通过宽电压波动的高效DC到DC转换的装置和方法制造方法及图纸

一种DC到DC转换器，包括耦合到一个共用磁芯的两个或更多个电感以及两个或更多个有源开关，其中至少一个有源开关在输入电流路径中。控制器操作该两个或更多个有源开关，从而使得DC输入通过该两个或更多个电感中的一个或多个被驱动，以实现功率转换操作。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过宽电压波动的高效DC到DC转换的装置和方法
本专利技术一般涉及功率转换。更具体的，本专利技术涉及一种可通过宽电压波动操作的高效DC到DC转换器。
技术介绍
对于具有提高的转换效率和降低的尺寸的DC到DC转换器有不断增长的需求。设计的技术多样化，其中一些技术降低电压或电流，有些技术增加电压或电流，还有一些技术交替增加或降低电压或电流。在一个典型的DC到DC转换器中，一个或多个开关连接到输入功率，电容或电感在一个相位中储存过多的能量，并且在另一个相位中把储存的能量被释放到输出节点。每种技术都具有其自身的优点和缺点。在元件的尺寸，整体效率和输入到输出电压比的最优区域之间有多方权衡。例如，增加开关频率经常导致元件尺寸的减小，但由于寄生电容和开关渡越损失伴随着开关损耗的增加。结果整体的效率降低。AC到DC转换的一个常见方法是使用桥式整流器将AC输入转换为DC，然后使用DC到DC开关转换器以产生适当的DC输出。过去试图同时满足提高转换效率和减小转换器尺寸的目标由整体效率问题来控制。在较宽输入到输出电压比的效率是特别重要的，如同在AC到DC转换中所经历的一样。一个AC电源在每个循环通常跨越宽范围的瞬时电压，阻碍了针对具体的输入到输出电压比优化DC到DC转换器的任何努力。克服在输入电压中的大的变化的不利影响的一个方法是在储能电容中储存电荷，并在AC输入电压低于某一电平时使用该储存的电荷，这被称作“转变时段”。该方法有两个缺点。第一，需要一个相对大的电容来存储足够通过转变时段的能量。第二，在转变时段期间从输入汲取小电流或者没有电流，这导致来自输入AC线的电流的汲取发生在一个较短时间帧上，通常在峰值输入电压附近。这最终导致低效的功率传输和较低的功率因数。开关转换器可以基于使用的有源功率开关的数目被分为三种主要的转换器类型。两开关转换器类型包括降压，升压和反激式转换器。三开关转换器类型包括前馈式转换器。四开关转换器类型包括半桥式和推挽开关DC到DC转换器。开关可以是有源或无源的。有源开关通过调制栅极而被控制。无源开关(例如二极管)不需要单独的控制。在前述观点中，希望提供一种改进的功率转换技术。特别是，在与宽电压波动相关地使用的转换器中，希望提供降低的开关损耗和减小的元件尺寸。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例包括DC到DC转换器，其具有耦合到一个共用磁芯的两个或多个电感以及两个或多个有源开关，其中至少一个有源开关在输入电流路径中。控制器操作该两个或多个有源开关，从而使得DC输入通过该两个或多个电感中的一个或多个被驱动以实现功率转换操作。本专利技术的另一实施例包括DC到DC转换器，其具有耦合到一个共用磁芯的两个或多个电感以及两个到四个有源开关，其中至少一个有源开关在输入电流路径中。控制器操作该两个到四个有源开关，从而使得DC输入通过该两个或多个电感中的一个或多个被驱动以交替实现降压，升压和反激功率转换操作。本专利技术的一个实施例包括一种转换DC功率的方法。一个DC输入被接收。控制信号被施加到有源开关上，其中控制信号具有在25％到100％之间的变化的占空因数。响应于控制信号，DC输入被驱动，通过在共用磁芯上的两个或多个电感中的至少一个以交替实现降压，升压和反激功率转换操作。披露的DC到DC转换器具有来自降低的开关损耗的极高的效率，使得允许非常高的开关频率和减小的元件尺寸和重量。此外，该转换器具有小的磁性元件。进一步的，该转换器提供高输出DC负载电流能力。披露的技术减小了开关占空因数的变动，以得到提高的效率。占空因数变化被用来实现电压或电流比的一个范围。因为占空因数改变以适应不同的传输比，由于寄生电容和／或开关渡越损失的影响，开关损耗将会增加。本专利技术利用一个或多个开关作为开关模式转换器。这减少了对开关占空因数的显著改变的需求，而仍达到了大电压或电流传输比。附图说明连同下面详细描述结合附图，本专利技术被更充分地理解，其中：图1a-1j示出了本专利技术的一个三开关实施方式的各种实施例。图2a-2d示出了使用无源开关的三开关实施方式的各种实施例。图3a-3d示出了本专利技术的一个四开关实施方式的各种实施例。图4a-4e示出了使用无源开关的四开关实施方式的各种实施例。图5a-5b示出了具有一个隔离输出的本专利技术的实施例。图6a-6b示出了在一个链式结构中的本专利技术的披露的电路。图7a-7b示出了根据本专利技术实施例配置的闪烁减少电路。图8a示出了结合本专利技术的三开关实施例的AC到DC转换器。图8b示出了结合本专利技术的四开关实施例的AC到DC转换器。相同的附图标记指代附图的各自图示中的相应部分。具体实施方式图1a-1j示出了本专利技术的三开关实施方式的各种实施例。可以看出开关A总是在输入路径中，并且开关C总是在输出路径中。取决于开关B和／或开关C的状态，电感可以仅通过L1储能，或者通过L1和L2串联储能。