一種用于減弱電壓轉換器中的開關階段的電路制造技術

本公開涉及一種用于將來自電源的電流提供到負載的電路。換向單元包括主開關，該主開關控制由電源施加到負載的電壓。當負載通過主開關與電源斷開時，反向開關保持負載中的電流。當主開關再次將負載連接到電源時，反向開關將負載電流返回到主開關。所公開的電路配置減少了恢復電流、損耗和電磁損耗。同步控制器控制主開關和反向開關(opposite?switch)的斷開和閉合順序。所公開的電路可以提供DC?DC電壓轉換器。組合兩個這樣的電路可以提供DC?AC電壓轉換器。

A circuit for weakening the switching stage in a voltage converter

The present disclosure relates to a circuit for supplying a current from a power supply to a load. The commutation unit includes a main switch which controls the voltage applied to the load by the power supply. When the load is disconnected from the power supply through the main switch, the reverse switch maintains the current in the load. When the main switch again connects the load to the power supply, the reverse switch returns the load current to the main switch. The circuit configuration disclosed reduces the recovery current, loss and electromagnetic loss. The synchronous controller controls the disconnection and closing sequence of the main switch and the reverse switch (opposite switch). The disclosed circuit can provide a DC DC voltage converter. A combination of two such circuits can provide a DC AC voltage converter.

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】一種用于減弱電壓轉換器中的開關階段的電路
電力電子
本公開涉及電力電子領域。更具體地，本公開涉及用于減弱電壓轉換器中的開關階段的電路。
技術介紹
換向單元通常用在需要電壓源轉換的電子系統中，包括DC-DC和DC-AC轉換器。這些換向單元是基于使用電力電子開關，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。圖1是MOSFET的示意圖。所示出的MOSFET10具有漏極、柵極和源極，并且由經由柵極電阻器RG連接到柵極的柵極驅動器14施加的信號12來控制。眾所周知，MOSFET10包括寄生(或雜散)電容，例如漏極和柵極之間的CGD，柵極和源極之間的CGS以及漏極和源極之間的CDS。通常將電容CGD、CGS和CDS的總和稱為MOSFET10的輸出電容COSS。在漏極和源極之間存在寄生二極管Dp。當電流從漏極到源極在MOSFET10中流動時，電流可以在二極管Dp中以相反的方向流動。MOSFET10與電路的連接在其漏極產生寄生電感LD，在其源極產生LS。MOSFET10的寄生元件的存在極大地影響了其開關動作。MOSFET10是本領域普通技術人員所熟知的，在此不再贅述。圖2是常規的基于MOSFET的DC-DC轉換器的電路圖。在電路20中，來自具有電壓Vin的電源22的電力被轉換成施加到負載(在圖2中被示為LOAD)的另一個DC電壓。LOAD可以由純電阻元件組成，或者也可以包括電容和/或電感元件。與LOAD并聯放置的電容器Cout以及與LOAD串聯放置的電感器Lout形成濾波器，該濾波器對反向二極管Do兩端的電壓進行平均，這將在下文中進行描述，使得LOAD上的電壓保持相當恒定。電路20包括換向單元和控制部件(在下面詳細描述)，并且控制由電源22施加到LOAD的電壓。電路20的換向單元包括主開關Qm，例如其可以由通過柵極驅動器(未示出，但在圖1中示出)控制的MOSFET或類似電力電子開關以及反向二極管Do組成。換向單元還包括與電源22并聯的等效電源電容器(未示出)和用于在LOAD中流動的電流Iout的等效電流源(未具體示出)。當主開關Qm被斷開時，電流Iout從LOAD通過反向二極管Do流出，并返回到LOAD，如箭頭202和204所示。當主開關Qm被閉合時，電流Iout流動通過主開關Qm和電源22，并返回到LOAD，如箭頭206、208和再次204所示。當主開關Qm被閉合時，其漏極和源極之間的電壓為零(或基本上為零)，整個電壓Vin，例如450伏直流，被施加在反向二極管Do兩端。然而，其目的是使用圖2的電路將受控的DC電壓施加到LOAD，該受控的DC電壓低于電源22的電壓Vin。為此，換向單元快速地接通和斷開，并且換向單元的占空比控制施加到LOAD的有效電壓。施加在LOAD上的電壓等于占空比乘以電源22的電壓Vin。電路20的輔助部件包括輔助電容器Caux、輔助電感器Laux、二極管D1、D2和D3以及輔助開關Qa。首先，當主開關Qm導通整個電流Iout(見箭頭206)時，其漏極和源極之間的電壓為零。那時，輔助電容器Caux上的電壓基本上等于Vin。斷開主開關Qm，電流Iout在輔助電容器Caux中逐漸偏離(箭頭210)。因此，電壓斜率受到限制，因此允許Qm在幾乎為零的電壓下關斷，由此減少主開關Qm中的開關損耗。然后，當主開關Qm斷開時，輔助開關Qa(例如另一個MOSFET)閉合，準備再次閉合主開關Qm。通過輔助開關Qa施加的電壓在輔助電感器Laux上逐漸偏離。因此，電流斜率受到限制，并因此允許Qa在幾乎為零的電流時導通，由此減少輔助開關Qa中的開關損耗。電流Iout的一部分現在經由輔助電感器Laux被引導到該輔助開關Qa，參見箭頭212和214。輔助電感器Laux限制輔助開關Qa兩端的電壓，以使開關損耗最小化。當輔助開關Qa兩端的電壓降低時，其變為閉合，其電流變化di/dt增加，導致輔助電感器Laux兩端的電壓也增加。當輔助開關Qa變為完全導通時(即當其完全閉合時)，電壓Vin基本上出現在輔助電感器Laux上，并且電流變化量di/dt等于Vin除以輔助電感器Laux的值。直到此刻，電流Iout的至少一部分沿著箭頭202流過反向二極管Do，電壓最初處于零或接近零。當整個電流Iout流過輔助開關Qa(箭頭214)時，恢復電流在反向二極管Do中以與箭頭202的方向相反的方向開始反向流動。在反向二極管Do中的恢復電流的速率是Vin除以Laux。迅速地，一旦在反向二極管Do的PN結上積累的電荷被撤回，則反向二極管Do被阻塞，并且在輔助電感器Laux和反向二極管Do、主開關Qm和另一二極管D2的寄生電容(未示出)之間通過輔助電容器Caux開始諧振。據觀察，輔助電容器Caux遠大于二極管D2的寄生電容。