一种用于减弱电压转换器中的开关阶段的电路制造技术

本公开涉及一种用于将来自电源的电流提供到负载的电路。换向单元包括主开关，该主开关控制由电源施加到负载的电压。当负载通过主开关与电源断开时，反向开关保持负载中的电流。当主开关再次将负载连接到电源时，反向开关将负载电流返回到主开关。所公开的电路配置减少了恢复电流、损耗和电磁损耗。同步控制器控制主开关和反向开关(opposite switch)的断开和闭合顺序。所公开的电路可以提供DC‑DC电压转换器。组合两个这样的电路可以提供DC‑AC电压转换器。

A circuit for weakening the switching stage in a voltage converter

The present disclosure relates to a circuit for supplying a current from a power supply to a load. The commutation unit includes a main switch which controls the voltage applied to the load by the power supply. When the load is disconnected from the power supply through the main switch, the reverse switch maintains the current in the load. When the main switch again connects the load to the power supply, the reverse switch returns the load current to the main switch. The circuit configuration disclosed reduces the recovery current, loss and electromagnetic loss. The synchronous controller controls the disconnection and closing sequence of the main switch and the reverse switch (opposite switch). The disclosed circuit can provide a DC DC voltage converter. A combination of two such circuits can provide a DC AC voltage converter.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于减弱电压转换器中的开关阶段的电路
电力电子
本公开涉及电力电子领域。更具体地，本公开涉及用于减弱电压转换器中的开关阶段的电路。
技术介绍
换向单元通常用在需要电压源转换的电子系统中，包括DC-DC和DC-AC转换器。这些换向单元是基于使用电力电子开关，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。图1是MOSFET的示意图。所示出的MOSFET10具有漏极、栅极和源极，并且由经由栅极电阻器RG连接到栅极的栅极驱动器14施加的信号12来控制。众所周知，MOSFET10包括寄生(或杂散)电容，例如漏极和栅极之间的CGD，栅极和源极之间的CGS以及漏极和源极之间的CDS。通常将电容CGD、CGS和CDS的总和称为MOSFET10的输出电容COSS。在漏极和源极之间存在寄生二极管Dp。当电流从漏极到源极在MOSFET10中流动时，电流可以在二极管Dp中以相反的方向流动。MOSFET10与电路的连接在其漏极产生寄生电感LD，在其源极产生LS。MOSFET10的寄生元件的存在极大地影响了其开关动作。MOSFET10是本领域普通技术人员所熟知的，在此不再赘述。图2是常规的基于MOSFET的DC-DC转换器的电路图。在电路20中，来自具有电压Vin的电源22的电力被转换成施加到负载(在图2中被示为LOAD)的另一个DC电压。LOAD可以由纯电阻元件组成，或者也可以包括电容和/或电感元件。与LOAD并联放置的电容器Cout以及与LOAD串联放置的电感器Lout形成滤波器，该滤波器对反向二极管Do两端的电压进行平均，这将在下文中进行描述，使得LOAD上的电压保持相当恒定。电路20包括换向单元和控制部件(在下面详细描述)，并且控制由电源22施加到LOAD的电压。电路20的换向单元包括主开关Qm，例如其可以由通过栅极驱动器(未示出，但在图1中示出)控制的MOSFET或类似电力电子开关以及反向二极管Do组成。换向单元还包括与电源22并联的等效电源电容器(未示出)和用于在LOAD中流动的电流Iout的等效电流源(未具体示出)。当主开关Qm被断开时，电流Iout从LOAD通过反向二极管Do流出，并返回到LOAD，如箭头202和204所示。当主开关Qm被闭合时，电流Iout流动通过主开关Qm和电源22，并返回到LOAD，如箭头206、208和再次204所示。当主开关Qm被闭合时，其漏极和源极之间的电压为零(或基本上为零)，整个电压Vin，例如450伏直流，被施加在反向二极管Do两端。然而，其目的是使用图2的电路将受控的DC电压施加到LOAD，该受控的DC电压低于电源22的电压Vin。为此，换向单元快速地接通和断开，并且换向单元的占空比控制施加到LOAD的有效电压。施加在LOAD上的电压等于占空比乘以电源22的电压Vin。电路20的辅助部件包括辅助电容器Caux、辅助电感器Laux、二极管D1、D2和D3以及辅助开关Qa。首先，当主开关Qm导通整个电流Iout(见箭头206)时，其漏极和源极之间的电压为零。那时，辅助电容器Caux上的电压基本上等于Vin。断开主开关Qm，电流Iout在辅助电容器Caux中逐渐偏离(箭头210)。因此，电压斜率受到限制，因此允许Qm在几乎为零的电压下关断，由此减少主开关Qm中的开关损耗。然后，当主开关Qm断开时，辅助开关Qa(例如另一个MOSFET)闭合，准备再次闭合主开关Qm。