直流-直流功率變換器及其方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及直流功率輸入變換為直流功率輸出的功率變換器及其方法，更具體地說，涉及應用有源元件以減少直流功率輸出諧波成分的功率變換器及其方法。
【背景技術】
[0002]近來，開發具有較高功率變換率和較好紋波質量的直流-直流功率變換器成為一種趨勢。特別是在直流-直流功率變換器的輸入受到低頻諧波擾動的影響的情況下，對于其輸出電壓和電流的紋波的調節變得尤為重要。
[0003]通常，可以采用三種技術方案來減小直流-直流功率變換器輸入電壓的變化對其輸出直流電壓的影響:無源技術方案、有源調制技術方案和有源補償技術方案。
[0004]無源技術方案是通過接入額外的容性器件來減小電壓的變化。該方案最為簡單，但是效果較差。其帶來較高的成本和較低的功率密度。
[0005]有源調制技術方案是通過采用諸如脈寬調制和頻率調制一樣的手段來根據輸入端的電壓變化來調節輸出電壓。有源調制技術方案是常用的方案并且是比較有效的。但是，其缺點是僅能對較窄的輸入或輸出電壓范圍提供調節。
[0006]有源補償技術方案是通過采用補償電路來對諧波電壓進行補償。該方案可以保證較高的功率變換率并且受電壓諧波的影響較小。中國專利申請CN104054226A公開了采用有源補償技術方案的交流-直流功率變換器。主輸出包括具有第一交流電壓脈動的主直流電壓。脈動抵消變換器提供的是與主輸出相互串聯的第二交流電壓脈動，以致第一交流電壓脈動實質上得以抵消。其結果是，可以提供實質上無脈動的直流輸出功率。根據該中國專利申請所提供的技術方案，被實質上抵消的第一交流電壓脈動僅是線路頻率的諧波，例如二次諧波(例如，北美使用的120Hz或者中國、歐洲使用的10Hz)。但是，對于該交流-直流功率變換器的高頻變壓器原邊側的可控開關器件所引起的開關頻率諧波無法補償。在對直流功率輸出的開關頻率諧波有要求的應用場合，比如電動汽車充電粧，將帶來不利影響。
【發明內容】
[0007]根據本發明的一個方面，提供一種直流-直流功率變換器，包括:帶有中間變換為交流功率的直流-直流功率變換電路，包括直流-交流功率變換電路、第一交流-直流功率變換電路和第二交流-直流功率變換電路，其中直流-交流功率變換電路適用于提供所述交流功率，第一交流-直流功率變換電路適用于將所述交流功率的第一部分變換為第一直流功率并且在其輸出端輸出所述第一直流功率，并且第二交流-直流功率變換電路適用于將所述交流功率的第二部分變換為第二直流功率并且在其輸出端輸出所述第二直流功率;調制電路，其適用于對由第二直流功率變換電路輸出的第二直流功率的電壓執行調制并且在其輸出端輸出經調制的電壓，其中調制電路的第一輸出端與第一交流-直流功率變換電路的第二輸出端電氣連接;包括感性器件的低通濾波電路，其第一和第二輸入端分別與第一交流-直流功率變換電路的第一輸出端和所述調制電路的第二輸出端電氣連接，并且其適用于將直流-交流功率變換電路和調制電路的可控開關器件產生的開關頻率諧波基本上濾除并且在其輸出端輸出所述直流-直流功率變換器的輸出功率;交流信號提取電路，其適用于提取所述輸出功率電壓的交流分量信號；和控制器，其適用于控制所述調制電路以便在所述調制電路的輸出端產生其交流分量基本上與所提取的交流分量信號反相的電壓。
[0008]根據本發明的另一個方面，提供一種帶有中間變換為交流功率的直流-直流功率變換方法，包括步驟:將直流功率變換為所述交流功率;將所述交流功率的第一部分變換為第一直流功率;將所述交流功率的第二部分變換為第二直流功率;調制所述第二直流功率；將第一直流功率和經調制的所述第二直流功率串聯作為輸出功率;對所述輸出功率進行低通濾波以便將所述輸出功率中的開關頻率諧波基本上濾除；以及提取所述經低通濾波的輸出功率電壓的交流分量信號;其中:所述第二直流功率的調制是基于所述交流分量信號，該經調制的所述第二直流功率的交流分量基本上與所提取的交流分量信號反相。
[0009]通過采用根據本發明的技術方案，通過復用帶有感性器件的低通濾波器，在不增加額外器件的情況下同時抑制了開關高頻諧波和線路諧波對直流-直流功率變換器的直流輸出電壓的不利影響。調制電路的主要功能可集中于線路諧波的抵消，因為開關高頻諧波主要被帶有感性器件的低通濾波器濾除。這有利于改善直流-直流功率變換器的直流輸出電壓的紋波質量。
