CN113841328A - 升压转换器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括包括辅助开关、变压器和辅助二极管。辅助开关用于在导通多级升压转换器的第一功率开关之前导通。变压器具有连接在第一功率开关和辅助开关之间的初级绕组。辅助二极管耦合在变压器的次级绕组和多级升压转换器的输出端之间。变压器和辅助开关用于使得第一功率开关为零电压切换，并且辅助开关为零电流切换。

Description

升压转换器及控制方法
技术领域
本公开涉及一种用于在多级功率转换器中实现零电压切换的装置及方法，并且在具体实施例中，涉及一种用于在三级升压转换器中实现零电压切换的装置及方法。
背景技术
可再生能源包括太阳能、风能、潮汐波能等。太阳能转换系统可以包括多个串联或并联连接的太阳能电池板。太阳能电池板的输出端可以根据诸如白天的时间、位置和太阳跟踪能力等各种因素产生可变直流电压。为了调节太阳能电池板的输出，可以将太阳能电池板的输出端与功率调节器耦合，以便在太阳能转换系统的输出端处得到调节后的输出电压。此外，太阳能电池板可以通过电池充电控制装置与备用电池系统连接。白天，备用电池通过太阳能电池板的输出端进行充电。当电力设施失效或太阳能电池板为离网电源系统时，备用电池为与太阳能电池板耦合的负载提供电力。
为了实现太阳能转换系统的优化，可以使用升压转换器来从太阳能转换系统的太阳能电池板中获取最大功率。例如，升压转换器可以耦合在太阳能电池板的输出端与太阳能逆变器的输入端之间。对升压转换器进行控制，使得升压转换器的输出端为与升压转换器耦合的太阳能逆变器产生合适的电压源。
升压转换器包括开关元件、闭锁器件、至少一个能量存储元件以及输出滤波器。开关元件可以实现成功率晶体管。闭锁器件可以实现成二极管。能量存储元件可以实现成电感器。输出滤波器可以实现成电容器。二极管和功率晶体管串联连接在电容器的两端。电感器耦合在输入电源与二极管和功率晶体管的公共节点之间。升压转换器用于通过调制施加到功率晶体管的脉冲宽度提供高于输入电源的输入电压的输出电压。
发明内容
通过本公开的提供用于在三级升压转换器中实现零电压切换的装置和方法的优选实施例，总体上解决或规避了这些问题及其他问题，并且总体上实现了技术优势。
根据一实施例，功率转换器包括第一软开关网络和第二软交换网络。所述第一软交换网络与所述功率转换器的低侧开关耦合。所述第一软交换网络包括第一磁性器件和第一辅助开关。所述第一软交换网络用于使得所述低侧开关为零电压切换，并且所述第一辅助开关为零电流切换。所述第二软交换网络与所述功率转换器的高侧开关耦合。所述第二软交换网络包括第二磁性器件和第二辅助开关。所述第二软交换网络用于使得所述高侧开关为零电压切换，并且所述第二辅助开关为零电流切换。
所述功率转换器包括：第一二极管、第二二极管、所述高侧开关和所述低侧开关，在所述功率转换器的输出端与地之间串联连接。所述功率转换器还包括：飞跨电容器，连接在所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点与所述高侧开关和所述低侧开关的公共节点之间；以及电感器，与所述第二二极管和所述高侧开关的公共节点以及所述功率转换器的输入端连接。
所述功率转换器还包括：第一输出电容器和第二输出电容器，在所述功率转换器的输出端与地之间串联连接；第一电压箝位二极管，在所述第一软交换网络与所述第一输出电容器和所述第二输出电容器的公共节点之间；以及第二电压箝位二极管，在所述第二软交换网络与所述飞跨电容器的正极端子之间。
所述第一软交换网络包括变压器、所述第一辅助开关和第一辅助二极管。所述变压器的初级绕组的第一端与所述低侧开关连接。所述变压器的初级绕组的第二端与所述第一辅助开关连接。所述变压器的次级绕组的第一端与所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点连接。所述变压器的次级绕组的第二端通过所述第一辅助二极管与所述功率转换器的输出端连接。所述初级绕组的第一端与所述次级绕组的第二端极性相同。所述功率转换器为三级升压转换器。
根据另一实施例，一种装置包括辅助开关、变压器和辅助二极管。所述辅助开关用于在导通多级升压转换器的第一功率开关之前导通。所述变压器具有连接在所述第一功率开关和所述辅助开关之间的初级绕组。所述辅助二极管耦合在所述变压器的次级绕组和所述多级升压转换器的输出端之间。所述变压器和所述辅助开关用于使得所述第一功率开关为零电压切换，并且所述辅助开关为零电流切换。
根据再一实施例，一种方法包括：提供第一软交换网络，所述第一软交换网络与多级升压转换器的低侧开关耦合，其中，所述第一软交换网络包括第一磁性器件和第一辅助开关。所述方法还包括：在所述低侧开关的零电压导通过渡之前，导通所述第一辅助开关；以及在所述低侧开关的零电压导通过渡之后，断开所述第一辅助开关。
