專(zhuān)利名稱(chēng)：具有功率節(jié)省構(gòu)件的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)功率轉(zhuǎn)換器，且更確切地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種使用零電壓切換技術(shù)和功率節(jié)省構(gòu)件的脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)常用于將未經(jīng)調(diào)節(jié)的功率源轉(zhuǎn)換成恒定電壓源。具有一次繞組和二次繞組的變壓器為大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器的核心。通常，開(kāi)關(guān)設(shè)備連接到一次繞組以控制從一次繞組轉(zhuǎn)移到二次繞組的能量并從所述二次繞組輸出。當(dāng)前，在開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制下，脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器可以較小的尺寸和重量而在恒定的高頻率下進(jìn)行操作。然而，此功率轉(zhuǎn)換器經(jīng)受切換損耗、組件應(yīng)力和噪音以及電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)的問(wèn)題。
為解決脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器的切換損耗問(wèn)題，已提出用于軟切換操作的相移方案，尤其是用于高頻率功率轉(zhuǎn)換。舉例而言，全橋(fu11-bridge，F(xiàn)B)準(zhǔn)諧振零電壓切換(zero-voltage switching，ZVS)技術(shù)已揭示在于1989年8月8日頒予Christopher P.Henze，Ned Mohan和John G.Hayes的美國(guó)第4,855,888號(hào)專(zhuān)利“Constant frequencyresonant power converter with zero-voltage switching”、于1995年8月15日頒予Guichao C Hua和Fred C.Lee的美國(guó)專(zhuān)利第5,442,540號(hào)“Soft-SWitching PWM converters”以及于2002年3月12日由YungtaekJang和Milan M.Jovanovic揭示的“Soft-switched full-bridgeconverters”中。在于1999年10月26日頒予F.Don Tan的美國(guó)第5,973,939號(hào)專(zhuān)利“Double forward converter with soft-PWM switching”以及于2001年2月20日頒予Simon Fraidlin和Anatoliy Polikarpov的美國(guó)第6,191,960號(hào)專(zhuān)利“Active clamp isolated power converter and methodof operating thereof”中，有源箝位技術(shù)已用于正激零電壓切換功率轉(zhuǎn)換器中。在于2000年5月30日頒予Rui Liu的美國(guó)第6,069,798號(hào)專(zhuān)利“Asymmetrical power converter and method of operation thereof”中，已開(kāi)發(fā)用于半橋(half-bridge，HB)拓?fù)涞牟粚?duì)稱(chēng)方案。
在各種零電壓切換功率轉(zhuǎn)換器中，變壓器的寄生漏電電感器或至少一個(gè)額外的磁組件用作諧振電感器或開(kāi)關(guān)來(lái)產(chǎn)生環(huán)流電流，以便實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換和切換操作。變壓器的寄生漏電電感器或額外的磁組件盡管提供零電壓轉(zhuǎn)換和切換的幫助，但因此卻增加開(kāi)關(guān)應(yīng)力和噪音。此外，在此途徑中，由環(huán)流電流所引起的功率消耗在輕負(fù)載或零負(fù)載條件下明顯較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于高頻率操作的零電壓切換脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器。所述零電壓切換脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器以低切換損耗、低應(yīng)力和低噪音在恒定的高頻率下進(jìn)行操作。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種可實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換和切換操作而無(wú)需使用額外的磁設(shè)備或變壓器的漏電電感器的零電壓切換脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明還提供一種在輕負(fù)載和零負(fù)載條件下消耗相對(duì)低功率的零電壓切換脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器。
此外，本發(fā)明提供一種用于最優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換器的軟開(kāi)關(guān)的控制方案。
本發(fā)明所提供的零電壓切換脈沖寬度調(diào)制功率轉(zhuǎn)換器包括變壓器、一次電路和二次電路。所述變壓器具有耦合到所述一次電路的一次繞組和耦合到所述二次電路的二次繞組。所述零電壓切換脈沖寬度調(diào)制進(jìn)一步包括反饋電路，其耦合到所述二次電路的輸出以產(chǎn)生反饋電壓。所述一次電路進(jìn)一步包括耦合到所述反饋電壓的控制器。所述控制器可操作以響應(yīng)于所述反饋電路而將所述一次繞組導(dǎo)通到輸入電壓源。另外，所述一次電路進(jìn)一步包括一對(duì)主開(kāi)關(guān)和一對(duì)輔助開(kāi)關(guān)。
所述軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括時(shí)序電阻器，其耦合到所述控制器以調(diào)整第二切換信號(hào)的脈沖寬度；編程電阻器，其耦合到所述控制器以將所述第二切換信號(hào)的脈沖寬度確定為所述功率轉(zhuǎn)換器的負(fù)載的函數(shù)，且所述控制器可進(jìn)一步包括參考電阻器以確定所述功率轉(zhuǎn)換器的切換頻率。
所述控制器可操作以產(chǎn)生第一和第二切換信號(hào)，使得所述功率轉(zhuǎn)換器的每一切換循環(huán)包括四個(gè)操作階段。在第一操作階段中，所述控制器通過(guò)產(chǎn)生所述第一切換信號(hào)經(jīng)由所述主開(kāi)關(guān)來(lái)導(dǎo)通所述輸入電壓源和所述一次繞組。在第二操作階段中，所述控制器切斷所述第一切換信號(hào)。在第三操作階段中，所述控制器產(chǎn)生第二切換信號(hào)以經(jīng)由所述輔助開(kāi)關(guān)將所述輸入電壓源導(dǎo)通到所述一次繞組。在第四操作階段中，所述第二切換信號(hào)被切斷。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種控制器，其包括振蕩器、反相器、第一到第二比較器、第一到第三D型觸發(fā)器以及第一與門(mén)(AND gate)和第二與門(mén)。
