具有非隔离式dcdc分离的电源的利记博彩app

专利名称：具有非隔离式dc dc分离的电源的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种具有非隔离式DC DC分离(DC DC splitting)的电源，特别用于 燃料电池。
背景技术：
燃料电池用于很多应用中。例如用作电动车辆中的能源，或用于充电电池，例如便 携装置(如电话)的充电电池。燃料电池产生的电能通常不能直接利用。特别是电池不提供恒定的电压。所产生 的电压通常比应用所需的电压要弱。通常根据技术和成本规格来最优化燃料电池的单元的 数量。最后，输出电压随着电流变化。因此采用具有非隔离式DC DC分离的电源将燃料电池提供的电压校准并调到需要 的水平。这些电源，也称为转换器或断路器，使得在从几伏特到几千伏特的电压范围内从 一个连续电压转换到另一个连续电压。更一般地，根据电源的拓扑结构，这些电源能够将一 个连续电压转换为可以更高或更低的，并且可以是相同极性或相反极性的另一连续电压。具有DC DC分离的电源通常是三极电路，具有输入端、输出端和公共端。该电路包 括至少一个开关、一个二极管以及一个能量存储元件，通常是电感。输入电压提供于输入端 和公共端之间。输出电容连接在输出端和公共端之间。通过存储能量的能量存储元件将能 量从输入端转移到输出端，然后以开关在断开状态和闭合状态之间的切换频率下再存储该 能量。通过分离开关的导通时间(闭合状态)来校准电压。根据应用的功率范围和所需增益，提出了各种已知的电源拓扑结构。它们是电压 步升，称为“升压” (boost)、电压步降，“降压” (buck)、电压逆变器和步升/步降，“降压_升 压”(buck-boost)拓扑结构，以其发明者命名的“Cuk”拓扑结构或者电压步升/步降或 SEPIC(单端初级电感转换器，Single ended primary inductor converter)拓扑结构。开关S通常由场效应晶体管制成。这就是为什么在涉及到前时候没有区分断开 (open)状态或截止(off)状态，以及闭合(closed)状态或导通(on)状态的原因。通常在 从几伏特到几千伏特的输入和输出电压范围内，优选地采用IGBT类型的晶体管(Isolated Gate BipolarTransistor，双极型隔离栅场效应晶体管)，这种类型的晶体管在其端点能够 经受住高电压。该技术方案使得在最小化元件的成本的同时，能够确保转换器的可靠性。因此图1描述了一种电压步升转换器BC(升压)。其为具有星形拓扑的三极器件 (如同降压或降压/升压转换器一样)开关S、电感L和二极管D每一个构成该三极器件 的一个分支。这些分支都从公共节点A开始，它们的终点分别构成该三极器件的三个端点 中的一个。在步升型转换器中，开关S连接在节点A和公共端点B3之间。二极管的阳极连接 到节点A，其阴极连接到输出端点B2。电感L连接在输入端点B1和节点A之间。开关通常由具有恒定频率的脉冲信号控制，该脉冲信号将开关交替地置于断开状态和闭合状态。这种转换器的两个操作阶段对应于开关S的闭合和断开两种状态，所述两个操作 阶段，如下_当开关S闭合时电感L并联到输入电压源，且电感中的电流增加。这是能量存 储阶段。此时二极管D截止。图Ib描绘了等效电路图。-当开关S断开时，电感L串联到输入电压源Ue。电流通过电感L和二极管D且 输出电容Cs被充电。这是能量转移阶段。图Ic描绘了等效电路图。输出电容Cs的端点的电压变得比输入电压更高。输出电压水平实际上取决与开 关的断开和闭合的持续时间。如果分离电源工作在恒定频率f下，且工作在连续导通模式 下(也就是说流经电感的电流永不消除)，输出电压Us等于a*Ue，其中α是开关的闭合 时间与周期的整个时间(1/f = t)之间的占空因数。以已知的方式，分离电源具有在输出电容中引起电流波纹以及在输入端引起波纹 的缺点。