有源緩沖器拓?fù)涞闹谱鞣椒?br>
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了有源緩沖器拓?fù)?，具體公開(kāi)了有源緩沖器電路和包括有源電路的電力變換器。有源緩沖器電路包括：連接在第一對(duì)接點(diǎn)（A1）與第一連接點(diǎn)（D）之間的第一二極管和第一電感器的串聯(lián)連接；連接在第二連接點(diǎn)（E）與第二對(duì)接點(diǎn)（B）之間的第二二極管；連接在第三對(duì)接點(diǎn)（C）與第二連接點(diǎn)（E）之間的第三二極管和第二電感器的串聯(lián)連接；連接在第一連接點(diǎn)（D）與第三對(duì)接點(diǎn)（C）之間的開(kāi)關(guān)裝置；以及連接在第一連接點(diǎn)（D）與第二連接點(diǎn)（E）之間的第一電容器。第一、第二和第三二極管沿著第一對(duì)接點(diǎn)（A1）與第二對(duì)接點(diǎn)（B）之間且通過(guò)第三對(duì)接點(diǎn)（C）的路徑、在第一方向上正向偏置，開(kāi)關(guān)裝置被配置成控制第一方向上的電流流動(dòng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】有源緩沖器拓?fù)?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力變換器并且具體涉及用于電力變換器的緩沖器電路（snubber circuit)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力變換器中的主開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)頻率可以是影響電力變換器的電學(xué)性能以及 成本的關(guān)鍵參數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)增大變換器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減小無(wú)源元件尤其是磁元件的大小。 升壓變換器的輸入扼流圈或DC-DC變換器的隔離變壓器可以用作這種磁元件的示例。該減 小能夠?qū)ψ儞Q器的總成本產(chǎn)生直接和顯著的影響。
[0003] 將成本效率作為主要優(yōu)先考慮的電力變換器應(yīng)用會(huì)極大地受益于增大開(kāi)關(guān)頻率 的可能性。例如，在用于電信應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心或基站的電力變換器中，通常開(kāi)關(guān)頻率在 200kHz至600kHz的范圍內(nèi)。這種范圍可以提供增大開(kāi)關(guān)頻率并且因此還減小磁部件的大 小的大的可能性。如所提及的那樣，磁部件大小的減少導(dǎo)致顯著的成本節(jié)約和功率密度的 增加。此外，通過(guò)將開(kāi)關(guān)頻率增大至某一范圍，例如20kHz或20kHz以上，可以將低成本和 低磁芯損耗材料(例如軟鐵氧體）用于電力變換器的磁元件。
[0004] 然而，現(xiàn)有電力變換器的開(kāi)關(guān)頻率的大的增大通常不會(huì)沒(méi)有折衷。例如，從幾 kHz 增大到幾十kHz可以產(chǎn)生很高的開(kāi)關(guān)損耗。
[0005] 圖la示出了具有400V輸出的常規(guī)750W升壓變換器的示例性切換波形。在圖la 中，示出了開(kāi)關(guān)裝置的電壓vcds，s和電流"。由主二極管的反向恢復(fù)電流和主開(kāi)關(guān)裝置的高 切換速度在點(diǎn)11處接通時(shí)引起電流i s中的高電流應(yīng)力10。圖la還示出了在點(diǎn)13處關(guān)斷 時(shí)由高切換速度和電路的寄生電感引起的高電壓應(yīng)力12。
[0006] 圖lb示出了圖la的相應(yīng)的切換軌跡。接通軌跡14和關(guān)斷軌跡15連同電流軸和 電壓軸包圍下述區(qū)域：該區(qū)域大體上與在主開(kāi)關(guān)裝置的接通動(dòng)作和關(guān)斷動(dòng)作所耗散的能量 方面的開(kāi)關(guān)損耗對(duì)應(yīng)。因此，開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率線(xiàn)性地增加。
[0007] 更高的開(kāi)關(guān)損耗生成更多的熱，并且會(huì)需要更強(qiáng)大的冷卻系統(tǒng)或更大的散熱器， 以用于有效地提取熱以及防止半導(dǎo)體過(guò)熱。結(jié)果，變換器的功率密度和功率效率可能退化， 并且在磁零件中獲得的成本節(jié)約會(huì)被增加的冷卻系統(tǒng)成本抵消。
[0008] 可以使用所謂的軟開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的結(jié)果，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)高開(kāi)關(guān)頻率和低開(kāi)關(guān)損 耗。為了將變換器的開(kāi)關(guān)從常規(guī)的硬開(kāi)關(guān)變化為軟開(kāi)關(guān)，可以使用至少兩種方式。
