不对称零电压切换全桥功率变换器制造技术

本发明专利技术公开了全桥功率变换器，该变换器在转换效率提高的情况下提供直流输出功率，并且公开了操作全桥功率变换器的方法，该方法在转换效率提高的情况下提供直流输出功率。在公开的实施方式中，全桥的开关被操作来减少导通损耗并且提供零电压切换。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2010年4月16日、申请号201010165611.3、名称为“不对称零电压切换全桥功率变换器”的申请的分案申请。对相关申请的交叉引用本申请要求2009年4月16日提交的题为“不对称零电压切换全桥功率变换器”的美国临时专利申请号61/170,076的优先权，基于各种目的，上述申请所公开的内容在此作为一个整体被引入本文作为参考。专利技术背景许多直流到直流的功率变换器拓扑，例如正向变换器、回扫式变换器、SEPIC、全桥变换器等，在领域中都是已知的。这种变换器的功率转换效率通常在70％至95％的范围。功率转换效率较低的一个原因是在切换变换器的功率晶体管时能量的浪费。为了减少能量的浪费，许多功率变换器的设计都尝试着在开关上的电压接近零伏特时，将它们的功率晶体管切换至导通状态，这通常被称为“零电压切换”。然而，用于全桥变换器拓扑的真正的零电压切换设计一直难以实现。基本的全桥变换器只是简单地将变压器的能量转储至初级线圈的开关波形的两个中点，而不进行选择性转向。因此，基本的全桥变换器更倾向于“硬切换”，这意味着给定的功率晶体管在其传导端子(例如漏端子和源端子)之间存在相当大的电压时被导通，从而导致大量的功率损耗。
技术实现思路
作为其专利技术的一部分，专利技术人已经设计了用于桥开关的更加有效的切换序列以更好地实现零电压切换。该切换序列也能够适于减少在一些开关的体二极管中的导通损耗，尤其在较低的工作周期值下。本专利技术的第一个示例性实施方式涉及提供直流输出功率的全桥功率变换器。该示例性的功率变换器包括接收待转功率源的输入端口、提供直流输出功率的输出端口、桥电路和变压器。该桥电路包括在第一节点上串联连接的第一开关和第二开关，及在第二节点上串联连接的第三开关和第四开关。第一开关和第二开关的串联组合与输入端口并联连接，而第三开关和第四开关的串联组合与输入端口并联连接。变压器包括连接在第一节点和第二节点上的初级线圈和至少一个次级线圈。示例性的功率变换器还包括连接在变压器的至少一个次级线圈上的整流电路，和在该整流电路与输出端口之间连接的输出电感器。在多个连续时间段内，第一至第四开关中的各个开关在导通和不导通的交替状态之间切换多次，其中切换第一开关和第二开关使它们不会同时处于导通状态，切换第三开关和第四开关使它们不会同时处于导通状态，切换第二开关和第四开关使它们不会同时处于导通状态，切换第一开关和第三开关使它们不会同时处于导通状态。本专利技术的第二个示例性实施方式涉及提供直流输出功率的全桥功率变换器。该示例性的功率变换器包括接收待转功率源的输入端口、提供直流输出功率的输出端口、桥电路和变压器。该桥电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管。各个晶体管都有第一传导端子、第二传导端子和调制端子。该调制端子可以接收控制信号，该控制信号具有第一状态和第二状态，其中第一状态使晶体管处于导通状态，此时电流能够从其第一传导端子传导至其第二传导端子，第二状态使晶体管处于不导通状态，此时电流不能从其第一传导端子传导至其第二传导端子。第一晶体管和第二晶体管中各自都有一个传导端子连接在第一节点上，另一个传导端子连接在输入端口的相应的端子上。第三晶体管和第四晶体管中各自都有一个传导端子连接在第二节点上，另一个传导端子连接在输入端口的相应的端子上。变压器包括连接在第一节点和第二节点上的初级线圈和至少一个次级线圈。示例性的功率变换器还包括连接在变压器的至少一个次级线圈上的整流电路，和连接在该整流电路和输出端口之间的输出电感器。在多个连续时间段内，第一晶体管至第四晶体管各自在导通和不导通的交替状态之间切换多次，其中切换第一晶体管和第二晶体管使它们不会同时处于导通状态，切换第三晶体管和第四晶体管使它们不会同时处于导通状态，切换第二晶体管和第四晶体管使它们不会同时处于导通状态，切换第一晶体管和第三晶体管使它们同时处于导通状态。本专利技术的第三个示例性实施方法涉及提供直流输出功率的全桥功率变换器的操作方法。