專利名稱：雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換的制作方法
雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換優(yōu)先權(quán)主張本申請(qǐng)要求2009年12月21日所遞交的共同待審的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/288，798號(hào)的權(quán)利；本申請(qǐng)還要求2010年3月31日所遞交的共同待審的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/319，842號(hào)的權(quán)利；本文以引用方式將前述申請(qǐng)完整并入。相關(guān)申請(qǐng)數(shù)據(jù)本申請(qǐng)涉及2010年10月7日遞交的題為“雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換”的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/899，800號(hào)(律師檔案編號(hào)第1938-037-03號(hào))；并涉及2010年10月7日遞交的標(biāo)題為“雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換”的美國(guó)專利申請(qǐng)第12/899，917號(hào)(律師檔案編號(hào)第1938- 040-03號(hào))；本文以引用方式將前述申請(qǐng)完整并入。功率功率

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明內(nèi)容以簡(jiǎn)單的形式來(lái)介紹在下面的詳細(xì)描述中會(huì)進(jìn)一步說(shuō)明的經(jīng)挑選概念。本發(fā)明內(nèi)容的用意并非要確認(rèn)本申請(qǐng)所主張的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，其用意亦并非用來(lái)限制本申請(qǐng)所主張的主題的范疇?！N實(shí)施例包含在第一切換循環(huán)的第一部分期間，將位于第一電感器與變壓器的第一繞組之間的第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至參考節(jié)點(diǎn)；在第一切換循環(huán)的第二部分期間，將第一中間節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)解除耦合，并且將第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至信號(hào)儲(chǔ)存組件；在第一切換循環(huán)的第二部分期間，將變壓器的第二繞組耦合于參考節(jié)點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間；以及藉由控制第一切換循環(huán)的第一部分與第二部分中的一個(gè)的持續(xù)長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)。例如在一實(shí)施例中，雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換器可實(shí)施上述步驟以在兩個(gè)負(fù)載之間操控功率傳輸。相比于常規(guī)的雙向電壓轉(zhuǎn)換器，此電壓轉(zhuǎn)換器可有改善的轉(zhuǎn)換效率、較小尺寸及較少組件數(shù)量。再者，不論功率傳輸?shù)姆较驗(yàn)楹危穗妷恨D(zhuǎn)換器都可以使用普通切換方案來(lái)操作，且不需要用到瞬間功率流動(dòng)方向的指示器。


圖I是雙向電壓轉(zhuǎn)換器以及該轉(zhuǎn)換器可于其間操作以傳輸功率的電源/負(fù)載的實(shí)施例的示意圖。圖2是圖I的雙向轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器級(jí)與變壓器的的實(shí)施例的更詳示意圖。圖3是圖2的轉(zhuǎn)換器級(jí)以大于50%的占空比來(lái)操作的的實(shí)施例的切換信號(hào)的時(shí)序圖。圖4是當(dāng)圖2的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)的實(shí)施例操作在升壓模式時(shí)，跨越圖2的第一級(jí)濾波電容器的電壓相對(duì)于流過(guò)圖2的第一變壓器繞組的電流的關(guān)系圖。圖5是當(dāng)圖2的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)的實(shí)施例操作在降壓模式時(shí)，跨越圖2的第一級(jí)濾波電容器的電壓相對(duì)于流過(guò)圖2的第一變壓器繞組的電流的關(guān)系圖。圖6是圖4與5的關(guān)系圖的組合，并且示出了圖2的轉(zhuǎn)換器級(jí)的實(shí)施例響應(yīng)于功率傳輸方向的改變而從降壓模式到升壓模式以及從升壓模式到降壓模式的轉(zhuǎn)換。
圖7是圖2的轉(zhuǎn)換器級(jí)以小于50%的占空比來(lái)操作的的實(shí)施例的切換信號(hào)的時(shí)序圖。圖8A是圖2的轉(zhuǎn)換器級(jí)與變壓器，以及被耦合至轉(zhuǎn)換器級(jí)用以感測(cè)總第一級(jí)變壓器電流的實(shí)施例的示意圖。圖8B是圖I中用以控制圖2與圖8A的轉(zhuǎn)換器級(jí)的控制器的實(shí)施例的示意圖。圖9是圖2的轉(zhuǎn)換器級(jí)與變壓器的一實(shí)施例的略圖，其中第二轉(zhuǎn)換器級(jí)包含信號(hào)乘法器。圖10是具有兩個(gè)以上相位的雙向電壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。
具體實(shí)施方式
雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換器(例如雙向電壓轉(zhuǎn)換器)可被使用于在多個(gè)負(fù)載之間來(lái)回傳輸功率的應(yīng)用之中。例如車輛系統(tǒng)(例如氣-電混合式汽車)可能會(huì)具有較高電壓電池，用以供電給電傳動(dòng)馬達(dá)(例如每個(gè)車輪一個(gè)馬達(dá))；較低電壓電池，用以供電給該車輛的每一個(gè)其它被供電組件(例如燈、收音機(jī))；以及被耦合在這兩個(gè)電池之間的雙向DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器。在汽車加速期間，該雙向轉(zhuǎn)換器可提供來(lái)自較低電壓電池的功率，以便保留較高電壓電池上的電量；相反地，在再生性剎車期間，功率流可能會(huì)反向，由此該雙向轉(zhuǎn)換器可提供來(lái)自較高電壓電池(其正在由作為發(fā)電機(jī)的電傳動(dòng)馬達(dá)來(lái)重新充電)的功率，用以對(duì)較低電壓電池重新充電。不幸的是，這樣的雙向轉(zhuǎn)換器可能會(huì)有的問(wèn)題包含轉(zhuǎn)換效率不佳、大尺寸與大量組件數(shù)量、需要瞬間功率流動(dòng)方向的指示器、并且對(duì)于每個(gè)功率傳輸方向都需要一種分別的切換方案。圖I是系統(tǒng)10的一部分的實(shí)施例的示意圖，系統(tǒng)10包含電源/負(fù)載12與14 ;至少一個(gè)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16，選擇性地從電源/負(fù)載中的至少一個(gè)接收功率并向功率電源/負(fù)載中的至少一個(gè)提供功率；以及在這兩個(gè)電源/負(fù)載之間傳輸功率的雙向DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器18功率。例如該系統(tǒng)10可以是車輛系統(tǒng)，例如氣-電混合式汽車。如下面的討論，相比于常規(guī)的雙向電壓轉(zhuǎn)換器，該雙向轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例可具有改善的轉(zhuǎn)換效率、較小的尺寸、以及較少的組件數(shù)量。再者，該雙向轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例還可以用至少功率傳輸方向大約無(wú)關(guān)的切換方案來(lái)操作，并且不需要用到瞬間功率流動(dòng)方向的指示器。在一個(gè)實(shí)施例中，電源/負(fù)載12與14分別為第一電池與第二電池，其中的每一個(gè)都在提供電流以例如對(duì)另一個(gè)電池進(jìn)行充電時(shí)充當(dāng)電源，并在從另一個(gè)電池處接收電流時(shí)(例如充電電流)時(shí)充當(dāng)負(fù)載。第一電池12與第二電池14分別產(chǎn)生可能相等或不相等的第一電壓V1與第二電壓V2。