[0009] 可以通過(guò)使用準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，即通過(guò)用準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)單元(例如圖2b或 圖2c中示出的準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)單元)替換常規(guī)PWM開(kāi)關(guān)單元(例如圖2a中示出的常規(guī)PWM開(kāi)關(guān) 單元)。圖2b示出了半波零電流諧振開(kāi)關(guān)單元，而圖2c示出了全波零電流諧振開(kāi)關(guān)單元。 [0010] 準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)能夠在零電流接通和零電壓關(guān)斷條件下進(jìn)行切換。然而，附加的諧振 部件和二極管與主開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，這會(huì)增加導(dǎo)通狀態(tài)損耗。此外，主開(kāi)關(guān)會(huì)經(jīng)受過(guò)電壓應(yīng)力 或過(guò)電流應(yīng)力。一般而言，應(yīng)力隨著變換器的額定功率增加。與硬開(kāi)關(guān)變換器相比，會(huì)需要 具有更高定額的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。更高的定額進(jìn)而會(huì)增加開(kāi)關(guān)的成本。 toon] 另一種方式是使用輔助電路、緩沖器來(lái)輔助主開(kāi)關(guān)進(jìn)行零電壓切換或零電流切 換。緩沖器可以被定義為下述電路：其能夠修改半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的接通和/或關(guān)斷切換軌跡，以 及能夠通過(guò)處理小量無(wú)效功率來(lái)減少或者甚至消除開(kāi)關(guān)損耗。圖3示出了電力變換器中的 緩沖器的示例性框圖。
[0012] 可以通過(guò)緩沖器的諧振動(dòng)作來(lái)降低切換事件中的di/dt變化率和dv/dt變化率。 還可以減小由切換動(dòng)作和寄生電容器以及電感器引起的振蕩。結(jié)果，能夠減少EMI問(wèn)題。
[0013] 在各種科學(xué)論文和專(zhuān)利出版物中已經(jīng)公布了不同的緩沖器電路。這些提議 彼此不同，主要在于實(shí)現(xiàn)零電壓切換或零電流切換的方法和緩沖器的重置電路。美 國(guó)專(zhuān)利US6987675B2、美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US6028418A、美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US5313382A、美國(guó)專(zhuān) 利US6236191B1、美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US5959438A、美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US5418704A、美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) US20020047693A1以及韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)KR20040054088A公開(kāi)了用于實(shí)現(xiàn)緩沖器電路的一些 方式。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0014] 本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)備以緩解上述缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以在獨(dú)立權(quán) 利要求中記載的內(nèi)容為特征的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在從屬權(quán)利要求中公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 方式。
[0015] 本公開(kāi)內(nèi)容公開(kāi)了一種能夠用于減少電力變換器中的一個(gè)或多個(gè)主開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān) 損耗的有源緩沖器拓?fù)洹Ｓ性淳彌_器包括輔助開(kāi)關(guān)裝置，并且有源緩沖器修改主開(kāi)關(guān)裝置 的切換動(dòng)作的切換軌跡。所公開(kāi)的有源緩沖器能夠輔助主開(kāi)關(guān)裝置在零電壓進(jìn)行接通動(dòng)作 和關(guān)斷動(dòng)作。因此，能夠使開(kāi)關(guān)損耗最小。
[0016] 緩沖器可以與電力變換器的主開(kāi)關(guān)裝置并聯(lián)連接。因此，不需要產(chǎn)生高導(dǎo)通狀態(tài) 損耗的緩沖器電感器到主開(kāi)關(guān)或二極管的串聯(lián)連接。所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)渚哂泻芏痰墓ぷ?時(shí)間，例如小于2μ s，這使緩沖器電路中的導(dǎo)通狀態(tài)損耗最小。緩沖器對(duì)主開(kāi)關(guān)的RMS電流 具有很小的影響，這使主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)損耗的增加最小。
