本發(fā)明涉及一種電力變換器，更具體地，涉及一種dc-dc變換器。

背景技術(shù)：

在用于穩(wěn)定地向電子裝置供電的電源中，在電源的容量不斷增加的同時(shí)需要其更高的可靠性。在這樣的電源中，不僅穩(wěn)定地供給系統(tǒng)所需的電力是重要的，使必要空間最小化也是重要的。因此，為了使系統(tǒng)所需的空間最小化，必須通過(guò)提高電力變換效率來(lái)減小不必要的元件如散熱器的尺寸而使電源更小、更輕且更薄。通常，開關(guān)電源由于開關(guān)損耗而具有低的電力變換效率，因此開發(fā)了用于提高電力變換效率的各種電力變換技術(shù)。

例如，諧振型電力變換器是即使在高頻范圍內(nèi)也具有高效率的電力變換器，這通過(guò)在進(jìn)行開關(guān)時(shí)使開關(guān)電壓或電流為零并且使開關(guān)損耗最小化來(lái)實(shí)現(xiàn)。在諧振型電力變換器中，諧振開關(guān)可以通過(guò)將產(chǎn)生諧振的電容器和電感器添加至開關(guān)元件來(lái)構(gòu)成。

諧振型電力變換器最初開始應(yīng)用于要求小尺寸、輕重量的航空航天領(lǐng)域的dc電源、逆變器等，近來(lái)諧振型電力變換器的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到工業(yè)領(lǐng)域。這種諧振型電力變換器根據(jù)諧振類型分為串聯(lián)諧振型變換器和并聯(lián)諧振型變換器。在小型電源中使用具有少量開關(guān)的準(zhǔn)諧振型變換器及多諧振型變換器。具有諧振環(huán)節(jié)的諧振型逆變器已經(jīng)被研究用于ac電源，并且適用于要求高頻的電力系統(tǒng)。同時(shí)，還正在研究通過(guò)僅在開關(guān)期間執(zhí)行零電壓或零電流開關(guān)來(lái)使諧振能量最小化的脈沖寬度調(diào)制(pwm)變換器類型的軟開關(guān)變換器。

構(gòu)成這種電力變換器的開關(guān)是作為半導(dǎo)體元件的開關(guān)元件，并且當(dāng)開關(guān)元件導(dǎo)通及截止時(shí)由于開關(guān)元件的突變特性而發(fā)生損耗。

圖1是示出開關(guān)元件的電力損耗的波形圖。

參照?qǐng)D1，開關(guān)元件的電力損耗pl隨著開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間ton和截止時(shí)間toff變得更長(zhǎng)而增加，并且還與開關(guān)頻率成比例地增加。然而，為了減小電源的尺寸和重量，電力變換器的開關(guān)元件通常以高頻率進(jìn)行開關(guān)，但是開關(guān)元件的高頻開關(guān)增加了由于開關(guān)造成的損耗。開關(guān)損耗具有降低電力變換效率的問(wèn)題。此外，在電力變換系統(tǒng)如新的可再生能源和電動(dòng)車中，需要雙向電力變換。此時(shí)，通過(guò)一個(gè)功率級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向電力控制以簡(jiǎn)化系統(tǒng)并且還降低其成本。然而，由于雙向電力變換系統(tǒng)中包括的絕緣變壓器的初級(jí)側(cè)繞組與次級(jí)側(cè)繞組之間的漏電感，在執(zhí)行高頻開關(guān)時(shí)，開關(guān)損耗增加并且產(chǎn)生浪涌電壓。因此，在電力變換器中，存在電力變換損耗和施加到開關(guān)的電壓應(yīng)力增加的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明旨在提供一種電力變換器，該電力變換器在執(zhí)行雙向電力變換時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件的電壓鉗位操作和軟開關(guān)操作，從而根據(jù)開關(guān)損耗的降低實(shí)現(xiàn)高效率的電力變換和低噪聲。

技術(shù)方案

本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種電力變換器，該電力變換器包括：變壓器；電流倍增器，該電流倍增器包括開關(guān)元件并且連接至變壓器的次級(jí)側(cè)，以根據(jù)開關(guān)元件的操作使變壓器的電流加倍；以及連接至開關(guān)元件的電壓諧振器，其中該電壓諧振器包括彼此串聯(lián)連接的開關(guān)元件和電容器。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電力變換器中，電流倍增器的開關(guān)元件可以包括第一開關(guān)元件和第二開關(guān)元件，電壓諧振器可以包括連接至第一開關(guān)元件的第一電壓諧振器和連接至第二開關(guān)元件的第二電壓諧振器，第一電壓諧振器可以包括彼此串聯(lián)連接的第三開關(guān)元件和第一電容器，第二電壓諧振器可以包括彼此串聯(lián)連接的第四開關(guān)元件和第二電容器。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的電力變換器中，第一開關(guān)元件和第三開關(guān)元件可以以死區(qū)時(shí)間交替地操作，并且第二開關(guān)元件和第三開關(guān)元件可以以死區(qū)時(shí)間交替地操作。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，該電力變換器還可以包括逆變整流型變換器，該逆變整流型變換器連接至變壓器的初級(jí)側(cè)，將輸入電壓變換成方波脈沖波形，然后將所變換的方波脈沖波形輸出至變壓器的初級(jí)側(cè)。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，該電力變換器還可以包括連接至電流倍增器的兩端的負(fù)載部分，并且可以執(zhí)行降壓操作或者升壓操作，降壓操作降低輸入至逆變整流型變換器的dc電壓的電平，然后從負(fù)載部分輸出dc電壓；升壓操作增加輸入至負(fù)載部分的dc電壓的電平，然后從逆變整流型變換器輸出dc電壓。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，在執(zhí)行降壓操作或者升壓操作時(shí)，流經(jīng)第三開關(guān)元件和第四開關(guān)元件中的每個(gè)開關(guān)元件的電流可以進(jìn)行諧振。

