本申請(qǐng)涉及半諧振和諧振轉(zhuǎn)換器，特別是，涉及通過適配用于切換的多個(gè)開關(guān)器件來切換這種轉(zhuǎn)換器中的電流的有效技術(shù)。

背景技術(shù)：

諧振和半諧振dc-dc轉(zhuǎn)換器，包括隔離和非隔離拓?fù)洌糜诟鞣N各樣的應(yīng)用中，包括電信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)電源等。由于它們的零電壓(電流)開關(guān)特性及其利用電子電路中固有的寄生元件的能力，這種轉(zhuǎn)換器的使用越來越受歡迎。在眾多拓?fù)渲?，具有變壓?抽頭電感器的半諧振轉(zhuǎn)換器是提供高電壓轉(zhuǎn)換比而不使用隔離的有吸引力的拓?fù)洹Ｅc其他解決方案相比，這種轉(zhuǎn)換器提供了包括更低成本和更高效率的優(yōu)勢。

半諧振轉(zhuǎn)換器通常包括將輸入源的功率傳遞到向負(fù)載供應(yīng)輸出功率的變壓器/抽頭電感器的高邊和低邊開關(guān)。變壓器/抽頭電感器還連接到第二低邊開關(guān)器件，此開關(guān)器件在這里被稱為同步整流(sr)開關(guān)。由于sr開關(guān)的“導(dǎo)通電阻”，當(dāng)電流流過該開關(guān)時(shí)會(huì)損耗一些功率。例如，作為在這些應(yīng)用中使用的一種常見開關(guān)器件，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)以其在“導(dǎo)通”或傳導(dǎo)狀態(tài)的漏源電阻rdson為特征。當(dāng)大電流流過sr開關(guān)時(shí)，功率損耗會(huì)變得顯著。鑒于具有變壓器/抽頭電感器的半諧振轉(zhuǎn)換器對(duì)于要求高輸入-輸出電壓比(即大的降壓電壓)的應(yīng)用呈現(xiàn)明顯優(yōu)勢，這種轉(zhuǎn)換器通常用于將高電壓/小電流功率轉(zhuǎn)換成低電壓/大電流功率。用于這種用途的大輸出電流轉(zhuǎn)換成通過sr開關(guān)的大電流，這又可以導(dǎo)致大的功率損耗。

用于解決功率轉(zhuǎn)換器中這種損耗的現(xiàn)有技術(shù)主要集中在減小sr開關(guān)的有效串聯(lián)電阻(esr)。一種這樣的技術(shù)使用較大的開關(guān)，其通常具有較低“導(dǎo)通”電阻?？膳c第一種技術(shù)結(jié)合使用的另一種技術(shù)并聯(lián)連接多個(gè)sr開關(guān)并使用公共控制信號(hào)來控制這些sr開關(guān)。這些并聯(lián)sr開關(guān)的有效“導(dǎo)通”電阻因此得以降低。當(dāng)半諧振功率轉(zhuǎn)換器的輸出電流大時(shí)，例如當(dāng)它處于重負(fù)載下時(shí)，這種解決方案可以很好地工作。然而，對(duì)于輸出電流相對(duì)較低的情況，例如當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器僅輕載時(shí)，這種解決方案不是最佳的。對(duì)于這種情況，與控制信號(hào)相關(guān)聯(lián)的損耗(例如柵極驅(qū)動(dòng)損耗或柵極電荷損耗)相對(duì)于sr開關(guān)的傳導(dǎo)損耗變得顯著。較大的開關(guān)器件通常具有與其控制相關(guān)聯(lián)的更高的損耗，并且增加功率開關(guān)的數(shù)目成比例地增加了這種損耗。考慮到例如一個(gè)或多個(gè)sr開關(guān)是一個(gè)或多個(gè)mosfet的情況，當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器輕負(fù)載時(shí)，即當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器提供相對(duì)小的輸出電流時(shí)，柵極電荷損耗(用mosfet的柵極電阻rg表征)和柵極驅(qū)動(dòng)損耗變得大于并且超越傳導(dǎo)損耗(由“導(dǎo)通”電阻rdson表征)。

因此，需要一種改進(jìn)的技術(shù)，當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器既供應(yīng)大輸出電流又供應(yīng)小輸出電流時(shí)，降低功率轉(zhuǎn)換器中sr開關(guān)的功率損耗。這些技術(shù)應(yīng)當(dāng)應(yīng)用于單相和多相功率轉(zhuǎn)換器兩者。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例，電壓轉(zhuǎn)換器包括功率級(jí)、無源電路、同步整流(sr)開關(guān)級(jí)和控制電路。功率級(jí)包括耦合到輸入功率源的高邊開關(guān)，以及在功率級(jí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)處耦合到高邊開關(guān)的低邊開關(guān)。無源電路將開關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合到電壓轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點(diǎn)。同步整流(sr)開關(guān)級(jí)被配置為可切換地將無源電路耦合到地，并且sr開關(guān)級(jí)包括彼此并聯(lián)連接的多個(gè)sr開關(guān)。每個(gè)sr開關(guān)都具有控制端，因此sr開關(guān)可以彼此獨(dú)立地被控制?？刂齐娐繁慌渲脼榭梢源_定哪些sr開關(guān)導(dǎo)通以及哪些sr開關(guān)斷開，并且基于該確定來控制sr開關(guān)。要使用哪些sr開關(guān)的確定是基于對(duì)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流的估計(jì)。

根據(jù)多相電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例，多相電壓轉(zhuǎn)換器可操作為從輸入功率源輸入功率并向輸出節(jié)點(diǎn)輸出功率。多相電壓轉(zhuǎn)換器包括對(duì)應(yīng)于電壓轉(zhuǎn)換器的多個(gè)相的多個(gè)電力系電路和控制電路。

