TW202327237A - 用於共振網路之雙路徑主動阻尼器 - Google Patents

用於共振網路之雙路徑主動阻尼器 Download PDF

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Abstract

一種雙路徑主動阻尼器使電力損失減少，同時消減共振電路中之漣波振盪波形。一條路徑將一節點電壓之峰值箝位在低於一受保護裝置之一額定電壓處，同時允許該節點電壓自然漣波振盪及衰減。另一路徑在峰值受到箝位之後等待某延遲，直到閉接主動開關以經過一RC緩衝器汲取一重設電流，用以主動減緩節點電壓之漣波振盪。設定主動開關之延遲及導通時間以使電力損失減少或甚至達到最小，以供在一指定週期內消減漣波振盪波形。

Description

用於共振網路之雙路徑主動阻尼器
本發明係有關於共振電路之阻尼，並且更特別的是，係有關於在消減漣波振盪波形之同時減少電力損失之雙路徑主動阻尼器。
電力轉換電子器件含有可突然改變狀態之電路，導致電壓波形快速變化。這在運用基於MOSFET、SiC及GaN半導體之高速切換元件的現代電力轉換器中尤為普遍。高變化率電壓可激發電路元件互連中固有之共振電路，導致波形出現漣波振盪。這些漣波振盪波形可導致電路組件出現過電壓應力、過度電磁干擾(EMI)以及對電力轉換器運作至關重要之測量損毀。
圖1A及1B展示一共振電路 100(例如：與寄生電容Cr串聯連接的並聯連接之寄生電感Lr及寄生電阻Rr)由帶有任意阻尼之一快速上升電壓波形(例如：強制函數Vs)驅動。當強制函數Vs 102從低轉變至高時，節點電壓Vr 104具有一產生的共振響應，其中Vr之峰值振幅係Vs之兩倍，並且具有下式之一共振頻率： (1)
一直流對直流切換式電力轉換器(SPC)具有一能量儲存區段、諸如一脈寬調變器(PWM)之一切換控制電路、一初級開關、以及一整流器。能量儲存區段回應於直流輸入電壓之選擇性施加以產生一電流及經調節直流輸出電壓。切換控制電路、初級開關及整流器對能量儲存區段控制直流輸入電壓之施加，用以設定經調節直流輸出電壓之值。「降壓」、「升壓」及「降壓/升壓」係基本SPC拓樸結構，可將其隔離以提供「返馳」及「順向」拓樸結構。這些可以是單端或雙端以及單或雙磁芯。
如圖2A至2C所示，一降壓轉換器 200包括一直流電壓源 202、包括電感器L1及電容器C1之一能量儲存區段 204 、包括開關S1 及S2 之一切換電路 206以及控制該等開關之一切換控制電路(圖未示)。開關S1及S2反向切換以從直流電壓源在節點 209處產生一方波強制函數。方波係藉由元件L1及C1濾波以產生一直流輸出電壓Vout。轉換函數係有關於S1之工作週期(D)乘以來源電壓Vg，用以得出： (2)
在一實際實作態樣中，切換電路之迴路面積係非零，並且養成一寄生電感Lr。另外，寄生電容Cr由於電路元件之布局以及開關S1與S2之輸出電容(Coss)而存在。當S2斷開且S1立即閉接時，跨越Lr出現處於Vg之一電壓階躍 207，在節點 209處導致漣波振盪之一節點電壓Vr 208。一設計良好之轉換器中之漣波振盪頻率遠高於電力轉換器之操作頻率，並且等級可以是30-50MHz。
節點電壓Vr漣波振盪至所施加直流輸入電壓Vg之兩倍。因此，開關S1及S1必須具有一電壓額定值(Vrated)才能可靠地耐受這種所施加之電壓應力。半導體開關一般而言，隨著更高之電壓額定值具有更高之電阻性損耗，因此希望將帶有盡可能低電壓額定值之開關用於該施加以實現最低之損耗及成本。另外，漣波振盪波形將產生非所欲高頻EMI。電力轉換器中之漣波振盪亦可中斷受控制操作。舉例而言，如果要透過一感測構件(圖未示)控制電感器電流L1，除非進行漣波振盪波形之減緩，否則在S1導通(D狀態)期間，感測將受漣波振盪負面影響。
可引進一緩衝元件以減緩一共振電路。緩衝元件以將共振元件中儲存之能量轉換成熱之一方式來***一損耗元件。如圖3所示，圖2所示類型之一降壓轉換器 300係設置有由通常稱為一「RC緩衝器」之電阻器Rsnub及電容器Csnub所構成之一簡易緩衝元件 302。Csnub交流耦接電阻器Rsnub，與共振電壓節點並聯，以防止直流損耗。實際上，Csnub將遠大於Cr (大致為2至10倍)，且Rsnub通常係設定為等於共振電路之特性阻抗： (3)
