包括输入控制元件的电压转换器布置及操作电压转换器布置的方法技术

一种电压转换器布置，包括能够基于输入电压生成输出电压的钟控电压转换器。电压转换器布置还包括连接在第一输入电压节点和第二输入电压节点之间的第一输入控制元件，其中第二输入电压节点处于参考电势。第一输入控制元件被设计为允许电流流动，以抵消电压转换器布置的输入电流中的波动。本发明专利技术还描述了对应的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括输入控制元件的电压转换器布置及操作电压转换器布置的方法
根据本专利技术的实施例涉及电压转换器布置。根据本专利技术的另外的实施例涉及一种操作电压转换器布置的方法。根据本专利技术的另外的实施例涉及具有双向并联线性调节器的上-下转换器。
技术介绍
下面，将解释本专利技术的技术问题。开关调节器，通常是脉宽调制转换器(PWM转换器)，被广泛用于DC-DC转换器或AC-DC转换器中，其中将在输出或输入处生成尽可能没有纹波的直流电压或直流电流。这种开关调节器的效率通常非常高，因为浸渐启闭是通过能量存储装置实现的。然而，缺点是这种转换器需要平滑电容和另外的滤波元件，诸如在输入处的双补偿扼流圈和在输出处的滤波电容器或额外的滤波扼流圈，以在很大程度上抑制纹波。平滑电容器体积大，并且通常限制使用寿命，并且在许多情况下，它们也不适合于高于100℃的温度，因此特别地应当避免平滑电容器。避免输入或输出处的电容器的一种方式是使用理想耦接的电感，其最小化开关电感的电流波动。然而，这种措施非常依赖于操作参数，并且通常导致仅在一个操作点或在有限的操作范围内完成输出或输入处的电流平滑，而在其它操作范围内出现电流和电压纹波。另外的缺点是开关调节器的动态(调节速度)有限，因为它至少受到开关调节器操作的开关频率的周期持续时间的限制。已经发现主要的技术问题是通过电流纹波的PWM开关调节器(脉宽调制开关调节器)的电源反馈效应，电流纹波由输入侧平滑电容通过转换器获取，并且因此导致在电源输入处的复杂的电源滤波器(用于高频谐波(干扰电压)的电源滤波器)。据估计，电源滤波器占电源供应的体积和成本的20％到30％之间。这种电源电器的输入级通常是boost转换器(升压转换器)或SEPIC转换器，其执行功率因数校正(PFC)以生成与电源电压同相的正弦输入电流并因此抑制朝向电源的低频谐波。下面将列出针对技术问题的一些先前的解决方案。克服这些缺点的一个先前的解决方案是根据图1的由PWMbuck转换器(降压转换器)和并联线性调节器LR1构成的线性支持buck转换器，buck转换器将输入电压Vin转换为输出电压Vout并向负载RL供应电流，而同时线性调节器LR1从输入向输出供应电流，以及另一线性调节器LR2从buck转换器在负载上的输出得出电流。图2[1]示出这种原理的典型电路。开关调节器由buck拓扑结构构成，buck拓扑结构具有开关Q1、平滑电感L1和二极管形式的无源开关D1。例如，线性调节器LR1和LR2被设计为快速双极晶体管。在图3和图4中，示出线性支持buck转换器的优选功能，以消除所提到的缺点。线性调节器LR1和LR2都由放大器控制，使得它们保持跨负载的输出电压Vout恒定。将输出电压与待被调节作为目标值的参考电压Vref进行比较。如果因为通过L1供应给负载的电流太小而使输出电压低于目标值，则调节器LR1将被激活，并且来自输入电压的电流将被额外地供应给负载。另一方面，如果因为通过L1的电流太高而使输出电压太高从而使跨负载的输出电压达到目标值，则调节器LR2将被激活，且负载上的过电流将被耗散。另外，由线性调节器中的一个在各自情况下(由LR1)供应给负载的电流或(由LR2)从负载中释放的电流被测量并将转发给具有滞后的比较器，以与电流参考值Iy进行比较，并且因此在有源开关Q1处实现buck转换器的脉宽调制。