[发明专利]不对称零电压切换全桥功率变换器

说明书

对相关申请的交叉引用

本申请要求2009年4月16日提交的题为“不对称零电压切换全桥功率变换器”的美国临时专利申请号61/170,076的优先权，基于各种目的，上述申请所公开的内容在此作为一个整体被引入本文作为参考。

发明背景

许多直流到直流的功率变换器拓扑，例如正向变换器、回扫式变换器、SEPIC、全桥变换器等，在领域中都是已知的。这种变换器的功率转换效率通常在70％至95％的范围。功率转换效率较低的一个原因是在切换变换器的功率晶体管时能量的浪费。为了减少能量的浪费，许多功率变换器的设计都尝试着在开关上的电压接近零伏特时，将它们的功率晶体管切换至导通状态，这通常被称为“零电压切换”。然而，用于全桥变换器拓扑的真正的零电压切换设计一直难以实现。基本的全桥变换器只是简单地将变压器的能量转储至初级线圈的开关波形的两个中点，而不进行选择性转向。因此，基本的全桥变换器更倾向于“硬切换”，这意味着给定的功率晶体管在其传导端子(例如漏端子和源端子)之间存在相当大的电压时被导通，从而导致大量的功率损耗。

发明内容

作为其发明的一部分，发明人已经设计了用于桥开关的更加有效的切换序列以更好地实现零电压切换。该切换序列也能够适于减少在一些开关的体二极管中的导通损耗，尤其在较低的工作周期值下。

本发明的第一个示例性实施方式涉及提供直流输出功率的全桥功率变换器。该示例性的功率变换器包括接收待转功率源的输入端口、提供直流输出功率的输出端口、桥电路和变压器。该桥电路包括在第一节点上串联连接的第一开关和第二开关，及在第二节点上串联连接的第三开关和第四开关。第一开关和第二开关的串联组合与输入端口并联连接，而第三开关和第四开关的串联组合与输入端口并联连接。变压器包括连接在第一节点和第二节点上的初级线圈和至少一个次级线圈。示例性的功率变换器还包括连接在变压器的至少一个次级线圈上的整流电路，和在该整流电路与输出端口之间连接的输出电感器。在多个连续时间段内，第一至第四开关中的各个开关在导通和不导通的交替状态之间切换多次，其中切换第一开关和第二开关使它们不会同时处于导通状态，切换第三开关和第四开关使它们不会同时处于导通状态，切换第二开关和第四开关使它们不会同时处于导通状态，切换第一开关和第三开关使它们不会同时处于导通状态。

本发明的第二个示例性实施方式涉及提供直流输出功率的全桥功率变换器。该示例性的功率变换器包括接收待转功率源的输入端口、提供直流输出功率的输出端口、桥电路和变压器。该桥电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管。各个晶体管都有第一传导端子、第二传导端子和调制端子。该调制端子可以接收控制信号，该控制信号具有第一状态和第二状态，其中第一状态使晶体管处于导通状态，此时电流能够从其第一传导端子传导至其第二传导端子，第二状态使晶体管处于不导通状态，此时电流不能从其第一传导端子传导至其第二传导端子。第一晶体管和第二晶体管中各自都有一个传导端子连接在第一节点上，另一个传导端子连接在输入端口的相应的端子上。第三晶体管和第四晶体管中各自都有一个传导端子连接在第二节点上，另一个传导端子连接在输入端口的相应的端子上。变压器包括连接在第一节点和第二节点上的初级线圈和至少一个次级线圈。示例性的功率变换器还包括连接在变压器的至少一个次级线圈上的整流电路，和连接在该整流电路和输出端口之间的输出电感器。在多个连续时间段内，第一晶体管至第四晶体管各自在导通和不导通的交替状态之间切换多次，其中切换第一晶体管和第二晶体管使它们不会同时处于导通状态，切换第三晶体管和第四晶体管使它们不会同时处于导通状态，切换第二晶体管和第四晶体管使它们不会同时处于导通状态，切换第一晶体管和第三晶体管使它们同时处于导通状态。