另外波纹的幅度也是测量这种电源的质量的规格之一。诸如燃料电池的某些电能源不能经受住这样的电流波纹，其有减少电池使用寿命 的效应。为了解决这一问题，实际中已知采用具有交错的单元(cell)的分离电源。每个单 元是一个转换器。交错的概念来源于这些单元依次对输出电容进行导通的事实。图2描述了这种分离电源，其具有图Ia所示的电压步升(升压)转换器拓扑结构 的交错的单元。更具体地，其描述了第一示例性实施例，其中单元全部连接到相同的输出电 容Cs。在该示例中，电源包括η = 3个并联的同样的单元BCnBCyBC3(I^Sj)它们的端 点B1连接在一起；它们的端点B2连接在一起，它们的端点B3连接在一起。该电源包括连接 在每个单元的输出端点B2和公共端点B3之间单个输出电容Cs，输入电压Ue提供于每个单 元的输入端点B1和公共端点B3之间。以固定时间的时间偏移，如上图Ia所示来控制η个开关的每一个，该时间偏移对 应于每个单元之间的2 π /nf的相位偏移。因此负载所看到的电流和电压的频率比单个单 元得到的频率高η倍。输入端的波纹和输出电容中的波纹被降低了。在图2所示的示例性实施例中，η个交错的单元具有单个输出电容Cs。因此这个 电容是一个大电容值的电容。在每个单元中，具有开关S、二极管D、电容Cs回路的配线电感 Lw。由于电容值大，构成每个回路所需的接线要长。由于这些原因，配线电感Lw高且引入相 当大的损耗。损害了电源的效率。此外，通常要设置为将开关和二极管放置在散热片或水板的表面，从而能够消除 这些元件耗散的热损耗。为了此耗散更有效，有必要将开关和二极管在散热片或水板的表 面散开，从而确保它们之间有一定的距离。在这些情况下，利用对η个单元公共的单个输出 电容，开关和二极管之间的距离被增大，这也具有提高配线电感的作用。解决这个问题的一个方法是为每个单元BC1, BC2, BC3提供输出电容Csl，Cs2，Cs3，如 图3所示。由于每个单元的元件向相组合的电容靠近，从而回路的配线电感！^减小。各个 开关和二极管可更好地在冷却装置的表面上分散，而不损害这些电感Lw，使得能够最优化 这些元件的热损耗的耗散。每个电容被放置得靠近于相组合的二极管和开关。
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但是这导致了电容之间额外的配线电感L' w(图3)。这些配线电感具有对电容 之间的电流交换起反作用，以及限制交错效果的缺点每个电容中的有效电流更高，这损害 了电源的效率，而且输出电容中的电流波纹和输出电压波纹更大。

发明内容
本发明旨在解决由单元中的元件之间的配线电感引起的技术问题，也就是效率的 降低，以及输入端和输出端的电流波纹和热耗散问题。找到了一种将谐振电路与每个开关结合的技术方案，从而每个开关切换的断开状 态可在零电流和电压下进行。这构成了低波纹及高效率的、具有交错的DC DC单元的、具有 DC DC分离的电源。因此本发明涉及一种具有非隔离式DC DC分离的电源，用于基于提供给输入端的 直流电压来提供直流电压，其包括η个并联的、交错的转换单元，η至少为2，每个单元包括 开关，开关接受指令以切换到闭合状态和断开状态，从而分别闭合或断开单元的第一节点 和第二节点之间的导通路径，分别启动将能量存储在存储元件中的阶段，和将能量转移到 输出电容的阶段，该输出电容连接在单元的输出端点和公共端点之间，其特征在于所述开 关位于谐振电路的所述第一和第二节点之间。该谐振电路包括辅助开关，用于触发谐振阶段。该谐振阶段使得相应单元的开关 在零电流和电压下切换到断开状态。本发明还涉及一种用于为负载供电的系统，其包括燃料电池，以及具有DC DC分离 的电源，该电源能够在输出端为负载提供校准过的连续电压水平。


