TWI236207B - Soft-switched power converters - Google Patents

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TWI236207B TW093108751A TW93108751A TWI236207B TW I236207 B TWI236207 B TW I236207B TW 093108751 A TW093108751 A TW 093108751A TW 93108751 A TW93108751 A TW 93108751A TW I236207 B TWI236207 B TW I236207B
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Yungtaek Jang
Yu-Ming Chang
Kuang-Hui Fang
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Description

1236207 玖、發明說明： 【潑^明所屬領超^】 發明領域 本發明係論及一些DC/DC和AC/DC電力變換器。更明 5 確地說，本發明係論及一些在其所有半導體組件中具有軟 式切換之DC/DC和AC/DC電力切換器。 L· iltr Jt 發明背景 此種昇壓型變換器拓樸布線，係已廣泛地被使用在各 10種不同之AC/DC和DC/DC變換器應用中。事實上，此種昇 壓技術，如今已被使用在一些具有功率因素校正力（PFC) 之DC/DC電源供應器的大多數前置電路内。此種昇壓拓樸 布線，亦已被使用在許多其中使用一電池供電式低輸入電 壓來產生一高輸出電壓之應用中。在一較高之電力位準 15下，此連續傳導模態（CCM)昇壓型變換器，係一具pfc之前 置電路有關的較佳拓樸布線。因此，近年來，為提昇彼等 咼功率昇壓型變換器之性能，已做過了一些重大之努力。 此等研發努力係集中在降低一些會影響其昇壓整流器之變 換效率和電磁兼容性(EMC)的不利反向恢復特性。 20 通常，反向恢復相關性之損失和EMC問題，係藉由在 党控之啟斷電流率下，“柔和地”啟斷其昇壓型變換器而 使極小化。有許多軟切換式昇壓轉換器，已被提議使用額 外之組件，來形成一緩衝器電路(被動型或主動型），藉以控 制其昇壓整流器内之啟斷電流的變化率。在一被動型缓衝 1236207 器電路中，所使用唯 的、# 、 $有電阻器、電容器、電感器、和整流 為專被動型組件。為— > 甘—主動型緩衝器電路中，除被動型元 .有或多之主動型開關被使用。雖然一被動型無損 失式緩衝ϋ可使效率料，其性能料足以使其有用於一 些咼性能PFC電路雁田丄 應用中。通常，一被動型無損失式緩衝器 電路，將會蒙I f|丨_丄 J—加增之組件應力，以及係很難以上述 # 高密度應用中屬有害之昇壓 開關的軟式切換來運作。 10 15 象/型、緩衝器’可同時提供反向恢復損失降低和 幵壓開關軟切換。然而，大多數之此等主動型緩衝器，可 提t'其昇壓整流n中之軟啟斷、其昇壓開關中之零電壓切 '和其主動型緩衝器開關中之“硬”切換。一些可具 現所有半導體組件(例如，其昇壓整流器中之軟啟斷、其昇 壓開關中之(ZVS)、和其主動型緩衝器開關中之零電流切換 (ZCS))之軟切換係有利的。 【每^明内溶1】 發明概要 依據本發明’一新型軟切換式昇壓型變換器，係包括 一可提供所有半導體組件之軟切換的主動型緩衝器。明確 20言之’其整流器中之電流(“啟斷電流”），係在一受控之速率 下被啟斷’其主開關係在零電壓切換(zvs)條件下使閉合， 以及其主動型緩衝器之輔助開關，係在零電流切換(zcs) 條件下使斷開。結果’彼等切換損失可使降低，而具有變 換效率和EMC性能方面之有益效應。 1236207 在一實施例中，依據本發明之一電路，可能包括一具 有一雙繞組變壓器、一辅助開關、一阻隔二極體、和一可 被用來重置其變壓器之磁能的箝壓電路的主動型緩衝器。 依據本發明之另一實施例，此種主動型緩衝器電路，係包 5 括一個三繞組變壓器，其除可提供所有半導體裝置之軟切 換外，並可產生一相隔離之輔助電源供應器。 在一實施例中，其電力變換器係包括：一耦合至其電 力變換器之一輸入端子的儲存電感器；一在運作上可使此 儲存電感器充電及放電之第一開關；一包括一第二開關之 10 主動型緩衝器；一在運作上耦合至其儲存電感器、其主動 型緩衝器、和其輸出端子而可使能量自其儲存電感器轉移 至其輸出端子之整流器；和一控制電路。此控制電路可在 一交換周期内使其第一和第二開關運作，而使其第二開關 閉合，以使其整流器内之電流，自其整流器轉向至其主動 15 型緩衝器，藉以容許其第一開關在一大體上為零之電壓條 件下閉合，以及復可容許其第二開關在一大體上為零之電 流條件下斷開。其主動型緩衝器，可使參照其電力變換器 内之任一穩定DC電壓，諸如其輸出端子處之電壓、其輸入 端子處之電壓、其儲存電感器之一端子處的電壓、或其電 20 源之負執條。 在一具現體中，其主動型緩衝器，係包括一箝壓電路， 其係包括一變壓器、一電容器、和一電阻器。其變壓器在 一初級繞組與一次級繞組之間，可具有一小於0.5之匝數 比。在其變壓器之漏電感係數，未能大至足以提供其整流 1236207 器之一想要的啟斷電流之情況下，一預定之電感係數的外 部緩衝電感器，可使耦合在其儲存電感器與箝壓電路之 間。其主動型緩衝器，亦可提供一或多相隔離之電源供應 器，彼等可獨立於其輸出端子處之電壓而加以調節。 5 本發明係可應用至許多諸如昇壓型變換器、順向型變 換器、降壓型變換器、或降壓/昇壓型變換器結構等之變換 器結構。