控制功率电路的功率晶体管、驱动电路的装置和控制功率电路的系统制造方法及图纸

本实用新型专利技术的各个实施例涉及控制功率电路的功率晶体管、驱动电路的装置和控制功率电路的系统。本实用新型专利技术涉及一种开关功率转换器，该开关功率转换器具有由控制器进行控制的功率晶体管。该控制器包括乘法器，该乘法器产生电压参考信号。减法电路从指示流过功率晶体管的电流的感测信号中，减去基于电压参考信号的电容器信号。比较器将电压参考信号与减法电路的输出进行比较，并且驱动电路基于该比较来驱动功率晶体管，从而实现该转换器的高功率因数和低总谐波失真。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及转换器，并且更具体地涉及准谐振高功率因数AC/DC转换器的控制装置。
技术介绍
高功率因数(Hi-PF)准谐振(QR)回扫转换器，是在许多成本敏感应用(例如，固态照明(SSL))中的常见选择。功率转换器通常由交流电力线供电，并且许多应用还应同时满足IEC60950电气安全规范以及IEC61000-3-2谐波电流发射限值规范。实际上，它们能够产生与电力线相隔离的总线电压，以满足IEC60950，并且使用单一转换级来汲取具有低谐波含量的电流，以满足IEC61000-3-2。市场上有大量执行QR操作(例如，转换模式、边界模式或者临界模式)的功率因数控制(PFC)控制芯片。尽管主要被构想为使用升压拓扑结构来控制PFC转换器，但是它们也可以成功地用于控制Hi-PFQR回扫转换器。Hi-PF回扫转换器由交流电力线供电，并且在输入桥式整流器之后没有储能电容器，因此，其输入电压基本上是经整流的正弦波(Vin(θ)＝VPK|sinθ|)并且从电力线汲取的电流是正弦波形的。在功率开关(通常，是MOSFET)的导通与变压器去磁的时刻(在次级电流已经成为零时)同步(通常，在适当的延迟之后)时，回扫转换器(无论是否是Hi-PF)被称作是QR操作的。这样使得导通能够在跟随在去磁之后的漏极电压振荡的谷部上发生，从而使得导通损耗减少。出于此原因，该操作通常称为“谷部切换”。最常见地，使用峰值电流模式控制，从而，由电流感测信号达到由用于调节输出电压或电流的控制环路所程式化的值，来判定功率开关的关断。图1示出了根据现有技术的Hi-PFQR回扫转换器20。在初级侧上，回扫转换器20包括桥式整流器22，在其输入24处具有交流电力线。用作高频平滑滤波器的电容器Cin，跨接在桥式整流器22的输出电子上，其中负极端子连接到接地、并且正极端子连接到变压器26的初级绕组Lp。变压器26还具有辅助绕组Laux和次级绕组Ls。功率开关M的漏极端子接到初级绕组Lp，并且其源极端子通过电阻器Rs连接到接地。电阻器Rs使得能够对流经功率开关M的电流进行读值，该读值指示了在M“导通”时流经Lp的电流。转换器的初级侧还包括：电阻分压器，该电阻分压器由与电容器Cin并联的电阻器Ra和Rb构成；以及箝位电路27，该箝位电路用于将由于初级绕组Lp的漏磁电感而产生的漏极电压上的尖峰箝位。在变压器26的次级侧上，次级绕组Ls的一端连接到次级接地，另一端连接到二极管D的阳极。二极管D的阴极连接到电容器Cout的正极板，该电容器的负极板连接到次级接地。该回扫转换器20在其跨Cout的输出端子处产生直流电压Vout，该直流电压将供给负载。对于SSL应用而言，负载将为高亮度LED串。该转换器是闭环控制的隔离转换器，其中，将需要调节的量(输出电压Vout或者输出电流Iout)与参考值进行比较，并且将根据被调节的量与参考值之间的差值而生成误差信号。该误差信号通常通过使用光耦合器而被传输到初级侧，该光耦合器在图1中未示出。在初级侧上，该误差信号用电流IFB表示，该电流从控制器29中的专用管脚FB灌入，从而在管脚FB上产生控制电压Vc。控制器29部分基于控制电压Vc驱动功率开关M。如果整体控制环路的开环带宽(其由位于隔离的反馈块28内部的频率补偿网络决定)足够窄(通常，低于20Hz)，并且假定处于稳态操作下，则控制电压Vc可以视作直流电平。控制电压Vc被内部馈送入乘法器块30的一个输入。乘法器30也接收跨Cin感测的经瞬时整流的线路电压的一部分，该部分的电压在电阻分压器Ra-Rb处进行分压。分压器比率Rb/(Ra+Rb)将用Kp表示。