專利名稱：具有緩沖器的功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率變換器，具體而言涉及這樣一種功率變換器，其中，
在不需要額外的開關(guān)的情況下，通過使用緩沖器(smibber)電路減小了損 耗。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的升壓變換器中，輸入電壓經(jīng)由電感器耦合到通常為MOSFET 的開關(guān)，并且串聯(lián)的二極管和電容器與該開關(guān)并聯(lián)耦合，其中變換器的輸 出電壓是從該電容器得到的。在沒有變壓器的情況下，輸出電壓大于輸入 電壓。開關(guān)被交替地斷開和閉合，這種交替斷開和閉合通常是以高頻進行 的并且具有受控的占空比。
升壓變換器的一個越來越重要的應(yīng)用是用于消費者電子設(shè)備中的所謂 離線電源布置的功率因子校正(PFC)。在這種布置中，通常經(jīng)過整流的 AC電源被升壓變換器變換為高輸出電壓，以提供接近單位1的功率因 子；輸出電壓可被直接使用或者被一個或多個其他功率變換器變換為一個 或多個AC和/或DC電壓以供使用。
在其中變換器開關(guān)在電感器電流為零時被接通的非連續(xù)電流模式 (DCM)中，升壓變換器的操作具有峰值電流是平均電流的兩倍并且電感 器電流具有大擺動的結(jié)果，從而需要相對較大的核，這涉及損耗的增大。 隨著變換器功率級別的增大，例如對于用于PFC的升壓變換器可能需要的 大于約200或300W的功率級別，優(yōu)選在連續(xù)導通模式(CCM)中操作升 壓變換器，在這種模式中，變換器開關(guān)在電感器電流下降到零之前就被接 通。在CCM中操作的升壓變換器具有相對較小的電感器電流擺動和峰值 電流。
結(jié)果，升壓變換器的二極管(被稱為升壓二極管)需要具有非?？斓姆聪蚧謴停绕涫强紤]到用于PFC的升壓變換器的通常很高的輸出電壓時 則更是如此。例如，這種升壓變換器可能通常需要以最高達約360V的峰 值輸入電壓來操作，并且輸出電壓可以被方便地選擇為大約380至 400V。在反向恢復時段期間，就在變換器開關(guān)被接通以使得二極管在正向 偏置且傳導非零電感器電流后被反向偏置之后，由于二極管結(jié)區(qū)中的載流 子，二極管仍是導通的，并且可能流動很大的反向電流，從而大大增大了 變換器開關(guān)中的應(yīng)力和功率損耗。用于PFC的升壓變換器的二極管可以基于碳化硅半導體技術(shù)，但是這 種二極管的成本可能是硅二極管的十倍量級的。即使利用不表現(xiàn)出反向恢 復行為的二極管，變換器開關(guān)也是在電感器的全電流流動的情況下被接通 和關(guān)斷的，從而導致很大的開關(guān)損耗。為了減小這些缺點，已經(jīng)知道提供一種結(jié)合了額外的或者輔助的開關(guān) 的升壓變換器的更復雜布置。這種變換器的示例在1995年8月29日授權(quán) 的Bassett等人的題為"Boost Converter Power Supply With Reduced Losses, Control Circuit and Method Therefor"的美國專利No. 5,446,366、 1998年4 月7曰授權(quán)的Jovanovic的題為"Technique for Reducing Rectifier Reverse-Recovery-Related Losses in High-Voltage High Power Converters"的美國專 利No. 5,736,842以及2000年4月18日授權(quán)的Jang等人的題為"Soft-Switching Cell For Reducing Switching Losses In Pulse-Width-Modulated Converters"的美國專利No. 6,051,961中有所記載。這種已知的變換器的額外的復雜度和額外的開關(guān)增加了其成本，并且 增加了為了控制升壓變換器的開關(guān)而必須提供的控制電路的復雜度和成 本。從1996年8月27日授權(quán)的Farrington等人的題為"Low-Loss Snubber For A Power Factor Corrected Boost Converter"的美國專利No. 5,550,458中還已經(jīng)知道提供一種具有緩沖器的升壓變換器來減小二極管反向恢復和開 關(guān)損耗，而無需向變換器提供額外的開關(guān)。在該變換器中，緩沖器電感器 與升壓二極管串聯(lián)連接，并且與緩沖器二極管串聯(lián)的電阻器與串聯(lián)連接的 升壓二極管和緩沖器電感器并聯(lián)連接。該布置具有這樣的缺點，即，需要另一個二極管來連接到升壓二極管和緩沖器電感器之間的接點，以防止在
開關(guān)接通時升壓二極管兩端的電壓的振蕩(ringing)，由此產(chǎn)生的電流循 環(huán)經(jīng)過緩沖器電感器、該另一個二極管以及變換器開關(guān)。該參考文獻還公 開了一種應(yīng)用到降壓變換器的類似的緩沖器布置。
