CN1244967A - 电力转换的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

作为整流器中的前端功率因数校正电路,通常使用升压转换布局。该方案的一大问题是整流二极管。该二极管必须是升压应用中的高电压类型的,并因此在阻断电压前具有大的反向恢复电流。该电流将引起大的损耗。根据本发明的方案将以比任何现有方案更有效的方式关注恢复电流。所提出的电路基本包括升压电路,其中第一主电感器L1(3)及第一主二极管D1(4)以输入端串联地连接到输出端,及第一主电容器C1(5)从输出端连接到地。第一主晶体管M1(1)从第一电感器L1(3)及第一二极管D1(4)之间连接到地。第二辅助电感器L11(6)、第二二极管D11(7)及第二晶体管M11(2)串联地从第一电感器L1(3)及第一二极管D1(4)之间连接到地。两个另外的二极管、即第三及第四二极管D12(10),D13(10)串联连接后从第二二极管D11(7)及第二晶体管M11(2)之间连接到输出端。

Description

电力转换的方法及装置
技术领域
本发明涉及使用具有无损缓冲电路的升压布局的电力转换方法及装置。
发明背景
升压DC/DC变流器通常被选择作为AC/DC变流器的前端功率级。其输出电压总是高于主电压的峰值，这意味着升压变流器的输出电压大于300V。在欧洲电网的应用中典型的电压值为400V。在这样高的电压幅值时，当有源开关、即晶体管导通时，升压二极管在严格的时刻呈现大的反向恢复电流。该反向恢复电流将在高频开关中引起高损耗，实际上这是限制开关频率选择的因素。
在譬如US，A，5543 704中，描述了一种升压变流器电路，其中使用零电压开关技术在升压变流器上极大程度地减小了开关损耗。
发明概要
通常使用升压变换电路布局来作为整流器中的前端功率因数校正电路。这种方案的一大问题是整流二极管。在升压应用中该二极管必须是高压类型的，并由此在其阻断电压以前具有大的反向恢复电流。该电流将引起大的损耗。根据本发明的方案将比任何以往的方案以更有效的方式关注恢复电流。
利用根据本发明的无损耗缓冲电路可获得升压变换，这是所提出的电路将会：
-减小升压换流器的二极管中的反向恢复电流，
-消除主开关的导通损耗，
-减少辅助开关的导通损耗，
-减少辅助开关的关断损耗，
-减少辅助二极管的反向恢复电流，
-消除辅助二极管关断时的振荡，
-减少主开关的关断损耗，
-当主晶体管关断时减少辅助电感器中的电流。
所推荐的电路包括升压电路，其中第一主电感器L1及第一主整流元件如二极管D1从输入端串联地连接到输出端，及一个第一主电容器C1从输出端连接到地。第一主电子开关如晶体管M1从第一电感器L1及第一二极管D1的中间连接到地。第二辅助电感器L11，第二整流元件如二极管D11及第二电子开关如晶体管M11从第一电感器L1和第一二极管D1中间串联地连接到地。另外两个整流元件如二极管、即第三及第四二极管D12，D13从第二二极管D11及第二晶体管M11中间连接到输出端。第二电容器C11从另两个二极管D12，D13之间连接到第一电感器L1及第一二极管D1之间。另一整流元件如二极管，即第五二极管D14与第一电阻R14相串联及并联在第二电容器C11上。最后一个整流元件如二极管，即第六二极管D15与第二电阻R15相串联并从地连接到第二辅助电感器L11及第二二极管D11之间。
附图说明
图1是根据本发明的具有无损耗缓冲器的升压变流器的电路图。
图2表示插入了齐纳二极管的图1电路。
图3A-G表示描述图1电路的开关周期的电压及电流波形。
优选实施例的说明
图1中表示出根据本发明的电路，其中第一主晶体三极管M1/1在第二晶体三极管M11/2导通后一个恒定延时上导通。第二晶体管M11/2的导通时间间隔是恒定的，而第一晶体管M1/2的时间间隔是可调节的。开始时，电流通过第一主电感器L1/3及第一二极管D1/4从输入端流到输出端。第一主电容器C1/5从输出端连接到地。然后第二晶体管被导通。流过第二晶体管M11/2的电流上升受到第二辅助电感器L11/6的限制，因此第二晶体管M11/2的导通损耗将得以限制。