此外，本發明可應用至DC和AC兩者電源。在一實 施例中，其中，本發明係應用至一AC電源之電力變換，其 第一開關和整流器，係被設置為一全波整流器之零件。本 10 發明亦可應用至單相和三相電源。 本發明可於考慮下文之詳細說明和所附諸圖而有較佳 之瞭解。 圖式簡單說明 第1圖係顯示一依據本發明之一實施例的軟切式昇壓 15 電路100 ; 第2圖係顯示第1圖之軟切式昇壓電路100有關的簡化 電路模型200 ; 第3(a)-(k)圖係第2圖之電路模型200在一切換周期中之 拓樸網絡級段； 20 第4(a)-4(k)圖係顯示上述電路模型200在第3(a)-(k)圖 之切換周期中的主要波形； 第5圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一獨立或 外在緩衝電感器501的軟切式昇壓型變換器500 ; 第6圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一連接至 1236207 負軌彳1本的括壓電路602之軟切式昇壓型變換器600 ; 第7圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一連接至 其輸入源的箝壓電路7〇2之軟切式昇壓型變換器7〇〇 ; 第8圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一連接在 5 一變壓器的初級繞組兩端之箝壓電路802的軟切式昇壓型 變換器800 ; 第9圖係顯示一依據本發明之另一實施例具有一箝壓 電路902之軟切式昇壓型變換器9〇〇 ; 第10圖係顯示一可提供整合之輔助隔離式電源供應器 10 的軟切式昇壓型變換器1〇〇〇 ; 第11圖係概念顯示一具有第1〇圖之昇壓型變換器1〇〇〇 的雙迴圈控制之電路1100，其可同時調節上述電路1〇〇〇之 輸出電壓和上述輔助電源供應器中之電壓vAUX ; 第12圖係顯示一依據本發明之一實施例與上述全波整 15 流器相整合之單相AC/DC昇壓型變換器12〇〇 ; 第13圖係顯示一依據本發明之一實施例與上述全波整 流器相整合之單相AC/DC昇壓型變換器1300 ; 第14圖係顯示一依據本發明之一實施例與上述全波整 流器相整合之單相AC/DC昇壓型變換器1400 ; 20 第b圖係顯示一依據本發明之一實施例具有DC執條 (DC-rail)二極體110的三相AC/DC昇壓型變換器1500 ; 第16圖係顯示一依據本發明就每一相位具有獨立之昇 壓整流器的三相AC/DC昇壓型變換器1600 ; 第17圖係顯示一依據本發明具有一輔助電源供應器輸 1236207 出之三相AC/DC昇壓型變換器1700 ; 第18圖係顯示一依據本發明包括一主動型緩衝器電路 1807之降壓型變換器1800 ; 第19圖係顯示一依據本發明包括一主動型緩衝器電路 5 1907之降壓/昇壓型變換器19〇〇 ; 第20圖係顯示一依據本發明之一實施例包括一主動型 緩衝器電路2007之順向型變換器2000 ; 第21圖係顯示一依據本發明之一實施例包括一主動型 緩衝器電路2107之反驰型變換器2100 ; 10 第22圖係顯示一依據本發明之一實施例包括一主動型 緩衝器電路2207之雙電感器昇壓型變換器2200;而 第23圖則係顯示一可提供一與一輔助開關Saux相整合 之輔助隔離式電源供應器的軟切式昇壓型變換器1〇〇〇，其 亦概念顯示一電路2300之雙迴圈控制，其可同時調節上述 15昇壓型變換器1000之輸出電壓和上述輔助電源供應器中之 電壓VAUX。 為便於在諸圖間相互參照，諸圖中之相同數字，係指 定相同之參考數字。 【實施方式】 20 詳細說明 苐1圖係顯示一依據本發明之一實施例的軟切式昇壓 電路100。此種軟切式電路100係包括··一代表其輸入電壓 Vin之電壓源1〇1、一昇壓電感器102(電感值lb)、一昇壓開 關103、一昇壓整流器104、〆儲能電容器105(電容值cB)、 10 1236207 一負載106(電阻值RL)、和一由一輔助開關1〇8、一變壓器 109、一阻隔二極體110、和一以電阻器ln(電阻值〜）、一 箝壓電谷裔112(電容值Cc)、和一個二極體113所形成之箝壓 電路115所形成的主動型緩衝器電路1〇7。為便於解釋此軟 5切式昇壓電路100之電路運作，第2圖係提供此種具有所指 不之電壓和電流參考方向的軟切式昇壓電路1〇〇有關之簡 化電路模型200。 在第2圖中，其電壓源201和202，係分別模擬上述之儲 月b電谷裔105和箝壓電容器112，而假定此儲能電容器之 10電容值Cb和箝壓電容器112之電容值Cc，係大至足以使橫跨 每一電容器之電壓漣波，相較於其DC電壓係很小。此外， 有一固定電流源IIN，係模擬上述之昇壓電感器，而假定 其電感值LB係大至足以使其在一切換周期中經過昇壓電感 器102之電流，無顯著之變化。而且，第1圖之變壓器1〇9， 15 係由漏電感器203(電感值Llk)、磁化電感器2〇4(電感值 LM)、和理想變壓器2〇5(匝數比η=Ν1/Ν2)之組合，來加以模 擬。在其“ON”(啟通）狀態中，彼等半導體開關組件，係假 定呈現零電阻值（亦即，彼等為短路）。然而，此等開關之輸 出和接面電容，和其相聯結之整流器的反向恢復電荷值， 20 係以一些非零之值來加以模擬。 第3(a)-(k)圖係第2圖之電路模型200在一切換周期中之 拓樸網絡級段。此電路模型200之主要波形，係顯示在第 4(a)-4(k)圖中。第4(a)-4(k)圖中所繪出之電流和電壓的參考 方向，係註解在第2圖中。第4(a)和4(b)圖係顯示分別提供 11 1236207 給其昇壓型開關1G3和輔助開關⑽之信號&和s的波 ίΜ〇1和4〇2依據本發明，上述之軟切式電路謂，係在重 疊之驅動信號制1下運作。