專利名稱：軟切換功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC/DC和AC/DC功率變換器。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種在其所有半導(dǎo)體元件中都有軟切換的DC/DC和AC/DC功率變換器。
背景技術(shù)：
升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于各種AC/DC和DC/DC變換器應(yīng)用中。事實(shí)上，升壓技術(shù)現(xiàn)在大多數(shù)用在具有功率因數(shù)補(bǔ)償(PFC)的DC/DC電源的前端。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還用在使用電池供電的低輸入電壓來(lái)產(chǎn)生高輸出電壓的多種應(yīng)用中。在較高的功率電平上，連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)升壓變換器是具有PFC的前端的優(yōu)選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，近年來(lái)，為了改善高功率升壓變換器的性能而進(jìn)行了大量努力。這些開(kāi)發(fā)工作集中在減小影響升壓整流器的變換效率和電磁兼容性(EMC)的不利的反向恢復(fù)(reverse-recovery)特性方面。
一般說(shuō)來(lái)，與反向恢復(fù)相關(guān)的損耗和EMC問(wèn)題可以通過(guò)以一個(gè)受控的斷開(kāi)電流率(controlled turn-off current rate)對(duì)升壓變換器進(jìn)行“軟”切換來(lái)達(dá)到最小。已提出許多軟切換升壓變換器，它們使用額外的元件構(gòu)成一個(gè)緩沖電路(無(wú)源的或有源的)來(lái)控制升壓整流器中斷開(kāi)電流的變化率。在無(wú)源緩沖電路中，只使用無(wú)源元件如電阻、電容器、電感器和整流器。在有源緩沖電路(snubber circuit)中，除了無(wú)源元件，還使用一個(gè)或多個(gè)有源開(kāi)關(guān)。盡管無(wú)源無(wú)耗緩沖器可以提高效率，但它的性能使它不適合用于高性能的PFC電路應(yīng)用中。一般說(shuō)來(lái)，無(wú)源無(wú)耗緩沖電路受增加的元件數(shù)量的影響，并且它很難與升壓開(kāi)關(guān)的軟切換一起工作，這對(duì)需要高切換頻率的高密度應(yīng)用是不利的。
某些有源緩沖器可以同時(shí)減小反向恢復(fù)損耗，并提供升壓開(kāi)關(guān)軟切換。但是，這些有源緩沖器中的大多數(shù)提供了升壓整流器中的軟關(guān)斷、升壓開(kāi)關(guān)中的零電壓切換(ZVS)和有源緩沖開(kāi)關(guān)中的“硬”切換。實(shí)現(xiàn)了所有半導(dǎo)體元件的軟切換(如，升壓整流器中的軟關(guān)斷、升壓開(kāi)關(guān)中的ZVS和有源緩沖開(kāi)關(guān)中的零電流切換(ZCS))的有源緩沖器是所期望的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，一種新型軟切換升壓變換器包括一個(gè)有源緩沖器以提供所有半導(dǎo)體元件的軟切換。更具體地，整流器中的電流(“斷開(kāi)電流”)以一個(gè)受控速率被切斷，開(kāi)關(guān)在零電壓切換(ZVS)的條件下關(guān)閉，有源緩沖器中的輔助開(kāi)關(guān)在零電流切換(ZCS)的條件下打開(kāi)。結(jié)果，切換損耗被減小了，并且對(duì)變換效率和EMC性能都有有利影響。
在一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)電路可以包括具有一個(gè)兩線圈變壓器的有源緩沖器、輔助開(kāi)關(guān)、阻塞二極管、和用于復(fù)位變壓器磁能的電壓鉗位電路(voltage-clamp circuit)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，該有源緩沖電路包括一個(gè)三線圈變壓器，該三線圈變壓器除了提供所有半導(dǎo)體設(shè)備的軟切換外，還生成一個(gè)獨(dú)立的輔助電源。
在一個(gè)實(shí)施例中，功率變換器包括耦合于功率變換器的輸入端的存儲(chǔ)電感器；用于對(duì)存儲(chǔ)電感器進(jìn)行充電和放電的第一開(kāi)關(guān)；包括第二開(kāi)關(guān)的有源緩沖器；可操作地耦合于存儲(chǔ)電感器、有源緩沖器、和輸出端子以將能量從存儲(chǔ)電感器轉(zhuǎn)移到輸出端子的整流器；和控制電路。該控制電路通過(guò)一個(gè)切換周期來(lái)控制第一和第二開(kāi)關(guān)，使得第二開(kāi)關(guān)關(guān)閉以引起整流器中的電流從整流器中轉(zhuǎn)向有源緩沖器，以便第一開(kāi)關(guān)在一個(gè)實(shí)質(zhì)上的零電壓條件下關(guān)閉，并且依次使得第二開(kāi)關(guān)在一個(gè)實(shí)質(zhì)上的零電流條件下打開(kāi)。有源緩沖器可以作為功率變換器中的任何穩(wěn)定DC電壓，如輸出端的電壓、輸入端的電壓、存儲(chǔ)電感器的一個(gè)端子的電壓、或者電源的負(fù)軌道(negative rail)。
在一個(gè)實(shí)施例中，有源緩沖器包括一個(gè)電壓鉗位電路，該電壓鉗位電路包括一個(gè)變壓器、一個(gè)電容器和一個(gè)電阻。變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比值可以小于0.5。其中變壓器的漏電感太小而不能在整流器中提供期望的斷開(kāi)電流，可以在存儲(chǔ)電感器和電壓鉗位電路之間耦合一個(gè)預(yù)定電感值的外部緩沖電感器。有源緩沖器還可以由一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的電源，各個(gè)電源可以獨(dú)立于輸出端電壓而被調(diào)節(jié)。
