[发明专利]软开关有源吸收电路

说明书

本发明涉及一种用于减小开关电路开关应力的吸收电路。更具体地讲是用于任何电力开关应用中的一个开关元件和一个高效、可靠的软开关有源吸收电路。

吸收电路被用来减小开关元件的开关应力。开关应力包括电流冲击、电压尖峰和开关损耗。开关损耗包括开关开通时的开通损耗和开关关断时的关断损耗。电流冲击发生在开关元件导通时，由续流二极管的反向恢复电流造成。电压尖峰是由于布线和电路中的杂散电感，在开关元件关断时产生。一个完整的吸收电路包括两个部分：开通吸收器，在开关开通，电流开始增加前，允许开关两端的电压迅速下降，其结果是，使由于电压和电流交叉产生的开通损耗显著减小，它还限制了电流的上升率，从而也减小了电流冲击；关断吸收器，通过限制电压的上升率来减小开关的关断损耗和电压尖峰。在任何吸收电路中有至少两个基本部件：吸收和复原部件，开通吸收器中最简单的吸收部件为一个与开关元件串联的电感；关断吸收器中最简单的吸收部件为一个与开关元件并联的电容。大多数吸收电路是以复原部件的不同来区分。

传统的消耗型吸收电路，如以电阻、电容和二极管组成的RCD吸收电路，用电阻来消耗吸收部件所吸收的能量，使其在下一个工作周期前复原。这种吸收电路减小了开关元件关断时的关断损耗和电压尖峰。但这是以高功率损耗为代价，所以不适合于大功率、高频率的电力变换应用中。美国专利说明书U.S.5,055,990描述了另一种消耗型吸收电路，它使用一个齐纳二极管作为消耗元件。该吸收电路抑制了开关元件的尖峰电压，但并不能减小开关损耗。

其它的一些吸收电路使用无损耗、无源复原元件。其中具有代表性的，在文献“晶体管变换器中低损耗吸收技术综述”，IEEE PESC 1982会议录第466至477页；“无损耗关断吸收电路应用于一正激变换器：分析、设计步骤和实验验证”，PCI 1985十月会议录第54至68页；美国专利说明书U.S.5,260,607和4,977,493中已详细描述。所有这些吸收电路存在一共同缺点，它们的关断吸收部件并不是直接跨接在开关元件上。由于体积和线路杂散电感的限制，在大功率高频电力变换应用中这不是一个理想的特性。

美国专利说明书U.S.5,075,838详细描述了另一种使用无源复原元件的吸收电路。虽然其吸收部件是直接跨接在开关元件上，它的应用只局限于低频大功率半桥型电路。这是因为在其一最好方式中，一个只有1.4伏复原电压的变压器需要很长的复原时间。虽然在另一个最好方式中，变压器的初级串接了一个电容来加速复原过程，但是这个电容本身还需要一个与其并联的电阻来消耗掉它所吸收的能量。这个能量损耗使其不适合于高频电力变换应用。

美国专利说明书U.S.4,899,270描述了又一种不同的方法。在这个电路中，由于吸收电路与电力变换电路被集成在一起，其中的二极管和电容的额定标称值达到了变换电路的满功率值。另外这个电路也不提供能减小开关损耗的软开关特性。

许多有源吸收电路，为解决上述无源吸收电路中存在的各种问题被提出。有源吸收电路在吸收部件或复原部件中包含有一个或多个附加开关元件。美国专利说明书U.S.5,130,917介绍了一种含有源吸收部件的吸收电路。在绝大多数吸收电路中，当主开关元件关断时，切换到吸收部件的电流最大可达满负载电流值。由于吸收电路的目的是减小主开关元件的开关应力，如果吸收电路中的附加开关元件也需承受满负载电流，吸收电路将不切实际，至少不是最优化的。

在文献“晶体管变换电路低损耗吸收技术综述”，IEEE PESC 1982会议记录，第466至477页，以及美国专利说明书U.S.4,438,486和5,379,206中，详细描述了其它一些使用有源复原部件的吸收电路。这些电路复原部件中都使用了一个附加开关元件来回收吸收部件吸收的能量。虽然这个附加开关元件中的电流远小于满负载电流，但附加开关上的应力和其可靠性又成为一个新的问题焦点。为此，许多具有减小附加开关应力的软开关吸收电路应运而生。文献“用于高频开关应用的开关型吸收电路”，IEEE PESC 1990会议记录，第181至188页中所描述的一个软开关有源吸收电路代表了一种类型的软开关有源吸收电路。但其中，吸收电路中的能量没有极小化。吸收电路附加开关中的峰值电流最高可达到满负载电流。为保持主开关和附加开关的软开关特性，续流二极管中的电流被加倍。同时一个较大的，不属于电力变换电路固有运作的反向电流被引入到主开关元件中，导致主开关元件有效使用率下降。