專利名稱：軟切換交錯(cuò)的功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及軟切換開關(guān)式功率變換器，更具體地，涉及適合于諸如等離子體處理這樣的高功率和高壓應(yīng)用的軟切換降壓、降壓-升壓和升壓開關(guān)式功率變換器。
背景技術(shù)：
一般希望的是以對(duì)特定電路可用的最高頻率來進(jìn)行切換電源。以較高頻率工作允許減少電源中的電感器和電容器值，這降低了物理尺寸和成本，還使得改善電源的瞬時(shí)響應(yīng)。降低可用于向等離子體弧遞送的能量也是期望的目標(biāo)。高頻率工作允許使用較小的輸出濾波電容器，其比較大的電容器存儲(chǔ)了更少的能量，這降低了能夠提供給等離子體弧的能量。
利用硬切換的功率變換器的現(xiàn)有技術(shù)電源的工作頻率被限制，因?yàn)榍袚Q損耗隨著工作頻率提高能夠變得相當(dāng)高。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的硬切換的功率變換器單元HSPCC，其可以用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的硬切換的降壓、降壓-升壓和升壓功率變換器，分別如圖4-6中所示。硬切換的功率變換器單元HSPCC具有三個(gè)端有源端AT、無源端PT、和感應(yīng)端IT。功率變換器單元包括開關(guān)組件SA和電感器L。開關(guān)組件具有連接到有源端AT的有源開關(guān)端AST，連接到無源端PT的無源開關(guān)端PST和共用開關(guān)端CST。電感器L連接在共用開關(guān)端CST和變換器感應(yīng)端IT之間。
開關(guān)組件具有兩個(gè)開關(guān)連接在有源開關(guān)端AST和共用開關(guān)端CST之間的開關(guān)SAC，和連接在無源開關(guān)端PST和共用開關(guān)端CST之間的開關(guān)SPC。開關(guān)SAC總是包括諸如晶體管這樣的有源開關(guān)，也可以包括逆并聯(lián)二極管，而SPC開關(guān)可以包括二極管、有源開關(guān)或兩者。
圖2和3示出了開關(guān)組件SA的兩個(gè)實(shí)施方式，其中開關(guān)SAC包括與逆并聯(lián)二極管APD并聯(lián)的有源開關(guān)SA，以及其中開關(guān)SPC是續(xù)流二極管FD。理想地，開關(guān)組件SA中的兩個(gè)開關(guān)從不同時(shí)開閉，但在以濾波器電感器中的電流在切換周期(連續(xù)導(dǎo)通模式)內(nèi)不達(dá)到零的方式工作的硬切換的電源中，每當(dāng)開關(guān)晶體管被打開時(shí)續(xù)流二極管必須被關(guān)閉。稱作反向恢復(fù)電流的反向電流在續(xù)流二極管正被關(guān)閉的時(shí)間間隔期間通過該續(xù)流二極管。二極管關(guān)閉所需的時(shí)間稱為反向恢復(fù)時(shí)間。在反向恢復(fù)時(shí)間間隔期間，大的二極管反向恢復(fù)電流通過開關(guān)，同時(shí)跨越開關(guān)的電壓很高。當(dāng)以高頻率切換時(shí)，這在高壓和功率電平上工作的硬切換的功率變換器中產(chǎn)生了相當(dāng)高的切換損耗。
具有實(shí)現(xiàn)為續(xù)流二極管的SPC開關(guān)的開關(guān)組件可以被分類為正開關(guān)組件，例如圖2的PSA，或負(fù)開關(guān)組件，例如圖3的NSA。當(dāng)SAC開關(guān)關(guān)閉并且有源開關(guān)端AST相對(duì)于共用開關(guān)端CST為正時(shí)，正開關(guān)組件阻斷在有源開關(guān)端AST和共用開關(guān)端CST之間流通的電流。當(dāng)SAC開關(guān)關(guān)閉并且有源開關(guān)端AST相對(duì)于共用開關(guān)端CST為負(fù)時(shí)，負(fù)開關(guān)組件阻斷在共用開關(guān)端和有源開關(guān)端之間流通的電流。
圖4-6顯示了利用硬切換的功率變換器單元實(shí)現(xiàn)的硬切換的功率變換器。圖4顯示了硬切換的降壓功率變換器HSBKPC，圖5顯示了硬切換的降壓-升壓功率變換器HSBPPC，圖6顯示了硬切換的升壓功率變換器HSBTPC。圖4-6中的每個(gè)功率變換器具有變換器輸入端CIT，變換器共用端CCT，和變換器輸出端COT。在輸入端和共用端之間提供輸入功率，具有輸入電壓Vin，以及在輸出端和共用端之間傳遞功率，在它們之間具有輸出電壓Vout。在功率變換器單元端和功率變換器端之間的互連布置決定了功率變換器是硬切換的降壓功率變換器HSBKPC、硬切換的降壓-升壓功率變換器HSBBPC、還是硬切換的升壓功率變換器HSBTPC。圖4-6中顯示的每個(gè)功率變換器具有在輸入端和共用端之間連接的變換器輸入電容器CIC，和在輸出端和共用端之間連接的變換器輸出電容器COC。
硬切換的功率變換器單元HSPCC可以用一組正開關(guān)組件或一組負(fù)開關(guān)組件來實(shí)現(xiàn)。將正硬切的換功率變換器單元定義為用一個(gè)或多個(gè)正開關(guān)組件實(shí)現(xiàn)的功率變換器單元。類似地，將負(fù)硬切換的功率變換器單元定義為用一個(gè)或多個(gè)負(fù)開關(guān)組件實(shí)現(xiàn)的功率變換器單元。使用正功率變換器單元還是負(fù)功率變換器單元的選擇取決于要變換的電壓的極性和變換器拓?fù)?。正硬切換的功率變換器單元PHSPCC被用于當(dāng)輸入電壓Vin為正(變換器輸入端CIT相對(duì)于變換器共用端CCT是正的)時(shí)實(shí)現(xiàn)硬切換的降壓HSBKPC和硬切換的降壓-升壓HSBBPC功率變換器，以及具有負(fù)輸入電壓的硬切換的升壓功率變換器HSBTPC(變換器輸入端CIT相對(duì)于變換器共用端CCT是負(fù)的)。反之，負(fù)硬切換的功率變換器單元NHSPCC被用于具有負(fù)輸入電壓的硬切換降壓HSBKPC和硬切換降壓-升壓HSBBPC功率變換器，以及用于具有正輸入電壓的硬切換升壓功率變換器HSBTPC。