每個(gè)電力系電路包括功率級(jí)、無源電路和同步整流(sr)開關(guān)級(jí)。每個(gè)功率級(jí)包括耦合到輸入電源的高邊開關(guān)以及在功率級(jí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)處耦合到高邊開關(guān)的低邊開關(guān)。每個(gè)無源電路將同一電力系電路內(nèi)的功率級(jí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合到多相電壓轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點(diǎn)。每個(gè)sr開關(guān)級(jí)被配置為可切換地將同一電力系電路中的無源電路耦合到地。每個(gè)sr開關(guān)級(jí)包括至少一個(gè)sr開關(guān)，并且用于至少一個(gè)電力系電路的sr開關(guān)級(jí)包括彼此并聯(lián)連接并可獨(dú)立受控的多個(gè)sr開關(guān)。

控制電路被配置為控制sr開關(guān)級(jí)中的哪些sr開關(guān)導(dǎo)通以及哪些sr開關(guān)斷開。哪些sr開關(guān)導(dǎo)通和斷開的確定是基于對(duì)多相電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流的估計(jì)。

根據(jù)一種方法的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種用于控制半諧振電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的同步整流(sr)開關(guān)的方法。電壓轉(zhuǎn)換器包括具有耦合到輸入功率源的高邊開關(guān)和在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處耦合到高邊開關(guān)的低邊開關(guān)的功率級(jí)，將開關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合到功率轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點(diǎn)的無源電路以及被配置為將無源電路可切換地耦合到地的sr開關(guān)級(jí)。sr開關(guān)級(jí)包括并聯(lián)連接并獨(dú)立可控的多個(gè)sr開關(guān)。用于控制這些sr開關(guān)的方法包括：估計(jì)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流，基于估計(jì)的輸出電流確定要激活哪些sr開關(guān)，以及提供控制信號(hào)以接通被確定要被激活的sr開關(guān)。

通過閱讀以下詳細(xì)描述以及查看相應(yīng)附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的附加特征和優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

附圖的元件不必相對(duì)于彼此成比例。相同的附圖標(biāo)記指代對(duì)應(yīng)的相似部件?？梢詫?duì)各種所示實(shí)施例的特征進(jìn)行組合，除非它們彼此排斥。實(shí)施例在附圖中進(jìn)行了描繪，并在下面的描述中詳細(xì)描述。

圖1圖示了具有包括多個(gè)sr開關(guān)的同步整流(sr)開關(guān)級(jí)的多相電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例的框圖。

圖2a圖示了單相電壓轉(zhuǎn)換器或多相電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)相的一個(gè)實(shí)施例的電路圖，其中電壓轉(zhuǎn)換器包括具有多個(gè)sr開關(guān)的sr開關(guān)級(jí)。

圖2b圖示了表示通過圖2a所示電路的sr開關(guān)級(jí)的電流的波形。

圖3圖示了具有多個(gè)sr開關(guān)的單相電壓轉(zhuǎn)換器或多相電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)相的替代實(shí)施例的電路圖，其中提供了個(gè)體控制信號(hào)用于控制sr開關(guān)。

圖4圖示了具有多個(gè)sr開關(guān)的單相電壓轉(zhuǎn)換器或多相電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)相的又一替代實(shí)施例的電路圖，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)sr開關(guān)。

圖5圖示了針對(duì)多相電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖，其中每個(gè)相包含兩個(gè)sr開關(guān)。

圖6圖示了針對(duì)多相電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖，其中各相包括各種不同數(shù)目的sr開關(guān)。

圖7圖示了針對(duì)多相電壓轉(zhuǎn)換器的電路圖，其中一個(gè)相包括多個(gè)sr開關(guān)并且其余相僅包含單個(gè)sr開關(guān)。

圖8圖示了與用于確定電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)待激活的sr開關(guān)的方法相對(duì)應(yīng)的流程圖。

圖9圖示了描述用于執(zhí)行圖8中的方法的一部分的詳細(xì)技術(shù)的流程圖。

圖10圖示了描述用于執(zhí)行圖8中的方法的一部分的詳細(xì)技術(shù)的流程圖。

圖11圖示了針對(duì)用于確定和激活多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的sr開關(guān)的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

本文所描述的實(shí)施例用來降低與諧振或半諧振dc-dc功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的同步開關(guān)相關(guān)聯(lián)的功率損耗，從而提供了具有更高能效的dc-dc功率轉(zhuǎn)換器。特別感興趣的是基于變壓器/抽頭電感器的功率轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，其允許高電壓轉(zhuǎn)換比而不需要隔離。一種這樣的拓?fù)涫褂帽环Q為同步整流(sr)開關(guān)的開關(guān)將變壓器/抽頭電感器耦合到地。由于其支持高電壓轉(zhuǎn)換比的能力，該拓?fù)涮貏e適用于需要提供相對(duì)低電壓和相對(duì)大電流的輸出電源的應(yīng)用。這個(gè)大電流也必須流經(jīng)上述的sr開關(guān)，并且這樣做可能會(huì)產(chǎn)生由sr開關(guān)的傳導(dǎo)電阻引起的顯著的功率損耗。

