用于电力转换器中的谐振能量最小化的方法及设备技术

在所描述的实例中，一种零电压转变电路包含输入节点、输出节点、开关节点、耦合所述开关节点及输出节点的输出电感器、耦合所述输出节点及接地的输出电容器、耦合所述输入节点及开关节点的第一开关、耦合开关节点及接地的第二开关、将所述输入节点耦合到辅助节点的第一辅助开关、将所述辅助节点耦合到接地的第二辅助开关以及将所述辅助节点耦合到所述开关节点的辅助电感器。一种实例方法(700)包含：闭合所述第一辅助开关(703)以将所述输入耦合到所述辅助节点；随后，当电流低于截止阈值(705)时，断开所述第二开关(707)；在第一延迟周期(709)之后，断开所述第一辅助开关(711)并闭合所述第二辅助开关；并且在第二延迟周期(713)之后，闭合所述第一开关(715)。

Method and apparatus for minimizing resonance energy in power converters

In the example described, a zero voltage transition circuit consists of an input node, an output node, a switch node, an output inductor of the coupled switch node and an output node, a coupled output node and an earthing output capacitor, a coupled input node, a first switch, a coupling switch node, and a joint point. The ground second switch, coupled the input node to the first auxiliary switch of the auxiliary node, coupling the auxiliary node to the ground second auxiliary switch, and coupling the auxiliary node to the auxiliary inductor of the switch node. An example method (700) includes: closing the first auxiliary switch (703) to coupling the input to the auxiliary node; then, when the current is lower than the cut-off threshold (705), the second switch (707) is disconnected; after the first delay period (709), the first auxiliary switch (711) is disconnected and the second auxiliary switch is closed. And after the second delay period (713), the first switch (715) is closed.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电力转换器中的谐振能量最小化的方法及设备
本专利技术大体上涉及电子电路，并且更特定来说涉及用于使用在将电力供应到负载的主电力开关或晶体管处的零电压转变(ZVT)切换来增加切换电力转换器的效率的方法及电路。
技术介绍
切换电力供应器已存在数十年，并且目前在电子工业中大量使用。切换电力供应器常用于许多类型的电子装备，例如工业机械、汽车电子、计算机及服务器、移动消费型电子产品(例如，移动电话及平板计算机)、用于移动电子产品的电池充电器以及低成本/重量轻的物品(例如，无线耳机及钥匙链手电筒)。许多应用包含用于便携式电池供电装置的切换电力供应器，其中对于装置的部分(例如在相当低的DC电平下操作的集成电路)，初始电压逐步减低到降低电压。切换供应器很受欢迎，因为与使用非切换电力供应器(如线性电力供应器)的常规方法相比较，切换电力供应器在电力的电压及电流电平转换时可设计为重量轻、成本低及效率高的。通过使用高速低损耗开关(例如MOSFET晶体管)在切换电力供应器中实现高效率，以仅在需要时将来自输入电力源(例如电池)的能量转移到正被供电的电子装备(负载)，以便于维持负载所需的电压及电流电平。执行从供应特定电压及电流范围内的电能的直流(DC)输入(例如电池)到由负载所需的不同DC电压及电流范围的转换的切换电力供应器被称为“DC-DC”转换器。许多常规DC-DC转换器通过采用零电压转变(ZVT)功能性能够实现接近或超过90％的效率。ZVT技术由华(Hua)等人开发，并且描述在1994年发表的论文(“新型零电压转变PWM转换器(NovelZero-Voltage-TransitionPWMConverters)”，G.华(G.Hua)，C.-S.吕(C.-S.Leu)，Y.