用于控制具有DCDC分离的包括N个交错路径类型的电源的装置.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200980109978.9

申请日:

2009.03.18

公开号:

CN101983473A

公开日:

2011.03.02

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H02M 3/158申请日:20090318|||公开

IPC分类号:

H02M3/158

主分类号:

H02M3/158

申请人:

原子能和能源替代品委员会; 标致雪铁龙汽车股份有限公司

发明人:

D·沙特鲁; J-C·多尔哈加雷; F·罗伊

地址:

法国巴黎

优先权:

2008.03.21 FR 0801575

专利代理机构:

北京戈程知识产权代理有限公司 11314

代理人:

程伟;王锦阳

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内容摘要

根据本发明,在具有n个交错的转换单元BCi的电源中,控制装置激活n个路径中的m个路径,1≤m≤n,m是电源支配的功率(PA)或电流的函数。所述单元可以具有升压、降压、升压/降压、Cuk或SEPIC拓扑结构。本发明可以应用于燃料电池。

权利要求书

1: 一种以交错模式控制具有 DC DC 分离的电源的控制装置, 该电源包括 n 个单元, 每个 单元形成将输入电压转换为输出电压的路径, 所述控制装置包括用于控制待激活的路径的 数量的电路 (20), 该数量为电源中的功率水平或电流 (PA) 的函数, 其特征在于, 对于待激 活的 m 个路径, m 严格小于 n, 用于控制激活路径的数量 m 的所述电路在 n 个可用路径之间 应用轮换机制。
2: 根据权利要求 1 所述的控制装置, 其特征在于, 所述控制电路 (20) 包括用于检测所 述电源中消耗的功率或电流的装置 (20-1), 以及用于将检测到的水平相对于一系列有序的 n 个阈值 (v1、 ...v5) 进行归类的装置 (20-2), 使得能够将待激活的路径的数量 m 匹配到所 得到的归类, m 是整数且 1 ≤ m ≤ n。
3: 根据权利要求 2 所述的控制装置, 其特征在于, 用于将检测到的水平进行归类的所 述装置确定 n 个阈值, 所述 n 个阈值按照升序归类, 从为最小值的第一阈值到为最大值的第 n 阈值, 并且还应用如下规则 : - 当所述检测到的水平小于第一阈值 (v1) 时, m 等于 1 ; - 当所述检测到的水平高于第 i-1 阈值 (vi-1) 并且小于第 i 阈值 (vi) 时, m 等于 i, i 为 1 和 n 之间的整数。
4: 根据权利要求 3 所述的控制装置, 其特征在于, 第 n 阈值 (vn) 对应于电源中的最大 功率或电流。
5: 根据前述权利要求中任意一项所述的控制装置, 提供 n 个脉冲调制激活信号 (Pwm1, Pwm2, Pwm3, ...Pwmn), 所述 n 个脉冲调制激活信号具有相同的分离频率 f 并且彼此偏移了 固定时间偏移, 每个用来控制单元 (BCi) 的分离开关 (S), 其特征在于, 所述控制电路 (20) 驱动用于使相应的激活信号至每个单元的传输失效的电路 (300-1), 从而在每个时刻, n个 激活信号中仅有 m 个激活信号被传输。
6: 根据权利要求 5 所述的控制装置, 每个单元的分离开关 (S) 放置在切换辅助谐振电 路 (10) 中, 该切换辅助谐振电路包括用于触发谐振阶段 (R) 的辅助开关 (Saux), 所述控制 装置提供 n 个附加的脉冲调制激励信号 (Pwm1′, Pwm2′, Pwm3′, ...Pwmn′ ), 所述 n 个 附加的脉冲调制激励信号具有相同的分离频率 f, 并且彼此偏移了固定时间偏移, 每个激活 信号控制相应单元的辅助晶体管 (Saux), 以及用于使所述附加激活信号的传输失效的电路 (300′ -1), 从而在每个时刻, n 个激活信号中仅有 m 个激活信号被传输。
7: 根 据权利要 求 6 所述 的控 制装置, 其 中每 个单 元的谐 振电 路 包 括谐 振 电 容器 (Cres), 其特征在于, 还包括用于维持谐振电容器的电荷的维持元件 (R)。
8: 根据权利要求 7 所述的控制装置, 其特征在于, 所述维持元件是电阻器 (R), 所述电 阻器连接在电容器和电源的输出端子 (B2) 之间, 所述电阻器的值优选地为几百 k 欧姆。
9: 一种负载 (Z) 的电源系统, 包括燃料电池 (PC), 所述燃料电池后接有至少一个具有 DC DC 分离的非隔离式电源, 该电源是具有 n 个交错单元的类型, n 为至少等于 2 的整数, 以 在如前述权利要求中任一项所述的控制装置的控制下, 提供直流稳压给所述负载。
10: 如权利要求 9 所述的电源系统, 其中所述单元为电压步升类型。
11: 如权利要求 9 所述的电源系统, 其中所述单元为电压步降类型。
12: 如权利要求 9 所述的电源系统, 其中所述单元为电压逆变器和 / 或步降 / 步升类 型。

