CN102891594B - 减小转换模块中的开关损耗 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将DC输入电压转换为DC或AC输出电压的转换器。该转换器有寄生电感。该转换器包括至少一个连接到输入端以在输出端提供第一电压的开关元件。当切断开关元件时，为了允许在电容器中临时储存由寄生电感感应的能量，在转换器中提供二极管和电容器的第一串联电路，其中二极管耦合到一输入端。与二级管并联耦合的有源电路使得能够控制从第一串联电路的电容器释放临时储存的能量。

Description

减小转换模块中的开关损耗
技术领域
本发明涉及一种用于将DC输入电压转换成DC或者AC输出电压的转换电路。具体地，本发明涉及减小用于转换DC输入电压以在其输出端提供DC或者AC输出电压的转换器中的开关损耗。
背景技术
目前，对于高效的功率转换器有高需求，例如，用于在功率产生器中的太阳能转换器，或用于高速马达驱动、开关模式的电源或者不间断电源的功率转换器。
为此，公知使用开关调节器(switching regulator)以在DC输入和DC输出电压之间或者在DC输入电压和AC输出电压之间转换。
尽管有各种不同用于开关调节器的实施方式，但所有的开关调节器共有包括至少一个开关元件的相似性。图13中示出了一种DC/DC开关调节器的示例并且图14-16中示出了DC/AC开关调节器的示例。
参考图13，DC/DC开关调节器将通过输入端1301和1302供应的DC输入电压转换成较低的DC输出电压。为此，控制器控制开关元件1304在导通和非导通状态之间转换。当导通(switching ON)开关元件1304时，电流从输入端1301流到输出端1303，在输出端1303上连接负载(例如Rload和Lload的串联电路)。当切断(switching OFF)开关元件1304时，通过开关元件1304提供的电流中止(cease)并且输出端处的电压降为中性电压(neutral voltage)。
在电感负载的情况下，如图13中所示的电感器Lload，当开关元件1304切断时，通过电感器Lload感应电流，该电流可以在二极管1305、Rload、和Lload之间循环。该感应电流通常被称作续流(freewheeling)电流并且提供用于运送该续流电流的二极管称作续流二极管1305。
在图14中，示出了具有两个输入端1401、1402的半桥转换器(halfbridge converter)，用于在输出端1403交替地提供高电压和低电压。常规地，第一输入端1401供应有正电压，因此称作正输入端1401；并且第二输入端1402供应有负电压，因此称作负输入端1402。
对于在输出提供AC电流，该半桥转换器利用两个开关元件1404、1405交替地将第一开关元件1404导通用于在输出端1403供应正电压并且将第二开关元件1405导通用于在输出端1403供应负电压。
图14的半桥转换器的两个开关元件中的每个包括用于运送由电感负载感应的续流电流的体二极管(body-diode)。具体地，在电感负载的情况下，将第一或第二开关元件1404、1405切断，触发感应的续流电流，其可以通过互补开关元件1405或1404的体二极管运送。
在图15中，示出了与图14中的半桥转换器类似的DC/AC开关调节器。具体地，开关调节器包括分别耦合在正或负输入端1501、1502以及输出端1503之间的第一和第二开关元件1504和1505。通过交替地切换第一和第二开关元件1504和1505，图15的开关调节器在输出提供AC电流。
DC/AC开关调节器进一步包括两个反向耦合的开关元件的中性电路1530用于间歇(intermittently)提供在输出端1503处的中性端1506的中性电压。根据在输出端1503处的预充电状态，当导通中性电路1530的两个开关元件中的适当的，使得电流能够在输出端1503和中性端1506之间流动，反之亦然。
图15的DC/AC开关调节器也可以称为混合电压NPC(中性点箝位，neutral point clamped)转换器，因为开关元件1505和1505需要一允许经受住全部输入电压的电压额定值(voltage rating)(即，正和负输入端1501和1502的正电压和负电压的差)，然而串联电路1530的开关元件仅需要大约一半电压额定值。
现在参考图16，示出传统的NPC转换器，其包括连接到正输入端1601的第一开关元件1604和连接到负输入端1602的第二开关元件1605。第一和第二开关元件1604，1605使得能够在输出端1603提供相对于中性端1060的正和负电压。
在NPC转换器中，第一和第二开关元件1604，1605通过中性电路1630耦合到输出端1603。具体地，中性电路1630包括耦合在第一开关元件1604和输出端1603之间的第三开关元件，并且包括耦合在第二开关元件1605和输出端1603之间的第四开关元件。
由于中性电路1630的第三和第四开关元件连接相应的第一和第二开关元件1604，1605到输出端1603，控制器必须控制第一和第三开关元件同时导通且还必须控制第二和第四开关元件同时导通。更详细地，配置控制第一，第二，第三和第四开关元件切换的控制器以使第三开关元件至少对于第一开关元件1604是开(ON)的相同时间周期保持为开以及第四开关元件至少对于第二开关元件1605是开的相同时间周期保持为开。
另外，控制第三和第四开关元件间歇地开(即，相应的第一或第二开关元件是关(OFF)，以使中性电路1630在输出端1603提供中性电压。
更详细地，当导通中性电路1630的第三开关元件并且第一开关元件1604是关时，电流从中性端1606通过中性电路1630的二极管和第三开关元件流到输出端1603。类似地，当导通中性电路1630的第四开关元件和第二开关元件1605是关时，电流从输出端1603通过中性电路1630的二极管和第四开关元件流到中性端1606。
所有上面描述的开关调节器承受开关损耗，其从如下分析中变得显而易见。在开关调节器中，开关损耗可以分类为开启(turn-ON)损耗和关断(turn-OFF)损耗。在现实生活环境中，开启损耗取决于开关元件参数(例如晶体管的栅极电荷损耗(gate charge losses))、开关调节器的寄生电感和反向恢复(reverse recovery)损耗。关断损耗也主要取决于开关元件参数和串联电感，然而续流元件的前向特性(forward characteristic)通常可以忽略。
现在详细地参考图13，当导通开关元件1304时，电流开始从第一输入端101通过寄生电感Lparasitic和开关元件1304流到输出端1303。对于流经开关元件1304的电流，开关元件1304的栅极电容必须被充电，导致栅极电荷损耗。同时，续流元件1305(例如续流二极管)需要大量反向电荷(reverse charge)以恢复阻塞状态(blocking state)，导致反向恢复损耗。因为寄生电感Lparasitic相对于电压延迟电流，寄生电感对开关元件1304的导通速度有消极的影响。
此外，能够意识到寄生电感也影响反向恢复损耗。二极管的反向恢复时间定义为，当通过其的电压突然反向时，前向传导二极管恢复到阻塞状态的时间。在此反向恢复周期期间，临时短路电路可以导致大的反向电流和大的功率消耗。
在图13中，由于寄生电感Lparasitic降低了电流的变化率，续流二极管1305能以更低的峰值电流恢复。当续流二极管恢复到阻塞状态时，更低的峰值电流对应于开关元件1304的漏极到源极(drain to source)电压的更低的变化率dv/dt。因此，在开启期间，反向恢复损耗减小。
当切断开关元件1304时，关断损耗主要取决于迫使开关元件1304进入非传导状态的能力和续流元件过渡(transition)到开状态(ON state)的速度。在过渡期间，电流可以流过开关元件1304和续流元件1305而对关断损耗产生贡献。此外由于电感负载迫使电流流过开关元件1304，负载的串联电感也对关断损耗产生贡献。
上述开启和关断损耗的分析不仅仅应用于图13的开关调节器。
所有的开关调节器，例如图13到16图示的开关调节器，承受同样的或相似的影响，从而可以承受改进以减少开关损耗。
发明内容
本发明的一个目的是提高在DC和DC电压之间转换或在DC和AC电压之间转换的开关调节器的效率。
本发明的另一目的是在有互补开关级的开关调节器中减少反向恢复损耗。
本发明的另一目的是在功率模块设计中减少寄生电感的不利影响。
这些目的至少之一通过独立权利要求的主题解决。本发明的有利实施例从属于从属权利要求。
开关调节器的开关损耗不仅取决于内部参数和开关调节器的控制而且也被周围电路设计影响。例如存在于每个功率电子电路的寄生电感，也影响调节器的开关损耗。
