[发明专利]功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器

说明书

本申请是申请日为2008年6月13日、申请号为200880019913.0(PCT/US2008/066968)、名称为“功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时申请的权益：2007年6月15日递交的名称为“Bidirectional DC to DC Converter for Power Storage Control in a Power Scavenging Application(功率收集应用中用于功率储存控制的双向DC-DC转换器)”的No.60/944,451(代理所记录no.06005/561855P)和2007年6月15日递交的名称为“Input Regulated DC to DC Converter for Power Scavenging(用于功率收集的输入调节式DC-DC转换器)”的No.60/944,454(代理所记录no.06005/561853P)，特此通过引用将这两个申请的公开内容合并于此。

技术领域

本发明总体涉及电压和功率转换电路，更具体地涉及用于在主电路与次级电路之间转移能量的方法和装置。

背景技术

在多种应用中使用DC-DC转换器产生调节电压。以增压转换器或“升压”转换器为人所知的某些转换器在输出端子处生成比输入电压高的电压。反之，减压转换器或“降压”转换器在输出端子处生成较低的电压。本领域已知的DC-DC转换器通常通过专用开关电路对流经电感器的电流的时序和方向进行控制而操作。具体来说，DC-DC转换器响应于由转换器输出端子处的反馈电路所检测到的电压而循环地改变电感器累积电能然后释放电能的时间段。由于典型的DC-DC转换器仅根据输出电压而操作，因此转换器按照需要从输入端子提取尽量多的功率，以便在输出端子处产生调节电压。例如，为了给负载提供恒定的电压，典型的DC-DC转换器会根据负载的需求而从输入端子汲取较多或较少的功率。

DC-DC转换器的一种已知应用是在功率收集设备的电路中。在诸多工业和家庭应用中，由电源和一个以上用电设备组成的电流环路包括用于将电流环路的一部分功率导向次级负载的附加电路。从主电路获得功率的过程经常被称作“收集(scavenging)”，因此执行该操作所需的电路被称作“功率收集设备”。通常，收集设备以主电路的过量的或未使用的电能为目标，以便给较小的负载供电。

重要的是，收集设备的应用不限于电路。例如，功率可能来自于诸如太阳辐射或物理振动之类的源。简言之，各种形式的电磁能或机械能都可以被收集，并作为电能被存储下来。

例如，收集设备可以用在过程控制工业中广泛使用的4－20mA电流环路中，以在现场设备与分布式控制系统即DCS之间传播模拟信号。一般而言，诸如阀、阀定位器或开关之类的现场设备通过检测4－20mA范围内的DC电流来处理控制信号。类似地，用于测量过程参数的诸如压力传感器、流量传感器或温度传感器之类的现场设备生成4－20mA范围内的信号，并通过专用线路对将这些信号传播到DCS。在某些情况下，期望使用4－20mA环路的功率中的一些功率给诸如无线收发机之类的附加设备供电。同时，期望对用于从4－20mA环路中汲取功率的收集电路两端的电压降进行限制，从而使收集电路不对电流环路有所干扰，更具体地说，不对DCS与现场设备之间的信号传输产生干扰。

由于可变的电流环路能够供应的能量可能多于对由收集器供电的负载供电所需的能量，因此还期望获得过量功率中的一些功率，并将该过量的功率存储在储存设备中。另外，还期望具有在电流环路供应的能量少于操作由收集器供电的负载所需的能量时，从功率储存器取回功率的装置。换句话说，期望升高供给功率储存器的电压，并降低从电源供给由收集器供电的负载的电压。而且，由于功率储存器端子之间的电压和功率负载端子之间电压都随时间而变化，因此需要DC-DC转换器。本领域技术人员会进一步理解，在某些应用中该关系是相反的，电压会在功率储存器与由收集器供电的负载之间以相反的方向升高或降低。

为了通过使用可用技术来实现该目标，相应的电路需要至少两个DC-DC转换器。具体而言，需要至少一个降压(减压)转换器和至少一个升压(增压)转换器，以适当地调节在具有可变能量需求和可用性的两个电路之间的功率转移。很明显，使用多个DC-DC转换器增加了电路的复杂度、成本和占用的空间。而且，只要在电路中存在剩余功率，传统的DC-DC转换器就输出恒定的电压，因而浪费了电能。