专利名称：Dc/dc转换器电路和用于控制dc/dc转换器电路的方法
技术领域：
本发明一般涉及转换器电路，具体地涉及DC/DC转换器电路，其可以在例如最大功率点跟踪MPPT的领域中用于太阳能逆变器、用于具有高于500V的输出电压的增压 (step-up) DC/DC转换器、以及用于电动汽车的充电器。
背景技术：
具体地，对于太阳能电池，需要升压转换器用于将太阳能电池产生的电压升高到例如700V到1000V的输出电压。为了进一步提供安全余量，用于通断这些电压的元件通常必须具有约900V到1200V的电压等级(rating)。但是，这些元件是昂贵的和/或在其性能方面有严格的限制。目前，一些拓扑用于执行太阳能模块领域的DC/DC升压转换。在以下由Michael Frisch知Ern0 Temesi编写的文献中可以找到最近开发的逆变器技术的例子，可从 http //www, vincotech. com/en/products/power/documents, php 获得所有这些"Advantages of NPC Inverter Topologies with Power Modules，，，2009月·"Design Concept for a Transformerless Solar Inverter，，，2009 年 12 月."Symmetrical Boost Concept for Solar Applications up to 1000V，，，2009 $ 1月·当采用这样的传统升压电路时，首先已知使用额定900V的CoolMOS 晶体管作为所需的功率开关。实际上可以看出这些元件的优点在于其开关损耗比较低。但是，电压可能没有超过所述900V额定值。实际上可以看出CoolMOS 开关的进一步缺点在于它们具有相对高的静态损耗，此外相当昂贵。另一方面，当需要产生较高的电压时，传统的升压电路还使用绝缘栅双极型晶体管IGBT作为开关。这些晶体管具有的优点是其展示出相当低的静态损耗，但是，另一方面， 其具有高切换损耗的缺点。最后，还已知使用具有1200V的额定电压的碳化硅结型(junction)场效应晶体管 SiC J-FET、或碳化硅金属氧化物场效应晶体管SiC MOSFET0这样的安排提供了最佳性能、 低切换损耗和高电压等级，但是具有非常昂贵的严重缺点。
发明内容
以本发明为基础的目标是提供DC/DC转换器电路，其首先能被操作以在它们与太阳能电池相结合地出现时，从高电压进行转换或转换为高电压，并其次是高效率以及涉及低元件成本。通过独立权利要求的主题解决该目标。本发明的有利的实施例是从属权利要求的主题。本发明基于这样的思想DC/DC转换器电路具有两个开关，它们连接在正负分体电压(split voltage)之间，并且在内部中点节点处相互连接。根据本发明的该内部中点节点经由二极管连接到正负分体电压之间的中点端子。提供转换器电感器，用于在其中存储电能。在每个切换周期的开始，两个开关均被接通，从而电流流经两个开关和转换器电感器。根据本发明，两个开关之一比第二个更早切断，并且电流经过所述二极管流到中点端子。在预定的时段后，例如100纳秒之后，第二开关也关断，使得现在电流经过另一二极管流到输出，并且提供在内部中点和中点端子之间的二极管箝位对地的电压。因此，两个开关具有对输出电压的均衡分享。当是例如针对中性点(neutral point)箝位NPC逆变器设计的情况时，该电路采用分体DC电势效率最高。在此，可以通过输出电路管理分体电压的对称性。实际上可以看出本发明的优点在于仅需要将开关额定为用于转换器电路输出或接收的电压的一半。因此，可以采用诸如MOSFET或者击穿绝缘栅双极型晶体管PT-IGBT的元件，用于高效地并行切换，这些元件可用在具有600V的电压等级的更多种类中，但是不作为1200V的元件。诸如在 Article Frisch, Μ. , Temesi, Ε.