本文所描述的實(shí)施例通過用并聯(lián)連接的多個(gè)sr開關(guān)替換sr開關(guān)，并且通過調(diào)節(jié)激活的并聯(lián)sr開關(guān)的數(shù)目來匹配輸出負(fù)載的需求，來最小化上述諧振或半諧振dc-dc功率轉(zhuǎn)換器的功率損耗。更具體地，估計(jì)由電壓轉(zhuǎn)換器向負(fù)載提供的輸出電流。然后使用該電流估計(jì)值來激活/使能合適數(shù)目的sr開關(guān)。例如，當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換器具有高負(fù)載時(shí)，所有的并聯(lián)sr開關(guān)將被激活。這降低了通過sr開關(guān)的有效電阻，這又降低了功率轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗。注意，這種使用多個(gè)sr開關(guān)增加了總體控制端損耗(例如，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或mosfet中的柵極損耗)，但是在功率轉(zhuǎn)換器在高負(fù)載下運(yùn)行時(shí)這些損耗表示對(duì)損耗具有不顯著的貢獻(xiàn)。相反，在輕負(fù)載狀態(tài)下，需要激活比所有并聯(lián)sr開關(guān)更少的開關(guān)(例如單個(gè)sr開關(guān))。因此，針對(duì)這一情形降低控制端損耗，其中控制端損耗表示對(duì)功率轉(zhuǎn)換器的總體損耗具有顯著的貢獻(xiàn)。

以下詳細(xì)描述和相關(guān)聯(lián)的圖中將提供電壓轉(zhuǎn)換器電路和電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的方法的各種實(shí)施例。這些實(shí)施例針對(duì)單相和多相電壓轉(zhuǎn)換器兩者。所描述的實(shí)施例提供了特定示例以用于解釋的目的，但并不意味著限制。來自示例實(shí)施例的特征和方面可以被組合或重新布置，除非上下文不允許這樣做。

圖1圖示了被配置為輸入來自功率源vin的功率并輸出功率以用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載120的電壓轉(zhuǎn)換器100的實(shí)施例。電壓轉(zhuǎn)換器100將電流iout供應(yīng)給負(fù)載120和電容器c0，電容器c0用來對(duì)輸出電壓vout進(jìn)行濾波。圖1的電壓轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)相130、180、190。以框圖的形式圖示出作為多個(gè)相的代表的相1(130)，這可理解為其他相會(huì)被類似地配置。

如圖所示，相1(130)包括將功率級(jí)132耦合到電壓轉(zhuǎn)換器輸出vout的無源電路134。功率級(jí)132輸入開關(guān)控制信號(hào)hs1和ls1以用于控制其中的開關(guān)。功率級(jí)132內(nèi)的開關(guān)通常需要驅(qū)動(dòng)器(為了便于說明未示出)。無源電路134耦合到同步整流(sr)開關(guān)級(jí)138，其用來可切換地將無源電路134耦合到地。sr開關(guān)級(jí)138包括一個(gè)或并聯(lián)連接的多個(gè)sr開關(guān)(未示出)。sr開關(guān)由耦合到sr開關(guān)級(jí)138的sr驅(qū)動(dòng)器級(jí)136控制。電壓轉(zhuǎn)換器100的至少一個(gè)相中的sr開關(guān)級(jí)包括并聯(lián)連接的多個(gè)sr開關(guān)。

控制電路110控制電壓轉(zhuǎn)換器100的每一相的功率級(jí)和sr開關(guān)級(jí)的開關(guān)?？刂齐娐?10基于負(fù)載要求確定電壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，并驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換器100的各個(gè)相的開關(guān)控制信號(hào)(例如hs1、ls1、sr1)。這些控制信號(hào)通常是脈沖寬度調(diào)制(pwm)波形，其中每個(gè)波形都利用由控制電路110基于負(fù)載120的要求所確定的頻率和占空比驅(qū)動(dòng)。pwm(開關(guān))頻率是可變的，且隨著負(fù)載要求的變化而改變。包括確定可變開關(guān)頻率和占空比的這種操作在本領(lǐng)域中是眾所周知的，并且在本文中將不再進(jìn)一步詳細(xì)描述，以避免混淆本發(fā)明的獨(dú)特方面。

控制電路110進(jìn)一步確定每一相的sr開關(guān)級(jí)中要激活或使能哪些sr開關(guān)。如前所述，至少一個(gè)sr開關(guān)級(jí)包括并聯(lián)連接的多個(gè)sr開關(guān)。sr開關(guān)的激活或使能與sr驅(qū)動(dòng)器級(jí)136協(xié)同執(zhí)行?；谟呻娏鞴烙?jì)器115提供的對(duì)輸出電流的估計(jì)，控制電路110確定要激活或使能哪些sr開關(guān)。在圖1中電流估計(jì)器115被圖示為控制電路110的一部分，但它也可以別處實(shí)現(xiàn)。電流估計(jì)器115可以基于提供給負(fù)載120的電流iout的測量，或者基于在電壓轉(zhuǎn)換器100的個(gè)體相130、180、...190內(nèi)進(jìn)行的電流測量(未示出)來估計(jì)輸出電流。如下面將進(jìn)一步詳細(xì)說明的那樣，當(dāng)電流估計(jì)指示滿載狀態(tài)時(shí)，控制電路110將使能或激活電壓轉(zhuǎn)換器100內(nèi)的所有sr開關(guān)。當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換器100非滿載時(shí)，控制電路110激活/使能sr開關(guān)的子集，包括在極限情況下激活/使能單個(gè)sr開關(guān)以用于最輕負(fù)載狀態(tài)。

下面的描述將首先關(guān)注如圖1所示的電壓轉(zhuǎn)換器的單個(gè)相。隨后提供主要涉及多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例的描述。接下來是針對(duì)用于控制如圖1所示的電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的sr開關(guān)的方法的描述。

圖2a圖示了對(duì)應(yīng)于電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施例的電路圖200。圖2a的電路200可以表示具有單個(gè)相的電壓轉(zhuǎn)換器。替代地，虛線框230中所示的電力系電路可以被復(fù)制成諸如圖1所示的多相電壓轉(zhuǎn)換器。

