无损耗切换直流-直流转换器制造技术

一种新的无损耗切换直流－直流转换器，它具有多达４个可控开关的新颖无损耗切换时间控制，各个开关满足特定的电流－电压转换特性，以非常紧凑的尺寸以超高的效率而工作，并提供了诸如ＥＭＩ噪声低、切换波纹电流小、以及改进了的可靠性之类的其它性能优点。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利技术的领域本专利技术涉及到切换直流-直流功率转换的领域，确切地说是涉及到采用新型无损耗切换的切换转换器，在非常紧凑的尺寸内同时提供了超高的效率以及诸如大幅度降低EMI噪声和大幅度改善可靠性的其它性能优点。专利技术的背景定义和分类为了便于更容易地描述各种量，通篇一直使用下列符号1.直流-历史上表示直流电流的略号，但现在已经获得更广泛的意义，通常表示具有直流量的电路；2.交流-历史上表示交变电流的略号，但现在已经获得更广泛的意义，表示所有的交变电量(电流和电压)；3.i1，v2-瞬时范畴量，用下标来标记，例如电流和电压为i1和v2；4.I1，V2-瞬时周期时间范畴量的直流分量，用相应的大写字母表示，例如I1，V2；5.Δi1-瞬时分量与直流分量之间的差值用Δ表示，因此，Δi1表示电流i1的波纹分量或交流分量；6.D-输入开关S1的占空比被定义为D＝tON/TS，其中tON是输入开关的开通时间，而TS是切换周期，定义为TS＝1/fS，其中fS是恒定的切换频率。在DTS时间段内，开关S1被接通并传导电流(开通)；7.D’-输入开关S1的互补占空比被定义为D’＝1-D，而D’TS是输入开关断开(关断)的时间段；8.S1，S2，S’1，S’2-分别是输入开关、输出开关、互补输入开关、互补输出开关的表示，且同时如下表示各个有源可控开关的开关状态高电平表示有源开关被开通，低(0)电平表示有源开关被关断；9.CR1-表示整流(CR)二极管及其对应的开关时间图。由于二极管是二端无源开关，故开关时间图也如下表示二极管开关的状态高电平表示二极管被开通，低电平表示二极管被关断；10.I-用罗马数字(I到IV)来表示理想开关周围的矩形箱内的一个象限开关，表示其限定在特定的一个象限工作；11.CBS-表示电流双向开关，如三端可控半导体切换器件，此器件在开通状态下沿二个方向导电，但在二个功率端子之间的关断状态下，仅仅阻塞一种极性的电压，并具有第三控制端子来独立地控制二个功率端子之间的开关状态；12.VBS-表示电压双向开关，如三端可控半导体切换器件，此器件在开通状态下仅仅沿一个方向导电，但在二个功率端子之间的关断状态下，阻塞二种极性的电压，并具有第三控制端子来独立地控制二个功率端子之间的开关状态；13.CBS/VBS-表示可以使用电流双向开关(CBS)或电压双向开关(VBS)。对减小电子功率处理设备的尺寸和重量以便适应电子信号处理设备越来越缩小的尺寸的要求，导致了不断地提高直流-直流切换转换器工作的切换频率从开始的20kHz水平到200kHz甚至更高的切换频率。这又导致开关功耗的成比例增加。因此，过去已经出现了大量的转换器布局，属于二大类1.硬切换转换器类，其中并未试图降低切换损耗；2.软切换转换器类，其中采取了措施来降低切换损耗。不幸的是，在大多数情况下，切换损耗的降低伴随着其它损耗的增加，例如切换器件的传导损耗或与存储在变压器泄漏电感中的能量相关的损耗和其它额外的损耗，这导致效率仅仅有中下程度的改善。切换转换器也能够以所用的大量开关为基准被分成3类1.二开关转换器类，其例子是现有技术的降压转换器；2.三开关转换器类，例如现有技术的正向转换器；3.四开关转换器类，例如本专利技术以及一些其它的现有技术转换器。现有技术的软切换转换器C.Henze，H.C，Martin and D.W.Parsley在论文“采用脉宽调制的高频功率转换器中的零电压切换(Zero-Voltage Switching inHigh-Frequency Power Converters Using Pulse-WidthModulation)”，IEEE Applied Power Electronics Conference，(IEEE Publication 88CH2504-9)pp33-40，1988中介绍了一种降低切换损耗的第一软切换方法，是一种属于二开关转换器类的基本降压转换器，被示于附图说明图1(a-g)的现有技术中。为了在恒定切换频率下获得0电压开关，通常的二开关的晶体管-二极管装置被二个MOSFET晶体管代替，其中各个被模型化为具有反并联“体”二极管的理想开关与寄生漏-源电容器的并联连接，得到图1(c-f)的电路模型。如图2e所示利用二个开关S和S’的适当驱动时刻，总的切换周期TS被分成4个时间段。注意，利用二个可控的开关，引入了二个完全确定的过渡时间段，其间二个开关都被关断。当开关S被关断时(如图2e)，第一过渡时间段(图2e中的tN)开始，也被称为“自然”过渡(DTS-D’TS过渡或简称D-D’过渡)。借助于关断开关S，电感器电流IP沿所需方向(用图2a-f中的电流源IP表示)自然地流动。