【专利解密】矽力杰隔离型功率变换器方案实现变压器磁集成及降低控制复杂度

【爱集微点评】矽力杰公开的隔离型功率变换器方案，通过直接调节副边开关网络中的副边开关组件以调节输出号，使得副边漏感可以作为功率储能元件，实现了变压器的磁集成，进而可以无需原副边的反馈号通路，降低了控制复杂度和制造成本。

集微网消息，高频变压器在需要电气隔离的变流器应用场合里是不可或缺的。传统的高频变压器在物理构成中因为有高磁导率的磁芯可对绕组磁力线分布进行束缚，所以耦合系数相对较高（k>0.9），其原副边之间的漏感也较小。

但是在一些特定的应用场合，比如无线充电或者高功率密度模块电源等应用中，因为构成变压器的原副边绕组物理位置相对不固定，亦或是超高开关频率下因磁芯材质问题造成损耗太大而不可接受时，在变压器原副边加磁芯元件实现高耦合系数的办法已不能继续延用。

在去除磁芯后，变压器为松耦合，其耦合系数将大大降低（k<0.5），此时原副边的漏感会急剧增加，在数量级上已经和变压器激磁电感相等。增大的漏感会对电力电子变流器造成严重问题，一方面可能会造成元器件电压应力的上升，另一方面会恶化变流器的输出特性，造成变流效率降低，因此需要在电路及控制层面上加以消除或补偿。

针对该问题，矽力杰在2022年8月31日申请了一项名为“一种隔离型功率变换器”的发明专利（申请号202211060883.6），申请人为矽力杰半导体技术（杭州）有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中公开的隔离型功率变换器的电路示意图，隔离型功率变换器包括原边电路11、变压器12和副边电路13。其中，原边电路被配置为产生交流输入号Ui，由原边阻抗网络111组成，原边阻抗网络为带有变压器原边漏感的阻抗网络以及用于补偿或调整变压器整体阻抗而加入的谐振电容。变压器原边绕组和副边绕组，其为理想的变压电路，仅包括原副边交链磁通完全耦合的部分。

该专利中的方案，将隔离型功率变换器以变压器的原副边进行划分，隔离型功率变换器中的原边逆变部分作为半级，功率变换器的副边所有功率器件形成为一级完整的变流器。此时，变压器的副边漏感被赋予功能化，作为后级变流器的功率储能元件，实现了变压器的磁集成。

副边电路包括AC‑AC变流电路131和反馈控制电路132。其中，AC‑AC变流电路被配置为对接收到的副边输入号Ui进行AC‑AC变换，以生成输出号Uo。AC‑AC变流电路经由副边开关网络中131a的副边开关组件和副边绕组的副边漏感Lks实现变流。反馈控制电路被配置为根据表征输出号Uo的输出反馈号控制副边开关网络中的副边开关组件的开关状态，以调节输出号Uo，使其趋向于期望值。

由此，该方案中的隔离型功率变换器可以利用副边电路中的副边漏感实现副边闭环控制，也即在副边电路中通过负反馈方式调节副边开关网络中的副边开关组件的开关状态，以实现副边自稳压或稳流。同时，还可以使得原边电路中的原边开关网络以固定占空比或固定频率进行开环控制，这实现了无需原副边通即可调节输出号，进而实现了原副边解耦，降低了电路结构的复杂度和成本。

如上图，为该专利中展示的副边电路的电路示意图，副边电路包括由副边漏感Lks和副边开关网络211形成的AC‑AC变流电路21和反馈控制电路22。其中，副边开关网络包括一个副边开关组件，该组件受控于对应的驱动号调整开关状态，以调节输出电压，实现稳压和稳流。

其中，副边开关组件的驱动号根据输出电压对应的误差号确定，其开关频率不小于原边开关组件的开关频率，并且频率不小于原边开关组件的开关频率的2倍。从而使得原副边能量传输时间具有差异性，以实现副边自稳压和稳流，同时无需设置原副边的反馈号通路，实现了原副边解耦。副边电路还包括与输出等效电阻Ro并联的输出电容Co，以进一步稳定输出电压、电流等电号。

如上图，为副边开关组件驱动号的示意图，从图中可以看到，副边开关组件31与副边开关组件32的驱动号SW1和SW2互补。

在t0‑t01时刻，副边开关组件的驱动号置高，副边开关组件受控导通，形成副边漏磁Lks、副边开关组件以及副边绕组的回路。在t01‑t02时刻，副边开关组件的驱动号置高，副边开关组件受控导通，形成副边漏磁Lks、副边开关组件、输出等效电阻以及副边绕组的回路。

最后，如上图，为上述副边控制方法的流程图。首先，采样获取输出反馈号，输出反馈号用于表征输出号。其次，比较输出反馈号和参考号，以获取输出号的误差号，并根据该误差号和预先设置的斜坡号，获取副边AC‑AC变流电路中的副边开关组件的驱动号，根据驱动号控制对应的副边开关组件调整开关状态，以调节输出号。

以上就是矽力杰公开的隔离型功率变换器方案，该方案通过直接调节副边开关网络中的副边开关组件以调节输出号，使得副边漏感可以作为功率储能元件，实现了变压器的磁集成，进而可以无需原副边的反馈号通路，降低了控制复杂度和制造成本。

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（校对/赵月）