高效串联谐振转换器制造技术

本发明专利技术通过向变压器的次级绕组添加额外的电容器以在开关单元接通时快速增大变压器的初级绕组的谐振电流来提供可减少开关损耗、同时改善效率的高效串联谐振转换器。串联谐振转换器可满足开关单元接通时的零电压和零电流开关条件，以及开关单元关断时的零电压开关条件，由此大大减少开关损耗。此外，有可能通过在次级绕组上的次级电容器充电时快速增大谐振电流来改善转换器效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及串联谐振转换器，尤其涉及通过改善谐振电流波形来提供减小的开关损耗和增大的效率的高效串联谐振转换器。
技术介绍
直流-直流转换器是用于将直流(DC)源从一个电压电平转换到另一个电压电平的电子电路。通常，直流-直流转换器将直流电压转换成交流(AC)电压，通过变压器升高或者降低该交流电压，且将经升高或降低的交流电压转换成直流电压。串联谐振转换器(SRC)是直流-直流转换器的一个示例。附图说明图1是常规SRC的电路图。该SRC使用由电感器Lr和电容器Cr生成的谐振，且呈现良好的转换效率。参考图1，该SRC包括开关单元20、LC谐振电路30、变压器TX、桥式整流器40、以及门驱动器51。开关单元20包括多个开关S 1-S4以通过交变直流电压将来自输入电压源 10的直流电压改变成交流电压。该LC谐振电路30连接到开关单元20，且包括彼此串联连接的谐振电感器Lr和谐振电容器Cr。LC谐振电路30使用由谐振电感器Lr和谐振电容器 Cr生成的谐振来改变来自开关单元20的交流电压的频率特性。变压器TX将初级电压，即来自LC谐振电路30的交流电压转换成次级电压。桥式整流器40将次级交流电压转换成直流电压。门驱动器51控制开关单元20以控制负载电流的振幅和形状。SRC还包括对来自桥式整流器40的直流电压进行滤波且将经滤波的直流电压施加到负载60的电容器Q。SRC是使用以全桥结构互连的诸如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的四个半导体开关S1-S4来实现的全桥脉宽调制(PWM)转换器。开关S1-S4并联连接至反并联二极管D1-D4，且与缓冲电容器CS1-CS4并联。开关单元20通过在门驱动器51的控制下同步接通或者关断一对开关Sl和S4、或者另一对开关S2和S3来将直流电压转换成交流电压。交流电压通过LC谐振电路30传输到变压器TX的次级绕组TX2。LC谐振电路30包括谐振电感器Lr和谐振电容器Cr，它们在开关S 1和S2的接触节点与开关S3和S4的另一接触节点之间串联连接到变压器TX的初级绕组TX1。该LC 谐振电路30在谐振电感器Lr和谐振电容器Cr中存储能量以及输出能量。该变压器TX通过次级绕组TX2输出来自LC谐振电路30的能量。次级绕组TX2中的感生电压按次级绕组TX2中的匝数的数量和初级绕组TXl中的匝数的数量的比率确定。包括四个整流二极管RD1-RD4的桥式整流器40将从次级绕组TX2输出的感生交流电压转换成直流电压。该直流电压通过电容器Ctl来进行滤波，且然后输出到负载60。该门驱动器51在SRC的驱动以及功率转换过程期间使开关S1-S4接通和关断。门驱动器51接收脉冲电压信号作为输入且生成驱动信号，即选通信号以使开关S1-S4接通和关断。在半导体开关S1-S4的开关操作期间，随各开关中的预定延迟和梯度改变电压和电流。因此，当开关S1-S4接通或关断时，可存在电压和电流可同步施加到开关的段，即电压和电流部分交迭的段。在该段中，可发生对应于电压和电流的乘积VXI的开关损耗。举例而言，当IGBT截止时，在IGBT两端完全施加电压之后尾电流可继续流动，从而造成严重的开关损耗。开关损耗降低转换器的效率且造成开关变热。此外，开关损耗与开关的开关频率成比例地增大，从而限制开关的最大开关频率。为了减少开关损耗，已提出诸如零电压开关(ZVS)、零电流开关(ZCS)、以及零电压零电流(ZVZCS)的各种开关机制。为了实现ZVS、ZCS和ZVZCS以减少开关损耗，如图1所示，提供负载谐振转换器， 其通过将电感器Lr和电容器Cr连接到变压器TX的初级绕组TXl来使用LC谐振。LC谐振可允许转换器生成满足零电压和零电流条件的电压和电流波形。此外，LC谐振电路可允许负载电压和负载电流振荡，由此实现ZVS、ZVC或者ZVZCS。图2是描绘取决于负载谐振转换器中的开关频率fs的谐振电流k特性的曲线图。 负载谐振转换器的开关操作取决于开关频率可分为两个模式，即非连续传导模式(DCM)和连续传导模式(CCM)。