所述振蕩器可操作以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)、斜坡信號(hào)和鋸齒信號(hào)。所述反相器具有接收所述時(shí)鐘信號(hào)的輸入端子和輸出端子。所述第一比較器具有連接到從所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓獲得的反饋電壓的正端子、耦合到所述斜坡信號(hào)的負(fù)端子以及輸出端子。所述第二比較器具有耦合到可變電流的正端子、耦合到所述鋸齒信號(hào)的負(fù)端子以及輸出端子。可變電流流經(jīng)時(shí)序電阻器形成可變電壓，所述可變電壓與所述鋸齒信號(hào)進(jìn)行比較以產(chǎn)生用于產(chǎn)生所述第二切換信號(hào)的信號(hào)。所述第一D型觸發(fā)器耦合到所述反相器和所述第一比較器的所述輸出端子以及電壓源。所述第一D型觸發(fā)器進(jìn)一步包括輸出。所述第二D型觸發(fā)器耦合到所述反相器和所述第二比較器的所述輸出端子以及所述電壓源，且所述第二D型觸發(fā)器進(jìn)一步包括輸出。所述第三D型觸發(fā)器耦合到所述反相器的所述輸出端子，且所述第三D型觸發(fā)器具有第一輸出和與所述第一輸出反相的第二輸出。所述第三D型觸發(fā)器的所述第一輸出輸出用于所述第一切換信號(hào)的第一啟用信號(hào)(enablesignal)。所述第三D型觸發(fā)器的所述第二輸出輸出用于所述第二切換信號(hào)的第二啟用信號(hào)。所述第一與門(mén)耦合到所述第一D型觸發(fā)器和所述反相器的所述輸出以及所述第一啟用信號(hào)。所述第二與門(mén)耦合到所述第二D型觸發(fā)器和所述反相器的所述輸出以及所述第二啟用信號(hào)。所述第一與門(mén)產(chǎn)生第一切換信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述主開(kāi)關(guān)，且所述第二與門(mén)產(chǎn)生所述第二切換信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述輔助開(kāi)關(guān)。
所述控制器進(jìn)一步包括可變電流源以產(chǎn)生所述可變電流。所述可變電流源包括可編程電流、電流轉(zhuǎn)電壓(I/V)電阻器、運(yùn)算放大器、恒定電流源、一對(duì)鏡像晶體管和晶體管。流經(jīng)所述I/V電阻器的所述可編程電流產(chǎn)生連接到所述運(yùn)算放大器的正輸入端子的電壓。所述運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端子連接到所述晶體管和所述編程電阻器，其中所述編程電阻器將所述第二切換信號(hào)的脈沖寬度確定為所述功率轉(zhuǎn)換器的負(fù)載的函數(shù)。所述對(duì)鏡像晶體管連接到所述恒定電流源。所述晶體管耦合到所述鏡像晶體管中的一者。另一鏡像晶體管輸出所述可變電流。
所述振蕩器包括參考電壓、鏡像晶體管、晶體管和運(yùn)算放大器以通過(guò)所述參考電阻器產(chǎn)生參考電流。所述運(yùn)算放大器耦合于所述參考電壓、所述晶體管與所述電阻器之間。所述晶體管耦合到所述鏡像晶體管中的一者以產(chǎn)生所述參考電流。
所述振蕩器進(jìn)一步包括三個(gè)鏡像晶體管、晶體管、第一和第二運(yùn)算放大器、電阻器和從所述參考電流鏡射的恒定電流源。三個(gè)鏡像晶體管連接到所述恒定電流源。所述晶體管耦合到所述第一鏡像晶體管。所述第一運(yùn)算放大器耦合于所述晶體管與所述反饋電壓之間。所述電阻器耦合到所述晶體管和所述第一運(yùn)算放大器。所述第二運(yùn)算放大器耦合到所述電阻器和閾值電壓。所述第二鏡像晶體管輸出所述可編程電流。所述第三鏡像晶體管輸出可編程放電電流。所述可編程電流和所述可編程放電電流與所述鏡像晶體管的鏡比和所述反饋電壓與所述閾值電壓之間的差成比例，且與所述電阻器的電阻成反比。由于所述反饋電壓響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載的減少而減少，因此所述可編程電流和所述可編程放電電流在輕負(fù)載和無(wú)負(fù)載條件下降低。
所述振蕩器進(jìn)一步包括頻率電容器，其可操作以確定操作頻率。所述參考電流鏡射充電電流，所述充電電流與所述頻率電容器相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生所述斜坡信號(hào)并確定所述第一切換信號(hào)的最大開(kāi)啟時(shí)間(on-time)。所述振蕩器進(jìn)一步包括第一對(duì)鏡像晶體管和第二對(duì)鏡像晶體管、第一禁用晶體管(first-disable transistor)和第二禁用晶體管，用以控制放電電流。所述參考電流進(jìn)一步鏡射放電電流，所述放電電流流經(jīng)所述第二對(duì)鏡像晶體管以對(duì)所述頻率電容器放電，其中所述放電電流經(jīng)由所述第二禁用晶體管由第二放電信號(hào)啟用。所述放電電流與所述頻率電容器相關(guān)聯(lián)以確定所述第二切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間。所述可編程放電電流流經(jīng)所述第一對(duì)鏡像晶體管以對(duì)所述頻率電容器放電，其中所述可編程放電電流經(jīng)由所述第一禁用晶體管由第一放電信號(hào)啟用。所述可編程放電電流與所述頻率電容器相關(guān)聯(lián)以確定所述第一切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間。由于所述可編程放電電流在輕負(fù)載條件下根據(jù)負(fù)載的減少而降低，因此所述第一切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間增加。同時(shí)，所述第二切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間保持為常數(shù)，其維持較短延遲時(shí)間用以在開(kāi)始下一切換循環(huán)之前實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。因此，所述第一切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間增加，所述切換信號(hào)的切換頻率減少，且因此所述功率轉(zhuǎn)換器的切換損耗和功率消耗在輕負(fù)載和無(wú)負(fù)載條件下降低。
所述振蕩器進(jìn)一步包括三個(gè)比較器、四個(gè)與非門(mén)(NAND gate)、或非門(mén)(NOR gate)、晶體管、電流源、開(kāi)關(guān)、電容器和由參考電流鏡射的釋放電流。第一比較器的負(fù)輸入端子和第二比較器的正輸入端子連接到所述頻率電容器。為確定所述切換頻率和所述斜坡信號(hào)，第一比較器的正輸入端子和第二比較器的負(fù)輸入端子分別連接到高閾值電壓和低閾值電壓。所述第一和第二與非門(mén)形成S-R鎖存電路。所述第一和第二與非門(mén)的輸入分別連接到所述第一和第二比較器的輸出。所述第一與非門(mén)輸出連接到第三和第四與非門(mén)的輸入的時(shí)鐘信號(hào)。將所述第一和第二啟用信號(hào)施加到所述第三和第四與非門(mén)，以產(chǎn)生用于所述第一和第二切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間控制的所述第一放電信號(hào)和所述第二放電信號(hào)。還施加所述時(shí)鐘信號(hào)以開(kāi)啟所述開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)與所述釋放電流和所述電容器相關(guān)聯(lián)以產(chǎn)生所述鋸齒信號(hào)。因此，所述鋸齒信號(hào)用于與所述可變電壓進(jìn)行比較以產(chǎn)生用于所述第二切換信號(hào)的信號(hào)。所述第三比較器的正輸入端子連接到所述電流源和用于檢測(cè)零電壓轉(zhuǎn)換的所述檢測(cè)二極管。所述電流源用于拉高。所述第三比較器的負(fù)輸入端子耦合到閾值電壓。一旦第三比較器檢測(cè)到低信號(hào)，那么在第二切換信號(hào)的周期期間，所述晶體管將由所述或非門(mén)開(kāi)啟以對(duì)所述頻率電容器快速放電并及時(shí)開(kāi)始所述下一切換循環(huán)。因此，實(shí)現(xiàn)所述零電壓切換且改善所述功率轉(zhuǎn)換器的效率。
