用于可变频率倍增器功率转换器的系统和方法
【专利说明】用于可变频率倍増器功率转换器的系统和方法
【背景技术】
[0001] 如本领域已知的，功率电子器件是解决能源挑战的关键技术。功率电子器件的性 能上的改进加上它们的扩展应用，能带来电力消耗的大幅减少（据估计多达20-30%)。然 而，实现电力消耗上该样的减少需要系统具有与现有系统相比提高的效率，同时更小且更 便宜。该样的功率电子器件对于（通过负载和源的改善的能力的效率）降低能量的消耗W 及（例如，通过功率因数的改善）改善电网自身的效率两者都是重要的。目前，功率电子器 件在电网接口层的效率通常在满载时在约70-90%的范围内。此外，该效率通常在减载时快 速下跌，使得平均效率，W及损耗，低于70%-90%的范围。例如，据估计，供电损耗占电子 产品消耗的全部能量的20至70%。类似地，差的功率因数据估计间接导致商业建筑中多达 2. 8%的能量消耗。因此存在着提供具有改善的峰值和平均效率、改善的功率因数W及也具 有减小的大小、重量和降低的成本的功率电子器件的需要，W实现较大的采用和利用率。 [000引能够在其中进行该样的改进的一个领域是在提供高压DC或AC输入（即，电网电 压）与低压DC输出之间的接口的电力供应中。该包括能量从AC电网到DC负载（例如计算 机、电子设备及L邸照明，其代表了电能的大量使用和在其中损耗了大量能量的地方两者） 的供应。已报道，超过28%的家庭电能使用进入了"各种各样的"负载一一包括具有供电前 端的电子设备。此外，进入电子负载的能量的百分数W其他负载的两倍的速率增长。全美 国家能源消耗中多达4%能够追溯到针对电子负载的供电损耗，很大程度上是由于差的平 均供电效率。此外，功率因数校正的缺乏在大多数电力供应中产生额外的间接（系统级） 损耗，其可能是相当可观的。该代表了巨大的能量浪费和不必要的排放的生成。
[0003] 改进的功率转换对于DC-输入系统也是重要的。DC分布（额定在380VDC)有时 被视为是对商业建筑和数据中屯、中的AC分布的备选，因为其提供更高的效率、对功率因数 校正的更有效的管理，W及分布式可再生能源与能量存储的更容易的集成。例如，早期的展 示已表明，在数据中屯、中380VDC分布架构能够得到超过标准208VAC分布约15%的能量 节约。该是由于在DC分布系统中需要的更高的分布电压和更少的电压转换级。
[0004] DC分布的效率至少部分地取决于将电压从380V(实际上260V- 410V)转换到照明 和电子负载所需要的较低电压的DC-DC转换器。在数据中屯、中一一其中预计首先部署该样 的DC分布架构，将需要使用位于每个"台架"（即，用于安装多个设备模块的框架或封装） 中的DC-DC转换器把380VDC源转换到12V，W为服务器供电。为了降低该样的架构中的成 本，将需要极高效率的转换器（例如，具有在97 %及W上范围内的效率的转换器）。
[0005]将能量从高电压DC或AC源递送到低电压DC负载的高性能功率转换器一一具有与AC电网一致的输入电压（例如，直到240VAC)和DC分布系统（260 - 410VDC)W及几伏特 到几十伏特的输出电压，实现了直到90-95%的效率（5-10%的损耗），平均效率要低得多。 达到更高效率、更大功率因数的技术，W及将能量从高电压DC或AC源递送到低电压DC负 载的功率转换器的小型化可能难W设计，因为高输入电压和大电压转换比率可能导致大的 半导体开关和磁巧损耗（例如，在变压器和电感器中），并且宽操作范围的输入电压（例如 1. 6 ;1或更大）和功率（例如10 ;1或更大）为许多设计技术造成限制。
[0006] 用于在开关转换器（switchedconverter)内实现高效率功率转换的一种技术包 括使用零电压切换（"ZVS")(其中在晶体管开启或关闭时晶体管电压被限制为接近零）和 /或零电流切换（"ZCS")(其中在晶体管开启或关闭时晶体管电流被限制为接近零）。没 有软切换，晶体管切换损耗可能降低转换器的效率并限制功率密度。
[0007] 遗憾的是，尽管可用的软切换电路能够在特定操作条件下达到非常高的效率，但 当考虑在宽泛变化的输入电压和功率水平上的操作要求时，性能倾向于大大降低。尤其地， 利用常规的电路设计和控制方法，难W随着功率从最大值降低W及随着输入电压从额定值 变化而维持合乎期望的电路波形（例如，ZVS/ZCS切换、最小传导电流等）。