例如倘若該系統(tǒng)10是車輛系統(tǒng)(例如,氣-電混合式汽車)，第一電池12則可以是鉛酸電池，其會(huì)產(chǎn)生范圍在約7伏(V)至16V的較低電壓，以對(duì)諸如該車的燈與收音機(jī)進(jìn)行供電；而第二電池14可以是鋰離子或鎳-金屬-氫化物(NiMH)電池，其會(huì)產(chǎn)生范圍在約100V至500V的較高電壓，以在用作為馬達(dá)(例如，用以轉(zhuǎn)動(dòng)該汽車的至少一個(gè)車輪)時(shí)對(duì)上述至少一個(gè)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16進(jìn)行供電車輪。馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16在從電源/負(fù)載12與14中的至少一個(gè)處接收功率時(shí)可充當(dāng)馬達(dá)，并且在提供功率給電源/負(fù)載中的至少一個(gè)時(shí)可充當(dāng)發(fā)電機(jī)。例如系統(tǒng)10是混合式汽車而電源/負(fù)載12與14是電池，則在汽車加速期間，馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16通過(guò)從至少一個(gè)電池中接收功率而充當(dāng)馬達(dá)，用以轉(zhuǎn)動(dòng)汽車車輪中的一個(gè)或多個(gè)車輪；而在汽車剎車期間，馬達(dá)/發(fā)電機(jī)則可以充當(dāng)發(fā)電機(jī)，以重新充電至少一個(gè)電池(有時(shí)候稱為“再生性剎車”)。該雙向電壓轉(zhuǎn)換器18包含第一雙向轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二雙向轉(zhuǎn)換器級(jí)22 ;變壓器24 ;第一電流傳感器26與第二電流傳感器28 ;控制器30 ;第一轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)32、第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34、第三轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36、以及第四轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)38，它們分別被耦合至電源/負(fù)載12與14。第一級(jí)20與第二級(jí)22各自分別包含至少一個(gè)相位40i至40n，并且可操作用以響應(yīng)于控制器30而在電源/負(fù)載12與14之間雙向傳輸功率；而且如下面的討論，轉(zhuǎn)換器級(jí)還可以操作用以響應(yīng)于控制器而對(duì)轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34與36處的電壓V1與V2中至少一個(gè)進(jìn)行步升、步降、或是調(diào)整。例如假設(shè)控制器30使得轉(zhuǎn)換器級(jí)20與22將電壓V2調(diào)整至高于 電壓V1的電平。在第一操作模式期間，當(dāng)功率從電源/負(fù)載14(充當(dāng)電源)流到電源/負(fù)載12 (充當(dāng)負(fù)載)時(shí)，第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20可以有效地將該電壓V2步降至電壓V1 (如下面的討論，變壓器24可以輔助此步降作業(yè))，而且第一轉(zhuǎn)換器級(jí)與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)可以協(xié)同操作用以調(diào)整流入轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36中的電流以便調(diào)整電壓V2。而當(dāng)在第二操作模式期間功率從電源/負(fù)載12 (充當(dāng)電源)流到電源/負(fù)載14 (充當(dāng)負(fù)載)時(shí)，第一級(jí)20便可以有效地將電壓V1步升或升壓至電壓V2 (如下面的討論，變壓器24可以輔助此步升作業(yè))，而且第一轉(zhuǎn)換器級(jí)與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)可以協(xié)同操作用以調(diào)整從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36流出的電流(即，從第二級(jí)22流向電源/負(fù)載14)，以便調(diào)整電壓V2。變壓器24在電源/負(fù)載12與14之間提供電隔離，且還可輔助第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22步升/步降V1與V2。變壓器24包含至少一個(gè)第一級(jí)繞組41至44w以及至少一個(gè)第二級(jí)繞組46i至46w。如下面結(jié)合圖2所討論，在一個(gè)實(shí)施例中，變壓器24針對(duì)每一對(duì)轉(zhuǎn)換器相位40和42都分別包含一個(gè)第一級(jí)繞組44與第二級(jí)繞組46。繞組44與46之間的匝數(shù)比決定了變壓器24要將Vl與V2步升/步降至哪一個(gè)電平。例如當(dāng)功率從電源/負(fù)載12流到電源/負(fù)載14時(shí)，2:1的匝數(shù)比會(huì)讓變壓器24在跨越第二級(jí)繞組46上產(chǎn)生的電壓是跨越對(duì)應(yīng)的第一級(jí)繞組44的電壓的兩倍；相似地，當(dāng)功率從電源/負(fù)載14流到電源/負(fù)載12時(shí)，相同的2:1匝數(shù)比會(huì)讓變壓器在跨越第一級(jí)繞組44上產(chǎn)生的電壓是跨越對(duì)應(yīng)的第二級(jí)繞組46的電壓的1/2。但是因?yàn)樽儔浩鞯男?即，功率輸出與功率輸入之比)可能會(huì)隨著匝數(shù)比的增加而下降，所以如下面結(jié)合圖2所討論的，第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22可被設(shè)計(jì)成允許變壓器24的匝數(shù)比低至約1:1，以獲得雙向轉(zhuǎn)換器18的改善的效率。繼續(xù)參考圖I，第一電流傳感器26與第二電流傳感器28允許控制器30監(jiān)視流到電源/負(fù)載12與14的電流。例如在電源/負(fù)載12與14是電池的情況下，第一電流傳感器26與第二電流傳感器28可允許控制器30控制電池的至少一個(gè)充電參數(shù)(例如電流)，并且防止對(duì)電池的過(guò)充電?？刂破?0可以調(diào)整電壓V1與V2中的至少一個(gè)，并在電源/負(fù)載12與14是電池的情況下，控制器30還可藉由控制第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的操作來(lái)控制對(duì)電池的充電。例如如下面結(jié)合圖2所討論的，控制器30可控制轉(zhuǎn)換器級(jí)20與22中的至少一個(gè)的切換占空比。再者，控制器30還可在“不知道”功率流動(dòng)方向的情況下控制轉(zhuǎn)換器級(jí)20與22。也就是說(shuō)，控制器30的一實(shí)施例并不需要接收表示瞬間功率流動(dòng)方向的信號(hào)。
繼續(xù)參考圖1，以示例為目的而描述了本文中所述的系統(tǒng)10的實(shí)施例的操作，該系統(tǒng)是車輛系統(tǒng)(例如，混合式汽車)，電源/負(fù)載12與14是電池(例如分別是鉛酸電池與鋰離子電池)，電壓V2被調(diào)整，而電壓V1不被調(diào)整(雖然控制器30仍可防止對(duì)電池12的過(guò)充電)。再者，下面所述的充電周期與放電周期被假設(shè)為足夠短，使得電池12與14上的電量保持足夠高，而使得另一個(gè)發(fā)電機(jī)(圖中并未顯示，但是通常是由汽車中的汽油引擎來(lái)?yè)?dān)任)不需要被啟動(dòng)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行重新充電。在馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16充當(dāng)馬達(dá)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)車輛系統(tǒng)10的至少一個(gè)車輪的加速操作模式期間，電池14提供對(duì)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流。在一段時(shí)間之后(該時(shí)間取決于電池14上的電量的水平)，電壓V2便會(huì)開(kāi)始下降至它的調(diào)整數(shù)值以下。
