CN105934876B - 谐振降压dc-dc功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及谐振降压DC‑DC功率转换器，该转换器包括通过电流隔离屏障耦合的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子以及耦接在正输入端子和负输入端子之间的输入电容器，并且次级侧电路包括输出电容器，该输出电容器可充电至位于输出电容器的第一正电极与第二负电极之间的转换器输出电压。谐振网络配置为根据开关控制信号通过半导体开关配置从输入电压交替充电并且通过电流隔离屏障放电至输出电容器以产生转换器输出电压。谐振降压DC‑DC功率转换器包括跨电流隔离屏障的电气短路连接，跨电流隔离屏障的电气短路连接在第一种情况下将输出电容器的第二负电极连接至初级侧电路的正输入端子，或者，在第二种情况下，将输出电容器的第二正电极连接至初级侧电路的负输入端子，由此在第一种情况和第二种情况下均建立输出电容器和输入电容器的串联耦合。负载连接，在第一种情况下，建立在输出电容器的第一正电极与正输入端子之间，或者，在第二种情况下，建立在输出电容器的第二负电极与负输入端子之间。

Description

谐振降压DC-DC功率转换器
技术领域
本发明涉及包括通过电流隔离屏障耦合的初级侧电路和次级侧电路的谐振降压DC-DC功率转换器。初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子以及耦接在正输入端子和负输入端子之间的输入电容器，并且次级侧电路包括输出电容器，该输出电容器可充电至位于第一正电极与第二负电极之间的转换器输出电压。谐振网络被配置为根据开关控制信号通过半导体开关配置交替地从输入电压充电及经由电流隔离屏障向输出电容器放电，以产生转换器输出电压。谐振降压DC-DC功率转换器包括电流隔离屏障两端的电气短路连接，在第一种情况下，该电气短路连接将输出电容器的第二负电极连接至初级侧电路的正输入端子，或者，在第二种情况下，该电气短路连接将输出电容器的第二正电极连接至初级侧电路的负输入端子，由此，在第一种情况和第二种情况下均建立输出电容器和输入电容器的串联耦接。在第一种情况下，负载连接建立在输出电容器的第一正电极与正输入端子之间，或者，在第二种情况下，负载连接建立在输出电容器的第二负电极与负输入端子之间。
背景技术
为了提供用于给定输出功率要求或规范的最小可能物理尺寸和/或最低成本，功率密度和部件成本是隔离型和非隔离型DC-DC功率转换器的关键性能度量。对于高切换频率(诸如，1MHz以上的频率)，谐振功率转换器是特别有用的，其中，在高切换频率处，由于转换效率原因，标准SMPS拓扑的切换损耗(降压、升压等)是不能够被接受的。通常期望高切换频率，因为高切换频率会使得功率转换器的电路部件(比如电感器和电容器)的电气尺寸和物理尺寸变小。较小部件允许DC-DC功率转换器的功率密度增加。在谐振功率转换器中，由“谐振”半导体开关取代标准SMPS的输入“斩波器”半导体开关(常常MOSFET或者IGBT)。谐振半导体开关依赖电路电容和电感的谐振来形成跨半导体开关的电流或者电压的波形，使得当在半导体开关中发生状态切换时，基本上不存在通过半导体开关的电流或者在半导体开关的两端不存在电压。因此，输入半导体开关的固有电容或电感中的至少一些的功率消耗被大量消除，使得大幅度提高切换频率变得切实可行，例如切换频率增至10MHz以上的值。在如同零电压和/或零电流切换(ZVS和/或ZCS)操作的标准下，该概念在本领域是已知的。在ZVS和/或ZCS下操作的常用切换模式功率转换器通常被描述为E类、F类或者DE类逆变器或者功率转换器。
鉴于以上内容，减小隔离型和非隔离型DC-DC功率转换器的尺寸以及降低其部件成本仍然是一项挑战。因此，极度期望一种新型谐振降压DC-DC功率转换器拓扑，其可以降低DC-DC转换器的有源和无源部件所需的最大额定电压或者额定功率。同样，极度期望一种新型谐振降压DC-DC功率转换器拓扑，其可以降低有源部件和无源部件(例如电感器、电容器、晶体管和二极管)的物理尺寸或成本。
发明内容
本发明的第一方面涉及包括通过电流隔离屏障耦合的初级侧电路和次级侧电路的谐振降压DC-DC功率转换器；初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子。输入电容器耦接或连接在初级侧电路上的正输入端子和负输入端子之间。次级侧电路包括输出电容器，该输出电容器可充电至输出电容器的第一正电极与第二负电极之间的转换器输出电压。谐振降压DC-DC功率转换器包括谐振网络，该谐振网络配置为根据开关控制信号通过半导体开关配置交替地从输入电压充电并且经由电流隔离屏障向输出电容器放电，以产生转换器输出电压，其中，开关控制信号的频率具有20MHz或以上的频率，更优选地，30MHz或以上的频率。电流隔离屏障两端的电气短路连接在第一种情况下将输出电容器的第二负电极连接至初级侧电路的正输入端子，或者，在第二种情况下，将输出电容器的第二正电极连接至初级侧电路的负输入端子，由此，在第一种情况和第二种情况下均建立输出电容器和输入电容器的串联耦接。在第一种情况下，谐振降压DC-DC功率转换器的负载连接存在或者建立在输出电容器的第一正电极与正输入端子之间，或者，在第二种情况下，谐振降压DC-DC功率转换器的负载连接存在或者建立在输出电容器的第二负电极与负输入端子之间。
下面参考隔离型的E类、DE类和SEPIC类的谐振DC-DC功率转换器的具体实现方式详细地描述本发明。技术人员将理解，本发明同样适用于其他类型的隔离型谐振DC-DC功率转换器，诸如类(EF2)逆变器和整流器和谐振升压、降压、LCC转换器等。在该上下文中，术语DC可以指代缓慢变化的输入电压，其中，术语“DC”应用于谐振降压DC-DC功率转换器的输入电压电平的变化，该变化与切换频率(即，以上提及的开关控制信号的频率)相比缓慢。输入电压可以因此包括基本上不变的DC输入电压或者整流AC电压，整流AC电压包括频率比谐振降压DC-DC功率转换器的切换频率明显低(例如低于超过100倍)的DC电压部件和AC电压部件。在后者情况下，可以通过连接至谐振降压DC-DC功率转换器的正输入端子和负输入端子的50/60Hz干线电压整流器的输出为输入电压供电。
谐振降压DC-DC功率转换器的次级侧电路可以包括耦接在在谐振网络与输出电容器之间的整流电路，以将谐振电路的谐振AC电压波形转换为DC转换器输出电压。
半导体开关配置优选地包括一个或多个单独的半导体开关，该半导体开关配置为零电压切换和/或零电流切换。本谐振降压DC-DC功率转换器可以在很高的切换频率处(比如，在20MHz或30MHz或以上)操作，因为谐振网络促使的一个或多个单独可控制的半导体开关的零电压切换和/或零电流切换有效地降低了半导体开关配置的切换功率损耗。30MHz或以上的切换频率通常被认为是谐振降压DC-DC功率转换器的VHF操作。
半导体开关配置可以包括各种普通开关拓扑，诸如单个开关拓扑、半桥开关拓扑或者全桥开关拓扑。半导体开关配置的一个或多个单独可控制的半导体开关可以包括MOSFET或者IGBT，诸如氮化镓(GaN)晶体管或者碳化硅(SiC)晶体管。每一个可控制的半导体开关的控制端子，例如，栅极或者基极可以与开关控制信号耦接并由开关控制信号驱动以使每一个可控制的半导体开关交替地在接通状态与断开状态之间切换。在接通状态，谐振网络的电感器可以利用来自输入电压源的能量充电，并且在之后的断开状态将存储能量释放至输出电容器，为输出电容器充电。谐振网络优选地包括至少一个电感器和至少一个电容器，其中，这些部件的一个或两个可以包括谐振降压DC-DC功率转换器的有源部件或者无源部件的寄生电感或者电容。谐振降压DC-DC转换器的次级侧电路可以包括一个或多个无源和/或有源整流元件，诸如插入在转换器负载的前面的二极管或者晶体管。
