專利名稱：多電平并聯(lián)功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及一種多電平并聯(lián)功率變換器。
背景技術(shù)：
該部分提供了關(guān)于本公開的背景信息，其不一定是現(xiàn)有技術(shù)。由于許多原因，開關(guān)變換器通常用于功率變換的領(lǐng)域，這些原因包括其高效率和緊湊的尺寸。開關(guān)功率變換的基本機制基于功率流(powerflow)的二進制調(diào)節(jié) (regulation) ( S卩，導(dǎo)通和關(guān)斷)的原理，其通常利用使用電感器和電容器的無源濾波來增補。電容器和電感器的能量存儲允許當(dāng)來自輸入的功率流被關(guān)斷時將功率流保持在輸出處。通過改變導(dǎo)通和關(guān)斷時段的相對比例，可以調(diào)節(jié)能量的流動速率以及諸如電壓和電流的關(guān)聯(lián)參數(shù)。當(dāng)開關(guān)頻率充分高于具體應(yīng)用的調(diào)節(jié)帶寬時，可以實現(xiàn)精確和持續(xù)的功率流 (例如，消除由不連續(xù)地操作功率開關(guān)而導(dǎo)致的噪聲和紋波)。在本領(lǐng)域中眾所周知通常被稱作脈寬調(diào)節(jié)和開關(guān)模式調(diào)節(jié)的這些方法。開關(guān)變換器中較高的開關(guān)頻率通常提供幾個優(yōu)點。例如，減小了輸出濾波器的所需尺寸，減小了輸出電壓的不期望分量(例如，電壓紋波)的幅度，以及可以增大調(diào)節(jié)帶寬。 然而，在開關(guān)變換器中切換功率流的過程是通常被稱作開關(guān)損耗的額外功率損耗的根源。 因此，增大開關(guān)的頻率使得出現(xiàn)的開關(guān)轉(zhuǎn)換的次數(shù)增大，且增大了在給定時段上的總開關(guān)損耗。結(jié)果，開關(guān)變換器通常被設(shè)計為平衡由增大開關(guān)頻率所提供的優(yōu)點與由于額外的開關(guān)損耗所導(dǎo)致的降低的效率的負(fù)擔(dān)。存在受益于(或要求)與具體類型的功率晶體管的實際可達到的開關(guān)頻率相比的高調(diào)節(jié)帶寬的多種應(yīng)用。這種應(yīng)用的示例為在電動驅(qū)動裝置中使用的高功率、高頻逆變器。 在這種應(yīng)用中，根據(jù)開/關(guān)輸入序列產(chǎn)生適當(dāng)濾波的正弦輸出電壓會要求相對高的開關(guān)頻率，該相對高的開關(guān)頻率通常導(dǎo)致較差的效率。這種情況在利用高電壓電平的應(yīng)用中特別普通，這是由于適當(dāng)?shù)念~定部件(rated component)通常具有較慢的開關(guān)特性并隨著每次開關(guān)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生顯著量的能量損耗。有時多電平變換器用來克服這種限制。多電平變換器通過在調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生不止兩個電平的離散電壓來減少對高開關(guān)頻率的需要。多電平變換器利用較少的轉(zhuǎn)換(即，利用較低的開關(guān)頻率)來準(zhǔn)許快速和精確的調(diào)節(jié)。存在多電平變換器的多個示例。在圖1、2 和3中分別示出了普通類型的多電平變換器當(dāng)中的二極管箝位多電平變換器、電容器箝位多電平變換器和級聯(lián)多電平變換器。這些多電平變換器起到減少對高頻開關(guān)晶體管的需要的作用，而且允許處理比多電平變換器的各個部件的電壓額定值更高的電壓。由于多單元布置使得這成為可能，在該多單元布置中，整體電壓應(yīng)力(stress)被分到在兩個輸入干線之間形成層疊的多個單元之間。由于這種能力，可以構(gòu)造能夠處理比由具有具體額定值的部件所處理的電壓更高的電壓的多電平變換器，或者使用比潛在地節(jié)省成本、尺寸和效率所需的更低的額定部件來構(gòu)造多電平變換器。
普通多電平變換器的輸出電流在功率變換過程中通過相對大量的半導(dǎo)體。與輸出電流通過較少的半導(dǎo)體(如在一些其它類型的功率變換器中所出現(xiàn))的情況相比，這導(dǎo)致了較大的傳導(dǎo)損耗。在較低電壓、較高電流的應(yīng)用中，這些損耗的相對重要性增大。在一些情況下，較大的傳導(dǎo)損耗可以抵消或消除較低開關(guān)頻率所帶來的優(yōu)點，從而降低多電平變換器的有用性。

發(fā)明內(nèi)容
