专利名称：通过零电压开关的功率转换的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率转换器的领域，更具体地涉及在功率转换器的电气线圈两端配置有可切换电路的功率转换器。
背景技术：
功率转换系统接收输入直流(DC)或交流(AC)功率，并且将其转换成通常呈现与输入功率不同的电压的DC或AC输出功率。输出功率的控制可响应于输出电压或输出电流。也称为分步升压(step-up)转换器的升压转换器是输出电压大于其输入电压的功率转换器。升压转换器是包含至少第一电控开关(例如，晶体管)、至少第一储能元件(例如，电气线圈)、以及附加元件(诸如二极管或第二电控开关)的一类开关模式电源。通常，电控开关和二极管配置在电气线圈和输出之间，其电流交变地汲取以响应于第一电控开关闭合 对电气线圈充电、并且响应于第一电控开关打开传递到负载。当电流传递到负载时，其流过二极管或第二电控开关。也称为分步降压(step-up)转换器的降压转换器是输出电压小于其输入电压的功率转换器。降压转换器是包含至少第三电控开关(例如，晶体管)、至少第二储能元件(例如，电气线圈)、以及附加元件(诸如二极管或第四电控开关)的一类开关模式电源。通常，电控开关和二极管配置在输入电源和电气线圈之间，其电流交变地汲取以响应于第三电控开关闭合通过负载对电气线圈充电、并且响应于第三电控开关打开继续至负载从而使电气线圈放电。当电气线圈放电给负载时，二极管或第四电控开关与电气线圈串联。反激(flyback)转换器是输出电压可大于或小于输入电压的转换器。反激转换器是包括至少一个电控开关、包含至少一个电气线圈由此电压比倍增且具有隔离的附加优点的储能元件(具体是变压器)、以及至少一个附加元件(诸如二极管和/或附加电控开关)的一类开关模式电源。通常，变压器的初级电气线圈连接在电控开关和输入电压之间，而变压器的次级电气线圈连接在附加元件和输出之间。功率转换器的以上列表旨在说明多种拓扑结构，然而这不旨在以任何方式进行限制。对高密度仪器的增长需求不断地要求电源具有更高的开关频率。开关频率越高，电源的预定额定值越小，并且电源的动态响应越快。各种开关拓扑结构中的损耗至少部分地归因于开关损耗，即在电控开关之一从截止状态(即，断开)变成导通状态(即，闭合)、并且从导通状态变成截止状态时。电控开关的开关瞬态的有限持续时间、以及两端的非零电压和流过的电流导致开关的开关损耗。随着开关频率增大，与开关相关联的损耗的相关部分增大。零电压开关(ZVS)被定义为在开关两端的电压处于零或接近于零时将开关的状态从截止状态变成导通状态。ZVS在开关闭合期间显著地降低开关损耗的量。1987年6月9日授权给Newton的美国专利S/N. 4，672，303阐述了通过提供降压转换器嵌入式开关的零电压开关而在高频下具有减少的开关损耗的DC/DC转换器，该专利的全部内容通过引用结合于此。不幸的是，该配置要求DC/DC转换器的工作频率随着减小的负载而增大，否则电气线圈中的峰到峰电流将与负载无关，并且即使在小负载的情况下大电流也可在输入和输出之间流通。2006年12月26日授权给Vinciarelli的美国专利S/N. 7，154，250阐述了具有箝位相的降压-升压DC-DC开关功率转换装置，该专利的全部内容通过引用结合于此。不幸的是，Vinciarelli的方法不适用于宽泛范围的转换器，因为其要求箝位相通过特定配置供应、以及开关设备的时序用于对电气线圈充电和放电。期望的且现有技术未提供的是，实现允许在宽泛范围的负载和输入电压条件下的固定工作频率的零电压开关的方法。概述因此，本发明实施例的主要目的是克服现有技术的至少一些缺点。这在特定实施例中通过以下配置来提供电气线圈存储元件(在特定实施例中为变压器的绕组)中的电流通过与电气线圈存储元件相关联的短路状况来维持，从而电气线圈的电流随时间的变化被设为接近于零，该短路状况与用于进行功率转换器的能量转移功能的开关无关地实现。维持该状况以实现零电压开关状况。优选地，零电压开关状况由此以固定的转换器开关频率 实现，而不管输入电压和输出负载如何。