功率逆变器的制作方法

专利名称：功率逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率电路，尤其是将直流功率转换为交流功率的逆变器电路。
背景技术：
功率逆变器电路将直流功率转换为交流功率，在很多系统中具有广泛应 用。例如，功率逆变器常用于驱动液晶显示器中的冷阴极荧光灯。
图10和11示出了现有技术的两个功率逆变器电路，它们的工作方式是功
率逆变器电路领域的公知常识。这种电路可能会产生电压尖峰问题。例如，如
图11中所示的推挽式逆变器电路可能会产生输入电压V!N三到四倍的阻尼振
荡电压(ringingvoltage)。因此，通常需要使用吸收电路(snubber)来抑制振 荡。但是一般这种吸收电路都会耗散能量。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种DC/AC功率逆变器，该逆变器无 需使用吸收电路且没有电压尖峰问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案包括 一种电路，包括电 容，具有第一端和第二端；第一开关器件，具有第一端，连接到所述电容第一 端，以及具有第二端；第二开关器件，具有第一端，连接到所述电容第二端， 以及具有第二端；第一初级绕组，具有第一端，连接到所述电容第一端，以及 具有第二端，连接到所述第二开关器件第二端；第二初级绕组，具有第一端， 连接到所述电容第二端，以及具有第二端。
作为本发明的一种优选方案，所述的第一初级绕组具有从第一初级绕组的 第一端到第一初级绕组的第二端的第一压降；第二初级绕组具有从第二初级绕 组的第一端到第二初级绕组的第二端的第二压降；其中第一压降和第二压降具 有相同的代数符号。
作为本发明的一种优选方案，所述的电路还包括地线，连接到所述第一开
关器件的第二端和所述第二初级绕组的第二端。
作为本发明的一种优选方案，所述的电路还包括DC电压源， 一端连接到第一初级绕组的第二端和第二开关器件的第二端，另一端连接至地线。
作为本发明的一种优选方案，所述的电路还包括一控制电路使所述第一开
关器件和第二开关器件具有交错的导通时间。
作为本发明的一种优选方案，其中所述的第一压降基本等于第二压降。
作为本发明的一种优选方案，所述的电路还包括次级绕组磁性耦合至所述 第一和第二初级绕组。
作为本发明的一种优选方案，所述的电路还包括冷阴极荧光灯，耦合至所 述次级绕组。
作为本发明的一种优选方案，所述的电路还包括DC电压源，连接到第一 初级绕组的第二端和所述第二开关器件的第二端。
作为本发明的一种优选方案，所述的电路还包括谐振回路，连接至所述次
级绕组。
作为本发明的一种优选方案，其中所述的第一开关器件包括nMOSFET。
作为本发明的一种优选方案，其中所述的第二开关器件包括二极管。 作为本发明的一种优选方案，其中所述的第二开关器件包括nMOSFET。 作为本发明的一种优选方案，其中所述的第二开关器件包括pMOSFET。
作为本发明的一种优选方案，其中所述的电容为钳位电容。 本发明DC/AC功率逆变器无需使用吸收电路(snubber)，且没有电压尖峰， 降低了成本且提高了效率。


图1为根据本发明一实施方式的逆变器。
图2为根据本发明另一实施方式的逆变器。
图3为根据本发明又一实施方式的逆变器。
图4为图3所示实施方式的栅极电压波形图。
图5为根据本发明又一实施方式的逆变器。
图6为图5所示实施方式的栅极电压、节点电压和灯电流图。
图7为根据本发明又一实施方式的逆变器。
图8为图7所示实施方式的节点电压和栅极电压图。
图9为根据本发明又一实施方式的逆变器。图10和图11为现有技术的逆变器。
具体实施例方式
在下述的说明中，术语"一些实施方式"的范围不仅仅限定为一种以上的实 施方式，而是包括一种实施方式、 一种以上实施方式，或者还可以是全部的实
施方式。
图1为根据本发明一实施方式的功率逆变器电路。电源102为DC (直流 电)电源。节点(端口) 104的输出端为放电灯106提供AC (交流电)电压。 放电灯106可以是一冷阴极荧光灯(CCFL)。实施方式并不必然限定于用于驱 动灯管，也可以是驱动其他类型的负载。
