)还包括第一整流切换装置及第二整流切换装置(S1、S2)，其中第一整流切换装置(S1)连接在第一输出连接点(P1)与次级侧(12)的负输出(22)之间，并且第二整流切换装置(S2)连接在第二输出连接点(P2)与次级侧(12)的负输出(22)之间。本发明还涉及一种DC/DC转换系统，该DC/DC转换系统包括至少两个本发明DC/DC变换器(1)。

Description

DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及一种DC/DC变换器，该DC/DC变换器的初级侧包括谐振变换器，且该DC/DC变换器包括至少一个变压器，并且本发明还涉及一种包括至少两个本发明DC/DC变换器的转换系统。
背景技术
AC/DC变换器、DC/DC变换器的发展趋势是高效率以及高功率密度。通过谐振AC/DC变换器及谐振DC/DC变换器可因其软切换的特点而更容易实现高效率。
然而，谐振变换器仍然存在某些缺点，例如输出滤波器的高AC电流会导致输出滤波器的高功耗以及大体积。此外，中心抽头变压器因无源绕组而效率不高且更难以优化。
业内使用最广泛的串联谐振变换器是LLC谐振变换器，因为LLC谐振变换器能够实现高效率。不同的已出版文献对该拓扑结构进行了说明，一个实例是James F Lazar，Robert Martinelli所发表的文章“LLC变换器的稳态分析(Steady-state analysis of the LLC Converter)”(IEEE 16th Annual AppliedPower Electronics Conference，第2卷，第728至725页，2001年3月)。
Bo Yang、Fred Lee、Matthew Concannon已在所发表的文章“LLC谐振变换器的过电流保护方法(Over Current Protection Methods of the LLCResonant Converter)(IEEE 18th Annual Applied Power ElectronicsConference，第2卷，第605至609页，2003年2月)”中对上述所发表文章中所揭示的电路的电流保护进行了分析并提出了使用分相谐振电容器及钳位二极管的解决方案。
对于低压/高电流应用且尤其是对于高功率应用，已知可将两个或更多谐振变换器串联及/或并联，如Ben Klaassens，W.L.F.H.A.Moize deChateleux，M.P.N.Van Wesenbeeck所发表的文章“具有并联的电源模块的串联谐振DC-DC变换器的相位交错控制(Phase-Staggering Control of aSeries-Resonant DC-DC Converter with Paralleled Power Modules)”(IEEETransactions on Power Electronics，第3卷，第164至173页，1988年4月)。
本发明以新颖的方式使用所谓的三态切换单元(Three-State SwitchingCell；TSSC)概念，然而，该三态切换单元是本发明的现有技术的一部分并且在G.V.T.Bascopé及Ivo Barbi所发表的文章“使用三态切换单元的非隔离DC-DC PWM变换器家族的产生(Generation of a family of non-isolatedDC-DC PWM converters using a three-state switching cell)”(IEEE 31th AnnualPower Electronics Specialists Conference，第2卷，第858至863页，2000年6月18日至23日)中对其进行了说明。
发明内容
技术问题：
两级整流器的常见问题是要满足DC/DC变换器中的效率要求。
改善DC/DC变换器中的热分布也是一个问题。
DC/DC变换器的另一问题是要满足增加DC功率的要求。
另一问题是降低输出电容器上的AC脉动，同时不必增加所需电容器的数目。
再一问题是当输入电压高时降低电压应力，并降低电流应力。
在目前市售的拓扑电路中实现高效率只有在电力电子领域现有技术的可能范围内增加半导体与磁性组件的数目以及铜量才有可能。然而，这将增加功率密度。
如果针对高密度对变换器进行优化，则效率无疑将会降低。
