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CN110582930A - 混合动力电池 - Google Patents

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CN110582930A
CN110582930A CN201880028452.7A CN201880028452A CN110582930A CN 110582930 A CN110582930 A CN 110582930A CN 201880028452 A CN201880028452 A CN 201880028452A CN 110582930 A CN110582930 A CN 110582930A
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Abstract

本发明涉及一种用于将输入电压转换为输出电压的双向功率转换器(100)。双向功率转换器(100)可以包括具有一次开关频率的一次开关单元和具有二次开关频率的二次开关单元：一次开关频率低于二次开关频率。

Description

混合动力电池
技术领域
本发明涉及一种用于将输入功率转换为输出功率的功率转换器、用于将输入功率转换为输出功率的升压处理和/或降压处理。更具体地说，本发明致力于，但不仅限于，能够驱动电动机并且朝向嵌入的能量储存系统恢复动能的电牵引系统。
背景技术
随着蓄电池和超级电容器的技术在过去的几十年得到改进，电动车辆已经变为具有经济现实的吸引人的解决方案。而且，由于全世界几个国家遵守COP21法案的承诺，传统的全汽油车辆可以被抛弃，被电解决方案取代。第一个应用之一将是公共运输，比如举例来说，公共汽车和有轨电车系统。在这些应用中，需要大功率来供应牵引单元。
这涉及更一般地被称为能量储存元件(也被称为ESE)的超级电容器和蓄电池的并联连接。由于管理牵引单元和几个ESE之间的能量的大功率转换器(100)，该电配置可以得以实现。该电解决方案的特色是其恢复动能的能力，以使得可以显著地改进整个系统效率。这些准则可以涉及使用具有高效率的双向大功率转换器。
这些双向大功率转换器在高压下工作，并且在该电压电平下，在功率半导体上发生的故障风险与宇宙线效应有联系，取决于振幅和DC偏压。例如，一个高电压组件的MTBF(“故障之间的均值时间(Mean Time Between Failure)”的首字母缩略词)对于某个市场可以为大约15年，而对于铁路应用，它应高于30年。因此，由于来自功率半导体的宇宙线效应而导致的FIT值(“时间故障(Failure In Time)”)应对比最终应用被更好地分析。有时，强制使用更高电压击穿电压来遵守MTBF预期。显而易见的是，使用1.7kV栅极双极晶体管(简称IGBT)，而不是1.2kV IGBT，就相同的功率损耗来说，对开关频率具有巨大的重要性。这涉及对所述系统的大小和重量的重要性。
替代方案可以是使用碳化硅功率模块(简称为SiC功率模块)，SiC功率模块通常被认为改进功率转换器的效率和大小。然而，这些组件在市场上是新的，并且关于它们在大温度范围下长时间工作(尤其是在存在热循环约束的应用中)的能力没有反馈。而且，它们的成本仍高于标准的硅功率模块。为了解决例如需要大电流重复快速充电的公共电动车辆的市场，在竞争性市场下，全SiC功率模块还不能被考虑。
实际上，由于随机大功率循环，半导体的热循环应在功率转换器设计期间被考虑。这些热应力是由于制动阶段期间通过动能恢复的快速充电、由于牵引单元所需的高源发浪涌电流、和/或由于来自例如供暖通风空气调节的低功耗而导致的。
为了减小电线连接中的焦耳损耗，使用ESE的串联组合，该组合涉及功率转换器上的大约0.9kV的高电压。由于宇宙线对结工作电压的组合，该电压导致对半导体的寿命的特别关注；SiC和Si组件的抗扰度应是不影响系统的可靠性的研究，系统的可靠性对于陆上运输(如公共汽车、有轨电车、火车)、空中运输(诸如飞机)和海上运输(比如船)来说变得至关重要。
当功率转换器被嵌入在铁道机车车辆中时，大小和重量应被考虑以找到最佳的电拓扑结果。因此，高开关频率拓扑结构将被考虑。
除此之外，特别是在公共运输系统中，ESE的快速充电在乘客上车和下车时短暂停止期间发生，由于磁性元件的磁致伸缩效应，乘客上车和下车时短暂停止可以产生很大的可听噪声，并且可能惹恼乘客。
在几个软开关功率转换器中，通常不可能在没有任何负载的情况下工作，因为缓冲电容器通过功率半导体快速放电。该损耗使系统的寿命缩短。
发明内容
为了实现这个目的，根据本发明的一方面，本发明可以提供一种升压或降压功率转换器(100)，所述升压或降压功率转换器(100)用于分别将具有输入一次电压(201)和输入一次电流(202)的输入一次功率转换为具有输出二次电压(203)和输出二次电流(204)的输出二次功率或者将具有所述输入二次电压(291)和输入二次电流(292)的输入二次功率转换为具有输出一次电压(293)和第二一次电流(294)的输出一次功率；所述功率转换器(100)包括至少一个：
-一次开关布置(130)，所述一次开关布置(130)包括具有一次动态开关损耗的至少一个一次开关单元(131，135)；
-二次开关布置(170)，所述二次开关布置(170)包括具有二次动态开关损耗的至少一个二次开关单元(171，175)；以及
-谐振单元(150)，所述谐振单元(150)连接所述至少一个一次开关单元(131，135)和所述至少一个二次开关单元(171，175)；
所述一次动态开关损耗高于所述二次动态开关损耗。
因此，该布置改进了一次布置与二次布置相比的效率、寿命、可靠性、耐热性以及可听噪声，同时使大小缩小。此外，该布置改进了一次开关布置(130)的开关频率，并且提高了升压或降压功率转换器(100)的斩波频率。而且，与传统的硬开关相比，该布置使施加于外部磁性元件(111)的电压斜率减小，从而改进了它们的寿命，并且减小了电磁干扰。
通过一次动态开关损耗，我们意指其特征在于硬开关模式的一次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的函数。具体地说，一次动态开关损耗可以被定义为一次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的总和。
通过二次动态开关损耗，我们意指其特征在于硬开关模式的二次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的函数。具体地说，二次动态开关损耗可以被定义为二次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的总和。
功率转换器(100)可以包括可以被单独地或组合地考虑的以下技术特征中的一个或多个。
根据实施例，所述谐振单元(150)可以包括至少一个电感器(153)和一个电容器(151，152)。
因此，该布置使得可以调整谐振单元(150)的谐振。
根据实施例，所述一次开关布置(130)可以至少包括第一一次开关单元(131)和第二一次开关单元(135)，和/或其中所述二次开关布置(170)可以至少包括第一二次开关单元(171)和第二二次开关单元(175)。
根据实施例，一次开关布置(130)的尺寸可以大于二次开关布置(170)的尺寸。根据实施例，一次开关布置(130)的大小可以大于二次开关布置(170)的大小。
通过尺寸，我们意指组件尺寸。
因此，一次开关布置(130)可以比二次开关布置(170)耗散更多热量，并且一次开关布置(130)的可靠性可以好于二次开关。
根据实施例，一次开关布置(130)可以包括一次动态开关损耗，并且所述二次开关布置(170)可以包括二次动态开关损耗；所述一次动态开关损耗可以高于所述二次动态开关损耗。
因此，该该组布置使可听噪声减小。
