功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器制造技术

公开了一种功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器。一种具有第一操作模式和第二操作模式的双向DC-DC转换器，包括具有正端子和负端子并将所述转换器连接至第一电路的第一端子对，具有正端子和负端子并将所述转换器连接至第二电路的第二端子对，用于电能的暂时性累积的累积元件；以及连接至所述第一端子对、所述第二端子对和所述累积元件的开关电路。在所述双向DC-DC转换器的第一操作模式下，电能通过所述累积元件从所述第一电路转移到所述第二电路，并且在所述DC-DC转换器的第二操作模式下，电能通过所述累积元件从所述第二电路转移到所述第一电路。

【技术实现步骤摘要】
功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器本申请是申请日为2008年6月13日、申请号为200880019913.0(PCT/US2008/066968)、名称为“功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器”的专利技术专利申请的分案申请。相关申请的交叉引用本申请要求以下美国临时申请的权益：2007年6月15日递交的名称为“BidirectionalDCtoDCConverterforPowerStorageControlinaPowerScavengingApplication(功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器)”的No.60/944,451(代理所记录no.06005/561855P)和2007年6月15日递交的名称为“InputRegulatedDCtoDCConverterforPowerScavenging(用于功率收集的输入调节式DC-DC转换器)”的No.60/944,454(代理所记录no.06005/561853P)，特此通过引用将这两个申请的公开内容合并于此。
本专利技术总体涉及电压和功率转换电路，更具体地涉及用于在主电路与次级电路之间转移能量的方法和装置。
技术介绍
在多种应用中使用DC-DC转换器产生调节电压。以增压转换器或“升压”转换器为人所知的某些转换器在输出端子处生成比输入电压高的电压。反之，减压转换器或“降压”转换器在输出端子处生成较低的电压。本领域已知的DC-DC转换器通常通过专用开关电路对流经电感器的电流的时序和方向进行控制而操作。具体来说，DC-DC转换器响应于由转换器输出端子处的反馈电路所检测到的电压而循环地改变电感器累积电能然后释放电能的时间段。由于典型的DC-DC转换器仅根据输出电压而操作，因此转换器按照需要从输入端子提取尽量多的功率，以便在输出端子处产生调节电压。例如，为了给负载提供恒定的电压，典型的DC-DC转换器会根据负载的需求而从输入端子汲取较多或较少的功率。DC-DC转换器的一种已知应用是在功率收集设备的电路中。在诸多工业和家庭应用中，由电源和一个以上用电设备组成的电流环路包括用于将电流环路的一部分功率导向次级负载的附加电路。从主电路获得功率的过程经常被称作“收集(scavenging)”，因此执行该操作所需的电路被称作“功率收集设备”。通常，收集设备以主电路的过量的或未使用的电能为目标，以便给较小的负载供电。重要的是，收集设备的应用不限于电路。例如，功率可能来自于诸如太阳辐射或物理振动之类的源。简言之，各种形式的电磁能或机械能都可以被收集，并作为电能被存储下来。例如，收集设备可以用在过程控制工业中广泛使用的4－20mA电流环路中，以在现场设备与分布式控制系统即DCS之间传播模拟信号。一般而言，诸如阀、阀定位器或开关之类的现场设备通过检测4－20mA范围内的DC电流来处理控制信号。类似地，用于测量过程参数的诸如压力传感器、流量传感器或温度传感器之类的现场设备生成4－20mA范围内的信号，并通过专用线路对将这些信号传播到DCS。