從1997年5月27日授權(quán)的Kim的題為"Boost Converter Using An Energy Reproducing Snubber Circuit"的美國專利No. 5,633,579中知道了另 一種具有緩沖器電路的升壓變換器，其具有更為復雜的缺點。
仍需要提供一種功率變換器，例如升壓變換器或降壓變換器，其使用 相對簡單的布置實現(xiàn)了開關(guān)損耗和/或反向恢復損耗的減小，而無需額外的 開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種功率變換器，包括連接成降壓或升壓配置的兩個輸 入端、兩個輸出端、耦合在兩個輸出端之間的輸出電容器、處于輸入端和 輸出端之間的串聯(lián)路徑中的第一電感器、受控制信號控制的開關(guān)、以及二 極管，所述降壓或升壓配置用于從提供到輸入端的輸入電壓在輸出端處產(chǎn) 生輸出電壓，該變換器還包括處于與開關(guān)和第一二極管串聯(lián)的路徑中的第 二電感器，以及串聯(lián)連接的電阻器和第二二極管，其特征在于串聯(lián)連接的 電阻器和第二二極管與第二電感器并聯(lián)。
該功率變換器可具有升壓配置，其中，第一電感器和開關(guān)串聯(lián)耦合在 兩個輸入端之間，并且第一二極管處于所述輸入端和輸出端之間的串聯(lián)路 徑中。在此情況下，第二電感器可在所述輸入端和輸出端之間的串聯(lián)路徑 中與第一二極管串聯(lián)，或者其可在變換器的分流路徑中與開關(guān)串聯(lián)。
或者，該功率變換器可具有降壓配置，其中，第一電感器和第一開關(guān) 串聯(lián)耦合在兩個輸出端之間，并且開關(guān)處于所述輸入端和輸出端之間的串 聯(lián)路徑中。在此情況下，第二電感器可在所述輸入端和輸出端之間的串聯(lián) 路徑中與開關(guān)串聯(lián)，或者它可在變換器的分流路徑中與二極管串聯(lián)。
上述變換器中的每一個的操作受益于與第一二極管并聯(lián)的電容。二極 管的寄生電容在一些情況下可被設(shè)想為構(gòu)成該電容的全部，但是優(yōu)選地使一電容器與第一二極管并聯(lián)連接。另一電容器也可與電阻器并聯(lián)耦合，或 者該電容器可與第一二極管并聯(lián)連接，第一二極管與電阻器或第二二極管 串聯(lián)。
本發(fā)明還擴展到一種電路布置，包括第一電感器，在該電路布置的
操作中一電流流過該第一電感器；開關(guān)，被布置為在控制信號的控制下斷
開和閉合，該開關(guān)被布置用于在其被閉合時傳導第一電感器的電流；第一
二極管，被布置為在開關(guān)斷開時被正向偏置以傳導電感器的電流并且在開
關(guān)閉合時被反向偏置；處于與開關(guān)和第一二極管串聯(lián)的路徑中的第二電感 器，其電感遠小于第一電感器的電感；以及電阻器和與該電阻器串聯(lián)連接 的第二二極管；其特征在于串聯(lián)連接的電阻器和第二二極管與第二電感器 并聯(lián)連接。
這種電路配置優(yōu)選地包括一電容器，該電容器與第一二極管并聯(lián)、或 者與與電阻器或第二二極管串聯(lián)的第一二極管并聯(lián)。
該電路配置可形成具有輸入端和輸出端的升壓變換器，第一電感器將 輸入端耦合到開關(guān)，并且第一二極管將第一電感器和開關(guān)之間的接點耦合 到輸出端。該電路配置可形成具有輸入端和輸出端的降壓變換器，第一電 感器將輸出端耦合到第一二極管，并且開關(guān)將第一電感器和第一二極管之 間的接點耦合到輸入端。在任一情況下，優(yōu)選地，第二電感器的電感遠小 于第一電感器的電感。


從以下參考附圖以示例方式給出的描述中將進一步理解本發(fā)明，在附 圖中相同的標號在不同圖中用于表示相應(yīng)的元件，其中
圖l示意性地示出了具有緩沖器電路的已知升壓變換器； 圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的升壓變換器； 圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的圖2的升壓變換器的修 改形式；
圖4示出了在圖2的升壓變換器的操作中可能發(fā)生的電壓和電流的簡 化波形；圖5以放大的時間比例示出了在升壓變換器的開關(guān)接通時間左右圖4 的簡化波形；
圖6以放大的時間比例示出了在升壓變換器的開關(guān)關(guān)斷時間左右圖4 的簡化波形；
圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的降壓變換器；
圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的另 一個降壓變換器；
圖9示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的另一個升壓變換器；并
且
圖10至12示出了根據(jù)本發(fā)明其他實施例的圖2的升壓變換器的修改。
具體實施例方式
