电源转换器及电源转换方法与流程

本发明的实施例涉及电源转换器及电源转换方法。

背景技术：

电源转换器在电动汽车或混合动力汽车的功率转换电路中有着广泛的应用。现有的电源转换器一般包括一个或多个变压器，所以导致现有电源转换器的体积较大，且功率密度较低。

另外，随着开关频率的升高，开关的功率损耗也逐渐成为一个不可忽视的问题。较大的开关功率损耗同时也会给电路的散热问题带来挑战。

因此，有必要提供新的电源转换器及电源转换方法来解决至少一个上述问题。

技术实现要素：

一种电源转换器包括逆变器和第一倍压器。该逆变器用于将第一直流电压转换成第一交流电压。该第一倍压器耦合于该逆变器的输出端，且其用于将该第一交流电压转换成第二直流电压，其中，该第二直流电压的电压值大于该第一交流电压的峰值。该第一倍压器包括第一倍压级和至少一个其他倍压级，所述第一倍压级比所述其他倍压级在能量传递方向上更接近所述第一倍压器的输入端，每个倍压级包括两个二极管，且该第一倍压级中的每个二极管包括碳化硅二极管和氮化镓二极管中的至少一个。

一种电源转换方法包括：将第一直流电压转换成第一交流电压；及通过第一倍压器将该第一交流电压转换成第二直流电压，其中，该第二直流电压的电压值高于该第一交流电压的峰值。其中，该第一倍压器包括第一倍压级和至少一个其他倍压级，所述第一倍压级比所述其他倍压级在能量传递方向上更接近所述第一倍压器的输入端，每个倍压级包括两个二极管，且该第一倍压级中的每个二极管包括碳化硅二极管和氮化镓二极管中的至少一个。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1为根据本发明一具体实施例的电源转换器的示意图；

图2为根据本发明另一具体实施例的电源转换器的示意图；

图3为根据本发明另一具体实施例的电源转换器的示意图；

图4为根据本发明另一具体实施例的电源转换器的示意图；及

图5为根据本发明一具体实施例的电源转换方法的流程示意图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

本发明的实施例涉及一种电源转换器，其可广泛应用于电动车的功率转换电路中，用于将较低的直流电压转换成较高的直流电压。

图1为根据本发明一具体实施例的电源转换器100的示意图。参见图1，电源转换器100包括逆变器110、第一倍压器120和谐振电路130；其中，该谐振电路130耦合在逆变器110和第一倍压器120之间。

逆变器110耦合在直流电压源111的两端，用于将来自直流电压源111的第一直流电压转换成第一交流电压。在图1所示的实施例中，逆变器110包括互相并联第一桥臂和第二桥臂；第一桥臂包括互相串联的第一开关器件s1和第三开关器件s3，第二桥臂包括互相串联的第二开关器件s2和第四开关器件s4。逆变器110从第一开关器件s1和第三开关器件s3之间的节点g，以及第二开关器件s2和第四开关器件s4之间的节点h输出第一交流电压，也即：节点g、h为逆变器110的输出端。

谐振电路130耦合于逆变器110的输出端g、h，且其包括互相串联的谐振电容cr和谐振电感lr。谐振电路130用于对逆变器110输出的第一交流电压进行选频处理，以向第一倍压器120输出处理后的第一交流电压。具体地，谐振电路130用于使第一交流电压中在预设频率范围内的信号分量通过，抑制第一交流电压中的在该预设频率范围之外的信号分量，从而减小第一交流电压中的谐波分量，使倍压器120接收的第一交流电压具有更好的波形质量。此外，谐振电容cr还能在逆变器110和倍压器120之间起到电气隔离的作用。

第一倍器120耦合于谐振电路130的输出端，且其用于将该第一交流电压转换成第二直流电压，其中，该第二直流电压的电压值大于该第一交流电压的峰值。

与现有的电源转换器相比，本发明揭露的电源转换器省去了变压器，通过谐振电路和倍压器来实现隔离升压的功能，这样，能够大大减小电源转换器的体积和重量，增大电源转换器的功率密度。