在开启期间，开关调节器受益于寄生电感的作用而导致开关调节器的开启损耗减少。然而，开关调节器以相似的方式遭受寄生的作用。因此，本发明的第一方面是建议是在关断期间改变由寄生电感感应的电流的路线，以防止开关调节器遭受不利影响。具体地，当导通开关调节器时，寄生电感在磁场中临时储存能量。寄生电感有助于减少开关调节器中的反向恢复损耗。当切断开关调节器，由寄生电感感应的临时储存的能量重新进入开关调节器，以增加开关调节器中的关断损耗。为此目的，根据本发明的开关调节器使用串联电路以临时储存由寄生电感感应的能量和有源电路以控制临时储存的能量的释放，可选地馈送临时储存的能量回到输入，导致开关调节器整体提高效率。
本发明的另一方面是建议通过用电感器，可选地人工生成的寄生电感，去耦不同级而修改的多级开关调节器。开关调节器的开关级在输出提供预定义的电源电压。对于开关多电压，例如，在DC/AC转换器中，需要不同的开关级。根据此第二方面，不同开关级是互相之间电感地去耦以在开关级之一开启期间防止交叉传导损耗(cross conduction loss)。
另外，本发明的第三方面是建议在不同的功率衬底上或在不同的功率模块中，分组开关调节器的组件以最小化一组组件之间的电感耦合，而允许不同组的组件之间的电感耦合。电感耦合可以用来提高开关调节器的效率或作为电感器的替代而导致开关调节器的成本减少。
在根据本发明的第二和第三方面的示例性实施例中，多级开关调节器的开关级在不同的功率衬底或在不同的功率模块中分组，在不同开关级之间的电感耦合提供作为电感去耦的作用以防止在多级开关调节器中的交叉传导损耗。
本发明的一个实施例证明用于转换通过第一和第二输入端提供的DC输入电压到输出端的DC输出电压的DC/DC转换器。DC/DC转换器有寄生电感。DC/DC转换器包括连接到第一或第二输入端之一以在输出端提供第一电压的开关元件；和耦合在另一输入端和输出端之间允许续流电流流过输出端的续流元件。DC/DC转换器还包括二极管和电容器的第一串联电路，其中二极管耦合到一输入端且当切断开关元件时，允许由寄生电感感应的能量临时储存在电容器中。此外，和第一串联电路的二极管并联耦合的有源电路包括在DC/DC转换器中，以控制从第一串联电路的电容器中临时储存的能量的释放。
在一个示例性实施例中，DC/DC转换器的第一串联电路不是耦合在第一输入端和第二输入端之间就是耦合在第一输入端和第三输入端之间，第一输入端和第三输入端供应相同的第一电压。
在更详细的实现方式中，DC/DC转换器的有源电路包括电感器和电阻器的并联连接到第一串联电路的二极管的第二串联电路。当导通开关元件时，有源电路防止从第一串联电路的电容器释放临时储存的能量。此外，当切断开关元件时，有源电路使得能够通过至少部分地在电阻器上消耗临时储存的能量来释放电容器中临时储存的能量。
在详细的替代实施例中，DC/DC转换器的有源电路包括电阻器，其第一端连接到互连第一串联电路的二极管和电容器的节点，且第二端连接到第一输入端。当导通开关元件时，有源电路防止从第一串联电路的电容器释放临时储存的能量。此外，当切断开关元件时，有源电路使得能够通过至少部分地在电阻器上消耗临时储存的能量来释放电容器中临时储存的能量。
在另一详细实施例中，DC/DC转换器的有源电路包括中间转换器，其第一和第二端并联连接到第一串联电路的二极管，且第三端连接到第二输入端。当导通开关元件时，控制中间转换器以防止从第一串联电路的电容器中释放临时储存的能量。当关断开关元件时，另外控制中间转换器，以基于外部提供的DC输入电压转换第一串联电路的电容器临时储存的能量，从而给第一输入端提供转换的能量。
在进一步的更详细的实施例中，DC/DC转换器的中间转换器包括连接到第一输入端的电感器或中间转换器利用高压组件。
在另一替代实施例中，DC/DC转换器的有源电路包括中间转换器，其第一端连接到互连第一串联电路的二极管和电容器的节点，第二端连接到第一输入端，且第三端连接到第二输入端。当导通开关元件时，控制中间转换器以防止从第一串联电路的电容器中释放临时储存的能量。当切断开关元件时，另外控制中间转换器，以基于外部提供的DC输入电压转换第一串联电路的电容器临时储存的能量，以给第一输入端提供转换的能量。
本发明的另一实施例提供一种用于将通过正和负输入端供应的作为正和负电压的DC输入电压转换为输出端的AC输出电压的半桥转换器。半桥转换器有寄生电感。半桥转换器包括连接到正输入端以在输出端提供正电压的第一开关元件；和连接到负输入端以在输出端提供负电压的第二开关元件。半桥转换器还包括第一二极管、电容器和第二二极管的第一串联电路。第一串联电路耦合在正和负输入端之间，其中当切断第一开关元件时，第一二极管允许在电容器中临时储存由寄生电感感应的能量，且当切断第二开关元件时，第二二极管允许在电容器中临时储存由该寄生电感或另一寄生电感感应的能量。和第一串联电路并联耦合的有源电路也包含在半桥转换器中以控制从第一串联电路的电容器临时储存的能量的释放。
在一示例性实现方式中，半桥转换器的有源电路包括第一电阻器和第一电感器的第二串联电路，第二串联电路并联连接到第一串联电路的第一二极管，且包括第二电阻器和第二电感器的第三串联电路，第三串联电路并联连接到第一串联电路的第二二极管。当导通相应的第一或第二开关元件时，第一有源电路防止从串联电路的电容器中释放临时储存的能量。此外，当切断相应的第一或第二开关元件时，有源电路使得能够通过至少部分在第一或第二电阻器上消耗临时储存的能量来释放第一串联电路的电容器中临时储存的能量。
在另一示例性实现方式中，半桥转换器的有源电路包括中间转换器，其第一和第二端并联到第一串联电路的第一二极管且第三和第四端并联到第一串联电路的第二二极管。当导通第一或第二开关元件时，控制中间转换器以防止从第一串联电路(510)的电容器中释放临时储存的能量。当切断相应的第一或第二开关元件时，另外控制中间转换器以基于外部提供的DC输入电压转换第一串联电路的电容器临时储存的能量，以给第一或第二输入端提供转换的能量。
在更详细的实现方式中，半桥转换器包括输出电路，该输出电路包含分别耦合在第一和第二开关元件和输出端之间的第一和第二电感器。半桥转换器还包括第一二极管和第二二极管，第一二极管其阴极连到正输入端并且其阳极连到第一节点，第一节点连接第二开关元件和输出电路；第二二极管其阳极连到负输入端并且其阴极连到第二节点，第二节点连接第一开关元件和输出电路。
本发明的另外实施例提供中性点箝位(NPC)转换器以转换通过正和负输入端供应作为相对于中性端的正和负电压的DC输入电压为输出端上的AC输出电压。NPC转换器有寄生电感。NPC转换器包括连接到正输入端以通过输出电路在输出端提供正电压的第一开关元件；和连接到负输入端以通过输出电路在输出端提供负电压的第二开关元件。输出电路包括分别耦合在第一和第二开关元件和输出端间的第一和第二电感器。包括在NPC转换器中且耦合在中性端和输出电路之间的中性点开关电路在输出端提供中性电压。NPC转换器还包括第一二极管和第一电容器的第一串联电路，第一串联电路耦合在正输入端和中性端之间，其中当切断第一开关元件时，第一二极管允许在第一电容器中临时储存由寄生电感感应的能量；以及包括第二二极管和第二电容器的第二串联电路，第二串联电路耦合在负输入端和中性端之间，其中当切断第二开关元件时，第二二极管允许在第二电容器中临时储存由该寄生电感或另一寄生电感感应的能量。包括在NPC转换器中且和第一串联电路的第一二极管并联耦合的第一有源电路用于控制从第一串联电路的第一电容器的临时储存能量的释放；并且也包括在NPC转换器中且和第二串联电路的第二二极管并联耦合的第二有源电路用于控制从第二串联电路的第二电容器的临时储存能量的释放。
在示例性实现方式中，NPC转换器的第一和第二有源电路分别包括第三和第四串联电路，每一个串联电路包括一个电阻器和一个电感器，并联连接到第一或第二串联电路相应的第一和第二二极管。当导通相应的第一或第二开关元件时，第一和第二有源电路防止从第一或第二串联电路的相应的第一或第二电容上释放临时储存的能量。当切断相应的第一或第二开关元件时，第一和第二有源电路通过至少部分地在相应的电阻器上消耗临时储存的能量来释放第一和第二串联电路的相应的第一和第二电容器临时储存的能量。
在一替代实现方式中，NPC转换器的第一和第二有源电路包括第一和第二中间转换器，第一和第二中间转换器的每个具有并联连接到第一或第二串联电路的相应的第一或第二二极管的第一和第二端，以及具有连接到中性端的第三端。当导通相应的第一或第二开关元件时，控制第一和第二中间转换器，以防止从第一和第二串联电路相应的第一或第二电容器释放临时储存的能量。当切断相应的第一或第二开关元件时，第一和第二中间转换器被另外控制，以基于外部提供的DC输入电压转换第一或第二串联电路的相应的第一或第二电容器临时储存的能量，以供给转换的能量到相应的第一输入或第二输入端。