第一电感器L1/3为大电感量的并在换流期间保持电流恒定，因而，当第二电感器L11/6中的电流增大时，第一二极管D1/4中的电流将以相同的量减小。当第二电感器L11/6的电流等于第一电感器L1/3中的电流时，第一二极管D1/4中的电流将为零。由于反向恢复效应，第一二极管D1/4中的电流将变为负，及第二电感器L11/6将继续上升，直到第一二极管D1/4关断为止。当第一二极管D1/4关断时，第二电感器L11/6中的电流大于第一电感器L1/3中的电流，因而，超出的电流被迫在反向上流入第一晶体管M1/1首先该电流将使第一晶体管M1/1的漏极-源极电容放电，此后电流将在第一晶体管M1/1的体二极管中自由回旋(Free-Wheel)。
现在第一晶体管被导通。该导通将是无损耗的，因为第一晶体管M1/1的电容已被放电且其上的电压为零。在此同一时刻，第二晶体管M11/2被关断。这将迫使第二电感器L11/6中的电流从第二晶体管M11/2换流到第三二极管D12/10及第二电容器C11/8。第二电容器C11/8开始放电。在该时间期间，第二晶体管M11/2上的电压等于第二电容器上的电压，因此使第二晶体管M11/2的关断损耗减至极小。
在此以后将产生两种可能性：
1.第二电容器C11/8现在被第二电感器L11/6中电流充电到输出
  电压。当第二电容器C11/8被充满电时，第一二极管即第四二
  极管D13/9开始导通。第二电感器L11/6中的电流现在将根据
  输出电压值及第二电感L11/6的值以恒定速率下降。与此同
  时，第一晶体管M1/1中的电流将增加，以使得总电流为常数，
  并等于第一电感器L1/3中的电流。
2.在第二电容器C11/8充电期间，第二电感器L11/6中的电流减
  小。该电流最终为零，及第二电容器C11/8将保持其电荷，使
  电压在零及输出电压之间。
这两种可能性能以相同方式继续下去：因为第三二极管D12/10中的反向恢复，在第三二极管D12/10(及第四二极管D13/9)关断前第二电感器L11/6中的电流将为负。当第三晶体管D12/10关断时，第二电感器L11/6中的电流将换流到另一个即第六二极管D15/11和第二电阻R15/12中。第二电感器L11/6中的电流这时被第二电阻R15/12阻尼，并将快速地衰减至零。现在电流流过第一电感器L1/3及第一晶体管M1/1，在所谓的缓冲电路中无电流流过，及第二电容器C11/8被充电到零及输出电压之间的电压。
此后，第一晶体管M1/1被关断。第一电感器L1/3中的电流将从第一晶体管M1/1换流到第二电容器C11/8及第四二极管D13/9至输出端。第一晶体管M1/1上的电压等于输出电压减去第二电容器C11/8上的电压。该电压通常小于输出电压，因此其关断损耗小。第一电感器L1/3中的电流将使第二电容C11/8通过第四二极管D13/9放电。另一二极管即第五二极管D14/13及第一电阻R14/14防止由于电感使第二电容器C11/8的过放电，及第一二极管D1/4慢速地导通。从第四二极管D13/9到第一二极管D1/4的换流将慢速地进行并且没有振荡，在第四二极管D13/9中也无反向恢复。第一电阻R14/14将控制换流的速度。
当第一晶体管M1/1上的电压上升时，第二晶体管M11/2上的电压也由于流过第二电感器L11/6的电流被迫地升高。第五二极管D14/13及第一电阻R14/14的链路预先地阻止了第二电容C11/8上的电压变负。它具有这样的作用，即在第二电感器L11/6中不需要对第二电容器C11/8充电的额外电流，及第二电感器L11/6的电流仅由第二电感器L11/6的输出容量决定。第二电感器L11/6要通过三个二极管放电，这使第二电感器L11/6中的电流快速地衰减到零。当第二晶体管再导通及开关周期结束时，这阻止了任何其它二极管的反向恢复。
通过将第一齐纳二极管接入，可获得从第四二极管D13/9到第一二极管D1/4更快及更精确的换流。利用第二齐纳二极管Z15/17，可在第二晶体管M11/2关断后获得电感L11/6中电流更快速地衰减。利用第三齐纳二极管Z12/15，可在第一晶体管M1/1关断后获得第二电感器L11/6更快速的放电。在图2中被插接入齐纳二极管Z15/15，16，17。
图3A-G中表示出不同的波形：M1漏-源极电压UDS，M1栅-源极电压UGS，和M11的UDS，M11的UGS，UG11，ID1及IL11。
虽然以上的描述包括多个细节及特殊性，但可理解，它们仅是说明本发明，而并非视为限制。对于本领域熟练技术人员来说，在不偏离本发明精神和范围的情况下显然可易于作出许多修改，本发明的精神和范围是由附设权利要求书及它们的合法等同文件确定的。

Claims (19)

