用于諧振dc-dc變換器的控制模式的制作方法
【專利摘要】一種電源變換器(16)包括：逆變器(18)，其具有半導(dǎo)體開關(guān)(S1、S2、S3、S4)；諧振電路(22)，其與所述逆變器(18)耦合；以及控制器(30)，其用于將所述逆變器(18)的所述半導(dǎo)體開關(guān)(S1、S2、S3、S4)切換到開關(guān)狀態(tài)。所述控制器(30)適于：將所述逆變器18在開關(guān)狀態(tài)之間周期性地進(jìn)行切換，使得在所述諧振電路(22)中生成周期諧振電流ires；將所述開關(guān)狀態(tài)的切換事件與所述周期諧振電流ires同步，使得在與所述周期諧振電流ires的具體周期點(diǎn)(52)相關(guān)聯(lián)的時間點(diǎn)處將開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用到所述逆變器；并且應(yīng)用所述開關(guān)狀態(tài)使得從所述諧振電路(22)后向饋送到所述逆變器(18)的輸入端(12)的總功率與從所述逆變器的所述輸入端(12)前向饋送到所述諧振電路(22)的總功率相平衡。
【專利說明】用于諧振DC-DC變換器的控制模式

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電源變換器、一種DC-DC變換器、一種X射線設(shè)備以及一種用于控制逆變器的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在X射線生成設(shè)備中，DC-DC變換器可以被用于將低DC輸入電壓(例如，400V)轉(zhuǎn)換成高DC輸出電壓(高達(dá)160kV)。例如，這樣的DC-DC變換器可以包括用于生成具有可變頻率的AC電壓的可控制逆變器、用于生成高AC電壓的變壓器以及用于生成可以供應(yīng)X射線管的高DC輸出電壓的整流器。
[0003]用于X射線生成的功率逆變器常常驅(qū)動諧振負(fù)載電路。具體而言，醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用可能需要將到X射線管的輸出功率控制在從準(zhǔn)空載到最大功率的極寬范圍內(nèi)。逆變器的功率半導(dǎo)體開關(guān)的一個或多個切換事件應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地被控制在諧振電流振蕩的任何半周期內(nèi)。
[0004]例如，WO 2006/114719A1示出具有被連接到諧振電路的全橋逆變器的DC-DC變換器。限定了三個控制模式，該三個控制模式被用于控制輸出功率。
[0005]然而，尤其對于非常低的管輸出功率(例如，空載、X射線管的柵極閉合)而言，控制器可以產(chǎn)生散射效應(yīng)，該散射效應(yīng)意味著強(qiáng)烈抖動的諧振電流的幅度。結(jié)果可能是高壓上的顯著的低頻紋波，這是不期望的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目標(biāo)可以是提供一種具有寬廣的功率輸出范圍和平滑的輸出電壓的DC-DC變換器。
[0007]該目標(biāo)通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題得以實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的示范性實(shí)施例從從屬權(quán)利要求和下文描述變得顯而易見。
[0008]本發(fā)明的方面涉及一種電源變換器。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述電源變換器包括:逆變器，其具有半導(dǎo)體開關(guān)；諧振電路，其與所述逆變器耦合；以及控制器，其用于將所述逆變器的所述半導(dǎo)體開關(guān)切換到開關(guān)狀態(tài)。所述控制器適于將所述逆變器在開關(guān)狀態(tài)之間周期性地進(jìn)行切換，使得在所述諧振電路中生成周期諧振電流。所述開關(guān)狀態(tài)可以包括用于使所述諧振電路短路的續(xù)流狀態(tài)。所述控制器適于將所述開關(guān)狀態(tài)的切換事件與所述周期諧振電流同步，使得在與所述周期諧振電流的具體周期點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的時間點(diǎn)處將開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用到所述逆變器。
