升压dc-dc功率转换器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种升压DC?DC功率转换器，其包括通过电流隔离屏障耦接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子以及耦接在正输入端子与负输入端子之间的输入电容器，并且次级侧电路包括第一正电极与第二负电极之间的可充电至转换器输出电压的输出电容器。交换能量存储网络被配置为根据开关控制信号通过电流隔离屏障交替地从输入电压充电以及向输出电容器放电，以产生转换器输出电压。升压DC?DC功率转换器包括跨越电流隔离屏障的电气短路连接，该电气短路连接在第一种情况下将输出电容器的第二负电极连接至初级侧电路的正输入端子，或者在第二种情况下将输出电容器的第二正电极连接至初级侧电路的负输入端子，由此在第一和第二种情况下都建立输出电容器与输入电容器的串联耦接。在第一种情况下，建立输出电容器的第一正电极与负输入端子之间的负载连接，或者在第二种情况下，建立输出电容器的第二负电极与正输入端子之间的负载连接。
【专利说明】
升压DC-DC功率转换器
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种升压DC-DC功率转换器，该功率转换器包括通过电流隔离屏障耦接的初级侧电路和次级侧电路。该初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子以及耦接在正输入端子与负输入端子之间的输入电容器，并且次级侧电路包括第一正电极与第二负电极之间的可充电至转换器输出电压的输出电容器。交换能量存储网络被配置为根据开关控制信号通过电流隔离屏障交替地从输入电压充电以及向输出电容器放电，以产生转换器输出电压。升压DC-DC功率转换器包括跨越电流隔离屏障的电气短路连接，该电气短路连接在第一种情况下将输出电容器的第二负电极连接至初级侧电路的正输入端子，或者在第二种情况下将输出电容器的第二正电极连接至初级侧电路的负输入端子，由此在第一种情况和第二种情况下都建立输出电容器与输入电容器的串联耦接。在第一种情况下，建立输出电容器的第一正电极与负输入端子之间的负载连接，或者在第二种情况下，建立输出电容器的第二负电极与正输入端子之间的负载连接。
【背景技术】
[0002]为了提供用于给定输出功率要求或规范的最小可能物理尺寸和/或最低成本，功率密度和部件成本是隔离型和非隔离型DC-DC功率转换器的关键性能度量。对于高切换频率(诸如，IMHz以上的频率)，谐振功率转换器是特别有用的，其中，在高切换频率处，由于转换效率原因，标准SMPS拓扑的切换损耗(降压、升压等)是不能够被接受的。通常期望高切换频率，因为高切换频率会使得功率转换器的电路部件(比如电感器和电容器)的电尺寸和物理尺寸变小。较小部件允许DC-DC功率转换器的功率密度增加。在谐振功率转换器中，由“谐振”半导体开关取代标准SMPS的输入“斩波器”半导体开关(通常MOSFET或IGBT)。谐振半导体开关依赖电路电容和电感的谐振来形成跨越半导体开关的电流或电压的波形，使得当发生状态切换时，不存在通过半导体开关的电流或在半导体开关的两端不存在电压。因此，输入半导体开关的固有电容或电感中的至少一些的功率消耗被大量消除，使得大幅度提高切换频率变得切实可行，例如增至I OMHz以上的值。在如同零电压和/或零电流切换(ZVS和/或ZCS)操作的标准下，该概念是本领域已知的。在ZVS和/或ZCS下操作的常用切换模式功率转换器通常被描述为E类、F类或DE类逆变器或功率转换器。
[0003]鉴于以上内容，减小隔离型和非隔离型DC-DC功率转换器的尺寸以及降低其部件成本仍然是一项挑战。因此，极度期望一种新型升压DC-DC功率转换器拓扑，其可以降低DC-DC转换器的有源和无源部件的所需要的最大额定电压。同样，极度期望一种新型升压DC-DC功率转换器拓扑，其可以降低有源和无源部件(例如，电感器、电容器、晶体管以及二极管)的物理尺寸或成本。
【发明内容】
[0004]本发明的第一方面涉及一种升压DC-DC功率转换器，该升压DC-DC功率转换器包括通过电流隔离屏障耦接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子以及親接在正输入端子与负输入端子之间的输入电容器，并且次级侧电路包括第一正电极与第二负电极之间的可充电至转换器输出电压的输出电容器。交换能量存储网络被配置为根据开关控制信号通过电流隔离屏障交替地从输入电压充电以及向输出电容器放电，以产生转换器输出电压。升压DC-DC功率转换器包括跨越电流隔离屏障的电气短路连接，该电气短路连接在第一种情况下将输出电容器的第二负电极连接至初级侧电路的正输入端子，或者在第二种情况下将输出电容器的第二正电极连接至初级侧电路的负输入端子，由此在第一种情况和第二种情况下都建立输出电容器与输入电容器的串联親接。在第一种情况下，建立输出电容器的第一正电极与负输入端子之间的负载连接，或者在第二种情况下，建立输出电容器的第二负电极与正输入端子之间的负载连接。
[0005]以下参考隔离型的E类、DE和SEPIC类的谐振DC-DC功率转换器拓扑以及非谐振反激式DC-DC转换器拓扑的特定执行过程来详细描述本发明。技术人员将理解，本发明同样适用于其他类型的隔离型谐振和非谐振DC-DC功率转换器，诸如Ji2类逆变器和整流器以及谐振升压、降压、LCC转换器等。