[0017] 由于降低了主開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，所以能夠在不使半導(dǎo)體過(guò)熱的情況下增大變換器 的開(kāi)關(guān)頻率。由于較高的開(kāi)關(guān)頻率，所以能夠在不降低變換器效率的情況下減小磁部件的 物理尺寸、重量以及成本。此外，較高的開(kāi)關(guān)頻率還允許使用低成本磁材料，例如鐵氧體。
[0018] 可以將所公開(kāi)的緩沖器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于不同功率級(jí)拓?fù)?。例如，所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)?電路能夠減少單相或多相、兩電平或三電平非隔離DC-DC變換器的開(kāi)關(guān)損耗。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0019] 下面將借助于參照附圖的優(yōu)選實(shí)施方式來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中：
[0020] 圖la和圖lb示出了具有400V輸出的常規(guī)750W升壓變換器的示例性切換波形和 切換軌跡；
[0021] 圖2a、圖2b和圖2c分別示出了常規(guī)開(kāi)關(guān)單元、半波零電流諧振開(kāi)關(guān)單元以及全波 零電流諧振開(kāi)關(guān)單元；
[0022] 圖3示出了電力變換器中的緩沖器的示例性框圖；
[0023] 圖4a和圖4b示出了所公開(kāi)的有源緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)的兩個(gè)示例性變型；
[0024] 圖5示出了包括根據(jù)所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞氖纠跃彌_器電路的升壓變換器的 示例性實(shí)現(xiàn)；
[0025] 圖6a至圖6i示出了圖5的升壓變換器的工作模式；
[0026] 圖7a至圖7m示出了各種電力變換器中的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)的示例；
[0027] 圖8示出了變換器的主開(kāi)關(guān)的接通事件的模擬切換波形；
[0028] 圖9示出了在關(guān)斷時(shí)變換器的主開(kāi)關(guān)的模擬波形；以及
[0029] 圖10、圖11和圖12示出了在包括所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)的示例性變換器中 的實(shí)驗(yàn)性接通波形和關(guān)斷波形。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 圖4a和圖4b示出了能夠輔助變換器中的主開(kāi)關(guān)在零電壓接通和關(guān)斷的所公開(kāi)的 有源緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)的兩個(gè)示例性變型41和42。在圖4a和圖4b中，兩個(gè)緩沖器實(shí)現(xiàn) 41和42的拓?fù)湎嗤菢O性不同。變換器中的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)取決于關(guān)于變 換器的主開(kāi)關(guān)裝置的、變換器的電壓源和電流源的極性。
[0031] 在圖4a和圖4b二者中，有源緩沖器電路包括：一個(gè)或更多個(gè)第一對(duì)接點(diǎn) (interfacing point) Ai至Ax，其中X是變換器中的相編號(hào)；第二對(duì)接點(diǎn)B ;第三對(duì)接點(diǎn)C ; 第一連接點(diǎn)D ;以及第二連接點(diǎn)E。
[0032] 對(duì)接點(diǎn)&至Ax分別通過(guò)并聯(lián)的第一二極管Dslil至D sl,x連接到公共點(diǎn)。第一電感 器Lsl連接在公共點(diǎn)與第一連接點(diǎn)D之間，從而在第一對(duì)接點(diǎn)Ai至A x與第一連接點(diǎn)D之間 形成路徑，即第一二極管和第一電感器Lsl的串聯(lián)連接。第二二極管D s2連接在第二連接點(diǎn) E與第二對(duì)接點(diǎn)B之間。第三二極管Ds3和第二電感器Ls2的串聯(lián)連接被連接在第三對(duì)接點(diǎn) C與第二連接點(diǎn)E之間。第一電容器Cs連接在第一連接點(diǎn)D與第二連接點(diǎn)E之間。
[0033] 輔助開(kāi)關(guān)裝置Sa連接在第一連接點(diǎn)D與第三對(duì)接點(diǎn)C之間。輔助開(kāi)關(guān)裝置例如 可以為M0SFET。在圖4a和圖4b中，輔助開(kāi)關(guān)裝置S a與反并聯(lián)（antiparallel)的第四二 極管Ds4 (即續(xù)流二極管）以及漏源電容器(^>耦合。在M0SFET開(kāi)關(guān)裝置的情況下，開(kāi)關(guān) 裝置的體二極管可以用作續(xù)流二極管。可以控制輔助開(kāi)關(guān)裝置S a以在零電流接通以及在 零電壓關(guān)斷。
[0034] 在圖4a和圖4b中，每個(gè)第一二極管Dsl，n(n e {Ι.,.χ})連同第二二極管Ds2以及 第三二極管Ds3以下述方式形成對(duì)應(yīng)的第一對(duì)接點(diǎn)A n與第二對(duì)接點(diǎn)B之間的通過(guò)第三對(duì)接 點(diǎn)C的路徑：該方式使得第一二極管Dsl，n、第二二極管D s2以及第三二極管Ds3沿著該路徑在 第一方向上正向偏置。開(kāi)關(guān)裝置Sa被配置成控制第一方向上的電流流動(dòng)。