圖4中的短劃線表示，多個(gè)功率變換器單元可以并聯(lián)順序連接來在兩個(gè)或多個(gè)變換器單元之間共享功率變換器的輸入和輸出電流。并聯(lián)的功率變換器單元優(yōu)選以交錯(cuò)切換模式進(jìn)行工作，以降低輸入和輸出電流中的波動(dòng)。如果并聯(lián)了N個(gè)變換器，則開關(guān)優(yōu)選以交錯(cuò)相角差360°/N進(jìn)行工作。雖然在圖5和6中未示出，但是這些功率變換器也可以用并聯(lián)的功率變換器單元來實(shí)現(xiàn)。
交錯(cuò)硬切換的功率變換器在本領(lǐng)域中通常是已知的。它們一般用于具有非常高輸出電流和非常低輸出電壓的微處理器VRM應(yīng)用。具有低輸出電壓允許使用非?？斓牡蛪憾O管，從而可以忽略切換損耗。一般地，高壓二極管比低壓二極管關(guān)閉得更慢，所以切換損耗對(duì)于在高壓和高功率電平上工作的高頻功率變換器是特別的難題。當(dāng)如US專利6,211,657公開的硬切換功率變換器用于高壓和高功率應(yīng)用時(shí)，當(dāng)功率變換器以高切換頻率工作時(shí)切換損耗是相當(dāng)大的。
圖7顯示了現(xiàn)有技術(shù)的交錯(cuò)硬切換的降壓功率變換器HSBKPC，其基于圖2和4。該功率變換器具有兩個(gè)并聯(lián)的正硬切換功率變換器單元PHSPCC1和PHSPCC2，它像US專利6,211,657中公開的交錯(cuò)變換器。圖8顯示了使用了較慢的高壓二極管的、諸如圖7中變換器這樣的交錯(cuò)硬切換的功率變換器的典型波形。圖8的電流波形圖具有每刻度10A的縱標(biāo)度。
圖8中的波形是從具有以下參數(shù)的圖7的降壓功率變換器BKPC的計(jì)算機(jī)仿真獲得的輸入電壓Vin＝750VDC、輸出電壓Vout＝400VDC、輸出電流Iout＝62.5A、切換周期Ts＝64μs、600μH電感器L1和L2，和10μF變換器輸出電容器COC。選擇用于仿真的COC的電容從而輸出波動(dòng)電壓可以忽略，但對(duì)于打算操作其中高頻波動(dòng)不是關(guān)鍵的載荷，例如典型的dc等離子體載荷的變換器，可以使用小得多的電容器。在仿真中向功率變換器提供理想電壓源，從而不需要變換器輸入電容器。
在圖8中可以看出，當(dāng)開關(guān)SW1在時(shí)間t0打開時(shí)二極管FD1是導(dǎo)通的。當(dāng)它正被SW1關(guān)閉時(shí)，大的反向-恢復(fù)電流IRD1通過FD1。對(duì)于SW2和FD2，相同的情況在時(shí)間Ts/2發(fā)生。續(xù)流二極管波形IFD1和IFD2說明了二極管FD1和FD2的峰值反向-恢復(fù)電流IRD1和IRD2是如何大于它們的峰值正向工作電流的。由于在打開切換轉(zhuǎn)變間隔期間跨越開關(guān)的電壓很高，所以在開關(guān)SW1和SW2中續(xù)流二極管的大反向恢復(fù)電流引起了高功率耗散。二極管反向恢復(fù)電流也在二極管中引起相當(dāng)大的功率耗散。恰好在二極管被完全關(guān)閉之前，跨越它的電壓上升同時(shí)電流仍在流動(dòng)，由于高壓和高電流的同時(shí)存在，這在二極管中產(chǎn)生了高的關(guān)閉功率損耗。
由于在硬切換交錯(cuò)的降壓-升壓和升壓功率變換器中使用了相同的切換單元，這些變換器具有類似于圖8中說明的切換波形。續(xù)流二極管中的大電流尖峰也在硬切換非交錯(cuò)的功率變換器中出現(xiàn)。
通過添加當(dāng)開關(guān)被打開時(shí)導(dǎo)致流過它們的電流為零或相當(dāng)?shù)偷碾娐?，開關(guān)中由二極管反向恢復(fù)電流導(dǎo)致的打開損耗能夠減少。通過在換向間隔期間逐漸地而不是突然地降低通過二極管的電流，可以大大地降低二極管的關(guān)閉損耗。
降低由二極管反向-恢復(fù)電流導(dǎo)致的切換損耗的一個(gè)現(xiàn)有方法是如US專利5,307,004中教導(dǎo)的使用輔助或引導(dǎo)開關(guān)和電感器。這種方法存在兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)。雖然與主開關(guān)和二極管相比引導(dǎo)開關(guān)和二極管不處理太多的功率，但在高壓功率變換器中由于絕緣要求它們的大小不是按比例地更小。用于引導(dǎo)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路的成本和大小也不是按比例地更小。
US專利6,184,666公開了具有并聯(lián)開關(guān)的降壓變換器，該并聯(lián)開關(guān)處理等量的功率并具有相等的功率損耗，但該變換器不具有軟切換。US專利5,204,809公開了具有耦合電感器的硬切換同步交錯(cuò)的降壓變換器。它教導(dǎo)了耦合系數(shù)應(yīng)低于約0.9，最佳值為大約0.5。US6,426,883公開了一種功率變換器，其使用相等大小的并聯(lián)的切換元件和換向電感器來實(shí)現(xiàn)軟切換，但是該切換模式僅允許一個(gè)并聯(lián)開關(guān)具有軟切換，而另一個(gè)開關(guān)具有硬切換。為了平衡切換損耗，周期性地反轉(zhuǎn)切換模式從而每個(gè)開關(guān)在一半時(shí)間具有軟切換。
對(duì)于更高電壓的應(yīng)用，硬切換的功率變換器單元可以以堆疊(stacked)排列方式連接以實(shí)現(xiàn)圖9、10和11分別示出的硬切換堆疊的降壓HSSBKPC功率變換器、硬切換堆疊的降壓-升壓HSSBEPC功率變換器和硬切換堆疊的升壓HSSBTPC功率變換器。這些變換器的每一個(gè)具有一個(gè)正硬切換的功率變換器單元PHSPCC和一個(gè)負(fù)硬切換的功率變換器單元NHSPCC。在圖9-11說明的結(jié)構(gòu)中堆疊兩個(gè)功率變換器單元允許在使用相同的功率變換器單元時(shí)工作電壓兩倍于用非堆疊的功率變換器獲得的電壓。
