專利名稱：電壓箝制電力轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明關于一種電力轉換器，且特別關于 一種應用電壓箝制技術的電力
轉換器。
背景技術：
針對空間安排有嚴格要求的應用場合，必須有能力設計出更高功率密度 的電力轉換器，這是現(xiàn)今電力轉換工程師永無止境追求的技術目標，為達到 此目標，除了必須做到構造的精筒外，電力轉換器必須要將電力轉換過程中 所產(chǎn)生的功率消耗減到最小。
在低至中等功率需求的電力轉換應用中，單開關順向式轉換器
(single-switch forward converter)及單開關返馳式轉換器(single-switch flyback converter)的拓樸結構被廣泛使用。其電路包括隔離變壓器、在變壓 器的初級側的開關、以及在變壓器的次級側的整流器(rectifier)和輸出濾波 器(output filter)。通過電力開關導通/斷開(on/off)的控制方式，輸入直流 電壓跨在變壓器的初級繞線的兩端，通過變壓器的耦合，在次級繞線轉換為 不同數(shù)值的交流電壓。再經(jīng)過整流、濾波之后，可以得到具有不同的電壓/電 流組合的直流輸出電源。
關于上述電力轉換中，有幾個主要議題，其中的一個關注問題是，在轉 換器的設計過程中必須考慮到變壓器中的磁化和漏磁的能量存儲。否則，這 些磁場能量存儲在變壓器中可能會導致轉換器的故障。
另 一 個值得關注的問題是，如何降低電磁干擾(electromagnetic interference, EMI)所衍生的問題。由于電力轉換器開關的切換產(chǎn)生電流的瞬 間變化，di/dt,而造成脈沖電流漣波，這是產(chǎn)生電磁干擾問題的原因之一， 若能有較低的脈沖電流漣波，還可以降低電流的均方根值。從而，減少傳導 損失(conduction loss),提高效率。因此，如何降低電力轉換器輸入電流漣 波，就成為設計準則之一。
為了實現(xiàn)以低電流漣波以及回收變壓器的激磁電感和漏磁的能量，在過
5去文獻中已有數(shù)種電力轉換器被提出，并成為本發(fā)明的現(xiàn)有技術。
Bruce Carsten于1987年高頻電力轉換刊物上(High Frequency Power Conversion , HFPC)第 139-152 頁發(fā)表的 "Design Tricks, Techniques and Tribulation at High Conversion Frequencies"論文，其中的圖1所示的是電力轉 換器電路，被作者歸類為低功率的應用，同 一 電路則被另 一作者Philip C. Todd 發(fā)表于《"Snubber Circuits: Theory, Design and Application," Philip C Todd, TI seminar900. Topic 2, 1993》，則被描述為減震電路。近年來，針對此電路的輸 入電流漣波特性已經(jīng)被本申請的發(fā)明者探究而公開于《"Improved Forward Topologies for DC-DC Applications with Built-in Input Filter," Ph.D. dissertation, Virginia Polytechnic & State University, Blacksburg， Virginia,. U. S. A, 2006》。
然而，此電路僅使用單一電力開關，所選定的開關組件必須承受兩倍的 輸入電壓。在某些低輸入電壓的應用中，雖然有滿足額定電壓值 (voltage-rating)半導體開關，但卻增加傳導損失，這是因為較高耐電壓的半 導體開關具有較高的RDSon。反之，在許多其它高輸入電壓的應用場合中， 電壓應力(voltage stress )可能過高，市場上沒有備便的半導體開關可以使用。
選用高耐壓組件所造成導通損耗的增加，或因為沒有備便的高耐壓組件， 可以采用串if關連接(series-co皿ecting )兩個半導體開關的4支巧而獲得改善。 因為各個組件的電壓應力減少，可以使用低電壓規(guī)格的半導體開關，其等效 的RDS(ON)于是減少。因減少傳導損失獲得轉換器效率的改善。此概念的實 現(xiàn)，如圖2所示，已被本發(fā)明專利申請的發(fā)明者于2007年6月18日提交于 美國第11/812,339號的專利申請中，將其做為參考文獻。串聯(lián)連接的各半導 體開關已經(jīng)被設計為確保操作于近似于額定輸入電壓。
為了進一步減少輸入/輸出電流漣波，其中如圖3所示，采用漣波抵消機 制的裝置。這是本申請的發(fā)明者于1996年6月4日獲準的美國第5523936號 專利。
其次，為減少半導體開關組件的電壓應力，如圖4所示，為圖3電路的 電力轉換器的雙開關版本的電路。它同時被本申請的發(fā)明者于2007年6月 18日提交，作為美國第11/812,339號的專利申請中的一實施例。
然而，前述電力轉換器所使用的變壓器的重置電壓都等于輸入電壓，最 大的工作周期因而受限，必須小于50%。為得到電力轉換所需的輸出的電壓， 必須設計變壓器具有一較小的匝數(shù)比，導致更大的RMS輸入電流和更高的整流器的電壓應力。傳導損失因而增加。