舉例而言，誠如第4⑷和4(b) 圖中所不’上述辅助開關1〇8之驅動信號心，係在一領前於 5使其開關103在日$刻丁3與丁4之間啟通的信號^之時刻丁〇下被 啟通（亦即’使驅動彳§號Si達一可使其輔助開關1〇8閉合之電 壓）。然而，上述開關1〇8之信號Si，係在上述開關1〇3之信 號s啟斷前被啟斷（亦即，使驅動信號Si達一可使其輔助開 關108斷開之電壓）。 10 在上述開關108之信號Si於時刻T〇被啟通前，該等昇壓 開關103和輔助開關108兩者均屬斷開，以及其輸入電流 iiN，將可完全經過其昇壓整流器104流進其負載106内。誠 如第3(a)圖中所示，在其開關108於時刻T〇閉合之後，將會 有一電流“（第4(e)圖中之波形4〇5)，流進其變壓器109之初 15 級繞組队内，藉以在其次級繞組N2R，感應出電流i2。在第 3(a)圖中，表示時刻丁〇與1\間之電路情況，有一輸出電壓 V〇(亦即，其電壓源201兩端之電壓），會加至上述理想變壓 器205之繞組N2的兩端。結果，此理想變壓器205之初級和 次級繞組兩端的變壓器繞組電壓νθσν2，係分別得自於方程 20 式： V〇 (1) -V〇=nV〇 (2) 12 1236207 其中，η，#""1。由於上述理想變壓器205之初級繞組雨端 的電壓νχ，係假定大體上為固定，其施加至變壓器1〇9之漏 電感Llk兩端之電壓，因而亦大體上為固定，以致上述之電 流ii(弟4(e)圖中之波形405)，係呈線性增加，其斜率為· 5 二 v〇 - Vi — V0 一 nV。 dt Llk Llk
Llk (3) 同時，上述變壓器109之磁化電感器電流iM(第4(h)圖中之波 形408)亦會增加，其斜率為·· dt Lm (4) 以致上述輔助開關108内之電流isl(第4(f)圖中之波形406)係 10 得自： ._ . . n lsi-h-i2+iM =ίι^γ-ΐι+ίΜ (5) 而應用上述理想變壓器205之初級與次級電流間的關係（亦 即’ Nlil=N2i2)，以及認識到上述之阻隔二極體113係呈反向 偏壓。（亦即，開路）。 15 隨著上述理想變壓器205之初級繞組中的電流i!之線性 增加’其昇壓整流器104内之電流iD(第4⑴圖中之波形 410)，將會以相同之速率下降，因為當其昇壓開關1〇3斷開 時’該等電流ii和b之總值，係等於上述之固定輸入電流 Iin(亦即’ i1+iD=IlN)。所以，上述電路1〇〇之昇壓整流器ι〇4 20的電流b，係具有一如下之啟斷率： 13 1236207
依據方程式（6)，上述昇壓整流器104之啟斷電流率，可在上 述變壓器109之適當設計中加以控制。特言之，其啟斷電流 之變化率，係由其漏電感係數Llk和匝數比η來加以決定。 5 就今日之快速恢復整流器而言，其啟斷昇壓整流器之電流 變化率dt，係可使保持大約為100A///S。 在時刻乃處，上述之昇壓整流器電流1〇將會下降至零。 由於上述昇壓整流器104内之儲存電荷所致，上述之昇壓整 流裔電流iD ’在時刻Τι與Τ'2之間’將會如第3(b)和4⑴圖所 10示，繼續在其負方向（“反向恢復電流，，）中流動。通常，就上 述變壓器109有關適當選定之漏電感值llk和匝數比η而 言，此一反向恢復電流，相較於一無昇壓整流器啟斷電流 率控制之電路中的反向恢復電流，係已大幅降低。在上述 昇壓整流器104内之儲存電荷在時刻a處下降為零後，其昇 15壓整流器104，將會回復其電壓阻隔能力，以及上述電路1〇〇 之情況，可以第3(c)圖之拓樸網絡級段來加以表示。在此拓 樸網絡級段期間（亦即’在時刻丁2與丁3之間），上述昇壓整流 器104之接面電容器302(電容值Cd)將會被充電，以及上述 昇壓開關103之輸出電容器3〇1(電容值c〇ss)，係透過此等電 20容器301和302與漏電感器203(電感係數Llk)之並聯連接間 的共振加以放電。在時刻丁2與丁3之間，其漏電感器2〇3中之 電流h，和其昇壓開關103兩端之電壓Vs(第4(d)圖中之波形 4〇4)，係分別得自： 14 1236207 i τ τ (1— n)V。. 、 11 " ain + Irr(pk) + —=;~~~δΐη(ωκ〇 (7) 和 vs = v0 - (1 - n)V0 (1 - cos(coR t)) (8) 其中之特性阻抗ZC和共振角頻率，係被界定為： 5
L LK OSS + c
D
1 V^lk(C〇ss + CD) (9) (10) 以及IRR(PK)係上述昇壓整流器1〇4之剩餘反向恢復電流。 方程式(8)係顯示，在時刻T3處使上述昇壓開關103之輸 出電容器301完全地放電的條件（所以，容許該昇壓開關103 10在時刻Τ3處之零電壓閉合)係得自： vs(t = T3) = V0 - (1 - n)V0 (1 - cos π) = 0 (H) 因此，上述變壓器109之最大匝數比nMAX係得自： πΜαχ=0·5 (12) 若其匝數比小於0.5，上述昇壓開關1〇3之輸出電容器 15 301，將總能放電至零，而無關乎其負載和線路之條件。一 旦上述之電容器301在時刻A處完全放電，上述之電流匕將 會如第3(d)圖中所示，繼續流經上述昇壓開關1〇3之反並聯 二極體303(第3(d)圖係表示時刻A與Τ*間之電路情況）。在 此段時間期間，電壓Vl係在其負方向中加至上述漏電感器 20 203之兩端，以致該漏電感器2〇3中之電流卜，係在如下之速 率下呈線性下降： 15 1236207 n dt Llk (13) 而如第4(e)圖中所例示。