US專利5,932,995示出了堆疊的降壓變換器可以用硬切換的功率變換器單元來實(shí)現(xiàn)。在Xinbo Ruan等的“Three-LeveL converters-a newapproach for high□oltage and high power DC-to-DC conversion，”IEEE2002 Power Electronics SpeciaLists Conference，voL.2，pp.663-668中描述了各種硬切換堆疊的功率。當(dāng)在高電壓和高功率應(yīng)用中以高頻率工作時(shí)，這些硬切換的功率變換器將具有高切換損耗。
這是期待的，如果提供適合于高功率和高電壓應(yīng)用的軟切換功率變換器，其中開關(guān)具有低打開損耗并且二極管具有低關(guān)閉損耗。這將是更為期待的，如果提供了適合于高功率和高電壓應(yīng)用的軟切換功率變換器，其中在并聯(lián)的切換組件中的二極管和開關(guān)處理相同電平的功率，并以允許每個(gè)并聯(lián)的開關(guān)組件的軟切換的切換模式進(jìn)行工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其適合于高功率和高電壓應(yīng)用，例如等離子體處理。它們可以以比現(xiàn)有變換器更高的頻率進(jìn)行工作，因?yàn)樗鼈兙哂写蟠蟮亟档土饲袚Q損耗和二極管反向-恢復(fù)損耗。二極管的反向-恢復(fù)電流的峰值實(shí)質(zhì)上低于它們的峰值正向工作電流。所述功率變換器包括功率變換器單元，其包括多個(gè)以交錯(cuò)切換模式進(jìn)行工作的切換組件，并各自連接到也具有共用端的電感器組件的輸入端。每對(duì)輸入端之間的電感低于電感器組件的每個(gè)輸入端和共用端之間的電感。
附圖簡(jiǎn)述圖1說明了現(xiàn)有技術(shù)的硬切換的功率變換器單元。
圖2和3分別說明了現(xiàn)有技術(shù)的正和負(fù)切換組件。
圖4-6分別說明了現(xiàn)有技術(shù)的硬切換的降壓、降壓-升壓和升壓功率變換器。
圖7說明了現(xiàn)有技術(shù)的硬切換交錯(cuò)的降壓功率變換器。
圖8說明了圖7的現(xiàn)有技術(shù)的硬切換的功率變換器的波形。
圖9-11分別說明了現(xiàn)有技術(shù)的硬切換堆疊的降壓、堆疊的降壓-升壓和堆疊的升壓功率變換器。
圖12說明了軟切換的功率變換器單元。
圖13-16說明了圖12的電感器組件IA的各種實(shí)施方式的細(xì)節(jié)。
圖17-19分別說明了軟切換的降壓、降壓-升壓和升壓功率變換器。
圖20說明了軟切換交錯(cuò)的降壓功率變換器。
圖21說明了圖20的軟切換的降壓功率變換器的波形。
圖22說明了軟切換堆疊的降壓功率變換器。
圖23說明了軟切換堆疊的降壓-升壓功率變換器。
圖24說明了軟切換堆疊的升壓功率變換器。
圖25提供了圖22的軟切換堆疊的降壓功率變換器的詳圖。
圖26說明了圖25的功率變換器的波形。
發(fā)明的詳細(xì)說明本發(fā)明的功率變換器單元在結(jié)構(gòu)上與現(xiàn)有技術(shù)的電路類似，但是它們通過利用具有有益結(jié)構(gòu)和電感值的電感器組件以及通過利用最佳的切換模式來實(shí)現(xiàn)了迄今為止未知的性能改善。
圖12說明了根據(jù)本發(fā)明的軟切換的功率變換器單元SSPCC。至少兩個(gè)切換組件SA1和SA2被連接到有源和無源端AT和PT。由到第N個(gè)切換組件SAN的虛連接表示了連接總共N個(gè)更多的切換組件的可能性。在電感器組件輸入端IAIT1...IAITN處，每個(gè)開關(guān)組件的共用端CST1...CSTN連接到電感器組件IA。電感器組件共用端IACT連接到SSPCC功率變換器單元的電感端IT。
圖13-16顯示了實(shí)現(xiàn)電感器組件IA的各種途徑。連接到一對(duì)順序工作的切換組件的電感器組件輸入端對(duì)(pairs)之間的電感器Lii，是產(chǎn)生軟切換操作的關(guān)鍵參數(shù)。在電感器組件輸入端和電感器組件共用端IACT之間的電感Lic，影響了通過切換單元的電感端的波動(dòng)電流的數(shù)值。電感值Lii優(yōu)選低于電感Lic的五分之一。可以構(gòu)建圖13-16的電感器組件使得在它們的端的所有相應(yīng)對(duì)之間具有相同的電感。如果對(duì)于各種電感器組件，在端對(duì)之間的電感是相等的，則對(duì)于相同的工作條件變換器波形也將是相同的，以及保存在每個(gè)電感器組件中的總能量也是相同的。
圖13顯示了電感器組件實(shí)現(xiàn)DIA，其中N個(gè)分立的換向電感器LC1...LCN的其中之一被連接在每個(gè)電感器組件輸入端IAIT1...IAITN和電感器共用接點(diǎn)ICJ之間。主變換器電感器LM被連接在接點(diǎn)ICJ和電感器組件共用端IACT之間。為了避免過長(zhǎng)的換向時(shí)間，電感器組件輸入端IAIT1和IAIT2之間的電感優(yōu)選低于在這些端的每一個(gè)與電感器組件共用端IACT之間的電感的大約五分之一。因此，圖13中的換向電感器的電感優(yōu)選低于主電感器LM的電感的五分之一。
圖14顯示了電感器組件SAIA，其具有以相助串聯(lián)形式而連接的N對(duì)換向電感器。一個(gè)電感器被連接在每個(gè)電感器組件輸入端IAJT1A...IAITNA、IAIT1B...IAITNB和電感器共用接點(diǎn)ICJB之間。當(dāng)超過兩個(gè)線圈用于這種電感器組件時(shí)，它們必須是成對(duì)的，并且必須安排切換順序，使得按該順序的每個(gè)相繼的切換組件被連接到相反極性的線圈。實(shí)現(xiàn)連接的換向電感器LC1A-LC1B...LCNA-LCNB的兩種最簡(jiǎn)單的方法是將線圈纏繞在山形芯組的中央芯上，或?qū)⑺鼈兝p繞在C形芯組的相同側(cè)上。每對(duì)換向電感器線圈優(yōu)選是緊密偶聯(lián)的(偶合系數(shù)至少為0.9)。換向電感器線圈的電感優(yōu)選是幾乎相等的。一對(duì)電感器組件輸入端之間的電感接近四倍于以相助串聯(lián)形式連接的多個(gè)緊密偶聯(lián)線圈中的一個(gè)線圈的電感。每對(duì)線圈之間的共用接頭在電感器共用接點(diǎn)ICJB處被連接到主變換器電感器LMB。