江(Y.Jiang)及F.C.李(F.C.Lee)，IEEE电力电子学报(Trans.PowerElectron)，第9卷，第2期，第213页到219页，1994年3月)中。在常规DC-DC转换器中使用ZVT功能降低由于切换而发生的能量损失，并且具有降低DC-DC转换器的主电力开关上的电压应力的额外益处。降低开关上的电压应力允许开关具有较低的电压容差额定值，因此可能使开关更小且成本更低。常规DC-DC转换器的ZVT电路在切换元件上引入额外开关及对应额外能量损失及电压应力。然而，ZVT功能的能量损失及电压应力的影响远不及采用ZVT功能性的切换转换器的整体性能改进。如果降低ZVT功能的能量损失及电压应力，那么电子装备可能会以多种方式得到改进，例如延长的电池寿命、较低操作成本及改进的热量管理。为更好地说明常规ZVT方法的缺点，图1展示布置在被称为降压转换器的电路拓扑中的常规ZVTDC-DC转换器电路10。降压DC-DC转换器在比输入电压更低的电压下提供输出电压。可受益于使用ZVT切换的其它类型的DC-DC转换器包含将到负载的电压增加到大于输入电压的升压转换器，以及在降压与升压功能之间动态转变以适应可能大于或小于负载所需的输出电压的各种输入电压电平的降压-升压DC-DC转换器。图1说明电路10的切换元件、关键无源组件及关键寄生元件的简化电路图。为简化解释，图1省略常规ZVTDC-DC降压电力转换器中的次要组件、次要寄生元件、用于监测输出电压的电路以及用于控制切换时序的控制电路。图1的电路10含有两个主电力开关S1及S2，其(结合输出电感器Lo及电容器Co)用于在输出电压电平Vo下执行向负载(表示为电阻负载Ro)供应能量的降压转换器的主要功能，所述输出电压电平Vo是来自DC输入电压Vin的降低的电压。Vin表示作为到ZVT电力转换器的输入电压源(例如电池或另一电力供应器)的外部元件及跨越Vin输入电压源的正及负端子的电压电平两者。辅助开关Sa1及Sa2以及辅助电感La是用于实现ZVT功能性的额外组件(添加到常规切换转换器拓扑中)。在图1中由电感器Lbyp表示有助于开关S2上的电压应力的主寄生电感。S1的源极端子、S2的漏极端子及每一电感器La及Lo的一个端子如图1中所展示那样耦合到公共节点，其被称为开关节点，并且被标记为图1中的开关节点。第一辅助开关Sa1、第二辅助开关Sa2及辅助电感器La在标记为辅助节点的辅助节点处耦合在一起。图1的实例降压转换器10中的所有四个开关(S1、S2、Sa1及Sa2)是增强模式n沟道MOSFET。开关S1及S2的漏源寄生电容对于电路描述是重要的，并且在图1中分别被说明为Cds1及Cds2。还展示MOSFET开关的本征体二极管连接在针对图1的所有开关(S1、S2、Sa1及SA2)的源极及漏极之间。增强模式n沟道MOSFET通常用作常规DC-DC转换器中的开关，如图1中的实例中所展示，但其它类型的晶体管开关(以及在某些情况下的二极管开关)已被采用并且可用于形成降压转换器10或其它类型的切换电力转换器。图1的电路10通过替代地在两个主要状态之间切换来实现将降低电压供应到负载(跨越电阻器Ro的电压)的主降压转换器功能。在主要状态中的一者(由开关S1闭合及开关S2断开来定义，这意味着开关S1是导通的晶体管，而开关S2是关断的晶体管)中，输入电压源(Vin)将能量供应到负载，并且维持或增加磁能的能量也被存储在电感器Lo中。在另一主要状态(由开关S1断开及开关S2闭合来定义，这意味着开关S1是关断的晶体管，而开关S2是导通的晶体管)中，从输入(Vin)流动的电流被阻塞，并且存储在电感器Lo中的磁能被转换成电能并且向负载(电阻器Ro)供应能量。通过改变电路在每一主要状态中花费的相对时间量，将跨越负载Ro的电压维持在预定义范围中。在上文描述的两种状态之间交替的转换器有时被描述为脉宽调制(PWM)切换转换器，这是因为输出Vo与输入电压Vin乘以开关S1的占空比(开关S1的接通时间与总循环周期的比率)成比例。通常，常规降压转换器在这些状态之间快速循环(通常在几百KHz到1MHz及以上)。除两个主要状态之外，在两个主要状态之间的转变期间发生短暂停滞时间。在停滞时间期间，开关S1及S2同时断开，因此实施开关S1及S2的晶体管同时关断。停滞时间确保不存在跨越输入电压源(Vin)直接接地的高电流路径，这可在S1及S2两者都闭合时发生。常规PWM切换电力供应器在每一操作循环期间采用两个停滞时间：第一停滞时间发生在开关S1断开时，并在开关S2闭合时结束；且第二停滞时间发生在开关S2断开时，并在开关S1闭合时结束。ZVT功能在第二个停滞时间开始之前的一小段时间中操作，S2断开，并且ZVT功能在第二个停滞时间结束之后的一小段时间结束，开关S1闭合。ZVT功能不在上文描述的降压转换器循环的第一停滞时间(开关S1断开与S2闭合之间的时间)中操作。图2是用以操作针对常规ZVTDC-DC降压转换器的ZVT功能性的开关转变事件序列的时序图。在图2中，切换事件标记为t0、t1、t3及t4。为增加解释的简单性，在图2中没有事件被标记为t2。在开关S2断开与开关S1闭合之间的时间间隔期间上文描述的停滞时间在图2所说明的事件t1处开始并且在事件t3处结束。