多电平谐振DC-DC转换器制造技术

技术编号:21122184 阅读:28 留言:0更新日期:2019-05-16 11:05
谐振DC‑DC转换器使用开关网络利用谐振回路将单个DC电压提高至工作DC电平。然而,高电压DC电源系统,例如用于向X射线源供电的高电压DC电源系统,越来越多地被集成到更小的形状因子中,并且能够利用多个DC‑DC电源来向这样的X射线源供电正变得有吸引力。本发明专利技术提供用于谐振DC‑DC转换器的拓扑、DC电源系统和操作DC‑DC谐振转换器的方法。所提出的拓扑使用开关网络将多个DC电源连接到谐振回路,以实现输入功率的更灵活的提供。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多电平谐振DC-DC转换器
本专利技术总体上涉及谐振DC-DC转换器、包括谐振DC-DC转换器的DC电源系统以及用于操作谐振DC-DC转换器的方法的领域。
技术介绍
例如在X射线应用中使用的高电压生成器通常使用谐振转换器拓扑,这是因为这样的应用的高电压和高功率要求。图1中图示了一般谐振转换器拓扑。DC电源10提供跨通用谐振转换器12的输入端子的DC电压。具有电源开关的第一级14控制从电源10提供的电压。谐振回路16和变压器18提供电压增益和电流隔离。整流器20被提供,其也可以提供电压增益。因此,可以将经转换的DC电压供应到负载22。尽管谐振转换器拓扑是X射线应用中的有效且高效的电源拓扑,但是对进一步小型化硬件并改进电源效率和灵活性的需求意味着能够进一步改进这样的拓扑。US2014/0146572讨论了采用上面讨论的谐振转换器拓扑的类的功率转换器。T.-F.Wu和J.-C.Hung的“APDMControlledSeriesResonantMulti-levelConverterAppliedforX-rayGenerators”(PowerElectronicsSpecialistsConference,1999.PESC99.30thAnnualIEEECharleston,SC,USA27June-1July1999,Pascataway,NJ,USAIEEE,US,第2卷,1999年6月27日,第1177-1182页)是这样的论文,其介绍了对应用于X射线生成器的脉冲密度调制控制的串联谐振多电平转换器的分析、设计和实际考虑。所提出的转换器在100kHz处操作,并且具有30kW的最大输出功率。转换器的谐振回路在略高于其谐振的情况下操作,以在切换过渡处实现零电压切换和低关断损耗,从而实现低损耗。在多电平配置的情况下,施加在开关上的电压仅为输入电压的一半。DE102005036806A1描述了针对并联谐振变换器提供变压器的次级侧的公共串联电路,所述并联谐振变换器可以经由相应的变压器连接或连接到负载电路。因此,不管频率确定部件的分散,能够实现的是,在谐振转换器的桥电路的同步时钟的情况下,所有谐振转换器以近似相同的功率馈送输出侧负载电路。CN102201754B描述了具有恒定切换频率并且基于串联谐振软开关的多电平逆变器的拓扑和恒定频率电压滞后控制。多电平逆变器包括单向多电平逆变器和双向多电平逆变器;开关设备被布置在单向多电平逆变器的一侧;在相同状态下,在不同的谐振电流方向上采用互补导电方式;开关设备被布置在双向多电平逆变器的两侧并且容易控制;电压滞后控制包括直接电压滞后控制和间接电压滞后控制;在直接电压滞后控制中,输出电压被采取作为比较对象;并且在间接滞后控制中,调节器的输出被采取作为比较对象。由于基于多电平逆变器的电压滞后控制的采取,可以实现关于输出电压的快速和稳定的控制;并且电压滞后控制可以应用于高频DC/DC(直流-直流)转换器。
技术实现思路
根据第一方面,提供了一种谐振DC-DC转换器。所述谐振DC-DC转换器包括:-谐振回路(resonanttank),其具有第一输入节点和第二输入节点;-开关网络,其被配置为从第一组外部电压源中选择第一外部电压源并且被配置为从第二组外部电压源中选择第二外部电压源,并且将选定的第一外部电压源和第二外部电压源连接到谐振回路的相应的第一输入节点和第二输入节点。谐振DC-DC转换器还包括整流器,所述整流器被配置为对从谐振回路输出的电压进行整流,并且被配置为将经整流的电压供应到谐振DC-DC转换器的一组输出节点。开关网络包括第一开关臂和第二开关臂。