[发明专利]一种降低MOSFET开关损耗的新型控制方法

说明书

技术领域

本发明总体上针对功率变换器领域。更具体地，本发明针对控制在功率变换器中使用的开关器件的开关以降低开关损耗。

背景技术

多年以来，数种功率变换器的拓扑结构被开发出来以图改进功率变换器的功率密度和开关效率。新的变换器拓扑结构的新兴焦点在于提供一种降低或消除变换器开关损耗的同时增加开关频率的手段。更低的损耗和更高的开关频率意味着更高效率的变换器，从而降低变换器元件的大小和重量。此外，引入高速复合半导体开关，例如通过脉宽调制(PWM)操作的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关，近来的正反激式拓扑结构现在可以以极大地增加的开关频率操作，例如高至1.0MHz。

然而，开关频率的增加可能导致开关和元件应力相关的损耗相应的增加，亦会导致增加的电磁干扰(EMI)、噪音、以及开关换流问题，这是由于半导体开关在高电压和/或高电流水平的快速开/关切换所造成的。此外，现代的电子元件被期在小空间内、高效地且带来极少不良副作用地执行多功能。例如，提供相对高功率密度和高开关频率的现代电压变换器亦应包括整齐的电路拓扑结构，提供输入或“源”电压与输出或“负载”电压的隔离，且亦提供可变的升压或降压电压变换。

图1示出了传统的反激式电压变换器。变换器10包括晶体管T1、控制器14、变压器12、电容器C1、以及二极管D1。至该电路的输入电压可以为来源于AC电源的整流和滤波后的未调整的DC电压。该晶体管T1为快速开关器件，例如MOSFET，其开关被快速动态控制器14控制以保持一个理想的输出电压Vout。使用二极管D1和电容器C1整流和滤波次级绕组电压。反激变换器的变压器12不同于典型的变压器而工作。有负载时，典型的变压器的初级和次级绕组同时导电。然而，在反激变换器中，变压器的初级和次级绕组并不同时载流。操作中，当晶体管T1导通时，变压器12的初级绕组被耦合到输入电源电压，使得输入电源电压出现在初级绕组两端，其结果是，变压器12中的磁通量增加，且初级绕组电流线性提升。然而，晶体管T1导通时，二极管D1被反向偏压且没有电流流过次级绕组。即使次级绕组在晶体管T1导通时并不传导电流，耦合至电容器C1、以电阻器Rload表示的负载仍因之前存储在电容器中电荷而接收到连续的电流。

当晶体管T1关断时，初级绕组电流路径被断开，并且初级绕组和次级绕组两端的电压极性被倒转，使得二极管D1被正向偏压。如此，初级绕组电流被中断，但次级绕组开始传导电流，因此从变压器的磁场转移能量至变换器的输出。此能量转移包括给电容器C1充电及传输能量至负载。如果晶体管T1的关断期间足够长，次级电流有足够的时间衰减至零，以及使存储在变压器12中的磁场能量完全地被消散。

反激拓扑结构长期以来都引人注目，因为其相比于其他在低功率应用中使用的拓扑结构而言相对简单。反激“变压器”具有提供能量存储和变换器隔离的双重目的，当与例如正向变换器相比时，理论上最小化磁性元件的数量。增加开关频率是降低整体电源大小和重量的一种有效的方法。使用反激的一个缺点是其使开关元件经受相对高的电压和电流应力。此外，主开关所见的高关断电压(由变压器漏电感和开关电容间的寄生振荡所导致)传统上需要使用电阻器、电容器、如缓冲电路的二极管分支电路。此寄生振荡造成极多谐波且以EMI污染了环境，导致开关元件的以额外热耗散形式的高开关损耗。

为了降低或消除开关损耗以及降低EMI噪音，使用“谐振”或“软”开关技术越来越多地在本领域中被采用。将谐振开关技术应用于传统功率变换器拓扑结构对高密度和高频率提供了诸多优点，以降低或消除开关应力且降低EMI。然而，需要提供对功率开关(例如图1中的晶体管T1)的控制以及与复合控制相关联的元件的复杂性，造成商业应用中的受限的使用。

谐振开关技术通常包括和半导体开关串联的电感器-电容器(LC)分支电路，当该半导体开关被导通时，在变换器内产生谐振的分支电路。进而，在开关周期期间对谐振开关的导通/关断控制周期进行定时，以符合在各个变换器元件两端的特定的电压和电流条件，允许在低或零电压和/或低或零电流条件下的开关。零电压开关(ZVS)和/或零电流开关(ZCS)固有地降低或消除了许多频率相关的开关损耗。

将这样的谐振开关技术应用于传统功率变换器拓扑结构对高密度、高频率变换器提供了诸多优点，例如准正弦的电流波形、降低或消除的变换器电子元件的开关应力、降低的频率相关损耗、和/或降低的EMI。然而，在控制零电压开关和/或零电流开关期间引致的能量损耗，以及在驱动和控制谐振器件期间引致的损耗仍然是有问题的。