專利名稱：避免電容性模式的半橋諧振轉(zhuǎn)換器的控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明所涉及的一種特別重要類型的能量轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源(SMPS)。
背景技術(shù)：
SMPS典型地將(例如，來自干線供電的)交流電壓轉(zhuǎn)換成諸如電視等電氣和電子設(shè)備內(nèi)部的電路所需的穩(wěn)定的直流電(DC)電壓。諧振電源是一種對于100瓦及以上的功 率電平具有效率和成本方面的優(yōu)點(diǎn)的SMPS拓?fù)?。在諧振電源中，通過對轉(zhuǎn)換器的切換頻率進(jìn)行調(diào)制來控制輸出功率。切換頻率確定了在轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出之間存在的諧振電路(包括一個或更多個電感器和電容器)的 阻抗。諧振轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)的高效率某種程度上是轉(zhuǎn)換器中開關(guān)(典型地，M0SFET)的零電壓切換(ZVS)的結(jié)果。零電壓切換指的是僅在MOSFET上沒有電壓時才將MOSFET接通的 事實(shí)。零電壓切換還指的是軟切換。在非常動態(tài)地變化的功率需求的情況下或在錯誤情況 下，可以失去零電壓切換條件S卩，在MOSFET上有電壓時可以將MOSFET接通?？梢詤^(qū)分兩個嚴(yán)重性級別首先，在互補(bǔ)MOSFET的體二極管不導(dǎo)通的情況下可能 發(fā)生硬切換。在這種較不嚴(yán)重的情況下MOSFET開關(guān)將是硬切換式的，這降低了 MOSFET的 效率，并且在轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生的損耗還可以在一段時間之后引起過熱。其次，在互補(bǔ)MOSFET 的體二極管仍然導(dǎo)通時可能發(fā)生硬切換。這種類型的硬切換被稱作反向恢復(fù)切換，并且是 失去零電壓切換條件的更嚴(yán)重的可能結(jié)果=MOSFET針對該條件具有非常有限的魯棒性，并 且可以被非?？焖俚仄茐?。因此，對諧振轉(zhuǎn)換器提供保護(hù)以免受這種有害的反向恢復(fù)切換是有用的。這種保 護(hù)也被稱作電容性模式保護(hù)。這種保護(hù)提高了電源的可靠性。顯著地降低了由于未預(yù)見到 的條件而引起失效的機(jī)會。這種保護(hù)還簡化了電源的評估和設(shè)計，這是由于該電源將對錯 誤和應(yīng)力測試具有更高的魯棒性?，F(xiàn)在將關(guān)于典型的諧振電源來描述提供這種保護(hù)的傳統(tǒng)方法。圖1示出了諧振電源。半橋控制器1在半橋配置中驅(qū)動兩個MOSFET開關(guān)Mhs和 Mls2和3。即，交替地關(guān)閉開關(guān)，在一個開關(guān)開啟之后并在另一開關(guān)關(guān)閉之前，存在兩個開 關(guān)都開啟的短時間這被稱作非重疊時間。半橋控制器使用輸出電壓V。utput的信息來確定 切換頻率。將來自半橋的切換電壓(Vhb)饋送至空腔諧振器4。典型的空腔諧振器包括兩 個電感器和一個電容器，從而被稱作LLC空腔諧振器。該空腔諧振器的特性與半橋節(jié)點(diǎn)的 幅度和頻率一起確定了傳遞至輸出的功率。在圖2中描述了這種LLC諧振功率的工作范圍。在給定的輸入電壓(Vinput)處， 輸出功率(P。utput)隨工作頻率(fHB)而變化。隨著頻率增大，輸出功率達(dá)到峰值并然后降至 零。針對兩個輸入電壓條件，即，針對曲線21所示的低輸入電壓以及針對曲線22所示的高 輸入電壓，示出了輸出功率隨電壓的變化。對于中間輸入電壓，工作曲線將位于這兩個極限之間，并且將具有廣義對應(yīng)到反演拋物線中的類似輪廓。在23處示出了針對低輸入電壓曲 線的最大功率點(diǎn)，即，輸出功率的峰值，在24處示出了針對高輸入電壓曲線的最大功率點(diǎn)。 如圖所示，與最大功率點(diǎn)相對應(yīng)的頻率與輸入電壓有關(guān)。空腔諧振器是半橋的負(fù)載。由于空腔諧振器包括電感器和電容器，因此總阻抗可以是電感性的或電容性的。對于高頻率，即，至圖中最大功率點(diǎn)右側(cè)，電感器主導(dǎo)并且總阻 抗是電感性的。該工作區(qū)域被稱作電感性模式區(qū)域。電感性模式下工作是優(yōu)選的，因?yàn)榘?橋上的電感性負(fù)載實(shí)現(xiàn)高效率的零電壓切換。對于低頻率，即，至圖中最大功率點(diǎn)的左側(cè)， 電容主導(dǎo)并且總阻抗是電容性的。該工作區(qū)域被稱作電容性模式區(qū)域。在電容性阻抗的情 況下，不存在零電壓切換。反向恢復(fù)切換可以發(fā)生，并且在該條件下MOSFET容易損壞。因 此，電容性操作模式不是優(yōu)選的模式。電容性和電感性阻抗的邊界接近曲線頂部，所述曲線 頂部與所負(fù)載的LLC空腔的諧振頻率相對應(yīng)。優(yōu)選的是，接近與最大功率點(diǎn)相對應(yīng)的曲線 頂部(但始終在曲線右側(cè))進(jìn)行操作。通常，效率在此處接近最大(盡管效率與輸出功率 之間的關(guān)系是復(fù)雜的)?，F(xiàn)在將參考圖3針對每個電容性和電感性阻抗情況來描述半橋點(diǎn)處的電壓與 MOSFET的切換之間的關(guān)系。圖3示出了分別針對圖1的高側(cè)MOSFET (2)和低側(cè)MOSFET (3) 的典型切換序列31和32。在高側(cè)MOSFET的接通時間(on-time)與低側(cè)MOSFET 3的接通 時間之間引入了小的非重疊時間33(還稱作死時間(dead time))。