功率转换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及提升或降低电压的非隔离功率转换器。
【背景技术】
[0002]利用放电的点火系统已广泛用于为引擎中的喷射燃料进行点火。在这种点火系统中，由蓄电池的升压电压来产生DC电压，并且然后利用回扫变压器进一步提升该DC电压以具有更高的电压值。将升压电压引导到火花塞并且放电，由此点燃燃料。
[0003]在这种情况下，在可以通过提升蓄电池的电压来获得高DC电压时，可以将回扫变压器的增压比设置为小值，并且因此可以减小绕组的匝数比。作为结果，可以减少次级绕组的匝数，并且可以减小回扫变压器的尺寸。同样，可以减小初级绕组的传导电流。因此，可以减小回扫变压器的传导损耗，从而提高效率。
[0004]普通升压斩波电路由以下元件的串联电路制成:连接在输入端子之间的电感器和开关元件、连接在输出端子之间的电容器、以及在关断开关元件时将电感器中流动的电流引导到输出侧的二极管。在尝试利用升压斩波电路来获得高增压比时，可能会增大功率消耗，导致效率降低。
[0005]例如，非专利文献I公开了实现高增压比的DC-DC转换器。在DC-DC转换器中，由电感器和开关元件制成的串联电路的两个系统均设置在低电压侧的输入端子之间，并且由电容器和二极管制成的电压倍增器单元的N级均设置在高电压侧的输出端子之间。
[0006]串联电路的其中之一的电感器和开关元件的连接节点直接连接到最低级上的电压倍增器单元。串联电路中的另一个串联电路的电感器和开关元件的连接节点通过辅助电容器连接到最低级上的电压倍增器单元。
[0007]在这种结构中，辅助电容器与电压倍增器单元之间的连接节点用作输出端子的其中之一，并且最高级上的电压倍增器单元的端子用作输出端子中的另一个输出端子。
[0008]在转换器中，由于根据具有180°的相位差的驱动信号，两个开关是交错的，所以消除了两个电感器的电流纹波。因此，与上述普通升压斩波电路相比，可以减小两个电感器的电感。作为结果，减少了绕组的匝数，并且减小了电感器的损耗。
[0009]此外，为开关施加低电压，该低电压具有通过将输出电压除以至多电压倍增器单元的级数而获得的值的一半的值。因此，与上述普通升压斩波电路相比，减小了开关损耗。
[0010]非专利文献1:P.Kim, S.Lee, J.Park 和 S Choi, “High Step-up InterleavedBoost Converters Using Voltage Multiplier Cells，，，8thInternat1nal Conference onPower Electronics,pp.2844-2851(2011)。
【发明内容】
[0011]本公开内容的目的是提供输出端子可以接地的功率转换器，并且其中在输入端子之间的电压和输出端子之间的电压下降时电荷不会残留在电路中。
[0012]根据本公开内容的第一方面，功率转换器包括低电压端子对、高电压端子对、主电流路径的N个系统、多个存储电路、多个子限制元件、平滑存储元件、末端子限制元件、以及控制电路。低电压端子对包括第一低电压端子和第二低电压端子。高电压端子对包括第一高电压端子和第二高电压端子。第二高电压端子通常连接到第二低电压端子。主电流路径的N个系统设置在第一低电压端子与第二低电压端子之间，其中N是2或大于2的整数。主电流路径中的每一个均包括存储磁能的磁性部分和限制传导电流的主限制元件，磁性部分和主限制元件通过分支节点彼此串联连接。
[0013]为主电流路径相应地提供多个存储电路。存储电路中的每一个均包括堆叠成一级或多级并且串联连接的一个或多个存储元件。存储电路中的每一个均具有连接到主电流路径中的相应主电流路径的分支节点的下端。多个子限制元件中的每一个均连接在存储电路的其中之一的存储元件的端子与存储电路中的另一个存储电路的存储元件的端子之间。平滑存储元件连接在第一高电压端子与第二高电压端子之间。末端子限制元件具有连接到第一高电压端子的末端。控制电路控制主限制元件、子限制元件和末端子限制元件的至少其中之一。
[0014]为主电流路径的N个系统和相应地连接到主电流路径的存储电路分配从第一到第N的顺序次序。第一存储电路的每级的存储元件的下部端子通过子限制元件中的相应的子限制元件连接到第二存储电路的相应级的存储元件的上部端子。