继续参见图1，第一倍压器120包括第一倍压级和至少一个其他倍压级，每个倍压级包括两个二极管和两个电容，其中，该第一倍压级在能量的传递方向上比其他倍压级更靠近第一倍压器的输入端，即：第一倍压级耦合在第一倍压器的输入端和第一倍压器的其他倍压级之间，来自谐振电路130的能量从第一倍压器的输入端输入后最先经过第一倍压级，然后再经过其他倍压级。

在图1所示的实施例中，第一倍压器120包括第一倍压级121和第二倍压级122，其中，第一倍压级121相比于第二倍压级122更靠近第一倍压器120的输入端e、f，第一倍压级121耦合于输入端e、f和第二倍压级122之间。第一倍压级121包括第一电容c2、第二电容c4、第一二极管d2及第二二极管d4。第一电容c2的第一端与第一倍压器的第一输入端子e耦合，第二电容c4的第一端与第一倍压器的第二输入端子f耦合。第一二极管d2的正极耦合于第二电容c4的第一端，即：第二输入端子f，第一二极管d2的负极耦合于第一电容c2的第二端。第二二极管d4的正极耦合于第一电容c2的第二端，也即：第一二极管d2的负极；第二二极管d4的负极耦合于第二电容c4的第二端。

第二倍压级122包括第一电容c6、第二电容c8、第一二极管d6及第二二极管d8，第一电容c6的第一端耦合于第一倍压级的第一电容c2的第二端，第二电容c8的第一端及第一二极管d6的正极耦合于第一倍压级的第二电容c4的第二端。第一二极管d6的负极耦合于第一电容c6的第二端。第二二极管d8的正极耦合于第一电容c6的第二端，即：第一二极管d6的负极；第二二极管d8的负极耦合于第二电容c8的第二端。

二极管的反向恢复效应是产生功率损耗的主要原因，而碳化硅二极管或氮化镓二极管不会在电路中产生反向恢复效应，所以在倍压器中使用碳化硅二极管或氮化镓二极管能够降低倍压器的功率损耗。因而，在一些实施例中，倍压器的每个倍压级中的二极管都采用碳化硅或氮化镓二极管，以降低倍压器的功率损耗。

然而，碳化硅二极管或氮化镓二极管相对于普通硅二极管来说成本较高，且通过实验得知由二极管的反向恢复效应造成的功率损耗主要发生在倍压器的第一倍压级。因而，在一些实施例中，仅在倍压器100的第一倍压级中采用碳化硅二极管或氮化镓二极管，在其他倍压级中则采用硅二极管。这样既能够大大降低功率损耗，又能够有效地控制电源转换器的成本。

例如，在图1所示的实施例中，第一倍压级121中的每个二极管(d2或d4)包括碳化硅二极管和氮化镓二极管中的至少一个；第二倍压级122中的每个二极管(d6或d8)包括硅二极管。

图2为根据本发明另一具体实施例的电源转换器200的示意图。参见图2，电源转换器200包括逆变器210、谐振电路230、第一倍压器220及第二倍压器240。

逆变器210、谐振电路230的结构及功能分别与图1中实施例所示的逆变器110、谐振电路130相类似，此处不再赘述。

第一倍压器220具有输入端e、f和输出端a、b。第一倍压器220的输入端e、f耦合于谐振电路230的输出端且用于接收经过谐振电路230处理的第一交流电压。第一倍压器220用于将接收到的该第一交流电压转换成第二直流电压，并从输出端a、b输出，其中，该第二直流电压的电压值大于该第一交流电压的峰值。

与图1中所示的第一倍压器120相类似的，第一倍压器220包括第一倍压级221和第二倍压级222，其中，第一倍压级221更靠近第一倍压器120的输入端e、f。每个倍压级均包括两个二极管和两个电容，它们的连接方式与第一倍压器120中的第一、第二二极管及第一、第二电容相类似，此处不再赘述。其中，第一倍压级221中的每个二极管(d2或d4)包括碳化硅二极管和氮化镓二极管中的至少一个。在一些实施例中，第二倍压级222中的每个二极管(d6或d8)包括硅二极管。

第二倍压器240具有输入端e、f和输出端c、d。第二倍压器240的输入端e、f耦合于谐振电路230的输出端且用于接收经过谐振电路230处理的第一交流电压。第二倍压器240用于将接收到的该第一交流电压转换成第三直流电压，并从输出端c、d输出，其中，该第三直流电压的电压值大于该第一交流电压的峰值。

