用于功率变换的装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 背景
技术领域
[0002] 本公开的实施方式一般涉及DC-DC功率变换，更具体地涉及DC-DC功率变换期间 的无损传输。
【背景技术】
[0003] 电子开关模式DC-DC变换器通过存储介质转移能量将一个直流电压电平变换成 另一个直流电压电平。一些开关模式DC-DC变换器（诸如，回扫变换器）利用变压器执行 这样的能量存储。在回扫变换器中，在电流控制开关被激活以允许电流流过初级绕组时的 第一时期，能量存储在变压器的初级绕组，然后在电流控制开关禁用时的第二时期，所存储 的能量转移至变压器的次级绕组。
[0004] 在回扫变换器的操作期间，流入初级绕组的电流产生耦合至次级绕组的磁通量。 磁通量还穿过绕组之间的路径，在变压器中产生漏电感。当变压器的绕组似乎具有与每个 绕组串联的一些自电感时，这样的漏电感为变压器的属性。存储在漏电感中的能量不能转 移至次级绕组，因此被浪费了。此外，当电流控制开关被禁用时，漏电感使电流控制开关两 端的电压激振，这导致在开关的两端产生尖锐的电压峰并且可能损坏开关。为了减少这样 的风险，必须米用尚成本开关。
[0005] 因此，在本领域中需要更有效地操作DC-DC变换器的方法和装置。
【发明内容】
[0006] 本发明的实施方式一般涉及操作DC-DC变换器的方法。该方法包括：基于DC-DC 变换器的变压器的匝数比，匹配DC-DC变换器的初级侧电容与DC-DC变换器的次级侧电容 以产生匹配的电容；以及用被设定成使初级绕组电流在峰值与0之间振荡的至少一个操作 参数操作DC-DC变换器，使得初级绕组电流的谷与次级开关元件电压的零交点重合。
【附图说明】
[0007] 参考实施方式可对上面简要概括的发明进行更具体的描述从而使本发明的上述 特征可被详细理解，其中一些实施方式在附图中示出。但是，应注意，附图仅示出本发明的 典型实施方式，因此不能被认为是对本发明范围的限制，因为本发明可允许其它等同有效 的实施方式。
[0008] 图1是根据本发明的一个或多个实施方式的适于无损传输的功率变换系统的框 图；
[0009] 图2是根据本发明的一个或多个实施方式的当电流控制开关被禁用时等效电路 的不意图；
[0010] 图3是根据本发明的一个或多个实施方式的当基于第一过渡时间实现无损传输 时DC-DC变换器的电流和电压波形的多个曲线图；
[0011] 图4是根据本发明的一个或多个实施方式的当基于第二过渡时间实现无损传输 时DC-DC变换器的电流和电压波形的多个曲线图；
[0012] 图5是根据本发明的一个或多个实施方式的当基于第三过渡时间实现无损传输 时DC-DC变换器的电流和电压波形的多个曲线图；
[0013] 图6是根据本发明的一个或多个实施方式的用于在DC-DC变换器操作期间实现无 损传输的方法的流程图；
[0014] 图7是根据本发明的一个或多个实施方式的用于设定初级绕组电容和次级绕组 电容以在DC-DC变换器的操作期间实现无损传输的方法的流程图；
[0015] 图8是根据本发明的一个或多个实施方式的用于减少DC-DC变换器操作期间电流 控制开关上的峰值应力的方法的流程图；
[0016] 图9是根据本发明的一个或多个实施方式的用于设定电感以在DC-DC变换器操作 期间实现无损传输的方法的流程图；以及
[0017] 图10是根据本发明的一个或多个实施方式的用于确定一个或多个DC-DC变换器 操作参数的计算机的框图。
【具体实施方式】