該部分提供了本公開的一般概述，而不是本公開的全部范圍或其所有特征的完全公開。根據(jù)本公開的一方面，一種多電平功率變換器包括用于接收輸入電壓的輸入和用于提供可變輸出電壓的變換器輸出。該多電平電源包括多個開關(guān)電路。每個開關(guān)電路均與其它每個開關(guān)電路并聯(lián)地連接到輸入。每個開關(guān)電路包括輸出。每個開關(guān)電路可選擇性地操作以將其輸出耦合到輸入電壓或參考電壓。該多電平電源包括并聯(lián)多繞組自耦變壓器 (PMA)。PMA包括多個繞組和具有多個磁性地連接的柱體的磁芯。每個繞組均位于不同柱體中的一個的周圍，并具有首端和尾端。每個開關(guān)電路的輸出耦合到不同繞組的首端。每個繞組的尾端與每個其它繞組并聯(lián)地連接到變換器輸出。根據(jù)本公開的另一方面，一種多電平功率變換器包括用于接收輸入電壓的輸入和用于提供可變輸出電壓的變換器輸出。輸入包括第一輸入節(jié)點和第二輸入節(jié)點。該多電平電源包括并聯(lián)磁性部件，其包括磁芯、第一繞組、第二繞組、和第三繞組。磁芯包括第一柱體、第二柱體和第三柱體。第一、第二和第三柱體彼此磁性地連接。第一繞組位于第一柱體周圍，第二繞組位于第二柱體周圍，以及第三繞組位于第三柱體周圍。第一、第二和第三繞組中的每一個均包括輸入端和輸出端。第一、第二和第三繞組相對于其輸入端以相同方向纏繞。第一、第二和第三繞組的輸出端彼此電(galvanically)連接，并連接到變換器輸出。 該多電平功率變換器包括耦合到第一輸入節(jié)點、第二輸入節(jié)點和第一繞組的輸入端的第一開關(guān)電路。該多電平電源包括耦合到第一輸入節(jié)點、第二輸入節(jié)點以及第二繞組的輸入端的第二開關(guān)電路。該多電平電源包括耦合到第一輸入節(jié)點、第二輸入節(jié)點以及第三繞組的輸入端的第三開關(guān)電路。以下將描述合并這些方面中的一個或多個的功率變換器的一些示例實施例。根據(jù)以下描述，另外的方面和適用性領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。應(yīng)當(dāng)了解，本公開的各個方面可以單獨或與一個或多個其它方面相組合地實現(xiàn)。還應(yīng)當(dāng)理解，文中的描述和特定示例僅出于說明的目的而提供，而不是旨在限制本公開的范圍。


文中所描述的附圖目的只是為了對選擇的實施例而不是對所有可能的實施方式進行說明，并且不是旨在限制本公開的范圍。圖1是現(xiàn)有技術(shù)的五電平二極管箝位多電平功率變換器的電路圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的五電平電容器箝位多電平功率變換器的電路圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)的級聯(lián)多電平功率變換器的電路圖。圖4是用于根據(jù)本公開的多電平并聯(lián)變換器的示例開關(guān)電路。
圖4A是具有不同輸入和輸出連接配置的圖4的示例開關(guān)電路。圖5是包括經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)耦合到輸出的多個開關(guān)電路的示例多電平并聯(lián)變換器的簡化電路圖。圖6是包括經(jīng)由基于電阻器的匹配網(wǎng)絡(luò)耦合到輸出的多個開關(guān)電路的示例多電平并聯(lián)變換器的簡化電路圖。圖7是包括經(jīng)由基于電感器的匹配網(wǎng)絡(luò)耦合到輸出的多個開關(guān)電路的示例多電平并聯(lián)變換器的簡化電路圖。圖8是包括經(jīng)由并聯(lián)多繞組自耦變壓器耦合到輸出的多個開關(guān)電路的示例多電平并聯(lián)變換器的簡化電路圖。圖9是現(xiàn)有技術(shù)的并聯(lián)多繞組變壓器的等視軸圖。圖10是用于根據(jù)本公開的多電平并聯(lián)變換器中的并聯(lián)多繞組自耦變壓器。圖11是在芯的頂部被去除以露出芯柱體和繞組的情況下圖10的自耦變壓器的俯視圖。圖12是包括根據(jù)本公開的多個方面的多電平并聯(lián)變換器的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)的圖。圖13是包括以圖8的多電平功率作為到其匹配網(wǎng)絡(luò)的輸入的示例多電平功率變換器的圖。圖14是具有多個開關(guān)電路的示例多電平功率變換器的圖，該多個開關(guān)電路包括耦合到與其它開關(guān)電路不同的輸入電壓的一個開關(guān)電路。貫穿附圖中的幾個視圖，對應(yīng)的附圖標(biāo)記表示對應(yīng)的部分。