在不例性实施例中设置附加电气线圈，在一个实施例中该附加电气线圈是磁耦合到第一电气线圈的变压器的附加绕组，并且在该附加电气线圈两端产生短路状况。在一个特定实施例中，零电压开关状况通过将流过存储元件的电流调节成大到足以使与要导通的开关相关联的电容放电。在一个优选实施例中，该配置是非耗散性的，即来自相关联电容的放电能量再循环到该电路中。在一个优选实施例中，控制为了实现零电压开关状况而形成的电流的量，以使其不超过实现ZVS实际所需的最小电流。在一个优选实施例中，该配置在对带宽不引入任何附加约束的情况下提供零电压开关状况。根据以下附图和描述，本发明的附加特征和优点将变得显而易见。
为了更好地理解本发明并示出如何实现本发明，现在将纯粹作为示例地参考在全文中类似的附图标记指示相应的元件或部分的附图。现在详细地具体参考附图，要强调的是所示的细节只是作为示例并出于本发明的优选实施例的说明性讨论的目的，并且在提供被认为是对本发明原理和概念方面的最有用和容易理解的描述的过程中得以呈现。在这点上，并未试图详细地示出基本理解本发明所需以外的本发明的结构细节，结合附图的描述使得本发明的若干形式可如何在实践中具体化对本领域技术人员而言是显而易见的。在附图中图IA示出现有技术的同步降压转换器的高级示意图；图IB示出作为根据现有技术的同步降压转换器的图IA的降压转换器的操作的曲线图；图IC示出根据现有技术的其中电气线圈电流每一周期变负的图IA的降压转换器的操作的曲线图；图2A示出根据特定实施例的同步降压转换器的高级示意图，该同步降压转换器包括产生短路状况的与电气线圈相关联的双向开关；图2B示出根据特定实施例的图2A的同步降压转换器的操作的曲线图3A示出根据特定实施例的具有一对磁耦合电气线圈的同步降压转换器的高级示意图；图3B示出根据特定实施例的图3A的同步降压转换器的操作的曲线图；图3C示出根据特定实施例的具有一对磁耦合电气线圈而在短路回路中没有电容器的同步降压转换器的高级示意图；图3D示出根据特定实施例的图3C的同步降压转换器的操作的曲线图；图4A示出根据特定实施例的具有一对磁耦合电气线圈的同步升压转换器的高级示意图；图4B示出根据特定实施例的图4A的同步升压转换器的操作的曲线图；图4C示出根据特定实施例的具有一对磁耦合电气线圈而在短路回路中没有电容 器的同步升压转换器的高级示意图；图4D示出根据特定实施例的图4C的同步升压转换器的操作的曲线图；图5A示出根据特定实施例的具有一对磁耦合电气线圈的同步反激转换器的高级示意图；图5B示出根据特定实施例的图5A的同步反激转换器的操作的曲线图；图5C示出根据特定实施例的具有多个磁耦合电气线圈而在短路回路中没有电容器的同步反激转换器的高级示意图；图示出根据特定实施例的图5C的同步反激转换器的操作的曲线图；图6A示出根据特定实施例的具有多个磁耦合电气线圈的单端前向转换器的高级示意图；图6B示出根据特定实施例的图6A的单端前向转换器的操作的曲线图；图7示出根据现有技术的全桥相移转换器的高级示意图；图8A示出根据特定实施例的具有多个磁耦合电气线圈的推挽转换器的高级示意图；图SB示出根据特定实施例的图8A的推挽转换器的操作的曲线图；图9A示出根据特定实施例的具有多个磁耦合电气线圈的半桥转换器的高级示意图；图9B示出根据特定实施例的图9A的半桥转换器的操作的曲线图；图IOA示出具有多个磁耦合电气线圈且在输出端具有同步整流器的推挽转换器的闻级不意图；图IOB示出根据特定实施例的图IOA的推挽转换器的操作的曲线图；图IlA示出根据特定实施例的具有多个磁耦合电气线圈、在输出端具有同步整流器的半桥转换器的闻级不意图；图IlB示出根据特定实施例的图IlA的半桥转换器的操作的曲线图；以及图12示出根据特定实施例的适于图3A的同步降压转换器的控制电路的高级示意图。