[0006]技术人员将理解，跨越电流隔离屏障的电气短路连接通过将输出电容器的第二电极与负输入端子互连，来消除升压DC-DC转换器的主级侧电路与次级侧电路之间的电流隔离。然而，整体上，电气短路连接向DC-DC转换器提供很多新的益处，并且在很多应用(其中，转换器电路与诸如翻新LED灯和管的使用者隔离)中，缺少电流隔离是可接受的。由电气短路连接建立的输出电容器与输入电容器的串联连接具有如下效果:次级侧电路只需要向转换器负载提供该升压DC-DC转换器的输出电压减去输入电压，而不是提供如在通用隔离型DC-DC功率转换器中的整个转换器输出电压。如以下参考图1A)、图1B)和图1C)进一步详细说明的，取决于电气短路连接的连接点，转换器负载耦接在输出电容器的第一正电极与负输入端子之间或者耦接在输出电容器的第二负电极与正输入端子之间。因此，由于交换能量存储网络只提供转换器输出电压的一部分，所以它也只向转换器负载提供相应的总功率的一部分。升压DC-DC功率转换器的次级侧电路中的降低电压降低其中的有源和无源部件(诸如，半导体开关或开关、电感器(多个电感器)、电容器、二极管(多个二极管)等)所需要的最大额定电压。降低的有源和无源部件的最大额定电压导致物理上较小和/或成本较低的有源和无源部件。此外，后者部件的生命周期可通过较小电压应力而增加。同样，在初级侧电路中，对于传递至转换器负载的给定量输出功率，通过升压DC-DC转换器传输的较小量功率导致用于有源半导体开关的功率需求降低，从而使得要应用的半导体成本较低且物理上较小。
[0007]如以下参考图1A)、图1B)和图1C)进一步详细说明的，由于它们串联连接，输出功率的剩余部分直接从输入电压源和输入电容器转移至输出电容器，因此实现了通过交换能量存储网络传输的功率量的有益降低。
[0008]技术人员将理解，交换能量存储网络可包括很多类型的通用开关拓扑，诸如，单个开关拓扑、半桥开关拓扑或全桥开关拓扑。优选地，交换能量存储网络包括至少一个半导体开关，诸如，MOSFET或IGBT(诸如氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)晶体管)。至少一个半导体开关的控制端子(例如，栅极或基极)可耦接至开关控制信号，并且由开关控制信号驱动以便交替地促使至少一个半导体开关在接通状态与断开状态之间切换。在接通状态时，交换能量存储网络的电感器可利用来自输入电压源的能量充电，并且在以下断开状态时，向输出电容器释放存储的能量以对输出电容器充电。升压DC-DC转换器的次级侧电路可包括插入在转换器负载的前方的整流元件(诸如，二极管或晶体管)。
[0009]电流隔离屏障可包括变压器，该变压器包括一对磁性耦接的电感器，这对磁性耦接的电感器包括电连接至初级侧电路的第一电感器以及电连接至次级侧电路的第二电感器。第一电感器和第二电感器可以是均围绕共用导磁结构缠绕的不连续绕组以形成隔离变压器。在替换实施例中，第一电感器和第二电感器集成在印刷电路板中而没有介于其间的磁性材料。印刷电路板可具有安装在其上的整个升压DC-DC功率转换器。
[0010]在又一实施例中，电流隔离屏障包括:第一电容器和第二电容器，该第一电容器与初级侧电路的正输入端子以及输出电容器的第一正电极串联耦接，该第二电容器与初级侧电路的负输入端子以及输出电容器的第二负电极串联耦接。在具有I OMHz或以上的切换频率或开关控制信号的频率的升压谐振DC-DC功率转换器中，第一电容器和第二电容器中的每一个可拥有特别小的物理尺寸。在后一实施例中，第一电容器和第二电容器中的每一个可包括陶瓷电容器并可拥有小于1nF的电容，诸如小于InF(诸如，小于10pF)。具有这些电容的隔离电容器可以是如以下讨论的具有非常小的覆盖区的安装有SMD的陶瓷电容器。
[0011]技术人员将理解，实用的电气短路连接将拥有有限DC电阻，并且该有限DC电阻的上限将根据升压DC-DC功率转换器的输入/输出电压和/或电流要求而改变。电气短路连接可拥有小于IkQ的DC电阻，甚至更优选地，小于100 Ω (诸如，小于10 Ω)。在其他实施例中，电气短路连接可具有单向电阻，使得DC电阻只在一个方向上落入以上提及的上限以下，并且在相反方向上表现出更大DC电阻，即，二极管特性。
[0012]升压DC-DC功率转换器的一个实施例是基于E类转换器的，并且交换能量存储网络包括第一电感器和第二电感器，该第一电感器与第二电感器串联连接，并且与正输入端子串联连接。半导体开关设置有第一开关节点和第二开关节点，该第一开关节点连接在串联连接的第一电感器与第二电感器之间的中点节点之间，该第二开关节点连接至初级侧电路的负输入端子。半导体开关的控制端子连接至开关控制端子;并且第三电感器具有通过电流隔离屏障的第一电容器连接至第二电感器的第二端的第一端，以及连接至输出电容器的正电极处的转换器输出电压的第二节点。整流器连接在第三电感器的第一端与输出电容器的负电极之间。
[0013]升压DC-DC功率转换器的另一实施例是基于反激式转换器拓扑的，其中，隔离变压器的第一和第二电感器集成在交换能量存储网络中。第一电感器布置有连接至正输入电压端子的第一电感器端以及连接至半导体开关的第一节点(诸如，MOSFET开关的漏极端子)的第二电感器端。半导体开关的第二节点连接至初级侧电路的负输入端子。隔离的第二电感器分别包括通过整流器连接至输出电容器的第一正电极的第一电感器端以及连接至输出电容器的第二负电极的第二电感器端。
[0014]如以下更详细讨论的，升压DC-DC功率转换器可包括谐振DC-DC功率转换器，以促进交换能量存储网络的半导体开关或开关的零电压和/或零电流交换。如以下讨论的，在开关控制信号的诸如1MHz以上或20MHz以上(诸如，30MHz或以上)的高切换频率上，谐振DC-DC功率转换器是特别有优势的。
[0015]升压DC-DC功率转换器可包括模式选择半导体开关，该模式选择半导体开关被配置为在两个区别操作模式之间切换升压DC-DC功率转换器。根据该实施例，升压DC-DC功率转换器包括耦接在正输入端子与输出电容器的第二负电极之间的整流元件(诸如二极管)。被配置为选择性断开和闭合电气短路连接的模式选择半导体开关，使得:
[0016]在升压DC-DC功率转换器的第一模式中，建立输出电容器与输入电容器的串联连接;并且
[0017]在升压DC-DC功率转换器的第二模式中，断开输出电容器与输入电容器的串联耦接。
[0018]模式选择半导体开关可通过施加在模式选择半导体开关的控制端子(诸如，MOSFET或FET半导体开关的栅极端子或者BJT或IGBT半导体开关的基极端子)上的合适控制电压而在导电状态与非导电状态之间切换。连接至升压DC-DC功率转换器或者与升压DC-DC功率转换器集成的模式控制电路可被配置为将该控制电压提供至模式选择半导体开关。在模式选择半导体开关的导电或接通状态时，选择升压DC-DC功率转换器的第一模式，并且在模式选择半导体开关的非导电或断开状态时，选择升压DC-DC功率转换器的第二模式。整流元件可包括普通二极管或有源二极管，例如，被配置为通过施加至半导体开关的控制端子的合适控制信号而用于二极管操作的半导体开关。
