專利名稱：非對(duì)稱式開關(guān)正激變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電源，并且更具體而言，本發(fā)明涉及正激變換器
(forward converter)。
背景技術(shù)：
AC至DC電源和DC至AC電源通常使用功率變換拓?fù)?，即大家通?所知的雙開關(guān)正激變換器(即，具有兩個(gè)有源開關(guān)(active switch)的正激 變換器)。
雙開關(guān)正激變換器通常在將輸入電壓施加到變壓器的初級(jí)繞組的配置 中使用兩個(gè)有源開關(guān)和兩個(gè)無(wú)源開關(guān)(passive switch)。變壓器上的次級(jí) 繞組響應(yīng)于被施加到初級(jí)繞組上的輸入電壓而產(chǎn)生按比例縮放的電壓。次 級(jí)繞組上的電壓被整流并且被濾波，以產(chǎn)生輸出電壓。在有源開關(guān)被關(guān)斷 時(shí)，無(wú)源開關(guān)使得變壓器的磁化能量可以復(fù)位。允許變壓器的磁化能量可 以復(fù)位(即，返回到低得多的值)以防止過(guò)度存儲(chǔ)的能量使變壓器飽和從 而改變其特性。
雙開關(guān)正激變換器常常是滿足個(gè)人計(jì)算機(jī)和類似應(yīng)用的電源需求的最 低成本配置。雙開關(guān)正激變換器的電路拓?fù)涞膶?duì)稱性使得設(shè)計(jì)者為兩個(gè)有 源開關(guān)選擇標(biāo)稱值相同的晶體管并且為兩個(gè)無(wú)源開關(guān)選擇標(biāo)稱值相同的二 極管。
雙開關(guān)正激變換器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩個(gè)晶體管規(guī)定相同的組件或者具有 幾乎相同的特性的兩個(gè)不同組件，對(duì)于兩個(gè)二極管同樣如此。這樣的設(shè)計(jì) 無(wú)法利用可以降低系統(tǒng)成本的附加自由度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在功率變換器中使用的開關(guān)電路，該開關(guān)電路包括第一有源開關(guān)，所述第一有源開關(guān)耦合到變壓器的初級(jí) 繞組的第一端子；第二有源開關(guān)，所述第二有源開關(guān)耦合到所述變壓器的 初級(jí)繞組的第二端子，其中，所述第一有源開關(guān)的輸出電容大于所述第二 有源開關(guān)的輸出電容；第一無(wú)源開關(guān)，所述第一無(wú)源開關(guān)耦合到所述第二 有源開關(guān)和所述初級(jí)繞組的第二端子；以及第二無(wú)源開關(guān)，所述第二無(wú)源 開關(guān)耦合到所述第一有源開關(guān)和所述初級(jí)繞組的第一端子，其中，所述第 一無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間大于所述第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種一種用于控制功率變換器的輸出 的方法，該方法包括閉合第一有源開關(guān)和第二有源開關(guān)，以將輸入電壓 施加于變壓器的初級(jí)繞組，所述輸入電壓包括所述初級(jí)繞組兩端的初級(jí)電 壓，所述初級(jí)電壓包括具有磁化電流分量的初級(jí)電流，其中，所述第一有 源開關(guān)的輸出電容大于所述第二有源開關(guān)的輸出電容；斷開所述第一有源 開關(guān)和所述第二有源開關(guān)，其中，所述磁化電流分量對(duì)所述第一有源開關(guān) 的電容和所述第二有源開關(guān)的電容充電；閉合第一無(wú)源開關(guān)，以傳導(dǎo)所述 磁化電流分量，其中，所述磁化電流分量對(duì)所述第一有源開關(guān)的電容充 電，直到所述第一有源開關(guān)兩端的電壓達(dá)到所述輸出電壓為止；閉合第二 無(wú)源開關(guān)，以經(jīng)由所述第一無(wú)源開關(guān)和所述第二無(wú)源開關(guān)來(lái)傳導(dǎo)所述磁化 電流分量，以通過(guò)反轉(zhuǎn)所述磁化電流的方向而經(jīng)由所述第一無(wú)源開關(guān)將所 述第一有源開關(guān)的電容放電，其中，所述第一無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間大 于所述第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間；以及斷開所述第一無(wú)源開關(guān)，以經(jīng) 由所述第二無(wú)源開關(guān)來(lái)傳導(dǎo)所述磁化電流分量，以將所述第二有源開關(guān)的 電容放電。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種功率變換器中使用的開關(guān)電路， 該開關(guān)電路包括第一有源開關(guān)，所述第一有源開關(guān)具有的第一端子耦合 到變壓器的初級(jí)繞組的第一端子；第二有源開關(guān)，所述第二有源開關(guān)具有 的第一端子耦合到所述變壓器的初級(jí)繞組的第二端子，其中，所述第一有 源開關(guān)的輸出電容大于所述第二有源開關(guān)的輸出電容；第一無(wú)源開關(guān)，所 述第一無(wú)源開關(guān)具有第一端子耦合到所述初級(jí)繞組的第二端子和所述第二 有源開關(guān)，所述第一無(wú)源開關(guān)具有的第二端子耦合到恢復(fù)電路；以及第二無(wú)源開關(guān)，所述第二無(wú)源開關(guān)具有的第一端子耦合到所述初級(jí)繞組的第一 端子和所述第一有源開關(guān)，其中，所述第一無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間大于 所述第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間。


