[发明专利]边界模式耦合电感器升压功率转换器

说明书

交叉引用

本申请要求2009年6月27日提交的题为“零电压开关边界模式耦合电感器升压功率转换器(ZERO VOLTAGE SWITCHING BOUNDARY MODE COUPLED INDUCTOR BOOST POWER CONVERTERS)”的共同待审美国临时专利申请No.61/221,049和2009年6月27日提交的题为“边界模式耦合电感器升压功率转换器(BOUNDARY MODE COUPLED INDUCTOR BOOST POWER CONVERTERS)”的共同待审美国临时专利申请No.61/221,050的优先权，这些申请通用地通过引用如在本文献中详细描述一般被包括在此。

领域

各实施例一般涉及电子功率转换电路，尤其涉及高频开关模式电子功率转换器。

背景

许多典型的功率转换器应用使用反激式(flyback)转换器在低功率电平和中等功率电平上简单有效地转换功率。尽管其他的转换器布局是可用的，但它们可能经常被忽略。例如，除了在一些有限的家务供电中，耦合电感器升压转换器可能并没有被用在广泛的应用中。

图1A中示出典型的耦合电感器升压转换器电路100a的实施例。图2A-2G中说明了图1A电路布局的波形描述。在耦合电感器升压转换器中，通过在主初级开关的开启状态和关闭状态两者期间将能量转移出次级绕组，相比于传统反激式功率转换器中的那些相同量，次级绕组电流减小并且次级绕组和次级开关两者的电压应力减小。

虽然耦合电感器升压布局在许多应用中不普及，但是取决于线电压范围，当前使用反激式转换器的许多功率转换方案可使用耦合升压布局用较小的变压器更高效地实现。在许多应用中，耦合升压电路中所需的附加电容器和开关的成本可能大于变压器的较低成本以及在耦合升压电路中箝位(clamping)漏电感振荡可能更易于实现并可能需要较少组件这一事实带来的补偿。

如图1A中所示，直流(DC)功率和电压(V_线)的输入源110的第一端子连接到耦合电感器105的初级绕组的同名端(dotted terminal)。输入源110的第二端子连接到第一开关120a的第一端子。开关120a的第二端子连接到耦合电感器105的初级绕组的非同名端(undotted terminal)。耦合电感器105的次级绕组的非同名端连接到电容器115a的第一端子并连接到电容器115b的第一端子。耦合电感器105的次级绕组的同名端连接到第二开关120b的第一端子并连接到第三开关120c的第一端子。开关120b的第二端子连接到负载150的第一端子并连接到电容器115a的第二端子。开关120c的第二端子连接到电容器115b的第二端子并连接到负载150的第二端子。如本文中所使用的，“负载”150的端子可一般解释为(例如，并且还称为)“输出”的端子。

在操作中，电路100a具有两个工作状态，在各工作状态之间具有停歇时间，与工作状态的持续时间相比，该停歇时间可能是短暂的。这些工作模式由图1B和1C说明。为清楚起见，假定以下条件：电路100a已达到稳态状态；电容器115足够大以使得电容器115电压在单个工作循环上不变；耦合电感器105的初级绕组和次级绕组间有相当大量的互相磁耦合，并且漏电感很小且对电路电流和电压波形仅有很小影响；耦合电感器105的设计遵循反激式变压器的设计，因为耦合电感器105既用作磁能存储设备又用作通过初级与次级绕组匝数之比逐步提高或逐步降低电压和电流的方式。最后一个假定可暗示在耦合电感器105的芯结构或者由磁材料组成的磁芯结构中存在离散或分布式间隙，该磁材料的磁导率小于开关模式电源中使用的典型铁氧体功率材料(其一个例子是Ferroxcube 3C80材料)的磁导率。

在第一工作状态期间，如图1B中作为部分电路100b所说明的，开关120a和120b是开启的(导电)，而开关120c是关闭的(不导电)。将领会到，该第一工作模式在图2A-2G中示出的各个部分中说明(基本上是每个波形的每个周期的前一半)。电流在包括输入源110、耦合电感器105的初级绕组和开关120a的初级回路中流过。电流还在包括电容器115a、开关120b、以及耦合电感器105的次级绕组的第一次级回路中顺时针流动，并在包括电容器115a和115b、以及负载150的第二次级回路中顺时针流动。