熟悉現(xiàn)有電力轉換技術的人員都了解，若能增加電力開關的工作周期， 可以增加電力轉換器的整體效率。
因此，可以通過回收》茲性組件能量，減少電流漣波，降4氐電壓應力，高
于50%的工作周期等系統(tǒng)方法，來獲得最大的轉換器效率。
發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是提供逆變電路(inversion circuit),該電路減少輸 入電流漣波，從而減輕電磁干擾問題和改進轉換器的效率。
本發(fā)明的另一目的是提供逆變電路，該電路使用箝位電容器(clamping capacitor)來的回收^f茲能，從而提高轉換器的效率。
本發(fā)明的再一目的是提供逆變電路，該電路使用低電壓電平的半導體開 關，從而提高轉換器的效率。
本發(fā)明的又一目的是提供逆變電路，該電路具有超過50%的工作周期， 從而提高轉換器的效率。
本發(fā)明提供一種電壓箝制電力轉換器的電路，其將直流輸入電源的輸入 電壓轉換為交流電壓，該電路包括第一組串聯(lián)電路，其與直流輸入電源并 聯(lián)連接，并且其包括開關電路以及變壓器第一組初級繞線；第二組串聯(lián)電路， 其與直流輸入電源并聯(lián)連接，并且其包括電壓箝制電路以及變壓器第二組初 級繞線；電容器，其連接于與第一組串聯(lián)電路之間的第一節(jié)點，并且其連接 于與第二組串聯(lián)電路之間的第二節(jié)點，其中第一節(jié)點是位于變壓器第一組初 級繞線與開關電路之間，第二節(jié)點是位于電壓箝制電路與變壓器第二組初級 繞線之間；以及至少一個變壓器次級繞線，其磁耦合變壓器第一組初級繞線 和變壓器第二組初級繞線，并且提供交流電壓。
本發(fā)明另外提供一種電壓箝制電力轉換器的電路，其將直流輸入電源的 輸入電壓轉換為交流電壓，該電路包括輸入電感，其嵌入于直流輸入電源 與第一組串聯(lián)電路和第二組串聯(lián)電路之間，其中第 一組串聯(lián)電路與第二組串 聯(lián)電路并聯(lián)連接，第一組串聯(lián)電路包括開關電路、變壓器第一組初級繞線和 變壓器第二組初級繞線，并且第二組串聯(lián)電路包括電壓箝制電路、變壓器第 三組初級繞線和變壓器第四組初級繞線；第一電容器，其連接至第一組串聯(lián) 電路內部的第一節(jié)點，與第二組串聯(lián)電路內部的第二節(jié)點，其中第一節(jié)點位于變壓器第一組初級繞線和開關電路之間，第二節(jié)點位于電壓箝制電路和變
壓器第四組初級繞線之間；第二電容器，其連接至第一組串聯(lián)電路內部的第 三節(jié)點，與第二組串聯(lián)電路內部的第四節(jié)點，其中第三節(jié)點位于開關電路和 變壓器第二組初級繞線之間，第四節(jié)點位于電壓箝制電路和變壓器第三組初 級繞線之間；以及至少一個變壓器，所述變壓器具有兩組或兩組以上的初級 繞線及至少一組次級繞線，各組繞線間相互磁耦合并且^^是供交流電壓。
因此，本發(fā)明介紹了變壓器重置方法的廣泛概念，通過至少兩個電容器 的電力轉換器電路來轉換能量，以重置變壓器。在本發(fā)明的一個實施例中， 電力轉換器包括兩組串聯(lián)電路、電容器和變壓器。所述變壓器具有至少兩組 相同的初級繞線和至少一組次級繞線。所述兩組串聯(lián)電路均與直流輸入電源
(DC input source )的輸入電壓Vi并聯(lián)連接。第一組串^f關電路包含變壓器第 一組初級繞線和開關電路(switch network);而第二組串聯(lián)電路包括電壓箝制 電路和變壓器第二組初級繞線。所述開關電路包含至少一個半導體開關；所 述電壓箝制電路包含至少 一個主動式或被動式電壓箝制單元(voltage-clamp cell)。主動式電壓箝制單元是由一個MOSFET與一個電容器以串聯(lián)連接
(MOSFET-電容器)所組成的，而被動式電壓箝制單元是由二極管或電阻與
一個電容器以并聯(lián)連接而組成的。箝位電容器分別耦接第一組串聯(lián)電路的第 一節(jié)點和第二組串聯(lián)電路的第二節(jié)點，其中第一節(jié)點是開關電路和變壓器第
一組初級繞線之間的節(jié)點，第二節(jié)點是電壓箝制電路和變壓器第二組初級繞
線之間的節(jié)點。由柵極驅動電路提供驅動信號，以導通/斷開(on/off)開關電
路內部的半導體開關。因此，交流電壓從變壓器的次級繞線生成。之后，被
整流及濾波(未示出)，電力轉換器的輸出端4是供了一個直流輸出電壓Vo至負載。
從上述電路的組成，可以知道變壓器重置電壓等于箝位電容器和電壓箝 制電路的跨壓的總和。由于極性相反(opposite polarity )，兩組變壓器初級繞 線的電壓相互抵消，箝位電容器的跨壓等于輸入電壓的電平。因為存在電壓 箝制電路的跨壓的差值，重置電壓因此高于輸入電壓，所以電力開關的最大 工作周期得以超過50%，還能夠維持變壓器的伏秒平衡關系。熟悉本領域的 技術人員明白，增加電力開關的工作周期使得電力轉換器的整體效率可以被 提升。
為實現(xiàn)該設計概念，得以將前述單組的半導體開關或電壓箝制電路，衍生為兩個串聯(lián)連接的半導體開關組成開關電路，兩組串耳關連接的主動式單元 或被動式單元組成電壓箝制電路。同時，主動式和被動式單元之間的中間節(jié) 點和兩個串聯(lián)連接的半導體開關的中間節(jié)點連接在一起，兩個串聯(lián)連接的半 導體開關因而被分別箝位在不同的電位。柵極驅動電路提供與主開關互補的 控制信號，同時驅動電壓箝制電路內部的一或多個半導體開關。該電路可以 再衍生另外多個的實施例，可以使用兩個箝位電容器和/或兩個變壓器，分別 替代前述的使用單一箝位電容器和/或單一的變壓器。
因此可以具體實現(xiàn)本發(fā)明的幾個可能的實施例。然而，若以單一的二極 管或多個二極管來組成電壓箝制電路，則不被納入本發(fā)明的實施例。
為讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉本 發(fā)明的實施例，并配合附圖作如下詳細說明。
圖1、圖2、圖3和圖4為現(xiàn)有技術的電力轉換器的電路圖。 圖5為本發(fā)明實施例的電力轉換器的電路圖。
圖5A至圖5J為根據(jù)本發(fā)明圖5的實施例所衍生變化的電力轉換器的電路圖。
圖6為本發(fā)明另 一實施例的電力轉換器的電路圖。
圖6A至圖6J為根據(jù)本發(fā)明圖6的實施例所衍生變化的電力轉換器的電 路圖。
圖7為本發(fā)明另一實施例的電力轉換器的電路圖。
圖7A至圖7J為根據(jù)本發(fā)明圖7的實施例所衍生變化的電力轉換器的電路圖。
主要組件符號說明
100、 200、 300:電力轉換器
110、 110A、 110B、 110C、 110D、 110E、 110F、 110G、 110H、 1101、 110J:
電壓箝制電路
120、 120A、 120B、 220、 220A、 220B、 320、 320A、 320B:開關電路
130、 230、 330:柵極驅動電路
131、 231、 331:斥冊極驅動信號132、 232、 332:互4M言號
210、 210A、 210B、 210C、 210D、 210E、 210F、 210G、 210H、 2101、 210J:電壓箝制電路
310、 310A、 310B、 310C、 310D、 310E、 310F、 310G、 310H、 3101、 310J:電壓箝制電路
Cl、 C2:箝位電容器
Ca、 Cc:電容器
Da、 Dc、 Dcl、 Dc2: 二極管
Lin:輸入電感
Lpl、 Lp2、 Lp3、 Lp4:變壓器初級繞線 Ls、 Lsl、 Ls2:次級繞線 Nl、 N2、 N3、 N4:節(jié)點 Ra、 Rc:電阻
Sl、 S2、 Sa、 Sc:半導體開關 Tl、 T2:變壓器 Vcn:電壓箝制電路的跨壓 Vi:輸入電壓
Vo: ^r出電壓
具體實施例方式
如圖5所示，其是本發(fā)明數(shù)種實施例的電力轉換器100的電路示.意圖， 包含兩組串聯(lián)的電路、箝位電容器(clamping capacitor) Cl和變壓器T1。從 圖上可知變壓器的重置電壓等于跨在箝位電容器及電壓箝制電路上的電壓 的總和，若該電壓能大于輸入電壓，工作周期就可以操作大于50%，而能避 免變壓器有飽和的問題。變壓器Tl具有兩組相同的初級繞線Lpl和Lp3和 至少 一組次級繞線Ls。兩組串聯(lián)電路與直流輸入電源(DC input source )的 輸入電壓Vi以并聯(lián)方式連接。第一組串聯(lián)電路包含變壓器第一組初級繞線 Lpl和開關電路120，而第二組串聯(lián)電路包含電壓箝制電路IIO和變壓器第二 組初級繞線Lp3。開關電路120包含至少一個半導體開關。電壓箝制電路IIO 包含至少一個主動式或被動式電壓箝制單元。主動式電壓箝制單元是由一個 MOSFET Sc與電容器Cc以串聯(lián)連接(MOSFET-電容器)所組成的，而被動式電壓箝制單元是由電阻Rc與電容器Cc以并聯(lián)連接，接著與二極管Dc以 串聯(lián)連接所組成的。箝位電容器C1分別耦接第一組串聯(lián)電路和第二組串聯(lián)電 路至第一節(jié)點Nl和第二節(jié)點N2,其中第一節(jié)點Nl是開關電路120和變壓 器第一組初級繞線Lpl之間的節(jié)點，并且第二節(jié)點N2是電壓箝制電路110 和變壓器第二組初級繞線Lp3之間的節(jié)點。因為變壓器第一組初級繞線Lpl 的跨壓和變壓器第二組初級繞線Lp3的跨壓相互抵消，箝位電容器Cl的電 壓等于輸入電壓Vi。由柵極驅動電路130提供至少一個4冊極驅動信號131, 以導通/斷開開關電路120內部的半導體開關。通過電力半導體開關的導通與 關閉，變壓器次級繞線Ls因此產(chǎn)生交流電壓。之后，經(jīng)整流及濾波級電路(未 示出)，電力轉換器的輸出端提供了穩(wěn)定的輸出電壓Vo至負載。
