[发明专利]三级软切换变换器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请是2000年8月31日提交的，序列号为09/652869，名称为“软切换全桥变换器”的专利申请，以及2001年2月5日提交的序列号为-＿＿＿，名称为“软切换全桥变换器”的专利申请的继续部分。

技术领域

本发明涉及一种电源变换器，特别是涉及一种高压电源变换器。

背景技术

通常，高电压电源变换应用需要带有高额定电压的切换元件，这是因为一个开关的额定电压由变换器的输入和/或输出电压来确定。例如，在传统的隔离的降压变换器中，即，在具有输出电压高于输入电压的变压器隔离的变换器中，初级切换元件上的电压应力由输入电压和变换器的布局确定。桥型布局的初级开关，比如半桥和全桥变换器经受等于输入电压的最小电压应力。然而，单端布局的电压应力，比如单开关前送和回送变换器上的电压应力明显高于输入电压。

实现高电压应用的高效率是一个主要设计的挑战，这需要通过仔细选择变换器布局和切换元件特性来使导通和切换损失最佳化。也就是说，较高额定电压的半导体开关，比如，MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)和BJT(双极面结型晶体管)与它们的具有较低额定电压对应物相比，展现了较大的导通损失。此外，在高电压应用中，切换损失也要增加。一般来说，采用各种谐振或软切换布局可以减少甚至消除切换损失。然而，减少导通损失的方案是非常有限的。实际上，一旦选择了具有用于所需额定电压的最低导通损失的布局和开关，可以进一步减小导通损失的方法就只能是使用一个可以利用具有较低额定电压，并因此具有较低导通损失的开关的布局。在称之为多级变换器的电路类别中，由于初级开关以比输入电压低得多的电压应力工作，因此多级变换器是高电压应用的一个自然选择。迄今为止，文献中已经公开了大量的多级直流/交流和直流/直流变换器。

作为一个实例，图1示出了一个三级、零电压切换(ZVS)直流/直流变换器，该变换器已经在“用于高输入电压的DC/DC变换器：具有V_IN/2的峰值电压的四个开关，电容性强行断开，和零电压接通”一文中作了介绍，该文的作者是Barbi等人，并且公开于IEEE Power ElectronicsSpecialists’Conf.Rec，pp.1-7，1998。图1中的变换器提供了所有四个初级开关的ZVS导通以及用具有限制到V_IN/2的初级开关的电压应力的脉宽调制(PWM)工作的稳频。然而，由于图1中的电路依赖于变压器TR的漏感中存储的能量建立开关Q₂和Q₄的ZVS的条件，因此仅能够在全负载的非常有限的负载范围内实现开关Q₂和Q₄的ZVS，除非漏感明显增加，或者增加一个与变压器初级绕组串联的相当大的外部电感。应该指出，在图1中，电感器L的电感代表变压器的漏感和外部附加电感(如果有的话)的总和。与初级绕组串联的电感的增加对电路性能具有有害影响，因为它减少了有效的次级占因数，并且因电感与不导通的次级整流器的结电容的交互感应作用而产生严重的寄生鸣响。一般来说，次级占空因数的减少需要通过减少变压器的匝数比来补偿，这又增加了初级的导通损失，因为进入变压器初级的反射负载电流也被增加。为了衰减寄生鸣响，需要一个重次级消声器电路，从而使变换效率进一步恶化。

作为另一个实例，图2示出了三级、软切换直流/直流变换器，该变换器已经在“一种零电压切换三级DC/DC变换器”一文中说明，作者是Canales等人，公开于Proceedings of IEEE International Telecommunications EnergyConference(INIELEC)，pp.512-517，2000。图2中的三级变换器的特点也是所有开关Q1至Q4的ZVS导通。此外，通过使用“跨接电容”C_B，也以具有移相控制的稳频操作为特性。图2的电路利用输出滤波器电感器中存储的能量实现外侧开关Q1和Q4的ZVS，以及利用变压器的漏感中存储的能量实现内侧开关Q2和Q3的ZVS。所以，外侧开关的ZVS可以在一个宽负载范围内实现，而内侧开关的ZVS范围则非常有限，除非明显增加漏感，和/或附加一个与初级绕组串联的大外部电感。如上所述，漏感增加和/或附加外部电感器对电路性能具有有害影响。