專利名稱：三電平直流變換器的輸入級電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種直流變換器，且特別是關(guān)于一種三電平直流變換器的輸入級電路的發(fā)明。
背景技術(shù)：
具備零電壓開關(guān)(zero voltage switching，簡稱為ZVS)的三電平直流變換器在高電壓和高功率的領(lǐng)域有很多應(yīng)用，例如電信系統(tǒng)、電池充電器、以及不間斷電源等等。其優(yōu)點為低損耗與高效率。
圖1表示的是典型的三電平直流變換器，可分為輸入級電路101、變壓器T、與輸出級電路102三部分。其中輸入級電路101連接于變壓器T的一次側(cè)，包括輸入電壓Vin、分壓電容器C1與C2、續(xù)流二極管D1與D2、加速電容器C3、作為開關(guān)裝置使用的四個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(簡稱為MOSFET)Qa、Qb、Qc、Qd、以及諧振電感器Lg。而輸出級電路102則連接于變壓器T的二次側(cè)，包括整流二極管D3與D4組成的輸出整流電路，以及濾波電容器Co與濾波電感器Lo組成的輸出濾波電路。
簡單地說，三電平直流變換器的原理，主要是利用Qa至Qd這四個開關(guān)裝置，來回切換通過變壓器T的一次側(cè)的電流方向，讓一次側(cè)的直流電成為交流電，然后通過輸出整流電路，讓二次側(cè)輸出的交流電恢復(fù)為直流電，藉以轉(zhuǎn)換直流電壓。而Qa至Qd這四個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的開關(guān)時機，可用UCC3875或UCC3895之類的移相全橋控制芯片(圖中未表示出)所輸出的驅(qū)動信號來控制。
正常工作狀態(tài)下，加速電容器C3的電壓應(yīng)該維持在輸入電壓Vin的1/2。然而在開環(huán)控制，或者閉環(huán)控制加上輕負載或空負載的情況下，加速電容器C3的電壓往往大于1/2Vin。例如輸入電壓Vin為400伏時，加速電容器C3的電壓可能高達250伏。
在開環(huán)控制下，造成加速電容器C3電壓偏高的原因是控制芯片的驅(qū)動信號出現(xiàn)移相超過100％的狀況，如圖2所示。其中Vgs為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的柵極-源極電壓，Vab為圖1當中a、b兩點之間的電壓，ip為圖1當中通過諧振電感器Lg的電流，Vds為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的漏極源極電壓。從圖2可看出，超前臂Qd和Qc的驅(qū)動信號已經(jīng)落后于滯后臂Qa和Qb的驅(qū)動信號，在這種情況下，其實相當于Qa和Qb變成超前臂了。為進一步說明，下面是幾個重要時間點發(fā)生的事件。
在t0至t1的時段，Qa和Qd導(dǎo)通，a、b之間承受正向電壓。
在t1至t2的時段，Qa先于Qd關(guān)斷，變壓器T的原邊電流通過加速電容器C3進行換流，加速電容器C3充電。
在t2至t3的時段，Qd關(guān)斷后，Qd和Qa的寄生電容充電，Qc的寄生電容放電，加速電容器C3還是充電。
在t4至t5的時段，Qd和Qa承受的電壓總和上升至等于輸入電壓Vin，Qc和Qb的電壓為零，加速電容器C3充電。
在t5至t6的時段，Qb開始導(dǎo)通，變壓器T的電流向電源釋放能量。
在t6之后，Qc開始導(dǎo)通，變壓器T承受反向電壓。
由以上說明可以看出，在整個電流切換的過程中，加速電容器C3總是處于充電狀態(tài)，因此造成其電壓偏高，而且無法通過續(xù)流二極管D1向電源釋放。
在輕負載和空負載的情況下，加速電容器C3的電壓偏高是因為充電和放電不平衡所造成。圖3A表示加速電容器C3的充電等效電路，而圖3B表示加速電容器C3的放電等效電路。從圖3A與3B可看出兩個等效電路的參數(shù)并不一致，往往是滯后臂的寄生電容小于超前臂，這樣會造成充電電荷大于放電電荷，使加速電容器C3的電壓偏高。
因為加速電容器C3的電壓偏高，從而使金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管承受的電壓失衡，嚴重時會導(dǎo)致晶體管崩潰，使電路損壞無法工作。有一種解決方法是用電阻或瞬態(tài)電壓抑制器(transient voltage suppressor，簡稱為TVS)并聯(lián)于加速電容器C3上，如此C3的電壓就可維持在1/2Vin。然而電阻會消耗能量，而且電阻大小不容易決定，如果太小或太大，會影響電路正常工作，甚至使其無法工作。如果使用瞬態(tài)電壓抑制器，缺點是當加速電容器C3的電壓高于瞬態(tài)電壓抑制器的穩(wěn)壓值時，瞬態(tài)電壓抑制器會瞬間崩潰產(chǎn)生大電流，影響電路正常工作，而且放電的能量也會完全消耗在瞬態(tài)電壓抑制器。
