具有改进的功率密度的开关转换器制造技术

描述的示例包括开关功率转换器(100)、控制方法和波纹滤波器电路(110)，其中，第一开关(S1)和第二开关(S2)被串联连接第一DC总线节点(112)和第二DC总线节点(114)两端，其中，电感器(L1)连接到连接第一开关(S1)和第二开关(S2)的开关节点(116)，以及存储电容器(C1)在电感器(L1)与第二DC总线节点(114)之间。控制电路(120)操作开关(S1、S2)以交替地将波纹能量从DC总线电路的DC总线电容器(C2)通过电感器(L1)传递到存储电容器(C1)，并且然后将波纹能量从存储电容器(C1)通过电感器(L1)传递到DC总线电容器(C2)以调节DC总线电路的波纹电压，并且控制电路(120)在DC总线电容器(C2)与存储电容器(C1)之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的电感器电流(IL1)的绝对值的滞环控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改进的功率密度的开关转换器
技术介绍
开关功率转换器包括开关，其经操作以将电功率从一种形式转换为另一种，其包括DC-AC转换器(如开关逆变器)、AC-DC转换器(其被称为有源整流器)、DC-DC转换器和AC-DC-AC转换器。DC-AC和AC-DC开关转换器通常包括DC总线电路，其具有大总线电容器以提供平稳的DC总线电压。对于单相应用，有源整流器或开关逆变器的开关操作引入在DC总线中的高频电压，和通常是AC基频的两倍的波纹电压(双AC波纹)。DC总线电容器需要非常大，以便控制波纹电压振幅以在AC-DC转换器中将平稳的DC总线电压提供给DC源，或在DC-AC转换器中将平稳的DC总线电压作为输入提供给开关逆变器。常规单相DC-AC转换器由于需要大DC总线电容以控制波纹电压而遭受非常低的功率密度。宽带隙转换器开关(例如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)器件)的最新发展已经导致中等服务器电源功率密度的改进。在单相转换器中，GaN和SiC器件的高频率操作可相对于开关频率噪声减少无源AC滤波器电感器和电容器的尺寸。然而，缓冲双AC频率能量的DC总线电容器的尺寸要求独立于转换器的开关频率并且在单相转换器中对增加的功率密度仍然是显著的障碍。电解电容器已被采用以提供在DC总线中的波纹电压的衰减，但与其他电容器类型比较，这些电解电容器遭受较高的故障率和更短的使用寿命。仍需要减小的DC总线电容以提高在开关转换器中的功率密度。
技术实现思路
描述的示例包括解决方案以减小DC总线电容和减小DC侧双AC波纹同时显著增加单相功率转换器的功率密度，并且能避免使用易遭受故障的电解电容器，以及减小DC侧双-AC波纹。描述的示例包括开关功率转换器、控制方法和波纹滤波器电路，其中，第一和第二开关被串联连接在第一和第二DC总线节点两端，其中，电感器连接到连接第一和第二开关的开关节点以及存储电容器在电感器与DC总线节点中的一个之间。控制电路操作开关以交替地将波纹能量从DC总线电容器通过电感器传递到存储电容器并且然后将波纹能量从存储电容器通过电感器传递到DC总线电容器，以调节DC总线电路的波纹电压。在一些示例中，控制电路在DC总线电容器与存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的电感器电流的绝对值的滞环控制。附图说明图1是具有波纹滤波器电路的开关功率转换器的示意图，波纹滤波器电路包括两个开关、电感器、存储电容器、钳位二极管和控制电路以控制DC总线波纹电压。图2是示例控制电路的示意图，示例控制电路提供滞环电流控制回路电路和电压控制回路以操作波纹滤波器电路开关以调节图1的转换器中的波纹电压。图3是示出图1的转换器中的各种信号的波形图。图4是图1的转换器中的示例全H-桥开关逆变器或有源整流器电路的示意图。图5是包括波纹滤波器电路和六装置开关逆变器的示例DC-AC开关功率转换器的示意图。具体实施方式在附图中，相似的附图标记自始至终指代相似的元件，并且各种特征不一定按比例绘制。术语“耦合(couple、couples或coupled)”意在包括间接或直接的电连接或机械连接或其组合。例如，如果第一装置耦合到第二设备或与第二设备耦合，则该连接可以是通过直接电连接，或者通过经由一个或更多个中间装置和连接件的间接电连接。开关转换器之前遭受低功率密度，如对于单相DC-AC转换器的约5W/立方英寸，并且许多服务器电源具有仅25W/立方英寸的功率密度。为了改善DC-AC或AC-DC转换器的功率密度，示例实施例提供了用于调节或控制在DC总线电路中的波纹电压的波纹滤波器电路系统和控制方法。描述的示例选择性地以受控的方式存储波纹能量或将波纹能量从DC总线电容器传递到存储电容器并且然后将波纹能量从存储电容器传递到DC总线电容器。