的 “High Efficient Topologies for Next Generation Solar Inverter，，，Bodo' s Power Electronics in Motion and Conversion, 2008年8月中描述的高效率拓扑，到目前为止需要昂贵的元件，如碳化硅 MOSFET或J-FET，现在当应用本发明的原理时，可以用标准硅MOSFET或IGBT来实现。此夕卜， 可以仅额定用于高达1200V的元件来实现具有高达2000V的输出电压的高电压升压器。实际上可以看出发明的DC/DC转换器拓扑的进一步的优点是其可以用于正和负升压器电路，并且还可以用于正和负降压(buck)电路，用于降压转换应用。根据有利的实施例，为两个串联的开关的每个分配对总电压的均衡分享的思想还可以用于驱动耦合在正负分体电压端子之间的双极结型晶体管BJT或者发射极切换双极型晶体管ESBT。
为了更好地理解本发明，以下将基于图中所示的实施例说明本发明。为相应的部分给出相应的参考标记和术语。此外，示出或描述了不同实施例的那些特征或特征的组合可以以其本身形成单独的发明方案。现在将参考附图通过例子描述本发明，附图中图1是被配置为正电压升压转换器的DC/DC转换器电路的电路图；图2是图1中的开关的控制电压的定时图；图3是跨过两个开关的电压和输入电压的定时图；图4是分别针对开关的以及经过图1的二极管的电流的定时图；图5是根据第一拓扑的DC/DC转换器电路的示意性电路图；图6是根据第二拓扑的DC/DC转换器电路的示意性电路图；图7是根据第一拓扑的降压转换器电路的示意图；图8是根据第二拓扑的降压转换器电路的电路图；图9是使用双极结型晶体管BJT的正升压器的电路图；图10是使用发射极切换双极型晶体管ESBT的正升压器的电路图；图11是使用双极结型晶体管BJT的负升压器的电路图。
具体实施例方式在图1中，绘出了根据本发明第一实施例的DC/DC转换器。通常，该DC/DC转换器100是例如与太阳能系统结合来将DC功率转换为AC功率的功率转换装置的元件。传统地，在这样的逆变器电路中，通过使用DC/DC转换器将来自例如太阳能电池的电源的电压升压，并且脉宽调制PWM控制的逆变器在后一级连接到DC/DC转换器，因此产生例如可以馈送到电网的输出AC电压。具体地，从太阳能电池输出的DC功率驱动功率调节器(conditioner)的内部控制电源，并因此使内部电路工作。内部电路包括升压器电路和逆变器单元。常常还称为斩波器(chopper)电路的升压器电路将太阳能电池的电压升压到链接到系统所需的电压。逆变器单元包括例如四个开关，并执行PWM切换以形成具有与系统或电网电压相同步的相位的输出电流。以该方式输出带状波形，并且改变输出的时间比以控制输出的平均电压。进一步通过在输出侧提供的平滑滤波器来平均化输出电压，并且AC功率被输出到系统，如国家电网。图1示出特别适用于中性点箝位NPC拓扑的DC/DC转换器电路100。这样的 NPC 拓扑的概况可以从例如 Rodriguez 等的 “Multi Level Inverters :“A Survey of Topologies, Controls, and Applications", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49，No. 4,2002 年 8 月中得到。DC/DC转换器100具有第一和第二 DC端子102、104，它们连接到太阳能电池的输出。升压电感器Ltl与第一 DC端子102连接，还连接到第一开关M0S3的第一端子。第一开关M0S3的第一端子经由第一二极管SiC3连接到正分体DC电压输出DC_plus。第一二极管 SiC3以其阳极连接到第一开关M0S3且其阴极连接到端子DC_plus的方式连接到第一开关 M0S3。第一开关MOS的第二端子连接到内部中点节点106，第二开关M0S4的第一端子也连接到该内部中点节点106。第二开关M0S4进一步连接到负分体DC端子DC_retUrn。