[0019]如以下参考附图更详细讨论的，升压DC-DC功率转换器的该实施例的模式切换特征具有若干优点，诸如，增加转换器的动态电压操作范围。
[0020]在该升压DC-DC功率转换器的特别有利的实施例的范围中，交换能量存储网络的开关控制信号处于具有1MHz或以上，或者更优选地，20MHz或以上(诸如，30MHz或以上)的切换频率的所谓VHF范围中。优选地，这些升压DC-DC功率转换器包括如上提及的谐振拓扑以促进交换能量存储网络的半导体开关或开关的零电压和/或零电流切换。这些升压DC-DC功率转换器的VHF操作使得有源和无源部件(诸如，先前讨论的电感器和电容器)的电气尺寸和物理尺寸的显著降低。因此，先前提及的该升压DC-DC功率转换器的电流隔离屏障的变压器或电容器可以物理上较小且较便宜。在VHF频率范围中，当隔离电容器中的每一个的电容较小，诸如1nF或在某些情况下甚至更小，例如，小于InF(诸如，大约10pF)时，基于电容器的电流隔离变得特别有利。具有这些电容的隔离电容器可包括具有非常小覆盖区(例如，小于Icm2的覆盖区(例如，下至大约4mm2的覆盖区))的安装有SMD的陶瓷电容器。在升压DC-DC功率转换器(诸如谐振升压DC-DC功率转换器)的VHF频率范围操作实施例中，输入电容器和输出电容器中的每一个可具有小于10nF的电容。技术人员将理解，在本发明的某些实施例中，输入电容器和输出电容器可分别仅由与初级侧电路和次级侧电路有关的寄生电容形成。
[0021]此外，技术人员将理解，如以下参考图2A)-2B)、图3A)-3B)、图4A)-4B)以及图5A)-5B)更详细描述的，该升压DC-DC功率转换器中的每一个可通过对具有对应拓扑的隔离型DC-DC功率转换器进行变换来构造。因此，本发明的第二方面涉及一种将隔离型DC-DC功率转换器转换为具有较高功率转换效率的升压DC-DC功率转换器的方法，所述方法包括如下步骤:
[0022]提供隔离型DC-DC功率转换器的初级侧电路和次级侧电路，
[0023]将输入电容器耦接在初级侧电路的正输入端子与负输入端子之间，
[0024]将输出电容器耦接在次级侧电路的正端子与负端子之间，
[0025]通过电流隔离屏障耦接初级侧电路与次级侧电路，
[0026]提供交换能量存储网络，该交换能量存储网络被配置为根据开关控制信号通过电流隔离屏障交替地从转换器的输入电压充电以及向输出电容器放电，以产生转换器输出电压，
[0027]在第一种情况下，将跨越电流隔离屏障的电气短路从次级侧电路的负输出端子连接至初级侧电路的正输入端子，或者在第二种情况下，将次级侧电路的正输出端子连接至初级侧电路的负输入端子，由此在第一种情况和第二种情况下都建立输出电容器与输入电容器的串联耦接。
[0028]在第一种情况下，在次级侧电路的正端子与负输入端子之间耦接功率转换器负载，或者在第二种情况下，在次级侧电路的负端子与初级侧电路的正输入端子之间耦接功率转换器负载。
[0029]以上转换方法的优选实施例生成先前讨论的具有模式切换特征的升压DC-DC功率转换器。这通过增加如下进一步方法步骤实现:
[0030]在正输入端子与输出电容器的第二负电极之间连接整流元件，诸如二极管；以及
[0031]将模式选择半导体开关插入电气短路连接，用于选择性断开和闭合/造成短路连接，使得:
[0032]在升压DC-DC功率转换器的第一模式中，建立输出电容器与输入电容器的串联连接；以及
[0033]在升压DC-DC功率转换器的第二模式中，断开或中断输出电容器与输入电容器的串联親接。
[0034]由于如上所述的由电气短路连接提供的输入电容器和输出电容器的串联连接，传递至转换器负载的大量功率可从输入电压源以及输入侧电路的输入电容器直接转移至输出侧电路的输出电容器，所以实现了该升压DC-DC功率转换器实施例的较高功率转换效率。因此，较小量功率必须通过交换能量存储网络和隔离屏障转移，从而导致其有源和/或无源部件中的较低功率损耗。隔离型DC-DC功率转换器可包括谐振DC-DC功率转换器，优选地，隔离型DC-DC功率转换器可包括这样一个谐振DC-DC功率转换器:其交换能量存储网络的开关控制信号的频率具有I OMHz或以上的频率，诸如20MHz或以上，更优选地，30MHz或以上。
【附图说明】
[0035]将结合附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中:
[0036]图1A)和1B)是示出根据本发明的第一实施例的升压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
[0037]图1C)是根据本发明的第二实施例的升压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
[0038]图1D)是根据本发明的第三实施例的升压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
[0039]图1E)是根据本发明的第四实施例的升压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
[0040]图1F)是根据本发明的第五实施例的升压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
[0041]图2A)是相关技术的包括串联谐振电路的隔离型E类谐振DC-DC转换器的电气电路图，
[0042]图2B)是根据本发明的第六实施例的包括串联谐振电路的E类谐振升压DC-DC功率转换器的电气电路图，
[0043]图3A)是相关技术反激式DC-DC转换器的电气电路图，
[0044]图3B)是根据本发明的第七实施例的反激式升压DC-DC功率转换器的电气电路图，
[0045]图4A)是相关技术隔离型SEPIC转换器的电气电路图，
[0046]图4B)是根据本发明的第八实施例的升压SEPICDC-DC转换器的电气电路图，
[0047]图5A)是相关技术的包括串联谐振电路的隔离型DE类的谐振DC-DC转换器的电气电路图；以及