所述方法还包括：提供第二软交换网络，所述第二软交换网络与所述多级升压转换器的高侧开关耦合，其中，所述第二软交换网络包括第二磁性器件和第二辅助开关；在所述高侧开关的零电压导通过渡之前，导通所述第二辅助开关；以及在所述高侧开关的零电压导通过渡之后，断开所述第二辅助开关。
本公开实施例的优点在于实现了用于三级升压转换器的零电压切换，从而提高了三级升压转换器的效率、可靠性，降低了成本。
为更好地理解以下对本公开的详细说明，上文已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点。以下将描述本公开的附加特征和优点，其形成了本公开权利要求的主题。本领域技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地作为修改或设计用来执行本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应认识到，这种等效的结构并不背离所附权利要求中提出的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现结合附图参考如下描述，其中：
图1示出了根据本公开的各个实施例的多级升压转换器的示意图；
图2示出了根据本公开的各个实施例的在第一操作模式下的三级升压转换器的电流；
图3示出了根据本公开的各个实施例的在第二操作模式下的三级升压转换器100的电流；
图4示出了根据本公开的各个实施例的在第三操作模式下的三级升压转换器的电流；
图5示出了根据本公开的各个实施例的在第四操作模式下的三级升压转换器100的电流；
图6示出了根据本公开的各个实施例的包括第一软交换装置和第二软交换装置的三级升压转换器的示意图；
图7示出了根据本公开的各个实施例的在开关Q1 101的ZVS导通期间的各个信号的时序图；以及
图8示出了根据本公开的各个实施例的在开关Q2 102的ZVS导通期间的各个信号的时序图。
除非另有说明，否则不同图中的对应数字和符号通常指代对应的部分。绘制附图用于清晰地说明各个实施例的相关方面，并且附图并不一定按比例绘制。
具体实施方式
以下详细讨论了目前优选的实施例的制作和使用。然而，应当理解，本公开提供了可以体现在多种特定的环境中的许多可应用的发明构思。讨论的具体实施例仅示出了制作和使用本公开的具体方式，并不限制本公开的范围。
本公开将相对于特定上下文中的优选实施例进行描述，即零电压切换三级升压转换器。然而，本公开也可以应用于各种功率转换器。下面将结合附图对各个实施例进行详细地描述。
图1示出了根据本公开的各个实施例的多级升压转换器的示意图。多级升压转换器100包括输入电感器L 121、第一开关Q1 101、第二开关Q2 102、第一闭锁器件、第二闭锁器件、飞跨电容器Cdc 130以及两个输出电容器C1 131和C2 132。如图1所示，多级升压转换器100耦合在输入电源VIN 120和负载RL 125之间。图1所示的多级升压转换器100为三级升压转换器。整篇描述中，多级升压转换器100可替换地称为三级升压转换器。
在一些实施例中，第一闭锁器件实现成如图1所示的第一二极管D3 113。第二闭锁器件实现成第二二极管D4 114。整篇描述中，第一闭锁器件和第二闭锁器件可替换地分别称为第一二极管D3 113和第二二极管D4 114。
与传统升压转换器相比，第二开关Q2 102、第一二极管D3 113和飞跨电容器Cdc130用于减小开关和二极管上的电压应力。例如，Q2 102的额定电压是Q1 101的额定电压的一半。同样地，D3 113的额定电压是D4 114的额定电压的一半。
如图1所示，第二二极管D4 114、第一二极管D3 113、第二开关Q2 102和第一开关Q1 101在三级升压转换器100的正极输出端与地之间串联连接。整篇描述中，第一开关Q1101可替换地称为低侧开关。第二开关Q2 102可替换地称为高侧开关。
第一输出电容器C1 131和第二输出电容器C2 132串联连接。输入电感器L 121耦合在输入电源VIN 120与第一二极管D3 113和第二开关Q2 102的公共节点之间。如图1所示，飞跨Cdc 130具有与二极管D3 113和D4 114的公共节点连接的第一端，以及与开关Q1101和Q2 102的公共节点连接的第二端。