參考以下附圖描述本發(fā)明的非限制性和非窮盡實(shí)施例，其中，若非另 外指出，相似的標(biāo)號(hào)指代各個(gè)示圖中相似的部件。 圖1是示出本發(fā)明的顯著特征的示意圖。
圖2是圖1中的發(fā)明的示意圖，其標(biāo)識(shí)出具體電流和電壓，以示出操作。
圖3示出與本發(fā)明的操作相關(guān)的波形。
圖4A、圖4B、圖4C、圖4D、圖4E、圖4F和圖4G是示出與圖3中 所標(biāo)識(shí)的時(shí)間間隔相關(guān)聯(lián)的電流路徑的電路圖。
圖5示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其包括對(duì)雙開關(guān)正激變換器的最大占 空比進(jìn)行擴(kuò)展的電路。
圖6示出本發(fā)明另一實(shí)施例，其除了包括將雙開關(guān)正激變換器的最大 占空比擴(kuò)展為超過(guò)50%的電路以外，還包括初級(jí)電感。
具體實(shí)施例方式
公開了實(shí)現(xiàn)用于降低具有不匹配的開關(guān)的功率變換器的能量耗散的開 關(guān)電路的方法和裝置。在以下描述中，為了提供對(duì)本發(fā)明的透徹理解，闡 述了大量特定細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的是不必 采用這些特定細(xì)節(jié)來(lái)實(shí)行本發(fā)明。在其它實(shí)例中，為了避免混淆本發(fā)明， 未具體描述公知的材料或方法。
在整個(gè)說(shuō)明書中，對(duì)"一個(gè)實(shí)施例"、"實(shí)施例"、"一個(gè)示例"或 "示例"的提及意味著結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特 性被包含在本發(fā)明至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在整個(gè)說(shuō)明書的各個(gè)地方出 現(xiàn)的短語(yǔ)"在一個(gè)實(shí)施例中"、"在實(shí)施例中"、"一個(gè)示例"或"示 例"不一定都指同一實(shí)施例或示例。此外，可以以任何適當(dāng)?shù)慕M合和/或子組合將特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中。此 外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此提供的示圖都是為了說(shuō)明的目 的，并且示圖不一定是按比例繪制的。
現(xiàn)在將描述非對(duì)稱式開關(guān)正激變換器。本發(fā)明的示例涉及第一和第二 有源開關(guān)以及第一和第二無(wú)源開關(guān)。第一有源開關(guān)可以耦合到變壓器的初 級(jí)繞組的第一端子。第二有源開關(guān)可以耦合到變壓器的初級(jí)繞組的第二端 子。第一有源開關(guān)的輸出電容顯著大于第二有源開關(guān)的輸出電容。第一無(wú) 源開關(guān)可以耦合到第二有源開關(guān)和初級(jí)繞組的第二端子。第二無(wú)源開關(guān)可 以耦合到第一有源開關(guān)和初級(jí)繞組的第一端子。第一無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)
時(shí)間(reverse recovery time)顯著大于第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間。
圖l示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)的雙開關(guān)正激變換器100的一個(gè)示例。雙 開關(guān)正激變換器在從輸入電壓Vjn 102產(chǎn)生變壓器Tl 128的初級(jí)繞組130 上的電壓Vpl32的配置中，使用兩個(gè)有源開關(guān)Q1 104和Q2 122和兩個(gè)無(wú) 源開關(guān)D1 110和D2 116。變壓器T1 128的次級(jí)繞組134產(chǎn)生與初級(jí)電壓 Vp 132成比例的電壓。輸出二極管136對(duì)次級(jí)繞組134處的電壓進(jìn)行整 流。續(xù)流二極管138、輸出電感器L1 140和輸出電容器C1 142對(duì)來(lái)自次 級(jí)繞組134的整流后的電壓進(jìn)行濾波，以在負(fù)載144處產(chǎn)生輸出電壓V0 142。
有源開關(guān)和無(wú)源開關(guān)的區(qū)別在于有源開關(guān)接收斷開和閉合該開關(guān)的 控制信號(hào)，而無(wú)源開關(guān)通常不接收控制信號(hào)。斷開的開關(guān)通常不傳導(dǎo)電 流。閉合的開關(guān)可以傳導(dǎo)電流。有源開關(guān)通常具有一個(gè)或多個(gè)控制端子， 所述控制端子判定有源開關(guān)的另外兩個(gè)端子是否可以傳導(dǎo)電流。在示圖中
沒(méi)有示出斷開和閉合圖1中的有源開關(guān)Q1 104和Q2 122的信號(hào)，以免混 淆根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)。