在第一种情况下，本谐振降压DC-DC功率转换器的输入电压或者电源(例如DC电压发生器)电连接在初级侧电路的负输入端子与输出电容器的正电极之间，使得转换器的输入电容器和输出电容器在输入电压或者电源的正端子和负端子之间串联连接。同样地，在第二种情况下，输入电压或者电源连接在输出电容器的负电极与初级侧电路的正输入端子之间，使得转换器的输入电容器和输出电容器再一次串联连接在输入电压或者电源的正端子和负端子之间。
技术人员将理解，第一种情况下，通过将输出电容器的第二极负电极与正输入端子互联，或者，第二种情况下，通过将输出电容器的第一正电极与负输入端子互联，电流隔离屏障两端的电气短路连接可以消除谐振降压DC-DC转换器的初级侧电路和次级侧电路之间的电流隔离。然而，整体上，电气短路连接为谐振降压DC-DC转换器提供许多新的益处，并且在很多应用(其中，转换器电路与使用者，诸如改进LED灯和管，隔离)中，缺少电流隔离是可接受的。由电气短路连接建立的位于输入电压/电源端子之间的输出电容器与输入电容器的串联连接具有几个有益效果。流过输入电容器以使输入电容器充电至输入电压的输入电流也被迫使流过输出电容器并且为输出电容器充电，使得能量或者功率直接从谐振降压DC-DC转换器的输入侧/初级侧传输至输出侧/次级侧。因此，如以下参考图1A)、图1B)和图1C)的谐振降压DC-DC转换器实施例进一步详细说明的，对于给定的转换器输出功率，降低了需要通过谐振网络和隔离屏障传输的功率或者能量。通过谐振网络和隔离屏障传输至次级侧电路的降低的功率量降低了谐振降压DC-DC转换器的功率损耗或者谐振降压DC-DC转换器中的功率损耗。因为转换器的输入电容器和输出电容器之间的直接的能量或者功率传输比通过谐振网络的能量或者功率的传统传输具有更小的功率损耗，所以取得该优势。
而且，需要通过谐振降压DC-DC转换器传输的降低功率导致无源部件和有源部件(例如，半导体开关、电容器、二极管等)的功率处理需求的降低，从而允许应用成本较低且物理上较小的部件。本谐振降压DC-DC转换器的又一明显优势是初级侧电路仅承受初级侧电路的正输入端子和负输入端子之间的输入电压而不是如普通的隔离型DC-DC功率转换器中通过外部输入电压或者电源供给的整个转换器输入电压。如上所述，输入电压或者电源或者连接在输出电容器的正电极与负输入端子之间，或者，在第二种情况下，连接在本谐振降压DC-DC转换器中的初级侧电路的正输入端子与输出电容器的负电极之间。谐振降压DC-DC功率转换器的初级侧电路中的降低电压电平降低了其中的有源部件和无源部件(诸如半导体开关或开关、电感器、电容器、二极管等)所需要的最大额定电压。降低的最大额定电压导致物理上较小和/或成本较低的使用期限较长的有源部件和无源部件。
电流隔离屏障可以包括变压器，该变压器包括一对电磁或者磁耦合的电感器，该对电感器包括电连接至初级侧电路的第一电感器和电连接至次级侧电路的第二电感器。第一电感器和第二电感器可以是围绕共用导磁结构缠绕的不连续绕组以形成隔离变压器。在一个替换实施例中，第一电感器和第二电感器布置为不需要共用导磁结构的电磁耦合以形成无芯隔离变压器。在该种无芯隔离变压器中，第一电感器和第二电感器可以集成到印刷电路板中而没有介于期间的磁性材料。印刷电路板可具有安装在其上的整个谐振降压DC-DC功率转换器。优选布置第一电感器和第二电感器使得第一电感器和第二电感器之间的磁耦合系数k大于0.25。无芯隔离变压器的第一电感器和第二电感器可以，例如，分别包括形成在印刷电路板的一个或多个导电层中的第一嵌入线圈和第二嵌入线圈，如在申请人的共同未决申请No.PCT/EP2014/079037中公开的。
在又一个实施例中，电流隔离屏障包括第一电容器和第二电容器，该第一电容器与初级侧电路的正输入端子以及输出电容器的第一正电极串联耦接，该第二电容器与初级侧电路的负输入端子以及输出电容器的第二负电极串联耦接。与本谐振降压DC-DC功率转换器的高切换频率相关的实施例是特别有有优势的，在高切换频率处，由于谐振功率转换器的功率转换效率随之降低，如上所述，变压器共用导磁结构中的功率损耗将是不可接受的。基于电容器的电流隔离屏障变得特别有利，因为第一电容器和第二电容器(隔离)中的电容可以很小，诸如，小于100nF，例如小于1nF，诸如大约100pF。这种隔离电容器可以通过安装SMD的陶瓷电容器形成，该安装SMD的陶瓷电容器具有非常小的封装尺寸例如，小于2cm2的封装尺寸，例如降至或者小于5mm2的封装尺寸。
本谐振降压DC-DC功率转换器的高切换频率(即，20MHz或以上)也使输入电容器和输出电容器的电容与在1MHz以下操作的传统的非谐振DC-DC功率转换器相比很小。因此，输入电容器和输出电容器均不需要是电解电容器，电解电容器通常可靠性相对低和使用期限相对短，而本谐振降压DC-DC功率转换器的第一隔离电容器和第二隔离电容器和/或输入电容器和输出电容器是可靠的、物理上很小并且很便宜。技术人员将理解通过分别与初级侧电路和次级侧电路相关联的寄生电容可以专门形成输入电容器和输出电容器。
本谐振降压DC-DC功率转换器的高切换频率(如通过开关控制信号设置)的另一个优点是可以使EMI滤波器的尺寸明显减小，EMI滤波器放置在本转换器的正输入端子和负输入端子的前面。EMI滤波器的尺寸减小是可能的，因为通过本谐振功率转换器的切换动作引起的输入电压上的纹波电压部件位于转换器的切换频率附近，即，围绕20MHz或以上，其中，EMI滤波器的必要的滤波器部件在物理上可以很小。
技术人员将理解，实用的电气短路连接将具有有限DC电阻。该有限DC电阻的上限将根据谐振降压DC-DC功率转换器的输入电压/输出电压和/或电流需求变化。电气短路连接可以具有小于1kΩ的DC电阻，甚至更优选地，小于100Ω，诸如小于10Ω。在其他实施例中，电气短路连接可以具有单向电阻，使得DC电阻仅在一个方向上落入以上提及的上限以下，并且在相反方向上表现出更大DC电阻，即二极管特性，该二极管特性可以，例如，通过二极管元件或者控制的半导体开关(诸如MOSFET)提供。
谐振降压DC-DC功率转换器的一个实施例是基于E类转换器的，并且谐振网络包括与正输入端子串联连接的第一串联连接电感器和第二串联连接电感器。半导体开关设置有第一开关节点和第二开关节点，该第一开关节点连接在第一串联连接的电感器和第二串联连接的电感器之间的中间点节点之间，该第二开关节点连接至初级侧电路的负输入端子。半导体开关的控制端子连接至开关控制端子。谐振降压DC-DC功率的调整电路或者整流电路连接在电流隔离屏障的第一电容器和第二电容器与输出电容器的第二负电极和第一正电极之间。整流电路可以包括耦合即电连接至谐振降压DC-DC功率转换器的第三电感器的半导体二极管或者同步半导体开关。
谐振降压DC-DC功率转换器的另一实施例是基于转换器拓扑的，其中，隔离变压器的第一电感器和第二电感器集成在谐振网络中。第一电感器设置有连接至正输入电压端子的第一电感器端以及连接至半导体开关的第一节点(诸如，MOSFET开关的漏端子)的第二电感器端。半导体开关的第二节点连接至初级侧电路的负输入端子。第二电感器包括连接至隔离屏障的第一电容器的第一电感器端和连接至隔离屏障的第二电容器的第二电感器端。整流电路跨第二电感器连接在电流隔离屏障的第一电容器和第二电容器与输出电容器的第二负电极和第一正电极之间。
