开关方法与装置 |
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| 申请号 | CN201080062089.4 | 申请日 | 2010-12-20 | 公开(公告)号 | CN102714458A | 公开(公告)日 | 2012-10-03 |
| 申请人 | 美国能量变换公司; | 发明人 | 纳拉亚纳·普拉卡什·萨利格拉姆; 斯瑞亚库玛尔·斯瑞坎坦·奈尔; P·塔利; | ||||
| 摘要 | 一种用于将硬 开关 转换为 软开关 的开关 电路 和方法。在一个 实施例 中，该电路包括具有第一 节点 和第二节点的第一开关（510），以及与所述第一和第二节点之间的所述第一开关（510）并联耦合的开关控制电路。开关控制电路包括包含 串联 耦合在一起的电容器（560）和电感器（550）的串联 谐振电路 、与该串联谐振电路并联耦合的第二开关、串联耦合在第一节点和该串联谐振电路之间的第三开关（530）、以及耦合在该串联谐振电路和第二节点之间的第一 二极管 （570），第一二极管的负 端子 耦合到第二节点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种开关电路，包括： |
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| 说明书全文 | 开关方法与装置发明领域 [0002] 相关技术讨论 [0003] 当开关产生或中断电压源到负载的电路连接时，有在转换期间发生在开关中的功率损耗。图1示出了通过开关120和二极管130连接到负载110的电压源100的基本电路图。在本领域中的技术人员将认识到，虽然二极管130被示为与开关120分离，二极管130可以与开关120结合并且作为开关120的一部分。当开关120断开或者关断（从闭合/接通位置）时，在从接通到关断的转换时期期间，开关中的电流下降，并且开关两端的电压上升，如图2A中所示出的。图2A示出了开关中的电流（迹线210）和电压（迹线220）（在纵轴上，单位分别为安培和伏特）与时间（在横轴上，单位为微秒）的关系曲线。在接通-关断转换期间，有在开关中存在电流和电压的被称为重叠时期的时期，如在图2A中可以看到的。在该重叠时期期间，开关120中的功率损耗可以被观测到，如在图2B中所示出的。在示出的实施例中，对于在大约100伏特（V）和10安培（A）处操作的电压源，如在图2A中所示出的，开关120中的功率损耗大约是250（W），如图2B中所示出的。在图2D中示出的重叠时期期间，类似的损耗在开关120的接通期间被经历，如图2C中所示出的。 [0004] 该问题在如在图3中所示出的开关120通过电流源140将电压源100连接到负载110的情况下可能更加明显。这是在许多功率电子设备应用中的情况。图4A示出了图3的电路的开关电流（迹线410）和电压（迹线420）与时间的关系曲线。在关断转换期间，开关 120中的电流410下降，并且开关120两端的电压420上升，如图4A中所示出的。当开关中存在电流和电压时，如图4B所示出的，在重叠时期期间，功率损耗在开关120中被经历。如从图2B和4B的比较中可以看出的，图3的电路的功率损耗较大（大约1千瓦（kW）相比于 250W）。在接通期间，开关两端的电压420降低且电流410上升，如图4C中所示出的，并且类似的功率损耗在转换期间被经历，如图4D中所示出的。 [0005] 发明概述 [0006] 方面和实施方式目的在于可以明显减少与常规开关相关的损耗并且可以被应用于各种开关拓扑的开关方法和装置。 [0007] 根据一个实施方式，开关电路包括具有第一节点和第二节点的第一开关、以及与第一和第二节点之间的第一开关并联耦合的开关控制电路。开关控制电路包括：包含串联耦合在一起的电容器和电感器的串联谐振电路、与该串联谐振电路并联耦合的第二开关、串联耦合在第一节点和该串联谐振电路之间的第三开关、以及耦合在该串联谐振电路和第二节点之间的第一二极管，第一二极管的负端子耦合到第二节点。 [0008] 在一个实施例中，开关电路还包括耦合在第二开关和该串联谐振电路与第一二极管的接合点之间的第二二极管。在另一个实施例中，开关电路还包括耦合到第一、第二和第三开关中的每个并且被配置为提供控制信号以接通和关断第一、第二和第三开关的控制器。在一个实施例中，在第一开关的接通或者关断之前，控制器被配置为控制第三开关来反转电容器两端的电压的极性。控制器还可以被配置为在电容器两端的电压的极性被反转后接通第二开关以使电容器放电。控制器还可以被配置为大约在电容器两端的电压的过零点处接通或者关断第一开关。 [0009] 另一个实施方式旨在操作控制电路以启动开关的方法，控制电路包括：包含电容器和电感器的串联谐振电路、耦合在开关的第一节点和该串联谐振电路的输入端之间的第一辅助开关、耦合在该串联谐振电路的输出端和开关的第二节点之间的二极管、以及与该串联谐振电路并联耦合的第二辅助开关。