在低側(cè)MOSFET 3的接 通時間段(on-period)與高側(cè)MOSFET 2的接通時間段之間存在類似的死時間段33’針對電 容性阻抗的情況半橋點(diǎn)的電壓被示為跡線34，以及針對電感性阻抗的情況被示為跡線35。 分別針對電容性和電感性阻抗由跡線36和37示出了空腔諧振器中的電流(Iresmant)。當(dāng)在電感性模式下工作時，一旦高側(cè)MOSFET 2斷開，則主諧振電流(Iresonant) 將半橋的電容從輸入電壓放電至地電壓，如跡線35所示。在該放電之后，低側(cè)MOSFET 3的 體二極管開始導(dǎo)通。低側(cè)MOSFET 3上的電壓現(xiàn)在是零，并且可以在沒有切換損耗的情況下 接通該M0SFET。類似地，在斷開低側(cè)MOSFET 3之后，主諧振電流對半橋點(diǎn)進(jìn)行充電，使得可 以在沒有切換損耗的情況下能夠接通高側(cè)MOSFET 2。在電容性模式下(其中切換頻率在諧振頻率以下)，跡線36所示的電流對于零電 壓切換具有錯誤極性。并非在半橋點(diǎn)處進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，而是斷開的高側(cè)MOSFET的體二極管 繼續(xù)傳導(dǎo)電流。當(dāng)?shù)蛡?cè)MOSFET在非重疊時間之后接通時，高側(cè)MOSFET中的該體二極管仍 然導(dǎo)通。低側(cè)MOSFET的接通在半橋點(diǎn)處產(chǎn)生快速電壓階躍(即，不存在零電壓切換)。現(xiàn) 在強(qiáng)制高側(cè)開關(guān)中的體二極管快速地截至。然而，由于MOSFET的反向恢復(fù)特性，體二極管 將不會立即截至并且反向電流將流動。這種高反向電流能夠觸發(fā)斷開的高側(cè)MOSFET的雙 極晶體管，導(dǎo)致缺乏輸入電壓短路以及MOSFET之一或另一個或兩者都發(fā)生故障。因此，需要防止或限制諧振能量轉(zhuǎn)換器中的反向恢復(fù)切換。提供這種保護(hù)的傳統(tǒng) 方法包括對信號進(jìn)行監(jiān)控以及在需要時提高設(shè)備的工作頻率。例如，可以監(jiān)控諧振電流的 幅度，如果幅度超過預(yù)定級別，則逐步提高或逐漸提高工作頻率。該原理通常用在諧振電源 中。這種類型的過電流/功率保護(hù)限制了與移動至頻率/功率曲線左上方并且在預(yù)定的電 流/功率值以上相對應(yīng)的進(jìn)一步頻率降低。該解決方案在許多情況下但并不總是防止電容 性模式操作。在輸出處高負(fù)載階段或短路期間，仍然可以出現(xiàn)具有反向恢復(fù)切換的電容性 模式操作。
另一種限制電容性模式操作的方法是監(jiān)控空腔諧振器電流的電流極性；如果在接 通時刻錯誤極性明顯，則調(diào)整工作頻率。該保護(hù)方法用在例如針對照明鎮(zhèn)流器(如，NXP Semiconductors提供的器件UBA2021)的控制器中。如果電流具有錯誤的極性，則將提高頻 率。該方法將防止轉(zhuǎn)換器進(jìn)入電容性模式操作，而僅對于相對緩慢的變化條件起作用。對于 快速變化，有時仍會出現(xiàn)電容性模式操作。另一缺點(diǎn)是，并未完全防止電容性模式下有害的 反向恢復(fù)切換；僅限制了會發(fā)生反向恢復(fù)切換的持續(xù)時間。由于反向恢復(fù)切換會使MOSFET 快速失效，所以這不是一種失效保護(hù)解決方案。另一傳統(tǒng)的保護(hù)方法是監(jiān)控半橋節(jié)點(diǎn)處電壓的傾斜；如果電壓在相關(guān)MOSFET斷 開之后短時間內(nèi)沒有開始傾斜，則提高工作頻率。該保護(hù)方法也用在針對照明鎮(zhèn)流器(如， NXP Semiconductors的UBA2014)的控制器中。在優(yōu)選的電感性模式下，在斷開MOSFET之 后立即開始電壓傾斜。如果在預(yù)定的(短)時間內(nèi)沒有開始傾斜，則強(qiáng)制另一MOSFET接通， 并將切換頻率提高到高值。這種保護(hù)方法通過返回進(jìn)入電感性模式來快速地結(jié)束電容性模 式操作。一個缺點(diǎn)是，有害的反向恢復(fù)切換周期仍然會出現(xiàn)至少一次。第二缺點(diǎn)是，在提高 了頻率之后，以正常切換頻率返回正常操作需要(長)時間。在專利申請公開WO 01/78468中公開了限制電容性操作模式的另一方法。在該方 法中，監(jiān)控在半橋點(diǎn)處的、在接通MOSFET時出現(xiàn)的電壓階躍；將工作頻率提高一定量，提高 的量依賴于硬切換的幅度。在優(yōu)選的電感性模式下將存在零電壓切換條件并且根本不會發(fā) 生電壓階躍。然而在電容性模式或接近電容性模式下，失去零電壓切換條件，并且將會出現(xiàn) 具有電壓階躍的硬切換。測量該電壓階躍的幅度，電壓階躍的值確定了頻率的提高。該方 法將防止轉(zhuǎn)換器進(jìn)入電容性模式頻率范圍，但是僅對于相對緩慢的變化條件起作用。對于 快速變化，電容性模式操作可以仍然短時間段出現(xiàn)。因此，并未完全防止電容性模式切換 僅限制了電容性模式切換的持續(xù)時間。用于防止或限制電容性模式切換的另一方法是監(jiān)控即將接通的開關(guān)上的電壓。如 果開關(guān)上的電壓高于預(yù)定的固定值，則使MOSFET的接通時刻延遲并提高頻率。對于低側(cè)開 關(guān)，開關(guān)上的電壓與半橋電壓相對應(yīng)；對于高側(cè)開關(guān)，電壓是輸入電壓與半橋電壓的差值。 在零電壓切換條件下(即，在電感性模式下)，在MOSFET接通的時刻MOSFET上的電壓低。 可以添加電路以測量MOSFET上的電壓，從而只要MOSFET上的電壓不在預(yù)定值以下，就防止 MOSFET的接通。這種保護(hù)方案在防止電容性模式中的反向恢復(fù)切換方面始終是有效的，從 而有效地保護(hù)MOSFET免受這種故障機(jī)制。