根据实施例，所述至少一个一次开关单元(131，135)可以是栅关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管和/或金属-氧化物-半导体场效应晶体管，和/或所述至少一个二次开关单元(171，175)可以是场效应晶体管和/或金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
因此，该布置与热阻损耗有联系，并且改进了功率转换器(100)的寿命、热循环、可靠性和大小。
根据实施例，功率转换器(100)可以包括至少一个：
-一次端子(110)：所述一次端子(110)可以被配置为将一次电组件901连接到所述功率转换器(100)；
-二次端子(190)：所述二次端子(190)可以被配置为将二次电组件902连接到所述功率转换器(100)；
-公共端子(145)：所述公共端子(145)可以被配置为将所述一次电组件901连接到所述二次电组件902；
所述一次开关布置(130)可以连接到所述一次端子(110)、所述二次端子(190)和所述公共端子(145)，并且所述二次开关布置(170)可以连接到所述二次端子(190)和所述公共端子(145)。
因此，该布置使得功率转换器(100)可以连接到负载和能源。
根据实施例，一次开关布置(130)可以至少包括第一一次开关单元(131)和第二一次开关单元(135)，和/或其中二次开关布置(170)可以至少包括第一二次开关单元(171)和第二二次开关单元(172)。
根据实施例，一次开关布置(130)可以包括一次动态开关损耗，所述二次开关布置(170)可以包括二次动态开关损耗；所述一次动态开关损耗可以高于所述二次动态开关损耗。
因此，该布置使可听噪声减小。
根据实施例，一次开关频率可以包括2kHz至60kHz之间，特别是2.9kHz至53kHz之间，优选地3.4kHz至46kHz之间，所述二次开关频率可以包括5kHz至96kHz之间，特别是9kHz至83kHz之间，优选地14kHz至71kHz之间。
本发明的另一方面可以提供一种升压或降压处理(501，502)，所述升压或降压处理(501，502)用于分别将具有输入一次电压(201)和输入一次电流(202)的输入一次功率转换为具有输出二次电压(203)和输出二次电流(204)的输出二次功率或者将具有所述输入二次电压(291)和输入二次电流(292)的输入二次功率转换为具有输出一次电压(293)和第二一次电流(294)的输出一次功率；所述升压或降压处理(501，502)至少包括以下步骤：
-提供根据权利要求1至6所述的功率转换器(100)；
-当所述至少一个一次开关单元(131，135)上的电压分别达到所述输出二次电压(203)或所述输出一次电压(293)的预定比时，关断至少一个二次开关单元(171，175)。
根据实施例，所述输出二次电压(203)或所述输出一次电压(293)的所述预定比分别可以包括20％和80％之间，特别是40％和60％之间，优选地45％和55％之间。
根据实施例，所述至少一个一次开关单元(131，135)上的所述电压可以是所述至少一个电容器(151，152)上的电压。
根据实施例，所述至少一个二次开关单元(171，175)可以包括控制所述关断步骤的时间的固有特性。
根据实施例，所述固有特性可以是所述至少一个二次开关单元(171，175)的门电阻器。
根据实施例，所述至少一个一次开关单元(131，135)上的电压达到所述二次端子(190)和所述一次端子(110)之间的电压。
根据实施例，所述至少一个一次开关单元(131，135)上的所述电压达到所述一次端子(110)和所述公共端子(145)之间的电压。
根据实施例，所述谐振电路(150)的电流达到最大谐振电流。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括当所述至少一个一次开关单元(131，135)上的所述电压达到最小电压时接通所述至少一个一次开关单元(131，135)的步骤。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-直接第一一次电流233(IDH)从一次端子通过第一一次开关单元流到二次端子，并且达到最小第一一次电流；
-在一次端子和公共端子之间测得的直接第二谐振电压(VCL)下降；
-直接谐振电流251(ILR)从一次端子通过谐振单元流到公共端子，并且达到最大直接谐振电流251；并且
-反向第二一次电流236(IQL)从一次端子通过第二一次开关单元流到公共端子，并且可以不同于参考反向第二一次电流236。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第一一次电流233(IDH)达到参考第一一次电流；
-所述直接第二谐振电压(VCL)达到参考直接第二谐振电压；
-所述直接谐振电流251(ILR)下降；并且
-所述反向第二一次电流236(IQL)达到最小反向第二一次电流236。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第一一次电流233(IDH)保持为所述参考第一一次电流；
-所述直接第二谐振电压(VCL)停止在所述参考直接第二谐振电压；
-所述直接谐振电流251(ILR)达到参考直接谐振电流251；并且
-所述反向第二一次电流236(IQL)达到最大反向第二一次电流236。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第一一次电流233(IDH)保持为所述参考第一一次电流；
-所述直接第二谐振电压(VCL)增大；
-所述直接谐振电流251(ILR)保持为参考直接谐振电流251；并且
-所述反向第二一次电流236(IQL)下降。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第一一次电流233(IDH)达到最大第一一次电流；
-所述直接第二谐振电压(VCL)达到最大直接第二谐振电压；
-所述直接谐振电流251(ILR)从一次端子通过谐振单元流到二次端子；并且
-所述反向第二一次电流236(IQL)达到所述参考反向第二一次电流236。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第一一次电流233(IDH)保持为所述最大第一一次电流；
-所述直接第二谐振电压(VCL)保持为所述最大直接第二谐振电压；
-所述直接谐振电流251(ILR)从一次端子通过谐振单元流到二次端子；并且
-所述反向第二一次电流236(IQL)保持为所述参考反向第二一次电流236。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第一一次电流233(IDH)保持为所述最大第一一次电流；
-所述直接第二谐振电压(VCL)保持为所述最大直接第二谐振电压；
-所述直接谐振电流251(ILR)从一次端子通过谐振单元流到二次端子；并且
-所述反向第二一次电流236(IQL)保持为所述参考反向第二一次电流236。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第一一次电流233(IDH)保持为所述最大第一一次电流；
-所述直接第二谐振电压(VCL)保持为所述最大直接第二谐振电压；
-所述直接谐振电流251(ILR)从一次端子通过谐振单元流到二次端子；并且
-所述反向第二一次电流236(IQL)保持为所述参考反向第二一次电流236。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-直接第二一次电流237(IDL)从公共端子通过第二一次开关单元流到一次端子，并且达到最小第二一次电流；
-在一次端子和二次端子之间测得的直接第一谐振电压(VCH)下降；