该方法包括接通第二辅助开关、在电容器两端的电压的极性被反转后关断第二辅助开关、接通第一辅助开关以使电容器放电、以及大约在电容器两端的电压的过零点处启动开关。 [0010] 在一个实施例中，该方法还包括在接通开关后关断第一辅助开关。在一个实施例中，其中在接通第二辅助开关和关断第二辅助开关之间的时间周期至少为 其中L是该串联谐振电路的电感器的电感值，而C是该串联谐振电路的电容器的电容值。 [0011] 根据另一个实施方式，操作开关的方法包括响应于接通开关的指令而将开关两端的电压减小到大约零、当开关两端的电压大约为零时闭合开关、响应于关断开关的指令而将穿过开关的电流减小到大约零、以及当电流大约为零时断开开关。在该方法的一个实施例中，减小开关两端的电压包括在与开关并联耦合的谐振电路中生成谐振电流。在另一个实施例中，减小穿过开关的电流包括在与开关并联耦合的谐振电路中生成谐振电流。 [0012] 下面详细讨论这些示范性的方面和实施方式的又一些其他方面、实施方式和优势。此外，要理解的是，前述信息和以下的详细描述都仅仅是各种方面和实施方式的例证性示例，并且旨在提供用于理解所主张的方面和实施方式的性质和特征的概述或者构架。任何在此公开的实施方式可以以符合在此公开的目的、目标和需要中的至少一个的任何方式与任何其它实施方式组合，以及对“实施方式”、“一些实施方式”、“可选的实施方式”、“多种实施方式”、“一个实施方式”或者类似表述的提及不一定是互相排他的，并且旨在指示结合实施方式描述的特定的特征、结构或者特性可包括在至少一个实施方式中。这样的术语在本文的出现并不一定都指同一实施方式。 [0014] 下面参考附图来讨论至少一个实施方式的不同方面，附图并不没有被规定为按比例绘制。附图被包括以提供对不同方面和实施方式的说明和进一步的理解，并且被合并在本说明书中且构成本说明书的一部分，但是并不预期作为本发明的限制的定义。在附图、详细描述或者任何权利要求中的技术特征跟随有参考符号的场合，这些参考符号为了增加对附图、详细描述、和/或权利要求的可理解性的唯一目的而被包括。相应地，有或没有这些参考符号都不预期对任何权利要求元素的范围有任何限制性影响。在附图中，在不同的图中示出的每一个相同的或者几乎相同的部件都由相似的数字表示。出于清楚的目的，不是每个部件可能都在每个附图中被标记。在附图中： [0015] 图1是常规的开关拓扑的图示； [0016] 图2A是在开关的关断转换期间图1的电路的开关电流和开关电压（分别在纵轴上，单位为安培和伏特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0017] 图2B是对应于图2A的曲线的开关中的功率损耗（在纵轴上，单位为瓦特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0018] 图2C是在开关的接通转换期间图1的电路的开关中的功率损耗（在纵轴上，单位为瓦特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0019] 图2D是对于图2C中示出的接通转换的开关电流和开关电压（分别在纵轴上，单位为安培和伏特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的对应关系曲线； [0020] 图3是另一个常规的开关拓扑的图示； [0021] 图4A是在开关的关断转换期间图3的电路的开关电流和开关电压（分别在纵轴上，单位为安培和伏特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0022] 图4B是对应于图4A的曲线的开关中的功率损耗（在纵轴上，单位为瓦特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0023] 图4C是在开关的接通转换期间图3的电路的开关电流和开关电压（分别在纵轴上，单位为安培和伏特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0024] 图4D是对应于图4C的曲线的开关中的功率损耗（在纵轴上，单位为瓦特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0025] 图5是根据本发明的方面的包括软开关拓扑的系统的一个实施例的原理图； [0026] 图6是根据本发明的方面的软开关技术的一个实施例的时序图； [0027] 图7是根据本发明的方面的用于接通转换的软开关方法的一个实施例的流程图； [0028] 图8A是根据本发明的方面示出在软开关过程期间处在第一状态中的图5的开关拓扑的电路原理图； [0029] 