[0035] 在圖4a中示出的第一變型41中，第一方向?yàn)閺牡谝粚?duì)接點(diǎn)Ai至八,通過(guò)第三對(duì)接 點(diǎn)C到第二對(duì)接點(diǎn)B。換言之，第一二極管D sl，i至Dsl，x、第二二極管Ds2以及第三二極管D s3 在從第一對(duì)接點(diǎn)Ai至Ax通過(guò)第三對(duì)接點(diǎn)C到第二對(duì)接點(diǎn)B的方向上正向偏置，并且開(kāi)關(guān)裝 置Sa被配置成控制該方向上的電流流動(dòng)。
[0036] 在圖4b中示出的第二變型42中，第一方向?yàn)閺牡诙?duì)接點(diǎn)B通過(guò)第三對(duì)接點(diǎn)C 到第二對(duì)接點(diǎn)Ai至Ax。第一二極管Dsl;1至Dsl，x、第二二極管D s2以及第三二極管Ds3在從第 二對(duì)接點(diǎn)B通過(guò)第三對(duì)接點(diǎn)C到第一對(duì)接點(diǎn)Ai至Ax的方向上正向偏置，并且開(kāi)關(guān)裝置S a被 配置成控制該方向上的電流流動(dòng)。
[0037] 所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)淠軌蛟诎ǘ嘞嘧儞Q器結(jié)構(gòu)和三電平變換器結(jié)構(gòu)的不同變 換器拓?fù)渲泄ぷ?。適于包括所公開(kāi)的有源緩沖器拓?fù)涞碾娏ψ儞Q器可以包括連接在第一結(jié) 點(diǎn)A/與第二節(jié)點(diǎn)B'之間的主二極管裝置以及連接在第一結(jié)點(diǎn)A/點(diǎn)與第三節(jié)點(diǎn)C'之間 的主開(kāi)關(guān)裝置。電力變換器還可以包括連接到第一節(jié)點(diǎn)A/的電流源。例如，在主開(kāi)關(guān)裝 置的切換時(shí)間段的時(shí)間尺度上，主電感器可以用作電流源。電力變換器還可以包括其端子 連接到第二節(jié)點(diǎn)B'的電壓源。例如，在主開(kāi)關(guān)裝置的切換時(shí)間段的時(shí)間尺度上，主電容器 可以用作電壓源。
[0038] 當(dāng)電力變換器具有多于一個(gè)相時(shí)，電力變換器可以包括連接在多個(gè)第一節(jié)點(diǎn)A/ 至4'與第二節(jié)點(diǎn)B'之間的主二極管；連接在第一節(jié)點(diǎn)A/至4'與第三節(jié)點(diǎn)C'之間的主 開(kāi)關(guān)裝置；以及連接到第一節(jié)點(diǎn)A/至\'的電流源。
[0039] 為了利用所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)洌_(kāi)的緩沖器實(shí)現(xiàn)的每個(gè)第一對(duì)接點(diǎn) An(n e {1... χ})可以連接到第一節(jié)點(diǎn)A/至Ax'中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，即連接到變換器的相的主 開(kāi)關(guān)、主二極管與電流源之間的公共節(jié)點(diǎn)。第一對(duì)接點(diǎn)的數(shù)量取決于變換器中的相的數(shù)量。 第二對(duì)接點(diǎn)B可以連接到第二節(jié)點(diǎn)B'，即主二極管與電壓源的公共節(jié)點(diǎn)。第三對(duì)接點(diǎn)C可 以連接到第三節(jié)點(diǎn)C'，即主開(kāi)關(guān)與電壓源的公共節(jié)點(diǎn)。
[0040] 圖5示出了其中可以使用所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞纳龎鹤儞Q器的示例。主二極管D 連接在第一節(jié)點(diǎn)A'與第二節(jié)點(diǎn)B'之間。主開(kāi)關(guān)裝置S連接在第一節(jié)點(diǎn)A'點(diǎn)與第三節(jié)點(diǎn) C'之間。在圖5中，主開(kāi)關(guān)裝置S為M0SFET。主開(kāi)關(guān)裝置S包括用作續(xù)流二極管的體二極 管。
[0041] 升壓變換器由輸入電壓供給Vin供電。電壓供給Vin的正極連接到電感器L的一 端。電感器L用作電流源。電感器L的另一端子連接到第一節(jié)點(diǎn)A'。在圖5中，電流源的 負(fù)極形成第三節(jié)點(diǎn)C'。
[0042] 變換器還包括具有連接到第二節(jié)點(diǎn)B'的一個(gè)端子的主電容器C的形式的電壓源。 在圖5中，輸入電壓供給V in的負(fù)極連接到電容器C的另一極。
[0043] 還如圖5所示，電力變換器還包括根據(jù)所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞木彌_器電路。由于 圖5中的電力變換器具有一個(gè)輸出相，緩沖器電路具有連接到第一節(jié)點(diǎn)A/的一個(gè)第一對(duì)接 點(diǎn)心。因此，第一對(duì)接點(diǎn)&連接到主開(kāi)關(guān)、主二極管以及電流源的公共節(jié)點(diǎn)。第二對(duì)接點(diǎn)B 連接到第二節(jié)點(diǎn)B'，即主二極管與電壓源的公共節(jié)點(diǎn)。第三對(duì)接點(diǎn)C連接到第三節(jié)點(diǎn)C'， 即主開(kāi)關(guān)與電壓源的公共節(jié)點(diǎn)。
[0044] 當(dāng)變換器的主電路被配置成使得電流從第一節(jié)點(diǎn)A/流向第二節(jié)點(diǎn)B'時(shí)，可以使 用第一變型41，還如圖4a所示。圖5示出了這種配置。