當(dāng)在它們相應(yīng)的輸入端之間的電感相同，工作條件相同并且二極管的峰值反向-恢復(fù)電流與二極管正向電流相比是最小的時(shí)，保存在圖13的每個(gè)換向電感器LC1...LCN中的峰值能量稍微低于保存在圖14的每對(duì)偶聯(lián)換向電感器IC1A-IC1B...ICNA-ICNB中的總峰值能量。因此，圖14的偶聯(lián)換向電感器的大小可以顯著地小于相等數(shù)量的圖13的分立換向電感器的組合大小。對(duì)于相同的電感器組件和相同的工作條件，與圖14的相應(yīng)主電感器LMB相比，將有稍多的峰值能量保存在圖13的主電感器LM中，因?yàn)閮煞N結(jié)構(gòu)的總峰值能量?jī)?chǔ)存必須是相等的。然而，LM的這種微小增高的能量?jī)?chǔ)存需求對(duì)它的物理大小具有可以忽略的影響。
圖15顯示了電感器組件實(shí)現(xiàn)CCIA，其具有三個(gè)偶聯(lián)的換向電感器LLC1...LLC3，它們將由三個(gè)切換組件驅(qū)動(dòng)。換向電感器將用類似于三相變壓器中使用的纏繞芯的三個(gè)軸的三個(gè)線圈實(shí)現(xiàn)。每個(gè)線圈對(duì)之間的偶聯(lián)大小必須低于0.5，從而與圖13的三個(gè)分立電感器相比使用這種結(jié)構(gòu)可能的相對(duì)大小減少將通常低于與圖13的兩個(gè)分立電感器相比使用圖14的兩個(gè)緊密偶聯(lián)的線圈可能的相對(duì)大小減少。一個(gè)換向電感器連接在每個(gè)電感器組件輸入端IAICT1...IAICT3和接點(diǎn)ICJC之間。主電感器LMC連接在接點(diǎn)ICJC和電感器組件共用端IACTC之間。
圖16顯示了電感器組件SOIA，其中兩個(gè)主電感器線圈LMD1和LMD2纏繞在具有反向串聯(lián)連接配置的共用芯結(jié)構(gòu)上。不存在換向電感器，但由于兩個(gè)線圈之間的磁漏電感，仍然發(fā)生二極管換向效果。在電感器組件輸入端IAITD1和IAITD2與電感器組件共用端IACTD之間的電感優(yōu)選是相等的，在電感器組件輸入端之間的電感優(yōu)選低于在輸入端和共用端IACT之間的電感的五分之一。這些限制意味著偶合系數(shù)為至少0.9。圖16的電感器組件的銅使用不像圖13-15中的那樣好，因?yàn)樵谥骶€圈中的電流是間斷的。圖14中所示的具有一對(duì)線圈的結(jié)構(gòu)是電感器組件的優(yōu)選實(shí)施方式。
早先描述的在電感器組件的各個(gè)實(shí)現(xiàn)中的電感值之間的比率的優(yōu)選值是從典型的二極管換向時(shí)間和主電感器中的典型波動(dòng)電流得出的，因此它們僅僅是用于舉例說明，而不是基本的設(shè)計(jì)限制。
圖17-19分別說明了軟切換的降壓功率變換器SSBKPC、降壓-升壓功率變換器SSBBPC和升壓功率變換器SSBTPC。這些功率變換器利用了軟切換的功率變換器單元(圖12的SSPCC的實(shí)現(xiàn))代替在圖4-6的現(xiàn)有技術(shù)功率變換器中使用的硬切換的功率變換器單元。軟切換的功率變換器中軟切換的功率變換器單元的取向和它們的極性與以上述的硬切換的功率變換器的相同。
圖20說明了圖17的軟切換的降壓功率變換器SSBKPC的實(shí)現(xiàn)，其具有帶兩個(gè)正開關(guān)組件PSA1和PSA2的正軟切換的功率變換器單元PSSPCC，所述正開關(guān)組件是如圖2中說明的構(gòu)建的。(相比之下，圖25中的NSSPCC是負(fù)軟切換的功率變換器單元。)電感器組件IA是圖13中顯示的類型，并具有兩個(gè)分立的換向電感器LC1和LC2，和主電感器LM。其他的換向電感器和切換組件可以如圖13中所示的連接，N個(gè)切換組件優(yōu)選以交錯(cuò)相角差360°/N進(jìn)行工作。換向電感器的電感優(yōu)選是相等的。然而，優(yōu)選實(shí)施方式是，如圖14中所示兩個(gè)換向電感器是緊密地偶聯(lián)的。
圖21說明了圖20中的軟切換的降壓功率變換器SSBKPC的波形。波形是從具有以下特征的計(jì)算機(jī)仿真獲得的輸入電壓Vin＝750VDC、輸出電壓Vout＝400VDC、輸出電流Iout＝62.5A、切換周期Ts＝64μs、600μH主電感器、兩個(gè)分立的20μH換向電感器、和10μF變換器輸出電容器。圖21的電流波形圖具有每刻度10A的縱標(biāo)度。
根據(jù)產(chǎn)生圖8的波形的仿真，選擇用于這個(gè)仿真的COC的電容使得輸出波動(dòng)電壓可以忽略，但對(duì)于打算操作其中高頻波動(dòng)不是關(guān)鍵的載荷，例如典型的直流等離子體載荷的變換器，可以使用小得多的電容器。具有低輸出電容對(duì)于等離子體載荷是期待的，因?yàn)檫@降低了傳遞給弧的能量。在仿真中由理想電壓源提供SSPCC，從而不需要變換器輸入電容器。
共用開關(guān)端CST1和無源開關(guān)端PST1之間的電壓被標(biāo)記為VCP1，CST2和PST2之間的電壓被標(biāo)記為VCP2。當(dāng)在時(shí)間t0開關(guān)SWL被打開時(shí)，通過續(xù)流二極管FD1的電流IFD1是非常小的，因而FD1的峰值反向-恢復(fù)電流也是非常小的。在時(shí)間t0，通過FD2的電流IFD2等于通過LC2的電流，并稍微低于主電感器電流ILM。在SW1打開后，隨著FD2中的電流向下等變時(shí)，通過它的電流向上等變。安培/秒的電流變化的斜率等于Vin/Lii，其中Lii＝LC1+LC2。對(duì)于SW2和FD2中的電流在時(shí)間Ts/2之后，發(fā)生相同類型的電流變化。