图8B是根据本发明的方面示出在软开关过程期间处在第二状态中的图5的开关拓扑的电路原理图； [0030] 图8C是根据本发明的方面示出在软开关过程期间处在第三状态中的图5的开关拓扑的电路原理图； [0031] 图8D是根据本发明的方面示出在软开关过程期间处在第四状态中的图5的开关拓扑的电路原理图； [0032] 图8E是根据本发明的方面示出在软开关过程期间处在第五状态中的图5的开关拓扑的电路原理图； [0033] 图8F是示出在开关的接通转换完成时和之后以及在开关的关断转换之前处在稳定状态中的图5的电路的电路原理图； [0034] 图9A是根据本发明的方面示出在开关S1的接通转换期间图5的电路的开关中的功率损耗的实施例的时序图； [0035] 图9B是根据本发明的方面示出在开关S1的接通转换期间图5的电路中的开关S1和S2以及二极管D3两端的电压的实施例的时序图； [0036] 图9C是根据本发明的方面示出对于图5的电路和图7的方法的电容器电压与时间的关系曲线的实施例的时序图； [0037] 图9D是根据本发明的方面示出在开关S1的接通转换期间图5的电路中的电流的实施例的时序图； [0038] 图10是根据本发明的方面示出例如在图5中所示的电路中的示例性测量信号的测量设备的截图； [0039] 图11A是在开关S1的接通转换期间图5的电路的开关S1中的电流和开关电压（分别在纵轴上，单位为安培和伏特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0040] 图11B是对应于图11A的曲线的开关S1中的功率损耗（在纵轴上，单位为瓦特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0041] 图12是根据本发明的方面用于关断转换的软开关方法的一个实施例的流程图； [0042] 图13A是根据本发明的方面示出在用于关断转换的软开关过程期间处于第一状态的图5的开关电路的电路原理图； [0043] 图13B是根据本发明的方面示出在对关断转换的软开关过程期间处于第二状态的图5的开关电路的电路原理图； [0044] 图13C是根据本发明的方面示出在对关断转换的软开关过程期间处于第三状态的图5的开关电路的电路原理图； [0045] 图13D是根据本发明的方面示出在对关断转换的软开关过程期间处于第四状态的图5的开关电路的电路原理图； [0046] 图14A是根据本发明的方面示出对于图5的电路和图12的方法的电容器电压与时间的关系曲线的实施例的时序图； [0047] 图14B是根据本发明的方面示出在开关S1的关断转换期间图5的电路中的电流的实施例的时序图； [0048] 图14B是根据本发明的方面示出在开关S1的关断转换期间图5的电路的开关中的功率损耗的实施例的时序图； [0049] 图15A是在开关S1的关断转换期间图5的电路的开关S1中的电流和开关电压（分别在纵轴上，单位为安培和伏特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线的图表； [0050] 图15B是对应于图15A的图表的开关S1中的功率损耗（在纵轴上，单位为瓦特）与时间（沿着横轴，单位为微秒）的关系曲线； [0051] 图16是根据本发明的方面示出例如在图5中示出的电路中的示例性测量信号的测量设备的截图； [0052] 图17是根据本发明的方面示出例如在图5中示出的电路中的示例性测量信号的测量设备的截图；以及 [0053] 图18是根据本发明的方面示出例如在图5中示出的电路中的示例性测量信号的测量设备的截图。 [0054] 详细描述 [0055] 方面和实施方式目的在于可以显著地减少在开关的接通和关断转换期间经历的开关损耗的开关方法和装置。图1和3中所示出的开关拓扑被称为“硬”开关，因为如以上所讨论的，在接通/关断转换期间在开关中有明显的重叠电流和电压。方面和实施方式目的在于可以用于将任何硬开关拓扑转换为“软”开关的装置，在“软”开关中有很少的或者没有重叠电流和电压，并且该装置经历极大地减少的开关损耗。在此讨论的技术的实施方式是普遍的，并且可以被应用于各种开关拓扑。减小的开关损耗可以提供很多好处，包括提高开关效率和减小或者消除对开关上的散热器的需求。这些好处在尺寸、重量和效率可能是关键的设计参数的功率转换器应用和航空航天应用中可能特别有利。 [0056] 应认识到，在此讨论的方法和装置的实施方式在应用中并不局限于在以下描述中阐述的或者在附图中示出的部件的结构和布置的部件的细节。方法和装置能够在其它实施方式中实现，并且能够以多种方式被实践或实现。特定实现的实施例仅仅出于例证的目的而被提供，并且没有被规定为是限制性的。特别是，结合任一个或者多个实施方式讨论的行动、元件和特征并没有被规定为从任何其它实施方式中的类似的角色中被排除。 [0057] 此外，在这里使用的用语和术语是出于描述的目的，并且不应当被视作是限制性的。本文中以单数方式对系统和方法的实施方式、或者元件、或者行动的任何提及也可包含包括多个这些元件的实施方式，并且以复数形式对本文中的任何实施方式、或者元件、或者行动的任何提及也可包含仅包括单个元件的实施方式。以单数或者复数形式的提及并不用来限制目前公开的系统或者方法、其部件、行动、或者元件。在此，“包括（including）”、“包括（comprising）”、“具有”、“包含”、“涉及”以及其变体的使用意指包括其后列出的项目及其等价物和额外的项目。对“或者”的提及可以被解释为包括界限的，使得使用“或者”描述的任何术语可以指示所述术语的单个、多于一个以及全部这三种情况中的任一种。 [0058] 参考图5，示出了根据一个实施方式的合并软开关拓扑的系统的实施例。如以下进一步讨论的，该拓扑在此也被称为“零电压开关”（ZVS）。电路500包括经由开关510和二极管520耦合到负载110的电压源或者电源100，负载110包括二极管501、电感器503、电容器505和电阻器507。开关510和二极管520的组合也被称为S1，是实现了软开关（和低损耗开关）的主要开关。本领域中的技术人员将认识到，虽然二极管520和开关510被示为分开的部件，二极管520可以和开关510结合，并且因此开关510和二极管520的组合在此被称为S1。电路500还包括两个辅助开关（S2）和540（S3）以及包括电感器550和电容器560的谐振电路的布置，其被用于在开关S1的接通和关断期间提供软开关，如以下进一步讨论的。在一个实施方式中，二极管570（D2）和580（D3）是超快二极管，其具有非常小的反向恢复电荷，即，与电容器560中的最小预期的储存的电荷相比小的电荷。二极管570充当隔离器，防止电容器560通过开关530（S2）反向充电。类似地，二极管580充当隔离器，防止电容器560通过开关540（S3）反向充电。谐振元件、电感器550和电容器560帮助实现在转换期间在主开关S1两端的实质上零的电压，并且还帮助实现辅助开关S2和S3的软开关，如以下进一步讨论的。控制器590在线路592、594和596上分别向开关S1、S2和S3提供控制信号以接通和关断开关。 [0059] 图5的零电压开关的实施方式的操作的实施例将在下面继续参考图6和图7来被讨论。图6示出了根据一个实施方式的软开关方法的一个实施例的时序图，而图7是根据一个实施方式的接通转换的软开关方法的一个实施例的流程图。 [0060] 对于S1的接通转换，开关510从图5中所示的关断（或者断开）状态被翻转到接通（或者闭合）状态。相应地，对于S1的接通转换，电路500的初始状态如图5所示，开关S1、S2和S3都处于断开（关断）位置。在图6中，时间t1是开关S1被接通的期望时间。在一个实施例中，开关电路是功率转换器的部分，例如降压转换器，其中S1不断地被接通和关断，并且由此，电容器560不断地充电和放电。因此，根据一个实施方式，为了实现开关S1中的软开关，电容器560两端的电压极性被反转。相应地，在时间t=t1时，在步骤710中，控制器590在线路596上发送控制信号以闭合开关540（S3），并且电路500进入图8A中示出的“状态1”。开关540中的接通损耗可能是低的，因为这时由于开关510、530和540在初始状态中都是断开的，开关540中的初始电流基本为零。然而，可能有在开关540的接通转换期间产生的动态阻抗，其导致开关540中的小的损耗。 [0061] 图9A-9D是示出在开关S 1的接通转换期间电路500的不同部件中的波形的实施例的时序图。图9A示出了开关S1、S2和S3中的功率损耗（单位为瓦特）与时间的关系曲线。在图9A中，迹线905是开关540（S3）中的功率损耗，示出了以上讨论的损耗。图9B示出了开关S1和S2和S3的控制电压与时间的关系曲线。在图9B中，迹线910是开关S3的控制电压，其中正极性指示对应的开关被给予接通命令，而负极性指示该开关被给予关断命令。在正极端和负极端之间的任何值指示有阻抗的动态变化发生在对应的开关中。将认识到，在图9A-9D的纵轴上绘制的单位的符号（正或者负）指示了极性而不是绝对值。 [0062] 开关540保持闭合一段时间T3（从时间t=t1到时间t=t2），如图6中所示，允许电容器560充电到相反极性。这在图9C中被示出，图9C示出电容器电压（迹线915）与时间的关系曲线。在一个实施例中，开关530闭合的持续时间T3根据以下等式分别基于电容器560和电感器550的电容值和电感值来计算出： [0063] [0064] 在等式（1）中，L是电感器550的电感值，而C是电容器560的电容值。在持续时间T3期间，还可能有取决于开关540的阻抗和二极管580两端的电压降的状态的导电损耗。