利用次级侧整流电压感测的电压和电流保护制造技术

本公开的实施例涉及利用次级侧整流电压感测的电压和电流保护。一种隔离的开关模式功率转换器将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率。初级侧功率级内的功率开关控制输入到功率转换器并且最终提供给输出负载的功率量。功率转换器次级侧的数字控制器生成用于控制功率开关的信号。该控制器还感测功率转换器的次级侧的整流电压，并且使用该感测电压来检测初级侧的故障状况。例如，感测到的整流电压用于检测功率转换器的输入电源的欠压或过压状况、或初级侧功率级内的故障功率开关。

Voltage and current protection with secondary side rectifier voltage sensing

【技术实现步骤摘要】
利用次级侧整流电压感测的电压和电流保护
本申请涉及隔离的开关模式功率转换器，并且具体地涉及用于检测初级侧故障的技术，其中这些技术基于感测功率转换器的次级侧的整流电压。
技术介绍
隔离的开关模式直流(DC)至DC功率转换器使用变压器将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率。这种功率转换器包括将DC输入功率转换成被馈送到变压器的初级侧的交流(AC)功率的功率开关。在变压器的次级侧提供的AC功率被整流和滤波，以便为输出负载提供DC功率。初级侧功率开关通常由脉冲宽度调制(PWM)控制信号控制。控制器生成具有适合于满足输出负载的功率需求的频率和占空比的PWM控制信号。控制器通常使用线性闭环反馈技术将输出电压保持在期望目标附近。控制器可以使用模拟或数字电路系统来实现，并且可以位于功率转换器的初级侧或次级侧。为了保持功率转换器的隔离屏障的完整性，在初级侧与次级侧之间交叉的任何信号必须通过隔离器，例如变压器、光耦合器。在功率转换器的初级侧定位模拟或数字控制器提供以下优点：可以容易地感测输入电压和/或电流并且将其用于检测初级侧故障状况。然而，这种初级侧控制器的缺点在于，为了实现闭环控制，必须使用一个或多个模拟隔离器将输出电压和/或电流信息从次级侧传输到初级侧。此外，系统管理器通常位于次级侧，这表示初级侧控制器与任何这样的系统管理器之间的通信信号也必须通过隔离器。由于这些原因、以及成本、尺寸和灵活性优势，隔离的开关模式功率转换器越来越多地使用位于次级侧的数字控制器。检测功率转换器的初级侧的故障状况给位于功率转换器的次级侧的控制器带来了困难。期望用于检测隔离的开关模式功率转换器中的初级侧故障状况的技术，其中这些技术容易在次级侧控制器内实现。相对于功率转换器的典型操作所需要的电路系统，这些技术应当需要最少的或没有附加电路系统。
技术实现思路
根据一种具有隔离拓扑的开关模式功率转换器的实施例，功率转换器将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率。功率转换器包括初级侧、变压器和次级侧。初级侧包括耦合到输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级。功率级耦合到变压器的初级绕组。次级侧包括整流电路、滤波电路和控制器。整流电路耦合到变压器的次级绕组，并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压。滤波电路插入在第一整流电压节点与功率转换器的输出之间。滤波电路被配置为对第一整流电压进行滤波，从而在输出处提供滤波电压。控制器被配置为感测第一整流电压，并且基于该次级侧电压，检测初级侧故障状况。响应于这种检测，生成故障指示和/或修改开关模式功率转换器的操作。根据一种电子系统的实施例，电子系统包括输入电源、输出负载、隔离的开关模式功率转换器和系统管理器。功率转换器如上所述配置。系统管理器被配置为输入由功率转换器生成的故障指示，并且响应于确定故障指示指示不安全操作状况或可能损坏电子系统的状况，关闭功率转换器。根据一种方法的实施例，该方法在用于将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率的隔离的开关模式功率转换器内执行。功率转换器包括初级侧、变压器和次级侧。初级侧包括耦合到输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级。功率级耦合到变压器的初级绕组。次级侧包括整流电路、滤波电路和控制器。整流电路耦合到变压器的次级绕组，并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压。滤波电路插入在第一整流电压节点与功率转换器的输出之间。该方法包括在功率转换器的次级侧感测第一整流电压，并且基于该感测电压来检测初级侧故障状况。该方法还包括响应于该检测而生成故障指示和/或修改开关模式功率转换器的操作。