开关式功率变换器制造技术

一种降低由开关式电力变流器开关操作所引致功率损失的装置和方法，包括一个具有多个开关装置（１４、１６、２１４、２１６）的变流器，每个开关装置通过电感器（２０、２６、２２０、２２６）而并联连接到公共输出节点（３０）上，该电力变流器还具有连接到第二公共输出节点（３４）的二极管（２２、２８、２２２、２２８），以及用于在连续转换周期中启动和截止多个开关装置（１４、１６、２１４、２１６）的控制器（１２、２１２、４１２、６１２、８１２）。在每个转换周期期间，所述控制器启动并截止各个开关装置（１４、１６、２１４、２１６）一次，并在启动其余开关装置之前启动开关装置的一个子集。开关控制器提供启动信号从而对在其余开关装置启动之前将被启动的多个开关装置（１４、１６、２１４、２１６）中的子集进行交换。开关控制器包括一个调制器（４２）和至少一个延迟电路（４４），上述调制器用于对时钟信号（４８）和指令信号（５２）进行调制，上述延迟电路用于提供一个在时间上相对于调制信号滞后的信号。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用来提供并联开关装置软开关的装置和方法，更具体的讲，涉及一种开关式电力变流器并联开关装置的软开关。本领域人所共知，在开关事件中这种开关式电力变流器的开关损失了相当大的功率。无论这些变流器应用在何处(例如电动机速度控制、梯度(gradient)放大器或电源)，在开关打开以及紧跟其后的时刻会有高功率通过开关终端。开关打开时，电路中的二极管通常不会立刻停止导电，而是在阻碍反相电流和维持反相电压的能力“恢复”之前允许反相电流暂时流动。随着开关上所需通过电流的增加，制造和实现变流器开关的难度也随之增大。例如，甚大规模半导体常常具有低的初始输出(initialyield)，产生显著热量并且需要专门的热装备，而且很难与电路中其它部件电连接。因此，大多数大电流开关是由相对容易制造的小型开关并联组合成的。然而这就需要与所述并联开关装置的使用相联系而加以权衡，以保证所述各个开关间的精确电流分配。显然，依据各开关电学特性的不同，应当有这样的情况一个开关早于其它并联连接的开关而接通，或晚于所述其它开关而关闭。如果一个或更多个开关持续地与其余开关操作不同步，则该开关会产生很大的能量耗散，并可能随着时间的延长发生故障。一些常规的开关式电力变流器采用辅助功率开关，从而取得高效的零电压开关(“ZVS”)，其中在开关被接通之前，首先对辅助开关进行操作以使得跨接主开关的电压降为零。所述辅助开关通常经一个小电感器与主开关电路相连接，连接点位于主开关和开关装置二极管的正极之间。由于所述二极管通常导电，因而在主开关接近零电压之前，它必定是“反相恢复”的，所述辅助开关的小电感可回收(recover)二极管和主开关电路中累积电荷的能量，而不是将其耗散。这种辅助开关通常被配置成在ZVS之后将回收的能量返回到主开关电路中。然而附加的开关导致了额外的成本投入，从而在某些应用场合中会禁止使用辅助开关。所述开关控制器包括一个时钟电路，该时钟电路为一个脉宽调制器提供时钟信号。该脉宽调制器还接收指令信号(如电力变流器负载的当前指令)，并以调制形式输出该指令信号。通过使所述调制信号经过一个或多个延迟电路并且逻辑地将延迟信号与时钟信号和/或调制信号相关联，所述开关控制器按顺序(该顺序交换在前启动和在后截止的开关装置的选择)来为各个开关装置中的开关提供启动输入。通过在各个转换周期选择不同的开关来进行首先启动及最后截止，所述开关控制器能够将功率损失和伴随的应力均匀分配到所述电力变流器中的所有开关装置中。 附图说明下面参考对本专利技术及其附图的说明，本专利技术的这些及其它特点将会变得更为清楚，并且本专利技术将会变得更易于理解，其中图1为用于开关式电力变流器中并联开关装置软开关的一个装置图2为图1所示的各个位置处信号的波形图。图3为本专利技术装置的另一实施例的示意图。图4是图3实施例类似于图2的波形图。图5为本专利技术装置另一实施例的示意图。图6是图5中实施例类似于图2的波形图。图7为本专利技术装置另一实施例的示意图。图8是图7实施例类似于图2的波形图。图9为本专利技术装置另一实施例的示意图。图10是图9实施例类似于图2的波形图。本专利技术实施例的详细描述在此所描述的本专利技术实施例并非对本专利技术的详尽无遗的说明或者将本专利技术限制在所披露的具体形式上。反之，用于说明的所选实施例是选来使本领域熟练的技术人员可以实施本专利技术。图1示出了与一个开关控制器12连接的两开关并联式功率转换装置10。装置10包括开关装置14、16，并用作较大型电力变流器的一部分。开关装置14包括一个开关18(通常为MOSFET或IGBT开关)、一个电感器20和一个二极管22。同样，开关装置16也包括一个开关24、一个电感器26和一个二极管28。开关18和24的节点18a和24a分别连接在一个公共节点上(如地面)。