結果，上述輔助開關1〇8之電流 isi(第4(f)圖中之波形406)’亦會呈線性下降，同時上述昇壓 開關103之電流is(第4(g)圖中之波形4〇7)，將會自一負峰值 5呈線性增加。為達成上述昇壓開關103之ZVS，該昇壓開關 103，將會在其電流（亦即，電流is)於時刻Τ4(亦即，當電流 is開始流經該昇壓開關103之反並聯二極體3〇3時)處變為正 之前閉合。 上述之昇壓開關電流is，將會如第3(约和4(g)圖中所 10示’在電流is於時刻丁4處變為正之後，繼續流經此已閉合之 昇壓開關103。在時刻A與A之間，其漏電感器内之電流Q， 將會繼續朝零呈線性下降’同時上述昇壓開關1〇3内之電流 is，將會繼續以相同之速率呈線性增加。當電流“在時刻& 處變為零時，該昇壓開關電流is，將會達至Ιιν，以致其整個 15輸入電流1IN將會如第3(f)圖之拓樸網絡級段中所示，在時刻 T5與T6之間，流經其昇壓開關103。此時，上述受到信號心 之控制的輔助開關108，將僅會承載其磁化電感器2〇4内之 磁化電流。若其磁化變壓器109之電感係數很高，其磁化電 感器2〇4内之磁化電流iM(第4(h)圖中之波形408)，將可使極 20小化（亦即’電流iM可使甚小於上述之輪入電流Ιιν)，以致上 述之輔助開關108，可在時刻I處以事實上為零之電流使斷 開。 當上述之輔助開關108，在時刻Τΐ5處於zcs(零電流切 16 1236207 換）附近斷開時，上述之磁化電流iM，將會如第3_中所 示，開始使上述輔助開關⑽之輸出電容器3〇5(電容紅簡) 充電。在時刻丁7處，當上述輔助開關_兩端之電壓VS1(第 4(c)圖中之波形403) ’將會達至一箱堡電壓v〇+Vc，盆中， 5 Vc為上述箝壓電容器112(電容值Cc，以電壓源观表示）兩 端之電壓，上述磁化電“，將會轉向進該電壓源搬内 誠如第3⑻圖中所示’在時刻T#Ts之間，上述電壓源2〇2 兩端之負電壓Vc，可在如下之速率下，使上述磁化電感器 204内之磁化電流iM重置： 直至其磁化電流iivi在時刻Tg處變為零為止。 第3(〇圖係顯示上述電路100在其變壓器1〇9於時刻了8 處被重置直至其昇壓開關103於時刻Tg處呈斷開及其輸入 電流iIN自昇壓開關1G3轉向至使其昇壓開關⑽之輸出電容 15器301充電後的電路情況。誠如第3C0圖中所示，在時刻下9 與τ10之間，上述之電容器301，將會以上述之固定輸入電9 流iIN來充電，上述之電壓vs(第4(d)圖中之波形4〇4)將會呈 線性增加，而在時刻t1q處達至電壓v〇。在時刻Tiq處，上述 之輸入電流IiN ’將會如第3(k)圖中所示，瞬間轉向至其昇 20壓整流器104。誠如第3(k)圖中所示，當上述之辅助開關1〇8 再次如在時刻TG處閉合時，上述之電流ilN將會作為電流 iD(第4(j)圖中之波形410)，流經其昇壓整流器1〇4，直至時 刻T11為止。 17 1236207 一 述之°兒明中，上述阻隔二極體110之接面電容，係 假定對上述變換器電路之運作，不具顯著之效應。事實 上，此—電容值僅有在上述電私於時刻T4達至零後之簡 短時段會起作用。特言之，在時刻了5之後，上述阻隔二極 " 接面電谷和漏電感器203將會共振，因而將會在其 漏電感器2〇3内建立一】、倉雷、、亡· 、 圮立〗貞冤机1!。右此電流1大於其磁化 電感器204内之磁化電流iM，上述輔助開關108之電流isi， 將^透過上述辅助開關108之反並聯二極體，而在其負方向 中流動。由於上述反並聯二極體中之此一傳導所致，上述 10輔助開關108之電壓Vsi(亦即，第4(c)圖之電壓波形4〇3)，並 不會在上述之輔助開關108於時刻A處被斷開之後立即增 加（亦即，在上述開關1〇8内之電流isi達至零之後不久）。結 果，上述輔助開關1〇8兩端之電壓Vsi的上昇，將會在一簡短 之延遲後-亦即在上述透過輔助開關1〇8之反並聯二極體 15的電流isi共振返至零之後-發生。此一延遲對上述電路1〇〇 之運作或性能，並不具顯著之效應。然而，若上述漏電感 器203中之電流^，係小於上述之磁化電流iM，上述輔助開 關108兩端之電壓vsi的上昇（第4(c)圖之電壓波形4〇3),將會 在時刻丁6之後立刻發生。 20 總結上文，本發明之電路100，將可容許所有半導體裝 置做軟切換。特言之，上述之昇壓開關103，係在ZVS之條 件下閉合，上述之輔助開關108，係在ZCS之條件下斷開， 以及上述昇壓二極體104之電流ID，係在一受控之速率下被 啟斷。結果，上述昇壓開關103之啟通切換損失、上述輔助 18 1236207 開關108之啟斷切換損失、和上述昇壓整流器104之反向恢 復關聯性損失，將可使消除，藉以極小化彼等之總切換損 失，以及極大化其轉換效率。此外，此種軟切換可提供電 磁干擾(EMI)方面之有益效應，其將可造成一輸入濾波器所 5 需縮小尺寸之需求。 由於上述昇壓開關1〇3之ZVS所致，一MOSFET(金屬氧 化物半導體場效電晶體）裝置、或一MOSFET裝置之並聯組 合，將可具現上述電路1〇〇之昇壓開關103。同理，由於上 述輔助開關108之ZCS所致，一IGBT(絕緣閘極雙極性電晶 10體）4M0SFET，將可具現上述之辅助開關1〇8，而無性能上 之負面因素。事實上’ —IGBT^壓開關，亦可具現上述之 昇壓開關103,只要有一啟斷緩衝電容器，使連接至其伽丁 兩端，藉以降低IGBT之電流拖尾效應所致的啟斷損失。在 此種具現體中’上述之昇壓開關1〇3，應以zvs來閉合，以 15使其缓衝電容器，無助於其啟通切換損失。而且，在此種 具現體中，細BT最好係設有1包狀反並聯二極體或 一外在二極體。 20 之電壓應力係得自 Vsi(MAX) = V〇 + Vc 在上述之電路⑽中，該等昇壓開_3和昇壓整流哭 1〇4上面之電壓和電流應力，大體上係與—無緩衝器之傳I 式昇壓龍換器内的對應壓力相同。上述獅開_8上面 (15) 19 1236207 isi(MAX) - (l"11) IlN +~—rf 〇 (16)
