多开关的开关功率转换器中零电压开关的自适应控制制造技术

本公开涉及多开关的开关功率转换器中零电压开关的自适应控制，提供了一种开关功率转换器，所述开关功率转换器自适应地改变辅助开关晶体管的导通时段以定位能量充足与能量不足之间的边界。

Adaptive Control of Zero Voltage Switch in Multi-switch Switched Power Converter

【技术实现步骤摘要】
多开关的开关功率转换器中零电压开关的自适应控制
本申请涉及开关功率转换器，并且更具体地涉及用于多开关的开关功率转换器中的零电压开关的自适应控制。
技术介绍
高效率的开关功率转换器(例如反激式转换器)已经成为作为移动设备的电池充电器的虚拟通用适配器。在反激式转换器中，初级侧控制器控制连接在变压器的初级绕组与接地之间的功率开关晶体管的循环。当功率开关被循环导通时，经整流的AC电源电压驱动初级绕组电流。经整流的AC电源电压可以是几百伏，使得它可以对功率开关晶体管施加应力。为了最小化功率开关晶体管的开关应力，已知准谐振(波谷模式开关)和零电压开关技术。例如，已知对于功率开关晶体管的循环断开时的漏极电压的谐振振荡采用波谷开关技术。谐振振荡的峰值电压可以相对鲁棒(高达200V或更高)，而最小电压(谐振振荡中的波谷)要低得多。因此，波谷模式开关涉及检测或预测谐振振荡中的特定波谷，使得功率开关晶体管可以在特定波谷时导通。尽管波谷模式开关因此降低了功率开关晶体管上的电压应力，但请注意，波谷电压不为零，而是可以在20V甚至更高(比如60V)的范围内。然后，当功率开关晶体管导通时，该相对高的漏极电压向地放电，这降低了效率。波谷模式开关的更高功率效率替代方案是零电压开关(ZVS)。在ZVS操作中，变压器中的泄漏能量被存储并回收在电容器中，该电容器通过有源钳位开关耦合到功率开关晶体管的漏极电压。有源钳位开关在谐振振荡的峰值处循环，随着泄漏能量被回收，漏极电压放电到地以下。因此，ZVS架构在功率开关晶体管的导通时间对开关不施加应力。然而，到目前为止，零电压开关点的检测已经被证明是有问题的。特别地，通常计算电路能量以估计完成谐振振荡的半周期所需的能量。但是这种估计严重依赖于电路参数的准确性，因此受到相当大的过程变化的影响。此外，半周期估计很漫长并且消耗大量的计算能力。由此产生的不准确性导致功率开关硬导通或浪费谐振能量和大电压应力。因此，本领域需要改进用于开关功率转换器的零电压开关的控制。
技术实现思路
提供了一种实现最佳零电压开关的技术，该技术用于包括连接到电感存储元件的功率开关晶体管的开关功率转换器和/或升压转换器。在非隔离的开关功率转换器(比如降压转换器)中，电感存储元件是电感器，而该电感器是隔离的开关功率转换器(比如反激式转换器)中的变压器的初级绕组。无论开关功率转换器是否驱动隔离负载，当功率开关晶体管在开关循环中导通时，功率开关晶体管就允许正电流流过电感存储元件。然后，功率开关晶体管被循环断开，使得电感存储元件中存储的能量可以被传递到负载。为了实现最佳的零电压开关，本文中公开的技术和系统适应辅助开关晶体管的导通时间。辅助开关晶体管在功率开关晶体管被循环关闭后的自适应导通时段内被循环导通。当辅助开关晶体管在其自适应导通时间之后断开时，在电感存储元件中感应出负电流。在反激式转换器中，负电流使功率开关晶体管的漏极端子放电。如果自适应导通时段相对较短，则漏极端子不会向地放电，而是向正的局部极小值放电并开始谐振振荡。如果自适应导通时段相对较长，则漏极端子向接地放电。由于源极端子对于反激式转换器的功率开关晶体管接地，所以当漏极端子接地时，功率开关晶体管的漏极-源极电压为零伏特，因此可以使用零电压开关使功率开关晶体管导通。相反，负电流对降压转换器中的源极端子充电。漏极端子被充电到输入电压。因此，如果自适应导通时段相对较长，则可以将源极端子充电到输入电压，这使得降压转换器的功率开关晶体管的漏极-源极电压为零伏特，使得可以使用零电压开关使功率开关晶体管导通。如果自适应导通时段相对较短，则降压转换器的功率开关晶体管的漏极-源极电压将通过一系列正电压波谷(局部极小值)谐振振荡。导致漏极端子电压(不具有足以使漏极-源极电压为零伏特的幅值)的波谷模式振荡的相对短的自适应导通时段产生本文中表示为能量不足的条件。相比之下，导致功率开关晶体管的零漏极-源极电压的相对长的自适应导通时段产生本文中表示为能量充足的条件。但请注意，随着自适应导通时间延长，能量变得“太充足”，使得漏极-源极电压被拉低至零以下而不是刚好为零。使具有这种负漏极-源极的功率开关晶体管导通会对晶体管产生应力并降低效率。但是现有技术的零电压开关技术从未认识到在产生最佳零电压开关条件的能量不足条件与能量充足条件之间存在最佳边界。本文中公开的零电压开关技术适用自适应导通时段，使得开关功率转换器在能量充足条件与能量不足条件之间的边界处操作。在最小化开关应力和提高效率方面，所得到的控制是非常有利的。通过考虑以下详细描述可以更好地理解这些有利特征。附图说明图1A是根据本专利技术的一方面的被配置用于最佳零电压开关的示例性有源钳位反激式转换器的电路图。图1B是根据本专利技术的一方面的具有被配置用于最佳零电压开关的同步整流的反激式转换器的电路图。图1C是根据本专利技术的一方面的被配置用于最佳零电压开关的降压转换器的电路图。图2示出了根据本专利技术的一个方面的辅助导通时段变化对漏极-源极电压的影响以及对漏极-源极电压的过零点和波谷的检测的影响。图3是根据本专利技术的一方面的用于实施最佳零电压开关的示例性控制器的图。图4是根据本专利技术的一方面的II型波谷模式检测器的电路图。通过参考下面的详细描述，可以最好地理解本专利技术的实施例及其优点。应当理解，相同的附图标记用于标识在一个或多个附图中所示的相同元件。具体实施方式所有隔离的开关功率转换器和/或升压转换器包括功率开关晶体管，该功率开关晶体管当导通时允许在变压器的初级绕组中产生正磁化电流。当初级绕组导通时，就防止了变压器的次级绕组导通。次级绕组电流的控制可以由输出二极管执行，但更高效的设计使用同步整流器(SR)开关晶体管来控制次级绕组何时导通。SR开关晶体管在次级绕组电流流动时导通，然后断开。在不连续导通操作模式中，SR开关晶体管的断开在初级绕组中感应出负磁化电流，这降低了功率开关晶体管的漏极电压。功率开关晶体管的漏极电压的放电量取决于同步整流器开关的导通时间。如果导通时间相对较短，则功率开关晶体管的漏极电压不会一直向接地放电，而是通过一系列表示为波谷的局部极小值谐振振荡。这些波谷在波谷模式开关操作模式中被用作功率开关晶体管的适当导通时间，以最小化开关应力和损耗。但是如果同步整流器开关被维持更长的持续时间，则功率开关晶体管的漏极电压向接地放电。由于源极接地，如果漏极电压向接地放电，则功率开关晶体管的漏极-源极电压为零电压。然后可以实施零电压开关操作模式，使得功率开关晶体管在其漏极-源极电压为零时循环导通。因此，同步整流器开关导通时间控制是否可以使用波谷模式开关或零电压开关操作来循环功率开关晶体管。但是，通过辅助开关晶体管的导通持续时间对功率开关的开关模式的这种控制不限于具有同步整流的反激式转换器。如这里所使用的，术语“辅助开关晶体管”是结连同功率开关晶体管定义的，当功率开关晶体管被循环导通时，该功率开关晶体管允许正电流流过电感存储元件。辅助开关晶体管被配置成使得其在辅助开关晶体管被循环导通足够长的持续时间然后被循环关闭之后在电感存储元件中感应出负电流。对于具有同步整流的反激式转换器，电感存储元件是初级绕组，并且正电流是磁化电流。但是还有许多其他类型的开关功率转换器包括这种辅助开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于开关功率转换器的控制器，包括：波谷模式检测器，所述波谷模式检测器被配置为检测功率开关晶体管的漏极电压中的波谷，每个波谷具有正电压；过零点检测器，所述过零点检测器被配置用于检测所述漏极电压的过零点；以及自适应导通时间控制电路，所述自适应导通时间控制电路被配置为基于对所述波谷和所述过零点的检测来调整辅助开关晶体管的导通时段以找到所述辅助开关晶体管的最佳导通时段。

