开关受控谐振DC-DC电力转换器制造技术

本发明专利技术涉及谐振DC‑DC电力转换器，其包括：输入侧电路，包括用于接收输入电压或电流的正极和负极输入端子；以及输出侧电路，包括用于将转换器输出电压供应至转换器负载并连接至转换器负载的正极和负极输出端子。谐振DC‑DC电力转换器进一步包括连接在谐振网络的输出端和输出侧电路之间的整流电路。谐振网络被配置为根据第一开关控制信号，通过第一可控开关布置交替地从输入电压或电流充电、以及通过整流电路放电。谐振DC‑DC电力转换器的第二可控开关布置被配置为在第一开关状态下选择谐振网络的第一阻抗特性并且在第二开关状态下选择谐振网络的第二阻抗特性。输出电压或电流控制电路被配置为根据第二可控开关布置的开关状态，通过激活和中断第一开关控制信号，来调节转换器输出电压和/或电流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及谐振DC-DC转换器，其包括：输入侧电路，包括用于接收输入电压或电流的正极和负极输入端子；以及输出侧电路，包括用于提供转换器输出电源、电压或电流的正极和负极的输出端子并连接到转换器负载。谐振DC-DC电力转换器进一步包括整流电路，连接在谐振网络的输出端和输出侧电路之间。谐振网络被配置为根据第一开关控制信号，通过第一可控开关布置交替地从输入电压或电流充电、通过整流电路放电。谐振DC-DC电力转换器的第二可控开关布置被配置为在第一开关状态下选择谐振网络的第一阻抗特性，并且在第二开关状态下选择谐振网络的第二阻抗特性。输出电压或电流控制电路被配置为根据第二可控开关布置的开关状态，通过激活和中断第一开关控制信号，调节转换器输出电压和/或电流。
技术介绍
功率密度和组件成本是隔离和非隔离DC-DC电力转换器的关键性能指标，以便对于给定的输出电源要求或规格提供尽可能最小的物理尺寸和/或最低的成本。谐振电力转换器对于高开关频率尤其有用，诸如1MHz以上的频率，在这样的频率中，标准SMPS拓扑(Buck，Boost等)的开关损耗出于转换效率的原因常常不可接受。高开关频率通常是理想的，因为其结果是像电感器和电容器这样的电力转换器组件的电尺寸和物理尺寸的降低。较小的组件允许DC-DC电力转换器功率密度的增加。在谐振电力转换器中，标准SMPS的输入“斩波器”半导体开关(通常是MOSFET或IGBT)替换为“谐振”半导体开关。谐振半导体开关依靠通常涉及各种电路电容和电感的谐振网络的谐振来形成半导体开关上的电流或电压的波形，使得当发生状态切换时，半导体开关上没有电流或电压。因此，在输入半导体开关的至少一些固有电容或感应中大量排除功率损耗，使得开关频率剧增到VHF范围变得可行，例如增加至30MHz以上。这个概念以这样的名称在本领域已知，像零电压和/或零电流开关(ZVS和/或ZCS)操作。通常使用的，在ZVS和/或ZCS下操作的开关模式电力转换器通常描述为E级、F级或DE级逆变器或电力转换器。但是，以高效的方式调节或控制谐振DC-DC电力转换器的输出电源/电压/电流仍然是很大的挑战。如果谐振电力转换器由“谐振”半导体开关的脉宽调制(PWM)控制，ZVS能力丧失，电源转换效率将显著下降。改变谐振电力转换器的开关频率已经在现有技术电力转换器中应用，以便控制谐振电力转换器的输出电压/电流，但是这个控制方法遭受有限范围的输出电压调整和电源转换损失增加的缺点。通过控制方案控制谐振电力转换器的输出电压/电流已经在现有的谐振电力转换器中应用并且证明是有效的，所述控制方案是可变的开关频率和PWM的结合。不幸的是，这个控制方法或方案导致非常复杂的控制电路。另一个更加简单而高效的控制或调节谐振DC-DC电力转换器的输出电源/电压/电流的方法是以间歇的方式接通和断开整个谐振电力转换器。这个控制方案被称为“突发模式控制”或“开/关控制”。