參考附圖，圖1示意性地示出了具有緩沖器電路的升壓變換器，該升 壓變換器是從以上提及的美國專利No. 5,550,458中知道的。該升壓變換器 本身包括電感器IO、開關(guān)12、 二極管14和電容器16。來自適當?shù)脑?未 示出)的相對于零伏(0V)線的正輸入電壓Vin經(jīng)由電感器10 (被稱為 升壓電感器)被耦合到開關(guān)12，該開關(guān)12通常可以并且在圖1中被示為 由MOSFET構(gòu)成，其漏極連接到電感器IO，其源極連接到OV線，并且柵 極被以已知方式施加以脈沖控制信號G，用于控制開關(guān)12的狀態(tài)。圖l還 示出了 MOSFET固有的所謂的體二極管，其陽極連接到MOSFET的源極 并且其陰極連接到MOSFET的漏極。
MOSFET開關(guān)12的漏極和電感器IO之間的接點在圖1的情況下經(jīng)由 形成緩沖器電路的一部分的電感器20耦合到二極管14的陽極，該二極管 14被稱為升壓二極管或整流器。二極管14的陰極連接到變換器的相對于 OV線的正輸出電壓Vout的輸出端，并且連接到電容器16的一端，該電容 器16被稱為輸出電容器，其另一端連接到OV線。
例如，輸入電壓Vin可以包括經(jīng)過平滑的DC電壓，或者，尤其是在 用于PFC的升壓變換器的情況下，可以包括經(jīng)過整流的AC電壓。又例 如，對于將被用于諸如電視之類的消費電子設(shè)備中的PFC的升壓變換器，輸入電壓Vin可以是峰值電壓在120至360V量級的范圍內(nèi)的經(jīng)過整流的 AC電壓，并且輸出電壓Vout可以在380至400V的量級，例如約為 385V。在這種應(yīng)用中，可以針對例如200至700W的范圍內(nèi)的輸出功率來 設(shè)計變換器，并且在連續(xù)電流模式(CCM)中操作變換器。
如本領(lǐng)域中所公知的，當開關(guān)12斷開(MOSFET關(guān)斷或者未導通) 時，來自輸入的電流流經(jīng)升壓電感器10和被正向偏置的升壓二極管14， 以對電容器16充電并維持其輸出電壓Vout，同時向耦合到變換器的輸出 的負載(未示出)提供電流。當開關(guān)12被控制信號G所閉合時 (MOSFET被接通或?qū)?，當在CCM的情況下電流在電感器10中流動 時，電感器電流流經(jīng)開關(guān)12， 二極管14被反向偏置，并且去往負載的電 流被輸出電容器16所維持。
隨著開關(guān)12的這種開關(guān)，電感器電流被接通和關(guān)斷的MOSFET開關(guān) 12所開關(guān)，從而導致不合需要的開關(guān)損耗。雖然為了幫助減小升壓電感器 10和輸出電容器16的大小而需要高開關(guān)頻率，但是這種開關(guān)損耗卻隨著 開關(guān)頻率的增大而增大，因此對開關(guān)頻率施加了實際限制。
此外，在沒有以下描述的緩沖器電路的情況下，當MOSFET開關(guān)12 被接通時，升壓二極管14被反向偏置，但在其反向恢復時段期間保持導 通，從而導致在此時段期間大電流流動，增大了施加在開關(guān)12上的應(yīng) 力，并且增大了變換器損耗。
圖1的升壓變換器的緩沖器電路除了與升壓二極管14串聯(lián)的緩沖器 電感器20之外，還包括與串聯(lián)連接的緩沖器電感器20和升壓二極管14并 聯(lián)連接的緩沖器電阻器22和二極管24 (二者串聯(lián)連接)，以及另一個二 極管26，該另一個二極管26的陽極連接到0V線并且其陰極連接到緩沖器 電感器20和升壓二極管14之間的接點。
緩沖器電感器20減慢了升壓二極管14的關(guān)斷并且因此減小了其反向 恢復損耗，并且通過防止電流的快速增大而減小了 MOSFET開關(guān)12的接 通損耗。在開關(guān)被關(guān)斷時，通過電阻器22和二極管34將MOSFET開關(guān)兩 端的電壓箝位到輸出電壓Vout，防止了該電壓振蕩。當MOSFET開關(guān)12 被接通時，另一個二極管26在緩沖器電感器中傳導負電流。該已知的升壓變換器具有這樣的缺點，即，需要二極管26來防止緩 沖器電感器20和升壓二極管14之間的接點處的電壓的振蕩。另一個缺點 在于，當MOSFET開關(guān)12被關(guān)斷并且二極管26被該接點處在OV以下擺 動的電壓正向偏置時，經(jīng)過緩沖器電感器20的電流經(jīng)由閉合的12和正向 偏置的二極管26循環(huán)，從而導致了更大的損耗。
圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的升壓變換器，其包括與 以上針對圖1的升壓變換器所述的相同的組件10、 12、 14和16。從而， 在圖2的升壓變換器中，電感器IO和二極管14在變換器的輸入端和輸出 端之間的串聯(lián)路徑中串聯(lián)耦合，并且MOSFET開關(guān)12處于變換器的分流 路徑(shuntpath)中。
此外，圖2的升壓變換器包括一緩沖器，該緩沖器包括電感器20、電 阻器22和二極管24 (這些具有與圖1相同的標號)，以及電容28。圖2 的升壓變換器中的緩沖器不具有圖l的緩沖器中的二極管26，并且其組件 的連接方式不同，下文將對此進行進一步描述。