-第二谐振电流(ILR)从二次端子通过谐振单元流到一次端子，并且达到最大直接谐振电流251；并且
-反向第一一次电流(IQH)从二次端子通过第一一次开关单元流到一次端子，并且可以不同于参考反向第一一次电流。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第二一次电流237(IDL)达到参考第一二次电流；
-所述直接第一谐振电压(VCH)达到参考直接第一谐振电压；
-所述第二谐振电流(ILR)下降；并且
-所述反向第一一次电流(IQH)达到最小反向第一一次电流。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第二一次电流237(IDL)保持为所述参考第一二次电流；
-所述直接第一谐振电压(VCH)保持为所述参考直接第一谐振电压；
-所述第二谐振电流(ILR)达到参考第二谐振电流；并且
-所述反向第一一次电流(IQH)达到最大反向第一一次电流。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第二一次电流237(IDL)保持为所述参考第一二次电流；
-所述直接第一谐振电压(VCH)增大；
-所述第二谐振电流(ILR)达到参考第二谐振电流；并且
-所述反向第一一次电流(IQH)下降。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第二一次电流237(IDL)达到最大直接第一二次电流；
-所述直接第一谐振电压(VCH)达到最大直接第一谐振电压；
-所述第二谐振电流(ILR)从二次端子通过谐振单元流到一次端子；并且
-所述反向第一一次电流(IQH)达到所述参考反向第一一次电流。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第二一次电流237(IDL)保持为所述最大直接第一二次电流；
-所述直接第一谐振电压(VCH)保持为所述最大直接第一谐振电压；
-所述第二谐振电流(ILR)从二次端子通过谐振单元流到一次端子；并且
-所述反向第一一次电流(IQH)保持为所述参考反向第一一次电流。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第二一次电流237(IDL)保持为所述最大直接第一二次电流；
-所述直接第一谐振电压(VCH)保持为所述最大直接第一谐振电压；
-所述第二谐振电流(ILR)从二次端子通过谐振单元流到一次端子；并且
-所述反向第一一次电流(IQH)保持为所述参考反向第一一次电流。
根据实施例，所述升压或降压处理(501，502)可以包括以下步骤：
-所述直接第二一次电流237(IDL)保持为所述最大直接第一二次电流；
-所述直接第一谐振电压(VCH)保持为所述最大直接第一谐振电压；
-所述第二谐振电流(ILR)从二次端子通过谐振单元流到一次端子；并且
-所述反向第一一次电流(IQH)保持为所述参考反向第一一次电流。
附图说明
从通过参照附图例示说明、而非限制而给出的实施例的以下详细描述，本发明的前述及其他目的、特征、方面和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1表示根据本发明的实施例的降压功率转换器；
-图2示出根据本发明的同一实施例的升压功率转换器；
-图3至17例示说明根据本发明的同一或另一实施例的升压处理的序列；
-图18至32表示根据本发明的另一实施例的降压处理的序列；
-图33表示控制序列；以及
-图34例示说明
具体实施方式
本发明可以提供具有改进的寿命和可靠性、同时缩小大小和减小可听噪声的功率转换器100。如图1和图2上所描绘的本发明的功率转换器100可以被视为通过使流过能量储存系统(简称为ESS)(也被称为能量储存元件，简称为ESE)的电流最小化来改进它们的寿命。本申请中描述的功率转换器100可以专用于具有高标称电压的能量储存系统，所述高标称电压可以意指包括750VDC和950VDC之间。具体地说，本发明可以提供双向功率转换器100，因为功率转换器100可以用作升压转换器100或降压转换器100。
该功率转换器100可以包括至少一个一次开关布置130、二次开关布置170和谐振单元150，谐振单元150连接一次开关布置130和二次开关布置170。
一次开关布置130可以包括具有一次开关频率的至少一个一次开关单元131、135。在本实施例中，一次开关布置130可以至少包括第一一次开关单元131和第二一次开关单元135，第一一次开关单元131包括第一一次晶体管132和第一一次二极管133，第二一次开关单元135包括第二一次晶体管136和第二一次二极管137。第一一次晶体管131和第二一次晶体管136可以是栅关断晶闸管、场效应晶体管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管和/或绝缘栅双极晶体管(简称为IGBT)。
二次开关布置170可以包括具有二次开关频率的至少一个二次开关单元171、175。在本实施例中，二次开关布置170可以至少包括第一二次开关单元171和第二二次开关单元175，第一二次开关单元171包括第一二次晶体管172和第一二次二极管173，第二二次开关单元175包括第二二次晶体管176和第二二次二极管177。第一二次晶体管172和第二二次晶体管176可以是场效应晶体管和/或金属-氧化物-半导体场效应晶体管(简称为MOSFET)。MOSFET，特别是碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(简称为SiC MOSFET)，可能已经被选择以避免遇到硅晶体管(比如硅IGBT)的恢复电荷和尾电流。SiC MOSFET的这个选择可以优化软开关处理的益处。
区分一次开关布置130和二次开关布置170的另一方式可以是组件的大小或尺寸，因为一次开关布置130的尺寸可以大于二次开关布置170的大小。一次开关布置130的较大尺寸改进了一次开关布置130的散热性和可靠性，因为可靠性与一次开关布置130的热熔有联系。
一次开关单元130可以包括一次动态开关损耗，所述二次开关单元170可以包括二次动态开关损耗。
一次动态开关损耗可以被定义为一次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的函数。具体地说，一次动态开关损耗可以被定义为一次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的总和。
导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的特征可以是硬开关模式。
一次开关单元130与所述二次开关单元170的不同之处在于，当高电流流过它时，直接下降电压很小，例如，对于110A，直接下降电压为1.5V，但是它在二极管功能的导通EON1期间以及关断EOFF1和关断ERR1期间具有高动态开关功率损耗。
一次开关单元130与所述二次开关单元170的不同之处还在于，一次开关单元130的半导体材料的表面积大于所述二次开关单元170，并且一次开关单元130的以平方毫米为单位的成本(大约0.06€/mm2)低于二次开关单元170的以平方毫米为单位的成本(大约1.8€/mm2)。
导通EON1的特征在于一次开关单元130的、对于硬开关来说导通时的电流/电压量的乘积。
关断EOFF1的特征在于一次开关单元130的、对于硬开关来说关断时的电流/电压量的乘积。
关断ERR1的特征在于一次开关单元130的、对于硬开关来说关断时的电流/电压量的乘积。
导通能量可以包括15mJ和153mJ。关断能量可以包括17mJ和至少193mJ。恢复反向能量可以包括16mJ和163mJ。
