[发明专利]改善的切换保护电流辅助谐振电路

说明书

一种谐振功率变换器，包括电气安全组件(29b)，其包括在DC导体和辅切换电路之间耦合的二极管(Dn2)和稳压二极管(Zn)的组合，所述二极管适于阻碍电流从所述辅切换电路流向所述负DC导体，并且所述稳压二极管适于当在所述负DC导体和所述相导体之间的电势差在阈值电压之上时允许电流从所述负DC导体流向所述辅切换电路。所述稳压二极管被选择以便所述稳压二极管的阈值电压低于所述晶体管的最大阻断电压。

技术领域

本发明整体上涉及使用谐振来限制切换所需要的功率的功率变换器。

背景技术

在功率变换器中，由于没有组件具有理想特性所以会出现损耗。损耗将热引入功率电路，其除了消耗能量外，还将热应变引入所有组件中，减少它们的寿命。

增加功率变换器的运行频率是令人期望的，因为这样产生的输出随后可以被更加精确地控制。增加切换频率导致更低的切换纹波和更小的组件值，其反过来导致发明的更加紧凑、轻便和成本效益好的实施。另外，较低的切换纹波允许潜在地降低EMI，其与无干扰切换的目的匹配。另外，具有高的切换频率允许通过功率变换器产生更高的频率电流，扩大了适合变换器的应用的范围。

但是，增加频率也增加了切换损耗，因为大部分的损耗以切换周期为基础呈现。当电流流经晶体管或当晶体管上存在电势差时迫使晶体管变换(commutation)需要必须供给到晶体管的栅极的能量。这样，减少通过晶体管的电流或通过其的电压减少切换的总的功率输入并且因此减少输入系统的总功率。

减少通过特定开关的损耗的一种方式是在通过电容器的放电、通过电感元件产生电流的电路中增加谐振组件。应用该技术的电路被称为谐振变换器，并且使用谐振来促进变换的方法被称为软切换。一般有两种类型的软切换：低电压切换和低电流切换。低电压切换包含在变换前最小化电压差或电势差，其中低电流切换包含在切换前最小化通过开关的电流。

产生更少的EMI噪声是其自身的重要目标。在变换器或逆变器直接连接到输电网的应用中，EMI噪声可能引起的问题通过应用EMC滤波器来正常地解决。EMC滤波器与变换器串联，从而处理全电流容量。通过最小化EMI，可以从变换器设计中消除EMC滤波器。

US 5047913(De Doncker等)提供了一种软切换解决方案。De Doncker建议在谐振辅电路中使用受控制的开关来克服在功率变换器中的有源设备切换损耗的问题。在功率变换器中的损耗的减少使以更高切换频率运行成为可能。De Doncker描述了由于组件电阻、设备传导损耗和不充足的强制电势造成的相对导轨电压不足而使谐振输出电压可能下降。结果，在要打开的逆变器极的下一个切换设备可能在谐振电压的峰值切换，并且因此由于在非零电压打开而必须吸收一些切换损耗，包括从并联电容器上去除的能量。

辅开关的引入减少了主开关在变换时面对的电阻，并且从而减少在开关中的损耗。但是，辅开关的晶体管元件还需要变换其上的电势差。栅氧化层的绝缘能力(其是将栅极与其下的源极和漏极分隔的薄绝缘层)提供栅极信号需要影响的变换电阻来强迫晶体管进行变换。在基于开关的功率变换器中，输出电流的准确性依赖于切换频率，其意味着高切换频率是有益的。由于具有高切换频率和小损耗的开关被期望，因而应当提供以小栅极信号进行变换的晶体管，因为栅极信号的能量以在晶体管中产生的热的形式变成损耗。为了实现这些属性，氧化层被制造得非常薄，其减少了栅极信号需要用来供应强迫晶体管进行变换所需要的能量的量。

晶体管具有最大阻断电压，即在断开状态下晶体管会可靠地承受而不会击穿的电压。最大阻断电压依赖于栅极氧化层。当超过最大阻断电压时，存在栅极氧化层故障且因此失去其绝缘能力的风险。该故障被称为氧化层击穿。当氧化层被制造得更薄时氧化层击穿的风险增加。氧化层击穿的一种形式是由在氧化层两侧应用的高电压引起的氧化层破裂。高电压促使氧化层中最薄的点呈现电介质击穿并且因而允许电流流过。流过的电流促使氧化层升温，其进一步使电流能够流经氧化层，从而产生连锁反应最终导致半导体材料的熔穿并且因此产生晶体管内的短路。因而提供用于减少晶体管两侧的电势差超过晶体管的最大阻断电压的风险的功率变换器的电路是有益的。