電力轉換器IOO如下工作。在第一時間段，提供至少一個柵極驅動信號 131，開關電路120內部的半導體開關因此被導通(turn on)。除了輸入電壓 Vi跨在初級繞線Lpl,箝位電容器C1的電壓也施加于初級繞線Lp3。變壓器 Tl激磁電流呈線性地增加。然后，在互補的時間段，柵極驅動信號131提供 關斷信號，開關電路120內部的半導體開關因而被關斷(turn off)。存儲在變 壓器Tl的激;茲電感及漏感能量由箝位電容器Cl和電壓箝制電路110內部的 電容器Cc所吸收。因此，開關電路120中的半導體開關的電壓波形沒有電壓 突波的產(chǎn)生，同時被限制于跨在箝位電容器C1上的電壓、電壓箝制電路IIO 內部的電容器Cc上的電壓以及輸入電壓Vi電壓的總和。通過初級繞線Lp3 和電壓箝制電路110,激磁和漏磁的能量因而被回收至輸入電源，同時實現(xiàn) 變壓器T1的重置功能。
因為箝位電容器Cl的跨壓等于輸入電壓Vi,而變壓器重置電壓等于箝 位電容器C1的跨壓和電壓箝制電路110內部的電容器Cc的跨壓的總和。重 置電壓因而高于輸入電壓，開關電路120內部的半導體開關的工作周期可以 在50%以上，同時，變壓器得以設計較大的匝數(shù)比，伴隨著一個低的初級繞 線的電流和在次級整流器有更低的電壓應力(voltage stress )。因此，進一步 可以實現(xiàn)該電力轉換器的效率的改善。
現(xiàn)在參照圖5A和圖5B，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造 的兩個實施例。如圖5A所示，電壓箝制電路110A是由一個電阻Rc-電容器 Cc-二極管Dc的從屬電路所組成的被動式電壓箝制單元；如圖5B所示，電 壓箝制電路110B是由一個半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路所組成的主
ii動式電壓箝制單元。由柵極驅動電路130所發(fā)出的互補信號132是必需的， 用以驅動電壓箝制電路110B內部的半導體開關Sc。
請參照圖5C和圖5D，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路110C和110D包含由二極管Da和電阻Rc-電容器Cc-二極管Dc的從屬電路所組成的兩組串聯(lián)連接的被動式電壓箝制單 元。根據(jù)配置，在開關電路120B內部的開關Sl或S2的跨壓分別被箝位至 Vi或Vi+Vcc，其中Vcc在圖中未示出，Vcc是指電容器Cc的跨壓大小。
請參照圖5E,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的另一實施 例。電壓箝制電路110E包含由電阻Rc-電容器Cc-二極管Dc的從屬電路和電 阻Ra-電容器Ca-二極管Da的從屬電路所組成的兩組串聯(lián)連接的被動式電壓 箝制單元。在開關電路120B內部的開關Sl或S2的跨壓分別被箝位至Vi+VCa 或Vi+Vcc,其中VCa在圖中未示出，VCa是指電容器Ca的跨壓大小。
請參照圖5F和圖5G，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路110F和110G包含二極管Da與MOSFET開 關Sc -電容器Cc的從屬電路所組成的結合的兩組串聯(lián)連接的電壓箝制單元。 由柵極驅動電路130所提供的互補信號132,用以驅動電壓箝制電路IIOF或 110G內部的半導體開關Sc。根據(jù)配置，在開關電路120B內部的開關Sl或 S2的跨壓分別被箝位至Vi或Vi+Vcc。
請參照圖5H和圖51,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路IIOH和1101包含由電阻Ra-電容器Ca-二極 管Da的電路和半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路的結合所組成的兩組串 聯(lián)連接的電壓箝制單元。由柵極驅動電路130所提供的互補信號132，用以 驅動電壓箝制電路IIOH或1101內部的半導體開關Sc。根據(jù)配置，在開關電 路120B內部的開關Sl或S2的跨壓分別被箝位至Vi+Vcc或Vi+VCa。
請參照圖5J,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的另一實施 例。電壓箝制電路UOJ包含由半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路和半導體 開關Sa-電容器Ca的從屬電路所組成的兩組串聯(lián)連接的電壓箝制單元。由柵 極驅動電路130提供兩組互補信號132，用以驅動電壓箝制電路110J內部的 半導體開關Sc和Sa。根據(jù)配置，在開關電路120B內部的開關Sl或S2的跨 壓分別^皮箝位至Vi+Vcc或Vi+VCa。