例如，对于高功率应用，在动态开关期间很慢的一次开关单元130将为1.2kV IGBT或1.7kV IGBT。在该应用中，导通EON1的动态开关能量对于1.2kV IGBT，等于22mJ，对于1.7kV IGBT，等于53mJ。关断EOFF1的动态开关能量对于1.2kV IGBT，等于27mJ，对于1.7kVIGBT，等于58mJ。最后，二极管功能的关断ERR1的动态开关能量对于1.2kV IGBT，等于28mJ，对于1.7kV IGBT，等于55mJ。
一次开关单元130的表面积对于110A的直流，通常接近于450mm2，并且其成本等于0.06€/mm2。
二次开关单元170与一次开关单元130的区别在于，当高电流流过它时，直接下降电压很高，例如，对于110A，直接下降电压为5V，但是它在二次开关单元170的二极管功能的导通EON2期间以及关断EOFF2和关断ERR2期间固有地具有低动态开关功率损耗。
例如，对于高功率应用，二次开关单元170的动态快速开关行为要么为SiC 1.2kVMOSFET，要么为1.7kV SiC MOSFET。在该应用中，导通EON2的动态开关能量对于SiC 1.2kVMOSFET，等于3.3mJ，对于1.7kV SiC MOSFET，等于6mJ。关断EOFF2的动态开关能量对于SiC1.2kV MOSFET，等于1.8mJ，对于1.7kV SiC MOSFET，等于3mJ。最后，二次开关单元170的二极管功能的关断ERR2的动态开关能量对于MOSFET 1.2kV，等于180μJ，对于MOSFET 1.7kV，等于240μJ。
二次开关单元170的半导体的表面积对于接近于110A的切换的电流，接近于36mm2，并且其成本通常等于1.8€/mm2。
一次开关单元的一次开关频率可以是所述一次开关损耗的函数。该一次动态开关频率可以包括2kHz和60kHz之间，特别是2.9kHz和53kHz之间，优选地3.4kHz和46kHz之间。
另一方面，二次动态开关损耗可以被定义为二次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的函数。具体地说，二次动态开关损耗可以被定义为二次开关单元的导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的总和。导通能量、关断能量和/或反向恢复能量的特征可以是硬开关模式。
导通能量可以包括0和100mJ之间。关断能量可以包括100μJ和至少1mJ之间。恢复反向能量可以包括0和1mJ之间。
二次开关单元的二次开关频率可以是所述二次开关损耗的函数。二次动态开关频率可以包括5kHz和96kHz之间，特别是9kHz和83kHz之间，优选的14kHz和71kHz之间。
如可以理解的，一次开关频率可以低于二次开关频率。
当一次开关布置130可以包括多于一个的开关单元时，一次开关布置130的一次动态开关损耗可以与第一一次开关单元131(特别是第一一次晶体管132)的第一一次开关频率和第二一次开关单元135(特别是第二一次晶体管136)的第二一次开关频率有联系。
当二次开关布置170可以包括多于一个的开关单元时，二次开关布置170的二次动态开关损耗可以与第一二次开关单元171(特别是第一二次晶体管172)的第一二次开关频率和第二二次开关单元175(特别是第二二次晶体管176)的第二二次开关频率有联系。
如图1中所描绘的，功率转换器100可以包括一次端子110、二次端子190和公共端子145。一次端子110可以包括一次电感器111和/或一次电容器112，二次端子190可以包括二次电容器191。
一次端子110可以被配置为将具有V201的输入一次电压或V293的输出一次电压的一次电组件901连接到功率转换器100，一次电组件901可以是负载和/或能源，二次端子190可以被配置为将具有V203的输出二次电压或V291的输入二次电压的二次电组件902连接到功率转换器100，二次电组件902可以是负载和/或能源，公共端子145可以连接到一次电组件901和二次电组件902。
在图1上，一次开关布置130可以连接到一次端子110、二次端子190和公共端子145。如前所述，一次开关布置130可以包括第一一次开关单元131和第二一次开关单元135，第一一次开关单元131连接一次端子110和二次端子190，第二一次开关单元135连接一次端子110和公共端子145。具体地说，第一一次开关单元131可以经由第一一次晶体管132和/或第一一次二极管133连接一次端子110和二次端子190，第二一次开关单元135经由第二一次晶体管136和/或第二一次二极管137连接一次端子110和公共端子145。
二次开关布置170可以连接到二次端子190和公共端子145。二次开关布置170可以包括第一二次开关单元171和第二二次开关单元175，第一二次开关单元171连接二次端子190和谐振单元150，第二二次开关单元175连接谐振单元150和公共端子145。具体地说，第一二次开关单元171可以经由第一二次晶体管172和/或第一二次二极管173连接二次端子190和谐振单元150，第二二次开关单元175经由第二二次晶体管176和/或第二二次二极管177连接谐振单元150和公共端子145。
上述谐振单元150可以连接到一次端子110、二次端子190和公共端子145。谐振单元150可以包括第一电容器151和第二电容器152，第一电容器151连接一次端子110和二次端子190，第二电容器152连接一次端子110和公共端子145。谐振单元150的电感器153可以连接一次端子110与第一二次晶体管172和第二二次晶体管176和/或第一二次二极管173和第二二次二极管177。
在一些实施例中，谐振单元150可以包括至少一个电感器153和一个电容器151、152，所述至少一个电感器153连接一次端子110与第一二次晶体管172和第二二次晶体管176和/或第一二次二极管173和第二二次二极管177，所述一个电容器151、152连接一次端子110和二次端子190或一次端子110和公共端子145。
升压或降压处理可能已经被计算为减少第一二次开关单元171和第二二次开关单元175芯片的数量并且减小热循环应力。
电感器153已经被选择为控制每次换向时的强度变化的时间速率为大约50A/μs20μH，从而显著地减小由于恢复嵌入在二次开关布置170内部的第一二次二极管173和第二二次二极管177的电荷而导致的功率损耗。
升压或降压处理可能已经为了在零电压下导通而被计算，并且它在零电压下关断一次开关布置130。
第一电容器151和第二电容器152可以减小尾功率损耗，并且选定一次电组件901和二次电组件902上的电位变化的时间速率为大约1kV/μs。一次开关布置130的电位变化的时间速率可以比以硬开关工作的二次开关布置170低20倍，从而减小电磁干扰影响(简称为EMI)。
升压处理的描述
根据本发明的功率转换器可以是双向功率转换器100，也被称为双向动力电池。它可以像升压或降压那样工作。功率转换器100可以用于功率反相器或者用于专用于例如牵引系统的蓄电池充电器。
以下描述示出了当功率转换器100像升压功率转换器100那样工作并且实现升压处理(这可以意味着能源901可以连接到一次端子110和公共端子145并且负载902可以连接到二次端子190和公共端子145)时的序列。为了阅读方便和更好地理解，可以关断的开关单元和谐振单元130、150、190可以是虚线，可以导通的其他单元可以用实线绘制。
在本发明中，通过“关断”和“无电流”，我们意指几乎没有电流可以流动，低于或等于1mA或流动电流的电流可能不是预期的。另一方面，通过“导通”，我们意指电流可以流动，高于1mA或流动电流的电流可以是预期的。
此外，术语直接和反向可以仅仅是用于为了阅读方便，并且可以指示图的方向上的分别地向上和向下以及分别地右边和左边。
此外，通过术语“负载”，我们意指可以变换或消耗电能的所有的电子/电气装置，比如马达、蓄电池、超级电容器或电阻器，但不限于此，并且通过“源”，我们意指可以供应电能的所有的能量供应器，比如例如马达、蓄电池或超级电容器，但不限于此。
