專利名稱：高效開關(guān)式調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開關(guān)式調(diào)節(jié)器，特別涉及高效開關(guān)式調(diào)節(jié)器，其內(nèi)開關(guān)元件的損耗被降低到最小程度。
開關(guān)式調(diào)節(jié)器作為低損耗電源具有廣泛的應(yīng)用。一種特別的應(yīng)用是在功率(power)整流器的前端，利用脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制該整流器，以便在輸入AC供電線路上提高功率因數(shù)。選擇高效的調(diào)節(jié)器可使整個(gè)功率處理系統(tǒng)具有高效率。據(jù)此，利用受控波形和精確定時(shí)設(shè)計(jì)開關(guān)調(diào)節(jié)器，以使各種非線性開關(guān)元件的開關(guān)轉(zhuǎn)換過渡期的損耗降低到最小程度。這些調(diào)節(jié)器包括在側(cè)重接近零或零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換的電路布局中。在零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，當(dāng)功率開關(guān)的電壓處在基本上是零電平時(shí)，完成向有源功率(active power)開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換。在某些情況下，電路的其它開關(guān)轉(zhuǎn)換元件可能被控，以便在零或近零電壓時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)轉(zhuǎn)換。
該電路的一個(gè)特定的例子是用于實(shí)現(xiàn)零或近零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換的升壓調(diào)節(jié)器。這種電路可能真正達(dá)到低耗或無(wú)耗開關(guān)轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)(至少對(duì)于有源功率開關(guān))，但是為了達(dá)到近零或零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換而增加的電路會(huì)引起其它的過渡現(xiàn)象，這會(huì)降低零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換的效率增益，還會(huì)進(jìn)一步引起功率調(diào)節(jié)器的其它電路元件上不希望有的反應(yīng)。
開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器包括輔助電路，它具有輔助開關(guān)和電感，連接起來(lái)使調(diào)節(jié)器以近零或零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換方式(此后標(biāo)記為ZVS)工作，它通過減小;輔助電路(用來(lái)完成ZVS工作方式)中的損耗，從而實(shí)現(xiàn)較大的效率改善。損耗降低電路與輔助電路一起，減少接通和導(dǎo)通損耗，并抑制輔助電路元件的振蕩。
損耗降低電路包括用于減少輔助電路(用來(lái)箝位和整流)的無(wú)源開關(guān)元件中導(dǎo)通和開關(guān)損耗的電路。用于減少輔助開關(guān)的振蕩和反向峰壓的電路，它包括吸收箝位電路的瞬態(tài)能量的電路，以及耗散存貯在輔助電路磁存貯元件中能量的電路。


圖1示出一種常規(guī)的開關(guān)升壓型調(diào)節(jié)器的原理圖。
圖2示出具有降低損耗的ZVS電路的開關(guān)升壓型調(diào)節(jié)器的原理圖。
圖3示出圖2所示開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器的各種工作波形圖。
圖4示出具有降低損耗的ZVS電路的另一種開關(guān)升壓型調(diào)節(jié)器的原理圖。