[0010]以這種方式，可以控制所述電源變換器的輸出功率。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述控制器適于應(yīng)用所述開關(guān)狀態(tài)使得從所述諧振(負(fù)載)電路后向饋送到所述逆變器的DC鏈路輸入源的總功率與從所述逆變器的DC鏈路輸入源前向饋送到所述諧振負(fù)載電路的總功率(幾乎)相平衡。在該上下文中，“平衡”可以意味著所述后向饋送功率與所述前向饋送功率幾乎一樣大和/或所述兩個功率幾乎彼此抵消。以這種方式，僅可以傳遞小的功率總量到所述諧振電路或者從諧振電路傳遞小的功率總量。
[0012]本發(fā)明的基本構(gòu)思可以被視為，通過對具體切換模式的應(yīng)用來很好地平衡所述前向饋送功率和所述后向饋送功率。所述切換模式可以僅將較小量的實(shí)際功率饋送到所述諧振負(fù)載電路。因?yàn)榈洼敵龉β室馕吨玫碗娏鞣鹊牟僮鳎詻]有必要再遵守如W02006/114719A1中所描述的零電流開關(guān)條件。操作模式可以使所述諧振電流的包絡(luò)形狀平滑，并且可以減少所述高DC輸出電壓的紋波。
[0013]例如，在低功率模式中，將所述諧振電流的零交點(diǎn)確定為具體周期點(diǎn)，在所述零交點(diǎn)之前的預(yù)定義第一時間段處將所述逆變器切換到功率前向狀態(tài)或者功率后向狀態(tài)，并且在所述零交點(diǎn)之后的預(yù)定義第二時間段處將所述逆變器切換到續(xù)流開關(guān)狀態(tài)。
[0014]例如，在峰值電流模式中，將所述諧振電流的峰值確定為具體周期點(diǎn)，并且在所確定的所述諧振電流的峰值處將所述逆變器切換到功率前向狀態(tài)或者功率后向狀態(tài)。
[0015]本發(fā)明的另一方面涉及一種DC-DC變換器和一種包括這樣的電源變換器的X射線設(shè)備。
[0016]本發(fā)明的另一方面涉及一種用于控制逆變器的方法。必須理解，如上文中和下文中所描述的方法的特征可以是如上文中和下文中所描述的所述電源變換器、所述DC-DC變換器以及所述X射線設(shè)備的特征。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述方法包括以下步驟:將所述逆變器在開關(guān)狀態(tài)之間周期性地進(jìn)行切換，使得在耦合到所述逆變器的諧振電路中生成周期諧振電流；將所述開關(guān)狀態(tài)的切換事件與所述周期諧振電流同步，使得在與所述周期諧振電流的具體周期點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的時間點(diǎn)處將開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用到所述逆變器。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述方法包括以下步驟:應(yīng)用所述開關(guān)狀態(tài)使得從所述諧振電路后向饋送到所述逆變器的輸入端的總功率與從所述逆變器的所述輸入端前向饋送到所述諧振電路的總功率相平衡。
[0019]本發(fā)明的這些和其它方面將從下文描述的實(shí)施例變得顯而易見并參考下文描述的實(shí)施例得以闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]以下，參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0021]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的DC-DC變換器的電路圖；
[0022]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的DC-DC變換器的電路圖；
[0023]圖3示出關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的半導(dǎo)體開關(guān)的示意圖；
[0024]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的X射線設(shè)備的示意圖；
[0025]圖5示出指示針對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制器的切換模式的圖；
[0026]圖6示出指示針對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制器的切換模式的圖；
[0027]圖7示出指示針對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制器的切換模式的圖；
[0028]圖8示出指示針對根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制器的切換順序的圖；
[0029]圖9示出關(guān)于由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的DC-DC變換器傳遞的功率的圖。
[0030]原則上，同樣的部分在附圖中被提供有相同的附圖標(biāo)記。

【具體實(shí)施方式】
[0031]圖1示出DC-DC變換器10，DC-DC變換器10具有到具有DC輸入電壓Vde的DC源的輸入連接12和為DC負(fù)載提供DC輸出電壓的輸出連接14。
[0032]DC-DC變換器10包括諧振功率變換器16，諧振功率變換器16經(jīng)由DC鏈路電容器Cl被連接到輸入連接12。
[0033]諧振變換器16包括全橋逆變器18，全橋逆變器18包括并聯(lián)連接到電容器Cl和輸入連接12的兩個半橋20a、20b。每個半橋20a、20b包括串聯(lián)連接的上分支和下分支。例如，半橋20a的上分支包括并聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)S1、續(xù)流二極管Dl和緩沖電容器Csl。其它分支類似地包括半導(dǎo)體開關(guān)S2、S3、S4，續(xù)流二極管D2、D3、D4和緩沖電容器Cs2、Cs3、Cs4。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電源變換器16包括具有半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3、S4的逆變器18和與逆變器18耦合的諧振電路22。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，逆變器18是全橋逆變器，所述全橋逆變器包括并聯(lián)連接到DC鏈路輸入源12的兩個半橋20a、20b。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，每個半橋20a、20b包括兩個分支，每個分支x = I…4具有并聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)Sx、續(xù)流二極管Dx和緩沖電容器Csx。例如，半橋20a的上分支包括半導(dǎo)體開關(guān)S1、續(xù)流二極管Dl和緩沖電容器Csl。
[0037]諧振電路22被連接在半橋20a、20b的上分支與下分支之間。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，諧振電路22包括串聯(lián)連接的電感器Lms、電容器Cms和變壓器24的初級繞組。還可以通過本發(fā)明的控制方案來操作串并聯(lián)諧振負(fù)載電路的其它配置。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，諧振電路22包括串聯(lián)連接的電感器Lms和電容器C_。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，變壓器24的一個或多個初級繞組是諧振電路22的電感器的一部分。變壓器的初級繞組的漏電感可以對諧振負(fù)載電路22的總串聯(lián)電感做出貢獻(xiàn)。
[0041]變壓器24的次級繞組被連接到整流器拓?fù)?6，整流器拓?fù)?6為輸出連接14提供DC輸出電壓V輸出。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，整流器26可以包括全橋整流器26，全橋整流器26包括二極管的四個分支。每個整流器二極管可以表示串聯(lián)連接以便創(chuàng)造高阻斷電壓的許多二極管器件。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，DC-DC變換器10包括電源變換器16、用于從諧振電路中的AC電壓生成高AC電壓的變壓器24和用于從來自變壓器的高AC電壓生成高DC電壓的整流器26。
[0044]平滑電容器C2被并聯(lián)連接到輸出連接14。
[0045]DC-DC變換器10并且尤其針對逆變器16的控制器30將測量諧振電路22中的電流iMS和/或逆變器18的輸出處的電壓Vw，并確定針對逆變器16的半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3、S4的切換方案。功率變換器的目標(biāo)輸出功率可以是用于控制器30的輸入?yún)?shù)，并且可以確定切換方案使得DC-DC變換器10的實(shí)際輸出功率與目標(biāo)輸出功率相匹配。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制器30適于測量諧振電路22中的諧振電流i_。
[0047]圖2示出另一實(shí)施例DC-DC變換器10’，DC_DC變換器10’與圖1的DC-DC變換器10的不同在于諧振電路22’和整流器拓?fù)?6’。
[0048]諧振電路22’關(guān)于變壓器24的初級繞組對稱并包括兩個電感器L_/2和兩個電容器2Cms。
[0049]高壓整流器26’包括例如根據(jù)科克洛夫特、沃爾頓、格萊納赫或者德隆的電壓倍增器拓?fù)洹?br> [0050]圖3示出可以被用于逆變器18的開關(guān)元件或者半導(dǎo)體開關(guān)的實(shí)施例。在逆變器18中，任何器件S1、SI’可以被用作能夠在前向方向上主動地被阻斷而反向?qū)щ姷陌雽?dǎo)體開關(guān)。
[0051]例如，開關(guān)SI (或者所有其它開關(guān))可以包括由于其結(jié)構(gòu)而反向?qū)щ姷腗0SFET。作為用于一個或所有開關(guān)的備選，開關(guān)SI’包括IGBT模塊，所述IGBT模塊包括一個或多個反并聯(lián)(續(xù)流)二極管。此外，SiC器件可被應(yīng)用為開關(guān)。作為對DC-DC變換器10的應(yīng)用，圖4示出包括DC-DC變換器10的X射線設(shè)備40。例如，X射線設(shè)備40可以是CT(計(jì)算機(jī)斷層攝影)或者用于醫(yī)學(xué)目的的任何其它X射線系統(tǒng)。
[0052]通過與電源柵極44連接并提供輸入電壓Vde的整流器42來供應(yīng)DC-DC變換器的輸入連接12。輸出連接14與包括X射線管46的負(fù)載連接。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，X射線設(shè)備40包括DC-DC變換器10和被供應(yīng)有高DC電壓Vg的X射線管46。
[0054]圖5示出在控制器30的具體切換模式中的諧振電路22中的電流iMS和/或逆變器18的輸出處的電壓Vw關(guān)于時間t的圖?？刂浦C振電流使得在諧振電路22中生成周期電流。
[0055]此外，圖5示出被用于生成逆變器18的開關(guān)命令的逆變器命令(“ + ”)和時間周期。存在三個不同的逆變器命令或開關(guān)狀態(tài)“ + ”、“0”、“-”，以下將對其進(jìn)行解釋。電流具有周期長度T和T/2的半周期長度。
[0056]控制器30可以包括相位角編碼器48或相位角模塊48，相位角編碼器48或相位角模塊48例如適于確定諧振電流iMS的零交點(diǎn)52和確定逆變器18的切換時間或者切換事件，逆變器18的切換時間或者切換事件可以基于諧振電流iMS的零交點(diǎn)之前的前置時間ts。在圖5中，半導(dǎo)體開關(guān)31、52、53、54在1'/2-%和1'-%處被切換到新的開關(guān)狀態(tài)(即，斷開或閉合)。
[0057]可以通過控制器30的開關(guān)模塊50來確定半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3、S4的開關(guān)狀態(tài)。
[0058]可以通過零電流檢測模塊49和滯后時間模塊51來觸發(fā)開關(guān)模塊50，其中，零電流檢測模塊49適于檢測諧振電流的零交點(diǎn)，滯后時間模塊51適于生成用于延遲開關(guān)模塊50的延遲時間。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，電源變換器16包括用于將逆變器18的半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3、S4切換到開關(guān)狀態(tài)的控制器30。
[0060]控制器30可以在不同的開關(guān)狀態(tài)或者操作狀態(tài)中被操作。
[0061]在可以由“ + ”指示的(第一)功率前向電平或狀態(tài)中，逆變器18將功率從DC鏈路電路饋送到諧振電路22中。
[0062]在可以由“O”指示的(第二)續(xù)流電平或狀態(tài)中，逆變器18不傳遞任何實(shí)際功率。
[0063]在可以由指示的(第三)功率后向電平或狀態(tài)中，逆變器18將實(shí)際功率從諧振電路饋送回到DC鏈路12。
[0064]在第一功率前向狀態(tài)中，對逆變器18進(jìn)行切換使得大部分諧振電流iMS的半周期，電壓Vw與電流iMS具有相同的符號或極性。必須指出，開關(guān)SI至S4在功率前向狀態(tài)中的開關(guān)狀態(tài)取決于在切換應(yīng)當(dāng)發(fā)生的時間點(diǎn)處的諧振電流iMS的極性。
[0065]例如，如圖5中所示，在正半周期期間，開關(guān)SI和S4被接通，而其它兩個開關(guān)S2、S3被斷開，使得正諧振電流iMS直接流過SI和S4。正電壓Vw= +Vdc被應(yīng)用到諧振電路
22。因此，能量從輸入連接12被傳遞到諧振電路22中，并且激發(fā)諧振電流而導(dǎo)致其幅度的增加。在(由相位角模塊48確定的)時間T/2-ts處，開關(guān)狀態(tài)改變使得S2和S3被接通并導(dǎo)電，而SI和S4被斷開，從而導(dǎo)致負(fù)電壓Vw= -Vdc0該開關(guān)狀態(tài)幾乎保持整個負(fù)半周期，并且在時間T-ts之后，開關(guān)狀態(tài)改變回到正半周期的開關(guān)狀態(tài)。
[0066]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述開關(guān)狀態(tài)包括功率前向狀態(tài)，在所述功率前向狀態(tài)中，DC電壓Vde被應(yīng)用到諧振電路22，DC電壓Vde與切換時間處的諧振電流i,es具有相同的極性。
[0067](在圖5中未示出但在圖6中利用“O”指示的)第二續(xù)流狀態(tài)能通過四個可能的開關(guān)狀態(tài)達(dá)到，針對諧振電流Us的每個方向(極性)兩個。例如，如果僅開關(guān)Si被接通，則正諧振電流iMS流過開關(guān)SI和導(dǎo)電的反并聯(lián)續(xù)流二極管D3?？梢酝ㄟ^環(huán)電流來表征續(xù)流狀態(tài)。由于所應(yīng)用的諧振電壓Vw= O是零，因而不存在從輸入連接12抽取到諧振電路22中以激發(fā)或者抑制i,es的幅度的額外的能量。如果僅S4被閉合，在僅S4被閉合的情況下，將流過S4和D2，則獲得類似的結(jié)果。對于負(fù)諧振電流而言，通過接通S2同時斷開S1、S4而S3無關(guān)緊要或者接通S3同時斷開S1、S4而SI無關(guān)緊要來給出等價的開關(guān)狀態(tài)。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述開關(guān)狀態(tài)包括功率后向狀態(tài)，在功率后向狀態(tài)中，DC電壓+Vde被應(yīng)用到諧振電路22，DC電壓+Vde與切換時間處的諧振電流Vde具有相反的極性。
[0069]在第三功率后向狀態(tài)中，對于正諧振電流和負(fù)諧振電流iMS而言，開關(guān)S1、S2、S3和S4被斷開。正諧振電流iMS流過二極管D2和D3。所應(yīng)用的電壓Vw與諧振電流的極性具有相反的極性，因此能量在相反方向上從諧振電路22被傳遞到輸入連接12中。因此，諧振電流iMS將主動地被抑制并且其幅度顯著地被降低。負(fù)諧振電流流過Dl和D4。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述開關(guān)狀態(tài)包括用于使諧振電路22短路的續(xù)流狀態(tài)。
[0071]用于DC-DC變換器10的操作或控制模式可以利用僅包括一種類型的控制狀態(tài)的控制狀態(tài)來限定。具體而言，所述控制模式可以通過將開關(guān)狀態(tài)周期性地應(yīng)用到逆變器18來生成。
[0072]例如，在全功率前向模式中，僅將逆變器18切換到功率前向狀態(tài)，在全功率后向模式中，僅將逆變器18切換到功率后向狀態(tài)，并且在全續(xù)流模式中，僅將逆變器18切換到續(xù)流狀態(tài)。
[0073]在這三個操作模式中，每個開關(guān)周期可以在諧振電流的零交點(diǎn)附近(例如在ts之前)結(jié)束并且下一個可以在諧振電流的零交點(diǎn)附近(例如在ts之前)開始，從而啟用零電流和零電壓開關(guān)二者使得所得開關(guān)損耗處于最小值。
[0074]一般而言，切換(即切換事件)的時間點(diǎn)可以與諧振電流‘的周期事件或者周期點(diǎn)(如零交點(diǎn)52)同步。
[0075]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制器30適于使開關(guān)狀態(tài)的切換事件與周期諧振電流iMS同步，使得開關(guān)狀態(tài)在與周期諧振電流iMS的具體周期點(diǎn)52相關(guān)聯(lián)的時間點(diǎn)處被應(yīng)用到逆變器。
[0076]在圖5中示出的全功率前向模式中，在任何操作點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)條件并且損耗可以盡可能地小。這兩個目標(biāo)可以在中功率操作范圍和高功率操作范圍內(nèi)最佳地達(dá)到。它們可以剛好在諧振電流iMS的零交點(diǎn)之前(即，零交點(diǎn)之前的％)通過切換事件的良好選擇來達(dá)到。此時，電流幅度已經(jīng)相當(dāng)小但是可以安全地確保零電壓開關(guān)操作。
[0077]圖6示出類似于圖5的關(guān)于逆變器18的操作模式的圖，其中在電流iMS的正半周期期間，應(yīng)用功率前向狀態(tài)，并且在電流iMS的負(fù)半周期期間，應(yīng)用續(xù)流狀態(tài)。
[0078]這可以被用于如在圖5中示出的操作模式中的較低的輸出功率。然而，在具有低輸出功率的操作點(diǎn)處或者在準(zhǔn)空載條件處(例如，在阻斷管柵極的情況下)，不可以可靠地確保零電壓開關(guān)操作。該行為的原因可能是電容器Csl至Cs4的殘余電荷。分立的緩沖電容器可以對CS1-CS4以及芯片輸出電容Coss和印刷電路板的層電容做貢獻(xiàn)。電流時間面積60不足以使緩沖電容器Csl至Cs4完全放電。由于緩沖電容器直到到達(dá)零交點(diǎn)才放電，所以應(yīng)用到諧振電路22的電壓Vw在范圍62內(nèi)下降。
[0079]之后在其并聯(lián)連接的開關(guān)SI至S4的隨后的接通事件期間對電容器Csl至Cs4進(jìn)行放電。
[0080]因此，違反了零電壓開關(guān)條件并且所述切換事件甚至發(fā)生延遲:所述切換事件在諧振電流iMS的零交點(diǎn)之后的點(diǎn)64處發(fā)生。因此，可能發(fā)生相當(dāng)高的損耗并且可能發(fā)生由于64處的其陡電壓變化(dVw/dt)而引起的高電磁干擾的脈沖。
[0081]尤其對于非常低的輸出功率(例如，空載、X射線管的柵極阻斷)而言，圖5和6中示出的控制方案可以導(dǎo)致散射效應(yīng)，所述散射效應(yīng)意味著強(qiáng)烈抖動的諧振電流的幅度。結(jié)果可能是高壓上的非常高的低頻紋波，這也是不期望的。
[0082]為了克服這一點(diǎn)，呈現(xiàn)了兩個額外的控制或操作模式，所述兩個額外的控制或操作模式將較小量的功率傳遞到諧振電路22中。低輸出功率可以意味著具有完全低電流幅度的操作。因此，可以不必堅(jiān)持零電壓開關(guān)的目標(biāo)。
[0083]在這兩個控制模式中，流到諧振電路22中的功率幾乎由離開諧振電路22的功率來平衡。
[0084]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制器30適于應(yīng)用所述開關(guān)狀態(tài)使得從諧振電路22后向饋送到逆變器18的輸入端12的總功率與從逆變器的輸入端12前向饋送到諧振電路22的總功率相平衡。
[0085]圖7示出類似于圖5和6的圖的關(guān)于低功率模式切換方案的圖。在低功率模式中，在一個半周期期間對功率前向狀態(tài)和續(xù)流狀態(tài)進(jìn)行切換。
[0086]通過來自相位角模塊48的相位角編碼器信號來觸發(fā)該切換方案。切換順序以與圖5中示出的全功率前向模式同樣的條件開始，但是以續(xù)流狀態(tài)的條件結(jié)束。所對應(yīng)的計(jì)時條件是 0〈ts〈tsl 和 ts+tsl〈T/2。
[0087]可以在一個半周期T/2期間將逆變器18在功率傳遞狀態(tài)與續(xù)流狀態(tài)之間進(jìn)行切換。
[0088]例如，相位角模塊48在諧振電流iMS的零交點(diǎn)事件52之前確定相位角并且觸發(fā)開關(guān)模塊50以在零交點(diǎn)52之前的第一時間段ts處(即，在T/2-ts和T-ts處)切換到功率前向狀態(tài)“I”中。所述開關(guān)模塊由零電流檢測模塊49和(創(chuàng)建延遲時間tsl的)滯后時間模塊51觸發(fā)以在零交點(diǎn)52之后的第二時間段tsl處(即，在T/2+ts和T+ts處)切換到續(xù)流狀態(tài)“O”中。零交點(diǎn)52的位置產(chǎn)生自圖7在ts+tsl = T/2的上限處的形狀。
[0089]時間段ts和tsl可以被預(yù)定義為固定值或者可以被定義為周期長度T的分?jǐn)?shù)。前置時間％觸發(fā)到諧振電路22中的功率傳遞。在滯后時間tsl>ts之后，可以應(yīng)用續(xù)流狀態(tài)以便阻止實(shí)際功率到諧振電路22中的進(jìn)一步的傳遞。
[0090]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制器30適于將諧振電流iMS的零交點(diǎn)52確定為具體周期點(diǎn)。
[0091]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制器30適于在零交點(diǎn)52之前的預(yù)定義第一時間段ts處將逆變器18切換到功率前向狀態(tài)或功率后向狀態(tài)。
[0092]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制器30適于在零交點(diǎn)52之后的預(yù)定義第二時間段tsl處將逆變器18切換到續(xù)流開關(guān)狀態(tài)。
[0093]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在諧振電流的周期的一個半周期期間發(fā)生至少兩個切換事件，例如到功率前向狀態(tài)的切換和到續(xù)流狀態(tài)的切換。
[0094]使用所述低功率模式，可以使諧振電流的包絡(luò)形狀平滑。此外，所述低功率模式可以減少高DC電壓信號上的紋波。此外，所述低功率模式集中于毫無例外地確保零電壓開關(guān)。在此可以避免具有極大電磁干擾的陡dV/dt沿。
[0095]圖8示出關(guān)于包括低功率電平、續(xù)流電平和功率前向饋送電平的切換順序的圖。
[0096]在低功率電平“L”中，根據(jù)圖7來對逆變器18進(jìn)行切換。在功率前向饋送電平“I”中，根據(jù)圖5來對逆變器進(jìn)行切換，并且在續(xù)流電平中，如參考圖6所解釋地對逆變器18進(jìn)行切換。
[0097]能夠通過電壓時間面積70時間iMS來計(jì)算被前向饋送到諧振電路22中的功率。能夠通過電壓時間面積72時間來計(jì)算被后向饋送到DC鏈路電路12的功率。在低功率電平L中如圖7和圖8中所指示的開關(guān)確保面積70 (稍微)大于面積72。這導(dǎo)致在任何半周期期間被前向饋送的功率量小。
[0098]圖9示出指示從輸入連接12 ( S卩，DC鏈路電路)傳遞到諧振電路22的功率量關(guān)于時間t的圖。所傳遞的功率的平均值或者(在一個周期長度T內(nèi))所傳遞的總功率可以被視為各自的控制模式的傳遞功率。
[0099]線80指示具有周期長度T的正弦諧振電流ires。
[0100]線82指示在圖5中示出的全功率前向模式中所傳遞的功率。在該操作模式中，逆變器18總是在零交點(diǎn)之前的時間段ts處被切換到功率前向狀態(tài)中并且所傳遞的總功率是正的。
[0101]線84指示在全功率后向模式中所傳遞的功率。在該操作模式中，逆變器18總是在零交點(diǎn)之前的時間段ts處被切換到功率后向狀態(tài)并且所傳遞的總功率是負(fù)的。
[0102]線86指示在圖7中示出的低功率模式中所傳遞的功率。所傳遞的總功率是正的，但是比在全功率前向模式中小得多。
[0103]盡管已經(jīng)在附圖和前面的描述中詳細(xì)說明并描述了本發(fā)明，但這樣的說明和描述被認(rèn)為是說明性或示范性而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。通過研究附圖、說明書和權(quán)利要求書，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實(shí)踐所主張的本發(fā)明時能夠理解和實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施例的其它變型。在權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其它元件或者步驟，并且量詞“一”或“一個”不排除多個。單個處理器或控制器或者其它單元可以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中記載的若干項(xiàng)目的功能。在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施并不指示不能有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不得被解釋為對范圍的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種電源變換器(16),包括: 逆變器(18)，其具有半導(dǎo)體開關(guān)(S1、S2、S3、S4)； 諧振電路(22)，其與所述逆變器(18)耦合； 控制器(30)，其用于將所述逆變器(18)的所述半導(dǎo)體開關(guān)(S1、S2、S3、S4)切換到開關(guān)狀態(tài)； 其中，所述控制器(30)適于將所述逆變器(18)在開關(guān)狀態(tài)之間周期性地進(jìn)行切換，使得在所述諧振電路(22)中生成周期諧振電流(i_)，所述開關(guān)狀態(tài)包括用于使所述諧振電路(22)短路的續(xù)流狀態(tài)； 其中，所述控制器(30)適于將所述開關(guān)狀態(tài)的切換事件與所述周期諧振電流(iMS)同步，使得在與所述周期諧振電流(Us)的具體周期點(diǎn)(52)相關(guān)聯(lián)的時間點(diǎn)處將開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用到所述逆變器； 其中，所述控制器(30)適于應(yīng)用所述開關(guān)狀態(tài)使得從所述諧振電路(22)后向饋送到所述逆變器(18)的輸入端(12)的總功率與從所述逆變器的所述輸入端(12)前向饋送到所述諧振電路(22)的總功率相平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源變換器(16)， 其中，所述開關(guān)狀態(tài)還包括以下中的至少一種: 功率前向狀態(tài)，在所述功率前向狀態(tài)中，DC電壓(+Vd。)被應(yīng)用到所述諧振電路(22)，所述DC電壓(+Vd。)與所述諧振電流(iMS)具有相同的極性； 功率后向狀態(tài)，在所述功率后向狀態(tài)中，DC電壓(+Vd。)被應(yīng)用到所述諧振電路(22)，所述DC電壓(+Vd。)與所述諧振電流(iMS)具有相反的極性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電源變換器(16)， 其中，所述控制器(30)適于將所述諧振電流(i_)的零交點(diǎn)(52)確定為具體周期點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電源變換器(16)， 其中，所述控制器(30)適于在所述零交點(diǎn)(52)之前的預(yù)定義第一時間段(ts)處將所述逆變器(18)切換到功率前向狀態(tài)或功率后向狀態(tài)； 其中，所述控制器(30)適于在所述零交點(diǎn)(52)之后的預(yù)定義第二時間段(tsl)處將所述逆變器(18)切換到所述續(xù)流開關(guān)狀態(tài)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源變換器(16)， 其中，在所述諧振電流(iMS)的周期的一個半周期期間發(fā)生至少兩個切換事件。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源變換器(16)， 其中，所述控制器(30)適于測量所述諧振電路(22)中的所述諧振電流(i_)。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源變換器(16)， 其中，所述逆變器(18)是全橋逆變器，所述全橋逆變器包括并聯(lián)連接到DC輸入端(12)的兩個半橋(20a、20b)； 其中，每個半橋(20a、20b)包括兩個分支，每個分支具有并聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)(SI)、續(xù)流二極管(Dl)和緩沖電容器(Csl)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源變換器(16)， 其中，所述諧振電路(22)包括并聯(lián)連接的電感器(Lms)和電容器(C_)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的電源變換器(16)， 其中，變壓器(24)的初級繞組是所述諧振電路(22)的電感器的一部分。
10.一種DC-DC變換器(10)，包括: 根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的電源變換器(16)； 變壓器(24)，其用于從所述諧振電路中的AC電壓生成高AC電壓； 整流器(26)，其用于從來自所述變壓器的所述高AC電壓生成高DC電壓(Vm)。
11.一種X射線設(shè)備(40)，包括: 根據(jù)權(quán)利要求10所述的DC-DC變換器(10)； 被供應(yīng)有高DC電壓(Vg )的X射線管(46)。
12.一種用于控制逆變器(18)的方法，所述方法包括以下步驟: 將所述逆變器(18)在開關(guān)狀態(tài)之間周期性地進(jìn)行切換，使得在耦合到所述逆變器(18)的諧振電路(22)中生成周期諧振電流(i_)，所述開關(guān)狀態(tài)包括用于使所述諧振電路(22)短路的續(xù)流狀態(tài)； 將所述開關(guān)狀態(tài)的切換事件與所述周期諧振電流(iMS)同步，使得在與所述周期諧振電流(iMS)的具體周期點(diǎn)(52)相關(guān)聯(lián)的時間點(diǎn)處將開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用到所述逆變器(18)； 應(yīng)用所述開關(guān)狀態(tài)使得從所述諧振電路(22)后向饋送到所述逆變器(18)的輸入端(12)的總功率與從所述逆變器(18)的所述輸入端(12)前向饋送到所述諧振電路(22)的總功率相平衡。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括以下步驟: 將所述諧振電流(iMS)的零交點(diǎn)(52)確定為具體周期點(diǎn)； 在所述零交點(diǎn)(52)之前的預(yù)定義第一時間段(ts)處將所述逆變器(18)切換到功率前向狀態(tài)或功率后向狀態(tài)； 在所述零交點(diǎn)(52)之后的預(yù)定義第二時間段(tsl)處將所述逆變器(18)切換到所述續(xù)流開關(guān)狀態(tài)。
【文檔編號】H02M1/00GK104396133SQ201380032505
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月19日
【發(fā)明者】B·瓦格納 申請人:皇家飛利浦有限公司