在阅读以下详细描述并且查看附图时，本领域技术人员将认识到另外的特征和优点。附图说明附图的元素不一定相对于彼此按比例绘制。相同的附图标记表示相应的类似部件。可以组合各种示出的实施例的特征，除非它们彼此排斥。实施例在附图中示出并且在以下描述中详述。图1示出了隔离的开关模式功率转换器的电路图，其中控制器基于次级侧整流电压检测初级侧故障状况；图2示出了用于检测到欠压状况的场景的与图1的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；图3示出了用于检测到过压状况的场景的与图1的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；图4示出了用于在整流电压中检测到丢失脉冲的场景的与图1的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；图5示出了与功率开关发生故障的场景相对应的电压和电流波形；图6示出了用于检测到整流电压的脉冲不对称的场景的电压和控制信号波形；图7示出了用于基于感测功率转换器的次级侧的整流电压来检测欠压和过压故障状况的方法；图8示出了用于基于感测功率转换器的次级侧的整流电压来检测开关故障的方法；图9示出了用于基于对功率转换器的次级侧的整流电压的感测来检测脉冲宽度故障的方法；图10示出了具有有源钳位正向(ACF)拓扑和半波整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；图11示出了与图10的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；图12示出了具有交错ACF功率级和半波整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；图13示出了与图12的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；图14示出了具有半桥功率级和全波整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；图15示出了与图14的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；图16示出了具有半桥功率级和电流倍增整流器的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障；图17示出了与图16的功率转换器中的电压和控制信号相对应的波形；以及图18示出了作为AC-DC转换器的一部分的隔离的开关模式功率转换器的电路图，并且其中基于对整流的次级侧电压的感测来检测故障。具体实施方式本文中描述的实施例提供了用于检测隔离的开关模式功率转换器的初级侧的故障状况的技术和电路。与用于检测初级侧故障的其他技术不同，本文中描述的技术基于感测隔离功率转换器的次级侧的整流电压。因此，所描述的技术有利地在位于隔离功率转换器的次级侧的数字控制器内实现。将数字控制器定位在隔离功率转换器的次级侧提供了若干优点。例如，控制器可以在不使用任何隔离电路系统的情况下通过具有也位于功率转换器的次级侧的系统管理器的数字系统总线容易地通信。系统管理器通常直接与由功率转换器供电的负载(例如，微处理器)通信，并且其自身可以由隔离功率转换器供电。因此，系统管理器优选地位于次级侧。作为用于将控制器定位在次级侧的另一示例性优点，考虑使用闭环反馈技术的控制器感测功率转换器的输出电压以及可能的输出电流，以便生成用于功率转换器的功率开关的控制信号。通过将控制器定位在次级侧，这种感测不需要与输出电压相对应的信号经过功率转换器的初级到次级边界处的模拟隔离电路系统系统。除本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关模式功率转换器，使用隔离拓扑将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率，所述开关模式功率转换器包括：/n初级侧，包括被耦合到所述输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级；/n变压器，包括被耦合到所述功率级的初级绕组、以及次级绕组；以及/n次级侧，包括：/n整流电路，被耦合到所述次级绕组并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压，/n滤波电路，被插入在所述第一整流电压节点与所述开关模式功率转换器的输出之间，所述滤波电路被配置为对所述第一整流电压进行滤波，从而在所述输出处提供滤波电压，以及/n次级侧控制器，被配置为：/n感测所述第一整流电压；/n基于在所述次级侧感测到的所述第一整流电压，检测所述初级侧的故障状况；以及/n响应于所述检测，生成故障指示和/或修改所述开关模式功率转换器的操作。/n

