用于控制具有有源箝位开关的功率转换器的模式操作检测制造技术

一种被配置用于在功率转换器中使用的次级控制器，所述次级控制器包括：检测器电路，所述检测器电路被配置为响应于正向电压信号穿到阈值以下而生成过阈值信号；比较器，所述比较器被耦合以响应于所述正向电压信号大于关断阈值而生成断开信号的第一状态，所述比较器还被耦合以响应于所述正向电压信号小于所述关断阈值而生成所述断开信号的第二状态；第一触发器，所述第一触发器被耦合以响应于所述过阈值信号而接通同步整流器并且响应于所述断开信号的所述第二状态而关断所述同步整流器；模式检测电路，所述模式检测电路被配置为响应于反馈信号在参考以下和次级驱动信号的第一状态而输出第一模式信号，所述模式检测电路还被配置为响应于所述反馈信号在所述参考以下和所述次级驱动信号的第二状态而输出第二模式信号；以及控制电路，所述控制电路被配置为响应于所述第一模式信号而生成请求信号的第一样式，所述控制电路还被配置为响应于所述第二模式信号而生成所述请求信号的第二样式。二模式信号而生成所述请求信号的第二样式。二模式信号而生成所述请求信号的第二样式。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于控制具有有源箝位开关的功率转换器的模式操作检测
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2021年3月5日提交的第17/193,402号美国专利申请的权益，该美国专利申请是2019年12月12日提交的第PCT/US19/65912号国际专利申请的部分继续，该国际专利申请要求享有于2019年4月24日提交的第62/838,227号美国临时申请的权益。第17/193,402号美国专利申请、第PCT/US19/65912号国际专利申请和第62/838,227号美国临时申请通过引用全部并入本文。
[0003]本申请要求享有2021年3月5日提交的第17/193,402号美国专利申请的权益，该美国专利申请要求享有2020年3月13日提交的第62/989,048号美国临时申请的权益。第62/989,048号美国临时申请通过引用全部并入本文。
[0004]背景信息
[0005]公开内容的领域
[0006]本专利技术总体上涉及功率转换器，并且更具体地涉及用于可变频率反激功率转换器(variable frequency flyback power converter)的零电压开关(zero voltage switching，ZVS)。
[0007]背景
[0008]电子设备(诸如，蜂窝电话、平板计算机、膝上型计算机等)使用电力运行。由于开关模式电源(power supply)效率高、尺寸小、重量轻，因此它们通常被用来为现今的许多电子设备供电。常规的壁式插座提供高压交流电。在开关电源中，用开关模式功率转换器转换高压交流(ac)输入，以通过能量传递元件向负载提供良好调节的直流(dc)输出。在操作中，接通和关断开关以通过改变占空比(通常是开关的导通时间与总开关周期的比)、改变开关频率或改变开关模式功率转换器中的开关的每单位时间的导通(on)/断开(off)脉冲的数目来提供期望的输出。
[0009]在诸如反激转换器的功率转换器中，当初级功率开关被关断时，用于初级侧的电流的路径突然中断。能量传递元件的以磁化能量的形式存储的能量可以被传递到输出，但是泄漏电感(leakage inductance)中的能量不能够被传递到输出。储存的能量被传递到主功率开关的漏源电容(drain to source capacitance，漏极源极电容)。这可能对设备具有灾难性的影响，因为在漏源(drain to source，漏极源极)两端形成的电压可能超过设备额定值。传统的反激转换器使用无源箝位(passiveclamp)，例如RCD箝位，其中泄漏能量被捕获在箝位电容器中并且能量在电阻器中被消耗。此浪费的能量降低系统的整体效率。
[0010]已经提出有源箝位(active clamp)策略，所述有源箝位策略回收泄漏能量以在初级开关上实现零电压开关。这增加整体系统的效率。当今最常使用的ZVS技术使用位于初级侧的有源箝位和谐振LC次级输出绕组结构。虽然此方法具有极好的效率和可靠的ZVS操作，但是有时可能在突发(burst)模式下操作控制器。突发模式是一种复杂的控制策略，该控制策略需要仔细优化系统的回路速度和稳定性。对于输出电压可以在宽范围上变化的适配器——例如USB功率输送(USBPD)应用，这可以是特别具有挑战性的。