乙L 上述之電壓Vsi(MAX)和電流isi(MAX) ’係顯示在第4(C)和（f)圖 之波形403和406中。 依據方程式（15)，上述輔助開關108之電壓應力，係藉 5 由選擇上述通常決定於其磁化電感器204内在輔助開關108 導通時所儲存之能量和其箝壓電阻111之電阻值Rc的箝壓 電壓Vc，來加以控制。若其電容器112之電容值Cc經選擇使 夠大，以使此輸出電容器112兩端之電壓漣波，係甚小於此 電容器112之平均電壓值，其電壓Vc可計自：
η τ f f yc — Ds\Ts (17) \ Kc 其中，051為上述輔助開關108之工作周期，Ts為其切換時 期，以及fs=l/Ts為其切換頻率。 由方程式（17)， 糊 ⑽ 15 上述之電壓值Vc，可藉由極大化其磁化電感器204内之電感 值LM而使極小化，以使其箝壓電路内之電力損失（亦即，箝 壓電阻器111内之電力消耗），亦被極小化。典型地，就一 適當設計之變壓器而言，其箝壓電路之損失，相較於其輸 出電力係可加以忽略，故其轉換效率實際上係不受影響。 20 上述變壓器109之漏電感器203的電感係數，係決定於 方程式(6)中所界定之昇壓整流器電流的希望啟斷率，亦即， 20 (19)1236207
L LK = q-n)V〇 di〇/ dt 依據方程式（19)，為極小化其漏電感器203之電感值 [lk ’可增加其變壓109之匝數比n。由於叫心為^，其變 壓器109之匝數比，不應使甚小於〇 5。一〇·3·〇·5範圍之11值 5係有利的。若V〇為400V，η為〇·5，以及diD/dt為1〇〇 A//ZS， 其漏電感值Llk將為2// Η。若其電感值Llk過大，而無法由 ’夂壓裔之漏電感係數來達成，可使用一類似第5圖之電路 500中所示的外在緩衝電感器5〇1，來調整其所希望之電路 係數。第5圖之電路500的運作，大體上係與第1圖之電路1〇〇 10 者相同。 依據本發明，一用來重置其變壓器之磁化電感器（例 如，磁化電感器204)的主動型緩衝器之箝壓電路(例如，箝 壓電路107)，可以多種方式來加以具現。舉例而言，其籍 壓電路可使越至上料路之任—DC電位。以⑻圖 15中’其箝壓電路斯和502，各係連接至其變換器之輸出端 子。第6和7圖係顯示-些具有分別連接至其負軌條和輸入 源之箝壓電路602和702的電路6〇〇和7〇〇。此外，其箝壓電 路在裝配上，亦可如第8圖中所例示，使橫跨上述變壓器⑽ 之初級繞組。第9圖係顯示-依據本發明之另一實施例具有 籍壓電路902的電路900。上述箝壓電路之許多其他變更形 式係亦屬可能。 本發明之軟切式昇壓變換器，亦可使用一類似第_ 之電路1000中所示整合之隔離式輔助電源供應器，來加以 21 1236207 具現。在電路1000中，一隔離式輔助輸出電壓，係藉 由三繞組變壓器1009、主動型緩衝器開關1〇8、繞組\2和 N3、整流器1〇13 (DAUX)、和濾波電容器1〇12(具有電容值 CAUX)，形成一返驰變換器1002，使彼等之輸入蠕子，連接 5橫跨其昇壓型變換器1〇〇〇之輸出端子，而加以提供。假定 在變壓器1009之一不連續傳導模態（DCM)的運作下，此輔 助輸出電壓VAUX係得自： υχ
R
AUX (DSIV0) (20) 其中’ Raux為其辅助輸出上面之負載。 10 由於一調節式昇壓型變換器之輸出電壓V〇係為常數， 在其輔助開關108之工作周期DS1為常數下，其緩衝器1〇〇2 中之輔助電壓VAUX，唯有在其負載屬可變（亦即，若其負載 電阻Raux有改變）時方會改變。就-可變之辅助負載〜狀而 言，其輔助電壓VAUX，可藉由適當調制其工作周期^，使 15維持為-常數。舉例而言，第n圖係概念顯示一就第⑺圖 之電路11GG提供有輔助輸出電壓Vaux之閉迴路控制的電路 1100。當,然，有許多其他閉迴路調節工作周期〜之方法係 屬可能。在第11圖中，係提供有兩獨立之回授控制迴路。 特吕之，其輸出電壓V〇，係藉由調節其昇壓開關1〇3之工作 20周期D來加以調節，而其輔助輸出電壓νΑυχ，係藉由調節 其輔助開關108之工作周期Dsi來加以調節。為就該等昇^ 開關103和輔助開關1〇8，維持驅動信號8和心之適當時序 (亦即，確保其驅動信號S!在其驅動信號3前之一段預定時 22 1236207 間間隔内被確立），上述驅動信料之上昇緣，係由-來自 其用以調節輸出電壓V。切路控制的控制器ιιΐ7，來加以 產生。上相動信號Sl之啟斷，係由其可控制上述用以產 生下降縣奴輔助輸出電壓％之迴路，來加以控制。 上述具有整合之隔離式電源供應器之軟切換昇壓變換 器，亦可能提供多重之心。此外，依據本發明之主動型 緩衝器，可應用至-些以單相和三相功率因素校正電路為 例之單相和三相AC/DC應用巾所使_昇壓變換器。第12 10 15 20 圖係顯示—⑽本發明之—實關與上述全錢流器相整 合之單相AC/DC昇壓型變換器12〇〇。在第12圖之電路中， 在其正半周期中’其昇壓開關1(^和昇壓整流器⑽a，係 分別在上文就第1圖之電路1〇〇的昇壓開關1〇3和昇壓整流 器1〇4配合第3(a)-3(k)圖和第4(a)_4(k)圖所述之方式中運 作。同理，在若負半周期中，其昇壓開關1〇3b和昇壓整流 器10 4 b，係分別在上文就第i圖之電路i 〇 〇的昇壓開關i 〇 3和 昇壓整流器104之方式中運作。基於其較一緊接昇壓電力級 段之全波橋接整流器的傳統結構少一整流器的整流器結 構，其AC/DC昇壓型變換器12〇〇，係具有相對於此種傳統 式結構較低之傳導損失。