如果参考值Iy被设置为正值，如图3b所示，则仅线性调节器LR1将是起作用的，因为电流总是在正方向上流向负载。如果输入电压和输出电压之间的差小于输出电压本身，则这种操作的模式是有用的，因为线性调节器中的功率耗散应当保持尽可能低。另一方面，如果输出电压小于输入电压和输出电压之间的差，并且因此如果仅LR2是起作用的以耗散负载上的过电流，则线性调节器的功率耗散将被降低到最小值。已经发现的是，减少损耗并实现最大效率的最优的实施方式是取决于输入和输出之间的电压差是小于还是大于输出电压本身，由LR1或者由LR2补偿来自扼流圈L1的buck转换器的所谓的纹波电流。因此，线性调节器中的损耗仅由纹波电流乘以输入与输出之间的最小电压差或输出电压本身形成，使得此布置的总效率几乎与不具有线性调节器辅助的buck转换器的总效率一样高。在图4中可以看出，在动态调节过程中，通过在时间t_start处接通线性调节器和开关调节器，输出电流作为恒定直流电流被立即供应给负载。随着所有动态负载变化或输入电压变化，线性调节器中的一个因此将完全地补偿开关调节器的较慢反应，开关调节器经由时间常数从存储元件L1和负载RL本身被延迟。尽管这种布置的实施方式简单，但是由于输入电压必须总是大于输出电压，所以不能消除缺点中的一个。因此，这种实施方式不适于需要低于输出电压的输入电压的应用，并且也不能消除补偿开关调节器的输入处的电流纹波的缺点。完全消除这些缺点的另外的可能性是未知的，或者仅消除这些缺点的一部分，并且因此限制了应用的领域(例如，具有电容以实现无纹波输出电流[4]的额外的电路)。图11a和图11b中所示的拓扑结构被称为用于boost转换器或SEPIC转换器的常规解决方案，boost转换器或SEPIC转换器作为具有正弦电源电压的电源电器的输入级；高频电流纹波的抑制是经由电源滤波器实现的，这涉及大量的技术经费，并且还引起热损耗，即使热损耗很小。另外，存在所谓的无桥boost转换器[7]、[8]或boost/buck转换器[9]或无桥buck(降压)转换器[10]，它们适合于AC输入Vin_AC并且被用于功率因数校正，因为可以在某种程度上免除为了功率因数校正的目的而连接在boost或SEPIC转换器上游的整流器桥。图11C和11D示出这种拓扑结构。这些拓扑结构具有输入侧平滑电感，然而，即使在以连续操作方式工作时，平滑电感也不能完全抑制电流的开关纹波。因此，必须在Vin_AC电源输入与输入扼流圈之间连接额外的滤波电容器和可能的双电流补偿扼流圈，以抑制高频干扰。鉴于现有技术，需要一种电压转换器概念，提供效率、实施经费和纹波之间的改进的折衷。
技术实现思路
根据本专利技术的实施例提供了一种电压转换器布置。电压转换器布置包括能够(或被配置为)基于输入电压生成输出电压的钟控电压转换器。电压转换器布置还包括连接在第一输入电压节点和第二输入电压节点之间的第一输入调节元件，第二输入电压节点具有参考电势(并且例如可以被视为参考电势节点)。第一输入调节元件被配置为允许电流流动以抵消电压转换器布置的输入电流(例如是流过调节元件的电流与钟控电压转换器的输入电流的总和)中的波动，例如使得电压转换器的输入电流中的波动至少部分地被补偿。对应的电压转换器布置基于这样的考虑，即，通过使得随时间变化并且例如抵消电压转换器布置的输入电流中的波动的电流流动成为可能的第一输入调节元件，可以以有效的方式减少输入纹波(例如，电压转换器布置的输入电流中的波动)。例如，当钟控电压转换器的输入电流小于最大值(例如浮动最大值)(例如钟控电压转换器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，包括：/n钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)，能够基于输入电压(U