下面的说明书中参考描绘本发明实施例的附图详细地描述发明的其它优点和特 征，实施例作为非限制性示例。这些附图包括-图la，lb，lc，如上文所述，描述了升压型电压步升单元，及其两个操作阶段；-图2和3描述了根据现有技术，具有交错单元的、具有DCDC分离的电源的两个 实施例；-图4是根据本发明的电压步升单元的图，该单元包括与分离开关相组合的谐振 电路；-图5，6和7描述了在根据本发明的这种单元中的电流和电压波形；-图8和9描述了具有交错的单元的、具有DCDC分离的电源的两个对应的示例性 实施例；以及-图10是信号时序图，该信号用于控制根据本发明的分离电源的两个转换单元的 开关S和辅助开关Saux。
具体实施例方式本发明涉及具有DC DC分离的电源，其具有η个交错的单元。用更具体的电压步 升或升压拓扑结构的示例来描述。但是其更广泛地应用于所有具有DC DC分离的电源拓扑 结构，不管其为步升(升压)、步降(降压)、步升/步降(SEPIC)、或者步升/步降和逆变器(步降/步升，Cuk)类型。这些各种拓扑结构是已知的。它们包括转换单元，该转换单元具 有分离开关，该开关切换到闭合状态控制能量存储阶段，而该开关切换到断开状态控制至 输出电容的能量转移阶段。更具体地，在这些拓扑结构中，转换单元包括开关，该开关的闭合(导通)状态以 及断开(截止)状态分别闭合或断开单元的第一节点和第二节点之间的导通路径，分别启 动用于将能量存储在存储元件中的阶段，和用于将能量转移到输出电容的阶段。根据本发明，在每个单元中，分离开关位于谐振电路中。该谐振电路使得分离开关在零电流时处于截止状态，以从存储阶段切换到转移阶 段。截止状态也在零电压时出现。由没有损耗的截止状态产生的技术效果是使电荷转移回 路的配线电感Lw对电源的效率没有影响。因此，尽管配线电感很高，它们在转换中不起作 用。因此可以忽略它们，针对热耗散，采用对所有单元公共的大输出电容并将元件以最佳的 方式放置在空间中，特别是二极管和开关。因此，具有交错的单元和具有与每个单元的分离开关相组合的谐振电路的拓扑结 构的结合，使得能够获得低波纹和高效率的、具有DCDC分离的电源。图4描述了根据本发明的实施例，其应用于电压步升型电源中的单元BCi，该电源 具有η个交错的单元BC”具有DC DC分离，η是至少为2的整数。单元BCi包括连接成星形的分离开关S、电感L和二极管D，如上文参考图Ia所述。 开关S特别地连接在节点A和节点B3之间，当开关切换到闭合状态时，其闭合这两个节点A 和B3之间的导通路径，因此使电感L与电压源Ue形成回路这是能量存储阶段。当其切换 到断开(或截止)状态时，其断开节点A和 之间的导通路径，从而触发将能量转移到输 出电容Cs的阶段。开关S位于谐振电路10中。该谐振电路10的功能是使得在零电流时切换到开关 S的断开状态。从闭合状态到断开状态的转换也在零电压时进行。因此开关S的断开没有 损耗。在这种情况下，能量转移回路S，D，Cs (图2)的配线电感Lw对单元的效率没有影响。 因此能够产生具有η个交错的单元的、以及对η个单元公共的输出电容Cs的分离电源，其 具有优化的效率。谐振电路主要包括辅助开关Saux，在开关S闭合时，在能量存储阶段通过该辅助 开关Saux触发谐振阶段。谐振使得能够消除开关S中的电流。然后开关S切换到断开状态，导致电源切换 到能量转移阶段。有利地，这也能够消除辅助开关Saux中的电流，使辅助开关无损耗地(在零电流 时)切换到截止状态。在优选的实施例中，谐振电路10包括-电感L2,串联在开关S和节点A之间，以及二极管Dp，其与该开关并联，其阳极连 接到节点B3,阴极连接到开关S和电感L2之间的连接点11 ；- 二极管D2和谐振电容Cres，串联在节点A和B3之间；-电感Lres和辅助开关Saux，与谐振电容Cres并联，电感连接到谐振电容Cres 和所述第二二极管之间的连接点12 ；-第二二极管Daux，与辅助开关Saux并联，其阴极连接到辅助开关Saux和电感
