无损耗开关变换器、电源转换方法和减少直流能量存储的方法技术

一种新的开关变换器，尽管体积小、重量轻且具有超高的过载电流能力，仍以创记录的高效率工作，这是由于两种新方法：通过使用四个可控开关的精确顺序和定时消除开关损耗的新型无损耗开关方法，而新型直流变压器结构提供了一种消除磁性元件中存储的直流能量的方法，这进一步增加了效率并减小了磁性元件和变换器体积。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直流—直流的开关功率转换的领域，特别涉及使用两种新方法的新一类开关变换器无损耗开关方法和用于新型磁性结构的方法。无损耗开关大大提高了转换效率，同时新型直流变压器结构或最小化，或完全消除了磁芯结构中的直流能量存储，因此使磁性元件的体积非常紧凑，效率得到提高。其它的性能收益是增加了直流负载电流容量，并且在提高了可靠性的同时减少了EMI噪声。
技术介绍
定义和分类为了便于在各种量之间比较容易的进行描述，本文从头到尾始终使用下面的符号1.DC-历史上是表示直流的简化符号，但现在具有更广的含义，通常指带有直流量电路；2.AC-历史上是表示交流的简化符号，但现在具有更广的含义，指所有交变电量(电流和电压)；3.i1，v2-用小写字母标记的瞬时时域量，如i1表示电流，v2表示电压；4.i1，V2-使用对应的大写字母表示的瞬时周期时域量的直流成分，如I1和V2；5.Δi1-用Δ表示瞬时和直流成分之间的差，因此Δi1表示电流i1的脉动成分或交流成分；6.iCC-复合电流，等于通过输入开关和互补输入开关的电流的和，即iCC＝iS1+iS’1。下面关于磁路描述的通用定义的关系式和符号是从头到尾始终使用的1.磁链λ是连接所有N个线圈的总磁通，定义为λ＝NΦ，其中Φ是磁芯中的总磁通；2.电感L定义为λ-i特性曲线的斜率，即L＝λ/i；3.磁通密度B是单位面积的磁通，定义为B＝Φ/S，其中S是磁芯截面面积；本专利技术还需要完整介绍用于两个主要的新方法的新术语，两者在现有技术的开关变换器术语中都是不存在的1.使用特殊的开关变换器结构和对应的磁路结构可以得到提及大为减少、效率得到提高的新磁性设备；2.新的开关方法，可以完全消除开关损耗(除门驱动损耗之外)，从而得到最大可能的效率提高。新的磁性设备形成两个基本变型，名称如下1.直流变压器，在共用磁芯上具有多重电感绕组的特殊磁芯，其中由本专利技术非隔离开关变换器施加的每个绕组的直流电流和每个绕组的交流电压极性是这样的，能够减少所有绕组的总直流安培匝数，从而减少公用磁芯中的直流磁通，在一些情况下总安培匝数甚至大致为零，且共用磁芯中的直流磁通大致为零。2.隔离直流变压器，是一个有电感和性能与直流变压器相同的隔离变压器绕组的特殊磁性结构，但另外还有一个电源和负载之间的电隔离。无损耗开关方法需要它们创造的开关、开关间隔和转换间隔的新定义，以及各自的负荷比D，如下所示1.S1，S2，S’1，S’2-分别是输入开关、输出开关、互补输入开关和互补输出开关的开关表示，同时各个有源、可控开关的开关状态表示如下高电平表示有源开关指向-ON，低(零)电平表示有源开关指向-OFF；2.D-负荷比，定义为D＝tON/TS，其中tON是输入开关闭合(指向ON)期间ON的时间间隔，TS是开关周期，定义为TS＝1/fS，其中fS是开关频率；3.D’-互补负荷比D’，定义为D＝tOFF/TS，其中tOFF是输入开关断开(指向OFF)期间OFF的时间间隔；4.状态1间隔—输入开关S1和输出开关S2都指向ON(闭合)，而互补输入开关S’1和互补输出开关S’2都指向OFF(断开)期间的时间间隔；5.状态2间隔—输入开关S1和输出开关S2都指向OFF(断开)，而互补输入开关S’1和互补输出开关S’2都指向ON(闭合)期间的时间间隔；6.(1-2)转换间隔—状态1间隔和状态2间隔之间的时间间隔，在此期间按精确定义的时序和定时，输入开关S1和输出开关S2将它们的状态从ON反转到OFF，同时互补输入开关S’1和互补输出开关S’2将它们的状态从OFF反转到ON；7.(2-1)转换间隔—状态2间隔和状态1间隔之间的时间间隔，在此期间按精确定义的时序和定时，输入开关S1和输出开关S2将它们的状态从OFF反转到ON，同时互补输入开关S’1和互补输出开关S’2将它们的状态从ON反转到OFF；8.CR2，CR’2-表示作为整流(CR)二极管的输出开关和互补输出开关及它们对应的开关时序图。因为二极管是双端无源开关，所示开关时序图也将二极管开关状态表示如下高电平表示二极管处于ON，低电平表示OFF；9.I-表示第一象限里的一个象限开关操作；在一个框住理想开关的矩形框里的罗马数字(I到IV)表示限制于特定的一个象限操作；10.CBS-与框住理想开关的矩形框一起出现，这个符号表示电流双向开关(CBS)，如三端可控半导体开关设备，当指向ON时可以以任一方向传导电流，但是当指向OFF时会阻塞只有一个极性的电压。开关变换器的分类在过去的二十年里，专利技术了大量的直流—直流开关变换器，主要的目标是提高转换效率，减少变换器体积。过去同时满足这两个目标的努力受阻于两个主要问题，直到现在看来还是所有直流—直流开关变换器的固有问题1.