根据一实施例，开关(诸如开关Q1 101和Q2 102)可以是绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)器件。可替换地，开关元件可以是任意可控开关，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field-effecttransistor，MOSFET)器件、集成栅极换向晶闸管(integrated gate commutatedthyristor，IGCT)器件、栅极可关断晶闸管(gate turn-off thyristor，GTO)器件、可控硅整流器(silicon controlled rectifier，SCR)器件、结型栅场效应晶体管(junction gatefield-effect transistor，JFET)器件、MOS控制晶闸管(MOS controlled thyristor，MCT)器件、碳化硅(silicon carbide，SiC)器件、氮化镓(gallium nitride，GaN)器件，等等。
应注意，当通过MOSFET器件实现开关Q1 101和Q2 102时，开关Q1 101和Q2 102的体二极管可用于提供续流通道。另一方面，当通过IGBT器件实现开关Q1 101和Q2 102时，需要将单独的续流二极管(诸如，D1 111和D2 112)与其对应的开关并联连接。
如图1所示，需要二极管D1 111和D2 112为三级升压转换器100提供反向传导路径。换言之，二极管D1 111和D2 112是反向并联二极管。在一些实施例中，二极管D1 111和D2 112与其各自的IGBT器件共同封装。在可替换实施例中，将二极管D1 111和D2 112放置在其各自的IGBT器件的外部。
三级升压转换器100根据开关Q1 101和Q2 102的开/关状态包括四种不同的操作模式。在第一操作模式中，开关Q1 101导通，且开关Q2 102断开。输入电源VIN 120的功率用于为飞跨电容器Cdc 130充电。下面将参考图2描述第一操作模式的详细操作原理。
应注意，在第一操作模式中，流经输入电感器L的电流可以根据输入电压、飞跨电容器两端的电压和输出电压的不同组合而斜升或斜降。
在第二操作模式中，开关Q2 102导通，且开关Q1 101断开。存储在飞跨电容器Cdc130中的能量被释放到输出电容器C1 131和C2 132。应注意，在第二操作模式中，流经输入电感器L的电流可以根据输入电压、飞跨电容器两端的电压和输出电压的不同组合而斜升或斜降。
在第三操作模式中，开关Q1 101和Q2 102均断开。存储在输入电感器L 121中的能量用于为输出电容器C1 131和C2 132充电。下面将参考图4描述第三操作模式的详细操作原理。
在第四操作模式中，开关Q1 101和Q2 102均导通。流经输入电感器L 121的电流斜升，并且能量被相应地存储在输入电感器L 121中。下面将参考图5描述第四操作模式的详细操作原理。
图2示出了根据本公开的各个实施例的在第一操作模式下的三级升压转换器的电流。在第一操作模式期间，开关Q2 102断开，如位于Q2 102的符号上方箭头所示。由于开关Q1 101导通，因此建立了导电路径，如图2中的虚线202所示。导电路径由L 121、D3 113、Cdc130和Q1 101形成。电流通过图2所示的导电路径从输入电源VIN 120的正极端子流到输入电源VIN 120的负极端子。
在第一操作模式期间，飞跨电容器Cdc 130充电，并且能量被相应地存储在飞跨电容器Cdc 130中。流经电感器L 121的电流可能会根据施加在电感器L 121两端的电压而斜升或斜降。更具体地，当VIN 120大于Cdc 130两端的电压时，流经电感器L 121的电流斜增，并且存储在电感器L 121中的能量相应增加。当Cdc 130两端的电压大于VIN 120时，流经电感器L 121的电流斜降，并且存储在电感器L 121中的能量相应减少。
图3示出了根据本公开的各个实施例的在第二操作模式下的三级升压转换器100的电流。在第二操作模式期间，开关Q1 101断开，如位于Q1 101的符号上方箭头所示。由于开关Q2 102导通，因此建立了导电路径，如图3中的虚线302所示。导电路径由电感器L 121、Q2 102、Cdc 130、D4 114和C1 131/C2 132形成。电流通过图3所示的导电路径从输入电源VIN 120的正极端子流到输入电源VIN 120的负极端子。
在第二操作模式期间，飞跨电容器Cdc 130放电到负载RL 125和输出电容器C1131/C2 132。流经电感器L 121的电流可能会根据施加在电感器L 121两端的电压而斜升或斜降。更具体地，当VIN 120和Cdc 130两端的电压之和大于输出电压Vo时，流经电感器L121的电流斜增，并且存储在电感器L 121中的能量相应增加。当VIN 120和Cdc 130两端的电压之和小于输出电压Vo时，流经电感器L 121的电流斜降，并且存储在电感器L 121中的能量相应减少。应理解，由于三级升压转换器100内的反向偏置，电流不会流经D3 113。
