具有帶鑒流電感器的輔諧振電路的變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體上涉及使用諧振來限制切換所需要的功率的功率變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在功率變換器中，由于沒有組件具有理想特性所以會出現(xiàn)損耗。損耗將熱引入功率電路，其除了消耗能量外，還將熱應(yīng)變引入所有組件中，減少它們的壽命。
[0003]增加功率變換器的操作頻率是令人期望的，因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的輸出隨后可以被更加精確地控制。增加切換頻率導(dǎo)致更低的切換紋波和更小的組件值，其反過來導(dǎo)致發(fā)明的更加緊湊、輕便和成本效益好的實(shí)施。另外，較低的切換紋波允許潛在地降低EMI，其與無干擾切換的目的匹配。另外，具有高的切換頻率允許通過功率變換器產(chǎn)生更高的頻率電流，擴(kuò)大了適合變換器的應(yīng)用的范圍。
[0004]但是，增加頻率也增加了切換損耗，因?yàn)榇蟛糠值膿p耗以切換周期為基礎(chǔ)呈現(xiàn)。當(dāng)電流流經(jīng)晶體管或當(dāng)晶體管上存在電勢差時(shí)迫使晶體管變換(commutat1n)需要必須供給到晶體管的柵極的能量。這樣，減少通過晶體管的電流或通過其的電壓減少開關(guān)的總的功率輸入并且因此減少輸入系統(tǒng)的總功率。
[0005]減少通過特定開關(guān)的損耗的一種方式是在通過電容器的放電、通過電感元件產(chǎn)生電流的電路中增加諧振組件。應(yīng)用該技術(shù)的電路被稱為諧振變換器，并且使用諧振來促進(jìn)變換的方法被稱為軟切換。一般有兩種類型的軟切換:低電壓切換和低電流切換。低電壓切換包含在變換前最小化電壓差或電勢差，其中低電流切換包含在切換前最小化通過開關(guān)的電流。
[0006]US 5047913 (De Doncker等)提供了一種軟切換解決方案。De Doncker建議在諧振輔電路中使用受控制的開關(guān)來克服在功率變換器中的有源設(shè)備切換損耗的問題。在功率變換器中的損耗的減少使以更高切換頻率操作成為可能。De Doncker描述了由于組件電阻、設(shè)備傳導(dǎo)損耗和不充足的強(qiáng)制電勢造成的相對導(dǎo)軌電壓不足而使諧振輸出電壓可能下降。結(jié)果，在要打開的逆變器極的下一個(gè)切換設(shè)備可能在諧振電壓的峰值切換，并且因此由于在非零電壓打開而必須吸收一些切換損耗，包括從并聯(lián)電容器上去除的能量。
[0007]所有的開關(guān)負(fù)載都導(dǎo)致電磁干擾(EMI)，并且在高電壓應(yīng)用中(例如有源濾波器)的EMI特別大。規(guī)范要求電子產(chǎn)品釋放的EMI不超過特定值，并且因而產(chǎn)生較少的EMI是其自身的重要目標(biāo)。在變換器或逆變器直接連接電網(wǎng)的應(yīng)用中，EMI噪聲可能導(dǎo)致的問題通常通過應(yīng)用電磁兼容(EMC)濾波器來解決。EMC濾波器必須與變換器串聯(lián)設(shè)置，從而處理全電流容量。通過最小化EMI，可以從變換器設(shè)計(jì)中去除EMC濾波器，這減少了電路的規(guī)模和成本。
[0008]諧振變換器包括每相位的兩個(gè)主切換設(shè)備。切換設(shè)備具有其中并聯(lián)的二極管。諧振變換器還包括輔諧振變換電路，該電路包括與電感器和電容器串聯(lián)耦合的輔切換設(shè)備。當(dāng)二極管從非導(dǎo)通狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，或從導(dǎo)通狀態(tài)切換到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，由于在二極管內(nèi)存儲的電荷載流子會有固有的恢復(fù)時(shí)間，所以直到在該節(jié)點(diǎn)的電荷耗盡二極管才獲得其阻斷能力，因此，在該恢復(fù)時(shí)間內(nèi)，二極管可以在相反方向?qū)ā?br>[0009]反向恢復(fù)時(shí)間通常在10 -1OOOns的范圍內(nèi)，在該時(shí)間內(nèi)，反向恢復(fù)電流在相反方向流過二極管。
[0010]當(dāng)反向恢復(fù)電流與電路的電抗元件一起產(chǎn)生諧波時(shí)，反向恢復(fù)電流攜帶增加的EMI噪聲，當(dāng)以高頻切換大電流時(shí)這種效果可能非常顯著。為了減少系統(tǒng)內(nèi)的損耗量并且增加切換速度，具有諧振變換器將是有益的，在其中減少了二極管的反向恢復(fù)電流相關(guān)的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]提供了一種諧振功率變換器。該諧振功率變換器包括DC電源、正DC導(dǎo)體、負(fù)DC導(dǎo)體、相導(dǎo)體和耦合在所述DC電源和所述相導(dǎo)體之間的功率變換單元，所述功率變換單元包括:耦合在所述正DC導(dǎo)體和所述相導(dǎo)體之間的第一開關(guān)，并且第一二極管與所述第一開關(guān)并聯(lián)連接，耦合在所述負(fù)DC導(dǎo)體和所述相導(dǎo)體之間的第二開關(guān)，并且第二二極管與所述第二開關(guān)并聯(lián)連接。
[0012]所述諧振功率變換器還包括耦合在所述DC電源上的饋電連接部和所述相導(dǎo)體之間的諧振輔切換電路。所述諧振輔切換電路包括:與控制裝置串聯(lián)耦合的至少一個(gè)電感器，用于控制所述諧振輔切換電路，并且所述輔二極管與所述控制裝置串聯(lián)耦合，其特征在于，所述電感器是鑒流電感器，其適于:在正常操作中通過電流流經(jīng)該電感器變得飽和，以便減少電感器的感應(yīng)系數(shù)。