乘法器块30的输出是经整流的正弦波乘以直流电平的乘积，因而仍然是经整流的正弦波，该正弦波的幅度取决于：均方根线路电压、以及控制电压Vc的幅度。乘法器30输出信号将是峰值初级电流的电压参考信号VCS,REF(θ)。乘法器30的输出信号被馈送到比较器32的反相输入，该比较器在其非反相输入处接收感测信号VCS(t,θ)，该感测信号是跨感测电阻器Rs进行感测的。该感测信号VCS(t,θ)与在功率开关M“导通”时流经初级绕组Lp和功率开关M的瞬时电流Ip(t,θ)成比例。假定功率开关M初始地“导通”，则流经初级绕组Lp的电流将斜升，因此跨电阻器Rs的电压也将斜升。SR触发器34具有输出Q，该输出Q耦合到驱动功率开关M的驱动器35。当VCS(t,θ)等于VCS,REF(θ)时，比较器32重置SR触发器34，并且功率开关M关断。因此，来自乘法器30的电压参考信号VCS,REF(θ)(其呈经整流的正弦波形状)决定了初级电流的峰值，该峰值将由经整流的正弦波而包络地形成。在功率开关M已经被关断之后，储存在初级绕组Lp中的能量通过磁耦合传输到次级绕组Ls，然后转出到输出电容器Cout和负载中，直到次级绕组Ls完全去磁。此时，二极管D断开，并且在Ls和D导电时固定在Vin(θ)+VR下的漏极二极管成为浮置的。该漏极二极管的电压趋向于，通过由于其寄生电容与Lp一起地开始谐振而造成的阻尼振荡，最终达到瞬时线路电压Vin(θ)。但是，跟随着变压器26去磁的快速漏极电压下降，通过辅助绕组Laux和电阻器RZCD耦合到控制器的管脚ZCD。每当零交叉检测器(ZCD)36检测到下降到阈值以下的下降沿时，该零交点检测器就会放出脉冲，并且该脉冲会设定SR触发器34、并且驱动功率开关M导通，从而开始新的切换循环。ZCD36与SR触发器34的设定输入之间的OR门38，使得启动器块40的输出能够初始化切换循环。启动器块40在接通电源时、在输入管脚ZCD上不存在任何可用信号时，产生信号，并且避免转换器20在输入管脚ZCD上的信号出于任何原因丢失的情况下，出现卡塞。假定θ∈(0,π)，根据所考虑的控制方案，初级电流的峰值包络如下式：Ipkp(θ)＝Ip(TON,θ)＝IPKpsinθ(1)值得注意的是：该方案会导致功率开关M的导通时间TON恒定：TON=LpIPKpsinθVPKsinθ=LpIPKpVPK---(2)]]>为简单起见，功率开关的关断时间TOFF(θ)将视作与电流在次级侧上循环的时间TFW(θ)一致。换言之，在其期间跨初级开关的电压进行振荡直到达到振荡谷部的时间区间TR，将被忽略。只要TR<<TOFF(θ)，这就是可接受的。因此，切换时间T(θ)如下式：T(θ)＝TON+TFW(θ)(3)考虑到跨初级电感器的伏秒平衡，可以写成：TFW(θ)=TONVPKsinθVR---(4)]]>其中，VR是反射电压，即，输出电压Vout乘以初级到次级匝数比n＝Np/Ns，该电压在时间区间TFW(θ)中在跨变压器26的初级绕组Lp处被观测到：VR＝n(Vout+VF)(5)其中，VF是次级整流器上的正向电压降。因此，T(θ)可以改写成：T(θ)＝TON(1+Kvsinθ)(6)其中，Kv＝VPK/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制功率电路的功率晶体管的装置，其特征在于，包括：驱动电路，所述驱动电路具有被配置成接收电压参考信号的第一输入、被配置成接收减法信号的第二输入、以及被配置成基于所述电压参考信号和所述减法信号来驱动所述功率晶体管的输出；乘法器，所述乘法器具有被配置成接收基于来自所述功率电路的反馈信号的第一信号的第一输入、被配置成接收基于所述功率电路的输入电压的第二信号的第二输入、以及被配置成提供所述电压参考信号的输出；以及减法电路，所述减法电路被配置成提供基于第三信号与感测信号之间的差值的所述减法信号，所述第三信号基于所述电压参考信号，所述感测信号指示流经所述功率晶体管的电流。

【技术特征摘要】
2015.03.18 US 14/661,9681.一种用于控制功率电路的功率晶体管的装置，其特征在于，包括：
驱动电路，所述驱动电路具有被配置成接收电压参考信号的第一输入、被配置成接收减法信号的第二输入、以及被配置成基于所述电压参考信号和所述减法信号来驱动所述功率晶体管的输出；