本發(fā)明適用于大量變換器結(jié)構(gòu)，如升壓變換器(boost converter)、正向變換器、降壓變換器(buck converter)或降壓/升壓變換器結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明既適用于DC又適用于AC電源。在一個(gè)實(shí)施例中，在本發(fā)明用于AC電源的功率變換的情況下，第一開(kāi)關(guān)和整流器作為全波整流器的一部分。本發(fā)明還適用于單相和三相電源。
根據(jù)下面的詳細(xì)描述和附圖可以更好地理解本發(fā)明。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的軟切換升壓電路100。
圖2顯示了圖1的軟切換升壓電路100的簡(jiǎn)化電路模型200。
圖3(a)-3(k)是在一個(gè)切換周期期間圖2的電路模型200的拓?fù)潆A段。
圖4(a)-4(k)顯示了在圖3(a)-(k)的切換周期期間電路模型200的主要波形。
圖5顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有分離的或外部緩沖電感器501的軟切換升壓變換器500。
圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有連接于負(fù)軌道的電壓鉗位電路602的軟切換升壓變換器600。
圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有連接于輸入源的電位鉗位電路702的軟切換升壓變換器700。
圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有連接于變壓器的初級(jí)線圈的電壓鉗位電路802的軟切換升壓變換器800。
圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有電壓鉗位電路902的軟切換升壓變換器900。
圖10顯示了提供一個(gè)集成的輔助的獨(dú)立電源的軟切換升壓變換器1000。
圖11在概念上顯示了具有圖10的電路1000的兩個(gè)環(huán)路控制的電路1100，調(diào)節(jié)升壓變換器1000的輸出電壓和輔助電源中的電壓VAUX。
圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的集成有全波整流器的單相AC/DC升壓變換器1200。
圖13顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的集成有全波整流器的單相AC/DC升壓變換器1300。
圖14顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的集成有全波整流器的單相AC/DC升壓變換器1400。
圖15顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的具有DC軌道二極管(DC-raildiode)110的三相AC/DC升壓變換器1500。
圖16顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的對(duì)于每一相具有獨(dú)立的升壓整流器的三相AC/DC升壓變換器1600。
圖17顯示了根據(jù)本發(fā)明的具有輔助電源輸出的三相AC/DC升壓變換器1700。
圖18顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括有源緩沖電路1807的降壓變換器1800。
圖19顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括有源緩沖電路1907的降壓/升壓變換器1900。
圖20顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括有源緩沖電路2007的正向變換器2000。
圖21顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括有源緩沖電路2107的回掃變換器(flyback converter)2100。
圖22顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括有源緩沖電路2207的雙電感器升壓變換器2200。
圖23顯示了提供具有輔助開(kāi)關(guān)Saux的集成輔助獨(dú)立電源的軟切換升壓變換器1000。它還從概念上顯示了電路2300的雙環(huán)控制，該雙環(huán)控制可以調(diào)整升壓變換器1000的輸出電壓和輔助電源中的電壓Vaux。
為了方便在附圖中的參考，圖中相同的對(duì)象被分配了相同的參考數(shù)字。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的軟切換升壓電路100。軟切換升壓電路100包括提供輸入電壓VIN的電壓源101、升壓電感器102(電感值LB)、升壓開(kāi)關(guān)103、升壓整流器104、儲(chǔ)能電容器105(電容值CB)、負(fù)載106(電阻值RL)和由輔助開(kāi)關(guān)108、變壓器109、阻塞二極管110組成的有源緩沖電路107以及由電阻111(電阻值RC)、鉗位電容器112(電容值CC)和二極管113組成的鉗位電路115。為了方便解釋軟切換升壓電路100中的電路運(yùn)行，圖2提供了軟切換升壓電路100的具有電壓和電流參考指示方向的簡(jiǎn)化電路模型200。
通過(guò)假定儲(chǔ)能電容器105的電容值CB以及鉗位電容器112的電容值CC足夠大，使得通過(guò)每個(gè)電容器的電壓波動(dòng)(voltage ripple)與它們的DC電壓相比很小，在圖2中，電壓源201和202分別模擬儲(chǔ)能電容器105和鉗位電容器112。另外，通過(guò)假定電感值LB足夠大，而使得在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)通過(guò)升壓電感器102的電流變化不大，恒流源IIN模擬升壓電感器102。同樣，通過(guò)泄漏電感器203(電感值LLK)、磁化電感器204(電感值LM)和理想變壓器205(匝數(shù)比n=N1N2]]>)的結(jié)合來(lái)模擬圖1的變壓器109。在“導(dǎo)通”狀態(tài)，假定半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件表現(xiàn)零阻抗(即它們是短路電路)。但是，開(kāi)關(guān)的輸出和結(jié)電容以及相關(guān)整流器的反向恢復(fù)充電值以非零值來(lái)模擬。
