软切换交错的功率变换器制造技术

本发明专利技术提供了软切换交错的功率变换器，其适合于高功率和高电压应用，例如等离子体处理。它们大大地降低了切换损耗和二极管反向－恢复损耗，其允许以高切换频率进行工作。二极管的反向－恢复电流的峰值基本上低于它们的峰值正向工作电流。所述功率变换器包括功率变换器单元，其包括多个以交错切换模式进行工作的切换组件，并各自连接到也具有共用端的电感组件的输入端。每对输入端之间的电感小于电感组件的每个输入端和共用端之间的电感。

Soft switching interleaved power converter

The present invention provides a soft switching interleaved power converter suitable for high power and high voltage applications, such as plasma processing. They greatly reduce switching losses and diode reverse recovery losses, which allow for high switching frequency operation. The peak of the reverse recovery current of the diode is substantially below their peak forward operating current. The power converter includes a power converter unit including a plurality of switching components operating in an interleaved switching mode, each connected to an input terminal of an inductive component that also has a common terminal. The inductance between each pair of inputs is less than the inductance between each input and common end of the inductor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及软切换开关式功率变换器，更具体地，涉及适合于诸如等离子体处理这样的高功率和高压应用的软切换降压、降压-升压和升压开关式功率变换器。
技术介绍
一般希望的是以对特定电路可用的最高频率来进行切换电源。以较高频率工作允许减少电源中的电感器和电容器值，这降低了物理尺寸和成本，还使得改善电源的瞬时响应。降低可用于向等离子体弧递送的能量也是期望的目标。高频率工作允许使用较小的输出滤波电容器，其比较大的电容器存储了更少的能量，这降低了能够提供给等离子体弧的能量。利用硬切换的功率变换器的现有技术电源的工作频率被限制，因为切换损耗随着工作频率提高能够变得相当高。附图说明图1示出了现有技术的硬切换的功率变换器单元HSPCC，其可以用于实现现有技术的硬切换的降压、降压-升压和升压功率变换器，分别如图4-6中所示。硬切换的功率变换器单元HSPCC具有三个端有源端AT、无源端PT、和感应端IT。功率变换器单元包括开关组件SA和电感器L。开关组件具有连接到有源端AT的有源开关端AST，连接到无源端PT的无源开关端PST和共用开关端CST。电感器L连接在共用开关端CST和变换器感应端IT之间。开关组件具有两个开关连接在有源开关端AST和共用开关端CST之间的开关SAC，和连接在无源开关端PST和共用开关端CST之间的开关SPC。开关SAC总是包括诸如晶体管这样的有源开关，也可以包括逆并联二极管，而SPC开关可以包括二极管、有源开关或两者。图2和3示出了开关组件SA的两个实施方式，其中开关SAC包括与逆并联二极管APD并联的有源开关SA，以及其中开关SPC是续流二极管FD。理想地，开关组件SA中的两个开关从不同时开闭，但在以滤波器电感器中的电流在切换周期(连续导通模式)内不达到零的方式工作的硬切换的电源中，每当开关晶体管被打开时续流二极管必须被关闭。称作反向恢复电流的反向电流在续流二极管正被关闭的时间间隔期间通过该续流二极管。二极管关闭所需的时间称为反向恢复时间。在反向恢复时间间隔期间，大的二极管反向恢复电流通过开关，同时跨越开关的电压很高。当以高频率切换时，这在高压和功率电平上工作的硬切换的功率变换器中产生了相当高的切换损耗。具有实现为续流二极管的SPC开关的开关组件可以被分类为正开关组件，例如图2的PSA，或负开关组件，例如图3的NSA。当SAC开关关闭并且有源开关端AST相对于共用开关端CST为正时，正开关组件阻断在有源开关端AST和共用开关端CST之间流通的电流。当SAC开关关闭并且有源开关端AST相对于共用开关端CST为负时，负开关组件阻断在共用开关端和有源开关端之间流通的电流。图4-6显示了利用硬切换的功率变换器单元实现的硬切换的功率变换器。图4显示了硬切换的降压功率变换器HSBKPC，图5显示了硬切换的降压-升压功率变换器HSBPPC，图6显示了硬切换的升压功率变换器HSBTPC。图4-6中的每个功率变换器具有变换器输入端CIT，变换器共用端CCT，和变换器输出端COT。在输入端和共用端之间提供输入功率，具有输入电压Vin，以及在输出端和共用端之间传递功率，在它们之间具有输出电压Vout。