[0048]图5B)是根据本发明的第九实施例的DE类谐振升压DC-DC功率转换器的电气电路图。
具体实施例
[0049]图1A)和1B)是根据本发明第一实施例的升压DC-DC功率转换器的基本操作原理的简化电气电路图100b。分别在图1A)、1B)和图1C)中示出了通用转换器电路拓扑的两个不同变体。图1A)示出升压DC-DC功率转换器10b，该升压DC-DC功率转换器包括通过电流隔离屏障107b连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收来自电压或电源(未示出)的DC或AC输入电压Vin的正输入端子102b和负输入端子10 lb。输入电容器Cin电连接在正输入端子102b与负输入端子1lb之间，以形成用于电压源的能量容器。此外，初级侧电路包括布置在隔离屏障107前方的交换能量存储网络的输入侧106b。次级侧电路包括输出电容器CmJt，该输出电容器CmJt具有电连接至输出端子104b处的转换器输出电压VmJt的第一电极。输出电容器Cciut的第二电极(该第二电极所处的电势低于第一电极的电势)经由跨过隔离屏障107b延伸的电气短路连接或电线109b而连接至输入侧电路上的正输入端子102b。电气短路连接或电线109b有效地将输出电容器Cciut和输入电容器Cin串联或级联放置在输出端子104b处的输出电压Vciut与负输入端子1lb之间。升压DC-DC转换器10b的电气负载Riciad耦接在输出端子104b与负输入端子1lb之间，使得实际上，输出电容器Cout和输入电容器Cin串联耦接以便向电气负载提供功率或电流。初级侧电路包括先前讨论的升压DC-DC转换器10b的交换能量存储网络的输入侧1 6 b，并且次级侧电路包括交换能量存储网络的输出侧108b。技术人员将理解，取决于正在讨论的DC-DC转换器的具体类型，交换能量存储网络可包括很多电路拓扑。优选地，交换能量存储网络包括用于能量存储和释放的至少一个电感器，但是可选地交换能量存储网络专有地包括用于能量存储的电容器。通常，交换能量存储网络被配置为根据开关控制信号交替地从输入电压Vin充电并通过隔离屏障107b向输出电容器Cciut放电，以产生转换器输出电压Vciut。优选地，初级侧电路包括至少一个半导体开关(例如，M0SFET)，该半导体开关通过开关控制信号在接通状态与断开状态之间切换，使得输入电压根据开关控制信号调制。交换能量存储网络的开关控制信号的频率可以是30MHz或以上，以形成所谓的VHF类型的DC-DC功率转换器。开关控制信号可包括P丽调制的控制信号。初级侧电路可包括电感器，该电感器在至少一个半导体开关的接通状态的过程中，利用来自输入电容器Cin和/或DC或AC输入电压Vin的能量进行充电。随后，在至少一个半导体开关的断开状态中，初级侧电路的电感器可通过交换能量存储网络的输出侧108b以及输出电容器Cciut放电。次级侧电路可包括输出电容器前方的基于二极管的整流器或同步整流器，以产生转换器输出电压Vout作为DC输出电压。
[0050]尽管电气短路连接或电线109b通过将输出电容器Cciut的第二电极与负输入端子1lb互连而去除了升压DC-DC转换器10b的输入侧电路与输出侧电路之间的电流隔离，但是如参考图1B)所示的，它作为整体向DC-DC转换器提供很多新的益处。输出电容器Cciut与输入电容器(^的串联连接意味着次级侧电路只需要向电气负载Rid而不是整个输出电压(其是相关技术的隔离型DC-DC转换器拓扑的情况)提供转换器输出电压减去输入电压(SHut减Vin) ο由于包括输入侧106b和输出侧108b的交换能量存储网络只提供转换器输出电压V-的一部分，所以它也只向电气负载Rid提供相应的总功率的一部分。跨过输出部108b的降低电压降低了其中的有源和无源部件所需的最大电压等级，这导致有源和无源部件，例如电感器、电容器(包括C-)、晶体管和二极管等，物理上较小和/或成本更低。此外，后者部件的生命周期可由于较小电压应力而增加。在输入部106b中，通过DC-DC转换器10b转移的较小量功率导致用于有源半导体开关的功率需求降低，这使得应用的半导体成本较低且物理上较小，其中，DC-DC转换器10b用于向电气负载提供给定转换器输出功率。
[0051 ]因为提供至电气负载的输出功率的剩余部分直接从输入电压源Vin和输入电容器Cin转移至输出电容器Ccmt，所以实现了通过交换能量存储网络106b、107b、108b转移的功率量的有益降低。该功率转移机制由第一输出电流路径1。_# (其示出当由电流流向负载时，次级侧电流如何对输出电容器C-进行充电)示出，并且由此以常规方式传递经过交换能量存储网络的功率。然而，该DC-DC转换器也包括第二输出电流路径Idirect，该第二输出电流路径Idirect示出当电流流向负载而不经过交换能量存储网络的输入侧106b和输出侧108b以及隔离屏障107b时，输出电容器CcmJn何直接从输入电压源Vin和输入电容器Cin充电。技术人员将理解，实用电气短路连接10%将拥有某一 DC电阻，并且该DC电阻的上限将根据转换器10b的输入/输出电压和/或电流要求而改变。电气短路连接可拥有小于IkQ的DC电阻，甚至更优选地小于100 Ω，诸如小于10 Ω。在其他实施例中，电气短路连接109b可具有单向电阻，使得DC电阻只在一个方向上落入以上提及的上限以下，并且在反方向上表现出更大的DC电阻，S卩，二极管特性。
[0052]图1C)是根据本发明第二实施例的示出升压DC-DC功率转换器的基本操作原理的简化电气电路图100c。升压DC-DC功率转换器10c可被视为根据本发明第一实施例的升压DC-DC转换器拓扑10b的可选变体，其中，跨越隔离屏障107c延伸的电气短路连接或电线109c将输出电容器Cciut的第二正电极连接至初级侧电路的负输入端子102c。由此，从正输入端子104c处的转换器输出电压VmJt向输出电容器Cout的负电极1lc，建立了输出电容器Cout与输入电容器Cin的串联親接。输出电容器CmJt的负电极1lc所处的电势位低于负输入端子102c的电势。以此方式，输入电压Vin堆叠在经过输出电容器Cout的第一电极和第二电极的电压的顶部。否则，升压DC-DC功率转换器10c的第二实施例的电路功能、电气部件特性以及部件值可与以上结合升压DC-DC功率转换器10b的第一实施例讨论的相同。
[0053]图1D)示出根据本发明第三实施例的升压DC-DC功率转换器10d。升压DC-DC功率转换器10d的转换器核心105可与以上结合图1A)和1B)讨论的升压DC-DC功率转换器10b的核心105相同。因此，为了协助比较，对这些不同的升压DC-DC功率转换器实施例100b、10d的对应特征提供了对应参考标号。升压DC-DC功率转换器10d的第三实施例包括插入在短路连接或电线109d中的模式选择可控半导体开关SWl。如上讨论的，该短路连接109d有效地将输出电容器Cout和输入电容器Cin串联放置在输出端子104d处的输出电压VmJt与负输入端子1ld之间。
[0054]模式选择可控半导体开关SWl被配置为在如下讨论的两个区别操作模式之间切换升压DC-DC功率转换器IlOd。可控半导体开关SWl可包括一个或多个BJT、FET、M0SFET或IGBT，诸如氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)晶体管。SWl可通过施加在开关SWl的栅极或基极端子上的合适控制电压，而在导电/开启状态和非导电/断开状态之间切换。升压DC-DC功率转换器10d的模式控制电路或者与升压DC-DC功率转换器10d相关联的模式控制电路可向SWl提供该控制电压。
[0055]SWl被配置为根据SWl的状态断开/中断或闭合/连接短路连接109d。在SWl的导电/开启状态时，建立短路连接109d，并且在SWl的非导电/断开状态时，断开/中断短路连接109d。在SWl的导电状态中，转换器核心105的初级侧电路和次级侧电路通过短路连接109d连接。此外，升压DC-DC功率转换器10d包括连接在负输入端子1ld与输出电容器Cciut的负电极115d之间的二极管llld。该二极管Illd反向偏移，并且因此，由于负输出电极115d所处的电势高于负输入端子1ld的电势，所以当SWl导电/开启时，二极管不导电。因此，当SWl开启或导电时，升压DC-DC功率转换器10d以第一区别模式操作，其中，在第一区别模式中，功率转换器10d的功能相似于先前讨论的具有伴生优点的升压DC-DC功率转换器10b的功會K。
[0056]在SWl的非导电/断开状态(其中，短路连接109d断开或打开)中，达到或提供升压DC-DC功率转换器10d的第二区别模式。在该第二区别模式中，二极管Illd将向前偏移并导电，使得初级侧电路和次级侧电路通过电流隔离屏障107d以及通过二极管Illd电连接。因此，在升压DC-DC功率转换器10d的第二模式中，导电二极管Illd旁路电流隔离屏障107d。然而，在第二操作模式中，升压DC-DC功率转换器10d的总体功能相似于相应的普通升压DC-DC功率转换器(S卩，缺少第一操作模式)的功能。
[0057]该升压DC-DC功率转换器10d的模式交换特征伴随有若干优点。模式交换特征增加功率转换器10d的动态电压操作范围。为了说明这些优点，考虑一个普通DC-DC功率转换器，该普通DC-DC功率转换器的DC输入电压设计为10V，DC输出电压范围设计为5-15V。如果该普通DC-DC功率转换器转换为或配置为该升压DC-DC功率转换器10d，则通过在第一操作模式与第二操作模式之间切换重新配置的功率转换器，DC输出电压范围可增加至5-25V。相比较非谐振DC-DC功率转换器，对于经常承受DC输出电压范围的限制或狭窄的谐振功率转换器，由该升压DC-DC功率转换器10d的模式切换特征提供的该DC输出电压范围的增加是特别有利的。然而，由于通过二极管Illd的电气路径，开发该升压DC-DC功率转换器10d的模式切换特征需要:特定应用不需要主级侧电路与次级侧电路之间的电流隔离。
[0058]图1E)是第一转换器核心105e的简化电气电路图，其中，该第一转换器核心105可以分别用作图1A)、1B)、图1C)和图1D)中示出的升压DC-DC功率转换器实施例100b、100c、10d中的转换器核心105。第一转换器核心105e包括多个单独谐振DC-DC功率转换器核心I 1e。每个单独谐振DC-DC功率转换器核心I 1e包括交换能量存储网络的输入侧111，其中，输入侧111通过电流隔离屏障107e耦接至交换能量存储网络的输出侧113。谐振DC-DC功率转换器核心I 1e的输入侧111可并联连接或串联连接。谐振DC-DC功率转换器核心I 1e的输出侧113可同样并联连接或串联连接。利用第一转换器核心105e，多个输入侧111的并行性和/或一个或多个输出侧113的并行性增加了升压DC-DC功率转换器的额定功率。技术人员将理解，单独谐振DC-DC功率转换器核心11Oe中的每一个可包括以下参考图2、图3、图4、图5以及图6讨论的相关技术谐振DC-DC功率转换器核心中的一个。
[0059]图1F)是分别在图ΙΑ)、1B)、图1C)和图1D)中示出的升压DC-DC功率转换器实施例100b、100c、10d中的每一个的第二转换器核心105f的简化电气电路图。第二转换器核心105f包括多个单独谐振功率逆变器I He。单独谐振功率逆变器核心114e中的每一个包括交换能量存储网络的输入侧115，其中输入侧115通过电流隔离屏障107f耦接至谐振DC-DC功率转换器核心105f的一个或多个整流器117。单独谐振功率逆变器核心114e可并联连接或串联连接。同样，一个或多个整流器117的各自输出侧也可串联连接或并联连接。然而，电流隔离可插入在一个或多个整流器117之间，如果这些整流器串联耦接。