说明书


用于控制具有 DC DC 分离的包括 n 个交错路径类型的电源 的装置

    【技术领域】
     本发明涉及具有 DC DC 分离 (DC DC splitting) 的电源, 其具有 n 个交错路径, 更 具体的, 涉及一种用于控制该电源的装置。背景技术
     本发明主要基于由燃料电池提供的能量, 提供确定水平的直流稳压电源。
     燃料电池在很多应用中使用。 例如, 它们作为能量源用于电动车辆, 或者用于对电 池再充电, 例如用于对便携式设备 ( 例如电话 ) 的电池再充电。
     具有 DC DC 分离的非隔离式电源, 也称为转换器或断路器, 通常用于将电池提供的 直流电压转换为另一个直流电压, 该另一个直流电压可能更高或更低, 并且可能具有相同 或相反的极性, 这取决于电源的拓扑结构。电源支配的功率取决于输出负载, 也就是说, 取 决于使用在输出端提供的电压的应用。
     更具体地, 本发明致力于交错单元类型的分离电源。这些电源能够减少电源输入 端以及输出端的电流波纹。减少输入波纹和输出波纹是分离电源的质量标准。每个单元是 一个转换器。 交错的概念来自于如下事实 : 单元以阶段变化的方式将功率提供至输出电容, 该输出电容可以是对于单元是公用的, 或者对于每一个单元是特定的。
     交错单元每一个是 DC DC 转换器。 它们全都具有相同的拓扑结构, 该拓扑结构根据 功率范围和应用所需的增益来选择。在这些电源中所使用的各种已知的电源拓扑结构为 : 电压步升 (step-up), 称为 “升压” (boost) ; 电压步降 (step-down), 称为 “降压” (buck) ; 电 压逆变器 ; 以及步升 / 步降, “升压 - 降压” ; 或以其发明人名字命名的 “Cuk” 拓扑结构 ; 电压 步升 / 步降或 SEPIC( 单端初级电感转换器 Single endedprimary inductor converter)。
     以对这些多种拓扑结构相同的方式, 每个 DC DC 转换单元是通常为具有一个输入 端子、 一个输出端子和一个公共端子的三极电路。 该电路具有至少一个开关、 二极管和能量 存储元件, 能量存储元件典型地为电感。输入电压施加到输入端子和公共端子之间。输出 电容器连接到输出端子和公共端子之间。能量通过能量存储元件从输入端转移到输出端, 能量存储元件存储能量, 然后以开关在断开状态和闭合状态的切换速率来再次存储。通过 分离开关的导通时间 ( 闭合状态 ) 来实现稳压。
     开关 S 通常由场效应晶体管制成。这也就是为何未区分开关的断开 (open) 状态 或截止 (off) 状态, 以及闭合 (closed) 状态或导通 (on) 状态。典型地, 在输入电压和输出 电压处于几伏到几千伏的范围内, 优选地使用 IGBT(isolated gate bipolar transistor, 绝缘栅双极型晶体管 ) 类型的晶体管, 其端子能够承受高电压。该技术方案能够确保转换 器的可靠性, 同时还最小化了部件的成本。
     参照附图 1a 至 1c 可见单元的操作, 以及具有交错单元的电源的操作, 其给出了单 元 BCi 的结构和操作的详情, 图 2、 3a 和 3b 给出了包括该类型的三个单元 BC1、 BC2 和 BC3 的 电源的详情。转换单元 BCi( 图 1a) 是三极单元, 具有星形拓扑结构 : 开关 S、 电感 L 和二极管 D, 每一个形成了三极电路的一个分支。 所有的分支起自公共节点 A, 它们的终点形成三极电路 的三个端子中的一个。
     在图示的实例中, 单元 BCi 的拓扑结构是 BC 电压步升 ( 升压 ) 转换器。开关 S 连 接在节点 A 和公共端子 B3 之间。二极管的阳极连接到节点 A, 阴极连接到输出端子 B2。电 感 L 连接到输入端子 B1 和节点 A 之间。
     分离开关 S 由具有恒定频率 f 的脉冲信号以通常的脉冲宽度调制模式控制, 使得 该开关交替地在 αt 标记的闭合时间段内处于闭合状态, 而在 t-αt 的断开时间内处于 断开状态, α 为开关闭合的时间与整个周期的时间 (t = 1/f) 的周期性比率 (cyclical ratio)。
     该转换器的两个操作阶段对应于开关 S 的两个状态 : 闭合状态和断开状态, 这两 个操作阶段如下 :
     - 当开关 S 闭合时, 电感 L 并联到输入电压源, 电感内的电流增加。这是能量存储 阶段。然后二极管 D 被截止。等效的接线图如图 1b 所示。
     - 当开关 S 断开时, 电感 L 串联到输入电压源 Ue, 电流流过电感 L 和二极管 D 且输 出电容器 Cs 充电。这是能量转移阶段。等效的接线图如图 1c 所示。在输出电容器 Cs 的端 子处的电压变的大于输入电压。
     实际上, 输出电压水平取决于开关的断开和闭合的持续时间。如果分离电源工作 在恒定频率 f, 且工作于连续导通模式 ( 也就是说, 流过电感的电流从不抵消 ), 输出电压 Us 等于 α*Ue。
     图 2 图示了分离电源, 其具有对单个输出电容器 Cs 充电的 n 个交错单元。
     在该实例中, n = 3, 单元 BC1、 BC2、 BC3 是相同的 (L、 S、 D) 并且并联 : 它们的端子 B1 连接到一起 ; 它们的端子 B2 连接到一起 ; 它们的端子 B3 连接到一起。电源包括单个输出电 容器 Cs, 其连接在每个单元的输出端子 B2 和公共端子 B3 之间。输入电压 Ue 施加到每个单 元的输入端子 B1 和公共端子 B3 之间。
     在该图中, 单元具有相同的转换器拓扑结构, 即, 电压步升 ( 升压 ) 如图 1a 中所示 的单元。
     n = 3 个分离开关 S 每一个如图 1a 至 1c 所示被控制, 处于相同的分离频率 f, 但 是各个路径相对于彼此偏移了固定持续时间, 其对应于每个单元之间的 2π/nf 相位偏移。 因此, 负载可见的电流和电压的频率比单个单元所得到的大 n 倍。输入波纹和输出电容器 中的波纹减少。
     本发明主要致力于改进这些具有 n 个交错单元的电源, 一个改进有利地使得能够 易于放置各种部件, 这些部件的放置与散热、 减少或甚至消除输入端和输出端的电压或电 流波纹有关, 该电压或电流波纹由电源的各元件之间的连接所引起的配线感应造成。主要 是串联在每个单元的开关 S 和二极管 D 之间的配线电感 Lw, 其干扰了电荷转移回路 ( 开关 S、 二极管 D、 输出电容器 Cs)。当电源包括每个单元一个输出电容器时, 在输出电容器 ( 图 2 未示出 ) 之间还有配线电感。在该改进中, 每个单元的分离开关 S 放置在谐振电路中, 该谐 振电路示意性的显示为图 2 中以 10 标记的简单矩形并且包含开关 S。
     该谐振电路 10 能够将分离开关锁定于 0 电流以从存储阶段转移到能量转移阶段。还可以锁定于 0 电压。无损锁定所产生的技术效果主要为确保电荷转移回路 (T、 D、 C) 的配 线感应不会影响电源的效率。因此, 即使配线感应很高, 它们也不会对转换有影响。
     图 3a 和 3b 为给出了该谐振电路 10 的实施例的详情。图 3a 对应于图 2 所示的电 源拓扑结构。图 3b 图示了相似的电源拓扑结构, 但是每个单元有一个输出电容器。
     电源的效率相对于没有谐振的交错结构有所提高。相比较而言, 在具有没有谐振 的交错单元的电源中, 通常获得的效率是全功率的 92%至 93%的量级。有谐振时, 这些效 率达到全功率的 96%, 即增加了 3%至 4%的量级。
     通常, 全功率意味着由转换器转化的最大功率, 极限由所使用的部件的自然属性 所决定。
     在实际中, 电源不总是工作于全功率, 也就是说, 负载所要求的电流可能变化。这 取决于应用, 因为电源是为确定的功率范围所设计的, 因此使其能应用于不同应用。 但是现 在, 不是所有的应用具有相同的功率需求。而且, 给定应用所需要的功率可能随着时间变 化。
     然而, 如果电源不工作于全功率, 具有谐振的交错结构下所获得的效率的增加减 少, 甚至倒退。这可以通过如下事实解释 : 定义上包括谐振元件 ( 谐振电感和谐振电容器 ) 的谐振电路是具体的功率损耗的来源。 这些损耗的重要性只取决于对谐振电容器充电的输 出电压的水平。谐振电路支配的能量具体取决于对谐振电容器充电的输出电压。该输出电 压改变了谐振电容器存储的能量, 因此改变了单元的谐振电路所支配的能量。这些损耗不 取决于单元支配的功率。因此, 可以理解, 取决于电源的使用环境, 谐振元件的这些损耗或 多或少都重要。