有利地，本發(fā)明的所述零電壓切換PWM功率轉(zhuǎn)換器以低切換損耗、低應(yīng)力和低噪音在恒定的高頻率下進(jìn)行操作。所述零電壓切換PWM功率轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換和切換操作，而無(wú)需使用額外的磁設(shè)備或所述變壓器的漏電電感器。其在輕負(fù)載和零負(fù)載條件下消耗相對(duì)較低的功率。


附圖包含在內(nèi)以提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，且并入本說(shuō)明書(shū)中并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分。

了本發(fā)明的實(shí)施例，且與描述一起用來(lái)闡釋本發(fā)明的原理。在附圖中，圖1為根據(jù)本發(fā)明的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電路圖。
圖2繪示在如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的每一切換循環(huán)的不同操作階段中的波形。
圖3a繪示在一個(gè)切換循環(huán)的第一操作階段中如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電流流動(dòng)。
圖3b繪示在一個(gè)切換循環(huán)的第二操作階段中如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電流流動(dòng)。
圖3c繪示在一個(gè)切換循環(huán)的第三操作階段中如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電流流動(dòng)。
圖3d繪示在一個(gè)切換循環(huán)的第四操作階段中如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電流流動(dòng)。
圖4為如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的控制器的電路圖。
圖5和圖6繪示產(chǎn)生可編程時(shí)鐘信號(hào)以控制如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制頻率和軟切換操作的電路。
圖7繪示用于產(chǎn)生可變電流的電路，其確定施加到如圖1中所示的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的輔助開(kāi)關(guān)的切換信號(hào)的脈沖寬度。
圖8繪示如圖4中所說(shuō)明的時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)的波形。
圖9繪示作為負(fù)載的函數(shù)施加到主開(kāi)關(guān)的切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間。
圖10繪示作為負(fù)載的函數(shù)施加到輔助開(kāi)關(guān)的切換信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
圖1繪示本發(fā)明所提供的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電路圖。如圖1中所示，軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器包括變壓器50、一對(duì)主開(kāi)關(guān)10和20、一對(duì)輔助開(kāi)關(guān)30和40以及二次電路150。變壓器50進(jìn)一步包括耦合到主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)10、20、30和40的一次繞組Wp，而二次繞組Ws則耦合到二次電路。更明確地說(shuō)，在此實(shí)施例中，主開(kāi)關(guān)10將一次繞組Wp從一次繞組Wp的一端的節(jié)點(diǎn)A連接到輸入電壓源VIN，且節(jié)點(diǎn)A進(jìn)一步連接到輔助開(kāi)關(guān)40。輔助開(kāi)關(guān)30將輸入電壓源VIN從一次繞組Wp的另一端處的節(jié)點(diǎn)B連接到一次繞組Wp，且主開(kāi)關(guān)20進(jìn)一步從節(jié)點(diǎn)B連接到一次繞組Wp。主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)10、20、30和40可包含(例如)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(meta1-oxidesemiconductor field effect transistors，MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistors，IGBT)和門(mén)關(guān)斷晶體管(gate-tum-off transistors，GTO)。如圖1中所示，輸入電壓源VIN進(jìn)一步連接到電容器5。
二次電路150包括半橋整流器，其由二極管60(優(yōu)選為整流二極管)和二極管70(經(jīng)常稱(chēng)為飛輪(freewheel)二極管或相對(duì)于二極管60的反向二極管)組裝而成。二次電路150進(jìn)一步包括電感器80和電容器90。二極管60的正端子耦合到二次繞組Ws的一端，而二極管70的正端子耦合到二次繞組Ws的另一端。電感器80連接于二極管60與70的負(fù)端子之間。電容器90的一個(gè)端子連接到二極管70的正端子，而另一端則連接于二次電路的電感器與輸出端子之間。
如圖1中所示，主開(kāi)關(guān)10和20由切換信號(hào)S1來(lái)驅(qū)動(dòng)，而輔助開(kāi)關(guān)30和40由切換信號(hào)S2來(lái)驅(qū)動(dòng)。參看圖2，切換信號(hào)S1優(yōu)選為具有脈沖寬度T1的脈沖信號(hào)，且切換信號(hào)S2優(yōu)選為具有脈沖寬度T3的脈沖信號(hào)。軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步包括控制器100，其用于產(chǎn)生切換信號(hào)S1和S2；以及反饋電路300，其耦合到二次電路的輸出端子，以響應(yīng)于功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V0而將反饋電壓VFB供應(yīng)到控制器100。
反饋電路300包括誤差放大器120和光耦合器110。二次電路150的輸出電壓V0經(jīng)由電阻器130和131而從誤差放大器120的負(fù)輸入端子饋入到誤差放大器120中，并與參考電壓VREF進(jìn)行比較。在由誤差放大器120進(jìn)行比較和放大后，反饋電壓VFB經(jīng)由光耦合器110而輸入到控制器100。