更具體而言，在圖2的升壓變換器中，電感器20與升壓二極管14串 聯(lián)連接，在此情況下串聯(lián)連接在二極管14的陰極和用于變換器的輸出電 壓Vout的輸出端之間。電感器20的電感通常遠小于升壓電感器10的電 感。為了易于提及，圖2的變換器的升壓二極管14的陽極和陰極處的接 點分別被稱為A和C，并且電壓Vout的輸出端被稱為接點Vout。
電阻器22和二極管24串聯(lián)連接在接點C和Vout之間，其中二極管 26的極性使得如圖所示的電流Ir在從接點C朝著接點Vout的方向上經(jīng)過 電阻器24。相對于圖中所示的，可以可選地顛倒電阻器24和二極管26的 串聯(lián)順序。從而，或者如圖所示二極管26的陰極可以耦合到接點Vout并 且其陽極可經(jīng)由電阻器24耦合到接點C，或者二極管的陽極可以耦合到接 點C并且其陰極經(jīng)由電阻器24耦合到接點Vout。在任一種情況下，串聯(lián) 連接的電阻器22和二極管24都與電感器20并聯(lián)連接，而不是像圖l的變 換器中那樣與串聯(lián)連接的電感器20和二極管14并聯(lián)。
電容28連接到接點A和C之間，因此與升壓二極管14并聯(lián)。取決于 升壓變換器的具體特性，包括例如其開關(guān)頻率和輸出電壓，電容28可以部分或全部由升壓二極管14的寄生電容構(gòu)成。
圖3示出了圖2的升壓變換器的修改形式，其中改變了升壓二極管14 和電感器20的串聯(lián)順序。從而，在圖23的變換器中，電感器20的一端連 接到MOSFET開關(guān)12的漏極和電感器10之間的接點，電感器20的另一 端連接到升壓二極管14的陽極，并且升壓二極管14的陰極連接到輸出電 壓Vout的輸出端。與圖2的變換器中一樣，在圖3的變換器中，串聯(lián)連接 的電阻器22和二極管24 (按任一種順序)與電感器20并聯(lián)，并且電容 28與升壓二極管14并聯(lián)。
圖3的變換器的操作與圖2的變換器的操作類似，下面額外參考圖4 至6來描述圖2的變換器的操作，圖4至6包括在變換器的操作中可能發(fā) 生的電壓和電流的波形。這些波形被簡化了，因為沒有完全示出寄生效 應(yīng)。
更具體而言，圖4至6中的每一幅示出了分別在圖2的接點A和C處 的電壓波形A和C (以伏特(V)為單位)，以及如圖2中的箭頭所示的 開關(guān)12中的電流Iq (構(gòu)成開關(guān)12的MOSFET的漏極-源極電流)、升壓 二極管14中的電流Id和電阻器22中的電流Ir的電流波形Iq、 Id和Ir (以 安培(A)為單位)。圖4示出了整個開關(guān)周期的波形，并且圖5和6示 出了分別在開關(guān)12的接通之時和關(guān)斷之時左右的放大時間比例的波形。 例如，圖4中從時刻tO到時刻tlO的一個開關(guān)周期的時段可以是10/xs，圖 5中從時刻t0到時刻t3的時段可以是約80 ns的量級，而圖6中從時刻t5 到時刻t8的時段可以是約50 ns的量級。
這些波形是針對具有以下組件值和特性的升壓變換器來描述的，這些 組件值和特性在這里是作為示例給出來幫助提供全面理解的；本發(fā)明在任 何意義上都不限于這些值或特性中的任何一個
輸出電壓Vout 385 V 電感器20 5 gH
開關(guān)頻率 100 kHz 電阻器22 25 fi
升壓電感器IO 800/zH 電容28 300 pF
輸出電容器16 50 mF 輸出功率 400 W
在本發(fā)明的其他實施例中，所有這些值都可以完全不同。僅作為一個示例，電容28可被增大到若干nF，使得MOSFET開關(guān)12的驅(qū)動不那么 困難，或者它可能被減小到升壓二極管14的寄生電容，從而獲得具有低 輸出電壓的升壓變換器。
具體參考圖4和5，就在控制信號G變高以接通構(gòu)成開關(guān)12的 MOSFET的時刻t0之前，二極管14被正向偏置以將電流Id從輸入Vin經(jīng) 由電感器10和20傳導到輸出接點Vout，電流Iq和Ir基本為零，并且接 點A和C基本處于輸出電壓Vout (接點A實際上比接點C的電壓大等于 在主導電流Id下二極管14的正向電壓的量)。
從控制信號G (未示出)變高的時刻tO處開始，直到此后很快到來的 時刻tl為止(如圖5所示)，MOSFET接通(開關(guān)12被閉合)，使得接 點A處的電壓迅速下降到基本為零。因為電感器20與二極管14串聯(lián)連 接，在短時間間隔t0-tl期間，二極管14和電感器20中的電流Id改變得 很少，所以二極管14保持正向偏置，并且接點C處的電壓在時刻tl也下 降到基本為零。
因此，如圖5所示，在時間間隔t0-tl中，MOSFET開關(guān)12被接通， 同時很小的電流Iq流動，因此處于具有相對較小的開關(guān)損耗的幾乎為零電 流開關(guān)(ZCS)的條件下。在時刻tl， MOSFET開關(guān)12被完全接通，并 且輸出電壓Vout出現(xiàn)在電感器20兩端。因此，正向偏置的二極管14和電 感器20中的電流Id從時刻tl線性地斜坡式下降，在時刻t2達到零，時刻 t2比時刻tl略微靠后，如圖5所示。
