具有可变不工作区控制和零电压切换的半桥

摘要

提供了一种使用可变不工作区的电压馈送半桥的零电压切换（ZVS）的改进方法。不工作区的持续时间是动态确定的并且精确地足够长以确保没有直通事件，同时还最小化或消除切换损耗和反向传导损耗。该方法一般地包括：（a）计算由对半桥的中点充电的电流源看到的等效电容；（b）基于链接电压和等效电容来计算ZVS电荷要求；（c）计算在不工作区矢量期间电流源随时间传递的电荷，使结果与ZVS电荷要求相等，并求解在切换周期上的每个换向点处的ZVS时间要求；以及（d）针对切换模式功率转换器中的每个半桥的每个换向更新不工作区。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年10月26日提交的美国临时申请62/750,896的权益，其公开通过引用整体并入。

技术领域

本发明涉及用于车载（on-board）充电器和其他应用的半桥转换器的零电压切换（switching）。

背景技术

半桥是许多开关模式功率转换器（SMPC）拓扑的部件。隔离的双有源桥（DAB）例如是使用四个半桥和变压器来将功率从变压器的初级传递到次级的SMPC。DAB具有驱动初级绕组的一个全桥（并联的两个半桥）和驱动次级绕组的一个全桥。图1中所示的电流馈送（current-fed）半桥包括利用到中点节点的连接与电流源或存储元件，比如电感器，串联的两个半导体开关。在串联组合的末端处的节点被称为联接（linkage）。在图2中所示的电压馈送半桥的情况下，该联接被称为DC联接，因为其值不允许变负。电压馈送半桥可以以受控或不受控开关的任何组合出现。示例包括完全受控半桥（例如，双向降压-升压DC/DC转换器）、半受控半桥（例如，简单的降压DC/DC转换器）和不受控半桥（例如，Totem-Pole PFC拓扑的前端整流器）。

将半桥视为一个类型的切换块，电流馈送半桥（CFHB）和电压馈送半桥（VFHB）可以用于构造SMPC。切换块是有源功率部件并且被置于具有无源功率部件的配置中以创建SMPC功率路径。电压馈送半桥可以附加地被控制、半控制或不受控制。SPMC中使用的许多或大多数受控半导体开关仅在电流沿一个方向流过其初级传导（conduction）路径时受控，并且在电流沿相反方向流动时将自激活（变为反向偏置）。尽管具有不受控状态，但半桥配置中的两个这样的开关被认为是受控切换块。

给定跨联接的正

高侧控制矢量将联接的正轨（rail）

在CFHB中，电流源与开关S1和S2两者串联，并且从而即使当两个开关都传导时也调节它们的电流。因此，在CFHB的正常操作期间，可以使用所有四个控制矢量。然而，在VFHB中，电压源与开关S1和S2串联，并且因此直通控制矢量将使电压源短路，导致未调节的电流。该状况潜在是灾难性的。为了防范该状况，一个开关的接通信号的开始相对于另一开关的关断信号的结束延迟不工作区（或不工作区时间）。该技术确保在互补开关被驱动接通之前一个开关完全关断（非传导），从而避免了非预期的直通事件。然而，不工作区的持续时间通常是预定的并且在长度上是固定的。结果，现有的半桥转换器经历归因于比为了确保没有直通事件而严格要求更长的不工作区的热损耗。

发明内容

提供了一种使用可变不工作区的电压馈送半桥（VFHB）的零电压切换（ZVS）的改进方法。不工作区的持续时间由处理器根据实时开环电路模型动态地确定，并且精确地足够长以确保没有直通事件，同时还最小化或消除切换损耗和反向传导损耗。根据本方法消除反向传导损耗改进了SMPC的效率，减少了半导体器件上的热应力，并虑及更容易设计的冷却方案。使用VFHB的任何SMPC可以被建模为馈送半桥中点的受控电流源和馈送半桥轨的受控电压源。

根据一个实施例，该方法一般地包括：（a）计算由对半桥的中点充电的电流源看到的等效电容；（b）基于链接电压（link voltage）和等效电容来计算ZVS电荷要求；（c）计算在不工作区矢量期间电流源随时间传递的电荷，使结果与ZVS电荷要求相等，并求解在切换周期上的每个换向点（commutation point）处的ZVS时间要求；以及（d）针对SMPC中的每个半桥的每个换向更新不工作区。上述方法主要结合微处理器和控制电路硬件以软件执行，所述微处理器和控制电路硬件适于适应SMPC的不工作区的实时更新。