[0010]優選地，所述調制電路包括串聯連接的第一可控開關器件和單向電流導通器件，其中:靠近第一可控開關器件的第一端和靠近單向電流導通器件的第二端作為其輸入端分別與第二交流-直流功率變換電路的第一和第二輸出端電氣連接，并且其串聯連接點和靠近所述單向電流導通器件的第二端作為其輸出端。上述調制電路拓撲比較簡單并且成本低。
[0011]優選地，所述調制電路為由可控開關器件構成的全橋電路。因為其其輸出電壓僅包括用于補償線路諧波的交流分量，因此其額定功率比較低。
[0012]優選地，所述調制電路的所述單向電流導通器件可替換為第二可控開關器件;并且所述控制器進一步適用于控制所述第二可控開關器件與所述第一開關期間交替導通以便在所述第二可控開關器件兩端產生其交流分量基本上與所提取的交流分量信號反相的電壓。因為可控開關器件通常比單向電流導通器件導通損耗低，上述調制電路的損耗得以進一步降低。
[0013]優選地，所述交流功率的第一部分與所述交流功率的第二部分之間的功率傳輸比設置為小于或等于97.5%。這有利于降低調制電路的成本同時滿足調制電路的輸出電壓具有一定的幅值以便補償線路頻率諧波。為了達到上述功率比，所述高頻變壓器可設計為包括第一次級繞組和第二次級繞組;第一次級繞組和第二次級繞組的匝數比設置為小于或等于20:1;第一交流-直流功率變換電路的輸入端與第一次級繞組電連接;并且第二交流-直流功率變換電路的輸入端與第二次級繞組電連接。
[0014]優選地，所述交流信號提取電路包括:轉折頻率設定為低于預定值的低通濾波模塊，其適用于對所述變換器的輸出功率信號低通濾波；和比較模塊，其適用于生成所述直流-直流功率變換器的輸出功率信號和所述低通濾波模塊的輸出信號之間的誤差信號作為所述交流分量信號，所述誤差信號位于所述直流-直流功率變換器的輸出功率的相反相位上。為了主要濾除線路諧波，轉折頻率的預定值可以設為遠低于線路頻率的二次諧波。
【附圖說明】
[0015]圖1示出根據本發明的一個實施例的直流-直流功率變換器；
[0016]圖2A示出基于圖1的實施例的直流-直流功率變換器；
[0017]圖2B示出處于工作狀態的圖2A的直流-直流功率變換器的多個節點的波形圖；
[0018]圖3A示出根據圖1的直流-直流功率變換器的多個節點的電壓的幅值-頻率關系；
[0019]圖3B示出根據圖1的直流-直流功率變換器的多個節點的電壓的相位-頻率關系；
[0020]圖4A示出根據本發明的另一個實施例的直流-直流功率變換器；
[0021 ]圖4B示出處于工作狀態的圖4A的直流-直流功率變換器的多個節點的波形圖；[0022 ]圖5A示出根據本發明的另一個實施例的直流-直流功率變換器;和
[0023]圖5B示出處于工作狀態的圖5A的直流-直流功率變換器的多個節點的波形圖。
【具體實施方式】
[0024]圖1示出根據本發明的一個實施例的直流-直流功率變換器。如圖1所示，直流-直流功率變換器I包括帶有中間變換為交流功率的直流-直流功率變換電路10。交流功率AC可以從高頻變壓器T的原邊繞組PW傳輸至第一副邊繞組SWl和第二副邊繞組SW2。交流功率AC可由位于高頻變壓器T的原邊繞組PW側的直流-交流變換電路產生100產生;并且，位于高頻變壓器T的副邊繞組SWl，SW2側的交流-直流變換電路101，102可將AC功率整流為直流功率；第一交流-直流變換電路101可將交流功率AC的第一部分ACl變換為第一直流功率DCl并且在其輸出端1lp，1ln輸出第一直流功率DCl，第二交流-直流變換電路102可將交流功率AC的第二部分AC2變換為第二直流功率DC2并且在其輸出端102p，102n輸出第二直流功率DC2。第一直流功率DCl和第二直流功率DC2用于直流-直流功率變換器I的輸出功率。在直流-交流變換電路產生100工作的情況下，其對高頻變壓器T的原邊繞組PW施加交流電壓并且通過高頻變壓器T的電磁耦合作用分別在第一和第二副邊繞組SWl，SW2感應出交流電壓，第一交流-直流變換電路101和第二交流-直流變換電路102對所感應出的交流電壓整流，輸出直流電壓。
[0025]直流-直流功率變換器I還包括調制電路12，其適用于對由第二直流功率變換電路102輸出的第二直流功率DC2的電壓執行調制并且在調制電路12的輸出端12c，12b輸出經調制的電壓。調制電路12的第一輸出端12c與第