自激振蕩諧振電力轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利說明】自激振蕩諧振電力轉(zhuǎn)換器
[0001] 本發(fā)明設(shè)及諧振電力轉(zhuǎn)換器和逆變器。所述諧振電力轉(zhuǎn)換器和逆變器包括自激振 蕩反饋回路，自激振蕩反饋回路從開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)輸出端禪接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端， 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括一個或更多個半導體開關(guān)。自激振蕩反饋回路設(shè)置電力轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率并 且包括第一本征開關(guān)電容和第一電感器，第一本征開關(guān)電容禪接在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)輸出端 與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端之間。第一電感器禪接在第一偏置電壓源與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入 端之間并且具有基本上固定的電感。第一偏置電壓源被配置成生成施加給第一電感器的可 調(diào)偏置電壓。通過控制所述可調(diào)偏置電壓來W靈活且迅速的方式控制電力轉(zhuǎn)換器的輸出電 壓。
【背景技術(shù)】
[000引電力密度總是供電電路如AC-DC、DC-AC和DC-DC電力轉(zhuǎn)換器的用于針對給定的輸 出電力規(guī)格提供最小可能物理尺寸的關(guān)鍵性能度量。諧振電力轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)是本領(lǐng)域中 公知類型的DC-DC/開關(guān)模式電源或轉(zhuǎn)換器（SMP巧。諧振電力轉(zhuǎn)換器對于其中標準SMI^S拓 撲結(jié)構(gòu)（降壓、升壓等）往往出于轉(zhuǎn)換效率原因而不可接受的如IMHzW上的高開關(guān)頻率尤 其有用。由于結(jié)果的電力轉(zhuǎn)換器的電路部件如電感器和電容器的電氣和物理尺寸的減小， 所W通常期望高的開關(guān)頻率。較小的部件使得能夠增加SMI^S的電力密度。在諧振電力轉(zhuǎn)換 器中，用"諧振"半導體開關(guān)來取代標準SMPS的輸入"斬波器"半導體開關(guān)（通常是MOSFET 或IGBT)。諧振半導體開關(guān)依賴于電路電容和電感的諧振來對跨開關(guān)元件的電流或電壓的 波形進行整形，W使得當開關(guān)發(fā)生時，不存在通過開關(guān)元件的電流或開關(guān)元件兩端的電壓。 因此，極大地消除了輸入開關(guān)元件的本征電容中的至少一些中的電力損耗，W使得開關(guān)頻 率急劇增大至例如大于lOMHz變得可行。此概念在本領(lǐng)域中如零電壓和/或電流開關(guān)狂VS 和/或ZC巧操作的設(shè)計下是已知的。在ZVS和/或ZCS下操作的常用開關(guān)模式電力轉(zhuǎn)換 器通常被描述為E類、F類或DE類逆變器或電力轉(zhuǎn)換器。
[0003] 然而，諧振電力轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的快速且準確的控制仍然是個挑戰(zhàn)。在下面的 參考文獻中所描述的現(xiàn)有技術(shù)的電力轉(zhuǎn)換器提出利用W下自激振蕩反饋回路：所述自激 振蕩反饋回路圍繞輸入開關(guān)元件并且通過MOSFET的本征或固有漏源電容結(jié)合禪接至該 MOSFET開關(guān)的柵極端子的可變串聯(lián)電感來驅(qū)動。
[0004] U.S. 4, 605, 999公開了一種自激振蕩電力轉(zhuǎn)換器，所述自激振蕩電力轉(zhuǎn)換器包括 繞單個MOSFET開關(guān)構(gòu)建的自激振蕩逆變器電路。如果操作的頻率足夠高，則MOSFET開關(guān) 的固有漏源電容提供足W維持逆變器電路的自激振蕩的反饋路徑。所述電力轉(zhuǎn)換器通過反 饋回路被調(diào)壓，所述反饋回路從轉(zhuǎn)換器的DC輸出電壓得到控制信號并且將控制信號施加 至包括電感器和成對的非線性電容的可變電感網(wǎng)絡(luò)。