     为了说明该问题, 下面的表格显示了 n 个 (n = 3) 具有谐振电路的交错单元的给 定电源的效率 η, 其为电源所支配的功率的函数。
     电源支配的功率 P 典型地取决于所需的输出水平 Vs 和输出负载所要求的电流 Is, 也就是说, 取决于电源的使用环境。
     该表示出了电源的效率 η 对应于输出功率和输入功率之间的比值, 是所需的输 出电压的水平 Vs、 输入电压的水平 VE 以及电源所支配的功率 P 的函数。
     在该表中, 以获得的这些数据所基于的电源为例, 最大功率是 9kW。
     可以看出, 在该表中, 效率随使用环境而变化 : 支配的电功率越低, 效率越差。 主要 地, 在电源支配的低功率下, 例如为表中的 2kW, 效率比没有谐振的那些电源还低。
     尽管通过使用具有低串阻电枢和平面电感的聚丙烯类型的高效电容器, 转换器 的全部谐振电路的损耗水平可以限制在转换器的总功率的 1%至 2%量级的水平, 当电源 没有工作在全功率时, 仍可观测到效率的下降。典型地, 谐振元件的固定损耗在全功率时 对应于效率的 1.5%, 当转换器工作于其功率的三分一时, 这些固定损耗对应于效率下降 4.5%。
     发明内容
     因此, 本发明的特殊目的在于控制具有交错单元的电源的效率的恶化, 效率的恶 化是谐振电路中的固定功率损耗造成的。
     更一般地, 本发明的目的是, 当电源的结构引起恒定水平的功率损耗时, 改善具有 交错单元的电源的效率, 而不管电源所支配的功率水平, 因此当电源支配的功率减少时, 损 耗的份额按比例增加。
     本发明的思想是调整 n 个电源路径中那些实际被激活的转换路径的数量, 其为转 换器支配的功率水平的函数, 以减少支配的功率减少时固定损耗的份额。
     因此, 本发明涉及一种装置, 用于以交错模式控制具有 DC DC 分离的电源, 该电 源包括 n 个单元, 每个单元形成将输入电压转换为输出电压的路径, 所述装置包括用于控 制待激活的路径的数量的电路, 该数量为电源中的功率或电流的函数, 其特征在于, 对于 待激活的 m 个路径, 用于控制激活路径的数量 m 的所述电路在 n 个可用路径中应用轮换 (rolling) 机制。
     本发明还涉及一种具有 DC DC 分离的非隔离式电源, 包括 n 个单元, 每个单元形成 从输入电压到输出电压的转换路径, 可以通过所述控制装置来激活或失效所述路径。附图说明 在下文参照本发明的实施例的附图, 详细描述本发明的其他优点和特征, 所述实 施例是非限制性实例。在这些附图中 :
     - 图 1a、 1b、 1c 已经描述, 图示了升压类型的电压步升单元, 及其两个操作阶段 ;
     - 图 2 示出了具有交错单元的 DC DC 分离的非隔离式电源的实例, 根据本发明的控 制装置可以应用于该电源, 所述电源优选地包括在每个单元中的谐振电路, 谐振电路中放 置有开关 ;
     - 图 3a 对应于图 2, 为该谐振电路的实施例的详细接线图 ;
     - 图 3b 示出了图 3a 的电源的变体, 每个单元具有一个输出电容器 ;
     - 图 4 为信号的时序图, 该信号用于控制具有谐振电路的两个相对应转换单元的 开关 S 和辅助开关 Saux, 用于图 2 或 3a 所示的电源中 ;
     - 图 5、 6、 7 示出了单元中获得的对应的电流和电压波形 ;
     - 图 8 为电源的控制装置的概要图, 该电源具有根据图 2、 3a 或 3b 所示的拓扑结构 的 n = 5 个交错单元, 控制装置包括根据本发明的用于控制激活路径的数量 (m) 的电路 ;
     - 图 9 示出了本发明中应用的用于确定激活路径的数量 (m) 的函数, 其是电源所支 配的功率的函数 ;
     - 图 10 示出了根据本发明的改进, 从电源的 n 个可用路径中轮换 m 个激活路径的 原理 ; 以及
     - 图 11 为方框图, 示出了根据本发明控制激活路径的一般原理。
     具体实施方式
     本发明应用于具有 n 个交错单元 BCi 的 DC DC 分离的非隔离式电源, n 为至少等于 2 的整数。有利地, 其应用于具有 n 个交错单元的电源, 具有谐振, 如图 2、 3a、 3b 所示。
     每个单元与转换路径相对照。当在电源转换周期内, 在通过控制分离开关 S 到闭 合状态所实现的能量存储到单元内的阶段, 该转换路径是激活的 ( 图 2、 3a、 3b、 4)。返回到 断开状态触发输出能量转移阶段。如果开关从不切换到闭合状态或导通状态, 就没有能量 存储阶段, 因此就没有能量转移。转换路径是非激活的, 或失效的。
     根据本发明, 如图 11 中的示意图所示, 选择有条件地激活所有或一些电源路径, 其为支配的功率或电源中的电流的函数。 对于普通电源控制电路 1, 因此其提供待施加的控 制信号给电源的 n 个路径, 以获得已经主要参照附图 4 描述的操作, 还增加了用于控制路径 的激活的电路 2, 其基于电源支配的功率或电流的检测, 将允许或阻止这些控制信号传送至 单元。更详细地, 计算电路 4 实时确定要激活的路径的数量 m, 其是适当的检测电路 3 检测 的功率和电流的函数, 即提供给用于控制路径的激活的电路 2 的数量。
     在更详细地描述根据本发明的控制装置之前, 适当描述电源结构的操作及相应的 控制信号。
     可以看出, 本发明主要特别应用于具有 n 个交错单元的电源, 如图 2 所示, 其中每 个单元的分离开关 S 放置在谐振电路 10 中, 例如图 3a 和 3b 详示的谐振电路。
     单元的分离开关 S 连接在节点 A 和节点 B3 之间, 如参照图 1a 所描述的。当开关 切换到闭合状态时, 其闭合了这两个节点 A 和 B3 之间的导通路径, 因此将电感 L 回接到电压源 Ue : 这是能量存储阶段 ( 图 1b)。当开关切换到断开 ( 或截止 ) 阶段, 其打开了 A 和 B3 之间的导通路径, 触发了将能量转移到输出电容器 Cs 的阶段 ( 图 1c)。
     谐振电路 10 的功能是使得开关 S 在 0 电流时切换到断开状态。 在从闭合状态转换 到断开状态也在 0 电压时进行。因此, 开关 S 的断开不会造成损耗, 使得能量转移回路 ( 开 关 S、 二极管 D、 输出电容器 CS) 能够维持在配线感应中没有损耗。
     谐振电路典型地包括谐振电感和电容器。还包括辅助开关 Saux, 通过该辅助开关 在能量存储阶段中触发谐振阶段, 而开关 S 保持闭合。
     谐振阶段能够抵消开关 S 中的电流。然后开关 S 可以切换到断开状态, 使得电源 切换到能量转移阶段。
     有利地, 还能够抵消辅助开关 Saux 中的电流, 辅助开关可以切换到截止状态而没 有损耗 ( 在 0 电流时 )。
     在图 3a 和 3b 所示的示例性实施例中, 单元 BCi 的谐振电路 10 包括 :
     - 电感 L2, 其串联在开关 S 和节点 A 之间, 以及二极管 Dp, 其并联到开关上, 并且其 阳极连接到节点 B3, 阴极连接到开关 S 和电感 L2 之间的连接点 11 ;
     - 二极管 D2 和谐振电容器 Cres, 其串联在节点 A 和 B3 之间 ; - 电感 Lres 和辅助开关 Saux, 其并联到谐振电容器 Cres 上 ; 电感连接到谐振电容 器 Cres 和所述第二二极管之间的连接点 12 ;
     - 第二二极管 Daux, 其并联到辅助开关 Saux, 其阴极连接到辅助开关 Saux 和电感 Lres 之间的连接点 13。
     在实际中, 二极管 Daux 和 Dp 每一个可以通过放置为与关联的 IGBT 晶体管并联的 分立部件来实现, 也就是说, 分别与 Saux 和 S 并联, 或者与该晶体管集成到同一个封装中。
     图 5 至图 7 示出了具有谐振电路 10 的单元 BCi 的各个操作阶段 :
     - 能量存储阶段 ST : 开关 S 被控制到闭合 ( 导通 ) 状态。二极管 D 被截止。单元 的电感 L 以电磁形式累积电能。
     - 谐振阶段 R : 开关 Saux 切换到闭合 ( 导通 ) 状态。二极管 D 截止 ; 开关 S 一直闭合。
     将开关 Saux 切换到闭合状态使得在电容器 Cres 和电感 Lres 之间建立谐振 : 电容 器 Cres 的端子处的电压下降直到反转 (inverted) ; 并且当二极管 D2 的阴极 ( 节点 12) 的 电压低于其阳极 ( 节点 A) 的电压时, 二极管 D2 导通。流过二极管 D2 的电流抵消了开关 S 中的电流。开关 S 切换到断开状态, 使得转换单元切换到能量转移阶段。
