[发明专利]电压箝制电力转换器

说明书

技术领域

本发明关于一种电力转换器，且特别关于一种应用电压箝制技术的电力转换器。

背景技术

针对空间安排有严格要求的应用场合，必须有能力设计出更高功率密度的电力转换器，这是现今电力转换工程师永无止境追求的技术目标，为达到此目标，除了必须做到构造的精简外，电力转换器必须要将电力转换过程中所产生的功率消耗减到最小。

在低至中等功率需求的电力转换应用中，单开关顺向式转换器(single-switch forward converter)及单开关返驰式转换器(single-switchflyback converter)的拓扑结构被广泛使用。其电路包括隔离变压器、在变压器的初级侧的开关、以及在变压器的次级侧的整流器(rectifier)和输出滤波器(output filter)。通过电力开关导通/断开(on/off)的控制方式，输入直流电压跨在变压器的初级绕线的两端，通过变压器的耦合，在次级绕线转换为不同数值的交流电压。再经过整流、滤波之后，可以得到具有不同的电压/电流组合的直流输出电源。

关于上述电力转换中，有几个主要议题，其中的一个关注问题是，在转换器的设计过程中必须考虑到变压器中的磁化和漏磁的能量存储。否则，这些磁场能量存储在变压器中可能会导致转换器的故障。

另一个值得关注的问题是，如何降低电磁干扰(electromagneticinterference，EMI)所衍生的问题。由于电力转换器开关的切换产生电流的瞬间变化，di/dt，而造成脉冲电流涟波，这是产生电磁干扰问题的原因之一，若能有较低的脉冲电流涟波，还可以降低电流的均方根值。从而，减少传导损失(conduction loss)，提高效率。因此，如何降低电力转换器输入电流涟波，就成为设计准则之一。

为了实现以低电流涟波以及回收变压器的激磁电感和漏磁的能量，在过去文献中已有数种电力转换器被提出，并成为本发明的现有技术。

Bruce Carsten于1987年高频电力转换刊物上(High Frequency PowerConversion，HFPC)第139-152页发表的“Design Tricks，Techniques andTribulation at High Conversion Frequencies”论文，其中的图1所示的是电力转换器电路，被作者归类为低功率的应用，同一电路则被另一作者Philip C.Todd发表于：《“Snubber Circuits：Theory，Design and Application，”Philip C.Todd，TIseminar 900.Topic 2，1993》，则被描述为减震电路。近年来，针对此电路的输入电流涟波特性已经被本申请的发明者探究而公开于：《“Improved ForwardTopologies for DC-DC Applications with Built-in Input Filter，”Ph.D.dissertation，Virginia Polytechnic&State University，Blacksburg，Virginia，U.S.A，2006》。

然而，此电路仅使用单一电力开关，所选定的开关组件必须承受两倍的输入电压。在某些低输入电压的应用中，虽然有满足额定电压值(voltage-rating)半导体开关，但却增加传导损失，这是因为较高耐电压的半导体开关具有较高的RDSon。反之，在许多其它高输入电压的应用场合中，电压应力(voltage stress)可能过高，市场上没有备便的半导体开关可以使用。

选用高耐压组件所造成导通损耗的增加，或因为没有备便的高耐压组件，可以采用串联连接(series-connecting)两个半导体开关的技巧而获得改善。因为各个组件的电压应力减少，可以使用低电压规格的半导体开关，其等效的RDS(ON)于是减少。因减少传导损失获得转换器效率的改善。此概念的实现，如图2所示，已被本发明专利申请的发明者于2007年6月18日提交于美国第11/812,339号的专利申请中，将其做为参考文献。串联连接的各半导体开关已经被设计为确保操作于近似于额定输入电压。

为了进一步减少输入/输出电流涟波，其中如图3所示，采用涟波抵消机制的装置。这是本申请的发明者于1996年6月4日获准的美国第5523936号专利。