半谐振电压转换器中的电流感测和过零检测制造技术

一种谐振电压转换器或半谐振电压转换器，包括同步整流(SR)开关，当SR开关有效时，通过该开关来导通具有半周期正弦形状的电流。估计通过该SR开关的电流，使得可以检测到过零状况，并且用于在零电流流过SR开关的最佳点附近来关断SR开关。可以基于流过SR开关的电流的测量值、从电压转换器中的互感器的次级侧流出的电流的测量值、或与流入互感器的初级侧的电流相对应的测量值来估计通过SR开关的电流。

Current sensing and zero crossing detection in a semi resonant voltage converter

A resonant voltage converter or half resonant voltage converter, including synchronous rectifier (SR) switch, when the SR switch is effective, through this switch to carry out a half cycle sinusoidal current. The current of the SR switch is estimated so that the zero crossing condition can be detected and the SR switch is shut off near the best point of the zero current flow over the SR switch. It is possible to estimate the current passing through the SR switch based on the measured value of the current flowing through the SR switch, the measured value of the current flowing out from the secondary side of the transformer in the voltage converter, or the measured value corresponding to the current on the primary side of the transformer.

【技术实现步骤摘要】
半谐振电压转换器中的电流感测和过零检测
本申请涉及半谐振电压转换器和谐振电压转换器，并且具体地涉及用于估计流过这种转换器的同步整流开关的电流的技术，以便检测该电流何时过零。
技术介绍
谐振DC-DC电压转换器和半谐振DC-DC电压转换器(包括隔离拓扑和非隔离拓扑)用于多种应用(包括电信、消费者电子设备、计算机电源等)。这种转换器的使用越来越受欢迎，这是因为它们的零电压开关特点和/或零电流开关特点，以及它们利用电子电路固有的寄生电学特性的能力。与其他类型的转换器相比较，这种转换器提供了包括较低成本和更高效率在内的优点。许多谐振电压转换器和半谐振电压转换器包括由高侧功率开关和低侧功率开关组成的功率级。此外，这样的转换器包括另一低侧功率开关，本文中被称为同步整流(SR)开关，当SR开关被启用(导通)时，采用正弦波的上半周期形状的电流流过该开关。为了实现最佳效率，当其两端的电压为零(零电压开关)时，功率级中的高侧开关应当被开关，而当通过它的电流为零(零电流开关)时，SR开关应当被开关。为了满足可以随时间变化的负载要求，通常控制这种电压转换器以使用可变开关频率来开关功率开关。因此，电源开关的开关周期不能固定。附加地，导致半周期正弦形状电流的电路谐振是由可以根据环境因素(例如，温度)而变化的电抗引起的。因而，用于通过SR开关实现零电流开关的最实际的手段是逐周期地估计流过它的电流，使得每个周期内电流过零时的时刻可以被精确地检测到，并且SR开关可以在这种时刻被禁用。为了检测该电流过零时的时刻，用于估计SR开关电流的现有技术是基于测量SR开关两端的电压并且使用开关的漏极-源极电阻(Rdson)以导出估计的SR电流。这种技术具有以下缺点：漏极-源极电阻Rdson具有导致电流估计不准确的温度依赖性，可能需要额外的电路来阻止共模电压，并且SR开关中的噪声和体二极管导通可能导致准确性差。这些电流估计不准确的净影响是SR开关电流过零时的时刻不能被准确地检测到，其又当仍然存在流过SR开关的不可忽略的量的电流时，导致SR开关被关断。因而，需要用于估计流过电压转换器中的SR开关的电流的改进技术，使得可以准确地检测过零点，并且可以在接近最佳时间处关断SR开关。这些技术应该提供准确的电流估计，并且应该需要最少的附加电路。此外，应当提供用于感测电压转换器除了SR开关本身以外的部分中的电流的技术，以便允许在不同应用中灵活实现电压转换器，同时还提供SR电流的准确过零检测。
技术实现思路