在更详细的实现方式中，NPC转换器包括第一电路，第一电路包括至少一个第一二极管，其耦合在正输入端和第二开关元件通过其提供负电压到输出电路的第一节点之间。该至少一个第一二极管使得电流能够从输出电路传递(pass)到正输入端。NPC转换器进一步地包括一第二电路，第二电路包括至少一个第二二极管，其耦合在负输入端和第一开关元件通过其提供正电压到输出电路的第二节点之间。该至少一个第二二极管使得电流能够从负输入端传递到输出电路。
附图说明
为了更好的理解本发明，将基于图中示出的实施例解释上述的内容。相应的部分被给出相应的附图标记和术语。此外，示出或描述不同实施例的那些特征或特征的组合可以本身形成独立的发明解决方案。现在将参考图通过示例描述本发明，其中：
图1图示根据本发明的示例性实施例的DC/DC转换器的电路图；
图2图示根据本发明的另一示例性实施例的DC/DC转换器的电路图；
图3图示根据本发明的另一个示例性实施例的DC/DC转换器的电路图；
图4图示根据本发明的又一个示例性实施例的DC/DC转换器的电路图；
图5图示根据本发明的示例性实施例的半桥转换器的电路图；
图6图示根据本发明的另一示例性实施例的半桥转换器的电路图；
图7图示根据本发明的示例性实施例的混合电压NPC转换器的电路图；
图8图示根据本发明的另一示例性实施例的混合电压NPC转换器的电路图；
图9图示根据本发明的另一示例性实施例的NPC转换器的电路图；
图10图示根据本发明的示例性实施例的互补开关调节器的电路图；
图11表示根据本发明的示例性实施例的NPC转换器的功率模块设计；
图12示出根据本发明的示例性实施例的混合电压NPC转换器的功率模块设计；
图13图示根据另一示例性实施例的DC/DC转换器的电路图；
图14图示根据示例性实施例的半桥转换器的电路图；
图15示意性示出示例性实施例的实现混合电压NPC转换器的功率模块的一部分；
图16示意性示出根据示例性实施例的实现NPC转换器的功率模块的一部分；
图17图示根据本发明的示例性实施例的DC/DC转换器的电路图；以及
图18图示根据本发明的示例性实施例的DC/DC转换器的电路图。
具体实施方式
参考图1，示出根据本发明的一示例性实施例的DC/DC转换器的电路图。此实施例的DC/DC转换器可以用于转换DC到DC电压。为此目的，DC/DC转换器通过两输入端101和102提供DC输入电压。
在如图1示出的实施例中，与电容器耦合的电池连接在第一和第二输入端101和102之间。开关元件104连接到第一输入端101以在输出端103提供第一电压。
在图1示出的实施例中，负载连接到输出端103，其中负载用一电阻器Rload和一电感器Lload表示。
图1的DC/DC转换器进一步地包括耦合在第二输入端102和输出端103之间的续流二极管105。在电感负载(如由图1的示例性实施例中表示的电感器Lload)的情况下，切断(switching OFF)开关元件104导致在电感负载Lload中感应续流电流。续流电流通过续流二极管105传导。在图1中示出的示例性实施例中，续流电流在包括续流二极管105、电阻器Rload和电感器Lload组成的传导环路中流动。
此外，如图1所示，DC/DC转换器也包括寄生电感器Lparasitic。寄生电感器在DC/DC转换器的输入端101上示出。然而，示出的寄生电感器仅示意图1的DC/DC转换器中的寄生电感。因此，图1的DC/DC转换器中的寄生电感器不对应在固定位置的电学组件(即电感器)，而由不同因素造成且可假设为设计固有的。
在图1的DC/DC转换器中，例如，寄生电感主要来自于DC输入电压源和输入端101和102之间连接的实现。详细地，电池连接到DC/DC转换器模块所经由的配线和螺旋触点主要贡献寄生电感。
当导通开关元件104时，电流开始在输入端101和输出端103之间流动。图1的DC/DC转换器的寄生电感产生电流相对于电压的延迟。换句话说，寄生电感减小了电流变化率，因此，有利地有助于减少图1的DC/DC转换器的开启损耗。
然而，寄生电感对图1的DC/DC转换器的关断行为不利地影响。具体地，当切断开关元件104时，寄生电感将释放包含在寄生电感的磁场中的能量。寄生电感将迫使电流通过开关元件104流动而防止其立即关断。
在这方面，图1的DC/DC转换器提供耦合在第一和第二输入端101和102之间的第一串联电路110。第一串联电路包括二极管D110和电容器C110。二极管D110的阳极端连接到第一输入端101。
更详细地，第一串联电路110为感应电流提供一额外传导环路。具体地，通过寄生电感Lparasitic感应的电流的AC成分能在包括寄生电感Lparasitic、二极管D110、电容器C110和连接到输入端101和102的输入电源的环路中循环。因此，当切断开关元件104时，感应电流可以临时储存在电容器C110中。
因此，在切断开关元件104期间，第一串联电路110防止通过寄生电感感应的电流对图1的DC/DC转换器的关断损耗产生贡献。
为了转换串联电路110的电容器C110临时储存的能量，图1示出的示例性实施例的DC/DC转换器进一步包括和第一串联电路110的二极管D110并联耦合的有源电路120。
具体地，当导通开关元件104时，有源电路120控制第一串联电路110的电容器C110中临时储存能量的释放以致于其不能消除寄生电感的积极影响。
在图1的DC/DC转换器中，有源电路120包括电感器L120和电阻器R120的串联电路。电感器L120和电阻器R120的串联电路与第一串联电路110的二极管D110并联连接。
当导通开关元件104时，电感器L120有助于防止从第一串联电路110的电容器C110释放临时储存的能量的有源电路的作用。为此目的，电感器L120的值基于DC/DC转换器的寄生电感Lparasitic的估计或测量值确定。
更详细地，当导通开关元件104时，电容器C110可能仍然储存来自开关元件104的以前切断操作的能量。然而，电感器L120以和寄生电感Lparasitic相同的方式延迟电流。因此，当导通开关元件104时，电感器L120和电阻器R120的有源电路120限制从电容器C110流到开关元件104的电流为一电流值，该电流值远低于(well below)通过两输入端101和102提供到开关元件104的电流。
当切断开关元件104时，有源电路120通过至少部分地在电阻器R120上消耗临时储存的能量进一步控制电容器C110的临时储存的能量的释放。
换句话说，当切断开关元件104时，放电电流开始在包括电容器C110、电感器L120、电阻器R120和连接在输入端101和102之间的DC输入电源的传导环路中流动。传导环路在图1中表示为环路I。
由此，从第一串联电路110的电容器C110释放临时储存的能量而不对图1的DC/DC转换器的改进的开启行为有不利的作用。
结果，当导通开关元件104时，串联电路110和有源电路120的组合允许保持图1的DC/DC转换器的寄生电感的积极作用，当切断开关元件104时，没有不利的影响。
现在参考图2，图示根据本发明另一示例性实施例的DC/DC转换器。图2的DC/DC转换器基于图1的DC/DC转换器，其中相应的部分被给出相应的附图标记和术语。由于简洁性的原因，省略相应部分的详细描述。
图2的DC/DC转换器不同于图1的DC/DC转换器在于有源电路220。
具体地，图2的DC/DC转换器还包括耦合在第一和第二输入端101和102之间的二极管D110和电容器C110的第一串联电路110。当切断开关元件104时，第一串联电路110的二极管D110还允许由寄生电感感应的能量临时储存在电容器C110中。
为了释放电容器C110中临时储存的能量，图2的DC/DC转换器提供包括电阻器R220的有源电路220。当切断开关元件104时，有源电路220还通过至少部分地在电阻器R220上消耗临时储存的能量，控制电容器C110的临时储存的能量的释放。
基于由寄生电感感应的临时储存能量的数量，可以有利地提供包括外部电阻器R220的有源电路220(例如提供外部安装热沉)。
因此，有源电路220包括电阻器R220，其第一端连接到第一串联电路110的二极管D110和电容器C110互连的节点，并且第二端外部连接到图2的DC/DC转换器的第一输入端101。因此，有源电路220不需要集成到图2的DC/DC转换器的模块中，但可以外部附接到其上。
此外，由于有源电路220外部连接到图2的DC/DC转换器的第一输入端110，有源电路220经受如图2的DC/DC转换器相似的寄生电感。
结果，当导通开关元件104时，电阻器R220的有源电路220限制从电容器C110流到开关元件104的电流为一电流值，该电流值远低于通过两个输入端101和102提供到开关元件104的电流。