     当开关 S 中的电流被抵消后, 并联的二极管 Dp 使得反向电流流过并且终止了谐振 阶段, 因为二极管 Dp 导通, 电感 L2 被引入 : 在 Dp 的整个导通期间, 开关 S 的端子处的电压 仍为 0。因此, 开关 S 切换到断开状态是软切换 (soft switching), 没有能量损耗。
     当开关 S 切换到断开状态时, 开始能量转移阶段 :
     - 能量转移阶段 T :
     二极管 D 导通, 开关 S 断开, 开关 Saux 断开。能量从电感 L 转移到输出电容器 Cs。 以输出电压 Us 对电容器 Cres 充电。
     实际上对该电源的每个单元的控制需要两个控制信号, 一个用于控制开关 S 和 Saux 的每一个, 以便将这两个开关适当地切换到闭合状态和断开状态并获得所述的操作。
     标记的 Pwmi 和 P′ wmi 是用于控制电源的单元 BCi 的分离开关 S 和辅助开关的信
     号, 电源包括 n 个单元 BCi(i = 1 至 n)。
     实际上, 这些信号以公知方式由例如在分离频率 f 下的脉冲宽度调制电路, , 以及 固定持续时间的时间分离电路等电路产生, 从而各个路径相对于彼此时间上偏移了固定持 续时间, 有利的等于 2π/nf。
     在简单的实施例中, 通过可编程电路基于仿真可以产生多个持续时间 ( 开关 S 和 Saux 的闭合时间, 或偏移 2π/nf)。
     在图 4 中示出这些控制信号用于两个连续的转换单元 BCi 和 BCi+1。它们具有相同 的频率 f。单元 BCi 的信号 Pwmi 和 P′ wmi 是同步的, 以便同步地控制开关 S 和 Saux 的断 开。占空因子分别为在两个信号之间变化的 α+α′ and α′。
     在更详细的方式中, 如该时序图所示出的, 在每个单元中 :
     - 开关 Saux 由控制信号 P′ wmi 控制, 从而开关 Saux 导通 ( 闭合 ) 了固定持续时 间 taux = α’ t;
     - 开关 S 由信号 Pwmi 控制, 从而开关 S 在开关 Saux 之前导通持续时间 αt, 且持 续时间 taux = α’ t;
     - 两个开关 S 和 Saux 以同步方式切换到断开 ( 截止 ) 状态, 使得存储阶段结束并 针对相应的路径开始能量转移阶段。
     考虑具有如上所述的结构的电源。假定其包括 n = 5 个转换单元, BC1 至 BC5。
     图 8 的实例中示出了产生用于控制用于这五个转换单元 BC1 至 BC5 的分离开关 S 和辅助开关 Saux 的信号的电路。在该实例中, 基于仿真结果考虑占空因子和固定时移, 从 而信号具有图 4 所示的形状。
     这些信号一般主要基于同步信号 SYNC1 至 SYNC5, 通过脉冲调制电路 200 和 200′ 产生, 同步信号 SYNC1 至 SYNC5 通常由可编程电路 100 基于时钟信号 CK 产生。例如可配置 脉冲调制电路从而提供具有所需的占空因子的各个控制信号, 即对于施加给分离开关的信 号 Pwm1 至 Pwm5 而言是 α, 对于施加给谐振电路的辅助开关的信号 P′ wm1 至 P′ wm5 而言 是 α’ 。配置可编程电路以获得所需的同步信号之间的时移 (2π/nf, 这里 n = 5)。
     这些信号被施加至各个开关 S 和 Saux, 是通过电流放大器或者称为驱动器, 其标 记为用于驱动分离开关 S 的 300-1 至 300-5, 以及用于谐振辅助开关 Saux 的 300 ′ -1 至 300′ -5。
     在本发明中, 为了最优化该电源的效率, 考虑到谐振电路中的固定损耗, 控制装置 还包括用于控制激活的转换路径的数量的电路 20, 该数量为电源支配的功率 PA 或者电流的 函数, 以便激活 n 个电源路径中的 m 个路径, 其中 m 是小于或等于 n 的值, 这取决于功率 PA 或检测到的电流的值。在本实例中, n = 5。
     控制电路包括用于测量支配的功率或电流的电路 20-1, 以提供值 PA ; 用于计算要 激活的转换路径的数量的电路 20-2, 该数量为该值的函数 ; 以及用于产生激活 / 失效转换 路径的信号的电路 20-3。
     用于测量支配的功率的电路 20-1 提供值 PA。该用于测量或检测功率的电路对应 于图 11 中的电路 3。典型地, 可以通过测量电源 ( 图 2) 的输出负载 Z 的电流以及测量其端 子处的电压来测量功率。
     电路 20-2 为用于计算 m 的值的电路, m 为检测的功率 PA 的函数。其对应于图 11中的电路 4。其利用阶梯状的函数 F(PA) : 如果 n 为电源路径的数量, 函数的每一阶将作为 一个在 1 和 n 之间的范围内的整数值的 m 值, 以及一个由两个阈值划界的功率范围联系在 一起。
     函数 F(Pa) 的阶梯的数量等于路径的数量 n。
     该函数 F(Pa) 在图 9 中示出, 这里 n = 5。
     因此, 通过用于比较值 PA 和阈值 v1、 v2、 v3、 v4、 v5 的电路来简单地实现相应的计 算电路 20-2, 以提供值 m, m 为检测的功率所处于的功率范围的函数。
     在实际中, 通过对给定电源进行仿真, 并根据用于测量所用功率的电路 20-1 来确 定阈值。
     一般地, 如果考虑到使用 n 个阈值, 以升序分类, 从第一个等于 v1 的最小值, 到第 n 个等于 vn 的最大值, 电路按照如下规则应用 :
     - 当检测到的 PA 的水平低于第一阈值 (v1) 时, m 等于 1 ;
     - 当所述检测到的水平低于第 i-1 个阈值 (Vi-1) 并且低于第 i 个阈值 (vi), 其中 i 为 2 和 n 之间的整数, 那么 m 等于 i。
     优选地, 值 vn 对应于电源最大功率。 计算电路 20-2 将计算出的数值 m 提供给用于控制路径的电路 20-3( 图 11 中的电 路 2)。该控制电路激活针对每一个路径 / 单元的失效信号的相应状态。在本实例中, 给出 了 5 个信号 En1 到 En5。在实际中, 该信号施加到输入端用来使与各个单元 BCi 的开关 S 和 Saux 相关联的电流放大器 (300-i, 300′ -i) 失效。在这 5 个信号中, m 个信号激活了相对 应的放大器, 而 n-m 个不激活。
     在实际中, 是与转换周期同步, 来实时地检测和管理路径的数量 m。 换句话说, 可施 加给每个转换周期的 m 的值是限定的。可以规定在更长的时间段内执行检测。那么将在多 个连续的转换周期内施加针对检测周期计算出的 m 的值。
     在图 10 中所示的实例中, 给定 m 是 5 中的 3 个, 在三个连续的转换周期上施加该 值m=3: 周期 1、 周期 2 和周期 3。
     在本发明的基本应用中, 用于控制路径的电路 ( 图 8 中的电路 20-3 或图 11 中的 电路 1) 确定哪些路径要激活, 哪些路径不被激活 : 非激活路径的开关保持断开或不处于导 通状态。
     如此, 电源的热损耗不再均一地分布在空间内。
     根据图 10 所示的本发明的改进, 用于控制路径的电路实现从电源的 n 个可用路径 中轮换 m 个被激活的路径, 因为 m 不同于 n。置换规则可以复杂也可以简单。这取决于考虑 m 和 n 之间的差时, 可用来置换的数量。
     根据本发明的另一方面, 本发明涉及电源的应用, 该电源包括如参照附图 3a 和 3b 所示的谐振电路 10, 还设置了用于维持谐振电路 10 的谐振电容器 Cres 的电荷的元件。
     具体地, 对于在一个或多个转换周期内未激活的单元, 值得通过涡流来限制谐振 电容器 Cres 的放电。将该电容器保持于充电状态, 使得能够确保在下一个用于再次激活该 路径的转换周期内无损耗的切换分离开关 S。
     这样的维持元件 R 例如在图 3a 和 3b 中用虚线所表示。为了简化该图, 仅在一个 单元上示出, 应理解在实际中每个单元包括这样的一个元件。该维持元件有利地是电阻器
     R, 其连接在谐振电容器的端子 12 和每个电源单元的输出端子 B2 之间。优选地, 其值为几 百 k 欧姆。
     在实际中, 应注意到, 在转换器路径中断或失效时, 电源的输入波纹和输出波纹中 的增加比所有路径激活时少。然而这是可接受的, 因为这对应于电源的使用环境中功率减 少, 并且因此减少了温度上升。
     参照非隔离式电源描述了本发明, 但其还可以等效地 ( 通过变压器 ) 应用于隔离 式电源。