在初始步骤期间，输入一次电流202从能源通过具有电感L111的一次电感器111和一次开关布置130流到二次端子190。具体地说，输入一次电流202通过一次电感器111以及一次开关布置130中、优选地第一一次开关单元131中包括的一次开关单元中的至少一个流到二次端子190。没有电流在其他单元中流动，这意味着没有电流流过第二一次开关单元135，可以包括一次开关单元、谐振单元150和二次开关布置170。
如图3中所描绘的，直接第二一次电流237从公共端子145通过第二一次开关单元135的第二一次二极管137流到一次端子110。
在该初始步骤之后，第一升压步骤发生，其中二次开关布置170可以被接通，特别是第二二次开关单元175，优选地第二二次晶体管176，这使得如图4中所描绘的、输入一次电流202可以作为直接谐振电流251流过谐振单元150并且作为反向第二二次电流276流过第二二次开关单元175。这个第一升压步骤可以包括当第二二次晶体管176可以被接通时的第一上升沿和当第二二次晶体管176可以被关断时的第一下降沿。同时，在图33上可以观察到，直接第一一次电流233减小，并且达到最小第一一次电流，最小第一一次电流可以低于第一一次参考电流。通常，第一一次参考电流可以几乎为0A。
当第一一次二极管133关断时，直接第一一次电流233缓慢地减小，这可以意味着随着直接第一一次电流233的强度变化的时间速率di/dt，反向恢复能量(简称为ERR)可以显著地减小。
反向第二二次电流276和直接谐振电流251的这个线性增大可能是由于输入一次电流202而导致的，输入一次电流202可以被认为如以下方程所示、在第一升压步骤期间是常数：
在图33上可以观察到，第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176在零电流下导通，并且它仅使它自己的固有电容器放电。
谐振单元150上的、特别是第一电容器151上的直接第一一次电压231由于谐振阶段而减小。具有L153的电感的电感器153上的电位变化的时间速率dv/dt可以由谐振单元150、特别是电感器153的自然频率ω0以及分别具有电容C151和C152的第一电容器151和第二电容器152选定。自然频率ω0可以由以下方程给出：
其中V152(t)＝V203*cos(ω0t)
并且
如前所述，直接谐振电流251在第一升压步骤期间上升。第二电容器152上的电压(即，在一次端子110和公共端子145之间测得的直接第二一次电压235)一达到输出二次电压203的预定比，例如，所述输出二次电压203的预定比可以包括20％和80％之间，特别是40％和60％，优选地45％和55％之间，第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176就可以被关断。[t1,t2]的持续时间可以等于可能有必要明确的是，特定效果在所述输出二次电压203的预定比等于50％加上或减去1个百分点时实现。
当可以达到所述输出二次电压203的预定比时，第二二次晶体管176可以被关断，从一次端子110通过谐振单元150流到公共端子145的直接谐振电流251达到最大直接谐振电流251，并且可以等于：
之后不久，如图5所示，在一次端子110和二次端子190之间测得的、特别是谐振单元150的第一电容器151上的直接第一一次电压231以及在一次端子110和公共端子145之间测得的、特别是谐振单元150的第二电容器152上的直接第二一次电压235减小。这些直接第一一次电压231和直接第二一次电压235减小，或者换句话说，这些第一电容器151和第二电容器152放电使流过第二二次晶体管176的反向第二二次电流276和流过谐振单元150、特别是电感器153的直接谐振电流251线性地增大，直到达到如图6和图33上的最大直接谐振电流251为止。
在第一下降沿处，第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176关断，并且它的电位变化的时间速率可以由其固有特性、特别是其栅极电阻器控制。换句话说，第二二次晶体管176的电位变化的时间速率可以通过栅极电阻器调整以达到预定值。
在第一下降沿上的所述输出二次电压203的预定比、关断第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176的选择使谐振单元150以及一次开关布置130和二次开关布置170中的谐振电流减小。因此，第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176内部的功率损耗可以被优化，以使它们的热循环最小化。
不同于以硬开关工作的普通晶体管，功率转换器100的第二二次开关单元175由于电感器153，可能不能应用负载上的变化的快速时间速率。第二二次开关单元175上的直接第二二次电压275一达到输出二次电压203，第一二次开关单元171、特别是第一二次二极管173就导通，并且如图6上那样，在整个电感器上流动的直接谐振电流251开始减小。
第一下降沿在这种情况下可以持续大约40ns，并且如前所述，直接谐振电流251达到最大直接谐振电流251。
已经提及的谐振阶段以初始条件和V235＝50％*V203进行，其中：
并且
为了重新开始第一升压步骤，直接第一一次电流233从一次端子110通过第一一次开关单元131流到二次端子190，并且达到最小第一一次电流，在一次端子110和公共端子145之间测得的直接第二一次电压235下降，直接谐振电流251从一次端子110通过谐振单元150流到公共端子145，并且达到最小直接谐振电流251，反向第二一次电流236从一次端子110通过第二一次开关单元135流到公共端子145，并且可以不同于参考反向第二一次电流236。
图7表示第一升压步骤的结束和第一升压中间的开始，其中第一电容器151和第二电容器152可以经由第一二次开关单元171、特别是经由第一二次二极管173被加载。此刻，直接谐振电流251可以等于第一上升沿处的一次电感器111的输入一次电流202，并且第二电容器152上的直接第二一次电压235可以等于零。如图8中所描绘的，第二一次开关单元135、特别是第二一次晶体管136中的第二一次二极管137通过最小直接第二一次电流237导通。如在图33上可以观察到的，该阶段的持续时间[t3,t4]可以等于
第一升压步骤和第二升压步骤的第二上升沿之间的这个时间段可以被称为第一升压中间步骤。在这个第一升压中间步骤中，如图33上所示，直接第一一次电流233达到参考第一一次电流，直接第二谐振电压达到参考直接第二谐振电压，直接谐振电流251下降，并且反向第二一次电流236达到最小反向第二一次电流236。
在图9上，第二一次开关单元135可以被导通，并且第二一次二极管137和第二一次晶体管136可以在零电压下同时传导，因为第二一次二极管137的阈值电压补偿第二一次晶体管136的阈值电压。因此，第二一次开关单元135的导通能量损耗可以几乎为零或可忽略不计的。
在图9上总是地，由于第一二次开关单元171(特别是第一二次二极管173)和第二一次开关单元135(特别是第二一次二极管137)的传导，如图33上所示，直接谐振电流251开始减小，并且谐振单元150的能量(特别是电感器153的能量)可以被朝向二次端子190传送。
以下规则给出流过第一二次二极管173的强度变化的时间速率(di/dt)：
第二一次二极管137一传导，第二一次晶体管136就可以被接通，第二升压步骤就开始，并且可以包括当第二一次晶体管136可以被接通时的第二上升沿和当第二一次晶体管136可以被关断时的第二下降沿。
如图10上所描绘的，如以下规则所示，第二一次晶体管136上的电流(被称为第二一次电流236)自从直接谐振电流251减小以后增长以达到第一上升沿处的输入一次电流值：
反向第二一次电流236一达到第一上升沿处的第一一次电流值，第二升压步骤就运行，并且第二一次晶体管136时间传导就可以通过与如图11上所示的大约50％的占空比D相对应的控制命令而给出。