附图说明
[0011]参考以下附图描述了本专利技术的非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另有说明，否则相同的参考数字在所有各个视图中指代相同的部分。
[0012]图1例示了根据本公开内容的实施方案的具有初级控制器、次级控制器和箝位驱动器的功率转换器的一个实施例。
[0013]图2例示了根据本公开内容的实施方案的例示了图1的功率转换器中所使用的功率开关的电流的时序图的一个实施例。
[0014]图3例示了根据本公开内容的实施方案的图1中所使用的控制电路的一个实施例。
[0015]图4A例示了根据本公开内容的实施方案的例示了功率转换器的信号——诸如漏电压(drain voltage，漏极电压)、箝位电流、漏电流(drain current，漏极电流)、次级电流、使能信号和驱动信号——的时序图的另一个实施例。
[0016]图4B例示了根据本公开内容的实施方案的例示了功率转换器的信号——诸如漏源电压(drain
‑
source voltage，漏极源极电压)、箝位电流、漏电流、次级电流、使能信号和驱动信号——的时序图的另一个实施例。
[0017]图4C例示了根据本公开内容的实施方案的例示了漏源电压、箝位电流、功率开关的开关电流、次级电流、箝位使能信号和驱动信号的时序图。
[0018]图5A例示了根据本公开内容的实施方案的例示了功率转换器的信号——诸如漏电压、使能信号和驱动信号——的时序图的一实施例。
[0019]图5B例示了根据本公开内容的实施方案的例示了功率转换器的信号——诸如漏电压、使能信号和驱动信号——的时序图的一实施例。
[0020]图6A例示了根据本公开内容的实施方案的功率开关的漏电压的一示例时序图。
[0021]图6B例示了根据本公开内容的实施方案的功率开关的漏电压的另一示例时序。
[0022]图6C例示了根据本公开内容的实施方案的功率开关的漏电压的时序图的另一实施例。
[0023]图7例示了根据本公开内容的实施方案的功率开关的漏电压的时序图。
[0024]图8例示了根据本公开内容的实施方案的同步整流器开关的漏电压和功率开关的漏电压的时序图。
[0025]图9例示了根据本公开内容的实施方案的具有初级控制器、次级控制器和箝位驱动器的功率转换器的一个实施例。
[0026]图10例示了根据本公开内容的实施方案的用于图9的功率转换器的控制电路的一个实施例，该控制电路可以根据请求信号U
REQ
确定操作模式。
[0027]图11A例示了根据本公开内容的实施方案的用于图9的功率转换器的次级控制器的一个实施例。
[0028]图11B例示了根据本公开内容的实施方案的用于图9的功率转换器的次级控制器的另一个实施例。
[0029]图12A例示了根据本公开内容的实施方案的图9、图10、图11A和图11B的请求信号U
REQ
的样式(pattern)的一个实施例。
[0030]图12B例示了根据本公开内容的实施方案的图9、图10、图11A和图11B的请求信号U
REQ
的样式的另一个实施例。
[0031]图13例示了根据本公开内容的实施方案的具有初级控制器、次级控制器、箝位驱动器和偏置绕组的功率转换器的又一个实施例。
[0032]图14例示了根据本公开内容的实施方案的用于图13的初级控制器的控制电路的一个实施例，该控制电路可以响应于图13的偏置绕组电压而确定功率转换器的操作。
[0033]图15A例示了根据本公开内容的实施方案的图13的功率转换器和图14的控制电路的请求信号、箝位使能信号、驱动信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种被配置用于在功率转换器中使用的次级控制器，所述次级控制器包括：检测器电路，所述检测器电路被配置为响应于正向电压信号穿到阈值以下而生成过阈值信号；比较器，所述比较器被耦合以响应于所述正向电压信号大于关断阈值而生成断开信号的第一状态，所述比较器还被耦合以响应于所述正向电压信号小于所述关断阈值而生成所述断开信号的第二状态；第一触发器，所述第一触发器被耦合以响应于所述过阈值信号而接通同步整流器并且响应于所述断开信号的所述第二状态而关断所述同步整流器；模式检测电路，所述模式检测电路被配置为响应于反馈信号在参考以下和次级驱动信号的第一状态而输出第一模式信号，所述模式检测电路还被配置为响应于所述反馈信号在所述参考以下和所述次级驱动信号的第二状态而输出第二模式信号；以及控制电路，所述控制电路被配置为响应于所述第一模式信号而生成请求信号的第一样式，所述控制电路还被配置为响应于所述第二模式信号而生成所述请求信号的第二样式。