圖1示出一種典型的現(xiàn)有技術(shù)的升壓開關(guān)式調(diào)節(jié)器，它可用來(lái)將輸入的直流(DC)電壓(如加在連接到電感L1的輸入端電壓Vg)轉(zhuǎn)換為在輸出端上輸出的具有更高DC電壓電平的DC輸出電壓(Vout)。該電壓電平的變換是周期性地在功率開關(guān)Q1施加偏壓使其進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)從而建立流過電感L1的電流而完成的。在每一次周期性的導(dǎo)通時(shí)間之后，功率開關(guān)Q1被周期性地偏置不導(dǎo)通，而此時(shí)電感L1的慣性電流特性偏置整流二極管D1使其導(dǎo)通，將電感L1中存貯的能量耦合到輸出端，輸出端的DC電壓電平高于輸入DC電壓Vg的電壓電平。圖1中所示形式的升壓調(diào)節(jié)器在功率開關(guān)Q1和整流二極管D1中有很大的開關(guān)損耗，在很多應(yīng)用中，這種降低的效率是不能接受的。
可以設(shè)計(jì)一種升壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器，采用ZVS開關(guān)轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過控制有源和無(wú)源開關(guān)轉(zhuǎn)換元件，改變?cè)谶^渡期間它們各自的導(dǎo)通狀態(tài)(此時(shí)開關(guān)轉(zhuǎn)換元件電壓基本上保持零值)，從而大大提高了效率。
在圖2的升壓調(diào)節(jié)器，輔助網(wǎng)絡(luò)包括FET輔助開關(guān)Q2和電感L2，它可被控制以使功率開關(guān)Q1按ZVS開關(guān)轉(zhuǎn)換，還被控制來(lái)吸收與整流二極管D1的開關(guān)轉(zhuǎn)換有關(guān)的能量。二極管能量由二極管D1的開關(guān)轉(zhuǎn)換所引起，并由網(wǎng)絡(luò)吸收，該能量是當(dāng)二極管由導(dǎo)通過渡到截止模式時(shí)，與反向復(fù)原期間產(chǎn)生的電流有關(guān)的能量。功率開關(guān)Q1具有能量損失，這是由于非零電壓/電流損耗和部分由于其固有電容CQ1存貯電荷的緣故。應(yīng)用這種ZVS網(wǎng)絡(luò)，電路典型地降低了出現(xiàn)在初級(jí)供電系統(tǒng)的損耗約一半。
ZVS調(diào)節(jié)器的輔助網(wǎng)絡(luò)，包括輔助開關(guān)Q2以及電感L2，它本身就有很大的接通和導(dǎo)通損耗，該損耗降低了主供電系統(tǒng)電路中得到的能量節(jié)余。輔助網(wǎng)絡(luò)中另外的損耗由開關(guān)轉(zhuǎn)換過渡時(shí)發(fā)生的輔助開關(guān)Q2的電壓振蕩引起。該振蕩給整個(gè)電路的EMI(抗電磁干擾)性能帶來(lái)不利影響。
對(duì)輔助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改，可以提高ZVS電路的效率，這包括增加電感器T1，它有兩個(gè)繞組TW1和TW2，電感耦合，繞組TW1與繞組TW2電氣上串聯(lián)。繞組TW1與輔助開關(guān)Q2電氣上串聯(lián)，以大幅度地降低由輔助開關(guān)Q2轉(zhuǎn)換的電流電平。第二繞組TW2由箝位二極管D2連接到輸出端Vout。該二極管D2的反向復(fù)原將附加的大量轉(zhuǎn)換和導(dǎo)通損耗引入調(diào)節(jié)器。
此外，將降耗電路加入到輔助網(wǎng)絡(luò)，以提高調(diào)節(jié)器的整體效率，這是通過將輔助網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)的電流減少到遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)器的輸出電流的電平，以及通過消除或至少大幅度地降低調(diào)節(jié)器中二極管的反向復(fù)原損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)的。輔助網(wǎng)絡(luò)還包括附加的電路來(lái)吸收損耗和降低由輔助網(wǎng)絡(luò)元件的轉(zhuǎn)換動(dòng)作引起的振蕩。