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1、10申请公布号CN101983473A43申请公布日20110302CN101983473ACN101983473A21申请号200980109978922申请日20090318080157520080321FRH02M3/15820060171申请人原子能和能源替代品委员会地址法国巴黎申请人标致雪铁龙汽车股份有限公司72发明人D沙特鲁JC多尔哈加雷F罗伊74专利代理机构北京戈程知识产权代理有限公司11314代理人程伟王锦阳54发明名称用于控制具有DCDC分离的包括N个交错路径类型的电源的装置57摘要根据本发明,在具有N个交错的转换单元BCI的电源中,控制装置激活N个路径中的M个路径,1MN,。

2、M是电源支配的功率PA或电流的函数。所述单元可以具有升压、降压、升压/降压、CUK或SEPIC拓扑结构。本发明可以应用于燃料电池。30优先权数据85PCT申请进入国家阶段日2010092086PCT申请的申请数据PCT/EP2009/0532052009031887PCT申请的公布数据WO2009/115555FR2009092451INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书9页附图8页CN101983475A1/1页21一种以交错模式控制具有DCDC分离的电源的控制装置,该电源包括N个单元,每个单元形成将输入电压转换为输出电压的路径,所述控制装置包括用于控。

3、制待激活的路径的数量的电路20,该数量为电源中的功率水平或电流PA的函数,其特征在于,对于待激活的M个路径,M严格小于N,用于控制激活路径的数量M的所述电路在N个可用路径之间应用轮换机制。2根据权利要求1所述的控制装置,其特征在于,所述控制电路20包括用于检测所述电源中消耗的功率或电流的装置201,以及用于将检测到的水平相对于一系列有序的N个阈值V1、V5进行归类的装置202,使得能够将待激活的路径的数量M匹配到所得到的归类,M是整数且1MN。3根据权利要求2所述的控制装置,其特征在于,用于将检测到的水平进行归类的所述装置确定N个阈值,所述N个阈值按照升序归类,从为最小值的第一阈值到为最大值的。

4、第N阈值,并且还应用如下规则当所述检测到的水平小于第一阈值V1时,M等于1;当所述检测到的水平高于第I1阈值VI1并且小于第I阈值VI时,M等于I,I为1和N之间的整数。4根据权利要求3所述的控制装置,其特征在于,第N阈值VN对应于电源中的最大功率或电流。5根据前述权利要求中任意一项所述的控制装置,提供N个脉冲调制激活信号PWM1,PWM2,PWM3,PWMN,所述N个脉冲调制激活信号具有相同的分离频率F并且彼此偏移了固定时间偏移,每个用来控制单元BCI的分离开关S,其特征在于,所述控制电路20驱动用于使相应的激活信号至每个单元的传输失效的电路3001,从而在每个时刻,N个激活信号中仅有M个激。

5、活信号被传输。6根据权利要求5所述的控制装置,每个单元的分离开关S放置在切换辅助谐振电路10中,该切换辅助谐振电路包括用于触发谐振阶段R的辅助开关SAUX,所述控制装置提供N个附加的脉冲调制激励信号PWM1,PWM2,PWM3,PWMN,所述N个附加的脉冲调制激励信号具有相同的分离频率F,并且彼此偏移了固定时间偏移,每个激活信号控制相应单元的辅助晶体管SAUX,以及用于使所述附加激活信号的传输失效的电路3001,从而在每个时刻,N个激活信号中仅有M个激活信号被传输。7根据权利要求6所述的控制装置,其中每个单元的谐振电路包括谐振电容器CRES,其特征在于,还包括用于维持谐振电容器的电荷的维持元件。

6、R。8根据权利要求7所述的控制装置,其特征在于,所述维持元件是电阻器R,所述电阻器连接在电容器和电源的输出端子B2之间,所述电阻器的值优选地为几百K欧姆。9一种负载Z的电源系统,包括燃料电池PC,所述燃料电池后接有至少一个具有DCDC分离的非隔离式电源,该电源是具有N个交错单元的类型,N为至少等于2的整数,以在如前述权利要求中任一项所述的控制装置的控制下,提供直流稳压给所述负载。10如权利要求9所述的电源系统,其中所述单元为电压步升类型。11如权利要求9所述的电源系统,其中所述单元为电压步降类型。12如权利要求9所述的电源系统,其中所述单元为电压逆变器和/或步降/步升类型。权利要求书CN101。

7、983473ACN101983475A1/9页3用于控制具有DCDC分离的包括N个交错路径类型的电源的装置技术领域0001本发明涉及具有DCDC分离DCDCSPLITTING的电源,其具有N个交错路径,更具体的,涉及一种用于控制该电源的装置。背景技术0002本发明主要基于由燃料电池提供的能量,提供确定水平的直流稳压电源。0003燃料电池在很多应用中使用。例如,它们作为能量源用于电动车辆,或者用于对电池再充电,例如用于对便携式设备例如电话的电池再充电。0004具有DCDC分离的非隔离式电源,也称为转换器或断路器,通常用于将电池提供的直流电压转换为另一个直流电压,该另一个直流电压可能更高或更低,并。

8、且可能具有相同或相反的极性,这取决于电源的拓扑结构。电源支配的功率取决于输出负载,也就是说,取决于使用在输出端提供的电压的应用。0005更具体地,本发明致力于交错单元类型的分离电源。这些电源能够减少电源输入端以及输出端的电流波纹。减少输入波纹和输出波纹是分离电源的质量标准。每个单元是一个转换器。交错的概念来自于如下事实单元以阶段变化的方式将功率提供至输出电容,该输出电容可以是对于单元是公用的,或者对于每一个单元是特定的。0006交错单元每一个是DCDC转换器。它们全都具有相同的拓扑结构,该拓扑结构根据功率范围和应用所需的增益来选择。在这些电源中所使用的各种已知的电源拓扑结构为电压步升STEPU。