【技术特征摘要】
2018.01.19 US 15/876,0541.一种用于开关功率转换器的控制器，包括：波谷模式检测器，所述波谷模式检测器被配置为检测功率开关晶体管的漏极电压中的波谷，每个波谷具有正电压；过零点检测器，所述过零点检测器被配置用于检测所述漏极电压的过零点；以及自适应导通时间控制电路，所述自适应导通时间控制电路被配置为基于对所述波谷和所述过零点的检测来调整辅助开关晶体管的导通时段以找到所述辅助开关晶体管的最佳导通时段。2.根据权利要求1所述的控制器，还包括：功率开关驱动器，所述功率开关驱动器被配置为在所述辅助开关晶体管的最佳导通时段结束时导通功率开关。3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述辅助开关晶体管是反激式转换器中的有源钳位开关晶体管。4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述辅助开关晶体管是反激式转换器中的同步整流器开关晶体管。5.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述辅助开关晶体管是降压转换器中的低侧开关晶体管。6.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述自适应导通时间控制电路被配置为缩短所述自适应导通时段，直到检测到所述波谷。7.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述自适应导通时间控制电路被配置为延长所述自适应导通时段，直到检测到所述过零点。8.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述波谷检测器包括：第一分压器，所述第一分压器用于将功率开关晶体管的漏极电压分压为在分压漏极电压节点上承载的分压漏极电压；第二分压器，所述第二分压器用于偏置具有DC偏置电压的分压器节点；电容器，所述电容器耦合在所述分压器节点与所述分压漏极电压节点之间；以及第一比较器，所述第一比较器被配置为将所述分压器节点的电压与所述DC偏置电压进行比较，以检测所述功率开关晶体管的漏极电压中的峰值和波谷。9.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述过零点检测器包括比较器，所述比较器被配置为将功率开关晶体管的漏极电压与地进行比较。10.一种方法，包括：对于具有辅助开关的开关功率转换器，所述辅助开关被配置为在自适应导通时段之后循环断开以迫使负电流通过连接到功率开关晶体管的电感存储元件，将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文铎，郑聪，王晓艳，孔鹏举，
申请(专利权)人：戴泺格半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US