图1中所说明的四个开关(S1、S2、Sa1及Sa2)中的每一者的断开及闭合状态在图2中通过施加到开关栅极的电压(分别为V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种操作零电压转变电路的方法，所述方法包括：提供零电压转变电路，其包括接收输入电压的输入节点、输出输出电压的输出节点、开关节点、串联耦合在所述开关节点与所述输出节点之间的输出电感器、耦合在所述输出节点与接地电势之间的输出电容器、用于将所述输入节点耦合到所述开关节点的第一开关、用于将所述开关节点耦合到所述接地电势的第二开关、用于将所述输入节点耦合到辅助节点的第一辅助开关、用于将所述辅助节点耦合到所述接地电势的第二辅助开关、以及耦合在所述辅助节点与所述开关节点之间的辅助电感器；操作所述零电压转变电路，使得所述第一开关断开，所述第二开闭合，所述第一辅助开关断开，且所述第二辅助开关断开；闭合所述第一辅助开关以将所述输入电压耦合到所述辅助节点及所述辅助电感器；随后，监测流过所述第二开关的电流，并且当电流低于电流截止阈值时，断开所述第二开关；在第一延迟周期之后，断开所述第一辅助开关并且随后闭合所述第二辅助开关；以及在第二延迟周期之后，闭合所述第一开关。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.29 US 14/982,7501.一种操作零电压转变电路的方法，所述方法包括：提供零电压转变电路，其包括接收输入电压的输入节点、输出输出电压的输出节点、开关节点、串联耦合在所述开关节点与所述输出节点之间的输出电感器、耦合在所述输出节点与接地电势之间的输出电容器、用于将所述输入节点耦合到所述开关节点的第一开关、用于将所述开关节点耦合到所述接地电势的第二开关、用于将所述输入节点耦合到辅助节点的第一辅助开关、用于将所述辅助节点耦合到所述接地电势的第二辅助开关、以及耦合在所述辅助节点与所述开关节点之间的辅助电感器；操作所述零电压转变电路，使得所述第一开关断开，所述第二开闭合，所述第一辅助开关断开，且所述第二辅助开关断开；闭合所述第一辅助开关以将所述输入电压耦合到所述辅助节点及所述辅助电感器；随后，监测流过所述第二开关的电流，并且当电流低于电流截止阈值时，断开所述第二开关；在第一延迟周期之后，断开所述第一辅助开关并且随后闭合所述第二辅助开关；以及在第二延迟周期之后，闭合所述第一开关。2.根据权利要求1所述的方法，其中谐振周期时间tr由所述辅助电感器的值以及所述第一开关及所述第二开关中的寄生电容来确定。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一延迟周期大约为六分之一tr。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二延迟周期大约为十二分之一tr。5.根据权利要求1所述的方法，其中当所述开关节点处的所述电压等于或大于所述输入节点处的所述电压的一半时，所述第一辅助开关断开。6.根据权利要求1所述的方法，其中当所述第一开闭合时，跨越所述第一开关两端的电压大约为零。7.根据权利要求1所述的方法，其中针对所述第二开关的所述截止电流对应于在所述第二开关中流动的电流，所述电流将导致在所述第一辅助开关断开时所述开关节点处的所述电压大于或等于所述输入电压的一半的电压。8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：当所述第一开闭合时，将所述开关节点处的所述电压与所述输入节点处的所述电压进行比较；以及响应于所述比较，调整针对所述第二开关的所述截止电流阈值。9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括迭代地执行以下步骤：操作所述零电压转变电路，使得所述第一开关断开，所述第二开闭合，所述第一辅助开关断开，且所述第二辅助开关断开；闭合所述第一辅助开关以将所述输入电压耦合到所述辅助节点及所述辅助电感器；随后监测流过所述第二开关的所述电流，并且当所述电流低于阈值时，断开所述第二开关；在第一延迟周期之后，断开所述第一辅助开关并且随后闭合所述第二辅助开关；以及在第二延迟周期之后，闭合所述第一开关。10.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述零电压转变电路进一步包括提供实施降压转换器的晶体管。11.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述零电压转变电路进一步包括提供实施所述第一开关、所述第二开关、所述第一辅助开关及所述第二辅助开关的MOS晶体管。12.一种用于零电压转变切换转换器的电路，其包括：第一开关，其耦合在用于接收输入电压的输入节点与开关节点之间；第二开关，其耦合在所述开关节点与用于耦合到接地电势的接地节点之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·M·拉韦利亚，M·G·阿马罗，J·A·莫罗尼，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US