9、P,称为“升压”BOOST;电压步降STEPDOWN,称为“降压”BUCK;电压逆变器;以及步升/步降,“升压降压”;或以其发明人名字命名的“CUK”拓扑结构;电压步升/步降或SEPIC单端初级电感转换器SINGLEENDEDPRIMARYINDUCTORCONVERTER。0007以对这些多种拓扑结构相同的方式,每个DCDC转换单元是通常为具有一个输入端子、一个输出端子和一个公共端子的三极电路。该电路具有至少一个开关、二极管和能量存储元件,能量存储元件典型地为电感。输入电压施加到输入端子和公共端子之间。输出电容器连接到输出端子和公共端子之间。能量通过能量存储元件从输入端转移到输出端,能量存储。

10、元件存储能量,然后以开关在断开状态和闭合状态的切换速率来再次存储。通过分离开关的导通时间闭合状态来实现稳压。0008开关S通常由场效应晶体管制成。这也就是为何未区分开关的断开OPEN状态或截止OFF状态,以及闭合CLOSED状态或导通ON状态。典型地,在输入电压和输出电压处于几伏到几千伏的范围内,优选地使用IGBTISOLATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR,绝缘栅双极型晶体管类型的晶体管,其端子能够承受高电压。该技术方案能够确保转换器的可靠性,同时还最小化了部件的成本。0009参照附图1A至1C可见单元的操作,以及具有交错单元的电源的操作,其给出了单元BCI的结构和操作的详情,。

11、图2、3A和3B给出了包括该类型的三个单元BC1、BC2和BC3的电源的详情。说明书CN101983473ACN101983475A2/9页40010转换单元BCI图1A是三极单元,具有星形拓扑结构开关S、电感L和二极管D,每一个形成了三极电路的一个分支。所有的分支起自公共节点A,它们的终点形成三极电路的三个端子中的一个。0011在图示的实例中,单元BCI的拓扑结构是BC电压步升升压转换器。开关S连接在节点A和公共端子B3之间。二极管的阳极连接到节点A,阴极连接到输出端子B2。电感L连接到输入端子B1和节点A之间。0012分离开关S由具有恒定频率F的脉冲信号以通常的脉冲宽度调制模式控制,使得该。

12、开关交替地在T标记的闭合时间段内处于闭合状态,而在TT的断开时间内处于断开状态,为开关闭合的时间与整个周期的时间T1/F的周期性比率CYCLICALRATIO。0013该转换器的两个操作阶段对应于开关S的两个状态闭合状态和断开状态,这两个操作阶段如下0014当开关S闭合时,电感L并联到输入电压源,电感内的电流增加。这是能量存储阶段。然后二极管D被截止。等效的接线图如图1B所示。0015当开关S断开时,电感L串联到输入电压源UE,电流流过电感L和二极管D且输出电容器CS充电。这是能量转移阶段。等效的接线图如图1C所示。在输出电容器CS的端子处的电压变的大于输入电压。0016实际上,输出电压水平取。

13、决于开关的断开和闭合的持续时间。如果分离电源工作在恒定频率F,且工作于连续导通模式也就是说,流过电感的电流从不抵消,输出电压US等于UE。0017图2图示了分离电源,其具有对单个输出电容器CS充电的N个交错单元。0018在该实例中,N3,单元BC1、BC2、BC3是相同的L、S、D并且并联它们的端子B1连接到一起;它们的端子B2连接到一起;它们的端子B3连接到一起。电源包括单个输出电容器CS,其连接在每个单元的输出端子B2和公共端子B3之间。输入电压UE施加到每个单元的输入端子B1和公共端子B3之间。0019在该图中,单元具有相同的转换器拓扑结构,即,电压步升升压如图1A中所示的单元。0020。

14、N3个分离开关S每一个如图1A至1C所示被控制,处于相同的分离频率F,但是各个路径相对于彼此偏移了固定持续时间,其对应于每个单元之间的2/NF相位偏移。因此,负载可见的电流和电压的频率比单个单元所得到的大N倍。输入波纹和输出电容器中的波纹减少。0021本发明主要致力于改进这些具有N个交错单元的电源,一个改进有利地使得能够易于放置各种部件,这些部件的放置与散热、减少或甚至消除输入端和输出端的电压或电流波纹有关,该电压或电流波纹由电源的各元件之间的连接所引起的配线感应造成。主要是串联在每个单元的开关S和二极管D之间的配线电感LW,其干扰了电荷转移回路开关S、二极管D、输出电容器CS。当电源包括每个。

15、单元一个输出电容器时,在输出电容器图2未示出之间还有配线电感。在该改进中,每个单元的分离开关S放置在谐振电路中,该谐振电路示意性的显示为图2中以10标记的简单矩形并且包含开关S。0022该谐振电路10能够将分离开关锁定于0电流以从存储阶段转移到能量转移阶段。说明书CN101983473ACN101983475A3/9页5还可以锁定于0电压。无损锁定所产生的技术效果主要为确保电荷转移回路T、D、C的配线感应不会影响电源的效率。因此,即使配线感应很高,它们也不会对转换有影响。0023图3A和3B为给出了该谐振电路10的实施例的详情。图3A对应于图2所示的电源拓扑结构。图3B图示了相似的电源拓扑结构。

16、,但是每个单元有一个输出电容器。0024电源的效率相对于没有谐振的交错结构有所提高。相比较而言,在具有没有谐振的交错单元的电源中,通常获得的效率是全功率的92至93的量级。有谐振时,这些效率达到全功率的96,即增加了3至4的量级。0025通常,全功率意味着由转换器转化的最大功率,极限由所使用的部件的自然属性所决定。0026在实际中,电源不总是工作于全功率,也就是说,负载所要求的电流可能变化。这取决于应用,因为电源是为确定的功率范围所设计的,因此使其能应用于不同应用。但是现在,不是所有的应用具有相同的功率需求。而且,给定应用所需要的功率可能随着时间变化。0027然而,如果电源不工作于全功率,具有。

17、谐振的交错结构下所获得的效率的增加减少,甚至倒退。这可以通过如下事实解释定义上包括谐振元件谐振电感和谐振电容器的谐振电路是具体的功率损耗的来源。这些损耗的重要性只取决于对谐振电容器充电的输出电压的水平。谐振电路支配的能量具体取决于对谐振电容器充电的输出电压。该输出电压改变了谐振电容器存储的能量,因此改变了单元的谐振电路所支配的能量。这些损耗不取决于单元支配的功率。因此,可以理解,取决于电源的使用环境,谐振元件的这些损耗或多或少都重要。0028为了说明该问题,下面的表格显示了N个N3具有谐振电路的交错单元的给定电源的效率,其为电源所支配的功率的函数。0029电源支配的功率P典型地取决于所需的输出。

18、水平VS和输出负载所要求的电流IS,也就是说,取决于电源的使用环境。0030该表示出了电源的效率对应于输出功率和输入功率之间的比值,是所需的输出电压的水平VS、输入电压的水平VE以及电源所支配的功率P的函数。0031说明书CN101983473ACN101983475A4/9页60032在该表中,以获得的这些数据所基于的电源为例,最大功率是9KW。0033可以看出,在该表中,效率随使用环境而变化支配的电功率越低,效率越差。主要地,在电源支配的低功率下,例如为表中的2KW,效率比没有谐振的那些电源还低。0034尽管通过使用具有低串阻电枢和平面电感的聚丙烯类型的高效电容器,转换器的全部谐振电路的损。

