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CN104956579A - 包括两个输出端的斩波电能量转换器 - Google Patents

包括两个输出端的斩波电能量转换器 Download PDF

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CN104956579A
CN104956579A CN201480005759.7A CN201480005759A CN104956579A CN 104956579 A CN104956579 A CN 104956579A CN 201480005759 A CN201480005759 A CN 201480005759A CN 104956579 A CN104956579 A CN 104956579A
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Abstract

本发明涉及一种斩波电流输入电能量转换器，该转换器具有至少一个转换模块(K1，K2)，转换模块(K1，K2)生成至少一个第一输出信号(Vout1)和第二输出信号(Vout2)并且具有：变压器(10)、控制向所述变压器(10)传输电能的输入开关级(20)、和至少一个第一输出级(30)和第二输出级(40)，所述第一输出级(30)生成第一输出信号(Vout1)，所述第二输出级(40)生成第二输出信号(Vout2)；反映到变压器(10)的初级绕组(11)的第一输出信号(Vout1)的电平大于反映到变压器(10)的初级绕组(11)的第二输出信号(Vout2)的电平。

Description

包括两个输出端的斩波电能量转换器
技术领域
本发明涉及斩波电流输入电能量转换器。
更个体地，本发明涉及具有至少两个独立电气输出端的电能量转换器。
背景技术
图1表示了普遍使用的电能量转换器的结构。
该能量转换器尤其具有被连接到转换器输入端的功率电感1、整流级2、能够向第一变压器4通过或不通过能量的开关级3、以及第二整流级5，在第二整流级5处取出第一输出端(输出1)Output1。
另外，根据第一输出端Output1生成第二输出端(输出2)Output2。为了生成该第二输出端Output2，将第二开关级6安装在第二变压器7的初级，和第三整流级8被安装在第二变压器7的次级输出端，第二输出端Output2位于第三整流级的输出端。
开关级根据在输出端Output1，Output2位置处运行的斩波频率操作。
这种电能量转换器结构繁琐，其体积和重量较大。
文件“Design Review：140W，Multiple Output High Density DC/DCConverter(设计评述：140W，多输出高密度DC/DC转换器)”提供的能量转换器的体积被减小。所提供的解决方式包含在控制变压器的输入步骤中增大开关装置的斩波频率。
然而，斩波频率增大导致输入级元件的减少且不改变保证输出电绝缘的输出级的体积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够进一步减少输入级和输出级上的体积的斩波电能量转换器结构。
为此，本发明涉及电流输入斩波电能量转换器，所述电能量转换器具有至少一个转换模块，所述转换模块生成至少一个第一输出信号和第二输出信号并且包括：
-变压器，具有至少一个初级绕组以及至少一个第一次级绕组和第二次级绕组，
-输入开关级，具有控制向所述变压器传输电能的输入开关装置，和
-至少一个第一输出级和第二输出级，
-所述第一输出级生成第一输出信号且具有第一整流装置，和
-所述第二输出级生成第二输出信号且具有第二整流装置和控制所述第二整流装置的输出开关装置；
反映到变压器的所述至少一个初级绕组的第一输出信号的电平大于反映到变压器的至少一个初级绕组的第二输出信号的电平。
这样的转换器结构能够增大第一和第二输出级的输入信号和输出信号的斩波频率，因此比传统转换器结构包含更少能量存储无源元件和更少变压器。因此，其体积和重量小于传统电能轮换器结构的体积和重量。
另外，根据本发明的转换器结构的成本还小于传统结构的成本。
而且，第一输出信号对应于第一整流装置整流的变压器的第一次级绕组的输出信号，和第二输出信号对应于第二整流装置整流的变压器的第二次级绕组的输出信号。
根据另一特征，所述转换器具有至少第一转换模块和第二转换模块，各个转换模块的输入开关级彼此之间以及与电流源串联连接，各个转换模块生成相同数量的输出信号，转换模块的所述第一输出信号之间相连，和转换模块的所述第二输出信号之间相连。
而且，转换模块的第一输出信号形成转换器的第一输出信号，和转换模块的第二输出信号形成转换器的第二输出信号。
由于存在至少两个转换模块，输出信号频率加倍并且电子元件上的有效电流在输入信号和输出信号上都减小。
另外，转换模块的数量增加得越多，输出信号的频率越高，以及电子元件上的有效电流越小。
例如，电流源具有功率电感器。
根据一特征，控制所述第一转换模块的输入开关装置和输出开关装置的控制信号相对于控制所述第二转换模块的输入开关装置和输出开关装置的控制信号呈现预设的相移。