具體實施例方式現(xiàn)在，將參照附圖更充分地描述示例實施例。提供了示例實施例，以便本公開會變得詳盡，并且會將范圍充分地傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員。闡述了眾多的特定細(xì)節(jié)，諸如特定部件、裝置和方法的示例，以提供對本公開的實施例的詳盡理解。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將會明顯的是，不需要使用特定的細(xì)節(jié)，可以用許多不同的方式來實施示例實施例，并且沒有一個應(yīng)當(dāng)被闡釋為限制本公開的范圍。在一些示例實施例中，沒有詳細(xì)地描述眾所周知的過程、眾所周知的裝置結(jié)構(gòu)和眾所周知的技術(shù)。在文中使用的術(shù)語目的只是為了描述具體的示例實施例，而并不旨在進行限制。 如在文中使用的那樣，單數(shù)形式“一個”和“所述”同樣可以旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另外清楚地指示。術(shù)語“包括”和“具有”是開放式的，并因此指定了所陳述的特征、整數(shù)、 步驟、操作、元件和/或部件的存在性，但并不排除存在或添加一個或多個其它特征、整數(shù)、 步驟、操作、元件、部件和/或其組合。在文中描述的方法步驟、過程和操作并不被闡釋為一定需要它們按照所討論或說明的具體順序來執(zhí)行，除非被特別地標(biāo)識為執(zhí)行的順序。同樣要理解的是，可以使用另外或代替的步驟。當(dāng)元件或?qū)颖环Q為處在另一個元件或?qū)印吧稀?，或者“接合到”、“連接到”或“耦合至IJ”另一個元件或?qū)訒r，它可以直接處在其它元件或?qū)由匣蛘咧苯咏雍系健⑦B接到或耦合到其它元件或?qū)?，也可以存在中間的元件或?qū)?。與此形成對照，當(dāng)元件被稱為“直接”處在另一個元件或?qū)印吧稀?，或者“直接接合到”、“直接連接到”或“直接耦合到”另一個元件或?qū)訒r，不存在中間的元件或?qū)?。用于描述元件之間關(guān)系的其它措辭應(yīng)當(dāng)以類似的方式來解釋(例如“之間”對比于“直接之間”、“相鄰”對比于“直接相鄰”等等)。如在文中使用的那樣，術(shù)語“和/或”包括相關(guān)聯(lián)列舉的項目中的一個或多個的任意和全部組合。盡管可以在文中使用術(shù)語第一、第二、第三等等來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和 /或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)當(dāng)受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語可以僅被用來區(qū)別一個元件、部件、區(qū)域、層或部分與另一個區(qū)域、層或部分。術(shù)語如在文中使用的“第一”、“第二”和其它數(shù)字術(shù)語并不暗示序列或順序，除非由上下文清楚地指示。因此， 以下討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不會背離示例實施例的教導(dǎo)。本公開的各個實施例教導(dǎo)了多電平變換器，其可以實現(xiàn)多電平變換的優(yōu)點，同時避免了由于功率晶體管的串聯(lián)布置所導(dǎo)致的其它多電平變換器的一些較高損耗。如文中所描述的，多電平并聯(lián)變換器(MPC)是一種基于以半并聯(lián)形式工作且通過無源匹配網(wǎng)絡(luò)相組合的單元的多電平開關(guān)變換器的類型。MPC的輸出電壓可以通過在許多可變離散電壓電平之一之間改變來進行調(diào)節(jié)。這允許產(chǎn)生具有低諧波含量的輸出電壓，同時保持相對低的開關(guān)頻率。與其它功率變換器相比，在MPC中降低了對無源濾波的需要，與其它設(shè)計相比，這可以提高效率、減小尺寸、降低成本并增大帶寬。MPC的輸出電壓可以假設(shè)從約為零到約等于輸入電壓的電平的n+1個離散電壓電平，其中η為開關(guān)電路(有時被稱作開關(guān)單元)的數(shù)量?？梢岳萌缭跇?biāo)準(zhǔn)PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)中的改變占空比及使用適當(dāng)濾波通過在可用電平之間周期性地振蕩來獲得在離散值之間的電壓電平。MPC的輸出電流被分配到多個開關(guān)電路當(dāng)中，從而降低了電流密度。這降低了損耗和部件應(yīng)力，并允許使用更小且更快的開關(guān)部件。