輸入電壓vin在高邊開關(guān)qhs處輸入到功率級(jí)232，高邊開關(guān)qhs在開關(guān)節(jié)點(diǎn)vsw處耦合到低邊開關(guān)qls。低邊開關(guān)qls又連接到地。如圖所示，這些開關(guān)qhs、qls中的每一個(gè)由相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器232a、232b控制。功率級(jí)232的開關(guān)節(jié)點(diǎn)vsw耦合到無源電路234，無源電路234向電壓轉(zhuǎn)換器200的負(fù)載220提供輸出電流iout和電壓vout。無源電路234包括諧振回路，其包括電容器cres和電感器lres。電感器lres可以僅僅是漏感(例如電路布線的固有寄生電感)，或者它可以是連同漏感的實(shí)際電感器部件。電感器lres耦合到具有n1個(gè)初級(jí)側(cè)繞組和n2個(gè)次級(jí)側(cè)繞組的變壓器/抽頭電感器235。匝數(shù)比n2/n1確定變壓器/抽頭電感器235在傳導(dǎo)電流時(shí)的輸出/輸入電壓比。

sr開關(guān)級(jí)238連接到變壓器/抽頭電感器235，并且用于當(dāng)sr開關(guān)級(jí)238導(dǎo)通時(shí)將變壓器/抽頭電感器235的中心抽頭耦合到地。sr開關(guān)級(jí)238包括并聯(lián)連接的多個(gè)sr開關(guān)qsr1、qsr2、…qsrm。雖然圖2a中的sr開關(guān)級(jí)238示出了m個(gè)sr開關(guān)，但是在本實(shí)施例中sr開關(guān)的數(shù)目可以少至兩個(gè)(2)。開關(guān)qsr1、qsr2…qsrm中的每一個(gè)都具有用于控制該開關(guān)的導(dǎo)通的控制端(例如柵極)。因此，這些開關(guān)可以被獨(dú)立控制。

高邊、低邊和sr開關(guān)qhs、qls、qsr1、qsr2、...qsrm在圖2a中被示出為增強(qiáng)型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)，但也可以使用其他開關(guān)器件。例如，在一些應(yīng)用中，可以優(yōu)選結(jié)型場效應(yīng)晶體管(jfet)、雙極結(jié)型晶體管(bjt)、絕緣柵雙極晶體管(igbt)、高電子遷移率晶體管(hemt)或其他類型的功率晶體管。功率級(jí)232和sr開關(guān)級(jí)238的開關(guān)(例如qhs、qls、qsr1、qsr2、...qsrm)可以集成在相同的半導(dǎo)體管芯上，可以均設(shè)置在單獨(dú)的管芯上，或者可以以其他方式遍布于多個(gè)半導(dǎo)體管芯。用于開關(guān)的驅(qū)動(dòng)器可以集成在與其相應(yīng)的開關(guān)相同的半導(dǎo)體管芯上，或者可以設(shè)置在單獨(dú)的管芯上。

sr驅(qū)動(dòng)器電路236包括用于sr開關(guān)qsr1、qsr2、...qsrm的驅(qū)動(dòng)器236a、236b、…236m。在圖2a的實(shí)施例中，每個(gè)sr開關(guān)qsr1、qsr2、...qsrm包括由sr驅(qū)動(dòng)器電路236中的單獨(dú)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的柵極(控制端)。正在使用的sr開關(guān)由控制電路210提供給sr驅(qū)動(dòng)器電路236的一個(gè)或多個(gè)使能信號(hào)srenable確定。與對(duì)圖1的控制電路110的描述所做的說明類似，控制電路210產(chǎn)生控制功率級(jí)開關(guān)qhs、qls的pwm信號(hào)hsctrl、lsctrl以及控制sr開關(guān)級(jí)238的pwm信號(hào)srctrl。更具體地，pwm信號(hào)srctrl控制sr開關(guān)級(jí)238何時(shí)導(dǎo)通和何時(shí)不導(dǎo)通?？刂齐娐?10確定pwm信號(hào)srctrl的頻率和占空比，以滿足負(fù)載220的功率要求。在諸如圖2a的半諧振電壓轉(zhuǎn)換器中，控制功率級(jí)232的高、低邊開關(guān)qhs、qls以使這些開關(guān)不同時(shí)導(dǎo)通。諸如圖2b所示的電壓轉(zhuǎn)換器的典型開關(guān)周期以“死區(qū)時(shí)間”開始，在此期間功率級(jí)232的開關(guān)qhs、qls都不導(dǎo)通。其后是高邊開關(guān)qhs導(dǎo)通而低邊開關(guān)qls不導(dǎo)通的“ton”時(shí)段。在此之后的“toff”時(shí)段，高邊開關(guān)qhs不導(dǎo)通，而低邊開關(guān)qls導(dǎo)通。sr開關(guān)級(jí)的時(shí)序遵從低邊開關(guān)qls的時(shí)序，即當(dāng)?shù)瓦呴_關(guān)qls導(dǎo)通而高邊開關(guān)qls不導(dǎo)通時(shí)sr開關(guān)級(jí)導(dǎo)通。