图4示出了根据本公开的各个实施例的在第三操作模式下的三级升压转换器的电流。在第三操作模式期间，开关Q1 101和Q2 102均断开，如位于Q1 101和Q2 102的符号上方箭头所示。建立了导电路径，如图4中的虚线402所示。导电路径由电感器L 121、D3 113、D4114和C1 131/C2 132形成。电流通过图4所示的导电路径从输入电源VIN 120的正极端子流到输入电源VIN 120的负极端子。在第三操作模式期间，存储在电感器L 121中的能量被释放到负载RL 125和输出电容器C1 131/C2 132。因此，流经电感器L 121的电流斜降。
图5示出了根据本公开的各个实施例的在第四操作模式下的三级升压转换器100的电流。在第四操作模式期间，开关Q1 101和Q2 102均导通。建立了导电路径，如图5中的虚线502所示。导电路径由电感器L 121、Q2 102和Q1 101形成。电流通过图5所示的导电路径从输入电源VIN 120的正极端子流到输入电源VIN 120的负极端子。在第四操作模式期间，流经电感器L 121的电流斜增，并且存储在电感器L 121中的能量相应增加。
再次参考图1，在稳定操作期间，Q1 101的占空比等于Q2 102的占空比。根据伏秒平衡原理，三级升压转换器100的输出处的电压由下列等式给出：
Figure BDA0003357177040000051
其中，D为开关Q1 101和Q2 102的稳态占空比，Vo为输出电压，VIN 120为输入电压。
在一些实施例中，电容器Cdc 130两端的电压可通过改变Q1 101和Q2 102的占空比来调节。更具体地，Cdc 130两端的电压可以通过在满足Q1 101的占空比大于Q2 102的占空比的条件下操作转换器来增加。另一方面，Cdc 130两端的电压可以通过在满足Q1 101的占空比小于Q2 102的占空比的条件下操作转换器来降低。
尽管Cdc 130两端的电压是可调节的，但在稳定操作期间，Cdc 130两端的电压可以保持稳定的电压，且Q1 101的占空比等于Q2 102的占空比。包括反馈回路的控制器(未示出)可以用于监控Cdc 130两端的电压，以便在稳定操作期间保持Cdc 130两端的电压稳定。例如，若Cdc 130两端的电压不稳定，则控制器可以稍微调节Q1 101的占空比和/或Q2 102的占空比，以实现Cdc 130两端的电压稳定。反馈回路可以包括预定阈值。该控制器可通过在电容器Cdc 130两端的电压大于预定阈值时增加第二开关的占空比以及在预定阈值大于电容器Cdc 130两端的电压时增加第一开关的占空比来调节Cdc 130两端的电压。
应注意，尽管整篇描述中的示例是基于非隔离式升压转换器的，但图1所示的三级升压转换器100可以具有多种变型、替代方案和修改。例如，图1所示的三级升压转换器100可以包括变压器，以实现隔离式三级升压转换器。本文示出的非隔离拓扑仅仅是为了明确说明各个实施的各种方面。本公开不限于特定的功率拓扑。
作为一示例实施例，在三级升压转换器100中的不同电压应用中，可以使用不同的额定值实现Q1 101和D3 114。例如，在1000V的太阳能应用中，Q1 101和D3 114可以实现成额定电压为1200V的半导体器件。Q2 102和D3 113可以实现成额定电压为600V的半导体器件。
另一示例中，在1200V的太阳能应用中，将Cdc 130两端的电压设置为500V。因此，Q2 102和D3 113两端的电压应力约为500V。Q2 102和D3 113可以实现成额定电压为650V的半导体器件。Q1 101和D3 114两端的电压应力等于三级升压转换器的输出电压(1200V)与Cdc 130两端的电压之差。换言之，Q1 101和D3 114两端的电压应力大约为700V。由于Q2102和D3 113两端的电压应力较低，因此切换损耗相应降低。
具有低额定电压器件(诸如Q2 102和D3 113)的一个有利特征是Q2 102和D3 113上的低电压应力有助于减少传导损耗以及切换损耗。由此，提高了三级升压转换器100的效率。
图6示出了根据本公开的各个实施例的包括第一软交换装置和第二软交换装置的三级升压转换器的示意图。三级升压转换器100包括第一软交换装置610和第二软交换装置620。三级升压转换器100还包括第一电压箝位二极管D12 612和第二电压箝位二极管D22622。在一些实施例中，通过采用第一软交换装置610和第二软交换装置620，功率开关(诸如Q1 101和Q2 102)能够实现零电压切换(zero voltage switching，ZVS)。功率二极管(诸如D3 113和D3 114)能够实现零电流切换(zero current switching，ZCS)。功率开关的ZVS操作和二极管的ZCS操作有助于减少三级升压转换器100的切换损耗。