在一些實施例中，各個開關(guān)電路中的電流被強制通過適當(dāng)結(jié)構(gòu)化的磁性部件來近似地跟蹤彼此。MPC包括能夠提供切換的電壓的多個開關(guān)電路。圖4中示出了用于MPC的一個示例開關(guān)電路，其通常由附圖標(biāo)記102來表示。開關(guān)電路102包括兩個層疊的開關(guān)104、106。 開關(guān)104、106可以是任意適當(dāng)類型的開關(guān)，其包括例如BJT (雙極結(jié)型晶體管)(η-型和/ 或P-型)、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)、MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管)等。在一些實施例中，開關(guān)104、106中的一個可以由二極管或者連接二極管的晶體管所替代。在一些實施例中，開關(guān)電路102可以包括以與開關(guān)104、106不同配置而布置的一個或多個開關(guān)。當(dāng)上部開關(guān)104為導(dǎo)通(S卩，接通、傳導(dǎo)等)并且下部開關(guān)106為關(guān)斷(S卩，不接通、阻塞等)時，開關(guān)電路102的輸出電壓約等于輸入電壓。當(dāng)開關(guān)106為導(dǎo)通并且開關(guān)104 為關(guān)斷時，開關(guān)電路的輸出電壓約等于零。在開關(guān)104、106均為導(dǎo)通的時間期間它們有限的阻抗兩端的壓降對于MPC幾乎沒有影響，在MPC中，從MPC的工作原理的觀點來看，開關(guān)電路102被包括，并且該壓降在后續(xù)說明中一般不予考慮。在一些實施例中，開關(guān)104、106 到輸出電壓的連接可以如例如圖4Α中所示地變得相反。在這種實施例中，當(dāng)下部開關(guān)106 為導(dǎo)通(即，接通、傳導(dǎo)等)并且上部開關(guān)104為關(guān)斷(即，不接通、阻塞等)時，開關(guān)電路 102的輸出電壓約等于輸入電壓，以及當(dāng)開關(guān)104為導(dǎo)通并且開關(guān)106為關(guān)斷時，開關(guān)電路的輸出電壓約等于零。
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通過對多個開關(guān)電路(諸如開關(guān)電路102)進行組合來創(chuàng)建MPC。使用的開關(guān)電路的數(shù)量越大，則在有限的(或沒有)無源濾波的情況下可以實現(xiàn)越精確的電壓調(diào)節(jié)。圖5示出了示例MPC 200。MPC 200包括用于接收輸入電壓Vin的輸入208。輸入 208包括第一輸入節(jié)點210和第二輸入節(jié)點212。MPC 200包括η個開關(guān)電路202Α-202Ν， 其中，η是大于二的正整數(shù)。每個開關(guān)電路202均具有輸入214和輸出216。每個開關(guān)電路 202的輸入214均連接到第一輸入節(jié)點210和第二輸入節(jié)點212。因此，每個開關(guān)電路202 均在其輸入214處分別接收施加到輸入208的輸入電壓Vin。在該示例中，每個開關(guān)電路均包括兩個開關(guān)204、206(為了清楚起見，其僅在開關(guān)電路202A中被示出)。每個開關(guān)電路202的開關(guān)204、206均被配置，以使開關(guān)電路的輸出216可以選擇性地耦合到第一節(jié)點210或第二節(jié)點212。對于每個開關(guān)電路202，當(dāng)其開關(guān)204為導(dǎo)通并且開關(guān)206為關(guān)斷時，開關(guān)電路輸出MPC200的輸入電壓Vin。當(dāng)開關(guān)電路202使其開關(guān)206 為導(dǎo)通并且其開關(guān)204為關(guān)斷時，其輸出第二輸入節(jié)點212處的參考電壓(即，接地、大約零伏等)。開關(guān)電路202A-202N的輸出通過匹配網(wǎng)絡(luò)218來組合。匹配網(wǎng)絡(luò)218是無源匹配網(wǎng)絡(luò)，其可以對來自所有開關(guān)電路202的離散電壓進行平均。組合的輸出219耦合到MPC 200的輸出220，以提供輸出電壓V。ut。在一些實施例中，匹配網(wǎng)絡(luò)218產(chǎn)生開關(guān)電路202的輸出的相等加權(quán)平均。在其它實施例中，可對一個或多個開關(guān)電路202的輸出進行與一個或多個其它開關(guān)電路202的輸出不同的加權(quán)。