直流-直流功率变换器及其方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及直流功率输入变换为直流功率输出的功率变换器及其方法，更具体地说，涉及应用有源元件以减少直流功率输出谐波成分的功率变换器及其方法。
【背景技术】
[0002]近来，开发具有较高功率变换率和较好纹波质量的直流-直流功率变换器成为一种趋势。特别是在直流-直流功率变换器的输入受到低频谐波扰动的影响的情况下，对于其输出电压和电流的纹波的调节变得尤为重要。
[0003]通常，可以采用三种技术方案来减小直流-直流功率变换器输入电压的变化对其输出直流电压的影响:无源技术方案、有源调制技术方案和有源补偿技术方案。
[0004]无源技术方案是通过接入额外的容性器件来减小电压的变化。该方案最为简单，但是效果较差。其带来较高的成本和较低的功率密度。
[0005]有源调制技术方案是通过采用诸如脉宽调制和频率调制一样的手段来根据输入端的电压变化来调节输出电压。有源调制技术方案是常用的方案并且是比较有效的。但是，其缺点是仅能对较窄的输入或输出电压范围提供调节。
[0006]有源补偿技术方案是通过采用补偿电路来对谐波电压进行补偿。该方案可以保证较高的功率变换率并且受电压谐波的影响较小。中国专利申请CN104054226A公开了采用有源补偿技术方案的交流-直流功率变换器。主输出包括具有第一交流电压脉动的主直流电压。脉动抵消变换器提供的是与主输出相互串联的第二交流电压脉动，以致第一交流电压脉动实质上得以抵消。其结果是，可以提供实质上无脉动的直流输出功率。根据该中国专利申请所提供的技术方案，被实质上抵消的第一交流电压脉动仅是线路频率的谐波，例如二次谐波(例如，北美使用的120Hz或者中国、欧洲使用的10Hz)。但是，对于该交流-直流功率变换器的高频变压器原边侧的可控开关器件所引起的开关频率谐波无法补偿。在对直流功率输出的开关频率谐波有要求的应用场合，比如电动汽车充电粧，将带来不利影响。
【发明内容】
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种直流-直流功率变换器，包括:带有中间变换为交流功率的直流-直流功率变换电路，包括直流-交流功率变换电路、第一交流-直流功率变换电路和第二交流-直流功率变换电路，其中直流-交流功率变换电路适用于提供所述交流功率，第一交流-直流功率变换电路适用于将所述交流功率的第一部分变换为第一直流功率并且在其输出端输出所述第一直流功率，并且第二交流-直流功率变换电路适用于将所述交流功率的第二部分变换为第二直流功率并且在其输出端输出所述第二直流功率;调制电路，其适用于对由第二直流功率变换电路输出的第二直流功率的电压执行调制并且在其输出端输出经调制的电压，其中调制电路的第一输出端与第一交流-直流功率变换电路的第二输出端电气连接;包括感性器件的低通滤波电路，其第一和第二输入端分别与第一交流-直流功率变换电路的第一输出端和所述调制电路的第二输出端电气连接，并且其适用于将直流-交流功率变换电路和调制电路的可控开关器件产生的开关频率谐波基本上滤除并且在其输出端输出所述直流-直流功率变换器的输出功率;交流信号提取电路，其适用于提取所述输出功率电压的交流分量信号；和控制器，其适用于控制所述调制电路以便在所述调制电路的输出端产生其交流分量基本上与所提取的交流分量信号反相的电压。
[0008]根据本发明的另一个方面，提供一种带有中间变换为交流功率的直流-直流功率变换方法，包括步骤:将直流功率变换为所述交流功率;将所述交流功率的第一部分变换为第一直流功率;将所述交流功率的第二部分变换为第二直流功率;调制所述第二直流功率；将第一直流功率和经调制的所述第二直流功率串联作为输出功率;对所述输出功率进行低通滤波以便将所述输出功率中的开关频率谐波基本上滤除；以及提取所述经低通滤波的输出功率电压的交流分量信号;其中:所述第二直流功率的调制是基于所述交流分量信号，该经调制的所述第二直流功率的交流分量基本上与所提取的交流分量信号反相。
[0009]通过采用根据本发明的技术方案，通过复用带有感性器件的低通滤波器，在不增加额外器件的情况下同时抑制了开关高频谐波和线路谐波对直流-直流功率变换器的直流输出电压的不利影响。调制电路的主要功能可集中于线路谐波的抵消，因为开关高频谐波主要被带有感性器件的低通滤波器滤除。这有利于改善直流-直流功率变换器的直流输出电压的纹波质量。
