[发明专利]在负载条件范围上高效操作的功率变换器系统

说明书

技术领域

本发明涉及设计和操作功率变换器使其效率在整个负载范围上得到优化的方法。

背景技术

自从由五十年代末和六十年代初的微电子革命促使开始小型化时代以来，用在电子设备和系统中的功率变换设备一直面对提高功率密度和效率的挑战。直至最近，功率变换电路的效率提高主要由更高的功率密度要求来驱使，因为只有在实现适当逐渐改进全负载效率使得热性能不会受到不利影响时才会实现功率密度提高。结果，全负载效率的最大化一直是设计焦点。然而，在九十年代初，用户电子设备和数据处理设备的爆炸性增长已促使引起目标为使空闲模式即轻负载、功率消耗最小化的各种(多数为自发)要求。在U.S.Energy Star(美国能源之星)和ECoC(European Code of Conduct，欧洲行为准则)的规范中定义了最著名的轻负载效率要求。

今天，电源工业处于另一主焦点转换的开始阶段，该主焦点转换将整个负载范围上的效率提高置于用户的性能要求中最重要的地位。由于经济原因和由互联网基础设施的持续而迅速的增长及其功率变换器系统的相对低的能量效率所引起的环保意识，促使了这种对效率的关注。实际上，环保意识促使美国环保局(EPA)通过从全负载下降至全负载的20％限定最低效率来修改其关于电源效率的能源之星规范。然而，主要的计算机、电信、网络设备制造商已经要求超过最新能源之星规范且超过这些要求的轻负载效率下降至10％负载，甚至是5％负载。

通常，高负载下功率变换电路的效率由半导体和磁性部件的传导损耗来定义，然而，其轻负载效率主要由半导体的切换损耗、磁性材料的磁芯损耗以及半导体开关的驱动损耗来定义，如由M.D.Mulligan、B.Broach、T.H.Lee在“A constant-frequency method for improving light-load efficiency in synchronous buck converters”(“用于改进在同步降压式变换器中的轻负载效率的恒频方法”)(IEEE Power Electronics Letter，第1期、卷3，2005年3月，第24-29页)中所公开的那样。因为半导体开关的切换损耗和驱动损耗以及磁性部件的磁芯损耗几乎不依赖于负载电流，所以当负载电流下降超过全负载电流的20-30％时，依赖于负载电流的典型效率曲线表现出急剧下降。事实上，在典型的功率变换器中，轻负载效率(例如在10％处的效率)明显低于全负载下的效率。该区别随着变换器的额定输出电流(功率)的增大而增大，原因是更高的功率要求使用分别固有地展示出增加的切换损耗和芯损耗的更大的半导体设备(或者更多并联设备)和更大的磁芯。

通常，传导损耗的最小化、即全负载效率优化，要求使硅区域最大化和使铜导线的电阻最小化。具体地，半导体传导损耗的最小化要求选择具有最小的导通电阻的MOSFET和具有最小的正向压降的整流器，然而磁性部件例如输入过滤电感器和输出过滤电感器、变压器的传导损耗和互连损耗是通过降低铜导体的电阻、即通过缩短长度和增大导线和PCB迹线的横截面积而最小化的。磁性部件的磁芯损耗、半导体的切换损耗以及驱动损耗的最小化基于选择最佳切换频率和使用低损耗磁性材料、具有固有更低的切换损耗的MOSFET开关以及具有低反向恢复电荷的整流器，和/或通过使用实质上降低半导体的切换损耗的各种软切换技术实现，如由X.wang、F.Tian、Y.Li、I.Batarsch在“High Efficiency high Power Density DC/DC Converter with Wide Input Range”(“具有宽输入范围的高效率高功率密度DC/DC变换器”)(在Proc.IAS年会中，第2115-2120页，2006年10月)中所公开的那样。

然而，通常，所描述的效率优化技术可能不足以使电源具有出满足用户预期的效率曲线。这特别对于用于高功率应用的AC/DC(离线)电源确是如此。在这种情况下，实践中通常求助于电源级的功率管理技术，以进一步改进部分负载效率。通常，这些技术基于根据负载电流和/或输入电压情况改变操作模式。当前实施的最常用的功率管理技术是可变切换频率控制、体电压降低技术、切相技术以及“突发”模式操作技术。尽管已经通过使用模拟技术实施所有这些基于负载活动的功率管理技术，但当前的在功率变换应用中的数字技术的快速使用使得这些技术的实施更加简单。