然而，这些损耗（由于动态阻抗情况而产生的导电损耗和开关540中的损耗）与在常规的硬开关接通转换期间在开关510中发生的总损耗相比是可以忽略的。 [0065] 到时间周期T3末时，电容器560两端的电压变得完全被反转，如在图9C中的时间t2所示出的，并且电路500进入图8B中所示出“状态2”。在图9C中从t1到t2的时间期间，电容器电压反转。图9D中的迹线920指示穿过二极管580的电流，其与穿过开关540的电流基本相同。图9D中的迹线930指示穿过二极管570的电流，其与穿过所述开关530的电流基本相同。图9D中的迹线U20指示穿过开关510的电流。在一个实施例中，由于当电容器560的极性反转时与电容器560和电感器550一起形成的谐振回路中的电流实际上为零，如果开关540保持闭合，如图8B中所示出的，电感器550两端的电压可以与二极管580的结电容、不同的杂散电感和主要的谐振电感器550谐振；然而这是无害的振荡。如果在该情况中开关540被断开，开关540的输出电容可能发生谐振。这可能发生在时间t=t2，当开关540被断开时。根据振荡的频率，振荡可以通过米勒电容影响门信号。在图10中示出了这个效应的实施例，图10示出了归因于寄生部件的通过米勒电容在开关540的门处反映的振荡1010。在图10中，迹线1020是在开关540的门处的信号，迹线1030是电容器560两端的电压，而迹线1040是在开关510的门处的信号。相应地，为了避免反映的振荡1010，最小化在由电感器550、电容器560、开关540和二极管580组成的电路通道中的寄生效应可能是重要的。 [0066] 根据一个实施方式，寄生效应的最小化可以通过将系统中涉及的各种基尔霍夫电压回路带到s域来被定性地分析。例如，被考虑来用于在考虑下的谐振情况中的分析的回路是包括谐振电感器550、谐振电容器560、二极管580和开关540的回路。谐振可以被解释为在回路的阻抗传递函数中主要由谐振电感器550（加上不同的迹线电感，取决于幅值）和二极管580的结电容组成的复共轭极的效应。谐振的瞬时源通过谐振电感器550两端的电压的突然暴跌来被发动。这是由归因于整流二极管580的穿过电感器550的电流的变化的时间率的不可用性所引起的。当开关540被断开时，由二极管580的结电容和谐振电感器550设置的谐振振荡继续根据合成的复共轭极以不同的频率和振幅谐振，该极主要由谐振电感器550、二极管580的结电容和开关540的输出电容组成。改变这些极点的位置以远离s平面的左半部中的虚轴移动它们、将它们带到较接近实轴、或者在实轴上移动它们的任何参数调整将最小化或者消除寄生效应。 [0067] 在一个示例性实现中，二极管580两端的高值电阻器通过减小振荡来帮助将复共轭对带到较接近实轴那里。电阻器中的实际功率损耗是可以忽略的。在一个实施例中，对于大约20pF的结电容和16uH的谐振电感器，电阻器的值在大约10kiloOhm的数量级上。在另一个实施例中，可以为开关540选择有较高的接通状态电阻的开关；然而这意味着移动复共轭对的位置的风险，复共轭对是由s平面中的谐振电感器550和谐振电容器560在正常操作期间产生的。相应地，在至少一些实现中，使用第一实施例可能是优选的。 [0068] 另外，在一个实施方式中，在电路的设计期间，可能有必要考虑可以在图6中所描述的瞬时时间实例t1到t10中的每个内由谐振电感器两端的脉冲电压影响的所有回路。在一个实施方式中，分析的目的是由于寄生效应将阻抗传递函数中的复共轭极完全推到s平面的左半部中、或者接近实轴或者在实轴上，使得寄生谐振的质量很差，而不损害由谐振电容器560和谐振电感器550产生的谐振的质量。在一个实施例中，质量被定义为储存在储能元件中的峰值能量与消散的能量的比率，而阻抗作为对脉冲的响应来振荡。 [0069] 参考图6和7，在时间t=t2，开关540响应于来自控制器590的信号而再次断开（步骤720），且电路500进入图8C中示出的状态（“状态3”）。如图8C中所示出的，在该状态下，电容器560的极性被反转。在一个实施例中，状态3是电路500的“停滞时间”，其出现在图6中的时间t=t2和时间t=t3之间，以及在开关S3的关断（在t=t2）和开关S2的接通（在t=t3）之间。状态3的这个停滞时间具有持续时间T4，并用于阻止开关S2和S3的接通的明显重叠，这可以通过采取闭合的开关530、闭合的开关540、二极管580和二极管570的路径潜在地产生硬开关情况，并由此避免开关损耗。 [0070] 在时间t=t3，开关530（S2）由控制器590在步骤730闭合（开启），以开始将电流推入二极管570（D2）中，并且电路进入图8D中所示出的“状态4”。当开关530被接通时，路径形成有电压源100、闭合的开关530（S2）、电感器550、电容器560、负载电感器503、负载电容器505和负载电阻器507。