RC緩衝器之操作迫使電容器Csnub在各切換循環充電及放電，從而此該電路中緩衝電阻器之一階電力損失單純如下式： (4)
儘管有效緩衝共振電路中節點 306處節點電壓Vr 304之漣波振盪，簡易RC緩衝器仍提供有限之設計修改選項，並且可導致顯著損耗，因為損耗方程式係基於所施加電壓Vg之平方。
主動緩衝器技巧可藉由引進一主動開關來抵消簡易RC緩衝之一些限制，該主動開關之時序使得RC緩衝器係採用一受控制方式應用於共振電路。如圖4A至4C所示，類似於圖2之一降壓轉換器 400係設置有一主動緩衝器 402。主動緩衝器 402包括採用與RC緩衝器 406串聯之方式***之一主動開關S3 404(例如串聯連接之Rsnub與Csnub)以形成一主動箝位功能。開關S3係在S1閉接之後立即閉接，在節點 410處產生節點電壓Vr 408，並且S3係在S1斷開之前之某時間斷開。該切換型態防止Csnub完全放電，且從而緩衝器中之能量降低至緩衝電容器之差量電壓(例如：Vr – Vg)。由於損耗係有關於電壓之平方，主動緩衝器中之損耗可顯著降低，與簡易RC緩衝器形成對照。
以下係本發明之一彙總，以便提供對本發明一些態樣之一基本理解。此彙總用意不在於識別本發明之關鍵或重要元件或描繪本發明之範疇。其唯一目的是用來以一簡化形式介紹本發明之一些概念，作為稍後所介紹更詳細說明及定義申請專利範圍之一序言。
本發明提供一種雙路徑主動阻尼器，其使電力損失減少，同時消減共振電路中之漣波振盪波形。一條路徑將一節點電壓之峰值箝位在低於一受保護裝置之一額定電壓處，同時允許該節點電壓自然漣波振盪及衰減。另一路徑在峰值受到箝位之後等待某週期，直到閉接主動開關以經過一RC緩衝器汲取一重設電流，用以主動減緩節點電壓之漣波振盪。設定主動開關之延遲及導通時間以使電力損失減少或甚至達到最小，以供在一指定週期內消減漣波振盪波形。
在一實施例中，一雙路徑主動阻尼器包括耦接至節點之一公用緩衝電容器Csnub、包括Csnub、一二極體及一箝位電壓之一箝位路徑以及包括串聯連接之Csnub及一緩衝電阻器Rsnub與一主動開關的一阻尼路徑。在施加至共振網路的一強制函數之各正狀態變化處，一節點電壓Vr從一穩態值Vss增加直到超過Vr+Vclamp為止，於此時點，箝位路徑中之二極體傳導Iclamp以將節點電壓Vr之峰值電壓箝位於Vss + Vclamp (＜Vrated)。   在起於各正狀態變化之一延遲之後，主動開關閉接，使得阻尼路徑經過一RC緩衝器傳導一重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪。主動開關之延遲及閉接發生在節點電壓之峰值之箝位之後，並且於至少RC緩衝器之一最小重設週期維持閉接。
在不同實施例中，主動開關在閉接之前斷開或維持閉接以重疊強制函數之下一個負狀態變化。
在不同實施例中，主動開關之「導通時間」(閉接週期)可屬於固定或可變。如果可變，則導通時間可對強制函數中之變化作出回應。
在一實施例中，阻尼路徑更包括一二極體。阻尼路徑僅在二極體出現負偏移時經過串聯連接之RC緩衝器與二極體傳導重設電流。
在一實施例中，一切換式電力供應器(SPC)供應強制函數並定義共振網路。受保護裝置通常係位在SPC中之一開關。
在一實施例中，一系統包括多個不同共振網路或節點，必須在此處減緩一波形以保護不同裝置。
連同附圖，從以下對較佳實施例之詳細說明，本發明之這些及其他特徵及優點對所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見，其中：
儘管主動緩衝器相較於被動RC緩衝器在損耗方面提供改善，其仍無法在提供峰值電壓箝位能力之同時使損耗最佳化。特別的是，期望具有一主動阻尼功能，只要峰值電壓受箝位至一特定位準便允許節點電壓Vr於一設定間隔漣波振盪，用以在消減節點電壓Vr之前使轉換器之效能最佳化。然而，鑑於主動緩衝器之開關控制及拓撲結構，緩衝器中之損耗與Vr之電壓偏移的對照關係無法獨立受控制。開關S3可斷開或閉接。因此，緩衝器組態中之損耗必須以控制Vr之峰值電壓為代價。
