專(zhuān)利名稱(chēng)：緩沖器的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及功率變換器領(lǐng)域，即緩沖器。本發(fā)明特別地，但并非唯一地涉及開(kāi)關(guān)式功率變換器，并且能同樣地應(yīng)用于功率變換器的其它形式中。本發(fā)明以一種形式提供了一種基本無(wú)損耗電流緩沖器或一個(gè)基本無(wú)損耗電流和電壓緩沖器。
背景技術(shù)：
在開(kāi)關(guān)式功率變換器領(lǐng)域中，經(jīng)常要使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路。一個(gè)電壓或電流是通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)通常在恒定頻率下動(dòng)作的開(kāi)關(guān)的脈沖寬度(或占空比)來(lái)控制的。
其它變換器即是通常所說(shuō)的諧振電路。這些電路具有一個(gè)大的諧振回路，并改變?cè)撝C振回路的激勵(lì)頻率來(lái)調(diào)整電壓或電流。還有一些具有能提供電流或電壓限制功能的小諧振網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)諧振變換器。調(diào)整功能通常是通過(guò)頻率調(diào)制(FM)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
此外，變換器還有另一類(lèi)，即通常所說(shuō)的軟開(kāi)關(guān)變換器。這些類(lèi)型在提供恒定頻率PWM似控制時(shí)，使用多個(gè)(2個(gè)或更多)開(kāi)關(guān)和小諧振網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流或電壓限制功能。
這些變換器的其它類(lèi)別是設(shè)計(jì)來(lái)克服PWM中的一些問(wèn)題的，但它們自身也顯示出很多缺點(diǎn)。特別地，在低中檔開(kāi)關(guān)頻率下，其效率低于相應(yīng)PWM電路的效率。PWM電路和其它類(lèi)別中的一些電路有以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
問(wèn)題1在開(kāi)關(guān)接通的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)式功率變換器中的二極管反向恢復(fù)會(huì)在開(kāi)關(guān)裝置中造成比較高的峰值電流和功率應(yīng)力(stress)，從而在該開(kāi)關(guān)裝置中引起比較高的平均功率損耗。在接通過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生顯著的電磁干擾(EMI)，這被認(rèn)為造成了較低的總體效率。


圖1表示了現(xiàn)有技術(shù)緩沖器的一種類(lèi)型，是一個(gè)增壓電路中的耗散電流緩沖器。該緩沖器的元件用粗線畫(huà)出，其反向恢復(fù)電流的路徑用一個(gè)箭頭表示。該緩沖器能用來(lái)解決上述問(wèn)題中的大部分，但會(huì)將存儲(chǔ)在該緩沖器電感中的能量傳送到一個(gè)緩沖器電阻。這會(huì)引起功率損失，從而總體效率仍然較低。實(shí)際上，在該緩沖器電阻中的功率損失與開(kāi)關(guān)裝置中產(chǎn)生的功率損失減少可以相比，因此，該開(kāi)關(guān)式變換器的總體效率沒(méi)有得到改進(jìn)。
圖2表示了現(xiàn)有技術(shù)緩沖器的另一種類(lèi)型，這是一個(gè)無(wú)耗散電流緩沖器。該所示的緩沖器確實(shí)解決了上述問(wèn)題的各個(gè)方面，但卻又產(chǎn)生了另一個(gè)問(wèn)題。通過(guò)將存儲(chǔ)在該緩沖器電感中的能量傳送回電源，總體效率得到了提高。不過(guò)，在這樣操作時(shí)，會(huì)在其開(kāi)關(guān)裝置中產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)高的峰值電壓應(yīng)力。這是由該緩沖器在其開(kāi)關(guān)和箝位電壓之間附加的漏電感引起的。
問(wèn)題2在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)裝置時(shí)存在的感應(yīng)負(fù)載會(huì)在該開(kāi)關(guān)裝置中引起相對(duì)高的峰值功率應(yīng)力以及一個(gè)在該開(kāi)關(guān)裝置中相應(yīng)而生的高的平均功率損失，這會(huì)導(dǎo)致較低的總體效率。
現(xiàn)有技術(shù)未能提供一種解決這一問(wèn)題的電流緩沖器。