[0005] U.S. 5, 430, 632公開了一種自激振蕩電力轉(zhuǎn)換器，所述自激振蕩電力轉(zhuǎn)換器利用 半橋式配置的一對MOSFET晶體管開關(guān)，其中，該兩個MOSFET晶體管的結(jié)點被禪接至電抗性 網(wǎng)絡(luò)，而電抗性網(wǎng)絡(luò)與輸出整流器連接。開關(guān)晶體管的本征柵漏電極間電容用作維持振蕩 的唯一工具。通過啟動電路在MOSFET晶體管開關(guān)的柵源端子處發(fā)起振蕩。振蕩的頻率通 過MOSFET晶體管開關(guān)的柵源電容W及隔離的柵極驅(qū)動互感器的電感來確定。振蕩頻率通 過經(jīng)由成對的控制繞組來改變禪接至M0SFET晶體管開關(guān)的柵極端子的隔離的柵極驅(qū)動互 感器的電感來控制。
[0006] 然而，由于物理部件限制而導致可調(diào)電感和/或電容的可能的調(diào)節(jié)范圍往往非常 窄，從而準確性也可能受限。此外，可調(diào)電感和/或電容難W集成在半導體基板上或集成在 普通的電路載體如印刷電路板上。最終，由于部件的電抗特性，所W電感或電容的最大調(diào)節(jié) 速度可能受限，其導致對轉(zhuǎn)換器輸出電壓的調(diào)節(jié)速度的非期望限制。鑒于出于W上所討論 的原因的移至較高轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的優(yōu)點，當然特別不期望上述限制。
[0007] 因此，有利的是；提供消除對可變電抗部件如電感器和電容器的需求的振蕩頻率 的控制機制，使得可W通過例如W可調(diào)偏置電壓形式來適當?shù)乜刂齐娐冯妷夯螂娐冯娏鞯?電平W控制逆變換輸出電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的第一方面設(shè)及一種諧振電力轉(zhuǎn)換器或逆變器，所述諧振電力轉(zhuǎn)換器或逆 變器包括；用于接收輸入電壓的輸入端子；W及開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其包括通過相應(yīng)的控制輸入來 控制的一個或更多個半導體開關(guān)。所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括開關(guān)輸入端和開關(guān)輸出端，所述開關(guān) 輸入端操作地禪接至用于接收輸入電壓的輸入端子，所述開關(guān)輸出端操作地禪接至諧振電 力轉(zhuǎn)換器的諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入端。所述諧振網(wǎng)絡(luò)包括預定諧振頻率（fc)W及操作地禪接至 轉(zhuǎn)換器輸出端子的輸出端。自激振蕩反饋回路從開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)輸出端禪接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的 控制輸入端，W設(shè)置電力轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。所述自激振蕩反饋回路包括：第一本征開關(guān)電 容，其禪接在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)輸出端與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端之間；第一偏置電壓源，其被 配置成生成第一可調(diào)偏置電壓；第一電感器，其具有基本上固定的電感，第一電感器禪接在 第一偏置電壓源與開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端之間。諧振電力轉(zhuǎn)換器的電壓調(diào)節(jié)回路被配置成 通過控制施加給第一電感器的第一可調(diào)偏置電壓來控制電力轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。