某些示例包括波纹滤波器开关控制电路系统，其在DC总线电容器与存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的波纹滤波器电感器电流的滞环控制。示例还提供二极管连接以当存储电容器电压超过DC总线电压时从存储电容器传导电流到DC总线，以及提供第二二极管以当存储电容器电压为负时从存储电容器传导电流。以这种方式，描述的示例减轻或避免波纹滤波器电路的存储电容器上的潜在过电压应力。示例实施例的某些概念提供优于需要复杂的闭环控制和参数估计的其他波纹端口的方法的优点，并且可促进完全使用存储电容器。而且，某些控制电路示例利用也可用于正常的开关转换器的闭环操作的DC总线电压反馈信号以及表示流过波纹滤波器电感器的电流而不需要感测相脚中的相关联的寄生电感增加中的开关电流的信号。某些描述的示例也避免与不连续电流模式或不连续导通模式(DCM)操作相关联的电流应力，该不连续电流模式或不连续导通模式(DCM)操作与其他波纹端口方法相关联。在给定的开关功率转换器的设计中，描述的示例有利地促进DC电容的减小或最小化，这潜在地导致功率密度大的增加。而且，公开的概念允许使用非电解电容器以提供DC总线电容，同时提高功率密度，从而避免了与电解电容器相关联的故障问题。此外，描述的示例划分DC侧双AC波纹调节或控制，以促进提供用于在驱动DC负载(例如，用于AC-DC转换器应用)中使用的平稳的DC总线电压或用于提供平稳的DC输入到开关逆变器以驱动DC-AC转换器应用中的AC负载。图1说明了开关功率转换器100，其在不同的应用中可以是AC-DC转换器或DC-AC转换器。功率转换器100包括具有第一(例如，正)DC总线节点112和第二DC总线节点114的DC总线电路。在一个示例中，第二DC总线节点114是系统的公共连接COM，其可以是接地连接或其他参考电压。DC总线电路还包括连接在第一DC总线节点112与第二DC总线节点114之间的DC总线电容器C2。在一个示例中，DC总线电路被设计为特定范围的DC总线电压，例如约400VDC。示例实施例的概念可与具有任何标称的或预期的DC总线电压电平的开关功率转换器系统相关联使用，并且不限于描述的示例。在一个示例中，DC总线端子112和114被耦合以从DC源130(例如，DC-AC转换器)接收DC输入功率。在其他示例中，DC总线被连接以驱动DC负载130(例如，AC-DC转换器)。DC总线节点112和114还被连接到开关电路140，开关电路140包括开关装置以使DC总线电路与AC负载或AC源150连接。图3和图4说明了可使用的开关电路140的两个示例。在操作中，DC源130或有源整流器140在DC总线节点112与114之间提供DC总线电压。在描述的示例中，相对于第二DC总线节点114，在第一DC总线节点112处，DC总线电压为正。开关功率转换器100还包括连接到DC总线节点112和114的波纹滤波器电路110。在操作中，波纹滤波器电路110使用存储电容器C1、由第一开关S1和第二开关S2形成的半桥开关电路脚以及电感器L1存储来自DC总线电路的波纹能量。开关S1和S2由控制电路120根据一个或更多个反馈信号(如表示DC总线节点112与114之间的DC总线电压的电压传感器信号VDC，以及表示在电感器L1中流动的电流IL1的电感器电流信号)操作。在一个示例中，波纹滤波器电路110包括与电感器L1串联耦合的电流传感器128，以测量电感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波纹滤波器电路，其用于在开关功率转换器中存储来自DC总线电路的波纹能量，所述波纹滤波器电路包括：第一开关，包括连接到第一DC总线节点的第一端子、连接到开关节点的第二端子以及经耦合以接收第一开关控制信号的第一控制端子；第二开关，包括连接到所述开关节点的第一端子、连接到第二DC总线节点的第二端子以及经耦合以接收第二开关控制信号的第二控制端子；电感器，包括连接到所述开关节点的第一端子和连接到第二节点的第二端子；存储电容器，包括连接到所述第二节点的第一端子和连接到所述第一和第二DC总线节点中的一个的第二端子；第一二极管，包括连接到所述第二节点的阳极和连接到所述第一DC总线节点的阴极，以当在所述存储电容器两端的正电压超过所述第一与第二DC总线节点之间的DC总线电压时从所述存储电容器传导电流到所述DC总线电路的DC总线电容器；第二二极管，包括连接到所述第二DC总线节点的阳极和连接到所述第二节点的阴极，以当在所述存储电容器两端的所述电压为负时从所述存储电容器的所述第二端子传导电流；以及控制电路，其将所述第一开关控制信号提供给所述第一控制端子且将所述第二开关控制信号提供给所述第二控制端子以操作所述第一和第二开关，以交替地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器并且然后将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.10 US 62/216,432;2016.09.07 US 15/258,2421.一种波纹滤波器电路，其用于在开关功率转换器中存储来自DC总线电路的波纹能量，所述波纹滤波器电路包括：第一开关，包括连接到第一DC总线节点的第一端子、连接到开关节点的第二端子以及经耦合以接收第一开关控制信号的第一控制端子；第二开关，包括连接到所述开关节点的第一端子、连接到第二DC总线节点的第二端子以及经耦合以接收第二开关控制信号的第二控制端子；电感器，包括连接到所述开关节点的第一端子和连接到第二节点的第二端子；存储电容器，包括连接到所述第二节点的第一端子和连接到所述第一和第二DC总线节点中的一个的第二端子；第一二极管，包括连接到所述第二节点的阳极和连接到所述第一DC总线节点的阴极，以当在所述存储电容器两端的正电压超过所述第一与第二DC总线节点之间的DC总线电压时从所述存储电容器传导电流到所述DC总线电路的DC总线电容器；第二二极管，包括连接到所述第二DC总线节点的阳极和连接到所述第二节点的阴极，以当在所述存储电容器两端的所述电压为负时从所述存储电容器的所述第二端子传导电流；以及控制电路，其将所述第一开关控制信号提供给所述第一控制端子且将所述第二开关控制信号提供给所述第二控制端子以操作所述第一和第二开关，以交替地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器并且然后将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。2.根据权利要求1所述的波纹滤波器电路，其中所述控制电路包括电压控制电路，所述电压控制电路包括滤波器电路以对表示所述DC总线电压的第一信号进行滤波，以提供表示所述DC总线电路的波纹电压的第二信号，所述电压控制电路进一步包括驱动器电路以响应于所述第二信号超过第一阈值，选择性地使能所述第一和第二开关控制信号中的一个，并且响应于所述第二信号降至第二阈值以下，选择性地使能所述第一和第二开关控制信号中的另一个，以调节所述DC总线电路的波纹电压。3.根据权利要求2所述的波纹滤波器电路，其中所述控制电路进一步包括电流控制电路，以根据表示在所述电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地使能所述第一开关控制信号或所述第二开关控制信号，以在所述DC总线电容器与所述存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的所述电感器电流的绝对值的滞环控制。4.根据权利要求3所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述电压控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。5.根据权利要求2所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述电压控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。6.根据权利要求1所述的波纹滤波器电路，其中所述控制电路包括电流控制电路以根据表示在所述电感器中流动的电感器电流的绝对值的信号选择性地使能所述第一开关控制信号或所述第二开关控制信号，以在所述DC总线电容器与所述存储电容器之间的波纹能量传递期间提供在第一值与较高的第二值之间的所述电感器电流的绝对值的滞环控制。7.根据权利要求6所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。8.根据权利要求1所述的波纹滤波器电路，其中通过选择性地提供所述第一和第二开关控制信号，所述控制电路控制所述DC总线电路的所述波纹电压，以响应于所述DC总线电压超过上阈值，选择性地将波纹能量从所述DC总线电容器传递到所述存储电容器，以及响应于所述DC总线电压降至下阈值以下，选择性地将波纹能量从所述存储电容器传递到所述DC总线电容器。9.一种开关功率转换器，其包括：DC总线电路，包括：第一DC总线节点、第二DC总线节点以及连接在所述第一和第二DC总线节点之间的DC总线电容器；开关电路，包括多个开关装置以连接所述DC总线电路与AC负载或AC源；以及波纹滤波器电路，其存储来自所述DC总线电路的波纹能量以调节所述DC总线电路的波纹电压，所述波纹滤波器电路包括：连接在所述第一DC总线节点与开关节点之间的第一开关，连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·谷，M·D·塞曼，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US