与第一倍压器221相类似的，第二倍压器240包括第一倍压级241和第二倍压级242，其中，第一倍压级241更靠近第二倍压器240的输入端e、f。每个倍压级均包括两个二极管和两个电容，它们的连接方式与图1所示的第一倍压器120中的第一、第二二极管及第一、第二电容相类似，此处不再赘述。其中，第一倍压级241中的每个二极管(d1或d3)包括碳化硅二极管和氮化镓二极管中的至少一个。在一些实施例中，第二倍压级242中的每个二极管(d5或d7)包括硅二极管。

在图2的所示的实施例中，第一倍压器的输出端a、b与第二倍压器的输出端c、d串联耦合，也即：节点b与节点c互相连接，这样能能够在节点ad处得到一个更大的第四直流电压，该第四直流电压等于第二直流电压和第三直流电压之和。

图3为根据本发明另一具体实施例的电源转换器300的示意图。参见图3，电源转换器300包括逆变器310、谐振电路330、第一倍压器320及第二倍压器340。谐振电路330耦合在逆变器310的输出端，第一、第二倍压器的输入端e、f共同耦合在逆变器330的输出端，第一、第二倍压器的输出端互相串联。

逆变器310、第一倍压器320及第二倍压器340的结构与功能与分别与图2中所示的逆变器210、第一倍压器220及第二倍压器240相类似，此处不再赘述。

谐振电路330耦合在逆变器310和第一、第二倍压器320、340的输入端e、f之间，用于对来自逆变器310的第一交流电压进行选频处理，并将处理后的第一交流电压输出给第一、第二倍压器320、340。谐振电路330包括第一谐振单元和第二谐振单元。第一谐振单元包括互相串联的第一谐振电容cr1和第一谐振电感lr1，其耦合在逆变器310的第一输出端子h和倍压器的第一输入端子f之间。第二谐振单元包括互相串联的第二谐振电容cr2和第二谐振电感lr2，其耦合在逆变器310的第二输出端子g和倍压器的第二输入端子e之间。相比于仅包括一个谐振单元的谐振电路，例如：图2中的谐振电路230，谐振电路330包括两个谐振电容，具有更加对称的电路结构，这样能够进一步减少谐振电容和谐振电感的发热，进一步提升对电磁干扰的抑制能力。

图4为根据本发明一具体实施例的设置在基板600上的电源转换器500的示意图。参见图4，电源转换器500包括逆变器510、谐振电路530及倍压器520。逆变器510、谐振电路530及倍压器520均被设置在基板上，以组成印刷电路板。

逆变器510和谐振电路530的至少一部分，例如：用于连接电器元件的线路，被印制在基板600上。在一些实施例中，逆变器510和谐振电路530中的元件均为表贴式元件，安装于基板600的表面。

第一倍压器520的至少一部分，例如：用于连接电器元件的线路，被印制在基板600上。第一倍压器520包括多个二极管523和多个电容524。该每个二极管和电容均采用表贴式元件，即：具有扁平的形状且安装于基板600的表面。这样能够大大减小电源转换器的体积和重量，以进一步增大功率密度。在一些实施例中，第一倍压级中的每个二极管为表贴式的碳化硅二极管或表贴式的氮化镓二极管。

本发明的实施例还涉及一种电源转换方法，其可用于将较低的直流电压转换成较高的直流电压。

图5为根据本发明一具体实施例的电源转换方法700的流程示意图。参见图5，方法700包括步骤710至步骤730。

在步骤710中，通过逆变器将第一直流电压转换成第一交流电压。

在步骤720中，通过谐振电路对第一交流电压进行选频处理，以输出处理后的第一交流电压。

在步骤730中，通过第一倍压器将该经谐振电路处理后的第一交流电压转换成第二直流电压，该第二直流电压的电压值高于该第一交流电压的峰值。其中，该第一倍压器包括第一倍压级和至少一个其他倍压级，所述第一倍压级比所述其他倍压级在能量传递方向上更接近所述第一倍压器的输入端，每个倍压器包括两个二极管，且该第一倍压级的每个二极管包括碳化硅二极管和氮化镓二极管中的至少一个。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。