此电流源IP对开关S的寄生电容器CS进行充电，并对开关S’的寄生电容器CS’进行放电，直至电容器CS’被完全放电，此时，开关S’的体二极管将电压箝位在0，并防止开关S’的电容器CS’被反充电。此时，由于CS’的电荷已经重新位于开关S的电容CS(充电到Vg)，故开关S’能够以0切换损耗被开通。为了在D’-D过渡内执行相反的过程，需要负的电感器电流IN。完成这一点的最简单方法是将输出电感器设计成具有大的波纹电流，使其峰-峰波纹电流至少三倍于最大直流负载电流。如在图2e的电感器电流波形中所见，瞬时电感器电流iL处于D’TS时间段内某个点时反向成为负的，且幅度为IN。刚刚在互补时间段D’TS结束之前，开关S’被关断，启动所谓“强迫”过渡(由于电感器电流现在被为了大波纹而设计的转换器电路有意地强迫变成负的)。在此强迫过渡时间段(图2e中的tF)内，与tN时间段相反此负的电感器电流IN对开关S’的寄生电容器CS’进行充电，并对开关S的寄生电容器CS进行放电，直至S的电压达到0。此时，体二极管将开关S上的电压箝位在0，强迫开关S在0电压下以无损耗方式开通。因此，提供了存储在寄生电容器CS和CS’中的电荷的循环，而不是如在“硬切换”中那样每个周期被耗散。虽然能够以这种非常简单的方式在二个有源开关S和S’上得到软切换，且施加在开关上的电压应力低，但大的缺点是，为了对所有工作条件得到软切换，输出电感器波纹电流的幅度必须大于最大直流负载电流二倍以上。显然，此软切换方法遭受了需要具有大的电感器波纹电流，以便为了完成强迫的D’-D过渡，在结束D’TS时间段之前得到了负的瞬时电感器电流。这又明显地增大了传导损耗，从而很大程度上削弱了用降低了的切换损耗得到的节省。此外，为了吸收这一大的波纹电流，以及为了将输出的交流波纹电压降低到可接受的水平，需要增大输出电容器的尺寸。降低切换损耗的另一种现有技术方法属于三开关转换器类，如授予P.Vinciarelli的题为“零电流正向转换器切换(ForwardConverter Switching at Zero Current)”的美国专利No.4415959所公开的。在此准谐振转换器中，为了强迫主输入功率开关在0电流下开关，采用了电抗性元件，小的谐振电感器和小的谐振电容器，来使主开关方波状电流波形畸变成正弦状电流波形。这使得有可能在0电流下开通和关断主开关，并降低其由开关电流和开关电压重叠以及由半导体切换器件并非无限小的开关时间特性引起的切换本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无损耗切换直流－直流转换器，用来将功率从连接在输入端子与公共输入端子之间的直流电压源提供到连接在输出端子与公共输出端子之间的直流负载，所述转换器包含： （１）输入电感器，其一个末端连接到所述输入端子； （２）输出电感器，其一个末端连接到所述输出端子； （３）中间电感器，其一个末端连接到所述公共输入端子和所述公共输出端子； （４）谐振电感器，其一个末端连接到所述中间电感器的第二末端； （５）输入电容器，其一个末端连接到所述输入电感器的第二末端，而所述输入电容器的第二末端连接到所述谐振电感器的第二末端； （６）输入开关，其一个末端连接到所述公共输入端子，而所述输入开关的第二末端连接到所述输入电感器的所述第二末端； （７）输出开关，其一个末端连接到所述公共输出端子，而所述输出开关的第二末端连接到所述输出电感器的所述第二末端； （８）互补输出开关，其一个末端连接到所述输出电感器的所述第二末端，而所述互补输出开关的第二末端连接到所述中间电感器的所述第二末端； （９）包含互补输入开关和辅助电容器的支路，所述互补输入开关的一个末端连接到所述辅助电容器的一个末端，而所述互补输入开关的其它末端和所述辅助电容器的其它末端包含所述支路的末端； （１０）切换时间控制装置，用来为所述输入开关、所述互补输入开关、所述输出开关、以及所述互补输出开关提供开通和关断信号的精确图形，其间所述输入开关被开通的参考时间段为ＤＴ↓［Ｓ］，而其间所述输入开关被关断的互补时间段为Ｄ’Ｔ↓［Ｓ］＝（１－Ｄ）Ｔ↓［Ｓ］，其中Ｄ是一个完整开关操作周期Ｔ↓［Ｓ］中的可变和可控占空率，而Ｄ’是互补占空率； （１１）用来将所述支路的所述末端连接到所述转换器的装置，从而在所述互补时间段Ｄ’Ｔ↓［Ｓ］内，通过所述支路的电流等于流入所述输入电感器的所述一个末端的电流与流入所述中间电感器的所述一个末端的电流之和减去流出所述输出电感器的所述一个末端的电流； 其中，在所述参考时间段ＤＴ↓［Ｓ］内，没有电流流过所述支路，且在所述互补时间段Ｄ’Ｔ↓［Ｓ］内，仅仅交流电流流过所述支路； 其中，所述输入开关、所述互补输入开关、所述输出开关、以及所述互补输出开关，是半导体电流双向切换器件，能够在开通状态下沿二个方向传导电流，并在关断状态下沿一个方向保持电压，且所述半导体电流双向切换器件被模型化为包含理想开关、寄生体二极管、以及寄生电容的并联连接； 其中，所述...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：斯罗博丹卡克，
申请(专利权)人：斯罗博丹卡克，
类型：发明
国别省市：US[美国]