谐振降压DC-DC功率转换器的一个实施例包括模式切换特征，该模式切换特征，如以下参考附图额外详细论述的，具有诸如增加动态电压工作范围和/或改善谐振功率转换器的功率因数(PF)的几个优点。谐振降压DC-DC功率转换器的该实施例进一步包括：
整流元件，诸如二极管或者控制半导体开关(诸如MOSFET)，该整流元件被配置为：
在第一种情况下，将来自正输入端子的电流传导至输出电容器的第二负电极，在第二种情况下，将来自负输入端子的电流传导至输出电容器的第一正电极；以及
模式选择半导体开关，配置为选择性地断开及闭合输出电容器的第二负电极与负输入端子之间的电连接，使得：
在谐振降压DC-DC功率转换器的第一模式中，通过整流元件建立输出电容器与输入电容器的串联连接，以及在谐振降压DC-DC功率转换器的第二模式中，打开或者断开输出电容器和输入电容器的串联耦接。
技术人员将理解，如以下参考图2A)至图2B)、图3A)至图3B)和图4A)至图4B)更详细描述的，本谐振降压DC-DC功率转换器中的每一个可通过对具有相应拓扑的隔离型谐振DC-DC功率转换器进行变换来构造。因此，本发明的第二方面涉及将谐振DC-DC功率转换器转换为拥有较高功率转换效率或者较小功率损耗的非隔离/非绝缘的谐振降压DC-DC功率转换器的方法。该方法包括以下步骤：
a)提供隔离型DC-DC功率转换器的初级侧电路和次级侧电路，
b)可选地，将输入电容耦接在初级侧电路的正输入端子与负输入端子之间，
c)可选地，将输出电容器的正电极耦接至次级侧电路的正输出端子，并且将输出电容器的负电极耦接至次级侧电路的负输出端子，
d)通过电流隔离屏障提供初级侧电路与次级侧电路的的电气(例如，电磁)耦合，
e)提供谐振网络，该谐振网络配置为根据开关控制信号交替地从转换器的输入电压充电并且经由电流隔离屏障放电至输出电容器，以产生转换器输出电压，
f)在第一种情况下，将电流隔离屏障两端的电气短路从次级侧电路的负输出端子连接至初级侧电路的正输入端子，或者在第二种情况下，将次级侧电路的正输出端子连接至初级侧电路的负输入端子，由此，在第一种情况和第二种情况下均建立输出电容器与输入电容器的串联耦接，
g)在第一种情况下，将功率转换器负载耦接在在次级侧电路的正电极端子与正输入端子之间，或者在第二种情况下，将功率转换器负载耦接在次级侧电路的负端子与初级侧电路的负输入端子之间。
如上所述，步骤b)的输入电容器的耦接和步骤c)的输出电容器的耦接均是可选的，因为输入电容器和输出电容器中的之一或者两者可以由分别与初级侧电路和次级侧电路相关联的寄生电容专门构成。
由于如上所述的输入电压或者电源之间的输入电容器和输出电容器的串联连接，传递至转换器负载的少量或大量功率可从输入电压或电源以及输入侧电路的输入电容器直接传输至输出侧电路的输出电容器，所以实现了本谐振降压DC-DC功率转换器实施例的较高功率转换效率。因此，较小量功率必须通过谐振网络和隔离屏障转移，从而导致其有源和/或无源部件中的较低功率损耗。
该方法可以包括进一步的步骤：
h)在第一种情况下，将输入电压源电连接在初级侧电路的负输入端子与次级侧电路的正输出端子之间，或者
i)在第二种情况下，将输入电压源电连接在初级侧电路的正输入端子与次级侧电路的负输出端子之间。
谐振DC-DC功率转换器至非隔离谐振降压DC-DC功率转换器的转换可以包括一些进一步的步骤，以增加转换的DC-DC功率转换器—即非隔离谐振降压DC-DC功率转换器—的先前论述的有利模式切换特征。根据该转换方法的这个实施例，后者包括进一步的步骤：
j)将整流元件插入电气短路连接，
k)在第一种情况下，将模式选择半导体开关插入到输出电容器的第一正电极与正输入端子之间，并且在第二种情况下，将模式选择半导体开关插入到输出电容器的第二负电极与负输入端子之间。
技术人员将理解，本谐振降压DC-DC功率转换器中的每一个可通过对具有对应拓扑的传统的或者现有技术的隔离型DC-DC功率转换器进行变换来构造。技术人员将理解，尽管根据本发明的变换后的谐振降压DC-DC功率转换器由于输入电容器与输出电容器跨输入电压源串联连接而传输比输入电压更低的输出电压，但是传统的或者现有技术的隔离型DC-DC功率转换器可能是传输比输入电压更高的输出电压的升压(step-up)或者增压(boost)转换器。
本发明的第三方面涉及谐振降压DC-DC功率转换器组件，包括：
根据其上述实施例的任一种的谐振降压DC-DC功率转换器，
印刷电路板，至少使谐振网络安装在印刷电路板上，
其中，电流隔离屏障包括一对磁耦合的电感器，该对电感器包括电连接至初级侧电路的第一电感器和电连接至次级侧电路的第二电感器；
其中，第一电感器和第二电感器分别通过印刷电路板的第一电迹线结构和第二电迹线结构形成。该对磁耦合的电感器可以相互耦合无需任何导磁磁芯材料，因为导磁磁芯材料可能难以有效的方式集成在印刷电路板上。根据本发明的后面的实施例的谐振降压DC-DC功率转换器优选地包括根据本发明的谐振转换器，诸如E类、DE类或者SEPIC转换器。20MHz或以上的高频率操作使第一电感器和第二电感器的电感足够的小，以允许这些整体集成在印刷电路板的布线结构中。而且，尽管缺少导磁磁芯材料，谐振VHF降压DC-DC功率转换器的高切换频率提供了第一电感器和第二电感器之间的高磁耦合，其中，谐振VHF降压DC-DC功率转换器可通过开关控制信号的频率设置。尽管缺少导磁磁芯材料，谐振功率转换器的高切换频率提供了该对磁耦合电感器之间的高磁耦合(如上所述)。如果谐振DC-DC功率转换器以普通切换频率工作，高磁耦合将降低电流隔离屏障的该对磁耦合电感器中将出现的其他的显著的能量损耗。
本发明的第四方面涉及LED光组件、充电器组件或者平面显示组件，包括：
根据其上述实施例的任一种的谐振降压DC-DC功率转换器，其安装在组件的印刷电路板上，
AC干线电压输入，连接至干线整流器的输入端，
干线整流器的输出端，在第一种情况下，该干线整流器的输出端连接在输出电容器的第一正电极与初级侧电路的负输入端子之间，或者在第二种情况下，连接在初级侧电路的负输入端子与输出电容器的负电极之间，以在两种情况下将整流的干线电压直接供给至谐振降压DC-DC功率转换器。
LED光组件可以安装在LED灯或者管子的外壳中。转换器负载可以通过耦合至转换器输出电压的多个LED形成。AC干线电压可以根据电力系统位于110V与240V之间。LED灯应用有助于解释本谐振降压DC-DC功率转换器的优点。在一个示例性实施例中，多个LED可能需要大约60V的DC电压并且消耗10W。而位于直接连接至110V的美国干线的LED光组件中的传统的隔离型降压DC-DC功率转换器将需要处理初级侧电路上的大约170V的峰值整流输入电压。然而，本谐振降压DC-DC功率转换器的初级侧电路仅需要处理170V减去60V(即，整流输入电压减去转换器的输出电压)，大约110V。初级侧电路两端的DC电压的降低意味着可以使用更小和更便宜的部件，诸如半导体开关。而且，传统的隔离型降压DC-DC功率转换器需要将所需的10W的功率传输至灯的LED，而本谐振降压DC-DC功率转换器仅需要传输或者供给110/200×10W＝5.5W。输出功率至LED负载的剩余的4.5W直接通过干线整流器和输入电容器从110VAC干线源供给至转换器的输出端。