可以连接到中性电势的中点端子DC_split被提供在两个电容器Cl和C2之间，电容器Cl和C2分别耦合在正和负分体DC端子DC_plus和DC_return之间。根据本发明，该中点端子DC_split经由第二二极管连接到内部中点节点106。在图1所示电路中，第二二极管SiC4用其阳极连接到内部中点节点106，并用其阴极连接到中点端子DC_split。可选地，在正DC分体端子DC_plus和DC输入端子102之间提供旁路二极管。在所示配置中，第一二极管SiC3是额定用于1200V的碳化硅二极管。第二二极管 SiC4也是碳化硅二极管，但是额定仅用于600V。两个开关M0S3和M0S4是每个额定用于 600V 的两个 MOSFET。在每一切换周期的开始，两个开关M0S3和M0S4同时被接通，或以一定的时间延迟接通，比第一开关M0S3晚地接通第二开关M0S4。当两个开关都导通时，电流流过升压电感器Ltl和两个开关M0S3和M0S4。根据本发明，第二开关M0S4关断，同时第一开关M0S3 仍然导通。然后，电流经由第二二极管SiC4流到中点端子，该中点端子可以连接到中性点 (地)。在例如100纳秒的预定时间延迟后，第一开关M0S3还关断，电流然后将通过第一二极管SiC3流到正分体DC端子DC_plus。根据本发明，内部中点节点106和中点端子DC_split之间的二极管SiC4箝位对地电压，从而第一和第二开关M0S3和M0S4具有输出电压的均衡分享。因此，800V的输出电压可以通过使用额定仅用于该电压的一半的元件来提供。图2示出作为时间的函数的第一和第二开关M0S3和M0S4的控制信号Vg。在图2 所示实施例中，控制两个开关具有时间延迟地接通。但是，同时切换用于导通两个开关也将是可行的。如图2所示，在第二开关M0S4导通之前导通第一开关M0S3。该时间延迟可以是例如达到100纳秒，但是也可以是任何其他合适的值。在预定的时间后，第二开关M0S4被关断，同时仍控制第一开关M0S3导通。在例如100纳秒的时间延迟后关断M0S3。当然这些控制信号Vg不是必须是如图2所示的对称的，而是也可以具有用于在接通两个开关和切断两个开关之间的两个时间延迟的不同的值。图3示出跨两个开关和在正分体DC端子DC_plus和中点端子DC_split之间的得到的电压，分别称为V (M0S3)、V (M0S4)禾Π Vout。如图3所见，开关M0S3和M0S4两者被施加400V的电压，而升压转换器的输出电压Vout达到800V。因此，开关M0S3和M0S4仅需额定为允许例如600V。图4示出流经两个开关M0S3和M0S4并流经两个二极管SiC3和SiC4的电流。如可以从此图得出的，二极管仅在时间偏移切换处理期间的短时间间隔期间携带电流。如将参考图5到8所述，图1所示的并基本上也在图5中表示的电路的基本原理不仅可以用于图1和5的正升压电路，而且可以用于负升压电路(图6所示)和向低转换降压转换器(图7和8所示)。当将图5的正升压电路与图6的负升压电路直接比较时，升压电感器Ltl被置于第二开关的第二端子和第二 DC端子104之间。在输出电压是负电压时，第二二极管SiC4需要以其阴极连接到内部中点节点106来布置。第一二极管被布置在负DC分体端DC_retUrn 和第二开关M0S4的第二端子之间。与以上参考图2到图4所述的定时序列类似地进行开关的控制定时。在中点端子DC分体和两个开关M0S3和M0S4之间的内部中点节点106之间的二极管的发明思想也可以应用于设计降压转换器，以及像用于负降压转换器那样用于正降压转换器。这两个拓扑绘出在图7和8中。与图5和图6相比较，输入和输出端子互换。在这些实施例中，也通过将二极管 SiC4提供在内部中点节点106和DC分体中性端子之间并通过以相对于彼此的延迟的方式切换两个开关M0S3和M0S4，通过使用需要电压额定为仅用于一半的输入电压值的开关，将高电压向低转换为低输出电压是可行的。在此的转换器电感器Ltl位于输出DC端子102、104处，因为这通常是降压转换器的特性。本发明的电路能够提供升压或降压DC转换器，其能够在高电压差之间转换，另一方面，其可以利用标准的成本合算的半导体元件来设计。将参考图9到11说明向两个串联的开关分配均衡电压分享的原理的有利应用。在此，之前所述的电路用于驱动分别连接在正负分体电压端子DC_plus和DC_retUrn之间的双极结型晶体管BJT或者发射极切换双极型晶体管ESBT108。因为这通常是已知的，发射极切换双极型晶体管ESBT是NPN双极型晶体管BJT和 MOSFET的组合。BJT具有增强的电压阻断特性。迅速切换的低电压η沟道功率MOSFET被实现在BJT的射极内。图10中示出了等效电路。为了独立地驱动BJT和M0SFET，需要两个分离的端子栅极和基极。因此级联结构需要四个端子。根据本发明的驱动由串联的两个 MOSFET进行，其中它们的内部中点节点106经由二极管SiC4耦合到中点端子DC_split。根据本发明，两个MOSFET M0S3和M0S4需要电压被额定为仅用于驱动BJT或 ESBT108所需的值的一半。图9和10分别示出使用BJT或ESTB108的正升压器的布置，而图11表示负升压器拓扑。在此情况下，为了切断BJT或ESBT108，提供了具有更小的阻断电压的第三MOSFET M0S5。阻断电压可以是例如50V。图11所示的用于接通BJT或ESBT108的电路的切换顺序可以例如如下·关断晶体管M0S5的开关；·导通第二开关M0S4，因此接通BJT或ESBT108 ； 导通第一开关M0S3。另一方面，当关断BJT或ESBT108时，需要进行以下步骤 首先，导通被切断的晶体管M0S5，因此BJT或ESBT108开始关断，并且三个 MOSFET接收电流；·在第二步骤，第一 MOSFET M0S3关断； 最终，第二开关M0S4关断。ESBT的使用通常提供的优点是，存储和切断时间比传统的BJT短得多，IGBT的拖尾电流特性不存在，没有第二次击穿，这增强了强健性，以及安全工作区大得多。利用已知的驱动器电路，采用高电压MOSFET来驱动ESBT。根据本发明，可以通过为两个仅具有一半的额定电压的串联的MOSFET的每个分配对总电压的均衡分享来使用这两个M0SFET。
权利要求
1.一种DC/DC转换器电路，包括第一 DC端子(10 和第二 DC端子(104)，其中在所述第一和第二 DC端子之间定义第一 DC电压；正分体DC端子(DC_plus)和中点端子(DC_split)，其中在所述正分体DC端子(DC_ plus)和所述中点端子(DC_split)之间定义正分体DC电压；负分体DC端子(DCjeturn)，其中在所述负分体DC端子(DCjeturn)和所述中点端子 (DC_split)之间定义负分体DC电压；串联连接的第一开关(M0S3)和第二开关(M0S4)； 用于在其中存储电能的转换器电感器(Ltl)；第一二极管(SiC3)，连接在所述第一开关(M0S3)的第一端子和所述正分体DC端子 (DC_plus)或所述负分体DC端子(DC_return)之间；其中所述第一开关(M0S3)和所述第二开关(M0S4)之间的内部中点(106)经由第二二极管(SiC4)连接到所述中点端子(DC_split)。
2.根据权利要求1的DC/DC转换器电路，被配置为用于中性点箝位NPC逆变器电路的正电压升压转换器，其中所述第一和第二 DC端子(102，104)配置为连接到DC输入电压；其中所述正分体DC端子(DC_plus)配置为参考所述中点端子(DC_split)而输出所述正分体DC电压；以及其中所述负分体DC端子(DCjeturn)配置为参考所述中点端子(DC_ split)而输出所述负分体DC电压；其中所述转换器电感器(Ltl)连接在所述第一 DC端子和所述第一开关(M0S3)的所述第一端子之间，其中所述第一开关(M0S3)的第二端子连接到所述内部中点(106)；其中所述第一二极管(SiO)的阳极连接到所述第一开关(M0S3)，并且所述第一二极管(SiC3)的阴极连接到所述正分体DC端子(DC_plus)；其中所述第二二极管(SiC4)的阳极连接到所述第一开关(M0S3)的第二端子和所述第二开关(M0S4)的第一端子，并且其中所述第二二极管(SiC4)的阴极与中点端子(DC_ split)连接。