在DCM中，在开关频率fs比电感器和电容器的谐振频率fr低的段中执行开关操作。在CCM中，在开关频率fs比谐振频率fr高的段中执行开关操作。图3a和北是描绘由常规负载谐振转换器中的LC谐振造成的典型电压和电流波形的曲线图(为了方便起见，示出半桥结构)。图3a示出DCM中的谐振波形，而图北示出 CCM中的谐振波形。电流k指示电感器电流且电压指示电容器电压。参考图3a，在DCM中的开关频率fs比谐振频率fr低的一个周期期间，当全桥结构的一对开关接通以允许电流流动时，电流在电感器Lr中积聚。积聚的电能被传递到电容器 Cr，由此增大电容器电压\。积聚在电感器Lr中的电能完全耗散之后，电容器的极性翻转， 从而造成电流k反方向流动。然后一对开关关断。因此，出现其中没有电流流动的不连续段。 在该不连续段中，当另一对开关接通时在反方向上施加电压Vc和电流I。相应地， 因为存在其中电流不连续流动的不连续段，所以可执行零电流接通开关。参考图北，在CCM中的开关频率fs比谐振频率fr高的一个周期期间，当一对开关接通时电感器电流k增大，且然后电容器电压增大时电感器电流k减小。当一对开关关断时电流不再流动。当另一对开关接通时(即，零电流接通开关)，以反方向施加电压。结果，当电压开始下降时在反方向上施加电流。这样，完成了一个开关周期。即，电流在一个周期期间连续流动。在该两个模式中，通过脉冲频率调制(PFM)来控制输出电流。在DCM中，较高的频率造成输出电流的增大。在CCM中，较低的频率造成谐振电流的增大，由此增大全波整流之后输出的负载电流。在CCM中，当在相同频率操作条件下接通开关以将接近方波的波形赋予谐振电流时谐振电流k急剧增大时，该谐振电流可具有增大的有效值。结果，转换器可呈现改善的效率。因此，需要用于在CCM中快速增大谐振电流k以获得具有效率改善的转换器的技术。
技术实现思路
本专利技术构想成解决以上所述的现有技术的问题，且本专利技术的一方面通过改善连续传导模式中开关操作中的谐振电流波形来提供能够减少开关损耗和改善效率的高效串联谐振转换器。根据本专利技术的一个方面，高效串联谐振转换器包括包括多个开关的开关单元，用于通过交变直流电压将直流(DC)电压转换成交流(AC)电压；LC谐振电路，其包括串联连接的谐振电感器和谐振电容器，连接到开关单元，且使用由谐振电感器和谐振电容器生成的谐振来转换传输自开关单元的交流电压的频率特性；包括初级绕组和次级绕组的变压器，该初级绕组连接到LC谐振电路，且次级绕组中的感生电压与次级绕组中匝数的数量和初级绕组中匝数的数量的比率成比例；次级电容器，其连接到变压器的次级绕组且与变压器并联；包括多个整流二极管的全桥整流器，用于将在次级绕组中感生的交流电压转换成直流电压；以及门驱动器，其检测连接到开关的反并联二极管的导通，且当反并联二极管导通时输出导通选通信号以接通开关。次级电容器可具有比谐振电容器小的电容。次级电容器可具有比由整流二极管和负载组成的电路低的阻抗，且用在次级绕组中感生的负载电流充电的次级电容器可造成LC谐振电路的谐振电流快速增大。门驱动器可包括连接到向其输入脉冲电压信号的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高效串联谐振转换器，包括：包括多个开关的开关单元，用于通过交变直流电压将直流（ＤＣ）电压转换成交流（ＡＣ）电压；包括串联连接的谐振电感器和谐振电容器的ＬＣ谐振电路，所述ＬＣ谐振电路连接到所述开关单元，且使用由所述谐振电感器和所述谐振电容器生成的谐振来转换传输自所述开关单元的所述交流电压的频率特性；包括初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组连接到所述ＬＣ谐振电路，且所述次级绕组中的感生电压与所述次级绕组中的匝数的数量和所述初级绕组中的匝数的数量的比率成比例；连接到所述变压器的所述次级绕组且与所述变压器并联的次级电容器；包括多个整流二极管的桥式整流器，用于将在所述次级绕组中感生的交流电压转换成直流电压；以及门驱动器，所述门驱动器检测连接到所述开关的反并联二极管的导通且当所述反并联二极管导通时输出导通选通信号以接通所述开关。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：金钟洙，安石濠，张成录，柳泓齐，林根熙，
申请(专利权)人：韩国电气研究院，寇地斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：KR