CN1129999C

CN1129999C - 零电压零电流的升压型转换器

Info

Publication number: CN1129999C
Application number: CN 00134500
Authority: CN
Inventors: 张育铭
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd; Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2003-12-03
Anticipated expiration: 2020-12-01
Also published as: CN1355591A

Abstract

本发明为一种零电压零电流的升压型转换器，是在传统的升压型转换器中加入二共振回路，以避免开关切换时的切换损失，其主要包含主电感、共振电容、共振电感，一主开关，二主二极管，二辅助开关及二输出电容，主开关用来提升电压，而二辅助开关则用来消除主开关的切换损失而其本身则无切换损失，并可防止电磁干扰及射频干扰。

Description

零电压零电流的升压型转换器

技术领域

本发明涉及一种零电压零电流的升压型转换器，具体来说，涉及一种通过若干电子开关以完成升压动作的零电压零电流的升压型转换器。

背景技术

传统的单相升压转换器利用电子开关与二极管的电路结构，再配合适当的控制信号，使输入的直流电压转换为输出的较高直流电压。

图1为传统的升压式转换器。当主开关Sm导通(on)时，全波整流器输出的直流电源在主电感L上积累能量，此时二极管呈关闭(Off)，当主开关Sm关闭(off)时，瞬间电流下降，电感上的电流变化率(di/dt)变成负的，使得电感上形成反电动势Vl＝L(di/dt)，再加上电源Vs，即可向主电容放电，产生升压的功能。若Vs+Vl-Vc大于主二极管(Dm)的临界电压(Vd)，则可确保放电的动作一直持续进行。当电容C的电压升高时，使得主二极管(Dm)截止(turn off)，即电感上的能量已向电容释放完毕，无法再向电容C放电。理论上，主开关Sm会快速且周期性地通断(on-off)，使电感累积的能量，随时向电容补充能量，电容即可维持固定电压(Vs+Vl-Vd)，不受负载影响。

但是这种升压转换器在主开关Sm切换时，主二极管Dm的逆向回复电流，使得主开关Sm及主二极管Dm产生严重的切换损失。

图2为针对上述缺点提出的另一传统技术，它基本上是在主二极管Dm与主开关Sm的接点上加一支路，支路上的辅助电感La及辅助开关Sa可以消除二极管的逆向回复电流，并将能量先预存在La上，促使Sm可以在零电压时导通(turn on)，以于Sa关闭时，再透过二极管D2向电容C放电。这样子可以解决图1主开关Sm及主二极管Dm的切换损失，但辅助开关Sa本身的切换损失(off时)却仍存在，且会有电磁干扰(EMI)及射频干扰(RFI)的问题发生。

发明内容

本发明的目的即根据上述传统技术的缺点，提出一种改善的电路，使得开关电路真正运作零电压及零电流的状态下，以避免切换损失及电磁干扰(EMI)及射频干扰(RFI)的问题，除此，更可缩小磁性元件的尺寸以及提高整体效率。

为达上述目的，本发明提出一种零电压零电流的升压型转换器，包含：

升压基组，用于输入第一直流电源，并升压输出第二直流电源；

第一共振回路，用于使该升压基组的该第一直流电源沿着第一路径放电；以及

第二共振回路，用于使该升压基组的第一直流电源沿着第二路径放电；

而其特征在于，该第一共振回路与该第二共振回路是轮流运作，从而去除该等回路内部的开关的切换损失。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该升压基组包含主电感，主开关，第一主二极管及共振电容。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该主电感、该第一主二极管、该共振电容及该主开关连接至第一节点。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该第一直流电源是由全波整流器转换或是其他直流储能元件的输出(如电池)而来。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该第一共振回路所沿着的该第一路径是经第一辅助开关，共振电感，第二输出电容及第二主二极管。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该第二共振回路所沿着的该第二路径是经第一主二极管，第一输出电容，该共振电感，第二辅助开关。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该第一辅助开关及该第二辅助开关是单向电子开关。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该升压基组的主开关是因应该第一共振回路上的第一辅助开关而动作。

如所述的零电压零电流的升压型转换器，其中该第一辅助开关使该升压基组的第一节点的电位降至零时，该主开关导通(turn on)。

当然，本发明的零电压零电流的升压型转换器，主要包含主电感、主开关、第一主二极管、第二主二极管、共振电容、第一辅助开关、第二辅助开关、共振电感，第一输出电容、第二输出电容，其特征在于：该主电感、该主开关、该共振电容、该第一主二极管及该第一辅助开关系电气连接至第一节点；该主开关、该共振电容、该第二辅助开关及该第二主二极管电气连接至第二节点；该第一辅助开关、第二辅助开关及该共振电感电气连接至第三节点；而该共振电感、该第一输出电容及该第二输出电容系电气连接至第四节点，从而去除该等开关的切换损失。