在第12圖中，其主動型緩衝器 1207，係包括一在其變壓器1〇9之初級側上面之整流器ilia 和111b，因為此AC/DC昇壓型變換器1200，係具有一昇壓 開關103a和103b和一昇壓整流器i〇4a和104b，彼等在配置 上係運作為兩不會同時運作之昇壓開關-昇壓整流器配 對。在此AC/DC昇壓型變換器1200中，彼等整流器111a和 23 1236207 lllb，係如第12圖中所例示，使連接至其變壓器i〇9之同一 初級繞組。此種AC/DC昇壓型變換器1200之許多變更形式 係屬可能，諸如第13和14圖之AC/DC昇壓型變換器1300和 1400。在第13和14圖之AC/DC昇壓型變換器1300和1400 5 中’彼等整流器104a和I04b，係分別以開關i〇3c和103d來取 代’藉以進一步降低其傳導損失。此外，第14圖之AC/DC 昇壓型變換器1400，可使一輔助電源供應器與一主變換器 整合在一起。 一些依據本發明之三相AC/DC昇壓型變換器1500、 10 1600、和1700，係如第15-17圖中所顯示。第15圖係顯示一 具有DC執條整流器104之三相AC/DC昇壓型變換器1500。 第16和17圖係顯示一分別無一 DC軌條二極體及具有一整 合式輔助電力輸出（電壓VAUX)之三相AC/DC昇壓型變換器 1600和1700。在彼等三相AC/DC昇壓型變換器1600和1700 15 中，彼等二極體Ilia、lllb、和ll〇c，係分別連接至一主動 型緩衝變壓器（亦即，變壓器109或1009)之初級側，藉以達 成ZVS及極小化三對昇壓開關和昇壓整流器之反向恢復充 電。 本發明之主動型緩衝器，可使應用至任何隔離式或非 20 隔離式DC/DC變換器，或任何單相或三相ac/DC變換器。 舉例而言，第18和19圖係分別顯示一降壓型變換器和 降壓-昇壓型變換器1900，彼等各係具有一主動型緩衝器。 第20、21、和22圖係分別顯示一依據本發明之順向型變換 器2000、反驰型變換器2100、和雙電感器昇壓型變換器 24 1236207 2200，彼等各係具有一主動型緩衝器。 第23圖係顯示一軟切式昇壓變換器23〇〇，其與第扣圖 之軟切式昇壓變換器1〇〇〇的不同之處，在於提供一整合有 一辅助開關2308之輔助隔離式電源供應器，其係受到一由 5雙迴路控㈣電路2301所提供之控制信號^的控制。此控制 電路2斯，可提供兩侧立之喊控制迴路，來調節其辅 助電源供應器之輸出電壓V〇和電壓Vaux兩者。在第23圖 中，其輸出電壓V〇，係藉由調制其昇壓開關1〇3之工作周期 D，來加以調節，以及其辅助輸出電壓Va狀，係藉由調制 1〇其輔助開關2308之工作周期，來加以調節。 上述之詳細說明，係提供來例示本發明之特定實施 例，以及並非意在限制本發明之界定範圍。本發明之許多 蜒更形式和修飾體係屬可能。本發明係列舉在下文之申請 專利範圍内。 15 【圖式^簡單^謂：明】 第1圖係顯不一依據本發明之一實施例的軟切式昇壓 電路100 ; 第2圖係顯示第1圖之軟切式昇壓電路1〇〇有關的簡化 電路模型200 ; 2〇 第3(a)-(k)圖係第2圖之電路模型200在一切換周期中之 拓樸網絡級段； 第4(a)-4(k)圖係顯示上述電路模型2〇〇在第3(勾兴幻圖 之切換周期中的主要波形； 第5圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一獨立或 25 1236207 外在緩衝電感器501的軟切式昇壓型變換器500 ; 第6圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一連接至 負執條的箝壓電路6〇2之軟切式昇壓型變換器6〇〇 ; 第7圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一連接至 5其輸入源的箝壓電路7〇2之軟切式昇壓型變換器700 ; 第8圖係顯示一依據本發明之一實施例具有一連接在 一變壓器的初級繞組兩端之箝壓電路8〇2的軟切式昇壓型 變換器800 ; 第9圖係顯示一依據本發明之另一實施例具有一箝壓 10電路902之軟切式昇壓型變換器9〇〇 ; 第10圖係顯示一可提供整合之輔助隔離式電源供應器 的軟切式昇壓型變換器1000 ; 第11圖係概念顯示一具有第圖之昇壓型變換器1〇〇〇 的雙迴圈控制之電路11〇〇，其可同時調節上述電路之 15輸出電壓和上述輔助電源供應器中之電壓VAUX ; 第12圖係顯示一依據本發明之一實施例與上述全波整 流器相整合之單相AC/DC昇壓型變換器1200 ; 第13圖係顯示一依據本發明之一實施例與上述全波整 流器相整合之單相AC/DC昇壓型變換器1300 ; 20 第14圖係顯示一依據本發明之一實施例與上述全波整 流器相整合之單相AC/DC昇壓型變換器1400 ; 第15圖係顯示一依據本發明之一實施例具有dc軌條 (DC-rail)二極體11〇的三相AC/DC昇壓型變換器1500 ; 第16圖係顯示一依據本發明就每一相位具有獨立之昇 26 1236207 壓整流器的三相AC/DC昇壓型變換器1600 ; 第17圖係顯示一依據本發明具有一輔助電源供應器輪 出之三相AC/DC昇壓型變換器1700 ; 第18圖係顯示一依據本發明包括一主動型緩衝器電路 5 1807之降壓型變換器1800 ; 第19圖係顯示一依據本發明包括一主動型緩衝器電路 1907之降壓/昇壓型變換器1900 ; 第20圖係顯示一依據本發明之一實施例包括一主動型 緩衝器電路2007之順向型變換器2000 ; 10 苐21圖係顯示一依據本發明之一實施例包括一主動型 緩衝器電路2107之反馳型變換器2100 ; 苐22圖係顯示一依據本發明之一實施例包括一主動型 緩衝器電路2207之雙電感器昇壓型變換器2200;而 第23圖則係顯示一可提供一與一輔助開關Saux相整合 15 之輔助隔離式電源供應器的軟切式昇壓型變換器1000，其 亦概念顯示一電路2300之雙迴圈控制，其可同時調節上述 昇Μ型變換器1〇〇〇之輸出電壓和上述輔助電源供應器中之 電壓VAUX。 