如圖5所示，使主動緩衝器中之主動開關S3在閉接S1之後立即閉接會產生快速減緩之節點電壓Vr 500。如果主動開關S3延遲閉接，則允許節點電壓Vr 502漣波振盪，使損耗達到最小。然而，節點電壓Vr之峰值攀移至所施加直流輸入電壓之兩倍。一主動緩衝器有需要隨著共振電路之峰值電壓之獨立控制提供受控制消減作用。
根據本發明，一種雙路徑主動阻尼器使電力損失減少，同時消減共振電路中之漣波振盪波形。一條路徑將一節點電壓之峰值箝位在低於一受保護裝置之一額定電壓處，同時允許該節點電壓自然漣波振盪及衰減。另一路徑在峰值受到箝位之後等待某延遲，直到閉接主動開關以經過一RC緩衝器汲取一重設電流，用以主動減緩節點電壓之漣波振盪。將不同電壓用於箝位及消減會在緩衝器電力損失方面允許一顯著降低。設定主動開關之延遲及導通時間以使電力損失減少或甚至達到最小，以供在一指定週期內消減漣波振盪波形。
如圖6A及6B所示，一阻尼共振電路 600包括一強制函數Vs 602之一來源、一共振電路 604以及耦接至共振電路 604之一節點 608的一雙路徑主動阻尼器 606。來源 602可以是突然改變狀態導致電壓波形快速變化之任何來源。可使用任何一種SPC拓撲結構。共振電路 604可以是一分立電路或該來源內之一電路及節點，例如任何類型之SPC。可有波形漣波振盪且必須予以減緩之多個節點。一種選項是要策略性地使雙路徑主動阻尼器 606減緩一節點，並且藉此減緩其他下游節點。替代地，多個雙路徑主動阻尼器 606可耦接至不同節點及共振電路。
在大部分共振電路中，僅強制函數之一正狀態變化(例如從低電壓至高電壓)才產生必須減緩之一漣波振盪波形。通常，一負狀態變化係將節點切換至一負軌條，諸如使其受箝位於0伏特之接地電位或0伏特。
雙路徑主動阻尼器 606包括耦接至節點 608之一公用緩衝電容器Csnub 610、一箝位路徑 612及一阻尼路徑 614，這兩者都包括公用緩衝電容器Csnub 610。箝位路徑 612包括串聯之Csnub 610、一緩衝器二極體Dsnub 616及一箝位電壓Vclamp 618。Csnub約略係寄生電容之10倍，但經調整大小以維持峰值電壓並使電力消散達到最小。Vclamp可以是一特定所選電壓、或設計中之一方便電壓。舉例而言，Vclamp可以是電力轉換器之輸出電壓或一內部或外部偏置軌條。阻尼路徑 614包括形成一RC緩衝器的串聯之Csnub 610與Rsnub 620、以及一主動開關S1 622。Rsnub係適當地設定為等於共振網路之特性阻抗，使得RC緩衝器之時間常數可能是共振網路之週期之5至10倍，並且漣波振盪係於1至2個循環內完全消減。任選地，阻尼路徑 614可包括一二極體，藉此僅節點電壓Vr相對於穩態值之負偏移才發生消減。消減需要更長時間，但損耗會減少。
在強制函數Vs之各正狀態變化處，節點電壓Vr 624從一穩態值Vss (例如：Vs之切換式直流值)增加，直到其超過Vr + Vclamp為止，於此時點，二極體 616順偏，並且傳導一箝位電流Iclamp將節點電壓Vr之峰值電壓 625箝位於Vss + Vclamp。取決於Vr在漣波振盪時之自然減緩性質，峰值可能僅受箝位一次或多次，直到其衰減至小於Vss + Vclamp為止，於此時點，箝位路徑自行阻斷。對於受保護裝置，Vss + Vclamp ＜ Vrated。降低Vclamp會允許更低電壓額定值之使用，且裝置從而損耗更小。Vclamp之選擇係保護裝置與使損耗達到最小之間的一取捨。
