[发明专利]有源缓冲器拓扑

说明书

技术领域

本发明涉及电力变换器并且具体涉及用于电力变换器的缓冲器电路（snubber circuit）。

背景技术

电力变换器中的主开关装置的开关频率可以是影响电力变换器的电学性能以及成本的关键参数。可以通过增大变换器的开关频率来减小无源元件尤其是磁元件的大小。升压变换器的输入扼流圈或DC-DC变换器的隔离变压器可以用作这种磁元件的示例。该减小能够对变换器的总成本产生直接和显著的影响。

将成本效率作为主要优先考虑的电力变换器应用会极大地受益于增大开关频率的可能性。例如，在用于电信应用的数据中心或基站的电力变换器中，通常开关频率在200kHz至600kHz的范围内。这种范围可以提供增大开关频率并且因此还减小磁部件的大小的大的可能性。如所提及的那样，磁部件大小的减少导致显著的成本节约和功率密度的增加。此外，通过将开关频率增大至某一范围，例如20kHz或20kHz以上，可以将低成本和低磁芯损耗材料（例如软铁氧体）用于电力变换器的磁元件。

然而，现有电力变换器的开关频率的大的增大通常不会没有折衷。例如，从几kHz增大到几十kHz可以产生很高的开关损耗。

图1a示出了具有400V输出的常规750W升压变换器的示例性切换波形。在图1a中，示出了开关装置的电压v_Cds,S和电流i_S。由主二极管的反向恢复电流和主开关装置的高切换速度在点11处接通时引起电流i_S中的高电流应力10。图1a还示出了在点13处关断时由高切换速度和电路的寄生电感引起的高电压应力12。

图1b示出了图1a的相应的切换轨迹。接通轨迹14和关断轨迹15连同电流轴和电压轴包围下述区域：该区域大体上与在主开关装置的接通动作和关断动作所耗散的能量方面的开关损耗对应。因此，开关损耗随开关频率线性地增加。

更高的开关损耗生成更多的热，并且会需要更强大的冷却系统或更大的散热器，以用于有效地提取热以及防止半导体过热。结果，变换器的功率密度和功率效率可能退化，并且在磁零件中获得的成本节约会被增加的冷却系统成本抵消。

可以使用所谓的软开关来实现更优的结果，即同时实现高开关频率和低开关损耗。为了将变换器的开关从常规的硬开关变化为软开关，可以使用至少两种方式。

可以通过使用准谐振开关来实现软开关，即通过用准谐振开关单元（例如图2b或图2c中示出的准谐振开关单元）替换常规PWM开关单元（例如图2a中示出的常规PWM开关单元）。图2b示出了半波零电流谐振开关单元，而图2c示出了全波零电流谐振开关单元。

准谐振开关能够在零电流接通和零电压关断条件下进行切换。然而，附加的谐振部件和二极管与主开关串联连接，这会增加导通状态损耗。此外，主开关会经受过电压应力或过电流应力。一般而言，应力随着变换器的额定功率增加。与硬开关变换器相比，会需要具有更高定额的半导体开关。更高的定额进而会增加开关的成本。

另一种方式是使用辅助电路、缓冲器来辅助主开关进行零电压切换或零电流切换。缓冲器可以被定义为下述电路：其能够修改半导体开关的接通和/或关断切换轨迹，以及能够通过处理小量无效功率来减少或者甚至消除开关损耗。图3示出了电力变换器中的缓冲器的示例性框图。

可以通过缓冲器的谐振动作来降低切换事件中的di/dt变化率和dv/dt变化率。还可以减小由切换动作和寄生电容器以及电感器引起的振荡。结果，能够减少EMI问题。

在各种科学论文和专利出版物中已经公布了不同的缓冲器电路。这些提议彼此不同，主要在于实现零电压切换或零电流切换的方法和缓冲器的重置电路。美国专利US6987675B2、美国专利申请US6028418A、美国专利申请US5313382A、美国专利US6236191B1、美国专利申请US5959438A、美国专利申请US5418704A、美国专利申请US20020047693A1以及韩国专利申请KR20040054088A公开了用于实现缓冲器电路的一些方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种设备以缓解上述缺点。本发明的目的是通过以在独立权利要求中记载的内容为特征的设备来实现的。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。

本公开内容公开了一种能够用于减少电力变换器中的一个或多个主开关的开关损耗的有源缓冲器拓扑。有源缓冲器包括辅助开关装置，并且有源缓冲器修改主开关装置的切换动作的切换轨迹。所公开的有源缓冲器能够辅助主开关装置在零电压进行接通动作和关断动作。因此，能够使开关损耗最小。