因此，我們需要更好的方法，以解決加速電容器C3的電壓偏高的問題，同時避免已有技術(shù)的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三電平直流變換器的輸入級電路，以解決加速電容器電壓偏高的問題，同時具有不影響電路正常工作與放電時不損耗能量的優(yōu)點。
為達成上述及其它目的，本發(fā)明提出一種三電平直流變換器的輸入級電路，耦接于變壓器之一次側(cè)，包括正輸入級與負輸入級，以連接輸入電壓；第一開關(guān)模塊，耦接于正輸入級與一次側(cè)之第一末端之間，控制輸入電壓與變壓器之問之導(dǎo)通與關(guān)斷；第二開關(guān)模塊，耦接于負輸入級與一次側(cè)之第一末端之間，控制輸入電壓與變壓器之間之導(dǎo)通與關(guān)斷；第一分壓電容器，耦接于正輸入級與一次側(cè)之第二末端之間；第二分壓電容器，耦接于負輸入級與一次側(cè)之第二末端之間；加速電容器，耦接于第一開關(guān)模塊與第二開關(guān)模塊之間；一對續(xù)流二極管，分別耦接于加速電容器之兩端與一次側(cè)之第二末端之間，其中上述之一次側(cè)之第二末端耦接于第一分壓電容器與第二分壓電容器；以及放電模塊，耦接于加速電容器與上述之一次側(cè)之第二末端之間，使加速電容器放電。
依照本發(fā)明的較佳實施例所述，上述之三電平直流變換器的輸入級電路系采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管所組成之放電模塊使加速電容器放電，不但使加速電容器之電壓穩(wěn)定維持在正常值，而且不損耗能量，也不影響電路正常運作，因此足以解決已有技術(shù)的加速電容器電壓偏高問題，同時避免先前解決方案的諸多缺點。
為讓本發(fā)明之上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。


圖1為已有技術(shù)的三電平直流變換器電路圖。
圖2為已有技術(shù)中，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動信號移相超過100％時的相關(guān)信號時序圖。
圖3A為已有技術(shù)的三電平直流變換器當中，加速電容器的充電等效電路圖。
圖3B為已有技術(shù)的三電平直流變換器當中，加速電容器的放電等效電路圖。
圖4為包含本發(fā)明的一實施例的三電平直流變換器主要結(jié)構(gòu)圖。
圖5為包含本發(fā)明的一實施例的三電平直流變換器電路圖。
圖6為本發(fā)明的一實施例當中，放電模塊所包含的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動信號圖。
圖7至圖14為包含本發(fā)明的另外八個實施例的三電平直流變換器電路圖。
主要元件符號說明101已有技術(shù)之三電平直流變換器的輸入級電路102三電平直流變換器的輸出級電路401本發(fā)明之三電平直流變換器的輸入級電路402、403開關(guān)模塊404放電模塊a、b電平測量點C1、C2分壓電容器C3加速電容器C4鉗位電容器Co濾波電容器D1、D2續(xù)流二極管D3、D4整流二極管
Dc1、Dc2鉗位二極管E1變壓器之一次側(cè)之第一末端E2變壓器之一次側(cè)之第二末端I1正輸入級I2負輸入級ip流信號Lg諧振電感器Lo濾波電感器Qa、Qaux、Qaux1、Qaux2、Qb、Qc、Qd金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管T變壓器t時間軸t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6時間點Vab、Vds、Vgs、VgsQaux、VgsQc電壓信號Vin輸入電壓
具體實施例方式
下面以一實施例，說明本發(fā)明提出的三電平直流變換器的輸入級電路。
圖4為包含本實施例的三電平直流變換器的主要結(jié)構(gòu)圖，其中變壓器T的左邊為一次側(cè)，連接本實施例的輸入級電路401，變壓器T的右邊為二次側(cè)，連接與圖1相同的輸出級電路102。
輸入級電路401包含許多組件，首先有正輸入級I1與負輸入級I2，用來連接輸入電壓Vin。開關(guān)模塊402耦接于正輸入級I1與一次側(cè)之第一末端E1之間，開關(guān)模塊403則耦接于負輸入級I2與一次側(cè)之第一末端E1之間，兩個開關(guān)模塊都是控制輸入電壓Vin與變壓器T之間的導(dǎo)通與關(guān)斷。然后，分壓電容器C1耦接于正輸入級I1與一次側(cè)之第二末端E2之間，分壓電容器C2則耦接于負輸入級I2與一次側(cè)之第二末端E2之間，它們的作用是均分輸入電壓Vin。加速電容器C3耦接于開關(guān)模塊402與開關(guān)模塊403之間。續(xù)流二極管D1與D2分別耦接于加速電容器C3的兩端與一次側(cè)之第二末端E2之間。最后，放電模塊404耦接于加速電容器C3與一次側(cè)之第二末端E2之間，使加速電容器C3放電。
本實施例較為詳細的電路圖請參照圖5，其中開關(guān)模塊402包含兩個串聯(lián)的開關(guān)裝置，也就是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(簡稱為MOSFET)Qa與Qd；開關(guān)模塊403也同樣包含兩個串聯(lián)的開關(guān)裝置，也就是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管Qb與Qc。至于放電模塊404則包含金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管Qaux。其余組件的連接關(guān)系皆與圖4相同。
本實施例就是利用小功率的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管Qaux，使加速電容器C3放電，其驅(qū)動信號大致與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管Qc同步。只是Qaux的導(dǎo)通比Qc稍慢，以達成零電壓開關(guān)(zero voltage switching，簡稱為ZVS)，至于關(guān)斷則比Qc稍微提前，以達成零電流開關(guān)(zero currentswitching，簡稱為ZCS)。Qaux與Qc的驅(qū)動信號比較請參照圖6，其中VgsQaux為Qaux的柵極-源極電壓，VgsQc為Qc的柵極源極電壓。如此加速電容器C3的能量會通過Qaux無損失地釋放到分壓電容器C2，而且控制方法簡單，性能可靠，不會影響電路中其它部分的正常工作。
本實施例的工作原理說明如下。
導(dǎo)通時Qc導(dǎo)通之后，其電壓為0伏，而Qaux承受的電壓為加速電容器C3的電壓減去分壓電容器C2的電壓。此時Qaux會導(dǎo)通，使加速電容器C3放電，將能量釋放到電源。加速電容器C3的電壓如果及時釋放到輸入電壓Vin的1/2，開關(guān)周期內(nèi)加速電容器C3不會累積過多電壓，所以Qaux承受的電壓基本上為0伏，也就是ZVS導(dǎo)通。
關(guān)斷時在Qc關(guān)斷前，功率電流從Qb與Qc流過，Qaux無電流，此時會稍微提前關(guān)斷Qaux以達成ZCS，而在Qaux關(guān)斷前，加速電容器C3的能量已經(jīng)釋放完畢。
圖7表示包含本發(fā)明另一個實施例的三電平直流變換器。這個實施例是上一個實施例的等效電路，與圖5的差別是放電模塊404所包含的Qaux移到了加速電容器C3的另一端，其余組件的連接關(guān)系相同。Qaux的同步金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管改為Qd，其余驅(qū)動方法與上一個實施例相同。圖8則表示本發(fā)明的第三個實施例，此處的放電模塊404同時采用兩個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，也就是Qaux1與Qaux2，分別對應(yīng)于圖5與圖7當中的兩個Qaux，其余組件的連接關(guān)系與圖5和圖7相同。
除了前三個實施例所依據(jù)的輸入級電路之外，也可以用原邊鉗位加以變化。以原邊鉗位變化出的三個實施例分別表示于圖9至圖11。如圖所示，所謂原邊鉗位，是在前三個實施例的輸入級電路，加上鉗位電容器C4以及鉗位二極管Dc1與Dc2。除了原邊鉗位的三個組件之外，圖5、圖7和圖8的實施例分別與圖9、圖10與圖11相同。
除了上面六個實施例以外，還可以用另一種原邊鉗位產(chǎn)生更多變化。圖12至圖14表示采用另一種原邊鉗位的三個實施例。這一種原邊鉗位和上一種原邊鉗位的差別，是去掉了鉗位電容器C4。除了鉗位二極管Dc1與Dc2之外，圖5、圖7和圖8的實施例分別與圖12、圖13與圖14相同。
依照以上的實施例所述，本發(fā)明提出的三電平直流變換器的輸入級電路系采用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管所組成之放電模塊使加速電容器放電，不但使加速電容器之電壓穩(wěn)定維持在輸入電壓的1/2，而且放電時不損耗能量，也不影響電路正常運作，因此足以解決已有技術(shù)的加速電容器電壓偏高問題，同時避免先前解決方案的諸多缺點。