根据开关电压转换器的实施例，电压转换器包括功率级、无源电路、同步整流(SR)开关、电流估计器和控制器。功率级耦合至输入电源并且进一步耦合至无源电路。无源电路连接至输出节点，以向电压转换器的负载供电，并且无源电路通常包括谐振回路和互感器/抽头电感器。无源电路经由SR开关可切换地连接至接地，当SR开关导通时，具有半周期正弦形状的SR电流流过该SR开关。电流估计器可操作以使用通过SR开关的感测到的(测量的)电流来估计SR电流，其中使用分流电阻器或电流镜来感测SR电流。然后该SR电流估计被提供给控制器，该控制器可操作以基于估计来控制SR开关，使得SR开关响应于检测到SR电流估计达到过零状况而被关断。根据开关电压转换器的另一实施例，电压转换器包括功率级、无源电路、同步整流(SR)开关、感测电路、电流估计器和控制器。功率级耦合至输入电源并且进一步耦合至无源电路。无源电路连接至输出节点，并且向该节点提供输出电流，以向功率转换器的负载供电。无源电路通常包括互感器/抽头电感器、以及谐振回路。无源电路经由SR开关可切换地连接至接地，当SR开关导通时，具有半周期正弦形状的SR电流流过该开关。感测电路可操作以感测(测量)电压转换器的输出电流并且将该感测到的电流提供给电流估计器，该电流估计器可操作以基于感测到的输出电流来生成SR电流的估计。然后，该SR电流估计被提供给控制器，该控制器可操作以基于估计来控制SR开关，使得SR开关响应于检测到SR电流估计达到过零状况而被关断。根据开关电压转换器的又一实施例，电压转换器包括功率级、无源电路、同步整流(SR)开关、感测电路、电流估计器、以及控制器。功率级耦合至输入电源并且进一步耦合至无源电路。无源电路连接至电压转换器的输出节点，并且包括谐振电流流过的谐振回路。无源电路通常还包括互感器/抽头电感器。无源电路经由SR开关可切换地连接至接地，当SR开关导通时，具有半周期正弦形状的SR电流流过该SR开关。感测电路可操作以感测(测量)电压转换器的谐振电流，并且将该感测到的谐振电流提供给电流估计器，该电流估计器可操作以基于感测到的谐振电流来生成SR电流的估计。然后，SR电流估计被提供给控制器，该控制器可操作以基于估计来控制SR开关，使得SR开关响应于检测到SR电流估计达到过零状况而被关断。根据电压转换器内的方法的实施例，该方法包括以下步骤：接通SR开关，估计通过SR开关的电流，并且使用所估计的SR电流来检测SR电流的过零状况。一旦检测到该过零状况，则SR开关被禁用。在该方法的第一子实施例中，SR电流估计是基于使用分流电阻器或电流镜而感测(测量)通过SR开关的电流。在第二子实施例中，SR电流估计是基于感测在电压转换器的输出处提供的电流。在第三子实施例中，SR电流估计是基于感测流过电压转换器内的谐振回路的电流。该方法及其子实施例的技术可以在控制器和/或电流估计器内实现，诸如在电压转换器实施例中描述的那些。阅读以下详细描述并且查看附图后，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。附图说明附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记表示对应的相似部件。可以组合各种所图示的实施例的特征，除非它们彼此排斥。实施例在附图中得以描绘，并且在下面的描述中得以详述。图1图示了半谐振电压转换器的电路图，其包括同步整流(SR)电流流过的SR开关，并且其中可以基于电压转换器内的各种电流流动来估计SR电流以便检测SR电流的过零点。图2图示了与诸如图1所示的半谐振电压转换器之类的半谐振电压转换器内的不同电流流动相对应的波形。图3图示了从物理互感器/抽头电感器到这种互感器/抽头电感器的模型的映射。图4图示了电压转换器的实施例，其中基于使用与SR开关串联的分流电阻器感测到的SR电流来估计SR电流。图5图示了电压转换器的实施例，其中基于使用耦合至SR开关或集成在SR开关内的电流镜感测到的SR电流来估计SR电流。图6图示了电压转换器的实施例，其中基于所感测到的电压转换器的次级输出电流来估计SR电流，其中使用分流电阻来感测次级输出电流。图7图示了电压转换器的实施例，其中基于所感测到的电压转换器的次级输出电流来估计SR电流，其中使用电感耦合至电压转换器内的互感器/抽头电感器的(多个)次级绕组的辅助绕组来感测次级输出电流。图8图示了电压转换器的实施例，其中基于流过电压转换器的谐振回路的谐振电流来估计SR电流，其中使用包括在互感器/抽头电感器的初级侧上的互感器来感测谐振电流。图9图示了电压转换器的实施例，其中基于流过电压转换器的功率级内的低侧开关的低侧电流来估计SR电流，其中使用耦合至低侧开关或集成在低侧开关内的电流镜来感测低侧电流。图10图示了响应于检测到通过SR开关的电流的过零状况而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电压转换器，包括：功率级，耦合至输入电源；无源电路，将所述功率级耦合至所述电压转换器的输出节点并且向所述输出节点提供输出次级电流；同步整流(SR)开关，当所述SR开关导通时，通过所述SR开关来导通具有半周期正弦形状的SR电流，当所述SR开关导通时，所述SR开关将所述无源电路耦合至接地；感测电路，可操作以感测所述输出次级电流并且生成感测到的输出次级电流；电流估计器，可操作以基于所述感测到的输出次级电流来估计流过所述SR开关的SR电流；以及控制器，可操作以通过向所述SR开关提供控制信号来控制所述SR开关的开关，其中所述SR开关基于所述SR电流估计来关断。