還有另一個(gè)與現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)的問(wèn)題是，現(xiàn)有技術(shù)也未能提供一種元件數(shù)目相對(duì)較少的組合的電流和電壓緩沖器。
發(fā)明的目的本發(fā)明的一個(gè)目的是克服至少一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種供功率變換器使用的電流緩沖器和/或電流和電壓緩沖器。發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明是以這樣一條原則為基礎(chǔ)的，該原則就是在一個(gè)功率變換器的開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，將存儲(chǔ)在各元件中的能量傳送回至少一個(gè)與功率變換器有關(guān)的能量存儲(chǔ)元件。該能量存儲(chǔ)元件可以在該功率變換器的電路中，在其輸入和/或其輸出處，或它們的組合。
本發(fā)明設(shè)想，以一種方式，通過(guò)在各元件和功率變換器的儲(chǔ)能元件之間的基本直接的連接來(lái)回收從各元件來(lái)的能量或在各元件中的能量。
儲(chǔ)能元件可以是任何形式的儲(chǔ)能元件。連接最好是通過(guò)連接一個(gè)傳導(dǎo)元件，該傳導(dǎo)元件適于在各元件和存儲(chǔ)元件間至少在一個(gè)方向?qū)āＷ詈檬褂靡粋€(gè)二極管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為傳導(dǎo)元件。盡管它們并不是唯一一種可考慮采用的傳導(dǎo)元件。
本發(fā)明是基于能實(shí)現(xiàn)最好將元件或一個(gè)緩沖器插入一個(gè)功率變換器，或加入一個(gè)功率變換器的常規(guī)元件中，從而在開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)過(guò)程中來(lái)控制，包括限制或降低，電流和/或電壓的上升速率，并且在該元件中存儲(chǔ)能量并回收到能量存儲(chǔ)元件。通過(guò)直接連接實(shí)現(xiàn)的能量回收減輕了在開(kāi)關(guān)元件中的高峰值電壓應(yīng)力，因?yàn)橐灾苯舆B接方式將所儲(chǔ)能量傳送到儲(chǔ)能元件起到了箝位、去除、降低或基本消除一個(gè)附加電壓的作用，否則該附加電壓會(huì)引起高的峰值電壓應(yīng)力。
該控制組件或緩沖器最好與呈現(xiàn)反向恢復(fù)的功率變換器元件串聯(lián)布置或與該元件直接連接。這個(gè)功率變換器元件可以是一個(gè)二極管。
本發(fā)明有利地在一個(gè)功率變換器中加入了一個(gè)或多個(gè)組件，這些組件可以是電感、電容、二極管、電阻，或以上這些的組合，這些組件在開(kāi)關(guān)裝置接通時(shí)能起到基本限制或降低通過(guò)該開(kāi)關(guān)裝置的電流的上升速率，和/或在開(kāi)關(guān)裝置斷開(kāi)時(shí)限制或降低在開(kāi)關(guān)裝置兩端的電壓的上升速率。與以前的技術(shù)中發(fā)生的情況不同，現(xiàn)在的限制作用基本不需要通過(guò)消耗存儲(chǔ)在限制元件中的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，所存儲(chǔ)的能量反而能通過(guò)與該變換器有關(guān)的儲(chǔ)能裝置的連接來(lái)回收。部分或基本上所有存儲(chǔ)能量的回收使得一個(gè)采用了本發(fā)明的功率變換器的效率能得到提高。因?yàn)閷⑺鎯?chǔ)的能量回收到存儲(chǔ)元件中，故組成緩沖器的元件和/或緩沖器本身可以認(rèn)為是基本上無(wú)耗散或無(wú)損耗的。
本發(fā)明提供在一個(gè)功率變換器中，沿著一個(gè)回路包括一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置，一個(gè)呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管，和一個(gè)用于控制電流的上升速率的裝置，其改進(jìn)措施包括將該控制裝置與一個(gè)儲(chǔ)能裝置相連接。
這種連接，在一種形式上，可以認(rèn)為是直接的，并用一個(gè)二極管或其它合適的元件實(shí)現(xiàn)。
具有更進(jìn)一步特性的電流和電壓緩沖器組合可以通過(guò)向上面公開(kāi)的(僅)電流緩沖器的實(shí)施例中補(bǔ)充至少一個(gè)額外的電容元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