本发明第一方面的零电压零电流的升压型转换器，包含：

升压基组，用于输入一第一直流电源，并升压输出一第二直流电源，其中该升压基组包含一主电感、一主开关、一第一主二极管、一第二主二极管以及一共振电容，所述主电感、所述第一主二极管、所述共振电容以及所述主开关连接至一第一节点，所述第二主二极管、所述共振电容以及所述主开关连接至一第二节点；

第一共振回路，用于使所述升压基组的所述第一直流电源沿着一第一路径放电，所述第一路径经第一辅助开关、共振电感、第二输出电容以及所述第二主二极管，其中所述第一辅助开关的一端连接至所述第一节点，所述第一辅助开关的另一端连接所述共振电感的一端至一第三节点，所述共振电感的另一端连接所述第二输出电容至一第四节点；以及

第二共振回路，用于使所述升压基组的所述第一直流电源沿着一第二路径放电，所述第二路径经所述第一主二极管、一第一输出电容、所述共振电感以及一第二辅助开关，其中所述第一输出电容连接所述共振电感至所述第四节点，所述第二辅助开关的一端连接所述共振电感至所述第三节点，所述第二辅助开关的另一端连接至所述第二节点；

其特征在于，所述第一共振回路与所述第二共振回路是轮流运作，从而去除所述回路内部的开关的切换损失。

本发明第二方面的零电压零电流的升压型转换器，包含主电感、主开关、第一主二极管、第二主二极管、共振电容、第一辅助开关、第二辅助开关、共振电感，第一输出电容、第二输出电容，其特征在于：所述主电感、所述主开关、所述共振电容、所述第一主二极管及所述第一辅助开关电气连接到第一节点；所述主开关、所述共振电容、所述第二辅助开关及所述第二主二极管电气连接到第二节点；所述第一辅助开关、第二辅助开关及所述共振电感电气连接到第三节点；而所述共振电感、所述第一输出电容及所述第二输出电容电气连接到第四节点，从而遂行进行升压的动作，并去除所述开关的切换损失。

附图说明

本发明通过下列图示及详细说明，从而更深入的了解：

图1：传统的单相升压式转换器一。

图2：传统的单相升压式转换器二。

图3a：本发明较佳实施例的主要电路架构一。

图3b：本发明较佳实施例的主要电路架构二。

图4：图3主开关与辅助开关的控制信号。

图5：图3电路配合图4控制信号的十一种工作模式。

图6：本发明的控制信号发生器。

图号：

L：电感C：电容

S：开关D：二极管

N：节点

具体实施方式

图3a为本发明的主要电路架构，系统交流电源经全波整流后产生第一直流电源V1，再经升压基组、第一共振回路及第二共振回路的动作，以输出第二直流电源V2。

其中，升压基组系包含主电感L，主开关Sm，第一主二极管Dm1及共振电容Cr，该主电感L、该第一主二极管Dm1、该共振电容Cr及该主开关Sm连接至第一节点N1。

该第一共振回路所沿着的该第一路径系经第一辅助开关Sa1，共振电感Lr，第二输出电容C2及第二主二极管Dm2。该第二共振回路所沿着的该第二路径系经第一主二极管Dm1，第一输出电容C1，该共振电感Lr，第二辅助开关Sa2。该第一辅助开关Sa1及该第二辅助开关Sa2是一单向电子开关，若使用硅控整流器(SCR)或Vceo反压很高的IGBT则不需要Da1与Da2，若使用反压很低的IGBT及MOSFET则需串接Da1及Da2(如图3b所示)。

该升压基组的主开关Sm是因应该第一共振回路上的第一辅助开关Sa1或第二辅助开关Sa2而动作以后，于第一节点N1的电位降至零时，该主开关Sm导通(turn on)。

当然，该主开关Sm、该共振电容Cr、该第二辅助开关Sa2及该第二主二极管Dm2系电气连接至第二节点N2；该第一辅助开关Sa1、第二辅助开关Sa2及该共振电感Lr电气连接至第三节点N3；而该共振电感Lr、该第一输出电容C1及该第二输出电容C2电气连接至第四节点N4。

图4为图3的控制信号，图5说明各工作模式如下：

模式0：此模式跟传统的升压式转换器操作于放电模式(discharge mode)相同，储存于升压式转换器的电感能量，会经由Dm1及Dm2放电的C1及C2上。

模式1：Sa1在零电流的情况下导通，Lr的电流以线性的方式增加，当流经共振电感Lr的电流增加至输出电流Io时，此模式即告结束。

模式2：Sa1导通，Cr与Lr产生共振，共振的行为将Cr的能量泄放接近0。此模式终结于Sm导通时。

模式3：当Cr电压接近零电压时，通过检测Cr上的电压于接近零时来驱使Sm导通，而此模式即开始于Sm导通。在此模式，Lr的能量通过Sm线性放电至C2，而当Lr能量释放完毕，即为此模式结束的时候。由于Sa1为单向开关，因此即使Sa1的驱动信号仍然为高，Sa1仍自然截止，且截止于零电流的情况下。

