具有带鉴流电感器的辅谐振电路的变换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明整体上涉及使用谐振来限制切换所需要的功率的功率变换器。
【背景技术】
[0002]在功率变换器中，由于没有组件具有理想特性所以会出现损耗。损耗将热引入功率电路，其除了消耗能量外，还将热应变引入所有组件中，减少它们的寿命。
[0003]增加功率变换器的操作频率是令人期望的，因为这样产生的输出随后可以被更加精确地控制。增加切换频率导致更低的切换纹波和更小的组件值，其反过来导致发明的更加紧凑、轻便和成本效益好的实施。另外，较低的切换纹波允许潜在地降低EMI，其与无干扰切换的目的匹配。另外，具有高的切换频率允许通过功率变换器产生更高的频率电流，扩大了适合变换器的应用的范围。
[0004]但是，增加频率也增加了切换损耗，因为大部分的损耗以切换周期为基础呈现。当电流流经晶体管或当晶体管上存在电势差时迫使晶体管变换(commutat1n)需要必须供给到晶体管的栅极的能量。这样，减少通过晶体管的电流或通过其的电压减少开关的总的功率输入并且因此减少输入系统的总功率。
[0005]减少通过特定开关的损耗的一种方式是在通过电容器的放电、通过电感元件产生电流的电路中增加谐振组件。应用该技术的电路被称为谐振变换器，并且使用谐振来促进变换的方法被称为软切换。一般有两种类型的软切换:低电压切换和低电流切换。低电压切换包含在变换前最小化电压差或电势差，其中低电流切换包含在切换前最小化通过开关的电流。
[0006]US 5047913 (De Doncker等)提供了一种软切换解决方案。De Doncker建议在谐振辅电路中使用受控制的开关来克服在功率变换器中的有源设备切换损耗的问题。在功率变换器中的损耗的减少使以更高切换频率操作成为可能。De Doncker描述了由于组件电阻、设备传导损耗和不充足的强制电势造成的相对导轨电压不足而使谐振输出电压可能下降。结果，在要打开的逆变器极的下一个切换设备可能在谐振电压的峰值切换，并且因此由于在非零电压打开而必须吸收一些切换损耗，包括从并联电容器上去除的能量。
[0007]所有的开关负载都导致电磁干扰(EMI)，并且在高电压应用中(例如有源滤波器)的EMI特别大。规范要求电子产品释放的EMI不超过特定值，并且因而产生较少的EMI是其自身的重要目标。在变换器或逆变器直接连接电网的应用中，EMI噪声可能导致的问题通常通过应用电磁兼容(EMC)滤波器来解决。EMC滤波器必须与变换器串联设置，从而处理全电流容量。通过最小化EMI，可以从变换器设计中去除EMC滤波器，这减少了电路的规模和成本。
[0008]谐振变换器包括每相位的两个主切换设备。切换设备具有其中并联的二极管。谐振变换器还包括辅谐振变换电路，该电路包括与电感器和电容器串联耦合的辅切换设备。当二极管从非导通状态切换到导通状态时，或从导通状态切换到非导通状态时，由于在二极管内存储的电荷载流子会有固有的恢复时间，所以直到在该节点的电荷耗尽二极管才获得其阻断能力，因此，在该恢复时间内，二极管可以在相反方向导通。
[0009]反向恢复时间通常在10 -1OOOns的范围内，在该时间内，反向恢复电流在相反方向流过二极管。
[0010]当反向恢复电流与电路的电抗元件一起产生谐波时，反向恢复电流携带增加的EMI噪声，当以高频切换大电流时这种效果可能非常显著。为了减少系统内的损耗量并且增加切换速度，具有谐振变换器将是有益的，在其中减少了二极管的反向恢复电流相关的问题。
【发明内容】
[0011]提供了一种谐振功率变换器。该谐振功率变换器包括DC电源、正DC导体、负DC导体、相导体和耦合在所述DC电源和所述相导体之间的功率变换单元，所述功率变换单元包括:耦合在所述正DC导体和所述相导体之间的第一开关，并且第一二极管与所述第一开关并联连接，耦合在所述负DC导体和所述相导体之间的第二开关，并且第二二极管与所述第二开关并联连接。
[0012]所述谐振功率变换器还包括耦合在所述DC电源上的馈电连接部和所述相导体之间的谐振辅切换电路。所述谐振辅切换电路包括:与控制装置串联耦合的至少一个电感器，用于控制所述谐振辅切换电路，并且所述辅二极管与所述控制装置串联耦合，其特征在于，所述电感器是鉴流电感器，其适于:在正常操作中通过电流流经该电感器变得饱和，以便减少电感器的感应系数。