在起於各正狀態變化之一時間延遲 626之後，主動開關S1 622閉接以傳導一重設電流Ireset使節點電壓Vr 624之漣波振盪減緩。時間延遲係至少通過峰值 625或共振電路之大約¼循環。舉例而言，時間延遲可以是共振電路之二至四個循環。延遲可屬於「固定」或「可變」，基於強制函數之變化使損耗達到最小。強制函數之變化舉例而言，可由一負載之變化驅動。主動開關S1之延遲及「導通時間」(閉接週期) 628係設定為使受限於節點電壓Vr從各正狀態變化在一指定週期 630內達到穩態值Vss之電力損耗減小，且較佳為達到最小。一般而言，延遲在消減之前盡可能長以使損耗達到最小。導通時間至少係RC緩衝器之一最小重設週期。通常，指定週期結束，並且主動開關S1在強制函數之下一個負狀態變化之前斷開。然而，在某些狀況中，導通時間會延長，並且重疊下一個負狀態變化，致使Csnub放電。這可發生在輸入電壓異常高時，以便將Csnub完全或部分放電，從而降低受保護裝置上之有效峰值節點電壓，因為Cnsub各循環都必須充電。這將使損耗增加，但異常狀況通常罕見且短暫，因此其可以是保護裝置直到輸入電壓回到其正常值為止之一良好取捨。
如圖7A及7B所示，降壓轉換器 700係設置有一雙路徑主動阻尼器 702。降壓轉換器 700包括供應電壓Vg之一直流電壓源 704、包括電感器L1及電容器C1之一能量儲存區段 706、包括開關S1及S2之一切換電路 708以及控制該等開關之一切換控制電路(圖未示)。開關S1及S2反向切換以從直流電壓源在節點 710處產生一方波強制函數。方波係藉由元件L1及C1濾波以產生一直流輸出電壓Vout。降壓轉換器之一寄生電感Lr及一寄生電容Cr定義一共振網路 712。當S2斷開並且S1立即閉接時，產生一電壓階躍，該電壓階躍在節點 710處產生一節點電壓Vr 714。如果保持不受控制，則節點電壓Vr將漣波振盪至所施加直流輸入電壓Vg之兩倍。因此，開關S2將需要一額定電壓Vrated ＞ 2*Vg，這一般而言非所欲。
反而，雙路徑主動阻尼器 702將Vr之峰值箝位至Vg + Vout (其中在這項實施例中，Vclamp係Vout)，限制Vr之峰值偏移，以及允許Vr漣波振盪並自然衰減強制函數之約3個循環。主動開關S3受延遲以實現最低損耗消減。因此，雙路徑主動阻尼器允許獨立控制消減及峰值電壓控制，使損耗達到最小並保護裝置(在這種狀況中為開關S2)。
如圖7B所示，節點電壓Vr 714受箝位於一指定峰值，允許漣波振盪，然後在一指定週期內減緩至穩態值Vss = Vg。對於圖3A至3B中所示類型之一被動RC緩衝器，一節點電壓Vr 720增加至一更高峰值，然後快速減緩至穩態值。對於圖4A至4C所示類型之一主動Rc緩衝器，一節點電壓Vr 722係快速減緩至穩態值。主動開關S3在開關S1之正狀態變化 726之後立即閉接 724。節點電壓Vr 714之箝位峰值實際上遠高於被動或主動緩衝器擇一之峰值，這進一步降低雙路徑主動緩衝器中之損耗。主動開關S3在起於正狀態變化 726之指定延遲 730之後閉接 728。雙路徑主動緩衝器允許節點電壓Vr上升至一更高值，並且漣波振盪(同時箝位峰值電壓 ＜ Vrated)一段時間。雙路徑主動緩衝器用之差量V小於已知主動緩衝器用之差量V。結果是，減緩Vr所需之總電力損失遠低於被動或主動RC緩衝器擇一。對於一給定狀況，相對電力損失強烈取決於電路拓樸結構、共振網路、負載及強制函數。也就是說，可能預期雙路徑主動緩衝器之電力損失為主動緩衝器之電力損失的四分之一至三分之一。
為了實例目的，讓我們走查強制函數之一循環及雙路徑主動緩衝器之響應。假設電路處於一負狀態(S1斷開、S2閉接、S3斷開)，並且已達到穩態狀態，其中節點電壓Vr處於0伏特接地電位。電壓VCsnub係處於Vg。Csnub、Rsnub與Dsnub之結合處之電壓係–Vg。
斷開S2、閉接S1以在強制函數中產生一正狀態變化。Lr及Cr之共振電路開始共振，並且Vr於0 V處開始，然後朝向2*Vg共振，當二極體Dsnub順偏時促動箝位路徑。Vr之第一峰值(假設其 ＞ Vg + Vout)受箝位。取決於強制函數、Vclamp及節點電壓Vr之自然減緩，附加峰值可以或可不受箝位。