該附加電容裝置用在電壓組緩沖中。增加一個(gè)電容能實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器開(kāi)關(guān)裝置兩端的電壓的上升速率進(jìn)行控制或限制作用。電流緩沖器以及電流和電壓緩沖器兩者都利用了上面公開(kāi)的比較直接的連接的特征。開(kāi)關(guān)裝置兩端的電壓上升速率的附加控制或限制可以通過(guò)電容元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用(僅)電流緩沖器中的直接連接來(lái)回收存儲(chǔ)于電容元件中的能量。將這兩個(gè)基本上無(wú)損耗的緩沖器組合進(jìn)一個(gè)電路中就解決了上面提出的問(wèn)題，而且比起現(xiàn)有技術(shù)的解決辦法來(lái)，只用了較少的組件。本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例說(shuō)明這個(gè)電流和電壓組合緩沖器。
由于直接連接特征，所以與現(xiàn)有技術(shù)的非耗散電流緩沖器電路相比，在本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)相對(duì)減少的或受到限制的峰值電壓應(yīng)力，從而有較低電壓和/或較高效率的開(kāi)關(guān)裝置。因?yàn)樵诟鶕?jù)本發(fā)明的電路中使用的組件數(shù)目減少了，因此還可以滿(mǎn)足節(jié)省成本的要求。
本發(fā)明還提供了一種改進(jìn)的，用于在一個(gè)功率變換器中在二極管反向恢復(fù)期間控制電流變化速率的電流緩沖器電路，該電路包括以與在該功率變換器中已有的具有反向恢復(fù)的二極管相串聯(lián)的形式插入的一個(gè)電感元件，以這樣的方式，通過(guò)在該已有二極管的一端和該電感元件的一端之間直接相連的這樣一個(gè)電感元件就可以在反向恢復(fù)過(guò)程中限制二極管電流的變化速率；在該電感元件和已有的二極管的串聯(lián)連接的兩個(gè)外部端之間連接兩個(gè)本身串聯(lián)的二極管，從而以相同的極性形成了一條可交替的或并行的電流通路；以及在這兩個(gè)串聯(lián)二極管的連接點(diǎn)和該電感元件與已有二極管的連接點(diǎn)之間連接的一個(gè)電容元件，以便于在反向恢復(fù)結(jié)束后接收從該電感元件經(jīng)過(guò)該互連二極管而來(lái)的能量，同時(shí)便于在該已有二極管重新導(dǎo)通前通過(guò)兩個(gè)二極管將能量回送到該功率變換器。
下面參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
在每幅圖中，緩沖器的元件以粗線畫(huà)出，而反向恢復(fù)電流的路徑以一個(gè)箭頭表示。
圖1和圖2表示的是應(yīng)用于增壓變換器的現(xiàn)有技術(shù)電路結(jié)構(gòu)；圖3示出一個(gè)具有基本無(wú)損耗電流緩沖器的增壓電路；圖4表示圖3電路的時(shí)序波形圖；圖5a是一個(gè)根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例，包括了一個(gè)基本無(wú)損耗電流和電壓緩沖器的增壓電路。該實(shí)施例實(shí)質(zhì)上使用了一個(gè)附加電容，從而在圖3的緩沖器基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了電壓緩沖作用；圖5b表示了一個(gè)包括一個(gè)圖5a的基本無(wú)損耗電流和電壓緩沖器的增壓電路，其中插入了一個(gè)附加二極管以防止在部分開(kāi)關(guān)周期中出現(xiàn)連續(xù)振蕩(ringing)。
圖5c表示了一個(gè)包括一個(gè)圖5b的基本無(wú)損耗電流和電壓緩沖器的增壓電路，其中增加了幾個(gè)二極管以減少該緩沖器的導(dǎo)通損耗；圖6表示與圖5a電路有關(guān)的波形；圖7表示了一個(gè)具有另一類(lèi)基本無(wú)損耗電流和電壓緩沖器的增壓電路。與圖5b相比，該電路增加了一些其它部件以提高所示電路在不同的和非理想的操作條件下的性能；以及圖8至圖15表示了本發(fā)明不受限制地應(yīng)用于其它形式的功率變換器中的一些實(shí)施例。
為了簡(jiǎn)化對(duì)電路運(yùn)行的說(shuō)明，假設(shè)二極管的正向電壓降以及電源開(kāi)關(guān)SWB兩端的閉合電壓降可以被忽略。另外，一些二階和三階效應(yīng)，例如，當(dāng)二極管停止導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)的一些振蕩，不在圖4和圖6所示的工作波形中表示出來(lái)。其中的開(kāi)關(guān)可以是任何形式的接觸式開(kāi)關(guān)或電子開(kāi)關(guān)，例如一個(gè)晶體三極管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，或這些開(kāi)關(guān)的其它組合。