在图12上，占空比D的结束可以被表示，第二一次开关单元135、特别是第二一次晶体管136可以被关断，并且关断能量(简称为EOFF)损耗可以减小，因为如同一图上所示，电流流过第一电容器151和第二电容器152。
在第二升压步骤结束时，即，在第二下降沿处，第二一次晶体管136关断，直接第二一次电流237下降可能是来自第二一次晶体管136与第一电容器和第二电容器152的双极晶体管的尾电流之间的组合：
事实上，电位变化的时间速率可以取决于一次开关单元技术，特别是第一一次开关单元131和第二一次开关单元135以及它们的结温度。当结温度升高时，尾电流增大。稍后将描述该损耗。
图33继续第二升压步骤，其中第二一次开关单元135可以被接通，并且直接第一一次电流233保持为所述参考第一一次电流，直接第二谐振电压保持为所述参考直接第二谐振电压，直接谐振电流251达到参考直接谐振电流251，反向第二一次电流236达到最大反向第二一次电流236。第二升压中间步骤也可以继续，并且描述直接第一一次电流233保持为所述参考第一一次电流，直接第二谐振电压增大，直接谐振电流251保持为所述参考直接谐振电流251，反向第二一次电流236下降。
第一电容器151和第二电容器152一旦可以通过一次电流充电，图13，第三升压步骤就开始，并且第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172就导通：这可以是第三上升沿。在本功率转换器100中，第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172的传导使第一电容器151和第二电容器152放电，并且如13所示，电流流过电感器。[t8,t9]持续时间示出该序列。因此，一次开关单元在零电压下总是导通。
在第一电容器和第二电容器152充电之后不久，如图13上所表示的，第一一次开关单元131、特别是第一一次二极管133传导。
在第三下降沿上，如图16上所描绘的，第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172可以被关断，并且电感器可以通过第一一次开关单元131(特别是通过第一一次二极管133)和第二二次开关单元175(特别是通过第二二次二极管177)放电。
在这个第三升压步骤中，第一二次开关单元171可以被接通，并且直接第一一次电流233达到最大第一一次电流，直接第二谐振电压达到最大直接第二谐振电压，直接谐振电流251从一次端子110通过谐振单元150流到二次端子190，反向第二一次电流236达到所述参考反向第二一次电流236。
在第三下降沿和第四上升沿之间，如图33所示，第三升压中间步骤发生，其中直接第一一次电流233保持为所述最大第一一次电流，直接第二谐振电压保持为所述最大直接第二谐振电压，直接谐振电流251从一次端子110通过谐振单元150流到二次端子190，反向第二一次电流236保持为所述参考反向第二一次电流236。
图33还示出了第四升压步骤，其中所述第一一次开关单元131可以被接通，并且直接第一一次电流233保持为所述最大第一一次电流，直接第二谐振电压保持为所述最大直接第二谐振电压，直接谐振电流251从一次端子110通过谐振单元150流到二次端子190，反向第二一次电流236保持为所述参考反向第二一次电流236。
第一一次开关单元131、特别是第一一次二极管133在第四升压中间步骤期间传导，其中如图17上所示，直接第一一次电流233保持为所述最大第一一次电流，直接第二谐振电压保持为所述最大直接第二谐振电压，直接谐振电流251从一次端子110通过谐振单元150流到二次端子190，反向第二一次电流236保持为所述参考反向第二一次电流236，并且时间段阶段可以完成。
此外，在第一升压步骤和第三升压步骤期间，如以下方程所示，功率损耗可以是由于第一二次开关单元171和第二二次开关单元175的传导时间、其固有电容器的放电以及关断能量而导致的：
根据图33所示的控制序列，并且根据图2所示的谐振电路150，动态功率损耗(即，一次开关单元130的导通EON1和二极管功能的关断ERR1时的动态功率损耗)由于软开关而为零，并且一次开关单元130的关断EOFF1的动态功率损耗由于软开关而减小接近于2的比率。因此，传导中的功率损耗和减小的动态功率损耗(在数学上表达为EON1＝ERR1＝0并且EOFF1/2)包含让半导体开关130以远远超过寻常的开关频率的开关频率工作，对于1.7KV IGBT来说，寻常的开关频率通常接近于2或3kHz。
对于在110A下工作并且具有13kHz的开关频率(这意味着比寻常的频率高4.5倍)的应用，一次开关单元130(例如，IGBT)中的焦耳功率损耗对于静态传导功率损耗，等于165W，对于动态开关功率损耗，等于377W。实际上，与来自硬开关值的EOFF1相比，本发明中的一次开关单元130的关断EOFF1除以2。
二次开关单元170的二极管功能的导通EON2和关断ERR2的动态功率损耗为零，因为谐振电路150移除了在软开关导致的这些动态功率损耗。传导功率损耗低，因为如图33所示，二次开关单元170在开关时段的接近于1/50的时间比内通过电流流过，图33突出显示电流ILR流过电感器153，同一电流流过二次开关单元170，特别是，同一电流IML在序列[t2；t0]期间流过第二二次晶体管176。通常，传导损耗对于110A的电流，接近于6W，并且在硬开关期间二次开关单元170的关断EOFF2时的动态损耗等于51W。
因此，一次开关单元130中的功率焦耳损耗等于542W，比二次开关单元170高9.5倍，二次开关单元170中的功率焦耳损耗等于57W。
为了比较，一次开关单元130在没有与其谐振电路150相关联的二次开关单元170的情况下，在13kHz下将达到接近于2323W的功率损耗，2323W的功率损耗是由165W的传导功率损耗和换向期间的2158W的动态功率损耗给出，即，(58mJ+53mJ+55mJ)x 13kHz。因为本领域技术人员知道结温度将远远超过IGBT半导体组件所允许的限制，所以这样的装置不能工作。
因此，其特征在于一次开关单元130的一次动态开关损耗大于二次开关单元170的二次动态开关损耗的本发明提供以下可能性，即，一方面，与本领域的现状相比，使功率转换器的总功率损耗减小等于四的比率，另一方面，对于IGBT 1.7kV，使开关频率可以增大等于四的比率。
用构成二次开关单元170的半导体的材料实现一次开关单元130是没有经济意义的，因为一次开关单元130的功能的价格按1.8€算将被估计为810€，即，二次开关单元170的(450mm2/36mm2)12.5倍，与本发明相比，被估计为大约92€，即，按0.06€算的一次开关单元130的450mm2和按1.8€算的二次开关单元170的36mm2合计为92€；这是比率八。
前面的分析和比较可以用1.2kV IGBT、或一次开关单元130中包括的具有低于二次开关单元170的传导功率损耗并且具有低于二次开关单元170的动态功率损耗的其他种类的组件来进行。
图34示出最大增量温度ΔT＝PMOSFETxRth(j-h)对并联连接的n个SiC功率MOSFET。为了避免由于热循环而导致的第一二次晶体管172和/或第二二次晶体管176的老化，可以考虑等于20℃的最大差值温度。在这种情况下，TO247封装件足以使功率转换器100具有等于63W的输出功率。
尽管直接第一二次电压271和直接第二二次电压275可能几乎等于950V，但是第一二次晶体管172和第二二次晶体管176由于它们对宇宙线的高抗扰度，可以被使用。
功率转换器100中所用的零电压开关方法去除了EON能量。然而，EOFF和ERR对功率损耗做出贡献。当第二一次晶体管136在第二上升沿和第二下降沿之间可以导通时，与第二一次晶体管136并联的第二一次二极管137的ERR保持其恢复电荷。当直接第二一次电压235上升时，在第二下降沿处可能的是，其电荷将被转移，包含第二一次二极管137中的功率损耗。