[000引例如，一种用于控制谐振软开关逆变器（例如，串联、并联、串并联、LLC转换器等） 的技术是频率控制技术，其中通过调制转换器切换频率，来面对负载和输入电压变化调整 输出电压。由于要实现ZVS切换（其在高压水平是重要的）的电感性负载要求，在该样的 转换器中功率是通过增大切换频率来降低的，该可能加剧切换损耗。宽频率操作也使磁性 部件和Effl滤波器的设计更具挑战性。此外，取决于谐振槽设计，转换器中的环流可能不会 带功率回退，降低了功率传输效率。
[0009] 能够W固定频率被用于桥式转换器的备选方法是相移控制，在其中调制多个逆变 器桥臂的相对时序W控制功率。然而，使用相移控制的常规全桥谐振转换器受W下缺陷影 响，即由于桥臂被异相化W降低输出功率而在切换时两个逆变器桥臂之间的不对称电流水 平。结果是，超前逆变器桥臂中的晶体管开始在大电流断开。同样，随着异相化增加，滞后 逆变器桥臂中的晶体管失去ZVS接通能力。该些因素造成额外损耗，并在部分负载时导致 较低的转换器效率，W及因此导致差的设计权衡。
[0010] 也已开发出其他固定频率控制技术，例如不对称错位模式控制和不对称脉冲宽度 控制。然而，该些技术也在降低输出功率时失去零电压切换狂V巧能力。因此，它们也没有 在宽的负载范围上维持高效率。存在着对于能够在宽输入电压和功率范围上操作时提供减 少的损耗，并且能够提供大的步降电压转换的电路设计与关联控制的明显需要。
[0011] 频率倍增器电路能够被用于极高频RF应用中，并且有时被用于切换模式逆变器 和功率放大器中。然而，由于频率倍增器逆变器的输出功率相对于要求的设备额定值固有 地低，频率倍增器电路通常不被用于DC-DC转换器中。
【发明内容】
[0012] 根据本文中描述的概念、系统和技术，一种DC-DC功率转换器包括具有两个或更 多个开关逆变器（switchedinverter)的逆变级，所述逆变级被配置为从源接收DC功率并 产生切换的AC输出功率信号。变压级被禪合为从所述逆变级接收所述切换的输出功率信 号，对所述输出功率信号进行整形，并产生经整形的功率信号，所述变压级具有基准操作频 率。具有两个或更多个开关逆变器的整流级被禪合为接收所述经整形的功率信号并将所述 经整形的功率信号转换成DC输出功率信号。控制器电路被配置为W可变频率倍增器模式 操作所述逆变器和/或整流器。
[0013] 利用该特定布置，提供了可变频率倍增器（"VFX")功率转换器。通过提供能够W 基准切换频率模式和谐波切换频率模式两者操作的具有逆变级和/或整流级的所述功率 转换器，提供了具有在宽负载范围上的效率特性一一高于现有技术功率转换器在相同负载 范围上的效率特性一-的所述VFX功率转换器。此外，在一个实施例中，当在宽输入电压和 功率范围上操作时，本文中描述的所述VFX功率转换器被提供为具有与在相同的宽输入电 压和功率范围上操作的现有技术功率转换器的损耗特性相比降低的损耗特性。更进一步， 在一个实施例中，本文中描述的所述VFX功率转换器也能够提供与现有技术的功率转换器 的步降电压转换相比相对大的步降电压转换。
[0014] 在另一实施例中，一种DC-DC功率转换器，包括具有两个或更多个开关逆变器的 逆变级，所述逆变级被配置为在其输入处接收DC功率并在其输出处产生切换的AC输出功 率信号。变压级从所述逆变级输出接收所述切换的输出功率信号，并对所述输出功率信号 进行整形W在其输出处产生经整形的功率信号。具有两个或更多个开关逆变器的整流级， 所述整流级在其输入处接收所述经整形的功率信号并在其输出处将所述经整形的功率信 号转换成DC输出功率信号。控制器电路被禪合为W可变频率倍增器模式操作所述功率转 换器，其中，W-频率或占空比来切换所述逆变级或所述整流级中的所述开关逆变器中的 至少一个，该得到具有为由所述功率转换器生成的基准频率的谐波的频率的输出信号。在 一些实施例中，W谐波频率或占空比来切换所述逆变级中的所述开关逆变器和所述整流级 中的所述开关逆变器两者中的至少一个。
[0015] 利用该特定布置，提供了一种能够多模式操作的功率转换器。通过使用切换频率 的基准开关逆变器，所述功率转换器操作为提供最大输出电压（或功率）模式。通过使用 所述切换频率的谐波开关逆变器，所述功率转换器进入较低功率操作模式。应认识到，可W W多模式操作所述逆变级和所述整流级中的任一个或两者，W实现所述功率转换器的期望 总体操作模式。
【附图说明】
[0016] 从W下对附图的描述可W更充分地理解前述特征。附图旨在辅助解释和理解所公 开的技术。由于图示并描述每种可能的实施例常常是不实际或不可能的，因此所提供的附 图描绘一个或多个示范性实施例。因此，附图不想要，并且也不应被解释为限制本文描述