如圖1中所示，控制器100連接到電阻器315、415、515、反饋電壓VFB、主開(kāi)關(guān)10、20、輔助開(kāi)關(guān)30、40和具有耦合于節(jié)點(diǎn)B與主開(kāi)關(guān)20之間的負(fù)端子的二極管105。電阻器315可經(jīng)調(diào)整以確定用于驅(qū)動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)30和40的切換信號(hào)S2的脈沖寬度T3。反饋電壓VFB的變化范圍根據(jù)電阻器415上的電壓來(lái)確定，使得切換信號(hào)S2的脈沖T3可經(jīng)進(jìn)一步調(diào)整作為連接到二次電路150的輸出端子的負(fù)載的函數(shù)，功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V0從所述輸出端子輸出。功率轉(zhuǎn)換器的切換頻率可通過(guò)調(diào)整電阻器515的電阻來(lái)確定。本說(shuō)明書(shū)中稍后將進(jìn)一步描述控制器100的各種組件的詳細(xì)描述。
通過(guò)控制主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)10到40的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，如圖1中所示的功率轉(zhuǎn)換器在每一切換循環(huán)中具有四個(gè)操作階段，如圖2和圖3a到3d中所示。另外，為在每一循環(huán)的四個(gè)操作階段中操作功率轉(zhuǎn)換器，切換信號(hào)S1和S2必須是異相的。舉例而言，在如圖1和圖2中所示的實(shí)施例中，當(dāng)切換信號(hào)S1在每一切換循環(huán)的T1期間為高時(shí)主開(kāi)關(guān)10和20導(dǎo)通。在持續(xù)時(shí)間T1期間，輔助開(kāi)關(guān)30和40切斷。當(dāng)切換信號(hào)S1已在一段時(shí)間(即，如圖2中所示的T2)內(nèi)切斷后，輔助開(kāi)關(guān)30和40在一段時(shí)間T3內(nèi)導(dǎo)通。
參看圖2和3a到3d進(jìn)一步描述所述四個(gè)操作階段如下。如圖2中所示，在每一切換循環(huán)開(kāi)始時(shí)，主開(kāi)關(guān)10和20在切換信號(hào)S1的脈沖寬度T1內(nèi)接通。如圖3a中所示，當(dāng)主開(kāi)關(guān)10和20激活時(shí)，來(lái)自輸入電壓VIN的電流I1經(jīng)由主開(kāi)關(guān)10和20而流經(jīng)一次繞組Wp。因此，能量從一次電路傳遞到二次電路。同時(shí)，一次繞組Wp和二次繞組Ws的極性通過(guò)將正向偏壓供應(yīng)到整流二極管60而使其導(dǎo)通，而飛輪二極管70歸因于向其所供應(yīng)的反向偏壓而切斷。因此，二次電流I2沿著二次電路流動(dòng)，如二次電路中的箭頭所指示。因此能量傳遞到輸出端子且以輸出電壓V0輸出。
在T1后，切換信號(hào)S1降落到零或更低電壓以在如圖2中所示的第二操作階段中切斷主開(kāi)關(guān)10和20。參看圖3b，一次電流I1切斷。然而，在輔助開(kāi)關(guān)30和40由切換信號(hào)S2接通之前，電流I3被引起以在圖3b中所示的第二操作階段中，經(jīng)由輔助開(kāi)關(guān)30和40的寄生二極管而從一次繞組Wp流向輸入電壓源。因此，二次繞組Ws中的整流二極管60被反向偏壓并切斷，二極管70被正向偏壓并導(dǎo)通，且電感器80與電容器90之間的閉環(huán)形成。
因此，二次繞組Ws變?yōu)殚_(kāi)路，且存儲(chǔ)于變壓器50中的能量被重置并經(jīng)由輔助開(kāi)關(guān)30和40的寄生二極管飛輪回到輸入電壓源VIN。同時(shí)，存儲(chǔ)于電感器80和電容器90中的能量連續(xù)傳遞到二次電路的輸出端子，且電流I4產(chǎn)生并在閉環(huán)中環(huán)流，如在圖3b中由二次電路中的箭頭所指示。此外，如圖2中所示，第二操作階段的持續(xù)時(shí)間T2可被延長(zhǎng)直到存儲(chǔ)于變壓器50中的所有能量被釋放。第二操作階段的可變持續(xù)時(shí)間在圖2中指示為T(mén)R。
圖2和3c繪示在軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的每一切換循環(huán)中的第三操作階段。如圖2中所示，在開(kāi)始下一切換循環(huán)之前，即在主開(kāi)關(guān)10和20再次由切換信號(hào)S1接通之前，切換信號(hào)S2接通輔助開(kāi)關(guān)30和40。如圖3c中所示，電流I5經(jīng)導(dǎo)向以經(jīng)由一次繞組Wp從節(jié)點(diǎn)B流向節(jié)點(diǎn)A，且能量被存儲(chǔ)于變壓器50中。在一次電路中，電流I5沿著與第二操作階段中產(chǎn)生的電流I3相反的方向流動(dòng)。對(duì)于二次電路，與第二操作階段類(lèi)似的是，電流I5的方向?qū)е抡鞫O管60的反向偏壓，使得二次繞組Ws變?yōu)殚_(kāi)路。因此，變壓器50在此操作階段中作為電感器來(lái)操作。二次繞組Ws為開(kāi)路且沒(méi)有電流流經(jīng)，所以可實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)30和40的零電流切換(zero-currentswitching，ZCS)或零電壓切換(zero-voltage switching，ZVS)。因此，軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器類(lèi)似于在此情況下的不連續(xù)模式返馳功率轉(zhuǎn)換器(flyback power converter)來(lái)進(jìn)行操作。因此，第三操作階段中存儲(chǔ)于變壓器50中的能量可表示為ε＝Lp×Ip2/2，其中Lp為一次繞組Wp的電感，而Ip為流經(jīng)一次繞組Wp的電流且可表示為Ip＝VIN×T3/Lp，其中T3為輔助開(kāi)關(guān)30和40的開(kāi)啟時(shí)間。通過(guò)將Ip的等式代入能量ε的等式中，ε=VIN2×T32/(2×Lp).
在如圖2和圖3d中所示的第四操作階段中，切換信號(hào)S2降落到零或低電壓以切斷輔助開(kāi)關(guān)30和40，同時(shí)切換信號(hào)S1保持低或?yàn)榱?，從而保持主開(kāi)關(guān)10和20切斷。電流I5因此從一次繞組Wp切斷。同時(shí)，在第三操作階段的周期T3中產(chǎn)生并使變壓器50磁化的能量經(jīng)由主開(kāi)關(guān)10和20的寄生二極管而返馳到輸入電壓源VIN。因此，產(chǎn)生在與產(chǎn)生于第一操作階段中的電流I1相反的方向上流動(dòng)的電流I7。此實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。
為在此操作階段中產(chǎn)生流經(jīng)主開(kāi)關(guān)10和20的電流I7并實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換，主開(kāi)關(guān)10和20的寄生二極管必須接通。而且，為接通主開(kāi)關(guān)10和20的寄生二極管，首先必須對(duì)其寄生電容器放電。因此，為實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換，必須滿足以下不等式VIN2×T32/(2×Lp)＞2×(Cr×VIN2/2)其中Cr為主開(kāi)關(guān)10和20的寄生電容。一次繞組Wp與主開(kāi)關(guān)10和20的寄生電容器之間的諧振頻率fr可表示為fr＝1/(2π×(Lp×Cr)1/2)，實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的相移的最小轉(zhuǎn)移時(shí)間TF為T(mén)F＝1/(4×fr)＝π×(Lp×Cr)1/2/2也就是說(shuō)，從切換信號(hào)S2降為低以切斷輔助開(kāi)關(guān)30和40到主開(kāi)關(guān)10和20再次由切換信號(hào)S1接通時(shí)的最小時(shí)間，即第四階段的最小持續(xù)時(shí)間可用TF的以上等式來(lái)計(jì)算。從以上等式，已知實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換所需的最小時(shí)間由一次繞組Wp的電感和寄生電容Cr來(lái)確定。