乘法器，所述乘法器具有被配置成接收基于来自所述功率电路的反馈信号的第一信号的第一输入、被配置成接收基于所述功率电路的输入电压的第二信号的第二输入、以及被配置成提供所述电压参考信号的输出；以及
减法电路，所述减法电路被配置成提供基于第三信号与感测信号之间的差值的所述减法信号，所述第三信号基于所述电压参考信号，所述感测信号指示流经所述功率晶体管的电流。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述减法电路包括：
电流发生器，所述电流发生器耦合到所述乘法器，并且被配置成基于所述电压参考信号产生电容器信号；以及
减法器，所述减法器被配置成从所述感测信号减去所述电容器信号，从而产生所述减法信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述减法电路还包括：
第一开关，所述第一开关被配置成在所述功率晶体管导通时，将所述电流发生器耦合到电压供给端子；
第二开关，所述第二开关被配置成在所述功率晶体管关断时，将所述电流发生器耦合到所述减法器；以及
第三开关，所述第三开关被配置成在所述功率晶体管导通时，将所述减法器耦合到所述电压供给端子。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述减法电路还包括：
电容器，所述电容器耦合在所述减法器与所述电压供给端子之间，其中所述第二开关被配置成将所述电流发生器连接到所述电容器。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述减法电路还包括：
电阻器，所述电阻器耦合在所述减法器与所述第三开关之间，其中所述电阻器被配置成在所述第三开关闭合时，将所述电容器放电。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动电路包括：
比较器，所述比较器具有耦合到所述乘法器的第一输入、以及耦合到所述减法电路的第二输入，所述比较器被配置成将所述电压参考信号与所述减法信号进行比较。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述驱动电路被配置成在所述减法信号等于所述电压参考信号时，关断所述功率晶体管。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述驱动电路还包括：
触发器，所述触发器具有耦合到所述比较器的输出的复位输入、以及输出；以及
驱动器，所述驱动器具有耦合到所述触发器的所述输出的输入、以及被配置成基于来自所述触发器的所述输出的信号来控制所述功率晶体管的输出。
9.一种用于控制功率电路的驱动电路的装置，其特征在于，包括：
乘法器，所述乘法器具有被配置成接收基于来自所述功率电路的反馈信号的第一信号的第一输入、被配置成接收指示所述功率电路的输入电压的第二信号的第二输入、以及被配置成提供电压参考信号的输出；以及
减法电路，所述减法电路被配置成提供基于第三信号与感测信号之间的差值的减法信号，所述第三信号基于所述电压参考信号，所述感测信号指示流经所述功率电路的功率晶体管的电流。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述减法电路包括：
电流发生器，所述电流发生器耦合到所述乘法器，并且被配置成基于所述电压参考信号产生电容器信号；以及
减法器，所述减法器被配置成从所述感测信号减去所述电容器信号，从而产生所述减法信号。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述减法电路还包括：
第一开关，所述第一开关被配置成在所述功率晶体管导通时，将所述电流发生器耦合到电压供给端子；
第二开关，所述第二开关被配置成在所述功率晶体管关断时，将所述电流发生器耦合到所述减法器；以及
第三开关，所述第三开关被配置成在所述功率晶体管导通时，将所述减法器耦合到所述电压供给端子。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述减法电...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·格里蒂，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利;IT