參照?qǐng)D3，可以看出，電感LB，二極管DB，開(kāi)關(guān)SWB和電容CBIN及CBOUT都是通常組成一個(gè)增壓功率變換器的元件。在本發(fā)明的一種形式中，電感L1與開(kāi)關(guān)SWB串聯(lián)連接，并在接通時(shí)刻(T0)決定通過(guò)開(kāi)關(guān)SWB的電流增加速率，其中∂ISWB(TO)∂t=VOUTL1----(1)]]>因?yàn)楫?dāng)經(jīng)過(guò)SWB的電流小時(shí)，SWB兩端的電壓就迅速下降到零，所以在SWB接通過(guò)程中的功率損耗小。
在此假設(shè)當(dāng)開(kāi)關(guān)SWB閉合時(shí)，電流IIN經(jīng)過(guò)DB流往負(fù)載。如圖4所示，當(dāng)通過(guò)L1的電流IL1逐漸增加時(shí)，相應(yīng)的通過(guò)DB的電流就會(huì)減少，最后到T1時(shí)刻成為零，然后，由于DB的反向恢復(fù)，該電流進(jìn)一步減少到時(shí)刻T2時(shí)的一個(gè)負(fù)值IR。
在這一時(shí)刻，DB回復(fù)到一個(gè)高阻抗?fàn)顟B(tài)(復(fù)原)，同時(shí)電壓V1和V2如圖4所示下降。
因?yàn)榇藭r(shí)流過(guò)L1的電流是IB加IIN，而流經(jīng)LB的電流仍為IIN(假設(shè)LB＞L1)，所以流經(jīng)L1的超量電流IR，開(kāi)始在由D1、C1和L1形成的回路中流動(dòng)，并如圖4所示，在T2時(shí)刻和T3時(shí)刻之間諧振衰減到基本為零。
在這段時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)在L1中的超量能量EXL1(T2)就轉(zhuǎn)移到了C1中，在此EXL1(T2)=12L1[(IIN+IR)2-IIN2]----(2)]]>和EC1(T3)=12C1V1(T3)2----(3)]]>因此V1(T3)L1C1·(2IINIR+IR2)≡VE----(4)]]>EC1(T3)是T3時(shí)刻存儲(chǔ)在C1中的能量，VE是T3時(shí)刻C1上的電壓。
以上公式?jīng)]有計(jì)及L1、D1和C1中的有限的能量損失，因此，實(shí)際上VE值將比(4)式中給出的值小。
當(dāng)(T4時(shí)刻)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)SWB自身的電流減少速率加上該開(kāi)關(guān)和其它部件的總電容以及雜散電容共同限制了該開(kāi)關(guān)兩端電壓的最初上升速率。
當(dāng)電壓V2達(dá)到一個(gè)值VOUT時(shí)，D2將傳導(dǎo)電流IIN。一開(kāi)始，電流IIN流經(jīng)L1和D1到D2，但由于在這一時(shí)刻點(diǎn)，L1上有一個(gè)電壓-VE，所以流經(jīng)L1的電流將開(kāi)始衰減。電流IL1和IIN之間的差值將流過(guò)C1，從而降低C1上的電壓，直到T5時(shí)刻，L1中幾乎所有的能量都轉(zhuǎn)移到了C1中，因此這時(shí)流過(guò)C1的電流為IIN，經(jīng)過(guò)D1的電流幾乎為零，而C1上的電壓基本為VE1。然后，C1中的恒定電流以下式給出的恒定速率放電∂V1∂t=IINC1----(5)]]>當(dāng)(T6時(shí)刻)C1基本上放完電時(shí)，DB導(dǎo)通，該緩沖器準(zhǔn)備進(jìn)入一個(gè)新的周期。
在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，可以看出，由于提供了在開(kāi)關(guān)SWB和儲(chǔ)能元件CB之間的幾乎是直接連接的結(jié)構(gòu)，所以1.在SWB兩端出現(xiàn)的最高電壓基本上等于VOUT，2.在DB兩端出現(xiàn)的最大電壓基本上為VOUT＋VE，3.在D2和D1兩端的最高電壓基本為VOUT，4.SWB的接通切換損失小，這是因?yàn)镾WB兩端的電壓在通過(guò)該開(kāi)關(guān)的電流上升到其最大值以前就迅速衰減到了幾乎為零，以及5.由于一個(gè)較小并受到控制的dI/dt，二極管DB的反向恢復(fù)電流的強(qiáng)度(snappiness)和峰值都基本上被減小了。
圖5a表示了本發(fā)明的另一種形式，這種形式中，在圖3所示電路的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)電容C2，以便在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)獲得一個(gè)電源開(kāi)關(guān)SWB兩端電壓的受控制的上升速率。