该功率变换器包括接收待转功率源的输入端口、提供直流输出功率的输出端口、桥电路和变压器。该桥电路包括在第一节点上串联连接的第一开关和第二开关，及在第二节点上串联连接的第三开关和第四开关。第一开关和第二开关的串联组合与输入端口并联连接，第三开关和第四开关的串联组合与输入端口并联连接。变压器包括连接在第一节点和第二节点上的初级线圈和至少一个次级线圈。示例性的功率变换器还包括连接在变压器的至少一个次级线圈上的整流电路，和在该整流电路与输出端口之间连接的输出电感器。示例性方法包括：将第一开关置于导通状态，之后将第三开关置于不导通状态，之后将第四开关置于导通状态，之后将第四开关置于不导通状态，之后将第三开关置于导通状态，之后将第一开关置于不导通状态，之后将第二开关置于导通状态，之后将第二开关置于不导通状态。本专利技术的实施方式的进一步详细说明将通过下面的详细说明部分并参考附图来提供。附图简述图1是根据本专利技术实施方式的示例性的全桥直流-输出变换器的示意图。图2是根据本专利技术实施方式的用于开关控制信号和图1所示的变换器的变压器的初级电压和初级电流的示例性时序图。图3是根据本专利技术实施方式的产生用于图1所示的变换器的示例性开关控制信号的示例性电路。图4和图5是根据本专利技术各实施方式的用于图1所示的变换器的示例性桥电路。图6和图7是根据本专利技术各实施方式的用于图1所示的变换器的变压器和整流电路的另一个示例性实施方式。具体实施方式基于本专利技术的技术将在下文参照附图更为全面地描述，其中附图显示了本专利技术的示例性实施方式。然而，本专利技术可以以不同的形式来实现，并且不应该解释为仅限于本文所阐述的实施方式。而是可以提供这些实施方式以便本公开可以全面、完整并充分地向本领域的技术人员表达本专利技术的范围。在整个说明书中，相同的参考数字始终用于表示相同的元件。对于不同的实施方式，元件可以有不同的相互关系及不同的位置。本文所使用的术语仅用于本专利技术的说明目的，并且不应该被解释为限制本专利技术的意义或范围。如本说明书所用，单数的形式可以包括复数的形式，除非就上下文而言明确地指明一个特例。同样地，用于本说明书的措辞“包括”(comprise)和/或“包括”(comprising)既不限定提及的形状、数量、步骤、行动、操作、构件、元件和/或它们的组合，也不排除存在或增加一个或多个其他本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提供直流输出功率的全桥功率变换器，所述功率变换器包括：接收待转换的功率源的输入端口；提供直流输出功率的输出端口；桥电路，所述桥电路具有在第一节点串联连接的第一开关和第二开关以及在第二节点串联连接的第三开关和第四开关，所述第一开关和所述第二开关的串联组合与所述输入端口并联连接，所述第三开关和所述第四开关的串联组合与所述输入端口并联连接；变压器，所述变压器具有连接到所述第一节点和所述第二节点的初级线圈和至少一个次级线圈，其中所述初级线圈直接连结到第一节点且还通过串联电感器连接到第二节点，但其间没有连结串联电容器；整流电路，所述整流电路连接到所述变压器的所述至少一个次级线圈；和输出电感器，所述输出电感器连接在所述整流电路和所述输出端口之间；以及其中，每个开关在交替的导通和不导通状态之间切换多次，其中，切换所述第一开关和所述第二开关使它们不同时处于导通状态，切换所述第三开关和所述第四开关使它们不同时处于导通状态，切换所述第二开关和所述第四开关使它们在至少一些持续时间中同时处于导通状态，或切换所述第一开关和所述第三开关使它们在至少一些持续时间中同时处于导通状态。

【技术特征摘要】
2009.04.16 US 61/170,076;2009.12.31 US 12/651,4331.一种提供直流输出功率的全桥功率变换器，所述功率变换器包括：
接收待转换的功率源的输入端口；
提供直流输出功率的输出端口；
桥电路，所述桥电路具有在第一节点串联连接的第一开关和第二开关
以及在第二节点串联连接的第三开关和第四开关，所述第一开关和所述第
二开关的串联组合与所述输入端口并联连接，所述第三开关和所述第四开
关的串联组合与所述输入端口并联连接；
变压器，所述变压器具有连接到所述第一节点和所述第二节点的初级
线圈和至少一个次级线圈，其中所述初级线圈直接连结到第一节点且还通