除了產(chǎn)生由電力系電路230所需的pwm信號(hào)之外，控制電路210還確定當(dāng)sr開關(guān)級(jí)238導(dǎo)通時(shí)將使用sr開關(guān)qsr1、qsr2、...qsrm中的哪些。將使用的sr開關(guān)基于由電流估計(jì)器215確定的電流估計(jì)，電流估計(jì)器215在控制電路210內(nèi)示出。如圖2a所示，電流估計(jì)基于對(duì)流過sr開關(guān)級(jí)238的電流isr的測量。對(duì)于多相電壓轉(zhuǎn)換器，可以針對(duì)每一相進(jìn)行isr的這種測量，或者可以使用通過一個(gè)相的電流作為示例。也可以在每個(gè)相的電力系電路內(nèi)的其他地方進(jìn)行電流測量，只要這種電流測量可以用來恰當(dāng)?shù)毓烙?jì)電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流?？刂齐娐?10可以單獨(dú)地使用每相的電流估計(jì)，或者可以合計(jì)每相的電流估計(jì)。替代地，電流估計(jì)可以基于對(duì)輸出電流iout(未示出)進(jìn)行的測量，其實(shí)際上包括了所有相的貢獻(xiàn)。電流isr可以通過使用激活的/使能的并聯(lián)sr開關(guān)的有效導(dǎo)通電阻(rdson)和sr開關(guān)級(jí)238兩端的電壓來測量，或者使用電流鏡來測量。對(duì)isr或其他的電流測量也可以通過使用其他標(biāo)準(zhǔn)方法來實(shí)現(xiàn)，例如測量感測電阻器兩端的電壓，或通過使用直流感測(dcr)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

如果電流是在電壓轉(zhuǎn)換器電路的個(gè)體相內(nèi)測量的，那么電流估計(jì)器215可能需要在某個(gè)時(shí)間段(例如電壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)開關(guān)周期)上對(duì)測量的電流進(jìn)行平均。例如，對(duì)于圖2a的電路，經(jīng)過sr開關(guān)級(jí)238的電流isr呈現(xiàn)半正弦曲線形狀，如圖2b的波形所示。在圖2b中，時(shí)段ton表示高邊開關(guān)qhs導(dǎo)通的時(shí)間段。時(shí)段toff表示高邊開關(guān)qhs不導(dǎo)通的時(shí)間段，并且也對(duì)應(yīng)于sr開關(guān)級(jí)238導(dǎo)通的時(shí)間段。在“toff”時(shí)段期間，sr電流isr導(dǎo)通并呈現(xiàn)半正弦曲線形狀。電流估計(jì)器在對(duì)應(yīng)于tcycle＝ton+toff的開關(guān)周期內(nèi)可以進(jìn)行多次測量，并對(duì)它們進(jìn)行平均以得出諸如圖示的估計(jì)電流iavg。

控制電路210使用估計(jì)電流來確定sr開關(guān)級(jí)238內(nèi)要激活/使能的sr開關(guān)器件的數(shù)目。當(dāng)估計(jì)電流大(例如大于高負(fù)載閾值)，指示滿載狀態(tài)時(shí)，控制電路210確定所有sr開關(guān)器件都應(yīng)被激活/使能。當(dāng)估計(jì)電流小(小于低負(fù)載閾值)，指示輕負(fù)載狀態(tài)時(shí)，控制電路210確定僅有一個(gè)sr開關(guān)器件應(yīng)被激活/使能。如果電流估計(jì)在中間范圍內(nèi)且sr開關(guān)級(jí)238包含多于兩個(gè)的sr開關(guān)，則基于電流估計(jì)激活/使能sr開關(guān)的子集。例如，可以基于從電流估計(jì)到sr開關(guān)數(shù)目的線性映射來選擇被激活/使能的sr開關(guān)的數(shù)目。

使用由控制電路210產(chǎn)生并提供給sr驅(qū)動(dòng)器電路236的srenable信號(hào)來實(shí)現(xiàn)sr開關(guān)的激活/使能。該信號(hào)可以例如向sr驅(qū)動(dòng)器電路236指示要使能多少個(gè)sr開關(guān)。替代地，該信號(hào)可以指示sr開關(guān)中要被激活的確切的sr開關(guān)。對(duì)于任一情況，sr驅(qū)動(dòng)器電路236使用srenable信號(hào)來使能與要被激活的那些sr開關(guān)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，并且禁用與不被激活的那些sr開關(guān)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。

以上所描述的且圖示于圖2a的實(shí)施例假定sr開關(guān)qsr1、qsr2、...qsrm是實(shí)質(zhì)上等同的，即它們屬于同一類型并具有相似的電學(xué)性能(例如rdson)。在替代的子實(shí)施例中，sr開關(guān)的尺寸可以不同，以使器件的“導(dǎo)通”電阻實(shí)質(zhì)上不同。例如，sr開關(guān)級(jí)238可以僅有兩個(gè)sr開關(guān)。第一sr開關(guān)qsr1可以是相對(duì)較小的mosfet，其具有低的柵極損耗，并且在其傳導(dǎo)狀態(tài)中具有高的漏源導(dǎo)通電阻(rdson)及相關(guān)聯(lián)的功率損耗。第二sr開關(guān)qsr2可以是相對(duì)較大的mosfet，其具有較高的柵極損耗，并且在其傳導(dǎo)狀態(tài)中具有低的漏源導(dǎo)通電阻及相關(guān)聯(lián)的功率損耗。對(duì)于這樣的實(shí)施例，當(dāng)電流估計(jì)指示電壓轉(zhuǎn)換器輕負(fù)載時(shí)，控制電路210會(huì)僅激活/使能第一sr開關(guān)qsr1。當(dāng)電流估計(jì)指示電壓轉(zhuǎn)換器滿載時(shí)，控制電路210可以確定僅第二開關(guān)qsr2會(huì)被激活/使能或者兩個(gè)sr開關(guān)qsr1、qsr2都會(huì)被激活/使能。

圖3圖示了與電壓轉(zhuǎn)換器的另一實(shí)施例對(duì)應(yīng)的電路圖300。與圖2a的電路一樣，圖3的電路300可以表示具有單個(gè)相的電壓轉(zhuǎn)換器。替代地，圖示的電力系電路330可以被復(fù)制，以產(chǎn)生諸如圖1所示多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換器。圖3的電路與圖2a的電路類似，下面僅描述圖3不相同的方面。