[0018] 图1是根据本发明的一个或多个实施方式的适于无损传输的功率变换系统100的 框图。功率变换系统100包括直流电压源102和DC-DC变换器104。直流电压源102可以 为任意合适的DC源，诸如用于提供直流电压的前一变换阶段的输出、电池、可再生能源（例 如，太阳电池板、风力涡轮机、水电系统或类似的可再生能源）等。DC-DC变换器104可以如 图1所示的用于DC-DC功率变换的独立配置的形式被采用。可选地，DC-DC变换器104可与 其它功率变换装置的部件一同使用或被用作其它功率变换装置的部件，其它功率变换装置 诸如为DC-AC换流器。例如，DC-DC变换器104可以是将来自一个或多个可再生能源（诸 如，光伏（PV)面板）的直流功率变换成交流功率的DC-AC换流器中的功率变换部分。
[0019] 在一个实施方式中，DC-DC变换器104可以是包括变压器的回扫变换器（即，开关 模式变换器），变压器可建模成理想变压器108和模拟变压器的非理想方面的外部电感（诸 如，磁化电感和漏电感）。DC-DC变换器104的初级侧包括输入电容器106、变压器108的 初级绕组108p、耦合在初级绕组IOSp两端且表示变压器磁化电感的电感LM、以及电流控制 开关112。变压器108的漏电感表示成与初级绕组IOSp串联的电感器LK ;可选地，电感器 LK可通过与初级绕组108p串联耦合电等效的方式耦合至DC-DC变换器104 (例如，电感器 LK可与次级绕组108s串联耦合以表示漏电感）。电容器CP(表示有效的初级侧电容）与 电流控制开关112并联耦合；可选地，电容器CP可通过与耦合在电流控制开关112两端电 等效的方式耦合至DC-DC变换器104 (例如，电容器CP可耦合在初级绕组108p的两端）。 在一些实施方式中，电容器CP可表不电流控制开关112的寄生电容。输入电容器106 I禹合 在DC-DC变换器104的两个输入端以从直流电压源102接收输入电压Vitx，并且还耦合在 初级绕组108p、电感器LK和电流控制开关112的串联组合的两端。
[0020] 在一些可选实施方式中，电感器LK可表不变压器漏电感和与初级绕组108p和/ 或次级绕组108s串联的一个或多个附加电感的组合，即，LK表示提供至初级侧的总有效串 联电感，并且可体现有意和/或无意地出现于初级和/或次级侧的电感。例如，LK可表示 变压器108的寄生漏电感加上耦合至DC-DC变换器104的一个或多个电感器的电感和/或 一个或多个其它部件的寄生电感。附加地或可选地，CP可表示控制开关112的寄生电容和 一个或多个附加电容的组合，诸如控制开关112两端或以与耦合在控制开关112两端电等 效的方式耦合至DC-DC变换器104的一个或多个电容器的电容和/或一个或多个其它部件 的寄生电容。在一些这样的可选实施方式中，附加电感器和/或电容器中的一个或多个可 以是可调谐的和/或能够操作地接入DC-DC变换器或从DC-DC变换器断开（例如，电感器 可通过与电感器并联的开关接入电路或从电路断开；电容器可通过与电容器串联的开关接 入电路或从电路断开）。
[0021] DC-DC变换器104的次级侧包括变压器108的次级绕组108s、二极管114和输出 电容器118。次级绕组108s耦合在二极管114 ( 即，次级开关元件）和输出电容器118的组 合的两端，其中二极管114的阳极端耦合至次级绕组108s的第一端，二极管114的阴极端 耦合至输出电容器118的第一端，输出电容118的第二端耦合至次级绕组108s的第二端。 在一些可选实施方式中，可为次级整流采用不同的配置。例如，第二二极管可耦合在次级绕 组108s的第二端与电容器118的第二端之间；二极管114可耦合在次级绕组108s的第二 端与输出电容器118的第二端之间；或者次级整流可通过合适的控制器而不是二极管控制 的开关实现（例如，"同步整流"）。