6Lres之间的连接点13。实际中，二极管Daux和Dp可分别通过与相组合的IGBT晶体管并联的分离元件来 实现，也就是说，分别与开关Saux和开关S并联，或者与该晶体管集成在同一封装中。根据本发明的具有谐振电路10的单元BCi的各种操作阶段如下-能量存储阶段ST(图5到7)开关S被控制到闭合(导通)状态。二极管D切 换到截止。单元的电感L以电磁形式积累电能。-谐振阶段R(图5到7)开关Saux切换到闭合(导通)状态。二极管D截止；开 关S总是闭合。开关Saux切换到闭合状态导致在电容Cres和电感Lres之间建立谐振电容Cres 端点的电压下降直到反相；当二极管D2的阴极(节点12)的电压比阳极(节点A)的电压 低时，二极管D2被设置为导通。通过二极管D2的电流能够消除开关S中的电流。开关S 可切换到断开状态，导致转换单元切换到能量转移阶段。当开关S中的电流消除时，并联的二极管Dp使得反相电流通过，并结束谐振阶段， 且电感L2开始起作用，因为二极管Dp导通在二极管Dp导通的过程中，开关S的端点的处 电压也是零。因此开关S切换到断开状态可以是软切换，没有能量损耗。随着开关S切换到断开状态，能量转移阶段开始_能量转移阶段T (图5到图7)二极管D导通，开关S断开，且开关Saux断开。能量从电感L转移到输出电容Cs。 电容Cres在输出电压Us下充电。与现有技术相比，这里提出了额外的阶段在能量存储阶段ST结束时的谐振阶段 R0该谐振阶段由辅助开关Saux切换到闭合状态而触发。该谐振阶段能够消除开关S中的 电流。还能够消除开关S端点的电压。因此开关S切换到断开状态可以无损耗地进行。此外，当开关S被设置为导通时，二极管D不会立即进入截止状态其在已知的反 过流时间内导通反相电流。在该反过流时间内，开关S端点的电压是输出电压。没有谐振 电路的电感L2，将由导致高耗散的高水平电流穿过。电感L2具有在反过流阶段使二极管D 和开关S中的电流增长放慢的作用因此电感L2能够在二极管的反过流阶段限制开关S的 损耗，并能够和缓地切换到二极管D的截止状态，二极管D端点的过电压减少。这也能够最 小化导通的或发射的电磁损耗。更详而言之，请注意，当开关被设置为导通时，其端点的电压以一定度速度下降， 同时后者在开始建立时被电流穿过。在该阶段，在元件的端点出现高电压，同时元件已经被 电流穿过，因此开关具有相当大的内部耗散。本发明的谐振电路10的电感L2能够限制开关S中的电流的增长速度。因此在电 压降低阶段开关端点的电流的水平变得更低，开关的内部耗散大大降低。请注意，二极管切换到截止状态贯穿反过流阶段，在该阶段中不能阻止反相电流 通过其中。该阶段持续时间与载流子和空穴未疏散或未重新组合的时间一样长。该阶段的 持续时间称为反过流时间，通常简记作trr。如果考虑图Ia中的单元BC，在建立开关S的导通的过程中，二极管D因此不能够 立刻将自己切换为截止其保持导通并在和反过流阶段持续时间一样长的时间内被反相电 流穿过。在该阶段，开关S端点的电压是输出电压Us(由于二极管反向导通)其被高水平电流穿过，例如单元中额定电流的三分之一的量级。由于在开关的端点同时出现非常大的 电压和电流，反过流阶段是高度消耗的。本发明的谐振电路10的电感L2，如图4所示，能够降低该反过流阶段的开关S (处 于导通状态)中的电流的增长速度。在这种情况下，开关中的损耗降低。二极管中的反相电流的增加速度也被减慢了。这能够促进二极管中的载流子的重 新组合，而不是通过电流使这些载流子耗散。这样导致二极管和缓地切换截止，且二极管端 点的过电压降低。以这种方式，二极管以更少的损耗切换为截止。因此在切换到导通状态过程中主开关S中的损耗被减少该切换是和缓的。以相似的方式，根据本发明的谐振电路10在二极管Daux导通时强制辅助开关 Saux在零电流和零电压下无损耗地切换截止，并通过电感Lres帮助其设置到导通电感 Lres使开关Saux中的电流上升减慢，这能够降低该开关中的损耗，并产生和缓的切换。如 图10的时序图中所示，在每个单元中-每个单元的开关Saux由控制信号控制，从而开关Saux在固定的时间段taux内导 通(被闭合)。-该开关S被控制从而在αt+taux的期间内导通。-两个开关S和Saux以同步的方式切换到断开或截止状态。单元(例如单元BCi)的开关S到断开状态的转换，与其它单元(例如单元BCi+1)