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171222 EP 17210522.31.一种电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，包括：
钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)，能够基于输入电压(Uein，Vin；VIN)生成输出电压(Vaus；Vout；VOut)；以及
第一输入调节元件(LR4；520；1050；1250；1350；1550)，连接在第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)与第二输入电压节点(506；1034；1234；1334；1434；1534)之间，第二输入电压节点具有参考电势，
其中第一输入调节元件(LR4)被配置为允许电流流动(Iregel；ILR4)，以抵消电压转换器布置的输入电流(Iein；IIN；Iin)中的波动。


2.如权利要求1所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，电压转换器布置被配置为补偿第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)与第二输入电压节点(506；1034；1234；1334；1434；1534)之间的电压波动。


3.如权利要求1或2所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，其中钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)是非反相电压转换器。


4.如权利要求1至3中任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，电压转换器布置被配置为允许经由第二输入调节元件(LR3；1060；1260；1360；1560)的电流流动(ILR3)，以抵消电压转换器布置的输入电流中的波动；
其中所述电压转换器布置包括第二输入调节元件(LR3)，以及其中第二输入调节元件连接在第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)与第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间，第一输出电压节点具有与参考电势不同的电势，以及
其中第二输入调节元件(LR3)被配置为至少暂时允许在第一输出电压节点和第一输入电压节点之间的电流流动(ILR3)；
其中第二输入调节元件(LR3)被配置为允许在第一输入电压节点和第一输出电压节点之间的电流流动(ILR3)，以抵消电压转换器布置的输入电流中的变化。


5.如权利要求1至4中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，其中电压转换器布置被配置为基于输入电流(Iein；IIN；Iin)提供输出电压(Vaus；Vout；VOut)，其中输出电压的量大于输入电压(Uein，Vin；VIN)的量。


6.如权利要求1至5中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，电压转换器布置被适配使得除了钟控电压转换器的输入电流的电流幅度的最多10％的电流波动之外，钟控电压转换器的输入电流(Itakt)在时间范围内与输入电压(Uein，Vin；VIN)成比例地运行，其中输入电压的频率小于钟控电压转换器的开关频率，
其中电压转换器布置被配置为适配通过第一输入调节元件(LR4；520；1050；1250；1350；1550)的电流流动，使得通过第一输入调节元件(LR4)的电流流动至少暂时地抵消钟控电压转换器的输入电流中的电流波动。


7.如权利要求1至6中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，
电压转换器布置包括第三输入调节元件(LR1；1070；1470；1570)，第三输入调节元件连接在第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)和第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间，第一输出电压节点具有与参考电势不同的电势，以及
其中第三输入调节元件(LR1)被配置为至少暂时地允许在第一输入电压节点和第一输出电压节点之间的电流流动(ILR1)，所述电流流动(ILR1)与通过第二输入调节元件(LR3；1060；1260；1360；1560)的电流流动(ILR3)相反；
其中电压转换器布置包括第二输入调节元件(LR3)，以及其中第二输入调节元件连接在第一输入电压节点和第一输出电压节点之间，
其中电压转换器布置被配置为当电压转换器布置的输入电压(Uein，Vin；VIN)大于电压转换器布置的输出电压(Vaus；Vout；VOut)和输入电压(Uein，Vin；VIN)之间的差时，允许经由第二输入调节元件(LR3)的电流流动(ILR3)，
其中电压转换器布置被配置为当输入电压偏离输出电压至多10％或至多预定的偏差时，允许经由第一输入调节元件(LR4)的电流流动(ILR4)，
其中电压转换器布置被配置为当输入电压(Uein，Vin；VIN)小于输出电压(Vaus；Vout；VOut)和输入电压(Uein，Vin；VIN)之间的差时，允许经由第一输入调节元件(LR4)的电流流动(ILR4)，
其中电压转换器布置被配置为当输入电压(Uein，Vin；VIN)偏离输出电压(Vaus；Vout；VOut)的一半至多10％或至多预定的偏差时，允许经由第二输入调节元件(LR3)和第一输入调节元件(LR4)的电流流动(ILR3)，
其中电压转换器布置被配置为当输入电压(Uein，Vin；VIN)大于输出电压(Vaus；Vout；VOut)时允许电流经由第三输入调节元件(LR1)流动。


8.如权利要求1至7中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，其中钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)是boost转换器和/或SEPIC转换器和/或Cuk转换器和/或变压器耦接的Cuk转换器。


9.如权利要求1至8中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，其中第二输入调节元件(LR3；1060；1260；1360；1560)和/或第三输入调节元件(LR1；1070；1470；1570)和/或第一输入调节元件(LR4；520；1050；1250；1350；1550)通过使用双极晶体管实现。


10.如权利要求1至9中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，
电压转换器布置包括连接在第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)和不同于参考电势节点的第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间的第二输入调节元件(LR3；1060；1260；1360；1560)，
其中钟控电压转换器被配置为在输入电压(Uein，Vin；VIN)的量对应于第一输入电压节点和第一输出电压节点之间的电势差的量并且输入电压的量小于输出电压(Vaus；Vout；VOut)的量的操作状态中，具有脉动输入电流(Itakt)，
其中第一输入调节元件和第二输入调节元件被配置为，在输入电压的量对应于第一输入电压节点和第一输出电压节点之间的电势差的量并且输入电压的量小于输出电压的量的操作状态中，至少部分地补偿钟控电压转换器的输入电流(Itakt)中的波动，其中第一输入调节元件(LR4)在第一输入电压节点和参考电势节点(506；1034；1234；1334；1434；1534)之间生成时间上脉动的电流流动(ILR4)，以及其中第二输入调节元件(LR3)使能在第一输出电压节点和第一输入电压节点之间的时间上脉动的电流流动(ILR3)，
其中通过第二输入调节元件(LR3)的脉动的电流流动(ILR3)和通过第一输入调节元件(LR4)的脉动的电流流动(ILR4)在时间上交替。