电容器电压（迹线915）开始降低到零，如图9C中所示出的，并且电感器550中的电流（迹线920）开始上升，如图9D中所示出的。在一个实施例中，在时间t=t3，开关530两端的电压基本为零。另外，电感器550阻止穿过开关530的电流的快速上升。参考图9D，迹线930表示穿过开关530的电流，其从时间t3到时间t5可以被看到本质上匹配穿过电感器550的电流（迹线920）。由此开关530在其接通转换期间以相对低的损耗进行软开关。在图9A中，迹线935表示开关530（S2）中的损耗。由于由负载电感器503、负载电容器505和负载电阻器507组成的负载具有电流源特性，二极管520将不正向偏压，直到谐振电流超过负载电流为止（即，在接通过程完成后S1将承载的电流）。 [0071] 如以上所讨论的，在状态4中，电容器560两端的电压如图9C中所示出的减小。相应地，在处于状态4中的电路500消逝一定时间后，将发生电容器560两端的电压的过零，使得开关510可以被闭合（在时间t=t4）。允许谐振电容器电压在接通开关510之前下降到零可以确保当开关闭合时开关两端的电压接近零，从而实现软开关。参考图6，在开关S2的接通（在t=t3）和开关S1的接通（在t=t4）之间的持续时间是T5。在一个实施例中，T5是1/4*Tr，其中Tr是由电容器560和电感器550组成的振荡回路的谐振时间周期。 [0072] 在时间t=t4，控制器590在线路592上发送控制信号以闭合主开关510（步骤740），并且电路500进入图8E中所示出的“状态5”。参考图9C和9D，在时间t=t4，电容器电压（迹线915）大约为零，并且谐振电流（迹线930）达到峰值。由此，由于使二极管520正向偏压，谐振电流超过负载电流，如以上所讨论的，并且谐振电流在时间t=t4时在峰值处，开关510两端的电压大约为零，并且开关S1可以在t4以很小的损耗或者无损耗地接通。由此，当开关510在时间t=t4被闭合并且穿过开关的电流开始上升时，开关两端有很小的电压或者没有电压。这在图11A中示出，图11A示出了ZVS（零电压开关）开关拓扑的实施例例如电路500在接通转换期间的开关电压（迹线1110）和开关电流（迹线1120）与时间的关系曲线。作为结果，在开关中在电流-电压重叠时期期间开关S1中的功率损耗明显地较低。 例如，图11B示出了相应于图11A中所示出的电压和电流曲线的开关S1中的功率损耗（迹线940）与时间的关系曲线。该功率损耗也在图9A中示出（迹线940）。如在图11B中可以看出的，与使用图1和3的硬开关拓扑经历的250W或者1kW损耗相比，在重叠时期期间的功率损耗大约仅为3.5W。由此，使用电路500的实施方式，低损耗的软开关可以在开关510（S1）中被实现。 [0073] 在一个实施例中，开关S1需要为了有效的软开关而被接通或者关断的最小时间是由电容器560和电感器550形成的电路的谐振时间周期的函数。由此，在一个实施例中，开关S1应该被保持接通和关断的最小时间由下式给出： [0074] [0075] 在开关S3和开关S2的操作之间的最小的时间片断由下式给出： [0076] [0077] 使用ZVS开关可以导致相对于硬开关拓扑在开关过程中被给出为 的最小的延迟。例如，参考图11A，可以看出，接通开关过程花费大约1.3微秒（μs）来完成（从时间轴上的大约953.15μs到954.45μs）。该延迟也在图6中被示为在开关S1将被接通的点t1和开关S1实际上被接通时的t4之间的差异。另外，最大可用频率被限制到然而，该延迟和操作频率限制可能是对补偿可使用ZVS开关来实现的极大地减少的开关损耗的相对小的代价。 [0078] 根据一个实施方式，一旦开关被接通，开关S1的接通过程就通过关断开关S2（步骤750）来完成。当由电感器550和电容器560形成的谐振回路中的电流降低到零时，保持开关530不闭合太长的持续时间可能是重要的，因为它可能导致寄生部件振荡，电感器550提供振荡源电压。振荡中涉及的能量可以是非常低的，但是如果振荡频率匹配电路500中存在的部件引线的特征阻抗，它可以导致辐射发射，这将是不合需要的。相应地，如图6中所示出的，开关530（S2）可以保持闭合一段持续时间T2，允许使开关510（S1）被接通并且随后在时间t=t5被关断的足够时间。在时间t=t5，电路500进入图8F中所示出的稳定状态，并且开关S1的接通过程完成。开关S1可以在时间周期T1内保持接通，如图6中所示出的。 [0079] 根据一个实施方式，类似的过程可以被用于实现对使用相同（或者类似）的电路500的开关S 1的关断转换的软开关。图12示出了对开关S1的关断转换的软开关方法的一个实施例。另外，图14A-14C是示出在开关S1的关断转换期间电路500的不同部件中的波形的实施例的时序图。下面继续参考图6、图12、图13A-13D以及图14A-14C来讨论用于关断转换的软开关方法的实施例。 [0080] 对于关断转换，电路500最初在图8F中所示出的状态中，其中开关S1闭合以及开关S2和S3、530和540分别断开。参考图6，时间t=t6是开关S1被关断的期望时间。相应地，在t6，开关540（S3）由控制器590接通（步骤1210），以反转电容器560的极性，如以上所讨论的。电路500进入图13A中所示出的状态。在从t6到t7的时间期间，电容器560两端的电压反转极性，如图14A中所示出的，其中迹线1410是电容器电压。开关540在持续时间T3内保持接通，以允许电容器电压反转极性。参考图14B，其中迹线1420是电感器电流，当电容器560中的电压改变极性时，电感器550中的电流增大，在电容器电压的过零时间到达峰值，并且当电容器电压在相反极性中达到峰值时再次减小到大约为零。一旦电容器560在时间t7完全反转极性，开关540就可以再次被断开（关断）（步骤1220），并且电路500进入图13B中所示出的状态。如以上所讨论的，在电路处在图13B中所示出的状态期间，在当开关540（S3）被关断时的时间t=t7和当开关530（S2）被切换时的时间t=t8之间有“停滞时间”，以减少开关S2和S3中的开关损耗。图14C是示出在开关S1的关断转换期间开关中的功率损耗的实施例的时序图，其中迹线1430表示开关S3中的功率损耗，迹线1440表示开关S2中的功率损耗，而迹线1450表示开关S1中的功率损耗。如图14C中所示出的，在每个开关S3和S2中，在它们分别在时间t6和t8的转换期间，有少于5瓦特的小的损耗。 [0081] 在时间t=t8，响应于来自控制器590的信号，开关530（S2）被闭合（接通），以迫使电流穿过开关530（步骤1230）。作为结果，穿过开关S1的净电流减小到在穿过电感器550和电容器560的谐振电流与穿过开关S1的稳定状态电流之间的差异。这在图14B中被示出，其中迹线1460表示穿过开关S1的电流。在从时间t8到时间t9的相同的时间周期期间，穿过开关S2的电流（迹线1470）实质上匹配电感器550中的谐振电流（迹线1420），并且在时间t9增大到峰值。如图14A中所示出的，在相同的时间周期期间，电容器电压在时间t9减小到实质上为零。在一个实施例中，当电路500处在图13C中所示出的状态中时，它处于由电感器550和电容器560通过闭合的开关S1 510、S2 530和二极管570形成的谐振回路的谐振模式中。 [0082] 在时间t=t9，开关S1被关断（步骤1240），并且电路500进入图13D中所示出的状态。如以上所讨论的以及图6中所示出的，从时间t=t8到时间t=t9的时间周期具有持续时间T5，如以上所讨论的，持续时间T5在一个实施例中大致由下式给出： [0083] [0084] 在时间t=t9，电容器560两端的电压大约为零（如图14A中所示出的），并且穿过电感器550的谐振电流接近其峰值电平，如图14B中所示出的。如以上所讨论的，在时间t8闭合开关530使开关S1中的电流随着谐振电流的增大而减少（如图14B中所示出的）。作为结果，因为峰值谐振电流大于在时间t9时在开关S1中的电流，二极管520被正向偏置，并且开关510两端的电压变得接近于零，启用开关S1的软开关。参考图15A，在开关S1的关断期间，开关中的电流1510在开关两端的电压1520开始上升之前降低到接近于零。作为结果，在开关转换期间的功率损耗很小，在图15B中所示出的实施例中大约为2.5W。这个小的功率损耗也在图14C中示出（迹线1450）。 [0085] 根据一个实施方式，电路500保持在图13D中所示出的开关530闭合的状态中一段持续时间为T2的时间周期。在开关S1被关断后，谐振电流流入负载110。在一个实施例中，时间周期T2可以被考虑为两个时间周期T6和T7的和，如图6中所示出的。如以上所讨论的，T7是等于1/2*Tr的时间周期，其中Tr是由电感器550和电容器560形成的谐振电路的谐振时间周期。开关S1在时间周期T7期间被关断。在一个实施例中，开关S1大约在时间周期T7的半中间被关断，并且因此，T5大约为1/4*Tr。根据一个实施例，为了在电路500处于图13C中所示出的谐振模式后对电容器560再充电，电路500保持在图13D中所示出的状态一段相对延长的时期。在一个实施例中，时间周期T6是将电容器560再充电到开关S1的关断状态电压的最小的时间。在T7之后的额外的时间周期T6内将电路500保持在图13D中所示出的状态允许电容器560的电荷补充，电容器560可能在辅助开关S2和S3以及二极管570和580中的不同损耗中失去电荷。 [0086] 参考图14A和14B，在开关530（S2）和电感器550中的电流（迹线1420和1470）减小到大约为零并且电容器560两端的电压（迹线1410）在时间t=t10接近（或者达到）其峰值之后，开关530可以被关断（步骤1250），如图6中所示出的。