高效开关式调节器制造技术

开关升压调节器包括辅助电路，它具有辅助开关和电感，连接起来使调节器以零电压转换的方式工作，通过减小用来完成零电压转换工作的辅助电路中的损耗，从而实现较大的效率改善。损耗降低电路与辅助电路一起减少接通和导通损耗，并抑制辅助电路元件的振荡。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及开关式调节器，特别涉及高效开关式调节器，其内开关元件的损耗被降低到最小程度。开关式调节器作为低损耗电源具有广泛的应用。一种特别的应用是在功率(power)整流器的前端，利用脉宽调制技术来控制该整流器，以便在输入AC供电线路上提高功率因数。选择高效的调节器可使整个功率处理系统具有高效率。据此，利用受控波形和精确定时设计开关调节器，以使各种非线性开关元件的开关转换过渡期的损耗降低到最小程度。这些调节器包括在侧重接近零或零电压开关转换的电路布局中。在零电压开关转换期间，当功率开关的电压处在基本上是零电平时，完成向有源功率(active power)开关的导通状态的导通转换。在某些情况下，电路的其它开关转换元件可能被控，以便在零或近零电压时实现开关转换。该电路的一个特定的例子是用于实现零或近零电压开关转换的升压调节器。这种电路可能真正达到低耗或无耗开关转换的标准(至少对于有源功率开关)，但是为了达到近零或零电压开关转换而增加的电路会引起其它的过渡现象，这会降低零电压开关转换的效率增益，还会进一步引起功率调节器的其它电路元件上不希望有的反应。开关升压调节器包括辅助电路，它具有辅助开关和电感，连接起来使调节器以近零或零电压开关转换方式(此后标记为ZVS)工作，它通过减小;辅助电路(用来完成ZVS工作方式)中的损耗，从而实现较大的效率改善。损耗降低电路与辅助电路一起，减少接通和导通损耗，并抑制辅助电路元件的振荡。损耗降低电路包括用于减少辅助电路(用来箝位和整流)的无源开关元件中导通和开关损耗的电路。用于减少辅助开关的振荡和反向峰压的电路，它包括吸收箝位电路的瞬态能量的电路，以及耗散存贮在辅助电路磁存贮元件中能量的电路。附图说明图1示出一种常规的开关升压型调节器的原理图。图2示出具有降低损耗的ZVS电路的开关升压型调节器的原理图。图3示出图2所示开关升压调节器的各种工作波形图。图4示出具有降低损耗的ZVS电路的另一种开关升压型调节器的原理图。图1示出一种典型的现有技术的升压开关式调节器，它可用来将输入的直流(DC)电压(如加在连接到电感L1的输入端电压Vg)转换为在输出端上输出的具有更高DC电压电平的DC输出电压(Vout)。该电压电平的变换是周期性地在功率开关Q1施加偏压使其进入导通状态从而建立流过电感L1的电流而完成的。在每一次周期性的导通时间之后，功率开关Q1被周期性地偏置不导通，而此时电感L1的惯性电流特性偏置整流二极管D1使其导通，将电感L1中存贮的能量耦合到输出端，输出端的DC电压电平高于输入DC电压Vg的电压电平。图1中所示形式的升压调节器在功率开关Q1和整流二极管D1中有很大的开关损耗，在很多应用中，这种降低的效率是不能接受的。可以设计一种升压型开关调节器，采用ZVS开关转换技术，通过控制有源和无源开关转换元件，改变在过渡期间它们各自的导通状态(此时开关转换元件电压基本上保持零值)，从而大大提高了效率。在图2的升压调节器，辅助网络包括FET辅助开关Q2和电感L2，它可被控制以使功率开关Q1按ZVS开关转换，还被控制来吸收与整流二极管D1的开关转换有关的能量。二极管能量由二极管D1的开关转换所引起，并由网络吸收，该能量是当二极管由导通过渡到截止模式时，与反向复原期间产生的电流有关的能量。功率开关Q1具有能量损失，这是由于非零电压/电流损耗和部分由于其固有电容CQ1存贮电荷的缘故。应用这种ZVS网络，电路典型地降低了出现在初级供电系统的损耗约一半。ZVS调节器的辅助网络，包括辅助开关Q2以及电感L2，它本身就有很大的接通和导通损耗，该损耗降低了主供电系统电路中得到的能量节余。辅助网络中另外的损耗由开关转换过渡时发生的辅助开关Q2的电压振荡引起。该振荡给整个电路的EMI(抗电磁干扰)性能带来不利影响。对辅助网络进行修改，可以提高ZVS电路的效率，这包括增加电感器T1，它有两个绕组TW1和TW2，电感耦合，绕组TW1与绕组TW2电气上串联。