[发明专利]无损耗切换直流－直流转换器

摘要

一种新的无损耗切换直流－直流转换器，它具有多达4个可控开关的新颖无损耗切换时间控制，各个开关满足特定的电流－电压转换特性，以非常紧凑的尺寸以超高的效率而工作，并提供了诸如EMI噪声低、切换波纹电流小、以及改进了的可靠性之类的其它性能优点。

主权项

1.一种无损耗切换直流-直流转换器，用来将功率从连接在输入端子与公共输入端子之间的直流电压源提供到连接在输出端子与公共输出端子之间的直流负载，所述转换器包含：(1)输入电感器，其一个末端连接到所述输入端子；(2)输出电感器，其一个末端连接到所述输出端子；(3)中间电感器，其一个末端连接到所述公共输入端子和所述公共输出端子；(4)谐振电感器，其一个末端连接到所述中间电感器的第二末端；(5)输入电容器，其一个末端连接到所述输入电感器的第二末端，而所述输入电容器的第二末端连接到所述谐振电感器的第二末端；(6)输入开关，其一个末端连接到所述公共输入端子，而所述输入开关的第二末端连接到所述输入电感器的所述第二末端；(7)输出开关，其一个末端连接到所述公共输出端子，而所述输出开关的第二末端连接到所述输出电感器的所述第二末端；(8)互补输出开关，其一个末端连接到所述输出电感器的所述第二末端，而所述互补输出开关的第二末端连接到所述中间电感器的所述第二末端；(9)包含互补输入开关和辅助电容器的支路，所述互补输入开关的一个末端连接到所述辅助电容器的一个末端，而所述互补输入开关的其它末端和所述辅助电容器的其它末端包含所述支路的末端；(10)切换时间控制装置，用来为所述输入开关、所述互补输入开关、所述输出开关、以及所述互补输出开关提供开通和关断信号的精确图形，其间所述输入开关被开通的参考时间段为DTS，而其间所述输入开关被关断的互补时间段为D’TS＝(1-D)TS，其中D是一个完整开关操作周期TS中的可变和可控占空率，而D’是互补占空率；(11)用来将所述支路的所述末端连接到所述转换器的装置，从而在所述互补时间段D’TS内，通过所述支路的电流等于流入所述输入电感器的所述一个末端的电流与流入所述中间电感器的所述一个末端的电流之和减去流出所述输出电感器的所述一个末端的电流；其中，在所述参考时间段DTS内，没有电流流过所述支路，且在所述互补时间段D’TS内，仅仅交流电流流过所述支路；其中，所述输入开关、所述互补输入开关、所述输出开关、以及所述互补输出开关，是半导体电流双向切换器件，能够在开通状态下沿二个方向传导电流，并在关断状态下沿一个方向保持电压，且所述半导体电流双向切换器件被模型化为包含理想开关、寄生体二极管、以及寄生电容的并联连接；其中，所述转换器的直流-直流电压转换比线性依赖于所述操作占空率D；其中，所述切换时间控制装置包括所述半导体电流双向切换器件的精确电子控制操作，从而在各个相继的开关操作周期TS内得到二个过渡，即第一过渡D-D’和第二过渡D’-D，其中所述过渡的时间段比所述开关操作周期短，且所述切换时间控制装置如下提供了各个开关的控制信号：启动所述第一过渡D-D’，其方法是关断所述输入开关，且当所述互补输出开关上的电压被降低到0时，所述切换时间控制装置提供控制信号，以便互补输出开关在0电压下以0切换损耗被开通，且所述第一过渡一直持续到所述互补输入开关上的电压降低到0，此时，所述切换时间控制装置提供控制信号，以便所述互补输入开关也在0电压下以0切换损耗被开通，且所述第一过渡一直持续到通过输出开关的电流被降低到0，形成输出开关必须被关断的这一最后时刻从而完成第一过渡D-D’；启动所述第二过渡D’-D，其方法是在所述互补输入开关被关断之前，首先有意地开通所述输出开关，以便使所述谐振电感器中的电流提升一个额外的幅度，此幅度反比于所述谐振电感器的电感，正比于所述辅助电容器的直流电压与所述直流电压源的直流电压的电压差，且正比于其间所述输出开关与所述互补输入开关都被开通的这一提升子时间段，且当所述互补输入开关被关断时，在这一谐振子时间段内，发生跨越所述输入开关的寄生电容器的谐振放电以及跨越所述互补输入开关的寄生电容器的同时谐振充电，其中总的谐振电流包含3个明显不同的电流分量，第一个是具有所述上面定义的额外幅度的余弦谐振电流分量，第二个是正弦谐振电流分量，其幅度正比于所述辅助电容器的直流电压与所述直流电压源的直流电压的电压差，且反比于谐振电路的特性阻抗，此特性阻抗等于所述谐振电感器的电感与谐振电容的比率的平方根，此电容等于所述输入开关与所述互补输入开关的寄生电容器之和，而第三个是余弦谐振电流分量，其幅度等于所述输出开关被开通时刻所述谐振电感器中的起始电流值，而在所述输入开关的所述寄生电容器被完全放电的时刻，所述切换时间控制装置提供控制信号，以便所述输入开关在0电压下以0切换损耗被开通，从而完成所述谐振子时间段，且所述第二过渡随之以电流反转子时间段而持续，其间输入电容器的电流从等于输入电感器的电流被反转为沿相反方向流动的电流，其幅度等于中间电感器的电流，此时，通过互补输出开关的电流被降低到0，形成互补输出开关必须被关断的这一最后时刻从而完成第二过渡D’-D；其中，所述谐振电容明显地大于跨越所述输出开关和所述互补输出开关的寄生电容器的电容，从而由所述切换时间控制装置基于所述半导体电流双向切换器件的精确图形而提供无损耗切换周期；在这一无损耗切换周期内，电荷以无损耗的方式在各个寄生电容器之间转移，而在所述第二过渡D’-D内，在所述互补输入开关被关断之前，所述输出开关按需要被尽早开通，以便所述谐振电感器中的足够的额外能量存储来增大所述谐振电感器中的峰值谐振电流，只是足以使所述输入开关的所述寄生电容器能够完全放电到0V，并以降低了的切换损耗和施加到所述半导体切换器件上的电压应力以及具有降低了电磁干扰的所述转换器的提高了的效率，完成所述第二过渡D’-D，且当所述占空比D大大低于0.5且如整流用交流线路电压中那样所述直流电压源非常高时，所述无损耗切换对于直流-直流转换是特别有效的，此时现有技术的软切换无效。