的开关S到断开的转换之间的偏移为
11 O实际中，各个控制信号以已知的方式通过诸如以下电路产生例如脉宽调制电路 (通常为了产生α t，或α t+taux)，以及固定持续时间偏移电路(通常是持续时间taux和
$t)，持续时间通过仿真确定。作为变形，可以提供用于检测断开或闭合情况的电路，例如，
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用于检测电流或零电压的电路。这些应用属于常用技术。图5，6和7的曲线显示了单元BCi获得的波形，该单元包括与根据本发明的分离 开关相组合的谐振电路。在图5中，曲线1和2显示了开关S的端点的电压和通过该开关的电流。特别注 意，在时刻tl，在零电流和电压下，切换到断开状态。在图6中，上述曲线1再次出现，显示了开关S端点的电压，且曲线3显示了开关 Saux的端点的电压。在图7中，曲线1再次出现，显示了开关S的端点的电压，且曲线4显示了二极管 D的阳极(节点A)相对于零伏特的电压V(A)。这三个图清楚地显示了三个操作阶段存储阶段ST、谐振阶段R、和能量转移阶段 T。图5到图7中的时刻tl对应于开关S和Saux同时转换到断开或截止状态，标志到能量 转移阶段⑴的转换，以及谐振阶段(R)的结束。图8和9描述了具有DC DC分离的电源的两个实施例，其具有η = 3个交错单元， 每个单元中包括分离开关S的谐振电路。图8对应于优选结构，其具有单个输出电容Cs。本发明能够提供这种交错结构，其 具有单个输出电容，不受配线电感的影响。进一步地，遵守放置和冷却元件的约束。图9对应于具有η个交错单元和η个输出电容的结构，每个单元一个输出电容。
特别地，本发明能够提出这样一种结构，其具有η个输出电容，而没有现有技术的 缺点。特别地，电容之间的配线电感L' w(图3)变成谐振电感L2的组成部分，因此参与到 谐振阶段。此外，本发明的谐振电路使得不需要最小化电荷转移回路(S，D，Cs)的配线电感
Lwf0在实际中，根据标准元件的可用规格或空间规格来选择哪一种结构。因此具有η个交错的单元的结构，该结构将谐振电路与每个单元的分离开关相组 合，使得能够获得具有改善性能的电源，该电源的结构能够容忍配线电感，其造成很低的输 入电流和输出电容波纹、针对元件的位置安装的自由性、容易管理转换器的热量以及更高 的效率。其还具有以下其它优点-最小化每个单元中的开关S和Saux的切换损耗，_提高每个单元的转换效率，-减少二极管D中由切换截止的速度的微小限制导致的损耗，-最小化导通的和辐射的电磁干扰。根据本发明的具有DC DC分离的电源更适用于基于燃料电池PC提供的电压(图 4)为负载Z提供校准的电压。
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权利要求
一种具有非隔离式DC DC分离的电源，用于基于通过施加到输入端的直流电压(Ve)来提供直流电压(Vs)，其包括n个并联的、交错的转换单元(BCi)，n至少为2，每个单元包括开关(S)，该开关接收命令以切换到闭合状态和断开状态，从而分别闭合或断开单元的第一节点(A)和第二节点(B3)之间的导通路径，分别使能将能量存储在存储元件(L)中的阶段，和将能量转移到输出电容(Cs)中的阶段，该输出电容连接在单元的输出端点(B2)和公共端点(B3)之间，其特征在于所述开关(S)被放置在谐振电路(10)中的所述第一第二节点之间。
