[发明专利]使用具有整流开关的Z型转换器将AC输入电压转换成经调节的DC输出电压的系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用 

本申请要求2010年9月30日提交的美国临时申请S/N 61/388,334的权益，该申请的全部内容出于所有意图和目的通过引用结合于此。 

附图简述 

参考以下描述以及附图将能更好地理解本发明的益处、特征以及优点，在附图中：

图1A是传统Z源整流器网络的示意图，而图1B是绘出图1A的Z源整流器网络的相应DC电压增益因变于占空比的曲线图； 

图2A是传统准Z源整流器网络的示意图，而图2B是绘出图2A的准Z源整流器网络的相应DC电压增益因变于占空比的曲线图； 

图3是根据本发明的一个实施例实现的Z源转换器的示意图； 

图4是示出产生用于控制图3的Z源转换器的切换的G1和G2的另一控制方法的时序图； 

图5A是示出根据本发明另一实施例的Z源转换器的示意图； 

图5B是示出具有图5A的短接栅极的双栅极GaN器件M1、M2的静态特性的曲线图； 

图6是根据本发明另一实施例的准Z源转换器的示意图； 

图7是根据本发明另一实施例的准Z源转换器的示意图； 

图8是根据本发明另一实施例的准Z源转换器的示意图； 

图9是示出相同或相似的控制机制可应用于Z源转换器配置和准Z源转换器配置两者的Z源转换器的示意性方框图；以及 

图10-13示出使用根据本文描述的任何一种配置实现的Z型转换器的各种电子设备。 

详细描述 

本发明的益处、特征和优势参照下面的说明书和附图将变得更容易理解，下面的说明书使得本领域内普通技术人员能够作出和使用本发明，如同在特定场合及其需要的背景下提供的那样。然而，优选实施例的多种修改对本领域技术人员将会是明显的，而且可将本文所限定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明不旨在局限于本文中示出和描述的特定实施例，而应给予与本文中披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。 

这里披露了一种给定AC输入电压，调整DC输出电压的方法。根据本发明一个实施例的系统使用具有高切换频率和调整的单个转换级提供直接AC至DC的功率转换。根据本发明一个实施例的系统允许发光二极管(LED)灯泡的替换。根据本发明一个实施例的系统可将氮化镓(GaN)特性用作功率开关。根据本发明一个实施例的系统省去了在典型的AC至经调节的DC转换器中常见的桥式整流器。根据本发明一个实施例的系统使用占空比控制以获得负载调整和AC整流。根据本发明一个实施例的系统使用Z型整流器网络，例如Z源整流器网络或准Z源整流器网络。该Z型整流器网络是使用“整流开关”控制或切换的。在一个实施例中，具有短接栅极的双栅极GaN器件被用作整流开关以切换Z型整流器网络。在另一实施例中，串联耦合的二极管和电子开关一同被用作整流开关以切换Z型整流器网络。在本文所述的实施例中，每个整流开关的电子开关例示为N沟道金属氧化物半导体、场效应管(MOSFET)。然而要理解，也可使用其它类型电子开关，例如其它类型的FET器件(例如P沟道MOSFET、NFET、PFET等)和其它类型的晶体管，例如双极型晶体管(比如双结型晶体管、绝缘栅双极型晶体管等)。根据本发明一个实施例的系统使用常见电感器并省去常用的变压器。 

使用Z型转换器从AC输入电压转换得到DC输出电压，所述Z型转换器例如为Z源转换器或准Z源转换器。对于任一种转换器，当AC输入VAC从扫过正和负时，控制占空比(D)以调节DC输出。在一个实施例中，对输出电压VO进行调节。在替代实施例中，调节输出电流。在本文中，VAC表示任何适宜频率和/或量级的任何类型AC输入电压，例如AC线路输入电压、半桥整流AC电 压、全桥整流AC电压等。本发明的实施例是针对单相系统示出的，但可轻易地拓展至多相配置。例如，可将负载引入至“Y”连接的多相系统的中性位置以节约附加的元件。本文所述的Z源或准Z源转换器可用于AC同步电动机或发电机等的转子磁场控制。