浙江昱能光伏科技集成有限公司 (中国浙江省嘉兴南湖区亚太路1号, Zhejiang 0, 314050, CN)
| 权 利 要 求 书 1、 一种轮替主从分路的交错并联反激变换器， 包括： 多个平行连接的反激电路； 输出电流检测器， 检测该交错并联反激变换器输出端的电流； 输出电压检测器， 检测该交错并联反激变换器输出端的电压； 控制器， 一方面耦接该输出电流检测器和该输出电压检测器， 另一方面分 别耦接该每一反激电路的开关， 根据检测到的电流和电压控制该每一反激电路 的运作： 将其中的部分反激电路设为主分路， 其余的反激电路设为从分路， 其 中该主分路在该控制器的控制下持续运行， 该从分路只在该交错并联反激变换 器的输出端的功率比阈值高时运行， 该控制器控制主分路和从分路进行周期性 的轮替。 2、 根据权利要求 1 所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器， 其特征 在于， 该每一反激电路进一步包括： 变压器； 开关器件， 与该变压器的主线圈串联； 二极管， 与该变压器的次线圈串联。 3、 根据权利要求 2 所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器， 其特征 在于， 该开关器件是场效应晶体管。 4、 根据权利要求 1 所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器， 其特征 在于， 该控制器进一步包括： 检测电路， 其输入端耦接该输出电流检测器和该输出电压检测器， 将模拟 信号形式的输出电流和输出电压转换为数字信号； 处理电路，耦接该检测电路，基于该数字信号形式的输出电流和输出电压， 利用功率过零获得每一反激电路的控制信号并发送； 控制电路， 耦接该处理电路， 根据接收到的该控制信号向所连接的该每一 反激电路中开关器件发出开启或关闭的运作信号。 5、 根据权利要求 1 所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器， 其特征 在于， 该控制器是通过功率过零来控制主分路和从分路进行周期性的轮替。 6、 根据权利要求 1 所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器， 其特征 在于， 该交错并联反激变换器是直流到直流转换器。 7、 根据权利要求 6 所述的轮替主从分路的交错并联反激变换器， 其特征 在于， 该直流到直流转换器还包括： 输入电容， 连接在该转换器的输入端， 用于存储能量。 |
本发明涉及能量转换设备， 尤其涉及反激变换器的能量转换设备。 背景技术
反激变换拓扑是一种常用的 DC-DC转换技术， 适用于要求电绝缘、 升压 及高效率的情况。 反激拓扑包括一个变压器、 一个开关器件、 和一个二极管。 通常， 开关器件与变压器的主线圈串联， 变压器的次线圈通过串联的二极管接 到负载。 通过开关主线圈的电流， 直流电压被升高。
为了加倍输出功率， 两个反激变换器可以通过并联方式交错工作。 每个反 激变换器形成一个分路， 独立而交错的工作。 两个分路必须匹配， 以保证二者 平衡工作， 从而能够有效地进行能量转换。 但是当两个分路都工作时， 所有 的器件会多损耗能量， 从而降低效率。 一个减少损耗的方法是使用主从分路： 主路一直工作， 而从路在功率低时停止工作。
然而， 当主路和从路固定时， 主路和从路间的不同工作状态又会造成二者 的失配和相关的问题， 如温度差别、 不同的器件老化等等。 另外， 由于主路工 作时间更多， 主路就成为了限制变换器可靠性和寿命的因素 。 发明概述
本发明的目的在于解决上述问题， 提供了一种轮替主从分路的交错并联反 激变换器， 能够提高变换器的可靠性和使用寿命。
本发明的技术方案为： 本发明揭示了一种轮替主从分路的交错并联反 激变 换器， 包括：
多个平行连接的反激电路；
输出电流检测器， 检测该交错并联反激变换器输出端的电流；
输出电压检测器， 检测该交错并联反激变换器输出端的电压；