[0045] 然而，如果主電路被配置成使得電流從第二節(jié)點(diǎn)B'流向第一節(jié)點(diǎn)A/，則例如可以 使用第二變型42,如圖4b所示。
[0046] 可以將圖5中的升壓變換器的操作劃分成九個(gè)連續(xù)的工作模式。圖6a至圖6i示 出了圖5的升壓變換器中的這些模式。
[0047] 圖6a示出了模式1。在模式1 (h彡KtJ下，主開(kāi)關(guān)裝置S關(guān)斷并且二極管D接 通。變換器在關(guān)斷狀態(tài)下工作，直到在t=h時(shí)輔助開(kāi)關(guān)Sa接通。
[0048] 圖6b示出了模式2。在模式2 (L彡t〈t2)下，由于Lsl和Ls2的存在而導(dǎo)致在零 電流(在t=〇輔助開(kāi)關(guān)裝置S a接通。主二極管D的電流iD開(kāi)始下降并且相應(yīng)地輔助開(kāi) 關(guān)sa的電流iSa開(kāi)始增加，直到iD等于零并且iSa等于輸入電流I in。電流iD的變化率diD/ dt受到Lsl的限制，并且因此減少了 D的反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)損失。當(dāng)輔助開(kāi)關(guān)Sa閉 合時(shí)，第一諧振路徑Ls2 - Ds3 - Cs - Sa被激勵(lì)。當(dāng)?shù)诙姼衅鱈s2的電流iw等于零時(shí)，該諧 振結(jié)束。
[0049] 圖6c示出了模式3 (t2彡t〈t3)，當(dāng)緩沖器第一電感器Lsl的電流U等于輸入電 流I in時(shí)，模式3開(kāi)始。第一諧振路徑Ls2 - Ds3 - Cs - Sa中的諧振過(guò)程仍在諧振，并且生成第 二諧振路徑Cds，s - Dsl - Lsl - Sa。在該模式下，主開(kāi)關(guān)S的漏源電容器Cds，s開(kāi)始放電。
[0050] 圖6d示出了模式4 (t3彡t〈t4)，當(dāng)在主開(kāi)關(guān)S的體二極管使電壓鉗位時(shí)漏源電 容器Cds， s完全放電并且漏源電容器兩端的電壓等于零時(shí)，模式4開(kāi)始。在該模式下， 第一諧振路徑Ls2 - Ds3 - Cs - Sa仍在諧振。在柵極信號(hào)被施加到主開(kāi)關(guān)S并且主開(kāi)關(guān)S在零 電壓接通時(shí)，模式4結(jié)束。
[0051] 圖6e示出了模式5。除了在已經(jīng)施加?xùn)艠O信號(hào)的情況下第二諧振路徑Cds， s -Dsl -Lsl - Sa中的電流流經(jīng)主開(kāi)關(guān)S而不是流經(jīng)主開(kāi)關(guān)S的體二極管之外，模式5( t4〈t〈t5)的操作 類(lèi)似于模式4。為了確保輔助開(kāi)關(guān)Sa稍后在零電壓關(guān)斷，通過(guò)第一諧振路徑L s2 - Ds3 - Cs - Sa 將第一電容器Cs兩端的電壓vCs充電至-Vwt。當(dāng)?shù)谝恢C振路徑L s2 - Ds3 - Cs - Sa中的諧振完 成時(shí)，模式5結(jié)束。
[0052] 圖6f示出了模式6。在模式6 (t4< t〈t5)下，在來(lái)自Cds，s的存儲(chǔ)在1^中的能量 循環(huán)經(jīng)過(guò)主開(kāi)關(guān)S時(shí)，輸入電流I in循環(huán)經(jīng)過(guò)輔助開(kāi)關(guān)Sa。在第二諧振路徑(現(xiàn)在為S - Dsl -Lsl - Sa)中循環(huán)的電流產(chǎn)生額外的導(dǎo)通狀態(tài)損耗。因此，可能期望使模式6的持續(xù)時(shí)間最小。
[0053] 圖6g示出了模式7(t5彡t〈t6)，當(dāng)輔助開(kāi)關(guān)&被關(guān)斷時(shí)，模式7開(kāi)始。由于在模 式5下被充至-V wt，所以現(xiàn)在輔助開(kāi)關(guān)Sa可以在零電壓關(guān)斷。輔助開(kāi)關(guān)Sa的漏源電容 器C ds Sa通過(guò)電流ksl進(jìn)行充電，直到輔助開(kāi)關(guān)漏源電容器電壓vMs，Sa與反向第一電容器電 壓之和等于輸出電壓ν_。然后，k sl開(kāi)始對(duì)輔助開(kāi)關(guān)漏源電容器Cds Sa進(jìn)行充電并且 對(duì)第一緩沖器電容器Cs進(jìn)行放電，直到U等于零。
[0054] 圖6h示出了模式8。當(dāng)?shù)谝浑姼衅鱈sl完全放電時(shí)，模式8 (t6<t〈t7)開(kāi)始。變 換器在正常接通狀態(tài)操作下工作。當(dāng)達(dá)到期望的脈沖寬度即t=DT s時(shí)，模式8結(jié)束，其中D 為期望的脈沖比并且Ts為周期長(zhǎng)度。
[0055] 圖6i示出了模式9 (t7<t〈t8)，當(dāng)主開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)，模式9開(kāi)始。主開(kāi)關(guān)S因主 開(kāi)關(guān)漏源電容器C ds，s的存在而在零電壓關(guān)斷。當(dāng)VMs，s等于輸出電壓V wt時(shí)，模式9結(jié)束。
[0056] 例如，可以以下面的方式對(duì)所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞牟考M(jìn)行定額（rate)。Lsl的電 感取決于主二極管的反向恢復(fù)特性。下面的等式給出了用于確定L sl的近似值的指導(dǎo)： f _ 2ΔβτΓ0";
[0057] (!)
