专利名称：升压变换器输入纹波电流降低电路的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及升压功率变换器(boost power converter),并且更 具体地涉及降低升压功率变换器的输入滤波器尺寸的系统和方法。
背景技术：
升压功率变换器用于许多不同应用中以提供高功率因子给AC输 电线，和/或提供特定功率应用的调节DC总线。这样的升压功率变换 器固有的一个重要问题涉及与反馈至升压功率变换器输入(即AC输 电线)的升压功率变换器开关频率(switching frequency)相关的高频谐 波。特定调节机构一般要求按100或100以上的因子来衰减这些高频 谐波以满足需要的调节水平(regulatorylevel)。高频也会通过内部发热 和介电材料故障加重电容器的负担。
传统上，已知的升压功率变换器采用大容量滤波技术、大型系统 和装置以降低升压功率变换器输入侧的开关谐波。该技术、系统和装 置一般非常大并且昂贵，这是由于要求该滤波在低频处(即100kHz量 级)非常有效。这些滤波技术经常变得如此大以致于滤波器和升压功率 变换器之间的交互作用会引起不合需要的稳定性问题。这些滤波器也 很大，因为所有组件运送满电流。
提供以相比于传统升压功率变换器开关频率滤波器小得多并且
谐波的方法和系统将是有利和有益的。
发明内容
简要地，根据本发明的一个实施例，升压电感器值降低电路(boost inductor value reduction circuit)净皮配置为充分;也(substantial)降J氐升压变
4换器升压电感器(boost converter boost inductor)的尺寸和电感值 (inductance value),所述升压变换器升压电感器在升压变换器处于连续 传导模式(continuous conduction mode)中工作时提供升压变换器性能 的预定水平，使得降低电感的升压电感器与升压电感器值降低电路结
供的基本相同的预定升压变换器性能水平，并且使得当升压变换器工 作在连续传导模式下、受限传导模式(bounded conduction mode)下或者 不连续传导模式(discontinuous conduction mode)下时，升压变换器都保 持基本相同的性能水平。
根据本发明的另 一个实施例，升压电感器值降低电路被配置为充 分地降低升压变换器升压电感器的尺寸和电感值，所述升压变换器升 压电感器被配置为当升压变换器工作在连续传导模式下时限制升压 变换器输入紋波电流值(ri卯le current value),使得降低电感的升压电 感器和升压电感器值降低电路结合以保持与由工作在连续传导模式
压变换器输入紋波电流值，并且使得当升压变换器工作在连续传导模 式下、在受限传导模式下或者在不连续传导模式下时，升压变换器都 保持基本相同的性能水平。
根据本发明的又一个实施例，升压电感器值降低电路被配置为充 分地降低升压变换器输入滤波器的尺寸，所述升压变换器输入滤波器 用于当升压变换器工作在连续传导模式下时限制升压变换器输入紋 波电流值，从而降低尺寸的升压变换器输入滤波器与升压电感器值降 低电路结合以保持与由工作在连续传导模式下缺少升压电感器值降 低电路的升压变换器所提供的基本相同的升压变换器输入紋波电流 值，并且使得当升压变换器工作在连续传导模式下、受限传导模式下 或者不连续传导模式下时，升压变换器都保持基本相同的性能水平。
参考附图阅读下面详细说明时，本发明的这些以及其它特征、方 面和优点将变得更容易理解，在附图中，类似的符号表示类似的部分，
其中
图1示例了根据本发明的一个实施例的包括升压电感器值降低电 路的升压变换器；
图2是示例与高功率因子升压变换器相关但不具有如图1所示的 升压电感器值降低电路的AC线电流波形的图形；
图3是示例AC线电流波形的图形，所述AC线电流波形与包含 如图1所示的升压电感器值降低电路的高功率因子升压变换器相关；
图4是示例传导EMI的图形，所述传导EMI与高功率因子升压 变换器相关，但该高功率因子升压变换器不具有例如图l所示的升压 电感器值降低电路；