控制器， 一方面耦接该输出电流检测器和该输出电压检 测器， 另一方面分 别耦接该每一反激电路的开关， 根据检测到的电流和电压控制该每一反激电路 的运作： 将其中的部分反激电路设为主分路， 其余的反激电路设为从分路， 其 中该主分路在该控制器的控制下持续运行， 该从分路只在该交错并联反激变换 器的输出端的功率比阈值高时运行， 该控制器控制主分路和从分路进行周期性 的轮替。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变 换器的一实施例， 该每一反 激电路进一步包括：
变压器；
开关器件， 与该变压器的主线圈串联；
二极管， 与该变压器的次线圈串联。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变 换器的一实施例， 该开关器 件是场效应晶体管。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变 换器的一实施例， 该控制器 进一步包括：
检测电路， 其输入端耦接该输出电流检测器和该输出电压 检测器， 将模拟 信号形式的输出电流和输出电压转换为数字信 号；
处理电路，耦接该检测电路，基于该数字信号 形式的输出电流和输出电压， 利用功率过零获得每一反激电路的控制信号并 发送；
控制电路， 耦接该处理电路， 根据接收到的该控制信号向所连接的该每一 反激电路中开关器件发出开启或关闭的运作信 号。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变 换器的一实施例， 该控制器 是通过功率过零来控制主分路和从分路进行周 期性的轮替。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变 换器的一实施例， 该交错并 联反激变换器是直流到直流转换器。
根据本发明的轮替主从分路的交错并联反激变 换器的一实施例， 该直流到 直流转换器还包括：
输入电容， 连接在该转换器的输入端， 用于存储能量。 本发明对比现有技术有如下的有益效果： 本发明通过在反激变换器中设置 有主从之分的反激电路， 通过输出端的电流和电压控制每一个反激电路 的运 作： 主分路持续运行， 分路只在功率比阈值高时运行， 而主分路和从分路进行 周期性的轮替， 尤其是通过功率过零来进行主从分路的周期性 轮替。 附图说明
图 1是本发明的轮替主从分路的交错并联反激变 器的一个实施例的结构 示意图。
图 2是图 1实施例中控制器的原理图。
图 3是使用现有的交错反激式直流到直流变换器 信号时序图。
图 4是不采用轮替手段的主从分路的交错并联反 变换器的信号时序图。 图 5是本发明的采用轮替手段的主从分路的交错 联反激变换器的信号时 序图。 发明的详细说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描 述。 图 1 示出了本发明的轮替主从分路的交错并联反激 变换器的实施例的结构。 请参见图 1， 为了描述方便， 本实施例以两个反激电路交错并联为例来说明 ， 其中 一支作为主分路， 另一支作为从分路， 本实施例也是直流到直流转换器 100。 直流 到直流转换器 100将直流电源 101的直流电压转换到直流电压输出 102。直流电源 101可以是光伏或一些其他来源的直流电源。直 流电压输出 102可以连接到使用直 流电源的设备， 包括直流到交流的转换器。
直流到直流转换器 100包括一个输入电容 103， 连接在直流电源 101上， 用来 储存能量。 对于输入端的直流电源 101和输出端的直流电压输出 102， 两个反激电 路 105和 106是并行连接的，两个反激电路的构造相同， 在本实施例中均可被称为 "分路" 。 反激电路 105包括变压器 Tl、 开关 Q1和二极管 Dl， 变压器 T1的初级 线圈与开关 Q1串联，变压器 T1的次级线圈通过二极管 D1连接至直流电压输出 102。 同样的， 反激电路 106包括变压器 T2、 开关 Q2和二极管 D2， 变压器 T2的初级线 圈与开关 Q2串联，变压器 T2的次级线圈通过二极管 D2连接至直流电压输出 102。