根据背景技术的现有解决方案中的优化选择或者是效率或者是高密度，但无法同时实现二者。
解决方案：
为了提供一种特别适合于电力电子领域中的高功率、高效率及高密度的新拓扑电路以及为了解决一个或多个上述问题，并且从上述的发明领域的角度出发，本发明教示，该DC/DC变换器的次级侧包括一个自耦变压器，所述自耦变压器包括与共用中心抽头相连的第一绕组及第二绕组，该自耦变压器用于担当倍流器。
本发明的一个实施例教示，该至少一个变压器可以包括在该DC/DC变换器的初级侧上及次级侧上串联连接的第一电压器与第二变压器(T1、T2)。
该自耦变压器的第一绕组与该第一变压器的次级绕组相连，形成第一输出连接点，该自耦变压器的第二绕组与该第二变压器的次级绕组相连，形成第二输出连接点，并且该自耦变压器的中心抽头与该次级侧的正输出相连。
该次级侧还包括第一整流切换装置及第二整流切换装置，该第一整流切换装置连接在该第一输出连接点与该次级侧的负输出之间，并且该第二整流切换装置连接在该第二输出连接点与该次级侧的负输出之间。
将该自耦变压器加在该次级侧上，这将使得能够移除该变压器的中心抽头并且还将使得该次级侧上的电流减少至原来值的一半。
移除该变压器的中心抽头不仅可提高效率，而且还简化该次级侧的布局，并由此大大降低当多个变换器并联连接时所增加的复杂性。
本发明的另一重要特征是对该变换器上的变压器进行划分，以降低电压应力及电流应力。在该初级侧上两个变压器串联连接可降低电压应力。在该次级侧上，绕组也串联连接，旨在无需如现有技术倍流器所要求的那样改变变压器的匝数比便可实现所需要的输出电压。
此外，变压器的制造过程也得到改善。
本发明教示，该第一整流转换装置及该第二整流转换装置可包括第一晶体管与第二晶体管，或者包括第一整流二极管与第二整流二极管。如果使用晶体管，则该第一晶体管与该第二晶体管用于同步整流。
使用晶体管及同步整流便可能满足提高效率的要求。然而，如果多个变换器并联，则上述用法的复杂性增加，在这种情况下，最好使用整流二极管。
本发明教示，如果是本发明的DC/DC转化器，该初级侧包括谐振变换器，该谐振变换器可为既能以降压(Buck)模式又能以升压(Boost)模式工作的LLC谐振变换器，以实现宽输入电压及输出电压。
如在对该次级侧的描述中可看出，该侧遵循三态切换单元(Three-StateSwitching Cell；TSSC)的原则。
本发明还涉及一种DC/DC转换系统，该系统包括至少两个本发明DC/DC变换器。这些DC/DC变换器可并联连接或串联连接。还可将本发明的DC/DC转换系统中的DC/DC变换器在该初级侧串联连接而在该次级侧并联连接，或者在该初级侧并联连接而在该次级侧串联连接。
本发明提出，当该系统包括两个DC/DC变换器时，这两个DC/DC变换器可以以90度相移交错。于是，该系统可适用于由输入电源供电，并且适用于接收来自该输入电源的三电平(P、M、N)。来自电源的一个这样的输入可以为功率因数校正调整器(power factor correction regulator)，在这种情况下本发明提出，该系统包括两个输入电容器，通过这两个输入电容器来连接该输入电源。
将变换器并联是一种用以满足增加DC功率的需求的方法，并且将它们以相移交错将降低输出电容器上的AC电流脉动，这将减少所需电容器的数目。
在该初级侧上的串联连接可用于在输入电压高时降低电压应力。对于该次级侧，本发明提出将这些变换器的输出并联安放，以降低电流应力。
因为变压器绕组上的电流应力降低并且装置中的热分布改善，所以该变换器的可靠性提高。
本发明提出，该次级侧的输出滤波器包括输出电容器与输出EMI滤波器。
优点：
本发明的变换器及系统的优点是可实现较高的效率及高功率密度。
本发明提供简化并更高效的变压器，这是因为移除了无源绕组，而这归功于3SSC的操作功能。
本发明因热分布更佳而提高可靠性。
该次级侧上经简化并更有效的布局还可降低损耗。
将两个或更多变换器交错可减少当使用相移控制时输出滤波器所需的电容器的数目。
将每一变换器上的变压器进行划分可降低电压应力及电流应力并且因此降低损耗。
本发明因为该拓扑电路的特性而可减少输出电容器的数目并且减小该变压器的总尺寸，从而提供高密度。
本发明还提供一种简化的变压器制造及PCB系统。
本发明的电路可被执行用于任何功率水平，因为该拓扑电路并无固有限制。