[0013]由于流经辅二极管和鉴流电感器的反向恢复电流小于饱和电流，所以电感器工作在其线性区域，抑制电流的变化并且因而减少流过辅开关的反向恢复电流，然而在正常操作时，当辅切换电流流过电感器并且在正向流过辅二极管时，其迅速地变得饱和，使得电感器作为纯电阻组件。通过在闻频时弓I入闻感应系数和迅速饱和，可以有效地抑制具有闻频的反向恢复电流的变化，而不在正常操作时引入额外的感应系数。电路因而被实质上保护而不对变换器的性能产生任何负面影响。
[0014]根据谐振功率变换器的一个实施方式，鉴流电感器的感应系数适于在正常操作中饱和时被减少到小于50%。
[0015]根据一个实施方式，鉴流电感器的感应系数适于在正常操作中饱和时被减少到小于 20%。
[0016]根据一个实施方式，鉴流电感器与第二电感器串联，所述第二电感器适于当第一鉴流电感器大体上饱和时在正常操作中具有大体上恒定的感应系数。
[0017]根据一个实施方式，所述鉴流电感器适于:当反向恢复电流流经所述辅二极管和鉴流电感器时在其大体上的线性区域内操作，以及当在正常操作时大于反向恢复电流的电流在所述正向流动时以减少到小于在所述线性区域内的感应系数的50%的感应系数操作。
[0018]根据一个实施方式，鉴流电感器是包括适于在一定量的电流流经电感器后变得磁饱和的磁材料的电感器。所述磁材料可以是电感器的铁芯。
[0019]根据一个实施方式，所述非线性电感器适于通过大体上大于反向恢复电流且在正向流动的电流变得饱和，以便所述电感器作为具有小于第一感应系数的20%的感应系数的电感元件起作用。
[0020]根据一个实施方式，所述非线性电感器是鉴流电感器，包括适于在一定量的电流流经所述鉴流电感器后变得磁饱和的磁材料。实施所述鉴流电感器为包括适于变得磁饱和的磁材料的鉴流电感器是设计用于本发明目的的电路的便宜的、简单的和稳健的方式。磁材料是例如电感器的铁芯。
[0021]根据一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在0.5-50 μ H的范围内的感应系数的电感器；根据另一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在0.5-20 μ H的范围内的感应系数的电感器；根据另一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在1-10 μ H的范围内的感应系数的电感器；根据另一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在3-7 μ H的范围内的感应系数的电感器；根据另一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在4-6 μ H的范围内的感应系数的电感器。
[0022]根据一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在0.5-50Α的范围内的饱和电流的电感器；根据另一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在1-20Α的范围内的饱和电流的电感器；根据另一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在1-10Α的范围内的饱和电流的电感器；根据另一个实施方式，所述鉴流电感器是具有在3-7Α的范围内的饱和电流的电感器，从而使得电路适合中电压功率电子器件应用。
[0023]根据一个实施方式，第一和第二电感器是集成电感组件的一部分，所述集成电感组件包括第一电感器和第二电感器，第一电感器包括第一铁芯和环绕所述第一铁芯的至少一个导线绕组，而第二电感器包括第二铁芯和环绕所述第二铁芯的多个导线绕组。所述第一铁芯的质量小于所述第二铁芯，以便所述第一铁芯比所述第二铁芯在电流流经所述绕组时更快地磁饱和。所述集成电感组件是紧凑的和有目的的设计。
[0024]根据一个实施方式，第一铁芯的质量小于第二铁芯的质量的10%。
[0025]根据一个实施方式，第一和第二铁芯是环或圆环形状，并且所述第一铁芯至少部分地定位在所述第二铁芯的内侧。
[0026]根据一个实施方式，第二电感器的饱和电流超过第一电感器的饱和