然而，由于檢測與絕對固定電壓電平相關(guān)，所以 這種檢測僅會針對有限輸入電壓范圍來進(jìn)行。此外，保護(hù)與半橋控制器無關(guān)地進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能量轉(zhuǎn)換器中的改進(jìn)的保護(hù)方案，該保護(hù)方案提供防止 由于電容性模式操作而引起的MOSFET的故障的保護(hù)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種控制能量轉(zhuǎn)換器的方法，所述能量轉(zhuǎn)換器具 有切換頻率和切換相位、第一開關(guān)、第二開關(guān)以及在所述第一開關(guān)和第二開關(guān)之間的半橋 節(jié)點(diǎn)，所述方法包括當(dāng)開啟第二開關(guān)時開啟第一開關(guān)，
監(jiān)控指示能量轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)的參數(shù)，以及響應(yīng)于在開啟第一開關(guān)時呈現(xiàn)第一特性的所述參數(shù)，來(a)延遲關(guān)閉第二開關(guān)并 且(b)推遲切換相位。優(yōu)選地，該方法還包括步驟(C)響應(yīng)于在整個開啟第一開關(guān)之后立即開始的第 一預(yù)定時間段期間呈現(xiàn)第一特性的所述參數(shù)，在所述第一預(yù)定時間段的結(jié)束處關(guān)閉第二開 關(guān)。有利地，超時功能確保了在某些條件下設(shè)備的繼續(xù)操作。有利地，該方法還包括步驟(d)響應(yīng)于在整個開啟第一開關(guān)之后立即開始的第 二預(yù)定時間段期間呈現(xiàn)第一特性的所述參數(shù)，提高切換頻率。從而可以確保移至電感性模 式操作。優(yōu)選地，所述步驟(a)還包括步驟(e):響應(yīng)于在開啟第一開關(guān)之后立即開始的第 三預(yù)定時間段內(nèi)呈現(xiàn)第二特性的所述參數(shù)，關(guān)閉第二開關(guān)。從而例如可以使用電壓傾斜結(jié) 束的檢測來觸發(fā)第二開關(guān)的切換。有利地，能量轉(zhuǎn)換器還可以包括振蕩器，推遲第一開關(guān)和第二開關(guān)的切換相位的 步驟包括中斷振蕩器的振蕩。有利地，中斷或保持振蕩器在一些情況下不需要提高頻率?？蛇x地，所述第一特性是在半橋節(jié)點(diǎn)處不存在非零電壓傾斜的開始。所述第二特 性是在半橋節(jié)點(diǎn)處不存在非零電壓傾斜的結(jié)束。有利地，電壓傾斜的開始和結(jié)束對于測量 來說是尤其方便的參數(shù)。作為備選選項(xiàng)，所述第一特性是諧振電路中電流的不期望的極性，所述第二特性 是諧振電路中電流的相反極性。在這種情況下，優(yōu)選地，所述不期望的極性是傾向于分別在 開啟高側(cè)開關(guān)或低側(cè)開關(guān)時阻止半橋節(jié)點(diǎn)放電或充電的極性。第二預(yù)定時間段可以具有零持續(xù)時間。作為另一備選選項(xiàng)，所述能量轉(zhuǎn)換器具有輸入電壓，所述參數(shù)是所述第二開關(guān)上 的電壓，所述第一特性是所述第二開關(guān)上不小于所述輸入電壓的二分之一的電壓，所述第 二特性是所述第二開關(guān)上小于所述輸入電壓的二分之一的電壓。備選地，所述參數(shù)可以是 所述第一開關(guān)上的電壓，所述第一特性是所述第一開關(guān)上不大于所述輸入電壓的二分之一 的電壓，所述第二特性是所述第一開關(guān)上大于所述輸入電壓的二分之一的電壓。有利地，使 用由輸入電壓來確定的可變電壓，避免了與依賴于獨(dú)立固定的參考電壓的現(xiàn)有能量轉(zhuǎn)換器 相關(guān)聯(lián)的問題。然而，本發(fā)明擴(kuò)展至使用獨(dú)立固定的電壓或參考電壓。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種能量轉(zhuǎn)換器，具有切換頻率和切換相位、第一開關(guān)和第二開關(guān)以及在所述第一開關(guān)和第二開關(guān)之間的半橋節(jié)點(diǎn)，所述能量轉(zhuǎn)換器適于由 上述根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法的方法來控制。能量轉(zhuǎn)換器可以形成開關(guān)電源的一部分。參考以下描述的示例實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得顯而易見并得以闡 明。


現(xiàn)在將參考附圖以示例的方式來描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中圖1示出了現(xiàn)有的諧振電路能量轉(zhuǎn)換器的組件；圖2示出了在輸入電壓半橋頻率與輸出功率之間的關(guān)系；圖3示出了工作在電感性模式和電容性模式下的諧振電路電源的半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例來操作的諧振電路電源的半橋節(jié)點(diǎn)電壓和諧 振電流；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的方法的實(shí)現(xiàn)方式，以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的方法的實(shí)現(xiàn)方式。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例包括圖1示意性所示類型的諧振電路電源。