技术人员将理解，电流隔离屏障两端的电气短路连接为本谐振降压DC-DC功率转换器提供了显著的益处，例如，初级侧电路两端的输入电压的降低。这些益处是由跨谐振功率转换器的一个半导体开关或多个半导体开关的峰值AC电压的明显降低而带来的。由于谐振功率转换器的谐振网络内的谐振波形，该峰值AC电压通常比初级侧电路的输入电压大大约3倍。而且，因为谐振功率转换器依赖谐振电流，为保障一个半导体开关或一个以上半导体开关的ZVS/ZCS操作(其与输入电压线性地成比例)，由该谐振电流引起的谐振网络的部件中的电阻性功率损耗与该谐振电流成渐近比例。因此，谐振网络中的总功率损耗与输入电压成渐近比例。源自由根据本发明的谐振降压DC-DC功率转换器提供的初级侧电路的输入电压的降低的优势，尤其是功率转换效率的增加，对于谐振转换器拓扑是特别明显的。
附图说明
将结合附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：
图1A)和图1B)示出了根据本发明第一实施例的谐振降压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
图1C)是根据本发明第二实施例的谐振降压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
图1D)是根据本发明第三实施例的谐振降压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
图1E)是根据本发明第四实施例的谐振降压DC-DC功率转换器的简化电气电路图，
图1F)是可以在根据本发明的谐振降压DC-DC功率转换器中利用的第一转换器核心的简化电气电路图，
图1G)是可以在根据本发明的谐振降压DC-DC功率转换器中利用的第二转换器核心的简化电气电路图，
图2A)是现有技术的包括串联谐振电路的隔离型E类谐振DC-DC转换器的电气电路图，
图2B)是根据本发明第七实施例的包括串联谐振电路的E类谐振降压谐振DC-DC功率转换器的电气电路图，
图3A)是现有技术的包括串联谐振电路的变压器耦合的隔离型E类谐振DC-DC转换器的电气电路图，
图3B)是根据本发明第八实施例的包括串联谐振电路的变压器耦合的E类谐振降压DC-DC功率转换器的电气电路图，
图4A)是现有技术的隔离型SEPIC转换器的电气电路图；以及
图4B)是根据本发明第九实施例的降压SEPIC谐振DC-DC转换器的电气电路图。
具体实施例
图1A)、1B)和1C)是简化电气电路图100a、100b、100c，100a、100b、100c示出了根据本发明的谐振降压DC-DC功率转换器的两个不同的实施例的基本操作特征。第一实施例在图1A)和图1B)中示出，而第二实施例在图1C)中示出。
图1A)示出包括通过电流隔离屏障107b连接的初级侧电路和次级侧电路的谐振降压DC-DC功率转换器100b。初级侧电路包括用于接收来自于输入电压或者电源(未示出)的DC或者AC输入电压Vin的正输入端子102b和负输入端子101b。输入电容器Cin电连接在正输入端子102b与负输入端子101b之间，以形成用于输入功率或者输入电压源的能量贮存器。初级侧电路另外包括设置在电流隔离屏障107前面的谐振网络的输入侧106b。次级侧电路包括输出电容器Cout，该输出电容器Cout具有电连接至在输出端子104b处的转换器输出电压Vout的第一电极。输出电容器Cout的第二电极位于比第一电极更低的电压电位，该第二电极经由跨电流隔离屏障107b延伸的电线109b或者电气短路连接连接至输入侧电路上的正输入端子102b。输出电容器Cout和输入电容器Cin串联连接或级联连接在DC或者AC输入电压Vin之间，即，在分别耦接至输出端子104b和负输入端子101b的输入电压或者电源的正端子和负端子之间。技术人员将理解电气短路连接109b的存在提供了从普通谐振隔离型DC-DC功率转换器至缺少输入侧电路与输出侧电路之间的电流隔离的本谐振降压DC-DC功率转换器的转换。在该转换过程中，正端子102b与负端子101b之间(即，Cin两端)的原始的谐振隔离型DC-DC功率转换器的输入电压端口被改变，使得本转换的谐振降压DC-DC功率转换器100b的用于接收DC或者AC输入电压Vin的输入电压端口，如图1A)和图1C)分别示出的，或者在第一种情况下布置在输出端子104b与负输入端子101b之间，或者在第二种情况下布置在正输入端子102c与输出电容器Cout的负电极103c之间。谐振降压DC-DC功率转换器实施例100b、100c可以包括永久连接的电气短路连接或者配线109b、109c，以使所讨论的谐振DC-DC功率转换器的单个操作模式具有固定电压降压功能。在本DC-DC功率转换器的替换的实施例中，通过电气短路连接109b、109c的耦接或者互连功率转换器100b、100c的主电路和次电路是可选的或者可控的，使得功率转换器100b、100c中的每一个可以具有两个不同的并且可选的操作模式，如以下参考图1D)和图1E)更详细论述的。技术人员将理解谐振降压DC-DC功率转换器实施例100b、100c的输入电容器Cin和输出电容器Cout可以仅由分别与初级侧电路和次级侧电路相关联的寄生电容构成。
降压DC-DC转换器100b的电气负载RL耦接在输出电容器的输出端子104b与正输入端子102b之间，使得这些端子形成DC-DC转换器100b的输出端口。初级侧电路包括先前论述的降压DC-DC转换器100b的谐振网络的输入侧106b，次级侧电路包括谐振网络的输出侧108b。技术人员将理解，谐振网络根据所讨论的DC-DC转换器的具体类型可包括许多电路拓扑。优选地，谐振网络包括至少一个用于能量储存和释放的电感器，但是可替换地，谐振网络仅包括用于能量储存的电容器。通常，谐振网络配置为根据开关控制信号交替地从输入电压Vin充电并且通过隔离屏障107b放电至输出电容器Cout，以产生转换器输出电压Vout。初级侧电路优选地包括至少一个半导体开关，例如MOSFET，该半导体开关通过开关控制信号在接通状态与断开状态之间切换，使得根据开关控制信号调制输入电压。激发谐振网络的半导体开关配置的开关控制信号的频率可以是30MHz或以上以形成所谓的VHF型降压DC-DC功率转换器。开关控制信号可以包括PWM调制的控制信号。初级侧电路可以包括电感器，该电感器利用在至少一个半导体开关的接通状态期间来自输入电容器Cin和/或DC或者AC输入电压Vin的能量充电。初级侧电路的电感器可以随后在至少一个半导体开关的断开状态下通过谐振网络的输出侧108b和输出电容器Cout放电。次级侧电路可以包括输出电容器前面的基于二极管的整流器或者同步整流器，以产生转换器输出电压Vout作为DC输出电压。
在电气短路连接或者电线109b通过将输出电容器Cout的第二电极和正输入端子102b互连去除谐振降压DC-DC转换器100b的初级侧电路和次级侧电路之间的电流隔离时，如参考图1B)示出的，其总体上向DC-DC转换器提供许多新的益处。输出和输入电容器Cout、Cin的串联连接是指初级侧电路仅需要经受转换器输出电压Vout减去Cin两端的输入电压，而不是现有技术隔离DC-DC转换器拓扑中的通过输入电压或者电源传送的整个DC或者AC输入电压Vin的情形。初级侧电路两端的降低电压降低了其中有源和无源部件所需的最大额定电压，导致有源部件和无源部件(例如电感器、电容器(包括Cin)、晶体管和二极管等)物理尺寸较小和/或成本较低。此外，后者部件的使用期限可以通过较小的电压应力而增加。在输入部106b与输出部108b中，为了给转换器的负载RL提供给定的功率量，通过DC-DC转换器100b传输的较小量功率导致有源半导体开关的功率需求降低，从而使得要应用的半导体成本较低且物理上较小。