當(dāng)FD2正被關(guān)閉時(shí)通過換向電感器LC2的電流反轉(zhuǎn)，并當(dāng)FD2最終關(guān)閉時(shí)，這個(gè)電流引起CST2處的電壓上升直到逆并聯(lián)二極管APD2導(dǎo)通。在時(shí)間t1處SW1關(guān)閉后CST1處的電壓立刻下降，F(xiàn)D1然后開始導(dǎo)通，收集主電感器電流。在SW1關(guān)閉后不久APD2以小反向-恢復(fù)電流關(guān)閉，CST2處的電壓下降直到FD2由于LC2中流動(dòng)的小電流而開始導(dǎo)通。在時(shí)間Ts/2處SW2打開，并且因?yàn)槿绻械脑?，在此時(shí)存在通過FD2的很小電流，SW2在沒有大電流尖峰情況下打開，如在時(shí)間t0處SW1打開那樣。
本發(fā)明的軟切換的功率變換器單元的軟切換特征提供了在開關(guān)和二極管中的能量節(jié)省，其允許使用這些單元的變換器電路以比使用現(xiàn)有技術(shù)硬切換的功率變換器單元的電路更高的頻率進(jìn)行工作。以較高頻率進(jìn)行工作允許電感器和電容器值被降低，這降低了物理大小和成本。較高頻率工作也允許改善變換器的瞬時(shí)響應(yīng)，并降低了可傳遞給等離子體弧的能量。
在硬切換的功率變換器中，二極管電流非?？焖俚貜恼?qū)Ｊ椒崔D(zhuǎn)到反向?qū)Ｊ?。然而，圖21的波形說明了在t0和Ts/2之后軟切換的功率變換器單元的換向間隔期間，二極管電流以約19A/μs的相對(duì)緩慢的速率下降，這允許在二極管電流被反轉(zhuǎn)之前在二極管接點(diǎn)中發(fā)生顯著的復(fù)合。因而，峰值反向-恢復(fù)電流IRD1和IRD2是低的(約輸出電流的五分之一)，這產(chǎn)生了開關(guān)的低二極管關(guān)閉損耗和低打開損耗。相比之下，圖8說明了圖7的硬切換的功率變換器單元PHSPCC中的二極管電流以約近1000A/μs的速率下降，導(dǎo)致了大于輸出電流百分之三十五的大峰值反向-恢復(fù)電流IRD1和IRD2。這產(chǎn)生了開關(guān)的高二極管關(guān)閉損耗和高打開損耗。典型高壓功率二極管的最佳電流降低斜率是約20A/ps到100A/μs。隨著二極管技術(shù)被改善，最佳反向-恢復(fù)和換向時(shí)間可以降低。
使二極管電流為零所需的時(shí)間TZ近似等于IoutLii/Vin，其中Lii＝LC1+LC2。總換向時(shí)間Tct等于TZ和續(xù)流二極管FD的反向-恢復(fù)時(shí)間trrf的總和。在圖21中，二極管電流在約3ps內(nèi)達(dá)到零，二極管反向-恢復(fù)時(shí)間trrf是約1μs。因此總換向時(shí)間Tct是約4μs，其是64μs切換周期Ts的十六分之一。
功率變換器單元的電壓變換比被定義為電感的和無源端之間的平均電壓Vip除以有源和無源端之間的平均電壓Vap的穩(wěn)態(tài)比。在以連續(xù)導(dǎo)通模式工作的硬切換的功率變換器單元中，變換比理想地(用無損耗的元件)等于SAC開關(guān)的占空比DM＝Vip/Vap＝D。因而，以連續(xù)導(dǎo)通模式工作的硬切換的功率變換器的理想穩(wěn)態(tài)電壓變換比Vout/Vii僅僅是占空因子的函數(shù)，與變換器輸出電流無關(guān)。在高壓硬切換的功率變換器中，電壓變換比幾乎等于理想值。
相比之下，以連續(xù)導(dǎo)通模式工作的本發(fā)明的軟功率的變換器單元的電壓變換比M隨輸出電流提高而降低，即使使用理想的元件，由于總換向時(shí)間Tct和逆并聯(lián)二極管的反向-恢復(fù)時(shí)間Trra對(duì)變換器單元的平均端-端電壓的影響。在圖20的軟切換的功率變換器單元PSSPCC中，在換向間隔Tct期間以及逆并聯(lián)二極管的反向-恢復(fù)間隔Trra期間，接點(diǎn)ICJ和無源端PT之間的電壓等于有源和無源端之間的電壓的一半。因此，具有N組切換組件的軟切換的功率變換器單元SSPCC的M的理想值等于M＝Vip/Vap＝N·[D-0.5(Tct+Trra)/Ts]，當(dāng)功率變換器單元以連續(xù)導(dǎo)通模式工作時(shí)，Tct和Trra的總和低于SAC開關(guān)的導(dǎo)通間隔的持續(xù)時(shí)間D·Ts。當(dāng)Tct和Trra的總和達(dá)到SAC開關(guān)的導(dǎo)通間隔的持續(xù)時(shí)間時(shí)，軟切換失敗。當(dāng)功率變換器以連續(xù)導(dǎo)通模式工作時(shí)，M的理想值從不低于N·D/2。
由于Tct+Trra都與輸出電流直接相關(guān)，所以降壓功率變換器BKPC的輸出電壓(其與M成比例)將隨輸出電流的提高而降低。例如，利用圖20的以占空因子D＝0.25進(jìn)行工作的軟切換的降壓功率變換器SSBKPC，當(dāng)Tct和Trra的總和等于或超過SAC開關(guān)的導(dǎo)通間隔的持續(xù)時(shí)間D·Ts時(shí)，輕度載荷時(shí)最大輸出電壓是輸入電壓的一半，但是在重度載荷時(shí)輸出電壓跌至輸入電壓的四分之一。
開關(guān)的最大占空因子優(yōu)選是1/N。提高占空因子(duty cycle)超過這個(gè)值不會(huì)提高變換比M，并引起軟切換效果喪失。相比之下，當(dāng)電感器以連續(xù)導(dǎo)通模式工作時(shí)，圖7的現(xiàn)有技術(shù)硬切換交錯(cuò)的降壓變換器中開關(guān)的占空因子必須使用完全的0到1的占空因子范圍，以覆蓋全部輸出電壓范圍。
對(duì)于降壓功率變換器BKPC，總換向時(shí)間優(yōu)選低于Ts的十分之一，所述降壓功率變換器在滿載時(shí)必須達(dá)到接近輸入電壓的輸出電壓。對(duì)于其中變換器傳遞功率的能力不被過度地影響的情況，更久的換向時(shí)間是可接受的。M是輸出電流的函數(shù)，在功率變換器的瞬時(shí)響應(yīng)中產(chǎn)生了阻尼效應(yīng)的事實(shí)有時(shí)可能是有用的。例如，當(dāng)軟切換的降壓功率變換器SSBKPC被用于提供具有負(fù)增量阻抗的等離子體載荷時(shí)，這種效果可以幫助穩(wěn)定電源，因?yàn)樗岣吡斯β首儞Q器的輸出阻抗。