[0010]优选地，所述调制电路包括串联连接的第一可控开关器件和单向电流导通器件，其中:靠近第一可控开关器件的第一端和靠近单向电流导通器件的第二端作为其输入端分别与第二交流-直流功率变换电路的第一和第二输出端电气连接，并且其串联连接点和靠近所述单向电流导通器件的第二端作为其输出端。上述调制电路拓扑比较简单并且成本低。
[0011]优选地，所述调制电路为由可控开关器件构成的全桥电路。因为其其输出电压仅包括用于补偿线路谐波的交流分量，因此其额定功率比较低。
[0012]优选地，所述调制电路的所述单向电流导通器件可替换为第二可控开关器件;并且所述控制器进一步适用于控制所述第二可控开关器件与所述第一开关期间交替导通以便在所述第二可控开关器件两端产生其交流分量基本上与所提取的交流分量信号反相的电压。因为可控开关器件通常比单向电流导通器件导通损耗低，上述调制电路的损耗得以进一步降低。
[0013]优选地，所述交流功率的第一部分与所述交流功率的第二部分之间的功率传输比设置为小于或等于97.5%。这有利于降低调制电路的成本同时满足调制电路的输出电压具有一定的幅值以便补偿线路频率谐波。为了达到上述功率比，所述高频变压器可设计为包括第一次级绕组和第二次级绕组;第一次级绕组和第二次级绕组的匝数比设置为小于或等于20:1;第一交流-直流功率变换电路的输入端与第一次级绕组电连接;并且第二交流-直流功率变换电路的输入端与第二次级绕组电连接。
[0014]优选地，所述交流信号提取电路包括:转折频率设定为低于预定值的低通滤波模块，其适用于对所述变换器的输出功率信号低通滤波；和比较模块，其适用于生成所述直流-直流功率变换器的输出功率信号和所述低通滤波模块的输出信号之间的误差信号作为所述交流分量信号，所述误差信号位于所述直流-直流功率变换器的输出功率的相反相位上。为了主要滤除线路谐波，转折频率的预定值可以设为远低于线路频率的二次谐波。
【附图说明】
[0015]图1示出根据本发明的一个实施例的直流-直流功率变换器；
[0016]图2A示出基于图1的实施例的直流-直流功率变换器；
[0017]图2B示出处于工作状态的图2A的直流-直流功率变换器的多个节点的波形图；
[0018]图3A示出根据图1的直流-直流功率变换器的多个节点的电压的幅值-频率关系；
[0019]图3B示出根据图1的直流-直流功率变换器的多个节点的电压的相位-频率关系；
[0020]图4A示出根据本发明的另一个实施例的直流-直流功率变换器；
[0021 ]图4B示出处于工作状态的图4A的直流-直流功率变换器的多个节点的波形图；[0022 ]图5A示出根据本发明的另一个实施例的直流-直流功率变换器;和
[0023]图5B示出处于工作状态的图5A的直流-直流功率变换器的多个节点的波形图。
【具体实施方式】
[0024]图1示出根据本发明的一个实施例的直流-直流功率变换器。如图1所示，直流-直流功率变换器I包括带有中间变换为交流功率的直流-直流功率变换电路10。交流功率AC可以从高频变压器T的原边绕组PW传输至第一副边绕组SWl和第二副边绕组SW2。交流功率AC可由位于高频变压器T的原边绕组PW侧的直流-交流变换电路产生100产生;并且，位于高频变压器T的副边绕组SWl，SW2侧的交流-直流变换电路101，102可将AC功率整流为直流功率；第一交流-直流变换电路101可将交流功率AC的第一部分ACl变换为第一直流功率DCl并且在其输出端1lp，1ln输出第一直流功率DCl，第二交流-直流变换电路102可将交流功率AC的第二部分AC2变换为第二直流功率DC2并且在其输出端102p，102n输出第二直流功率DC2。第一直流功率DCl和第二直流功率DC2用于直流-直流功率变换器I的输出功率。在直流-交流变换电路产生100工作的情况下，其对高频变压器T的原边绕组PW施加交流电压并且通过高频变压器T的电磁耦合作用分别在第一和第二副边绕组SWl，SW2感应出交流电压，第一交流-直流变换电路101和第二交流-直流变换电路102对所感应出的交流电压整流，输出直流电压。
[0025]直流-直流功率变换器I还包括调制电路12，其适用于对由第二直流功率变换电路102输出的第二直流功率DC2的电压执行调制并且在调制电路12的输出端12c，12b输出经调制的电压。调制电路12的第一输出端12c与第