因为提供给负载RL的输出功率的剩余部分在输入电容器Cin的充电期间直接从DC或者AC输入电压源Vin传输至输出电容器Cout，所以实现了通过谐振网络106b、107b、108b传输的功率量的有益降低。在图1B)中通过第一输出电流路径Iconvert示出了该功率输送机制，该功率输送机制示出次级侧电流如何使输出电容器Cout充电并将输出功率递送至转换器的负载RL。次级侧电流包括AC部件113a和DC部件113b，使得DC部件113b在负载RL中耗散。因此，次级侧电流以常规方式将来自于DC或者AC输入电压Vin的输出功率通过谐振网络传递至输出侧电路。然而，本DC-DC转换器100b还包括第二输出电流路径，该第二输出电流路径直接将电流或者功率从DC或者AC输入电压源传输至输出电容器Cout和负载RL而不穿过功率转换器100b。该直流包括AC电流部件和DC电流部件，该AC电流部件如通过AC输入电流路径111a所示传送至输出电容器Cout，该DC电流部件如通过DC输入电流路径111b所示传送至负载RL。输入电流路径的AC电流部件111a和DC电流部件111b穿过短路连接109b并且通过初级侧电路106b的正输入和负输入，使得直流的DC电流部件111b不经转换器处理。因此，该DC电流部件直接供给至负载RL而没有任何明显的功率损耗。
技术人员将理解实际的电气短路连接109b具有一定的DC电阻并且该DC电阻的上限将根据转换器100b的输入/输出电压和/或电流需求而变化。电气短路连接可以具有小于1kΩ的DC电阻，甚至更优选小于100Ω，诸如小于10Ω。在其他实施例中，电气短路连接109b可以具有单向电阻，使得DC电阻仅在一个方向上降到以上提及的上限以下，并且在相反方向上表现出更大的DC电阻，即，二极管特性。
在图1)所示的谐振降压DC-DC转换器拓扑的替换实施例中，跨隔离屏障107c延伸的电气短路连接或者配线109c将输出电容器Cout的第一正电极连接至初级侧电路的负输入端子101c。从而，建立输出电容器Cout和输入电容器Cin从正输入端子102c处的输入电压Vin至输出电容器Cout的负电极103c的串联耦接。输出电容器Cout的负电极101c处于比负输入端子101c更低的电位。以这种方式，至功率转换器100c的DC或者AC输入电压Vin再一次施加在跨串联连接的输入电容器Cin和输出电容器Cout上。转换器负载RL耦接在跨输出电容器的输出端子104c与端子103c之间。另外，谐振功率转换器100c的该第二实施例的电路功能、电气部件特性和部件值可以与谐振功率转换器100b的第一实施例的那些相同。
图1D)是根据本发明的第三实施例的谐振降压DC-DC功率转换器100d的简化电气电路图。谐振功率转换器100d的转换器核心105d可以与上面关于图1A)和图1B)论述的谐振功率转换器100c的核心105b相同。因此，已为这些不同的功率转换器实施例100b、100d的相应的特征提供了对应的参考标号/符号，以辅助比较。本谐振功率转换器实施例100d包括模式选择可控制的半导体开关SW1，该模式选择可控制的半导体开关SW1结合整流元件111e(诸如二极管或者有源半导体二极管比如可控制的半导体开关)进行操作。谐振降压DC-DC功率转换器100d的操作对应于以下详细论述的谐振降压DC-DC功率转换器100e的操作。
图1E)示出根据本发明第四实施例的谐振降压DC-DC功率转换器100e的简化电气电路图。谐振功率转换器100e的转换器核心105e可以与上面关于图1C)论述的谐振功率转换器100c的核心105相同。因此，已为这些不同的功率转换器实施例100c、100e的对应的特征提供了对应的参考标号/符号，以辅助比较。本谐振功率转换器实施例100e包括模式选择可控制的半导体开关SW1，该模式选择可控制的半导体开关SW1结合整流元件111e(诸如二极管或者有源半导体二极管比如可控制的半导体开关)进行操作。整流元件111e插入短路连接或者线路109e，该短路连接或者线路109e将功率转换器的负输入端子109e连接至输出电容器Cout的第一正电极。后者短路连接对应于先前论述的谐振功率转换器100c的短路连接109c。因此，当整流元件111e正偏时，虽然在谐振功率转换器100e的输入电压Vin端子104e、103e之间存在二极管电压轻微下降的可能，但是短路线路109e有效地将输出电容器Cout和输入电容器Cin布置为串联。另一方面，当整流元件111e反偏时，Cout与Cin通过短路线路109e的串联耦接被损坏或者断开，以断开谐振功率转换器100e的初级侧电路与次级侧电路之间的电连接。
模式选择可控制半导体开关SW1耦接在负输入端子101e与输出电容器103e的第二负电极之间，并且配置为选择性地断开及闭合这些端子101e、103e之间的电连接。开关SW1可以包括一个或多个BJT、FET MOSFET或者IGBT，诸如氮化镓(GaN)或者碳化硅(SiC)晶体管。SW1可以在导电或者接通(on)状态与非导电或者断开(off)状态之间切换,以通过施加在开关SW1的栅极或者基极端子的合适的控制电压分别接通及断开端子101e、103e之间的电连接。与本谐振功率转换器100e集成或者耦合至本谐振功率转换器100e的模式控制电路(未示出)可以为SW1提供控制电压。
当模式选择可控制半导体开关SW1处于非导电或者断开状态(如示出)时，Cout和Cin电容器的负端子断开，并且整流元件111e正偏。因此，输入和输出电容器Cout和Cin通过整流元件111e串联连接。因为DC或者AC输入电压Vin大于输出电压Vout，允许先前论述的功率转换器的输入电流直接通过Cin流入Cout以使输出电容器充电，所以整流元件111e正偏。因此，谐振功率转换器100e处于第一操作模式，在该模式中，其主要起上面论述的图1C)的谐振功率转换器100c的作用，即，作为谐振降压非隔离型DC-DC功率转换器。通过将可控制半导体开关SW1设置为导电或者接通状态，本谐振功率转换器实施例100e切换至第二操作模式。在第二操作状态，由于负电容器端子101e、103e之间的电连接，因此整流元件111e反偏并因此不导通。因此，输入和输出电容器Cout和Cin(通过整流元件111e)在第一模式中的上述串联连接被断开或者打开。在谐振功率转换器100e的第二操作模式中，其主要起传统谐振DC-DC功率转换器的功能，虽然存在整流元件111e，但在初级侧电路和次级侧电路之间仍然没有任何电流隔离。
本谐振功率转换器100e的模式切换特征，即，从第一模式至第二模式或者反之亦然，具有几个优势。模式切换特征可以用于在转换器100e的工作期间，通过SW1的控制端子的适当控制，动态地在第一模式和第二模式之间切换本谐振功率转换器100e。动态模式切换特征增加谐振功率转换器100e的输入电压范围。为了解释这些优点，考虑传统的谐振DC-DC功率转换器，其被设计为用于10V至20V的DC输入电压范围和10V的DC输出电压范围。如果该传统的DC-DC功率转换器被转换或者配置为本谐振降压DC-DC功率转换器，那么在转换器的工作期间，通过利用谐振降压DC-DC功率转换器的第一模式和第二模式，可以使DC输入电压范围增至10V至30V。因此，谐振降压DC-DC功率转换器根据输入电压波形在第一操作模式和第二操作模式之间动态地切换。通过动态模式切换特征实现的DC输入电压范围的增加特别有利，因为与非谐振DC-DC功率转换器相比，谐振功率转换器通常承受限制的或者狭窄的DC输入电压范围。动态模式切换特征的另一个优点是谐振功率转换器100e的改进的功率因数(PF)。切换模式功率转换器的功率因数或者电源的功率因数在诸如LED灯的许多应用中是重要的性能度量，在LED灯中可能存在最小功率因数的调整需求(比如大于0.9)。通过动态模式切换特征实现了改进的PF，因为该特征允许转换器跟踪至转换器的输入电压的AC变化，诸如，整流的50/60Hz干线电压的波形中的AC变化。