因此，通过转换模块的输出信号组成转换器的各个输出信号，转换模块的输出信号是在相对于另一转换模块的输出信号具有偏移的情况下产生的。
例如，所述相移呈现的值基本等于360°除以转换器的转换模块的数量。
有利地，输入开关级另外包括具有无源元件的开关辅助电路。
在另一示例中，输入开关级还包括具有受控功率晶体管的开关辅助电路。
这样的电路能够减少相连的开关装置的开关损耗，进而提高电能量转换器的效率。
根据一特征，转换器具有至少一个第一电能存储电容器和第二电能存储电容器，分别被安装在至少一个转换模块的所述第一整流装置和所述第二整流装置的输出端。
根据另一特征，各个输出级分别具有被分别与整流装置相串联安装的电感器。
附图说明
本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述中变清楚。
在以举例而非限制性方式给出的附图中：
-图1示出了现有技术的能量转换器结构；
-图2示出了根据本发明实施方式的能量转换器结构；以及
-图3示出了图2的电能量转换器中的电信号曲线。
具体实施方式
将参照图2描述根据本发明的电能量转换器。
图2所示的电能量转换器根据其输入端的信号Vin生成两个输出信号Vout1，Vout2。此处，输出信号Vout1、Vout2为电压。
可以理解，根据本发明的能量转换器可生成更多数量的输出信号。
所描述的示例具有两个转换模块K1、K2。在本例中，转换模块K1、K2是相同的。
各个转换模块K1、K2具有的变压器10具有初级绕组11、第一次级绕组12和第二次级绕组13。变压器10产生第一变压器输出信号V1和第二变压器输出信号V2，第一变压器输出信号V1来自第一次级绕组12以及第二变压器输出信号V2来自第二次级绕组13。
可以理解，变压器10的绕组数量可以是不同的。
因此，在另一实施方式中，次级绕组数大于2。因此，变压器(和转换器)输出信号的数量大于2并等于次级绕组数。
例如，在一种实施方式中，变压器具有一个初次绕组和四个次级绕组。电能量转换器还具有四个输出信号。
在所描述的示例中，各个转换模块K1、K2另外具有输入开关级20，输入开关级20具有输入开关装置21。
各个转换模块K1、K2的输入开关级20被彼此串联连接且具有电流源I0。
用受控闭合和开启的功率断路器装置实施输入开关装置21，例如IGBT(英文为“Insulated Gate Bipolar Transistor”，绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(英文为“Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)、或GTO(英文为“Gate Turn-Off Thyristor”，栅极关断晶闸管)。
可以理解，另外类型的元件可使用作为受控闭合和开启的功率断路器装置。
输入开关装置21适于控制向变压器10传输电能。因此，输入开关装置21根据斩波频率和输入占空比运行，斩波频率和占空比呈现的值是第一变压器输出信号V1和第二变压输出信号V2的期望值的函数。
另外，各个转换模块K1、K2具有第一输出级30和第二输出级40。
第一输出级30被安装在变压器10的第一次级绕组12的输出端且具有适于整流第一变压器输出信号V1的整流装置31。该第一输出级30生成第一输出信号Vout1。
第二输出级40被安装在变压器10的第二次级绕组13的输出端且具有适于整流第二变压器输出信号V2的第二整流装置41，以及适于控制第二整流装置41的输出开关装置42。
第二输出级40生成第二输出信号Vout2。
当流经受控闭合和开启的功率断路器装置的电流基本为零时，用该功率断路器装置实施输出开关装置42。
这样的功率断路器例如可为SCR(英文为“Silicon Controlled Rectifier”，可控硅整流器)、或作为晶闸管的受控晶体管，例如“IGBT”或“MOFSET”。
可以理解，当流经受控闭合和开启的功率断路器装置的电流基本为零时，其它类型的元件可被用作功率断路器。
输出开关装置42根据输出斩波频率来操作，该频率呈现的值是第二输出信号Vout2的期望值的函数。
在该示例中，第一整流装置31和第二整流装置41分别具有至少一个第一二极管A和第二二极管B。
在该示例中，第一电能存储电容器C1和第二电能存储电容器C2分别被安装在第一转换模块K1的第一整流装置31和第二整流装置41的输出端。
在所描述的实施方式中，各个转换模块K1、K2的第一输出信号被相互连接。
因此在各个转换模块K1、K2的各个第一整流级30加载第一输出电流I11、I21，以形成第一转换器输出电流I1。
在所描述的实施方式中，各个转换模块K1、K2的第二输出信号被相互连接。
因此各个第二整流级40加载第二输出电流I12、I22，以形成第二转换器输出电流I2。
图3示出了这些电流。
转换器输入电压Vin被分成分别传送给第一和第二转换模块K1、K2的两个输入信号U1、U2。
图3表示出输入信号U1、U2的斩波周期Tn。在斩波周期Tn上，第一段T1对应于生成第一输出信号Vout1和第二段T2对应于生成第二输出信号Vout2。