在圖2的調(diào)節(jié)器基本工作過程中，在有源開關(guān)Q1或Q2偏置導(dǎo)通之前，電流起初電壓源Vg經(jīng)電感L1和二極管D1流到輸出端Vout。在每一工作周期接通的第一開關(guān)是輔助開關(guān)Q2。開關(guān)Q2。開關(guān)Q2恰在功率開關(guān)Q1接通之前，在定時(shí)標(biāo)記T0處，由圖3中的波形VGS2標(biāo)識(shí)的一脈沖偏置導(dǎo)通。輔助開關(guān)Q2的導(dǎo)通時(shí)間與驅(qū)動(dòng)脈沖電壓VGS2的持續(xù)時(shí)間相符，VGS決定了開關(guān)Q2的導(dǎo)通時(shí)間。電壓脈沖驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)Q1，如圖3中波形VGS1所示，共持續(xù)時(shí)間從T1延伸到T3。輔助開關(guān)Q2相應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間，如圖示，被定時(shí)以全部覆蓋功率開關(guān)Q1的接通過渡時(shí)間。
輔助開關(guān)Q2的導(dǎo)通引起在電感L2中建立第一電流。該電流由圖3中所示的波形ILR在時(shí)間標(biāo)記T0處示出。磁器件T1的電感耦合繞組TW1和TW2引起正向偏置的二極管D2中流動(dòng)的第二電流，它與第一電流成比例。當(dāng)?shù)谝缓偷诙娏?由圖3中波形ILR和ITS2示出)之和等于或超過輸入電流時(shí)，節(jié)點(diǎn)N1的電壓衰減到零。這使得功率開關(guān)Q1的固有電容CR全部放電。二極管D1被反向偏置，而二極管D1的反向復(fù)原能量被電感L2吸收。隨著節(jié)點(diǎn)N1的電壓基本為零，功率開關(guān)Q1被偏置導(dǎo)通，而沒有開關(guān)損耗。在功率開關(guān)Q1變?yōu)閷?dǎo)通之后不久，在時(shí)間標(biāo)記T3，輔助開關(guān)Q2接著被偏置為不導(dǎo)通。隨著輔助開關(guān)Q2不導(dǎo)通，電感L2中存貯的能量返回到輸出端Vout。它到終端Vout的導(dǎo)通通路，包括流過二極管D3的電流以及通過電感耦合(由繞組TW1提供)并流經(jīng)二極管D2的電流。在定時(shí)標(biāo)記T5，功率開關(guān)Q1的后續(xù)偏置到不導(dǎo)通狀態(tài)，是響應(yīng)于調(diào)節(jié)控制電路來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電壓。
輔助開關(guān)Q2兩端的電壓必須限制在其峰值電壓額定值內(nèi)。二極管D3將輔助開關(guān)的漏極連接到輸出端Vout，對(duì)該電壓箝位。輔助開關(guān)Q2的電壓從而箝住到輸出電壓。當(dāng)輔助開關(guān)Q2被偏置為不導(dǎo)通時(shí)，二極管D3中的電流必須基本上降低到零，以避免二極管D3中的反向復(fù)原損耗導(dǎo)致效率降低。與二極管D3串聯(lián)的電阻R1的值，理想上約等于L2/C的平方根的一半，其中C是輔助開關(guān)Q2的漏極和源極兩端之間呈現(xiàn)的總電容。電阻R1的實(shí)際值是100Ω的量級(jí)。
磁器件T1的磁化電感的復(fù)原把電壓加在二極管D2上。復(fù)原能量由消散(dissipative)網(wǎng)絡(luò)控制，它包括電阻R2和二極管D4，用于消散磁化電感的能量。該能量由圖3所示的定時(shí)標(biāo)記T3和T7之間的電流波形ITS2示出。電阻R2的實(shí)際值是幾KΩ的量級(jí)。
當(dāng)輔助開關(guān)Q2接通時(shí)，與二極管D3的反向復(fù)原有關(guān)的能量被一子網(wǎng)絡(luò)吸收，它包括與電阻R3并聯(lián)的二極管D5。該子網(wǎng)絡(luò)與輔助開關(guān)Q2串聯(lián)。該子網(wǎng)絡(luò)吸收二極管D3的反向復(fù)原能量，并進(jìn)一步地消除輔助開關(guān)Q2斷開后ZVS電路振蕩的趨勢(shì)。電阻R3的實(shí)際值是幾KΩ的量級(jí)。