通过第一DC输入电流路径111b1和第二DC输入电流路径111b2示出了谐振降压DC-DC功率转换器100e中的输入电流在第一操作模式和第二操作模式下的流动。当选择了转换器100e的第一操作模式，即，降压功能时，输入电流沿着第一DC输入电流路径111b1流动，其中，DC输入电流通过二极管111e并通过转换器负载RL流动。当选择转换器100e的第二操作模式时，即，SW1是导电的和传统的转换功能，输入电流沿着第二DC输入电流路径111b2流动，其中，二极管111e被阻断，并且DC输入电流经过SW1而没有经过转换器负载流至负汇流条(negtive rail)或者转换器的端子103d。
图1F)是第一转换器核心105f的简化电气电路图，该第一转换器核心可以用作分别用作图1A)、图1B)、图1C)、图1D)、和图1E)上所示的降压DC-DC功率转换器实施例100b、100c、100d、100e的转换器核心105b、105c、105d、105e。第一转换器核心105f包括多个分离的谐振DC-DC功率转换器核心110f。每一个分离的谐振DC-DC功率转换器核心110f包括通过电流隔离屏障107f耦合至谐振网络的输出侧113的谐振网络的输入侧111。谐振DC-DC功率转换器核心110e的输入侧111可以是并联或者串联连接。谐振DC-DC功率转换器核心110f的输出侧113同样地可以是并联或者串联连接。多个输入侧111的并行化和/或一个或多个输出侧113的并行化利用第一转换器核心105f增加升压DC-DC功率转换器的额定功率。技术人员将理解，每一个分离的谐振DC-DC功率转换器核心110f可以包括以下参考图2、图3和图4论述的现有技术谐振DC-DC功率转换器核心中的一个。
图1G)是第二转换器核心105g的简化电气电路图，第二转换器核心可以分别用作图1A)、图1B)、图1C)、图1D)、和图1E)所示的降压DC-DC功率转换器实施例100b、100c、100d、100e的转换器核心105b、105c、105d、105e。第二转换器核心105g包括多个分离的谐振功率逆变器114g。每一个分离的谐振功率逆变器核心114g包括谐振网络的输入侧115，该输入侧115通过电流隔离屏障107g耦合至谐振DC-DC功率转换器核心105g的一个或多个整流器117。分离的谐振功率逆变器核心114g可以是并联或者串联连接的。同样地，一个或多个整流器117的各个输出侧也可以串联或并联连接。然而，如果一个或多个整流器串联耦接，那么电流隔离可以插入一个或多个整流器117之间。
图2A)示出现有技术的隔离型E类谐振DC-DC转换器200的电气电路图，该转换器200包括串联谐振网络或者串联谐振电路，该串联谐振网络或者串联谐振电路包括电感器L2和电容器C1。现有技术E类谐振转换器包括通过电流隔离屏障207连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于从电压或者电源(未示出)接收DC或者AC输入电压Vin的正输入端子202和负输入端子201。输入电容器Cin电连接在正输入端子202b与负输入端子201之间，以形成用于电压源的能量贮存器。转换器核心205包括谐振网络和半导体开关配置，该谐振网络包括第一串联连接的电感器L1和第二串联连接的电感器L2，半导体开关配置包括MOSFET开关S(或者另一合适类型的半导体开关)，该开关具有连接至L1与L2之间的中点节点的漏极端子。初级侧电路布置在由耦接电容器C1和C2形成的隔离屏障207的前面。次级侧电路包括输出电容器Cout，该输出电容器Cout具有电连接至在输出端子204处的转换器输出电压Vout的第一电极。输出电容器Cout的第二负电极耦接在转换器输出电压的负端子203。隔离E类谐振DC-DC转换器200的负载通过负载电阻RL示意性地示出并且该负载耦接在正输出端子204和负输出端子203之间。
图2B)是根据本发明第七实施例的包括串联谐振电路的E类谐振降压DC-DC功率转换器200c的电气电路图。E类谐振降压DC-DC功率转换器200b可以通过在以上提及的现有技术隔离型E类谐振DC-DC转换器200中插入或者添加跨转换器200c的电流隔离屏障207c延伸的电气短路连接209c进行变换获得。电流隔离屏障207c包括串联电容器C1和C2。电气短路连接209c电连接输出电容器Cout的第一正电极204c和负输入端子201c。第一正电极204c也连接至转换器输出电压Vout。如关于图1C论述的，电气短路连接或者配线209c有效地将输出电容器Cout和输入电容器Cin设置为跨DC或者AC输入电压Vin串联或者级联连接。因此，通过负载电阻RL示意性示出的转换器负载，与输出电容器Cout并联耦接。技术人员将理解电流隔离屏障207c的串联电容器C2防止DC电流从输出电容器Cout的第二负电极203b流回至负输入端子201c。以这种方式，电气短路连接209b传导或者迫使DC电流回到输入电容器Cin。以这种方式，尽管隔离屏障207c通过转换而被电气地旁路，但是隔离屏障207c对于本E类谐振降压DC-DC功率转换器200c的操作很重要，因为，否则节点201c和203c和204c将直接电连接而引起转换器输入端处的短路。
除了上述的第一串联连接的电感器L1和第二串联连接的电感器L2，转换器200c的转换器核心205c的串联谐振网络可以包括跨MOSFET开关S的漏极端子和源极端子配置的电容器(CS)，以增加功率转换器200c的谐振电流和/或调节/微调功率转换器200c的谐振频率。同样地，可以跨整流二极管D配置另一个电容器CD以调整功率转换器200c的次级部分即E类整流器的占空比。在转换器200c的工作期间，串联谐振网络通过MOSFET开关S激发，使得串联谐振网络交替地从DC或者AC输入电压Vin充电并且通过电流隔离屏障207c以及包括电感L3和二极管D的整流电路放电至输出电容器Cout。
图3A)是包括串联谐振电路的现有技术变压器隔离型E类谐振DC-DC转换器300的电气电路图。转换器300的转换器核心305包括串联谐振电路，串联谐振电路至少包括电感器L2、L3和电容器CS和C1。现有技术DC-DC转换器300包括通过变压器308提供的电流隔离屏障307连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于从电压或者电源(未示出)接收DC或者AC输入电压Vin的正输入端子302和负输入端子301。输入电容器Cin电连接在正输入端子302与负输入端子301之间以形成用于输入电压源的能量贮存器。初级侧电路另外包括串联谐振网络或者串联谐振电路的一部分，该串联谐振网络或串联谐振电路至少包括电感器L2和电容器CS和C1。第一电感器L1具有第一端和第二端，第一端耦接至正输入端子302，第二端耦接至MOSFET开关S的漏端子，该MOSFET开关S构成本功率转换器300的切换配置。功率转换器300的次级侧电路包括输出电容器Cout，该输出电容器Cout具有在输出端子304处的电连接至转换器输出电压Vout的第一电极。输出电容器Cout的第二负电极耦接至转换器输出电压的负端子303。通过负载电阻RL示意性地图示出电气或者功率转换器负载，该电气或者功率转换器负载耦接在现有技术DC-DC转换器300的正输出端子304和负输出端子303之间。次级侧电路此外包括第三电感器L3，该第三电感器L3跨以上提及的变压器308的次级变压器绕组连接。次级变压器绕组具有第一端和第二端，第一端耦接至整流二极管D的负电极，第二端耦接至输出电容器Cout的正电极。整流二极管D整流通过次级变压器绕组产生的AC电流并且产生DC电压作为正输出端子304和负输出端子303之间的转换器输出电压。耦接在正输出端子304和负输出端子303之间的负载电阻RL示意性地示出电气或者功率转换器负载。