在本实施例中， 开关 Q1 是一个场效应晶体管 （FET) 。 这个场效应晶体管的 漏极耦合接地， 源极耦合到变压器 T1 的初级线圈， 栅极耦合到控制器 110 的 G1 输出端口。 同样的， 开关 Q2也是一个场效应晶体管。 这个场效应晶体管的漏极耦 合接地，源极耦合到变压器 T2的初级线圈，栅极耦合到控制器 110的 G2输出端口。
在输出端的直流电压输出 102处， 还设有输出电流检测器 111和输出电压检 测器 112。 其中输出电流检测器 111耦合到控制器 110的 lo端口， 输出电压检测 器 112耦合到控制器 110的 Vo端口， 它们都用来控制分路 （也就是反激电路 105 或 106) 的开启或关闭， 并实现主从分路的轮替控制。
图 2示出了控制器 110的内部原理。请参见图 2， 本实施例的控制器 110包括 检测电路 201、 内存 202、 处理器 204、 控制电路 205和外围电路 206。 其中检测电 路 201使用模数转换器将获取的输出电流检测器 111的电流信号和输出电压检测器 112的电压信号从模拟信号转换为数字信号。内 存 202可以是任何存储器元件类型， 比如随机存取存储器、 只读存储器、 闪存芯片、 处理器寄存器、 高速缓存、 硬盘、 可读或可写光盘或磁带存储、 电容器、 其他电路、 或任何其他类型的已知设备。 内 存 202中存储的控制软件 203可由处理器 204来执行。处理器 204基于数字信号形 式的输出电流和输出电压， 获得每一分路（反激电路 105或 106) 的控制信号， 并 发送给控制电路 205， 这种处理除了将其中的一个反激电路设为主分 路， 另一个反 激电路设为从分路，让主分路保持持续运作， 而从分路只在功率大于阈值时才工作 之外， 还可以对主从分路进行轮替的控制， 例如以一定的周期互换主从分路， 具体 的轮替过程将在下面的内容中详细的说明。控 制电路 205根据接收到的控制信号向 所连接的反激电路中的开关器件 Q1或 Q2发出开启或关闭的运作信号。处理器 204 可以是处理器、 微控制器、 FGPA、 专用集成电路 （ASIC ) 的形式。 外围电路 209 可以包括众所周知的外围电路， 例如电源、 时钟电路、 总线电路、 电路的 I/O等。
图 3是现有交错反激式转换器电路的信号时序图 坐标 301描绘的对象是控 制器 110的 G1端口的信号，也就是开关 Q1的栅极电路； 坐标 302描述的对象是控 制器 110的 G2端口的信号，也就是开关 Q2的栅极电压。从坐标 301和 302中可以 看出， 直流到直流转换器 100激活和停用每个分路 （反激电路 105、 106) 。 每个 分路是以交错的方式来运作， 这样一分路被激活， 而另一分路被停用， 反之亦然。 坐标 303显示了反激电路 105输出功率的包络线 P1，坐标 304显示了反激电路 106 输出功率的包络线 P2。 在现有技术中， 坐标 303和 304是相同的， 坐标 305显示 的是复合功耗 Po， 亦即输出功率 PI和 P2的总和， 实质上也等于输出电流检测器 111检测到的输出电流 Io和输出电压检测器 112检测到的输出电压 Vo的乘积。复 合功耗 Po的峰值是 Pm， 而 P1和 P2的峰值均为 Pm/2。可见， 交错方式可减少输出 直流电流和电压的纹波， 此外， 反激电路的并联使用使输出功率大幅提高的负 载， 例如两并联电路的输出功率增加了一倍。可以 看出， 在现有技术中， 两个分路并没 有主从之分。
稍加改进的是将两个分路分为主分路和从分路 ， 其中主分路一直运作， 而从 分路在输出端的直流电压输出 102的功率低于阈值时关闭。图 4是这种主从交错反 激转换器电路的信号时序图。坐标 401和 402分别描绘了开关 Q1和 Q2的栅极电压 G1和 G2， 坐标 403显示了反激电路 （分路） 105输出功率的包络线 Pl， 坐标 404 显示了反激电路（分路） 106的输出功率的包络线 P2。坐标 405显示的是复合功耗， 亦即 P1和 P2的总和。 即使坐标 405和 305相同， 坐标 403和 303以及坐标 404 和 303也不相同。所有的时间都是相同的，按周期 1和周期 2所示，每个周期有 A、 B和 C 三个区。 在 A区， Po从 0提高到 Pm/2 ; 在 B区， Po从 Pm/2增加到 Pm， 再 减少到 Pm/2 ; 在 C区， Po从 Pm/2降到 0。 在 A区和 C区， 只有主分路 105运作， 而从分路 106关闭， P2为 0， P1介于 0和 Pm/2， 而不是坐标 303所示的 Pm/4。 在 B区， 主从分路均匀地运作， P1和 P2是相同的， 和坐标系 303和 304所示相同。