[0009] 本諧振電力轉(zhuǎn)換器使得能夠通過控制施加給第一電感器的可調(diào)偏置電壓來靈活、 迅速且準確地控制轉(zhuǎn)換器輸出電壓，所述第一電感器禪接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端。通過 調(diào)節(jié)可調(diào)偏置電壓的電平，可W對圍繞開關(guān)網(wǎng)絡(luò)而禪接的自激振蕩反饋回路的振蕩頻率進 行控制，W設(shè)置諧振電力轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。在不對第一電感器的電感做出任何調(diào)整的情 況下實現(xiàn)對自激振蕩反饋回路的振蕩頻率的調(diào)節(jié)，因此其中第一電感器具有獨立于可調(diào)偏 置電壓的電平的基本上固定的電感。技術(shù)人員應(yīng)當理解，表征第一電感器的電感的術(shù)語"基 本上固定"包括取決于所選的電感器類型的具體材料的電特性而隨溫度輕微變化的電感。 此外，優(yōu)選地在不對電壓調(diào)節(jié)回路中的與第一電感器串聯(lián)禪接的部件的電感性電抗或電容 性電抗進行任何調(diào)節(jié)的情況下將第一可調(diào)偏置電壓施加給第一電感器。因此，優(yōu)選地在無 任何與第一電感器串聯(lián)的互感器、可調(diào)諧電感器或可調(diào)諧電容器的情況下，通過電壓調(diào)節(jié) 回路生成的第一可調(diào)偏置電壓被施加給第一電感器。
[0010] 通過調(diào)節(jié)第一可調(diào)偏置電壓的電平來調(diào)節(jié)本諧振電力轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率的能力 使得能夠廣泛且準確地控制開關(guān)頻率的范圍并且消除或避免先前所討論的依賴于可調(diào)電 感和/或電容來調(diào)節(jié)諧振電力轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率的缺點。通過第一電感器的存在，將本征 或寄生電容如一個或更多個半導體開關(guān)中的第一本征開關(guān)電容中的電力損耗進一步減小 至低的水平，該是因為在充電期間該些寄生電容中的所存儲的能量被放電至并且被暫時存 儲在第一電感器中。第一電感器中的存儲能量后續(xù)被返回至一個或更多個半導體開關(guān)的寄 生電容或本征電容。寄生電容或本征電容可W包括MOSFET開關(guān)的柵源電容、柵漏電容和漏 源電容。
[0011] 雖然在下文中參照E類或DE類型或拓撲結(jié)構(gòu)的諧振電力轉(zhuǎn)換器/逆變器W及對 應(yīng)的DC-DC電力轉(zhuǎn)換器中的實現(xiàn)詳細描述了本發(fā)明，但是，技術(shù)人員應(yīng)當理解，本發(fā)明同樣 適用于其他類型的諧振電力逆變器、整流器和轉(zhuǎn)換器，如E類、F類和n,類逆變器和整流器 W及諧振升壓轉(zhuǎn)換器、諧振降壓轉(zhuǎn)換器、SEPIC轉(zhuǎn)換器、LCC轉(zhuǎn)換器、LLC轉(zhuǎn)換器等。
[001引 電壓調(diào)節(jié)回路可W包括向比較器或誤差放大器的第一輸入端提供DC參考電壓或AC參考電壓的參考電壓發(fā)生器。比較器的第二輸入端可W禪接至轉(zhuǎn)換器輸出電壓，并且比 較器的輸出端可W操作地禪接至第一偏置電壓源的控制輸入端。W此方式，比較器或誤差 放大器可W被配置成通過將轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與DC參考電壓或AC參考電壓進行比較來生 成作為對于第一偏置電壓源的控制信號的合適的誤差信號。如下面結(jié)合附圖更詳細地說明 的，施加給第一偏置電壓源的一個或更多個誤差信號增大或減小了適當方向上的第一可調(diào) 偏置電壓，W將轉(zhuǎn)換器輸出電壓調(diào)節(jié)為由DC參考電壓或AC參考電壓指示的目標輸出電壓。
[0013] 技術(shù)人員應(yīng)當理解，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可W包括多個類型的開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)，例如單開關(guān)拓 撲結(jié)構(gòu)、半橋式開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)或全橋式開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)優(yōu)選實施方式，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括第 一半導體開關(guān)，第一半導體開關(guān)具有禪接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端的控制端子W及禪接至 開關(guān)輸入端并且禪接至開關(guān)輸出端的輸出端子。輸入電感器禪接在輸入電壓與開關(guān)輸入端 之間。本實施方式可W包括基本的E類電力逆變器或轉(zhuǎn)換器，其中，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括單半導體 開關(guān)，所述單半導體開關(guān)的輸出端子例如MOSFET的漏極端子禪接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的輸入端和 輸出端二者。輸入電感器形成諧振網(wǎng)絡(luò)的一部分W控制預定諧振頻率（fc)的設(shè)置。單半 導體開關(guān)的控制端子例如柵極或基極端子禪接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端。
[0014] 輸入電感器和第一電感器可預定的磁禪合系數(shù)被磁禪合，所述磁禪合系數(shù)優(yōu) 選地大于0. 1，或者更優(yōu)選地大于0. 4。相對于非禪和的輸入電感器和第一電感器的情況， 磁禪合提供多個優(yōu)點，如開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端處的信號與開關(guān)輸出端之間的提高了的相 位響應(yīng)W及更大和更多的恒定增益。磁禪合確保了輸入電感器的電感器電流與第一電感器 的電感器電流反相。因此，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入信號例如MOSFET開關(guān)的柵極電壓與開關(guān)輸 出之間的相移非常接近180°。此外，優(yōu)選地磁禪合在寬的頻率范圍上基本恒定W在對電力 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓VauT進行調(diào)節(jié)時提供第一可調(diào)偏置電壓的更加恒定的電平。
[0015] 本諧振電力轉(zhuǎn)換器的另一種優(yōu)選實施方式包括基于半橋的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。所述開關(guān)網(wǎng) 絡(luò)包括第一半導體開關(guān)，所述第一半導體開關(guān)禪接在開關(guān)輸出端與諧振電力轉(zhuǎn)換器的電壓 供應(yīng)軌之間，并且所述第一半導體開關(guān)具有禪接至開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的控制輸入端的控制端子。所 述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)還包括第二半導體開關(guān)，所述第二半導體開關(guān)禪接在開關(guān)輸出端與輸入端子之 間。所述第二半導體的控制端子通過具有基本上固定的電感的第二電感器與具有基本上固 定的電感的第=電感器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)禪接至第二偏置電壓源。在第二電感器與第=電感器之 間的中間節(jié)點與開關(guān)輸出端之間禪接有所述開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的反饋電容器。本諧振電力轉(zhuǎn)換器的 本實施方式可W包括DE類電力轉(zhuǎn)換器，逆變器或者形成基于DE類的DC-DC電力轉(zhuǎn)換器的 一部分。
[0016] 所述反饋電容器用作自舉設(shè)備，自舉設(shè)備提升供應(yīng)給第二半導體開關(guān)的控制端子 的電壓電平，從而有利于將N溝道MOSFET晶體管用作半導體開關(guān)設(shè)備。第二電感器用作振 蕩頻率處的高阻抗信號路徑，所述高阻抗信號路徑允許由第二偏置電壓源生成的相對緩慢 地變化的偏置電壓分量通過，而阻止由反饋電容器提供的相對較高頻率電壓分量通過。因 此，通過組合由第二電感器和反饋電容器提供的偏置電壓分量，第二開關(guān)處的控制電壓是 被電平轉(zhuǎn)換并且被提交至開關(guān)輸出端而非第一半導體開關(guān)的電壓供應(yīng)軌，如當輸入電壓為 正DC電壓時的地或負的供電電壓。自激振蕩回路可W被配置成確保半導體開關(guān)Si和S2中 的每一個在導通狀態(tài)與非導通狀態(tài)之間交替地開關(guān)。根據(jù)非交疊方案，半導體開關(guān)Si和S2 還W相反的相進行開關(guān)。
[0017] 第一電感器和第=電感器可WW預定的