因此，在该示例中，斩波周期Tn的第一段T1负责生成第一输出电流I11、I21和第二段T2负责生成第二输出电流I21、I22。
转换器的第一输出电流I1的平均值大于各个第一整流级30的第一输出电流I11、I21的平均值。以相同方式，转换器的第二输出电流I2的平均值大于各个第二整流级40的第二输出电流I21、I22的平均值。因此，输出信号的频率值是传统结构的频率值的两倍，并且功率断路器和无源元件中的有效电流被减小，这是因为电能存储电容器C1、C2和输入电感(未示出)实施电流源I0。
而且，可减小分别位于第一整流装置31和第二整流装置41的输出端的电能存储电容器C1、C2的尺寸。
另外，可减小与转换模块K1、K2相串联安置的实施电流源I0的输入电感的尺寸。
这有利于减小根据本发明转换器结构的体积。
如图3所示，输入信号U1、U2呈现180°的相移，即斩波周期Tn的一半。该相移值对应于360°除以转换模块数量，此处为2。
因此，输入信号U1、U2的瞬时总和能够减小应用于实施电流源I0的输入电感器端子的有效成分。
在所描述的实施方式中，开关级20另外具有开关辅助电路。开关辅助电路的一种示例例如为文件FR2972317A中描述的开关辅助无源电路。
可以理解，可采用其它开关辅助电路。
开关辅助电路能够减小输入开关装置21的端子上的过电压并减少由于其开关的损耗。
在一种实施方式中，各个输出级30、40具有电感器L1、L2。
在所描述的示例中，第一输出级30具有被安装在第一次级绕组12和第一整流装置31之间的第一电感器L1，第二输出级40具有被安装在第二次级绕组13和第二整流装置41之间的第二电感器L2。
第一和第二电感器L1、L2的存在能够在更长的周期上分别展开第一输出电流I11和第二输出电流I12。因此，输出电流I11、I12的有效值小于传统拓扑结构情况下的值且能量转换器的效率被提高。
在另一种实施方式中，转换模块K1、K2的数量是不同的。
接下来描述图2所示的电能量转换器的操作。
注意到，反映到变压器10初级、即传送到变压器10初级侧的第一输出电压信号Vout1的值(m1＊Vout1，m1为第一次级绕组12的变压比)大于反映到变压器10初级、即传送到变压器10初级侧的第二输出电压信号Vout2的值(m2＊Vout2，m2为第二次级绕组13的变压比)。
因此，被传送到变压器10初级侧的第一次级绕组12的输出电压V1所呈现的值使得第一二极管A处于导通状态。
在斩波周期Tn的第一段T1上，输出开关装置42处于断开状态，因此流过第一开关模块K1的变压器10的电流源I0的能量被传送到第一电能量存储电容器C1中。
因此，在该第一段T1期间，第一输出信号Vout1被生成且反映或传送到变压器10的初级侧(m1＊Vout1)以及第二次级绕组13的端子上。
当输出开关装置42被闭合时，第二输出信号Vout2被应用于第二次级绕组13的端子上，还被反映到初级绕组11和第一次级绕组12上。
一旦反映到第二次级绕组13的端子上的电压信号小于第一初级绕组11的端子的电压信号，第一二极管A和第一电感器L1中的电流逐渐减小且第二二极管B和第二电感器L2中的电流逐渐增大。
然后电流源I0的能量被两个输出端之间共享。
第一和第二电感器L1、L2的值的选择使得第一输出电流I1和第二输出电流I2的平均值为每个斩波周期Tn上的整数值。
当流经第一二极管A的电流为零时，整个电流源I0的能量由第二二极管B和输出开关装置42传导，以对第二电能量存储电容器C2充电。
因此，在斩波周期Tn的第二段T2期间生成第二输出信号Vout2。
然后反映到变压器10初级侧的电压等于Vout2＊m2。所述电压小于在第一段T1期间反映到变压器10初级侧的电压(Vout1＊m1)。
在图3中曲线上表示出在第一和第二段T1、T2期间反映到变压器10初级侧的电压的这种不同，对应于分别在时刻TU1a和TU2a的输入信号U1和U2。
当输入开关装置21处于闭合状态时，变压器10的初级绕组11被短路且传导来自电流源I0的全部电流。
因此，被反映到第一和第二次级绕组12、13上的电压为零。
此时，存储在第二电感器L2中的电流被通过经由输入开关装置21短路的初级绕组11释放到第二能量存储电容器C2中。因此，在输入开关装置21闭合时由于开关的损耗被减少。因此，改善了电能量转换器的效率。
当输出开关装置42的电流基本等于0时，输出开关装置42自然断开而不生成焦耳损失。
输入开关装置21在斩波周期Tn的第三段T3上保持闭合，以保证电流源I0端子上的平均电压在斩波周期Tn上为零。
因此，第一转换模块K1不再供应用于生成第一输出信号Vout1和第二输出信号Vout2的能量，仅第二转换模块K2实施能量传送。
在第三段T3结束时，输入开关装置21断开，以便于第一二极管A导通和重新开始斩波周期Tn。
在上述示例中，第二转换模块K2的运作与第一转换模块K1的运作相同。
以相同方式，当转换模块的数量为k时，k个转换模块K1、K2，......、Kk的运作相同。
注意到，当转换模块K1、K2的数量增大时，输出信号的频率增大和有效电流被减小。因此，转换器的体积被减小和其效率被增大。
在另一实施方式中，转换模块K1、K2是不同的。因此，例如，转换模块生成不同数量的输出信号。