圖3(a)-(k)是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)圖2的電流模型200的各個(gè)拓?fù)潆A段。電路模型200的主波形如圖4(a)-(k)所示。圖4(a)-(k)中繪出的電流和電壓的參考方向在圖2中有注釋。圖4(a)和4(b)分別顯示了提供給升壓開(kāi)關(guān)103和輔助開(kāi)關(guān)108的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1和S的波形401和402。根據(jù)本發(fā)明，軟切換升壓電路100在驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1和S交疊的情況下工作。例如，如圖4(a)和4(b)所示，在開(kāi)關(guān)103的信號(hào)S在時(shí)刻T3和T4之間導(dǎo)通之前，輔助開(kāi)關(guān)108的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1在時(shí)刻T0導(dǎo)通(即，驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1處于一個(gè)關(guān)閉輔助開(kāi)關(guān)108的電壓)。但是，在升壓開(kāi)關(guān)103的信號(hào)S切斷之前，開(kāi)關(guān)108的信號(hào)S1是切斷的(即，驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1處于一個(gè)打開(kāi)輔助開(kāi)關(guān)108的電壓)。
在開(kāi)關(guān)108的信號(hào)S1在時(shí)刻T0導(dǎo)通之前，升壓開(kāi)關(guān)103和輔助開(kāi)關(guān)108都是打開(kāi)的，輸入電流iIN全部通過(guò)升壓整流器104流入負(fù)載106。如圖3(a)所示，在開(kāi)關(guān)108在時(shí)刻T0關(guān)閉后，電流i1(波形405，圖4(e))流入變壓器109的初級(jí)線圈N1，從而在次級(jí)線圈N2中感應(yīng)電流i2。在圖3(a)中表示了時(shí)刻T0和T1之間的電路狀態(tài)，輸出電壓V0(即，電壓源201上的電壓)施加到理想變壓器205的線圈N2。結(jié)果，理想變壓器205的初級(jí)和次級(jí)上的變壓器的線圈電壓v1和v2分別由下面的等式給出v2＝V0， (1)v1=N1N2V0=nV0----(2)]]>其中n=N1N2<1.]]>因?yàn)槔硐胱儔浩?05的初級(jí)線圈上的電壓v1假定在本質(zhì)上恒定，所以施加于變壓器109的泄漏電感LLK上的電壓實(shí)質(zhì)上也是恒定的，以便電流i1(波形405，圖4(e))按下面的斜率線性增加di1dt=V0-v1LLK=V0-nV0LLK=(1-n)V0LLK.----(3)]]>同時(shí)，變壓器109的磁化電感器電流iM(波形408，圖4(h))也按下面的斜率增加
diMdt=V0LM,----(4)]]>所以輔助開(kāi)關(guān)108的電流iS1(波形406，圖4(f))由下式給定iS1=i1-i2+iM=i1-N1N2i1+iM=(1-n)·i1+iM----(5)]]>使用理想變壓器205中初級(jí)和次級(jí)電流之間的關(guān)系(即，N1i1＝N2i2)，以及考慮阻塞二極管113反向偏置(即，開(kāi)路)。
當(dāng)升壓開(kāi)關(guān)103打開(kāi)時(shí)，在理想變壓器205的初級(jí)線圈中的電流i1線性增加時(shí)，升壓整流器104中的電流iD(波形410，圖(4j))以相同的速率減小，而電流i1和iD之和等于恒定輸入電流IIN(即，i1+iD＝IIN)。因此，電路100的升壓整流器104中的電流iD的斷開(kāi)速率(turn-off rate)由下式給出diDdt=-(1-n)V0LLK----(6)]]>根據(jù)等式(6)，升壓整流器104中的斷開(kāi)電流率可以由恰當(dāng)設(shè)計(jì)的變壓器109來(lái)控制。特別是，改變的斷開(kāi)電流率由漏電感LLK和匝數(shù)比n決定。對(duì)于當(dāng)前的快速恢復(fù)整流器，改變的斷開(kāi)升壓整流器電流率 可以保持在100A/μs附近。
在時(shí)刻T1，升壓整流器電流iD下降為零。由于升壓整流器104中存儲(chǔ)的電荷，升壓整流器電流iD在時(shí)刻T1和T2之間繼續(xù)反向流動(dòng)(“反向恢復(fù)電流”)，如圖3(b)和4(j)所示。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于一個(gè)為變壓器109恰當(dāng)選擇的漏電感值LLK和匝數(shù)比n，與沒(méi)有升壓整流器斷開(kāi)電流率控制的電路中的反向恢復(fù)電流相比，此反向恢復(fù)電流在本質(zhì)上可以減小。在時(shí)刻T2升壓整流器104中存儲(chǔ)的電荷下降為零后，升壓整流器104恢復(fù)了它的電壓阻塞能力，電路100的狀態(tài)可以由圖3(c)的拓?fù)潆A段來(lái)表示。在此拓?fù)潆A段(即時(shí)刻T2和T3之間)，通過(guò)并聯(lián)的電容器301和302以及泄漏電感器203(電感值LLK)，升壓整流器104的結(jié)電容302(電容值CD)充電，升壓開(kāi)關(guān)103的輸出電容器301(電容值COSS)放電。在時(shí)刻T2和T3之間，泄漏電感器203中的電流i1和升壓開(kāi)關(guān)103上的電壓vS分別為i1=IIN+IRR(PK)+(1-n)V0ZCsin(ωRt)----(7)]]>vS＝V0-(1-n)V0(1-cos(ωRt))， (8)其中，特征阻抗ZC和共振角頻率ωR定義為