第四操作階段的持續(xù)時(shí)間可在主開(kāi)關(guān)10和20的寄生二極管導(dǎo)通之后且在開(kāi)始下一切換循環(huán)之前延遲一延遲時(shí)間Tz。因此，第四操作階段的總持續(xù)時(shí)間為最小轉(zhuǎn)移時(shí)間TF和延遲時(shí)間Tz的和，即T4＝TF+Tz。然而，為在零電壓轉(zhuǎn)換的條件下在連續(xù)模式中操作電感器80，在第三操作階段的持續(xù)時(shí)間T3中存儲(chǔ)于變壓器50中的能量必須滿足以下不等式VIN2×T32/(2×Lp)＞{[Cr×VIN2]+[VIN×(Ns/Np)×IO×TZ]+[TZ×VIN2×T3/Lp]}，
其中Ns和Np分別為二次繞組Ws和一次繞組Wp的匝數(shù)，且I0為功率轉(zhuǎn)換器的輸出電流。也就是說(shuō)，在持續(xù)時(shí)間T3中存儲(chǔ)于變壓器50中的能量必須足夠大以對(duì)寄生電容2Cr放電，且接著提供一次側(cè)反向飛輪電流并在延遲時(shí)間Tz期間保持輸出電流。
此外，為最優(yōu)化軟切換操作，延遲時(shí)間Tz必須最小化以節(jié)省能量。一旦控制器100在第四操作階段中經(jīng)由二極管105檢測(cè)到零電壓轉(zhuǎn)換，那么主開(kāi)關(guān)10和20瞬時(shí)由切換信號(hào)S1接通。因此，可最小化延遲時(shí)間Tz并最優(yōu)化軟切換操作。
圖4繪示用于產(chǎn)生切換信號(hào)S1和S2的控制器100的電路圖。如圖4中所示，控制器100包含振蕩器200、反相器370、比較器320和330、可變電流源310、D型觸發(fā)器340、350和360、以及與門(mén)380和390。振蕩器200耦合到反相器370的輸入、比較器320和330的負(fù)輸入。反相器370的輸出耦合到D型觸發(fā)器340、350、360以及與門(mén)380和390的輸入。D型觸發(fā)器340進(jìn)一步耦合到電壓源VCC和比較器320的輸出，而其輸出耦合到與門(mén)380。由D型觸發(fā)器350輸出的啟用信號(hào)SA和SB彼此反轉(zhuǎn)并分別饋入與門(mén)380和390中。D型觸發(fā)器360進(jìn)一步耦合到比較器330的輸出和電壓源VCC，而D型觸發(fā)器360的輸出耦合到與門(mén)390的輸入。切換信號(hào)S1和S2從與門(mén)380和390輸出以分別驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān)10、20和輔助開(kāi)關(guān)30、40。
如圖4中所示，D型觸發(fā)器350將啟用信號(hào)SA和SB分別提供到與門(mén)380和390，以確保如圖1中所示的主開(kāi)關(guān)10、20和輔助開(kāi)關(guān)30和40在單獨(dú)相位下驅(qū)動(dòng)，且略小于最大工作周期的50％。振蕩器200可操作以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)210、斜坡信號(hào)220和鋸齒信號(hào)230。時(shí)鐘信號(hào)210確定功率轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制切換頻率，并提供切換信號(hào)S1與S2的脈沖之間的關(guān)閉時(shí)間(死時(shí)間)，以實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的相移。在比較器320中將反映功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓V0的反饋電壓VFB與斜坡信號(hào)220進(jìn)行比較。當(dāng)反饋電壓VFB為高時(shí)，切換信號(hào)S1的脈沖寬度T1變寬，且更多功率轉(zhuǎn)送到功率轉(zhuǎn)換器的輸出。因此，源自輸出電壓V0的反饋電壓VFB可用于調(diào)節(jié)輸出電壓V0。在比較器320中將反饋電壓VFB與由振蕩器200產(chǎn)生的斜坡信號(hào)220進(jìn)行比較。由振蕩器200產(chǎn)生的鋸齒信號(hào)230與斜坡信號(hào)220同步，而鋸齒信號(hào)230振幅與斜坡信號(hào)220的振幅成反比?？勺冸娏髟?10產(chǎn)生作為反饋電壓VFB的函數(shù)的流經(jīng)電阻器315的可變電流Im，從而在電阻器315上產(chǎn)生可變電壓。在比較器330中將鋸齒信號(hào)230與由可變電流源310產(chǎn)生的可變電壓進(jìn)行比較。通過(guò)調(diào)整可變電流Im，電阻器315上的可變電壓可編程，使得切換信號(hào)S2的脈沖寬度T3可被編程或調(diào)整。當(dāng)反饋電壓根據(jù)負(fù)載的增加而增加時(shí)，可變電流Im將升高且切換信號(hào)S2的脈沖寬度T3將變寬，如圖10中所示。
圖7中所示的可變電流源310包括可編程電流源420、電阻器425、運(yùn)算放大器410、電流源490、一對(duì)鏡像晶體管460、480和晶體管450?？删幊屉娏髟?20流經(jīng)電阻器425而產(chǎn)生連接到運(yùn)算放大器410的正輸入端子的電壓。運(yùn)算放大器410的負(fù)輸入端子連接到晶體管450和編程電阻器415，以根據(jù)電阻器425的電壓來(lái)產(chǎn)生電流，其中編程電阻器415將切換信號(hào)S2的脈沖寬度T3確定為功率轉(zhuǎn)換器的負(fù)載的函數(shù)。所述對(duì)鏡像晶體管460、470連接到電流源490。晶體管450耦合到鏡像晶體管460。鏡像晶體管470輸出可變電流Im。
參看圖5，振蕩器200包括參考電壓V1、晶體管551、晶體管553和運(yùn)算放大器510以通過(guò)電阻器515來(lái)產(chǎn)生參考電流。運(yùn)算放大器510耦合于參考電壓V1、晶體管553與電阻器515之間。晶體管553耦合到晶體管551以產(chǎn)生參考電流。振蕩器進(jìn)一步包括三個(gè)鏡像晶體管561、562、563、晶體管560、兩個(gè)運(yùn)算放大器520和521、電阻器540和由晶體管557從參考電流鏡射的電流源。晶體管561、562、563連接到晶體管557。晶體管560耦合到晶體管561。運(yùn)算放大器520的正端子耦合到反饋電壓VFB，且運(yùn)算放大器520的負(fù)端子耦合到晶體管560。電阻器540耦合到晶體管560和運(yùn)算放大器520。運(yùn)算放大器521耦合到電阻器540且運(yùn)算放大器521的正端子耦合到閾值電壓VTH。晶體管562從晶體管561鏡射可編程電流420。晶體管563從晶體管561鏡射可編程放電電流?？删幊屉娏?20和放電可編程電流與鏡像晶體管561、562、563的鏡比以及反饋電壓VFB與閾值電壓VTH之間的差成比例，且與電阻器540的電阻成反比。由于反饋電壓VFB響應(yīng)于功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載的減少而減少，因此在輕負(fù)載和無(wú)負(fù)載條件下可編程電流420和可編程放電電流降低。