Claims (8)

1.一种斩波电流输入电能量转换器，其特征在于，该转换器包括至少一个转换模块(K1，K2)，所述转换模块(K1，K2)生成至少一个第一输出信号(Vout1)和第二输出信号(Vout2)并且包括：
-变压器(10)，具有至少一个初级绕组(11)以及至少一个第一次级绕组(12)和第二次级绕组(13)，
-输入开关级(20)，具有控制向所述变压器(10)传输电能的输入开关装置(21)，和
-至少一个第一输出级(30)和第二输出级(40)，
-所述第一输出级(30)生成第一输出信号(Vout1)并且具有第一整流装置(31)，和
-所述第二输出级(40)生成第二输出信号(Vout2)并且具有第二整流装置(41)和控制所述第二整流装置(41)的输出开关装置(42)；
其中反映到变压器(10)的所述至少一个初级绕组(11)的第一输出信号(Vout1)的电平大于反映到变压器(10)的至少一个初级绕组(11)的第二输出信号(Vout2)的电平。
2.根据权利要求1所述的转换器，其特征在于，该转换器具有至少第一转换模块和第二转换模块(K1，K2)，各个转换模块(K1，K2)的输入开关级彼此之间以及与电流源(I0)串联连接，各个转换模块生成相同数量的输出信号，转换模块(K1，K2)的所述第一输出信号之间相连，转换模块(K1，K2)的所述第二输出信号之间相连。
3.根据权利要求1或2其中一项所述的转换器，其特征在于，各个输出级(30，40)分别具有电感器(L1，L2)，电感器(L1，L2)被分别与整流装置(31，41)相串联。
4.根据权利要求2所述的转换器，其特征在于，所述电流源(I0)具有功率电感器。
5.根据权利要求2到4其中一项所述的转换器，其特征在于，控制所述第一转换模块(K1)的输入开关装置(20)和输出开关装置(42)的控制信号相对于控制所述第二转换模块(K2)的输入开关装置(20)和输出开关装置(42)的控制信号呈现预定的相移。
6.根据权利要求5所述的转换器，其特征在于，所述相移呈现的值基本等于360°除以转换器的转换模块(K1，K2)的数量。
7.根据权利要求1到6其中一项所述的转换器，其特征在于，所述输入开关级(20)另外包括具有无源元件的辅助开关电路。
8.根据权利要求1到7其中一项所述的转换器，其特征在于，所述转换器包括分别被安装在至少一个转换模块(K1，K2)的所述第一整流装置(31)和所述第二整流装置(41)的输出端的至少一个第一电能存储电容器(C1)和第二电能存储电容器(C2)。
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