1.一种电力转换方法，它使用具有无损耗缓冲电路的升压电路布局并包括，第一电感元件，第一电子开关，用于控制正向电流从所述第一电感元件流到第一整流元件及对第一电容元件充电，所述第一开关具有寄生电容并周期性地导通及关断和使所述第一开关的寄生电容放电，同时减少所述第一开关的导通损耗及由所述第一整流元件的反向恢复电流产生的损耗，其中该方法还包括以下步骤：
-当所述第一开关通过第二开关的导通而关断时，将所述第一电感元件的正向电流及所述第一整流元件的反向恢复电流引导到与第二整流元件串联的第二电感元件，以使得所述寄生电容的放电，
-当所述每个电子开关分别关断时，将所述第二电感元件的电流引导到与第二电容元件连接的第三整流元件，起限制所述第一及第二电子开关上的电压作用，
-当所述第二开关关断时，将电流从地经过第六整流元件引导到所述电感元件，以吸收所述第二整流元件的反向恢复电流，
-当所述第一开关关断及所述第二电容元件放电时，将来自所述第一电感的电流引导到第五整流元件，由此阻止所述电容元件上的电压变负，
-当所述第一开关关断及所述第一开关上的电压等于所述第一电容元件上的电压时，将来自第一电感元件的电流引导到第一整流元件，由此保证第四整流元件中的电流为零，及
-当所述第二开关元件的寄生电容被充电时，使所述第二电感元件的电流流到至少三个整流元件中，以保证所述第二电感元件中的电流快速减到零。
2.根据权利要求1的方法，其中所述第五整流元件包括一个二极管及一个电阻的串联组合。
3.根据权利要求1的方法，其中所述第五整流元件包括一个二极管及一个齐纳二极管的串联组合。
4.根据权利要求1的方法，其中所述第五整流元件包括一个二极管、一个齐纳二极管及一个电阻的串联组合。
5.根据权利要求1的方法，其中所述第三整流元件包括一个二极管及一个齐纳二极管的串联组合。
6.根据权利要求1的方法，其中所述第六整流元件包括一个二极管及一个电阻的串联组合。
7.根据权利要求1的方法，其中所述第六整流元件包括一个二极管及一个齐纳二极管的串联组合。
8.根据权利要求1的方法，其中所述第六整流元件包括一个二极管及一个齐纳二极管的串联组合。
9.一种电力变换装置，它使用具有无损耗缓冲电路的升压布局，包括：
第一主电感器L1(3)及第一主二极管D1(4)，它们从输入端串联连接到输出端，
第一主晶体管M1(1)，它以第一电感器L1(3)及第一二极管D1(4)之间连接到地，及第二辅助电感器L11(6)、第二二极管D11(7)和第二晶体三极管M11(2)，它们从第一电感器L1(3)及第一二极管D1(4)之间串联连接到地，其特征在于：另外两个二极管、即第三和第四二极管D12，D13(10，9)从第二二极管D11(7)及第二晶体管M11(2)之间串联连接到输出端。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于：第二电容器C11(8)从另两个二极管D12，D13(10，9)之间连接到第一电感器L1(3)及第一二极管D1(4)之间。
11.根据权利要求10的装置，其特征在于：第五二极管D14(13)与第二电容器C11(8)并联地连接。
12.根据权利要求10的装置，其特征在于：第五二极管D14(13)与第一电阻R14(14)串联连接后与第二电容器C11(8)并联连接。
13.根据权利要求10的装置，其特征在于：第五二极管D14(13)与第一齐纳二极管Z14(15)串联连接后与第二电容器C11(8)并联连接。
14.根据权利要求10的装置，其特征在于：第五二极管D14(13)与第一电阻R14(14)及第一齐纳二极管Z14(16)串联连接后与第二电容器C11(8)并联连接。
15.根据权利要求10-14中任一项的装置，其特征在于：第六二极管D15(11)从地连接到第二电感器L11(6)及第二二极管D11(7)之间。
16.根据权利要求10-14中任一项的装置，其特征在于：第六二极管D15(11)与第二电阻R15(12)串联连接后从地连接到第二电感器L11(6)及第二二极管D11(7)之间。
17.根据权利要求10-14中任一项的装置，其特征在于：第六二极管D15(11)与第二齐纳二极管Z15(17)串联连接后从地连接到第二电感器L11(6)及第二二极管D11(7)之间。
18.根据权利要求10-14中任一项的装置，其特征在于：第六二极管D15(11)与第二电阻R15(12)及第二齐纳二极管Z15(17)串联连接后从地连接到第二电感器L11(6)及第二二极管D11(7)之间。
19.根据权利要求10-18中任一项的装置，其特征在于：插入一个第三齐纳二极管Z12，它与第三二极管D12(10)相串联。
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