[0060]图2A)示出相关技术的隔离型E类谐振DC-DC转换器200的电气电路图，其中，隔离型E类谐振DC-DC转换器200包括含有电感器L2和电容器&的串联谐振电路。相关技术E类谐振转换器包括通过电流隔离屏障207连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收来自电压或电源(未示出)的DC或AC输入电压Vin的正输入端子202和负输入端子201。输入电容器Cin电连接在正输入端子202b与负输入端子201之间，以形成用于电压源的能量容器。此外，初级侧电路包括交换能量存储网络，该交换能量存储网络包括串联连接的第一电感器L1和第二电感器L2,以及具有漏极端子的MOSFET开关S，其中，该漏极端子连接至1^与L2之间的中间点。初级侧电路布置在通过耦合电容器(^与(:2而形成的隔离屏障207的前向。次级侧电路包括输出电容器Ccmt，该输出电容器Cciut具有电连接至输出端子204处的转换器输出电压Vout的第一电极。输出电容器Cout的第二负电极親接至转换器输出电压的负端子203。隔离型E类谐振DC-DC转换器200的负载由负载电阻器Rl示意性示出，并且耦接在正输出端子204与负输出端子203之间。
[0061]图2B)是根据本发明第六实施例的包括串联谐振电路的E类谐振升压DC-DC功率转换器200b的电气电路图。根据以上结合本发明第一实施例(以上结合图1A)和1B)讨论的)讨论的原理，E类谐振升压DC-DC功率转换器200b可通过对以上提及的相关技术隔离型E类谐振DC-DC转换器200进行如下变换而获得:可通过插入或添加跨越转换器200b的电流隔离屏障207延伸的电气短路连接209b。电流隔离屏障207b包括串联电容器&和(:2。电气短路连接209b连接正输入端子202b与输出电容器Cciut的第二负电极203b。如结合图1A)和1B)讨论的，电气短路连接或电线209b有效地将输出电容器Cciut和输入电容器(^串联或级联放置在输出电压Vciut与负输入端子201b之间。因此，由负载电阻器Rl示意性示出的电气或功率转换器负载親接在输出端子204b处的转换器输出电压与负输入端子20Ib之间。技术人员将理解，电流隔离屏障207b的串联电容器C2防止DC电流从输出电容器Cciut的第二负电极203b流动并流回至输入电压源的负输入端子201b电极。以此方式，DC电流通过电气短路连接209b导向或推动，并倒流至输入电容器Cin。以此方式，因为节点201b、203b和202b直接电连接而造成转换器输入处的短路，所以，隔离屏障207对于该E类谐振升压DC-DC功率转换器200b的操作也是重要的，尽管隔离屏障207通过转换而被电气旁路。
[0062]E类谐振升压DC-DC功率转换器200b可包括电容器(未示出)，该电容器跨越MOSFET开关S的漏极以及源极端子布置，以增加谐振电流和/或调整/细调功率转换器200b的谐振频率。同样，又一电容器(未示出)可跨越整流二极管D布置，以调整功率转换器200b(S卩，E类整流器)的次级部分的占空比。
[0063]图3A)是相关技术反激式DC-DC转换器300的电气电路图。相关技术DC-DC转换器300包括通过电流隔离屏障307连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收来自电压或电源(未不出)的DC或AC输入电压Vin的正输入端子302和负输入端子301。输入电容器Cin电连接在正输入端子302与负输入端子301之间，以形成用于输入电压源的能量容器。此外，初级侧电路包括含有第一电感器Lp的交换能量存储网络，该第一电感器Lp具有耦接至正输入端子302的第一端以及耦接至MOSFET开关S的漏极端子的第二端。MOSFET开关S的源极端子耦接至负输入端子301。第一电感器Lp是变压器的初级变压器绕组，其提供了该相关技术DC-DC转换器300的电流隔离屏障307。功率转换器300的次级侧电路包括输出电容器Cout，该输出电容器CmJt具有电连接至输出端子304的转换器输出电压VmJt的第一电极。输出电容器CmJt的第二负电极親接至转换器输出电压的负端子303。电气或功率转换器负载由负载电阻器Rl示意性示出，并耦接在相关技术DC-DC转换器300的正输出端子304与负输出端子303之间。次级侧电路进一步包括第二电感器Ls，该第二电感器是以上提及的变压器的次级变压器绕组。次级变压器绕组Ls具有耦接至整流二极管D的第一端以及耦接至输出电容器Cciut的负电极的第二端。整流二极管D整流由次级变压器绕组Ls生成的AC电流，并且生成DC电压作为正输出端子304与负输出端子303之间的转换器输出电压。电气或功率转换器负载由耦接在正输出端子304与负输出端子303之间的负载电阻器Rl示意性示出。
[0064]图3B)是根据本发明的第七实施例的反激式升压DC-DC功率转换器300b的电气电路图。可通过插入或添加跨越电流隔离屏障延伸的电气短路连接309b，对以上提及的相关技术隔离型反激式DC-DC转换器300进行转换，而获得反激式功率转换器300b，该电流隔离屏障由包括磁性耦接的初级变压器绕组Lp和次级变压器绕组Ls的变压器形成。电气短路连接309b连接正输入端子302b和输出电容器Cciut的第二负电极303b。如结合图1A)和1B)讨论的，电气短路连接或电线309b有效地将输出电容器Cciut和输入电容器Cin串联或级联放置在输出电压V-与负输入端子301b之间。因此，由负载电阻器Rl示意性示出的电气或功率转换器负载親接在输出端子304b处的转换器输出电压与负输入端子30 Ib之间。技术人员将理解，变压器耦接防止DC电流从输出电容器Cciut的第二负电极303b流动，并且防止流回到输入电压源的负输入端子301b电极。以此方式，DC电流通过电气短路连接309b而导向或推动，并且倒流至输入电容器Cin。
[0065]图4A)是相关技术隔离型单端初级电感器转换器(SEPIC)400的电气电路图。相关技术SEPIC 400包括通过电流隔离屏障407连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收来自电压或电源(未示出)的DC或AC输入电压Vin的正输入端子402和负输入端子401。输入电容器Cin电连接在正输入端子402与负输入端子401之间，以形成输入电压源的能量容器。此外，初级侧电路包括含有第一电感器L1的交换能量存储网络，该第一电感器1^具有耦接至DC或AC输入电压第一节点以及耦接至MOSFET开关S的漏极端子的第二节点。MOSFET开关S的源极端子耦接至负输入端子401。初级侧电路布置在由耦接电容器(^与(:2而形成的隔离屏障407的前向。次级侧电路包括输出电容器Cciut，该输出电容器Cciut具有电连接至输出端子404处的转换器输出电压VmJt的第一电极。输出电容器Cout的第二负电极親接至转换器输出电压的负端子403。整流二极管D整流由第二电感器L2生成的AC电流，并且生成DC电压作为正输出端子404与负输出端子403之间的转换器输出电压Vout。由负载电阻器Rl示出的SEPIC 400b的负载耦接在正输出端子404与负输出端子403之间。