ZC=LLKCOSS+CD----(9)]]>ωR=1LLK(COSS+CD)----(10)]]>并且IRR(PK)為升壓整流器104中的殘留反向恢復(fù)電流。
公式(8)顯示出，在時(shí)刻T3對(duì)升壓開(kāi)關(guān)103的輸出電容器301進(jìn)行完全放電的狀態(tài)(因此，允許升壓開(kāi)關(guān)103在時(shí)刻T3的零電壓關(guān)閉)為vS(t＝T3)＝V0-(1-n)V0(1-cosπ)＝0 (11)因此，變壓器109的最大匝數(shù)比nMAX為nMAX＝0.5 (12)如果匝數(shù)比小于0.5，升壓開(kāi)關(guān)103的輸出電容器301可以總是放電為零，而不管負(fù)載和線狀態(tài)。一旦電容301在時(shí)刻T3完全放電，電流i1(波形405，圖4(e))繼續(xù)流過(guò)升壓開(kāi)關(guān)103的反并聯(lián)二極管303，如圖3(d)所示。(圖3(d)表示時(shí)刻T3和T4之間的電路狀態(tài))。在此時(shí)間內(nèi)，電壓v1反向施加于泄漏電感器203，以使如圖4(e)所示，泄漏電感器203中的電流i1按下面的斜率線性減小di1dt=-nV0LLK----(13)]]>結(jié)果，輔助開(kāi)關(guān)108中的電流iS1(波形406，圖4(f))也線性減小，而升壓開(kāi)關(guān)103的電流iS(波形407，圖4(g))從負(fù)峰值線性增加。為了達(dá)到升壓開(kāi)關(guān)103的ZVS，升壓開(kāi)關(guān)103在它的電流(即，電流iS)在時(shí)刻T4變成正值之前(即，當(dāng)電流iS開(kāi)始流過(guò)升壓開(kāi)關(guān)103的反并聯(lián)二極管303時(shí))關(guān)閉。
當(dāng)電流iS在時(shí)刻T4變成正值之后，升壓開(kāi)關(guān)電流iS繼續(xù)流過(guò)關(guān)閉的升壓開(kāi)關(guān)103，如圖3(e)和4(g)所示。在時(shí)刻T4和T5之間，漏電感器中的電流i1繼續(xù)朝著零線性減小，而升壓開(kāi)關(guān)103中的電流iS繼續(xù)以同樣的速率線性增加。當(dāng)電流i1在時(shí)刻T5變成零時(shí)，升壓開(kāi)關(guān)電流iS達(dá)到IIN，使得在時(shí)刻T5和T6之間，全部輸入電流IIN流過(guò)升壓開(kāi)關(guān)103，如圖3(f)的拓?fù)潆A段所示。同時(shí)，由信號(hào)S控制的輔助開(kāi)關(guān)108只傳送磁化電感器204中的磁化電流。如果變壓器109的磁化電感值被做得很大，磁化電感器204中的磁化電流iM(波形408，圖4(h))可以達(dá)到最小(即，電流iM可以比輸入電流IIN小許多)，使得在時(shí)刻T6輔助開(kāi)關(guān)108可以在虛擬零電流的情況打開(kāi)。
當(dāng)在時(shí)刻T6輔助開(kāi)關(guān)108在ZCS(零電流切換)附近打開(kāi)時(shí)，磁化電流iM開(kāi)始對(duì)輔助開(kāi)關(guān)108的輸出電容器305(電容值COSS1)充電，如圖3(g)所示。在時(shí)刻T7，當(dāng)輔助開(kāi)關(guān)108上的電壓vS1(波形403，圖4(c))達(dá)到鉗位電壓V0+VC時(shí)，其中VC是鉗位電容器112(電容值CC，由電壓源202表示)上的電壓，磁化電流iM換向至電壓源202。如圖3(h)所示，在時(shí)刻T7和T8之間，電壓源202上的負(fù)電壓VC以下面的速率復(fù)位磁化電感器204中的磁化電流iMdiMdt=-VCLM,----(14)]]>直到磁化電流iM在時(shí)刻T8變成零。
圖3(i)顯示了當(dāng)變壓器109在時(shí)刻T8被復(fù)位后，直到升壓開(kāi)關(guān)103在時(shí)刻T9打開(kāi)，并且輸入電流IIN從升壓開(kāi)關(guān)103換向以對(duì)升壓開(kāi)關(guān)103的輸出電容器301充電時(shí)，電路100的電路狀態(tài)。如圖3(j)所示，在時(shí)刻T9和T10之間，電容器301通過(guò)恒定輸入電流IIN充電，電壓vS(波形404，圖4(d))線性增加，在時(shí)刻T10達(dá)到電壓VO。在時(shí)刻T10，輸入電流IIN瞬時(shí)換向至升壓整流器104，如圖3(k)所示。如圖3(k)所示，電流IIN作為電流iD(波形410，圖4(j))流過(guò)升壓整流器104，直到時(shí)刻T11當(dāng)輔助開(kāi)關(guān)108如在時(shí)刻T0一樣再次關(guān)閉。
在上面的描述中，阻塞二極管110的結(jié)電容假定對(duì)變換器電路100的工作沒(méi)有很大的影響。事實(shí)上，此電容只在電流i1在時(shí)刻T5達(dá)到零之后的一個(gè)短暫的間隔內(nèi)起作用。特別是，在時(shí)刻T5之后，阻塞二極管110的結(jié)電容和泄漏電感器203產(chǎn)生共振，從而在泄漏電感器203中生成一個(gè)小的負(fù)電流i1。如果電流i1大于磁化電感器204中的磁化電流iM，則輔助開(kāi)關(guān)108的電流iS1在負(fù)方向上流過(guò)輔助開(kāi)關(guān)108的反并聯(lián)二極管。因?yàn)樵谶@個(gè)反并聯(lián)二極管中的傳導(dǎo)，在輔助開(kāi)關(guān)108在時(shí)刻T6打開(kāi)后(即，稍后于開(kāi)關(guān)108中的電流iS1達(dá)到零)，輔助開(kāi)關(guān)108的電壓vS1(即，電壓波形403，圖4(c))并不立刻增加。結(jié)果，在一個(gè)短延遲之后——即，在流過(guò)輔助開(kāi)關(guān)108的反并聯(lián)二極管的電流IS1共振回零之后，發(fā)生了輔助開(kāi)關(guān)108上的電壓vS1的增加。這個(gè)延遲對(duì)電路100的工作或性能沒(méi)有大的影響。但是，如果泄漏電感器203中的電流i1小于磁化電流iM，則在時(shí)刻T6之后馬上發(fā)生輔助開(kāi)關(guān)108上的電壓vS1(波形403，圖4(C))的增加。