無(wú)源開關(guān)一般只具有兩個(gè)端子。通常，所述端子之間的電壓決定無(wú)源 開關(guān)是斷開的還是閉合的。可以認(rèn)為二極管是無(wú)源開關(guān)，這是因?yàn)槎O管 在其兩個(gè)端子之間的電壓具有一個(gè)極性(陽(yáng)極相對(duì)于陰極為正)時(shí)傳導(dǎo)電 流，并且在所述端子之間的電壓具有相反的極性(陽(yáng)極相對(duì)于陰極為負(fù)) 時(shí)基本上阻斷電流。圖l的示例示出有源開關(guān)Q1 104和Q2 122分別包括金屬氧化物半 導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) 106和124，它們分別具有如電容器C0SS1 108和Coss2 126所描述的各自固有的輸出電容。圖l中用虛線示出電容器 C0SS1 108和COSS2 126以強(qiáng)調(diào)它們代表MOSFET 106和124的固有行為 (behavior)，并且它們不是外部組件?？刂菩盘?hào)導(dǎo)通MOSFET 106和 124以閉合有源開關(guān)Ql 104和Q2 122?？刂菩盘?hào)關(guān)斷MOSFET 106和 124以斷開有源開關(guān)Ql 104和Q2 122。
在其它示例中，可以使用諸如雙極結(jié)晶體管(BJT)或絕緣柵雙極型 晶體管(IGBT)之類的其它適當(dāng)電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)有源開關(guān)Ql 104和 Q2 122。如以下所說(shuō)明的，MOSFET和其它有源開關(guān)器件的輸出電容是重 要(significant)的。可以使用單個(gè)基板來(lái)集成這些開關(guān)或者這些開關(guān)作 為分立組件被提供。
圖l的示例還示出無(wú)源開關(guān)D1 110和D2 116分別包括PN結(jié)二極 管112和118，它們具有分別通過(guò)如電容器Crr! 114和Crr2 120所描述的 反向恢復(fù)電容來(lái)建模的反向恢復(fù)特性。反向恢復(fù)電容器對(duì)真實(shí)二極管的反 向恢復(fù)特性進(jìn)行建模。當(dāng)PN結(jié)二極管上的電壓的極性轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒍O管的 狀態(tài)從傳導(dǎo)電流改變?yōu)樽钄嚯娏鲿r(shí)，存在一段時(shí)間的瞬間反向電流，所述 時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間，它發(fā)生在電荷載流子被從器件移除期間。通常， 認(rèn)為僅在二極管的反向恢復(fù)時(shí)間里存在反向恢復(fù)電容。
反向恢復(fù)時(shí)間和反向電流幫助定義二極管的反向恢復(fù)特性。具有短的 反向恢復(fù)時(shí)間的二極管被認(rèn)為是快速二極管(fast diode)。具有長(zhǎng)的反向 恢復(fù)時(shí)間的二極管可以被認(rèn)為是慢速二極管(slow diode)?？焖俣O管 通常具有基本上小于l微秒的反向恢復(fù)時(shí)間。慢速二極管通常具有基本上 大于l微秒的反向恢復(fù)時(shí)間。以下進(jìn)一步說(shuō)明無(wú)源開關(guān)D1 110和D2 116 的反向恢復(fù)特性。
在一個(gè)示例中，各個(gè)有源開關(guān)Ql 104和Q2 122的MOSFET 106和 124響應(yīng)于它們各自的控制信號(hào)都被導(dǎo)通或者都被關(guān)斷。無(wú)源開關(guān)D1 110 和D2 116中的二極管112和118分別響應(yīng)于從有源開關(guān)Q1 104和Q2 122 的開關(guān)產(chǎn)生的電壓而導(dǎo)通或關(guān)斷。雙開關(guān)正激變換器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常使用標(biāo)稱值相同的有源開關(guān)和標(biāo)稱 值相同的無(wú)源開關(guān)來(lái)減少設(shè)計(jì)中所需要的不同部件數(shù)。不同部件數(shù)的減少 通常會(huì)降低成本。然而，如以下示例中所述，為兩個(gè)有源開關(guān)使用具有顯 著不同的特性的器件以及為兩個(gè)無(wú)源開關(guān)使用具有顯著不同的特性的器件 可以產(chǎn)生較低成本的設(shè)計(jì)。
例如，包括具有控制功能的高壓MOSFET晶體管的低成本功率集成 電路的可用性允許使用這樣的器件來(lái)提供雙開關(guān)正激變換器中的有源開關(guān) 中的一個(gè)。變換器中的另一個(gè)有源開關(guān)可以是在很多方面與集成電路中的 MOSFET不同的分立電子器件。
在選擇開關(guān)器件時(shí)通?？紤]的一個(gè)參數(shù)是器件的輸出電容。器件在每 次被導(dǎo)通時(shí)，該器件會(huì)耗散其輸出電容中所存儲(chǔ)的能量。所耗散的能量與 該器件被導(dǎo)通時(shí)電容中存在的電壓的平方成比例。能量的耗散通常會(huì)升高 器件的溫度?？赡苄枰^大的封裝或散熱器來(lái)防止可能損耗器件的溫度過(guò) 度上升。因此，熱量管理的附加成本可能抵消低成本功率集成電路的優(yōu) 勢(shì)。因此，通常使用具有小的輸出電容的開關(guān)器件，并且通常在電容上的 電壓低時(shí)進(jìn)行切換。
在有源開關(guān)中的一個(gè)是集成電路中的MOSFET而另一個(gè)有源開關(guān)被 封裝為分立組件的應(yīng)用中，分立組件具有的導(dǎo)通電阻常常顯著低于集成電 路中的MOSFET的導(dǎo)通電阻。減少器件中的傳導(dǎo)損耗期望低的導(dǎo)通電阻 (on-resistance)。輸出電容通常隨著導(dǎo)通電阻減小而增大。結(jié)果，所選 擇的被封裝為分立組件的開關(guān)器件常常具有比集成電路中的MOSFET的 輸出電容大得多的輸出電容。根據(jù)本公開，描述了一種在有源開關(guān)具有顯 著不同的輸出電容時(shí)降低了能量的過(guò)度耗散的雙開關(guān)正激變換器。非對(duì)稱 式開關(guān)正激變換器使用非對(duì)稱的無(wú)源開關(guān)，以在有源開關(guān)導(dǎo)通之前降低具 有較高輸出電容的有源開關(guān)兩端上保持的電壓。該輸出電容中的能量在開 關(guān)導(dǎo)通時(shí)在開關(guān)中被耗散。因此，減少該電容中的能量降低了具有較高輸 出電容的有源開關(guān)中的能量耗散。