為便於在諸圖間相互參照，諸圖中之相同數字，係指 20定相同之參考數字。 【圖式之主要元件代表符號表】 100 ···軟切式昇壓電路 103，103a，103b…昇壓開關 101 · · ·電壓源 l〇3c，103d…開關 102· ··昇壓電感器 104，104a，104b · · ·昇壓整流器 27 1236207 105…儲能電容器 106…負載 107···主動型緩衝器電路 108,2308…輔助開關 109…變壓器 110···阻隔二極體 111···電阻器 llla，lllb，1013 …整流器 llla，lllb，110c，113 …二極體 112···箝壓電容器 115,602,702,802,902 …箝壓電路 200···簡化電路模型 201,202···電壓源 203···漏電感器 204…磁化電感器 205…理想變壓器 301···輸出電容器 302…接面電容器 500,600,700,800,900,1000 …軟 切式昇壓型變換器 501···緩衝電感器 1002···返馳變換器 1009···三繞組變壓器 1012…濾波電容器 1100…雙迴圈控制電路 1117…控制器 1200…AC/DC昇壓型變換器 1207···主動型緩衝器 1300,1400…單相AC/DC昇壓 型變換器
1500,1600,1700…三相 AC/DC 昇壓型變換器 1800…降壓型變換器 1807，1907,2007,2107,2207 … 主動型緩衝器電路 1900…降壓/昇壓型變換器 2000…順向型變換器 2100…反驰型變換器 2200…雙電感器昇壓型變換器 2300…軟切式昇壓變換器 2301…雙迴路控制電路 28

Claims (1)

1236207 拾、申請專利範圍： 1. 一種具有一輸入端子和一輸出端子之電力變換器，其輸 入端子係使耦合至一電源，此種電力變換器係包括： 一耦合至其輸入端子之儲存電感器； 5 —在運作上可使其儲存電感器充電及放電之第一 開關； 一包括一第二開關之主動型緩衝器，其係耦合至一在 其第一和第二開關之切換周期中大體上不變的參考電壓； 一可在運作上搞合至其儲存電感器、主動型緩衝 10 器、和輸出端子而使能量自其儲存電感器轉移至其輸出 端子之整流器；和 一控制電路，其可提供一些控制信號，來控制其第 一和第二開關在其切換周期中之運作，以使其第二開關 閉合，藉以使其整流器内之電流，自此整流器轉向至其 15 主動型緩衝器，以便容許其第一開關在一大體為零之電 壓條件下閉合，以及接著容許其第二開關在一大體為零 之電流條件下斷開。 2. 如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之參考電 壓，係由其輸出端子處之電壓來提供。 20 3.如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之參考電 壓，係由其輸入端子處之電壓來提供。 4. 如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之參考電 壓，係由其儲存電感器之一端子來提供。 5. 如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之參考電 29 !2362〇7 壓’係由其電源之一負執條來提供。 其中之電力變換 6·如申請專利範圍第i項之電力變換器， 器’係配置為一昇壓型變換器。 5 10 15 20 如申請專利範圍第㈣之電力變換器，其中之電力變換 器’係配置為一順向型變換器。 8·如申請專利範圍第w之電力變換器，其t之電力變換 器’係配置為一降壓型變換器。 9-如申請專利範圍第W之電力變換器，其中之電力變換 器，係配置為一降壓/昇壓型變換器。 10·如申請專利範圍第W之電力變換器，其中之電力變換 器，係配置為一雙電感器昇壓型變換器。 U·如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之主動㈣ 衝裔’係由一箝壓電路所組成。 12. 如申請專利範圍第η項之電力變換器，其中進—步係包 括-輕合在其儲存電感器與箝壓電路間之緩衝電感器。 13. 如申請專利範圍第η項之電力變換器其中之箝壓電 係包括： 一變壓器； 一電容器；和 一電阻器。 从如申請專利範圍第13項之電力變換器，其中之變壓器， 係由一在其初級繞組與次級繞組間具有小於0.5之^數 比的變壓器所組成。 15.如申請專利範圍第13項之電力變換器，其中之變壓器係 30 1236207 具有一可決定其整流器内之電流的變化率之漏電容值。 16·如申請專利範圍第15項之電力變換器，其中之整流器内 的電流之變化率，大體上係不變。 17·如申請專利範圍第11項之電力變換器，其中之主動型緩 衝器，係由一隔離式電源供應器所組成。 18·如申請專利範圍第17項之電力變換器，其中之控制電 路了接收其隔離式電源供應器之輸出電壓作為一輸 入藉以獨立於其輸出端子處之電壓，來調節其隔離式 電源供應器之輸出電壓。 19·如申請專利範圍第18項之電力變換器，其中進一步係包 括-搞合在其變壓器繞組與其電源之負執條間的辅助 開關。 20. 