[0015]除了连接到末端子限制元件的存储元件之外，第二到第N存储电路中的每个存储电路的每级的存储元件的上部端子通过子限制元件中的相应的子限制元件而连接到随后的存储电路的相应级的存储元件的上部端子。
[0016]子限制元件通过其端子彼此连接以限定子限制元件的串联路径，以使子限制元件可以顺序地跟随相同的极性，串联路径从一端连接到第一存储电路的下端的子限制元件开始，并且串联路径以子限制元件中的另一个子限制元件结束。末端子限制元件连接在终结串联路径的子限制元件中的另一个子限制元件的上部端子与第一高电压端子之间。
[0017]通过串联路径，从最低级上的存储元件到最高级上的存储元件按照预定次序(例如第二存储电路、……、第N存储电路、第一存储电路……)跟随第一到第N存储电路的所有存储元件的上部端子。
[0018]连接限定串联路径的子限制元件以具有预定连接极性，以使得通过在相邻存储电路的存储元件之间转移电荷来在低电压端子对与高电压端子对之间以预定方向传输电功率。
[0019]由开关或整流元件提供所有主限制元件。在由开关提供所有主限制元件的情况下，由整流元件或开关提供子限制元件和末端子限制元件。控制电路周期性地接通和关断主限制元件，并且执行开关操作以根据连接极性在串联路径中产生电荷转移。在开关操作中，在连接到存储电路的主限制元件的其中之一处于关断状态的周期中的一部分或全部中，控制电路控制相应的子限制元件以使其处于接通状态，其中与串联路径的子限制元件连接的下侧上的子限制元件的端子的其中之一连接到所述存储电路。在主限制元件的其中之一处于接通状态的整个周期中，控制电路控制子限制元件以使其处于关断状态。
[0020]在由整流元件提供所有主限制元件的情况下，由开关提供所有子限制元件和末端子限制元件。控制电路周期性地切换子限制元件的接通状态和关断状态，以使得子限制元件中的连接到同一存储电路的子限制元件保持相同的接通或关断状态。
[0021]根据第一方面，主限制元件是交错的。因此，可以消除磁性部分的电流纹波。像这样，与上述普通升压斩波器相比，可以减小磁性部分的尺寸，并且可以减小磁性部分的损耗。此外，与上述普通升压斩波器相比，降低了施加到主限制元件的电压，并且减小了开关损耗。
[0022]根据第一方面，在第二低电压端子和第二高电压端子公共连接的状态下操作功率转换器。因此，在用作输入端子的第二低电压端子和第二高电压端子的其中之一接地时，第二低电压端子和第二高电压端子中的另一个也接地。像这样，功率转换器的输出端子的电势被固定，并且流经杂散电容的电流受到限制。因此，减小了传导噪声。在例如通过短路而使第一低电压端子与第二低电压端子之间的电压以及第一高电压端子与第二高电压端子之间的电压为零时，可以对平滑存储元件和存储电路中的其它所有存储元件的电荷进行放电，并且不会残留电荷。
[0023]根据本公开内容的第二方面，在第一方面的功率转换器中，在由开关提供所有主限制元件的情况下，由整流元件提供所有子限制元件和末端子限制元件。功率转换器被配置为对从低电压端子对输入的电压进行升压或逆变升压，并且将该电压从高电压端子对输出。控制电路控制主限制元件中的每一个，以使得每个主限制元件处于接通状态，并且然后仅在预定的电荷传输周期中处于关断状态，并且至少一个主限制元件处于接通状态。
[0024]根据第二方面，在控制主限制元件以使其处于接通状态时，磁性部分中存储的磁能增加。在控制主限制元件以使其处于关断状态时，磁能转移到存储电路的存储元件作为静电能。由于重复控制，将从低电压端子输入的能量传输到高电压端子。在这种情况下，如果所有主限制元件处于关断状态，则不会形成应用将磁能转移到存储电路的存储元件的转移路径。
[0025]根据本公开内容的第三方面，在第一方面的功率转换器中，在由开关提供所有主限制元件的情况下，由开关提供所有子限制元件和末端子限制元件。功率转换器被配置为具有第一操作状态和第二操作状态的其中之一，在第一操作状态中，对从低电压端子对输入的电压进行升压或逆变升压，并且将该电压从高电压端子对输出，在第二操作状态中，降低从高电压端子对输入的电压，并且将该电压从低电压端子对输出。控制电路控制主限制元件中的每一个，以使每个主限制元件处于接通状态，并且然后仅在预定的电荷传输周期中处于关断状态，并且至少一个主限制元件处于接通状态。此外，控制电路控制连接在第M存储电路与第M存储电路之后的存储电路之间的子限制元件，以使其处于与连接到第M存储电路的主限制元件的状态相反的接通状态和关断状态，其中M是I到N中的任何一个。