19、耗水平可以限制在转换器的总功率的1至2量级的水平,当电源没有工作在全功率时,仍可观测到效率的下降。典型地,谐振元件的固定损耗在全功率时对应于效率的15,当转换器工作于其功率的三分一时,这些固定损耗对应于效率下降45。发明内容0035因此,本发明的特殊目的在于控制具有交错单元的电源的效率的恶化,效率的恶化是谐振电路中的固定功率损耗造成的。0036更一般地,本发明的目的是,当电源的结构引起恒定水平的功率损耗时,改善具有交错单元的电源的效率,而不管电源所支配的功率水平,因此当电源支配的功率减少时,损耗的份额按比例增加。0037本发明的思想是调整N个电源路径中那些实际被激活的转换路径的数量,其为转换器。

20、支配的功率水平的函数,以减少支配的功率减少时固定损耗的份额。0038因此,本发明涉及一种装置,用于以交错模式控制具有DCDC分离的电源,该电源包括N个单元,每个单元形成将输入电压转换为输出电压的路径,所述装置包括用于控制待激活的路径的数量的电路,该数量为电源中的功率或电流的函数,其特征在于,对于待激活的M个路径,用于控制激活路径的数量M的所述电路在N个可用路径中应用轮换ROLLING机制。0039本发明还涉及一种具有DCDC分离的非隔离式电源,包括N个单元,每个单元形成从输入电压到输出电压的转换路径,可以通过所述控制装置来激活或失效所述路径。说明书CN101983473ACN101983475。

21、A5/9页7附图说明0040在下文参照本发明的实施例的附图,详细描述本发明的其他优点和特征,所述实施例是非限制性实例。在这些附图中0041图1A、1B、1C已经描述,图示了升压类型的电压步升单元,及其两个操作阶段;0042图2示出了具有交错单元的DCDC分离的非隔离式电源的实例,根据本发明的控制装置可以应用于该电源,所述电源优选地包括在每个单元中的谐振电路,谐振电路中放置有开关;0043图3A对应于图2,为该谐振电路的实施例的详细接线图;0044图3B示出了图3A的电源的变体,每个单元具有一个输出电容器;0045图4为信号的时序图,该信号用于控制具有谐振电路的两个相对应转换单元的开关S和辅助开。

22、关SAUX,用于图2或3A所示的电源中;0046图5、6、7示出了单元中获得的对应的电流和电压波形;0047图8为电源的控制装置的概要图,该电源具有根据图2、3A或3B所示的拓扑结构的N5个交错单元,控制装置包括根据本发明的用于控制激活路径的数量M的电路;0048图9示出了本发明中应用的用于确定激活路径的数量M的函数,其是电源所支配的功率的函数;0049图10示出了根据本发明的改进,从电源的N个可用路径中轮换M个激活路径的原理;以及0050图11为方框图,示出了根据本发明控制激活路径的一般原理。具体实施方式0051本发明应用于具有N个交错单元BCI的DCDC分离的非隔离式电源,N为至少等于2的。

23、整数。有利地,其应用于具有N个交错单元的电源,具有谐振,如图2、3A、3B所示。0052每个单元与转换路径相对照。当在电源转换周期内,在通过控制分离开关S到闭合状态所实现的能量存储到单元内的阶段,该转换路径是激活的图2、3A、3B、4。返回到断开状态触发输出能量转移阶段。如果开关从不切换到闭合状态或导通状态,就没有能量存储阶段,因此就没有能量转移。转换路径是非激活的,或失效的。0053根据本发明,如图11中的示意图所示,选择有条件地激活所有或一些电源路径,其为支配的功率或电源中的电流的函数。对于普通电源控制电路1,因此其提供待施加的控制信号给电源的N个路径,以获得已经主要参照附图4描述的操作,。

24、还增加了用于控制路径的激活的电路2,其基于电源支配的功率或电流的检测,将允许或阻止这些控制信号传送至单元。更详细地,计算电路4实时确定要激活的路径的数量M,其是适当的检测电路3检测的功率和电流的函数,即提供给用于控制路径的激活的电路2的数量。0054在更详细地描述根据本发明的控制装置之前,适当描述电源结构的操作及相应的控制信号。0055可以看出,本发明主要特别应用于具有N个交错单元的电源,如图2所示,其中每个单元的分离开关S放置在谐振电路10中,例如图3A和3B详示的谐振电路。0056单元的分离开关S连接在节点A和节点B3之间,如参照图1A所描述的。当开关切换到闭合状态时,其闭合了这两个节点A。

25、和B3之间的导通路径,因此将电感L回接到电说明书CN101983473ACN101983475A6/9页8压源UE这是能量存储阶段图1B。当开关切换到断开或截止阶段,其打开了A和B3之间的导通路径,触发了将能量转移到输出电容器CS的阶段图1C。0057谐振电路10的功能是使得开关S在0电流时切换到断开状态。在从闭合状态转换到断开状态也在0电压时进行。因此,开关S的断开不会造成损耗,使得能量转移回路开关S、二极管D、输出电容器CS能够维持在配线感应中没有损耗。0058谐振电路典型地包括谐振电感和电容器。还包括辅助开关SAUX,通过该辅助开关在能量存储阶段中触发谐振阶段,而开关S保持闭合。0059。

26、谐振阶段能够抵消开关S中的电流。然后开关S可以切换到断开状态,使得电源切换到能量转移阶段。0060有利地,还能够抵消辅助开关SAUX中的电流,辅助开关可以切换到截止状态而没有损耗在0电流时。0061在图3A和3B所示的示例性实施例中,单元BCI的谐振电路10包括0062电感L2,其串联在开关S和节点A之间,以及二极管DP,其并联到开关上,并且其阳极连接到节点B3,阴极连接到开关S和电感L2之间的连接点11;0063二极管D2和谐振电容器CRES,其串联在节点A和B3之间;0064电感LRES和辅助开关SAUX,其并联到谐振电容器CRES上;电感连接到谐振电容器CRES和所述第二二极管之间的连接。

27、点12;0065第二二极管DAUX,其并联到辅助开关SAUX,其阴极连接到辅助开关SAUX和电感LRES之间的连接点13。0066在实际中,二极管DAUX和DP每一个可以通过放置为与关联的IGBT晶体管并联的分立部件来实现,也就是说,分别与SAUX和S并联,或者与该晶体管集成到同一个封装中。0067图5至图7示出了具有谐振电路10的单元BCI的各个操作阶段0068能量存储阶段ST开关S被控制到闭合导通状态。二极管D被截止。单元的电感L以电磁形式累积电能。0069谐振阶段R开关SAUX切换到闭合导通状态。二极管D截止;开关S一直闭合。0070将开关SAUX切换到闭合状态使得在电容器CRES和电感。

28、LRES之间建立谐振电容器CRES的端子处的电压下降直到反转INVERTED;并且当二极管D2的阴极节点12的电压低于其阳极节点A的电压时,二极管D2导通。流过二极管D2的电流抵消了开关S中的电流。开关S切换到断开状态,使得转换单元切换到能量转移阶段。0071当开关S中的电流被抵消后,并联的二极管DP使得反向电流流过并且终止了谐振阶段,因为二极管DP导通,电感L2被引入在DP的整个导通期间,开关S的端子处的电压仍为0。因此,开关S切换到断开状态是软切换SOFTSWITCHING,没有能量损耗。0072当开关S切换到断开状态时,开始能量转移阶段0073能量转移阶段T0074二极管D导通,开关S断。