在圖2a的實(shí)施例中，控制電路210輸出一個(gè)控制信號(hào)srctrl(例如pwm波形)以控制sr開關(guān)級(jí)238何時(shí)應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通，而使能信號(hào)srenable用來確定在導(dǎo)通期間sr激活開關(guān)級(jí)238中的哪些sr開關(guān)。與此形成對(duì)比，圖3的控制電路310不輸出使能信號(hào)。相反，控制電路310向每個(gè)sr開關(guān)及它們對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器336a、336b、…336m輸出單獨(dú)的控制信號(hào)sr1ctrl、sr2ctrl、…srmctrl。以這種方式，sr開關(guān)的使能/激活與sr開關(guān)的控制有效地合并。該實(shí)施例具有以下優(yōu)點(diǎn)：sr驅(qū)動(dòng)器電路336不需要支持其驅(qū)動(dòng)器336a、336b、336m的使能，并且不需要控制電路310和sr驅(qū)動(dòng)器電路336之間的使能信號(hào)。然而，該實(shí)施例需要額外的控制信號(hào)sr1ctrl、sr2ctrl、…srmctrl，所以在一些應(yīng)用中它可能不是優(yōu)選的。

圖4圖示了與電壓轉(zhuǎn)換器的另一替代實(shí)施例對(duì)應(yīng)的電路圖400。電路400與圖3的電路類似，下面僅描述圖4的實(shí)施例不相同的方面。

圖2和圖3的實(shí)施例包括在sr驅(qū)動(dòng)器電路236、336內(nèi)的用于sr開關(guān)級(jí)238、338的每個(gè)sr開關(guān)的專用驅(qū)動(dòng)器。然而，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以用來驅(qū)動(dòng)多個(gè)sr開關(guān)的控制端(例如柵極)。這在圖4中進(jìn)行了圖示，其中位于驅(qū)動(dòng)器電路436內(nèi)的第一驅(qū)動(dòng)器436a被提供有來自控制電路410的第一控制信號(hào)sr1ctrl，并且控制sr開關(guān)級(jí)438的第一sr開關(guān)qsr1。同樣位于驅(qū)動(dòng)器電路436內(nèi)的第二驅(qū)動(dòng)器436b被提供有控制sr開關(guān)級(jí)438內(nèi)的一組sr開關(guān)的第二控制信號(hào)sr_g2ctrl。在圖示的實(shí)施例中，第二控制信號(hào)sr_g2ctrl和驅(qū)動(dòng)器436b控制除一個(gè)以外的所有sr開關(guān)，即它們控制sr開關(guān)qsr2到qsrm。盡管本實(shí)施例僅利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制一個(gè)開關(guān)而另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制(m-1)個(gè)開關(guān)，但其他組合也是可能的并且在一些應(yīng)用中可能是優(yōu)選的。例如，第一驅(qū)動(dòng)器可以控制兩個(gè)開關(guān)而第二驅(qū)動(dòng)器控制三個(gè)開關(guān)等等。

圖5-圖7圖示了多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例，并且包括負(fù)責(zé)向多個(gè)相提供控制信號(hào)的控制電路，每個(gè)相可以由電力系電路表示。為了方便說明，這些圖中僅示出了每個(gè)電力系電路的sr開關(guān)級(jí)。電力系電路的其他部分與圖2-圖4中所示的電力系電路的子電路相同或相似。注意，圖5-圖7的電流估計(jì)器被圖示為使用與通過每個(gè)電力系電路的sr開關(guān)級(jí)的電流相對(duì)應(yīng)的電流測量。如關(guān)于圖2a的實(shí)施例所解釋的，用于測量電流的其他技術(shù)也是可能的。

圖5圖示了包括電流估計(jì)器515的控制電路510，其用來控制n相功率轉(zhuǎn)換器500的n個(gè)電力系電路中的每一個(gè)內(nèi)的sr開關(guān)級(jí)538、588、598。在該實(shí)施例中，每個(gè)sr開關(guān)級(jí)包括兩個(gè)(2)sr開關(guān)，例如qsr1,1、qsr1,2。與圖3和圖4的實(shí)施例相同，控制電路510僅產(chǎn)生與那些通過電流估計(jì)所確定的激活的sr開關(guān)相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。

在圖5的電路500的第一子實(shí)施例中，sr開關(guān)具有相同的類型和尺寸。在該實(shí)施例中，所有的相都始終被使能，即在每個(gè)電力系電路中始終有至少一個(gè)sr開關(guān)激活。這種所有相激活的實(shí)現(xiàn)具有輸出電壓上的紋波最小的優(yōu)點(diǎn)。如通過檢測估計(jì)電流高于負(fù)載閾值所確定的，當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換器重負(fù)載時(shí)，那么所有sr開關(guān)qsr1,1、qsr1,2、qsr2,1、qsr2,2、...qsrn,1、qsrn,2被激活并使用。當(dāng)估計(jì)電流處于或低于負(fù)載閾值時(shí)，那么在每個(gè)電力系電路中激活單個(gè)sr開關(guān)，例如qsr1,1、qsr2,1、...qsrn,1。

在圖5的電路500的第二子實(shí)施例中，每個(gè)sr開關(guān)級(jí)中的sr開關(guān)具有不同尺寸。每個(gè)電力系電路的第一開關(guān)qsr1,1、qsr2,1、...qsrn,1都是“小”的，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬?duì)較低的柵極電阻但相對(duì)較高漏源電阻(rdson)。每個(gè)電力系電路的第二開關(guān)qsr1,2、qsr2,2、...qsrn,2都是“大”的，因?yàn)樗鼈兙哂邢鄬?duì)較高的柵極電阻但較低的rdson。與對(duì)伴隨圖2a的替代子實(shí)施例所做的說明相似，當(dāng)電流估計(jì)處于或低于負(fù)載閾值時(shí)，控制電路510僅激活第一組sr開關(guān)，并且當(dāng)電流超過負(fù)載閾值時(shí)，控制電路510激活第二組sr開關(guān)或者同時(shí)激活第一組和第二組sr開關(guān)。