通过参考实施例的描述和附图，将更充分地理解和理解本发明的这些和其他特征。

在详细解释本发明的实施例之前，应当理解，本发明不限于操作的细节或在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明可以以各种其他实施例来实现，并且可以以本文没有明确公开的替代方式来实践或执行。此外，应当理解，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制。“包括”和“包含”及其变体的使用意味着包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目及其等同物。此外，列举可被用在各种实施例的描述中。除非另有明确说明，否则列举的使用不应被解释为将本发明限制为任何特定顺序或数量的部件。也不应将列举的使用解释为从本发明的范围排除可能与列举的步骤或部件组合或组合到列举的步骤或部件中的任何附加步骤或部件。

附图说明

图1是电流馈送半桥转换器的电路图。

图2是电压馈送半桥转换器的电路图。

图3（a）至3（f）示出了在具有固定不工作区的标准ZVS条件下VFHB的低到高换向状态。

图4示出了用于VFHB的控制的长不工作区，其中，不工作区比对半桥电容充电所需的时间长。

图5示出了用于VFHB的控制的短不工作区，其中，不工作区比对半桥电容充电所需的时间短。

图6示出了用于VFHB的控制的长不工作区，其中，不工作区精确地足够长以对半桥的半桥电容充电用于ZVS。

图7是根据一个实施例的用于电压馈送半桥的ZVS的方法的流程图。

图8（a）到8（e）示出了具有相应的累积的电荷和等效静态电容的电荷等效电容（Charge Equivalent Capacitance）的改变。

图9是根据当前实施例的具有由控制器确定的理想不工作区的单相电压馈送逆变器（inverter）的电路图。

具体实施方式

提供了一种使用可变不工作区的电压馈送半桥的零电压切换的改进方法。如本文所讨论的，动态地确定不工作区的持续时间以确保没有直通事件，同时还最小化或消除切换损耗和反向传导损耗。作为背景，下面的部分I包括用于电压馈送半桥的零电压切换的已知技术。下面的部分II包括对本发明的方法的讨论，即使用动态计算的可变不工作区控制矢量的电压馈送半桥的零电压切换。

I.

零电压切换（ZVS）是当存在跨其初级传导路径的零电压时半导体开关从关断状态到接通状态的换向。ZVS换向发生的过程可以用任意VFHB低到高的换向来说明，如图3（a）-3（f）中所示。关于ZVS，半导体开关可以被认为是与输出电容并联的理想MOSFET和具有正向电压

在图3（a）中的换向之前，

（1）

如果开关具有快速的关断边缘速率，如在MOSFET中，则在

通常，在生成半桥的脉宽调制（PWM）的控制电路中将不工作区设置为固定值。ZVS时间要求

如果允许继续该充电，则不仅ZVS将丢失，而且在高切换电流下，可能超过半导体开关的额定电压，导致寿命降级和器件故障。由于这个原因，ZVS拓扑（以及通常的大多数SPMC拓扑）提供了到中点电流

Ⅱ.

为了消除上面部分I中讨论的反向传导损耗，针对每个换向点动态地计算不工作区，而不是使用对应于最坏情况要求的预定值。消除反向传导损耗改进了SMPC的效率，减少了半导体器件上的热应力，并虑及更容易设计的冷却方案。

参考图7的流程图，示出了用于使用可变不工作区控制矢量的电压馈送半桥的零电压切换的方法。该方法通常包括针对每个换向点动态地计算不工作区，而不是使用对应于最坏情况要求的预定值。更特别地，该方法通常包括以下方法步骤：（a）基于链接电压、SMPC拓扑和SMPC电路状态计算由对半桥的中点充电的电流源看到的等效电容

在步骤10处计算等效电容

基于等效电容

（2）

如上所述，

（3）

（4）

在上述等式3中，

作为一个示例，图3（a）中的受控电流源是用包括谐振电感器

方法还

根据另外的实施例，图9中示出了用于产生方波输出的单相电压馈送逆变器。该逆变器包括具有两个串联连接的开关S1、S2和两个续流反并联二极管D1、D2的半桥。开关可能不同时被激活，否则这将使电压源短路。根据一个实施例，以数字逻辑来计算理想不工作区，不工作区是串联连接的开关的关断与接通之间的间隔。特别地，控制器20，例如集成电路或数字信号处理器，确定半桥的中点22处的等效电容。对于在中点处的给定输入电流或跨半桥的给定轨电压，可以根据经验来确定等效电容，并且该等效电容通常包括任何开关电容、PCB电容和绕组电容。基于该等效电容，控制器20根据上面的等式（2）确定ZVS充电要求（

以上描述是本发明的当前实施例的描述。在不背离本发明精神和更广泛的方面的情况下，可以进行各种改变和变化。本公开是出于说明性目的而呈现的，并且不应被解释为是对本发明的所有实施例的穷尽描述或将权利要求的范围限制为结合这些实施例所示出或描述的具体元素。对单数元素的任何引用，例如使用冠词“一”、“一个”、“该”或“所述”不应被解释为将该元素限制为单数。