如圖6所示，是本發(fā)明另外數(shù)種實施例的電力轉換器200的電路示意圖，包含輸入電感Lin (代表寄生電感或外加電感)，兩組串聯(lián)的電路、兩個箝位 電容器Cl, C2和變壓器T1。從圖上可知變壓器的重置電壓等于跨在箝位 電容器及電壓箝制電路上的電壓的總和，若此電壓能大于輸入電壓，工作周 期就可以操作于大于50%,而能避免變壓器飽和的問題。變壓器Tl包括四 組相同的初級繞線Lpl 、 Lp2、 Lp3和Lp4以及至少一組次級繞線Ls。兩組串 聯(lián)的電路以并聯(lián)方式連接。第一組串聯(lián)電路包含變壓器第一組初級繞線Lpl 、 變壓器第二組初級繞線Lp2和開關電路220。第二組串聯(lián)電路包含電壓箝制 電路210、變壓器第三組初級繞線Lp3和變壓器第四組初級繞線Lp4。開關 電路220包含至少一個半導體開關，并且電壓箝制電路210包含至少一個主 動式或被動式電壓箝制單元。主動式電壓箝制單元是由MOSFETSc與電容器 Cc以串聯(lián)連接所組成的，被動式電壓箝制單元是由二極管Da或電阻Rc與電 容器Cc以并聯(lián)連接，接著與二極管Dc串聯(lián)連接所組成的。第一箝位電容器 Cl分別耦接第一組串聯(lián)電路的第一節(jié)點Nl和第二組串聯(lián)電路的第二節(jié)點 N2,其中第一節(jié)點N1是開關電路220和變壓器第一組初級繞線Lpl之間的 節(jié)點，第二節(jié)點N2是電壓箝制電路210和變壓器第四組初級繞線Lp4之間 的節(jié)點。第二箝位電容器C2分別耦接第 一組串聯(lián)電路的第三節(jié)點N3和第二 組串聯(lián)電路的第四節(jié)點N4，其中第三節(jié)點N3是開關電路220和變壓器第二 組初級繞線Lp2之間的節(jié)點，第四節(jié)點N4是電壓箝制電路210和變壓器第 三組初級繞線Lp3之間的節(jié)點。因為變壓器初級繞線Lpl ( Lp2 )和Lp4( Lp3 ) 極性相反，彼此的跨壓因而相互抵消，.每一箝位電容器電壓等于輸入電壓。 由柵極驅動電路230提供至少一個柵極驅動信號231，以導通/斷開開關電^各 220內部的半導體開關。通過電力半導體開關的導通與關閉，變壓器次級繞 線Ls因此產(chǎn)生交流電壓。之后，經(jīng)整流及濾波級電路(未示出)，電力轉換 器的輸出端提供了穩(wěn)定的輸出電壓Vo至負載。
電力轉換器200如下工作。在第一時間段，提供至少一個閘極驅動信號 231,開關電路220內部的半導體開關因此被導通。除了輸入電壓Vi施加于 初級繞線Lpl-Lp2,每一箝位電容器Cl或C2的跨壓也分別地施加于其各自 的初級繞線對Lp2-Lp4或Lpl-Lp3。變壓器Tl激》茲電流呈線性地增加。然后， 在互補的時間段，閘極驅動信號231提供關斷信號，開關電路220內部的半 導體開關因而被關斷。存儲在變壓器T1的激石茲電感及漏感能量，分別由箝位 電容器Cl, C2和電壓箝制電路210內部的電容器所吸收。因此，開關電路220中的半導體開關的電壓波形沒有電壓突波的產(chǎn)生，同時被限制于跨在箝 位電容器C1、箝位電容器C2、電壓箝制電路210內部的電容器的電壓總和。 通過第三組初級繞線Lp3、第四組初級繞線Lp4和電壓箝制電路210，激磁 和漏磁的能量因而被回收至輸入電源，同時實現(xiàn)變壓器T1的重置功能。
因為箝位電容器(C1或C2)的跨壓的平均值都等于輸入電壓Vi，而變 壓器重置電壓等于箝位電容器(Cl或C2)的跨壓和電壓箝制電路210內部 的電容器的跨壓的總和。重置電壓因而高于輸入電壓，開關電路220內部的 半導體開關的工作周期可以在50%以上。
很明顯地，因為可操作于高于50%的工作周期，變壓器得以設計較大的 匝數(shù)比，伴隨著一個低的初級繞線電流和在次級整流器有更低的電壓應力。 因此，進一步可以實現(xiàn)該電力轉換器的效率的改善。
現(xiàn)在參照圖6A和圖6B,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造 的兩個實施例。如圖6A所示，電壓箝制電路210A是由一組電阻Rc-電容器 Cc-二極管Dc的從屬電路所組成的被動式電壓箝制單元；如圖6B所示，電 壓箝制電路210B是由一組半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路所組成的主 動式電壓箝制單元。由柵極驅動電路230所提供的互補信號232,用以驅動 電壓箝制電路210B內部的半導體開關Sc。
請參照圖6C和圖6D，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路210C和210D包含由二4及管Da和電阻Rc-電容器Cc-二極管Dc的從屬電路的結合所組成的兩組串聯(lián)連接的被動式電壓 箝制單元。根據(jù)該配置，在開關電路220B內部的開關Sl或S2的跨壓分別 被箝位至Vi或Vi+Vcc。
請參照圖6E，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的另一實施 例。電壓箝制電路210E包含由電阻Rc-電容器Cc-二極管Dc的從屬電路和電 阻Ra-電容器Ca-二極管Da的從屬電路所組成的兩組串聯(lián)連接的被動式電壓 箝制單元。在開關電路220B內部的開關S1或S2的跨壓分別被箝位至Vi+VCa 或Vi+Vcc。
請參照圖6F和圖6G，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路210F和210G包含二極管Da與半導體開關 Sc-電容器Cc的從屬電路的結合所組成的兩組串聯(lián)連接的電壓箝制單元。由 柵極驅動電路230提供的互補信號232，用以驅動電壓箝制電路210F或210G