【技术特征摘要】
20180906 US 16/123,3641.一种开关模式功率转换器，使用隔离拓扑将来自输入源的功率转换为用于输出负载的功率，所述开关模式功率转换器包括：
初级侧，包括被耦合到所述输入源并且包括一个或多个功率开关的功率级；
变压器，包括被耦合到所述功率级的初级绕组、以及次级绕组；以及
次级侧，包括：
整流电路，被耦合到所述次级绕组并且被配置为在第一整流电压节点处提供第一整流电压，
滤波电路，被插入在所述第一整流电压节点与所述开关模式功率转换器的输出之间，所述滤波电路被配置为对所述第一整流电压进行滤波，从而在所述输出处提供滤波电压，以及
次级侧控制器，被配置为：
感测所述第一整流电压；
基于在所述次级侧感测到的所述第一整流电压，检测所述初级侧的故障状况；以及
响应于所述检测，生成故障指示和/或修改所述开关模式功率转换器的操作。


2.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述次级侧控制器被配置为基于感测到的所述第一整流电压来估计所述输入源的输入电压。


3.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是欠压故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
基于感测到的所述第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；
基于所述电压测量来确定针对所述整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及
响应于确定所述代表性电压幅度低于欠压阈值，检测到所述欠压故障状况。


4.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是过压故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
基于感测到的所述第一整流电压的电压测量来检测整流电压脉冲；
基于所述电压测量来确定针对所述整流电压脉冲的代表性电压幅度；以及
响应于确定所述代表性电压幅度高于过压阈值，检测到所述过压故障状况。


5.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是丢失脉冲故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述第一整流电压，确定生成的所述控制信号和相关联的初级侧电压脉冲是否在所述第一整流电压节点处产生对应的整流电压脉冲；以及
响应于确定没有产生对应的整流电压脉冲，检测到所述丢失脉冲故障状况。


6.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障状况是电压不对称故障状况，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加第一初级侧电压脉冲的控制信号，其中所述第一初级侧电压脉冲具有第一极性；
基于感测到的所述整流电压，检测与所述第一初级侧电压脉冲相对应的第一整流电压脉冲，所述第一整流电压脉冲具有第一电压幅度；
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加第二初级侧电压脉冲的控制信号，其中所述第二初级侧电压脉冲具有与所述第一极性相反的第二极性；
基于感测到的所述整流电压，检测与所述第二初级侧电压脉冲相对应的第二整流电压脉冲，所述第二整流电压脉冲具有第二电压幅度；
确定所述第一电压幅度与所述第二电压幅度之间的差值超过压差阈值；以及
响应于所述确定，检测到所述电压不对称故障状况。


7.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述故障指示是脉冲间隔故障指示，并且其中所述次级侧控制器被配置为：
生成指引所述一个或多个功率开关以便跨所述变压器的所述初级绕组施加具有第一脉冲间隔的第一初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述整流电压，确定与所述第一脉冲间隔相对应的第一整流电压脉冲间隔；
检测到所述第一整流电压脉冲间隔在可接受的间隔范围之外，其中所述可接受的间隔范围基于所述第一脉冲间隔；以及
响应于所述确定，检测到所述脉冲间隔故障指示。


8.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，其中所述次级侧控制器被配置为：
在所述开关模式功率转换器以启动操作模式进行操作的启动间隔期间，生成指引所述一个或多个功率开关以便向所述变压器的所述初级绕组施加初级侧电压脉冲的控制信号；
基于感测到的所述第一整流电压，检测整流电压脉冲；
在所述启动间隔期间，基于所述第一整流电压脉冲，抑制故障指示；
响应于检测到所述整流电压脉冲中的第一整流电压脉冲包括指示正常操作模式能够开始的电压幅度、整流脉冲间隔或电压幅度和整流脉冲间隔两者，从所述启动操作模式转换到所述正常操作模式；以及
在转换到所述正常操作模式之后，停止所述故障指示的所述抑制。


9.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，
其中检测到的所述故障状况指示所述开关模式功率转换器的不安全操作状况；以及
其中所述次级侧控制器被配置为响应于检测到所述故障状况，禁止用于控制所述一个或多个功率开关的开关控制信号的生成。


10.根据权利要求1所述的开关模式功率转换器，
其中检测到的所述故障状况指示所述开关模式功率转换器的操作能够利用改变的操作继续进行；以及
其中所述次级侧控制器被配置为响应于检测到所述故障状况，改变用于生成用于控制所...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·唐，丁红英，S·佩拉诺斯基，R·皮尔逊，D·奇尔哈特，
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