本发明的电路还可被扩展用于任何数目的变换器及不同种类的连接(串联/并联)或用于单个DC/DC谐振变换器。
附图说明
现在将参照附图对本发明的DC/DC变换器及DC/DC转换系统进行详细说明，在这些附图中：
图1为关于单个DC/DC变换器提供的第一个实施例的示意及简化图；
图2为关于单个DC/DC变换器提供的第二个实施例的示意及简化图；
图3为关于具有两个串联连接的变换器的DC/DC转换系统提供的第一个实施例的示意及简化图；
图4为关于具有两个并联连接的变换器的DC/DC转换系统提供的第二个实施例的示意及简化图；
图5为关于具有两个在初级侧上并联连接并且在次级侧上串联连接的两个变换器的DC/DC转换系统提供的第三个实施例的示意及简化图；以及
图6为关于具有在初级侧上串联连接并且在次级侧上并联连接的变换器的DC/DC转换系统提供的第四个实施例的示意及简化图。
具体实施例：
现在将参照图1对本发明进行说明，图1显示其中初级侧11包括谐振变换器的DC/DC变换器1，DC/DC变换器1包括至少一个变压器，该至少一个变压器(在接下来的实施例中以第一变压器T1与第二变压器T2举例说明)在该DC/DC变换器的初级侧11及次级侧12上均串联连接。
该图以示意方式显示在变换器1的初级侧11上的第一变压器T1的初级绕组T1a及第二变压器T2的初级绕组T2a。该图还显示在变换器1的次级侧12上的第一变压器T1的次级绕组T1b及第二变压器T2的次级绕组T2b。
所述DC/DC变换器1的次级侧12包括自耦变压器Tcd，该自耦变压器Tcd包括与共用中心抽头Tcdc相连的第一绕组Tcda及第二绕组Tcdb。该自耦变压器Tcd适用于担当倍流器。
自耦变压器Tcd的第一绕组Tcda与第一变压器T1的次级绕组T1b相连，形成第一输出连接点P1，自耦变压器Tcd的第二绕组Tcdb与第二变压器T2的次级绕组T2b相连，形成第二输出连接点P2，并且自耦变压器Tcd的中心抽头Tcdc与次级侧12的正输出21相连。
次级侧12还包括第一整流切换装置S1及第二整流切换装置S2，其中第一整流切换装置S1连接在第一输出连接点P1与次级侧12的负输出22之间，并且第二整流切换装置S2连接在第二输出连接点P2与次级侧12的负输出22之间。
整流切换装置S1、S2可通过不同的用以切换或控制从第一连接点P1及第二连接点P2至次级侧12的负输出22的电流的方式来实现。图1中显示本发明的一个实施例，其中第一整流切换装置S1及第二整流切换装置S2包括第一晶体管及第二晶体管，并且本发明提出该第一晶体管及该第二晶体管适用于同步整流。
图2仅显示DC/DC变换器1的次级侧12，并对本发明的另一可选择的实施例进行说明，其中第一整流切换装置S1′及第二整流切换装置S2′包括第一整流二极管及第二整流二极管。
重新参照图1，图1显示其中初级侧11包括谐振变换器的本发明变换器1的实施例，在该实施例中，该谐振变换器为LLC谐振变换器，该LLC谐振变换器既能以降压(Buck)模式工作也能以升压(Boost)模式工作，以便实现宽输入电压及输出电压。
该图显示其中变换器11的第一侧是具有第一钳位二极管Dc1及第二钳位二极管Dc2的对称半桥变换器的实施例。作为实施例，变换器1的初级侧11包括第一主开关S11及第二主开关S12(在图中例示为主晶体管)、谐振电感器Lr、以及分别与第一钳位二极管Dc1与第二钳位二极管Dc2并联的第一谐振电容器Cr1与第二谐振电容器Cr2。
可以看出，本发明变换器1的次级侧12包括三态切换单元(Three-StateSwitching Cell；TSSC)。
本发明还涉及一种包括至少两个本发明DC/DC变换器的DC/DC转换系统。应理解，所用变换器的数目由本发明的执行方式所决定，并且本发明并不限于任何数目的变换器。为简便起见，在说明书及图中所阐述的实施例中显示两个变换器，并且图3至图6显示如何将两个DC/DC变换器31、32设置到DC/DC转换系统3的各种不同实施例。
图3显示的是变换器31与变换器32并联连接。
图4显示的是变换器31与变换器32串联连接。
图5显示的是变换器31与变换器32在初级侧11上并联连接而在次级侧12上串联连接。
图6显示的是变换器31与变换器32在初级侧11上串联连接而在次级侧12上并联连接。
图6还显示其中系统3包括以90度相移交错的两个DC/DC变换器31、32的实施例。