此外，在根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方式的電力變換器中，在執(zhí)行降壓操作時(shí)，施加到第一電壓諧振器和第二電壓諧振器中的每個(gè)電壓諧振器的兩端的電壓可以為正弦波。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，電流倍增器可以包括第一電感器和第二電感器，第一電感器和第二電感器中的每個(gè)電感器的一個(gè)端子彼此連接，第一電感器的另一端子可以連接至變壓器的次級(jí)側(cè)的一個(gè)端子，第二電感器的另一端子可以連接至變壓器的次級(jí)側(cè)的另一端子，并且在執(zhí)行降壓操作或者升壓操作時(shí)，流經(jīng)第一電感器和第二電感器中的每個(gè)電感器的電流以及流經(jīng)第三開關(guān)元件的諧振電流可以流經(jīng)第二開關(guān)元件

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，在執(zhí)行降壓操作或者升壓操作時(shí)，第二開關(guān)元件和第三開關(guān)元件可以被連接，并且第一開關(guān)元件和第四開關(guān)元件可以被斷開，因此流經(jīng)第一電感器和第二電感器中的每個(gè)電感器的電流以及流經(jīng)第三開關(guān)元件的諧振電流可以流經(jīng)第二開關(guān)元件

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，電流倍增器可以包括第一電感器和第二電感器，第一電感器和第二電感器中的每個(gè)電感器的一個(gè)端子彼此連接，第一電感器的另一端子可以連接至變壓器的次級(jí)側(cè)的一個(gè)端子，第二電感器的另一端子可以連接至變壓器的次級(jí)側(cè)的另一端子，并且在執(zhí)行降壓操作或者升壓操作時(shí)，流經(jīng)第一電感器和第二電感器中的每個(gè)電感器的電流以及流經(jīng)第四開關(guān)元件的諧振電流可以流經(jīng)第一開關(guān)元件。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，在執(zhí)行降壓操作或者升壓操作時(shí)，第一開關(guān)元件和第四開關(guān)元件可以被連接，并且第二開關(guān)元件和第三開關(guān)元件可以被斷開，因此流經(jīng)第一電感器和第二電感器中的每個(gè)電感器的電流以及流經(jīng)第四開關(guān)元件的諧振電流可以流經(jīng)第一開關(guān)元件。

本發(fā)明的另一方面提供了一種電力變換器，該電力變換器包括：絕緣變壓器；連接在絕緣變壓器的次級(jí)側(cè)的一個(gè)端子與第一節(jié)點(diǎn)之間的第五開關(guān)元件和第七開關(guān)元件；連接在絕緣變壓器的次級(jí)側(cè)的一個(gè)端子與第二節(jié)點(diǎn)之間的第一電感器；連接在絕緣變壓器的次級(jí)側(cè)的另一端子與第二節(jié)點(diǎn)之間的第二電感器；并聯(lián)連接至第五開關(guān)元件的第一諧振器，該第一諧振器包括第六開關(guān)元件和第一電容器；以及并聯(lián)連接至第七開關(guān)元件的第二諧振器，該第二諧振器包括第八開關(guān)元件和第二電容器。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的電力變換器中，第六開關(guān)元件和第一電容器可以串聯(lián)連接，第八開關(guān)元件和第二電容器可以串聯(lián)連接。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的電力變換器中，電力變換器還可以包括逆變整流型變換器，該逆變整流型變換器連接至絕緣變壓器的初級(jí)側(cè)，將輸入電壓變換成方波脈沖波形，然后將所變換的方波脈沖波形輸出至變壓器的初級(jí)側(cè)。

另外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，逆變整流型變換器可以是包括第一開關(guān)元件至第四開關(guān)元件的全橋電路。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，電力變換器還可以包括連接在第一節(jié)點(diǎn)與第二節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載電容器。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，可以執(zhí)行降壓操作或者升壓操作，降壓操作降低輸入至逆變整流型變換器的dc電壓的電平，然后從負(fù)載部分輸出dc電壓，升壓操作增加輸入至負(fù)載部分的dc電壓的電平，然后從逆變整流型變換器輸出dc電壓。

此外，在根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式的電力變換器中，電力變換器還可以包括連接至絕緣變壓器的初級(jí)側(cè)的初級(jí)側(cè)電感器。

此外，在根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方式的電力變換器中第五開關(guān)元件至第八開關(guān)元件中的每個(gè)開關(guān)元件可以包括內(nèi)部二極管和內(nèi)部電容器。

此外，在根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施方式的電力變換器中，第五開關(guān)元件至第八開關(guān)元件可以是mosfet晶體管，第五開關(guān)元件和第七開關(guān)元件的漏極端子以及第六開關(guān)元件和第八開關(guān)元件的源極端子可以共同連接至所述絕緣變壓器的一個(gè)端子。

附圖說(shuō)明

圖1是示出開關(guān)元件的電力損耗的波形圖。

圖2a和2b示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器的降壓模式操作的波形圖。

圖4是放大地示出圖3的虛線a的波形圖。

圖5是放大地示出圖3的虛線b的波形圖。

圖6是放大地示出圖3的虛線c的波形圖。

圖7是示出處于第三時(shí)段state3的電力變換器的等效電路的視圖。

圖8是放大地示出圖3的虛線f的視圖。

圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器中的根據(jù)頻率的輸入阻抗的視圖。

圖10是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器的升壓模式操作的波形圖。

圖11是處于第一時(shí)段state1的等效模型。

圖12是處于第二時(shí)段state2的等效模型。

圖13是處于第三時(shí)段state3的等效模型。

圖14是處于第四時(shí)段state4的等效模型。

圖15是處于第五時(shí)段state5的等效模型。

圖16是處于第六時(shí)段(state6)的等效模型。

圖17是圖10的波形圖中的j區(qū)域的放大視圖。

圖18是圖10的波形圖中的虛線部分k的放大視圖。

圖19是圖10的波形圖中的虛線部分l的放大視圖。

圖20是圖10的波形圖中的虛線部分m的放大視圖。

圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器中的根據(jù)頻率的輸出阻抗的視圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器。作為示例提供了下面描述的示例性實(shí)施方式，以將本發(fā)明的精神充分轉(zhuǎn)達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。因此，本發(fā)明不限于下面描述的實(shí)施方式，而是本發(fā)明能夠以不同的形式來(lái)實(shí)施。此外，在附圖中，省略了與說(shuō)明不相關(guān)的部分以清楚地描述本發(fā)明，為了方便起見，元件的寬度、長(zhǎng)度和厚度可能被夸大。遍及本公開，遍及本發(fā)明的各附圖和實(shí)施方式，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。

圖2a和圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器。

<電力變換器>

參照?qǐng)D2a，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100是將dc電壓變換成dc電壓的雙向電力變換器，并且電力變換器100可以包括：絕緣變壓器101、連接至絕緣變壓器101的初級(jí)側(cè)的逆變整流型變換器102、連接至絕緣變壓器101的次級(jí)側(cè)的電流倍增器103、連接至電流倍增器103的負(fù)載部分104以及連接至電流倍增器103的第一電壓諧振器105a和第二電壓諧振器105b。

絕緣變壓器101的漏電感l(wèi)p可以等效地連接至絕緣變壓器101的初級(jí)側(cè)，并且除漏電感l(wèi)p之外的初級(jí)側(cè)電感器lp可以連接至絕緣變壓器101的初級(jí)側(cè)。并且絕緣變壓器101的漏電感l(wèi)s可以等效地連接至絕緣變壓器101的次級(jí)側(cè)。

逆變整流型變換器102可以是半橋電路型、全橋電路型或者推挽電路型。并且逆變整流型變換器102可以連接至絕緣變壓器101的初級(jí)側(cè)，可以將輸入電壓變換成方波脈沖波形，然后將所變換的方波脈沖波形輸出至絕緣變壓器101的初級(jí)側(cè)。將描述全橋電路作為逆變整流型變換器102的示例。作為逆變整流型變換器的全橋部分102可以連接在從其提供電壓的第一電源vh與作為絕緣變壓器101的初級(jí)側(cè)的a-b端子之間，可以包括第一開關(guān)元件至第四開關(guān)元件q1、q2、q3和q4，并且可以根據(jù)第一開關(guān)元件至第四開關(guān)元件q1、q2、q3和q4的開關(guān)操作將作為dc電源的第一電源vh變換成方波脈沖波形。此外，全橋部分102可以是相移全橋電路。

電流倍增器103可以連接在作為絕緣變壓器101的次級(jí)側(cè)的d-c端子與負(fù)載部分104之間，并且可以包括第一電感器l1和第二電感器l2以及第五開關(guān)元件qa和第七開關(guān)元件qb。根據(jù)第五開關(guān)元件qa和第七開關(guān)元件qb的操作，電流倍增器103可以用于使絕緣變壓器101的電流加倍。

第一電壓諧振器105a可以連接至電流倍增器103的第五開關(guān)元件qa的兩端，并且可以包括第六開關(guān)元件qaa以及與第六開關(guān)元件qaa串聯(lián)連接的第一諧振電容器ck。此外，第二電壓諧振器105b可以連接至第七開關(guān)元件qb的兩端，并且可以包括第八開關(guān)元件qbb以及與第八開關(guān)元件qbb串聯(lián)連接的第二諧振電容器cj。并且第五開關(guān)元件qa和第六開關(guān)元件qaa可以以死區(qū)時(shí)間交替地操作，并且第七開關(guān)元件qb和第八開關(guān)元件qbb也可以以死區(qū)時(shí)間交替地操作。

負(fù)載部分104可以連接至電流倍增器103，并且可以包括彼此并聯(lián)連接的負(fù)載電容器cl和負(fù)載電阻器rl，并且負(fù)載電阻器rl的兩端的電壓可以是第二電壓vl。

電力變換器100可以變換作為dc電壓的第一電壓vh的電平，并且可以輸出所變換的電壓作為作為dc電壓的第二電壓vl。此時(shí)，可以執(zhí)行降壓操作，該降壓操作降低第一電壓vh的電平并且將其輸出作為第二電壓vl。并且電力變換器100可以變換作為dc電壓的第二電壓vl的電平，并且可以將輸出所變換的電壓作為作為dc電壓的第一電壓vh。此時(shí)，可以執(zhí)行升壓操作，該升壓操作增加第二電壓vl的電平并且將其輸出作為第一電壓vh。

此外，第一電壓諧振器105a和第二電壓諧振器105b可以允許電流倍增器103的第五開關(guān)元件qa和第七開關(guān)元件qb根據(jù)電壓諧振執(zhí)行零電壓開關(guān)操作，因此可以使開關(guān)損耗最小化，并且還可以使用第一電壓諧振器105a和第二電壓諧振器105b、電流倍增器103的第一電感器l1和第二電感器l2以及次級(jí)側(cè)變壓器的漏電感器ls，來(lái)允許電流倍增器103的第五開關(guān)元件qa和第七開關(guān)元件qb根據(jù)電流諧振執(zhí)行零電流開關(guān)操作，可以使整個(gè)電力變換器100的開關(guān)損耗最小化，從而可以提高電力變換效率。

在下文中，將參照?qǐng)D2b詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100。

參照?qǐng)D2b，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100可以包括初級(jí)側(cè)變換器110和次級(jí)側(cè)變換器120。作為變換器的電力變換器100可以使用在電感器中積累的能量，在電力變換器100中，通過(guò)開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止操作，dc輸入電壓被變換成方波脈沖波形，然后通過(guò)變壓器進(jìn)行整流和平滑，從而獲得dc輸出電壓。此外，電力變換器100可以包括在輸入端與輸出端之間電絕緣的絕緣變壓器。

初級(jí)側(cè)變換器110可以包括全橋電路111和初級(jí)側(cè)變壓器112。全橋電路111可以包括第一開關(guān)元件至第四開關(guān)元件q1、q2、q3和q4。第一開關(guān)元件至第四開關(guān)元件q1、q2、q3和q4可以分別包括內(nèi)部二極管d1、d2、d3和d4以及內(nèi)部電容器c1、c2、c3和c4。初級(jí)側(cè)變壓器112可以包括串聯(lián)的寄生電感器lp。初級(jí)側(cè)變壓器112可以包括串聯(lián)的單獨(dú)的初級(jí)側(cè)電感器lp。

在構(gòu)成全橋電路111的元件的連接關(guān)系中，全橋電路111連接至第一電源vh的端口。并且第一開關(guān)q1連接在第一電源vh的一個(gè)端子與a節(jié)點(diǎn)之間，第二開關(guān)q2連接在a節(jié)點(diǎn)與第一電源vh的另一端子之間，第四開關(guān)q4連接在第一電源vh的一個(gè)端子與b節(jié)點(diǎn)之間，第三開關(guān)q3連接在第一電源vh的另一端子與b節(jié)點(diǎn)之間。

在初級(jí)側(cè)變壓器112的連接關(guān)系中，初級(jí)側(cè)變壓器112可以包括串聯(lián)的寄生電感器lp。可替代地，初級(jí)側(cè)變壓器112可以包括串聯(lián)的寄生電感器lp和初級(jí)側(cè)電感器lp，并且可以連接在a節(jié)點(diǎn)與b節(jié)點(diǎn)之間。并且初級(jí)側(cè)變壓器112的電壓由vp標(biāo)示，并且a節(jié)點(diǎn)與b節(jié)點(diǎn)之間的電壓由vab標(biāo)示。此外，流經(jīng)初級(jí)側(cè)變壓器112的電流由ip標(biāo)示。

次級(jí)側(cè)變換器120可以包括次級(jí)側(cè)變壓器121、次級(jí)側(cè)諧振器122、負(fù)載部分123和電感器部分124。

次級(jí)側(cè)變壓器121可以磁耦接至初級(jí)側(cè)變壓器112，并且當(dāng)初級(jí)側(cè)變壓器112中的繞組數(shù)為1時(shí)，次級(jí)側(cè)變壓器121中的繞組數(shù)可以是n。因此，電力變換器100可以包括具有1:n的匝數(shù)比的變壓器t。此外，次級(jí)側(cè)變壓器121可以包括串聯(lián)的寄生電感l(wèi)s。次級(jí)側(cè)變壓器121可以連接在c節(jié)點(diǎn)與d節(jié)點(diǎn)之間。

次級(jí)側(cè)諧振器122可以包括第一諧振器122a和第二諧振器122b。

第一諧振器122a可以連接在c節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)之間。第一諧振器112a可以包括第五開關(guān)qa、第六開關(guān)qaa和第九電容器ck。第五開關(guān)qa可以包括體二極管da和體電容器ca，并且可以連接在c節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)之間。并且第六開關(guān)qaa可以包括體二極管daa和體電容器caa，并且可以連接在c節(jié)點(diǎn)與j節(jié)點(diǎn)之間。第九電容器ck可以連接在j節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)之間，并且可以串聯(lián)連接至第六開關(guān)qaa。

第二諧振器122b可以連接在f節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)之間。第二諧振器122b可以包括第七開關(guān)qb、第八開關(guān)qbb和第十電容器cj。第七開關(guān)qb可以包括體二極管db和體電容器cb，并且可以連接在f節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)之間。并且第八開關(guān)qbb可以包括體二極管dbb和體電容器cbb，并且可以連接在f節(jié)點(diǎn)與k節(jié)點(diǎn)之間。第十電容器cj可以連接在k節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)之間，并且可以串聯(lián)連接至第八開關(guān)qbb。

電感器部分124可以用于與次級(jí)側(cè)諧振器122一起形成諧振。電感器部分124可以包括連接在c節(jié)點(diǎn)與g節(jié)點(diǎn)之間的第一電感器l1以及連接在d節(jié)點(diǎn)與g節(jié)點(diǎn)之間的第二電感器l2。因此，第一電感器l1的一個(gè)端子可以連接至次級(jí)側(cè)變壓器121的一個(gè)端子，并且次級(jí)側(cè)變壓器121的另一端子可以連接至第二電感器l2。并且第二電感器l2的一個(gè)端子可以連接至第一電感器l1，并且第二電感器l2的另一端子可以連接至次級(jí)側(cè)變壓器121的另一端子。

負(fù)載部分123可以包括彼此并聯(lián)連接的負(fù)載電容器cl和負(fù)載電阻rl。負(fù)載部分123可以連接在g節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)之間，并且負(fù)載部分123的兩端的電壓是第二電壓vl。

第一開關(guān)元件至第八開關(guān)元件q1、q2、q3、q4、qa、qaa、qb和qbb可以是mosfet晶體管，并且第一開關(guān)元件q1的源極端子和第二開關(guān)元件q2的漏極端子可以共同連接至a節(jié)點(diǎn)，第四開關(guān)元件q4的源極端子和第三開關(guān)元件q3的漏極端子可以共同連接至b節(jié)點(diǎn)，第五開關(guān)元件qa的源極端子可以連接至h節(jié)點(diǎn)，第六開關(guān)元件qaa的源極端子可以連接至c節(jié)點(diǎn)，第七開關(guān)元件qb的源極端子可以連接至h節(jié)點(diǎn)，并且第八開關(guān)元件qbb的源極端子可以連接至f節(jié)點(diǎn)。并且連接至第一開關(guān)元件至第八開關(guān)元件q1、q2、q3、q4、qa、qaa、qb和qbb中的每個(gè)開關(guān)元件的內(nèi)部二極管d1、d2、d3、d4、da、daa、db和dbb中的每個(gè)內(nèi)部二極管的陰極端子可以連接至漏極端子，并且內(nèi)部二極管d1、d2、d3、d4、da、daa、db和dbb中的每個(gè)內(nèi)部二極管的陽(yáng)極端子可以連接至源極端子。內(nèi)部電容器c1、c2、c3、c4、ca、caa、cb和cbb中的每個(gè)內(nèi)部電容器可以連接在第一開關(guān)元件至第八開關(guān)元件q1、q2、q3、q4、qa、qaa、qb和qbb中的每個(gè)開關(guān)元件的漏極端子與源極端子之間。

<電力變換器正向操作：降壓模式操作>

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器的降壓模式操作的波形圖。

在波形圖中，qbb、qb、qaa、qa、q4、q3、q2和q1是用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且qbb、qb、qaa、qa、q4、q3、q2和q1下方的信號(hào)指示開關(guān)元件中的每個(gè)開關(guān)元件的根據(jù)開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)的電壓和電流的波形。

參照?qǐng)D3，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100可以執(zhí)行降壓模式操作，在降壓模式操作中，作為輸入電壓的第一電壓vh被變換成第二電壓v2，第二電壓v2是低于輸入電壓的dc輸出電壓。

此時(shí)，負(fù)載部分123和電感器部分124可以用作對(duì)ac分量進(jìn)行濾波的濾波器并且可以稱為一個(gè)低通濾波器。

在降壓模式操作中，電力變換器100的操作可以被劃分成第一時(shí)段state1至第八時(shí)段state8。在第一時(shí)段state1至第八時(shí)段state8中的開關(guān)元件中的每個(gè)開關(guān)元件的操作關(guān)系中，第一開關(guān)元件至第四開關(guān)元件q1、q2、q3和q4的第一開關(guān)元件q1和第二開關(guān)元件q2可以交替地操作，并且第三開關(guān)元件q3和第四開關(guān)元件q4可以交替地操作，并且第一開關(guān)元件q1和第二開關(guān)元件q2可以以死區(qū)時(shí)間交替地操作，以及第三開關(guān)元件q3和第四開關(guān)元件q4可以可以以死區(qū)時(shí)間交替地操作。此外，第五開關(guān)元件qa和第六開關(guān)元件qaa可以被交替地操作，并且第七開關(guān)元件qb和第八開關(guān)元件qbb可以被交替地操作，并且第五開關(guān)元件qa和第六開關(guān)元件qaa可以通過(guò)預(yù)定的死區(qū)時(shí)間交替地操作，以及第七開關(guān)元件qb和第八開關(guān)元件qbb可以通過(guò)預(yù)定的死區(qū)時(shí)間交替地操作。

<第一時(shí)段state1>

在第一時(shí)段state1期間，第一開關(guān)元件q1導(dǎo)通，第二開關(guān)元件q2截止，第三開關(guān)元件q3截止，第四開關(guān)元件q4可以在第一時(shí)段state1開始處截止。并且第五開關(guān)元件qa截止，第六開關(guān)元件qaa在第一時(shí)段state1開始處截止，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通，第八開關(guān)元件qbb可以截止。

<第二時(shí)段state2>

在第二時(shí)段state2期間，第一開關(guān)元件q1導(dǎo)通，第二開關(guān)元件q2截止，第三開關(guān)元件q3可以截止然后導(dǎo)通，第四開關(guān)元件q4截止，第五開關(guān)元件qa可以截止然后導(dǎo)通，第六開關(guān)元件qaa截止，第七開關(guān)元件qb可以導(dǎo)通然后截止，并且第八開關(guān)元件qbb可以截止然后導(dǎo)通。

<第三時(shí)段state3>

在第三時(shí)段state3期間，第一開關(guān)元件q1導(dǎo)通，第二開關(guān)元件q2截止，第三開關(guān)元件q3導(dǎo)通，第四開關(guān)元件q4截止，第五開關(guān)元件qa導(dǎo)通，第六開關(guān)元件qaa截止，第七開關(guān)元件qb截止，第八開關(guān)元件qbb導(dǎo)通。

<第四時(shí)段state4>

在第四時(shí)段state4期間，第一開關(guān)元件q1在第四時(shí)段state4的開始處截止，第二開關(guān)元件q2截止然后導(dǎo)通，第三開關(guān)元件q3導(dǎo)通，第四開關(guān)元件q4截止，第五開關(guān)元件qa導(dǎo)通，第六開關(guān)元件qaa截止，第七開關(guān)元件qb截止，第八開關(guān)元件qbb導(dǎo)通。

<第五時(shí)段state5>

在第五時(shí)段state5期間，第一開關(guān)元件q1截止，第二開關(guān)元件q2導(dǎo)通，第三開關(guān)元件q3導(dǎo)通然后在第五時(shí)段state5結(jié)束時(shí)截止，第四開關(guān)元件q4截止，第五開關(guān)元件qa導(dǎo)通，第六開關(guān)元件qaa截止，第七開關(guān)元件qb截止，第八開關(guān)元件qbb導(dǎo)通然后在第五時(shí)段state5結(jié)束時(shí)截止。

<第六時(shí)段state6>

在第六時(shí)段state6期間，第一開關(guān)元件q1截止，第二開關(guān)元件q2導(dǎo)通，第三開關(guān)元件q3截止，第四開關(guān)元件q4截止然后導(dǎo)通，第五開關(guān)元件qa導(dǎo)通然后截止，第六開關(guān)元件qaa截止然后導(dǎo)通，第七開關(guān)元件qb截止然后導(dǎo)通，第八開關(guān)元件qbb截止。

<第七時(shí)段state7>

在第七時(shí)段state7期間，第一開關(guān)元件q1截止然后在第七時(shí)段state7結(jié)束時(shí)導(dǎo)通，第二開關(guān)元件q2導(dǎo)通然后截止，第三開關(guān)元件q3截止，第四開關(guān)元件q4導(dǎo)通，第五開關(guān)元件qa截止，第六開關(guān)元件qaa導(dǎo)通，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通，第八開關(guān)元件qbb截止。

<第八時(shí)段state8>

在第八時(shí)段state8期間，導(dǎo)通，第二開關(guān)元件q2截止，第三開關(guān)元件q3截止，第四開關(guān)元件q4導(dǎo)通然后在第八時(shí)段state8結(jié)束時(shí)截止，第五開關(guān)元件qa截止，第六開關(guān)元件qaa導(dǎo)通然后在第八時(shí)段state8結(jié)束時(shí)截止，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通，第八開關(guān)元件qbb截止。

可以周期性地重復(fù)上述第一時(shí)段state1至第八時(shí)段state8。

圖4是放大地示出圖3的虛線a的波形圖，以及圖5是放大地示出圖3的虛線b的波形圖。

圖4和圖5是示出零電壓開關(guān)的波形圖。

在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100中，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)元件至第八開關(guān)元件q1、q2、q3、q4、qa、qaa、qb和qbb根據(jù)第一時(shí)段state1至第八時(shí)段state8的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以理解，在第三開關(guān)元件q3導(dǎo)通的時(shí)間點(diǎn)處，零電壓開關(guān)是可能的，如圖4的虛線所示。此外，可以理解，在第二開關(guān)元件q2導(dǎo)通的時(shí)間點(diǎn)處，零電壓開關(guān)是可能的，如圖5的虛線所示。

圖6是放大地示出圖3的虛線c的波形圖。以及圖7是示出處于第三時(shí)段state3的電力變換器的等效電路的視圖。圖8是放大地示出圖3的虛線f的視圖。

圖6是流經(jīng)第七開關(guān)元件qb的電流ib、施加到第七開關(guān)元件qb的兩端的電壓vb以及第七開關(guān)元件qb的驅(qū)動(dòng)信號(hào)qb的放大波形圖。然而，圖6可以等同地應(yīng)用于流經(jīng)第五開關(guān)元件qa的電流ia、施加到第五開關(guān)元件qa的兩端的電壓va以及第五開關(guān)元件qa的驅(qū)動(dòng)信號(hào)qa的波形圖。

參照?qǐng)D6至圖8，可以理解，第五開關(guān)元件qa和第七開關(guān)元件qb可以執(zhí)行圖6的虛線部分d所示的零電壓開關(guān)，并且第五開關(guān)元件qa和第七開關(guān)元件qb可以執(zhí)行如虛線部分e所示的零電流開關(guān)?？梢岳斫?，如圖7所示的流經(jīng)第八開關(guān)元件qbb的電流ibb發(fā)生諧振并且形成如圖8所示的正弦波形，并且第二諧振器122b的兩端的電壓即vdc電壓形成正弦波，因此能夠進(jìn)行零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。并且可以理解，在第八開關(guān)元件qbb的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被關(guān)閉之前，諧振電流ibb變成零。此外，流經(jīng)第五第七開關(guān)元件qa的電流ia是流經(jīng)第一電感器l1的電流il、流經(jīng)第二電感器l2的電流i2以及諧振電流ibb的總電流，因此能夠進(jìn)行如圖6所示的零電流開關(guān)。此外，流經(jīng)第七開關(guān)元件qb的電流ib是流經(jīng)第一電感器l1的電流i1、流經(jīng)第二電感器l2的電流i2和諧振電流iaa的總電流，因此能夠進(jìn)行如圖6所示的零電流開關(guān)。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100可以執(zhí)行零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，由于軟開關(guān)操作而可以降低開關(guān)損耗，可以降低電壓應(yīng)力，可以提高電力變換效率并且還可以實(shí)現(xiàn)低噪聲。

此外，由于變壓器t的寄生電感被電力變換器100的形成諧振電流的諧振電路上的第一電感器l1和第二電感器l2吸收，并且寄生電容也被諧振電路上的第九電容器ck和第十電容器cj吸收，因此可以減小由于寄生電感和寄生電容引起的導(dǎo)通電流浪涌和截止電壓浪涌。

圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器中的根據(jù)頻率的輸入阻抗的視圖。

參照?qǐng)D9，可以理解，假設(shè)當(dāng)從初級(jí)側(cè)變壓器112看待次級(jí)側(cè)變換器120時(shí)的阻抗為輸入阻抗zin，則電流諧振頻率fc1被指示為根據(jù)頻率的輸入阻抗zin中的虛線g，并且電壓諧振頻率fc2被指示為虛線h。電流諧振頻率fc1是當(dāng)電流諧振時(shí)次級(jí)側(cè)變換器120的第一電感器l1和第二電感器l2以及第九電容器ck和第十電容器cj在輸入阻抗zin中的諧振頻率，并且輸入阻抗zin可以被最小化。并且電壓諧振頻率fc2是當(dāng)電壓諧振時(shí)由次級(jí)側(cè)變換器120的第一電感器l1和第二電感器l2以及第九電容器ck和第十電容器cj在輸入阻抗zin中的諧振頻率，并且輸入阻抗zin可以被最大化。因此，優(yōu)選的是確定電流諧振頻率fc1和電壓諧振頻率fc2，并且以低于電流諧振頻率fc1和電壓諧振頻率fc2的頻率操作電力變換器100的開關(guān)元件q1、q2、q3、q4、qa、qaa、qb和qbb。也就是說(shuō)，開關(guān)頻率fsw優(yōu)選為fsw<fc2<fc1的關(guān)系。

此外，圖9中的虛線i的一部分是由次級(jí)側(cè)變換器120的第一電感器l1和第二電感器l2以及負(fù)載電容器cl形成的諧振頻率fc3的阻抗，并且由于優(yōu)選的是開關(guān)頻率fsw大于諧振頻率fc3，所以，開關(guān)頻率fsw可以處于fc3<fsw<fc2<fc1的關(guān)系。

<電力變換器的反向操作：升壓模式操作>

圖10是本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器的升壓模式操作的波形圖。

參照?qǐng)D10，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100可以執(zhí)行升壓模式操作，在升壓模式操作中，作為輸入電壓的第二電壓vl被變換成第一電壓vh，第一電壓vh是高于第二電壓vl的dc輸出電壓。

在升壓模式操作中，電力變換器100的操作可以被劃分成第一時(shí)段state1至第六時(shí)段state6。

<第一時(shí)段state1>

圖11是第一時(shí)段state1中的等效模型。

參照?qǐng)D11，在第一時(shí)段state1中，第八開關(guān)元件qbb截止，第七開關(guān)元件qb開始導(dǎo)通。并且第六開關(guān)元件qaa截止，第六開關(guān)元件qa導(dǎo)通。此外，第一開關(guān)元件q1導(dǎo)通，第二開關(guān)元件q2截止。第三開關(guān)元件q3導(dǎo)通，第四開關(guān)元件q4截止。

<第二時(shí)段state2>

圖12是第二時(shí)段state2中的等效模型。

參照?qǐng)D12，在第二時(shí)段state2中，第八開關(guān)元件qbb截止，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通。并且第六開關(guān)元件qaa截止，第六開關(guān)元件qa導(dǎo)通然后在第二時(shí)段state2結(jié)束時(shí)截止。此外，第一開關(guān)元件q1導(dǎo)通然后在第二時(shí)段state2結(jié)束時(shí)截止，第二開關(guān)元件q2截止。

<第三時(shí)段state3>

圖13是第三部分state3中的等效模型。

參照?qǐng)D13，在第三時(shí)段state3中，第八開關(guān)元件qbb截止，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通。并且第六開關(guān)元件qaa關(guān)閉然后在第三時(shí)段state3結(jié)束時(shí)導(dǎo)通，并且第六開關(guān)元件qa截止。此外，第一開關(guān)元件q1截止，第二開關(guān)元件q2截止然后在第三時(shí)段state3結(jié)束時(shí)導(dǎo)通。

<第四時(shí)段state4>

圖14是第四時(shí)段state4中的等效模型。

參照?qǐng)D14，在第四時(shí)段state4中，第八開關(guān)元件qbb截止，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通。并且第六開關(guān)元件qaa導(dǎo)通然后在第三時(shí)段state3的后半段截止，第六開關(guān)元件qa截止然后在第三時(shí)段3的后半段開始導(dǎo)通。此外，第一開關(guān)元件q1截止，第二開關(guān)元件q2導(dǎo)通。

<第五時(shí)段state5>

圖15是第五時(shí)段state5中的等效模型。

參照?qǐng)D15，在第五時(shí)段state5中，第八開關(guān)元件qbb截止，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通。并且第六開關(guān)元件qaa截止，第六開關(guān)元件qa開始導(dǎo)通。此外，第一開關(guān)元件q1截止，第二開關(guān)元件q2導(dǎo)通。

<第六時(shí)段state6>

圖16是第六時(shí)段state6中的等效模型。

參照?qǐng)D16，在第六時(shí)段state6中，第八開關(guān)元件qbb截止，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通然后在第六時(shí)段state6結(jié)束時(shí)截止。第六開關(guān)元件qaa為截止，第六開關(guān)元件qa導(dǎo)通。此外，第一開關(guān)元件q1截止，第二開關(guān)元件q2導(dǎo)通然后在第六時(shí)段state6結(jié)束時(shí)截止。

圖17是圖10的波形圖中的j區(qū)域的放大視圖。

參照?qǐng)D17，當(dāng)?shù)谄唛_關(guān)元件qb導(dǎo)通或者第五開關(guān)元件qa導(dǎo)通時(shí)，可以執(zhí)行零電壓和零電流開關(guān)操作。也就是說(shuō)，可以理解，在第七開關(guān)元件qb或者第五開關(guān)元件qa導(dǎo)通及截止時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓和零電流，因此也可以理解為能夠進(jìn)行零電流開關(guān)操作zvs和零電壓開關(guān)操作zcs。如圖17的模擬波形所示，可以理解，第七開關(guān)元件qb的兩端的電壓vb或者第五開關(guān)元件qa的兩端的電壓va以及流經(jīng)第七開關(guān)元件qb的電流ib或者流經(jīng)第五開關(guān)元件qa的電流ia具有基本上零值，因此不會(huì)發(fā)生開關(guān)損耗。此外，第七開關(guān)元件qb導(dǎo)通的時(shí)間點(diǎn)可以處于第一時(shí)段state1中。此時(shí)，可以通過(guò)零電流和零電壓開關(guān)操作將第一時(shí)段state1中的等效電路圖(圖11)變換成第二時(shí)段state2中的等效電路圖(圖12)。并且第五開關(guān)元件qa導(dǎo)通的時(shí)間點(diǎn)可以處于第五時(shí)段state5中。此時(shí)，可以通過(guò)零電流和零電壓開關(guān)操作將第五時(shí)段state5中的等效電路圖(圖15)變換成第六時(shí)段state6中的等效電路圖(圖16)。

圖18是圖10的波形圖中的虛線部分k的放大視圖。

參照?qǐng)D18，諧振電流ibb或iaa可以通過(guò)第一諧振器122a和第二諧振器122b流經(jīng)第八開關(guān)元件qbb或者第六開關(guān)元件qaa。也就是說(shuō)，如圖18所示，可以理解，在第四時(shí)段state4中流經(jīng)第六開關(guān)元件qaa的電流iaa形成正弦波形，因此變成諧振電流，并且這可以等同地應(yīng)用于流經(jīng)第八開關(guān)元件qbb的諧振電流ibb。并且流經(jīng)第七開關(guān)元件qb的電流ib是分別流經(jīng)第一電感器l1的電流i1和第二電感器l2的電流i2以及流經(jīng)第六開關(guān)元件qaa的諧振電流的總電流。因此，在解釋沿箭頭方向流經(jīng)第七開關(guān)元件qb的電流ib時(shí)，由分別流經(jīng)第一電感器l1的電流i1和第二電感器l2的電流i2以及諧振電流iaa的反向電流-iaa的和來(lái)指示流經(jīng)第七開關(guān)元件qb的電流ib，因此可以理解，由于諧振電流iaa及其電平增加了i1和i2的總電流，流經(jīng)第七開關(guān)元件qb的電流ib具有輕微的紋波。

圖19是圖10的波形圖中的虛線部分l的放大視圖，以及圖20是圖10的波形圖中的虛線部分m的放大視圖。

參見圖19和圖20，可以理解，第二開關(guān)元件q2和第三開關(guān)元件q3在第三時(shí)段state3和第六時(shí)段state6中執(zhí)行零電壓開關(guān)，并且這可以等同地應(yīng)用于第一開關(guān)元件q1和第四開關(guān)元件q4。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器100可以執(zhí)行零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)，由于軟開關(guān)操作而可以降低開關(guān)損耗，可以降低電壓應(yīng)力，可以提高電力變換效率并且還可以實(shí)現(xiàn)低噪聲。

此外，由于變壓器t的寄生電感被電力變換器100的形成諧振電流的諧振電路上的第一電感器l1和第二電感器l2吸收，并且寄生電容也被諧振電路上的第九電容器ck和第十電容器cj吸收，因此可以減小由于寄生電感和寄生電容引起的導(dǎo)通電流浪涌和截止電壓浪涌。

圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的電力變換器中的根據(jù)頻率的輸出阻抗的視圖。

輸出阻抗zout被定義為在次級(jí)側(cè)變換器120的負(fù)載部分123未連接的情況下看待初級(jí)側(cè)變換器110時(shí)的阻抗。

參照?qǐng)D21，虛線o對(duì)應(yīng)于電流諧振頻率fc1，并且電流諧振頻率fc1可以由第一電感器l1和第二電感器l2、第九電容器ck和第十電容器cj以及初級(jí)側(cè)電感器lp確定。虛線p對(duì)應(yīng)于電壓諧振頻率fc2，電壓諧振頻率fc2也可以由第一電感器l1和第二電感器l2、第九電容器ck和第十電容器cj以及初級(jí)側(cè)電感器lp確定。在電流諧振頻率fc1中，阻抗可以被最小化，并且在電壓諧振頻率fc2中，阻抗可以被最大化。優(yōu)選的是，電力變換器100的開關(guān)元件q1、q2、q3、q4、qa、qaa、qb和qbb以低于電流諧振頻率fc1和電壓諧振頻率fc2的頻率工作。也就是說(shuō)，開關(guān)頻率fsw優(yōu)選為fsw<fc2<fc1的關(guān)系。

雖然已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的一些實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下，可以在這些實(shí)施方式中進(jìn)行改變，本發(fā)明范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。因此，本發(fā)明的技術(shù)范圍不受說(shuō)明書中的詳細(xì)描述限制，而應(yīng)受權(quán)利要求限制。

工業(yè)適用性

本發(fā)明可以用于電力變換的技術(shù)領(lǐng)域。