[0013]由于流經(jīng)輔二極管和鑒流電感器的反向恢復(fù)電流小于飽和電流，所以電感器工作在其線性區(qū)域，抑制電流的變化并且因而減少流過輔開關(guān)的反向恢復(fù)電流，然而在正常操作時(shí)，當(dāng)輔切換電流流過電感器并且在正向流過輔二極管時(shí)，其迅速地變得飽和，使得電感器作為純電阻組件。通過在聞?lì)l時(shí)弓I入聞感應(yīng)系數(shù)和迅速飽和，可以有效地抑制具有聞?lì)l的反向恢復(fù)電流的變化，而不在正常操作時(shí)引入額外的感應(yīng)系數(shù)。電路因而被實(shí)質(zhì)上保護(hù)而不對變換器的性能產(chǎn)生任何負(fù)面影響。
[0014]根據(jù)諧振功率變換器的一個(gè)實(shí)施方式，鑒流電感器的感應(yīng)系數(shù)適于在正常操作中飽和時(shí)被減少到小于50%。
[0015]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，鑒流電感器的感應(yīng)系數(shù)適于在正常操作中飽和時(shí)被減少到小于 20%。
[0016]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，鑒流電感器與第二電感器串聯(lián)，所述第二電感器適于當(dāng)?shù)谝昏b流電感器大體上飽和時(shí)在正常操作中具有大體上恒定的感應(yīng)系數(shù)。
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器適于:當(dāng)反向恢復(fù)電流流經(jīng)所述輔二極管和鑒流電感器時(shí)在其大體上的線性區(qū)域內(nèi)操作，以及當(dāng)在正常操作時(shí)大于反向恢復(fù)電流的電流在所述正向流動時(shí)以減少到小于在所述線性區(qū)域內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)的50%的感應(yīng)系數(shù)操作。
[0018]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，鑒流電感器是包括適于在一定量的電流流經(jīng)電感器后變得磁飽和的磁材料的電感器。所述磁材料可以是電感器的鐵芯。
[0019]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述非線性電感器適于通過大體上大于反向恢復(fù)電流且在正向流動的電流變得飽和，以便所述電感器作為具有小于第一感應(yīng)系數(shù)的20%的感應(yīng)系數(shù)的電感元件起作用。
[0020]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述非線性電感器是鑒流電感器，包括適于在一定量的電流流經(jīng)所述鑒流電感器后變得磁飽和的磁材料。實(shí)施所述鑒流電感器為包括適于變得磁飽和的磁材料的鑒流電感器是設(shè)計(jì)用于本發(fā)明目的的電路的便宜的、簡單的和穩(wěn)健的方式。磁材料是例如電感器的鐵芯。
[0021]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在0.5-50 μ H的范圍內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)的電感器；根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在0.5-20 μ H的范圍內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)的電感器；根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在1-10 μ H的范圍內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)的電感器；根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在3-7 μ H的范圍內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)的電感器；根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在4-6 μ H的范圍內(nèi)的感應(yīng)系數(shù)的電感器。
[0022]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在0.5-50Α的范圍內(nèi)的飽和電流的電感器；根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在1-20Α的范圍內(nèi)的飽和電流的電感器；根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在1-10Α的范圍內(nèi)的飽和電流的電感器；根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，所述鑒流電感器是具有在3-7Α的范圍內(nèi)的飽和電流的電感器，從而使得電路適合中電壓功率電子器件應(yīng)用。
[0023]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一和第二電感器是集成電感組件的一部分，所述集成電感組件包括第一電感器和第二電感器，第一電感器包括第一鐵芯和環(huán)繞所述第一鐵芯的至少一個(gè)導(dǎo)線繞組，而第二電感器包括第二鐵芯和環(huán)繞所述第二鐵芯的多個(gè)導(dǎo)線繞組。所述第一鐵芯的質(zhì)量小于所述第二鐵芯，以便所述第一鐵芯比所述第二鐵芯在電流流經(jīng)所述繞組時(shí)更快地磁飽和。所述集成電感組件是緊湊的和有目的的設(shè)計(jì)。
[0024]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一鐵芯的質(zhì)量小于第二鐵芯的質(zhì)量的10%。
[0025]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一和第二鐵芯是環(huán)或圓環(huán)形狀，并且所述第一鐵芯至少部分地定位在所述第二鐵芯的內(nèi)側(cè)。
[0026]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第二電感器的飽和電流超過第一電感器的飽和