在某些情况下，期望使用4－20mA环路的功率中的一些功率给诸如无线收发机之类的附加设备供电。同时，期望对用于从4－20mA环路中汲取功率的收集电路两端的电压降进行限制，从而使收集电路不对电流环路有所干扰，更具体地说，不对DCS与现场设备之间的信号传输产生干扰。由于可变的电流环路能够供应的能量可能多于对由收集器供电的负载供电所需的能量，因此还期望获得过量功率中的一些功率，并将该过量的功率存储在储存设备中。另外，还期望具有在电流环路供应的能量少于操作由收集器供电的负载所需的能量时，从功率储存器取回功率的装置。换句话说，期望升高供给功率储存器的电压，并降低从电源供给由收集器供电的负载的电压。而且，由于功率储存器端子之间的电压和功率负载端子之间电压都随时间而变化，因此需要DC-DC转换器。本领域技术人员会进一步理解，在某些应用中该关系是相反的，电压会在功率储存器与由收集器供电的负载之间以相反的方向升高或降低。为了通过使用可用技术来实现该目标，相应的电路需要至少两个DC-DC转换器。具体而言，需要至少一个降压(减压)转换器和至少一个升压(增压)转换器，以适当地调节在具有可变能量需求和可用性的两个电路之间的功率转移。很明显，使用多个DC-DC转换器增加了电路的复杂度、成本和占用的空间。而且，只要在电路中存在剩余功率，传统的DC-DC转换器就输出恒定的电压，因而浪费了电能。因此，现有技术中已知的转换器无法提供获得输入端处的可用附加功率的有效装置。例如，消耗相对低功率的收集器负载会使收集设备从输入端子处汲取该必需的功率量，而不管电流环路的实际能力。与输出端子处的功率消耗会过量并且会扰乱电流环路一样，消耗过少的功率也是不期望的，因为该方法无法有效地利用电流环路。而且，也会存在供应电流大幅下降，因此收集器负载无法接收到足够的功率的情况。
技术实现思路
一种用于在具有有限功率的电路中收集、储存并释放能量的双向DC-DC转换器，有效地向储存设备转移电路中可用的过量电能，并且在电路中需要更多的功率时，有效地从储存设备中汲取电能并将功率提供给电路。一方面，该电路包括电源和功率负载。在某些实施例中，该转换器包括将转换器连接至电路的输入端子对、将转换器连接至储存设备的输出端子对、用于储存电流的电感器或者能够累积电能的另一元件、用于控制电流的方向和转换器中的功率累积的两个电开关以及用于操作这两个开关以改变电感器电流的占空比的控制电路。在这一点上，双向DC-DC转换器向对应的电路提供PWM(脉宽调制)脉冲。另一方面，双向DC-DC转换器通过最大化可用功率的使用来提高电路的效率。另一方面，双向转换器能够以快于从电路中收集功率的速率将储存的功率导向电路。在一个实施例中，双向DC-DC转换器从生成PWM脉冲的专用模拟电路接收控制信号。在另一实施例中，双向DC-DC转换器由连接至通过双向DC-DC转换器供电的设备的微控制器来控制。进一步地，一种在电流环路中收集功率的方法包括：与电源和功耗设备串联插入收集设备，调节收集设备的输入端子之间的电压降，以及在输出端子处提供根据受控电压降和环路电流可获得的功率。具体来说，跨收集设备的电压降借助于生成输入电压信号的反馈电路和使用输入电压信号控制电感器中充电和放电的时序的调节器电路来进行调节。调节器电路可以是传统的DC-DC转换器，或者是具有诸如电容器之类的若干分散元件的电路。在某些实施例中，电源是可变电流源或电压源。在一实施例中，收集设备是使用反馈电路调节输入电压的DC-DC转换器。在一个实施例中，输入调节式DC-DC转换器在输入端子之间维持基本恒定的电压。在另一实施例中，输入调节式DC-DC转换器根据输入电流调节输入端子之间的电压，使得在环路电流低时收集更多可用的功率。在另一实施例中，输入调节式DC-DC转换器在输出端处进一步包括隔离变压器，以便防止在故障状况下能量被转移回输入端子。在这一点上，隔离变压器的使用改善了收集设备的本质安全性。在另一实施例中，输入调节式DC-DC转换器进一步提供线路滤波功能，以便增加电流环路中的阻抗，从而允许跨环路的调制。