在一延遲之後，閉接S3促動阻尼路徑經過Csnub及Rsnub汲取重設電流以將節點電壓Vr減緩至等於Vg。阻尼路徑汲取藉由箝位路徑放在Csnub上之所有附加電荷，並且使其消散在Rsnub中。VRsnub係Vr (現為Vg)與VCsnub之間的差異，其在穩態時為零。彼「差量」對於已知主動緩衝器小於一對應差量，並且代表電力損失。在穩定階段，Vr = Vg、VCsnub = Vg、VRsnub = 0以及重設電流為零，並且S3斷開。
於強制函數之下一個負狀態變化，閉接S2及斷開S1 (S3維持斷開)將Vr驅動至0電壓之接地電位。VCsnub在+Vg處維持充電。於下一個正狀態變化，重複該過程。
現請參照圖8A及8B，一開關控制器 800之一實施例包括接收一正狀態變化命令 803之一延遲 802、一計時器 804以及一開關驅動器 806，其產生一命令 806以驅動雙路徑主動緩衝器中之主動開關。基於強制函數(例如：SPC)之一正狀態變化，正狀態變化命令 803對於開關控制器係主動輸入。該命令可以是驅動強制函數之一時脈信號或節點電壓Vr之升緣的一函數。
T1等於命令信號之時間。
T_delay係偏離命令信號之時間，並且係延遲調整之一函數。
延遲調整控制延遲量，可以是轉換器之操作點(即輸入電壓、輸出電壓、輸出功率)之一函數。
T_timer係主動開關受命導通之時間，並且係計時器調整之一函數。
計時器調整控制主動開關之導通時間，並且可以是轉換器之操作點(即輸入電壓、輸出電壓、輸出功率)之一函數。
基於轉換器之操作點(即輸入電壓、輸出電壓、輸出功率)，T_timer可小於T1或大於T1。
無論是固定或可變，T_delay及T_timer係設定為使電力損失降低或最小化至減緩。
雙路徑主動阻尼器可在重設或箝位路徑中實施有主動開關，並且實施有諸如MOSFET或GaN FET等具有本質反並聯傳導元件之非理想開關。如圖9所示，在一阻尼降壓轉換器 900中，雙路徑主動阻尼器之主動開關S3係實施有一N通道MOSFET或GaN開關 902，其位在箝位及阻尼路徑兩者中，並且利用N通道MOSFET之反並聯本質內接二極體、或GaN FET之逆向通道傳導模式在S3斷開時提供箝位路徑連接能力。阻尼路徑需要一阻絕二極體D2 904以防止箝位電流在箝位間隔期間流經Rsnub。二極體D2將消減限制為節點電壓Vr之負偏移。如圖10所示，在一阻尼降壓轉換器 1000中，主動開關S3係實施有僅置放在阻尼路徑中之一P通道MOSFET 1002。反並聯內接二極體致使P通道裝置D2 1004之極性防止箝位電流於箝位間隔期間在Rsnub中流動。D2係箝位路徑妥善運作所需，並且亦將消減限制為節點電壓Vr低於Vg之負偏移。這使減緩Vr所需之導通時間量增加，但使損耗減少。
在兩實施例中，可選擇一MOSFET或一GaN開關，其具有當作Rsnub之一導通狀態電阻(Rds_on)。因此，將Rsnub併入主動開關裡。更一般而言，Rsnub可以是一離散電阻性元件或主動開關之一導通電阻。
雙路徑主動阻尼器係舉一實例在一降壓轉換器上例示，並且為了比較，係在已知之被動及主動緩衝器中例示。可將其應用於箝位及消減任何共振網路。
如圖11A所示，返馳轉換器 1100在初級開關S1頂部之節點處 1106、及輸出整流器D1頂部之節點 1108處，如圖10中所實施，係設置有一對雙路徑主動阻尼器 1102及 1104。替代地，可僅在初級上或僅在次級上提供消減。返馳轉換器 1100包括一直流電壓源 1110、一變換器T1、初級開關S1、整流器D1及輸出電容器C1。一初級共振網路包括變換器T1之漏電感Lk及開關S1之輸出電容(Coss)。一次級共振網路包括漏電感Lk (透過變換器T1反射)及整流器寄生電容CD1。
對於初級，雙路徑主動阻尼器 1102包括一公用緩衝電容器Csnub2、包括Csnub2、一二極體Dsnub2及示為Vg之一箝位電壓(可以是任何其他電壓，但Vg具便利性，並且其使能量再循環回到Vg)之一箝位路徑、以及包括Csnub2、Rsnub2、主動開關S4 (P通道MOSFET)及一二極體D3之一阻尼路徑，需要二極體D3用於妥善操作帶有P通道MOSFET之箝位路徑，並且使消減限制於節點 1106處Vr2之負偏移。一返馳之初級上之箝位對於憑藉一被動整流器(或模擬一二極體之一主動整流器)運作之返馳轉換器尤其受關注，因為其提供一主動箝位功能，允許變換器之磁化電流停留在第一象限。這對於藉由將轉換器保持在一強制不連續模式來降低電力具有效益，先前技術之主動箝位不可能具有此效益。