3.根据权利要求2的DC/DC转换器电路，还包括耦合在第一DC端子(10 和所述正分体DC端子(DC_plus)之间的旁路二极管(D_BypaSS)，其中旁路二极管的阳极连接到第一 DC端子(102)，并且旁路二极管(D_BypaSS)的阴极连接到正分体DC端子(DC_plus)。
4.根据权利要求2或3的DC/DC转换器电路，还包括双极结型晶体管BJT、或发射极切换双极型晶体管ESBT，其与所述正分体DC端子(DC_plus)和所述负分体DC端子(DC_ return)之间的集电极端子和发射极端子连接，其中所述BJT或ESBT的基极端子经由所述第二开关(M0S4)连接到所述内部中点(106)。
5.根据权利要求4的DC/DC转换器电路，还包括布置在所述BJT或ESBT(108)的基极端子和所述第二 DC端子(104)之间的齐纳二极管。
6.根据权利要求1的DC/DC转换器电路，配置为用于中性点箝位NPC逆变器电路的负电压升压转换器，其中所述第一和第二 DC端子(102，104)配置为连接到DC输入电压；其中所述正分体DC端子(DC_plus)配置为参考所述中点端子(DC_split)输出所述正分体DC电压，并且其中所述负分体DC端子(DCjeturn)配置为参考所述中点端子(DC_ split)输出所述负分体DC电压；其中所述转换器电感器(Ltl)连接在所述第二 DC端子(104)和所述第二开关(M0S4)的第二端子之间，其中所述第二开关(M0S4)的第一端子和所述第一开关(M0S3)的第二端子连接到所述内部中点(106)；其中所述第一二极管(SiO)的阳极连接到所述负分体DC端子(DC_retUrn)，并且所述第一二极管(SiO)的阴极连接到所述第二开关(M0S4)；其中所述第二二极管(SiC4)的阴极连接到所述第一开关(M0S3)的第二端子和所述第二开关(M0S4)的第一端子，并且其中所述第二二极管(SiC4)的阳极与中点端子(DC_ split)连接。
7.根据权利要求6的DC/DC转换器电路，还包括双极结型晶体管BJT、或发射极切换双极晶体管ESBT，其与在所述正分体DC端子(DC_plus)和所述负分体DC端子(DCjeturn) 之间的集电极端子和发射极端子连接，其中所述BJT或ESBT的基极端子经由所述第二开关 (M0S4)连接到所述内部中点(106)。
8.根据权利要求6的DC/DC转换器电路，还包括连接在所述BJT或ESBT(108)的所述基极端子和所述第二 DC端子(104)之间的切断晶体管(M0S5)。
9.根据权利要求1的DC/DC转换器电路，配置为正降压转换器，其中所述第一和第二 DC端子(102，104)配置为输出DC输入电压；其中所述正分体DC端子(DC_plus)配置为参考所述中点端子(DC_split)连接到正分体DC输入电压，并且其中所述负分体DC端子(DCjeturn)配置为参考所述中点端子(DC_ split)连接到负分体DC输入电压；其中所述转换器电感器(Ltl)连接在所述第一 DC端子(10 和所述第二开关(M0S4)的第二端子之间，其中所述第二开关(M0S4)的第一端子和所述第一开关(M0S3)的第二端子连接到所述内部中点(106)；其中所述第一二极管(SiO)的阳极连接到所述负分体DC端子(DC_retUrn)，并且所述第一二极管(SiO)的阴极连接到所述第二开关(M0S4)；其中所述第二二极管(SiC4)的阴极连接到所述第一开关(M0S3)的第二端子和所述第二开关(M0S4)的第一端子，并且其中所述第二二极管(SiC4)的阳极与中点端子(DC_ split)连接。