參照?qǐng)D6，該圖表示了在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的不同階段的各種波形。起始點(diǎn)的狀態(tài)是電流IIN經(jīng)過(guò)DB流向負(fù)載。流經(jīng)L1、D1、D2和SWB的電流如同C1兩端的電壓一樣，幾乎為零。C2上的電壓V2近似等于VOUT。進(jìn)一步假設(shè)C1＞C2；例如，C1＝10C2。
當(dāng)T0時(shí)刻SWB接通時(shí)，經(jīng)過(guò)該開(kāi)關(guān)的電流將以一個(gè)受控制或受限制的速率開(kāi)始從零上升，該速率由下式給定∂IL1(TO)∂t=VOUTL1----(6)]]>因?yàn)镾WB兩端的電壓迅速降低到零，故其接通功率損耗很小。
流經(jīng)DB的電流在T1時(shí)刻線性降低到基本上為零，并繼續(xù)減小直到在T2時(shí)刻有反向恢復(fù)電流IR流過(guò)。
當(dāng)DB在T2時(shí)刻截止后，電壓V1和V2開(kāi)始衰減，這就開(kāi)始了C2基本上趨向零伏特的放電過(guò)程。
引起C2放電的電流近似等于IIN和IL1之間的差值，該差值開(kāi)始時(shí)基本上等于反向恢復(fù)電流IR，但在T2到T3時(shí)間段內(nèi)，由于加在L1兩端的正電壓V1引起了流經(jīng)L1電流的增加，因此該差值也增加到了一個(gè)更高的值。在T3時(shí)刻，V1是零伏特，但由于C1在這期間得到電荷，故電壓V2為正的電壓。
從T3時(shí)刻到T4時(shí)刻，L1上的電壓變?yōu)樨?fù)值，因此流過(guò)L1的電流開(kāi)始減少。不過(guò)，流經(jīng)C2和C1的凈電流仍等于IIN和IL1之間的差值。V1(T4)=VOUTC2C1----(7)]]>在T4時(shí)刻，C2上的電壓(V2)基本上剛小于零，則D1開(kāi)始導(dǎo)通，從而箝制了V2近似為零伏特(忽略SWB上的正向電壓和D1的電壓降)。
在T4和T5時(shí)刻間，產(chǎn)生了一個(gè)諧振1/4周期的振蕩(ring)，在這期間，由于DB的反向恢復(fù)和C2的放電，存儲(chǔ)在L1中的額外的能量被轉(zhuǎn)送到C1，從而電壓V1由下式給出V1(T5)=C2VOUT2C1+L1(IR2+2IRIIN)C1≡VE----(8)]]>通過(guò)觀察上式可知，即使IR＝0，VE(即V1(T5))仍然具有一個(gè)正的并有限的值，這保證了在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)“復(fù)位”L1。
在T5時(shí)刻，二極管D1截止。電容C2的存在防止了電壓V1在該時(shí)刻點(diǎn)立即回復(fù)為零，象在電流(僅)緩沖器中發(fā)生的那樣，而是在部件L1、C1和C2之間產(chǎn)生了一個(gè)連續(xù)的振蕩。該振蕩從振幅看很小，但它確實(shí)對(duì)該緩沖器的運(yùn)作有影響。在圖5b中提出了一個(gè)旨在消除這種振蕩的對(duì)該緩沖器的改進(jìn)。
在T6時(shí)刻，開(kāi)關(guān)SWB斷開(kāi)。此時(shí)，電壓V2值落在0V到2倍VE的范圍內(nèi)，具體數(shù)值取決于其中斷開(kāi)發(fā)生的諧振周期的部分。假定C1＞＞C2，則諧振電壓的大部分將出現(xiàn)在C1兩端，而C2兩端的電壓將保持在接近VE。如圖6所示，如果V2在T6時(shí)刻處于0V，則電路運(yùn)作將如下當(dāng)SWB在T6時(shí)刻斷開(kāi)時(shí)，流經(jīng)L1的電流IB將流過(guò)D1和C2，從而引起SWB兩端的電壓以下式給出的速率從零開(kāi)始上升∂VSWB(T6)∂t=IINC2----(9)]]>因?yàn)镾WB中的電流迅速降低到基本上為零，故其斷開(kāi)功率損耗很小。
在T6時(shí)刻，如果V2不是處于0V，那么SWB兩端的電壓將不是從零開(kāi)始上升，相應(yīng)地，在斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)中的功率損耗將不象前面所說(shuō)的那樣小。從T6到T7間的時(shí)間間隔將隨著V2(T6)的增加而變短。其中極端的情況出現(xiàn)在當(dāng)V2(T6)為二倍VE時(shí)，但應(yīng)該注意到，因?yàn)閂E只是VOUT的一個(gè)小分量(假設(shè)C1＞＞C2)，故該緩沖器在性能上的降低與其最佳情況相比是次要的。
在T7時(shí)刻，D2也變成正向偏置，從而箝制開(kāi)關(guān)電壓和C2的電壓為VOUT，即輸出電壓。在這一時(shí)刻點(diǎn)，電流開(kāi)始在由L1、D1和C1組成的回路中流動(dòng)，并且C2的電流降到零。此時(shí)，L1兩端的電壓是-VE，所以其中的電流開(kāi)始從其值IIN下降。在T7和T8時(shí)刻之間，IIN和流經(jīng)L1的電流間的逐漸增加的差值電流C1流出，并開(kāi)始使其放電，如圖8所示。
在T8時(shí)刻，D1截止，并且L1完全復(fù)原，流經(jīng)它的電流為零。如果C1兩端的電壓仍不為零，則經(jīng)過(guò)C1、D2的電流IIN將繼續(xù)使C1放電，直到時(shí)刻T9，C1的電壓為零，而DB從此處于正向偏置而導(dǎo)通電流IIN。在這一時(shí)刻，L1和C1都復(fù)原，該電路準(zhǔn)備好進(jìn)入一個(gè)新的周期。
由于L1和SWB的連接點(diǎn)，經(jīng)過(guò)D1和D2，與儲(chǔ)能元件CBOUT之間，以及C2，經(jīng)過(guò)D2與儲(chǔ)能元件CBOUT之間有比較直接的連接，使得這個(gè)實(shí)施例具有以下一些優(yōu)點(diǎn)1.SWB上的最大電壓基本上為VOUT，2.主要的升壓二極管DB上的最大反向電壓基本上為VOUT＋VE，并且基本上由IR、L1、C1和C2的相對(duì)值很好地限定，3.通過(guò)SWB的電流的最大上升速率基本上被L1和VOUT很好地確定，并且其閉合功率損耗和應(yīng)力都很小，4.SWB兩端的電壓的最大上升速率基本上被C2和IIN很好地確定，并且其斷開(kāi)功率損失和應(yīng)力都很小，5.在開(kāi)關(guān)周期中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流和電壓的上升速率進(jìn)行控制而存儲(chǔ)在L1和C2中的能量基本上都被回送到了電源輸出，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基本無(wú)損耗的操作。
本發(fā)明的另一種形式如圖5b所示，其中，一個(gè)二極管D3加入圖5a的電器中，以便減少在電容C1和C2串聯(lián)組合與電感L1之間的振蕩(oscillation)，否則該振蕩將在圖6所示的T5時(shí)刻后產(chǎn)生。該振蕩的減少使得能夠更準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)該緩沖器元件在T6時(shí)刻的狀態(tài)，從而使該緩沖器的運(yùn)作更加穩(wěn)定。由于在T6時(shí)刻電容C2上的電壓始終接近于零，因此開(kāi)關(guān)上的功率損耗情況得到了改善。不過(guò)，D3上的額外導(dǎo)通損耗會(huì)引起一個(gè)附加損耗。
本發(fā)明的另一種形式如圖5c所示，其中，兩個(gè)二極管D4和D5加到圖5b的電路中，以便避免二極管D3上的電壓降給圖5a的電路帶來(lái)的附加損耗。增加兩個(gè)二極管中的任一個(gè)或增加兩個(gè)要取決于所期望的效率提高程度。
本發(fā)明的另一種形式如圖7所示，其中，幾個(gè)元件加到圖5b所示的電路中，以便在非理想環(huán)境下使用時(shí)改善本發(fā)明的功效。
加入R1是為了抑制分別發(fā)生在T5和T7時(shí)刻的諧波振蕩(圖6)，加入R2和C3是為了基本上抑制發(fā)生在T2時(shí)刻的振蕩(圖6)，而加入E1(齊納二極管)是為了在輕負(fù)載時(shí)當(dāng)LB中的電流不連續(xù)時(shí)，基本上防止在C1上形成過(guò)度的電壓增加。
圖8以四種不同的布置表示了應(yīng)用于增壓變換器的電流緩沖器。每一布置就電流緩沖而論會(huì)得出相似的結(jié)果，但卻對(duì)各元件提出了稍有不同的要求。例如，對(duì)于在(1)中的緩沖器扼流線圈L1的峰值電流要求就要高于在(2)—(4)中的同樣元件，因?yàn)樗仨毘休d輸入電流外加增壓二極管DB的反向恢復(fù)電流，而在(2)—(4)中，它只要承載輸入電流或反向恢復(fù)電流中的一個(gè)，但不必同時(shí)承載兩者。不同的元件要求的其它方面留待感興趣的讀者去深入研究，不過(guò)值得注意的是，布置(4)是不實(shí)用的，因?yàn)樗鼤?huì)在輸出端產(chǎn)生電壓尖脈沖。
然而要注意，在每種情況下，該增壓變換器的開(kāi)關(guān)和二極管上的最大電壓都由于與該增壓變換器的輸出電容有直接二極管連接而受到限制。
圖9同樣以四種不同的布置表示了應(yīng)用于降壓(BUCK)變換器的電流緩沖器。每一種布置同樣會(huì)得出一個(gè)相似的電流緩沖的結(jié)果，并且同樣對(duì)各元件提出了稍有不同的要求。不過(guò)，不同于在增壓變換器中的應(yīng)用，這里的所有四種布置都是實(shí)用的。
在每一種情況下，該降壓變換器的開(kāi)關(guān)和二極管上的最大電壓都由于至輸入電容的直接二極管連接而受到限制。