振蕩器200進(jìn)一步包括可操作以確定操作頻率的電容器530。從參考電流鏡射的充電電流Ic與電容器530相關(guān)聯(lián)，且用于產(chǎn)生斜坡信號(hào)220并確定第一切換信號(hào)S1的最大開(kāi)啟時(shí)間。振蕩器200進(jìn)一步包括第一對(duì)鏡像晶體管564、565和第二對(duì)鏡像晶體管574、575、第一禁用晶體管568和第二禁用晶體管578，用以控制放電電流ID。由晶體管559從參考電流鏡射的放電電流流經(jīng)第二對(duì)鏡像晶體管574、575，以對(duì)電容器530放電。放電電流ID經(jīng)由第二禁用晶體管578由第二放電信號(hào)WB啟用。放電電流ID與電容器530相關(guān)聯(lián)以確定第二切換信號(hào)S2的關(guān)閉時(shí)間TOFF。從晶體管563鏡射的可編程放電電流流經(jīng)第一對(duì)鏡像晶體管564、565以對(duì)電容器530放電。可編程放電電流經(jīng)由第一禁用晶體管568由第一放電信號(hào)WA啟用?？删幊谭烹婋娏髋c電容器530相關(guān)聯(lián)以確定第一切換信號(hào)S1的關(guān)閉時(shí)間TOFF。由于可編程放電電流在輕負(fù)載條件下根據(jù)負(fù)載的減少而降低，所以第一切換信號(hào)S1的關(guān)閉時(shí)間TOFF因此而增加，如圖9中所示。同時(shí)第二切換信號(hào)S2的關(guān)閉時(shí)間TOFF保持為常數(shù)，其維持較短延遲時(shí)間T4以在開(kāi)始下一切換循環(huán)之前實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換，如圖8中所示。因此，第一切換信號(hào)S1的關(guān)閉時(shí)間TOFF增加，切換信號(hào)的切換頻率減少，且因此功率轉(zhuǎn)換器的切換損耗和功率消耗在輕負(fù)載和無(wú)負(fù)載條件下降低。
振蕩器的切換頻率Freq為周期的倒數(shù)，表示為Freq＝1/T＝1/(2×TON+TOFF+T4)，其中在每一切換循環(huán)中，變壓器50導(dǎo)通到輸入電壓源VIN兩次，一次經(jīng)由主開(kāi)關(guān)10和20，且一次經(jīng)由輔助開(kāi)關(guān)30和40，使得每一周期T包含兩個(gè)開(kāi)啟時(shí)間，其表示為2×TON(T1和T3)。另外，主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)10到40在每一周期中還切換兩次，即，由TOFF表示的一個(gè)關(guān)閉時(shí)間和另一關(guān)閉時(shí)間T4。
開(kāi)啟時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間和T4可從電容530(“Cc”)、電容器530上的電壓降落和流經(jīng)其的電流來(lái)導(dǎo)出，如下TON＝Cc×(VH-VL)/IC其中Ic為電容器530的充電電流；TOFF＝Cc×(VH-VL)/Id-A其中Id-A為在信號(hào)WA的控制下從晶體管564、565和568供應(yīng)的流經(jīng)電容器530的放電電流；T4＝Cc×(VH-VL)/Id-B其中Id-B為在第四操作階段的持續(xù)時(shí)間T4內(nèi)，在信號(hào)WB的控制下從晶體管574、575和578供應(yīng)的電容器530的放電電流。
此外，充電電流Ic以及放電電流Id-A和Id-B可表示為Ic＝(V1/R515)×K1，其中V1為參考電壓，且K1＝N558/N551，其為晶體管558與晶體管551的幾何比；Id-A＝[(VFB-VTH)/R540]×K2其中(VFB-VTH)為電阻器540上的電壓降落，而K2＝(N563/N561)×(N565/N564)，其由晶體管563、561和晶體管565、564的幾何比來(lái)確定；和Id-B＝(V1/R515)×K3其中K3＝(N559/N551)×(N575/N574)，其為晶體管559、551和晶體管575、574的幾何比的產(chǎn)物。
振蕩器200進(jìn)一步包括三個(gè)比較器710、720、730、四個(gè)與非門(mén)740、750、770、780、或非門(mén)790、晶體管725、電流源715、開(kāi)關(guān)625、電容器540和由參考電流鏡射的釋放電流620。比較器710的負(fù)輸入端子和比較器720的正輸入端子連接到電容器530。為確定切換頻率和斜坡信號(hào)220，比較器710的正輸入端子和比較器720的負(fù)輸入端子分別連接到高閾值電壓VH和低閾值電壓VL。與非門(mén)740、750形成S-R鎖存電路。與非門(mén)740和750的輸入分別連接到比較器710和720的輸出。與非門(mén)740輸出連接到與非門(mén)770和780的輸入的時(shí)鐘信號(hào)210。將第一和第二啟用信號(hào)Sa和SB分別施加到與非門(mén)770和780，以產(chǎn)生用于第一和第二切換信號(hào)S1和S2的關(guān)閉時(shí)間控制的第一放電信號(hào)WA和第二放電信號(hào)WB。還施加時(shí)鐘信號(hào)210以開(kāi)啟開(kāi)關(guān)625，所述開(kāi)關(guān)625與釋放電流620和電容器540相關(guān)聯(lián)以產(chǎn)生如圖8中所示的鋸齒信號(hào)230。因此，鋸齒信號(hào)230用于與可變電壓進(jìn)行比較以產(chǎn)生用于第二切換信號(hào)S2的信號(hào)。比較器730的正輸入端子連接到電流源715和用于檢測(cè)零電壓轉(zhuǎn)換的檢測(cè)二極管105。電流源715用于拉高。比較器730的負(fù)輸入端子耦合到閾值電壓V2。一旦低信號(hào)由比較器730檢測(cè)到，那么在第二切換信號(hào)S2的周期期間，晶體管725將由或非門(mén)790開(kāi)啟以對(duì)電容器530快速放電，以便及時(shí)開(kāi)始下一切換循環(huán)。因此實(shí)現(xiàn)零電壓切換且改善功率轉(zhuǎn)換器的效率。
如圖9中所示，響應(yīng)于反饋電壓VFB的減少，關(guān)閉主開(kāi)關(guān)10、20的持續(xù)時(shí)間TOFF隨斜率Kx而增加，直到達(dá)到最小值Tmin。其可表示為T(mén)OFF＝kx÷(|VFB-VTH|)其中TOFF＞Tmin＞0。
相反，如圖10中所示，接通輔助開(kāi)關(guān)30、40的持續(xù)時(shí)間，即其脈沖寬度T3隨斜率qx而增加，直到達(dá)到最大值Tmax。電阻器315、415的電阻確定斜率qx。其可表述為T(mén)3=qx×(VFB-VTH)qx＝(R315/R415)×K5其中K5為常數(shù)。
在所提出的電路中，主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)分別通過(guò)ZVS和ZCS進(jìn)行操作。與軟開(kāi)關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)相比，不需要額外的磁設(shè)備或變壓器的漏電感。因此，切換損耗、應(yīng)力和噪音降低。此外，由于切換頻率減少，所以在輕負(fù)載條件下功率轉(zhuǎn)換器的功率消耗額外地降低。