具体实施例方式在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解本发明在其申请中不限于构造细节、以及在以下描述中阐述或在附图中示出的组件的配置。本发明适用于其他实施例，或者以各种方式实践或执行。同样，应当理解本文中所采用的用语和术语是处于描述的目的，而不应当被视为是限制性的。本发明在本文中针对多种转换器(具体地降压转换器、升压转换器、反激转换器、单端前向转换器、推挽转换器、以及半桥转换器)进行描述，然而这不旨在以任何方式进行限制，并且本发明的教义同样适用于任何功率转换器配置。图IA示出现有技术的同步降压转换器的高级示意图，该同步降压转换器包括输入电容器10、第一电控开关20、第二电控开关30、电气线圈40、以及输出电容器50。第一和第二电控开关20和30被示为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NM0SFET)，然而这不旨在以任何方式进行限制。输入电容器10连接在标示为VIN的输入电压两端。与VIN的正侧相关联的输入电容器10的第一端连接到第一电控开关20的漏极。输入电容器10的第二端连接到第二电控开关30的源极，并且连接到输出电容器50的第一端。第一电控开关20的源极连接到第二电控开关30的漏极，并且连接到电气线圈40的第一端，该结标示为结25。电气线圈40的第二端连接到输出电容器50的第二端。标示为VOUT的输出电压在输出电容器50两端产生,其正极与电气线圈40的第二端相关联。第一和第二电控开关20和30的栅极连接到现有技术的控制电路(未示出)。从结25测量的与VOUT有关的电气线圈40两端的电压标示为VL，而从结25流过的电流标示为IL。图IB示出作为根据现有技术的同步降压转换器的图IA的降压转换器与配置成驱动第一和第二电控开关20、30的控制电路协作操作的曲线图，其中X轴表示时间而y轴分别以任意单位表示电压和电流。图IC示出作为根据现有技术的同步降压转换器的图IA的降压转换器与配置成驱动第一和第二电控开关20、30的控制电路协作操作的曲线图，其中X轴表示时间而y轴分别以任意单位表示电压和电流。图IB和IC的曲线图示出第一和第二电控开关20和30的栅极-源极电压、电气线圈40两端的电压VL、以及电气线圈40的电流IL。为了简便起见，图IB和IC分别将与图IA—起描述。在如图IB所示的操作中，在时刻Tl，电气线圈40两端的电压VL等于-V0UT，由此结25处的电位为零。首先，电控开关20导通，由于结25处的电压为零，因此其导通未处于零电压开关(ZVS)。在时刻Tl之后，当VIN通过第一电控开关20连接到结25时，电气线
圈40的电流IL根据等式
权利要求
1.一种功率转换器，包括 控制电路； 第一电气线圈； 与所述第一电气线圈相关联且响应于所述控制电路的第一电控开关，所述第一控制开关配置成响应于所述第一电开关的闭合状态使所述第一电气线圈充电；以及 配置成当第二电控开关闭合时在所述第一电气线圈两端呈现实质短路的所述第二电控开关，所述第二电控开关响应于所述控制电路、并且未配置成使所述第一电气线圈充电或放电。
2.如权利要求I所述的功率转换器，其特征在于，所述控制电路被配置成只在所述第一电控开关两端呈现实质上为零的电压时闭合所述第一电控开关。
3.如权利要求2所述的功率转换器，其特征在于，所述控制电路被配置成只在所述第二电控开关两端呈现实质上为零的电压时闭合所述第二电控开关。
4.如权利要求I所述的功率转换器，其特征在于，所述控制电路被配置成只在所述第二电控开关两端呈现实质上为零的电压时闭合所述第二电控开关。
5.如权利要求I所述的功率转换器，其特征在于，还包括 磁耦合到所述第一电气线圈的第二电气线圈， 其中所述第二电控开关连接到所述第二电气线圈，从而在所述第二电气线圈两端呈现实质短路，所述第二电气线圈两端的所述短路反映给所述第一电气线圈，由此在所述第一电气线圈两端呈现所述实质短路。
6.如权利要求5所述的功率转换器，其特征在于，还包括响应于所述控制电路的第三电控开关，所述第三电控开关配置成与所述第二电控开关协作以呈现所述第二电气线圈的所述实质短路。
7.如权利要求6所述的功率转换器，其特征在于，所述控制电路被配置成只在所述第三电控开关两端呈现实质上为零的电压时闭合所述第三电控开关。
8.如权利要求I所述的功率转换器，其特征在于，所述控制电路被配置成响应于通过所述第一电气线圈的电流预定值呈现所述实质短路。