在電流Id達到零的時刻t2， 二極管14變成反向偏置，并且由于電容 28經(jīng)由電感器20被充電，因此接點C處的電壓以諧振方式從基本為零開 始上升，如圖5中的曲線50最貼切地示出的。諧振使得接點C處的電壓 在時刻t3超過輸出電壓Vout，在此之后二極管24變成正向偏置，并且電 流Ir從基本為零開始上升，如圖5中的曲線54最貼切地示出的，從而電 感器20中存儲的能量開始在電阻器22中耗散。
如圖4和5中由曲線52所示，從時刻t0直到時刻t2，電流Iq以與此 時段期間電流Id的下降相反的方式上升，并且從時刻t2直到時刻t3，電 流Iq繼續(xù)上升，同時隨著接點C處的電壓如上所述以諧振方式上升，電二極管24從時刻t3開始變得正向偏置時， 電流Iq下降到與其在時刻t2的值和電流Id在時刻tO的值相對應(yīng)的穩(wěn)態(tài) 值。在MOSFET開關(guān)12的接通時段的剩余部分期間，直到時刻t5為止， 如圖4中的線條56最貼切地示出的，由于由閉合的開關(guān)12施加到升壓電 感器10的輸入電壓Vin， MOSFET開關(guān)12中的電流Iq從其穩(wěn)態(tài)值斜坡式 上升到值Ioff。
具體參考圖4和6，就在控制信號G變低以關(guān)斷MOSFET開關(guān)12的 時刻t5之前，接點A處于OV并且接點C基本上處于輸出電壓Vout，電 容28被充電到輸出電壓Vout并且二極管14被反向偏置，從而使得電流 Id和Ir基本為零。MOSFET開關(guān)12接通，并且其經(jīng)由升壓電感器10傳導 的電流Iq具有值Ioff，如圖4和6所示。
在從時刻t5 (此時控制信號G (未示出)變低)起直到時刻t6為止 (此時MOSFET被完全關(guān)斷時)的時間間隔期間，MOSFET開關(guān)12被關(guān) 斷(開關(guān)12被斷開)。在該時間間隔t5-t6期間，MOSFET開關(guān)12的電流 Iq從其值Ioff下降到基本為零。由于電感器10和20中的電流無法瞬時變 化，所以電感器10中的電流經(jīng)由電容器28、電阻器22和二極管24流到 輸出電壓Vout，同時接點A處的電壓迅速上升到值Vr-R.Ioff，其中R是 電阻器22的電阻。接點C處的電壓相應(yīng)地增大到值Vr+Vout，從而使二 極管24正向偏置，并且如線條64所示，電阻器22和二極管24中的電流 Ir在時刻t6增大到基本等于值Ioff。
從時刻t6直到時刻t7，電容28被流經(jīng)電感器10、電容28、電阻器 22和正向偏置的二極管24的相對恒定的電流Ir基本線性地放電，從而接 點A處的電壓基本線性地上升，如圖6中的線條60最貼切地示出的。在 時刻t7，接點A處的這個電壓上升到接點C處的電壓之上并且使二極管 14正向偏置，二極管14相應(yīng)地開始導通，其電流Id從時刻t7上升直到時 刻t8 (如圖6中的線條62最貼切地示出的)，在時刻t8， 二極管14傳導 流經(jīng)電感器10的所有電流。
在時刻t8之后，如圖4所示，接點A和C處的電壓下降到基本等于 輸出電壓Vout，電流Ir下降到基本為零，并且流經(jīng)電感器10、 二極管14和(當電流Ir已下降到基本為零時)電感器20的電流Id斜坡式下降，如 圖4中的線條66所示，直到時刻tlO為止，在時刻tlO開關(guān)周期重復。在 時刻t10，電流Id基本上達到與時刻tO相同的值。
希望選擇電阻器22的電阻R和電容28的大小以使得在MOSFET開 關(guān)12被關(guān)斷時由接點A獲得的電壓Vr占輸出電壓Vout的一個小比例； 例如如圖6所示，對于385V量級的輸出電壓Vout，它可以在60V或更低 的量級。因此，在關(guān)斷MOSFET開關(guān)12時的開關(guān)損耗被大大地減小了。 例如，圖2的變換器的關(guān)斷開關(guān)損耗可以為沒有緩沖器的相同變換器的開 關(guān)損耗的15%或更小的量級。
此外，通過選擇電感器20的電感以使其足以使時間間隔t0-t2遠大于 用于MOSFET開關(guān)12的接通的時間間隔t0-tl，在MOSFET開關(guān)12接通 時的開關(guān)損耗如上所述被減小到例如沒有緩沖器的相同變換器的20%或更 小。另外，因為在圖2的變換器中二極管14的正向偏置被維持到 MOSFET開關(guān)已被完全接通之后，所以二極管反向恢復的問題得到了避 免。
從而，雖然圖2的變換器仍具有一些損耗，但是與沒有緩沖器的變換 器的損耗相比，這些損耗已經(jīng)大大減小了。 二極管24中的功率耗散可以 是例如變換器的輸出功率的1%的量級。同時，二極管反向恢復問題得到 了避免，從而圖2的變換器不需要使用非?？焖倩蛘叻浅０嘿F的二極管。 圖2的變換器的這些優(yōu)點是在不需要額外的開關(guān)及其驅(qū)動電路并且不會有 如上所述的軟開關(guān)升壓變換器的相對復雜性和相關(guān)成本的情況下實現(xiàn)的。 它們也是在不需要像圖1的變換器中那樣的另一個二極管26并且不會有 任何隨之而來的經(jīng)過這種二極管的循環(huán)電流的情況下實現(xiàn)的。