圖10表示應(yīng)用于一些普通變換器，即降壓—增壓、Cuk、Sepic和Zeta變換器中的電流緩沖器。盡管每一幅示意圖僅表示一種變形，其實(shí)與上面給出的例子相似，這些變換器的每一種都有四種緩沖器變形。在每一個(gè)例子中，反向恢復(fù)電流的路徑都用一個(gè)箭頭表示。
在這些變換器中的電流緩沖器都與不同的儲(chǔ)能電容有直接二極管連接—降壓—增壓變換器有與輸出電容的直接相連，Cuk變換器有與中間電容的連接，Sepic和Zeta變換器分另連接中間電容和輸出與輸入電容。
圖11表示應(yīng)用于一些普通雙向變換器的電流緩沖器。其中每個(gè)有根據(jù)電力在電路中流動(dòng)的方式的交替的反向恢復(fù)電流路徑。
根據(jù)電力流動(dòng)的方向，通常兩個(gè)電流緩沖器中只有一個(gè)起作用。其中不起作用的緩沖器將不會(huì)傳送能量，這是因?yàn)樗彌_的二極管不承載電流。
圖12表示應(yīng)用于一些普通隔離變換器，如逆向(flyback)式、前向式和隔離Cuk式中的電流緩沖器。在每種情況下，其隔離變壓器的漏電感提供了一定程度的電流緩沖。不過(guò)，在這種方法不足以保證的應(yīng)用中，電流緩沖器將是有用的。
隔離變壓器的漏電感折衷了二極管連接的直接性，但由于在緩沖電感周?chē)闹苯佣O管連接，該緩沖器電感對(duì)變換器開(kāi)關(guān)和二極管的電壓應(yīng)力的貢獻(xiàn)極小。
圖13表示應(yīng)用于一些隔離變換器次級(jí)繞組的電流緩沖器。這里沒(méi)有表示出初級(jí)繞組，但其可以是半橋式、橋式或推挽式電路，起到饋送電流或饋送電壓逆變器的作用。如上文說(shuō)明的隔離變換器一樣，隔離變壓器的漏電感提供了一定程度的電流緩沖。在這種方法不足以保證的應(yīng)用中，電流緩沖器將是有用的。注意，在某些布置中，通過(guò)往緩沖器中加入第三個(gè)二極管，就可以使用一個(gè)電流緩沖器來(lái)緩沖兩個(gè)已有的二極管—這樣的可能性是因?yàn)楦鶕?jù)變壓器輸出的極性，兩個(gè)已有的二極管中只有一個(gè)在進(jìn)行恢復(fù)。
圖14以六種不同的布置表示圖5a所示的應(yīng)用于增壓變換器的電流和電壓緩沖器。在每一種情況下，一個(gè)附加電容與該變換器的開(kāi)關(guān)裝置的兩端耦聯(lián)，這種耦聯(lián)可以是如(1)和(4)中的直接連接，也可以是如(2)和(5)中的通過(guò)輸出電容連接，或如(3)和(6)中的通過(guò)輸入電容連接。正如在電流(僅)緩沖器中的情況一樣，這些不同布置就電流和電壓緩沖功能而論會(huì)得出相似的結(jié)果，但卻對(duì)各元件提出了稍有不同的要求。
圖15表示了應(yīng)用于各種不同變換器中的電流和電壓緩沖器。這些只是從變揣器中選出的一小部分，而且每一個(gè)也只表示了圖5a的電流和電壓緩沖器的很多可能實(shí)現(xiàn)中的一種。圖5b、5c和圖7中的附加元件可以應(yīng)用于每一個(gè)變換器的所有圖5a緩沖器的實(shí)現(xiàn)中。在隔離變換器中，隔離變壓器的漏電感會(huì)減弱電壓緩沖電容的效果，因?yàn)樵撀╇姼薪档土嗽撾娙菖c開(kāi)關(guān)裝置間連接的緊密程度。與在類(lèi)似非隔離變換器中發(fā)生的情況相比，對(duì)這種效果的減弱會(huì)引起一個(gè)較小但仍可取的效率提高。
盡管已經(jīng)說(shuō)明了很多個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明的應(yīng)用于一個(gè)電流緩沖器或一個(gè)電流和電壓緩沖器特征，即與一個(gè)儲(chǔ)能元件相連，可以應(yīng)用于任何一種功率變換器。
權(quán)利要求
1.在一個(gè)功率變換器中，沿著一個(gè)回路，包括一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置，一個(gè)呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管，和一個(gè)用于控制電流上升速率的裝置，其改進(jìn)包括將該控制裝置與一個(gè)儲(chǔ)能裝置相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的改進(jìn)，其中，該控制裝置是與呈現(xiàn)反向恢復(fù)的二極管直接相連的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的改進(jìn)，其中，該回路主要由一個(gè)反向恢復(fù)電流的流動(dòng)路經(jīng)決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的改進(jìn)，其中，該控制裝置是附加到該功率變換器的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任何一項(xiàng)的改進(jìn)，其中的連接是基