系统3适用于由输入电源4供电，并且从输入电源4接收三电平P、M、N。举例而言，这样的输入电源4可为功率因数校正调整器。在该图中显示，系统3包括第一输入电容器Ci1及第二输入电容器Ci2，通过这两个输入电容器来连接输入电源4。
不管采用哪种实施方式，并且不管是单个DC/DC变换器还是具有至少两个DC/DC变换器的系统，本发明均提出该次级侧的输出滤波器包括输出电容器与输出电磁干扰(electromagnetic interference；EMI)滤波器。这在图1中显示为输出电容器Cf与输出滤波器23，并且在图6中显示为输出电容器Cf与输出滤波器33。
应理解，本发明并不限于以上所描述及阐释的例示性本发明实施例，而是可在随附权利要求书中所界定的本发明概念的范围内进行修改。

Claims (16)

1.一种初级侧包括谐振变换器的DC/DC变换器，所述DC/DC变换器包括至少一个变压器，例如在所述DC/DC变换器的初级侧及次级侧上串联连接的第一变压器及第二变压器(T1、T2)，其特征在于，所述DC/DC变换器的所述次级侧包括自耦变压器(Tcd)，所述自耦变压器(Tcd)包括与共用中心抽头相连的第一绕组及第二绕组，所述自耦变压器(Tcd)用于作为倍流器，所述自耦变压器(Tcd)的所述第一绕组与所述第一变压器(T1)的次级绕组相连，形成第一输出连接点，所述自耦变压器(Tcd)的所述第二绕组与所述第二变压器(T2)的次级绕组相连，形成第二输出连接点，所述自耦变压器(Tcd)的所述中心抽头与所述次级侧的正输出相连，所述次级侧包括第一整流切换装置及第二整流切换装置(S1、S2)，所述第一整流切换装置(S1)连接在所述第一输出连接点与所述次级侧的负输出之间，并且所述第二整流切换装置(S2)连接在所述第二输出连接点与所述次级侧的所述负输出之间。
2.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述第一整流切换装置及所述第二整流切换装置(S1、S2)包括第一晶体管及第二晶体管，并且所述第一晶体管与所述第二晶体管用于同步整流。
3.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，所述第一整流切换装置及所述第二整流切换装置(S1、S2)包括第一整流二极管及第二整流二极管。
4.如任一前述权利要求所述的变换器，其特征在于，所述初级侧包括谐振变换器。
5.如权利要求4所述的变换器，其特征在于，所述谐振变换器为既能在降压(Buck)模式下工作也能在升压(Boost)模式下工作的LLC谐振变换器，以实现宽输入电压及输出电压。
6.如任一前述权利要求所述的变换器，其特征在于，所述次级侧包括三态切换单元(Three-State Switching Cell；TSSC)。
7.一种DC/DC转换系统，其特征在于，所述系统包括至少两个如权利要求1至6中任一项所述的DC/DC变换器。
8.如权利要求7所述的转换系统，其特征在于，所述至少两个DC/DC变换器并联连接。
9.如权利要求7所述的转换系统，其特征在于，所述至少两个DC/DC变换器串联连接。
10.如权利要求7所述的转换系统，其特征在于，所述至少两个DC/DC变换器在所述初级侧上并联连接而在所述次级侧上串联连接。
11.如权利要求7所述的转换系统，其特征在于，所述DC/DC变换器在所述初级侧上串联连接而在所述次级侧上并联连接。
12.如权利要求11所述的转换系统，其特征在于，所述系统包括两个DC/DC变换器，并且所述DC/DC变换器以90度相移交错。
13.如权利要求12所述的转换系统，其特征在于，所述系统用于由输入电源供电，并且用于从所述输入电源接收三电平(P、M、N)。
14.如权利要求12或13所述的转换系统，其特征在于，所述系统用于从电源接收输入，所述电源为功率因数校正调整器，并且所述系统包括两个输入电容器，通过所述两个输入电容器来连接所述输入电源。
15.如权利要求1至6中任一项所述的变换器，其特征在于，所述次级侧的所述输出滤波器包括输出电容器(Cf)及输出EMI滤波器。
16.如权利要求7至14中任一项所述的转换系统，其特征在于，所述次级侧的所述输出滤波器包括输出电容器(Cf)与输出EMI滤波器。
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