[發明專利]消除DC/DC轉換器中的轉換損耗的系統和方法

有效

• 申請號: 201410192921.2
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN104143909B
• 公開（公告）日: 2019-08-06
• 發明（設計）人: J·J·洛卡斯西奧
• 申請（專利權）人: 馬克西姆綜合產品公司
• 主分類號: H02M3/155
• 分類號: H02M3/155
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 王英;陳松濤

本發明的多個實施例在無需諧振設計的情況下，減小了與現有的DC/DC轉換器中非零電壓開關和非零電流開關相關的開關損耗。本發明的某些實施例通過減小與同時存在橫跨高功率開關器件的電流和電壓有關的開關損耗來提供改進的效率。在某些實施例中，這通過將相對小的電感器和兩個開關元件增加到多種開關調節器拓撲結構來是實現。儲存在電感器中的能量用于轉換開關轉換器的輸出，以實現零電壓開關和零電流開關。

技術領域

本發明涉及電感開關轉換器，更具體地，涉及利用零電流開關和零電壓開關來減小DC/DC轉換器中轉換損耗的系統、設備和方法。

背景技術

電子工業不斷地需要更高的開關調節器效率。開關調節器將來自給定輸入電壓電平的能量轉換為更高或更低的輸出電壓電平，以便傳送給負載。電感開關轉換器利用電感器的重要物理特性：對電感器所傳送的電流的任何改變的電阻，以便將輸入電壓變換為所期望的輸出電壓。通過控制開關調節器內有源開關元件的操作來調整輸出電壓的電平。

DC/DC轉換器的典型效率已經達到了約96％，以使得額外的百分之一或二的功率損耗減小能夠將現有功率損耗減小多達50％。除了在典型地是晶體管功率開關的接通有源器件中的傳導損耗以外，在開關調節器中的功率耗散的一個主要來源是轉換損耗。在開關過程中會出現兩類轉換損耗，第一類是電容損耗，它由在轉換器的開關節點的寄生電容的充電和放電所產生。第二類轉換損耗是傳導損耗，它與在大電壓和非零電感器電流存在的同時接通功率開關相關聯。由于開關中體二極管被正向偏置，這個第二類轉換損耗被功率開關中的反向恢復電流加重。

一些現有方案通過避免從低電壓到高電壓的轉變并通過應用零電壓開關(ZVS)或零電流開關(ZCS)方法來減小開關功率損耗。為了執行ZVS，根據定義，橫跨開關的電壓在接通開關時需要在接近于零的值。但現有ZVS或ZCS拓撲結構存在嚴重缺陷。例如，ZVS或ZCS降壓轉換器拓撲結構需要(有損的)間斷的電流模式操作，具有必須比輸出電流大幾乎兩倍的平均電感器電流值，因為電感器需要達到零以便開關調節器實際上執行ZVS或ZCS。例如，10A輸出電流典型地需要20A峰值電流。根據定義，現有ZVS或ZCS拓撲結構需要接近零的電感器電流，因而傳導損耗典型地高達具有極低紋波成分的連續電流降壓轉換器中的兩倍以上。可替換的方案通過使用諧振或者臨界傳導拓撲結構來處理這個問題。但這些方案產生了比它們所解決的更多的問題，并且不會在較高紋波電流情況下產生較高的系統效率，由于與諧振或臨界傳導拓撲結構相關的增大的傳導損耗。所需要的是用于開關調節器設計者來克服上述限制的工具。

發明內容

本發明的實施例利用連續電流轉換器開關在多個開關調節器拓撲結構中有效地消除了與功率MOSFET的硬開關有關的損耗。本發明的某些實施例通過采用允許任意的電壓轉換而不啟動功率MOSFET開關的創新的ZVS方法；允許在啟動開關前，功率MOSFET開關中的電流接近于零，從而當橫跨開關的電壓存在時，在進行轉換的同時去除開關中電流的損耗因素的創新型ZCS開關；本文中將其稱為負電流開關轉換(NCS)(該術語不是本領域技術人員常用的)的創新型開關來提供減小的轉換損耗。NCS通過當電流在與開關試圖移動耦合到開關的電壓節點的相同方向上流動時進行開關切換，而允許開關損耗的進一步減小。

本發明的某些實施例允許消除與功率MOSFET體二極管中體二極管反向恢復電流相關的損耗，從而消除了對用以使得體二極管反向恢復電流最小化的額外的且相當復雜的電路的需要。

具體地，在某些實施例中，通過以下方式來實施零電壓開關和零電流開關：在開關調節器內增加與高值電感器串聯的相對低值的電感器；將兩個開關器件增加到輸出路徑；以及以一方式來為所有開關器件定時以使得在沒有與電阻性開關相關的功率損耗的情況下，儲存在低值電感器中的能量能夠實現ZCS、NCS或輸出節點從一個電壓到另一個電壓的轉換。在某些實施例中，操作一個高側開關以執行ZVS，同時操作第二高側開關以選擇性地執行ZVS、NCS或ZCS的其中之一。