對於次級，雙路徑主動阻尼器 1104包括一公用緩衝電容器Csnub1、包括Csnub1、一二極體Dsnub1及示為Vout之一箝位電壓(可以是任何其他電壓，但再次地，其具便利性)之一箝位路徑、以及包括Csnub1、Rsnub1、主動開關S3 (P通道MOSFET)及一二極體D2之一阻尼路徑，需要二極體D2用於妥善操作帶有P通道MOSFET之箝位路徑，並且使消減限制於節點 1108處Vr1之負偏移。
在返馳轉換器中，當開關S1閉接時，變換器T1作用就像一耦接之電感器，用以跨越整流器D1施加電壓Vg + Vout (假設跨越T1之匝數比為一)。這將能量儲存在變換器T1之氣隙及磁化電感中。Vout係由輸出電容器C1上之電壓提供支援。當開關S1斷開時，整流器二極體D1傳導電流，轉移儲存在變換器T1中之能量並遞送電流至輸出電容器C1，用來支援Vout，並用來還原之前半循環中用以支援Vout之電荷。
如圖11B所示，當S1切換為處於高位準(導通或閉接)為變換器T1充電時，跨越變換器T1施加電壓Vg，致使Lk與CD1之次級共振電路共振且節點電壓Vr1漣波振盪。雙路徑主動阻尼器 1104箝位Vr1，並且在一延遲之後，將S3切換為處於高位準以減緩Vr1。當S1切換為處於低位準(阻斷或斷開)以使T1放電時，Lk及Coss之初級共振網路共振且節點電壓Vr2漣波振盪。雙路徑主動阻尼器 1102箝位Vr2，並且在一延遲之後，將S4切換為處於高位準以減緩Vr2。
儘管已經展示及說明本發明之數項說明性實施例，所屬技術領域中具有通常知識者仍將想到眾多變例及替代實施例。得以思忖並且施作此類變例及替代實施例而不脫離如隨附申請專利範圍所定義之本發明之精神及範疇。
100,604:共振電路 102,602,Vs:強制函數 104,208,304,408,500,502,624,714,720,722:節點電壓 200,300,400,700:降壓轉換器 202,704:直流電壓源 204,706:能量儲存區段 206,708:切換電路 207:電壓階躍 209,306,410,608,710,1106,1108:節點 302:簡易緩衝元件 402:主動緩衝器 404,622,S1,S2,S3,S4:開關,主動開關 406:RC緩衝器 600:阻尼共振電路 606,702,1102,1104:雙路徑主動阻尼器 610,Csnub,Csnub1,Csnub2:公用緩衝電容器 612:箝位路徑 614:阻尼路徑 616,Dsnub:緩衝器二極體 618,Vclamp:嵌位電壓 620,Rsnub,Rsnub1,Rsnub2:電阻器,緩衝電阻器 625:峰值 626:時間延遲 628:延遲及「導通時間」(閉接週期) 630:指定週期 712:共振網路 724,728:主動開關S3閉接 726:正狀態變化 730:指定延遲 800:開關控制器 802:延遲 803:正狀態變化命令 804:計時器 806:開關驅動器 900,1000:阻尼降壓轉換器 902:N通道MOSFET或GaN開關 904:阻絕二極體 1002:P通道MOSFET 1004:P通道裝置 1100,1110:返馳轉換器 C1:電容器 Coss:輸出電容 CD1,Cr:寄生電容 D1:整流器 D2,D3,Dsnub1,Dsnub2:二極體 Iclamp:箝位電流 Ireset:重設電流 L1:電感器 Lk:漏電感 Lr:寄生電感 Rr:寄生電阻 T1:變換器 T1,T_delay,T_timer:時間 VCsnub,Vg:電壓 Vout:直流輸出電壓 Vr,Vr1,Vr2:節點電壓