绕组Tw， Tp2和Ts是变压器的绕组。绕组Tw和Tp2构成变压器的第一初 级绕组和第二初级绕组，绕组Ts构成变压器的次级绕组。如通常所示的变压 器符号一样，图1中所示的同名端的相对位置表示与各个绕组两端压降相关的 代数符号，该代数符号是由绕组TP1， 1>2和Ts共同磁耦合而产生的。g卩，使 第一压差等于直接连接电容CD的Tw (用点标注)的一端和直接连接电源102 的Tp,的另一端的压差，第二压差等于直接连接电容CD的Tp2 (用点标注)的 一端和直接接地的TP2的另一端的压差，第三压差等于直接连接电感L,的Ts 的(用点标注) 一端和直接接地的Ts的另一端的压差。因此由于图1所示的 同名端的相对位置，这三个压差具有相同的代数符号。
由于这些同名端的位置彼此相关，因此可以得知图1中所示的初级绕组所 有同名端可以同时移至其另一端。另外可以得知次级绕组Ts上的同名端位置 可以标在其另外一端。更通俗的说，上述说明中定义的第一和第二压差具有相 同的代数符号，但是不必然与第三压差具有相同的代数符号。
在一些实施方式中，如上所定义的绕组Tw和TP2的第一和第二压差基本 相等。在一些实施方式中，如下文讨论的图2，对电容Q)和绕组1WTp2进行
设计，电容CD取大容值作钳位电容，绕组Tw和Tp2的匝数相等，使得电容 CD两端的平均压差与输入电压V!n (电源102的电压)基本相等，绕组Tw两 端的压降与Tp2两端的压降基本相等。在这些实施方式中，开关108和110压 降不会超过2Vxn。
通过以与谐振电路的频率谐振的频率导通和关断开关器件108和110，由电源102产生DC功率，并将AC功率传递给灯106，其中谐振回路由电感L, 和电容Q构成。
图2为本发明另一实施方式，其中开关器件108为功率nMOSFET 202 (n 型金属氧化物场效应晶体管)，开关器件110为二极管204。图2中，控制电路 112不直接控制二极管204的运行。相应的，图1中控制电路112和开关器件 108和110之间的连接并不必然表示是直接的连接。
当nMOSFET202导通时，次级绕组Ts接收来自输入电源的能量和储存在 电容Cd中的能量。nMOSFET 202的漏-源电流是变压器励磁电感电流和由 引起的反射谐振电感电流的总和。在这种情形下，二极管204关断。
当nMOSFET 202关断时，由电感引起的反射电流流过二极管204继续 其谐振。n MOSFET 202的漏极电压此时升高至VIN+VC，其中Vc是电容CD 两端电压。电容CD可以被设计成足够大从而使Vc基本保持恒定且基本等于 VIN。因此，nMOSFET 202上的最大电压预计约为2V^。
流经二极管204的电流是励磁电流和由L引起的反射谐振电感电流的总 和。因为反射的谐振电感电流改变极性，因此流经二极管204的电流将不时降 为零。nMOSFET202的漏极电压也将降为ViN，且在此附近振荡。这种振荡可 能是由初级绕组TP1、 Tp2之间的漏电感和这些初级绕组和nMOSFET 202的寄 生电容引起的。
在高功率的应用中，流经二极管204的电流可能很大，由于功耗的原因， 可能会导致二极管204过热。在这种情形下， 一些实施方式用低漏-源导通阻 抗(Rds(ON))的MOSFET替代二极管204。如图3示出了一种实施方式，其 中开关器件108包括功率nMOSFET 302，开关器件110包括功率nMOSFET 304。它们各自的体二极管如图3所示。为了方便表示，nMOSFET 302和304 的栅极电压用由控制电路112提供的V,和V2分别表示，而不再详细显示连接 到功率nMOSFET 302和304栅极的控制电路。
在一些实施方式中，功率nMOSFET304的导通时间(功率nMOSFET304 被开启的时间)等于功率nMOSFET302的导通时间，其中驱动功率nMOSFET 302和304栅极的脉冲交错。与图11中现有技术的推挽式逆变器提供的对称电 压电流驱动相似，这种实施方式可以获得基本对称的电压和电流驱动谐振回 路。因此，功率nMOSFET302和304的电压不会超过2ViN,从而不需要吸收电路。
图4示出了一些实施方式中功率nMOSFET 302和304的栅极电压波形。 从图4可见，功率nMOSFET 302的栅极电压V！波形的周期，跟功率nMOSFET 304的栅极电压V2波形的周期相比平移了 180° (7T弧度)。两个波形具有相同 的导通时间。