經過四分之一個諧振周期后，這些電容器中累積的能量傳輸到輔助電感器Laux。因為反向二極管Do現在被阻斷并且由于與上述電容器的諧振已經發生了四分之一周期，所以其上的電壓等于Vin。因此主開關Qm上的電壓為零，從而允許將該主開關Qm閉合在零電壓。然后斷開輔助開關Qa以限制輔助電感器Laux中的損耗。流過輔助開關Qa的電流逐漸偏離到輔助電容器Caux。因此，電壓斜率受到限制，并因此允許Qa在幾乎為零的電壓下關斷，由此減小輔助開關Qa中的開關損耗，由此減少輔助開關Qa中的開關損耗。如上所述，輔助電容器Caux上累積的電荷將在另一個周期中在后者開關斷開時傳送到主開關Qm。在輔助電容器Caux中沒有花費大量的能量。輔助電感中的電流在由開關Qa斷開時在其中流動的電流和由輔助電感器Laux劃分的被定義為源電壓Vin的輔助電感di/dt中的電流變化所決定的時間之后達到零。當斷開輔助開關Qa時，由于以Vin除以Lau的比率的二極管D1中電流變化量di/dt，所以與電感器Laux串聯的二極管D1中會有一個恢復電流。另一個恢復電流也會出現在二極管D3中，但是由于輔助電容器Caux很大，所以它將會很小。二極管D3兩端的電壓保持接近零。由于輔助開關Qa的輸出電容COSS比二極管D1的寄生電容大，并且由于二極管D2小于二極管D1，所以二極管D2中的另一個恢復電流將非常小。然而，這些恢復電流是次要的，因為二極管D2和D3比反向二極管Do小得多。二極管D1提供軟恢復，因為它大于二極管D2和D3，并且因為如上所述在Vin除以Laux的速率下以電流變化量di/dt關斷。熟悉電路20的人將會認識到，其可以在從零到百分之百的范圍中的占空比下操作，其中占空比被定義為開關的閉合時間在換向單元的整個周期時間的比率。然而，當占空比大于零時，要求允許完全閉合開關。如果占空比如此之大以防止輔助電容器Caux在主開關Qm斷開時完全放電，則也需要防止開關的斷開。圖2的電路20具有以下缺點。首先，作為大二極管以及在全支路的情況下MOSFET的非常小的寄生二極管的反向二極管Do中的恢復電流在電路20中——主要在二極管本身以及在輔助電感器Laux以及輔助開關Qa中——產生顯著的損耗，由于被加到負載電流之前的恢復電流。這些損耗影響電路20的效率并限制開關頻率。這些損耗產生的熱量在大多數情況下必須被消耗，并以有限的開關頻率進行累加，這又影響基于電路20建立的轉換器的物理尺寸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于將來自電源的電流提供到負載的電路，所述電路包括：包括主開關的換向單元，被配置以控制由所述電源施加到所述負載的電壓；反向開關，配備有寄生二極管，并且被配置以當負載通過主開關與電源斷開時保持在負載中的電流并且當主開關再次將負載連接到電源時將負載電流返回到主開關；同步控制器，被配置以控制主開關和反向開關的斷開和閉合順序。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2015.07.06 US 62/188,9101.一種用于將來自電源的電流提供到負載的電路，所述電路包括：包括主開關的換向單元，被配置以控制由所述電源施加到所述負載的電壓；反向開關，配備有寄生二極管，并且被配置以當負載通過主開關與電源斷開時保持在負載中的電流并且當主開關再次將負載連接到電源時將負載電流返回到主開關；同步控制器，被配置以控制主開關和反向開關的斷開和閉合順序。2.如權利要求1所述的電路，還包括：由同步控制器控制的輔助開關；和輔助電感器，通過第一二極管將主開關連接到輔助開關。3.如權利要求2所述的電路，其中，所述輔助電感器被配置以在所述主開關被斷開的同時限制所述輔助開關中流動的電流的變化，所述反向開關被閉合以維持所述負載中的電流，并且開始輔助開關的閉合。4.如權利要求3所述的電路，其中所述同步控制器被配置以在所述輔助開關的閉合之后斷開所述反向開關，所述同步控制器計算在所述輔助電感器中流動的電流超過換向單元的輸出電流之后用于斷開所述反向開關的延遲。5.如權利要求4所述的電路，其中所述同步控制器被配置以計算用于斷開所述反向開關的延遲，以減少所述反向開關的寄生二極管中的開關損耗。6.如權利要求4或5中任一項所述的電路，其中，所述同步控制器被配置以在所述輔助電感器中流動的電流達到最大值之后閉合所述主開關，然后斷開所述輔助開關。7.如權利要求2至6中任一項所述的電路，包括通過第二二極管與所述輔助電感器和所述第一二極管并聯連接的輔助電容器。8.如權利要求7所述的電路，其中所述輔助電容器通過第三二極管與所述反向開關并聯連接。9.如權利要求7或8中任一項所述的電路，其中所述輔助電容器被配置以當所述輔助開關被斷開時從所述輔助開...

【專利技術屬性】
技術研發人員：JM西爾，J徐，M埃爾雅庫比，J理查德，
申請(專利權)人：TM四股份有限公司，
類型：發明
國別省市：加拿大,CA