開關(guān)電路202的開關(guān)頻率可以與一個或多個其它開關(guān)電路202的開關(guān)頻率相同或不同。開關(guān)電路202中的一個或多個可以耦合到與一個或多個其它開關(guān)電路202不同的輸入電壓。匹配網(wǎng)絡(luò)218也可以被配置為通過使用電感器、電容器和/或電阻器的適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)來起到對輸出電壓V。ut進行濾波的作用。圖6示出了與圖5的MPC 200類似的示例MPC 300，但其具有基于示例電阻器的匹配網(wǎng)絡(luò)318。開關(guān)電路202A-202N的輸出通過匹配網(wǎng)絡(luò)318來組合。在圖6的示例實施例中， 匹配網(wǎng)絡(luò)318為一組星形連接的電阻器322A-322N。在給定時刻，輸出電壓V。ut將等于所有開關(guān)電路202的輸出的平均。因為每個開關(guān)電路202均可以提供約等于輸入電壓Vin或者約等于零伏特的輸出電壓，因此可以基于具有等于Vin的輸出的開關(guān)電路202的數(shù)量對開關(guān)電路202的總數(shù)，Vout通常假設(shè)n+1個離散電壓電平。例如，如果η = 3并且電阻器322基本相同，則輸出電壓V。ut可以假設(shè)四個離散電壓電平。如果沒有開關(guān)電路202正輸出輸入電壓Vin，則輸出電壓V。ut將為第二輸入節(jié)點212處的參考電壓(即，零伏特)。如果開關(guān)電路202中的任意一個正輸出輸入電壓Vin，則輸出電壓V。ut將大約為輸入電壓Vin的三分之一。如果開關(guān)電路202中的任意兩個正輸出輸入電壓Vin，則輸出電壓V-將大約為輸入電壓Vin的三分之二。如果所有三個開關(guān)電路202均正輸出輸入電壓Vin，則輸出電壓V。ut將約等于輸入電壓Vin。當(dāng)然，輸出電壓V。ut將不會精確地為輸入電壓Vin的三分之一，輸入電壓Vin的三分之二或輸入電壓Vin，這是因為在MPC 200的部件中的損耗，其包括電阻器322 兩端的壓降等?？梢砸詭追N方式改變輸出電壓V。ut可假設(shè)的電平。例如，可以改變MPC 300中的開關(guān)電路202的數(shù)量，以使離散電平的數(shù)量變化。此外，如上所述，開關(guān)電路202可以利用改變占空比來脈沖啟動(pulse on)和脈沖停止(pulse off)，以實現(xiàn)在離散電平之間的輸出電壓V。ut。開關(guān)電路202中的一個或多個可以耦合到與一個或多個其它開關(guān)電路202不同的輸入電壓。進而，電阻器322中的一個或多個的值可以與一個或多個其它電阻器322的值不同，以提供加權(quán)平均。在具有不同電阻器的實施例中，輸出電壓V。ut不僅取決于有多少開關(guān)電路202正輸出輸入電壓Vin，而且還取決于哪個特定開關(guān)電路202或開關(guān)電路202的組合正輸出輸入電壓Vin。開關(guān)電路202的開關(guān)頻率可以與一個或多個其它開關(guān)電路202的開關(guān)頻率相同或不同。在另一實施例中，一個或多個非開關(guān)電路(示例MPC300中未示出)也可以經(jīng)由匹配網(wǎng)絡(luò)318耦合到開關(guān)電路202。匹配網(wǎng)絡(luò)318還可以被配置為通過使用電感器、電容器和/ 或電阻器的適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)來起到輸出電壓濾波的作用。此外，如果用電感器代替電阻器322，則匹配網(wǎng)絡(luò)318將保持其多電平且平均的能力，但是會降低匹配網(wǎng)絡(luò)318中的損耗(盡管未消除)，且可以改善負(fù)載調(diào)節(jié)。圖7中示出了與圖5的MPC 200以及圖6的MPC 300類似的另一示例MPC 400，但其包括示例的基于電感器的匹配網(wǎng)絡(luò)418。 在該示例實施例中，開關(guān)電路202A-202N的輸出通過使用一組星形連接的電感器 424A-424N的匹配網(wǎng)絡(luò)418來組合。在給定時刻，輸出電壓V。ut將等于所有開關(guān)電路202的輸出的平均。由于每個開關(guān)電路202可以提供等于輸入電壓Vin或約等于零伏特的輸出電壓，因此可以基于具有等于Vin的輸出的開關(guān)電路202的數(shù)量對開關(guān)電路202的總數(shù)，V。ut通常假設(shè)n+1個離散電壓電平。如以上注意到的，可以以幾種方式改變輸出電壓V-可假設(shè)的電平。