突发模式控制允许谐振电力转换器在固定的开关频率上操作，在这个频率，转换效率在打开或启动时间段很高或最佳。在电力转换器关闭或禁用的时间段，电源损耗基本上排除，因为驱动谐振电力转换器的谐振晶体管缺乏开关活动性。理想的谐振电力转换器的突发模式控制导致转换器上从零到满负载的满负载调整和恒定的效率。现有技术谐振电力转换器的开/关控制已经通过控制在“谐振”半导体开关的控制端子(例如MOSFET栅极端子)的信号电压实现。这个方案在一些应用中可能以令人满意的方式有效，但是为了调整或调节转换器输出电压和电流，需要从转换器的输出/次级侧到“谐振”半导体开关的控制端子的反馈控制信号。这显示出了隔离谐振电力转换器的一个显著问题，因为反馈控制信号必须穿过初级侧电路和次级侧电路之间的电流隔离栅。传统上，为了保持谐振电力转换器的的输入侧电路和输出侧电路之间的电流隔离，已经通过相对缓慢且昂贵的光耦合器或笨重缓慢的变压器将控制信号传输至谐振半导体开关。但是，通过光耦合器和变压器的延时显示出对于谐振电力转换器的打开/关闭控制的严重阻碍，其中，快速的瞬时响应是非常有利的，以便提供转换器输出电压和电流的足够的控制。延时问题对于以在20MHz或高于20MHz开关频率操作的高频谐振电力转换器尤其显著。TSO-SHENG CHAN ET AL：“A Primary Side Control Method for Wireless Energy Transmission System”，IEEE Transactions on Circuits and Systems i：常规论文，IEEE，59卷第8期公开了通过肌肤栅(skin barrier)将电力从初级侧电路传输至次级侧电路的无线能量传输系统(WETS)。该IEEE论文公开了基于谐振E级的DC-DC电力转换器，其中，电感电力变压器通过皮肌肤栅连接输入侧电路和输出侧电路。充电保护电路包括可控次级侧开关(Ms)，该开关选择性将电池(Vb)负载与电力转换器的输出连接和断开。初级侧控制器通过检测输入电流的变化和输入电抗的相位来操作，以便确定次级侧开关(Ms)的状态。基于谐振E级的DC-DC电力转换器的开关频率的推荐范围在83-175kHz之间。鉴于这些与现有技术谐振电力转换器关联的问题和挑战，有利的是，为谐振电力转换器的开/关控制提供新型的控制机构，从而排除跨过电流隔离栅将反馈控制信号从输出电压控制电路传输至谐振半导体开关的控制端子的需要。因为延时和占用与将反馈控制信号通过电线传输至谐振晶体管关联的电路板和负载区域，排除反馈控制信号在非隔离谐振电力转换器中也是有利的。鉴于以上内容，减小隔离和非隔离谐振DC-DC电力转换器的尺寸和降低其组件成本仍然是一个挑战。提供具有快速瞬时响应的输出电压控制机构以便提供即使是高频谐振电力转换器的转换器输出电压的良好调整也仍然是一个挑战。因此，非常期望简化转换器输出电压的控制并且减少用来执行输出电压调整所需的电子组件的数目的谐振电力转换器的新型控制机构。
技术实现思路
本专利技术的一个方面涉及谐振DC-DC转换器，包括：输入侧电路，包括用于接收输入电压或电流的正极和负极输入端子；以及输出侧电路，包括用于向转换器负载提供转换器输出电力、电压或电流并连接到转换器负载的正极和负极输出端子。谐振DC-DC电力转换器进一步包括连接在谐振网络的输出端和输出侧电路之间的整流电路。所述谐振网络被配置为根据第一开关控制信号(first switch control signal)，通过第一可控开关布置交替地从输入电压或电流充电以及通过整流电路放电，其中，开关控制信号的频率为20MHz或高于20MHz，更优选地为30MHz或高于30MHz。谐振DC-DC电力转换器的第二可控开关布置被配置为在第一开关状态(switch state)下选择谐振网络的第一阻抗特性，并且在第二开关状态下选择谐振网络的第二阻抗特性。