绕组TW1与辅助开关Q2电气上串联，以大幅度地降低由辅助开关Q2转换的电流电平。第二绕组TW2由箝位二极管D2连接到输出端Vout。该二极管D2的反向复原将附加的大量转换和导通损耗引入调节器。此外，将降耗电路加入到辅助网络，以提高调节器的整体效率，这是通过将辅助网络传导的电流减少到远小于调节器的输出电流的电平，以及通过消除或至少大幅度地降低调节器中二极管的反向复原损耗来实现的。辅助网络还包括附加的电路来吸收损耗和降低由辅助网络元件的转换动作引起的振荡。在图2的调节器基本工作过程中，在有源开关Q1或Q2偏置导通之前，电流起初电压源Vg经电感L1和二极管D1流到输出端Vout。在每一工作周期接通的第一开关是辅助开关Q2。开关Q2。开关Q2恰在功率开关Q1接通之前，在定时标记T0处，由图3中的波形VGS2标识的一脉冲偏置导通。辅助开关Q2的导通时间与驱动脉冲电压VGS2的持续时间相符，VGS决定了开关Q2的导通时间。电压脉冲驱动功率开关Q1，如图3中波形VGS1所示，共持续时间从T1延伸到T3。辅助开关Q2相应的导通时间，如图示，被定时以全部覆盖功率开关Q1的接通过渡时间。辅助开关Q2的导通引起在电感L2中建立第一电流。该电流由图3中所示的波形ILR在时间标记T0处示出。磁器件T1的电感耦合绕组TW1和TW2引起正向偏置的二极管D2中流动的第二电流，它与第一电流成比例。当第一和第二电流(由图3中波形ILR和ITS2示出)之和等于或超过输入电流时，节点N1的电压衰减到零。这使得功率开关Q1的固有电容CR全部放电。二极管D1被反向偏置，而二极管D1的反向复原能量被电感L2吸收。随着节点N1的电压基本为零，功率开关Q1被偏置导通，而没有开关损耗。在功率开关Q1变为导通之后不久，在时间标记T3，辅助开关Q2接着被偏置为不导通。随着辅助开关Q2不导通，电感L2中存贮的能量返回到输出端Vout。它到终端Vout的导通通路，包括流过二极管D3的电流以及通过电感耦合(由绕组TW1提供)并流经二极管D2的电流。在定时标记T5，功率开关Q1的后续偏置到不导通状态，是响应于调节控制电路来调节输出的电压。辅助开关Q2两端的电压必须限制在其峰值电压额定值内。二极管D3将辅助开关的漏极连接到输出端Vout，对该电压箝位。辅助开关Q2的电压从而箝住到输出电压。当辅助开关Q2被偏置为不导通时，二极管D3中的电流必须基本上降低到零，以避免二极管D3中的反向复原损耗导致效率降低。与二极管D3串联的电阻R1的值，理想上约等于L2/C的平方根的一半，其中C是辅助开关Q2的漏极和源极两端之间呈现的总电容。电阻R1的实际值是100Ω的量级。磁器件T1的磁化电感的复原把电压加在二极管D2上。复原能量由消散(dissipative)网络控制，它包括电阻R2和二极管D4，用于消散磁化电感的能量。该能量由图3所示的定时标记T3和T7之间的电流波形ITS2示出。电阻R2的实际值是几KΩ的量级。当辅助开关Q2接通时，与二极管D3的反向复原有关的能量被一子网络吸收，它包括与电阻R3并联的二极管D5。该子网络与辅助开关Q2串联。该子网络吸收二极管D3的反向复原能量，并进一步地消除辅助开关Q2断开后ZVS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种升压转换器，它包括一个能量存贮电感（Ｌ↓［１］），一个整流二极管（Ｄ↓［１］），将此电感耦合到输出端，以及一个功率开关（Ｑ↓［１］），用于控制电感中能量的存贮，能使功率开关以零压开关转换方式工作的电路包括：网络（Ｑ↓［２］，Ｄ↓ ［５］，Ｌ↓［２］），由辅助开关（Ｑ↓［２］）起动，用以驱使功率开关的一端该在功率开关导通过渡期时基本上是零电压；其特征在于：限制损耗电路，它包括：箝位电路（Ｄ↓［３］），用以限制辅助开关一端电压；第一和第二磁耦合器件（Ｔ↓ ［１］），其第一绕组与辅助开关相串联；以及放电电路（Ｄ↓［４］，Ｒ↓［２］），用于释放第一和第二磁耦合器件的磁能。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马克E杰克鲍斯，理查德W法瑞特，威杰雅J索图威利，
申请(专利权)人：美国电报电话公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]