[0066]图4B)是根据本发明的第八实施例的SEPIC400b的电气电路图。可通过插入或添加跨越SEPIC 400b的电流隔离屏障407b延伸的电气短路连接409b，对以上提及的相关技术SEPIC 400进行变化，而获得SEPIC 400b。电流隔离屏障407b包括串联的电容器&和&。电气短路连接409b连接正输入端子402b与输出电容器Cciut的第二负电极403b。如结合图1A)和1B)讨论的，电气短路连接或电线409b有效地将输出电容器Cciut和输入电容器Cin串联或级联放置在输出电压V-与负输入端子401b之间。因此，由负载电阻器Rl示意性示出的电气或功率转换器负载親接在输出端子404b处的转换器输出电压与负输入端子401b之间。技术人员将理解，如先前讨论的，电流隔离屏障407b的串联电容器C2防止DC电流从输出电容器C—的第二负电极403b流动并防止流回至输入电压源的负输入端子404b电极。
[0067]SEPIC 400b可包括电容器(未示出)，该电容器连接或布置在MOSFET开关S的漏极和源极端子的两端，以增加谐振电流和/或调整/细调SEPIC 400b的谐振频率。同样，又一电容器(未示出)可连接在整流二极管D的两端，以调整功率转换器400b的占空比。
[0068]图5A)示出相关技术隔离型DE类谐振DC-DC转换器500的电气电路图，其中，该隔离型DE类谐振DC-DC转换器500包括含有Lo和Co的串联谐振电路。相关技术DE类谐振转换器500包括通过电流隔离屏障507连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收来自电压或电源(未不出)的DC或AC输入电压Vin的正输入端子502和负输入端子501。输入电容器Cin电连接在正输入端子502与负输入端子501之间，以形成输入电压源的能量容器。此外，初级侧电路包括含有半桥电路的交换能量存储网络，该半桥电路包括分别跨越正输入端子502和负输入端子501布置的级联MOSFET开关SjPS2。半桥电路的输出506耦接至串联谐振电路的第一电感器Lo，并且后者与电容器Co串联耦接。该初级侧电路布置在隔离屏障507的前向，该隔离屏障507由串联谐振电路的电容器Co与插入在负输入端子501和负输出电压端子503之间的第二电容器Cb耦接而形成，以提供相关技术DE类转换器500中这两者的DC隔离。次级侧电路包括输出电容器Ccmt，该输出电容器Ccmt具有电连接至输出端子504处的转换器输出电压Vout的第一电极。输出电容器Cout的第二负电极親接至转换器输出电压的负端子503。一对整流二极管DjPD2-流由串联谐振电路的臟麵生成的AC电流，并且生成DC电压作为正输出端子504与负输出端子503之间的转换器输出电压Vout。由负载电阻器Rl不出的DE类转换器500的负载親接在正输出端子504与负输出端子503之间。
[0069]图5B)是根据本发明第九实施例的DE类谐振DC-DC转换器500b的电气电路图。可通过插入或添加跨越DE类转换器500b的电流隔离屏障507b延伸的电气短路连接509b，对以上提及的相关技术隔离型DE类谐振DC-DC转换器500进行变换，而获得DE类转换器500b。电流隔离屏障507b包括串联电容器&和&。电气短路连接509b连接正输入端子502b与输出电容器Cciut的第二负电极503b。如结合图1A)和1B)讨论的，电气短路连接或电线509b有效地将输出电容器Cmjt和输入电容器Cin串联或级联放置在输出电压Vout与负输入端子50 Ib之间。因此，由负载电阻器Rl不意性不出的电气或功率转换器负载親接在输出端子504b处的转换器输出电压与负输入端子501b之间。技术人员将理解，如先前讨论的，电流隔离屏障507b的串联电容器&防止DC电流从输出电容器Cciut的第二负电极503b流动并防止流回至输入电压源的负输入端子501b电极。串联电容器Ci可用作如下两个目的:构成隔离屏障507b的一部分，以及构成同样包括电感器L的串联谐振电路的一部分。
[0070]DE类转换器500b可包括一对电容器(未示出)，该一对电容器分别跨越MOSFET开关SjPS2中的每一个的漏极和源极端子而连接或布置，以增加谐振电流和/或调整/细调DE转换器500b的谐振频率。同样，又一对电容器(未示出)可分别跨越整流二极管01和02布置，以调整功率转换器500b( S卩，DE类整流器)的次级部分的占空比。
【主权项】
1.一种升压DC-DC功率转换器，包括: 通过电流隔离屏障耦接的初级侧电路和次级侧电路， 所述初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子以及耦接在所述正输入端子与所述负输入端子之间的输入电容器， 所述次级侧电路包括第一正电极与第二负电极之间的可充电至转换器输出电压的输出电容器； 交换能量存储网络，被配置为根据开关控制信号，通过所述电流隔离屏障交替地从所述输入电压充电以及向所述输出电容器放电，以产生所述转换器输出电压； 跨越所述电流隔离屏障的电气短路连接，所述电气短路连接在第一种情况下将所述输出电容器的所述第二负电极连接至所述初级侧电路的所述正输入端子，或者在第二种情况下将所述输出电容器的第二正电极连接至所述初级侧电路的负输入端子，由此在所述第一种情况和所述第二种情况下都建立所述输出电容器与所述输入电容器的串联耦接； 负载连接，所述负载连接在所述第一种情况下，位于所述输出电容器的所述第一正电极与所述负输入端子之间，或者在所述第二种情况下，位于所述输出电容器的所述第二负电极与所述正输入端子之间。2.根据权利要求1所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述电流隔离屏障包括: 一对磁性耦接的电感器，所述一对磁性耦接的电感器包括电连接至所述初级侧电路的第一电感器以及电连接至所述次级侧电路的第二电感器。