如图6所示，第一电压箝位二极管D12 612连接在第一软交换装置610与输出电容器C1 131和C2 132的公共节点之间。第一电压箝位二极管D12 612用于将第一软交换装置610的电压箝位到大约等于三级升压转换器100的输出电压的一半的电压电平，从而防止第一软交换装置610被过高的电压损坏。
如图6所示，第二电压箝位二极管D22 622连接在第二软交换装置620和飞跨电容器Cdc 130的正极端子之间。第二电压箝位二极管D22 622用于将第二软交换装置620的电压箝位到大约等于三级升压转换器100的输出电压的一半的电压电平，从而防止第二软交换装置620被过高的电压损坏。
第一软交换装置610与开关Q1 101耦合。在操作中，第一软交换装置610用于在开关Q1 101的导通过程中实现ZVS。第二软交换装置620与开关Q2 102耦合。在操作中，第二软交换装置620用于在开关Q2 102的导通过程中实现ZVS。
第一软交换装置610包括第一磁性器件、第一辅助开关Q11 601和第一辅助二极管D13 613。在一些实施例中，如图6所示，第一磁性器件实现成包括初级绕组T1p 616和次级绕组T1s 615的第一变压器T1 614。
初级绕组T1p 616的第一端与开关Q1 101和Q2 102的公共节点连接。初级绕组T1p616的第二端与第一辅助开关Q11 601和第一电压箝位二极管D12 612的公共节点连接。次级绕组T1s 615的第一端与二极管D3 113和D3 114的公共节点连接。次级绕组T1s 615的第二端通过第一辅助二极管D13 613与三级升压转换器的输出端连接。
变压器T1的极性在图6中表示为靠近初级绕组T1p 616和次级绕组T1s 615端的点。具体地，变压器T1 614在初级绕组T1p 616和次级绕组T1s 615的相对端具有极性点。这样的极性点布置指示流经两个绕组的电流相对于公共地瞬时异相。换言之，点符号表示初级侧T1p 616和次级侧T1s 615相差180度。变压器的操作在本领域中是公知的，因此这里不再进一步详细讨论。
第二软交换装置620包括第二磁性器件、第二辅助开关Q21 602和第二辅助二极管D23 623。在一些实施例中，如图6所示，第二磁性器件实现成包括初级绕组T2p 626和次级绕组T2s 625的第二变压器T2 624。
初级绕组T2p 626的第一端与开关Q2 102和二极管D3 113的公共节点连接。初级绕组T2p 626的第二端与第二辅助开关Q21 602和第二电压箝位二极管D22 622的公共节点连接。次级绕组T2s 625的第一端与初级绕组T2p 626的第一端连接。次级绕组T2s 625的第二端通过第二辅助二极管D23 623与二极管D3 113和D3 114的公共节点连接。
第二变压器T2的极性在图6中表示为靠近初级绕组T2p 626和次级绕组T2s 625的端的点。具体地，变压器T2 624在初级绕组T2p 626和次级绕组T2s 625的相对端具有极性点。这样的极性点布置指示流经两个绕组的电流相对于公共地瞬时异相。
根据一实施例，辅助开关(诸如开关Q11 601和Q21 602)可以是IGBT器件。可替换地，辅助开关可以是任意可控开关，诸如MOSFET器件、IGCT器件、GTO器件、SCR器件、JFET器件、MCT器件、SiC器件、GaN器件，等等。
如图6所示，辅助开关Q11 601和Q21 602实现成IGBT器件。需要将单独的续流二极管(诸如D11 611和D21 621)与各自的开关并联连接。在一些实施例中，二极管D11 611和D21 621与其各自的IGBT器件共同封装。在可替换实施例中，二极管D11 611和D21 621放置在其各自的IGBT器件的外部。
在操作中，在导通开关Q1 101之前，导通第一辅助开关Q11 601。响应于Q11 601的导通，辅助电流Iaux1流经初级绕组T1p 616。将输入电压VIN 120施加到变压器T1 614的漏电感L1 617。由于将输入电压施加到变压器T1 614的漏电感L1 617，辅助电流Iaux1斜升。一旦辅助电流Iaux1达到负载电流iL，Q1 101的集电极-发射极电容和变压器T1 614的漏电感L1 617就会形成谐振电路。由谐振电路产生的谐振电流将开关Q1 101的集电极-发射极电容两端的电压放电至大约等于零的电压电平。在适当延迟之后，当集电极-发射极电压大约等于零时，导通开关Q1 101。这样，开关Q1 101能够在导通过程中实现ZVS。
在开关Q1 101导通之后且在第一辅助开关Q11 601断开之前，初级绕组T1p 616通过导通的开关Q1 101和Q11 601短路。在变压器T1 614的次级侧，电流流经第一辅助二极管D13 613。导通的D13 613将T1s 615的第二端的电压拉至大约等于输出电压Vo的电压电平。飞跨电容器Cdc 130两端的电压等于输出电压Vo的一半。此外，导通开关Q1 101。这样，T1s615第一端的电压等于输出电压Vo的一半。总之，T1 615第一端和第二端之间存在一个负电压。该负电压反射到初级侧T1p 616，并施加到T1 614的漏电感L1 617。响应于施加到漏电感L1 617的反射电压，辅助电流Iaux1线性减少。在辅助电流Iaux1达到零之后，可以在ZCS下断开第一辅助开关Q11 601。
