[发明专利]高功率变换器架构

说明书

本发明涉及高功率变换器架构。一种功率变换器为三种拓扑的集成，该三种拓扑包括正向变换器拓扑、反激变换器拓扑以及谐振电路拓扑。这三种拓扑的组合起到使用三种不同模式传输能量的功能。第一模式或正向模式，是以类似于正向变换器的方式从输入电源向输出负载传递能量的正向能量传输。第二模式或反激模式，以类似于反激变换器的方式存储和释放能量。第三模式或谐振模式，使用谐振电路和次级侧的正向型变换器拓扑根据谐振回路存储和释放能量。

技术领域

本发明总体上涉及功率变换器领域。更具体地，本发明涉及一种具有增高的效率的功率变换器架构。

背景技术

过去多年已经开发出多种功率变换器拓扑，其意在提高功率变换器的功率密度和开关效率。新的变换器拓扑的新兴焦点在于要提供降低或消除变换器开关损耗，同时增高开关频率的手段。较低的损耗和较高的开关频率意味着更有效的变换器，其能够降低变换器组件的尺寸和重量。此外，随着高速复合半导体开关的引入，如由脉冲宽度调制(PWM)操作的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关，最近的正反激式拓扑现在能够以极大增高的开关频率进行操作，例如，高达1.0MHz。

然而，开关频率的增高可能会导致开关和组件应力相关的损耗相应的增加，以及由于半导体开关在高电压和/或高电流水平快速的导通/关断切换引发的增加的电磁干扰(EMI)、噪声、以及开关换相问题。此外，现代的电子组件期望在小空间中有效地执行多种功能，并且几乎没有不良的副作用。比如，提供相对高的功率密度和高的开关频率的现代的电压变换器还应该包括齐整的电路拓扑，提供输出或“负载”电压与输入或“源”电压的隔离，并且还提供可变的升压或降压的电压变换。

图1图示了一种常规的反激式电压变换器。变换器10包括晶体管T1、控制器14、变压器12、电容器C1、以及二极管D1。到该电路的输入电压可以为来源于AC电源的整流和滤波后的未调整的DC电压。晶体管T1为快速开关器件，如MOSFET，其开关由快速动态控制器14控制，以维持希望的输出电压Vout。使用二极管D1和电容器C1对次级绕组电压进行整流和滤波。反激变换器的变压器12起到与典型的变压器不同的功能。有负载时，典型的变压器的初级和次级绕组同时导电。然而，在反激变换器中，变压器的初级和次级绕组不会同时携带电流。在操作时，当晶体管T1导通时，变压器12的初级绕组连接到输入电源电压，使得输入电源电压加在初级绕组上，导致变压器12中的磁通量增加，并且初级绕组电流线性上升。然而，随着晶体管T1导通，二极管D1为反向偏压且没有电流经过次级绕组。虽然次级绕组在晶体管T1导通时不传导电流，但是耦合到电容器C1的负载，以电阻器Rload表示，会因为先前在电容器中存储的电荷而接收到非间断的电流。

当晶体管T1关断时，初级绕组电流路径断开，并且初级和次级绕组上的电压极性反转，使得二极管D1为正向偏压。由此，初级绕组电流被阻断而次级绕组开始传导电流，使得能量从变压器的磁场向变换器的输出传输。该能量传输包括给电容器C1充电以及向负载传送能量。如果晶体管T1的关断周期足够长，次级电流有足够的时间衰减到零，并且存储在变压器12中的磁场能量完全耗散。

因为当与其他用在低功率应用中的拓扑相比时其相对简单，反激式拓扑一直很引人注目。反激“变压器”满足提供能量存储以及变换器隔离的双重目的，当与例如正向变换器相比时，理论上最小化磁性组件的数量。使用反激的缺陷在于开关组件所承受的相对高的电压和电流应力。此外，主开关可见的高的关断电压(由变压器漏感和开关电容之间的寄生振荡产生)通常需要使用电阻器、电容器、如缓冲电路的二极管支路。该寄生振荡在谐振时异常多且对环境造成EMI，并且以额外的热耗散的形式造成来自开关组件的高的开关损耗。