響應(yīng)于電壓V2下降至它的調(diào)整數(shù)值以下，控制器30便會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的占空比，使得這些級(jí)將功率從電池12傳輸至電池14，以便讓V2保持在大約為其調(diào)整數(shù)值上。明確地說(shuō)，控制器30使第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22將來(lái)自電池12的放電電流吸入第一轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34之中，以將放電電流轉(zhuǎn)換成充電電流，并且從第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36處提供此充電電流，使得通過(guò)向電池12補(bǔ)充與電池14提供用來(lái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16的電量基本相等的電量，而讓電壓V2保持在其調(diào)整數(shù)值。只要馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16需要電流來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車10的至少一個(gè)車輪，由第一電池12向第二電池14的充電作業(yè)便可以持續(xù)進(jìn)行。接著，汽車10的駕駛者(圖I中未顯示)進(jìn)行剎車，使該汽車進(jìn)入通常被稱為“再生性剎車模式”的模式中。這會(huì)使馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16從電池14處吸取的電流相當(dāng)快速地朝零值下降。當(dāng)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16所吸取的電流下降時(shí)，控制器30便會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的占空比來(lái)讓V2保持在其調(diào)整電平上，使得從電池12流入轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34中的電流以及從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36處流出的電流下降，以便補(bǔ)償馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16所吸取的電流的下降。倘若汽車10的駕駛者(圖I中未顯示)繼續(xù)進(jìn)行剎車，則馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16在特定時(shí)點(diǎn)便開(kāi)始提供電流至電池14中。由此，來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16的電流便會(huì)對(duì)電池14進(jìn)行重新充電。響應(yīng)于馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16所產(chǎn)生的電流，控制器30通過(guò)調(diào)節(jié)第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的占空比而繼續(xù)讓V2保持在其調(diào)整電平上，使得從電池12流入轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34中的電流以及從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36處流出的電流進(jìn)一步下降，以便補(bǔ)償由馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16所產(chǎn)生的電流。倘若汽車10的駕駛者(圖I中未顯示)仍然繼續(xù)進(jìn)行剎車，則在特定時(shí)點(diǎn)處，對(duì)電池14進(jìn)行重新充電所需要的電流會(huì)變成小于由馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16所產(chǎn)生的電流。由此，來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16的“超額電流”便會(huì)讓電壓V2上升至其所期望的電平以上，除非此超額電流受到補(bǔ)償。為響應(yīng)于由馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16所產(chǎn)生的超額電流而讓電壓V2保持在其調(diào)整電平上，控制器30會(huì)調(diào)節(jié)第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的占空比，使得第一轉(zhuǎn)換器級(jí)與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)將此超額電流轉(zhuǎn)換成用于對(duì)電池12進(jìn)行充電的電流。也就是說(shuō)，來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16的超額電流會(huì)流入轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36中，且控制器30會(huì)讓第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22將此超額電流轉(zhuǎn)換成從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34流出并流入電池12之中的充電電流。由此，雙向轉(zhuǎn)換器18會(huì)讓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16不僅對(duì)電池14進(jìn)行重新充電，還對(duì)電池12進(jìn)行重新充電。倘若汽車10的駕駛者(圖I中未顯示)仍然繼續(xù)進(jìn)行剎車，則在特定時(shí)點(diǎn)處，跨越正在重新充電的電池12的電壓V1便可能會(huì)等于或超越第一充電閾值電壓，這表示流入電池12中的充電電流要被減小為“涓流(trickle) ”，以此對(duì)該電池進(jìn)行“涓流充電”一對(duì)電池進(jìn)行涓流充電可以防止由于諸如過(guò)充電而導(dǎo)致對(duì)電池的破壞。所以，控制器30會(huì)以數(shù)種方式來(lái)產(chǎn)生涓流電流，以繼續(xù)對(duì)電池12進(jìn)行重新充電。例如控制器30可調(diào)節(jié)第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的占空比，使得從該節(jié)點(diǎn)34處流出且受到電流傳感器26監(jiān)視的充電電流不會(huì)超過(guò)指定的涓流數(shù)值?；蛘?，除了對(duì)電壓V2進(jìn)行調(diào)整之外，控制器30可能還會(huì)將電壓V1穩(wěn)壓至指定電平上，使得電池12 經(jīng)由被跨越電池而施加大約恒定的電壓被重新充電。但是限制從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34處流出的電流或者對(duì)電壓V1進(jìn)行調(diào)整可能會(huì)讓來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16的超額電流將電壓V2提升至其調(diào)整電平之上，因?yàn)楝F(xiàn)在的轉(zhuǎn)換器18并不會(huì)“吸收”全部這些超額電流。所以，控制器30可使馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16停止產(chǎn)生電流，控制器30可控制介于馬達(dá)/發(fā)電機(jī)與電池14之間的用以限制或阻隔來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)的電流的可選電路(圖I中未顯示)，；或者，控制器30可控制介于轉(zhuǎn)換器18與電池12之間的用以產(chǎn)生涓流電流并用以將從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34流出的任意額外電流分流至消耗性負(fù)載(例如，電阻器)的另一個(gè)可選電路(圖I中未顯示)。倘若汽車10的駕駛者(圖I中并未顯示)仍然繼續(xù)進(jìn)行剎車，則在特定時(shí)點(diǎn)處，正在重新充電的電池12上的電壓V1會(huì)等于或超過(guò)完全充電閾值電壓，從而表示流入該電池12之中的充電電流要被減少為零，也就是說(shuō)要被終止。因此，控制器30可能會(huì)以數(shù)種方式來(lái)終止流入電池12中的電流。例如控制器30可以調(diào)節(jié)第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的占空比，使得從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34處流出零電流。但是，這會(huì)讓來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16的超額電流將電壓V2提升至其調(diào)整電平之上，因?yàn)楝F(xiàn)在轉(zhuǎn)換器18并不會(huì)吸收全部這些超額電流。因此，控制器30可使馬達(dá)/發(fā)電機(jī)16停止產(chǎn)生電流，控制器30可控制介于馬達(dá)/發(fā)電機(jī)與電池14之間的用以限制或阻隔來(lái)自馬達(dá)/發(fā)電機(jī)的電流的可選電路(圖I中未顯示);或者，控制器30可控制介于轉(zhuǎn)換器18與電池12之間的用以阻隔電流進(jìn)入電池12且用以將從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34流出的任意額外電流分流至消耗性負(fù)載(例如，電阻器)的另一個(gè)可選電路(圖I中未顯示)。