图3B)是根据本发明第八实施例的变压器耦合的E类谐振降压DC-DC功率转换器300c的电气电路图。降压DC-DC功率转换器300c可以通过在以上提及的现有技术谐振隔离型DC-DC转换器300中插入或者添加跨通过变压器308b形成的电流隔离屏障延伸的电气短路连接309c进行变化而获得。变压器308b包括磁耦合的初级变压器绕组和次级变压器绕组，初级变压器绕组和次级变压器绕组通过绕组顶部的黑点表示极性反转。转换器300的转换器核心305c包括串联谐振网络或者串联谐振电路，该串联谐振网络或者串联谐振电路至少包括电感器L2、L3和电容器CS和C1。在转换器300c的操作期间，串联谐振网络通过MOSFET开关S激发，使得串联谐振网络交替地从DC或者AC输入电压Vin充电，并且通过电流隔离屏障307c和包括二极管D的整流电路放电至输出电容器Cout。
电气短路连接309c连接初级侧电路的负输入端子302b和输出电容器Cout的第一正电极304c，其中，后者电极还供给转换器输出电压。如关于图1C)论述的，电气短路连接或者配线309c有效地将输出电容器Cout和输入电容器Cin串联或者级联连接在跨DC或者AC输入电压Vin的正连接和负连接的位置。因此，通过负载电阻RL示意性地示出的转换器负载耦接在转换器输出电压之间，该转换器输出电压跨输出电容器Cout的正电极和负电极。技术人员将理解变压器耦合防止DC电流从输出电容器Cout的第二负电极303c流回至初级侧电路的负输入端子301c。
图4A)是现有技术隔离型单端初级电感器转换器(SEPIC)400的电气电路图。现有技术SEPIC 400包括通过电流隔离屏障407连接的初级侧电路和次级侧电路。初级侧电路包括用于从电压或者电源(未示出)接收DC或者AC输入电压Vin的正输入端子402和负输入端子401。输入电容器Cin电连接在正输入端子402与负输入端子401之间以形成用于输入电压源的能量贮存器。转换器400的转换器核心405包括串联谐振电路，该串联谐振电路包括第一电感器L1，该第一电感器L1具有耦接至DC或者AC输入电压Vin的第一节点和耦接至MOSFET开关S的漏极端子的第二节点。开关配置的MOSFET开关S的源端子耦接至负输入端子401。现有技术SEPIC400是谐振类型的功率转换器，其中，通过转换器核心405的谐振网络确定转换器的谐振频率，该谐振网络包括第一电感器L1和第二电感器L2和电容器CS和CD的。初级侧电路布置在电流隔离屏障407的前面，该电流隔离屏障407位于转换器核心405内，并由耦接电容器C1和C2组成。次级侧电路包括输出电容器Cout，该输出电容器Cout具有电连接至正输出端子404处的转换器输出电压Vout的第一电极。输出电容器Cout的第二负电极耦接至转换器输出电压的负端子403。整流二极管D整流第二电感器L2产生的AC电流并且为输出电容器Cout充电，使得正输出端子404和负输出端子403之间的转换器输出电压Vout是DC电压。由负载电阻RL示出的SEPIC 400的转换器负载耦接在正输出端子404和负输出端子403之间。
图4B)是根据本发明第九实施例的SEPIC 400c的电气电路图。通过插入或者添加跨SEPIC 400c的电流隔离屏障407c延伸的电气短路连接409c，对以上提及的现有技术SEPIC 400进行转换可以获得SEPIC 400c。电流隔离屏障407c包括防止DC电流在上述隔离SEPIC400中的次级侧电路与初级侧电路之间流动的串联电容器C1和C2。在本SEPIC 400c中，电气短路连接409c电连接输出电容器Cout的正电极404c和负输入端子401c。如关于图1A)和图1B)论述的，电气短路连接或者配线409c有效地将输出电容器Cout和输入电容器Cin设置为跨DC或者AC输入电压Vin的正连接和负连接串联或者级联，使得旁路或者去除初级侧电路与次级侧电路之间的电流隔离。通过负载电阻RL示意性示出的电气或者功率转换器负载耦接在输出端子404c处的转换器输出电压Vout与输出电容器的负电极403c之间。技术人员将理解电流隔离屏障407b的串联电容器C2防止DC电流从输出电容器Cout的第二负电极403b直接回流至初级侧电路的负输入端子401b。SEPIC 400c包括转换器核心405c，该转换器核心包括上述的谐振网络，该谐振网络包括第一电感器L1和第二电感器L2和电容器CS和CD。在转换器400c的工作期间，串联谐振网络通过MOSFET开关S激发，使得串联谐振网络交替地从DC或者AC输入电压Vin充电并且通过电流隔离屏障407c以及包括整流二极管D的整流电路放电至输出电容器Cout。跨MOSFET开关S漏端子和源端子连接或者布置的电容器CS是可选的，但是可以有助于增加谐振网络SEPIC 400c的谐振电流和/或调节/微调谐振网络SEPIC 400c的谐振频率。在SEPIC 400c的一些实施例中，电容器CS可以仅由MOSFET S的寄生电容构成。可选的电容器CD可以跨整流二极管D布置以调节功率转换器400c的占空比。

Claims (20)

1.一种谐振降压DC-DC功率转换器，包括：
通过电流隔离屏障耦合的初级侧电路和次级侧电路，
所述初级侧电路包括用于接收输入电压的正输入端子和负输入端子以及耦接在所述正输入端子与所述负输入端子之间的输入电容器，
所述次级侧电路包括输出电容器，所述输出电容器能够充电至在所述输出电容器的第一正电极与第二负电极之间的转换器输出电压；
谐振网络，被配置为根据开关控制信号，通过半导体开关配置，交替地从所述输入电压充电和经由所述电流隔离屏障向所述输出电容器放电，以产生所述转换器输出电压，其中，所述开关控制信号的频率为20MHz或以上的频率；
所述电流隔离屏障两端的电气短路连接，所述电气短路连接在第一种情况下将所述输出电容器的所述第二负电极连接至所述初级侧电路的所述正输入端子，或者，在第二种情况下，所述电气短路连接将所述输出电容器的所述第一正电极连接至所述初级侧电路的所述负输入端子，由此在所述第一种情况和所述第二种情况下均建立所述输出电容器与所述输入电容器的串联耦接；
负载连接，在所述第一种情况下，所述负载连接位于所述输出电容器的所述第一正电极与所述正输入端子之间，或者，在第二种情况下，所述负载连接位于所述输出电容器的所述第二负电极与所述负输入端子之间。
2.根据权利要求1所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述电流隔离屏障包括：
一对磁耦合的电感器，所述一对磁耦合的电感器包括电连接至所述初级侧电路的第一电感器和电连接至所述次级侧电路的第二电感器。