代替連接超過兩個(gè)開關(guān)組件到一個(gè)電感器組件，優(yōu)選是利用在變換器單元之間的交錯(cuò)切換，操作如圖17所示并聯(lián)的相同極性的兩個(gè)或多個(gè)軟切換功率變換器單元SSPCC。兩個(gè)交錯(cuò)軟切換的功率變換器單元的切換模式在圖26中示出，其說明了圖25的堆疊(stacked)的降壓變換器SBKPC的波形。然而，當(dāng)兩個(gè)軟切換的降壓功率變換器單元那樣堆疊時(shí)，它們必須是相反的極性。當(dāng)兩個(gè)交錯(cuò)軟切換的功率變換器單元并聯(lián)工作時(shí)，它們將具有波紋抵消效應(yīng)，其在例如圖7中的現(xiàn)有技術(shù)的交錯(cuò)變換器中發(fā)生。圖7中兩個(gè)電感器的組合電流Itotal具有比每個(gè)電感器中的電流低得多的波紋。在圖8的電感器電流波形中說明了波紋抵消效應(yīng)，但它在圖21的電感器波形中沒有，因?yàn)閳D20的功率變換器不是交錯(cuò)的。
用本發(fā)明的軟切換的功率變換器單元實(shí)現(xiàn)圖18和19的降壓-升壓和升壓變換器提供了滿足降壓變換器的相同類型的性能改善，和具有如圖20中所示的相同形狀的切換波形。
圖22-24顯示了如何連接兩個(gè)軟切換的功率變換器單元來分別形成軟切換堆疊的降壓功率變換器SBKPC、軟切換堆疊的降壓-升壓功率變換器SBBKPC和軟切換堆疊的升壓功率變換器SBTPC。這些電路允許輸入和輸出電壓兩倍于具有開關(guān)和二極管的相同額定電壓的單獨(dú)功率變換器可以實(shí)現(xiàn)的電壓。它們對(duì)于操作等離子體載荷的電源是特別有用的，因?yàn)橥ǔＰ枰咻敵鲭妷?。堆疊的功率變換器具有正和負(fù)功率變換器輸入端PCIT和NCIT，以及正和負(fù)功率變換器輸出端PCOT和NCOT。
在圖22的軟切換堆疊的降壓功率變換器SBKPC中，正軟切換的功率變換器單元PSSPCC連接在正輸入端PCIT和中間端CCIT之間。負(fù)軟切換的功率變換器單元NSSPCC連接在CCIT和負(fù)輸入端NCJT之間。兩種功率變換器單元優(yōu)選以交錯(cuò)模式工作。SBKPC可以從兩個(gè)堆疊的電源中接收能量，所述電源在末端CCIT處具有共用連接。如果兩個(gè)功率變換器單元的切換占空因子被平衡，則一個(gè)電源可以連接到PCIT和NCIT之間，CCIT懸空。這也適用于圖23的軟切換堆疊的降壓-升壓功率變換器SBBPC。
圖26說明了圖25的軟切換堆疊的降壓變換器SBKPC的波形。顯示出的每個(gè)軟切換的功率變換器單元具有每個(gè)電感器組件的兩個(gè)切換組件，但它們可以用N個(gè)切換組件實(shí)現(xiàn)，其中N大于1。如圖15的軟切換的降壓功率變換器BKPC一樣，開關(guān)的最大占空因子優(yōu)選是1/N。每個(gè)軟切換堆疊的功率變換器單元中的開關(guān)優(yōu)選以交錯(cuò)相角差360°/N進(jìn)行工作，而兩個(gè)單元的切換模式優(yōu)選也是交錯(cuò)的，其給出了在兩個(gè)堆疊的功率變換器單元PPCC之間的有效交錯(cuò)相角差180°/N。換向電感器的電感優(yōu)選是相等的。
接點(diǎn)CST1到CST4和CCIT之間的電壓分別作為波形Vcp1到Vcp4來說明。每個(gè)功率變換器單元的波形基本上與圖20的波形相同，只是在主電感器中的波動(dòng)電流ILM由于兩個(gè)功率變換器單元之間的交錯(cuò)而被降低了。如圖26中所示，LM12和LM34中的波動(dòng)電流頻率是開關(guān)的切換頻率的兩倍。這類似于在并聯(lián)交錯(cuò)的功率變換器單元中發(fā)生的波動(dòng)抵銷效果，但它具有益處，兩個(gè)電感器都具有降低的波動(dòng)電流而不是僅具有兩個(gè)主電感器電流的總和中的抵消。使用兩個(gè)并聯(lián)交錯(cuò)的功率變換器，當(dāng)開關(guān)占空因子是百分之五十時(shí)，主電感器波動(dòng)電流的總和中的波動(dòng)幾乎完全抵消了。使用堆疊交錯(cuò)的功率變換器，當(dāng)開關(guān)占空因子是百分之二十五時(shí)，主電感器中的波動(dòng)電流幾乎完全抵銷了。
波形是從具有以下特征的計(jì)算機(jī)仿真獲得的在PCIT和CCIT之間的輸入電壓Vin＝750VDC，以及在CCIT和NCIT之間(總共1500VDC)，輸出電壓Vout＝400VDC，輸出電流Iout＝62.5A，切換周期Ts＝64us，300uH主電感器，每個(gè)電感器組件的兩個(gè)分立的20μH換向電感器，和10μF變換器輸出電容器。兩個(gè)理想電壓源提供SBKFC，從而不需要變換器輸入電容器PCIC和NCIC。
與產(chǎn)生圖8和21的波形的仿真一樣，選擇用于這個(gè)仿真的COC的電容使得輸出波動(dòng)電壓可以忽略，但對(duì)于打算操作其中高頻波動(dòng)不是關(guān)鍵的載荷，例如典型的直流等離子體載荷的變換器，可以使用小得多的電容器。具有低輸出電容對(duì)于等離子體載荷是期待的，因?yàn)檫@降低了傳遞給弧的能量。圖25的SBKPC可以用于實(shí)現(xiàn)共同待決專利申請(qǐng)中描述的直流電源2004年7月2日提交的系列號(hào)為10/884,119的Apparatus and Method For Fast Arc Extinction With Early Shunting ofArc Current in Plasma。
利用軟切換的功率功率變換器單元PSSPCC和NSSPCC實(shí)現(xiàn)圖23和24的軟切換堆疊的降壓-升壓和升壓功率變換器提供了滿足軟切換堆疊的降壓功率變換器的相同類型的性能改善，并且切換波形具有如圖26中所示的相同形狀。
在圖25的堆疊的降壓功率變換器SBPPC中，可以看出，主電感器LM12和LM34有效地與變換器輸出電容器COC串聯(lián)的。因而，可以取消這些主電感器中的其中一個(gè)，但優(yōu)選是具有兩個(gè)主電感器，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^提供開關(guān)裝置和載荷之間顯著的高頻阻抗來降低電磁噪聲干擾(EMI)難題。類似地，可以從圖23和24的堆疊功率變換器中的功率變換器單元之一中取消主電感器，但優(yōu)選是具有兩個(gè)主電感器。堆疊軟切換的功率變換器的主電感器優(yōu)選具有基本上相同的電感，如果它們是這樣，則它們可以按照相助串聯(lián)方式以偶聯(lián)極性定向纏繞在共用芯上。例如，圖22的軟切換的降壓功率變換器可以用纏繞在共用芯上的LM12和LM34來實(shí)現(xiàn)，纏繞方向使得連接到IT1和IT2的端點(diǎn)具有相反的極性。
雖然說明和描述了工作的特定結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)，但是應(yīng)當(dāng)清楚地理解，這僅僅是為了舉例的目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地在其中進(jìn)行變化和修改而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種軟切換交錯(cuò)的功率變換器，包括a)變換器輸入端、變換器輸出端和變換器共用端，其中在所述變換器輸入端和所述變換器共用端之間接收功率，以及輸出電流被傳遞給連接在所述變換器輸出端和所述變換器共用端之間的負(fù)載；b)軟切換的功率變換器單元，具有有源端、無源端和電感端，其中這三個(gè)端中每一個(gè)都連接到三個(gè)所述變換器端的其中之一；所述軟切換的功率變換器單元具有電感器組件和至少兩個(gè)開關(guān)組件；c)每個(gè)開關(guān)組件具有有源開關(guān)端、無源開關(guān)端和共用開關(guān)端；d)電感器組件，具有連接到每個(gè)所述共用開關(guān)端之一的獨(dú)立的電感器組件輸入端，以及連接到所述軟切換的功率變換器的所述電感端的電感器組件共用端，所述電感器組件在一對(duì)電感器組件輸入端之間具有輸入-輸入電感值，所述電感值小于在任何電感器組件輸入端和所述電感器組件共用端之間的電感；以及e)每個(gè)開關(guān)組件具有連接在所述有源開關(guān)端和所述共用開關(guān)端之間的開關(guān)，和連接在所述無源開關(guān)端和所述共用開關(guān)端之間的二極管，所述開關(guān)以交錯(cuò)方式進(jìn)行工作，使得在開關(guān)導(dǎo)通間隔期間正被打開的開關(guān)組件中的開關(guān)的動(dòng)作引起所述開關(guān)組件的另一個(gè)中的二極管在換向間隔期間被相繼關(guān)閉，每個(gè)二極管具有峰值正向工作電流，和在它正被關(guān)閉時(shí)的峰值反向-恢復(fù)電流。
2.如權(quán)利要求1中所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中選擇所述電感器組件的所述輸入-輸入電感值使得所述二極管的所述峰值反向-恢復(fù)電流基本上小于所述峰值正向工作電流的數(shù)值。
3.一種軟切換堆疊交錯(cuò)的功率變換器，包括a)正變換器輸入端、負(fù)變換器輸入端、正變換器輸出端和負(fù)變換器輸出端，其中在所述正變換器輸入端和所述負(fù)變換器輸入端之間接收功率，以及輸出電流被傳遞給連接在所述正變換器輸出端和所述負(fù)變換器輸出端之間的負(fù)載；b)正軟切換的功率變換器單元，具有有源端、無源端和電感端，這三個(gè)端的其中一個(gè)連接到變換器輸入端，這三個(gè)端的第二個(gè)連接到變換器輸出端；c)負(fù)軟切換的功率變換器單元，具有有源端、無源端和電感端，這三個(gè)端的其中一個(gè)連接到變換器輸入端，這三個(gè)端的第二個(gè)連接到變換器輸出端；d)所述正軟切換的功率變換器單元的所述三個(gè)端中的第三個(gè)連接到所述負(fù)軟切換的功率變換器單元中的對(duì)應(yīng)第三端；e)所述正軟切換的功率變換器單元和所述負(fù)軟切換的功率變換器單元每一個(gè)具有電感器組件和至少兩個(gè)開關(guān)組件；f)每個(gè)開關(guān)組件具有有源開關(guān)端、無源開關(guān)端和共用開關(guān)端；g)在每個(gè)功率變換器單元中的所述電感器組件具有連接到在該功率變換器單元內(nèi)的每個(gè)所述共用開關(guān)端的其中之一的獨(dú)立的電感器組件輸入端，和連接到所述軟切換的功率變換器單元的所述電感端的電感器組件共用端，所述電感器組件在一對(duì)電感器組件輸入端之間具有輸入-輸入電感值，所述電感值低于在任何電感器組件輸入端和所述電感器組件共用端之間的電感；以及h)每個(gè)開關(guān)組件具有連接在所述有源開關(guān)端和所述共用開關(guān)端之間的開關(guān)，和連接到所述無源開關(guān)端和所述共用開關(guān)端之間的二極管，所述開關(guān)以交錯(cuò)方式進(jìn)行工作，使得在開關(guān)導(dǎo)通間隔正被打開的開關(guān)組件中的開關(guān)的動(dòng)作引起所述開關(guān)組件的另一個(gè)中的二極管在換向間隔期間被相繼關(guān)閉，每個(gè)二極管具有峰值正向工作電流，和在它正被關(guān)閉時(shí)的峰值反向-恢復(fù)電流。
4.如權(quán)利要求3所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中選擇所述電感器組件的輸入-輸入電感值，使得所述二極管的所述峰值反向-恢復(fù)電流基本上小于所述峰值正向工作電流的數(shù)值。
5.如權(quán)利要求3所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中以相反的極性來設(shè)置在所述軟切換正功率變換器單元的所述切換組件中的二極管和所述軟切換負(fù)功率變換器單元的所述切換組件中的二極管的方向，使得電流流出所述正軟切換功率變換器單元中的所述電感器組件的所述共用端，以及電流流入所述負(fù)軟切換功率變換器單元中的所述電感器組件的共用端。
6.如權(quán)利要求1所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，被配置為降壓變換器，其中a)所述軟切換的功率變換器單元的所述有源開關(guān)端連接到所述變換器輸入端；b)所述軟切換的功率變換器單元的所述無源開關(guān)端連接到所述變換器共用端；以及c)所述軟切換的功率變換器單元的所述電感開關(guān)端連接到所述變換器輸出端。
7.如權(quán)利要求1所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，被配置為降壓-升壓變換器，其中a)所述軟切換正功率變換器單元的所述有源端連接到所述變換器輸入端；b)所述軟切換的功率變換器單元的所述無源端連接到所述變換器輸出端；以及c)所述軟切換的功率變換器單元的所述電感端連接到所述變換器共用端。
8.如權(quán)利要求1所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，被配置為升壓變換器，其中a)所述軟切換正功率變換器單元的所述有源端連接到所述變換器共用端；b)所述軟切換的功率變換器單元的所述無源端連接到所述變換器輸出端；以及c)所述軟切換的功率變換器單元的所述電感端連接到所述變換器輸入端。
9.如權(quán)利要求3所述的軟切換堆疊交錯(cuò)的功率變換器，被配置為降壓變換器，其中a)所述正軟切換的功率變換器單元的所述有源端連接到所述正變換器輸入端；b)所述負(fù)軟切換正功率變換器單元的所述有源端連接到所述負(fù)變換器輸入端；c)所述正軟切換的功率變換器單元的所述無源端連接到所述負(fù)軟切換的功率變換器單元的所述無源端；d)所述正軟切換的功率變換器單元的所述電感端連接到所述正變換器輸出端；e)所述負(fù)軟切換的功率變換器單元的所述電感端連接到所述負(fù)變換器輸出端。
10.如權(quán)利要求3所述的軟切換堆疊交錯(cuò)的功率變換器，被配置為降壓-升壓變換器，其中a)所述正軟切換的功率變換器單元的所述有源端連接到所述正變換器輸入端；b)所述負(fù)軟切換正功率變換器單元的所述有源端連接到所述負(fù)變換器輸入端；c)所述正軟切換的功率變換器單元的所述電感端連接到所述負(fù)軟切換的功率變換器單元的所述電感端；d)所述正軟切換的功率變換器單元的所述無源端連接到所述正變換器輸出端；e)所述負(fù)軟切換的功率變換器單元的所述無源端連接到所述負(fù)變換器輸出端。
11.如權(quán)利要求3所述的軟切換堆疊交錯(cuò)的功率變換器，被配置為升壓變換器，其中a)所述正軟切換的功率變換器單元的所述電感端連接到所述正變換器輸入端；b)所述負(fù)軟切換正功率變換器單元的所述電感端連接到所述負(fù)變換器輸入端；c)所述正軟切換的功率變換器單元的所述有源端連接到所述負(fù)軟切換的功率變換器單元的所述有源端；d)所述正軟切換的功率變換器單元的所述無源端連接到所述正變換器輸出端；e)所述負(fù)軟切換的功率變換器單元的所述無源端連接到所述負(fù)變換器輸出端。
12.如權(quán)利要求1所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述換向間隔小于所述開關(guān)導(dǎo)通間隔。
13.如權(quán)利要求3所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述換向間隔小于所述開關(guān)導(dǎo)通間隔。
14.如權(quán)利要求1所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述電感器組件包括至少兩個(gè)換向電感器，和具有第一和第二主電感器端的主電感器；每個(gè)換向電感器連接在獨(dú)立的電感器組件輸入端和所述第一主電感器端之間；以及所述第二主電感器端連接到所述電感器組件共用端。
15.如權(quán)利要求3所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述電感器組件包括至少兩個(gè)換向電感器，和具有第一和第二主電感器端的主電感器；每個(gè)換向電感器連接在獨(dú)立的電感器組件輸入端和所述第一主電感器端之間；以及所述第二主電感器端連接到所述電感器組件共用端。
16.如權(quán)利要求14所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述換向電感器的至少兩個(gè)被纏繞在共用芯結(jié)構(gòu)上。
17.如權(quán)利要求15所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述換向電感器的至少兩個(gè)被纏繞在共用芯結(jié)構(gòu)上。
18.如權(quán)利要求1所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述電感器組件包括至少兩個(gè)偶聯(lián)的電感器，每個(gè)電感器連接在獨(dú)立的電感器組件輸入端和所述電感器組件共用端之間。
19.如權(quán)利要求3所述的軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其中所述電感器組件包括至少兩個(gè)偶聯(lián)的電感器，每個(gè)電感器連接在獨(dú)立的電感器組件輸入端和所述電感器組件共用端之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了軟切換交錯(cuò)的功率變換器，其適合于高功率和高電壓應(yīng)用，例如等離子體處理。它們大大地降低了切換損耗和二極管反向－恢復(fù)損耗，其允許以高切換頻率進(jìn)行工作。二極管的反向－恢復(fù)電流的峰值基本上低于它們的峰值正向工作電流。所述功率變換器包括功率變換器單元，其包括多個(gè)以交錯(cuò)切換模式進(jìn)行工作的切換組件，并各自連接到也具有共用端的電感組件的輸入端。每對(duì)輸入端之間的電感小于電感組件的每個(gè)輸入端和共用端之間的電感。
文檔編號(hào)H02M3/158GK101061447SQ200580036449
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月24日
發(fā)明者布賴斯·L·黑斯特曼, 米蘭·伊利克, 安德雷·B·馬利寧, 卡利安·N·C·西德巴圖拉 申請(qǐng)人:先進(jìn)能源工業(yè)公司