图5是示例传导EMI的图形，所述传导EMI与包括如图1所示 的升压电感器值降低电路的高功率因子升压变换器相关；和
图6示例了根据本发明另 一个实施例的包括升压电感器值降低电 路的升压变换器，所述升压电感器值降低电路形成光伏逆变器 (photovoltaic inverter)的一部分。
虽然上述图形提出了可供选择的实施例，但是正如讨论中所指出 的，也可以预期本发明的其它实施例。在所有情况下，本公开通过表 现而非限制的方式呈现本发明的示范实施例。本领域技术人员能够设 计出落在本发明原理的范围和精神之内的许多其它变型和实施例。
元件列表
(10)升压变换器(boost converter) (12)升压电感器值降低电路 (14) MOSFET
(16)升压二极管(boost diode)
(18)升压电感器值降低电路变压器组件(20)升压变换器电感器
(22)辅助电感器(auxiliary inductor)
(24)阻尼电阻器
(26)辅助电容器
(30) DC链路电容器
(32)输出电容器
(50)升压电感器值降低电路
(60)光伏逆变器
具体实施例方式
图1示例了根据本发明的一个实施例的包括升压电感器值降低电 路12的升压变换器10。当与传统滤波器结构比较时，升压电感器值 降低电路12是重量轻、便宜并且紧凑的紋波消除电路。升压电感器 值降低电路12工作以产生高频电流信号，该高频电流信号基本上消 除了传导回至升压变换器10的AC线输入侧的高频紋波电流，所述高 频紋波电流由升压变换器10的开关组件生成。根据一个实施例，可 以看到，升压变换器10的开关组件包括MOSFET 14和升压二极管16。
虽然升压变换器10示出为具有AC线输入，但是本发明并不受 限于此；并且可以明白，在这里所描述的原理可以同样好地应用于具 有DC输入源的升压变换器。
升压电感器值降低电路12产生紋波电流信号，该信号与由升压 变换器开关组件14、 16产生的高频输入紋波基本相同并且相位相反， 从而由升压电感器值降低电路12所产生的高频紋波信号基本上消除 了升压变换器IO开关组件14、 16所产生的高频输入紋波。
虽然本发明的某些特点被描述为相关于工作在临界传导模式 (critical conduction mode)下的升压变换器，其中开关频率在单个AC 线波形上变化相当大，但是本发明并不受限于此。当升压电感器值降 低电路12应用于工作在连续传导模式或者不连续传导模式下的升压变换器时，升压电感器值降低电路12也能够根据本文所描述的原理 实现所期望的结果。当使用4艮据本文所描述的原理的升压电感器值降
低电路时，发现了在传导回至升压变换器输入的EMI中能实现超过 30dB降低的实施例。
根据一个实施例，升压电感器值降低电路变压器組件18通过在 现有的升压变换器电感器20上增加一个或多个低电流绕组来简单地 实现。产生的辅助电感器22只运送相反的高频紋波电流，并且相比 于升压变换器电感器20具有低得多的电感。
升压电感器值降低电路12也包括小瓦数(small wattage)的阻尼电 阻器24和小微法的辅助电容器26。根据一个方面，在工作期间辅助 电容器26只看见跨过其的单极电压(unipolar voltage);并且根据一个 实施例，电容器26可以是^^成本的具有大ESR的铝电解电容器，该 铝电解电容器能令人满意地有助于衰减。
发现一个80瓦临界传导模式升压变换器具有开关频率，该开关 频率从AC大小在其峰值附近的大约20kHz变化至AC线电压很小时 的大约100kHz。对于使用800微亨(micro Henry)升压电感器20和220 微法(microfarad)输出电容器32的临界传导^^莫式升压变换器而言，发
根据一个实施例， 一起选择辅助电容器26和辅助电感器22以提 供能工作的滤波器拐角频率(filter corner frequency),从而升压电感器 值降低电路12可操作以用于降低反射回至AC线的所有临界传导模式 升压开关谐波(在拐角频率之上)。升压电感器值降低电路12因此没有 被调谐至特定频率，但提供宽带衰减。