第二软交换装置620的工作原理与第一软交换装置610的工作原理类似，为避免重复，在此不再赘述。应注意，辅助开关Q11 601和Q21 602能够在这两个开关的导通和断开过程中实现ZCS。此外，辅助二极管D13 613和D23 623能够在导通和断开过程中实现ZCS。辅助部件(诸如Q11 601、Q21 602、D13 613和D23 623)的ZCS导通和断开有助于减少三级升压转换器100的切换损耗。
在三级升压转换器100的启动过程中，第一电压箝位二极管D12 612可以用作充电二极管。更具体地，输出电容器(诸如C2 132)可以通过流经第一电压箝位二极管D12 612的电流进行充电。当输出电容器C1 131和C2 132的电容值远大于飞跨电容器Cdc 130的电容值时，输出电容器C1 131和C2 132之间的电压平衡由输出电容器C1 131和C2 132的电容值确定。当输出电容器C1 131和C2 132的电容值与飞跨电容器Cdc 130的电容值相似时，可以通过调整输出电容器C1 131和C2 132的电容值来实现输出电容器C1 131和C2 132之间的电压平衡。
图7示出了根据本公开的各个实施例的在开关Q1 101的ZVS导通期间的各个信号的时序图。图7的水平轴表示时间间隔。可以有五个垂直轴。第一垂直轴Y1表示Q1 101的栅极和发射极两端的电压(Q1 101的栅极驱动电压)。第二垂直轴Y2表示表Q1 101的集电极和发射极两端的电压。第三垂直轴Y3表示Q11 601的栅极和发射极两端的电压(Q11 601的栅极驱动电压)。第四垂直轴Y4表示流经变压器T1 614的初级绕组的辅助电流。第五垂直轴Y5表示流经电感器L 121的电流。
再次参考图6，开关Q1 101和辅助开关Q11 601均实现成IGBT器件。这样，开关Q1101两端的电压被称为VCE_Q1。开关Q1 101的栅极-发射极电压被称为VGE_Q1。辅助开关Q11601的栅极-发射极电压被称为VGE_Q11。流经变压器T1 614的初级绕组的电流被称为Iaux1。流经输出滤波器的电感器的电流被称为iL(又称负载电流)。
在从t0到t1的时间间隔期间，开关Q1 101断开。辅助开关Q11 601断开。在时刻t1，响应于施加到辅助开关Q11 601的栅极的电压，导通辅助开关Q11 601。由于辅助开关Q11601与变压器T1 614的初级侧T1p 616串联连接，因此流入辅助开关Q11 601的电流可能不会瞬间改变。如图7所示，电流Iaux1在时刻t2从零斜升到大约iL的值。如图7所示，斜升斜率表现为近似线性。斜升转换速率由漏电感L1 617的值确定。可以通过改变漏电感L1 617的值来调整斜升转换速率。
在从t2到t3的时间间隔期间，开关Q1 101两端的电压VCE_Q1可以通过由变压器T1614的漏电感L1 617和Q1 101的集电极-发射极电容产生的谐振过程放电。如图7所示，在时刻t3，开关Q1 101两端的电压VCE_Q1降低至大约等于零的电压电平。在适当延迟之后，在时刻t4，导通开关Q1 101。如图7所示，在时刻t4，开关Q1 101两端的电压VCE_Q1等于零。开关Q1101能够在导通过程中实现ZVS。
在从t4到t5的时间间隔内，向变压器T1 614的次级绕组施加负电压。该负电压反射到变压器T1 614的初级侧。将反射电压施加到漏电感L1 617。响应于施加到漏电感L1617的反射电压，流经漏电感的电流线性减少，如图7所示。在时刻t5，辅助电流Iaux1减少至大约等于零的电流水平。在适当延迟之后，在时刻t6，断开辅助开关Q11 601。如图7所示，在时刻t6，流经辅助开关Q11 601的电流等于零。辅助开关Q11 601能够在断开过程中实现ZCS。
第一软交换网络的一个有利特征是，开关Q1 101可以实现零电压导通，并且辅助开关(诸如Q11 601)是零电流断开。这样的零电压切换和零电流切换有助于减少图1所示的三级升压转换器100的总功率损耗。
再次参考图6，图6所示的半导体器件可以包括寄生电容和/或电感。例如，第一电压箝位二极管D12 612可以具有大约300nH的寄生电感，该寄生电感与第一电压箝位二极管D12 612串联连接。第一辅助开关Q11 601可以具有100pF的集电极-发射极电容。第一变压器T1 614的漏电感约为100uH。第一开关Q1 101可以具有600pF的集电极-发射极电容。负载电流约为19.2A。辅助电流的RMS值约为1.6A。辅助电流的平均值约为0.8A。在上述工作条件下，第一电压箝位二极管D12 612的寄生电感不会对三级升压转换器100的电压应力产生负面影响。