[0022] DC-DC变换器104的两个输出端耦合在输出电容器118的两端以提供输出电压V 输出。电容器CS (表示有效的次级侧电容）与二极管114并联耦合；可选地，电容器CS可通 过与耦合在二极管114两端电等效的方式耦合至DC-DC变换器104。与电容器CP类似，在 一些实施方式中，电容器CS可表不二极管114的寄生电容；在一些可选实施方式中，电容器 CS可表示二极管114的寄生电容与耦合在二极管114两端或以与耦合在二极管114两端电 等效的方式耦合至DC-DC变换器104的一个或多个附加电容器和/或一个或多个其它部件 的寄生电容的组合。在一些这样的可选实施方式中，附加电容器中的一个或多个可以是可 调谐的和/或能够操作地接入DC-DC变换器104或从DC-DC变换器104断开（例如，具体 的电容器可通过与电容器串联的开关接入电路或从电路断开）。
[0023] DC-DC变换器104还包括DC-DC变换控制模块120, DC-DC变换控制模块120耦合 至电流控制开关112的一端以控制（即，激活和禁用）电流控制开关112。
[0024] DC-DC变换器104基于电流控制开关112的激活和禁用从直流电压源102接收输 入电压％!^并且将输入电压％^变换成输出电压V if^。当电流控制开关112被激活（即闭 合）时，线性上升的初级绕组电流Ip流过电感器LM，将能量存储在电感器LM和电感器LK 中。在初级绕组电流Ip的峰值水平处（即在Ippeak处），电流控制开关112被禁用（即打 开），使存储在电感器LM中的能量转移至次级绕组108s并且产生流过二极管114的线性下 降的次级绕组电流Is。通过电流控制开关112的切换循环所导致的输出电容器118的充电 /放电产生期望的输出电压
[0025] 在电流控制开关112打开时，能量存储在电感器LK中。然而，因为电感器LK与次 级绕组108s之间没有耦合，该能量不能转移至次级绕组108s。根据如下所述的本发明一 个或多个实施方式，创建峰值电流Ippeak、电容器CP和CS、以及电感器LK使得存储在电感 器LK中的能量转移至电容器CP和CS。然后，转移的能量可在DC-DC变换器104的软切换 期间恢复，由此消除初级绕组l〇8p与次级绕组108s之间的能量转移期间电流控制开关112 的漏源电压上的激振，并且导致变压器108中能量的无损传输。
[0026] 在一个或多个可选实施方式中，可利用DC-DC变换器104中的一个或多个附加元 件，诸如一个或多个电容器（例如，耦合在电容器CP、电容器CS两端，和/或以与耦合在CP 和/或CS两端电等效的方式耦合至DC-DC变换器）和/或一个或多个电感器（例如，与电 感器LK串联耦合，或以与LK串联耦合电等效的方式耦合至DC-DC变换器104)实现无损 传输。在一些实施方式中，这些附加元件中的一个或多个可以是可调谐的和/或能够接入 DC-DC变换器104或从DC-DC变换器104断开。
[0027] 在一个或多个可选实施方式中，DC-DC变换器104可以是升压变换器、升降压变换 器、正向变换器、全桥变换器、或具有类似传输功能的类似变换器。
[0028] 图2是根据本发明的一个或多个实施方式的当电流控制开关112被禁用时的等效 电路200的示意图。等效电路200利用图1所示的理想变压器模型以及分别模拟磁化电感 和漏电感的电感器LM和LK，其中实际变压器被建模成理想变压器108。电路200包括电感 器LM、电感器LK和电容器CP的串联耦合，其中电感器LM的电感远大于电感器LK的电感。 电压Vfirx为LM、LK和CP串联耦合的两端的电压。表示电流控制开关112的理想开关202 耦合在电容器CP的两端。电容器CS-反映表示反映到变压器108的初级侧上的电容器。电 容器CS-反映和二极管114并联耦合；在电感器LM