过串联电感器连接到第二节点，但其间没有连结串联电容器；
整流电路，所述整流电路连接到所述变压器的所述至少一个次级线
圈；和
输出电感器，所述输出电感器连接在所述整流电路和所述输出端口之
间；以及
其中，每个开关在交替的导通和不导通状态之间切换多次，其中，切
换所述第一开关和所述第二开关使它们不同时处于导通状态，切换所述第
三开关和所述第四开关使它们不同时处于导通状态，切换所述第二开关和
所述第四开关使它们在至少一些持续时间中同时处于导通状态，或切换所
述第一开关和所述第三开关使它们在至少一些持续时间中同时处于导通
状态。
2.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第一开关和所述第三
开关中的每一个在其导通状态下都比其不导通状态花费更多的时间。
3.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述第二开关和所述第四
开关中的每一个在其不导通状态下都比其导通状态花费更多的时间。
4.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述桥电路包括以下用于

\t所述开关的开关时序：
所述第一开关处于导通状态；
之后，所述第三开关处于不导通状态；
之后，所述第四开关处于导通状态；
之后，所述第四开关处于不导通状态；
之后，所述第三开关处于导通状态；
之后，所述第一开关处于不导通状态；
之后，所述第二开关处于导通状态；和
之后，所述第二开关处于不导通状态。
5.如权利要求1所述的功率变换器，其中，流入所述输出电感器的电
流周期性地反射至所述变压器的初级线圈，并且当所述第一开关和所述第
三开关中的至少一个开关处于导通状态时，所反射的电流被所述第一开关
和所述第三开关中的所述至少一个开关传导。
6.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述初级线圈的电压在时
间上为不对称的形状。
7.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述初级线圈的电压在中
点值和在所述中点值两边的两个极值之间切换，并且从所述中点值到一极
值的切换时间不同于从该极值到所述中点值的切换时间。
8.如权利要求1所述的功率变换器，还包括在第三节点上与所述变压
器的初级线圈串联连接的电感器，该电感器位于所述初级线圈与所述第一
节点和所述第二节点中的一个节点之间。
9.如权利要求8所述的功率变换器，还包括在所述第三节点和所述输
入端口之间连接的整流器。
10.如权利要求1所述的功率变换器，其中，所述变压器包括连接至
所述整流电路的第一次级线圈，和连接至所述整流电路的第二次级线圈。
11.一种提供直流输出功率的全桥功率变换器，所述功率变换器包括：
接收待转换的功率源的输入端口；
提供直流输出功率的输出端口；
桥电路，所述桥电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第
四晶体管，其中每个晶体管都有第一传导端子、第二传导端子和用以接收
控制信号的调制端子，所述控制信号具有第一状态，该状态使晶体管处于
导通状态，这时电流从该晶体管的第一传导端子传导至其第二传导端子，
所述控制信号还具有第二状态，该状态使晶体管处于不导通状态，这时电
流不能从该晶体管的第一传导端子传导至其第二传导端子，所述第一晶体
管和所述第二晶体管每一个都使其传导端子中的一个连接在第一节点上，
使其传导端子中的另一个连接在所述输入端口的相应端子上，所述第三晶
体管和所述第四晶体管每一个都使其传导端子中的一个连接在第二节点
上，使其传导端子中的另一个连接在所述输入端口的相应端子上；
变压器，所述变压器具有连接至所述第一节点和所述第二节点的初级
线圈和至少一个次级线圈，其中所述初级线圈直接连结到第一节点且还通
过串联电感器连接到第二节点，但其间没有连结串联电容器；
整流电路，所述整流电路连接至所述变压器的所述至少一个次级线
圈；和
输出电感器，所述输出电感器连接在所述整流电路和所述输出端口之
间；以及
其中，每个所述晶体管在交替的导通和不导通状态之间切换多次，其
中，切换所述第一晶体管和所述第二晶体管使它们不同时处于导通状态，
切换所述第三晶体管和所述第四晶体管使它们不同时处于导通状态，切换