14內部的半導體開關Sc。根據(jù)配置，在開關電路220B內部的開關Sl或S2的 跨壓分別被箝位至Vi或Vi+Vcc。
請參照圖6H和圖61，其為才艮據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路210H和2101包含由電阻Ra-電容器Ca-二極 管Da的從屬電路和半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路的結合所組成的兩 組串聯(lián)連接的電壓籍制單元。由柵極驅動電路230提供的互補信號232，用 以驅動電壓箝制電路210H或2101內部的半導體開關Sc。 #>據(jù)配置，在開關 電路220B內部的開關Sl或S2的2爭壓分別凈皮箝位至Vi+Vcc或Vi+VCa。
請參照圖6J,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的另一實施 例。電壓箝制電路210J包含由半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路和半導體 開關Sa-電容器Ca的從屬電路所組成的兩組串聯(lián)連接的電壓箝制單元。由柵 極驅動電路230提供的兩個互補信號232，用以驅動電壓箝制電路210J內部 的半導體開關Sc和Sa。根據(jù)該配置，在開關電路220B內部的開關Sl或S2 的跨壓分別被箝位至Vi+Vcc或Vi+VCa。
如圖7所示，是本發(fā)明另外數(shù)種實施例的電力轉換器300的電路示意圖， 包含輸入電感Lin (代表寄生電感或外加電感)，兩組串Jf關的電路、兩個箝位 電容器C1， C2和兩個變壓器Tl和T2。從圖上可知，變壓器的重置電壓等 于跨在箝位電容器及電壓箝制電路上的電壓的總和，若該電壓能大于輸入電 壓，工作周期就可以操作于大于50%,而能避免變壓器飽和的問題。變壓器 Tl和T2分別包括兩組相同的初級繞線Lpl-Lp4、和Lp2-Lp3以及至少一組 的次級繞線Lsl和Ls2。兩組串聯(lián)的電路以并聯(lián)方式連接。第一組串聯(lián)電路 包含變壓器Tl的第一組初級繞線Lpl、變壓器T2的第一組初級繞線Lp2和 開關電路320。第二組串聯(lián)電路包含電壓箝制電路310、變壓器T1的第二組 初級繞線Lp4和變壓器T2的第二組初級繞線Lp3。開關電路320包含至少一 個半導體開關，電壓箝制電路310包含至少一個主動式或被動式電壓箝制單 元。主動式電壓箝制單元是由MOSFET Sc與電容器Cc以串聯(lián)連接所組成的， 被動式電壓箝制單元是由二極管Da或電阻Rc與電容器Cc以并聯(lián)連接，接 著與二極管Dc串聯(lián)連接所組成的。第一箝位電容器C1分別耦接第一組串聯(lián) 電路的第一節(jié)點Nl和第二組串聯(lián)電路的第二節(jié)點N2,其中第一節(jié)點Nl是 開關電路320和第一組變壓器初級繞線Lpl之間的節(jié)點，第二節(jié)點N2是電 壓箝制電路310和第四組變壓器初級繞線Lp4之間的節(jié)點。第二箝位電容器
15C2分別耦接第一組串聯(lián)電路的第三節(jié)點N3和第二組串聯(lián)電路的第四節(jié)點 N4,其中第三節(jié)點N3是開關電路320和第二組變壓器初級繞線Lp2之間的 節(jié)點，第四節(jié)點N4是電壓箝制電路310和第三組變壓器初級繞線Lp3之間 的節(jié)點。因為變壓器初級繞線Lpl (Lp2)和Lp4 (Lp3)極性相反，彼此的 跨壓因而相互抵消，每一箝位電容器電壓等于輸入電壓。由柵極驅動電路330 提供至少一個柵極驅動信號331,以導通/斷開開關電i 各320內部的半導體開 關。通過電力半導體開關的導通與關閉，變壓器次級繞線Lsl和Ls2因此產(chǎn) 生交流電壓。之后，經(jīng)整流及濾波級電路(未示出)，電力轉換器的輸出端提 供了穩(wěn)定的輸出電壓Vo至負載。
電力轉換器300如下工作。在第一時間段，提供至少一個柵極驅動信號 331，開關電路320內部的半導體開關因此被導通。除了輸入電壓Vi施加于 初級繞線Lpl-Lp2，每一箝位電容器Cl或C2的跨壓也分別地施加于其各自 的初級繞線對Lp2-Lp4或Lpl-Lp3。變壓器Tl激^茲電流呈線性地增加。然后， 在互補的時間段，柵極驅動信號331提供關斷信號，開關電路320內部的半 導體開關因而被關斷。存儲在變壓器T1和T2的激磁電感及漏感能量分別由 箝位電容器Cl, C2和電壓箝制電路310內部的電容器所吸收。因此，開關 電路320中的半導體開關的電壓波形沒有電壓突波的產(chǎn)生，同時被限制于跨 在箝位電容器C1、箝位電容器C2、電壓箝制電路310內部的電容器的電壓 總和。通過變壓器T1和T2、初級繞線Lp4、 Lp3和電壓箝制電路310，變壓 器Tl和T2激磁和漏磁的能量因而被回收至輸入電源，同時實現(xiàn)變壓器Tl 和T2的重置功能。