如申請專利範圍第i項之電力變換器其中之第一開關， 係由一絕緣式閘極雙極性電晶體所組成，以及其主動型 緩衝器，係使連接在其絕緣式閘極雙極性電晶體之兩端。 21. 如申請專利範圍第20項之電力變換器，其中有一反並聯 二極體，係設置在其絕緣式閘極雙極性電晶體之兩端。 22. 如申請專利範圍第i項之電力變換器其中之第二開 關，係由一絕緣式閘極雙極性電晶體所組成。 23·如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之電源係由 —AC電源所組成。 24·如申請專利範圍第23項之電力變換器，其中之第一開關 和整流器，係一全波整流器之零件。 25·如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之電源可提 31 1236207 供一單相電壓。 26. 如申請專利範圍第1項之電力變換器，其中之電源可提 供三相電壓。 27. —種可用以在一具有一輸入端子和一輸出端子之電力 5 變換器中做電力調節的方法，其輸入端子係使耦合至一 電源，此種方法係包括： 設置一耦合至其輸入端子之儲存電感器； 耦合一可使其儲存電感器充電及放電之第一開關； 設置一包括一第二開關之主動型緩衝器，此主動型 10 緩衝器，係耦合至一在其第一和第二開關之切換周期中 大體上不變的參考電壓； 使一整流器耦合至其儲存電感器、主動型緩衝器、 和輸出端子，藉以使能量自其儲存電感器，轉移至其輸 出端子；以及 15 控制其第一和第二開關在其切換周期中之運作，以 使其第二開關閉合，藉以使其整流器内之電流，自此整 流器轉向至其主動型緩衝器，以便容許其第一開關，在 一大體為零之電壓條件下閉合，以及接著容許其第二開 關，在一大體為零之電流條件下斷開。 20 28.如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步將其輸出 端子處之電壓，設置為其參考電壓。 29. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步將其輸入 端子處之電壓，設置為其參考電壓。 30. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步將其儲存 32 1236207 電感器之一端子的電壓，設置為其參考電壓。 31. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步將電源之 一負軌條處的電壓，設置為其參考電壓。 32. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步包括將其 5 電力變換器，配置成一昇壓型變換器。 33. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步包括將其 電力變換器，配置成一順向型變換器。 34. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步包括將其 電力變換器，配置成一降壓型變換器。 10 35.如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步包括將其 電力變換器，配置成一降壓/昇壓型變換器。 36. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步包括將其 電力變換器，配置成一雙電感器昇壓型變換器。 37. 如申請專利範圍第27項之方法，其中係進一步包括在其 15 主動型緩衝器内，設置一箝壓電路。 38. 如申請專利範圍第36項之方法，其中係進一步包括一耦 合在其儲存電感器與箝壓電路間之緩衝器。 39. 如申請專利範圍第36項之方法，其中係進一步包括在其 箝壓電路内，設置一變壓器、一電容器、和一電阻器。 20 40.如申請專利範圍第39項之方法，其中之變壓器，係在其 初級繞組與次級繞組間，設置小於0.5之匝數比。 41. 如申請專利範圍第39項之方法，其中之變壓器，係具有 一可決定其整流器内之電流的變化率之漏電容值。 42. 如申請專利範圍第41項之方法，其中之整流器内的電流 33 1236207 之變化率，大體上係不變。 43. 如申請專利範圍第36項之方法，其中係進一步包括在其 主動型緩衝器内，設置一隔離式電源供應器。 44. 如申請專利範圍第43項之方法，其中之控制，係包括接 5 收其隔離式電源供應器之輸出電壓作為一輸入，藉以獨 立於其輸出端子處之電壓，來調節其隔離式電源供應器 之輸出電壓。 45. 如申請專利範圍第44項之方法，其中係進一步包括一耦 合在其變壓器繞組與其電源之負軌條間的輔助開關。 10 46.如申請專利範圍第27項之方法，其中之第一開關，係由 一絕緣式閘極雙極性電晶體來提供，以及其主動型緩衝 器，係使連接在其絕緣式閘極雙極性電晶體之兩端。 47.如申請專利範圍第46項之方法，其中之反並聯二極體， 係設置在其絕緣式閘極雙極性電晶體之兩端。 15 48.如申請專利範圍第27項之方法，其中之第二開關，係由 一絕緣式閘極雙極性電晶體所組成。 49. 如申請專利範圍第27項之方法，其中之電源係由一 AC 電源所組成。 50. 如申請專利範圍第49項之方法，其中之第一開關和整流 20 器，係設置在一全波整流器内。 51. 如申請專利範圍第49項之方法，其中之電源可提供一單 相電壓。 52. 如申請專利範圍第49項之方法，其中之電源可提供一三 相電壓。 34
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