如上所述， 高側(cè)和低側(cè)MOSFET 2和3由半橋控制器1來控制。高側(cè)和低側(cè)MOSFET之間的半橋節(jié)點(diǎn)供 應(yīng)空腔諧振器4。典型地，空腔諧振器包括LLC電路。輸出電壓V。utput用作半橋控制器的反 饋，如同在半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓。在本實(shí)施了中，監(jiān)控半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓以及具體地監(jiān)控電壓 傾斜。如以下將描述的，根據(jù)電壓和電壓傾斜的狀態(tài)，可以采取以下四個響應(yīng)動作中的一個 或更多個第一，延遲相關(guān)MOSFET的接通時刻；第二，通過保持振蕩器來調(diào)整控制器的切換相位；第三，強(qiáng)制相關(guān)MOSFET的接通；以及第四，提高工作頻率?，F(xiàn)在將描述用于確定是否進(jìn)行這些響應(yīng)以及進(jìn)行哪個響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。這些響應(yīng)動作 出現(xiàn)的年月日順序可以不對應(yīng)于以上給出的響應(yīng)動作列表，然而為了清楚起見，下文將根 據(jù)這些響應(yīng)動作在上述列表中的位置(動作1、動作2、等等)來引用這些響應(yīng)動作。首先，如果在MOSFET斷開之后沒有立即檢測到半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓傾斜，則執(zhí)行兩 個響應(yīng)(a)通過保持振蕩器來調(diào)整控制器的切換相位(“動作2”)。這具有的效果是僅 推遲振蕩器的相位，從而盡管相位延長了，然而該特定的周期并沒有對基礎(chǔ)工作頻率造成 影響；(b)另一響應(yīng)操作是開始定時器，所述定時器將在預(yù)定的“超時”時間段之后尚未發(fā) 生正確的電壓傾斜的情況下強(qiáng)制相關(guān)MOSFET的接通(“動作3”)。這確保了能量轉(zhuǎn)換器的 連續(xù)操作。繼續(xù)監(jiān)控電壓和電壓傾斜；注意，在本實(shí)施例中，使用電容器(未示出)對半橋節(jié) 點(diǎn)5處的電壓進(jìn)行差分，以產(chǎn)生電流。該得到的電流(從而是電壓傾斜的度量)用在檢測 電路中。因此，在本實(shí)施例中，僅使用電壓傾斜信息。相反，在其他實(shí)施例中，電壓信息本身 用在比較器電路中。如果在斷開MOSFET之后的預(yù)定短時間之內(nèi)沒有開始電壓傾斜，則執(zhí)行另一響應(yīng) 動作。該響應(yīng)動作包括提高設(shè)備的工作頻率。(“動作4”)。典型地，該預(yù)定的短時間相對 于能量轉(zhuǎn)換器的切換時間段而言將是小的，然而可以是切換時間段的有效部分。此外，可以 在斷開MOSFET之后立即執(zhí)行該動作，使得該預(yù)定的短時間具有零持續(xù)時間。如果可以采用硬件或軟件來實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控裝置在斷開MOSFET之后 沒有檢測到半橋 節(jié)點(diǎn)處的電壓傾斜結(jié)束，則執(zhí)行以下動作延遲相關(guān)MOSFET的接通時刻。這是一種適當(dāng)?shù)?響應(yīng)的原因在于，為了檢測到傾斜的結(jié)束，傾斜必須首先已經(jīng)開始。因此，半橋節(jié)點(diǎn)必須已 經(jīng)被放電(在高側(cè)MOSFET斷開的情況下)或充電(在低側(cè)MOSFET是斷開的MOSFET的情 況下)“動作1”。
盡管已知產(chǎn)生響應(yīng)動作4 (提高轉(zhuǎn)換器頻率)或響應(yīng)動作1(延遲接通時刻)的控 制電路，然而發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，提供一種將延遲接通時刻與調(diào)整切換相位相結(jié)合的控制 是尤其有益的。已發(fā)現(xiàn)將這種控制與感測電壓傾斜相結(jié)合是類似地有益的。具體地，該方 法可以方便地集成到IC(集成電路)中，并且增強(qiáng)了行為可預(yù)測性。如圖4中概略地示出的，現(xiàn)在將描述根據(jù)本實(shí)施例的能量轉(zhuǎn)換器的操作。圖4分 別在31和32處示出了高側(cè)MOSFET(2)和低側(cè)M0SFET(3)的接通和斷開狀態(tài)。圖4還示出 了半橋點(diǎn)5處的電壓以及主諧振電流(IMS。nant)42和振蕩器電壓43。在第一非重疊時間44期間，從高側(cè)接通到低側(cè)接通，示出了正常零電壓切換操 作。非重疊時間可以是固定的時間，或者可以依賴于半橋電壓傾斜。在后一種情況下，在半 橋電壓結(jié)束時監(jiān)控該非重疊時間，其中，所述半橋電壓結(jié)束指示現(xiàn)在可以接通M0SET?！鞍霕?傾斜相關(guān)非重疊時間”(還可以稱作自適應(yīng)非重疊時間)本身是已知的，并且已經(jīng)用在例如 由NXP Semiconductors提供的UBA 2014之類的照明控制器中。在下一個非重疊時間45的開始45a處，從低側(cè)接通到高側(cè)接通，示出了根據(jù)本發(fā) 明該實(shí)施例的防止破壞性反向恢復(fù)切換的保護(hù)。當(dāng)斷開低側(cè)MOSFET 3時，諧振電路中的電 流具有錯誤的極性(即，在本實(shí)例中，是正極性)，這是由于轉(zhuǎn)換器正工作在電容性模式下。 低側(cè)MOSFET 32的體二極管傳導(dǎo)諧振電流，從而在半橋節(jié)點(diǎn)處不存在上升的電壓傾斜。