總之，本發(fā)明的電路100允許所有半導(dǎo)體器件的軟切換。特別是，升壓開(kāi)關(guān)103在ZVS狀態(tài)下關(guān)閉，輔助開(kāi)關(guān)108在ZCS狀態(tài)下打開(kāi)，并且升壓二極管104的電流ID以一個(gè)可控速率斷開(kāi)。結(jié)果，升壓開(kāi)關(guān)103的導(dǎo)通切換損耗、輔助開(kāi)關(guān)108的斷開(kāi)切換損耗和與升壓整流器104的反向恢復(fù)相關(guān)損耗被消除了，因此最小化了全部切換損耗并最大化了變換效率。另外，軟切換提供了對(duì)電磁干擾(EMI)有益的影響，其中電磁干擾可能導(dǎo)致需要較小的輸入濾波器尺寸。
因?yàn)樯龎洪_(kāi)關(guān)103中的ZVS、MOSFET(金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)器件、或MOSFET器件的并聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)電路100的升壓開(kāi)關(guān)103。類似地，由于輔助開(kāi)關(guān)108的ZCS，IGBT(絕緣柵極雙極晶體管)或者M(jìn)OSFET可以在沒(méi)有性能損失的情況下實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)108。事實(shí)上，假如一個(gè)斷開(kāi)緩沖電容器連在IGBT上以減小由IGBT的電流尾隨效應(yīng)(current-tail effect)引起的斷開(kāi)損耗，IGBT升壓開(kāi)關(guān)還可以實(shí)現(xiàn)升壓開(kāi)關(guān)103。在這樣一種實(shí)現(xiàn)中，升壓開(kāi)關(guān)103應(yīng)該在ZVS的情況下關(guān)閉，而使得緩沖電容器不產(chǎn)生導(dǎo)通切換損耗。同樣，在這樣一種實(shí)現(xiàn)中，IGBT最好被配備一個(gè)共封裝反并聯(lián)二極管，或一個(gè)外部二極管。
在電路100中，升壓開(kāi)關(guān)103和升壓整流器104上的電壓和電流強(qiáng)度本質(zhì)上與沒(méi)有緩沖器的傳統(tǒng)升壓變換器中的相應(yīng)強(qiáng)度相同。輔助開(kāi)關(guān)108上的電壓強(qiáng)度為vS1(MAX)＝VO+VC， (15)而輔助開(kāi)關(guān)108上的電流強(qiáng)度，忽略殘留的反向恢復(fù)電流IRR(PK)(波形410，圖4(j))，為iS1(MAX)≅(1-n)[IIN+(1-n)VOZL],----(16)]]>電壓vS1(max)和電流iS1(max)在圖4(c)和(f)的波形403和406中示出。
根據(jù)公式(15)，輔助開(kāi)關(guān)108上的電壓強(qiáng)度受選擇的鉗位電壓VC控制，當(dāng)輔助開(kāi)關(guān)108導(dǎo)通時(shí)，鉗位電壓VC一般由存儲(chǔ)在磁化電感器204中的能量和鉗位電阻111的電阻值RC決定。如果選擇的電容器112的電容值CC足夠大，使得輸出電容器112上的電壓波動(dòng)比電容器112上的平均電壓小很多，則電壓VC可以由下式計(jì)算12LM(VOLMDS1TS)2fS=VC2RC,----(17)]]>其中，DS1是輔助開(kāi)關(guān)108的占空比，TS是切換周期，fS＝1/TS為切換頻率。
由公式(17)VC=RC2fSLM·(DS1VO),----(18)]]>可以通過(guò)最大化磁化電感器204中的電感值LM，使電壓值VC達(dá)到最小，從而鉗位電路中的功率損耗(即，鉗位電阻器111中的功率損耗)也達(dá)到最小。典型情況下，升壓對(duì)于一個(gè)恰當(dāng)設(shè)計(jì)的變壓器，鉗位電路損耗與輸出功率相比是可以忽略的，從而實(shí)際上不影響變換效率。
變壓器109的泄漏電感器203的電感值由公式(6)中定義的升壓整流器電流的期望斷開(kāi)速率決定，即LLK=(1-n)VOdiD/dt.----(19)]]>根據(jù)公式(19)，為了使泄漏電感器203的電感值LLK達(dá)到最小，可以增加變壓器109的匝數(shù)比n。因?yàn)閚MAX為0.5，變壓器109的匝數(shù)比不能遠(yuǎn)小于0.5。處于0.3-0.5的范圍之內(nèi)的n值是合適的。如果VO為400V，n為0.5，并且diD/dt為100A/μs，則漏電感值LLK為2μH。如果變壓器要達(dá)到的漏電感值LLK太大，則可以使用一個(gè)外部緩沖電感器501來(lái)調(diào)整所期望的電路阻抗值，如圖5的電路500所示。圖5中的電路500的工作本質(zhì)上與圖1的電路100的工作相同。
根據(jù)本發(fā)明，用于復(fù)位變壓器的磁化電感器(例如，磁化電感器204)的有源緩沖器中的電壓鉗位電路(例如，電壓鉗位電路107)可以通過(guò)多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，電壓鉗位電路可以被連接于電路中的任何DC電壓。在圖1和5中，電壓鉗位電路107和502都被連接于變換器的輸出端。圖6和7分別顯示了具有連接于負(fù)軌道和輸入源的電壓鉗位電路602和702的電路600和700。另外，電壓鉗位電路還可以適配于變壓器109的初級(jí)線圈，如圖8所示。圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的具有電壓鉗位電路902的電路900。鉗位電路的許多其它改變也是可能的。