因為箝位電容器(C1或C2)的跨壓的平均值都等于輸入電壓Vi，而變 壓器重置電壓等于箝位電容器(Cl或C2)的跨壓和電壓箝制電路310內部 的電容器的跨壓的總和。重置電壓因而高于輸入電壓，開關電路320內部的 半導體開關的工作周期可以在50%以上。
很明顯地，因可操作于高于50%的工作周期，變壓器得以設計較大的匝 數(shù)比，伴隨著一個低的初級繞線電流和在次級整流器有更低的電壓應力。因 此，可進一步實現(xiàn)該電力轉換器的效率的改善。
現(xiàn)在參照圖7A和圖7B,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造 的兩個實施例。如圖7A所示，電壓箝制電路310A是由一組電阻Rc-電容器 Cc-二極管Dc的從屬電路所組成的被動式電壓箝制單元；如圖7B所示，電壓箝制電路310B是由一組半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路所組成的主 動式電壓箝制單元。由柵極驅動電路330所提供的互補信號332,用以驅動 電壓箝制電路310B內部的半導體開關Sc。
請參照圖7C和圖7D，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路310C和310D包含由二才及管Da和電阻Rc-電容器Cc-二極管Dc的從屬電路的結合所組成的兩組串聯(lián)連接的被動式電壓 箝制單元。根據(jù)該配置，在開關電路320B內部的開關Sl或S2的跨壓分別 被箝位至Vi或Vi+Vcc。
請參照圖7E，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的另一實施 例。電壓箝制電路310E包含由電阻Rc-電容器Cc-二極管Dc的從屬電路和電 阻Ra-電容器Ca-二極管Da的從屬電路所組成的兩組串聯(lián)連接的被動式電壓 箝制單元。在開關電路320B內部的開關Sl或S2的跨壓分別被箝位至Vi+VCa 或Vi+Vcc。
請參照圖7F和圖7G,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路310F和310G包含二極管Da與半導體開關 Sc-電容器Cc的從屬電路的結合所組成的兩組串聯(lián)連接的電壓箝制單元。由 柵極驅動電路330提供的互補信號332用以驅動電壓箝制電路310F或310G 內部的半導體開關Sc。 4艮據(jù)該配置，在開關電路320B內部的開關Sl或S2 的跨壓分別被箝位至Vi或Vi+Vcc。
請參照圖7H和圖71,其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的 另外兩個實施例。電壓箝制電路31OH和3101包含由電阻Ra-電容器Ca-二極 管Da的從屬電路和半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路的結合所組成的兩 組串聯(lián)連接的電壓箝制單元。由柵極驅動電路330 4是供的互補信號332用以 驅動電壓箝制電路310H或3101內部的半導體開關Sc。才艮據(jù)該配置，在開關 電路320B內部的開關Sl或S2的跨壓分別被箝位至Vi+Vcc或Vi+VCa。
請參照圖7J，其為根據(jù)本發(fā)明前述原理的電力轉換器的構造的另一實施 例。電壓箝制電路310J包含由半導體開關Sc-電容器Cc的從屬電路和半導體 開關Sa-電容器Ca的從屬電路所組成的兩組串聯(lián)連接的電壓箝制單元。由柵 極驅動電路330提供的兩個互補信號332用以驅動電壓箝制電路310J內部的 半導體開關Sc和Sa。根據(jù)該配置，在開關電路320B內部的開關Sl或S2的 跨壓分別纟皮箝位至Vi+Vcc或Vi+VCa。雖然本發(fā)明已以實施例如上進行^^開，然其并非用以限定本發(fā)明，任何 所屬技術領域中的普通技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可 作些許的變更與改進，因此本發(fā)明的保護范圍應當視所附的權利要求的范圍 所界定的為準。
權利要求
1.一種電壓箝制電力轉換器的電路，將直流輸入電源的輸入電壓轉換為交流電壓，所述電路包括第一組串聯(lián)電路，其與所述直流輸入電源并聯(lián)連接，并且其包括開關電路以及變壓器第一組初級繞線；第二組串聯(lián)電路，其與所述直流輸入電源并聯(lián)連接，并且其包括電壓箝制電路以及變壓器第二組初級繞線；電容器，其連接于與所述第一組串聯(lián)電路之間的第一節(jié)點，并且其連接于與所述第二組串聯(lián)電路之間的第二節(jié)點，其中所述第一節(jié)點位于所述變壓器第一組初級繞線與所述開關電路之間，所述第二節(jié)點位于所述電壓箝制電路與所述變壓器第二組初級繞線之間；以及至少一個變壓器次級繞線，其磁耦合所述變壓器第一組初級繞線和所述變壓器第二組初級繞線，并且提供所述交流電壓。
2. 如權利要求1所述的電壓箝制電力轉換器的電路，其中，所述變壓器 第一組初級繞線和所述變壓器第二組初級繞線都是位于共同變壓器的初級 側，并且都磁耦合至相同的變壓器鐵芯。