通過結(jié)合考查與圖2的電路相聯(lián)系的圖3的波形，考慮該電路的七個(gè)明顯的工作模式的序列的工作，可以很容易地理解該電路的工作情況。所有波形的關(guān)鍵部分都由共同的定時(shí)標(biāo)記Tx表示，其中x標(biāo)記為0到8。圖2中每一波形都用V表示電壓，用I表示電流，而I和V加上下標(biāo)表示具有特定波形特性的元件。波形VGS1和VGS2分別代表加到功率開關(guān)Q1和輔助開關(guān)Q2的電壓脈沖。ILR，ITS1和ITS2分別是流經(jīng)電感L2和經(jīng)組TW1以及繞組TW2的電流波形。電壓波形VDS1是功率開關(guān)Q1的漏極和源極兩端的電壓。電壓波形VDS2是輔助開關(guān)Q2的漏極和源極兩端的電壓。電壓波形VD2是二極管D2兩端的電壓。電壓波形VT是繞組TW1兩端的電壓。流經(jīng)二極管D3的電流由波形ID3示出，與下面的描述相聯(lián)系，參照這些波形，可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解圖2的電路的工作。
在定時(shí)標(biāo)記T0之前的初始工作條件是功率開關(guān)Q1和輔助開關(guān)Q2均為不導(dǎo)通。由存貯在電路中的能量提供的功率通過二極管D1傳送到輸出端。
初始工作階段包括定時(shí)標(biāo)記T0和T1間的時(shí)間間隔。輔助開關(guān)Q2在定時(shí)標(biāo)記T0接通，相應(yīng)的通過電感L2的電流IL2開始線性增長(zhǎng)。輸出電流ID1繼續(xù)流過輸出二極管D1，并將電感性元件T1的耦合繞組兩端的電壓箝位到零電壓。由波形IL2所示的電流，流經(jīng)電感L2，繼續(xù)線性增長(zhǎng)。這同一電流出現(xiàn)在磁器件T1的耦合繞組tW1。該增長(zhǎng)率隨磁器件T1的耦合繞組的線圈比率N∶1調(diào)節(jié)。流經(jīng)二極管D1的電流逐漸減少。其減少的速度與經(jīng)過磁器件T1的兩個(gè)繞組的電流之和增加的速度相同。在定時(shí)標(biāo)記T1，流過磁器件T1兩繞組的電流之和變?yōu)榕c流過電感L1的輸入電流IIN的數(shù)值相同。從而二極管D1以軟方式斷開(即緩和的反向復(fù)原特性)。
在下一階段(它由定時(shí)標(biāo)記T1和T2之間的時(shí)間間隔組成)，二極管D1在定時(shí)標(biāo)記T1被反向偏置。通過磁器件T1兩繞組的電流之和繼續(xù)增加，引起電荷以諧振方式從電容CQ1消除，CQ1與功率開關(guān)Q1并聯(lián)，并可能包括固有電容或外部電容或二者的組合。該電容上存貯的能量最后轉(zhuǎn)移到輸出端。隨著二極管D1不導(dǎo)通，在磁器件T1兩繞組兩端產(chǎn)生一電壓。當(dāng)電容CQ1全部放電時(shí)，功率開關(guān)Q1被接通，從不導(dǎo)通到導(dǎo)通狀態(tài)是零電壓轉(zhuǎn)換。
在下一階段工作的開始(從定時(shí)標(biāo)記T2到定時(shí)標(biāo)記T3的間隔)，功率開關(guān)Q1導(dǎo)通。反射的輸出電壓出現(xiàn)在磁器件T1繞組TW1的兩端。該電壓使電感L2(其電流正在線性減少)復(fù)原。通過電感L2的電流在定時(shí)標(biāo)記T3達(dá)到零值，導(dǎo)致輔助開關(guān)Q2的零電流斷開。此時(shí)，所有輸入電流都被轉(zhuǎn)換給功率開關(guān)Q1。
在后續(xù)工作階段期間(包括定時(shí)標(biāo)記T3和T4之間的時(shí)間間隔)，磁器件T1的鐵芯通過一網(wǎng)絡(luò)復(fù)原，該網(wǎng)絡(luò)包括二極管D4和電阻R2。該網(wǎng)絡(luò)與繞組TW1并聯(lián)，并使鐵芯受控復(fù)原，限制了二極管D2兩端的電壓。
功率開關(guān)Q1在定時(shí)標(biāo)記T4時(shí)被斷開。功率開關(guān)Q1兩端的電壓隨著輸入電流給電容CQ1充電而線性增加。與輔助開關(guān)Q2相關(guān)的固有電容在定時(shí)標(biāo)記T5和T6間的時(shí)間間隔內(nèi)充電。充電電流流過繞組TW1和電感L2，繞組TW2中建立起一電流。
