[发明专利]应用于功率转换器的无振铃零电位切换方法及转换器

说明书

本发明涉及一种应用于功率转换器的无振铃零电位切换方法及转换器，尤指一种可使功率转换器在进行高效率及高密度切换过程中，有效降低所产生的磁损失及开关切换损失，并使其次级整流子的耐压一并降低的无振铃零电位切换方法及转换器。

近年来，为了追赶电子产品快速小型化的趋势，切换式功率转换器的技术一直朝向高频率、高效率及高密度的方向发展。一般而言，由于场效应功率管(Power MOSFE，以下简称功率开关管)的切换速度比双极性管(BipolarTransistor)快很多，因此常被业界广泛应用于切换式功率转换器中，作为其上的功率开关管管，然而，该种场效应功率管(Power MOSFET)上寄生电容所存留的能量，在该管每次被导通时，都会在其通道中，以欧姆热的形式耗尽，切换频率越高，其损耗越大，此一问题，若不加以有效解决，将使该切换式功率转换器难以朝向高效率及高密度的设计目标继续发展。

自从1988年，美国亨芝(C.P.Henze)、马丁(H.C.Martin)及巴司莱(D.W.Paraley)等三位专家，共同在IEEE刊物上，发表零电位切换(ZeroVoltage Switching)概念以来，各种实用电路即陆续被提出，有效地解决了传统上场效应功率管(Power MOSFET)上所发生的导通损失问题，现将其中较具代表性的先前技术，分述如下：

1、顺向式零电位切换电路(Forward Zero-Voltage Switching PowerConverter)：

如图1所示，为Bruce Wilkinson在1989年6月申请的美国第383,594号发明专利的电路实施例，该专利通过适当控制该电路，使其变压器工作在正负磁区，因此在相同的输出功率下，具有可选用较小的变压器的优点。由于该电路设计的启示，Putrice R.Lethellier发明了第一个具零电位切换的实用电路，如图2所示，为1990年10月获准的美国第4,975,821号发明专利的电路架构图，该专利达到零电位切换的目的，其变压器采用松交连型式，并在其磁蕊上加入气隙(gap)，以得到必要的磁化电感及漏感，该磁化电感及漏感能与并联在开关SW1上的寄生电容Cs形成L-C共振电路，使开关SW2在刚关掉后的瞬间，因该L-C共振电路的共振，使开关SW1获得零电位切换的条件，同样地，在开关SW1刚关掉后的瞬间，亦将因该L-C共振电路的共振，使开关SW2也获得零电位切换的条件，此时，由于该变压器的磁蕊上加了气隙及漏感，造成不容忽视的磁损失，使得该电路在获得零电位切换条件的同时，也为该变压器带来了异常发热及效率下滑的缺点。

如图3、4所示，为Paul Imbertson在1991年10月提出申请，且于1993年9月获准的美国第5,245,520号发明专利的电路实施例，其中图3可称为“半桥式非对称顺向转换器(Half bridge asymmetrical buck converter)”，图4可称为“全桥式非对称顺向转换器(Full bridge symmetrical buckconverter)”，由于该二电路均外加有等同于其变压器漏感的辅助电感La(auxiliary inductor)，因此在达到零电位切换功效时，该变压器并没有异常发热的问题，但该辅助电感La却与该变压器的初级绕组两端的杂散电容间，产生了不容忽视的振铃(ringing)现象，由于该振铃电流在电感器与变压器的绕组上来回振荡，将对磁蕊产生感应加热(induction heating)的效应，致其效率随之恶化，另，该寄生振荡除了会增加EMI干扰信号外，还会反映到该变压器的次级绕组，使该次级整流零件的耐压需提高至少1.5倍以上，此即Imbertson的桥式非对称顺向转换器上因振铃而引起的诸多缺点。如图4所示，乃Imbertson的电路在变压器的初级绕组及次级绕组上，所产生的振铃现象。

2、返驰式零电位切换电路(Flyback Zero-Voltage Switching PowerConverter)：

如图6、7所示，为ChristoPher P.Henze与Hubert C.Martin，Jr.在1991年10月获准的美国第5,057,986号发明专利的电路实施例，在该实施例中，由于无外加的辅助电感，因此若欲达到零电位切换，需加大其变压器的气隙，使该变压器的初级磁化电流的峰对峰值，大于次级侧反射到初级侧的负载电流，该项需求与Putrice R.Lethellier的发明专利相同，同样会造成变压器异常地发热，为解决此问题，需加大该变压器的尺寸，以增加其散热能力。