因 此，執(zhí)行上述兩個響應(yīng)動作1.不接通高側(cè)M0SFET。這保護(hù)低側(cè)MOSFET 32免受破壞性的反向恢復(fù)切換(“動 作 1”)。2.延遲振蕩器。振蕩器確定諧振轉(zhuǎn)換器的頻率。通常，振蕩器連續(xù)地運(yùn)行。在半 橋傾斜開始之前，例如通過減小充電電流來中斷或保持振蕩器。以這種方式，調(diào)整控制器的 切換相位。應(yīng)注意，以這種方式來延遲振蕩器并不直接改變能量轉(zhuǎn)換器的工作頻率，而僅推 遲相位。因此，該動作本身并不將操作模式從電容性變成電感性。(“動作2”)。在延長的非重疊時間段45期間，電流繼續(xù)諧振并將在一段時間之后變成正確的 極性(在本情況下是負(fù)極性)。低側(cè)MOSFET 32中的體二極管將停止導(dǎo)通，并且反向恢復(fù)切 換的風(fēng)險將消除。在圖4的47處示出了該時刻。此后，如以48來示出的，電流開始對半橋 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，并且這一操作被檢測到。由于振蕩器將以其正常(充電)速度來繼續(xù)進(jìn)行， 因此振蕩器延遲被終止。當(dāng)半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓傾斜已經(jīng)結(jié)束時，接通高側(cè)MOSFET 31。這完 成了上述動作“動作1”。為了接通高側(cè)M0SFET，必須檢測到半橋節(jié)點(diǎn)電壓傾斜的結(jié)束。因此，如果沒有檢測 到傾斜結(jié)束，則不接通M0SFET，并且轉(zhuǎn)換器停止運(yùn)行。為了防止這一點(diǎn)并確保MOSFET將是 始終接通的，提供了超時功能。即使沒有檢測到半橋電壓節(jié)點(diǎn)電壓傾斜，也會在該超時之后 接通M0SFET。該超時還可以由延遲的振蕩器來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)振蕩器電容器被完全充電時，強(qiáng)制 MOSFET接通。從而，由于通常將在振蕩器電容器被完全充電之前接通M0SFET，所以提供了 安全措施。(“動作3”)。如上所述，MOSFET控制防止了在諧振轉(zhuǎn)換器工作于電容性模式下的情況下破壞性 的反向恢復(fù)切換。然而，該MOSFET控制并未使轉(zhuǎn)換器回到電感性模式。因此，需要另外的 測量。這提高了工作頻率(“動作4”)。由于提高頻率是相對緩慢的動作，因此能量轉(zhuǎn)換器不會立即從電容性模式轉(zhuǎn)變到電感性模式。然而，上述控制方法確保了諧振轉(zhuǎn)換器將在中 間時間段期間安全地在電容性模式下操作。因此，始終保護(hù)MOSFET免受反向恢復(fù)切換。為了確定是否正在發(fā)生電容性模式操作，執(zhí)行對在MOSFET斷開時刻之后短時間 內(nèi)半橋節(jié)點(diǎn)電壓傾斜的開始的監(jiān)控。如果轉(zhuǎn)換器正工作在電容性模式下，則半橋節(jié)點(diǎn)電壓 傾斜在該時間段內(nèi)不會開始，然后該信息將用于提高頻率。以這種方式，將提高頻率直到恢 復(fù)電感性模式操作為止。在諧振頻率周圍，在電容性和電感性模式之間的邊緣或邊界處，幅度可能過于小以至于無法對半橋節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行完全充電(或相應(yīng)地，放電)。對于監(jiān)控半橋節(jié)點(diǎn)電壓電平 的算法，可以存在保護(hù)將由于輸入電壓過低而不起作用的情況，或者存在保護(hù)在不必要時 執(zhí)行動作的情況。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用半橋電壓節(jié)點(diǎn)傾斜的上述保護(hù)方法避免了這些 缺點(diǎn)。根據(jù)第二實(shí)施例，控制算法基于對半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓傾斜進(jìn)行監(jiān)控，但是不依賴 于傾斜監(jiān)控的結(jié)束。在本實(shí)施例中，原則標(biāo)準(zhǔn)是電壓傾斜是否在一個MOSFET斷開之后立即 開始。如果沒有檢測到電壓傾斜，則確定系統(tǒng)處于電容性模式，并執(zhí)行以下三個響應(yīng)動作1.延遲相關(guān)的另一 MOSFET的接通時刻。這防止了該周期上該MOSFET的硬切換。2.通過保持振蕩器來推遲控制器的切換相位。如上所述，這并未直接改變工作頻 率，但是提供了一個時間段，在該時間段期間諧振電流可以改變極性并且在半橋節(jié)點(diǎn)處的 電壓開始得到正確的傾斜。3、在超時之后沒有出現(xiàn)正確的電壓傾斜的情況下強(qiáng)制接通相關(guān)的另一 M0SFET。如果在切斷之后的短時間內(nèi)半橋節(jié)點(diǎn)尚未得到正確的電壓傾斜，則執(zhí)行另外的響