29、开,开关SAUX断开。能量从电感L转移到输出电容器CS。以输出电压US对电容器CRES充电。0075实际上对该电源的每个单元的控制需要两个控制信号,一个用于控制开关S和SAUX的每一个,以便将这两个开关适当地切换到闭合状态和断开状态并获得所述的操作。0076标记的PWMI和PWMI是用于控制电源的单元BCI的分离开关S和辅助开关的信说明书CN101983473ACN101983475A7/9页9号,电源包括N个单元BCII1至N。0077实际上,这些信号以公知方式由例如在分离频率F下的脉冲宽度调制电路,以及固定持续时间的时间分离电路等电路产生,从而各个路径相对于彼此时间上偏移了固定持续时间,有。

30、利的等于2/NF。0078在简单的实施例中,通过可编程电路基于仿真可以产生多个持续时间开关S和SAUX的闭合时间,或偏移2/NF。0079在图4中示出这些控制信号用于两个连续的转换单元BCI和BCI1。它们具有相同的频率F。单元BCI的信号PWMI和PWMI是同步的,以便同步地控制开关S和SAUX的断开。占空因子分别为在两个信号之间变化的AND。0080在更详细的方式中,如该时序图所示出的,在每个单元中0081开关SAUX由控制信号PWMI控制,从而开关SAUX导通闭合了固定持续时间TAUXT;0082开关S由信号PWMI控制,从而开关S在开关SAUX之前导通持续时间T,且持续时间TAUXT;。

31、0083两个开关S和SAUX以同步方式切换到断开截止状态,使得存储阶段结束并针对相应的路径开始能量转移阶段。0084考虑具有如上所述的结构的电源。假定其包括N5个转换单元,BC1至BC5。0085图8的实例中示出了产生用于控制用于这五个转换单元BC1至BC5的分离开关S和辅助开关SAUX的信号的电路。在该实例中,基于仿真结果考虑占空因子和固定时移,从而信号具有图4所示的形状。0086这些信号一般主要基于同步信号SYNC1至SYNC5,通过脉冲调制电路200和200产生,同步信号SYNC1至SYNC5通常由可编程电路100基于时钟信号CK产生。例如可配置脉冲调制电路从而提供具有所需的占空因子的各。

32、个控制信号,即对于施加给分离开关的信号PWM1至PWM5而言是,对于施加给谐振电路的辅助开关的信号PWM1至PWM5而言是。配置可编程电路以获得所需的同步信号之间的时移2/NF,这里N5。0087这些信号被施加至各个开关S和SAUX,是通过电流放大器或者称为驱动器,其标记为用于驱动分离开关S的3001至3005,以及用于谐振辅助开关SAUX的3001至3005。0088在本发明中,为了最优化该电源的效率,考虑到谐振电路中的固定损耗,控制装置还包括用于控制激活的转换路径的数量的电路20,该数量为电源支配的功率PA或者电流的函数,以便激活N个电源路径中的M个路径,其中M是小于或等于N的值,这取决于。

33、功率PA或检测到的电流的值。在本实例中,N5。0089控制电路包括用于测量支配的功率或电流的电路201,以提供值PA;用于计算要激活的转换路径的数量的电路202,该数量为该值的函数;以及用于产生激活/失效转换路径的信号的电路203。0090用于测量支配的功率的电路201提供值PA。该用于测量或检测功率的电路对应于图11中的电路3。典型地,可以通过测量电源图2的输出负载Z的电流以及测量其端子处的电压来测量功率。0091电路202为用于计算M的值的电路,M为检测的功率PA的函数。其对应于图11说明书CN101983473ACN101983475A8/9页10中的电路4。其利用阶梯状的函数FPA如果。

34、N为电源路径的数量,函数的每一阶将作为一个在1和N之间的范围内的整数值的M值,以及一个由两个阈值划界的功率范围联系在一起。0092函数FPA的阶梯的数量等于路径的数量N。0093该函数FPA在图9中示出,这里N5。0094因此,通过用于比较值PA和阈值V1、V2、V3、V4、V5的电路来简单地实现相应的计算电路202,以提供值M,M为检测的功率所处于的功率范围的函数。0095在实际中,通过对给定电源进行仿真,并根据用于测量所用功率的电路201来确定阈值。0096一般地,如果考虑到使用N个阈值,以升序分类,从第一个等于V1的最小值,到第N个等于VN的最大值,电路按照如下规则应用0097当检测到的。

35、PA的水平低于第一阈值V1时,M等于1;0098当所述检测到的水平低于第I1个阈值VI1并且低于第I个阈值VI,其中I为2和N之间的整数,那么M等于I。0099优选地,值VN对应于电源最大功率。0100计算电路202将计算出的数值M提供给用于控制路径的电路203图11中的电路2。该控制电路激活针对每一个路径/单元的失效信号的相应状态。在本实例中,给出了5个信号EN1到EN5。在实际中,该信号施加到输入端用来使与各个单元BCI的开关S和SAUX相关联的电流放大器300I,300I失效。在这5个信号中,M个信号激活了相对应的放大器,而NM个不激活。0101在实际中,是与转换周期同步,来实时地检测和。

36、管理路径的数量M。换句话说,可施加给每个转换周期的M的值是限定的。可以规定在更长的时间段内执行检测。那么将在多个连续的转换周期内施加针对检测周期计算出的M的值。0102在图10中所示的实例中,给定M是5中的3个,在三个连续的转换周期上施加该值M3周期1、周期2和周期3。0103在本发明的基本应用中,用于控制路径的电路图8中的电路203或图11中的电路1确定哪些路径要激活,哪些路径不被激活非激活路径的开关保持断开或不处于导通状态。0104如此,电源的热损耗不再均一地分布在空间内。0105根据图10所示的本发明的改进,用于控制路径的电路实现从电源的N个可用路径中轮换M个被激活的路径,因为M不同于N。

37、。置换规则可以复杂也可以简单。这取决于考虑M和N之间的差时,可用来置换的数量。0106根据本发明的另一方面,本发明涉及电源的应用,该电源包括如参照附图3A和3B所示的谐振电路10,还设置了用于维持谐振电路10的谐振电容器CRES的电荷的元件。0107具体地,对于在一个或多个转换周期内未激活的单元,值得通过涡流来限制谐振电容器CRES的放电。将该电容器保持于充电状态,使得能够确保在下一个用于再次激活该路径的转换周期内无损耗的切换分离开关S。0108这样的维持元件R例如在图3A和3B中用虚线所表示。为了简化该图,仅在一个单元上示出,应理解在实际中每个单元包括这样的一个元件。该维持元件有利地是电阻器。

38、说明书CN101983473ACN101983475A9/9页11R,其连接在谐振电容器的端子12和每个电源单元的输出端子B2之间。优选地,其值为几百K欧姆。0109在实际中,应注意到,在转换器路径中断或失效时,电源的输入波纹和输出波纹中的增加比所有路径激活时少。然而这是可接受的,因为这对应于电源的使用环境中功率减少,并且因此减少了温度上升。0110参照非隔离式电源描述了本发明,但其还可以等效地通过变压器应用于隔离式电源。说明书CN101983473ACN101983475A1/8页12图1A图1B图1C说明书附图CN101983473ACN101983475A2/8页13图2说明书附图CN101983473ACN101983475A3/8页14图3说明书附图CN101983473ACN101983475A4/8页15图4说明书附图CN101983473ACN101983475A5/8页16图5图6图7说明书附图CN101983473ACN101983475A6/8页17图8说明书附图CN101983473ACN101983475A7/8页18图9图10说明书附图CN101983473ACN101983475A8/8页19图11说明书附图CN101983473A。

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