专利名称：用于控制具有DC DC分离的包括n个交错路径类型的电源的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有DC DC分离(DC DC splitting)的电源，其具有η个交错路径，更 具体的，涉及一种用于控制该电源的装置。
背景技术：
本发明主要基于由燃料电池提供的能量，提供确定水平的直流稳压电源。燃料电池在很多应用中使用。例如，它们作为能量源用于电动车辆，或者用于对电 池再充电，例如用于对便携式设备(例如电话)的电池再充电。具有DC DC分离的非隔离式电源，也称为转换器或断路器，通常用于将电池提供的 直流电压转换为另一个直流电压，该另一个直流电压可能更高或更低，并且可能具有相同 或相反的极性，这取决于电源的拓扑结构。电源支配的功率取决于输出负载，也就是说，取 决于使用在输出端提供的电压的应用。更具体地，本发明致力于交错单元类型的分离电源。这些电源能够减少电源输入 端以及输出端的电流波纹。减少输入波纹和输出波纹是分离电源的质量标准。每个单元是 一个转换器。交错的概念来自于如下事实单元以阶段变化的方式将功率提供至输出电容， 该输出电容可以是对于单元是公用的，或者对于每一个单元是特定的。交错单元每一个是DC DC转换器。它们全都具有相同的拓扑结构，该拓扑结构根据 功率范围和应用所需的增益来选择。在这些电源中所使用的各种已知的电源拓扑结构为 电压步升(St印-up)，称为“升压”(boost)；电压步降(St印-down)，称为“降压”(buck)；电 压逆变器；以及步升/步降，“升压_降压”；或以其发明人名字命名的“Cuk”拓扑结构；电压 步升 / 步降或 SEPIC(单端初级电感转换器 Single endedprimary inductor converter)。以对这些多种拓扑结构相同的方式，每个DC DC转换单元是通常为具有一个输入 端子、一个输出端子和一个公共端子的三极电路。该电路具有至少一个开关、二极管和能量 存储元件，能量存储元件典型地为电感。输入电压施加到输入端子和公共端子之间。输出 电容器连接到输出端子和公共端子之间。能量通过能量存储元件从输入端转移到输出端， 能量存储元件存储能量，然后以开关在断开状态和闭合状态的切换速率来再次存储。通过 分离开关的导通时间(闭合状态)来实现稳压。开关S通常由场效应晶体管制成。这也就是为何未区分开关的断开(open)状态 或截止(off)状态，以及闭合(closed)状态或导通(on)状态。典型地，在输入电压和输出 电压处于几伏到几千伏的范围内，优选地使用IGBT(isolated gate bipolar transistor, 绝缘栅双极型晶体管)类型的晶体管，其端子能够承受高电压。该技术方案能够确保转换 器的可靠性，同时还最小化了部件的成本。参照附图
Ia至Ic可见单元的操作，以及具有交错单元的电源的操作，其给出了单 元BCi的结构和操作的详情，图2、3a和3b给出了包括该类型的三个单元BCpBC2和BC3的 电源的详情。
转换单元BCi (图la)是三极单元，具有星形拓扑结构开关S、电感L和二极管D， 每一个形成了三极电路的一个分支。所有的分支起自公共节点A，它们的终点形成三极电路 的三个端子中的一个。在图示的实例中，单元BCi的拓扑结构是BC电压步升(升压)转换器。开关S连 接在节点A和公共端子B3之间。二极管的阳极连接到节点A，阴极连接到输出端子B2。电 感L连接到输入端子B1和节点A之间。分离开关S由具有恒定频率f的脉冲信号以通常的脉冲宽度调制模式控制，使得 该开关交替地在α t标记的闭合时间段内处于闭合状态，而在t-α t的断开时间内处于 断开状态，α为开关闭合的时间与整个周期的时间(t = Ι/f)的周期性比率(cyclical ratio)ο该转换器的两个操作阶段对应于开关S的两个状态闭合状态和断开状态，这两 个操作阶段如下-当开关S闭合时，电感L并联到输入电压源，电感内的电流增加。这是能量存储 阶段。然后二极管D被截止。等效的接线图如图Ib所示。-当开关S断开时，电感L串联到输入电压源Ue,电流流过电感L和二极管D且输 出电容器Cs充电。