2.根据权利要求1所述的次级控制器，其中所述请求信号的所述第一样式表示所述功率转换器的连续传导模式(CCM)。3.根据权利要求1所述的次级控制器，其中所述请求信号的所述第二样式表示所述功率转换器的不连续传导模式(DCM)。4.根据权利要求1所述的次级控制器，其中所述模式检测电路包括：多路复用器，所述多路复用器被配置为响应于所述同步整流器的接通或关断而选择所述第一模式信号或所述第二模式信号。5.根据权利要求4所述的次级控制器，其中所述模式检测电路还包括：模式触发器，所述模式触发器被耦合以响应于所述反馈信号在所述阈值以下而控制开关，其中当所述开关闭合时，所述模式检测电路输出所述第一模式信号或所述第二模式信号。6.一种功率转换器，包括：能量传递元件，所述能量传递元件耦合在所述功率转换器的输入和所述功率转换器的输出之间；功率开关，所述功率开关耦合到所述能量传递元件；箝位驱动器，所述箝位驱动器耦合到箝位电容器和箝位开关；初级控制器，所述初级控制器耦合到所述箝位驱动器和所述功率开关；以及次级控制器，所述次级控制器被配置为控制所述功率开关的开关以控制能量通过所述能量传递元件从所述功率转换器的所述输入到所述功率转换器的所述输出的传递，所述次级控制器包括：检测器电路，所述检测器电路被配置为响应于正向电压信号穿到阈值以下而生成过阈值信号；比较器，所述比较器被耦合以响应于所述正向电压信号大于关断阈值而生成断开信号的第一状态，所述比较器还被耦合以响应于所述正向电压信号小于所述关断阈值而生成所述断开信号的第二状态；第一触发器，所述第一触发器被耦合以响应于所述过阈值信号而接通同步整流器并且
响应于所述断开信号的所述第一状态而关断所述同步整流器；模式检测电路，所述模式检测电路被配置为响应于所述同步整流器的传导而输出第一模式信号，所述模式检测电路还被配置为响应于所述同步整流器的不传导而输出第二模式信号；以及次级控制电路，所述次级控制电路被配置为响应于所述第一模式信号而生成请求信号的第一样式，所述次级控制电路还被配置为响应于所述第二模式信号而生成所述请求信号的第二样式。7.根据权利要求6所述的功率转换器，所述初级控制器包括：初级控制电路，所述初级控制电路被配置为响应于所述请求信号而生成控制信号，其中所述控制信号表示在所述箝位开关的关断之后启用所述功率开关的延迟时间，所述初级控制电路还被配置为响应于所述请求信号而生成箝位驱动信号以控制所述箝位驱动器来接通所述箝位开关；以及驱动电路，所述驱动电路被配置为响应于所述控制信号而生成驱动信号，以启用所述功率开关以将能量从所述功率转换器的所述输入传递到所述功率转换器的所述输出。8.根据权利要求7所述的功率转换器，所述初级控制电路包括：使能电路，所述使能电路被配置为响应于所述请求信号而生成使能信号，所述使能电路还被配置为响应于所述请求信号的所述第一样式而生成第一操作模式信号，并且还被配置为响应于所述请求信号的所述第二样式而生成第二操作模式信号；以及单稳态多谐振荡器，所述单稳态多谐振荡器被耦合以响应于所述使能信号而生成所述箝位驱动信号以接通所述箝位开关，并且被耦合以在第一持续时间内输出一脉冲，其中所述第一持续时间是用于所述箝位开关的接通时间。9.根据权利要求8所述的功率转换器，所述初级控制电路还包括第二触发器，所述第二触发器耦合到所述单稳态多谐振荡器以响应于所述箝位驱动信号而生成第一逻辑状态。10.根据权利要求8所述的功率转换器，其中所述初级控制电路还被配置为控制所述箝位驱动器以将存储在所述箝位电容器中的电荷注入到所述能量传递元件中，以在接通所述功率开关之前使所述功率开关的寄生电容放电到所述能量传递元件中。11.根据权利要求8所述的功率转换器，其中所述初级控制电路还包括延迟电路，所述延迟电路被配置为响应于所述第一操作模式信号或所述第二操作模式信号而改变所述箝位开关的关断和所述功率开关的接通之间的延迟时间。12.根据权利要求11所述的功率转换器，所述延迟电路包括：第一开关，所述第一开关被耦合以由所述第一操作模式信号控制；第一延迟电路，所述第一延迟电路耦合到所述第一开关，所述第一延迟电路被配置为在第一延迟时间之后输出所述控制信号，其中所述延迟时间大体上是所述第一延迟时间；第二开关，所述第二开关由所述第二操作模式信号控制；以及第二延迟电路，所述第二延迟电路耦合到所述第二开关，所述第二延迟电路被配置为在第二延迟时间之后输出所述控制信号，其中所述延迟时间大体上是所述第二延迟时间，其中所述第二延迟时间大于所述第一延迟时间。13.一种被配置用于在功率转换器中使用的初级控制器，所述初级控制器包括：控制电路，所述控制电路被配置为响应于表示能量传递元件的输入绕组的电压的偏置