附图说明图1是使用双向DC-DC转换器的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有第一操作模式和第二操作模式的双向DC‑DC转换器，包括：第一端子对，用于将所述转换器连接至第一电路，该第一端子对包括正端子和负端子，其中所述第一电路向次级功率负载供应从包括分布式控制系统和现场设备的环路中获得的功率；第二端子对，用于将所述转换器连接至第二电路，该第二端子对包括正端子和负端子；累积元件，用于暂时累积电能；和开关电路，连接至所述第一端子对、所述第二端子对和所述累积元件，其中在所述第一操作模式中，电能通过所述累积元件从所述第一电路被转移到所述第二电路，其中所述第一操作模式与所述第一电路中可用于向所述次级功率负载供应的过量功率相关并且使所述环路中的信号传输不被中断，并且在所述第二操作模式中，电能通过所述累积元件从所述第二电路被转移到所述第一电路，其中所述第二操作模式与所述第一电路中可用于向所述次级功率负载供应的功率缺少相关。

【技术特征摘要】
2007.06.15 US 60/944,4511.一种具有第一操作模式和第二操作模式的双向DC-DC转换器，包括：第一端子对，用于将所述转换器连接至第一电路，该第一端子对包括正端子和负端子，其中所述第一电路向次级功率负载供应从包括分布式控制系统和现场设备的环路中获得的功率；第二端子对，用于将所述转换器连接至第二电路，该第二端子对包括正端子和负端子；累积元件，用于暂时累积电能；和开关电路，连接至所述第一端子对、所述第二端子对和所述累积元件，其中在所述第一操作模式中，电能通过所述累积元件从所述第一电路被转移到所述第二电路，其中所述第一操作模式与所述第一电路中可用于向所述次级功率负载供应的过量功率相关并且使所述环路中的信号传输不被中断，并且在所述第二操作模式中，电能通过所述累积元件从所述第二电路被转移到所述第一电路，其中所述第二操作模式与所述第一电路中可用于向所述次级功率负载供应的功率缺少相关。2.如权利要求1所述的转换器，其中所述累积元件包括电感器。3.如权利要求1所述的转换器，其中所述开关电路包括：具有第一操作状态和第二操作状态的第一开关元件；其中在所述第一开关元件的第一操作状态下，所述第一开关元件将所述第一端子对的正端子电连接至所述累积元件的第一端子，以使电能在所述累积元件中累积；并且在所述第一开关元件的第二操作状态下，所述第一开关元件将所述第一端子对的正端子与所述累积元件电断开，以使电能从所述累积元件被转移；其中在所述第一开关元件的第二操作状态下，所述累积元件的第二端子电连接至所述第二端子对的正端子，使得所述电能通过所述第二端子对的正端子被转移。4.如权利要求3所述的转换器，其中所述第一开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。5.如权利要求3所述的转换器，其中所述开关电路进一步包括：具有第一操作状态和第二操作状态的第二开关元件，其中在所述第二开关元件的第一操作状态下，所述第二开关元件将所述累积元件的第一端子电连接至所述第一端子对的负端子，以使电能在所述累积元件中累积；并且在所述第二开关元件的第二操作状态下，所述第二开关元件将所述累积元件的第一端子电连接至所述第一端子对的正端子，以使电能从所述累积元件转移到所述第一端子对的正端子。6.如权利要求3所述的转换器，其中所述开关电路进一步包括：第一二极管，允许电流仅在从所述累积元件的第一端子到所述第一端子对的正端子的方向上流动；以及第二二极管，允许电流仅在从所述第一端子对的负端子到所述累积元件的第一端子的方向上流动。7.如权利要求3所述的转换器，其中所述开关电路进一步包括：第一电容器，电连接在所述第一端子对之间；和第二电容器，电连接在所述第二端子对之间。8.如权利要求1所述的转换器，其中所述第一端子对与第一电压降相关，所述第二端子对与第二电压降相关，并且其中所述第一电压降在所述转换器的第一操作模式中大于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·G·斯尔伯格，
申请(专利权)人：费希尔控制产品国际有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US