在圖2的示意圖200中更詳細(xì)地示出了圖1中示出的示例非對(duì)稱式雙 開關(guān)正激變換器100。圖2示出有源開關(guān)Ql 104的輸出電容C0SS1 108顯著大于有源開關(guān)Q2 122的輸出電容Coss2 126。在一個(gè)示例中，作為分 立晶體管的有源開關(guān)Q1 104的輸出電容Co觀108約為330皮法拉，而功 率集成電路中所包括的有源開關(guān)Q2 122的輸出電容C0SS2 126約為50皮 法拉。
在圖1和圖2的示例中，通過(guò)以下方式來(lái)管理有源開關(guān)中的功率耗 散選擇無(wú)源開關(guān)Dl 110和D2 116的操作特性使得(通過(guò)反向恢復(fù)電 容Cr^建模的)無(wú)源開關(guān)Dl的反向恢復(fù)時(shí)間顯著大于(通過(guò)反向恢復(fù) 電容Crr2建模的)無(wú)源開關(guān)D2的反向恢復(fù)時(shí)間。在一個(gè)示例中，無(wú)源 開關(guān)Dl 110的反向恢復(fù)時(shí)間約為2微秒，而有源開關(guān)D2 116的反向恢 復(fù)時(shí)間約為75納秒。在本技術(shù)領(lǐng)域的常用技術(shù)中，D1U0是慢速二極管 而D2 116是快速二極管。
在圖1和圖2中，Ql 104是高壓側(cè)有源開關(guān)，因?yàn)槠涠俗又慌c輸入 電壓102的正極端子是公共的。反之，Q2 122是低壓側(cè)有源開關(guān)，因?yàn)?其端子之一與輸入電壓102的負(fù)極端子是公共的。類似地，Dl 110是高 壓側(cè)無(wú)源開關(guān)而D2 116是低壓側(cè)無(wú)源開關(guān)。
一般，非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變換器具有一個(gè)具有大輸出電容的有源開 關(guān)和一個(gè)具有低輸出電容的有源開關(guān)。具有大輸出電容的有源開關(guān)可以 是高壓側(cè)開關(guān)或低壓側(cè)開關(guān)。非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變換器還具有一個(gè)為 快速二極管的無(wú)源開關(guān)和一個(gè)為慢速二極管的有源開關(guān)。
具備具有高輸出電容的高壓側(cè)有源開關(guān)和具有低輸出電容的低壓側(cè)有 源開關(guān)的非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變換器還具備為慢速二極管的高壓側(cè)無(wú)源 開關(guān)和為快速二極管的低壓側(cè)無(wú)源開關(guān)。具備具有低輸出電容的高壓側(cè) 有源開關(guān)和具有高輸出電容的低壓側(cè)有源開關(guān)的非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變 換器還具備為快速二極管的高壓側(cè)無(wú)源開關(guān)和為慢速二極管的低壓側(cè)無(wú) 源開關(guān)。
圖2示出高壓側(cè)有源開關(guān)Q1 104上的電壓VQ1 210和低壓側(cè)有源開關(guān) Q2 122上的電壓VQ2 270。圖2還示出用于高壓側(cè)有源開關(guān)Ql 104的控 制電壓VGS1 220和用于低壓側(cè)有源開關(guān)Q2 122的控制電壓VGS2 280。在 圖2中還用虛線示出了作為變壓器Tl 128的固有特性的磁化電感LM
12250。
磁化電感LM 250被用來(lái)理解非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變換器的行為。磁 化電感Lw代表變壓器Tl 128的非理想特性。圖2示出初級(jí)電流Ip 260， 初級(jí)電流IP 260是變壓器電流IT 240和磁化電流IM 230的和。變壓器電 流IT 240是初級(jí)電流IP 260的一部分，該部分按照變壓器的匝數(shù)比被按 比例縮放，并且被傳遞給次級(jí)繞組134。磁化電流IM 230是初級(jí)電流IP 260的一部分，該部分產(chǎn)生用于將初級(jí)繞組130耦合到次級(jí)繞組134的磁 通。
磁化電流的變化率可以通過(guò)初級(jí)電壓Vp 132和磁化電感LM 250來(lái)確 定，而與變壓器電流lT 240無(wú)關(guān)。磁化電感LM 250中的磁化電流lM 230 代表變壓器Tl 128中所存儲(chǔ)的能量。如下所述，非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變 換器使用來(lái)自磁化電感LM 250的能量來(lái)降低有源開關(guān)中所耗散的能量。
圖3示出當(dāng)以連續(xù)傳導(dǎo)模式操作時(shí)來(lái)自圖2的示例非對(duì)稱式雙開關(guān)正 激變換器的波形。在連續(xù)傳導(dǎo)模式中，續(xù)流二極管138中的電流在有源 開關(guān)Q1 104和Q2 122為斷開的時(shí)不變?yōu)?。連續(xù)傳導(dǎo)模式通常在組件以 最高溫度進(jìn)行操作時(shí)的高輸出功率時(shí)發(fā)生。
圖3示出一個(gè)切換周期中的7個(gè)不同間隔，從間隔^ 310開始到間隔 17 370結(jié)束。在間隔h期間，MOSFET 106和124是導(dǎo)通的。在切換周期 的其它時(shí)間期間，MOSFET 106和124是關(guān)斷的。