[0058] 其中Ι"·為峰值反向恢復(fù)電流，并且S"為主二極管的恢復(fù)系數(shù)（snappiness factor)。Q"為二極管的反向恢復(fù)電荷。如果主二極管的數(shù)據(jù)表中沒(méi)有給出這些參數(shù)，則 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整L sl的電感。
[0059] 主開(kāi)關(guān)S的漏源電容Cds，s可以被設(shè)計(jì)成吸收由變換器中的開(kāi)關(guān)回路的PCB上的寄 生電感引入的電壓應(yīng)力。然而，同時(shí)，在接通時(shí)輔助開(kāi)關(guān)裝置S a上的電流應(yīng)力與主開(kāi)關(guān)裝 置S的漏源電容Cds，s的大小成比例。
[0060] 輔助開(kāi)關(guān)sa的接通開(kāi)關(guān)損耗與輔助開(kāi)關(guān)裝置sa的漏源電容c dSiSa成比例，因?yàn)楫?dāng) sa接通時(shí)存儲(chǔ)在漏源電容cds，Sa中的能量被內(nèi)部放電。
[0061] 因此，可能期望使主開(kāi)關(guān)裝置和輔助開(kāi)關(guān)裝置的漏源電容最小，以使輔助開(kāi)關(guān)裝 置sa的電流應(yīng)力和接通開(kāi)關(guān)損耗最小。
[0062] 在操作期間(在模式5結(jié)束時(shí))，存儲(chǔ)在Lsl中的能量被傳遞給Cds， Sa和Cs。因此，第 一電容器cs的電容可以被如下限定：
[0063] Cs=~f^{ lin + yj^ds.S T-Cs, Vc- (2)
[0064] 其中1為輔助開(kāi)關(guān)裝置Sa的漏源電容器Cds， Sa兩端的電壓。&可以是基于 開(kāi)關(guān)裝置的額定電壓來(lái)確定大小的。
[0065] Ls2通過(guò)抑制來(lái)自Cs的電流應(yīng)力提供用于輔助開(kāi)關(guān)裝置Sa的零電流接通切換條 件。Ls2的值可以被如下確定： (v \
[0066] Lsl=Cs (3)
[0067] 其中，為輸出電壓并且為第一電感器Lsl的電流。
[0068] 所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)不僅限于如圖5中那樣的升壓變換器中的實(shí)現(xiàn)。所公 開(kāi)的緩沖器能夠在包括多相變換器結(jié)構(gòu)和三電平變換器結(jié)構(gòu)的各種變換器拓?fù)渲泄ぷ鳌D 7a至圖7k示出了各種電力變換器中的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)的一些示例。取決于拓 撲，圖4a中示出的第一變型41、圖4c中示出的第二變型42或者這二者被用于電力變換器 中。
[0069] 圖7a示出了在降壓變換器中實(shí)現(xiàn)的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞淖冃?；圖7b示出了在 升壓變換器中實(shí)現(xiàn)的變型；并且圖7c示出了在降壓-升壓變換器中實(shí)現(xiàn)的變型。
[0070] 圖7d示出了在SEPIC變換器中實(shí)現(xiàn)的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞淖冃汀Ｔ趫D7d中， 第一對(duì)接點(diǎn)4沒(méi)有物理上連接到主開(kāi)關(guān)、電流源與主二極管之間的公共節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橹鞫O 管D沒(méi)有物理上與開(kāi)關(guān)S和用作電流源的電感器L 2共享公共節(jié)點(diǎn)。然而，由二極管D以及 電容器C2和負(fù)載R的并聯(lián)連接形成的路徑可以用其中二極管D的位置以及電容器C 2和負(fù) 載R的并聯(lián)連接的位置互換的等同路徑來(lái)替換。圖7e示出了這種替換的示例。因此，可以 認(rèn)為二極管與開(kāi)關(guān)S和電感器L 2有效地共享公共節(jié)點(diǎn)。因此，圖7d中的第一對(duì)接點(diǎn)Ai有 效地連接到主開(kāi)關(guān)S、主二極管D與電流源L2的公共節(jié)點(diǎn)。
[0071] 圖7f示出了在0uk變換器中實(shí)現(xiàn)的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞淖冃汀Ｔ趫D7f中，用 作電流源的電感器L2沒(méi)有在物理上與主開(kāi)關(guān)S和主二極管D共享公共節(jié)點(diǎn)。類(lèi)似地，在圖 7d中，由電感器L2以及電容器C2和負(fù)載R的并聯(lián)連接形成的路徑可以用其中電感器L2的 位置以及電容器(： 2和負(fù)載R的并聯(lián)連接的位置互換的等同路徑來(lái)替換。因此，可以認(rèn)為電 感器L2與開(kāi)關(guān)S和二極管D有效地共享公共節(jié)點(diǎn)。因此，圖7f中的第一對(duì)接點(diǎn)Ai有效地 連接到主開(kāi)關(guān)S、主二極管D與電流源L 2的公共節(jié)點(diǎn)。
[0072] 圖7g示出了在兩相降壓變換器中實(shí)現(xiàn)的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞淖冃?。圖7h示出 了在兩相升壓變換器中實(shí)現(xiàn)的變型。圖7i示出了在兩相降壓-升壓變換器中的變型。圖 7j示出了在三電平降壓變換器中實(shí)現(xiàn)的變型。