这是能量转移阶段。等效的接线图如图Ic所示。在输出电容器Cs的端 子处的电压变的大于输入电压。实际上，输出电压水平取决于开关的断开和闭合的持续时间。如果分离电源工作 在恒定频率f，且工作于连续导通模式(也就是说，流过电感的电流从不抵消)，输出电压Us 等于α *Ue。图2图示了分离电源，其具有对单个输出电容器Cs充电的η个交错单元。在该实例中，η = 3，单元BCpBC2JC3是相同的(L、S、D)并且并联它们的端子B1 连接到一起；它们的端子B2连接到一起；它们的端子B3连接到一起。电源包括单个输出电 容器Cs，其连接在每个单元的输出端子B2和公共端子B3之间。输入电压Ue施加到每个单 元的输入端子B1和公共端子B3之间。在该图中，单元具有相同的转换器拓扑结构，S卩，电压步升(升压)如图Ia中所示 的单元。η = 3个分离开关S每一个如图Ia至Ic所示被控制，处于相同的分离频率f，但 是各个路径相对于彼此偏移了固定持续时间，其对应于每个单元之间的2 π /nf相位偏移。 因此，负载可见的电流和电压的频率比单个单元所得到的大η倍。输入波纹和输出电容器 中的波纹减少。本发明主要致力于改进这些具有η个交错单元的电源，一个改进有利地使得能够 易于放置各种部件，这些部件的放置与散热、减少或甚至消除输入端和输出端的电压或电 流波纹有关，该电压或电流波纹由电源的各元件之间的连接所引起的配线感应造成。主要 是串联在每个单元的开关S和二极管D之间的配线电感Lff,其干扰了电荷转移回路(开关 S、二极管D、输出电容器Cs)。当电源包括每个单元一个输出电容器时，在输出电容器(图2 未示出)之间还有配线电感。在该改进中，每个单元的分离开关S放置在谐振电路中，该谐 振电路示意性的显示为图2中以10标记的简单矩形并且包含开关S。该谐振电路10能够将分离开关锁定于0电流以从存储阶段转移到能量转移阶段。还可以锁定于0电压。无损锁定所产生的技术效果主要为确保电荷转移回路(T、D、C)的配 线感应不会影响电源的效率。因此，即使配线感应很高，它们也不会对转换有影响。图3a和3b为给出了该谐振电路10的实施例的详情。图3a对应于图2所示的电 源拓扑结构。图3b图示了相似的电源拓扑结构，但是每个单元有一个输出电容器。电源的效率相对于没有谐振的交错结构有所提高。相比较而言，在具有没有谐振 的交错单元的电源中，通常获得的效率是全功率的92%至93%的量级。有谐振时，这些效 率达到全功率的96 %，即增加了 3 %至4%的量级。通常，全功率意味着由转换器转化的最大功率，极限由所使用的部件的自然属性 所决定。在实际中，电源不总是工作于全功率，也就是说，负载所要求的电流可能变化。这 取决于应用，因为电源是为确定的功率范围所设计的，因此使其能应用于不同应用。但是现 在，不是所有的应用具有相同的功率需求。而且，给定应用所需要的功率可能随着时间变 化。然而，如果电源不工作于全功率，具有谐振的交错结构下所获得的效率的增加减 少，甚至倒退。这可以通过如下事实解释定义上包括谐振元件(谐振电感和谐振电容器) 的谐振电路是具体的功率损耗的来源。这些损耗的重要性只取决于对谐振电容器充电的输 出电压的水平。谐振电路支配的能量具体取决于对谐振电容器充电的输出电压。该输出电 压改变了谐振电容器存储的能量，因此改变了单元的谐振电路所支配的能量。这些损耗不 取决于单元支配的功率。因此，可以理解，取决于电源的使用环境，谐振元件的这些损耗或 多或少都重要。为了说明该问题，下面的表格显示了 n个(n = 3)具有谐振电路的交错单元的给 定电源的效率n，其为电源所支配的功率的函数。电源支配的功率P典型地取决于所需的输出水平Vs和输出负载所要求的电流Is， 也就是说，取决于电源的使用环境。该表示出了电源的效率η对应于输出功率和输入功率之间的比值，是所需的输 出电压的水平Vs、输入电压的水平Ve以及电源所支配的功率P的函数。
权利要求