在圖5的電路500的又一第三實(shí)施例中，當(dāng)功率轉(zhuǎn)換器輕負(fù)載時(shí)，控制電路510可以去激活功率轉(zhuǎn)換器的整個(gè)電力系電路(相)。例如，當(dāng)電流估計(jì)指示電壓轉(zhuǎn)換器滿載時(shí)，則在所有電力系電路(相)的sr開關(guān)級(jí)538、588、598中sr開關(guān)是激活的。當(dāng)電流估計(jì)下降到低于第一閾值時(shí)，則通過去激活與該相相關(guān)聯(lián)的功率級(jí)和sr開關(guān)級(jí)來切斷其中一個(gè)相，例如控制電路510可以去激活與相n相關(guān)聯(lián)的sr開關(guān)級(jí)598中的開關(guān)qsrn,1、qsrn,2。當(dāng)電流估計(jì)下降到低于第二閾值時(shí)，則通過去激活與該相相關(guān)聯(lián)的功率級(jí)和sr開關(guān)級(jí)來切斷另一相。繼續(xù)進(jìn)行這樣的操作，直到僅有單個(gè)相(例如相1)保持激活。當(dāng)電流估計(jì)下降到低于輕負(fù)載閾值時(shí)，那么控制電路510去激活所剩sr開關(guān)級(jí)內(nèi)的除一個(gè)以外的所有sr開關(guān)，例如在輕負(fù)載狀態(tài)下控制電路510可以僅保留第一sr開關(guān)級(jí)538的第一開關(guān)qsr1,1是激活的。這樣的操作導(dǎo)致最小的柵極損耗，但與所有相保留激活的實(shí)施例相比，以增加的輸出電壓紋波為代價(jià)。

圖6圖示了與圖5中的電路相似的電路600，但是其中不同相的sr開關(guān)級(jí)638、688、698具有不同數(shù)目的sr開關(guān)。這樣的電路特別適用于控制電路610切斷整個(gè)相的實(shí)施例，如以上關(guān)于圖5的實(shí)施例所描述的。sr開關(guān)可以具有相同類型和尺寸，或者sr開關(guān)尺寸可以變化以更好地平衡每個(gè)sr開關(guān)級(jí)638、688、698的有效導(dǎo)通電阻(rdson)。例如，第一sr開關(guān)級(jí)638的sr開關(guān)qsr1可以選擇為較大且具有較低rdson(相對(duì)較高的柵極電阻)，而第n個(gè)sr開關(guān)級(jí)698的開關(guān)的rdson可以選擇為具有相對(duì)較低的柵極電阻(但更高的個(gè)體rdson)。如電流估計(jì)下降到低于閾值所指示的，當(dāng)電壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載減小時(shí)，通過去激活第一相的功率級(jí)和第一sr開關(guān)級(jí)638的sr開關(guān)qsr1來切斷第一相。隨著負(fù)載進(jìn)一步減小，通過去激活功率級(jí)和第二sr開關(guān)級(jí)688的sr開關(guān)qsr2,1、qsr2,2來切斷第二相。隨著負(fù)載進(jìn)一步減小，繼續(xù)進(jìn)行這樣的操作直到僅剩下第n相。此時(shí)，控制電路610可以通過去激活個(gè)體開關(guān)(例如qsrn,2、qsrn,3)繼續(xù)減小激活的開關(guān)，直到僅保持單個(gè)sr開關(guān)，例如qsrn,1。隨著電壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載的增大，sr開關(guān)和功率級(jí)以相反的順序重新激活。

圖7圖示了又一電路700，其特別適用于隨著負(fù)載的減小而切斷多相電壓轉(zhuǎn)換器的整個(gè)相。在該實(shí)施例中，除第一相外，其他所有相具有單個(gè)sr開關(guān)，例如qsr2…qsrn，其中第一sr開關(guān)級(jí)738包含多個(gè)開關(guān)。對(duì)于低于滿載狀況的中等負(fù)載，可以通過去激活它們相關(guān)聯(lián)的sr開關(guān)qsr2…qsrn和功率級(jí)來依次切斷相2到相n。對(duì)于輕負(fù)載，僅第一sr開關(guān)級(jí)738中的sr開關(guān)是激活的。第一sr開關(guān)級(jí)738內(nèi)的激活的sr開關(guān)的數(shù)目可以根據(jù)估計(jì)電流而變化。例如，對(duì)于非常輕的負(fù)載，在電路700內(nèi)僅有單個(gè)sr開關(guān)(例如qsr1,1)可以由控制電路710激活地使用。

圖8-圖11圖示了可用來控制諸如圖1、圖2a和圖3-圖7所示的那些電壓轉(zhuǎn)換器中的sr開關(guān)的方法的實(shí)施例。圖8-圖9的方法應(yīng)用到諸如前述的那些單級(jí)和多級(jí)的諧振和半諧振電壓轉(zhuǎn)換器。圖11的方法僅應(yīng)用到多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換器。

圖8以高層級(jí)圖示了用于確定在諸如圖1或圖2a所示的電壓轉(zhuǎn)換器中要激活的sr開關(guān)的方法800的實(shí)施例。首先，估計(jì)820輸出電流iout?？梢酝ㄟ^直接測量輸出電流iout來估計(jì)該電流，或者可以基于電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的其他電流測量(例如流過多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)個(gè)體級(jí)的sr開關(guān)的電流)來估計(jì)該電流。接下來，確定激活840哪些和/或多少sr開關(guān)。該確定是基于估計(jì)電流iout。最后，將控制信號(hào)提供給確定要激活的sr開關(guān)880。