無(wú)源開關(guān)D1 110和D2 116響應(yīng)于它們兩端的電壓進(jìn)行傳導(dǎo)。對(duì)于無(wú) 源開關(guān)Dl 110使用慢速二極管并且對(duì)于無(wú)源開關(guān)D2 116使用快速二極 管允許有源開關(guān)Ql 104兩端的電壓VQ1 210從最大值Vm 102降低為在 間隔t7 370結(jié)束時(shí)的最終值VQ1F 315。在使用相同有源開關(guān)的普通雙開 關(guān)正激變換器中，最終電壓VQ1F 315將保持為基本上V:n 102的全值。
在間隔t7 370結(jié)束時(shí)，有源開關(guān)Q2 122上的電壓是最終值VQ2F 325。 最終值VQ2F 325是輸入電壓VrN 102和最終電壓VQ1F 315之間的差。最 終電壓VQ1F 315通常被盡可能最小化，因?yàn)殡妷篤Q1F 315決定了當(dāng)有源 開關(guān)再次導(dǎo)通時(shí)將在MOSFET 106中被耗散的、大輸出電容Q)SS1 108中 的能量。有源開關(guān)Q2 122上的最終電壓VQ2F 325可以在不引起很多困難的情況下為高，因?yàn)镼2 122的輸出電容Coss2 126比Q1 104的輸出電容 Cossl 108小得多。Q2 122的小輸出電容通常不能夠存儲(chǔ)足以支配有源開 關(guān)Q2 122的加熱的能量。因此，通?？梢越邮芤詫㈦妷篤q2F增大為最 大值Vw 102為代價(jià)來(lái)將電壓VQ1F 315降低為0。 Cossl 108的輸出電容顯 著大于Coss2 126的輸出電容。從Coss! 108和Coss2 126中耗散的能量的 凈降低節(jié)省了功率、降低了冷卻需求并且提高了電源效率。
從對(duì)變壓器Tl 128中的電流的檢測(cè)中可以理解非對(duì)稱式正激變換器 的操作。圖4A至圖4F示出圖2的電路的簡(jiǎn)化部分，以示出圖3中示出 的7個(gè)時(shí)間間隔期間的電流路徑。說(shuō)明中未使用的一些電路元件在示圖 中未出現(xiàn)。
圖4A示出在時(shí)間間隔"310期間初級(jí)電流Ip 260經(jīng)過(guò)有源開關(guān)Ql 104和Q2 122的路徑。在附圖中沒(méi)有示出有源開關(guān)的輸出電容和無(wú)源開關(guān) 的反向恢復(fù)電容，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)陂g隔^ 310期間基本上不影響初級(jí)電流 IP260。在間隔tJ10期間，有源開關(guān)Q1 104和Q2 122被閉合，以將輸入 電壓Vw 102施加于變壓器T1 128的初級(jí)繞組130，使得V^V!n，忽略經(jīng) 過(guò)開關(guān)Ql 104和Q2 122的小的電壓降。磁化電流IM 230以磁化電感LM 250中的線性斜率(linear slope)增大。無(wú)源開關(guān)Dl 110和D2 116是斷 開的。初級(jí)電流Ip 260包括變壓器電流IT 240和磁化電流IM 230。
圖4B示出在時(shí)間間隔t2 320期間初級(jí)電流IP 260經(jīng)過(guò)有源開關(guān)Ql 104和Q2 122的路徑。當(dāng)MOSFET 106和124在時(shí)間間隔^ 310結(jié)束時(shí)關(guān) 斷，磁化電流lM 230繼續(xù)對(duì)輸出電容Coss！ 108和Coss2 126充電。磁化電 流IM 230的斜率隨著磁化電感兩端的電壓Vp 132降低而改變。當(dāng)有源開 關(guān)Q2 122的輸出電容C0SS2 126充電至輸入電壓Vxn 102時(shí)，時(shí)間間隔t2 320結(jié)束。
圖4C示出在時(shí)間間隔t3 330期間初級(jí)電流IP 260的路徑。在時(shí)間間 隔t3 330中，無(wú)源開關(guān)Dl 110閉合以傳導(dǎo)磁化電流IM 230。磁化電流IM 230持續(xù)對(duì)輸出電容Cow 108充電，直到在時(shí)間間隔t3 330結(jié)束時(shí)有源開 關(guān)Ql 104兩端的電壓VQ1 210達(dá)到輸入電壓Vin 102為止。
圖4D示出在時(shí)間間隔U 340期間初級(jí)電流Ip 260的路徑。在時(shí)間間隔14 340中，無(wú)源開關(guān)D1 110和D2 116被閉合以傳導(dǎo)磁化電流lM 230。 磁化電流IM 230以線性斜率下降，該線性斜率是與圖4A中的輸入電壓的 施加極性相反的變壓器Tl 128的初級(jí)繞組處的磁化電感LM 250上的輸入 電壓VjN 102的結(jié)果。磁化電流IM 230下降，直到在時(shí)間間隔t4 340結(jié)束 時(shí)達(dá)到0為止。在時(shí)間間隔U 340結(jié)束時(shí)，輸出電容C0SS1 108和C0SS2 128被充電達(dá)到輸入電壓Vjn 102。
無(wú)源開關(guān)D2 116停止傳導(dǎo)。它的快速恢復(fù)使得無(wú)源開關(guān)D2 116中的 電流能夠快速下降為O。磁化電流IM 230經(jīng)過(guò)0并且變?yōu)樨?fù)，以標(biāo)志時(shí)間 間隔t5 350的開始。圖4E示出在時(shí)間間隔t5 350期間初級(jí)電流IP 260的路 徑。在時(shí)間間隔ts 350期間，有源開關(guān)Q1 104的輸出電容Cow 108通過(guò) 無(wú)源開關(guān)D1 IIO的反向恢復(fù)電容C肌114進(jìn)行放電，以在負(fù)方向上增大 磁化電流IM 230。反向恢復(fù)電容CRju 114傳導(dǎo)磁化電流lM 230，直到反向 恢復(fù)電荷在無(wú)源開關(guān)D1 110的反向恢復(fù)時(shí)間結(jié)束時(shí)被從無(wú)源開關(guān)D1 110 去除為止。當(dāng)無(wú)源開關(guān)Dl 110停止反方向上的傳導(dǎo)時(shí)，時(shí)間間隔t5 350結(jié)束。