雖然以上描述涉及升壓變換器，但類似的開關(guān)損耗和二極管反向恢復 的問題也發(fā)生在例如包括降壓變換器在內(nèi)的其他功率變換器中，并且這些 問題可以通過與上述相類似的方式根據(jù)本發(fā)明的實施例來得到解決。例 如，圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的降壓變換器。
參考圖7，其中示出的降壓變換器包括MOSFET開關(guān)70，該 MOSFET開關(guān)70由提供到其柵極的控制信號G'來控制，它與輸出電感器
1474串聯(lián)耦合在用于正向輸入電壓Vin的端子和用于小于Vin的正向輸出電 壓Vout的端子之間。降壓變換器還包括二極管72和輸出電容器76，該二 極管72的陽極連接到0V線并且其陰極耦合到MOSFET開關(guān)70和輸出電 感器74之間的點，該輸出電容器76耦合在正輸出電壓端子和0V線之 間。從而，在圖7的降壓變換器中，MOSFET開關(guān)70和電感器74串聯(lián)耦 合在變換器的輸入端和輸出端之間的串聯(lián)路徑中，并且二極管72連接在 變換器的分流路徑中。
圖7的降壓變換器還包括一緩沖器，該緩沖器包括串聯(lián)在MOSFET 開關(guān)70和輸出電感器74之間的電感器80;串聯(lián)連接的電阻器82和二極 管84，它們與電感器80并聯(lián)，其中二極管84的極性為在與MOSFET開 關(guān)70的體二極管相同的方向上導通；以及與二極管72并聯(lián)的電容86。電 感器80的電感通常比輸出電感器74小得多。在相對較低的輸出電壓下， 電容86通?？梢源笥趫D2的升壓變換器中的電容28，并且電阻器82的電 阻通常可以小于圖2的升壓變換器的電阻器22的電阻。
圖7還示出了 MOSFET開關(guān)70的源極與電感器80的接點A'，以及 二極管72的陰極與電感器80和74的接點C'，這將在下文中描述。圖7 的降壓變換器如下文詳細描述的以能夠與圖2的升壓變換器的操作相關(guān)的 方式操作，并且被總結(jié)如下。
就在MOSFET開關(guān)70被接通之前，接點A'和C'基本處于0V，經(jīng)過 MOSFET開關(guān)70和電阻器82的電流基本為零，并且二極管72被正向偏 置并且經(jīng)由電感器74將電流傳導到電容器76和輸出。在控制信號G'的控 制下，MOSFET開關(guān)70被迅速接通并且接點A'處的電壓迅速上升到輸入 電壓Vin,同時二極管72仍被正向偏置并且其電流相對緩慢地斜坡式下降 到零，經(jīng)過MOSFET開關(guān)70的電流則相反地增大。然后接點C'處的電壓 由于電容86和電感80而諧振式地上升，同時經(jīng)過MOSFET開關(guān)70的電 流上升，直到二極管84變得正向偏置為止。然后電感器80的能量在電阻 器82中被耗散，經(jīng)由MOSFET開關(guān)70的電流相應(yīng)地下降到穩(wěn)態(tài)，在此之 后它緩慢地斜坡式下降直到MOSFET開關(guān)被關(guān)斷為止，并且接點C'處的 電壓下降到輸出電壓Vout，電容86被充電到該輸出電壓Vout。當控制信號G'關(guān)斷MOSFET開關(guān)70時，經(jīng)過電感器80的電流流經(jīng) 二極管84和電阻器82而不流過開關(guān)。因此，開關(guān)電流迅速下降到零并且 接點A'處的電壓迅速下降，下降的量為該電流與電阻器82的電阻的乘 積。接點A'和C'處的電壓隨后相對緩慢地下降，直到接點A'處的電壓變 為負并且接點C'處的電壓過零并且使二極管72正向偏置為止。然后電流 流經(jīng)二極管72和輸出電感器74，緩慢地斜坡式下降，直到MOSFET開關(guān) 70下一次被接通為止，同時接點A'和C'處的電壓返回到基本等于0V并且 經(jīng)過電阻器82的電流下降到零。
由于MOSFET開關(guān)70與電感器80直接串聯(lián)，而電感器80與串聯(lián)連 接的電阻器82和二極管84并聯(lián)，所以將會明白，這些的位置是可以交換 的；從而與串聯(lián)連接的電阻器82和二極管84并聯(lián)的電感器80可以改為連 接在用于輸入電壓Vin的端子和MOSFET開關(guān)70之間。在任一種情況 下，電感器80都與MOSFET開關(guān)70串聯(lián)在變換器的輸入端和輸出端之間 的串聯(lián)路徑中。
降壓變換器的另一種替換電路布置在圖8中示出，其中，電感器80 和與其并聯(lián)的電阻器82和二極管84 (二者串聯(lián)連接)不是像圖7中那樣 與MOSFET開關(guān)70串聯(lián)連接，而是與二極管72和與其并聯(lián)的電容86串 聯(lián)連接，即，處于變換器的分流路徑中。從而，如圖8所示，電感器80 以及同樣地串聯(lián)連接的電阻器82和二極管84連接在二極管72的陰極和 MOSFET開關(guān)70與輸出電感器74的接點之間。