圖1A及1B如上述，繪示一基本共振電路，其受制於隨著任意阻尼產生一快速上升電壓之一強制函數； 圖2A至2C如上述，繪示使用一降壓轉換器來提供強制函數及漣波振盪並自然減緩之節點電壓； 圖3A及3B如上述，繪示帶有一被動RC緩衝器及經減緩節點電壓之一降壓轉換器； 圖4A至4C如上述，繪示帶有一主動RC緩衝器及經減緩節點電壓之一降壓轉換器； 圖5繪示用於一主動RC緩衝器之一對切換型態，其中在一種狀況中，主動開關立即閉接以減緩節點電壓，而在另一種狀況中，主動開關受延遲以允許節點電壓在減緩之前漣波振盪以減少電力損失； 圖6A及6B繪示帶有一雙路徑主動阻尼器之一共振電路之一實施例，其立即箝位峰值節點電壓，並且允許節點電壓在促動RC緩衝器之前漣波振盪以使電力損失達到最小； 圖7A及7B繪示帶有一雙路徑主動阻尼器之一降壓轉換器之一實施例，其立即箝位峰值節點電壓，並且允許節點電壓在消減之前漣波振盪以使電力損失達到最小； 圖8A及8B係用以對主動開關之延遲及導通時間進行控制之一開關控制器的方塊圖及時序圖； 圖9及10係帶有一雙路徑主動阻尼器之降壓轉換器之實施例，其繪示主動開關之不同實作態樣；以及 圖11A及11B繪示帶有一雙路徑主動阻尼器之一返馳轉換器之一實施例，其立即箝位峰值節點電壓，並且允許節點電壓在消減之前漣波振盪以使電力損失達到最小。
600:阻尼共振電路
602,Vs:強制函數
604:共振電路
606:雙路徑主動阻尼器
608:節點
610,Csnub:電容器：公用緩衝電容器
612:箝位路徑
614:阻尼路徑
616,Dsnub:緩衝器二極體
618,Vclamp:嵌位電壓
620,Rsnub:電阻器，緩衝電阻器
622,S1:開關，主動開關
Cr:寄生電容
Iclamp:箝位電流
Ireset:重設電流
Lr:寄生電感
Rr:寄生電阻
VCsnub:電壓
Vr:節點電壓

Claims (21)

  1. 一種用於一共振網路之雙路徑主動阻尼器，其中一強制函數Vs為一裝置產生一節點電壓Vr，其在該強制函數之各正狀態變化處繞著一穩態值Vss漣波振盪，該雙路徑主動阻尼器包含： 一緩衝電容器Csnub，其係耦接至該節點； 一箝位路徑，其包括耦接至Csnub之一箝位電壓Vclamp，該箝位路徑在各正狀態變化處傳導一箝位電流Iclamp以將節點電壓Vr之一峰值箝位在Vss + Vclamp處；以及 一阻尼路徑，其包括一緩衝電阻器Rsnub及耦接至Csnub之一主動開關，在起於各正狀態變化之一延遲之後，該主動開關閉接，使得該阻尼路徑傳導一重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪。
  2. 如請求項1之雙路徑主動阻尼器，其中一切換式電力供應器(SPC)供應該強制函數，並且該裝置係位在該SPC中之一開關。
  3. 如請求項1之雙路徑主動阻尼器，其中該箝位路徑更包括與Csnub及Vclamp串聯之一二極體，其中在各正狀態變化處，節點電壓Vr從該穩態值Vss增加直到超過Vr+Vclamp為止，於此時點，該二極體傳導Iclamp以將節點電壓Vr之峰值電壓箝位在Vss + Vclamp處。
  4. 如請求項1之雙路徑主動阻尼器，其中該裝置具有一額定電壓Vrated，其中Vss + Vclamp ＜ Vrated。
  5. 如請求項1之雙路徑主動阻尼器，其中該阻尼路徑經過串聯連接之Csnub與Rsnub傳導該重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪。
  6. 如請求項5之雙路徑主動阻尼器，其中該阻尼路徑包括一二極體，其中該阻尼路徑僅在節點電壓Vr相對於Vss之負偏移時經過串聯連接之Csnub與Rsnub及二極體傳導該重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪。
  7. 如請求項5之雙路徑主動阻尼器，其中該主動開關之延遲及閉接發生在對該節點電壓之該峰值的箝位之後。
  8. 如請求項7之雙路徑主動阻尼器，其中該主動開關於串聯連接之Csnub與Rsnub之至少一最小重設週期維持閉接。
  9. 如請求項8之雙路徑主動阻尼器，其中該主動開關在該強制函數之下一個負狀態變化之前斷開。