繼續(xù)參考圖I并參考系統(tǒng)10的上述實(shí)施例，并參考該系統(tǒng)的操作的上述范例，控制器30的上述實(shí)施例不論何時(shí)都不需要來(lái)自微處理器的用以向控制器通知轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36電流方向的信號(hào)。不論功率傳輸方向?yàn)楹?，通過(guò)調(diào)整電壓V2，控制器30便可以讓轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34電流與轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36電流平順的從一個(gè)方向轉(zhuǎn)變成另一個(gè)方向。再者，控制器30的上述實(shí)施例并不需要根據(jù)功率傳輸方向而改變第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22的切換方案(例如切換時(shí)序、占空比)。取而代之的是，控制器30可根據(jù)需要而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器級(jí)20與22的占空比，以便將電壓V2穩(wěn)壓至所期望的電平。繼續(xù)參考圖1，亦可構(gòu)想到系統(tǒng)10的替代實(shí)施例。例如替代了單個(gè)控制器30，雙向轉(zhuǎn)換器18可包含多個(gè)控制器用以實(shí)施上述動(dòng)作。再者，雖然被描述為是正值，電壓V1與V2中至少一個(gè)也可以是負(fù)值。又，系統(tǒng)10可能不是車輛系統(tǒng)。此外，電源/負(fù)載12與14中的至少一個(gè)也可以不是電池，例如可以是一組超電容器。再者，控制器30可能會(huì)以與控制器控制電池12充電相類似的方式來(lái)控制電池14的充電。圖2是圖I的雙向轉(zhuǎn)換器18的雙相實(shí)施例的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20與第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22以及變壓器24的示意圖。如下面的討論，轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例可以提供下面一項(xiàng)或多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，其包含a)允許變壓器24具有比較低的匝數(shù)比(例如I: I)，以達(dá)到改善的變壓器效能；
b)消除了在變壓器24的任一側(cè)設(shè)置有前置調(diào)整器電路的需要，從而降低了轉(zhuǎn)換器18的組件數(shù)量與尺寸；c)允許晶體管在大部分的環(huán)境中在零電壓切換(ZVS)條件或零電流切換(ZCS)條件下進(jìn)行切換，以達(dá)到轉(zhuǎn)換器18的改善的效能，并且在高頻應(yīng)用中減小轉(zhuǎn)換器中一個(gè)或多個(gè)組件的尺寸；d)當(dāng)轉(zhuǎn)換器18提供電流(例如充電電流)給電源/負(fù)載12時(shí)(圖I)允許第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20操作為電流乘法器(current multipler)(例如電流倍增器(currentdoubler)),以此減小轉(zhuǎn)換器18的至少某些組件的尺寸；e)當(dāng)轉(zhuǎn)換器18提供電流(例如充電電流)給電源/負(fù)載14時(shí)(圖I)，允許第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20操作為多相升壓電路，以此允許消除轉(zhuǎn)換器18中的至少一個(gè)前置調(diào)整器電路并且允許變壓器24有比較低的匝數(shù)比；f)允許利用市售的電源控制器來(lái)建構(gòu)控制器30(圖I)，其僅要進(jìn)行少許修正；g)降低因轉(zhuǎn)換器18的多相結(jié)構(gòu)的關(guān)系所造成的電壓V1與V2的漣波電壓分量；以及h)模塊化轉(zhuǎn)換器18以允許相位調(diào)降，以達(dá)到轉(zhuǎn)換器的改善輕負(fù)載效率。雙向轉(zhuǎn)換器18的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20包含相位電感器50與52,具有電感L1與L2 ;低側(cè)切換晶體管54與56，接收來(lái)自控制器30(圖I)的切換信號(hào)S1與S2 ;高側(cè)切換晶體管58與60，接收來(lái)自控制器的切換信號(hào)S3與S4 ;以及濾波電容器62，具有電容C1。電感器50以及晶體管54與58構(gòu)成轉(zhuǎn)換器18的第一相位，而電感器52以及晶體管56與60會(huì)構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的第二相位。第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20中的相位數(shù)(本實(shí)施例中有兩個(gè)相位)可被視為雙向轉(zhuǎn)換器18中的相位數(shù)。例如可將轉(zhuǎn)換器18視為具有兩個(gè)相位的第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20的雙相轉(zhuǎn)換器。如下面所討論的，當(dāng)功率從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34流到轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36時(shí)，第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20作為升壓轉(zhuǎn)換器，而當(dāng)功率從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36流到轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34時(shí)，第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20則工作為降壓轉(zhuǎn)換器。雙向轉(zhuǎn)換器18的第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22包含高側(cè)切換晶體管64與66，接收來(lái)自控制器30 (圖I)的切換信號(hào)P1與P2 ;低側(cè)切換晶體管68與70，接收來(lái)自控制器的切換信號(hào)P3與P4 ;以及濾波電容器72，具有電容C2。晶體管64與70構(gòu)成第二級(jí)22的第一半橋接器，而晶體管66與68構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的第二半橋接器。如下面所討論的，當(dāng)功率從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34流到轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36時(shí)，第二級(jí)22工作為同步全波整流器；并且當(dāng)功率從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36流到轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34時(shí)，第二級(jí)22工作為DC-AC轉(zhuǎn)換器(在一實(shí)施例中是DC至方波轉(zhuǎn)換器)。變壓器24包含可被建模成具有泄漏電感Lkl的第一級(jí)繞組44，可被建模成具有泄漏電感Lk2的第二級(jí)繞組46，而變壓器本身可被建模成具有磁化(有時(shí)稱為耦合)電感L1^圖3是當(dāng)圖2的轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例操作在大于50%的占空比下用以在另一個(gè)方向中傳輸功率時(shí)，圖2的信號(hào)S1至SjPP1至P4的時(shí)序圖。本實(shí)施例中的級(jí)20與22的“占空比”(進(jìn)而轉(zhuǎn)換器18的”占空比”)雖然被定義為S1切換周期的邏輯高部分和全部S1切換周期的比值，不過(guò)亦可以構(gòu)想到“占空比”的其它定義。
參考圖2與3，首先說(shuō)明的是轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例的操作模式，其中該轉(zhuǎn)換器的占空比大于50%并且正在將功率從轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)34傳輸至轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)36 (也就是，從第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20至第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22)。在該操作模式中，第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20工作為升壓轉(zhuǎn)換器(在本文所述的實(shí)施例中是雙相升壓轉(zhuǎn)換器)，而第二轉(zhuǎn)換器級(jí)22工作為同步全波整流器。再者，延遲周期ddx是與占空比無(wú)關(guān)的固定持續(xù)長(zhǎng)度并且可以由控制器30來(lái)產(chǎn)生，以便讓這些晶體管中至少某些晶體管達(dá)到如下面所述的至少近似ZVS或ZCS。相反地，周期Dx取決于占空比。在時(shí)間處，信號(hào)S1具有不起作用的邏輯低電平，信號(hào)S2具有起作用的邏輯高電平，信號(hào)S3從起作用的邏輯低電平轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，而信號(hào)S4具有不起作用的邏輯低電平；所以，工作為開(kāi)關(guān)的晶體管54為關(guān)斷，晶體管56為導(dǎo)通，晶體管58從關(guān)斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通，而晶體管60則為關(guān)斷。再者，信號(hào)P2與P3從起作用的邏輯低電平轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，而信號(hào)P1與P4則具有不起作用的邏輯低電平；所以，晶體管66與68會(huì)從關(guān)斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通，而晶體管64與70則為關(guān)斷。因?yàn)樵诰w管58導(dǎo)通之前晶體管54已經(jīng)關(guān)斷達(dá)至少一延遲周期Cld1，所以從電感器50流出的升壓電流中的至少一部分會(huì)經(jīng)由晶體管58的體二極管(電感器50升壓電流中的其它部分I _一會(huì)流經(jīng)第一級(jí)繞組44)流到電容器62，并因此對(duì)電容器進(jìn)行充電。所以，當(dāng)晶體管58導(dǎo)通時(shí)，會(huì)有約零伏跨越其上(例如約0. 6V至0. 7V的二極管壓降)；依此方式，控制器30 (圖I)使晶體管58達(dá)到至少近似ZVS，從而使得晶體管在其切換周期期間消耗的功率相當(dāng)?shù)?。所以，相比于常?guī)的雙向二極管轉(zhuǎn)換器，晶體管58的ZVS可改善雙向轉(zhuǎn)換器18的效率。同樣地，因?yàn)樵诰w管66與68導(dǎo)通之前，晶體管54已經(jīng)關(guān)斷達(dá)至少一延遲周期ddl，所以可能會(huì)出現(xiàn)下面兩種情況中一種1)流經(jīng)第一級(jí)繞組44的電流I _一繞帛會(huì)在第二級(jí)繞組46中感生電流I _二_，電流I帛二帛^足夠高以正向偏置晶體管66與68的體二極管并進(jìn)而流經(jīng)體二極管、流經(jīng)電容器72(因而對(duì)電容器進(jìn)行充電)、并流經(jīng)晶體管68的體二極管，流回到繞組46 ;或者2)在繞組46之中被感生的電流1_二帛&沒(méi)有足以高到正向偏置晶體管66與68的體二極管。所以在第一種情況中，當(dāng)晶體管66與68正在導(dǎo)通時(shí)，會(huì)有約零伏跨越它們(例如約0. 6V至0. 7V的二極管壓降)；依此方式，控制器30 (圖I)會(huì)讓這些晶體管達(dá)到至少近似ZVS，從而使得晶體管66與68在其切換期間所消耗的功率會(huì)相當(dāng)?shù)汀；蛘?，在第二種情況中，當(dāng)晶體管66與68正在導(dǎo)通時(shí)，會(huì)有約零電流流過(guò)它們；依此方式，控制器30 (圖I)會(huì)使晶體管66與68達(dá)到至少近似ZCS，從而同樣使得晶體管66與68在其切換期間所消耗的功率會(huì)相當(dāng)?shù)?。所以任何一種情況中，相比于常規(guī)的雙向轉(zhuǎn)換器，晶體管66與68的ZVS或ZCS分別可以進(jìn)一步改善轉(zhuǎn)換器18的效率。再者，因?yàn)榧词咕w管66與68在與晶體管54近似相同的時(shí)間處導(dǎo)通，第二種情況(ZCS)仍然可以成立，所以控制器30可在與其將信號(hào)S1轉(zhuǎn)變成不起作用的低電平大約相同的時(shí)間處將信號(hào)P2與P3轉(zhuǎn)變成起作用的高電平。接著，在周期D1期間，信號(hào)S1是不起作用的低電平，信號(hào)S2是起作用的高電平，信號(hào)S3是起作用的高電平，而信號(hào)S4是不起作用的低電平；所以，晶體管54為關(guān)斷的，晶體管56與58為導(dǎo)通，而晶體管60為關(guān)斷。再者，信號(hào)P2與P3是起作用的高電平，信號(hào)P1與P4是不起作用的低電平；所以，晶體管66與68為導(dǎo)通，而晶體管64與70為關(guān)斷。所以，來(lái)自電感器50的升壓電流會(huì)流經(jīng)導(dǎo)通的晶體管58，且因此該電流(先前流經(jīng)晶體管58的體二極管)會(huì)繼續(xù)對(duì)電容器62進(jìn)行充電，且跨越電容器的電SVa(導(dǎo)通的晶體管56與58將電容器C1以及進(jìn)一步電壓V。耦合跨越該繞組44J會(huì)讓電流I 流經(jīng)第一級(jí)繞組44 ;所以經(jīng)磁性感生的電流I _二繞&會(huì)流經(jīng)第二級(jí)繞組46以及晶體管66與68，以對(duì)電容器C2進(jìn)行充電。
再者，電感器充電電流會(huì)從電感器52處流出并且流入晶體管56之中。又，因?yàn)榈谝患?jí)繞組44藉由導(dǎo)通的晶體管56與58而連接跨越電容器62，跨越繞組44的電壓會(huì)有效地被鉗止于跨越電容器62的電壓Va。這也會(huì)將跨越第二級(jí)繞組46的電壓鉗止于Va乘上該變壓器24的匝數(shù)比(其中匝數(shù)比為1: 1，因此，跨越第二級(jí)繞組46的電壓同樣會(huì)被鉗止于Va)。因此，這會(huì)限制跨越晶體管66與68的電壓(且因而會(huì)限制被施加至晶體管66與68的電壓應(yīng)力)。結(jié)果，相比于常規(guī)的雙向轉(zhuǎn)換器，這可允許雙向轉(zhuǎn)換器18包含較小的晶體管66與68。依然在周期D1期間，來(lái)自電感器50的升壓電流可保持相對(duì)恒定，但流經(jīng)第一級(jí)繞組44的電流I _卻因來(lái)自電容器62的電壓Va被施加跨越第一級(jí)繞組而增加。所以，當(dāng)流經(jīng)第一級(jí)繞組44的電流1超越來(lái)自電感器50的升壓電流時(shí)，電流會(huì)從電容器62流出，經(jīng)過(guò)晶體管58并且經(jīng)過(guò)第一級(jí)繞組，用以補(bǔ)足第一級(jí)繞組電流I
與升壓電流之間的差值。也就是，來(lái)自電感器62的電流等于來(lái)自電感器50的升壓電流與電流I _一§^之間的差值。隨著周期D1期間的時(shí)間推移，由電容器62供給至第一級(jí)繞組44的電流增加，而來(lái)自該電感器50的升壓電流可保持實(shí)質(zhì)恒定或是下降，不過(guò)若有下降的話，此下降仍可能是微不足道的。在時(shí)間t2處，控制器30會(huì)將信號(hào)S3從起作用的邏輯高電平轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，從而關(guān)斷晶體管58。再者，控制器30會(huì)將信號(hào)P2與P3轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，從而關(guān)斷晶體管66與68。在延遲周期dd2期間，因?yàn)榱鹘?jīng)第一級(jí)繞組44的電流不會(huì)瞬間改變，所以在晶體管58被關(guān)斷(在時(shí)間t2處)前由電容器62所供應(yīng)的I第-繞組中的一部分現(xiàn)在由晶體管54的體二極管來(lái)供應(yīng)。周期dd2的持續(xù)長(zhǎng)度可至少足夠長(zhǎng)以讓晶體管54的體二極管開(kāi)始進(jìn)行傳導(dǎo)。再者，流經(jīng)第二級(jí)繞組46的感生電流工帛二^^則會(huì)流經(jīng)晶體管66與68的體
二極管。另外，在延遲周期dd2期間，電感器充電電流會(huì)繼續(xù)從晶體管56流出，流經(jīng)電感器52并流至接地端。在時(shí)間t3處，控制器30會(huì)將切換信號(hào)S1轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，從而會(huì)開(kāi)啟晶體管54。但是，因?yàn)榫w管54的體二極管已經(jīng)如上述的進(jìn)行傳導(dǎo)，所以該晶體管會(huì)達(dá)到至少近似ZVS，這可以改善轉(zhuǎn)換器18的效率。再者，控制器30并不會(huì)在時(shí)間t2處將信號(hào)P2與P3轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，取而代之是控制器30可能在時(shí)間t3處轉(zhuǎn)變P2與P3,以便縮短第二級(jí)繞組電流二SSia流過(guò)晶體管66與68的體二極管的時(shí)間，并且因而改善雙向轉(zhuǎn)換器18的效率。
接著，在周期D2期間，晶體管54與56兩者皆為導(dǎo)通，從而將第一級(jí)繞組44的兩個(gè)末端節(jié)點(diǎn)有效連接在一起。倘若周期D2夠長(zhǎng)，則因泄漏電感Lkl的放電所導(dǎo)致的流過(guò)該第一級(jí)繞組44的電流將會(huì)衰減至零，且因此流過(guò)第二級(jí)繞組46的電流I帛二^^同樣會(huì)衰減至零。如下面所討論的，這可允許晶體管64與70達(dá)到至少近似ZCS。接著，在時(shí)間t4處，控制器30將信號(hào)S2轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，并且因而關(guān)斷晶體管56。再者，控制器30可將信號(hào)P1與P4轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，用以開(kāi)啟晶體管64與70 ;依照上面的描述，倘若流過(guò)第二級(jí)繞組46的電流已經(jīng)衰減至零，則晶體管64與70便會(huì)達(dá)到至少近似ZCS。在延遲周期dd3期間，來(lái)自電感器52的在晶體管56被關(guān)閉前流經(jīng)該晶體管56的升壓電流現(xiàn)在朝第一繞組44流動(dòng)。但是因?yàn)榱鹘?jīng)該第一級(jí)繞組44的電流不會(huì)瞬間改變(例如從上面所討論的零處開(kāi)始瞬間改變)，所以位于電感器52與第一級(jí)繞組44之間的節(jié)點(diǎn)處的電壓會(huì)持續(xù)的提高，直到晶體管60的體二極管開(kāi)始傳導(dǎo)該升壓電流——延遲周期(1(13可能至少足夠長(zhǎng)以允許晶體管60的體二極管開(kāi)始進(jìn)行傳導(dǎo)。流經(jīng)晶體管60的體二極管的該電流會(huì)對(duì)電容器62進(jìn)行充電。在時(shí)間t5處，控制器30(圖I)會(huì)將切換信號(hào)S4從不起作用的邏輯低電平轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，因而導(dǎo)通晶體管60。但是因?yàn)榫w管60的體二極管會(huì)在時(shí)間t5處傳導(dǎo)來(lái)自電感器52的升壓電流的至少一部分，此晶體管會(huì)達(dá)到至少近似ZVS，因而相比于常規(guī)的雙向轉(zhuǎn)換器，可以改善雙向轉(zhuǎn)換器18的效率。同樣在時(shí)間t5處，控制器30 (圖I)還將信號(hào)P1與P4轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，以在時(shí)間t5處而非在時(shí)間t4處導(dǎo)通晶體管64與70。但是即使在時(shí)間t5處被導(dǎo)通，晶體管64與70仍可達(dá)到至少近似ZVS或ZCS，因而潛在地改善轉(zhuǎn)換器18的效率。倘若流過(guò)第二級(jí)繞組46的電流(該電流由流經(jīng)第一級(jí)繞組44的電流所感生)在時(shí)間t5處不夠高到足以導(dǎo)通晶體管64與70的體二極管，則至少此電流會(huì)足夠低以允許晶體管64與70達(dá)到至少近似ZCS。但是，倘若流過(guò)繞組46的電流-I帛二帛^足夠高以導(dǎo)通晶體管64與70的體二極管，則晶體管64與70便會(huì)達(dá)到至少近似ZVS。要注意的是，1_一_會(huì)以與圖2中個(gè)別箭頭所示方向的相反方向而流經(jīng)第一級(jí)繞組44 ;類似地，會(huì)以與圖2中個(gè)別箭頭所示方向的相反方向而流經(jīng)第二級(jí)繞組46。在周期D3期間，信號(hào)S2是不起作用的邏輯低電平，信號(hào)S1是起作用的邏輯高電平，信號(hào)S4是起作用的邏輯高電平，而信號(hào)S3是不起作用的邏輯低電平；所以，晶體管54為導(dǎo)通，晶體管56與58為關(guān)斷，而晶體管60為導(dǎo)通。再者，信號(hào)P2與P3是不起作用的邏輯低電平，而信號(hào)P1與P4是起作用的邏輯高電平；所以，晶體管66與68為關(guān)斷，而晶體管64與70為導(dǎo)通。所以，來(lái)自電感器52的升壓電流會(huì)流過(guò)導(dǎo)通的晶體管60，且因此該電流(先前流過(guò)晶體管60的體二極管的電流)會(huì)繼續(xù)對(duì)電容器62進(jìn)行充電，而電壓-Va會(huì)導(dǎo)致電流-I第流過(guò)第一級(jí)繞組44 ;所以，感生電流-I _二§^會(huì)流過(guò)第二級(jí)繞組46以及晶體管64與70，以將跨越電容器C2的電壓V2保持在所期望的電平處。再者，在周期D3期間，電感器充電電流會(huì)流經(jīng)電感器50與晶體管54并流到接地端。又，因?yàn)榈谝患?jí)繞組44會(huì)藉由導(dǎo)通的晶體管54與60而連接跨越電容器62，所以跨越第一級(jí)繞組的電壓實(shí)際上會(huì)被鉗止于跨越電容器的電壓-Va處一記號(hào)表示Va相對(duì)于第一級(jí)繞組44的極性導(dǎo)致電流-I流過(guò)第一級(jí)繞組。這也會(huì)將跨越第二級(jí)繞組 46的電壓鉗止于-Va乘上變壓器24的匝數(shù)比(其中匝數(shù)比為1:1，因此，跨越第二級(jí)繞組46的電壓同樣會(huì)被鉗止于-Va)。所以，這限制了跨越等晶體管64與70的電壓，且因而限制了被施加至晶體管64與70的電壓應(yīng)力。結(jié)果，相比于常規(guī)的雙向轉(zhuǎn)換器，這可以允許雙向轉(zhuǎn)換器18包含較小的晶體管64與70。依然在周期D3期間，來(lái)自電感器52的升壓電流可以保持相對(duì)恒定，但是流過(guò)第一級(jí)繞組44的電流-I _^^會(huì)因?yàn)閬?lái)自于電容器62的電壓-Vci被施加跨越第一級(jí)繞組的關(guān)系而增加。所以，當(dāng)流經(jīng)第一級(jí)繞組44的電流-I _ 一 _超過(guò)來(lái)自電感器52的升壓電流時(shí)，由電容器62提供的電流會(huì)流過(guò)晶體管60且流入第一級(jí)繞組中，以補(bǔ)足電流-I 與升壓電流之間的差值。隨著周期D3期間的時(shí)間推移，由電容器62提供的電流-I 部分會(huì)增加，而來(lái)自電感器52的升壓電流可保持實(shí)質(zhì)恒定或是下降，不過(guò)若有下降的話，此下降仍可能是微不足道的。在時(shí)間t6處，該控制器30(圖I)會(huì)將信號(hào)S4從有作用邏輯高電平轉(zhuǎn)變成不作用邏輯低電平，從而會(huì)關(guān)閉晶體管60而使其不導(dǎo)通。同樣地，在時(shí)間t6處，控制器30也會(huì)將信號(hào)P1與P4從起作用的邏輯高電平轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，從而會(huì)關(guān)斷晶體管64與70。在延遲周期dd4期間，因?yàn)榱鹘?jīng)第一級(jí)繞組44的電流-I _^^不會(huì)瞬間改變，所以在時(shí)間t6處晶體管60被關(guān)閉前由電容器62所供應(yīng)的此電流部分現(xiàn)在會(huì)經(jīng)由晶體管56的體二極管來(lái)供應(yīng)。周期dd4的持續(xù)長(zhǎng)度可能至少足夠長(zhǎng)以允許晶體管56的體二極管開(kāi)始進(jìn)行傳導(dǎo)。同樣地，在延遲周期dd4期間，電感器充電電流繼續(xù)從電感器50處流出并流經(jīng)晶體管54而流到接地端。再者，在延遲周期dd4期間，仍然流經(jīng)第二級(jí)繞組46的電流-I _二帛&會(huì)繼續(xù)流經(jīng)晶體管64與70的體二極管。在時(shí)間t7處，控制器30會(huì)將切換信號(hào)S2轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，從而會(huì)導(dǎo)通晶體管56。但是因?yàn)榫w管56的體二極管已經(jīng)遵照上述進(jìn)行傳導(dǎo)，所以晶體管56達(dá)到至少近似ZVS，這可以改善轉(zhuǎn)換器18的效率。再者，控制器30并不會(huì)在時(shí)間t6處將信號(hào)P1與P4轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，取而代之是控制器30可在時(shí)間t7處轉(zhuǎn)變P1與匕，以縮短第二級(jí)繞組電流-I _二§^流過(guò)晶體管64與70的體二極管的時(shí)間，并且因此改善雙向轉(zhuǎn)換器18的效率。接著，在周期D4期間，晶體管54與56兩者皆為導(dǎo)通，從而會(huì)將第一級(jí)繞組44的兩個(gè)末端節(jié)點(diǎn)有效地連接在一起。倘若周期D4夠長(zhǎng)，則由泄漏電感Lkl所導(dǎo)致的流經(jīng)第一級(jí)繞組44的電流將會(huì)衰減至零，而且因此，流過(guò)第二級(jí)繞組46的電流同樣會(huì)衰減至零。依照上面針對(duì)晶體管64與70所討論的相類似的方式，這可以讓晶體管66與68達(dá)到至少近似ZCS (例如如下面討論在時(shí)間t8或t9處)。接著，在時(shí)間t8處，控制器30會(huì)將信號(hào)S1轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，并且因而關(guān)斷晶體管54。接著在延遲周期dd5期間，來(lái)自電感器50的流經(jīng)晶體管54的升壓電流導(dǎo)致晶體管58的體二極管進(jìn)行傳導(dǎo)。
接著，上面所述的循環(huán)會(huì)重復(fù)進(jìn)行。依然參考圖2與3，亦可以構(gòu)想到上面所述的升壓操作的替代實(shí)施例。例如延遲周期Cld1至dd5中至少一個(gè)可被省略，不過(guò)這可能會(huì)降低雙向轉(zhuǎn)換器18的效率。圖4是當(dāng)雙向轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例操作在升壓模式中時(shí)，跨越圖2的電容器62的電壓Va相對(duì)于流過(guò)圖2的第一級(jí)變壓器繞組44的電流I _一_的關(guān)系圖。電壓Va沿X軸繪制；而電流I _一@纟則由值Ztl = !/C1進(jìn)行縮放,被沿y軸繪制。參考圖2至4，重新討論圖I至2的雙向轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例在具有大于50%的占空比的升壓模式中的操作；但是，這一次著眼于跨越電容器62的電壓Va以及流過(guò)第一級(jí)變壓器繞組44的電流I如下面配合圖6所討論的，分析Va及電流I 的操作會(huì)解釋雙向轉(zhuǎn)換器18的實(shí)施例如何可以從一個(gè)方向上的功率傳輸平順地轉(zhuǎn)變到在另一個(gè)方向上的功率傳輸。如上面配合圖2與3所討論的，在時(shí)間h (圖3)處(其對(duì)應(yīng)于圖4中的點(diǎn)80)，控制器30將信號(hào)S3轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平以導(dǎo)通晶體管58，且為達(dá)到范例的目的，假設(shè)電流I 會(huì)因?yàn)榫w管54與56在之前將第一級(jí)繞組44的末端節(jié)點(diǎn)連接在一起的關(guān)系而為零。假設(shè)在介于S1的下降緣及S3的上升緣之間的延遲時(shí)間Cld1夠長(zhǎng)以允許晶體管58的體二極管進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)，假設(shè)I _一§^為零是合理的假設(shè)，使得此晶體管達(dá)到至少近似ZVS。在圖3的周期D1期間(其對(duì)應(yīng)于圖4中的曲線82)，電容器62開(kāi)始充電，并且因此，Va會(huì)因?yàn)閬?lái)自電感器50de流經(jīng)晶體管58并且進(jìn)入電容器的升壓電流中的第一部分的關(guān)系而開(kāi)始上升。另外，電流I 也開(kāi)始提聞，并且等于來(lái)自電感器50的升壓電流中的第二部分。因?yàn)閷?dǎo)通的晶體管56與58跨越第一級(jí)繞組46而施加電壓Va,所以電流I帛一繞組繼續(xù)提聞。在曲線82的點(diǎn)84處，I第-繞組開(kāi)始超過(guò)流經(jīng)電感器50的升壓電流。因此，1的該超額部分(該超額部分是I 與流經(jīng)電感器50的升壓電流之間的差值)由電容器62所提供，因而會(huì)導(dǎo)致Va開(kāi)始下降(即，電容器62放電)。為達(dá)到分析目的，本文假設(shè)延遲dd2夠短而能夠被忽略，使得在圖3的時(shí)間t3處以及在圖4的點(diǎn)86處，控制器30(圖I)會(huì)將信號(hào)S1轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平并且將信號(hào)S3轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，以導(dǎo)通晶體管54并且關(guān)斷晶體管58。所以，因?yàn)殡娙萜?2與第一級(jí)繞組44隔離的關(guān)系，電壓Va保持在恒定數(shù)值；且因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管54與56皆為導(dǎo)通以將第一級(jí)繞組44的末端節(jié)點(diǎn)耦合在一起的關(guān)系，電流I第會(huì)沿著圖4的線段88快速衰減至零，使得雙向轉(zhuǎn)換器18的狀態(tài)返回圖4的點(diǎn)80。為達(dá)解釋目的，假設(shè)電感器50的電感L1遠(yuǎn)大于(例如十倍或更大)第一級(jí)繞組44的泄漏電感Lkl，因此可以在周期D1期間將電感50建模成電流源。所以，做出此假設(shè)，可以顯示出曲線82以及點(diǎn)84與86落在圓心90位于點(diǎn)(V2 TR, Z0I %g50)處而半徑R1由下面公式所提供的圓之上(I) Ri = ^(Vcoi TR)2 + {ZoLmsi,}2其中Vail為I ^繞纟fl=0時(shí)Va在圖4的點(diǎn)91處的數(shù)值，而TR為從第二級(jí)側(cè)查看第一級(jí)側(cè)時(shí)變壓器24(圖2)的匝數(shù)比。而且在線段88和半徑R至點(diǎn)91之間的角度0 :由下面公式所提供 「 n ,、Vcol-VimTR(2) = arctan-
Zo/電感50在一實(shí)施例中，點(diǎn)91并未與點(diǎn)80重合，因?yàn)榭缭降谝患?jí)繞組44的電壓必須在非零電流I第-繞組開(kāi)始流動(dòng)前超過(guò)V2 -TR0這是因?yàn)閷?dǎo)通的晶體管66與68有效地將Lkl (圖2)的右側(cè)鉗止于V2 -TR,以便讓電流流經(jīng)第一級(jí)繞組44，Lkl的左側(cè)的電壓必須大于V2 -TR,即便僅大過(guò)一小數(shù)額(為清楚起見(jiàn)，圖4中的數(shù)額可能會(huì)被放大)。所以，例如當(dāng)晶體管58在延遲周期Cld1的起點(diǎn)處導(dǎo)通而使得其不會(huì)達(dá)到ZVS的情況下，跨越電容器的電壓Va可在非零電流I 開(kāi)始流經(jīng)第一級(jí)繞組44之前提高至Ve(ll+V2 TR。在另一實(shí)施例中，點(diǎn)91實(shí)質(zhì)上與點(diǎn)80重合。倘若晶體管58在時(shí)間h處導(dǎo)通并因此達(dá)到ZVS，則跨越晶體管58的體二極管的二極管壓降可能會(huì)充分的提高Lkl左側(cè)的電壓，使得非零電流I _一_在電容器62開(kāi)始充電的實(shí)質(zhì)上相同的時(shí)間(也就是，在電壓Va開(kāi)始提高的實(shí)質(zhì)上相同的時(shí)間)開(kāi)始流動(dòng)。所以，在這樣一實(shí)施例中，公式(I)與(2)會(huì)縮減為下面的公式。(3) Ri = (Vcoi — Vi* TR — O)2 + (Zo/iii感50)2 = ZoZiU感so
,、，，Vc-Oi2 TRn(4) 0\ = arctan-= 0
Ze/ilikH50在非零電流在電容器62開(kāi)始充電之前便開(kāi)始流動(dòng)的又一實(shí)施例中，點(diǎn)91可在線段88的點(diǎn)80上方(假設(shè)僅略高于點(diǎn)80)，在此情況中，角度Q1保持等于零，且當(dāng)電容器62開(kāi)始充電時(shí)(也就是，當(dāng)Va開(kāi)始提高時(shí))，半徑R1從在公式(3)中的數(shù)值減少一 I_一§^的大小。倘若晶體管58在時(shí)間h處導(dǎo)通，則此情形便可能發(fā)生，且跨越晶體管的體二極管的電壓會(huì)在體二極管開(kāi)始進(jìn)行傳導(dǎo)之前便讓非零電流 I第Hs流動(dòng)。 依然參考圖4，繼續(xù)在周期D2期間，流經(jīng)第一級(jí)繞組44的電流I 保持為零，且因此雙向轉(zhuǎn)換器18 (尤其是第一轉(zhuǎn)換器級(jí)20)的操作條件會(huì)保持在圖4的點(diǎn)80處。接著為達(dá)到分析目的，本文假設(shè)延遲dd3夠短而能被忽略，使得在時(shí)間t5處，控制器30 (圖I)將信號(hào)S2轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平且將信號(hào)S4轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平，因而關(guān)斷晶體管56且導(dǎo)通晶體管60。在周期D3期間(其對(duì)應(yīng)于圖4中的曲線92)，電容器62開(kāi)始充電，并且因此，由于從電感器52處流經(jīng)晶體管60并且流入電容器中的升壓電流的第一部分的關(guān)系，Va開(kāi)始從點(diǎn)91處上升，而且電流-I 會(huì)開(kāi)始提高，并且等于來(lái)自電感器52的升壓電流中的第二部分。如上面結(jié)合圖2至3所解釋的，電流-I 為負(fù)向，因?yàn)槠淞鹘?jīng)繞組44的方向與其在周期D1期間的方向相反；這便是曲線92為何會(huì)在圖4的關(guān)系圖的右下方象限中的原因。再者，為達(dá)到分析目的，本文還假設(shè)電感器52的電感器L2等于電感器50的電感器U。因?yàn)殡妷?Va跨越第一級(jí)繞組44，所以電流-I 的大小繼續(xù)提高。在曲線92的點(diǎn)94處，-I _^^的大小開(kāi)始超過(guò)來(lái)自于電感器52的升壓電流。所以，-I _一_的超額部分(其等于-I _一_的大小與流經(jīng)電感器52的升壓電流的大小之間的差值)由電容器62所提供，因而導(dǎo)致-Va的大小開(kāi)始下降。為達(dá)到分析目的，本文假設(shè)延遲dd4夠短而能夠被忽略，使得在圖3的時(shí)間t7處以及在圖4的點(diǎn)96處，控制器30(圖I)將信號(hào)S2轉(zhuǎn)變成起作用的邏輯高電平并且將信號(hào)S4轉(zhuǎn)變成不起作用的邏輯低電平，以導(dǎo)通晶體管56并關(guān)斷晶體管60。所以，因?yàn)殡娙萜?2與第一級(jí)繞組44隔離，電壓-Va保持在恒定的數(shù)值處；且因?yàn)閮蓚€(gè)晶體管54與56皆為導(dǎo)通，電流-I 會(huì)沿著圖4的線段98快速地衰減至零，使得雙向轉(zhuǎn)換器18的狀態(tài)返回圖4的穩(wěn)定點(diǎn)80，在穩(wěn)定點(diǎn)80處電流-1_一_為零且電壓-Va不會(huì)改變。在電感器52的電感L2遠(yuǎn)大于(例如十倍或更大)第一級(jí)繞組44的泄漏電感Lld的實(shí)施例中，可以在周期D3期間將電感器52建模成電流源。所以，做此假設(shè)，可以顯示出曲線92以及點(diǎn)94與96落在圓心100位于點(diǎn)(V2 TR, Z0I %g52)處而半徑R1由下面公式所提供的圓之上
權(quán)利要求
1.一種方法，其包括 在第一切換循環(huán)的第一部分期間，將位于第一電感器與變壓器的第一繞組之間的第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至參考節(jié)點(diǎn)； 在所述第一切換循環(huán)的第二部分期間，將所述第一中間節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)解除耦合，并且將所述第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至信號(hào)儲(chǔ)存組件； 在所述第一切換循環(huán)的第二部分期間，將所述變壓器的第二繞組耦合于所述參考節(jié)點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間 '及 藉由控制所述第一切換循環(huán)的第一部分與第二部分中的一個(gè)的持續(xù)長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求第I所述的方法，其中所述參考節(jié)點(diǎn)包括接地端。
3.如權(quán)利要求第I所述的方法，其中所述信號(hào)儲(chǔ)存組件包括電容器。
4.如權(quán)利要求第I所述的方法，其中將所述第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至所述信號(hào)儲(chǔ)存組件包括在所述第一切換循環(huán)的第二部分期間，將跨越所述變壓器的第一繞組的電壓鉗止于跨越所述信號(hào)儲(chǔ)存組件的電壓。
5.如權(quán)利要求第I所述的方法，其中在所述第一切換循環(huán)的第二部分期間耦合所述變壓器的第二繞組包括將所述變壓器的第二繞組耦合跨越被耦合在所述參考節(jié)點(diǎn)與所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間的電容器。
6.如權(quán)利要求第I所述的方法，其中在所述第一切換循環(huán)的第二部分期間耦合所述變壓器的第二繞組包括鉗止跨越所述變壓器的第二繞組的電壓。
7.如權(quán)利要求第I所述的方法，其中調(diào)整所述信號(hào)包括調(diào)整所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)處的電壓。
8.如權(quán)利要求第I所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述第一切換循環(huán)的第二部分期間，在將所述第二繞組耦合在所述參考節(jié)點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間前先讓流經(jīng)所述第二繞組的電流衰減至實(shí)質(zhì)為零。
9.如權(quán)利要求第I所述的方法，其進(jìn)一步包括在將所述第一中間節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)解除耦合之前先讓流經(jīng)所述變壓器的第一繞組的電流衰減至實(shí)質(zhì)為零。
10.如權(quán)利要求第I所述的方法，其進(jìn)一步包括在啟動(dòng)被耦合在所述第一中間節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)儲(chǔ)存組件之間的切換電路以將所述第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至所述信號(hào)儲(chǔ)存組件之前，先讓跨越所述切換電路的電壓衰減至實(shí)質(zhì)為零。
11.如權(quán)利要求第I所述的方法，其進(jìn)一步包括在啟動(dòng)被耦合在所述第一中間節(jié)點(diǎn)與所述信號(hào)儲(chǔ)存組件之間的切換電路以將所述第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至所述信號(hào)儲(chǔ)存組件之前，先讓跨越所述切換電路的電壓衰減至實(shí)質(zhì)為一 PN結(jié)正向偏置電平。
12.如權(quán)利要求第I所述的方法，其進(jìn)一步包括 在第二切換循環(huán)的第一部分期間，將位于第二電感器與所述變壓器的第一繞組之間的第二中間節(jié)點(diǎn)耦合至所述參考節(jié)點(diǎn)； 在所述第二切換循環(huán)的第二部分期間，將所述第二中間節(jié)點(diǎn)與所述參考節(jié)點(diǎn)解除耦合，并且將所述第二中間節(jié)點(diǎn)耦合至所述信號(hào)儲(chǔ)存組件； 在所述第二切換循環(huán)的第二部分期間，將所述變壓器的第二繞組耦合于所述參考節(jié)點(diǎn)與所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間；及藉由控制所述第二切換循環(huán)的第一部分與第二部分中的一個(gè)的持續(xù)長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)。
13.如權(quán)利要求第12所述的方法，其中所述第一循環(huán)的第一部分與所述第二循環(huán)的第一部分重迭。
14.如權(quán)利要求第12所述的方法，其中所述第一循環(huán)的第二部分與所述第二循環(huán)的第二部分重迭。
15.如權(quán)利要求第12所述的方法，其中 在所述第一切換循環(huán)的第二部分期間，將所述變壓器的第二繞組耦合于所述參考節(jié)點(diǎn)與所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間包括根據(jù)第一極性，將所述變壓器的第二繞組耦合于所述參 考節(jié)點(diǎn)與所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間；以及 在所述第二切換循環(huán)的第二部分期間將所述變壓器的第二繞組耦合于所述參考節(jié)點(diǎn)與所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間包括根據(jù)第二極性，將所述變壓器的第二繞組耦合于所述參考節(jié)點(diǎn)與所述第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間。
全文摘要
一種實(shí)施例包括在第一切換循環(huán)的第一部分期間，將位于第一電感器與變壓器的第一繞組之間的第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至參考節(jié)點(diǎn)；在第一切換循環(huán)的第二部分期間，將第一中間節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)解除耦合，并且將第一中間節(jié)點(diǎn)耦合至信號(hào)儲(chǔ)存組件；在第一切換循環(huán)的第二部分期間，將變壓器的第二繞組耦合于參考節(jié)點(diǎn)與第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)之間；以及藉由控制第一切換循環(huán)的第一部分與第二部分中的一個(gè)的持續(xù)長(zhǎng)度來(lái)調(diào)整第二轉(zhuǎn)換器節(jié)點(diǎn)處的信號(hào)。例如，在一實(shí)施例中，雙向信號(hào)轉(zhuǎn)換器可實(shí)施上述步驟以在兩個(gè)負(fù)載之間操控功率傳輸。相比于常規(guī)的雙向電壓轉(zhuǎn)換器，此電壓轉(zhuǎn)換器可具有改善的轉(zhuǎn)換效率、較小尺寸及較少組件數(shù)量。再者，不論功率傳輸?shù)姆较驗(yàn)楹?，此電壓轉(zhuǎn)換器都可以使用普通切換方案來(lái)操作，且不需要用到瞬間功率流動(dòng)方向的指示器。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102656791SQ201080057058
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2010年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者Z·摩蘇伊, 秦繼峰 申請(qǐng)人:英特賽爾美國(guó)股份有限公司