第一开关臂被配置为可切换地将从第一组外部电压源中选择的第一外部电压源施加到谐振回路的第一输入节点,并且第二开关臂被配置为可切换地将从第二组外部电压源中选择的第二外部电压源施加到谐振回路的第二输入节点,从而在谐振回路的第一输入节点和第二输入节点处生成多电平切换电压。因此,提供了一种谐振转换器拓扑,其可以生成DC电压以从多个不同的输入DC源向负载供电。任选地,谐振DC-DC转换器被布置为使得第一开关臂和第二开关臂分别包括第一多个开关元件和第二多个开关元件。开关网络被配置为切换第一多个开关元件和第二多个开关元件中的开关元件,使得在开关网络的任何切换阶段中,第一多个开关元件和第二多个开关元件中的每个多个开关元件中的一个开关元件处于低阻抗状况中,并且第一多个开关元件和第二多个开关元件的其余开关元件处于高阻抗状况中。因此,在任何一个时间处,一个开关臂将来自一组DC源中的一个DC源的DC电压供应到谐振转换器的第一/或第二节点。任选地,所述开关网络包括第一开关元件,所述第一开关元件被配置为将连接到所述第一组外部电压源的第一电源节点连接到所述谐振回路的第一输入节点,并且所述开关网络包括第二开关元件,所述第二开关元件被配置为将连接到所述第一组外部电压源的第二电源节点连接到所述谐振回路的第一输入节点。任选地,所述开关网络包括第三开关元件,所述第三开关元件被配置为将连接到所述第二组外部电压源的第三电源节点连接到所述谐振回路的第二输入节点,并且所述开关网络包括第四开关元件,所述第四开关元件被配置为将连接到所述第二组外部电压源的第四电源节点连接到所述谐振回路的第二输入节点。任选地,谐振回路的第一输入节点和第二输入节点被配置为接收具有大于两个电平的多个电压电平的多电平输入电压,并且其中,针对要被施加在所述谐振回路的每个输入节点处的每个不同的电源电压提供一个开关元件。因此,谐振转换器拓扑可以用于从多组DC电压源生成DC电压。任选地,第一组外部电压源和第二组外部电压源均包括一个电压源。任选地,谐振回路包括与谐振回路的第一输入节点和/或第二输入节点串联连接的DC阻隔电容器。任选地,谐振回路包括变压器。任选地,开关元件是MOSFET。根据第二方面,提供了一种DC电源系统。所述系统包括:-根据前一方面或其实施例的谐振DC-DC转换器;以及-连接到谐振DC-DC转换器的第一组外部电压源和第二组外部电压源,其被配置为向谐振DC-DC转换器供应至少第一外部电源电压和第二外部电源电压。谐振DC-DC转换器被配置为将输出电压供应到负载电源连接。任选地,该组外部电压源中的至少一个电压源被提供为地。任选地,该组外部电压源中的至少两个电压源向谐振DC-DC转换器输入相同的电压值。根据第三方面,提供了一种操作DC-DC谐振转换器的方法,包括:a)在开关网络的第一输入节点处接收从第一组外部电压源中选择的第一电源电压;b)在开关网络的第二输入节点处接收从第二组外部电压源中选择的第二电源电压;c)交替地将第一电源电压和第二电源电压施加到谐振回路的相应的第一输入节点和第二输入节点,从而在谐振回路的第一输入节点和第二输入节点处生成切换电压;d)对从谐振回路输出的电压进行整流;并且e)从谐振回路供应经整流的电压作为输出电压。任选地,步骤c)还包括:c1)配置开关网络的开关元件,从而将第一多个开关元件和第二多个开关元件中的每个多个开关元件中的一个开关元件设置在低阻抗状况中,并且将第一多个开关元件和第二多个开关元件中的其余开关元件设置在高阻抗状况中。在以下描述中,术语“谐振回路”意指具有电感和电本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种谐振DC‑DC转换器(40、53、60),包括:‑谐振回路(42、58、62),其具有第一输入节点(52、55)和第二输入节点(54、57);‑开关网络(44、56、64),其被配置为从具有相对于地电压的电源轨电压的第一组外部电压源中选择第一外部电压源,并且被配置为从具有相对于地电压的电源轨电压的第二组外部电压源中选择第二外部电压源,并且将选定的第一外部电压源和第二外部电压源连接到所述谐振回路的相应的第一输入节点(52、55)和第二输入节点(54、57);以及‑整流器(48),其被配置为对从所述谐振回路输出的电压进行整流,并且被配置为将经整流的电压供应到所述谐振DC‑DC转换器的一组输出节点;其中,所述开关网络(44、56、64)包括第一开关臂(S1)和第二开关臂(S2);并且其中,所述第一开关臂(S1)被配置为能够切换地将从所述第一组外部电压源中选择的所述第一外部电压源施加到所述谐振回