圖9和圖10圖示了如圖8所描述的用于確定激活840哪些和/或多少sr開關(guān)的更具體的方法。圖9和圖10中的技術(shù)可以一起使用或單獨(dú)使用。注意，圖9和圖10的具體技術(shù)的其他替代方案在圖8的方法內(nèi)也是可能的。

圖9圖示了方法940，其首先將估計(jì)電流iout和與電壓轉(zhuǎn)換器的滿載狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的閾值ihigh_thresh進(jìn)行比較942。如果電流估計(jì)大于該閾值ihigh_thresh，則激活946電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的所有sr開關(guān)。否則，激活944電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的sr開關(guān)的子集。

圖10圖示了方法1040，其首先將估計(jì)電流iout和與電壓轉(zhuǎn)換器的輕載狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的閾值ilight_load進(jìn)行比較1043。如果電流估計(jì)小于該閾值ilight_load，則激活1047電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的單個(gè)sr開關(guān)。(所有其他sr開關(guān)都不激活。)否則，激活1045電壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)的多個(gè)sr開關(guān)。

圖11圖示了用于確定在諸如圖1所示的電壓轉(zhuǎn)換器中要激活的sr開關(guān)的示例性方法1100的實(shí)施例。該方法僅應(yīng)用到多級(jí)電壓轉(zhuǎn)換器。為了便于說明和描述，示出了假定三相電壓轉(zhuǎn)換器的方法，其中一個(gè)相具有三個(gè)sr開關(guān)。圖6圖示了這種電壓轉(zhuǎn)換器(當(dāng)其n＝3(相)時(shí))，圖7也圖示了這種電壓轉(zhuǎn)換器(當(dāng)其n＝3(相)且m＝3(相1中的sr開關(guān))時(shí))。然而，注意這種方法可以容易地外推到具有其他數(shù)目的相(例如2或多于3)的電壓轉(zhuǎn)換器。此外，這種方法可以外推到具有包括除3個(gè)sr開關(guān)以外的第一相的電壓轉(zhuǎn)換器。這種方法確實(shí)要求電壓轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)相，并且至少一個(gè)相包括多個(gè)sr開關(guān)。

圖11的方法首先將估計(jì)電流iout與閾值ihigh_thresh進(jìn)行比較1110。如果電流估計(jì)大于該閾值ihigh_thresh，則激活1112電壓轉(zhuǎn)換器所有三相中的所有sr開關(guān)。否則，該方法繼續(xù)進(jìn)行估計(jì)電流iout與第二閾值ithresh2的比較1120。如果電流估計(jì)iout大于該閾值ithresh2，則激活1122電壓轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)相中的所有sr開關(guān)。(電壓轉(zhuǎn)換器的第三相實(shí)際上被禁用，因?yàn)槠鋝r開關(guān)未被激活。)否則，僅激活1130單個(gè)相中的sr開關(guān)。(電壓轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)相實(shí)際上被禁用，因?yàn)槠鋝r開關(guān)未被激活。)

接下來，將估計(jì)電流iout與第三閾值ithresh3進(jìn)行比較1140。如果電流估計(jì)大于該閾值ithresh3，則激活1142電壓轉(zhuǎn)換器第一相中的所有三個(gè)sr開關(guān)。否則，該方法繼續(xù)進(jìn)行估計(jì)電流iout與第四閾值ithresh4的比較1150。如果電流估計(jì)大于該閾值ithresh4，則激活1152電壓轉(zhuǎn)換器第一相中的兩個(gè)sr開關(guān)。(第一相的一個(gè)sr開關(guān)實(shí)際上被禁用，以為其未被激活。)否則，激活1154電壓轉(zhuǎn)換器第一相中的單個(gè)開關(guān)。(第一相的另外兩個(gè)開關(guān)實(shí)際上被禁用，因?yàn)樗鼈兾幢患せ睢?

為了簡單起見，圖11所示的方法示出了通過激活電壓轉(zhuǎn)換器的相內(nèi)的所有sr開關(guān)來激活除第一相之外的所有相的方法。然而，注意，可以通過僅激活給定的sr開關(guān)級(jí)中的sr開關(guān)的子集來激活具有包括多個(gè)sr開關(guān)的sr開關(guān)級(jí)的相。

同樣為簡單起見，該方法僅論述對(duì)sr開關(guān)級(jí)的控制，并未論述對(duì)任何其他功率級(jí)的控制。應(yīng)當(dāng)這樣理解，在通常的操作中，對(duì)一相的禁用也會(huì)伴隨著禁用與該相相關(guān)聯(lián)的任何功率級(jí)。

如本文所使用的，術(shù)語“具有”、“包含”、“包括”、“含有”及類似術(shù)語是開放式術(shù)語，其指示所述元素或特征的存在但不排除附加的元素或特征。冠詞“一”、“一個(gè)”和“該”旨在既包括復(fù)數(shù)也包括單數(shù)，除非上下文另有明確指出。

應(yīng)當(dāng)理解，除非另有特別說明，本文所述的各種實(shí)施例的特征可以彼此組合。

盡管本文已經(jīng)圖示和描述了具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，各種替代和/或等效實(shí)現(xiàn)可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下代替所示和所述的具體實(shí)施例。本申請(qǐng)旨在涵蓋本文所討論的具體實(shí)施例的任何適應(yīng)性修改或變形。因此，本發(fā)明旨在僅有權(quán)利要求及其等價(jià)方案限制。