[發(fā)明專利]有源緩沖器拓撲

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410131020.2
• 申請日: 2014-04-02
• 公開（公告）號: CN104104224A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發(fā)明（設計）人: 李亭湖;何藝文;格拉爾多·埃斯科巴爾;喬納森·布拉德肖
• 申請（專利權）人: ABB研究有限公司
• 主分類號: H02M3/155
• 分類號: H02M3/155
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權代理有限公司 11227
• 代理人: 杜誠;陳煒

技術領域

本發(fā)明涉及電力變換器并且具體涉及用于電力變換器的緩沖器電路（snubber?circuit）。

背景技術

電力變換器中的主開關裝置的開關頻率可以是影響電力變換器的電學性能以及成本的關鍵參數(shù)。可以通過增大變換器的開關頻率來減小無源元件尤其是磁元件的大小。升壓變換器的輸入扼流圈或DC-DC變換器的隔離變壓器可以用作這種磁元件的示例。該減小能夠對變換器的總成本產(chǎn)生直接和顯著的影響。

將成本效率作為主要優(yōu)先考慮的電力變換器應用會極大地受益于增大開關頻率的可能性。例如，在用于電信應用的數(shù)據(jù)中心或基站的電力變換器中，通常開關頻率在200kHz至600kHz的范圍內。這種范圍可以提供增大開關頻率并且因此還減小磁部件的大小的大的可能性。如所提及的那樣，磁部件大小的減少導致顯著的成本節(jié)約和功率密度的增加。此外，通過將開關頻率增大至某一范圍，例如20kHz或20kHz以上，可以將低成本和低磁芯損耗材料（例如軟鐵氧體）用于電力變換器的磁元件。

然而，現(xiàn)有電力變換器的開關頻率的大的增大通常不會沒有折衷。例如，從幾kHz增大到幾十kHz可以產(chǎn)生很高的開關損耗。

圖1a示出了具有400V輸出的常規(guī)750W升壓變換器的示例性切換波形。在圖1a中，示出了開關裝置的電壓v_Cds,S和電流i_S。由主二極管的反向恢復電流和主開關裝置的高切換速度在點11處接通時引起電流i_S中的高電流應力10。圖1a還示出了在點13處關斷時由高切換速度和電路的寄生電感引起的高電壓應力12。

圖1b示出了圖1a的相應的切換軌跡。接通軌跡14和關斷軌跡15連同電流軸和電壓軸包圍下述區(qū)域：該區(qū)域大體上與在主開關裝置的接通動作和關斷動作所耗散的能量方面的開關損耗對應。因此，開關損耗隨開關頻率線性地增加。

更高的開關損耗生成更多的熱，并且會需要更強大的冷卻系統(tǒng)或更大的散熱器，以用于有效地提取熱以及防止半導體過熱。結果，變換器的功率密度和功率效率可能退化，并且在磁零件中獲得的成本節(jié)約會被增加的冷卻系統(tǒng)成本抵消。

可以使用所謂的軟開關來實現(xiàn)更優(yōu)的結果，即同時實現(xiàn)高開關頻率和低開關損耗。為了將變換器的開關從常規(guī)的硬開關變化為軟開關，可以使用至少兩種方式。

可以通過使用準諧振開關來實現(xiàn)軟開關，即通過用準諧振開關單元（例如圖2b或圖2c中示出的準諧振開關單元）替換常規(guī)PWM開關單元（例如圖2a中示出的常規(guī)PWM開關單元）。圖2b示出了半波零電流諧振開關單元，而圖2c示出了全波零電流諧振開關單元。

準諧振開關能夠在零電流接通和零電壓關斷條件下進行切換。然而，附加的諧振部件和二極管與主開關串聯(lián)連接，這會增加導通狀態(tài)損耗。此外，主開關會經(jīng)受過電壓應力或過電流應力。一般而言，應力隨著變換器的額定功率增加。與硬開關變換器相比，會需要具有更高定額的半導體開關。更高的定額進而會增加開關的成本。

另一種方式是使用輔助電路、緩沖器來輔助主開關進行零電壓切換或零電流切換。緩沖器可以被定義為下述電路：其能夠修改半導體開關的接通和/或關斷切換軌跡，以及能夠通過處理小量無效功率來減少或者甚至消除開關損耗。圖3示出了電力變換器中的緩沖器的示例性框圖。

可以通過緩沖器的諧振動作來降低切換事件中的di/dt變化率和dv/dt變化率。還可以減小由切換動作和寄生電容器以及電感器引起的振蕩。結果，能夠減少EMI問題。

在各種科學論文和專利出版物中已經(jīng)公布了不同的緩沖器電路。這些提議彼此不同，主要在于實現(xiàn)零電壓切換或零電流切換的方法和緩沖器的重置電路。美國專利US6987675B2、美國專利申請US6028418A、美國專利申請US5313382A、美國專利US6236191B1、美國專利申請US5959438A、美國專利申請US5418704A、美國專利申請US20020047693A1以及韓國專利申請KR20040054088A公開了用于實現(xiàn)緩沖器電路的一些方式。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種設備以緩解上述缺點。本發(fā)明的目的是通過以在獨立權利要求中記載的內容為特征的設備來實現(xiàn)的。在從屬權利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。

本公開內容公開了一種能夠用于減少電力變換器中的一個或多個主開關的開關損耗的有源緩沖器拓撲。有源緩沖器包括輔助開關裝置，并且有源緩沖器修改主開關裝置的切換動作的切換軌跡。所公開的有源緩沖器能夠輔助主開關裝置在零電壓進行接通動作和關斷動作。因此，能夠使開關損耗最小。