[0073] 圖7k示出了三電平升壓變換器中的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)的變型。在圖7j 中，第三對(duì)接點(diǎn)C沒(méi)有在物理上連接到電壓源。然而，電壓源Vin以及電容器Cinl和C in2的 并聯(lián)連接可以用如下等同電路來(lái)替換：該等同電路包括其互連點(diǎn)接地的兩個(gè)串聯(lián)連接的電 壓源。這些電壓源連同電感器1^和1^ 2形成兩個(gè)串聯(lián)連接的電路，在這兩個(gè)串聯(lián)連接的電路 中，元件的位置可以自由互換。圖71示出了這種等同電路，其中兩個(gè)等同電壓源V inl和Vin2 中的一個(gè)電壓源與主開(kāi)關(guān)S2共享公共節(jié)點(diǎn)。因此，也可以認(rèn)為圖7k中的第三點(diǎn)C有效地 連接到主開(kāi)關(guān)與電壓源之間的公共節(jié)點(diǎn)。
[0074] 圖7m示出了在三電平降壓-升壓變換器中實(shí)現(xiàn)的所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞淖冃汀?br>
[0075] 通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬PS頂對(duì)所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞牟僮鬟M(jìn)行測(cè)試。如圖5所示的包 括所公開(kāi)的緩沖器變型的升壓變換器被用于模擬。圖8和圖9中示出了結(jié)果。
[0076] 圖8示出了主開(kāi)關(guān)S的接通事件的模擬切換波形。在圖8中，在主開(kāi)關(guān)S的柵極 信號(hào)vgSiS前施加輔助開(kāi)關(guān)S a的柵極信號(hào)vgs，Sa以產(chǎn)生用于主開(kāi)關(guān)S的零電壓接通條件。輔 助開(kāi)關(guān)S a分別在零電流和零電壓接通和關(guān)斷。vMs，s和is為主開(kāi)關(guān)S的模擬電壓波形和模 擬電流波形；v Ms，Sa和iSa為輔助開(kāi)關(guān)Sa的模擬電壓波形和模擬電流波形；并且k sl和ksl為 第一電感器Lsl和第二電感器Ls2的電流。如圖8所示，實(shí)際上電壓與電流之間沒(méi)有交疊，并 且?guī)缀跬耆碎_(kāi)關(guān)損耗。
[0077] 圖9示出了在關(guān)斷主開(kāi)關(guān)S時(shí)相同信號(hào)的模擬波形。在圖9中，主開(kāi)關(guān)S在零電 壓關(guān)斷，并且因此，使開(kāi)關(guān)損耗最小。
[0078] 圖10示出了包括所公開(kāi)的緩沖器拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)的示例性交錯(cuò)(兩相）升壓DC/DC變 換器中的主開(kāi)關(guān)之一的實(shí)驗(yàn)性接通和關(guān)斷波形。在圖10中，示出了主開(kāi)關(guān)之一的柵極信號(hào) VgS，S、電流"以及電壓VCds，S。
[0079] 柵極信號(hào)^s首先關(guān)斷，然后接通。該主開(kāi)關(guān)S的電流iS示出了由于升壓變換器 的交錯(cuò)操作而產(chǎn)生的在點(diǎn)101處的槽口。在點(diǎn)102處，電流i s示出了當(dāng)電流流經(jīng)主開(kāi)關(guān)S 的體二極管時(shí)的負(fù)值。如在點(diǎn)103處可以看出，主開(kāi)關(guān)在零電壓接通。當(dāng)主開(kāi)關(guān)在103處 接通時(shí)，電流開(kāi)始流經(jīng)S的溝道。在點(diǎn)100處的振蕩主要?dú)w因于變換器的PCB線(xiàn)路中的雜 散電感。
[0080] 圖11示出了圖10的放大部分。如圖11所示，在點(diǎn)104,主開(kāi)關(guān)S在近乎零電壓關(guān) 斷。因此，使開(kāi)關(guān)損耗最小。
[0081] 圖12示出了圖10和圖11中使用的緩沖器電路的輔助開(kāi)關(guān)Sa的實(shí)驗(yàn)性接通和關(guān) 斷波形。在圖12中，示出了柵極信號(hào)^ s、輔助開(kāi)關(guān)Sa的電流iSa以及輔助開(kāi)關(guān)Sa的電壓 。在點(diǎn)1〇5處，輔助開(kāi)關(guān)Sa幾乎在零電流接通，并且因此使接通損耗最小。圖12在點(diǎn) 106處示出了在零電壓似乎沒(méi)有發(fā)生輔助開(kāi)關(guān)Sa的關(guān)斷。然而，這主要?dú)w因于如下事實(shí)：實(shí) 驗(yàn)設(shè)置下的電流測(cè)量不能夠在通過(guò)輔助開(kāi)關(guān)S a的溝道的電流與通過(guò)電容器Cds，Sa的電流之 間進(jìn)行區(qū)分。由于僅測(cè)量它們的總電流，而不是僅測(cè)量通過(guò)溝道的電流，所以關(guān)斷似乎發(fā)生 在非零電流處。在點(diǎn)107處可見(jiàn)的振蕩是由電流測(cè)量的布線(xiàn)引起的。
[〇〇82] 對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以以各種方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思是顯而易見(jiàn)的。本發(fā) 明及其實(shí)施方式不限于上述示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。
【權(quán)利要求】
1. 一種有源緩沖器電路，包括： 第一對(duì)接點(diǎn)（Ai)、第二對(duì)接點(diǎn)（B)和第三對(duì)接點(diǎn)（C); 第一連接點(diǎn)（D)和第二連接點(diǎn)（E); 第一二極管和第一電感器的串聯(lián)連接，其連接在所述第一對(duì)接點(diǎn)（4)與所述第一連接 點(diǎn)（D)之間； 第二二極管，其連接在所述第二連接點(diǎn)（E)與所述第二對(duì)接點(diǎn)（B)之間； 第三二極管和第二電感器的串聯(lián)連接，其連接在所述第三對(duì)接點(diǎn)（C)與所述第二連接 點(diǎn)（E)之間； 開(kāi)關(guān)裝置，其連接在所述第一連接點(diǎn)（D)與所述第三對(duì)接點(diǎn)（C)之間；以及 第一電容器，其連接在所述第一連接點(diǎn)（D)與所述第二連接點(diǎn)（E)之間， 其中， 所述第一二極管、所述第二二極管以及所述第三二極管沿著所述第一對(duì)接點(diǎn)（4)與所 述第二對(duì)接點(diǎn)（B)之間并且通過(guò)所述第三對(duì)接點(diǎn)（C)的路徑、在第一方向上正向偏置，并且 所述開(kāi)關(guān)裝置被配置成控制所述第一方向上的電流流動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源緩沖器電路，其中，所述開(kāi)關(guān)裝置具有反并聯(lián)的第四二 極管和并聯(lián)的電容器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有源緩沖器電路，其中，所述開(kāi)關(guān)裝置為包括體二極管的 MOSFET。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的有源緩沖器電路，其中，所述第一電感器（Lsl)的 電感為： =2AQn.Voutsl ' + S,,,.)1 其中，為峰值反向恢復(fù)電流，s"為主二極管的恢復(fù)系數(shù)，并且Q"為所述二極管的反 向恢復(fù)電荷。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的有源緩沖器電路，其中，所述第一電容器（Cs)的 電容為： Vcds'Sa 其中，為輔助開(kāi)關(guān)SJ勺1--容1 Cds,Sa兩端白勺@壓，是$+所 述開(kāi)關(guān)裝置的額定電壓來(lái)確定大小的。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的有源緩沖器電路，其中，所述第二電感器（Ls2)的 電感為： f \2 J _Γ V lhx ) 其中，為輸出電壓并且l為所述第一電感器Lsl的電流。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的有源緩沖器電路，其中，所述第一方向?yàn)閺乃?第一對(duì)接點(diǎn)A通過(guò)所述第三對(duì)接點(diǎn)C到所述第二對(duì)接點(diǎn)B。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的有源緩沖器電路，其中，所述第一方向?yàn)閺乃?第二對(duì)接點(diǎn)B通過(guò)所述第三對(duì)接點(diǎn)C到所述第二對(duì)接點(diǎn)A。
9. 一種電力變換器，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的有源緩沖器電路。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電力變換器，其中，所述電力變換器包括： 主二極管裝置，其連接在第一節(jié)點(diǎn)（A/ )與第二節(jié)點(diǎn)（B'）之間， 主開(kāi)關(guān)裝置，其連接在所述第一節(jié)點(diǎn)（A/)與第三節(jié)點(diǎn)（C'）之間，其中， 所述第一對(duì)接點(diǎn)（AJ連接到所述第一節(jié)點(diǎn)（A/ )， 所述第二對(duì)接點(diǎn)（B)連接到所述第二節(jié)點(diǎn)（B'），并且 所述第三對(duì)接點(diǎn)（C)連接到所述第三節(jié)點(diǎn)（C'）。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的電力變換器，其中，所述電力變換器包括： 主二極管，其連接在多個(gè)第一節(jié)點(diǎn)（A/至Ax'）與第二節(jié)點(diǎn)（B'）之間， 主開(kāi)關(guān)裝置，其連接在所述第一節(jié)點(diǎn)（A/至Ax'）與第三節(jié)點(diǎn)（C'）之間，其中， 所述有源緩沖器電路包括對(duì)接點(diǎn)至Ax)，每個(gè)第一對(duì)接點(diǎn)（心至Ax)連接到所述第一 節(jié)點(diǎn)（A/至乂'）之一， 所述第二對(duì)接點(diǎn)（B)連接到所述第二節(jié)點(diǎn)（B'），并且 所述第三對(duì)接點(diǎn)（C)連接到所述第三節(jié)點(diǎn)（C'）。
【文檔編號(hào)】H02M3/155GK104104224SQ201410131020
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月2日
【發(fā)明者】李亭湖, 何藝文, 格拉爾多·埃斯科巴爾, 喬納森·布拉德肖 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司