然而，ERR能量与EOFF相比可能很低。EOFF对应于第一一次晶体管132和/或第二一次晶体管136的双极晶体管的电荷的重新组合。该现象可以被称为尾电流。图34示出当第一二次晶体管172或第二一次晶体管136关断时EOFF和ERR的能量Etotal。
当电流可以用功率转换器的外部探针测得时，尾电流可以是直接第二一次电流237和反向第二一次电流236的求和。
功率转换器100可以被用在竞争激烈的市场中的具有许多热循环的、需要高集成、高可靠性和高效率的所有应用上。
降压处理的描述
以下描述示出了当功率转换器100像降压功率装置100那样工作并且实现降压处理(这可以意味着能源可以连接到二次端子190和公共端子145并且负载可以连接到一次端子110和公共端子145)时的序列。为了阅读方便和更好地理解，可以关断的开关和谐振单元150可以是虚线，可以导通的其他单元可以用实线绘制。
在本发明中，通过“关断”和“无电流”，我们意指几乎没有电流流动，低于或等于1mA或流动电流的电流可能不是预期的。另一方面，通过“导通”，我们意指电流流动，高于1mA或流动电流的电流可以是预期的。
此外，术语直接和反向可以仅仅是用于为了阅读方便，并且可以指示图的方向上的分别地向上和向下以及分别地右边和左边。
此外，通过术语“负载”，我们意指变换或消耗电能的所有的电子/电气装置，比如马达、蓄电池、超级电容器或电阻器，但不限于此，并且通过“源”，我们意指供应电能的所有的能量供应器，比如例如马达、蓄电池或超级电容器，但不限于此。
在初始步骤期间，直接第二一次电流237从能源通过一次电感器111和一次开关布置130流到一次端子110。具体地说，第二二次电流通过一次电感器111流到二次端子190，并且一次开关单元中的至少一个可以包括在一次开关布置130中，优选地包括在第二一次开关单元135中。没有电流在其他单元中流动，这可以意味着没有电流流过第一一次开关单元131，可以包括在一次开关单元、谐振单元150和二次开关单元中。
如图21中所描绘的，直接第二一次电流237从二次端子190通过第一一次开关单元131的第二一次二极管137流到一次端子110。
在该初始步骤之后，第一降压步骤发生，其中如图22中所描绘的，二次开关单元可以被接通，特别是第一二次开关单元171，优选地第一二次晶体管172，这使得第二二次电流可以作为反向直接谐振电流251流过谐振单元150并且作为反向第一二次电流272流过第一二次开关单元171。这个第一降压步骤可以包括当第一二次晶体管172可以被接通时的第一上升沿和当第一二次晶体管172可以被关断时的第一下降沿。同时，直接第二一次电流237减小，并且达到可以低于第二一次参考电流的最小第二一次电流。通常，第二一次参考电流可以几乎为0A。
当第二一次二极管137关断时，直接第二一次电流237缓慢地减小，这可以意味着随着直接第二一次电流237的电流变化的时间速率di/dt，反向恢复能量ERR可以显著地减小。
反向第一二次电流272和反向直接谐振电流251的这个线性增大可能是由于二次电流而导致的，二次电流可以被认为在第一降压步骤期间是常数。前面所示的方程也适用于降压处理中，但是不同之处可以是V203取代V201并且V293取代V291。
第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172在零电流下导通，并且仅使它自己的固有电容器放电。
谐振单元150上的、特别是第一电容器和第二电容器152上的反向第一一次电压102由于谐振阶段而减小。电感器上的电位变化的时间速率dv/dt可以由谐振单元150、特别是电感器的自然频率ω0以及第一电容器和第二电容器152选定。
如前所述，反向直接谐振电流251在第一降压步骤期间上升。第一电容器151上的电压(即，在一次端子110和公共端子145之间测得的直接第一谐振电压)一达到第二一次电压的预定比，例如，所述第二一次电压的预定比可以包括20％和80％之间，特别是40％和60％，优选地45％和55％之间，第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172就可以被关断。该持续时间也可以等于可能有必要明确的是，特定效果在所述第二一次电压的预定比等于50％加上或减去1个百分点时实现。
当可以达到所述第二一次电压的预定比时，第一二次晶体管172可以被关断，从二次端子190通过谐振单元150流到公共端子145的反向直接谐振电流251达到直接谐振电流251最大值。
之后不久，如图23所示，在一次端子110和二次端子190之间测得的、特别是谐振单元150的第一电容器151上的直接第一一次电压231以及在一次端子110和公共端子145之间测得的、特别是谐振单元150的第二电容器152上的直接第二一次电压235减小。这些直接第一一次电压231和直接第二一次电压235减小，或者换句话说，这些第一电容器和第二电容器152放电使流过第一二次晶体管172的反向第一二次电流272和流过谐振单元150、特别是电感器的反向直接谐振电流251线性地增大，直到达到如图24上的最大直接谐振电流251为止。
在第一下降沿处，第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172关断，并且它的电位变化的时间速率可以由其固有特性、特别是其栅极电阻器控制。换句话说，第一二次晶体管172的电位变化的时间速率可以通过栅极电阻器调整以达到预定值。
在第一下降沿上的所述输出二次电压的预定比、关断第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172的选择使谐振单元150以及一次开关布置和二次开关布置中的反向谐振电流减小。因此，第一二次开关单元171、特别是第一二次晶体管172内部的功率损耗可以被优化，以使它们的热循环最小化。
不同于以硬开关工作的普通晶体管，功率转换器100的第一二次开关单元171由于电感器，可能不能应用负载上的变化的快速时间速率。第一二次开关单元171上的直接第一二次电压271一达到第二一次电压，第二二次开关单元175、特别是第二二次二极管177就导通，并且如图4上那样，在整个电感器上流动的反向直接谐振电流251开始减小。
第一下降沿在这种情况下可以持续大约40ns，并且如前所述，第二谐振电流达到最大第二谐振电流。
图25表示第一降压步骤的结束和第一降压中间的开始，其中第一电容器和第二电容器152可以经由第二二次开关单元175、特别是经由第二二次二极管177被加载。此刻，第二谐振电流可以等于第一上升沿处的一次电感器111的反向一次电流，并且第一电容器151上的直接第一一次电压231可以等于零。如图26中所描绘的，第一一次开关单元131、特别是第一一次晶体管132中的第一一次二极管133通过最小直接第一一次电流233导通。该阶段的持续时间也可以等于
在图27上，第一一次开关单元131可以被导通，并且第一一次二极管133和第一一次晶体管132可以在零电压下同时传导，因为第一一次二极管133的阈值电压补偿第一一次晶体管132的阈值电压。因此，第一一次开关单元131的导通能量损耗可以几乎为零或可忽略不计的。
在图27上总是地，由于第二二次开关单元175(特别是第二二次二极管177)和第一一次开关单元131(特别是第一一次二极管133)的传导，第一反向谐振电流开始减小，并且谐振单元150的能量(特别是电感器的能量)可以被朝向一次端子110传送。
以下规则给出流过第二二次二极管177的电流的变化的时间速率di/dt。
第一一次二极管133一传导，第一一次晶体管132就可以被接通，第二升压步骤就开始，并且可以包括当第一一次晶体管132可以被接通时的第二上升沿和当第一一次晶体管132可以被关断时的第二下降沿。