开关18的节点18b连接到二极管22的阳极以及电感器20的一侧。开关24的节点24b同样连接到二极管28和电感器26上。电感器20和26的另一侧连接到公共节点30上，该公共节点30与电感器32相连接。电感器32可以是滤波电路的一部分，也可以是由功率转换装置10驱动的负载(如一个梯度场线圈或一个电动机绕组)的一部分。电感器32还连接到端子38上。二极管22、28的阴极连接到另一公共节点34上，该公共节点34与端子36相连接。在降压电力变流器中，端子36接收输入的功率，而端子38以降低的电压和升高的电流来输出功率。在升压电力变流器中，端子38接收功率，而端子36以升高的电压和降低的电流来输出功率。开关控制器12包括一个三角波生成器40、一个调制器42、一个延迟生成器44和一个逻辑电路46。在开关控制器12的输入端50处提供一个时钟信号48，如方波。在开关控制器12的输入端54处提供一个指令信号52，如一个来自差错控制放大器的输入或一个来自受控系统的反馈信号。开关控制器12的输出端56、58分别被连接到开关18、24上从而对其分别进行控制。逻辑电路46包括一个触发器60、或门62和64、与门66和68。开关控制器12的输入端50被连接到逻辑电路46的输入端70以及三角波生成器40的输入端72上。三角波生成器40的输出端74连接到调制器42的输入端76上。调制器42的输入端78接收来自开关控制器12输入端54的指令信号52。调制器42在其输出端82处输出一个调制信号80。输出端82连接到延迟生成器44的输入端86、88、90以及逻辑电路46的输入端84上。延迟生成器44包括一个电阻92、一个二极管94、一个电容96以及一个与门98。与门98的一个输入端与延迟生成器的输入端86相连接。而与门98的另一个输入端则与二极管94的阳极、电阻92的一侧、电容96的一侧相连。电阻92的另一侧连接到延迟生成器的输入端88上。二极管94的阴极连接到延迟生成器的输入端90上。电容96的另一侧接地。与门98的输出连接到延迟生成器44的输出端100上。输出端100将一个延迟信号102输出到逻辑电路46的输入端104上。逻辑电路46的输入端70连接到触发器60的输入端106上。触发器的输出端108连接到“D”输入端110以及或门64的一个输入端上。触发器输出端112连接到或门62的一个输入端上。来自延迟生成器44的输入104连接到或门62、64的另一个输入端上。或门62、64的输出端分别连接到与门66、68的一个输入端上。将逻辑电路的输入端84所接收的调制信号80发送到与门66、68的另一个输入端。现参考附图2，方波时钟信号48。时钟信号48驱动三角波生成器40而使其输出三角形时钟信号53，上述三角形时钟信号53是与指令信号52表示在一起的。本领域普通技术人员可以理解的是，也可以使用非方波时钟信号来形成锯齿形调制波如三角形时钟信号53。调制器42输出调制信号80，该调制信号包括一系列脉冲。每个脉冲都具有相应于一定时间间隔的持续时间，在该时间间隔中，三角形时钟信号53相对于指令信号52是正的。延迟生成器44仅在延迟信号102的每个脉冲的前沿产生一个延迟。延迟信号102的每一个脉冲的后沿大致与调制信号80相应脉冲的后沿同时发生。在延迟信号102前沿的延迟与延迟生成器44的电阻92和电容96构成的时间常数成比例。当调制信号80变低时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关式电力变流器，包括：第一开关（１８），该第一开关具有一个与第一电感器（２０）相连的节点（１８ｂ）；第二开关（２４），该开关具有一个与第二电感器（２６）相连的节点（２４ｂ），第一电感器（２０）和第二电感器（２６）连接到一个公共 节点（３０）上；和一个控制器（１２），该控制器与第一开关（１８）和第二开关（２４）相连从而在多个转换周期（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）的每一个周期中对每一个开关进行启动，所述变流器的特征在于：在若干周期（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）期间，所述控制器在 启动第二开关（２４）之前启动第一开关（１８），这样第二开关（２４）上的电压在其被启动之前接近于零，并且在其余转换周期（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）期间，在启动第一开关（１８）之前启动第二开关（２４），这样第一开关（１８）上的电压在其被启动之前接近于零。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：G斯坦利，
申请(专利权)人：哈曼国际工业有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]