2.根据权利要求1所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，其中所述谐振电路包括辅 助开关(Saux)，用于在单元的开关(S)处于闭合状态时触发谐振阶段(R)，所述谐振阶段能 够消除该单元的所述开关(S)中的电流，导致所述开关在零电流下切换到断开状态。
3.根据权利要求2所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，其特征在于所述谐振阶段 能够消除所述辅助开关(Saux)中的电流，使得所述辅助开关切换到断开状态。
4.根据权利要求3所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，其中单元的所述开关(S) 切换到断开状态与单元的谐振电路的辅助开关(Saux)切换到断开状态是同步的。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，其中所述谐 振电路(10)包括-第一电感(L2)，串联在所述开关和所述第一节点之间，以及第一二极管(Dp)，与所述 开关并联，其阳极连接到所述第二节点，其阴极连接到开关和所述第一电感之间的连接点； 以及-第二二极管(D2)和谐振电容(Cres)，串联在所述第一和第二节点之间，-第二电感(Lres)和辅助开关(Saux)，与所述谐振电容(Cres)并联，所述第二电感连 接到所述谐振电容和所述第二二极管之间的连接点；-第二二极管(Daux)，与所述辅助开关并联，其阴极连接到所述辅助开关(Saux)和所 述第二电感(Lres)之间的连接点。
6.根据上述权利要求1到5中任意一项所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，其特征 在于包括单个输出电容(Cs)，其对于所有单元(BCi)是公共的。
7.根据上述权利要求1到5中任意一项所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，其特征 在于每个单元(BCi)包括一个输出电容(Csi)。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，该电源是电 压步升类型。
9.根据权利要求1到7中任意一项所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，该电源是 电压步降类型。
10.根据权利要求1到7中任意一项所述的具有非隔离式DCDC分离的电源，该电源是 电压逆变器和/或步降/步升类型。
11.一种为负载(Z)供电的系统，该系统包括燃料电池(PC)，该燃料电池后跟随至少一 个具有根据前述权利要求中任意一项所述的具有非隔离式DC DC分离的电源，从而为所述 负载提供校准的直流电压水平。
全文摘要
本发明涉及一种具有非隔离式DC DC分离的电源，包括n个交错的转换单元BC1，BC2，BC3。用于分离每个单元的开关S放置在谐振电路(10)中。所述谐振电路能够在零电流和零电压下使所述开关切换到断开状态。输入端和输出端的波纹被最小化，且效率被提高。特别是，每个单元的电荷转移回路中的配线电感不再对效率起副作用。该单元可以是升压、降压、降压/升压，Cuk或SEPIC拓扑结构。本发明可应用于燃料电池。
文档编号H02M3/158GK101983472SQ200980109975
公开日2011年3月2日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月21日
发明者D·沙特鲁, F·罗伊, J-C·多尔哈加雷 申请人:原子能和能源替代品委员会;标致雪铁龙汽车股份有限公司