應(yīng)提高工作頻率。因此，該第二實(shí)施例是上述第一優(yōu)選實(shí)施例的簡化。在反向恢復(fù)切換的風(fēng)險消除 后(即，在半橋節(jié)點(diǎn)電壓傾斜的開始處)立即將另一 MOSFET接通。相反，上述第一實(shí)施例 等待開關(guān)上的電壓的最小幅度(與半橋節(jié)點(diǎn)電壓傾斜的結(jié)束相對應(yīng))，并從而使切換損耗 最小化。根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，對主諧振電路中的電流極性進(jìn)行監(jiān)控，而不是半橋節(jié) 點(diǎn)處的電壓傾斜。從圖3可以看出，在非重疊時間段33和33’期間，主諧振電流(Iresmant) 的極性與半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓傾斜之間存在關(guān)系。在電容性模式操作中，在斷開高側(cè)MOSFET 2之后，如果諧振電流的頻率是負(fù)的，則防止半橋節(jié)點(diǎn)電壓(Vinput)崩潰。類似地，在接通低 側(cè)MOSFET 3之后，如果諧振電流具有正極性，則防止半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓上升。然而，如圖4 所示，在斷開低側(cè)MOSFET 2之后的非重疊時間期間，諧振電流應(yīng)當(dāng)下降到零以下并從而得 到負(fù)極性(如47所示)，半橋節(jié)點(diǎn)將開始被充電(如48所示)。因此，可以使用在斷開時 刻以及在重疊時間的結(jié)束處的諧振電流的極性，而不是在半橋節(jié)點(diǎn)處的電壓傾斜，以提供 以上第一實(shí)施例中描述的大多數(shù)功能?，F(xiàn)在將描述本實(shí)施例的控制方法。如果諧振電路的電流在斷開時刻具有錯誤的極 性，則執(zhí)行以下動作1.只要電流具有錯誤的極性，就延遲另一 MOSFET的接通時刻；2.通過保持振蕩器來推遲控制器的切換相位；3.如果在預(yù)定的超時時間段之后沒有出現(xiàn)正確的電流極性，則強(qiáng)制相關(guān)的另一MOSFET接通；以及4.提高工作頻率。采用與上述第三實(shí)施例相類似的方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的第四實(shí)施例，但是在這種情 況下，所監(jiān)控的參數(shù)是即將接通的開關(guān)上的電壓。(即，當(dāng)剛剛斷開了高側(cè)MOSFET 31時，如 朝向圖4左側(cè)所示的，監(jiān)控低側(cè)MOSFET上的電壓)。在這種情況下，用于觸發(fā)響應(yīng)動作的特 性或標(biāo)準(zhǔn)是相關(guān)MOSTET上的大于輸入電壓二分之一(S卩，> Vinput/2)的電壓。因此，當(dāng)剛 剛斷開高側(cè)MOSFET時，標(biāo)準(zhǔn)是Vhb > Vinput/2類似地，當(dāng)剛剛斷開低側(cè)MOSFET時，標(biāo)準(zhǔn)是Vhb < Vinput/2如果滿足該標(biāo)準(zhǔn)，則采用與第三實(shí)施例中相同的四個響應(yīng)動作1.只要(相關(guān)MOSFET上的)電壓過高，就延遲相關(guān)MOSFET的接通時刻；2.通過保持振蕩器來推遲控制器的切換相位；3.如果在預(yù)定的超時時間段之后沒有出現(xiàn)正確的電壓，則強(qiáng)制相關(guān)MOSFET接通； 以及4.提高工作頻率。在本實(shí)施例中，使用輸入相關(guān)電壓解決了與使用獨(dú)立固定參考電壓的現(xiàn)有方法相 關(guān)聯(lián)的有限輸入電壓范圍的缺點(diǎn)。第五實(shí)施例與第四實(shí)施例非常相似，區(qū)別之處在于，在第五實(shí)施例中監(jiān)控另一開 關(guān)(MOSFET)上的電壓。所使用的標(biāo)準(zhǔn)可以是電壓在獨(dú)立固定電壓以下，或電壓小于輸入 電壓的二分之一。該方法的操作直接類似于第四實(shí)施例的方法的操作。圖5示意性地描述了根據(jù)上述第一優(yōu)選實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)控制算法的電路的框圖。圖 1所示的能量轉(zhuǎn)換器被描述為具有半橋控制器(如統(tǒng)一由1示出的)，所述半橋控制器控制 高側(cè)開關(guān)2 (典型地為M0SFET)以及低側(cè)開關(guān)3的(典型地為M0SFET)，在開關(guān)2與開關(guān)3 之間存在半橋節(jié)點(diǎn)5。諧振腔(LLC) 4位于半橋節(jié)點(diǎn)和輸出之間。半橋控制器1包括MOSFET 驅(qū)動器56，MOSFET驅(qū)動器56包括斷開控制56，和接通控制56”;半橋節(jié)點(diǎn)連接至傾斜感測 裝置57，傾斜感測裝置57包括結(jié)束檢測感測裝置57’和開始檢測感測裝置57” ；結(jié)束檢測 感測裝置57’向驅(qū)動器56提供反饋。開始檢測感測裝置57”連接至振蕩器控制58以及連 接至傾斜開始超時單元59。如下實(shí)現(xiàn)響應(yīng)動作為了延遲MOSFET的接通時刻，在57處感測半橋電壓傾斜，并在57，處確定傾斜的 結(jié)束。利用該信息，將MOSFET接通。(這在圖中被示為“動作1”)。為了通過保持轉(zhuǎn)換器來調(diào)整控制器的切換相位，在57”處檢測半橋電壓傾斜的開 始。在檢測到傾斜開始之前，始終由小電流(IslJ來為振蕩器電容器(Qfie)充電。只要沒 有檢測到半橋電壓傾斜的開始，就利用該小電流繼續(xù)為振蕩器電容器充電。在相對長的時 間段之后，電容器將被充電至高切換電平，開關(guān)將被強(qiáng)制接通。因此，如在123處所示的，實(shí) 現(xiàn)通過保持振蕩器來調(diào)整控制器的切換相位的第二動作(“動作2”)以及在超時之后沒有 發(fā)生正確的電壓傾斜時強(qiáng)制開關(guān)接通的第三動作(“動作3”)。如在104處描述的第四動作(“動作4”)是提高頻率如果在MOSFET斷開時刻之后的短時間內(nèi)沒有開始半橋節(jié)點(diǎn)電壓傾斜，則通過對電容器Cfreq進(jìn)行緩慢充電來提高頻率。(注意，這里所示的“傾斜開始超時”59并不是以上參照在超時之后強(qiáng)制接通以便防止 轉(zhuǎn)換器完全停機(jī)或停止而描述的傾斜開始超時59)。