因此，当导通开关元件104时，串联电路110和有源电路220的组合还允许保持图2的DC/DC转换器的寄生电感的积极影响，当切断开关元件104时，没有不利的影响。
现在参考图3，示出根据本发明的DC/DC转换器的另一示例性实施例。图3的DC/DC转换器基于图1和2的DC/DC转换器。相应的部分被给出相应的附图标记和术语并且省略相应实施例的描述。
如图3所示的DC/DC转换器的示例性实施例还包括二极管D110和电容器C110的第一串联电路110。第一串联电路110耦合在第一和第二输入端101和102之间。
当切断开关元件时，DC/DC转换器中的寄生电感感应被允许临时储存在串联电路110的电容器C110中的电流。为此目的，感应电流通过二极管D110。二极管D110用阳极端连接到DC/DC转换器的第一输入端。
在图3所示的具体实施例中，中间DC/DC转换器320用作有源电路320。具体地，中间DC/DC转换器320的第一和第二端并联连接到第一串联电路110的二极管D110并且第三端连接到第二输入端102。中间DC/DC转换器320使得能够控制第一串联电路110的电容器临时储存的能量的释放。
具体地，当导通开关元件104时，中间DC/DC转换器320可被控制以防止从第一串联电路110的电容器C110释放临时储存的能量。中间DC/DC转换器320可以被控制以先于导通开关元件104而释放电容器C110中临时储存的能量。
在此方面，当切断开关元件时，有利的是中间DC/DC转换器320开始转换临时储存在电容器C110中的能量为DC电压。
基于外部提供的DC输入电压的转换临时储存的能量，允许把转换的能量反馈回到第一输入端101。因此，临时储存的能量可以被再生(regenerate)且对DC/DC转换器的开关损耗有贡献，因此，提高了其效率。
对于中间DC/DC转换器320，存在多个不同的实施方式：
首先，中间DC/DC转换器320可能实现为降压转换器(buckconverter)，其第一端连接到互连第一串联电路110的二极管D110和电容器C110的节点作为输入端，第二端连接到第一输入端101作为输出端，并且第三端连接到第二输入端102作为参考端。
可替代地，中间DC/DC转换器320可实现为降压-升压转换器(buck-boost converter)，其第一端连接到互连第一串联电路110的二极管D110和电容器C110的节点作为输入端，第二端连接到第二输入端102作为输出端，并且第三端连接到第一输入端101作为参考端。
此外，中间DC/DC转换器320可实现为基于变压器的升压器(transformer based booster)，其第一端连接到互连第一串联电路110的二极管D110和电容器C110的节点，第二端连接到第二输入端102作为输出端，并且第三端连接到第一输入端101作为参考端。
在以上描述的中间DC/DC转换器的第二和第三实现方式中，中间DC/DC转换器需要从输入端和参考端之间的低输入电压到输出端和参考端之间的高输出电压的上转换(up-converter)。在以上描述的第一实现方式中，中间DC/DC转换器操作为下转换器(down-converter)。
现在参考图4，示出根据本发明DC/DC转换器的另一示例性实施例。图4的DC/DC转换器的示例性实施例基于图3的DC/DC转换器。
图4的DC/DC转换器在有源电路上不同于图3的DC/DC转换器。
图4的DC/DC转换器也包括二极管D110和电容器C110的第一串联电路110。第一串联电路110耦合在第一和第二输入端101和102之间。具体地，二极管D110允许当切断开关元件104时，由寄生电感感应的能量临时储存在电容器C110中。
图4的DC/DC转换器还包括中间DC/DC转换器作为有源电路430，其和第一串联电路的二极管D110并联耦合。根据本实施例的中间DC/DC转换器可以包括防止中间DC/DC转换器420集成入DC/DC转换器的模块内或功率衬底上的组件。
例如，当中间DC/DC转换器实现为降压-升压转换器时，需要的电感器可以防止图4的DC/DC转换器集成在同一衬底上。在此方面，电感器可以独立提供且外部连接，例如，到第一输入端101或第二输入端102。
图4的DC/DC转换器的中间DC/DC转换器具有连接到互连第一串联电路110的二极管D110和电容器C110的节点的第一端，外部连接到第一输入端101的第二端，以及连接到第二输入端102的第三端。
可替代地，图4的DC/DC转换器的中间DC/DC转换器可以以独立模块提供且外部连接到第一输入端101、第二输入端102和互连第一串联电路110的二极管D110和电容器C110的节点。
中间DC/DC转换器420可以实现为降压转换器、降压-升压转换器或具有升压器的变压器，如结合图3所描述。
现在参考图5，示出根据本发明的半桥转换器的示例性实施例。
图5的半桥转换器可以用于转换DC为AC电压。为此目的，半桥转换器通过两输入端501和502提供正和负电压以在输出端503提供正或负电压。
半桥转换器还包括连接到正输入端501的第一开关元件504和连接到负输入端502的第二开关元件505。
为了在输出端503连续地提供正和负半波，半桥转换器配置为交替地导通第一和第二开关元件504和505。
换句话说，导通第一开关元件504允许在输出端503提供正电压以及导通第二开关元件505允许在输出端503提供负电压。
第一和第二开关元件504和505的每个包括能够在电感负载的情况下传导续流电流的体二极管。
例如，当切断第一开关元件504时，电感负载Lload可能导致通过第二开关元件505的体二极管的续流电流。同样地，当切断第二开关元件505时，电感负载可能导致通过第一开关元件504的体二极管的续流电流。
此外，如图5所示，半桥转换器也包括寄生电感器Lparasitic。第一寄生电感器在图5的半桥转换器的正输入端501示出并且第二寄生电感器在图5的半桥转换器的负输入端502示出。
然而，如结合图1已经解释的，表示的寄生电感器仅示意图5的半桥转换器中的寄生电感。因此，图5所示的寄生电感器不对应电子组件(即电感器)，而由各种因素造成且可假设为设计固有的。
当导通开关元件504时，电流开始在正输入端501和输出端503之间流动。图5的半桥转换器的寄生电感产生电流相对于电压的延迟。当导通图5的半桥转换器的开关元件505时，同样适用。换句话说，寄生电感减小了电流变化率，有利地有助于减少图5的半桥转换器的开启损耗。
然而，寄生电感对图5的半桥转换器的关断行为不利地影响。具体地，当切断开关元件504时，寄生电感释放包含在寄生电感的磁场中的能量。从而，寄生电感迫使电流通过开关元件504流动以阻止其关断。同样地，当切断开关元件505时，寄生电感将迫使电流通过开关元件505流动以防止其立即关断。
为了避免寄生电感阻止开关元件504和505关断，图5的半桥转换器提供耦合在正和负输入端501和502之间的第一串联电路510。
第一串联电路510包括第一二极管D511、电容器C510和第二二极管D512。第一二极管D511具有连接到正输入端501的阳极端以及第二二极管D512具有连接到负输入端502的阴极端。
由于提供耦合在正输入端501和负输入端502之间的第一串联电路510，当切断第一开关元件504时，感应的正电流可以临时储存在电容器D510中，且当切断第二开关元件505时，感应的负电流可以临时储存在电容器C510中。
因此，在切断开关元件504和505期间，第一串联电路510防止由寄生电感感应的电流对图5的半桥转换器的关断损耗有贡献。
图5的半桥转换器进一步包括与第一串联电路510的第一二极管D511并联并且与第二二极管D512并联耦合的有源电路520。当导通开关元件504或505时，有源电路521、522允许控制第一串联电路的电容器C510中临时储存的能量的释放，以使其不消除寄生电感的积极作用。
在图5的半桥转换器中，有源电路521和522包括两个串联电路，每个包括电感器L521、L522和电阻器R521、R522。为了避免和第一串联电路510混淆，电感器L521和电阻器R521的串联电路下面称为第二串联电路521，而电感器L522和电阻器R522的串联电路下面称为第三串联电路522。
第二串联电路521并联到第一串联电路510的第一二极管D511。第三串联电路522并联到第一串联电路510的二极管D512。
当导通任一第一开关元件504或第二开关元件505时，电感器L521和L522有助于有源电路521和522防止从第一串联电路510的电容器C510中释放临时储存的能量的影响。为此目的，电感L521和L522的值基于图5的半桥转换器的寄生电感的估计或测量值确定。