所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將易明了，可在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種修改和變化。鑒于上文所述，希望本發(fā)明涵蓋在所附權(quán)利要求書(shū)和其等同物范固內(nèi)的本發(fā)明的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其包括變壓器，其具有一次繞組和二次繞組；一次電路，其耦合到所述一次繞組，其中所述一次電路進(jìn)一步包括一對(duì)主開(kāi)關(guān)和一對(duì)輔助開(kāi)關(guān)，二次電路，其耦合到所述二次繞組；反饋電路，其耦合到所述二次電路的輸出以產(chǎn)生反饋電壓；以及控制器，其耦合到反饋電壓和所述一次電路，所述控制器被操作以響應(yīng)于所述反饋電路而將所述一次繞組導(dǎo)通到輸入電壓源，其中所述控制器被操作以產(chǎn)生彼此異相的第一切換信號(hào)和第二切換信號(hào)，從而分別驅(qū)動(dòng)所述主開(kāi)關(guān)和所述輔助開(kāi)關(guān)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其進(jìn)一步包括檢測(cè)二極管，其連接于所述主開(kāi)關(guān)與所述控制器之間，其中所述檢測(cè)二極管被操作以在檢測(cè)到所述變壓器的零電壓轉(zhuǎn)換條件時(shí)，產(chǎn)生輸出到所述控制器的檢測(cè)信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其進(jìn)一步包括時(shí)序電阻器，其耦合到所述控制器以調(diào)整所述第二切換信號(hào)的脈沖寬度；編程電阻器，其耦合到所述控制器以將所述第二切換信號(hào)的脈沖寬度確定為所述功率轉(zhuǎn)換器的負(fù)載的函數(shù)；以及參考電阻器，其用于調(diào)整所述功率轉(zhuǎn)換器的切換頻率。
4.一種功率轉(zhuǎn)換器，其包括變壓器，其具有一次繞組和二次繞組；一次電路，其耦合到所述一次繞組，所述一次電路進(jìn)一步包括第一主開(kāi)關(guān)，其連接到輸入電壓源和所述一次繞組的第一端子；第二主開(kāi)關(guān)，其連接到所述一次繞組的第二端子，用以接收第一切換信號(hào)；第一輔助開(kāi)關(guān)，其連接到所述輸入電壓源和所述一次繞組的所述二次端子；第二輔助開(kāi)關(guān)，其連接到所述第一端子，用以接收第二切換信號(hào)；控制器，其被操作以產(chǎn)生所述第一和第二切換信號(hào)；檢測(cè)二極管，其耦合于所述一次繞組與所述控制器的檢測(cè)輸入之間，以檢測(cè)所述變壓器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)；反饋電路，其被操作以響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓而產(chǎn)生反饋電壓到所述控制器；以及二次電路，其連接于所述二次繞組與所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出之間，其中所述二次電路進(jìn)一步包括半橋整流器，其耦合到所述二次繞組；電感器，其耦合到所述半橋整流器；以及電容器，其耦合到所述電感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述功率轉(zhuǎn)換器在多個(gè)操作階段中操作，包括在第一操作階段中，所述控制器被操作以產(chǎn)生所述第一切換信號(hào)，以經(jīng)由所述主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通所述輸入電壓源和所述一次繞組，其中當(dāng)所述第一切換信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，電流被導(dǎo)通并經(jīng)由所述第一和第二主開(kāi)關(guān)從所述一次繞組的所述第一端子流向所述一次繞組的所述第二端子；在第二操作階段中，所述第一切換信號(hào)被切斷以使所述輸入電壓源和所述一次繞組斷開(kāi)連接，其中所述第一切換信號(hào)被切斷，電流被引起而經(jīng)由所述第一和第二輔助開(kāi)關(guān)從所述一次繞組流向所述輸入電壓源；在第三操作階段中，所述第二切換信號(hào)被產(chǎn)生以經(jīng)由所述輔助開(kāi)關(guān)將所述輸入電壓源導(dǎo)通到所述一次繞組，其中所述第二切換信號(hào)被產(chǎn)生，電流被導(dǎo)通并經(jīng)由所述第一和第二輔助開(kāi)關(guān)從所述一次繞組的所述第二端子流向所述一次繞組的所述第一端子；以及在第四操作階段中，所述第二切換信號(hào)被切斷以使所述輸入電壓源和所述一次繞組斷開(kāi)連接，其中在所述第二切換信號(hào)被切斷時(shí)，電流被引起且經(jīng)由所述第一和第二主開(kāi)關(guān)從所述一次繞組流向所述輸入電壓源。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器進(jìn)一步包括振蕩器，其被操作以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)、斜坡信號(hào)和鋸齒信號(hào)；多個(gè)D型觸發(fā)器，其被操作以響應(yīng)于所述時(shí)鐘信號(hào)、響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓而產(chǎn)生的反饋電壓和所述斜坡信號(hào)來(lái)產(chǎn)生第一輸出，響應(yīng)于所述時(shí)鐘信號(hào)和所述鋸齒信號(hào)以及響應(yīng)于可變電流和所述時(shí)序電阻器而產(chǎn)生的可變電壓來(lái)產(chǎn)生第二輸出；以及兩個(gè)與門(mén)，其經(jīng)操作以響應(yīng)于所述第一輸出和所述第二輸出而分別產(chǎn)生所述第一和第二切換信號(hào)，其中所述第二切換信號(hào)的所述脈沖寬度由所述可變電壓來(lái)調(diào)整。
7.一種控制器，其適用于包括變壓器以控制輸入電壓源和所述變壓器的導(dǎo)通的功率轉(zhuǎn)換器，所述控制器包括振蕩器，其被操作以產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)、斜坡信號(hào)和鋸齒信號(hào)；反相器，其具有接收所述時(shí)鐘信號(hào)的輸入端子和輸出端子；第一比較器，其具有連接到從所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓獲得的反饋電壓的正端子、耦合到所述斜坡信號(hào)的負(fù)端子，和輸出端子；第二比較器，其具有耦合到所述可變電流和所述時(shí)序電阻器的正端子、耦合到所述鋸齒信號(hào)的負(fù)端子，和輸出端子；第一D型觸發(fā)器，其耦合到所述反相器和所述第一比較器的所述輸出端子以及電壓源，所述第一D型觸發(fā)器進(jìn)一步包括輸出；第二D型觸發(fā)器，其耦合到所述反相器和所述第二比較器的所述輸出端子以及所述電壓源，所述第二D型觸發(fā)器進(jìn)一步包括輸出；第三D型觸發(fā)器，其耦合到所述反相器的所述輸出端子，所述第三D型觸發(fā)器具有第一輸出和與所述第一輸出反向的第二輸出；第一與門(mén)，其耦合到所述第一D型觸發(fā)器和所述反相器的所述輸出以及所述第三D型觸發(fā)器的第一輸出；以及第二與門(mén)，其耦合到所述第二D型觸發(fā)器和所述反相器的所述輸出以及所述第三D型觸發(fā)器的所述第二輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述第一與門(mén)被操作以產(chǎn)生第一切換信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述主開(kāi)關(guān)，且所述第二與門(mén)被操作以產(chǎn)生所述第二切換信號(hào)以驅(qū)動(dòng)所述輔助開(kāi)關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其進(jìn)一步包括可變電流源，用以產(chǎn)生所述可變電流，其中所述可變電流響應(yīng)于所述反饋電壓而調(diào)整。