图8示出了根据本公开的各个实施例的在开关Q2 102的ZVS导通期间的各个信号的时序图。图8的水平轴表示时间间隔。可以有五个垂直轴。第一垂直轴Y1表示Q2 102的栅极和发射极两端的电压(Q2 102的栅极驱动电压)。第二垂直轴Y2表示Q2 102的集电极和发射极两端的电压。第三垂直轴Y3表示Q21 602的栅极和发射极两端的电压(Q11 601的栅极驱动电压)。第四垂直轴Y4表示流经变压器T2 624的初级绕组的辅助电流。第五垂直轴Y5表示流经电感器L 121的电流。
开关Q2 102的导通过程和辅助开关Q21 602的断开过程与图8所示的开关Q1 101的导通过程和辅助开关Q11 601的断开过程类似，因此这里不再详细讨论。
尽管对本公开的实施例及其优点进行了详细的描述，但是应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。
此外，本申请的范围并非意在限于说明书中描述的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。所属领域的技术人员根据本公开的公开内容将容易了解，根据本公开可利用目前存在或将来开发的与本文所描述的对应实施例执行大体上相同功能或实现大体上相同结果的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在包括在其范围内的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。相应地，应当简单地将本说明书和附图理解为是对所附权利要求所限定的本公开的示意，并且意在覆盖落入本公开的范围内的任何和所有修改、变型、组合或等同替换。

Claims (20)

1.一种功率转换器，包括：
第一软交换网络，与所述功率转换器的低侧开关耦合，其中，所述第一软交换网络包括第一磁性器件和第一辅助开关，以及其中，所述第一软交换网络用于使得所述低侧开关为零电压切换，并且所述第一辅助开关为零电流切换；以及
第二软交换网络，与所述功率转换器的高侧开关耦合，其中，所述第二软交换网络包括第二磁性器件和第二辅助开关，以及其中，所述第二软交换网络用于使得所述高侧开关为零电压切换，并且所述第二辅助开关为零电流切换。
2.根据权利要求1所述的功率转换器，其中，所述功率转换器包括：
第一二极管、第二二极管、所述高侧开关和所述低侧开关，在所述功率转换器的输出端与地之间串联连接；
飞跨电容器，连接在所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点与所述高侧开关和所述低侧开关的公共节点之间；以及
电感器，与所述第二二极管和所述高侧开关的公共节点以及所述功率转换器的输入端连接。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的功率转换器，其中，所述功率转换器还包括：
第一输出电容器和第二输出电容器，在所述功率转换器的输出端与地之间串联连接；
第一电压箝位二极管，在所述第一软交换网络与所述第一输出电容器和所述第二输出电容器的公共节点之间；以及
第二电压箝位二极管，在所述第二软交换网络与所述飞跨电容器的正极端子之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换器，其中：
所述第一磁性器件为变压器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换器，其中：
所述第一软交换网络包括所述变压器、所述第一辅助开关和第一辅助二极管。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换器，其中：
所述变压器的初级绕组的第一端与所述低侧开关连接；
所述变压器的初级绕组的第二端与所述第一辅助开关连接；
所述变压器的次级绕组的第一端与所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点连接；以及
所述变压器的次级绕组的第二端通过所述第一辅助二极管与所述功率转换器的输出端连接，以及其中，所述初级绕组的第一端与所述次级绕组的第二端极性相同。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换器，其中：
所述高侧开关和所述低侧开关为IGBT器件。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率转换器，其中：
所述第一二极管的阳极与所述第二二极管的阴极连接；以及