更详细地，电感器L521和L522以和图5的半桥转换器的寄生电感相同的方式延迟电流，当导通相应的开关元件504和505时，有源电路521和522实现限制从电容器C510流到开关元件504和505的电流为一电流值，该电流值远低于经由相应的正或负输入端501和502提供到开关元件504和505的电流。
当切断相应的开关元件504和505时，有源电路521和522通过至少部分地在相应的电阻器R521或R522上消耗临时储存的能量，进一步控制电容器C510中临时储存的能量的释放。
换句话说，当切断任一开关元件504或505时，放电电流开始从电容器C510流向相应的第二串联电路521或第三串联电路522，以使相应的电阻器R521或R522至少部分地消耗电容器C510临时储存的能量。
结果，从第一串联电路510的电容器C510释放临时储存的能量，而不对图1的半桥转换器的改进的开启行为有不利的影响。
结果，当导通开关元件504和505时，第一串联电路510和有源电路521和522的组合允许保持图5的半桥转换器的寄生电感的积极作用。当切断开关元件504和505时，没有不利的作用。
现在参考图6，图示根据本发明的另一示例性实施例的半桥转换器。图6的半桥转换器基于图5的半桥转换器，其中相应的部分给出相应的附图标记和术语。由于简洁性的原因，省略相应部分的详细描述。
图6的半桥转换器不同于图5的半桥转换器在于有源电路620。
详细地，图6的半桥转换器也包括耦合在正和负输入端501和502之间的第一二极管D511、电容器C510和第二二极管D512的第一串联电路110。当切断任一开关元件504或开关元件505时，第一串联电路的二极管D511和D512也允许在电容器C510中临时储存由寄生电感感应的能量。
为了释放从电容器C510释放临时储存的能量，图6的半桥转换器提供包括中间DC/DC转换器的有源电路620。
图6的半桥转换器的中间DC/DC转换器620包括并联到第一串联电路510的第一二极管D511的第一和第二端以及并联到第一串联电路510的第二二极管D512的第三和第四端。
结合图3的DC/DC转换器320描述，DC/DC转换器众所周知的实现是被用于上转换或下转换来自第一串联电路510的电容器C510储存的能量。对于众所周知的中间DC/DC转换器，例子是降压转换器、降压-升压转换器或基于变压器的升压器电路。
当导通第一或第二开关元件504或505时，图6的中间DC/DC转换器620可被控制以防止从第一串联电路510的电容器C510释放临时储存的能量。
这可以通过控制中间DC/DC转换器620实现，以当导通第一开关元件504时，防止电流在第一和第二端之间流动，并且当导通第二开关元件505时，控制中间DC/DC转换器620以防止电流在第三和第四端之间流动。
此外，当切断各自的第一或第二开关元件504或505时，中间DC/DC转换器620被控制，以基于外部提供的DC输入电压，转换第一串联电路510的电容器C510临时储存的能量，用于供给转换能量到第一或第二输入端501或502。
换句话说，当检测到中间DC/DC转换器620的第一和第二端之间的正电压，中间DC/DC转换器620可被控制以转换保存的能量为经由正和负输入端510和520提供的DC输入电压，以经由中间DC/DC转换器620的第一和第三端提供转换能量到正和负输入端501和502。
类似地，当检测到中间DC/DC转换器620的第三和第四端之间的负电压，中间DC/DC转换器620可被控制以转换保存的能量为DC输入电压，以经由中间DC/DC转换器620的第一和第三端提供转换能量到正和负输入端501和502。
因此，中间DC/DC转换器允许再生在电容器C510中储存的能量，以有助于增加图6的半桥转换器的总效率。
此外，根据本发明的半桥转换器不限于图5和6示出的实施例。
通过用有源电路(包括电阻器，其具有连接到互连第一串联电路510的二极管D511和电容器C510的节点的第一端以及连接到正输入端501的第二端，并且，具有另一电阻器，其具有连接到互连第一串联电路510的二极管D512和电容器C510的节点的第一端以及连接到负输入端502的第二端，以允许所述电阻器的外部附加)代替有源电路521和522，图5的半桥转换器也适配与图2的实施例相似的方式。
此外，图6的半桥转换器通过提供中间DC/DC转换器也适合图4的实施例，中间DC/DC转换器具有连接到互连二极管D511和电容器C510的第一节点的第一端，连接到互连第一串联电路510的二极管D512和电容器C510的第二节点的第二端，连接到各自的正和负输入端501和502的第三和第四端，以允许在中间DC/DC转换器中包括外部或至少部分外部连接的元件。
现在参考图7，示出根据本发明的示例性实施例的混合电压NPC(MNPC)转换器。此实施例的混合电压NPC转换器可以用于转换DC到AC电压。
为此目的，图7的MNPC转换器通过正和负输入端701和702提供正和负DC电压以在输出端703提供正或负电压。此外，图7的MNPC转换器包括中性端706，以为输出端703提供处于正和负电压中间的中性电压。
图7的MNPC转换器包括连接到正输入端701以通过输出电路730在输出端703提供正电压的第一开关元件704。此外，图7的MNPC转换器包括连接到负输入端702以通过输出电路730在输出端703提供负电压的第二开关元件705。
图7的MNPC转换器的输出电路730包括第一和第二电感器，分别耦合在第一和第二开关元件704和705以及输出端703之间。在此方面，第一开关元件704通过第一电感器耦合到输出端且第二开关元件705通过第二电感器耦合到输出端703。
图7的MNPC转换器进一步包括耦合在中性端706和输出电路730之间以在输出端703提供中性电压的中性点开关电路740。中性点开关电路740可以通过两个二极管和晶体管的互补串联电路实现。第一互补串联电路允许切断第一开关元件704后对输出电路730提供中性电压且第二互补串联电路允许切断第二开关元件705后对输出电路730提供中性电压。
图7的MNPC转换器也包括寄生电感器Lparasitic。寄生电感器在输入端701，702和706示出。然而，寄生电感器应该仅示意图7的MNPC转换器中的寄生电感器。因此，图7的MNPC转换器中的寄生电感器不对应电学元件(即电感器)，而由不同因素造成且可假设为设计固有的。
当导通第一开关元件704时，电流开始在正输入端701和输出端703间流动。图7的MNPC转换器的寄生电感造成电流相对于电压的延迟。类似地，当导通开关元件705时，电流开始在负输入端702和输出端703间流动。图7的MNPC转换器的寄生电感也使电流产生相对于电压的延迟。换句话说，寄生电感减小了电流变化率，因此，有利地有助于减少图7的MNPC转换器的开启损耗。
然而，图7的MNPC转换器的寄生电感对MNPC转换器的关断行为不利地影响。
具体地，当切断任一第一开关元件704或第二开关元件705时，寄生电感释放包含在寄生电感的磁场中的能量。
因此，寄生电感迫使电流通过各自的第一或第二开关元件704或705流动以防止其立即关断。
在此方面，图7的MNPC转换器提供分别耦合在正输入端701和中性端706间或负输入端702和中性端706间的第一或第二开关串联电路711和712。第一串联电路711包括二极管D711和电容器C711。二极管D711具有连接到正输入端701的阳极端。第二串联电路712包括二极管D712和电容器C712。二极管D712具有连接到负输入端702的阴极。
更详细地，第一串联电路711提供一额外的传导环路以允许由寄生电感Lparasitic感应的电流在包括寄生电感Lparasitic、二极管D711、电容器C711和在输入端701和706间提供的DC输入电压的环路中循环。第二串联电路712也提供传导环路以允许由寄生电感Lparasitic感应的电流在包括寄生电感Lparasitic、二极管D712、电容器C712和在输入端702和706间的DC输入电源的环路中循环。
因此，当切断开关元件704时，感应电流可被临时储存在电容器C711中或当切断开关元件705时，感应电流可被临时储存在电容器C712中。
结果，第一串联电路711和第二串联电路712防止在相应的开关元件704或705切断期间由寄生电感感应的电流对图7的MNPC转换器的关断损耗有贡献。
为了转换串联电路711的电容器C711和第二串联电路712的电容器C712中临时储存的能量，图7的MNPC转换器还包括分别与第一或第二串联电路711和712的二极管D711和D712并联耦合的有源电路721和722。
具体地，有源电路721和722控制相应的第一或第二电容器C711或C712中临时储存的能量的释放，使得导通各自的第一或第二开关元件704和705时不消除寄生电感的积极作用。