本發(fā)明的軟切換升壓變換器還可以使用一個(gè)集成獨(dú)立輔助電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖10的電路1000所示。在電路1000中，由三線圈變壓器1009、有源緩沖開(kāi)關(guān)108、線圈N2和N3、整流器1013(DAUX)和濾波電容器1012(具有電容值CAUX)提供了一個(gè)獨(dú)立輔助輸出電壓VAUX，形成了具有連接于升壓變換器1000的輸出端子的輸入端子的回掃變換器1002。假定變壓器1009工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，輔助輸出電壓VAUX為VAUX=RAUX2fSLM·(DS1VO),----(20)]]>其中RAUX是輔助輸出的負(fù)載。
由于受控升壓變換器的輸出電壓VO是恒定的，在輔助開(kāi)關(guān)108的占空比DS1恒定的情況下，緩沖器1002中的輔助電壓VAUX只有在負(fù)載變化(即，負(fù)載阻抗RAUX改變)的情況下才變化。對(duì)于變化的輔助負(fù)載RAUX，輔助電壓VAUX可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)占空比DS1來(lái)保持恒定。例如，圖11從概念上顯示了具有對(duì)圖10的電路1000的輔助輸出電壓VAUX進(jìn)行閉環(huán)控制的電路1100。當(dāng)然，占空比DS1的許多其它閉環(huán)調(diào)節(jié)也是可能的。在圖11中提供了兩種獨(dú)立的反饋控制環(huán)。特別是，通過(guò)調(diào)節(jié)升壓開(kāi)關(guān)103的占空比D來(lái)控制輸出電壓VO，而通過(guò)調(diào)節(jié)輔助開(kāi)關(guān)108的占空比DS1來(lái)控制輔助輸出電壓VAUX。為了維護(hù)升壓開(kāi)關(guān)103和輔助開(kāi)關(guān)108的驅(qū)動(dòng)信號(hào)S和S1的正確定時(shí)(即，為了確保驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1比驅(qū)動(dòng)信號(hào)S早一個(gè)預(yù)定時(shí)間間隔有效)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1的上升沿由控制器1117從調(diào)節(jié)輸出電壓VO的控制環(huán)中生成。驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1的斷開(kāi)由控制輔助輸出電壓VAUX的環(huán)路來(lái)控制，它生成下降沿信號(hào)。
具有集成獨(dú)立電源的軟切換升壓變換器還可以提供多個(gè)輸出。另外，根據(jù)本發(fā)明的有源緩沖器可以在單相和三相AC/DC應(yīng)用中用于升壓變換器，例如單相和三相功率因數(shù)修正電路。圖12顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，集成了全波整流器的單相AC/DC升壓變換器1200。在圖12的電路中，在正半周期內(nèi)，升壓開(kāi)關(guān)103a和升壓整流器104a分別以上述圖1的電路100的升壓開(kāi)關(guān)103和升壓整流器104的方式工作，結(jié)合圖3(a)-3(k)和4(a)-4(k)。類似地，在負(fù)半周期內(nèi)，升壓開(kāi)關(guān)103b和升壓整流器104b以上述圖1的電路100的升壓開(kāi)關(guān)103和升壓整流器104的方式工作。因?yàn)樗恼髌鹘Y(jié)構(gòu)比跟隨一個(gè)升壓電源級(jí)的全波橋式整流器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)少一個(gè)整流器，AC/DC升壓整流器1200與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比減小了傳導(dǎo)損耗。在圖12中，有源緩沖器1207包括變壓器109的初級(jí)端的整流器110a和110b，AC/DC升壓變換器1200具有升壓開(kāi)關(guān)103a和103b以及升壓整流器104a和104b，其中的升壓開(kāi)關(guān)103a和103b以及升壓整流器104a和104b作為不同時(shí)工作的兩個(gè)升壓開(kāi)關(guān)-升壓整流器對(duì)工作。在AC/DC升壓變換器1200中，整流器110a和110b連接于變壓器109的相同初級(jí)線圈，如圖12所示。AD/DC升壓變換器1200的許多其它變化都是可能的，如圖13和圖14的AC/DC升壓變換器1300和1400。在圖13和圖14的AC/DC升壓變換器1300和1400中，整流器104a和104b分別被開(kāi)關(guān)103c和103d代替，以進(jìn)一步減小傳導(dǎo)損耗。另外，圖14的AD/DC升壓變換器集成了一個(gè)具有主變換器的輔助電源。
圖15-17示出了根據(jù)本發(fā)明的三相AC/DC升壓變換器1500、1600和1700。圖15顯示了具有DC軌道整流器104的三相AC/DC升壓變換器1500。圖16和17分別顯示了沒(méi)有DC軌道二極管和有集成輔助電源輸出(電壓VAUX)的三相AC/DC升壓變換器1600和1700。在三相AC/DC升壓變換器1600和1700中，二極管110a、110b和110c連接于有源緩沖變壓器(即，變壓器109或1009)的初級(jí)端，以分別實(shí)現(xiàn)ZVS和使三對(duì)升壓開(kāi)關(guān)和升壓整流器的反向恢復(fù)電荷最小。
本發(fā)明的有源緩沖器可以用于任何獨(dú)立的或非獨(dú)立的DC/DC變換器、或任何單相或三相AC/DC變換器。例如，圖18和19分別顯示了每個(gè)都具有一個(gè)有源緩沖器的降壓變換器1800和反向-升壓變換器(buck-boostconverter)1900。圖20、21和22分別顯示了根據(jù)本發(fā)明的每個(gè)都具有一個(gè)有源緩沖器的正向變換器2000、回掃變換器2100和雙電感器升壓變換器2200。