或者，二極管72的陰極可以連接到開關(guān)70和輸出電感器74的接點， 并且電感器80可以連接在二極管72的陽極和0V線之間，同時電容86與 二極管72并聯(lián)，并且串聯(lián)連接的電阻器82和二極管84與電感器80并 聯(lián)。
可以明白，在圖2、 3、 7和8的功率變換器以及以上論述的替換方案 中的每一個中，緩沖器電感器20或80被布置為處于包括變換器開關(guān)12或 70以及變換器二極管14或72的串聯(lián)路徑中。電感器20或80防止了在 MOSFET開關(guān)12或70被接通時經(jīng)過變換器二極管14或72的電流很迅速 的變化，從而二極管保持正向偏置，直到MOSFET開關(guān)被完全接通為止。此外，在這些功率變換器和以上論述的替換方案中的每一個中，串聯(lián)連接
的電阻器22或82和二極管24或84與緩沖器電感器20或80并聯(lián)連接， 并且電容28或86在其沒有被變換器二極管14或72的電容提供的情況下 被添加來與該二極管并聯(lián)。本發(fā)明還適用于降壓或升壓變換器中的其他電 路布置、其他功率變換器或者例如可用于電機控制、繼電器控制等等的具 有類似有關(guān)特性的其他電路。
據(jù)此，可以看出例如本發(fā)明的其他實施例可以應(yīng)用到如圖9所示的升 壓變換器。
參考圖9，其中使用了與圖2和3的升壓變換器中相同的組件并且這 些組件具有相同的標號，電感器20以及與電感器20并聯(lián)的電阻器22和二 極管24 (二者串聯(lián)連接)被移動到了包括變換器MOSFET開關(guān)12和升壓 二極管14的路徑中的一個不同的位置，在此情況下是在MOSFET開關(guān)12 的漏極和電感器IO與二極管14的接點之間的變換器的分流路徑中。電容 28仍與二極管14并聯(lián)連接。
可以看出，可以通過以下方式來進一步修改圖9的升壓變換器在變 換器的分流路徑中交換MOSFET開關(guān)12和電感器20的位置，同時電阻器 22和二極管24保持與電感器20并聯(lián)，以及/或者交換串聯(lián)連接的電阻器 22和二極管24的位置。
還可以明白，緩沖器電感器20或80以及與電感器20或80并聯(lián)的、 串聯(lián)連接的電阻器22或82和二極管24或84可以改為移動到OV線中的 一個位置，該位置在升壓變換器的情況下處于MOSFET開關(guān)12和輸出電 容器16之間，在降壓變換器的情況下處于0V輸入端和變換器二極管72 之間。
圖10至12示出了根據(jù)本發(fā)明其他實施例對圖2的升壓變換器的修 改。類似的修改也可應(yīng)用到圖3和圖7至9的變換器。
在圖10中，通過提供與電阻器22并聯(lián)的額外的電容器90來修改了圖 2的升壓變換器。添加電容器90具有減小電阻器22兩端的峰值電壓和經(jīng) 過電阻器22的峰值電流的優(yōu)點。以此情況下經(jīng)過電阻器22的電流流動的 時間更長，從而電阻器22所耗散的功率沒有變化。與電阻器22并聯(lián)的該電容器90在圖7至9中的每一幅中也以虛線示出，以表明在這些圖中的功 率變換器中也可可選地提供該電容器。
在圖11中，圖10的升壓變換器通過以下方式被進一步修改將電容 器90的電容結(jié)合在電容器28中，電容器28因此連接在二極管14的陽極 和電阻器22與二極管24之間的接點之間。電容器28從而與串聯(lián)的二極管 14和電阻器22并聯(lián)。在圖12中，電阻器22和二極管24的串聯(lián)順序被顛 倒，并且電容器28同樣被連接在二極管14的陽極和電阻器22與二極管 24之間的接點之間。從而，在此情況下，電容28與串聯(lián)的二極管14和二 極管24并聯(lián)連接。
可以明白，在電容器28或90的一端連接到一個基本為DC電平的點 的任何情況下，它也可改為連接到任何其他的基本為DC電平的點。例 如，在圖3的升壓變換器中，電容器28可以不連接在二極管14的陽極和 二極管14的陰極(其基本處于DC輸出電壓Vout)之間，而是可以耦合 在二極管14的陽極和0V線之間。將該原理和圖11或圖12的修改應(yīng)用到 圖3的變換器，電容器28可以改為連接在電阻器22和二極管24 (二者按 圖3所示的順序或者相反順序串聯(lián))的接點與二極管14的陰極(其基本 上處于DC輸出電壓Vout)或0V線或用于電壓Vin的端子(如果電壓 Vm是DC輸入電壓的話)之間。
從而，雖然以上通過示例描述了本發(fā)明的特定實施例，但是可以明 白，在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，可以進行許多修 改、變化和適應(yīng)性變更。
權(quán)利要求
1.一種功率變換器，包括連接成降壓或升壓配置的兩個輸入端(Vin，0V)、兩個輸出端(Vout，0V)、耦合在所述兩個輸出端之間的輸出電容器(16)、處于所述輸入端和輸出端之間的串聯(lián)路徑中的第一電感器(10)、受控制信號(G)控制的開關(guān)(12)、以及二極管(14)，所述降壓或升壓配置用于從提供到所述輸入端的輸入電壓在所述輸出端處產(chǎn)生輸出電壓，所述變換器還包括處于與所述開關(guān)和所述第一二極管串聯(lián)的路徑中的第二電感器(20)，以及串聯(lián)連接的電阻器(22)和第二二極管(24)，其特征在于所述串聯(lián)連接的電阻器和第二二極管與所述第二電感器并聯(lián)。
