[发明专利]具有串并联谐振的谐振型功率转换器

说明书

本发明涉及用于驱动包括气体放电管的包括一个电感性或电阻性负载的谐振型功率转换器，包括一晶体管形式的转换开关(Q)串接在直流电压源的负极和电感(L)的第一端之间，脉冲发生器电路的输出端与晶体管的控制极相连接，变压器的初级线圈连接在电感(L)的第二端和电源电压的正级之间，第一电容(C1)和二极管(D2)分别连接在晶体管(Q)电荷发射极和电荷接收极之间的第一和第二并行支路上，第二电容(C3)连接在电压电源的两端，因此经过二极管(D2)和电感(L)串联。

近些年来可以看到由功率转换器的实际尺寸明显降低而增加了工作频率。通常的准方波脉冲转换器相对于例如20KHZ的转换而言，现在达到的工作范围上限可实现大约0．5MHZ。这就允许最重要的无源功率元件如磁元件和电容器的尺寸明显降低。但是，当用于更大部分脉冲宽度调制转换器时，这些转换器在功率半导体器件中具有高的转换损耗，导致效率的降低，并因此而需要更多的冷却。从而减小了降低转换器实际尺寸的可能性。

例如当提供功率于气体放电管时，为增加功率转换器处理过载或大的负载变化的能力，已建议采用特殊的电路结构作为监视器或避免开关晶体管饱和，这从例如PCT WO90／01248和GB-PS1378465申请中可明显看出。

在愈加高的频率上，一种功率转换的更有效方法是基于所述谓的“零电流转换”，其中被使用的正弦电压可由并联或串联连接的LC-谐振回路产生，这样的转换器被称为“谐振转换器”。使用正弦电压的优点是该功率半导体器件的损耗明显降低，如果转换发生在零交叉处的话。该谐振转换器的缺点是，在给定的功率电平处该峰值电流比调制转换器的脉冲宽度大许多倍。利用传导电阻较低的半导体器件，增加工作频率到1MHz以上，这论如何是可能的，这样的功率密度会达到1W／cm³以上。

对于这种转换器的使用，现在已知有一种集成电路形式的控制，可用于超过1MHZ的范围。标志力LD 405的该集成电路可从Gennum公司、Burlington、ontario、canada获得。在一转换器中这一控制电路的使用在该Gennum公司的LD405应用记录中加以描述，标题为“在一种125W谐振型电源中使用的LD405”在该公司说明的结尾介绍了这种谐振电路，其原理实施电路表示在附图1中。该电路包括一电感L、电容C、电阻R和负载R_L，在电感L之前有一例如晶体管形式的转换开关S，它的作用是提供来自电源V的直流给一串联谐振回路LC。该负载R_L的电阻从该回路泄漏电流，一旦该谐振过程终止，该开关S打开，并且从源S到负载R_L的功率转换被截止。在给定的一时间周期之后，该开关S再次闭合，该过程被重复。该转换频率可以改变，这样，在负载R_L中消耗的平均功率也被改变。

这种工作模式的谐振转换器的一种实用实施例具有两个转换开关，其中每一个处理该谐振周期的相应的半个循环，该开关采用MOS场效应晶体管，其自身由相应的MOSFET级驱动。已表明的实施例的输出级采用肖特基整流二极管。

但是，利用这一在先技术的谐振转换器实施例，对于在该谐振电压中完全避免谐波是困难的，而且要在这些半个循环中取得对称化的相同能量值也是困难的。最后，在该功率转换和该肖特基输出二极管中最终仍然存在实质性损耗。此外被提供的该R_c络网还与该功率开关并联，以便阻尼电压瞬态现象，而这些阻尼电路导致附加损耗，因此，效率降低至少25％，即使输出级没有采用整流二极管，该损耗大约在16％左右。

如上所讨论的通常所述的转换器和同一类型的现有技术的装置，其电容器用电感器直接并联连接，该开关同电压源串联连接。另外，该负载将也可从被制成为变压器的谐振电路中取得能量。在先技术的这些装置，由于该谐振的能量容量的限制，通常很难计算和实现。如果从LC电路泄漏太多的能量，该频率会发生变化，并且它必须采用复杂的电子控制装置，以便控制该转换开关的转换，这样来维持该电路的谐振状态。在这样的电路中如果过载上升，该晶体管的转换电流会不可控制地增加，并且如果该晶体管断开，这可能导致该转换器瞬变而遭受无可挽救的损坏。问题是该保护晶体管的控制装置在有效时间内没有工作，从而该晶体管，即开关承受着非正常的负载，如已经述及的，实质性损耗仍然存在，这样，在不使用整流输出的情况下，转换器的效率不多于84％。