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通專業(yè)人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當可作些許之更動與改進，因此本發(fā)明之保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種三電平直流變換器的輸入級電路，耦接于變壓器之一次側(cè)，其特征是包括正輸入級與負輸入級，以連接輸入電壓；第一開關(guān)模塊，耦接于該正輸入級與該一次側(cè)之第一末端之間，控制該輸入電壓與該變壓器之間之導(dǎo)通與關(guān)斷；第二開關(guān)模塊，耦接于該負輸入級與該一次側(cè)之第一末端之間，控制該輸入電壓與該變壓器之間之導(dǎo)通與關(guān)斷；第一分壓電容器，耦接于該正輸入級與該一次側(cè)之第二末端之間；第二分壓電容器，耦接于該負輸入級與該一次側(cè)之第二末端之間；加速電容器，耦接于該第一開關(guān)模塊與該第二開關(guān)模塊之間；對續(xù)流二極管，分別耦接于該加速電容器之兩端與該一次側(cè)之第二末端之間；以及放電模塊，耦接于該加速電容器與該一次側(cè)之第二末端之間，使該加速電容器放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該第一開關(guān)模塊與該第二開關(guān)模塊各包含串聯(lián)之多個開關(guān)裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是每一該開關(guān)裝置為一金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該第一開關(guān)模塊包含兩個這些開關(guān)裝置，且該第二開關(guān)模塊亦包含兩個這些開關(guān)裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該放電模塊包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，耦接于該加速電容器與該一次側(cè)之第二末端之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該放電模塊包括一對金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，分別耦接于該加速電容器之兩端與該一次側(cè)之第二末端之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是還包括一對鉗位二極管，分別耦接于該加速電容器之兩端與該一次側(cè)之第一末端之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該放電模塊包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，耦接于該加速電容器與該一次側(cè)之第二末端之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該放電模塊包括一對金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，分別耦接于該加速電容器之兩端與該一次側(cè)之第二末端之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該對鉗位二極管系通過一鉗位電容器耦接于該一次側(cè)之第一末端。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該放電模塊包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，耦接于該加速電容器與該一次側(cè)之第二末端之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的三電平直流變換器的輸入級電路，其特征是該放電模塊包括一對金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，分別耦接于該加速電容器之兩端與該一次側(cè)之第二末端之間。
全文摘要
一種三電平直流變換器的輸入級電路，主要特征是利用金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，使加速電容器放電。如此不但能將加速電容器的電壓穩(wěn)定維持在輸入電壓的一半，借以解決已有技術(shù)之加速電容器電壓偏高的問題，而且放電時不損耗能量，也不影響電路正常運作，因此可避免先前解決方案的諸多缺點。
文檔編號H02M7/48GK1750374SQ200410074428
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月15日
發(fā)明者曾劍鴻, 鄧小軍, 郭興寬, 熊愛明, 應(yīng)建平 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司