图5示出了另一个实施方式，如图3实施方式一样，开关器件108包括一 功率nMOSFET，图5中标为502，但是开关器件110包括功率pMOSFET 504。 图6示出了图5实施方式中栅极电压波形V,和V2。需要注意的是，pMOSFET 504的导通时间与nMOSFET 502的导通时间相等。在这种情况下，pMOSFET 504和nMOSFET 502的导通过程也是交错的(不重叠)。因为pMOSFET 504 的源极节点连接(电源506的)电压V^，在一些实施方式中将栅极驱动电路 集成在控制器(例如控制电路112)上是可行的。图5所示的实施方式符合较 低或中等功率应用的要求。电容CD在某些时候也可以是钳位电容。
假设CD上的电压等于Vxn，图6示出了图5所示实施方式的稳态工作波 形。在图6中，"A"和"B"指的是图5中节点A和B的节点电压。 一个开关周
期展示了四种工作阶段。
在时间tl到t2之间的第一个工作阶段，中，功率pMOSFET504导通，而 功率nMOSFET 502关断，从而使得节点B的电压等于Vjn。节点A的电压被
钳在约为2VjN。初级绕组Tw和Tp2都接收正驱动电压V!n。因此，灯(负载)
电流将呈正方向增长。
在时间t2和t4之间的第二个工作阶段，pMOSFET 504和nMOSFET 502 都关断。它们的体二极管传导漏电感电流。节点A的电压被钳至地或2V^， 节点B的电压被钳至VjN或-VrN。
在时间t4到t5之间的第三个工作阶段，nMOSFET 502导通，pMOSFET 504 关断。节点A的电压为地电位，节点B的电压等于-VjN。初级绕组TP1和TP2 都接收负驱动电压-V^，灯电流将呈负方向增长。
在时间t5到t7之间的第四个工作阶段，pMOSFET 504和nMOSFET 502 都关断。在此阶段的运行跟上述的第二工作阶段的相似。
如图7中实施方式所示，如果Vjn小于pMOSFET 504所允许的最大栅-源 极电压，此时可以采用相对简单的电路来提供栅极电压。其中控制器702是功率逆变器电路领域公知的传统的推挽式控制器。在图7中，采用反相器电路704 和缓冲级(bufferstage) 706提供pMOSFET708的栅极电压。为了方便表示， 不显示与负载相关的电路(例如放电灯106和谐振回路I^和Q)。图8示出了 图7中电压G1， G2和G3相关的电压波形。
在一些实施方式中可以采用功率逆变器电路领域公知的半桥控制器。在一 些实施方式中，开关器件110为功率nMOSFET，采用半桥控制器以传统的方 式直接驱动栅极。在一些实施方式中，开关器件110为功率pMOSFET， 一些 实施方式可能采用传统的半桥控制器，如图9所示。
根据上述实施方式的逆变器电路比如图10和11所示的现有技术的逆变器 电路高效，因为跟这些现有技术的电路相比，本发明变压器原边所承受电压增 加了一倍，从而减少了一半初级的功率MOSFET的电流。另夕卜，与图ll中的 推挽式逆变器电路相比，本发明的一些实施方式不会产生某种程度的电压尖峰 信号，因为功率MOSFET上的最大电压被钳位在输入电压V^的两倍，而如
图11中所示的推挽式逆变器电路可能会产生输入电压V!N三到四倍的阻尼振
荡电压。
尽管用特定的语言将本发明主题描述为电路结构特征，但是在权利要求书 中的发明主题的定义并不仅仅限定在上述的特定的结构或运行方式，而是，上 述的特定的结构和运行方式是本发明权利要求实施方式的一种范例。相应的， 对所述实施方式的各种修改都将落入本发明权利要求所要保护的范围。
在本文中，"A连接B"的意思，例如其中的A或B可能是一个节点或者 元器件的一端，可以理解为A和B彼此连接使得A和B的电压电势基本相等。 例如，A和B可能通过一个互连(传输线)连接在一起。在集成电路技术中， 跟元器件本身的尺寸相比，互连可能非常短。例如，两个晶体管的栅极可能通 过多晶硅或铜互连连接在一起，其中多晶硅或铜互连的长度与栅极的长度类 似。在其他的例子中，A和B也可能通过一个开关彼此连接，例如传输门，从 而当该开关导通时，它们各自的电压电势基本相等。
在本文中，"A耦合到B"的意思可以理解为A和B以上述的方式彼此连 接，也可以是A和B并没有以上述的方式彼此连接，但是用元器件或者电路 同时连接A和B。这些元器件或者电路可能包括有源或者无源的元件，其中无 源元件本身可能是分布参数或集总参数的。例如A可能连接到一电路元件，依
10次连接至B。
在本文中，应该理解的是，图中示出的波形仅仅是出于清楚说明信号之间 的关系的目的，而不是说明实际电路中相关位置的实际波形与图中示出的完全 相同。
本发明中的各种电路元件或者模块，也可以理解为包括开关器件，从而可 以通过开关接入或者脱离较大电路，且这种电路元件和模块也可能被认为与该 较大电路连接。
权利要求
1、一种功率逆变器，包括电容，具有第一端和第二端；第一开关器件，具有第一端，连接到所述电容第一端，以及具有第二端；第二开关器件，具有第一端，连接到所述电容第二端，以及具有第二端；第一初级绕组，具有第一端，连接到所述电容第一端，以及具有第二端，连接到所述第二开关器件第二端；第二初级绕组，具有第一端，连接到所述电容第二端，以及具有第二端。
2、 根据权利要求1所述的功率逆变器，其特征在于， 第一初级绕组具有从第一初级绕组的第一端到第一初级绕组的第二端的第一压降；以及第二初级绕组具有从第二初级绕组的第一端到第二初级绕组的第二端的 第二压降；其中第一压降和第二压降具有相同的代数符号。
3、 根据权利要求2所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 地线，连接到所述第一开关器件的第二端和第二初级绕组的第二端。
4、 根据权利要求3所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 直流电压源， 一端连接到第一初级绕组的第二端和第二开关器件的第二端，另一端连接至地线。
5、 根据权利要求2所述的功率逆变器，其特征在于，还包括一控制电路， 使所述第一开关器件和第二开关器件具有交错的导通时间。
6、 根据权利要求2所述的功率逆变器，其特征在于，其中所述的第一压 降基本等于第二压降。
7、 根据权利要求6所述的功率逆变器，其特征在于，还包括地线，连接到所述第一开关器件的第二端和所述第二初级绕组的第二端。
8、 根据权利要求6所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 次级绕组磁性耦合至所述第一和第二初级绕组。
9、 根据权利要求8所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 冷阴极荧光灯，耦合至所述次级绕组。
10、 根据权利要求9所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 直流电压源，连接到所述第一初级绕组的第二端和所述第二开关器件的第二端。
11、 根据权利要求8所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 谐振回路，连接至所述次级绕组。
12、 根据权利要求11所述的功率逆变器，其特征在于，还包括地线，连接到所述第一开关器件的第二端和所述第二初级绕组的第二端。
13、 根据权利要求12所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 冷阴极荧光灯，连接至所述谐振回路和地线。
14、 根据权利要求13所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 直流电压源， 一端连接到第一初级绕组的第二端和所述第二开关器件的第二端，另一端连接至地线。
15、 根据权利要求2所述的功率逆变器，其特征在于，还包括 次级绕组磁性耦合至所述第一和第二初级绕组。
16、 根据权利要求1所述的功率逆变器，其特征在于，还包括一控制电路， 使所述第一开关器件和第二开关器件具有交错的导通时间。
17、 根据权利要求1所述的功率逆变器，其特征在于，所述的第一开关器 件包括nMOSFET。
18、 根据权利要求17所述的功率逆变器，其特征在于，所述的第二开关 器件包括二极管。
19、 根据权利要求17所述的功率逆变器，其特征在于，所述的第二开关 器件包括nMOSFET。
20、 根据权利要求17所述的功率逆变器，其特征在于，所述的第二开关 器件包括pMOSFET。
21、 根据权利要求1所述的功率逆变器，其特征在于，所述电容为钳位电容。
全文摘要
一种功率逆变器，具有第一开关器件，与变压器第一初级绕组串联，一第二开关器件，与第二初级绕组串联，其中第一开关器件和第一初级绕组的组合与第二开关器件和第二初级绕组的组合并联，一钳位电容，其第一端连接到第一初级绕组，第二端连接到第二初级绕组。
文档编号H02M7/48GK101521473SQ20081017418
公开日2009年9月2日 申请日期2008年11月6日 优先权日2008年2月25日
发明者任远程, 张军明, 磊 杜, 伟 陈 申请人:成都芯源系统有限公司