該電容器Cfrai上的電壓與來自輸出電 壓的信息一起確定了振蕩器頻率=Cfreq處的電壓越高，則振蕩器頻率越高。在圖6中示出了示意性地描述了實(shí)現(xiàn)控制算法以實(shí)現(xiàn)第二實(shí)施例的方法的電路的框圖。圖6的框圖非常類似于圖5的框圖。然而，在該實(shí)例中，傾斜感測裝置57被替換 成電流極性檢測裝置67，并且不需要傾斜開始超時裝置59。與圖5的控制電路的操作類似 地，電流極性檢測裝置67用于控制接通56”以及實(shí)現(xiàn)第一響應(yīng)動作(201)。電流極性檢測 裝置67還與振蕩器控制58—起實(shí)現(xiàn)了第二和第三響應(yīng)動作(223)。如前述實(shí)例中一樣，第 四響應(yīng)動作(204)是通過對電容器Cfrai進(jìn)行充電來實(shí)現(xiàn)的。通過閱讀本公開，其他變型和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。 這樣的變型和修改可以包括等同的和其他的特征，這些特征是能量轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域已知的， 并且可以取代這里已經(jīng)描述的特征或與這里已經(jīng)描述的特征一起來使用。例如，在上述 第一實(shí)施例中，作為對連續(xù)監(jiān)控電壓和電壓傾斜的備選方案，可以使用間歇性、高頻輪詢 (polling)，或者使用差分器來直接確定電壓傾斜而無需記錄或監(jiān)控電壓的絕對值。此外， 用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的開關(guān)不限于M0SFET，而可以包括其他功率半導(dǎo)體器件，例如IGBT (絕緣 柵極雙極晶體管)。此外，不必連續(xù)地監(jiān)控電壓和/或電壓傾斜(或電流，根據(jù)情況而定)。唯一重要的是，在周期的臨界部分期間監(jiān)控相關(guān)參數(shù)(如，電壓、電壓傾斜或電流)，在這期間開關(guān)之 一因此而被接通。此外，應(yīng)有目的地閱讀對諸如“非零電壓傾斜的開始[或結(jié)束]”之類的短語的引用，從而包括例如使用濾波來避免因噪聲等引起的干擾，或包含較低閾值，在所述閾值以下 傾斜將被忽略。根據(jù)需要，短語“非零傾斜”還可以被限制為正確符號(正或負(fù))的傾斜。這里所使用的詞語“特性”具有其正常含義，并且可以指示與該詞語相關(guān)聯(lián)的參數(shù)的任何顯著特征；因此，當(dāng)參數(shù)是曲線時，特性可以指的是例如曲線的傾斜的開始、或曲線 中的拐點(diǎn)(斜率的變化)、或曲線的極性的改變。盡管所附權(quán)利要求針對特征的特定組合，然而將理解，本發(fā)明公開的范圍還包括任何新穎特征或此處顯式或隱式地公開的特征的任何新穎組合，而不管其與任何權(quán)利要求 中當(dāng)前要求保護(hù)的發(fā)明是否是相同的發(fā)明，也不管其是否解決了與本發(fā)明所解決的任何或 全部相同技術(shù)問題?？梢栽趩蝹€實(shí)施例中以組合的方式提供在分離的實(shí)施例中描述的特征。反之，也 可以分離地或以任何合適的子組合的形式來提供為了簡明而以單個實(shí)施例的形式來描述 的各個特征。因此，申請人聲明，在本申請或從本申請得到的任何其他申請的審查過程中，可以將新的權(quán)利要求表達(dá)為這樣的特征和/或這樣的特征的組合。為了完整，還聲明，術(shù)語“包括”并不排除其他元件或步驟，術(shù)語“一”并不排除多個，單個處理器或其他單元可以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中引述的若干裝置的功能，并且權(quán)利要求中 的參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
一種控制能量轉(zhuǎn)換器的方法，所述能量轉(zhuǎn)換器具有切換頻率和切換相位、第一開關(guān)、第二開關(guān)以及在所述第一開關(guān)和第二開關(guān)之間的半橋節(jié)點(diǎn)，所述方法包括當(dāng)開啟第二開關(guān)時開啟第一開關(guān)，監(jiān)控指示能量轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)的參數(shù)，以及響應(yīng)于在開啟第一開關(guān)時呈現(xiàn)第一特性的所述參數(shù)，來進(jìn)行以下操作(a)延遲關(guān)閉第二開關(guān)，以及(b)推遲切換相位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括步驟(c)響應(yīng)于在整個開啟第一開關(guān)之后立即 開始的第一預(yù)定時間段期間呈現(xiàn)第一特性的所述參數(shù)，在所述第一預(yù)定時間段的結(jié)束處關(guān) 閉第二開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，還包括步驟(d)響應(yīng)于在整個開啟第一開關(guān)之后 立即開始的第二預(yù)定時間段期間呈現(xiàn)第一特性的所述參數(shù)，提高切換頻率。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述能量轉(zhuǎn)換器還包括振蕩器，所述 推遲切換相位的步驟包括中斷振蕩器的振蕩。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述步驟(a)還包括步驟(e)響應(yīng) 于在開啟第一開關(guān)之后立即開始的第三預(yù)定時間段內(nèi)呈現(xiàn)第二特性的所述參數(shù)，關(guān)閉第二 開關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第三預(yù)定時間段等于所述第一預(yù)定時間段。