如图28上所描绘的，如以下规则所示，第一一次晶体管132上的电流(被称为第一一次电流)自从反向直接谐振电流251减小以后增长以达到第一上升沿处的第二二次电流值。
反向第一一次电流一达到第一上升沿处的第二二次电流值，第二降压步骤就运行，并且第一一次晶体管132时间传导就可以通过与如图29上所示的占空比D相对应的控制命令而给出。
在图30上，占空比D的结束可以被表示，第一一次开关单元131、特别是第一一次晶体管132可以被关断，并且关断能量损耗可以减小，因为如同一图上所示，电流流过第一电容器和第二电容器152。
在第二降压步骤结束时，即，在第二下降沿处，第一一次晶体管132关断，直接第一一次电流233下降可能是来自第一一次晶体管132与第一电容器和第二电容器152的双极晶体管的尾电流之间的组合。
事实上，电位变化的时间速率可以取决于一次开关单元技术，特别是第一一次开关单元131和第二一次开关单元135以及它们的结温度。当结温度升高时，尾电流增大。稍后将描述该损耗。
第一电容器和第二电容器152一可以通过二次电流充电，图31，第三降压步骤就开始，并且第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176就导通：这可以是第三上升沿。在本功率转换器100中，第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176的传导使第一电容器和第二电容器152放电，并且如图31所示，电流流过电感器。因此，一次开关单元在零电压下总是导通。
在第一电容器和第二电容器152充电之后不久，如图32上所表示的，第二一次开关单元135、特别是第二一次二极管137传导。
在第三下降沿上，如图34上所描绘的，第二二次开关单元175、特别是第二二次晶体管176可以被关断，并且电感器可以通过第二一次开关单元135(特别是通过第二一次二极管137)和第一二次开关单元171(特别是通过第一二次二极管173)放电。
第二一次开关单元135、特别是第二一次二极管137如图35上所示那样传导，并且时间段阶段可以完成。
此外，在第一降压步骤和第三降压步骤期间，如以上方程所示，功率损耗可能是由于第二二次开关单元175和第一二次开关单元171的传导时间、其固有电容器的放电和关断能量而导致的。

Claims (15)

1.一种升压或降压功率转换器(100)，所述升压或降压功率转换器(100)用于分别将具有输入一次电压(201)和输入一次电流(202)的输入一次功率转换为具有输出二次电压(203)和输出二次电流(204)的输出二次功率或者将具有所述输入二次电压(291)和输入二次电流(292)的输入二次功率转换为具有输出一次电压(293)和第二一次电流(294)的输出一次功率；所述功率转换器(100)包括至少一个：
-一次开关布置(130)，所述一次开关布置(130)包括具有一次动态开关损耗的至少一个一次开关单元(131，135)；
-二次开关布置(170)，所述二次开关布置(170)包括具有二次动态开关损耗的至少一个二次开关单元(171，175)；以及
-谐振单元(150)，所述谐振单元(150)连接所述至少一个一次开关单元(131，135)和所述至少一个二次开关单元(171，175)；
所述一次动态开关损耗高于所述二次动态开关损耗。
2.根据权利要求1所述的功率转换器(100)，其中所述谐振单元(150)可以包括至少一个电感器(153)和一个电容器(151，152)。
3.根据权利要求1或2所述的功率转换器(100)，其中所述一次开关布置(130)可以至少包括第一一次开关单元(131)和第二一次开关单元(135)，和/或其中所述二次开关布置(170)可以至少包括第一二次开关单元(171)和第二二次开关单元(175)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换器(100)，其中一次开关布置(130)的尺寸大于二次开关布置(170)的尺寸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换器(100)，其中所述至少一个一次开关单元(131，135)是栅关断晶闸管、绝缘栅双极晶体管、场效应晶体管和/或金属-氧化物-半导体场效应晶体管，和/或所述至少一个二次开关单元(171，175)是场效应晶体管和/或金属-氧化物-半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换器(100)，所述功率转换器(100)可以包括至少一个：
-一次端子(110)：所述一次端子(110)被配置为将一次电组件(901)连接到所述功率转换器(100)；
-二次端子(190)：所述二次端子(190)被配置为将二次电组件(902)连接到所述功率转换器(100)；
-公共端子(145)：所述公共端子(145)被配置为将所述一次电组件(901)连接到所述二次电组件(902)；
所述一次开关布置(130)连接到所述一次端子(110)、所述二次端子(190)和所述公共端子(145)，并且所述二次开关布置(170)连接到所述二次端子(190)和所述公共端子(145)。
7.一种升压或降压处理(501，502)，所述升压或降压处理(501，502)用于分别将具有输入一次电压(201)和输入一次电流(202)的输入一次功率转换为具有输出二次电压(203)和输出二次电流(204)的输出二次功率或者将具有所述输入二次电压(291)和输入二次电流(292)的输入二次功率转换为具有输出一次电压(293)和第二一次电流(294)的输出一次功率；所述升压或降压处理(501，502)至少包括以下步骤：
-提供根据权利要求1至6所述的功率转换器(100)；
-当所述至少一个一次开关单元(131，135)上的电压分别达到所述输出二次电压(203)或所述输出一次电压(293)的预定比时，关断至少一个二次开关单元(171，175)。
8.根据权利要求7所述的升压或降压处理(501，502)，其中所述输出二次电压(203)或所述输出一次电压(293)的所述预定比分别可以包括20％和80％之间，特别是40％和60％之间，优选地45％和55％之间。
9.根据权利要求7或8所述的升压或降压处理(501，502)，其中所述至少一个一次开关单元(131，135)上的所述电压是所述至少一个电容器(151，152)上的电压。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的升压或降压处理(501，502)，其中所述至少一个二次开关单元(171，175)可以包括控制所述关断步骤的时间的固有特性。
11.根据权利要求10所述的升压或降压处理(501，502)，其中所述固有特性是所述至少一个二次开关单元(171，175)的门电阻器。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的升压或降压处理(501，502)，其中所述至少一个一次开关单元(131，135)上的所述电压达到所述二次端子(190)和所述一次端子(110)之间的电压。
13.根据权利要求7至11中任一项所述的升压或降压处理(501，502)，其中所述至少一个一次开关单元(131，135)上的所述电压达到所述一次端子(110)和所述公共端子(145)之间的电压。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的升压或降压处理(501，502)，其中所述谐振单元(150)的电流达到最大谐振电流。
15.根据权利要求7至14中任一项所述的升压或降压处理(501，502)，所述升压或降压处理(501，502)可以包括当所述至少一个一次开关单元(131，135)上的所述电压达到最小电压时接通所述至少一个一次开关单元(131，135)的步骤。
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