例如，可以改變MPC 400中的開關(guān)電路202的數(shù)量，以使離散電平的數(shù)量變化。此外，開關(guān)電路202可以禾IJ用改變占空比來脈沖啟動和脈沖停止，以實現(xiàn)在離散電平之間的輸出電壓V。ut。進而，電感器424中的一個或多個的值可以與一個或多個其它電感器424的值不同，以提供加權(quán)平均。在具有不同電感器424的實施例中，輸出電壓V。ut不僅取決于有多少開關(guān)電路202正輸出輸入電壓Vin，而且還取決于哪個特定開關(guān)電路202或開關(guān)電路202的組合正輸出輸入電壓Vin。開關(guān)電路202的開關(guān)頻率可以與一個或多個其它開關(guān)電路202的開關(guān)頻率相同或不同。在一些實施例中，一個或多個開關(guān)電路202可以耦合到與一個或多個其它開關(guān)電路 202不同的輸入電壓。匹配網(wǎng)絡(luò)418還可以被配置為通過使用電感器、電容器和/或電阻器的適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)來起到輸出電壓濾波的作用。每個電感器424不斷地經(jīng)受在其各自的開關(guān)電路202的輸出216與輸出電壓V。ut 之間的電壓差。結(jié)果，通過每個電感器424的與施加的伏秒成正比而與電感成反比的磁化電流將出現(xiàn)。任何適當(dāng)?shù)目刂茩C制(例如包括用于并聯(lián)變換器的電流共享(sharing)方法) 可以用來保持施加到每個電感器424的近似等量的伏秒，以避免該磁化電流的增大(并避免相關(guān)的部件應(yīng)力和功率損耗)。通常，可以在開關(guān)電路202的開/關(guān)狀態(tài)下對其進行交替，以使伏秒和通過每個開關(guān)電路202的電流均衡。基于電感器的匹配網(wǎng)絡(luò)418將不僅對來自多個開關(guān)電路202的電壓進行平均，而且還可以與附接到輸出220的負(fù)載交互，以形成低通濾波器。通過選擇電感器424的值和/ 或利用其它無源部件對電感器424進行增補，可以利用單個匹配網(wǎng)絡(luò)418同時執(zhí)行平均和濾波。替選地，濾波網(wǎng)絡(luò)可以耦合到匹配網(wǎng)絡(luò)418。
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代替電感器424或除電感器424之外，可以在匹配網(wǎng)絡(luò)418中使用其它類型的阻抗。只要在所有支路中阻抗相同(對于期望進行相等加權(quán)平均的情況)，就可以保留星形連接的匹配網(wǎng)絡(luò)418的平均操作。阻抗的電阻分量將增大導(dǎo)通損耗，而阻抗的電容分量將增大開關(guān)電路202的開關(guān)損耗且會增大噪聲。示例匹配網(wǎng)絡(luò)418要求在電感器424中的顯著量的能量存儲。電感器424的電感會限制MPC 400的動態(tài)，結(jié)果，需要將電感器424的電感保持相對較低，這使得磁化電流較大。該磁化電流在電感器424以及MPC400的其它部件中循環(huán)，增大部件應(yīng)力和損耗。因此，由各個電感器424組成的基于電感的匹配網(wǎng)絡(luò)418可以由另一磁性結(jié)構(gòu)替代。圖8示出了與圖5至圖7的MPC 200,300和400類似的示例MPC500，但其包括具有并聯(lián)多繞組自耦變壓器(PMA) 526的示例匹配網(wǎng)絡(luò)518。開關(guān)電路202A-202N的輸出通過匹配網(wǎng)絡(luò)518來組合。在給定時刻，輸出電壓V。ut 將等于所有開關(guān)電路202的輸出的平均。由于每個開關(guān)電路202可以提供等于輸入電壓Vin 或約等于零伏特的輸出電壓，因此可以基于具有等于Vin的輸出的開關(guān)電路202的數(shù)量對開關(guān)電路202的總數(shù)，Vout通常假設(shè)n+1個離散電壓電平。如以上注意到的，可以以幾種方式改變輸出電壓V-可假設(shè)的電平。例如，可以改變MPC 500中的開關(guān)電路202的數(shù)量，以使離散電平的數(shù)量變化。此外，如上所述，開關(guān)電路202可以利用改變占空比來脈沖啟動和脈沖停止，以實現(xiàn)在離散電平之間的輸出電壓 V。ut。進而，匹配網(wǎng)絡(luò)518可以附加地(或替選地)被配置為提供加權(quán)平均。在包括例如圖 14中示出的實施例的一些實施例中，開關(guān)電路202中的一個或多個可耦合到與一個或多個其它開關(guān)電路202不同的輸入電壓。