[0026]根据第三方面，在主限制元件和子限制元件中的任何一个中执行同步整流。因此，可以减小存储元件的传导损耗，并且可以进一步提高功率转换器的效率。
[0027]根据本公开内容的第四方面，在第一方面的功率转换器中，在由整流元件提供所有主限制元件的情况下，由开关提供所有子限制元件和末端子限制元件。功率转换器被配置为降低从高电压端子对输入的电压并且将该电压从低电压端子对输出。子限制元件和末端限制元件被分类成第一到第N子限制元件组，以使得具有连接到同一存储元件的端子的子限制元件和末端子限制元件被包括在同一子限制元件组中。控制电路控制子限制元件组中的每个子限制元件，以使每个子限制元件组处于关断状态，并且然后仅在预定的电荷传输周期中处于接通状态，并且至少一个子限制元件组处于关断状态。
[0028]根据第四方面，在包括设置在穿过串联路径的从第M存储电路到随后的存储电路的路线上的子限制元件的子限制元件组处于接通状态时，充电电流通过子限制元件从随后的存储电路的存储元件流到第M存储电路的存储元件。通过第M主电流路径的磁性部分从低电压端子输出充电电流。此时，第M主电流路径的主限制元件处于关断状态。在末端子限制元件连接到第M存储电路的情况下，充电电流通过末端子限制元件从高电压端子流到第M存储电路。
[0029]在包括设置在从第M存储电路到随后的存储电路的路线上的子限制元件的子限制元件组处于关断状态时，电流通过第M主电流路径的主限制元件和磁性部分回流。这样，降低了从高电压端子输入的电压，并且将该电压从低电压端子输出。
[0030]根据本公开内容的第五方面，在根据第一到第三方面中的任何一个方面的功率转换器中，提供了缓冲电路。缓冲电路包括缓冲第一整流元件、缓冲存储元件和缓冲第二整流元件。将缓冲第一整流元件和缓冲存储元件串联连接，以使缓冲第一整流元件和缓冲存储元件之间的中间节点插入在主电流路径的其中之一的分支节点与主电流路径中的另一个的分支节点之间。缓冲第二整流元件连接在第二存储电路的最低级上的存储元件的上部端子与中间节点之间。
[0031]在第一高电压端子的电势高于第二高电压端子的电势的情况下，缓冲第一整流元件的阳极连接到主电流路径的其中之一，并且缓冲第二整流元件的阳极连接到中间节点。在第一高电压端子的电势低于第二高电压端子的电势的情况下，缓冲第一整流元件的阴极连接到主电流路径的其中之一并且缓冲第二整流元件的阴极连接到中间节点。在缓冲电路连接到与第二存储电路相对应的主电流路径的情况下，缓冲第一整流元件中的与连接到中间节点的端子相对的端子连接到与第二存储电路相对应的主电流路径。
[0032]对于升压电路而言，在缓冲第一整流元件所连接到的主电流路径中的主限制元件关断时，主电流路径的磁路中流动的电流流入缓冲电路中并且为缓冲存储元件充电。另一方面，在缓冲电路的缓冲存储元件所连接到的主电流路径中的主限制元件关断时，缓冲存储元件中存储的电荷被放电并且被转移到缓冲第二整流元件所连接到的存储电路。由于这种操作，在缓冲电路所连接到的主限制元件关断时，减小了急剧的电压变化。同样，可以在零电压处实现软开关，并且可以限制浪涌电压。在该情况下，可以在输出侧重新产生缓冲存储元件中存储的缓冲能量。
[0033]根据本公开内容的第六方面，在根据第一到第五方面中的任何一个方面的功率转换器中，磁性部分为电感器。电感器被广泛使用，并且可以容易制作功率转换器。
[0034]根据本公开内容的第七方面，在根据第一到第六方面中的任何一个方面的功率转换器中，主电流路径的磁性部分彼此共享磁芯。与单独提供独立的磁性部分的情况相比，可以减小磁性部分的总体积和磁性部分布置中的无用空间。像这样，可以减小功率转换器的尺寸。
[0035]根据本公开内容的第八方面，根据第一到第七方面中的任何一个方面的功率转换器还包括中间端子对、平滑存储元件和中间子限制元件。中间端子对包括第一中间端子和第二中间端子。第一中间端子公共连接到第一低电压端子、第二低电压端子、第一高电压端子和第二高电压端子的其中之一。平滑存储元件连接在中间端子对之间。用于引出中间输出的中间子限制元件连接到存储电路的其中之一的存储元件的其中之一的上部端子或上部端子以及第二中间端子。以与末端子限制元件的极性相同的极性连接中间子限制元件。在该结构中，可以从一个功率转换器获得多个系统的输出电压。与为多个输出相应地提