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一特性是在半橋節(jié)點(diǎn)處不存 在非零電壓傾斜的開始。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述第一特性是在半橋節(jié)點(diǎn)處不存在非零電 壓傾斜的開始，所述第二特性是在半橋節(jié)點(diǎn)處的非零電壓傾斜的結(jié)束。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一特性是諧振電路中電流的 不期望極性。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述第一特性是諧振電路中電流的不期望 極性，所述第二特性是諧振電路中電流的相反極性。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其中，所述不期望極性是傾向于在所述第一開關(guān) 是高側(cè)開關(guān)的情況下阻止半橋節(jié)點(diǎn)放電以及在所述第一開關(guān)是低側(cè)開關(guān)的情況下阻止半 橋節(jié)點(diǎn)充電的極性。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述能量轉(zhuǎn)換器具有輸入電壓，所 述參數(shù)是所述第二開關(guān)上的電壓，所述第一特性是所述第二開關(guān)上不小于所述輸入電壓的 二分之一的電壓。
13.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述能量轉(zhuǎn)換器具有輸入電壓，所述參數(shù)是 所述第二開關(guān)上的電壓，所述第一特性是所述第二開關(guān)上不小于所述輸入電壓的二分之一 的電壓，所述第二特性是所述第二開關(guān)上小于所述輸入電壓的二分之一的電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述能量轉(zhuǎn)換器具有輸入電壓，所 述參數(shù)是所述第一開關(guān)上的電壓，所述第一特性是所述第一開關(guān)上不大于所述輸入電壓的 二分之一的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述能量轉(zhuǎn)換器具有輸入電壓，所述參數(shù)是 所述第一開關(guān)上的電壓，所述第一特性是所述第一開關(guān)上不大于所述輸入電壓的二分之一 的電壓，所述第二特性是所述第一開關(guān)上大于所述輸入電壓的二分之一的電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述能量轉(zhuǎn)換器具有輸入電壓，所 述參數(shù)是所述第一開關(guān)上的電壓，所述第一特性是所述第一開關(guān)上不大于預(yù)定固定電壓的 電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述能量轉(zhuǎn)換器具有輸入電壓，所述參數(shù)是 所述第一開關(guān)上的電壓，所述第一特性是所述第一開關(guān)上不大于預(yù)定固定電壓的電壓，所 述第二特性是所述第一開關(guān)上大于所述預(yù)定固定電壓的電壓。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，高側(cè)開關(guān)在與切換頻率相對應(yīng)的周 期時間的第一部分期間是第一開關(guān)，并且在所述周期的其余部分期間是第二開關(guān)，低側(cè)開 關(guān)在所述周期的第一部分期間是第二開關(guān)，并且在所述周期的其余部分期間是第一開關(guān)。
19.一種能量轉(zhuǎn)換器，具有切換頻率和切換相位、第一開關(guān)和第二開關(guān)以及在所述第一 開關(guān)和第二開關(guān)之間的半橋節(jié)點(diǎn)，所述能量轉(zhuǎn)換器適于由根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述 的方法來控制。
20.一種開關(guān)電源，包括根據(jù)權(quán)利要求19所述的能量轉(zhuǎn)換器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的方法，該方法通過阻止或限制電容性模式操作來防止諧振開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器(1)中的MOSFET損壞。使用響應(yīng)動作的組合(分別地，延遲MOSFET接通、調(diào)整切換相位、強(qiáng)制接通以及提高頻率)。在優(yōu)選實(shí)施例中，監(jiān)控半橋節(jié)點(diǎn)(5)處的電壓傾斜，在備選實(shí)施例中，通過監(jiān)控不同的信號來觸發(fā)相同或相似的響應(yīng)動作集合，這些不同的信號包括在斷開時或在非重疊時間之后的諧振電流極性；“即將接通的”開關(guān)的電壓；以及“剛剛斷開的”的開關(guān)的電壓。
文檔編號H02M7/538GK101803164SQ200880107420
公開日2010年8月11日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日
發(fā)明者弗蘭斯·潘謝爾, 阿爾弗雷德·格雷克斯特 申請人:Nxp股份有限公司