模式4：此模式始于Lr能量放电至0，而此模式与传统升压式转换器操作于充电模式是相同的。此模式终止于PFC drive信号截止时。

模式5：当Sm1截止时，升压式转换器的电感向Cr充电，当Cr的电压等于输出电压Vo时，此模式即结束。

模式6：当Cr的电压等于Vo时，其电压将不会再上升，而会被输出电压所箝住，而此模式的操作与模式0一样。

模式7：此模式的操作模式类似模式1，只是导通的不是Sa1而是sa2，同模式1，Sa2在零电流的情况下导通且以线性方式增加，此模式终结于共振电感Lr的电流等于输出电流Io时。

模式8：此模式的操作模式类似模式2，Cr经由Sa2，Da2与Lr产生共振，共振的行为将使Cr的能量放至接近零，而此模式结束于Sm导通时。

模式9：此模式的操作类似模式3，当Cr电压接近零电压时，通过检测Cr接近零电压来驱动Sm导通而启始了这个模式。在此模式中，Lr的能量经由Sm线性放电至C2，当Lr能量放电完毕即是此模式结束的时候。由于Sa为单向开关，因此即使Sa的驱动信号仍为高，Sa2仍自然地截止，且在零电流的情况下截止。

模式10：此模式始于Lr能量放电至零，而此模式与传统升压式转换器操作在充电模式下是相同的，此模式的操作模式相同于模式4，其终止于PFC drive信号截止时，即Sm截止时。

模式11：此模式的操作与模式5相同。

图6是本发明的控制信号发生器，其中信号发生器产生PFCdrive，Sm，Sa1，Sa2等控制信号，使主开关Sm，辅助开关Sa1，Sa2得以正常运作，而Sm动作的时点则取决于Sa1导通之后Cr上的电压(第一节点)是否为零，所以在信号发生器会有一条信号接至第一节点上。

综上所述，我们可知，本发明的主开关Sm及辅助开关Sa1，Sa2的切换皆控制在零电压或零电流的情况下，所以可以避免产生高频的电磁的干扰，当然，最主要还是在于可以降低开关的切换损失，同时利用二个辅助开关来作切换，可以采用体积较小的元件，在空间上亦占了优势，而由于消除了二极管逆向回复电流的现象，所以对整体转换器的效能亦有所提升。因此，本发明系为一极具有市场竞争力与发展潜力的创见。

熟悉本技术领域的人员可修改和变更本发明，然皆不偏离附权利要求书所要保护的范围。

Claims

1.一种零电压零电流的升压型转换器，包含：

2.如权利要求1所述的零电压零电流的升压型转换器，其特征在于，所述第一辅助开关及所述第二辅助开关是单向电子开关。

3.如权利要求1所述的零电压零电流的升压型转换器，其特征在于，所述升压基组的主开关随所述第一共振回路上的第一辅助开关或所述第二共振回路上的第二辅助开关的动作而动作。

4.如权利要求3所述的零电压零电流的升压型转换器，其特征在于，所述第一辅助开关或第二辅助开关的动作使所述升压基组的第一节点的电位降至零时，所述主开关导通。

5.一种零电压零电流的升压型转换器，包含主电感、主开关、第一主二极管、第二主二极管、共振电容、第一辅助开关、第二辅助开关、共振电感，第一输出电容、第二输出电容，其特征在于：所述主电感、所述主开关、所述共振电容、所述第一主二极管及所述第一辅助开关电气连接到第一节点；所述主开关、所述共振电容、所述第二辅助开关及所述第二主二极管电气连接到第二节点；所述第一辅助开关、第二辅助开关及所述共振电感电气连接到第三节点；而所述共振电感、所述第一输出电容及所述第二输出电容电气连接到第四节点，从而遂行进行升压的动作，并去除所述开关的切换损失。

6.如权利要求5所述的零电压零电流的升压型转换器，其特征在于，所述升压的动作是用于使第一直流电源升压成第二直流电源，而所述第一直流电源是由全波整流器转换或直流储能元件的输出而来，所述直流储能元件是电池。

7.如权利要求5所述的零电压零电流的升压型转换器，其特征在于，所述第一辅助开关及所述第二辅助开关是单向电子开关。

8.如权利要求5所述的零电压零电流的升压型转换器，其特征在于，所述主开关随所述第一辅助开关的动作而动作。

9.如权利要求8所述的零电压零电流的升压型转换器，其特征在于，所述第一辅助开关使所述第一节点的电位降至零时，所述主开关导通。