圖23顯示了軟切換升壓變換器23，它與圖10的軟切換升壓變換器不同，它提供了一個(gè)具有輔助開(kāi)關(guān)2308的集成輔助獨(dú)立電源，開(kāi)關(guān)2308由雙環(huán)控制電路2301提供的控制信號(hào)SAUX所控制?？刂齐娐?301提供了兩個(gè)獨(dú)立的反饋控制環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓VO和輔助電源的電壓VAUX。在圖23中，輸出電壓VO由升壓開(kāi)關(guān)103的受控占空比D來(lái)調(diào)節(jié)，輔助輸出電壓VAUX通過(guò)控制輔助開(kāi)關(guān)2308的占空比來(lái)調(diào)節(jié)。
上面提供的詳細(xì)描述是為了解釋本發(fā)明的特定實(shí)施例，但其目的并不是限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的大量修改和變化都是可能的。本發(fā)明由下列權(quán)利要求提出。
權(quán)利要求
1.一種具有一個(gè)輸入端子和一個(gè)輸出端子的功率變換器，該輸入端子連接至一個(gè)電源，該功率變換器包括耦合于輸入端子的存儲(chǔ)電感器；用于對(duì)存儲(chǔ)電感器進(jìn)行充電和放電的第一開(kāi)關(guān)；包括第二開(kāi)關(guān)的有源緩沖器，耦合于參考電壓，其中參考電壓實(shí)質(zhì)上在第一和第二開(kāi)關(guān)的切換周期期間是恒定的；整流器，有效地耦合于存儲(chǔ)電感器、有源緩沖器和輸出端子，以將能量從存儲(chǔ)電感器轉(zhuǎn)移到輸出端子；控制電路，提供在切換周期期間控制第一和第二開(kāi)關(guān)的工作的控制信號(hào)，使得第二開(kāi)關(guān)關(guān)閉以引起整流器中的電流從整流器中轉(zhuǎn)向有源緩沖區(qū)，從而使得第一開(kāi)關(guān)在一個(gè)實(shí)質(zhì)上的零電壓狀態(tài)下關(guān)閉，并且使得第二開(kāi)關(guān)在一個(gè)實(shí)質(zhì)上的零電流狀態(tài)下打開(kāi)。
2.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中參考電壓由輸出端子的電壓提供。
3.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中參考電壓由輸入端子的電壓提供。
4.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中參考電壓由存儲(chǔ)電感器的一個(gè)端子提供。
5.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中參考電壓由電源的負(fù)軌道提供。
6.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中功率變換器被配置為一個(gè)升壓變換器。
7.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中功率變換器被配置為一個(gè)正向變換器。
8.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中功率變換器被配置為一個(gè)降壓變換器。
9.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中功率變換器被配置為一個(gè)降壓/升壓變換器。
10.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中功率變換器被配置為一個(gè)雙電感器升壓變換器。
11.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中有源緩沖器包括一個(gè)電壓鉗位電路。
12.如權(quán)利要求11所述的功率變換器，還包括一個(gè)耦合在存儲(chǔ)電感器和電壓鉗位電路之間的緩沖電感器。
13.如權(quán)利要求11所述的功率變換器，其中電壓鉗位電路包括變壓器；電容器；和電阻。
14.如權(quán)利要求13所述的功率變換器，其中變壓器包括一個(gè)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比小于0.5的變壓器。
15.如權(quán)利要求13所述的功率變換器，其中變壓器具有一個(gè)確定整流器中的電流變化率的泄漏電容。
16.如權(quán)利要求15所述的功率變換器，其中整流器中的電流變化率實(shí)質(zhì)上是恒定的。
17.如權(quán)利要求11所述的功率變換器，其中有源緩沖器包括一個(gè)獨(dú)立電源。
18.如權(quán)利要求17所述的功率變換器，其中控制電路將獨(dú)立電源的輸出電壓作為輸入接收，從而與輸出端子上的電壓相獨(dú)立地調(diào)節(jié)獨(dú)立電源的輸出電壓。
19.如權(quán)利要求18所述的功率變換器，還包括一個(gè)耦合在變壓器的線圈和電源的負(fù)軌道之間的輔助開(kāi)關(guān)。
20.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中第一開(kāi)關(guān)包括一個(gè)絕緣柵極雙極晶體管，并且有源緩沖器連接在絕緣柵極雙極晶體管上。
21.如權(quán)利要求20所述的功率變換器，其中在絕緣柵極雙極晶體管上提供了一個(gè)反并聯(lián)二極管。
22.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中第二開(kāi)關(guān)包括一個(gè)絕緣柵極雙極晶體管。
23.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中電源包括一個(gè)AC電源。
24.如權(quán)利要求23所述的功率變換器，其中第一開(kāi)關(guān)和整流器是全波整流器的一部分。
25.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中電源提供了一個(gè)單相電壓。
26.如權(quán)利要求1所述的功率變換器，其中電源提供了一個(gè)三相電壓。
27.一種用于在具有一個(gè)輸入端子和一個(gè)輸出端子的功率變換器中進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的方法，該輸入端子耦合至一個(gè)電源，該方法包括提供一個(gè)耦合于輸入端的存儲(chǔ)電感器；耦合第一開(kāi)關(guān)以對(duì)存儲(chǔ)電感器進(jìn)行充電和放電；提供一個(gè)包括第二開(kāi)關(guān)的有源緩沖器，所述有源緩沖器耦合于參考電壓，其中參考電壓實(shí)質(zhì)上在第一和第二開(kāi)關(guān)的切換周期期間是恒定的；將一整流器耦合至存儲(chǔ)電感器、有源緩沖器和輸出端子，以將能量從存儲(chǔ)電感器轉(zhuǎn)移到輸出端子；在切換周期期間控制第一和第二開(kāi)關(guān)的工作，使得第二開(kāi)關(guān)關(guān)閉以引起整流器中的電流從整流器轉(zhuǎn)向有源緩沖區(qū)，從而使得第一開(kāi)關(guān)在一個(gè)實(shí)質(zhì)上的零電壓狀態(tài)下關(guān)閉，并且使得第二開(kāi)關(guān)在一個(gè)實(shí)質(zhì)上的零電流狀態(tài)下打開(kāi)。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括將輸出端子的電壓提供為參考電壓。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括將輸入端子的電壓提供為參考電壓。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括將存儲(chǔ)電感器的一個(gè)端子的電壓提供為參考電壓。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括將電源的負(fù)軌道上的電壓提供為參考電壓。
32.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括將功率變換器配置為一個(gè)升壓變換器。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，其中將功率變換器配置為一個(gè)正向變換器。
34.如權(quán)利要求27所述的方法，其中將功率變換器配置為一個(gè)降壓變換器。
35.如權(quán)利要求27所述的方法，其中將功率變換器配置為一個(gè)降壓/升壓變換器。
36.如權(quán)利要求27所述的方法，其中將功率變換器配置為一個(gè)雙電感器升壓變換器。
37.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括在有源緩沖器提供一個(gè)電壓鉗位電路。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括一個(gè)耦合在存儲(chǔ)電感器和電壓鉗位電路之間的緩沖電感器。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括在電壓鉗位電路中提供一個(gè)變壓器、一個(gè)電容器、一個(gè)電阻。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，其中變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比小于0.5。
41.如權(quán)利要求39所述的方法，其中變壓器具有一個(gè)確定整流器中的電流變化率的泄漏電容。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中整流器中的電流變化率實(shí)質(zhì)上是恒定的。
43.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括在有源緩沖器提供一個(gè)獨(dú)立電源。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其中所述控制包括將獨(dú)立電源的輸出電壓作為輸入接收，從而與輸出端子上的電壓相獨(dú)立地調(diào)節(jié)獨(dú)立電源的輸出電壓。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，還包括一個(gè)耦合在變壓器的線圈和電源的負(fù)軌道之間的輔助開(kāi)關(guān)。
46.如權(quán)利要求27所述的方法，其中第一開(kāi)關(guān)包括一個(gè)絕緣柵極雙極晶體管，并且有源緩沖器連接在絕緣柵極雙極晶體管上。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其中在絕緣柵極雙極晶體管上提供了一個(gè)反并聯(lián)二極管。
48.如權(quán)利要求27所述的方法，其中第二開(kāi)關(guān)包括一個(gè)絕緣柵極雙極晶體管。
49.如權(quán)利要求27所述的方法，其中電源包括一個(gè)AC電源。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其中第一開(kāi)關(guān)和整流器是全波整流器的一部分。
51.如權(quán)利要求49所述的方法，其中電源提供了一個(gè)單相電壓。
52.如權(quán)利要求49所述的方法，其中電源提供了一個(gè)三相電壓。
全文摘要
一種軟切換升壓變換器包括一個(gè)有源緩沖器以提供所有半導(dǎo)體元件的軟切換。更具體地，整流器中的電流(“斷開(kāi)電流”turn－off current)以受控速率被切斷，主開(kāi)關(guān)在零電壓切換(ZVS)的情況下關(guān)閉，有源緩沖器中的輔助開(kāi)關(guān)在零電流切換(ZCS)的情況下打開(kāi)。結(jié)果，切換損耗被減小了，并且對(duì)變換效率和EMC性能產(chǎn)生了有利影響。
文檔編號(hào)H02M7/219GK1574582SQ200410045380
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者米蘭·M·喬瓦諾維克, 姜云泰, 張玉明, 方坤輝 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司