當(dāng)無(wú)源開關(guān)Dl 110在時(shí)間間隔t5 350結(jié)束時(shí)停止反方向上的傳導(dǎo) 時(shí)，磁化電流IM 230在時(shí)間間隔t6 360開始時(shí)，開始對(duì)有源開關(guān)Q2 122 的輸出電容C0SS2 126放電。圖4F示出在時(shí)間間隔t6 360期間初級(jí)電流IP 260的路徑。磁化電流lM230降低電壓V(^210和Vq2 270，直到它們的和 達(dá)到Vxn 102的值并且負(fù)的磁化電流IM 230達(dá)到最終值IMF 305為止。當(dāng) VQ1 210和VQ2 270的和是值Vjn 102時(shí)，初級(jí)電壓VP 132為0，并且時(shí)間 段ts360結(jié)束。
當(dāng)初級(jí)電壓VP 132在時(shí)間間隔t6 360結(jié)束時(shí)達(dá)到0時(shí)，次級(jí)繞組134 上的電壓也變?yōu)?，從而允許輸出二極管136進(jìn)行傳導(dǎo)。在連續(xù)傳導(dǎo)模式 中，從時(shí)間間隔310的結(jié)束一直到時(shí)間間隔t7 370的結(jié)束，續(xù)流二極管 138進(jìn)行傳導(dǎo)。
圖4G示出在時(shí)間間隔t7 370期間電流的路徑。變壓器T1 128的初級(jí) 繞組130和次級(jí)繞組134兩者上的0電壓情況使得磁化電流IM 230在初級(jí) 繞組130中循環(huán)。當(dāng)磁化電流lM 230變?yōu)樨?fù)的變壓器電流Lr 240時(shí)，初級(jí)電流IP 260變?yōu)?。變壓器電流IT 240在次級(jí)繞組134中產(chǎn)生按照變壓器的匝數(shù)比按比例縮放的電流。
非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變換器還可以包括已經(jīng)應(yīng)用于傳統(tǒng)的雙開關(guān)正激變換器的修改。傳統(tǒng)的雙開關(guān)正激變換器具有最大50%的占空比。B卩，有源開關(guān)不能被閉合超過(guò)重復(fù)切換周期的一個(gè)完整切換時(shí)間段的時(shí)間的一半。圖5示出非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變換器的一個(gè)示例500,其包括接收來(lái)自高壓側(cè)無(wú)源開關(guān)Dl 110的電流的變壓器恢復(fù)電路550。
示例變壓器恢復(fù)電路550包括Zener二極管VR1 510、電阻器Rl 520和電容器C3 530。來(lái)自高壓側(cè)無(wú)源開關(guān)D1 IIO的電流在輸入電壓V!n 102的正極端子和高壓側(cè)無(wú)源開關(guān)Dl 110之間的電容器C3 530上建立電壓VC3 540。
電壓VC3 540添加到輸入電壓Vjn 102，以減少在時(shí)間間隔t4 340中磁化電流IM 230降低為0所需要的時(shí)間。磁化電流IM 230返回0的時(shí)間的減少例如具有這樣的優(yōu)點(diǎn)增大切換周期中允許用于時(shí)間間隔t, 310的最大時(shí)間，從而使得超過(guò)50%占空比限制的對(duì)雙開關(guān)正激變換器的控制范圍被擴(kuò)展。擴(kuò)展后的控制范圍允許變換器針對(duì)較寬范圍的輸入電壓Vxn 102提供期望的輸出。在沒(méi)有擴(kuò)展輸入電壓Vjn 102的示例中，較大的占空比允許有源開關(guān)Ql 104和Q2 122中較低的RMS (均方根)電流，從而降低了傳導(dǎo)損耗。另一個(gè)增加的益處可以是在時(shí)間間隔t5 350和t6 360期間，電壓VC3 540幫助將輸出電容Cossi進(jìn)行放電，這降低了高壓側(cè)有源開關(guān)Q1 104上的最終電壓VQw315。
圖6示出非對(duì)稱式雙開關(guān)正激變換器的一個(gè)示例600，其將初級(jí)漏感LlP 605添加到變壓器Tl 128的初級(jí)繞組130的一端。圖6中的初級(jí)漏感LlP 605表示變壓器Tl的可以由分立電感器增強(qiáng)的固有特性。
初級(jí)漏感Ln> 605存儲(chǔ)來(lái)自初級(jí)電流IP 260的能量。在時(shí)間間隔t3 330和U 340期間，來(lái)自初級(jí)漏感Lw 605的能量幫助磁化電感LM 250對(duì)電容器C3 530充電。電容器C3 530上所產(chǎn)生的較高的電壓擴(kuò)展了無(wú)源開關(guān)Dl 110的恢復(fù)時(shí)間。因此，在時(shí)間間隔ts 350和t6 360期間，來(lái)自初級(jí)漏感Ln> 605的能量還幫助磁化電感LM 250將輸出電容Cossl放電。以上對(duì)本發(fā)明的示出示例的描述，包括摘要中所描述的，并不希望是窮盡的或者是對(duì)所公開的精確形式的限制。盡管出于說(shuō)明性目的在此描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例和示例，但是在不偏離本發(fā)明的更寬的精神和范圍的情況下，各種等同修改是可以的。實(shí)際上，應(yīng)當(dāng)理解，特定電壓、電流、頻率、功率范圍值、時(shí)間等被提供用于說(shuō)明的目的，并且其他值也可以用在根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的其它實(shí)施例和示例中。
根據(jù)以上詳細(xì)描述，可以對(duì)本發(fā)明的示例進(jìn)行這些修改。以下權(quán)利要求中所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)當(dāng)被理解為將本發(fā)明限制于說(shuō)明書和權(quán)利要求中所公開的特定實(shí)施例。而是，范圍完全由以下權(quán)利要求確定，權(quán)利要求要根據(jù)己制定的權(quán)利要求解釋原則來(lái)理解。因此，本說(shuō)明書和示圖被視作說(shuō)明性的而非限制性的。