3.根据权利要求2所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述第一电感器和所述第二电感器围绕共用导磁结构缠绕以形成隔离变压器。4.根据权利要求1所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述电流隔离屏障包括: 第一电容器，所述第一电容器与所述初级侧电路的所述正输入端子以及所述输出电容器的所述第一正电极串联耦接；以及 第二电容器，所述第二电容器与所述初级侧电路的所述负输入端子以及所述输出电容器的所述第二负电极串联耦接。5.根据权利要求1所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述电气短路连接具有DC电阻，所述DC电阻小于IkQ，甚至更优选地小于100 Ω，诸如小于10 Ω。6.根据权利要求4或5所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述交换能量存储网络包括: 串联连接的第一电感器和第二电感器，串联连接的所述第一电感器和所述第二电感器与正输入电压端子串联连接， 半导体开关，所述半导体开关具有第一开关节点和第二开关节点以及控制端子，所述第一开关节点连接在串联连接的所述第一电感器与所述第二电感器之间的中点节点之间，所述第二开关节点连接至所述初级侧电路的所述负输入端子，所述控制端子连接至所述开关控制端子;以及 第三电感器，所述第三电感器具有第一端和第二端，所述第一端通过所述电流隔离屏障的所述第一电容器连接至所述第二电感器的第二端，所述第三电感器的所述第二端连接至所述输出电容器的正电极处的所述转换器输出电压； 整流器，连接在所述第三电感器的所述第一端与所述输出电容器的所述负电极之间。7.根据权利要求3所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述第一电感器和所述第二电感器集成在所述交换能量存储网络中； 所述第一电感器设置有第一电感器端和第二电感器端，所述第一电感器端连接至所述正输入电压端子，所述第二电感器端连接至半导体开关的第一节点， 所述半导体开关的第二节点连接至所述初级侧电路的所述负输入端子；以及所述第二电感器包括分别通过整流器连接至所述输出电容器的第一正电极的第一电感器端以及连接至所述输出电容器的第二负电极的第二电感器端。8.根据前述权利要求中任一项所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述交换能量存储网络包括至少一个半导体开关，诸如MOSFET或IGBT，诸如氮化镓(GAN)MOSFET或碳化硅(SIC)MOSFETo9.根据前述权利要求中任一项所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述交换能量存储网络的开关控制信号的频率具有I OMHz或I OMHz以上，更优选地30MHz或30MHz以上的频率。10.根据前述权利要求中任一项所述的升压DC-DC功率转换器，包括谐振DC-DC功率转换器。11.根据前述权利要求中任一项所述的升压DC-DC功率转换器，其中，所述输入电容器和所述输出电容器中的每一个具有小于10nF的电容。12.根据前述权利要求中任一项所述的升压DC-DC功率转换器，进一步包括: 整流元件，诸如二极管，耦接在所述正输入端子与所述输出电容器的所述第二负电极之间；以及 模式选择半导体开关，被配置为选择性断开和闭合所述电气短路连接，使得: 在所述升压DC-DC功率转换器的第一模式中，建立所述输出电容器与所述输入电容器的串联连接;以及 在所述升压DC-DC功率转换器的第二模式中，断开所述输出电容器与所述输入电容器的串联親接。13.一种将隔离型DC-DC功率转换器转换为具有更高功率转换效率的升压DC-DC功率转换器的方法，所述方法包括如下步骤: 提供所述隔离型DC-DC功率转换器的初级侧电路和次级侧电路， 将输入电容器耦接在所述初级侧电路的正输入端子与负输入端子之间， 将输出电容器耦接在所述次级侧电路的正端子与负端子之间， 通过电流隔离屏障电气耦接所述初级侧电路与所述次级侧电路， 提供交换能量存储网络，所述交换能量存储网络被配置为根据开关控制信号通过所述电流隔离屏障交替地从所述转换器的输入电压充电以及向所述输出电容器放电，以产生转换器输出电压， 在第一种情况下，将跨越所述电流隔离屏障的电气短路从所述次级侧电路的负输出端子连接至所述初级侧电路的所述正输入端子，或者在第二种情况下，将所述次级侧电路的正输出端子连接至所述初级侧电路的所述负输入端子，由此在所述第一种情况和所述第二种情况下都建立所述输出电容器与所述输入电容器的串联耦接， 在所述第一种情况下，在所述次级侧电路的所述正端子与所述负输入端子之间耦接功率转换器负载，或者在所述第二种情况下，在所述次级侧电路的所述负端子与所述初级侧电路的所述正输入端子之间耦接功率转换器负载。14.根据权利要求13所述的将所述隔离型DC-DC功率转换器转换为所述升压DC-DC功率转换器的方法，其中，所述隔离型DC-DC功率转换器包括谐振DC-DC功率转换器。15.根据权利要求13或14所述的将所述隔离型DC-DC功率转换器转换为所述升压DC-DC功率转换器的方法，进一步包括如下步骤: 在所述正输入端子与所述输出电容器的第二负电极之间连接整流元件，诸如二极管；以及 将模式选择半导体开关插入所述电气短路连接，用于选择性断开和闭合所述电气短路连接，使得: 在所述升压DC-DC功率转换器的第一模式中，建立所述输出电容器与所述输入电容器的串联连接;以及 在所述升压DC-DC功率转换器的第二模式中，断开或中断所述输出电容器与所述输入电容器的串联耦接。
【文档编号】H02M3/335GK105850020SQ201480070019
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月17日
【发明人】米洛万·科瓦切维克, 米基·P·马德森
【申请人】丹麦技术大学