电压而确定所述功率转换器的操作模式，所述控制电路被配置为响应于所述功率转换器的所述操作模式而生成控制信号，其中所述控制信号表示在箝位开关的关断之后启用功率开关的接通的延迟时间，所述控制电路还被配置为响应于表示所述功率转换器的输出的请求信号而生成箝位驱动信号以控制箝位驱动器；以及驱动电路，所述驱动电路被配置为响应于所述控制信号而生成驱动信号以控制所述功率开关，以将能量从所述功率转换器的输入传递到所述功率转换器的输出。14.根据权利要求13所述的初级控制器，所述控制电路包括：使能电路，所述使能电路被配置为响应于请求信号而生成使能信号；单稳态多谐振荡器，所述单稳态多谐振荡器被耦合以响应于所述使能信号而生成所述箝位驱动信号以接通所述箝位开关，并且被耦合以在第一持续时间内输出一脉冲，其中所述第一持续时间是用于所述箝位开关的接通时间；过零检测器，所述过零检测器被配置为生成表示所述偏置电压穿过过零参考的过零信号；以及触发器，所述触发器被耦合以响应于驱动信号而使第一操作模式信号有效并且响应于所述过零信号而使第二操作模式信号有效。15.根据权利要求14所述的初级控制器，其中响应于所述请求信号而对所述触发器的输出进行采样。16.根据权利要求14所述的初级控制器，其中所述第一操作模式信号表示所述功率转换器的连续传导模式(CCM)操作。17.根据权利要求14所述的初级控制器，其中所述第二操作模式信号表示所述功率转换器的不连续传导模式(DCM)操作。18.一种功率转换器，包括：能量传递元件，所述能量传递元件耦合在所述功率转换器的输入和所述功率转换器的输出之间；功率开关，所述功率开关耦合到所述能量传递元件；箝位开关，所述箝位开关耦合到所述能量传递元件和所述功率开关，所述箝位开关被配置为由箝位驱动器控制；以及初级控制器，所述初级控制器耦合到所述功率开关，所述初级控制器包括：控制电路，所述控制电路被配置为响应于表示所述能量传递元件的输入绕组的电压的偏置电压而确定所述功率转换器的操作模式，所述控制电路还被配置为响应于所述操作模式而生成控制信号，其中所述控制信号表示在所述箝位开关的关断之后启用所述功率开关的接通的延迟时间，所述控制电路还被配置为生成箝位驱动信号以输出到所述箝位驱动器；以及驱动电路，所述驱动电路被配置为生成驱动信号以控制所述功率开关以将能量从所述功率转换器的所述输入传递到所述功率转换器的所述输出。19.根据权利要求18所述的功率转换器，其中所述功率转换器表现出两个操作模式，所述两个操作模式包括：第一操作模式，其中所述第一操作模式表示连续传导模式(CCM)；以及第二操作模式，其中所述第二操作模式表示不连续传导模式(DCM)。
20.根据权利要求18所述的功率转换器，其中所述能量传递元件还包括在所述箝位驱动器和所述能量传递元件的初级绕组之间的磁化电感和泄漏电感。21.根据权利要求20所述的功率转换器，其中在CCM下响应于所述箝位开关的关断，所述能量传递元件的所述泄漏电感将所述功率开关的漏源电压降低到大体上为零。22.根据权利要求20所述的功率转换器，其中在DCM下响应于所述箝位开关的接通，所述能量传递元件的所述泄漏电感和所述磁化电感将所述功率开关的漏源电压降低到大体上为零。23.根据权利要求18所述的功率转换器，还包括次级控制器，所述次级控制器被配置为响应于表示所述功率转换器的所述输出的反馈信号而生成表示接通所述功率开关的请求的请求信号。24.根据权利要求23所述的功率转换器，其中所述次级控制器与所述初级控制器电流隔离。25.根据权利要求18所述的功率转换器，所述控制电路包括：过零检测器，所述过零检测器被配置为生成表示所述偏置电压穿过过零参考的过零信号；第一触发器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：田金沅，M，
申请(专利权)人：电力集成公司，
类型：发明
国别省市：