2. 如權(quán)利要求1所述并且具有升壓配置的功率變換器，其中，所述第 一電感器和所述開關(guān)串聯(lián)耦合在所述兩個輸入端之間，并且所述第一二極 管處于所述輸入端和輸出端之間的串聯(lián)路徑中。
3. 如權(quán)利要求2所述的功率變換器，其中，所述第二電感器在所述輸 入端和輸出端之間的串聯(lián)路徑中與所述第一二極管串聯(lián)。
4. 如權(quán)利要求2所述的功率變換器，其中，所述第二電感器在所述變 換器的分流路徑中與所述開關(guān)串聯(lián)。
5. 如權(quán)利要求1所述并且具有降壓配置的功率變換器，其中，所述第 一電感器和所述第一開關(guān)串聯(lián)耦合在所述兩個輸出端之間，并且所述開關(guān) 處于所述輸入端和輸出端之間的串聯(lián)路徑中。
6. 如權(quán)利要求5所述的功率變換器，其中，所述第二電感器在所述輸 入端和輸出端之間的串聯(lián)路徑中與所述開關(guān)串聯(lián)。
7. 如權(quán)利要求5所述的功率變換器，其中，所述第二電感器在所述變 換器的分流路徑中與所述二極管串聯(lián)。
8. 如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的功率變換器，包括與所述第一 二極管并聯(lián)連接的電容器(28)。
9. 如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的功率變換器，包括與所述第一 二極管并聯(lián)連接的電容器(28)，所述第一二極管與所述電阻器或所述第 二二極管串聯(lián)。
10. 如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的功率變換器，包括與所述電阻器并聯(lián)連接的電容器(90)。
11. 如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的功率變換器，包括與所述第 一二極管并聯(lián)連接的電容器(28)和與所述電阻器并聯(lián)耦合的電容器(90)。
12. 如權(quán)利要求1至7中任何一項所述的功率變換器，其中，所述第 二電感器的電感遠小于所述第一電感器的電感。
13. —種電路布置，包括第一電感器(10)，在所述電路布置的操作中一電流流過該第一電感器；開關(guān)(12)，被布置為在控制信號(G)的控制下斷開和閉合，該開 關(guān)被布置用于在其被閉合時傳導所述第一電感器的電流；第一二極管(14)，被布置為在所述開關(guān)斷開時被正向偏置以傳導所 述電感器的電流并且在所述開關(guān)閉合時被反向偏置；處于與所述開關(guān)和所述第一二極管串聯(lián)的路徑中的第二電感器 (20)，其電感遠小于所述第一電感器的電感；以及電阻器(22)和與該電阻器串聯(lián)連接的第二二極管(24);其特征在于串聯(lián)連接的電阻器和第二二極管與所述第二電感器并聯(lián)連接。
14. 如權(quán)利要求13所述的電路配置，包括一電容器(28)，該電容器 與所述第一二極管并聯(lián)、或者與與所述電阻器或所述第二二極管串聯(lián)的第 一二極管并聯(lián)。
15. 如權(quán)利要求13或14所述的電路配置，形成具有輸入端和輸出端 的升壓變換器，所述第一電感器將所述輸入端耦合到所述開關(guān)，并且所述 第一二極管將所述第一電感器和所述開關(guān)之間的接點耦合到所述輸出端。
16. 如權(quán)利要求13或14所述的電路配置，形成具有輸入端和輸出端 的降壓變換器，所述第一電感器將所述輸出端耦合到所述第一二極管，并 且所述開關(guān)將所述第一電感器和所述第一二極管之間的接點耦合到所述輸 入端。
17. 如權(quán)利要求13或14所述的電路配置，其中，所述第二電感器的 電感遠小于所述第一電感器的電感。
全文摘要
一種包括第一電感器(10)、受控開關(guān)(12)、主二極管(14)和輸出電容器(16)的降壓或升壓變換器包括一緩沖器電路來減小損耗。該緩沖器電路包括處于變換器的與開關(guān)和主二極管串聯(lián)的路徑中的第二電感器(20)、與第二電感器直接并聯(lián)連接的串聯(lián)連接的電阻器(22)和二極管(24)、以及與主二極管并聯(lián)并且可以部分或全部由主二極管的寄生電容構(gòu)成的電容(28)。
文檔編號H02M7/217GK101578756SQ200880002181
公開日2009年11月11日 申請日期2008年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者雷蒙德·K·奧爾 申請人:電力集成公司