下面详述主从分路的轮替。 当主分路是一个固定的分路时， 主分路一直运作， 从分路有时关闭， 所以两个分路是失配的， 比如在工作温度和应力等方面， 这将导 致不匹配的所有相关问题。另外主分路由于承 受了更多的应力，从而限制了变换器 的寿命。 因此， 本实施例中的控制器 110控制进行主从分路的轮替， 也就是将主分 路和从分路进行周期性轮换，使得两个分路的 运作时间相同，都低于固定主分路的 情况。 请同时参见图 5， 坐标 501和 502分别描绘了开关 Q1和 Q2的栅极电压信号 G1和 G2。 在时期 1， 分路 105是主分路而分路 106是从分路。 如上所示， 分路 105 始终在运作， 而分路 106在功率低于阈值时不运作。 在时期 2， 分路 106作为主分 路而分路 105是从分路。坐标 503显示了分路 105输出功率的包络线 Pl，坐标 504 显示了分路 106输出功率的包络线 P2， 坐标 505显示了复合功耗 Po， 即 PI和 P2 的总和。 在时期 1， 坐标 503和 403相同， 坐标 504和 404相同。 然而在时期 2， 主从分路轮替， 坐标 503和 404相同， 坐标 504和 403相同。具体的轮替触发点可 以由复合功耗 Po过零来控制， 也就是说， 当 Po到达 0时， 主分路变为从分路， 从 分路变为主分路。
在上述的例子中， 轮替周期是输出功率的周期。 当然， 控制器 110也可以设 置任何的一个轮替周期， 如多周期、 1秒、 1分钟、 1小时、 1天、 1周、 1个月或 其他。 需要理解的是， 上述的实施例是两个分路的例子， 本发明可以扩展到任意数 量（N个）的分路。对于 Po的峰值输出功率 Pm， 每个分路的峰值输出功率为 Pm/N。 为轮替控制的阈值电压可以定为 Pth=Pm/ (N*N)。运行的分路数是 Po和 Pth的整数 商。 当 Po是介于 0和 Pth时， 1路开启， 称为主分路。 当 Po介于 Pth和 2Pth之 间，有 2路运行， 1路为主分路，另一路为从分路。当 Po介于 i*Pth和 i* (i+l) *Pth， 主分路和第 1至第 i个从分路开启。 当 Po介于 (n-l) *Pth和 Pm之间时， 所有分路 运行， 包括主分路和 1到 N-1分路。 类似上面的例子， 主从分路轮替， 例如： 主分 路变成从分路 1， 从分路 1变成从分路 2， 从分路 N-1变成了主分路。
另一个需要理解的是， 在上述的实施例中是用输出功率 Po控制分路， 如果输 出电压 Vo是一个恒定的直流电压， 还可以使用输出电路 Io来控制分路。 本发明的反激变换器中设置了多个平行连接的 反激电路， 通过控制器控制各 个反激电路的运作，将其中的部分反激电路设 为主分路， 另一部分反激电路设为从 分路， 其中主分路持续运作， 而从分路只在功率高于阈值时才运行。 此外， 控制器 控制主从分路的周期性轮替。对比现有技术， 本发明可以减少单一分路的工作时间， 提高变换器的可靠性和使用寿命。 上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实 现或使用本发明的，本领域普通 技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况 下，对上述实施例做出种种修改或变 化， 因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限 ，而应该是符合权利要求书提到 的创新性特征的最大范围。