在图7的MNPC转换器中，第一有源电路721包括电感器L721和电阻器R721。电感器L721和电阻器R721的串联电路并行连接到第一或第二串联电路711的二极管D711。第二有源电路722也包括电感器L722和电阻器R722。电感器L722和电阻器R722的串联电路并联连接到第二串联电路712的二极管D712。
电感器L721和电感器L722有助于有源电路721和722的作用，也就是当导通各自的开关元件704或705时，防止从各自的电容器C711或C712释放临时储存的能量。为此目的，每个电感器L721和L722的值基于图7的MNPC转换器的寄生电感器的估计或测量值确定。
更详细地，当电感器L721和L722以和寄生电感相似的方式延迟电流时，当导通各自的开关元件704或705时，每个有源电路721和722限制电流从相应的电容器C711和C712流到相应的开关元件704和705以使开关元件704和705仅可能承受一放电电流值，该放电电流值远低于经由相应的正或负输入端701或702提供到各自的开关元件704或705的电流。
当切断相应的开关元件704或702时，有源电路721和722还通过至少部分地在各自的电阻器R721或R722上消耗临时储存的能量来控制在各自的电容器C711或C712中临时储存的能量的释放。
换句话说，当切断开关元件704时，放电电流开始在包括电容器C711、电感器L721、电阻器R721和连接在输入端701和706之间的DC输入电源的传导环路中流动。类似地，当切断开关元件705时，放电电流也开始在包括电容器C712、电感器L722、电阻器R722和连接在输入端702和706之间的DC输入电源的传导环路中流动。
因此，从第一串联电路711的电容器C711和从第二串联电路712的电容器C712中释放临时储存的能量，而对图7的MNPC转换器的改进的开启行为没有不利的影响。
结果，第一串联电路711和第一有源电路721的组合以及第二串联电路712和第二有源电路722的组合，当导通开关元件704或705时，允许保持图7的MNPC转换器的寄生电感的积极作用，当切断开关元件704或705时，没有不利的作用。
现在参考图8，图示了根据本发明的另一示例性实施例的MNPC转换器。图8的MNPC转换器基于图7的MNPC转换器，相应部分给予相应的附图标记和术语。由于简洁性的原因，省略相应部分的详细描述。
图8的MNPC转换器不同于图7的MNPC转换器之处为第一和第二有源电路821和822。
详细地，图8的MNPC转换器也包括第一和第二串联电路711和712，每一个电路具有分别耦合在正输入端701和中性端706之间的二极管和耦合在负输入端702和中性端706之间的电容器。
当切断开关元件704时，第一串联电路711中的二极管D711也允许临时在电容器C711中储存由寄生电感感应的能量。类似地，当切断开关元件705时，第二串联电路712中的二极管D712也允许临时在电容器C712中储存由寄生电感感应的能量。
为了释放电容器C711或C712中临时储存的能量，图8的MNPC转换器提供第一和第二中间DC/DC转换器821和822以控制第一或第二串联电路711或712的各自的第一或第二电容器C711或C712临时储存的能量的释放。
更详细地，第一中间DC/DC转换器821包括并联连接到第一串联电路711的第一二极管D711的第一和第二终端并且包括连接到中性端706的第三终端。第二中间DC/DC转换器822包括并联连接到第二串联电路712的二极管D712的第一和第二终端并且包括连接到中性端706的第三终端。
当导通相应的第一或第二开关元件704或705时，第一和第二中间DC/DC转换器821和822可以被控制以防止从第一或第二串联电路711、712相应的第一或第二电容器C711和C712释放临时储存的能量。
换句话说，当导通第一开关元件704时，可以控制第一中间DC/DC转换器821以防止能量在第一和第二终端之间流动。此外，当导通第二开关元件705时，可以控制第二中间DC/DC转换器822以防止电流在第一和第二终端之间流动。
此外，当切断相应的第一或第二开关元件704或705时，基于外部提供的DC输入电压，第一和第二中间DC/DC转换器821和822可以被控制以转换第一或第二串联电路711或712的相应的第一或第二电容器C711或C712临时储存的能量，以供应转换能量到相应的正输入或负输入端701或702。
更详细地，当切断第一开关元件704时，第一中间DC/DC转换器821检测到第一和第二输入端之间的电压时，可以控制中间DC/DC转换器以上转换或下转换与正输入端701和中性端706之间的电压对应的包含的能量，以供应转换的能量到相应的正输入端701。
类似地，当切断第二开关元件705时，第二中间DC/DC转换器822在检测到第一和第二输入端之间的电压时，可以被控制以转换与负输入端702和中性端706之间的电压对应的能量，以供应转换的能量到相应的负输入端702。
结果，图8的MNPC转换器允许利用中间DC/DC转换器再生电容器C711和C712的存储能量以增加MNPC转换器电路的总效率。
因此，串联电路711和有源电路821的组合以及串联电路712和有源电路822的组合允许图8的MNPC转换器的寄生电感在导通相应的开关元件705时保持积极作用，而当切断相应的开关元件704或705时，再生存储的能量。
另外，依照本发明的MNPC转换器并不限于图7或8所示的实施例，而有源电路721、722和821和822的布置易于适配以达到关于图2和4描述的优点。
现在参考图9，示出根据本发明的一个示例性实施例的NPC转换器的一个电路图。图9的NPC转换器基于图7的NPC转换器，其中相应部分给予相应的附图标记和术语。由于简洁性的原因，省略相应部分的详细描述。
具体地，图9的NPC转换器不同于图7的NPC转换器在于，中性端706和输出电路730之间耦合的用于在输出端703提供中性电压的中性点开关电路940。
图9的NPC转换器的中性点开关电路940非常相似于已经在本发明背景技术中讨论的图16的中性点开关电路。因此，由于简洁性的原因，省略关于它的详细描述。
应当意识到图9的NPC转换器也包括第一串联电路711和第一有源电路721的组合，以及第二串联电路712和第二有源电路722的组合，允许图9的NPC转换器的寄生电感在导通相应的开关元件704或705时保持积极作用，而当切断开关元件704或705时无不利作用。
现在参考图10，示出根据本发明的半桥转换器的示例性实施例。根据此实施例的半桥转换器可以用于转换DC电压为AC电压。为此目的，图10的半桥转换器经由正输入端501和负输入端502提供DC输入电压。
根据图10的半桥转换器包括连接到正输入端501的第一开关元件504，用于经由输出电路1030在输出端503提供正输入电压。根据图10的半桥转换器还包括连接到负输入端502的第二开关元件505，用于经由输出电路1030在输出端503提供负输入电压。第一和第二开关元件504和505的每个包括在电感负载情况下能够传导续流电流的体二极管。
输出电路1030包括分别耦合在第一以及第二开关元件504和505和输出端之间的第一和第二电感器。
换句话说，当导通开关元件504时，电流在正输入端501、第一开关元件504、输出电路1030的第一电感器和输出端503之间流动。此外，当导通开关元件505时，电流在负输入端502、第二开关元件505、输出电路1030的第二电感器和输出端503之间流动。
在图10的半桥转换器中，第一二极管D1是阴极端连接到第一输入端501以及阳极端连接到互连第二开关元件505和输出电路1030的第二电感器的节点。第二二极管D2是阳极端连接到第二输入端502以及阴极端连接到互连第一开关元件504和输出电路1030的第一电感器的另一个节点。
因此，第一开关元件504和第二开关元件505在第一输入端501和第二输入端502之间提供不同的导电路径。对于第一开关元件504和第二开关元件505的不同导电路径经由输出电路互相去耦(decouple)。
结果，图10的半桥转换器防止开关电流从第一和第二开关元件504和505流过，也就是，电路在开启任一个第一或第二开关元件504或505期间消除了交叉传导。这可能如下所示：
设想一假定的交叉传导电流，在图10的半桥转换器中，交叉传导电流将不得不通过第一开关元件504、输出电路1030的第一和第二电感器和第二开关元件505流动，反之亦然。然而，因为输出电路1030的第一和第二电感器相对于电压延迟了电流，开关元件504或505的体二极管的恢复相对于低电感耦合二极管D1和D2减慢。结果，当导通互补的第一或第二开关元件504或505时，第一或第二开关元件504或505的体二极管将不会传导反向恢复电流。