在功率变换器单元端和功率变换器端之间的互连布置决定了功率变换器是硬切换的降压功率变换器HSBKPC、硬切换的降压-升压功率变换器HSBBPC、还是硬切换的升压功率变换器HSBTPC。图4-6中显示的每个功率变换器具有在输入端和共用端之间连接的变换器输入电容器CIC，和在输出端和共用端之间连接的变换器输出电容器COC。硬切换的功率变换器单元HSPCC可以用一组正开关组件或一组负开关组件来实现。将正硬切的换功率变换器单元定义为用一个或多个正开关组件实现的功率变换器单元。类似地，将负硬切换的功率变换器单元定义为用一个或多个负开关组件实现的功率变换器单元。使用正功率变换器单元还是负功率变换器单元的选择取决于要变换的电压的极性和变换器拓扑。正硬切换的功率变换器单元PHSPCC被用于当输入电压Vin为正(变换器输入端CIT相对于变换器共用端CCT是正的)时实现硬切换的降压HSBKPC和硬切换的降压-升压HSBBPC功率变换器，以及具有负输入电压的硬切换的升压功率变换器HSBTPC(变换器输入端CIT相对于变换器共用端CCT是负的)。反之，负硬切换的功率变换器单元NHSPCC被用于具有负输入电压的硬切换降压HSBKPC和硬切换降压-升压HSBBPC功率变换器，以及用于具有正输入电压的硬切换升压功率变换器HSBTPC。图4中的短划线表示，多个功率变换器单元可以并联顺序连接来在两个或多个变换器单元之间共享功率变换器的输入和输出电流。并联的功率变换器单元优选以交错切换模式进行工作，以降低输入和输出电流中的波动。如果并联了N个变换器，则开关优选以交错相角差360°/N进行工作。虽然在图5和6中未示出，但是这些功率变换器也可以用并联的功率变换器单元来实现。交错硬切换的功率变换器在本领域中通常是已知的。它们一般用于具有非常高输出电流和非常低输出电压的微处理器VRM应用。具有低输出电压允许使用非常快的低压二极管，从而可以忽略切换损耗。一般地，高压二极管比低压二极管关闭得更慢，所以切换损耗对于在高压和高功率电平上工作的高频功率变换器是特别的难题。当如US专利6,211,657公开的硬切换功率变换器用于高压和高功率应用时，当功率变换器以高切换频率工作时切换损耗是相当大的。图7显示了现有技术的交错硬切换的降压功率变换器HSBKPC，其基于图2和4。该功率变换器具有两个并联的正硬切换功率变换器单元PHSPCC1和PHSPCC2，它像US专利6,211,657中公开的交错变换器。图8显示了使用了较慢的高压二极管的、诸如图7中变换器这样的交错硬切换的功率变换器的典型波形。图8的电流波形图具有每刻度10A的纵标度。图8中的波形是从具有以下参数的图7的降压功率变换器BKPC的计算机仿真获得的输入电压Vin＝750VDC、输出电压Vout＝400VDC、输出电流Iout＝62.5A、切换周期Ts＝64μs、600μH电感器L1和L2，和10μF变换器输出电容器COC。选择用于仿真的COC的电容从而输出波动电压可以忽略，但对于打算操作其中高频波动不是关键的载荷，例如典型的dc等离子体载荷的变换器，可以使用小得多的电容器。在仿真中向功率变换器提供理想电压源，从而不需要变换器输入电容器。在图8中可以看出，当开关SW1在时间t0打开时二极管FD1是导通的。当它正被SW1关闭时，大的反向-恢复电流IRD1通过FD1。对于SW2和FD2，相同的情况在时间Ts/2发生。续流二极管波形IFD1和IFD2说明了二极管FD1和FD2的峰值反向-恢复电流IRD1和IRD2是如何大于它们的峰值正向工作电流的。由于在打开切换转变间隔期间跨越开关的电压很高，所以在开关SW1和SW2中续流二极管的大反向恢复电流引起了高功率耗散。二极管反向恢复电流也在二极管中引起相当大的功率耗散。恰好在二极管被完全关闭之前，跨越它的电压上升同时电流仍在流动，由于高压和高电流的同时存在，这在二极管中产生了高的关闭功率损耗。由于在硬切换交错的降压-升压和升压功率变换器中使用了相同的切换单元，这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软切换交错的功率变换器，包括：ａ）变换器输入端、变换器输出端和变换器共用端，其中在所述变换器输入端和所述变换器共用端之间接收功率，以及输出电流被传递给连接在所述变换器输出端和所述变换器共用端之间的负载；ｂ）软切换的功率变 换器单元，具有有源端、无源端和电感端，其中这三个端中每一个都连接到三个所述变换器端的其中之一；所述软切换的功率变换器单元具有电感器组件和至少两个开关组件；ｃ）每个开关组件具有有源开关端、无源开关端和共用开关端；ｄ）电感器组件 ，具有连接到每个所述共用开关端之一的独立的电感器组件输入端，以及连接到所述软切换的功率变换器的所述电感端的电感器组件共用端，所述电感器组件在一对电感器组件输入端之间具有输入－输入电感值，所述电感值小于在任何电感器组件输入端和所述电感器组件共用端之间的电感；以及ｅ）每个开关组件具有连接在所述有源开关端和所述共用开关端之间的开关，和连接在所述无源开关端和所述共用开关端之间的二极管，所述开关以交错方式进行工作，使得在开关导通间隔期间正被打开的开关组件中的开关的动作引起所述开 关组件的另一个中的二极管在换向间隔期间被相继关闭，每个二极管具有峰值正向工作电流，和在它正被关闭时的峰值反向－恢复电流。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：布赖斯L黑斯特曼，米兰伊利克，安德雷B马利宁，卡利安NC西德巴图拉，
申请(专利权)人：先进能源工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]