[发明专利]电压变换器及其变压器内的磁通饱和的消除方法

说明书

本发明涉及电压变换器及其变压器内的磁通饱和的消除方法。使用隔离型拓扑的开关电压变换器包括用于将来自输入源的电力耦合至输出负载的变压器。当变压器从其初级侧向其次级侧传输电力时，必须保护变压器以防止其铁芯由于过大的磁通密度而饱和。使用在变压器的初级侧或次级侧测量的电压来估计磁通，其中，次级侧电压可以是整流电压。如果估计的磁通被检测为接近变压器铁芯的饱和水平，则缩减输入至变压器的任何电力。这可以通过修改控制电力开关的脉冲宽度调制PWM波形来完成，电力开关控制传输至变压器的输入电力。使用这些技术，可以消除变压器饱和而不需要在电压变换器内有明显过大的变压器。

技术领域

本申请涉及隔离型电压变换器，具体地，涉及用于估计和跟踪这样的电压变换器的变压器内的磁通以便防止变压器铁芯饱和的技术。

背景技术

隔离型直流(DC)到DC开关电压变换器使用变压器将来自输入源的电力变换成用于输出负载的电力。这样的电压变换器包括将DC输入电力变换成馈送至变压器初级侧的交流(AC)电力的初级侧功率开关。对在变压器的次级侧上供给的AC电力进行整流以将其变换回DC电力，该DC电力继而被提供给输出负载。初级侧功率开关通常由脉冲宽度调制(PWM)波形来控制。PWM控制器生成具有适于满足输出负载的电力需要的频率和占空比的PWM波形。

必须保护隔离型DC-DC电压变换器中的变压器以便防止变压器铁芯的饱和以及初级侧功率开关的相关联的故障。当变压器铁芯内的磁通密度接近饱和水平时，外部磁场将不能再有效地增大变压器铁芯的磁化强度。这种情况的影响是变压器的初级绕组开始出现电气短路，这导致过大的电流通过初级绕组。这样过大的电流也流过初级侧功率开关并且可能损坏它们。为了防止损毁初级侧功率开关以及与变压器铁芯饱和相关联的其他问题例如过热，在DC-DC电压变换器中必须防止变压器铁芯饱和。

用于防止铁芯饱和的最直接的技术是测量流过初级侧绕组的电流，并且将其与指示铁芯将饱和的某电流限值进行比较。如果初级侧电流超过该限值，则可以调节PWM波形(例如，可以减小PWM波形的占空比)以防止铁芯饱和。该技术需要感测初级侧电流，这需要额外的电路并且通常具有一些相关联的电力损耗。虽然这样的技术是有效的，并且也可以用于平衡电流和磁通的半周期，但是在一些应用中其可能不可行。具体地，该技术不适合于其中PWM发生器和/或控制器位于电压器的次级侧的隔离型DC-DC电压变换器。

如上所述，在不主动防止铁芯饱和的情况下，变压器铁芯容易熔化而流走，其中，电压变换器的正半周期和负半周期中小的不匹配会导致磁通量逐渐增大，这最终会导致变压器铁芯的饱和。这可以通过平衡正半周期和负半周期来解决。用于这样做的一个技术是使用电容器将电力耦合至初级侧绕组中。由于增加的电路(尺寸)、部件成本、电力损耗等以及这样的技术不能保障安全的操作，所以该技术常常不是优选的技术。可以与电容器使用结合或者作为电容器使用的替选来操作的其他磁通平衡技术用于在相当大的时间尺度上平衡正半周期和负半周期，但不立即识别和防止铁芯饱和。因为这样的磁通平衡技术的动作相当慢，所以平均变压器磁通将在磁通平衡技术能够补偿这样的偏移之前趋于升至正值或降至负值。为了确保在使用这样的慢动作的磁通平衡时变压器铁芯不饱和，变压器必须设计有比在能够获得完美的磁通平衡的情况下所需的磁通饱和水平明显更高的磁通饱和水平。这可以通过选择具有空气隙或在物理上比其他必需品更大(例如，具有更大的铁芯横截面面积)的变压器来完成，以便针对磁通饱和实现足够的安全裕量。由于例如其增大的尺寸和增大的成本，在大部分应用中应该避免该过度设计的变压器。

因此，需要用于估计DC-DC电压变换器的变换器内的磁通、用于立即防止电压器铁芯的饱和、以及用于平衡变压器内的正磁通偏移和负磁通偏移的改进技术。这样的技术应该可用于在电压变换器的初级侧或次级侧上实现，并且应该不需要感测初级侧电流。使用这样的技术应该允许隔离型DC-DC电压变换器设计有更小且更高效的变压器，同时实现消除变压器铁芯饱和的安全操作。

发明内容