10.根据权利要求1的DC/DC转换器电路，配置为负降压转换器，其中所述第一和第二 DC端子(102，104)配置为输出DC输入电压；其中所述正分体DC端子(DC_plus)配置为参考所述中点端子(DC_split)连接到正分体DC输入电压，并且其中所述负分体DC端子(DCjeturn)配置为参考所述中点端子(DC_ split)连接到负分体DC输入电压；其中所述转换器电感器(Ltl)连接在所述第二 DC端子(104)和所述第一开关(M0S3)的第一端子之间，其中所述第二开关(M0S4)的第一端子和所述第一开关(M0S3)的第二端子连接到所述内部中点(106)；其中所述第一二极管(SiO)的阴极连接到所述正分体DC端子(DC plus)，并且所述第一二极管(SiO)的阳极连接到所述第一开关(M0S3)；其中所述第二二极管(SiC4)的阳极连接到所述第一开关(M0S3)的第二端子和所述第二开关(M0S4)的第一端子，并且其中所述第二二极管(SiC4)的阴极与中点端子(DC_split)连接。
11.根据上述权利要求的任一项的DC/DC转换器电路，其中第一和第二二极管(SiC3， SiC4)中的至少一个包括碳化硅二极管。
12.根据上述权利要求的任一项的DC/DC转换器电路，其中第一和第二开关(M0S3， M0S4)中的至少一个包括金属氧化物半导体场效应晶体管M0SFET。
13.一种用于控制DC/DC转换器电路的方法，所述转换器电路包括第一 DC端子(10 和第二 DC端子(104)，其中在所述第一和第二 DC端子之间定义第一 DC电压；正分体DC端子(DC_plus)和中点端子(DC_split)，其中在所述正分体DC端子(DC_ plus)和所述中点端子(DC_split)之间定义正分体DC电压；负分体DC端子(DCjeturn)，其中在所述负分体DC端子(DCjeturn)和所述中点端子 (DC_split)之间定义负分体DC电压； 第一开关(M0S3)和第二开关(M0S4)； 用于在其中存储电能的转换器电感器(Ltl)；第一二极管(SiC3)，连接在所述第一开关(M0S3)的第一端子和所述正分体DC端子 (DC_plus)之间；第二二极管(SiC4)，耦合在内部中点(106)和所述中点端子(DC_split)之间； 其中所述方法包括以下步骤接通所述第一和第二开关(M0S3，M0S4)，从而电流流经转换器电感器(Ltl)和两个开关；在第一预定时间间隔之后切断第二开关(M0S4)，从而电流经过第二二极管(SiC4)流到所述中点端子(DC_split)；在第二预定时间间隔之后切断第一开关(M0S3)，从而电流流过所述第一二极管 (SiC3)和所述正分体DC点端子(DC_plus)。
14.根据权利要求13的方法，其中在接通第一开关(M0S3)之后，接通所述第二开关 (M0S4)。
15.根据权利要求13或14的方法，其中晚于所述第二开关100纳秒切断所述第一开关。
16.根据权利要求13到15的任一项的方法，其中在接通第一开关(M0S3)之后100纳秒接通所述第二开关(M0S4)。
全文摘要
本发明涉及在MPPT领域中用于太阳能逆变器、针对高输出电压的增压DC/DC转换、以及电动汽车中的充电器的DC/DC转换器电路。该电路包括第一DC端子和第二DC端子，在其之间定义第一DC电压。该电路还包括正分体DC端子和中点端子，在其之间定义正分体DC电压。提供负分体DC端子，在所述负分体DC端子和所述中点端子之间定义负分体DC电压。提供第一开关和第二开关，并且转换器电感器在其中存储电能。第一二极管连接在所述第一开关的第一端子和所述正分体DC端子之间，第二二极管耦合在内部中点和所述中点端子之间。
文档编号H02M3/155GK102340242SQ20111020417
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者E.特梅西, M.福里什 申请人:文科泰克控股公司