路的所述第一输入节点(52、55),并且所述第二开关臂(S2)被配置为能够切换地将从所述第二组外部电压源中选择的所述第二外部电压源施加到所述谐振回路的所述第二输入节点(54、57),从而在所述谐振回路的所述第一输入节点和所述第二输入节点处生成多电平切换电压;其中,所述第一开关臂(S1)和所述第二开关臂(S2)分别包括第一多个开关元件(M1、M2、M5)和第二多个开关元件(M3、M4、M6);其中,所述谐振回路的所述第一输入节点和所述第二输入节点被配置为接收具有大于两个电平的多个电压电平的多电平输入电压,并且其中,针对要被施加在所述谐振回路的每个输入节点处的每个不同的电源电压提供一个开关元件;并且其中,除了所述外部电压源的所述电源轨电压之外,所述多电平切换电压还能够呈现一个或多个中间电压电平。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.01 EP 16182162.41.一种谐振DC-DC转换器(40、53、60),包括:-谐振回路(42、58、62),其具有第一输入节点(52、55)和第二输入节点(54、57);-开关网络(44、56、64),其被配置为从具有相对于地电压的电源轨电压的第一组外部电压源中选择第一外部电压源,并且被配置为从具有相对于地电压的电源轨电压的第二组外部电压源中选择第二外部电压源,并且将选定的第一外部电压源和第二外部电压源连接到所述谐振回路的相应的第一输入节点(52、55)和第二输入节点(54、57);以及-整流器(48),其被配置为对从所述谐振回路输出的电压进行整流,并且被配置为将经整流的电压供应到所述谐振DC-DC转换器的一组输出节点;其中,所述开关网络(44、56、64)包括第一开关臂(S1)和第二开关臂(S2);并且其中,所述第一开关臂(S1)被配置为能够切换地将从所述第一组外部电压源中选择的所述第一外部电压源施加到所述谐振回路的所述第一输入节点(52、55),并且所述第二开关臂(S2)被配置为能够切换地将从所述第二组外部电压源中选择的所述第二外部电压源施加到所述谐振回路的所述第二输入节点(54、57),从而在所述谐振回路的所述第一输入节点和所述第二输入节点处生成多电平切换电压;其中,所述第一开关臂(S1)和所述第二开关臂(S2)分别包括第一多个开关元件(M1、M2、M5)和第二多个开关元件(M3、M4、M6);其中,所述谐振回路的所述第一输入节点和所述第二输入节点被配置为接收具有大于两个电平的多个电压电平的多电平输入电压,并且其中,针对要被施加在所述谐振回路的每个输入节点处的每个不同的电源电压提供一个开关元件;并且其中,除了所述外部电压源的所述电源轨电压之外,所述多电平切换电压还能够呈现一个或多个中间电压电平。2.根据权利要求1所述的谐振DC-DC转换器(40、53、60),其中,所述开关网络(44、56、64)被配置为切换所述第一多个开关元件和所述第二多个开关元件中的开关元件(M1、M2、M3、M4、M5、M6),使得在所述开关网络的任何切换阶段中,所述第一多个开关元件和所述第二多个开关元件中的每个多个开关元件中的一个开关元件处于低阻抗状况中,并且所述第一多个开关元件和所述第二多个开关元件中的其余开关元件处于高阻抗状况中。3.根据权利要求1或2中的一项所述的谐振DC-DC转换器(40、53、60),其中,所述开关网络(44、56、64)包括第一开关元件(M1),所述第一开关元件被配置为将被连接到所述第一组外部电压源的第一电源节点连接到所述谐振回路(48、58、62)的所述第一输入节点(52、55);其中,所述开关网络包括第二开关元件(M2),所述第二开关元件被配置为将被连接到所述第一组外部电压源的第二电源节点连接到所述谐振回路(48、58、62)的所述第一输入节点。4.根据权利要求3所述的谐振DC-DC转换器(40、53、60),其中,所述开关网络(44、56、64)包括第三开关元件(M3),所述第三开关元件被配置为将被连接到所述第二组外部电压源的第三电源节点连接到所述谐振回路(48、58、62)的所述第二输入节点(54、57);其中,所述开关网络包括第四开关元件(M...

【专利技术属性】
技术研发人员:A·加西亚伊托尔莫B·瓦格纳P·吕尔肯斯
申请(专利权)人:皇家飞利浦有限公司
类型:发明
国别省市:荷兰,NL

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