所述高侧开关的发射极与所述低侧开关的集电极连接。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的功率转换器，其中：
所述第一辅助开关为IGBT。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的功率转换器，其中：
所述功率转换器为三级升压转换器。
11.一种装置，包括：
辅助开关，用于在导通多级升压转换器的第一功率开关之前导通；
变压器，具有连接在所述第一功率开关和所述辅助开关之间的初级绕组；以及
辅助二极管，耦合在所述变压器的次级绕组和所述多级升压转换器的输出端之间，其中，所述变压器和所述辅助开关用于使得所述第一功率开关为零电压切换，并且所述辅助开关为零电流切换。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述多级升压转换器为三级升压转换器，包括：
第一二极管、第二二极管、第二功率开关以及所述第一功率开关，在所述三级升压转换器的输出端与地之间串联连接；
飞跨电容器，连接在所述在第一二极管和所述第二二极管的公共节点与所述第二功率开关和所述第一功率开关的公共节点之间；
电感器，与所述第二二极管和所述第二功率开关的公共节点以及所述三级升压转换器的输入端连接；以及
第一输出电容器和第二输出电容器，在所述三级升压转换器的输出端与地之间串联连接。
13.根据权利要求11至12中任一项所述的装置，其中：
所述初级绕组连接在所述第一功率开关的集电极与所述辅助开关的集电极之间；以及
所述次级绕组分别通过所述第一二极管和所述辅助二极管与所述多级升压转换器的输出端连接。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中：
所述初级绕组的第一端与所述第一功率开关的集电极连接；
所述初级绕组的第二端与所述辅助开关的集电极连接；
所述次级绕组的第一端与所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点连接；以及
所述次级绕组的第二端通过所述辅助二极管与所述多级升压转换器的输出端连接。
15.根据权利要求11至15中任一项所述的装置，其中：
所述初级绕组的第一端和所述次级绕组的第二端极性相同。
16.一种方法，包括：
提供第一软交换网络，所述第一软交换网络与多级升压转换器的低侧开关耦合，其中，所述第一软交换网络包括第一磁性器件和第一辅助开关；
在所述低侧开关的零电压导通过渡之前，导通所述第一辅助开关；以及
在所述低侧开关的零电压导通过渡之后，断开所述第一辅助开关。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
提供第二软交换网络，所述第二软交换网络与所述多级升压转换器的高侧开关耦合，其中，所述第二软交换网络包括第二磁性器件和第二辅助开关；
在所述高侧开关的零电压导通过渡之前，导通所述第二辅助开关；以及
在所述高侧开关的零电压导通过渡之后，断开所述第二辅助开关。
18.根据权利要求16至17中任一项所述的方法，其中，所述多级升压转换器包括：
第一二极管、第二二极管、所述高侧开关和所述低侧开关，在所述多级升压转换器的输出端与地之间串联连接；
飞跨电容器，连接在所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点与所述高侧开关和所述低侧开关的公共节点之间；
电感器，与所述第二二极管和所述高侧开关的公共节点以及所述多级升压转换器的输入端连接；以及
第一输出电容器和第二输出电容器，在所述多级升压转换器的输出端与地之间串联连接。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述第一磁性器件为第一变压器，并且所述第一软交换网络还包括第一辅助二极管，以及其中：
所述第一变压器的初级绕组连接在所述低侧开关与所述第一辅助开关之间；以及
所述第一辅助二极管耦合在所述第一变压器的次级绕组与所述多级升压转换器的输出端之间，以及其中，所述第一变压器和所述第一辅助开关用于使得所述低侧开关为零电压切换，并且所述第一辅助开关为零电流切换。
20.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述第二磁性器件为第二变压器，所述第二软交换网络还包括第二辅助二极管，以及其中：
所述第二变压器的初级绕组连接在所述高侧开关和所述第二辅助开关之间；以及
所述第二辅助二极管耦合在所述第二变压器的次级绕组与所述第一二极管和所述第二二极管的公共节点之间，以及其中，所述第二变压器和所述第二辅助开关用于使得所述高侧开关为零电压切换，并且所述第二辅助开关为零电流切换。
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