3. 如權利要求1所述的電壓箝制電力轉換器的電路，其中，所述開關電 路包括MOSFET或具有并聯(lián)連接的二極管的一個其它主動式半導體開關；其 中所述電壓箝制電路包括電阻-電容器-二極管的從屬電路，或MOSFET-電容 器的從屬電路。
4. 如權利要求1所述的電壓箝制電力轉換器的電路，其中，所述開關電 路包括兩個MOSFET或具有并聯(lián)連接的二極管的兩個其它主動式半導體開關 串聯(lián)連接；其中所述電壓箝制電路包括下列五種從屬電路的其中之一二極 管與電阻-電容器-二極管以串聯(lián)連接的從屬電路，二極管與MOSFET-電容器 以串聯(lián)連接的從屬電路，電阻-電容器-二極管的從屬電路串聯(lián)MOSFET-電容 器的從屬電路，兩組電阻-電容器-二極管以串聯(lián)連接的從屬電路，或兩組 MOSFET-電容器以串聯(lián)連接的從屬電路。
5. 如權利要求4所述的電壓箝制電力轉換器的電路，所述開關電路中的 所述兩個串聯(lián)連接的MOSFET之間或具有并聯(lián)連接的二極管的兩個其它主動 式半導體開關之間的中間節(jié)點，與位于所述電壓箝制電路內的中間節(jié)點連接在一起。
6. —種電壓箝制電力轉換器的電路，將直流輸入電源的輸入電壓轉換為交流電壓，所述電路包括輸入電感，其嵌入于所述直流輸入電源與第一組串聯(lián)電路和第二組串聯(lián) 電路之間，其中所述第一組串聯(lián)電路與所述第二組串聯(lián)電路并聯(lián)連接，所述第一組串聯(lián)電路包括開關電路、變壓器第一組初級繞線和變壓器第 二組初級繞線，并且所述第二組串聯(lián)電路包括電壓箝制電路、變壓器第三組初級繞線和變壓 器第四組初級繞線；第一電容器，其連接至所述第一組串聯(lián)電路內部的第一節(jié)點，與所述第 二組串聯(lián)電路內部的第二節(jié)點，其中所述第一節(jié)點位于所述變壓器第一組初 級繞線和所述開關電路之間，所述第二節(jié)點位于所述電壓箝制電路和所述變 壓器第四組初級繞線之間；第二電容器，其連接至所述第一組串聯(lián)電路內部的第三節(jié)點，與所述第 二組串聯(lián)電路內部的第四節(jié)點，其中所述第三節(jié)點位于所述開關電路和所述 變壓器第二組初級繞線之間，所述第四節(jié)點位于所述電壓箝制電路和所述變 壓器第三組初級繞線之間；以及至少一個變壓器，所述變壓器具有兩組或兩組以上的初級繞線及至少一 組次級繞線，各組繞線間相互磁耦合并且提供交流電壓。
7. 如權利要求6所述的電壓箝制電力轉換器的電路,其中，所述輸入電 感是寄生電感或外加電感；其中所述變壓器第一組初級繞線，所述變壓器第 四組初級繞線與至少一組次級繞線磁耦合至第一變壓器鐵芯；其中所述變壓 器第二組初級繞線，所述變壓器第三組初級繞線與至少一組次級繞線磁耦合 至第二變壓器鐵芯。
8. 如權利要求6所述的電壓箝制電力轉換器的電路，其中，所述開關電 路包括MOSFET或具有并聯(lián)連接的二極管的一個其它主動式半導體開關；其 中所述電壓箝制電路包括電阻-電容器-二極管的從屬電路，或MOSFET-電容 器的從屬電路。
9. 如權利要求6所述的電壓箝制電力轉換器的電路，其中，所述開關電 路包括兩個MOSFET或具有并聯(lián)連接的二極管的兩個其它主動式半導體開關串聯(lián)連接；其中所述電壓箝制電路包括下列五種從屬電路的其中之一二極 管與電阻-電容器-二極管以串聯(lián)連接的從屬電路、二極管與MOSFET-電容器 以串聯(lián)連接的從屬電路、電阻-電容器-二極管的從屬電路串聯(lián)MOSFET-電容 器的從屬電路、兩組電阻-電容器-二極管以串聯(lián)連接的從屬電路，或兩組 MOSFET-電容器以串聯(lián)連接的從屬電路。
10.如權利要求9所述的電壓箝制電力轉換器的電路，位于所述開關電 路中的所述兩個串聯(lián)連接的MOSFET之間或具有并聯(lián)連接的二極管的兩個其 它主動式半導體開關之間的中間節(jié)點，與位于所述電壓箝制電路內的兩個連 接在一起的從屬電路之間的另 一中間節(jié)點連接在一起。
全文摘要
本發(fā)明提出電壓箝制電力轉換器，用在將直流輸入轉換為交流輸出的逆變電路中，其構造包含兩組串聯(lián)電路、至少一個箝位電容器、以及至少一個變壓器。每一組串聯(lián)電路與直流輸入并聯(lián)。第一組串聯(lián)電路包括開關電路以及至少一個變壓器初級繞線。第二組串聯(lián)電路包含電壓箝制電路以及至少一個變壓器初級繞線。至少一個箝位電容器耦接至第一組串聯(lián)電路和第二組串聯(lián)電路，并且連接在各組串聯(lián)電路與各個變壓器初級繞線之間的節(jié)點上。電壓箝制電路可被實施為具有從下列三組從屬電路的其中兩組中以串聯(lián)方式來連接的電路二極管、電阻-電容器-二極管、以及MOSFET-電容器。
文檔編號H02M1/44GK101562406SQ200910132718
公開日2009年10月21日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權日2008年4月15日
發(fā)明者呂錦山 申請人:呂錦山