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，其中所述可變電流源進(jìn)一步包括電流轉(zhuǎn)電壓電阻器；可編程電流，其經(jīng)由所述電流轉(zhuǎn)電壓電阻器而產(chǎn)生可編程電壓；恒定電流源；一對(duì)鏡像晶體管，其連接到所述恒定電流源；晶體管，其耦合到所述鏡像晶體管中的一者；以及運(yùn)算放大器，其耦合于所述晶體管與所述可編程電壓之間，從而通過(guò)所述編程電阻器和鏡像晶體管產(chǎn)生所述可變電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述振蕩器包括參考電壓；鏡像晶體管；晶體管；以及運(yùn)算放大器，其經(jīng)由所述參考電阻器而產(chǎn)生參考電流，其中所述運(yùn)算放大器耦合于所述參考電壓、所述晶體管與所述參考電阻器之間，且所述晶體管耦合到所述鏡像晶體管中的一者以產(chǎn)生所述參考電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述振蕩器進(jìn)一步包括三個(gè)鏡像晶體管；晶體管；第一和第二運(yùn)算放大器；電阻器；以及恒定電流源，其從所述參考電流鏡射，其中所述三個(gè)鏡像晶體管連接到所述恒定電流源，所述晶體管耦合到所述鏡像晶體管中的第一者，所述第一運(yùn)算放大器耦合于所述晶體管與所述反饋電壓之間，所述電阻器耦合到所述晶體管和所述第一運(yùn)算放大器，所述第二運(yùn)算放大器耦合到所述電阻器和閾值電壓，所述鏡像晶體管中的第二者輸出所述可編程電流，所述鏡像晶體管中的第三者輸出可編程放電電流，所述可編程電流和所述可編程放電電流與所述鏡像晶體管的鏡比和所述反饋電壓與所述閾值電壓之間的差成比例，且與所述電阻器的電阻成反比，由于所述反饋電壓響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換器的輸出負(fù)載的減少而減少，因此所述可編程電流和所述可編程放電電流在輕負(fù)載條件和無(wú)負(fù)載條件下降低。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述振蕩器進(jìn)一步包括頻率電容器，其被操作以確定操作頻率，充電電流，其從所述參考電流鏡射，所述充電電流與所述頻率電容器相關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生所述斜坡信號(hào)并確定所述第一切換信號(hào)的最大開(kāi)啟時(shí)間；第一對(duì)鏡像晶體管和第二對(duì)鏡像晶體管，第一禁用晶體管和第二禁用晶體管；放電電流，其從所述參考電流鏡射，其中所述放電電流流經(jīng)所述第二對(duì)鏡像晶體管以對(duì)所述頻率電容器放電，其中所述放電電流經(jīng)由所述第二禁用晶體管由第二放電信號(hào)啟用；其中所述放電電流與所述頻率電容器相關(guān)聯(lián)以確定所述第二切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間；所述可編程放電電流流經(jīng)所述第一對(duì)鏡像晶體管以對(duì)所述頻率電容器放電，其中所述可編程放電電流經(jīng)由所述第一禁用晶體管由第一放電信號(hào)啟用；其中所述可編程放電電流與所述頻率電容器相關(guān)聯(lián)以確定所述第一切換信號(hào)的關(guān)閉時(shí)間；所述可編程放電電流在輕負(fù)載條件下根據(jù)負(fù)載的減少而降低，因此所述第一切換信號(hào)的所述關(guān)閉時(shí)間相應(yīng)增加；同時(shí)所述第二切換信號(hào)的所述關(guān)閉時(shí)間保持為常數(shù)，其維持短延遲時(shí)間以在開(kāi)始下一切換循環(huán)之前實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換；此外，當(dāng)所述第一切換信號(hào)的所述關(guān)閉時(shí)間增加時(shí)，所述切換信號(hào)的所述切換頻率減少。
14.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中所述振蕩器進(jìn)一步包括三個(gè)比較器，其中第一比較器的負(fù)輸入端子和第二比較器的正輸入端子連接到所述頻率電容器；為確定所述切換頻率和所述斜坡信號(hào)，所述第一比較器的正輸入端子和所述第二比較器的負(fù)輸入端子分別連接到高閾值電壓和低閾值電壓；四個(gè)與非門(mén)，其中所述第一和第二與非門(mén)形成S-R鎖存電路；所述第一和第二與非門(mén)的輸入分別連接到所述第一和第二比較器的輸出；所述第一與非門(mén)輸出連接到第三和第四與非門(mén)的輸入的時(shí)鐘信號(hào)；其中將所述第一和第二啟用信號(hào)施加到所述第三和第四與非門(mén)，以產(chǎn)生用于所述第一和第二切換信號(hào)的所述關(guān)閉時(shí)間控制的所述第一放電信號(hào)和所述第二放電信號(hào)；或非門(mén)；晶體管；電流源，其用于拉高；開(kāi)關(guān)；電容器；以及釋放電流，其從所述參考電流鏡射；其中施加所述時(shí)鐘信號(hào)以開(kāi)啟所述開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)關(guān)與所述釋放電流和所述電容器相關(guān)聯(lián)以產(chǎn)生所述鋸齒信號(hào)；第三比較器的正輸入端子連接到所述電流源和用于檢測(cè)零電壓轉(zhuǎn)換的所述檢測(cè)二極管；其中所述第三比較器的負(fù)輸入端子耦合到閾值電壓；一旦所述第三比較器檢測(cè)到低信號(hào)，那么在所述第二切換信號(hào)的周期期間，所述晶體管將由所述或非門(mén)開(kāi)啟，以對(duì)所述頻率電容器快速放電且及時(shí)開(kāi)始所述下一切換循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖寬度調(diào)制軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器，其具有耦合到變壓器的一次繞組的一對(duì)主開(kāi)關(guān)和一對(duì)輔助開(kāi)關(guān)。主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)間歇地將輸入電壓源導(dǎo)通到一次繞組，以在每一切換循環(huán)的四個(gè)操作階段中操作軟開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器。在第一操作階段中，主開(kāi)關(guān)將輸入電壓源導(dǎo)通到變壓器。在第二操作階段中，導(dǎo)通被切斷。在第三操作階段中，變壓器作為電感器進(jìn)行操作，其中輔助開(kāi)關(guān)在零電壓或零電流切換模式下接通。在第四操作階段中，輔助開(kāi)關(guān)被切斷，從而返馳能量實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換。零電壓檢測(cè)用于最優(yōu)化零電壓切換。切換頻率響應(yīng)于負(fù)載的減少而減少。此外，輔助開(kāi)關(guān)根據(jù)負(fù)載的減少而受限制。因此降低在輕負(fù)載和無(wú)負(fù)載條件下的功率消耗。
文檔編號(hào)H02M3/337GK1938931SQ200480042752
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2004年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者楊大勇, 林振宇, 陳秋麟 申請(qǐng)人:崇貿(mào)科技股份有限公司