在具有加權(quán)平均和/或耦合到不同輸入電壓的開關(guān)電路202的實施例中，輸出電壓V。ut不僅取決于有多少開關(guān)電路202導(dǎo)通，而且還取決于哪個特定開關(guān)電路202或開關(guān)電路202的組合導(dǎo)通。開關(guān)電路202的開關(guān)頻率可以與一個或多個其它開關(guān)電路202的開關(guān)頻率相同或不同。匹配網(wǎng)絡(luò)518還可以被配置為通過使用電感器、電容器和/或電阻器的適當(dāng)網(wǎng)絡(luò)來起到輸出電壓濾波的作用。在MPC 500中，匹配網(wǎng)絡(luò)518包括并聯(lián)多繞組自耦變壓器(PMA) 526。PMA 526包括多個繞組528A-528N。繞組528全部以相同的方向纏繞(S卩，它們具有相同的極性)。繞組528纏繞在公共芯上，并且每個繞組528均感應(yīng)地耦合到至少一個(且優(yōu)選地多于一個) 其它繞組528。PMA 526是基于并聯(lián)多繞組變壓器(諸如圖9中的并聯(lián)多繞組變壓器900)的磁性結(jié)構(gòu)。并聯(lián)多繞組變壓器900具有通過以下公式特征化的電壓/電流/匝關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種多電平功率變換器，包括 輸入，其用于接收輸入電壓；變換器輸出，其用于提供能夠變化的輸出電壓；多個開關(guān)電路，每個開關(guān)電路均與每個其它開關(guān)電路并聯(lián)地連接到所述輸入，每個開關(guān)電路均包括輸出，每個開關(guān)電路均能夠選擇性地操作以將其輸出耦合到所述輸入電壓或參考電壓；以及并聯(lián)多繞組自耦變壓器PMA，所述并聯(lián)多繞組自耦變壓器包括多個繞組和具有多個磁性地連接的柱體的磁芯，每個繞組均位于不同的所述柱體中的一個的周圍，每個繞組均具有首端和尾端，每個開關(guān)電路的所述輸出均耦合到不同繞組的所述首端，每個繞組的所述尾端均與每個其它繞組并聯(lián)地連接到所述變換器輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器，其中，所述多個繞組都以相同的方向纏繞。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多電平功率變換器，其中，所述多個繞組都具有相同的匝數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器，其中，每個開關(guān)電路均包括第一開關(guān)和第二開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多電平功率變換器，其中，每個開關(guān)電路均被配置為當(dāng)其第一開關(guān)為導(dǎo)通并且其第二開關(guān)為關(guān)斷時，將其輸出耦合到所述輸入電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多電平功率變換器，其中，每個開關(guān)電路均被配置為當(dāng)其第一開關(guān)為關(guān)斷并且其第二開關(guān)為導(dǎo)通時，將其輸出耦合到所述參考電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器，其中，所述輸出電壓的幅值為在給定時刻有多少所述開關(guān)電路使它們各自的輸出耦合到所述輸入電壓的函數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器，其中，所述并聯(lián)多繞組自耦變壓器被配置為使由所述開關(guān)電路提供的電流大約相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器，其中，所述功率變換器不包括輸出電容ο
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器還包括控制器，其被配置用于選擇性地操作所述開關(guān)電路，以控制所述能夠變化的輸出電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器，其中，所述參考電壓大約為零伏特。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多電平功率變換器還包括附加開關(guān)電路，所述附加開關(guān)電路連接到附加輸入電壓，所述附加開關(guān)電路包括輸出，所述附加開關(guān)電路能夠選擇性地操作以使其輸出耦合到所述附加輸入電壓或所述參考電壓，所述附加開關(guān)電路的所述輸出耦合到所述多個繞組中的一個的所述首端，并且所述繞組的所述尾端連接到所述變換器輸出ο
13.一種多電平功率變換器，包括輸入，其用于接收輸入電壓，所述輸入包括第一輸入節(jié)點和第二輸入節(jié)點； 輸出，其用于提供能夠變化的輸出電壓；并聯(lián)磁性部件，其包括磁芯、第一繞組、第二繞組、和第三繞組，所述磁芯包括第一柱體、第二柱體和第三柱體，所述第一、第二和第三柱體彼此磁性地連接，所述第一繞組位于所述第一柱體周圍，所述第二繞組位于所述第二柱體周圍，以及所述第三繞組位于所述第三柱體周圍，所述第一、第二和第三繞組中的每一個均包括輸入端和輸出端，所述第一、第二和第三繞組相對于其輸入端以相同方向纏繞，并且所述第一、第二和第三繞組中的每一個的所述輸出端均電連接在一起；第一開關(guān)電路，其耦合到所述第一輸入節(jié)點、所述第二輸入節(jié)點和所述第一繞組的所述輸入端；第二開關(guān)電路，其耦合到所述第一輸入節(jié)點、所述第二輸入節(jié)點和所述第二繞組的所述輸入端；以及第三開關(guān)電路，其耦合到所述第一輸入節(jié)點、所述第二輸入節(jié)點和所述第三繞組的所述輸入端。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多電平功率變換器，其中，所述第一、第二和第三開關(guān)電路中的每一個均能夠操作以選擇性地將其輸出耦合到所述第一輸入節(jié)點和所述第二輸入節(jié)點ο
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多電平功率變換器，其中，所述第一、第二和第三繞組都具有相同的匝數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的多電平功率變換器，其中，所述第一、第二和第三開關(guān)電路中的每一個均包括第一開關(guān)和第二開關(guān)，并且所述第一、第二和第三開關(guān)電路中的每一個均被配置為當(dāng)其第一開關(guān)為導(dǎo)通時將其輸出耦合到所述第一輸入節(jié)點，以及當(dāng)其第二開關(guān)為導(dǎo)通時將其輸出耦合到所述第二輸入節(jié)點。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多電平功率變換器，其中，所述并聯(lián)磁性部件被配置為使由所述第一、第二和第三開關(guān)電路提供的電流大約相等。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多電平功率變換器，其中，所述多電平電源不包括輸出電容器。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多電平功率變換器還包括控制器，其被配置用于選擇性地操作所述第一、第二和第三開關(guān)電路，以控制所述能夠變化的輸出電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多電平功率變換器還包括第三輸入節(jié)點，其用于接收附加輸入電壓；以及第四開關(guān)電路，其耦合到所述第三輸入節(jié)點和所述第二輸入節(jié)點；并且其中，所述磁芯包括第四柱體和第四繞組，所述第四柱體磁性地連接到所述第一、第二和第三柱體，所述第四繞組位于所述第四柱體周圍，所述第四繞組包括輸入端和輸出端，所述第四繞組以與所述第一、第二和第三繞組相同的方向纏繞，所述第四繞組的所述輸出端電連接到所述第一、第二和第三繞組的所述輸出端，并且所述第四繞組的所述輸入端連接到所述第四開關(guān)電路。
全文摘要
公開了一種多電平功率變換器。在一個實施例中，多電平功率變換器包括用于接收輸入電壓的輸入和用于提供可變輸出電壓的變換器輸出。該多電平功率變換器包括多個開關(guān)電路。每個開關(guān)電路與每個其它開關(guān)電路并聯(lián)地連接到輸入。每個開關(guān)電路包括輸出。每個開關(guān)電路可選擇性地操作以將其輸出耦合到輸入電壓或參考電壓。該多電平功率變換器包括并聯(lián)多繞組自耦變壓器(PMA)。PMA包括多個繞組和具有多個磁性地連接的柱體的磁芯。每個繞組均位于不同柱體中的一個的周圍，并具有首端和尾端。每個開關(guān)電路的輸出均耦合到不同繞組的首端。每個繞組的尾端均與每個其它繞組并聯(lián)地連接到變換器輸出。
文檔編號H01F27/28GK102457167SQ201110078559
公開日2012年5月16日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者彼得·馬爾科夫斯基, 步宏飛, 王林國 申請人:雅達電子國際有限公司