在图1a中，开关A可以是主切换开关，以完成降低(降压)转换。开关B的状态与开关A的状态相反。开关C一直导通。例如，当开关A闭合时开关B打开，因此每当输入电压高于输出电压时，正向电流通过L1，开关A，开关C和L2到达输出。打开开关A和闭合开关B断开输入。从而电感L2中储存的能量通过开关C和开关B释放到输出。这一结构与其中电感能量的储存和释放路径使用了L1和L2二者的降压转换器形成对比。在图1a中一个典型例子中，L1=L2=Lx，在电感器磁芯内能量储存期间，降压转换器的有效电感大约为4＊Lx。在图1a中，在能量释放路径中仅有L2，因此有效电感等于Lx。在图1a的另一可操作的实施例中，开关B接通，并且开关C被配置为与开关A的状态相反。因此，当开关A导通时能量被储存在电感L1中，不管输出电压。当开关A关断，电感L2的能量通过开关C和开关B释放。这样的结构表现为反激转换器，其中输入和输出共享一条线路。例如，当L1=L2=Lx，能量储存和释放路径看成Lx，代表1：1比例的反激转换。在这种模式下选择L1和L2的不同值并改变占空因数可以产生不同的有效电流或电压传输比。在第三结构中，图1a的电路模拟了的升压(升高)操作模式。在此，开关A一直导通，并且开关C被配置为开关B的相反状态。接通开关B在电感L1中储存能量。关断开关B通过L1，L2，开关A和开关C释放电感能量。其中L1=L2=Lx，电感能量释放路径等于4＊Lx。开关A，B或C可以同相工作，异相工作，具有重叠的工作循环，或者具有不重叠的工作循环，或者甚至随机工作。预先选择的L1和L2的值能够产生非常宽的有效电流或电压传输比。这仅仅通过一个物理电感(L1和L2在同一磁芯上)和至少三个开关就可以实现。电容可被可选地加到系统中的不同节点以减少输入和输出纹波电流和/或电压。通过在一个非常宽的输入电压范围最小化工作循环的变化，开关损耗被维持在最小值。例如，当输入电压显著地低于输出电压，可选择升压模式。当输入到输出的比值接近L1与L2的比值，选择反激等效行为。当输入超过高于输出电压的一定阈值时，选择降压模式。再次考虑L1=L2=Lx的例子。还假设理想的输出电压(Vo)为峰值输入电压(Vi)的1／3，Vo=Vi峰值/3。当配置为降压操作模式时，在峰值输入电压期间开关A面对4＊Lx的电感值。由于两个线圈在同一磁芯上，电感饱和电流(Isat)为当仅有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种DC到DC转换器，包括：两个或更多个电感，耦合到一个共用磁芯；两个或更多个有源开关，其中至少一个有源开关在输入电流路径中；以及控制器，操作所述两个或更多个有源开关，从而使得DC输入通过所述两个或更多个电感中的一个或多个被驱动，以实现功率转换操作。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.22 US 13/069,2511.一种DC到DC转换器，包括：两个或更多个电感，耦合到一个共用磁芯；两个或更多个有源开关，其中至少一个有源开关在输入电流路径中；以及控制器，操作所述两个或更多个有源开关，从而使得DC输入通过所述两个或更多个电感中的一个或多个被驱动，使得所述共用磁芯上的有效的电感的总数基于两个或更多个有源开关的状态的改变而改变，以基于传输比和模式变化来实现功率转换操作；其中所述DC到DC转换器具有输入节点和输出节点，把所述DC输入从所述输入节点沿着没有电容的路径驱动到所述输出节点。2.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，其中功率转换操作为升压操作。3.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，其中功率转换操作为降压操作。4.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，其中功率转换操作为反激操作。5.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，进一步包括无源开关。6.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，其中在输入电流路径中的所述有源开关监控输入负载特性。7.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，其中至少一个有源开关监控输出负载特性。8.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，其中在输入电流路径中的所述有源开关比其余的有源开关大。9.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，进一步包括位于所述输出节点的陶瓷电容。10.根据权利要求1所述的DC到DC转换器，其中控制器仅采用25％或更大的占空因数。11.一种DC到DC转换器，包括：两个或更多个电感，耦合到一个共用磁芯；...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·卡萨彦，
申请(专利权)人：莱迪尔利恩技术股份有限公司，
类型：
国别省市：