一种以交错模式控制具有DC DC分离的电源的控制装置，该电源包括n个单元，每个单元形成将输入电压转换为输出电压的路径，所述控制装置包括用于控制待激活的路径的数量的电路(20)，该数量为电源中的功率水平或电流(PA)的函数，其特征在于，对于待激活的m个路径，m严格小于n，用于控制激活路径的数量m的所述电路在n个可用路径之间应用轮换机制。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制电路(20)包括用于检测所 述电源中消耗的功率或电流的装置(20-1)，以及用于将检测到的水平相对于一系列有序的 η个阈值(vl、. ..ν5)进行归类的装置(20-2)，使得能够将待激活的路径的数量m匹配到所 得到的归类，m是整数且1彡m彡η。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其特征在于，用于将检测到的水平进行归类的所 述装置确定η个阈值，所述η个阈值按照升序归类，从为最小值的第一阈值到为最大值的第 η阈值，并且还应用如下规则-当所述检测到的水平小于第一阈值(V1)时，m等于1 ；-当所述检测到的水平高于第i_l阈值(Y1)并且小于第i阈值(Vi)时，m等于i，i 为1和η之间的整数。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征在于，第η阈值(Vn)对应于电源中的最大 功率或电流。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的控制装置，提供η个脉冲调制激活信号(Pwml， Pwm2, Pwm3, . . . Pwmn)，所述η个脉冲调制激活信号具有相同的分离频率f并且彼此偏移了 固定时间偏移，每个用来控制单元(BCi)的分离开关(S)，其特征在于，所述控制电路(20) 驱动用于使相应的激活信号至每个单元的传输失效的电路(300-1)，从而在每个时刻，η个 激活信号中仅有m个激活信号被传输。
6.根据权利要求5所述的控制装置，每个单元的分离开关(S)放置在切换辅助谐振电 路(10)中，该切换辅助谐振电路包括用于触发谐振阶段(R)的辅助开关(Saux)，所述控制 装置提供η个附加的脉冲调制激励信号(Pwml' , Pwm2' , Pwm3' , ...Pwmn')，所述η个 附加的脉冲调制激励信号具有相同的分离频率f，并且彼此偏移了固定时间偏移，每个激活 信号控制相应单元的辅助晶体管(Saux)，以及用于使所述附加激活信号的传输失效的电路 (300 ‘ -1)，从而在每个时刻，η个激活信号中仅有m个激活信号被传输。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其中每个单元的谐振电路包括谐振电容器 (Cres)，其特征在于，还包括用于维持谐振电容器的电荷的维持元件(R)。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述维持元件是电阻器(R)，所述电 阻器连接在电容器和电源的输出端子(B2)之间，所述电阻器的值优选地为几百k欧姆。
9.一种负载(Z)的电源系统，包括燃料电池(PC)，所述燃料电池后接有至少一个具有 DC DC分离的非隔离式电源，该电源是具有η个交错单元的类型，η为至少等于2的整数，以 在如前述权利要求中任一项所述的控制装置的控制下，提供直流稳压给所述负载。
10.如权利要求9所述的电源系统，其中所述单元为电压步升类型。
11.如权利要求9所述的电源系统，其中所述单元为电压步降类型。
12.如权利要求9所述的电源系统，其中所述单元为电压逆变器和/或步降/步升类型。全文摘要
根据本发明，在具有n个交错的转换单元BCi的电源中，控制装置激活n个路径中的m个路径，1≤m≤n，m是电源支配的功率(PA)或电流的函数。所述单元可以具有升压、降压、升压/降压、Cuk或SEPIC拓扑结构。本发明可以应用于燃料电池。
文档编号H02M3/158GK101983473SQ200980109978
公开日2011年3月2日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月21日
发明者D·沙特鲁, F·罗伊, J-C·多尔哈加雷 申请人:原子能和能源替代品委员会;标致雪铁龙汽车股份有限公司