【技术特征摘要】
2016.07.19 US 15/213,8101.一种电压转换器，包括：功率级，耦合至输入电源；无源电路，将所述功率级耦合至所述电压转换器的输出节点并且向所述输出节点提供输出次级电流；同步整流(SR)开关，当所述SR开关导通时，通过所述SR开关来导通具有半周期正弦形状的SR电流，当所述SR开关导通时，所述SR开关将所述无源电路耦合至接地；感测电路，可操作以感测所述输出次级电流并且生成感测到的输出次级电流；电流估计器，可操作以基于所述感测到的输出次级电流来估计流过所述SR开关的SR电流；以及控制器，可操作以通过向所述SR开关提供控制信号来控制所述SR开关的开关，其中所述SR开关基于所述SR电流估计来关断。2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述无源电路包括互感器/抽头电感器，所述互感器/抽头电感器具有初级绕组、次级绕组和磁化电感，以及其中所述电流估计器还可操作以进一步基于流过所述磁化电感的仿真磁化电流来估计所述SR电流。3.根据权利要求2所述的电压转换器，其中所述仿真磁化电流基于所述互感器/抽头电感器的匝数比n、所述输出节点处的电压VOUT、以及所述磁化电感LM的估计。4.根据权利要求3所述的电压转换器，其中所述仿真磁化电流的斜率由下式给出：并且基于所述斜率来估计所述仿真磁化电流。5.根据权利要求2所述的电压转换器，其中所述电流估计器进一步可操作以检测所感测到的输出次级电流和所述仿真磁化电流已经交叉，并且可操作以向所述控制器用信号通知该检测，以及其中所述控制器还可操作以响应于所述检测而关断所述SR开关。6.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述感测电路包括：分流电阻器，插置在所述无源电路和所述输出节点之间；低通滤波器，耦合至所述分流电阻器的两个端子；以及放大器，耦合至所述低通滤波器，所述放大器向所述电流估计器提供所述感测到的输出次级电流。7.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述感测电路包括：辅助绕组，被集成在所述无源电路内或被电感耦合至所述无源电路，所述辅助绕组可操作以提供所述感测到的输出次级电流。8.根据权利要求1所述的电压转换器，其中一个相包括所述功率级、所述无源电路、所述SR开关和所述感测电路，并且所述电压转换器包括多个所述相。9.根据权利要求1所述的电压转换器，其中所述控制器还可操作以在向所述SR开关提供所述控制信号时使用可变频率，所述可变频率基于所述电压转换器的负载的功率需求。10.一种电压转换器，包括：功率级，耦合至输入电源；无源电路，将所述功率级耦合至所述电压转换器的输出节点、并且包括谐振电流流过的谐振回路；同步整流(SR)开关，当所述SR开关导通时，通过所述SR开关来导通具有半周期正弦形状的SR电流，当所述SR开关导通时，所述SR开关将所述无源电路耦合至接地；感测电路，可操作以感测与所述谐振电流相对应的电流并且生成感测到的谐振电流；电流估计器，可操作以基于所述感测到的谐振电流来估计流过所述SR开关的SR电流；以及控制器，可操作以通过向所述SR开关提供控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·巴巴扎德，R·卡罗尔，D·威廉姆斯，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利,AT