通过辅助开关Qa施加的电压在辅助电感器Laux上逐渐偏离。因此，电流斜率受到限制，并因此允许Qa在几乎为零的电流时导通，由此减少辅助开关Qa中的开关损耗。电流Iout的一部分现在经由辅助电感器Laux被引导到该辅助开关Qa，参见箭头212和214。辅助电感器Laux限制辅助开关Qa两端的电压，以使开关损耗最小化。当辅助开关Qa两端的电压降低时，其变为闭合，其电流变化di/dt增加，导致辅助电感器Laux两端的电压也增加。当辅助开关Qa变为完全导通时(即当其完全闭合时)，电压Vin基本上出现在辅助电感器Laux上，并且电流变化量di/dt等于Vin除以辅助电感器Laux的值。直到此刻，电流Iout的至少一部分沿着箭头202流过反向二极管Do，电压最初处于零或接近零。当整个电流Iout流过辅助开关Qa(箭头214)时，恢复电流在反向二极管Do中以与箭头202的方向相反的方向开始反向流动。在反向二极管Do中的恢复电流的速率是Vin除以Laux。迅速地，一旦在反向二极管Do的PN结上积累的电荷被撤回，则反向二极管Do被阻塞，并且在辅助电感器Laux和反向二极管Do、主开关Qm和另一二极管D2的寄生电容(未示出)之间通过辅助电容器Caux开始谐振。据观察，辅助电容器Caux远大于二极管D2的寄生电容。经过四分之一个谐振周期后，这些电容器中累积的能量传输到辅助电感器Laux。因为反向二极管Do现在被阻断并且由于与上述电容器的谐振已经发生了四分之一周期，所以其上的电压等于Vin。因此主开关Qm上的电压为零，从而允许将该主开关Qm闭合在零电压。然后断开辅助开关Qa以限制辅助电感器Laux中的损耗。流过辅助开关Qa的电流逐渐偏离到辅助电容器Caux。因此，电压斜率受到限制，并因此允许Qa在几乎为零的电压下关断，由此减小辅助开关Qa中的开关损耗，由此减少辅助开关Qa中的开关损耗。如上所述，辅助电容器Caux上累积的电荷将在另一个周期中在后者开关断开时传送到主开关Qm。在辅助电容器Caux中没有花费大量的能量。辅助电感中的电流在由开关Qa断开时在其中流动的电流和由辅助电感器Laux划分的被定义为源电压Vin的辅助电感di/dt中的电流变化所决定的时间之后达到零。当断开辅助开关Qa时，由于以Vin除以Lau的比率的二极管D1中电流变化量di/dt，所以与电感器Laux串联的二极管D1中会有一个恢复电流。另一个恢复电流也会出现在二极管D3中，但是由于辅助电容器Caux很大，所以它将会很小。二极管D3两端的电压保持接近零。由于辅助开关Qa的输出电容COSS比二极管D1的寄生电容大，并且由于二极管D2小于二极管D1，所以二极管D2中的另一个恢复电流将非常小。然而，这些恢复电流是次要的，因为二极管D2和D3比反向二极管Do小得多。二极管D1提供软恢复，因为它大于二极管D2和D3，并且因为如上所述在Vin除以Laux的速率下以电流变化量di/dt关断。熟悉电路20的人将会认识到，其可以在从零到百分之百的范围中的占空比下操作，其中占空比被定义为开关的闭合时间在换向单元的整个周期时间的比率。然而，当占空比大于零时，要求允许完全闭合开关。如果占空比如此之大以防止辅助电容器Caux在主开关Qm断开时完全放电，则也需要防止开关的断开。图2的电路20具有以下缺点。首先，作为大二极管以及在全支路的情况下MOSFET的非常小的寄生二极管的反向二极管Do中的恢复电流在电路20中——主要在二极管本身以及在辅助电感器Laux以及辅助开关Qa中——产生显著的损耗，由于被加到负载电流之前的恢复电流。这些损耗影响电路20的效率并限制开关频率。这些损耗产生的热量在大多数情况下必须被消耗，并以有限的开关频率进行累加，这又影响基于电路20建立的转换器的物理尺寸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将来自电源的电流提供到负载的电路，所述电路包括：包括主开关的换向单元，被配置以控制由所述电源施加到所述负载的电压；反向开关，配备有寄生二极管，并且被配置以当负载通过主开关与电源断开时保持在负载中的电流并且当主开关再次将负载连接到电源时将负载电流返回到主开关；同步控制器，被配置以控制主开关和反向开关的断开和闭合顺序。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.06 US 62/188,9101.一种用于将来自电源的电流提供到负载的电路，所述电路包括：包括主开关的换向单元，被配置以控制由所述电源施加到所述负载的电压；反向开关，配备有寄生二极管，并且被配置以当负载通过主开关与电源断开时保持在负载中的电流并且当主开关再次将负载连接到电源时将负载电流返回到主开关；同步控制器，被配置以控制主开关和反向开关的断开和闭合顺序。2.如权利要求1所述的电路，还包括：由同步控制器控制的辅助开关；和辅助电感器，通过第一二极管将主开关连接到辅助开关。3.如权利要求2所述的电路，其中，所述辅助电感器被配置以在所述主开关被断开的同时限制所述辅助开关中流动的电流的变化，所述反向开关被闭合以维持所述负载中的电流，并且开始辅助开关的闭合。4.如权利要求3所述的电路，其中所述同步控制器被配置以在所述辅助开关的闭合之后断开所述反向开关，所述同步控制器计算在所述辅助电感器中流动的电流超过换向单元的输出电流之后用于断开所述反向开关的延迟。5.如权利要求4所述的电路，其中所述同步控制器被配置以计算用于断开所述反向开关的延迟，以减少所述反向开关的寄生二极管中的开关损耗。6.如权利要求4或5中任一项所述的电路，其中，所述同步控制器被配置以在所述辅助电感器中流动的电流达到最大值之后闭合所述主开关，然后断开所述辅助开关。7.如权利要求2至6中任一项所述的电路，包括通过第二二极管与所述辅助电感器和所述第一二极管并联连接的辅助电容器。8.如权利要求7所述的电路，其中所述辅助电容器通过第三二极管与所述反向开关并联连接。9.如权利要求7或8中任一项所述的电路，其中所述辅助电容器被配置以当所述辅助开关被断开时从所述辅助开...

【专利技术属性】
技术研发人员：JM西尔，J徐，M埃尔雅库比，J理查德，
申请(专利权)人：TM四股份有限公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA