[发明专利]软切换完全桥接电路转换器

说明书

                             技术领域

本发明涉及一隔离式(isolated)dc/dc转换器(converter)。特别是，本发明涉及一恒频隔离式dc/dc完全桥接电路(full-bridge)转换器，此完全桥接电路转换器以零电压切换初级各开关方式工作。

                             背景技术

在高切换频率下影响常规的“硬切换”脉宽调制(PWM)转换器的不利因素是例如为半导体结电容，变压器漏感和整流器反向恢复的电路寄生效应。通常，这些寄生效应引入附加切换损耗并且增加元件应力(stress)，因此限制了转换器的最大工作频率。为了在高切换频率操作转换器并且实现一个高功率密度，需要在不降低转换效率的条件下消除或减少电路寄生效应。一种将电路寄生效应计入电路操作的方法利用谐振技术或一恒频PWM软切换技术。

按照谐振技术，调谐回路电路将在转换器中的半导体开关的电流和电压的波形整形以产生或者零电流关断或者零电压接通状态。然而，相对于常规的切换技术，在谐振型转换器中零电流切换(ZCS)和零电压切换(ZVS)在半导体开关中引起大电流或大电压应力。另外，为了产生ZCS或ZVS状态，一种谐振拓扑结构通常循环大量的能量。因此，当和一在较低频率下操作的PWM相应转换器相比较时，特别是在一包括宽输入电压范围的应用中，在较低效率的或较大的高频谐振型转换器中导致要在开关损耗和传导损耗间折衷选择。另外，可变频率操作通常看作是谐振转换器的缺点。因此，虽然谐振转换器用于例如那些带有发声寄生效应的许多适当应用中，但是谐振技术在高频电源，大功率密度的应用中，没有被广泛接受。

为了克服因为电路寄生效应引起的效率降低，己提出许多恒频PWM转换器以ZVS或ZCS操作的技术。在这样一个软切换PWM转换器中——拥有类似PWM方形电流和方形电压波形——可以实现开关无损耗关断或导通，并且没有显著增加传导损耗。图1(a)是完全桥接电路(FB)PWM转换器100的软切换PWM电路，在由O.D.Petterson，D.M.Divan所著，出版在IEEEPower Electronics Specialists’Conf：Rec.，pp.424-430，1987的论文“伪谐振完全桥接电路直流向直流转换器”和由J.Sabate，et.al.所著，出版在IEEEApplied Power Electronics Conf：(APEC)Proc.，pp.275-284，1990的论文“高压大功率完全桥接电路零电压切换的PWM转换器的设计考虑”中予以讨论。转换器100在一恒切换频率下以相对小的循环能量，在初级开关中形成ZVS状态。通过相移技术实现一恒频输出电压。按照该技术，桥接电路的滞后(ladding)支臂中的开关(即开关103和104)仅在相对于图1(b)表示的超前支臂开关(即开关101和102)对应闭合的延迟(即相移)后闭合。没有相移的状态下，没有电压施加在变压器105的初级绕组105a两端，使电压输出为零。然而，如果相移是180度，产生的最大二次级电压(maximum volt-secondproduct)施加到初级绕组105a上，产生一最大输出电压。在图1(a)的转换器100中，滞后支臂(即开关103和104)中的ZVS状态是通过存储在输出滤波电感器106中的能量实现的。因为滤波电感器106相当地大，即使是在一小的负载电流情况下，存储在滤波电感器106中的能量足够使开关103和104的输出寄生电容107和108放电，以实现ZVS状态。然而超前支臂开关101和102的寄生电容112和113是通过存储在变压器105的漏感109中的能量放电的。(在开关101和102的切换期间，因为整流器110和111流过滤波电感器106的输出电流，初级绕组105a被短路。)因为漏感109较小，开关101和102即使在相当大的输出电流情况下，也不能实现ZVS状态。在现有技术中，超前支臂开关101和102的ZVS范围，或者是通过加大漏感109或者通过附加一个和初级绕组105a串联的外部电感来扩大。一适当大小的外部电感可以存储足够的能量以便即使在低电流情况下，在超前支臂开关101和102中实现ZVS状态。然而，一个大的外部电感器在满载下也将存储大量的能量，因此产生大的循环能量不利地使半导体元件加重负担并且降低切换效率。此外，在转换器100中，当整流器110和111中的一个关断时，在变压器105的次级绕组105(b)中产生尖锐的寄生减幅振荡。此减幅振荡来自于整流器结电容，漏感109和外部电感(当存在时)之间的谐振。为了控制此减幅振荡，在变压器105的副侧需要一阻尼器电路，因此明显降低了电路的转换效率。