换句话说，通过去耦图10的半桥转换器的第一和第二开关元件504和505，当导通第一或第二开关元件504或505时，可能从互补的第一或第二开关元件504或505的体二极管转移(shift)反向恢复电流到相应的二极管D1或D2，以防止互补的第一或第二开关元件504或505临时开启，其可能通过到互补的第一或第二开关元件504或505的栅极-集电极(gate-collector)或栅极-漏极(gate-drain)容量的电容性电压脉冲触发。
根据另一替代实施例，图10的半桥转换器适合用替代性的带有产生自连接的作为寄生电感的相应电感的输出布置替换包括第一和第二电感器的输出电路1030。例如，实现第一和第二开关元件504和505到输出端503的连接为螺旋连接也将导致第一和第二开关元件504和504的电感去耦。
图10的半桥转换器的示例性实施例也允许进一步修改以减少半桥转换器的开启损耗：通过选择二极管D1和D2以比相应的第一和第二开关元件504和505包括的体二极管有更高的前向电压降，在关断期间二极管是有效的。因此，续流电流分配到相应的第一和第二开关元件504和505的体二极管。
然而，因为通过选择有不同前向电压降的二极管可以达到的电压差可能(对于一些应用)相比于通过感应续流电流达到的电势差小，对于续流电流需要时间调整，使得其只能流过相应的第一和第二开关元件504或505的体二极管而不是流过二极管D1和D2。
现在参考图11和12，表示图8和9的NPC转换器的示例性实现方式。
当设计功率模块时，在电路中最小化电感耦合的通常方法是，例如，适配电路组件的几何布置以最小化互相间的距离，调整电路的分区以形成尽可能少的硬件模块或功率衬底(power substrate)，以及在硬件组件之间采用尽可能小寄生电感的互连，例如在陶瓷层上的铜布线，模块/功率衬底之间的同轴电缆或模块/功率衬底之间的双绞线电缆。
相反，图8和9的任一NPC转换器的实施方式，如图11和12所示，使用的事实是模块设计可以故意利用由非优化的组件相互距离、在不同的功率模块或功率衬底上的一组电路组件或使用高电感的互连产生寄生电感。例如，高电流传导连接(即螺旋接触连接)引入高电感耦合。
对于图8和9的NPC转换器的任一实现方式，如图11和12所示，有必要在不同的功率衬底上或在不同的功率模块中布置组件。在这种情况下，能够布置组件以在电路性能上电感有正的影响的位置产生“寄生”电感。
更详细地，图11的NPC转换器的实现在组1152中布置第一开关元件704并在组1151中布置第二开关元件705。在图11的NPC转换器的实现中，组1151和1152对应于不同的功率衬底或不同的功率模块。
具体地，组1151包括如下组件：二极管D11、D12，晶体管T941，第一开关元件705和二极管D941。组1152包括如下组件：二极管D21、D22，晶体管T942，第二开关元件704和二极管D942。对于每个组1151和1152，在包括的组件之间最小化电感耦合。
每个组1151和1152之外的组件的连接不需要最小化电感耦合。例如，在两个组1151和1152之间的组件连接可以引入一些电感。
第一或第二串联电路711或712到相应的第二或第一组1152和1151的连接是特别重要的。最小化第一和第二串联电路711和712的第一和第二电容器C711和C712到相应的第二或第一组组件1152或1151的电感耦合提高临时储存在电容器C711和C712中的能量的量，并且因此提高图11的NPC转换器的效率。因此，第一和第二电容器C711和C712到相应的第二或第一组组件1152或1151的连接应该是尽可能低的电感或第一或第二串联电路711或712不得不被合并入相应的第二或第一组组件1152或1151。
另外，图12的MNPC转换器的实现在组1252中布置第一开关元件704并且在组1251中布置第二开关元件705。在图12的MNPC转换器的实现中，组1251和1252对应于不同的功率衬底或不同的功率模块。
具体地，组1251包括如下组件：二极管D1、晶体管T741、第一开关元件705和二极管D741。组1252包括如下组件：二极管D2、晶体管T742、第二开关元件705和二极管D742。对于每个组1251和1252，在包括的组件之间最小化电感耦合。
每个组1251和1252之外的组件的连接不需要最小化电感耦合。例如，在两个组1251和1252之间的组件连接可能引入一些电感。
第一或第二串联电路711或712到相应的第二或第一组1252和1251的连接是特别重要的。最小化第一和第二串联电路711和712的第一和第二电容器C711和C712到相应的第二或第一组组件1252或1251的电感耦合提高临时储存在电容器C711和C712中的能量的量，并且因此改进图12的NPC转换器的效率。
结果，第一和第二电容器C711和C712到相应的第二或第一组组件1252或1251的连接应该是尽可能低的电感或第一或第二串联电路711或712不得不被合并入相应的第二或第一组组件1252或1251。
现在参考图17，图示根据本发明DC/DC转换器的替代实施例。图17的DC/DC转换器基于图2的DC/DC转换器，其中相应部分赋予相应的附图标记和术语。由于简洁性的原因，省略相应部分的详细描述。
图17的DC/DC转换器不同于图2的DC/DC转换器在于为了在输出端103提供低电压的耦合到第二输入端102的开关元件1705以及耦合在第一输入端101和输出端103之间的续流二极管1704。在图17的示例性实施例中表示为电感器Lload的电感负载的情况下，切断开关元件1705导致在电感负载Lload中感应续流电流。该续流电流通过续流二极管1704传导。
此外，图17的DC/DC转换器连接到有源电感器，该有源电感器表示为电压源和电感器Lload的串联电路。
如参考图2描述的，因为DC/DC转换器也包括相同的串联电路110和相同的有源电路220，串联电路110和有源电路220的组合也允许图17的DC/DC转换器的寄生电感在导通开关元件104时保持积极的作用，当切断开关元件1705时无不利的作用。
根据另一实施例，DC/DC转换器的电路可以利用作为DC/DC升压器或有源PFC-升压器。为此目的，终端103和终端102或101作为第一和第二输入端并且相应的其他终端101或102作为输出端。因此，图17的DC/DC转换器可以用来给电池充电。
现在参考图18，示出根据本发明的DC/DC转换器的替代实施例。图18的DC/DC转换器指出DC/DC转换器到DC输入电压源(例如电池)的不同连接。
图18的DC/DC转换器基于图2的DC/DC转换器，其中相应部分赋予相应的附图标记和术语。由于简洁性的原因，省略相应部分的详细描述。
图18的DC/DC转换器不同于图2的DC/DC转换器在于第一串联电路。
详细地，图18的DC/DC转换器也包括二极管D1810和电容C1810的第一串联电路1810。第一串联电路1810连接在第一输入端101和第三输入端1807之间。第一和第三输入端101、1807给DC/DC转换器供应相同的电压。第一和第三输入端101、1807二者连接到DC电源的正端，而第二输入端102连接到DC电源的负端。
第一和第三输入端101和1807在引入的电感耦合的量上不同。第一输入端101以高电感耦合量连接到DC电源的正端，而第三输入端1807以低电感耦合量连接到DC输入电源的正端。
在图18的实施例中，不同的电感耦合由不同的连接产生。通过第一输入端101的连接，例如，可以实现为高电感电流螺旋连接。通过第一输入端的连接引入寄生电感Lparasitic。通过第三输入端1807的连接，例如，可以实现为低电感、低电流传导的同轴电缆或双绞线电缆。
作为一个示例，在图18的实施例中，DC/DC转换器包括与第二输入端102供应相同电势的第四输入端1808用于连接续流二极管105。利用第四输入端1808，提供互补连接到第三输入端1807的连接，其可以，例如，分别实现为低电感、低反向电流传导的同轴电缆二类线或双绞线电缆。
当导通开关元件104时，电流开始在第一输入端101和输出端103之间流动。图18的DC/DC转换器的寄生电感Lparasitic导致电流相对于电压的延迟。换句话说，寄生电感减少了电流变化率，因此，有利地有助于减少图18的DC/DC转换器的开启损耗。
图18的DC/DC转换器的第一串联电路1810使得通过寄生电感Lparasitic感应的电流能够在包括寄生电感Lparasitic、二极管D1810、电容器C1810和第一和第三输入端101和1807的环路中循环。因此，当切断开关元件104时，感应电流可以至少部分地临时储存在电容器C1810中。
此外，图18的DC/DC转换器包括和二极管D1810并联耦合的有源电路220。有源电路220控制第一串联电路1810的电容器C1810的临时储存的能量的释放，以致当导通开关元件104时，其不会消除寄生电感的积极作用。