由于必须要在交流磁通路径中插入与直流偏流成正比的气隙以防止磁芯饱和，所以在变换器输入或输出端的滤波电感中存在大的直流偏流(在一些隔离变换器的隔离变压器中也存在直流偏压电流)，导致磁性元件体积大。这也导致磁性材料的使用效率非常低，浪费很大。即使是约为1mm(40密耳)的较小气隙，也会大大减少总电感。这种电感损耗或通过无限大的增加开关频率(从而增加了损耗)，或通过增加磁芯的体积，或通过两者来补偿。2.减少增加的开关频率上有效开关损耗的软开关方法的实现取决于直流负载电流，其工作需要一个不希望有的大输出电感器交流脉动电流(大于两倍的最大直流负载电流量)，从而减少了大部分因为由该大交流脉动电流导致增加的电感损耗而产生的回收能量。其它的软开关方法还导致另外不希望有的损耗机理。磁路分类过去为解决第一个问题并减少磁性元件、电感器和变压器大体积、大重量的努力，结合本专利技术的新方法，得到三个关于磁性元件实现的主要类别1.独立磁性元件类，其中所有的磁性元件用作独立的磁性设备，每个都有直流偏流的一个或多个电感，和有或没有直流偏流的隔离变压器。这种实现得到体积和重量最大的磁性元件，并且由于各个磁性元件中的直流偏流会产生大的能量存储。2.耦合电感和集成磁性元件类，其中磁性元件组合成一个单磁结构，其中总直流能量存储完全等于独立磁性元件直流能量存储之和。这种磁性元件实现使体积和重量减少并提高了一些效率，但与直流能量存储相关的主要问题仍然存在。这无疑推动了对本专利技术具有新型磁结构的开关变换器形式的解决方法的研究。3.直流变压器类，其中磁性元件是以减少且在一些情况下完全消除总直流能量存储这样的方式组合成一个单磁结构的。开关方法分类对减少电功率处理设备的体积和重量使其与不断减少体积的电信号处理设备相适应的需要导致不断向增加直流—直流开关变换器工作的开关频率的方向推进从开始时的20kHz水平到200kHz及更高的开关频率。这反过来导致开关功率损耗的增加。因此，过去用于减少变换器传导率和开关损耗的努力得到了很多开关方法，这些方法与本专利技术的新型无损耗开关方法一起构成了三种主要类别1.硬开关方法，没有试图减少开关损耗；2.软开关方法，其中采取了减少开关损耗的措施。不幸的是，在大多数情况下，减少开关损耗的同时都伴随着其它损耗的增加，例如，由于需要增加交流脉动电流而产生的开关设备传导损耗或与变压器漏电感或附加外部谐振电感器中与能量存储有关的损耗。这些附产功率损耗无疑导致较小的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变换器，用于从连接在输入端和共用输入端之间的直流电压源提供电源给连接在输出端和共用输出端之间的直流负载，该变换器包括： 一个输入电感器绕组、一个中间电感器绕组和一个输出电感器绕组，放置在一个共用磁芯上形成了一个直流变压器，每个绕组有一个点标记端和另一个未标记端，由此加在该中间电感器上的交流电压在输入和输出电感器绕组中感应出交流电压，这样施加的交流电压和感应的交流电压在输入、输出和中间电感器绕组的点标记端同相； 一个输入电感器绕组，其点标记端与输入端连接，形成直流变压器的输入绕组； 一个输出电感器绕组，其点标记端与输出端连接，形成直流变压器的输出绕组； 一个中间电感器绕组，其点标记端与共用输入端和共用输出端连接，形成直流变压器的中间绕组； 一个输入电容，一端与输入电感器绕组的未标记端连接，输入电容的另一端与中间电感器绕组的未标记端连接； 一个输入开关，一端与与共用输入端连接，另一端与输入电感器绕组的未标记端连接； 一个输出开关，一端与共用输出端连接，另一端与输出电感器绕组的未标记端连接； 一个互补输出开关，一端与输出电感器绕组的未标记端连接，该互补输出开关的另一端与中间电感器绕组的未标记端连接； 一个支路，包括一个互补输入开关和一个辅助电容，该互补输入开关的一端与辅助电容的一端连接，而互补输入开关的另一端与辅助电容的另一端构成该支路的端点； 开关定时控制装置，用于为输入开关、互补输入开关、输出开关和互补输出开关提供精确的指向ＯＮ和指向ＯＦＦ的顺序和定时； 用于将支路的端点与变换器连接的装置，由此在状态２间隔期间流经该支路的电流等于流入输入电感器绕组点标记端的输入电感器电流和流入中间电感器绕组点标记端的中间电感器电流的和减去流出输出电感器绕组点标记端的输出电感器电流； 其中输入开关、输出开关和互补输出开关是半导体开关器件，能够在指向ＯＮ期间在至少一个方向传导电流，在指向ＯＦＦ期间维持至少一个方向上的电压； 其中互补输入开关是半导体电流双向开关器件，能够在指向ＯＮ期间在两个方向传导电流，在指向ＯＦＦ期间维持至少一个方向上的电压； 所述半导体开关器件和半导体电流双向开关器件以高的切换频率指向ＯＮ和ＯＦＦ， 其中变换器的直流－直流电压转换比与负荷比Ｄ成线性关系； 其中对于处于０到１范围内的负荷比Ｄ，输入电感器绕组中的直流电流和中间电感器绕组中的直流电流流入输入和中间电感器绕组的点标记端...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：斯罗博丹卡克，
申请(专利权)人：斯罗博丹卡克，
类型：发明
国别省市：US[美国]