9.如权利要求8所述的功率转换器，其特征在于，所述控制电路包括呈现周期的脉宽调制功能，并且其中所述控制电路被配置成维持所述实质短路直至所述周期中的预定时间点。
10.如权利要求I所述的功率转换器，其特征在于，所述功率转换器是降压转换器、升压转换器、反激转换器、前向转换器、推挽转换器、以及半桥转换器之一。
11.一种功率转换的方法，所述方法包括 设置第一电气线圈； 使所设置的第一电气线圈交替地充电和放电；以及 响应于预定值的电流通过所述第一电气线圈，经由至少一个开关在所述第一电气线圈两端呈现实质短路，在所设置的第一电气线圈的所述交替充电和放电中不涉及所述至少一个开关。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括 设置第一电控开关，所述第一电控开关配置成响应于所设置的第一电开关的交替打开和闭合状态提供所述第一电气线圈的交替充电和放电；以及 监控所设置的第一电控开关两端的电压， 其中所设置的第一电控开关的所述状态变化只在所设置的第一电控开关两端呈现实质上为零的电压时出现。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括 设置第二电控开关，所述第二电控开关配置成响应于所设置的第二电开关的闭合状态呈现所述实质短路；以及 只在所设置的第二电控开关两端呈现实质上为零的电压时闭合所述第二电控开关。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括 设置第二电控开关，所述第二电控开关配置成响应于所设置的第二电开关的闭合状态呈现所述实质短路；以及 只在所设置的第二电控开关两端呈现实质上为零的电压时闭合所述第二电控开关。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括 设置磁耦合到所设置的第一电气线圈的第二电气线圈， 其中所述第一电气线圈两端的所述实质短路被呈现为反映所设置的第二电气线圈两端所呈现的实质短路。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括 设置第三电控开关； 其中在所设置的第二电气线圈两端形成的所述实质短路至少部分地响应于所设置的第三电控开关的闭合状态。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，只在所述第三电控开关两端呈现实质上为零的电压时才进入所述第三电控开关的所述闭合状态。
18.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所设置的第一电气线圈的所述交替充电和放电根据预定周期进行，并且其中所呈现的实质短路被维持直至所述预定周期的预定时间点。
19.一种功率转换器,包括 控制电路； 用于能量转移的电感装置； 与用于能量转移的所述电感装置相关联且响应于所述控制电路的第一电控开关，所述第一控制开关配置成响应于所述第一电开关的闭合状态使用于能量转移的所述电感装置充电；以及 配置成当第二电控开关闭合时在所述第一电气线圈两端呈现实质短路的所述第二电控开关，所述第二电控开关响应于所述控制电路、并且未配置成使用于能量转移的所述电感装置充电或放电。
20.如权利要求19所述的功率转换器，其特征在于，所述控制电路被配置成只在所述第一电控开关两端呈现实质上为零的电压时闭合所述第一电控开关。
全文摘要
功率转换器包括控制电路；第一电气线圈；与第一电气线圈相关联且响应于控制电路的第一电控开关，该第一控制开关配置成响应于第一电开关的闭合状态使第一电气线圈充电；以及配置成当第二电控开关闭合时在第一电气线圈两端呈现实质短路的第二电控开关，该第二电控开关响应于控制电路、并且未配置成使第一电气线圈充电或放电。
文档编号H02M3/158GK102714463SQ201180006916
公开日2012年10月3日 申请日期2011年1月16日 优先权日2010年1月23日
发明者莫什·卡雷赫施特因 申请人:莫什·卡雷赫施特因