具体地，有源电路220控制第一串联电路1810的电容器C1810的临时储存的能量的释放，以致当导通开关元件104时，其不会消除寄生电感的积极作用。
在图18的DC/DC转换器中，有源电路220包括电阻器R220。电阻器R220通过第一和第三输入端101和1807与第一串联电路1810的二极管D1810并联连接。电阻器R220也和电容器C1810并联连接。由于有源电路220的电阻器R220和第一串联电路的电容器C1810并联连接，所以当切断开关元件104时，寄生电感Lparasitic的感应电流的能量也可以至少部分地消耗在电阻器R220上。此外，电容器C1810临时储存的能量也可以通过在包括电容器C1810和电阻器R220的传导环路上流动的电流而至少部分地消耗。
因此，从第一串联电路1810的电容器C1810释放临时储存的能量，对图18的DC/DC转换器改进的开启行为没有不利的影响。
结果，当导通开关元件104时，串联电路1810和有源电路220的组合也允许保持图18的DC/DC转换器的寄生电感的积极作用，而当切断开关元件104时，没有不利的作用。

Claims (7)

1.一种用于将通过第一和第二输入端(101，102)供应的DC输入电压转换为在输出端(103)的DC输出电压的DC/DC转换器，该DC/DC转换器具有寄生电感，该DC/DC转换器包括：
连接到第一或第二输入端(101，102)之一以在输出端(103)提供第一电压的开关元件(104)；
在另一输入端(102，101)和输出端(103)之间耦合的续流元件(105)，允许续流电流流过输出端(103)；
二极管和电容器的第一串联电路(110)，第一串联电路(110)在第一输入端和第二输入端(101，102)之间耦合，其中二极管当切断开关元件(104)时允许在电容器中临时储存由寄生电感感应的能量；
有源电路(120；220；320；420)，其与第一串联电路(110)的二极管并联耦合以控制第一串联电路(110)的电容器的临时储存能量的释放；
其特征在于，
有源电路(320)包括中间转换器，其第一和第二端与第一串联电路(110)的二极管并联连接，且第三端连接到第二输入端(102)，
当开关元件(104)导通时，中间转换器被控制以防止从第一串联电路(110)的电容器释放临时储存的能量，以及
当开关元件(104)切断时，中间转换器另外被控制以基于外部供应的DC输入电压转换第一串联电路(110)的电容器临时储存的能量，以将转换的能量供应到第一输入端(101)。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其中该中间转换器包括连接到第一输入端(102)的电感器或者该中间转换器采用高压组件。
3.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其中该有源电路(420)包括中间转换器，其第一端连接到互连第一串联电路(110)的二极管和电容器的节点，第二端连接到第一输入端(101)，且第三端连接到第二输入端(102)，
当开关元件(104)导通时，中间转换器被控制以防止从第一串联电路(110)的电容器释放临时储存的能量，以及
当开关元件(104)切断时，另外控制该中间转换器，以基于外部供应的DC输入电压转换第一串联电路(110)的电容器的临时储存的能量，以将转换的能量供应到第一输入端(101)。
4.一种用于将DC输入电压转换为输出端(503)的AC输出电压的半桥转换器，该DC输入电压通过正和负输入端(501，502)作为正和负电压供应，该半桥转换器具有寄生电感并且包括：
第一开关元件(504)，其连接到正输入端(501)以在输出端(503)提供正电压；
第二开关元件(505)，其连接到负输入端(502)以在输出端(503)提供负电压；
第一二极管、电容器和第二二极管的第一串联电路(510)，该第一串联电路耦合在正和负输入端(501，502)之间，其中
当第一开关元件(504)切断时，该第一二极管允许在电容器中临时储存由寄生电感感应的能量，并且
当第二开关元件(505)切断时，第二二极管允许在电容器中临时储存由该寄生电感或另一个寄生电感感应的能量；
有源电路(521，522；620)，其和第一串联电路(510)并联耦合以控制第一串联电路(510)的电容器临时储存的能量的释放；
其特征在于，
有源电路(620)包括中间转换器，其第一和第二端并联连接到第一串联电路(510)的第一二极管，第三和第四端并联连接到第一串联电路(510)的第二二极管，
当第一或第二开关元件(504，505)导通时，控制中间转换器以防止从第一串联电路(510)的电容器释放临时储存的能量，并且
当相应的第一或第二开关元件(504，505)切断时，另外控制中间转换器以基于外部供应的DC输入电压转换第一串联电路(510)的电容器临时储存的能量，以供应转换的能量到第一或第二输入端(501，502)。
5.根据权利要求4所述的半桥转换器，进一步包括输出电路(1030)，其包括分别耦合在第一和第二开关元件(504，505)和输出端(503)之间的第一和第二电感器；
第一二极管(D1)，其阴极连接到正输入端(501)并且其阳极连接到第一节点，第一节点连接第二开关元件(505)和输出电路(1030)；和
第二二极管(D2)，其阳极连接到负输入端(502)并且其阴极连接到第二节点，第二节点连接第一开关元件(504)和输出电路(1030)。
6.一种用于将DC输入电压转换为输出端(703)的AC输出电压的中性点箝位转换器，DC输入电压作为相对于中性端(706)的正和负电压通过正和负输入端(701，702)供应，该中性点钳位转换器有寄生电感并且包括：
第一开关元件(704)，其连接到正输入端(701)以通过输出电路(730)在输出端(703)提供正电压；
第二开关元件(705)，其连接到负输入端(702)以通过输出电路(730)在输出端(703)提供负电压；
其中输出电路(730)包括分别耦合在第一和第二开关元件(704，705)和输出端(703)之间的第一和第二电感器；
中性点开关电路(740；940)，其耦合在中性端(706)和输出电路(730)之间以在输出端(703)提供中性电压；
第一二极管和第一电容器的第一串联电路(711)，第一串联电路耦合在正输入端(701)和中性端(706)之间，其中当第一开关元件(704)切断时，第一二极管允许在第一电容器中临时储存由寄生电感感应的能量；
第二二极管和第二电容器的第二串联电路(712)，第二串联电路耦合在负输入端(702)和中性端(706)之间，其中当第二开关元件(705)切断时，第二二极管允许在第二电容器中临时储存由该寄生电感或另一寄生电感感应的能量；
第一有源电路(721；821)，其和第一串联电路(711)的第一二极管并联耦合以控制第一串联电路(710)的第一电容器临时储存的能量的释放；和
第二有源电路(722；822)，其和第二串联电路(712)的第二二极管并联耦合以控制第二串联电路(712)的第二电容器临时储存的能量的释放；
其特征在于，
第一和第二有源电路(821，822)分别包括第一和第二中间转换器，第一和第二中间转换器的每个的第一和第二端与相应的第一或第二串联电路(711，712)的第一或第二二极管并联连接，并且第三端连接到中性端(706)；
当相应的第一或第二开关元件导通时，第一和第二中间转换器被控制以防止从相应的第一和第二串联电路(711，712)的第一或第二电容器释放临时储存的能量，并且
当相应的第一或第二开关元件(704，705)切断时，第一和第二中间转换器另外被控制，以基于外部提供的DC输入电压转换相应的第一或第二串联电路(711，712)的第一或第二电容器的临时储存的能量以提供转换的能量到相应的第一输入或第二输入端(701，702)。
7.根据权利要求6所述的中性点钳位转换器，进一步包括：
第一电路，其包括至少一个耦合在正输入端(701)和第一节点之间的第一二极管(D1；D11，D12)，第二开关元件(705)通过第一节点提供负电压到输出电路(730)，该至少一个第一二极管(D1；D11，D12)使得电流从输出电路(730)传递到正输入端(701)；和
第二电路，其包括至少一个耦合在负输入端(702)和第二节点之间的第二二极管(D2；D21，D22)，第一开关元件(704)通过第二节点提供正电压到输出电路(730)，该至少一个第二二极管(D2；D21，D22)使得电流从负输入端(702)传递到输出电路(730)。
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