權(quán)利要求
1.一種在功率變換器中使用的開關(guān)電路，包括第一有源開關(guān)，所述第一有源開關(guān)耦合到變壓器的初級(jí)繞組的第一端子；第二有源開關(guān)，所述第二有源開關(guān)耦合到所述變壓器的初級(jí)繞組的第二端子，其中，所述第一有源開關(guān)的輸出電容大于所述第二有源開關(guān)的輸出電容；第一無(wú)源開關(guān)，所述第一無(wú)源開關(guān)耦合到所述第二有源開關(guān)和所述初級(jí)繞組的第二端子；以及第二無(wú)源開關(guān)，所述第二無(wú)源開關(guān)耦合到所述第一有源開關(guān)和所述初級(jí)繞組的第一端子，其中，所述第一無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間大于所述第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述開關(guān)電路，其中，所述第一有源開關(guān)是高壓側(cè) 開關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述開關(guān)電路，其中，所述第一無(wú)源開關(guān)是高壓側(cè) 開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述開關(guān)電路，其中，所述第一有源開關(guān)和所述第 二有源開關(guān)中的至少一個(gè)是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述開關(guān)電路，其中，所述第一無(wú)源開關(guān)和所述第 二無(wú)源開關(guān)中的至少一個(gè)是PN結(jié)二極管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述開關(guān)電路，還包括變壓器恢復(fù)電路，所述變壓 器恢復(fù)電路被耦合以接收來(lái)自所述第一無(wú)源開關(guān)的電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述開關(guān)電路，還包括所述變壓器恢復(fù)電路中所包 括的電容器，以在接收來(lái)自所述第一無(wú)源開關(guān)的電流時(shí)建立電壓。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述開關(guān)電路，還包括耦合到所述第一無(wú)源開關(guān)的 電容器和Zener二極管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述開關(guān)電路，還包括耦合在所述變壓器恢復(fù)電路 中所包括的所述電容器和所述Zener二極管之間的電阻器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述開關(guān)電路，其中，所述變壓器恢復(fù)電路中所 包括的電容器被耦合以產(chǎn)生所述第一無(wú)源開關(guān)中的反向恢復(fù)電流。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述開關(guān)電路，還包括電感器，所述電感器耦合 在所述變壓器的初級(jí)繞組的第一端子和所述第一有源開關(guān)之間。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述開關(guān)電路，其中，所述電感器耦合在所述變 壓器的初級(jí)繞組的第一端子和所述第二無(wú)源開關(guān)之間。
13. —種用于控制功率變換器的輸出的方法，包括 閉合第一有源開關(guān)和第二有源開關(guān)，以將輸入電壓施加于變壓器的初級(jí)繞組，所述輸入電壓產(chǎn)生所述初級(jí)繞組兩端的初級(jí)電壓，所述初級(jí)電壓 產(chǎn)生具有磁化電流分量的初級(jí)電流，其中，所述第一有源開關(guān)的輸出電容 大于所述第二有源開關(guān)的輸出電容；斷開所述第一有源開關(guān)和所述第二有源開關(guān)，其中，所述磁化電流分 量對(duì)所述第一有源開關(guān)的電容和所述第二有源開關(guān)的電容充電；閉合第一無(wú)源開關(guān)，以傳導(dǎo)所述磁化電流分量，其中，所述磁化電流 分量對(duì)所述第一有源開關(guān)的電容充電，直到所述第一有源開關(guān)兩端的電壓 達(dá)到所述輸入電壓為止；閉合第二無(wú)源開關(guān)，以經(jīng)由所述第一無(wú)源開關(guān)和所述第二無(wú)源開關(guān)來(lái) 傳導(dǎo)所述磁化電流分量，以通過(guò)反轉(zhuǎn)所述磁化電流的方向而經(jīng)由所述第一 無(wú)源開關(guān)將所述第一有源開關(guān)的電容放電，其中，所述第一無(wú)源開關(guān)的反 向恢復(fù)時(shí)間大于所述第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間；以及斷開所述第一無(wú)源開關(guān)，以經(jīng)由所述第二無(wú)源開關(guān)來(lái)傳導(dǎo)所述磁化電 流分量，以將所述第二有源開關(guān)的電容放電。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，經(jīng)由所述第一被動(dòng)式開關(guān)和 所述第二被動(dòng)式開關(guān)對(duì)所述磁化電流分量的傳導(dǎo)降低所述第一有源開關(guān)兩 端的第一開關(guān)電壓，并且降低所述第二無(wú)源開關(guān)兩端的第二開關(guān)電壓。