當(dāng)功率開關(guān)Q1兩端的電壓增加到輸出電壓的值時(shí)，輔助開關(guān)Q2兩端的電壓在二極管D2導(dǎo)通時(shí)箝位到輸出電壓值。電感L2必須復(fù)原，以避免在功率開關(guān)Q1的不導(dǎo)通期間有持續(xù)電流流過二極管D2和D4。電阻R1用于保證電感L2的復(fù)原。電阻R1進(jìn)一步地迫使二極管D2和D4中的電流為零，以防止當(dāng)輔助開關(guān)Q2接通，啟動(dòng)下一開關(guān)轉(zhuǎn)換周期時(shí)，發(fā)生破壞性的反向復(fù)原。到定時(shí)標(biāo)記T6出現(xiàn)時(shí)，功率開關(guān)Q1兩端的電壓已增加到輸出電壓的值，二極管D1已被偏置導(dǎo)通，電感L2已完全復(fù)原。
在定時(shí)標(biāo)記T6和T7之間的最后間隔期間，開關(guān)Q1和Q2都被偏置為截止，輸入電流通過二極管D1被送到負(fù)載。當(dāng)輔助開關(guān)Q2被偏置為導(dǎo)通時(shí)，后續(xù)開關(guān)轉(zhuǎn)換周期在定時(shí)標(biāo)記T8處開始。
二極管D3是一必要元件，在功率開關(guān)Q2斷開時(shí)(在定時(shí)標(biāo)記T3處)可使二極管D2的固有電容和輔助開關(guān)Q2的固有電容以及電感L2諧振相互作用所引起的負(fù)效應(yīng)降低到最小程度。
圖2波形中出現(xiàn)的虛線代表出現(xiàn)在輔助網(wǎng)絡(luò)中波形的不同軌跡，該網(wǎng)絡(luò)不包括電阻R1、R2、R3和二極管D3、D5。
圖2電路的另一方案示于圖4，與圖2電路的工作相似，半導(dǎo)體電壓擊穿器件D6和D7用來(lái)達(dá)到減小與輔助開關(guān)Q2相關(guān)的電路中過渡現(xiàn)象的目的。
權(quán)利要求
1.一種升壓轉(zhuǎn)換器，它包括一個(gè)能量存貯電感(L1)，一個(gè)整流二極管(D1)，將此電感耦合到輸出端，以及一個(gè)功率開關(guān)(Q1)，用于控制電感中能量的存貯，能使功率開關(guān)以零壓開關(guān)轉(zhuǎn)換方式工作的電路包括網(wǎng)絡(luò)(Q2，D5，L2)，由輔助開關(guān)(Q2)起動(dòng)，用以驅(qū)使功率開關(guān)的一端該在功率開關(guān)導(dǎo)通過渡期時(shí)基本上是零電壓；其特征在于限制損耗電路，它包括箝位電路(D3)，用以限制輔助開關(guān)一端電壓；第一和第二磁耦合器件(T1)，其第一繞組與輔助開關(guān)相串聯(lián)；以及放電電路(D4，R2)，用于釋放第一和第二磁耦合器件的磁能。
2.權(quán)利要求1中所述的升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于上述箝位電路包括二極管(D3);上述限制損耗電路包括二極管電阻網(wǎng)絡(luò)(D4，R2)以限制二極管的反向復(fù)原。
3.權(quán)利要求2中所述的升壓轉(zhuǎn)換器，其特征在于二極管電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻元件(R2)，其阻值基本上是網(wǎng)絡(luò)的電感與輔助開關(guān)的漏極和源極電容之比的平方根的一半。
全文摘要
開關(guān)升壓調(diào)節(jié)器包括輔助電路，它具有輔助開關(guān)和電感，連接起來(lái)使調(diào)節(jié)器以零電壓轉(zhuǎn)換的方式工作，通過減小用來(lái)完成零電壓轉(zhuǎn)換工作的輔助電路中的損耗，從而實(shí)現(xiàn)較大的效率改善。損耗降低電路與輔助電路一起減少接通和導(dǎo)通損耗，并抑制輔助電路元件的振蕩。
文檔編號(hào)H02M3/155GK1105488SQ9411713
公開日1995年7月19日 申請(qǐng)日期1994年10月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月15日
發(fā)明者馬克·E·杰克鮑斯, 理查德·W·法瑞特, 威杰雅·J·索圖威利 申請(qǐng)人:美國(guó)電報(bào)電話公司