3.根据权利要求2所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述第一电感器和所述第二电感器绕共用导磁结构缠绕以形成隔离变压器。
4.根据权利要求2所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，将所述第一电感器和所述第二电感器被配置为无共用导磁结构的磁耦合以形成无芯隔离变压器。
5.根据权利要求4所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述第一电感器和所述第二电感器分别包括形成在印刷电路板的一个或多个导电层中的第一嵌入线圈和第二嵌入线圈。
6.根据权利要求4或5所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述第一电感器和所述第二电感器之间的磁耦合系数k大于0.25。
7.根据权利要求1所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述电流隔离屏障包括：
第一电容器，所述第一电容器与所述初级侧电路的所述正输入端子以及所述输出电容器的所述第一正电极串联耦接；以及
第二电容器，与所述初级侧电路的所述负输入端子以及所述输出电容器的所述第二负电极串联耦接。
8.根据权利要求7所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述第一电容器和所述第二电容器中的每一个的电容小于100nF。
9.根据前述权利要求1至5、7和8中任一项所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述电气短路连接的DC电阻小于1kΩ。
10.根据权利要求7和8中任一项所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述谐振网络包括：
第一和第二串联连接的电感器，所述第一和第二串联连接的电感器与正输入电压端子串联连接，
半导体开关，所述半导体开关具有第一开关节点，第二开关节点和控制端子，所述第一开关节点连接在所述第一和第二串联连接的电感器之间的中间点节点之间，所述第二开关节点连接至所述初级侧电路的所述负输入端子，所述控制端子连接至开关控制端子；以及
整流电路，所述整流电路连接在所述电流隔离屏障的所述第一电容器和所述第二电容器与所述输出电容器的所述第一正电极和所述第二负电极之间。
11.根据前述权利要求1至5、7和8中任一项所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述半导体开关配置包括一个或多个可控半导体开关。
12.根据权利要求11所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述一个或多个可控半导体开关配置为零电压切换和/或零电流切换。
13.根据前述权利要求1至5、7和8中任一项所述的谐振降压DC-DC功率转换器，还包括：
整流元件，所述整流元件被配置为：
在第一种情况下，将来自所述正输入端子的电流传导至所述输出电容器的所述第二负电极，在第二种情况下，将来自所述负输入端子的电流传导至所述输出电容器的所述第一正电极；以及
模式选择半导体开关，所述模式选择半导体开关被配置为，在第一种情况下，选择性地断开和闭合所述正输入端子与所述输出电容器的所述第一正电极之间的电连接，并且在第二种情况下，选择性地断开和闭合所述负输入端子与所述输出电容器的所述第二负电极之间的电连接，使得：
在所述谐振降压DC-DC功率转换器的第一模式中，通过所述整流元件建立所述输出电容器和所述输入电容器的串联连接；以及
在所述谐振降压DC-DC功率转换器的第二模式中，打开或者断开所述输出电容器和所述输入电容器的所述串联连接。
14.根据权利要求13所述的谐振降压DC-DC功率转换器，其中，所述整流元件为二极管。
15.一种将具有20MHz或以上的切换频率的谐振隔离型DC-DC功率转换器转换为具有更高功率转换效率的谐振非隔离型降压DC-DC功率转换器的方法，所述方法包括以下步骤：
a)提供所述隔离型DC-DC功率转换器的初级侧电路和次级侧电路，
b)将输入电容器耦接在所述初级侧电路的正输入端子与负输入端子之间，
c)将输出电容器的第一正电极耦接至所述次级侧电路的正输出端子，并且将所述输出电容器的第二负电极耦接至所述次级侧电路的负输出端子，
d)通过电流隔离屏障提供所述初级侧电路与所述次级侧电路的电气耦合，
e)提供谐振网络，所述谐振网络被配置为根据开关控制信号交替地从所述转换器的输入电压充电并通过所述电流隔离屏障向所述输出电容器放电，以产生所述转换器输出电压，
f)在第一种情况下，将所述电流隔离屏障两端的电气短路从所述次级侧电路的所述负输出端子连接至所述初级侧电路的所述正输入端子，或者在第二种情况下，将所述次级侧电路的所述正输出端子连接至所述初级侧电路的所述负输入端子，由此，在所述第一种情况和所述第二种情况下均建立所述输出电容器与所述输入电容器的串联耦接，
g)在所述第一种情况下，将功率转换器负载耦接在所述次级侧电路的所述正输出端子与所述正输入端子之间，或者在所述第二种情况下，将所述功率转换器负载耦接在所述次级侧电路的所述负输出端子与所述初级侧电路的所述负输入端子之间。
16.根据权利要求15所述的将具有20MHz或以上的切换频率的谐振隔离型DC-DC功率转换器转换为具有更高功率转换效率的谐振非隔离型降压DC-DC功率转换器的方法，包括进一步的步骤：
h)在所述第一种情况下，将输入电压源电连接在所述初级侧电路的所述负输入端子与所述次级侧电路的所述正输出端子之间，或者
i)在所述第二种情况下，将输入电压源电连接在所述初级侧电路的所述正输入端子与所述次级侧电路的所述负输出端子之间。
17.根据权利要求15或16所述的将具有20MHz或以上的切换频率的谐振隔离型DC-DC功率转换器转换为具有更高功率转换效率的谐振非隔离型降压DC-DC功率转换器的方法，包括进一步的步骤：
j)将整流元件插入在电气短路连接中，
k)在所述第一种情况下，将模式选择半导体开关插入到所述正输入端子与所述输出电容器的所述第一正电极之间，以及在第二种情况下，将模式选择半导体开关插入到所述负输入端子与所述输出电容器的所述第二负电极之间。
18.一种降压DC-DC功率转换器组件，包括：
根据权利要求1至14中任一项所述的谐振降压DC-DC功率转换器；
印刷电路板，至少使所述谐振网络安装在所述印刷电路板上；
一对磁耦合的电感器，所述一对磁耦合的电感器包括电连接至所述初级侧电路的第一电感器和电连接至所述次级侧电路的第二电感器；
其中，所述第一电感器和所述第二电感器分别通过所述印刷电路板的第一电迹线结构和第二电迹线结构形成。
19.一种LED光组件，包括：
安装在所述组件的印刷电路板上的根据权利要求1至14中任一项所述的谐振降压DC-DC功率转换器；
AC干线电压输入，所述AC干线电压输入连接至干线整流器的输入；
所述干线整流器的输出，在第一种情况下，所述干线整流器的输出连接在所述输出电容器的所述第一正电极与所述负输入端子之间，或者在第二种情况下，所述干线整流器的输出连接在所述负输入端子与所述输出电容器的所述负电极之间，以在两种情况下将整流的干线电压供给至所述谐振降压DC-DC功率转换器。
20.一种LED灯，包括根据权利要求19所述的LED光组件。
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