連續(xù)導(dǎo)通模式(ccm)反激變換器零電壓開關(guān)的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開總體上涉及一種電子裝置，更具體地涉及一種用于在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)反激變換器中零電壓開關(guān)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]供電系統(tǒng)是普遍應(yīng)用于從計(jì)算機(jī)到汽車的許多電子應(yīng)用中。通常，供電系統(tǒng)內(nèi)的電壓是通過執(zhí)行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC變換產(chǎn)生的，這些變換是通過操作裝載有電感器或變壓器的開關(guān)。一類這樣的系統(tǒng)包括開關(guān)模式電源裝置(SMPS)。SMPS通常比其他類型的電力變換系統(tǒng)更有效，因?yàn)殡娏ψ儞Q是通過電感器或變壓器的受控充電和放電執(zhí)行的，并且由于電阻性電壓降兩端的功率耗損而降低了能量損失。
[0003]SMPS通常包括至少一個(gè)開關(guān)和電感器或變壓器。反激變換器是一種類型的SMPS，其實(shí)現(xiàn)了具有在輸入和任何輸出之間電流隔離的電壓變換。如其他SMPS，反激變換器可以運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)或不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的實(shí)施例總體上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，其描述了用于在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)反激變換器中零電壓開關(guān)的系統(tǒng)和方法。
[0005]根據(jù)實(shí)施例，提供了一種用于操作開關(guān)模式電源的方法。在本例中，方法包括停用耦合到開關(guān)模式電源中的變壓器的初級繞組的第一開關(guān)，以便在跨變壓器的初級繞組創(chuàng)建電壓差。變壓器包括次級繞組，其至少包括與第二繞組部分串聯(lián)耦合的第一繞組部分。串聯(lián)電感器耦合到次級繞組的第二繞組部分。方法還包括激活第二開關(guān)，以便在初級繞組的第一繞組部分和第二繞組部分之間產(chǎn)生電流不平衡。第二開關(guān)的負(fù)載路徑耦合到公共節(jié)點(diǎn)，該公共結(jié)點(diǎn)對于初級繞組的第一繞組部分和第二繞組部分兩者共用。方法還包括停用第二開關(guān)，以便減少跨次級繞組的第一繞組部分的電壓差，并在停用第二開關(guān)之后重新激活第一開關(guān)，以便啟動開關(guān)模式電源中的變壓器的充電。
[0006]根據(jù)另一實(shí)施例，提供了一種半導(dǎo)體器件。在本例中，半導(dǎo)體器件包括適于監(jiān)控開關(guān)模式電源中的部件的監(jiān)控電路以及耦合到監(jiān)控電路的開關(guān)定時(shí)電路。開關(guān)模式電源中的變壓器包括耦合到初級側(cè)開關(guān)的初級繞組，以及次級繞組，次級繞組至少包括與第二繞組部分串聯(lián)耦合的第一繞組部分。串聯(lián)電感器耦合到次級繞組的第二繞組部分。開關(guān)定時(shí)電路適于至少控制次級側(cè)開關(guān)，次級側(cè)開關(guān)具有耦合到公共節(jié)點(diǎn)的負(fù)載路徑，公共節(jié)點(diǎn)位于次級繞組的第一繞組部分和第二繞組部分之間。開關(guān)定時(shí)電路配置為激活次級側(cè)開關(guān)，以便從串聯(lián)電感器中存儲的能量在第一繞組部和第二繞組部之間產(chǎn)生電流不平衡，并且停用次級側(cè)開關(guān)，以便從第一繞組部和第二繞組部之間的電流不平衡在公共節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生電壓電勢。在公共節(jié)點(diǎn)處的產(chǎn)生電壓電勢減少了跨次級繞組的第一繞組部分的電壓差。
[0007]根據(jù)又一實(shí)施例，提供了一種開關(guān)模式電源。在本例中，開關(guān)模式電源包括變壓器，其包括次級繞組，次級繞組至少具有第一繞組部分和第二繞組部分。開關(guān)模式電源進(jìn)一步包括耦合到變壓器初級繞組的初級側(cè)開關(guān)，以及耦合到公共節(jié)點(diǎn)的次級側(cè)開關(guān)，公共節(jié)點(diǎn)位于次級繞組的第一繞組部分和第二繞組部分之間。開關(guān)模式電源進(jìn)一步包括耦合到次級繞組的串聯(lián)電感器。次級繞組的第二繞組部耦合在公共節(jié)點(diǎn)和串聯(lián)電感器之間。
【附圖說明】
[0008]為了對于本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)具有更完整的理解，結(jié)合附圖參考以下描述，其中:
[0009]圖1示出了常規(guī)反激變換器架構(gòu)的視圖；
[0010]圖2A-2C示出了實(shí)施例的反激變換器架構(gòu)的視圖；
[0011]圖3示出了在零壓開關(guān)的多次重復(fù)的實(shí)施例的反激變換器架構(gòu)的電流和電壓讀數(shù)的時(shí)序圖；
[0012]圖4示出了實(shí)施例的反激變換器架構(gòu)在單個(gè)零壓開關(guān)循環(huán)的不同階段上的電流和電壓讀數(shù)的時(shí)序圖；
[0013]圖5A-5G示出了實(shí)施例的反激變換器架構(gòu)在零壓開關(guān)循環(huán)的不同階段上的視圖；
[0014]圖6示出了實(shí)施例的反激變換器的方框圖；
[0015]不同圖中的相應(yīng)數(shù)字和符號通常涉及相應(yīng)的部件，除非另有說明。附圖清楚地示出了優(yōu)選實(shí)施例的相關(guān)方面，并且不一定按比例繪制。為了更清楚地顯示特定實(shí)施例，在數(shù)字后可以加上字母，其表示相同結(jié)構(gòu)、材料或過程步驟的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0016]現(xiàn)有優(yōu)選實(shí)施例的制造和使用在下面被詳細(xì)討論。但是，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明提供了許多可適用的可以實(shí)施在各種各樣的特定環(huán)境中的創(chuàng)新性概念。討論的特定實(shí)施例僅僅說明了制造和使用本發(fā)明的特定方式，并且不限制本發(fā)明的范圍。
[0017]將參照具體說明書中的優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，即用于反激配置中的開關(guān)模式電源的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的實(shí)施例還可以應(yīng)用于其他開關(guān)模式電源配置和其他系統(tǒng)和應(yīng)用，包括其他電路，其對包括但不限于電力系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)。
[0018]—般說來，當(dāng)從高壓源開關(guān)功率時(shí)，零電壓變換是有利的，因?yàn)閷⒊跫夒娐窂臄嚅_狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)，它減少了通過寄生電容的功率泄漏。當(dāng)變壓器在初級電路轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)之前完全放電，常規(guī)的DCM反激變換器可以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，當(dāng)輸入電壓增加，例如在準(zhǔn)諧振模式反激變換器的情況下，這可能變得困難。相反地，常規(guī)的CCM反激變換器架構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，因?yàn)楫?dāng)初級電路從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)，變壓器保持至少部分充電。因此，期望用于實(shí)現(xiàn)CCM反激變換器中的零電壓開關(guān)的技術(shù)。
[0019]本發(fā)明的方案提供了實(shí)施例的CCM反激變換器架構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。這可以是有利的，只要它允許CCM架構(gòu)運(yùn)行在(或接近)DCM效率，同時(shí)仍然具有CCM相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，例如，更小的無源部件尺寸等等。實(shí)施例通過在將初級電路從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)之前減小了初級繞組兩端的電壓差，實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。在一個(gè)示例中，電壓差減小至初級繞組兩端極性被反轉(zhuǎn)的程度。在另一例子中，初級繞組兩端的電壓差顯著地減少，但是并非達(dá)到極性真正反轉(zhuǎn)的程度。減小初級繞組兩端的電壓差可以減小開關(guān)晶體管電流路徑(例如FET晶體管中的源極-漏極)兩端的電壓差，開關(guān)晶體管用于將初級電路從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。由于減小了電壓電勢，當(dāng)開關(guān)晶體管被激活(閉合)以將初級電路從斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)，有較少的寄生功率損耗。一種用于減小初級繞組兩端電壓差的技術(shù)是為了在次級繞組的不同部分兩端產(chǎn)生電流不平衡。下面更詳細(xì)地討論這些和其他細(xì)節(jié)。
[0020]常規(guī)的CCM反激變換器架構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，因?yàn)閷⒊跫夒娐窂臄嚅_狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)，變壓器保持至少部分充電。圖1示出了常規(guī)的反激變換器架構(gòu)100，用于將輸入電壓(Vin)變換為輸出電壓(Vciut)。常規(guī)的反激變換器架構(gòu)100包括初級電路、次級電路、以及用于將電磁能從初級電路轉(zhuǎn)移至次級電路的變壓器。如圖所示，初級電路包括初級開關(guān)晶體管(Q1)和變壓器的初級繞組110，次級電路包括變壓器的次級繞組120。初級開關(guān)晶體管(Q1)被激活(例如閉合)以啟動初級繞組110的充電，并且停用(例如斷開)以啟動將存儲在初級繞組110中的電磁能轉(zhuǎn)移至次級繞組120。顯著地，當(dāng)開關(guān)晶體管(Q1)被停用(例如斷開)時(shí)，電壓差(Vp)產(chǎn)生于初級繞組110兩端，其引起了流過次級電路的電流以及在開關(guān)晶體管(Q1)的漏極和源極端子之間構(gòu)建電壓電勢(I)。當(dāng)開關(guān)晶體管(Q1)重新激活(例如閉合)以重新對初級繞組110充電，電壓電勢(V1)消耗在初級開關(guān)晶體管(Q1)的漏極-源極路徑兩端，其構(gòu)成了寄生功率損耗，其減小了常規(guī)反激變換器架構(gòu)100的運(yùn)行效率。
[0021]本公開的方面減少了通過零電壓開關(guān)的許多前述寄生功率損耗。特別地，實(shí)施例的技術(shù)減小了初級開關(guān)晶體管重新激活之前初級繞組兩端的電壓差，其基本將電壓電勢(V1)放電至變壓器的初級繞組中，從而允許初級開關(guān)晶體管在(或接近)零電壓狀態(tài)被重新激活。
[0022]圖2A-2B示出了實(shí)施例的反激變換器架構(gòu)200，用于實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。實(shí)施例的反激變換器架構(gòu)200包括初級電路、次級電路、以及用于將功率從初級電路轉(zhuǎn)移至次級電路的變壓器。實(shí)施例的反激變換器架構(gòu)200的初級電路包括初級開關(guān)晶體管(Q1)和變壓器的初級繞組210。初級開關(guān)晶體管(Q1)被激活(例如閉合)以開始初級繞組110的充電，并且停用(例如斷開)以開始將存儲在初級繞組110中的電磁能轉(zhuǎn)移至次級電路。
[0023]次級電路包括次級開關(guān)晶體管(Q3)、變壓器的次級繞組220、串聯(lián)電感器(SJ以及晶體管(Q2)或二極管(D1)，分別如圖2A和2B所示。在一些實(shí)施例中，串聯(lián)電感器(Sl)的電感包括次級側(cè)變壓器(SI)的電感的一部分(例如百分之十等)。次級繞組220包括第一繞組部分(S1)和第二繞組部分(S2)。在實(shí)施例中，次級繞