本上直接的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5的任何一項(xiàng)的改進(jìn)，其中，該連接是通過(guò)二極管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6的任何一項(xiàng)的改進(jìn)，該控制裝置是一個(gè)電感元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7的任何一項(xiàng)的改進(jìn)，其中，該儲(chǔ)能元件與該功率變換器的輸入相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到7的任何一項(xiàng)的改進(jìn)，其中該儲(chǔ)能元件與該功率變器的輸出相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9的任何一項(xiàng)的改進(jìn)，其中至少一個(gè)二極管互連著該控制裝置和該儲(chǔ)能元件。
11.一種電流緩沖器，包括根據(jù)權(quán)利要求1到10的任何一項(xiàng)中的改進(jìn)。
12.一種功率變換器，包括一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1到11的任何一項(xiàng)中的電流緩沖器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的功率變換器，可以是降壓變換器、增壓變換器、Cuk變換器、降壓—增壓變換器、Sepic變換器、Zeta變換器、前向變換器，逆向變換器、隔離Cuk變換器中的任何一種。
14.一種電壓和電流緩沖器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至10的任何一項(xiàng)中的改進(jìn)。
15.一個(gè)在功率變換器中在二極管反向恢復(fù)期間用來(lái)控制電流變化速率的改進(jìn)的電流緩沖器電路，包括以與在該功率變換器中已有的具有反向恢復(fù)的二極管相串聯(lián)的形式插入的一個(gè)電感元件，用這樣一種方法，通過(guò)在該已有二極管的一端和該電感元件的一端之間直接相連的這樣一個(gè)電感元件就可以在反向恢復(fù)過(guò)程中限制二極管電流的變化速率；在該電感元件和已有的二極管的串聯(lián)的兩個(gè)外部端之間連接的兩個(gè)自身串聯(lián)的二極管，從而以相同的極性形成了一條可交替的或并行的電流通路；在這兩個(gè)串聯(lián)二極管的連接點(diǎn)和該電感元件與已有二極管的連接點(diǎn)之間連接的一個(gè)電容元件，以便在反向恢復(fù)結(jié)束后接收從該電感元件經(jīng)過(guò)互連二極管而來(lái)的能量，并且以便在該已有二極管重新導(dǎo)通前通過(guò)兩個(gè)二極管將該能量回送到該功率變換器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的電流緩沖器，其中，在串聯(lián)二極管的連接點(diǎn)和一個(gè)特定點(diǎn)間放置一個(gè)附加電容，該特定點(diǎn)使該電容有效地連接在該功率變換器的開(kāi)關(guān)裝置兩端，這樣，所述的電容限制了該變換器開(kāi)關(guān)裝置斷開(kāi)時(shí)其兩端的電壓的變化速率，從而提供了一個(gè)附加電壓緩沖功能。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的電流緩沖器，其中，在電壓緩沖電容和電流緩沖器的電容之間放置一個(gè)附加二極管，以便抑制在這兩個(gè)電容和該電感元件之間的振蕩。
18.根據(jù)權(quán)利要求17中的組合電流和電壓緩沖器，其中，以與上述的一個(gè)或兩個(gè)串聯(lián)二極管對(duì)并聯(lián)的方式放置一個(gè)或兩個(gè)附加二極管，以便提供對(duì)這些二極管承載電流的較小的電壓降，從而提高該電路的效率。
19.在此公開(kāi)的一種電流緩沖器。
20.在此公開(kāi)的一種電流和電壓緩沖器。
全文摘要
用于一個(gè)功率變換器的一個(gè)基本無(wú)損耗的電流緩沖器和一個(gè)基本無(wú)損耗的電流和電壓緩沖器。在電流緩沖器的一種形式中，其電路包括一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置(SW
文檔編號(hào)H03K17/0814GK1120875SQ94191700
公開(kāi)日1996年4月17日 申請(qǐng)日期1994年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月6日
發(fā)明者尼格爾·查爾斯·馬辛 申請(qǐng)人:整流器技術(shù)太平洋Pty公司