所述第二晶体管和所述第四晶体管使它们在至少一些持续时间中同时处
于导通状态，或切换所述第一晶体管和所述第三晶体管使它们在至少一些
持续时间中同时处于导通状态。
12.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述第一晶体管和所述
第三晶体管具有连接至所述输入端口的同一端子的传导端子，所述第三晶
体管和所述第四晶体管具有连接至所述输入端口的同一端子的传导端子。
13.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述第一晶体管和所述
第三晶体管每一个都在其导通状态比不导通状态花费更多的时间。
14.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述第二晶体管和所述
第四晶体管每一个都在其不导通状态比导通状态花费更多的时间。
15.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述桥电路包括以下用
于所述晶体管的开关时序：
所述第一晶体管处于导通状态；
之后，所述第三晶体管处于不导通状态；
之后，所述第四晶体管处于导通状态；
之后，所述第四晶体管处于不导通状态；
之后，所述第三晶体管处于导通状态；
之后，所述第一晶体管处于不导通状态；
之后，所述第二晶体管处于导通状态；以及
之后，所述第二晶体管处于不导通状态。
16.如权利要求11所述的功率变换器，其中，流入所述输出电感器的
电流周期性地反射至所述变压器的初级线圈，并且当所述第一晶体管和所
述第三晶体管中的至少一个处于导通状态时，所反射的电流被所述第一晶
体管和所述第三晶体管中的所述至少一个传导。
17.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述初级线圈的电压在
时间上为不对称形状。
18.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述初级线圈的电压在
中点值和所述中点值两边的两个极值之间转换，并且从所述中点值到一极
值的切换时间不同于从该极值到所述中点值的切换时间。
19.如权利要求11所述的功率变换器，还包括在第三节点上与所述变
压器的初级线圈串联的电感器，该电感器位于所述初级线圈与所述第一节
点和所述第二节点中的一个节点之间。
20.如权利要求19所述的功率变换器，还包括在所述第三节点和所述
输入端口之间连接的整流器。
21.如权利要求11所述的功率变换器，其中，所述变压器包括连接
至所述整流电路的第一次级线圈，和连接至所述整流电路的第二次级线
圈。
22.一种操作全桥功率变换器的方法，所述功率变换器具有接收待转
换的功率源的输入端口；提供直流输出功率的输出端口；桥电路，所述桥
电路具有在第一节点上串联连接的第一开关和第二开关以及在第二节点
上串联连接的第三开关和第四开关，所述第一开关和所述第二开关的串联
组合与所述输入端口并联，所述第三开关和所述第四开关的串联组合与所
述输入端口并联；变压器，所述变压器具有连接至所述第一节点和所述第
二节点的初级线圈和至少一个次级线圈，其中所述初级线圈直接连结到第
一节点且还通过串联电感器连接到第二节点，但其间没有连结串联电容
器；连接至所述变压器的所述至少一个次级线圈的整流电路；和在所述整
流电路与所述输出端口之间连接的输出电感器，
所述方法包括：
将所述第一开关置于导通状态；
之后将所述第三开关置于不导通状态；
之后将所述第四开关置于导通状态；
之后将所述第四开关置于不导通状态；
之后将所述第三开关置于导通状态；
之后将所述第一开关置于不导通状态；
之后将所述第二开关置于导通状态；以及
之后将所述第二开关置于不导通状态。
23.一种直流功率变换器中桥电路的操作方法，所述直流功率变换器
包括接收待转换的功率源的输入端口；提供直流输出功率的输出端口；桥
电路；变压器，所述变压器通过串联电感器连接到所述桥电路，但其间没

\t有连结串联电容器；连接至所述变压器的整流电路；和连接到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·格林菲尔德，
申请(专利权)人：英特赛尔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US