[发明专利]双向DC-DC变换器

说明书

技术领域

本发明涉及高压用双向DC-DC变换器。

背景技术

直流电压变换器，也称为DC-DC变换器，是指将在输入端供给的直流电压转换成具有较高、较低或反向电压电平的直流电压的电路。转换通过使用周期性操作的电子开关以及一个或多个能量存储元件来执行。在电力能源技术领域，这些变换器也被称为直流斩波控制器。

电感器（电感变换器）用于临时存储能量，其由线圈或变流变压器组成。与之相对，具有电容存储的变换器（电容变换器）被称为电荷泵。在集成电路中，当没有电感器存在，或当需要的输出功率太低，不值得使用和廉价的电容相比价格高昂的线圈时，通常使用电荷泵。

DC-DC变换器用作开关式电源单元中的元件，用于操作用户，例如，PC供电单元、笔记本电脑、手机、小电机和高保真设备（HiFi）。和线性供电单元相比，其优势是更高效且产生更少的热量。相比之下，在线性稳压器或一组串联电阻中，多余的电压只是“烧掉”。

DC-DC变换器也可作为完全封装的变换器模块，有时用于直接安装在印刷电路板上。根据型号，输出电压可以低于、等于或大于输入电压。最有名的是那些将特低的小电压转化为电位隔离的特低电压的模块。封装的DC-DC变换器可用于，例如，范围从1.5kV到3kV的绝缘电压，为直流电压网络中的小用户，例如，工业设施中的24V，或电信中的48V，或诸如用于数字电路的5V或为运算放大器供电的±15V等电子模块，提供能源。DC-DC变换器根据多种标准进行分类，并分为不同的拓扑结构（在电流路径上的分支网络的结构类型）。

和单向变换器相比，就双向DC-DC变换器而言，哪一个终端被定义为输入端和哪一个终端被定义为输出端并不重要。能量流的双向方向允许电能从定义的输入端流到输出端，反之亦然。

美国专利5027264描述了一种用于高电压的双向DC-DC变换器，其作用原理是基于双向有源桥（DAB）的拓扑学。在这里，输入变换器将DC输入电压转换为AC电压，然后该AC电压进入变压器。将变压器的输出连接到输出变换器，该输出变换器再次将AC电压变换成DC输出电压提供给负荷。这种双向DAB的DC-DC变换器利用半桥的零交叉点来降低切换损耗。此外，可以提高切换频率。这些DC-DC变换器可以通过单相或多相结构实现，由此提供可以保持为至少接近所需负荷电压的输出电压。然而，到目前为止使用的DAB拓扑结构需要串联电力电子半导体开关，因为在高DC侧电压时，半导体开关的反向电压不足。一般来说，半导体开关需要并联平衡电阻来实现静态电压平衡，这会在高DC电压处造成永久性损耗。另一方面，必须保证切换过程中的动态电压平衡，因此有必要采用缓冲网络，或其他的智能且价格高昂的驱动电路或额外电路。当因为输入的电压变化过大或负荷范围过大而离开在DAB拓扑结构内的软切换范围时，缓冲器损耗明显增加。在这个过程中，在缓冲器中的损耗可能超过在半导体中的损耗。术语缓冲网络是指有缓冲器元件的电路，缓冲器元件在电流突然中断的情况下可以消除干扰，例如，通常在电感负载切换时发生的高频率或电压峰值干扰。缓冲器元件限制半导体上的电压上升速度或电流上升速度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种应用于高电压的尽可能简单且损耗尽可能小的双向DC-DC变换器。