11.如权利要求1至10中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，
电压转换器布置包括连接在第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)和不同于参考电势节点(506；1034；1234；1334；1434；1534；1044；1244；1344；1544)的第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间的第二输入调节元件(LR3；1060；1260；1360；1560)；，
其中钟控电压转换器被配置为，在输入电压(Uein，Vin；VIN)的量大于第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)与第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间的电势差的量并且输入电压的量小于输出电压(Vaus；Vout；VOut)的量的操作状态中，具有脉动输入电流，
其中第二输入调节元件(LR3；1060；1260；1360；1560)被配置为，在输入电压的量大于第一输入电压节点和第一输出电压节点之间的电势差的量并且输入电压的量小于输出电压的量的操作状态中，至少部分地补偿钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)的输入电流(Itakt)中的波动，其中第二输入调节元件(LR3)使能在第一输出电压节点和第一输入电压节点之间的时间脉动电流流动(ILR3)。


12.如权利要求1至14中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，
其中钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)被配置为在输入电压(Uein，Vin；VIN)的量对应于输出电压(Vaus；Vout；VOut)的量的操作状态中具有脉动输入电流，
其中第一输入调节元件(LR4；520；1050；1250；1350；1550)被配置为，在输入电压的量对应于输出电压的量的操作状态中，至少部分地补偿钟控电压转换器的输入电流中的波动，其中第一输入调节元件(LR4)生成在第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)与参考电势节点(506；1034；1234；1334；1434；1534；1044；1244；1344；1544)之间的时间上脉动的电流流动(ILR4)。


13.如权利要求1至12中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，
其中钟控电压转换器被配置为，在输入电压(Uein，Vin；VIN)的量小于第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)与第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间的电势差的量并且输入电压的量小于输出电压的量的操作状态中，具有脉动输入电流(Itakt)，
其中第一输入调节元件(LR4；520；1050；1250；1350；1550)被配置为，在输入电压(Uein，Vin；VIN)的量小于第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)与第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间的电势差的量并且输入电压的量小于输出电压的量的操作状态中，至少部分地补偿钟控电压转换器的输入电流(Itakt)中的波动，其中第一输入调节元件(LR4)使能在第一输入电压节点与参考电势节点(506；1034；1234；1334；1434；1534；1044；1244；1344；1544)之间的时间上脉动的电流流动(ILR4)。


14.如权利要求1至13中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，
电压转换器布置包括第三输入调节元件(LR1；1070；1470；1570)，第三输入调节元件连接在第一输入电压节点(504；1032；1232；1332；1432；1532)和第一输出电压节点(1042；1242；1342；1542)之间，
其中钟控电压转换器被配置为在输入电压(Uein，Vin；VIN)的量大于输出电压的量的操作状态中具有脉动输入电流(Itakt)，
其中第三输入调节元件(LR1)被配置为，在输入电压的量大于输出电压的量的操作状态中，至少部分地补偿钟控电压转换器的输入电流中的波动，其中第三输入调节元件(LR1)使能在所述第一输入电压节点和第一输出电压节点之间的时间上脉动的电流流动(ILR1)。


15.如权利要求1至14中的任一项所述的电压转换器布置(500；1000；1200；1300；1380；1390；1395；1400；1500；1580；1590)，
其中电压转换器布置被配置为接收输入电流(Iein；IIN；Iin)，使得输入电流的时间曲线至少在时间范围内与输入电压(Uein，Vin；VIN)近似地成比例，其中输入电压的频率小于钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)的开关频率，以及
其中电压转换器布置被配置为使得电压转换器布置的输入电流(Iein；IIN；Iin)在第一时间范围内的脉动特性在量上大于钟控电压转换器的输入电流(Itakt)，第一时间范围与正弦半波的零值相邻并且在钟控电压转换器(510；1030；1330；1330’；1330”；1330”’；1530；1530’)的输入电流(Itakt)的多个周期上延伸。


16.如权利要求1至15中的任...

【专利技术属性】
技术研发人员：马蒂亚斯·拉德克，里卡多·努内斯·马切桑，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国;DE