正如本文之前所提到的，升压电感器值降低电路12也相关于运 行非连续传导模式或者连续传导模式的升压变换器操作，以根据本文 所描述的原理提供所期望的紋波消除效果。更特别地，升压电感器值 降低电路12可操作以用于降低整流正弦波输入电压、DC输入电压或 相对于功率开关频率具有低频的任何其它输入电压的高频谐波。现在看图2，图形示例了与高功率因子升压变换器相关的 一个AC 线输入电流波形，所述高功率因子升压变换器不具有如图1中所示的
升压电感器值降低电路。大部分滤波由电容器30提供，这导致相当 大的紋波电流，正如在图2的底部部分上的AC线电流波形中所见。
图3是示例了与高功率因子升压变换器相关的一个AC线电流波 形的图形，所述高功率因子升压变换器包括如图1中所示的升压电感 器值降低电路。在图3的较低部分中示出的紋波电流的大小比图2的 较低部分中所见的紋波电流小得多，图2示出了与不具有如图1中所
入电流波形。
然而，由使用例如图1中所示的升压电感器值降低电路而实现的 紋波电流降低的改进相比于图中的第一次出现甚至更好，因为图3中 所示出的剩余紋波电压主要归因于大约20kHz到大约100kHz之间的 频率。这些剩余谐波在美国的EMI要求(FCC 15/18)或者欧洲的EMI 要求(CIRSR 11/22)之下。
图4是示例高功率因子升压变换器从大约150kHz至大约30MHz 的一个传导EMI/高频AC线电流的图形，所述高功率因子升压变换器 不具有例如图1中所示的升压电感器值降低电路。
图5是示例高功率因子升压变换器>^人大约150kHz至大约30MHz 的一个传导EMI/高频AC线电流的图形，所述高功率因子升压变换器 包括例如图1中所示的升压电感器值降低电路。在图4中所示的高频 AC线电流和图5中所示的高频AC线电流之间的比较说明在低频范 围有几乎40dB的EMI降低，其中滤波是最困难的。图4和5中所示 的高频AC线电流是通过使用FCC和CISPR测试规定所要求的LISN 来测量的。
以概括解释的形式，已经描述了非常紧凑的低成本的升压电感器 值降低电路，该电路极大地降低了与升压变换器开关频率有关的不合 需要的高频电流并且受限于EMI规则以降低系统干扰以及其它问题。根据一个实施例，升压电感器值降低电路产生临界传导模式升压变换
器的连续输入侧电流而同时保持临界传导模式下的MOSFET侧电流。 该特征基本上消除了一般与升压变换器相关的二极管开关损耗，并且 也消除了输入侧传导EMI问题。
根据本发明的另一个实施例，图6示例了包括升压电感器值降低 电路50的升压变换器，所述升压电感器值降低电路50形成光伏(PV) 逆变器60的一部分。根据本发明的一个特点，升压电感器值降低电 路50作为单个磁组件来实现。升压电感器值降低电路50不仅对降低 相关升压变换器升压电感器的整体尺寸有用(例如上面所述)，而且对 在PV逆变器60的输入处降低紋波电流水平和由此降^f氐噪声有用。该 特征能够有利地帮助防止在许多的PV阵列系统中噪声的传输，在这 些许多的PV阵列系统中，PV阵列系统能够变成发射噪声的源。
由升压电感器值降低电路50所提供的进一 步优点涉及效率改进。 无论与升压电感器值降低电路50相关的损耗是如何，降低升压电感 器值和物理尺寸都会导致PV逆变器效率增加。这可能是因为PV逆 变器的性能被保持并且升压电感器与升压电感器值降低电路50的功 率损耗密度(power loss density)也被保持。具有与原电感器相同的功率 损耗密度的小物理电感器将因此固有地具有较低的损耗。随后在损耗 开始转换为增加的闭合开关损耗形式时能够发现与主升压开关装置 的平4針。
虽然本文只示例和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人 员将会作出许多修改和变化。因此，当所述修改和变化落在本发明的 真正精神内时，应该理解附加权利要求旨在覆盖所有这样的修改和变 化。
10
权利要求
1. 一种升压电感器值降低电路(12)，配置为充分地降低升压变换器升压电感器(18)的尺寸和电感值，所述升压变换器升压电感器在所述升压变换器(10)工作于连续传导模式时提供升压变换器性能的预定水平，从而使得与所述升压电感器值降低电路(12)结合的降低电感的升压电感器(18)保持与由工作在缺少所述升压电感器值降低电路(12)情况下的所述升压变换器(10)所提供的基本相同的预定升压变换器性能水平，并且从而使得当所述升压变换器(10)工作在连续传导模式、受限传导模式或者不连续传导模式时，所述升压变换器(10)保持基本相同的性能水平。
2. 根据权利要求1所述的升压电感器值降低电路(12),还被配置 为降低位于其原始值的约50%和约200%之间的所述升压变换器升压 电感器(18)的电感值，同时保持与所述原始电感值基本相同的性能水 平，所述原始电感值相关于工作在缺少所述升压电感器值降低电路(12) 情况下和所述升压变换器(10)工作在所述连续传导模式的所述升压变 换器(IO)。
3. 根据权利要求1所述的升压电感器值降低电路(12),其中所述 升压电感器值降低电路(12)还被配置与逆变器(10)结合以响应于光电 阵列模块而生成输出信号。
4. 根据权利要求3所述的升压电感器值降低电路(12)，其中所述一起被配置为能够充分地增加所述光伏逆变器的整体效率到超过缺效率，而无论与所述升压电感器值降低电路(12)相关的损耗是如何。
5.根据权利要求1所述的升压电感器值降低电路(12)，其中所述 电路(12)包括辅助电感器(22)，所述辅助电感器(22)配置为运载对抗传 输通过所述升压变换器升压电感器(18)的紋波电流的高频紋波电流。
6. 根据权利要求5所述的升压电感器值降低电路(12)，其中所述 辅助电感器(22)相比于所述升压变换器升压电感器(18)具有充分较低 的电感。
7. 根据权利要求1所述的升压电感器值降低电路(12),其中所述 电路(12)还被配置为提供所期望的拐角滤波器频率，从而使得所述电之上的所有升压变换器开关谐波，以提供所期望的宽带衰减特性。
8. 根据权利要求1所述的升压电感器值降低电路(12)，其中所述 电路(12)还被配置为降低传导回至所述升压变换器(10)输入侧的EMI, 所述EMI在所述升压变换器(10)的输出侧由高频开关组件生成。
9. 一种升压电感器值降低电路(12)，配置为充分地降低升压变换 器输入滤波器的尺寸，在所述升压变换器(10)工作于连续传导模式时 所述升压变换器输入滤波器可操作地限制升压变换器输入紋波电流 值，从而使得与所述升压电感器值降低电路(12)结合的降低尺寸的升 压变换器输入滤波器保持与所述升压变换器(10)工作在缺少所述升压 电感器值降低电路(12)的连续传导模式时由所述升压变换器输入滤波 器所提供的基本相同的升压变换器输入紋波电流值，并且从而使得在 所述升压变换器(10)工作于连续传导模式、受限传导模式或者不连续 传导模式时，所述升压变换器(10)保持基本相同的性能水平。
10. 根据权利要求9所述的升压电感器值降低电路，其中所述升 压电感器值降低电路还被配置与逆变器结合以响应于光电阵列模块 而生成输出信号，从而使得所述升压电感器值降低电路和所述降低尺 寸的升压变换器升压电感器一起被配置为能够充分地增加所述光伏逆变器的整体效率到超过缺少所述升压电感器值降低电路时由所述 光伏逆变器所获得的整体效率，而无论与所述升压电感器值降低电路 相关的损耗是如何。
全文摘要
本发明名称为升压变换器输入纹波电流降低电路，公开了一种升压电感器值降低电路(12)，被集成入传统的升压功率变换器(10)中以极大地降低来自被反馈至升压功率变换器(10)输入侧的不合需要的高频谐波。当将升压电感器值降低电路(12)与传统滤波器技术相比时，升压电感器值降低电路(12)是非常小的，比传统滤波器技术更便宜并且没有降低升压功率变换器的控制性能。该技术也可以用于降低升压电感器(18)的尺寸，同时不牺牲在能量效率敏感应用中使用的转换器性能，例如光伏逆变器。
文档编号H02M1/14GK101534047SQ20091012760
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者J·A·萨巴特, J·S·格拉泽, 罗伊 M·A·德, M·J·舒滕, R·L·施泰格瓦德 申请人:通用电气公司