输出电压或电流控制电路被配置为根据第二可控开关布置的开关状态，通过激活和中断第一开关控制信号，来调节或调整转换器输出电压和/或电流。如在下文中另外详细解释的，谐振网络的第一和第二阻抗特性可呈现不同的谐振频率和/或在所述谐振频率处呈现不同的Q值。当谐振DC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振DC‑DC电力转换器，包括：输入侧电路，包括用于接收输入电压或电流的正极输入端子和负极输入端子，输出侧电路，包括用于将转换器输出电力、电压或电流供应至转换器负载并且连接到所述转换器负载的正极输出端子和负极输出端子，整流电路，连接在谐振网络的输出端与所述输出侧电路之间，其中，所述谐振网络被配置为根据第一开关控制信号，通过第一可控开关布置交替地从所述输入电压或电流充电以及通过所述整流电路放电，其中，所述开关控制信号的频率为20MHz或高于20MHz，更优选地为30MHz或高于30MHz，第二可控开关布置，被配置为在第一开关状态下选择所述谐振网络的第一阻抗特性并且在第二开关状态下选择所述谐振网络的第二阻抗特性，输出电压或电流控制电路，被配置为根据所述第二可控开关布置的开关状态，通过激活和中断所述第一开关控制信号，来调节转换器输出电压和/或电流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.27 EP 14156928.51.一种谐振DC-DC电力转换器，包括：输入侧电路，包括用于接收输入电压或电流的正极输入端子和负极输入端子，输出侧电路，包括用于将转换器输出电力、电压或电流供应至转换器负载并且连接到所述转换器负载的正极输出端子和负极输出端子，整流电路，连接在谐振网络的输出端与所述输出侧电路之间，其中，所述谐振网络被配置为根据第一开关控制信号，通过第一可控开关布置交替地从所述输入电压或电流充电以及通过所述整流电路放电，其中，所述开关控制信号的频率为20MHz或高于20MHz，更优选地为30MHz或高于30MHz，第二可控开关布置，被配置为在第一开关状态下选择所述谐振网络的第一阻抗特性并且在第二开关状态下选择所述谐振网络的第二阻抗特性，输出电压或电流控制电路，被配置为根据所述第二可控开关布置的开关状态，通过激活和中断所述第一开关控制信号，来调节转换器输出电压和/或电流。2.根据权利要求1所述的谐振DC-DC电力转换器，其中，所述第二可控开关布置串联耦接在所述整流电路的输出端与所述正极输出端子或所述负极输出端子之间，以便在导通开关状态下连接所述转换器负载并且在非导通开关状态下断开所述转换器负载。3.根据权利要求1所述的谐振DC-DC电力转换器，其中，所述第二可控开关布置耦接在所述谐振网络的输出端两端，以便在非导通状态下选择所述谐振网络的所述第一阻抗特性并且在导通状态下选择所述谐振网络的所述第二阻抗特性。4.根据权利要求2或3所述的谐振DC-DC电力转换器，其中，所述整流电路包括：所述第二可控开关布置；以及控制电路，被配置为生成与所述第一开关控制信号同步的用于所述第二可控开关布置的控制信号。5.根据权利要求1-4中任一项所述的谐振DC-DC电力转换器，其中，所述输出电压或电流控制电路包括：自振荡反馈环路，耦接在所述第一可控开关布置的输出端子和控制端子之间；其中，所述谐振网络的所述第一阻抗特性被配置为启用所述自振荡反馈环路的振荡；并且所述谐振网络的所述第二阻抗特性被配置为禁用所述自振荡反馈环路的振荡。6.根据前述权利要求中任一项所述的谐振DC-DC电力转换器，其中，所述第一阻抗特...

【专利技术属性】
技术研发人员：米基·P·马德森，米洛万·科瓦切维克，
申请(专利权)人：丹麦技术大学，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK