本發(fā)明涉及電力電子技術，具體涉及一種無源升壓網(wǎng)絡和應用其的DC-DC升壓變換器。

背景技術：

DC-DC變換器是從電源(舉例來說，未經(jīng)調(diào)節(jié)的直流輸入電壓)產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)的直流(DC)輸出電壓的電路。

在電源中，在某些應用場景下需要將電壓升壓后輸出，在不使用開關變換器的前提下對交流電進行升壓這對于變換器的設計提出了更大的挑戰(zhàn)。同時，為了保證安全，在某些應用場景下需要將DC-DC變換器的輸入端口和輸出端口隔離?，F(xiàn)有的隔離型變換器通常使用變壓器以磁隔離的方式進行隔離。但是，變壓器的磁芯體積大，不利于電源的小型化。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種無源升壓網(wǎng)絡和應用其的DC-DC升壓變換器，在不使用變壓器的前提下，提供隔離的DC-DC升壓變換操作。

第一方面，提供一種無源升壓網(wǎng)絡，用于將具有預定頻率的交流電升壓后輸出，所述無源升壓網(wǎng)絡包括：

輸入端口；

輸出端口；

第一無源元件和第二無源元件，串聯(lián)在所述輸入端口的兩端之間；以及，

第三無源元件，與所述第二無源元件串聯(lián)在所述輸出端口的兩端之間；

其中，所述第一無源元件為電容，所述第二無源元件和第三無源元件為電感；或者，所述第一無源元件為電感，所述第二無源元件和第三無源元件為電容。

優(yōu)選地，所述第一無源元件連接在所述輸入端口的第一端和中間端之間，所述第二無源元件連接在所述中間端和輸出端口的第二端之間，所述第三無源元件連接在所述中間端和輸出端口的第一端之間，所述輸出端口的第二端和所述輸入端口的第二端連接。

優(yōu)選地，所述第一無源元件、第二無源元件和第三無源元件的參數(shù)被設置為使得所述無源升壓網(wǎng)絡的輸出阻抗為零。

優(yōu)選地，所述第一無源元件為電容，所述第二無源元件和第三無源元件為電感，且所述第一無源元件、第二無源元件以及第三無源元件的參數(shù)滿足：

其中，ω為所述交流電的角頻率，C為所述第一無源元件的電容值，L1為所述第三無源元件的電感值，L2為所述第二無源元件的電感值。

優(yōu)選地，所述第一無源元件為電感，所述第二無源元件和第三無源元件為電容，且所述第一無源元件、第二無源元件和第三無源元件的參數(shù)滿足：

其中，ω為所述交流電的角頻率，L為所述第一無源元件的電感值，C1為所述第三無源元件的電容值，C2為所述第二無源元件的電容值。

優(yōu)選地，所述第一無源元件為電容，所述第二無源元件和第三無源元件為電感，所述無源升壓網(wǎng)絡還包括：

第四無源元件，與所述第一無源元件和第二無源元件一同串聯(lián)在所述輸入端口的兩端之間；

其中，所述第四無源元件為電容，所述第一無源元件連接在輸入端口的第一端和中間端之間，所述第四無源元件連接在所述輸入端口的第二端和所述輸出端口的第二端之間，所述第二無源元件連接在所述中間端和所述輸出端口的第二端之間，所述第三無源元件連接在所述中間端和輸出端口的第一端之間。

優(yōu)選地，所述第一無源元件、第二無源元件、第三無源元件和第四無源元件被設置為使得所述無源升壓網(wǎng)絡的輸出阻抗為零。

優(yōu)選地，第一無源元件、第二無源元件、第三無源元件和第四無源元件的參數(shù)滿足：

其中，ω為所述交流電的角頻率，Cx為第一無源元件和第四無源元件的電容值，L1為所述第三無源元件的電感值，L2為所述第二無源元件的電感值。

優(yōu)選地，所述第一無源元件為電感，所述第二無源元件和所述第三無源元件為電容，所述無源升壓網(wǎng)絡還包括：

第四無源元件，與所述第三無源元件以及第二無源元件一同串聯(lián)在所述輸出端口的兩端之間；

其中，所述第四無源元件為電容，所述第一無源元件連接在輸入端口的第一端和中間端之間，所述第二無源元件連接在所述中間端和所述輸入端口的第二端之間，所述第三無源元件連接在所述中間端和輸出端口的第一端之間，所述第四無源元件連接在所述輸入端口的第二端和所述輸出端口的第二端之間。

優(yōu)選地，所述第一無源元件、第二無源元件、第三無源元件和第四無源元件被設置為使得所述無源升壓網(wǎng)絡的輸出阻抗為零。

優(yōu)選地，第一無源元件、第二無源元件、第三無源元件和第四無源元件的參數(shù)滿足：

其中，ω為所述交流電的角頻率，L為所述第一無源元件的電感值，Cx為所述第三無源元件和所述第四無源元件的電容值，C2為所述第二無源元件的電容值。

第二方面，提供一種DC-DC升壓變換器，包括：

逆變器，用于生成具有預定頻率的交流電；

無源升壓網(wǎng)絡，與所述逆變器連接，用于將所述具有預定頻率的交流電升壓后輸出；以及，

整流電路，用于將升壓后的交流電轉(zhuǎn)換為直流電；

其中，所述無源升壓網(wǎng)絡為如上所述的無源升壓網(wǎng)絡。

通過將直流輸入電壓變換為具有預定頻率的交流電，通過電感和電容構成的無源升壓網(wǎng)絡對交流電進行升壓，并通過整流將升壓后的交流電變換為直流電輸出，可以實現(xiàn)升壓變換。同時，本發(fā)明實施例的無源升壓網(wǎng)絡通過在輸入或輸出支路上設置電容器件，使得無源升壓網(wǎng)絡的輸出端口和輸入端口被電容有效隔離，從而可以不使用變壓器提供隔離的DC-DC升壓變換操作，使得電源體積可以大幅縮小，同時保證電源的安全性。

附圖說明

通過以下參照附圖對本發(fā)明實施例的描述，本發(fā)明的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1是本發(fā)明實施例的DC-DC升壓變換器的系統(tǒng)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個可選實施方式的逆變器的電路圖；

圖3是本發(fā)明另一個可選實施方式的逆變器的電路圖；

圖4是本發(fā)明一個可選實施方式的整流電路的電路圖；

圖5是本發(fā)明另一個可選實施方式的整流電路的電路圖；

圖6是本發(fā)明一個優(yōu)選實施方式的DC-DC升壓變換器的系統(tǒng)示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例的無源升壓網(wǎng)絡的電路圖；

圖8是本發(fā)明實施例的無源升壓網(wǎng)絡的等效電路圖；

圖9是本發(fā)明另一個實施例的無源升壓網(wǎng)絡的電路圖；

圖10是本發(fā)明又一個實施例的無源升壓網(wǎng)絡的電路圖；

圖11是本發(fā)明又一個實施例的無源升壓網(wǎng)絡的電路圖。

具體實施方式

以下基于實施例對本發(fā)明進行描述，但是本發(fā)明并不僅僅限于這些實施例。在下文對本發(fā)明的細節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細節(jié)部分。對本領域技術人員來說沒有這些細節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。為了避免混淆本發(fā)明的實質(zhì)，公知的方法、過程、流程、無源元件和電路并沒有詳細敘述。

此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。

同時，應當理解，在以下的描述中，“電路”是指由至少一個無源元件或子電路通過電氣連接或電磁連接構成的導電回路。當稱無源元件或電路“連接到”另一無源元件或稱無源元件/電路“連接在”兩個節(jié)點之間時，它可以是直接耦接或連接到另一無源元件或者可以存在中間無源元件，無源元件之間的連接可以是物理上的、邏輯上的、或者其結合。相反，當稱無源元件“直接耦接到”或“直接連接到”另一無源元件時，意味著兩者不存在中間無源元件。

除非上下文明確要求，否則整個說明書和權利要求書中的“包括”、“包含”等類似詞語應當解釋為包含的含義而不是排他或窮舉的含義；也就是說，是“包括但不限于”的含義。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“第一”、“第二”等僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

圖1是本發(fā)明實施例的DC-DC升壓變換器的系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實施例的DC-DC升壓變換器包括順序連接的逆變器1、無源升壓網(wǎng)絡2和整流電路3。其中，逆變器用于生成具有預定頻率的交流電。無源升壓網(wǎng)絡2用于將預定頻率的交流電升壓后輸出。無源升壓網(wǎng)絡2輸出的升壓后的交流電與輸入的交流電頻率相同、幅度不同。整流電路3用于將升壓后的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。由此，整流電路3的輸出電壓高于直流輸入電壓，由此，通過將直流輸入Vdacin轉(zhuǎn)換為交流電后升壓，再轉(zhuǎn)換為直流電Vdcout，完成了升壓變換。

其中，逆變器1可以采用各種類型的逆變器的結構，例如半橋逆變器或全橋逆變器。圖2是本發(fā)明一個可選實施方式的逆變器的電路圖。圖2所示的E類逆變器包括電感Lf、開關Q和電容Cf。其中，電感Lf連接在輸入端和輸出端之間，開關Q和電容Cf并聯(lián)在輸出端和參考端之間。在開關Q導通時，輸入端對電感Lf充電，通過電感Lf的電流線性增加，輸出電壓保持為電容Cf上的值，當開關Q斷開后，電感Lf和電容Cf組成諧振電路振蕩，從而輸出交流電。圖3是本發(fā)明另一個可選實施方式的逆變器的電路圖。圖3所示的Ф類逆變器在E類逆變器的基礎上增加了由電感Lmr和電容Cmr串聯(lián)組成的諧振電路。該諧振電路與開關Q以及電容Cf并聯(lián)，從而可以增強開關Q斷開引起的電壓/電流振蕩。

進一步地，整流電路也可以采用各種現(xiàn)有的整流電路結構，例如圖4所示的半橋整流電路和如圖5所示的全橋整流電路。優(yōu)選地，整流電路還可以采用可控開關替代圖4和圖5中所示的二極管，在控制電路的控制下進行同步整流。

圖6是本發(fā)明一個優(yōu)選實施方式的DC-DC升壓變換器的系統(tǒng)示意圖。在圖6所示的DC-DC升壓變換器中，采用全橋逆變器1和全橋同步整流電路3來進行逆變和整流。全橋逆變器1根據(jù)控制電路4輸出逆變控制信號G1-G4進行逆變，全橋同步整流電路3根據(jù)控制電路4輸出的整流控制信號G1’-G4’進行同步整流。其中，控制電路4可以包括控制邏輯41、用于輸出逆變控制信號的驅(qū)動電路42、移相電路43、光耦或隔離電路44以及用于輸出整流控制信號的驅(qū)動電路45。光耦或隔離電路44可以將逆變器以及整流電路的控制信號隔離開，保證電路安全。通過移相電路43可以保持逆變控制信號和整流控制信號同步，從而保證逆變和整流操作精確進行。在某些情況下，逆變控制信號和整流控制信號同相，可以省去移相電路。

圖7是本發(fā)明實施例的無源升壓網(wǎng)絡的電路圖。如圖7所示，所述無源升壓網(wǎng)絡包括電容C、電感L1和電感L2。三者形成一個“T”形的網(wǎng)絡，使得電容C和電感L2串聯(lián)在輸入端口的兩端，而電感L1和電感L2串聯(lián)在輸出端口的兩端。具體地，電容C連接在輸入端口的第一端i和中間端m之間。電感L1連接在中間端m和輸出端口的第一端o之間。電感L2連接在中間端m和輸入端口的第二端之間。同時，輸入端口的第二端和輸出端口的第二端相互連通。

在進行交流升壓時，期望升壓比例與負載無關。根據(jù)戴維南等效定律，可以將無源升壓網(wǎng)絡及其輸入等效為電壓源Voc與等效輸出阻抗Req的串聯(lián)電路。在等效輸出阻抗Req為零時，無源升壓網(wǎng)絡及其輸入被等效為一個電壓源Voc，由此使得升壓的比例與負載無關。對于圖7所示的無源升壓網(wǎng)絡，電容C的阻抗為-jX,其中電感L1的阻抗為jY1，其中，Y1＝ωL1；電感L2的阻抗為jY2，其中，Y2＝ωL2。由此，為了使得等效輸出阻抗Req＝0，需要使得X、Y1和Y2滿足：

進而，電容C、電感L1和L2的參數(shù)需要滿足：

其中，ω為所述交流電的角頻率，C為所述電容C的電容值，L1為電感L1的電感值，L2為電感L2的電感值。

進一步地，在X、Y1和Y2滿足上述條件時，Req＝0，從而，本實施例的無源升壓網(wǎng)絡的戴維南等效電路如圖8所示，僅包括電壓源Voc。

其中，電壓源Voc的輸出電壓為無源升壓網(wǎng)絡的開路電壓，也即，電容C和電感L2組成的串聯(lián)電路在電感L2的電壓降。

由此可得，

進而，

也就是說，對于本實施例的無源升壓網(wǎng)絡，可以通過設置元件參數(shù)使得輸出電壓和輸入電壓的比例，也即，升壓比例，與負載無關，并可以通過Y1和Y2的參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

進一步地，為了將輸入端口和輸出端口隔離，可以將電容C分為兩個電容C1和C2分別設置在輸入端口連接的兩個支路上。圖9示出了具有隔離功能的無源升壓網(wǎng)絡的實施例的電路圖。如圖9所示，所述無源升壓網(wǎng)絡包括電容C1和C2以及電感L1和L2。其中，電感L1和L2串聯(lián)在輸出端口的兩端之間。電容C1、電感L2和電容C2順序串聯(lián)在輸入端口的兩端之間。其中，電容C1連接在輸入端口的第一端i和中間端m之間，電容C2連接在輸入端口的第二端和輸出端口的第二端之間。由此，輸入端口和輸出端口的任意兩端之間，都存在電容隔離。而且，由于電容C1和C2串聯(lián)，其可以等效為一個電容值為C的電容，C滿足：

在上式中，C1和C2分別為電容C1和C2的電容值。

如果上述等效電容的電容值滿足：

則可以使得圖9所示的無源升壓網(wǎng)絡的等效輸出阻抗為零，進而使得無源升壓網(wǎng)絡的升壓比例僅與電感的電感值L1和L2相關。因此，圖9所示的無源升壓網(wǎng)絡可以在保證輸入端口和輸出端口隔離的前提下，通過設置電容C1、C2以及電感L1和L2的參數(shù)實現(xiàn)與負載參數(shù)無關的升壓操作。

優(yōu)選地，可以設置使得電容C1和C2的電容值相同，也即，使得電容C1和C2的電容值C1＝C2＝Cx滿足：

該設定可以使得在設計時和進行調(diào)節(jié)時相對簡單地對電容值進行調(diào)節(jié)。

圖7和圖9所示的無源升壓網(wǎng)絡，不但其可以實現(xiàn)與負載無關的升壓變換，同時，由于其輸入阻抗偏感性，這會使得輸出電流的相位滯后于電壓，從而可以使得逆變器的開關實現(xiàn)零電壓開通(ZVS)，降低損耗。

圖10是本發(fā)明又一個實施例的無源升壓網(wǎng)絡的電路圖。如圖10所示，在本實施例中，無源升壓網(wǎng)絡包括電感L、電容C1和電容C2。其中，三者形成一個“T”形的網(wǎng)絡，電感L和電容C2串聯(lián)在輸入端口的兩端之間，電容C1和電容C2串聯(lián)在輸出端口的兩端之間。具體地，電感L連接在輸入端口的第一端i和中間端m之間。電容C1連接在中間端m和輸出端口的第一端o之間。電容C2連接在中間端m和輸入端口的第二端之間。同時，輸入端口的第二端和輸出端口的第二端相互連通。

在進行交流升壓時，期望升壓的比例與負載無關。根據(jù)戴維南等效定律，可以將無源升壓網(wǎng)絡及其輸入等效為電壓源Voc與等效輸出阻抗Req的串聯(lián)電路。在等效輸出阻抗Req為零時，無源升壓網(wǎng)絡及其輸入被等效為一個電壓源Voc，由此使得升壓的比例與負載無關。對于圖10所示的無源升壓網(wǎng)絡，電感L的阻抗為jX，其中X＝ωL；電容C1的阻抗為-jY1，其中電容C2的阻抗為-jY2，其中，由此，為了使得等效輸出阻抗Req＝0，需要使得X、Y1和Y2滿足：

進而，電感L、電容C1和電容C2的參數(shù)需要滿足：

其中，ω為所述交流電的角頻率，L為電感L的電感值，C1為電容C1的電容值，C2為電容C2的電容值。

在電路元件參數(shù)滿足上述關系時，圖10所示的無源升壓網(wǎng)絡的輸出電壓和輸入電壓滿足：

也就是說，對于本實施例的無源升壓網(wǎng)絡，可以通過設置元件參數(shù)使得輸出電壓和輸入電壓的比例，也即，升壓比例，與負載無關，并可以通過Y1和Y2的參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

進一步地，為了將輸入端口和輸出端口隔離，可以將電容C1分為兩個電容C11和C12分別設置在輸出端口連接的兩個支路上。

圖11示出了具有隔離功能的無源升壓網(wǎng)絡的實施例的電路圖。如圖11所示，所述無源升壓網(wǎng)絡包括電感L、電容C11、C12和電容C2。電感L和電容C2串聯(lián)在輸入端口的兩端之間。電容C11、C2和C12順序串聯(lián)在輸出端口的兩端之間。其中，電容C11連接在中間端m和輸出端口的第一端o之間。電容C2連接在中間端m和輸入端口的第二端之間。電容C12連接在輸入端口的第二端和輸出端口的第二端之間。

由此，輸入端口和輸出端口的任意兩端之間，都存在電容隔離。而且，由于電容C11和C12串聯(lián)，其可以等效為一個電容值為C1的電容，C1滿足：

在上式中，C11和C12分別為電容C11和電容C12的電容值。

如果上述等效電容的電容值滿足：

則可以使得圖11所示的無源升壓網(wǎng)絡的等效輸出阻抗為零，進而使得無源升壓網(wǎng)絡的升壓比例僅與電容的電容值C11、C12和C2相關。

因此，圖11所示的無源升壓網(wǎng)絡可以在保證輸入端口和輸出端口隔離的前提下，通過設置電容C11、C12、C2以及電感L的參數(shù)實現(xiàn)與負載參數(shù)無關的升壓操作。

優(yōu)選地，可以設置使得電容C11和C12的電容值相同，也即，使得電容C11和C12的電容值C11＝C12＝Cx滿足：

該設定可以使得在設計時和進行調(diào)節(jié)時相對簡單地對電容值進行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明實施例通過將直流輸入電壓變換為具有預定頻率的交流電，通過電感和電容構成的無源升壓網(wǎng)絡對交流電進行升壓，并通過整流將升壓后的交流電變換為直流電輸出，可以實現(xiàn)升壓變換。同時，本發(fā)明實施例的無源升壓網(wǎng)絡通過在輸入或輸出支路上設置電容器件，使得無源升壓網(wǎng)絡的輸出端口和輸入端口被電容有效隔離，從而可以不使用變壓器提供隔離的DC-DC升壓變換操作，使得電源體積可以大幅縮小，同時保證電源的安全性。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域技術人員而言，本發(fā)明可以有各種改動和變化。凡在本發(fā)明的精神和原理之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。