当穿过开关530的电流在关断转换的时间接近于零时，开关530经历软的并且接近于无损耗的开关。在一个实施例中，在电流源开关的情况下，可以对减小的电流应力使用换向开关540。一旦开关530被关断（断开），开关S1的关断转换就完成，并且电路500再次处于图5中所示出的状态。 [0087] 根据一个实施方式，可以基于对电路期望的最小接通时间/关断时间以及还有主开关S1将中断或者产生的峰值电流来被选择电容器的值（C）和电感器的值（L）。一旦开关S1被给予关断命令，知道主开关S1将花费多少时间来关断（以及该转换时间的容差）可能也是重要的。如以上所讨论的，实现软开关技术花费一定量的时间，减慢了开关转换。在一个实施例中，对软开关可用的时间带（转换时间）由下式给出： [0088] [0089] 在等式（2）中，Io是由开关S1中断的最大负载电流，而V是在开关S1被接通后出现在电容器560两端的最小电压。在一个实施例中，开关S1在下面的时间周期后被接通或者关断： [0090] [0091] 相应地，接通/关断开关S1的可用时间是Tband/2。因此： [0092] [0093] 在等式（3）中，Ton是主开关S1的总接通时间，而Toff是主开关S1的总关断时间。 [0094] 假定电路500中允许的/期望的峰值电流是Ip，则根据以下等式，C和L的值被约束： [0095] [0096] 在等式（4）中，Vcmax是在电路500的操作的任何瞬间的最大电容器电压。相应地，电容器560可以是额定值为Vcmax的电压，并且电容器的最小的dv/dt或者电流额定值可以由下式给出： [0097] [0098] 根据一个实施方式，电感器550中的均方根（rms）电流在一个开关周期Ts中通过大约两个谐振循环。相应地，电感器rms电流由下式给出： [0099] [0100] Ts是转换器系统的适当的操作的最小开关时间周期，其中开关被使用。Ts可以大于或者等于在等式1A中推导出的2*T1（min）。这是由转换器系统的设计者决定的参数，在该转换器系统中本发明的实施方式的开关方法和装置可以被应用。例如，如果开关转换器需要在100kHz的最大频率下操作，Ts将是10μ。 [0101] 在谐振的整个周期期间，电感器气隙可以被规定以说明高电流峰值，并且提供公平的线性度。电感器550的气隙Lg可以如下被规定： [0102] [0104] [0105] 其中Bmax是铁芯材料中允许的最大磁通量密度。电感器550的值L可以被选择为满足等式（6）、（7）和（8）的任何值。 [0106] 在一个实施例中，辅助开关530（S2）和540（S3）以及二极管570和580可以是根据等式（6）定额的电流rms，并且可以如下对重复峰值电流（Iprr）定额： [0107] [0108] 目前快速开关和二极管可能通常是首选的。 [0109] 具有类似于图5所示电路的电路的零电压开关的实施例被实现并且被用于将对降压变换器使用的硬开关设备转换为软开关。在一个实施例中，对于120瓦特系统，观察到从85%到93%的开关效率的提高。参考图16，示出了对该实施例的一些所测量的波形。在图16中，迹线1610表示电容器560两端的电压。迹线1610示出了在开关S1的接通过程期间电容器560在正方向和负方向上的充电。如在图16中可以看出的，在充电/放电周期之前和之后的稳态电容器电压的电平中存在差异。该差异表示电荷的损耗，其优选地可以在时间周期T6期间被补充，如以上所讨论的。在图16中，迹线1620表示电感器503中的电流，而迹线1630表示在开关S1的门处的电压。如以上所讨论的，开关S1被接通，接近于电容器电压1610的第二极性改变的过零，使得开关进行软开关。图17通过在同一曲线图中示出电感器（503）电流（迹线1710）和电容器（560）电压（迹线1720）来示出了该实施例的软开关操作的时间周期。图18示出了所实现的实施例的测量的开关波形。在图18中，迹线1810表示开关S3，迹线1820表示开关S2，而迹线1830表示开关S1。如参考图18可以看出的，开关S1、S2和S3如以上参考图7和12所讨论的被接通和关断以实现开关S1的软开关。该实施例证明了在此讨论的软开关技术可以实际上被实现。 [0110] 在由此描述了至少一个实施方式的若干方面后，将认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种更改、修改和改进。这样的更改、修改和改进被规定为是本公开的部分，并且被规定为包括在本发明的范围内。相应地，上述的描述和附图仅仅作为例子，并且本发明的范围应该由所附权利要求的适当的结构及其等价物确定。 |
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