  10. 如請求項8之雙路徑主動阻尼器，其中該主動開關維持閉接以重疊該強制函數之下一個負狀態變化。
  11. 如請求項8之雙路徑主動阻尼器，其中設定該主動開關之該延遲及一導通時間以減少儲存在Csnub中之電荷，以降低受限於節點電壓Vr在起於各正狀態變化之一指定週期內達到該穩態值Vss的阻尼損耗。
  12. 如請求項11之雙路徑主動阻尼器，其中該導通時間為可變，並且對該強制函數之變化作出回應。
  13. 如請求項1之雙路徑主動阻尼器，其中該主動開關包含一MOSFET或GaN開關，其具有提供緩衝電阻器Rsnub之一導通狀態電阻。
  14. 一種用於一共振網路之雙路徑主動阻尼器，其中一強制函數Vs為一裝置產生一節點電壓Vr，其在該強制函數之各正狀態變化處繞著一穩態值Vss漣波振盪，該雙路徑主動阻尼器包含： 一緩衝電容器Csnub，其係耦接至該節點； 一箝位路徑，其包括耦接至Csnub之一箝位電壓Vclamp，該箝位路徑在各正狀態變化處傳導一箝位電流Iclamp以將節點電壓Vr之一峰值箝位在Vss + Vclamp處；以及 一阻尼路徑，其包括一緩衝電阻器Rsnub及耦接至Csnub之一主動開關以形成一RC緩衝器，在起於各正狀態變化之一延遲之後，節點電壓Vr於該延遲期間從其峰值自然衰減，該主動開關於一導通時間閉接，使得該阻尼路徑經過該RC緩衝器傳導一重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪，其中設定該延遲及導通時間以減少儲存在Csnub中之電荷，以減少受限於節點電壓Vr在起於各正狀態變化之一指定時間內達到該穩態值Vss的阻尼損耗。
  15. 如請求項14之雙路徑主動阻尼器，其中該裝置具有一額定電壓Vrated，其中Vss + Vclamp ＜ Vrated。
  16. 如請求項14之雙路徑主動阻尼器，其中該阻尼路徑包括一二極體，其中該阻尼路徑僅在節點電壓Vr相對於Vss之負偏移時才經過該RC緩衝器及二極體傳導該重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪。
  17. 如請求項14之雙路徑主動阻尼器，其中該主動開關之該導通時間為可變，並且對該強制函數之變化作出回應。
  18. 一種阻尼切換式電力轉換器(SPC)，其包含： 一SPC，其包括回應於選擇性施加一直流輸入電壓Vin以產生一強制函數之一能量儲存區段(ESS)、以及至少開關S1及S2，該等開關S1及S2反向切換以選擇性施加該直流輸入電壓Vin； 其中該SPC之一寄生電感Lpar及一寄生電容Cpar形成一共振網路； 其中將該強制函數套用於該共振網路以產生跨越開關S2之一節點電壓Vr，其在該強制函數之各正狀態變化處繞著一穩態值Vss漣波振盪；以及 一雙路徑主動阻尼器，其包括 一緩衝電容器Csnub，其係耦接至該節點； 一箝位路徑，其包括耦接至Csnub之一箝位電壓Vclamp，該箝位路徑在各正狀態變化處傳導一箝位電流Iclamp以將節點電壓Vr之一峰值箝位在Vss + Vclamp處；以及 一阻尼路徑，其包括一緩衝電阻器Rsnub及耦接至Csnub之一主動開關以形成一RC緩衝器，在起於各正狀態變化之一延遲之後，該主動開關於一導通時間閉接，使得該阻尼路徑經過該RC緩衝器傳導一重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪。
  19. 如請求項18之阻尼SPC，其中該裝置具有一額定電壓Vrated，其中Vss + Vclamp ＜ Vrated。
  20. 如請求項18之阻尼SPC，其中該阻尼路徑包括一二極體，其中該阻尼路徑僅在節點電壓Vr相對於Vss之負偏移時才經過該RC緩衝器及二極體傳導該重設電流Ireset以減緩節點電壓Vr之漣波振盪。
  21. 如請求項18之阻尼SPC，其中該主動開關之該導通時間為可變，並且對該強制函數之變化作出回應。
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