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，經(jīng)由所述第一無(wú)源開關(guān)和所 述第二無(wú)源開關(guān)對(duì)所述磁化電流分量的傳導(dǎo)降低所述第一開關(guān)電壓和所述 第二開關(guān)電壓，直到所述第一開關(guān)電壓和所述第二開關(guān)電壓的和等于所述 輸入電壓為止。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述第一有源開關(guān)和所述第 二有源開關(guān)被使用超過(guò)50%的有效占空比來(lái)斷開和閉合。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括當(dāng)所述初級(jí)電壓達(dá)到0伏 特時(shí)，經(jīng)由耦合到所述變壓器的次級(jí)繞組的輸出二極管來(lái)傳導(dǎo)電流。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括從所述第一有源開關(guān)和所 述第二有源開關(guān)被用信號(hào)閉合時(shí)直到所述第一有源開關(guān)和所述第二有源開 關(guān)被用信號(hào)斷開時(shí)，經(jīng)由耦合到所述次級(jí)繞組的續(xù)流二極管來(lái)傳導(dǎo)電流。
19. 一種功率變換器中使用的開關(guān)電路，包括第一有源開關(guān)，所述第一有源開關(guān)具有的第一端子耦合到變壓器的初級(jí)繞組的第一端子；第二有源開關(guān)，所述第二有源開關(guān)具有的第一端子耦合到所述變壓器 的初級(jí)繞組的第二端子，其中，所述第一有源開關(guān)的輸出電容大于所述第 二有源開關(guān)的輸出電容；第一無(wú)源開關(guān)，所述第一無(wú)源開關(guān)具有的第一端子耦合到所述初級(jí)繞 組的第二端子和所述第二有源開關(guān)，所述第一無(wú)源開關(guān)具有的第二端子耦 合到恢復(fù)電路；以及第二無(wú)源開關(guān)，所述第二無(wú)源開關(guān)具有的第一端子耦合到所述初級(jí)繞 組的第一端子和所述第一有源開關(guān)，其中，所述第一無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù) 時(shí)間大于所述第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的開關(guān)電路，其中，所述第一有源開關(guān)具有 的第二端子耦合到第一 電壓輸入端子。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的開關(guān)電路，其中，所述第二有源開關(guān)具有 的第二端子耦合到第二電壓輸入端子，其中，在所述第一電壓輸入端子和 所述第二電壓輸入端子之間存在電壓。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的開關(guān)電路，其中，所述第二無(wú)源開關(guān)具有 的第二端子耦合到所述第二電壓輸入端子。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的開關(guān)電路，還包括次級(jí)繞組，所述次級(jí)繞 組具有的第一端子耦合到輸出二極管，所述輸出二極管具有的第一端子耦 合到所述次級(jí)繞組，所述輸出二極管的第二端子耦合到續(xù)流二極管，所述續(xù)流二極管具有的第一端子耦合到所述輸出二極管的第二端子，所述續(xù)流 二極管具有的第二端子耦合到所述次級(jí)繞組的第二端子。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的開關(guān)電路，其中，所述恢復(fù)電路包括電容 器、Zener 二極管和電阻器，所述電容器具有的第一端子耦合到所述第一 有源開關(guān)的第二端子，所述Zener 二極管具有的第一端子耦合到所述電阻 器的第一端子，所述電阻器具有的第二端子耦合到所述第一無(wú)源開關(guān)的第 二端子，所述Zener 二極管的第二端子耦合到所述電容器的第二端子，并 且其中，所述Zener 二極管的第二端子還耦合到用于向所述功率變換器施 加輸入電壓的第一 電壓輸入端子。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的開關(guān)電路，其中，所述電阻器是等效地具 有實(shí)質(zhì)上為0歐姆的值的電阻器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非對(duì)稱式開關(guān)正激變換器。在一個(gè)方面中，一種在功率變換器中使用的開關(guān)電路包括第一和第二有源開關(guān)以及第一和第二無(wú)源開關(guān)。第一有源開關(guān)可以耦合到變壓器的初級(jí)繞組的第一端子。第二有源開關(guān)可以耦合到變壓器的初級(jí)繞組的第二端子。第一有源開關(guān)的輸出電容大于第二有源開關(guān)的輸出電容。第一無(wú)源開關(guān)可以耦合到第二有源開關(guān)和初級(jí)繞組的第二端子。第二無(wú)源開關(guān)可以耦合到第一有源開關(guān)和初級(jí)繞組的第一端子。第一無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間大于第二無(wú)源開關(guān)的反向恢復(fù)時(shí)間。
文檔編號(hào)H02M3/335GK101651420SQ20091016338
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者羅伯特·J·馬耶爾 申請(qǐng)人:電力集成公司