開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)要求于2014年2月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/940, 100的權(quán)益，該申 請(qǐng)據(jù)此通過(guò)引用全文結(jié)合于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開(kāi)涉及一種開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器、一種被配置為操作開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的 方法以及一種存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)設(shè)備，該計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令響應(yīng)于 執(zhí)行而使包括處理器的開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行工作。
【背景技術(shù)】
[0003] 每當(dāng)開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中諸如晶體管之類(lèi)的開(kāi)關(guān)開(kāi)啟或關(guān)斷時(shí)，耗散與所開(kāi)關(guān) 的電流和電壓成比例的能量。與開(kāi)關(guān)操作相關(guān)聯(lián)的功率損失被稱(chēng)作開(kāi)關(guān)損失，其表示功率 消散的重要來(lái)源并且因此是常規(guī)開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中低效的重要來(lái)源。除了增加開(kāi)關(guān)損 失之外，開(kāi)關(guān)變換時(shí)大的電壓和/或電流的變化率（即，dv/dt和/或di/dt)增加了對(duì)開(kāi) 關(guān)的壓力以及由開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電磁干擾（EMI)量。已經(jīng)研發(fā)了一些開(kāi)關(guān)方案，其利用開(kāi)關(guān)模 式功率轉(zhuǎn)換器中的諧振以在施加到開(kāi)關(guān)的電壓處于被稱(chēng)作谷值的局部最小值時(shí)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)。 這樣的開(kāi)關(guān)方案因此通常被稱(chēng)作谷值模式開(kāi)關(guān)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 一種方法，被配置為對(duì)開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行操作，其中功率轉(zhuǎn)換器可操作為 以功率轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)元件的可變開(kāi)關(guān)頻率將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓，該方法包括：定 義最小開(kāi)關(guān)頻率閾值和最大開(kāi)關(guān)頻率閾值中的至少一個(gè)；當(dāng)開(kāi)關(guān)元件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，檢 測(cè)開(kāi)關(guān)元件上的電壓中出現(xiàn)的谷值；以及在準(zhǔn)諧振模式中，當(dāng)出現(xiàn)第n個(gè)連續(xù)谷值時(shí)開(kāi)啟 開(kāi)關(guān)元件（n是大于或等于1的整數(shù)）以使得實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率為以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)：低于 最大開(kāi)關(guān)頻率閾值和高于最小開(kāi)關(guān)頻率閾值，或者在強(qiáng)制開(kāi)關(guān)頻率模式中，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)元件 以使得實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率為最大開(kāi)關(guān)頻率或最小開(kāi)關(guān)頻率。
[0005] -種開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器，其可操作為將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓，包括：可控開(kāi) 關(guān)元件，被配置為以可變開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行操作；以及開(kāi)關(guān)控制單元，被配置為對(duì)開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行 控制；開(kāi)關(guān)控制單元進(jìn)一步被配置為：接收所定義的最小開(kāi)關(guān)頻率閾值和所定義的最大開(kāi) 關(guān)頻率閾值中的至少一個(gè)；當(dāng)開(kāi)關(guān)元件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)開(kāi)關(guān)元件上的電壓中出現(xiàn)的 谷值；以及在準(zhǔn)諧振模式中，當(dāng)出現(xiàn)第n個(gè)連續(xù)谷值時(shí)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)元件（n是大于或等于1的 整數(shù)）以使得實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率為以下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)：低于最大開(kāi)關(guān)頻率閾值和高于最小 開(kāi)關(guān)頻率閾值，或者在強(qiáng)制開(kāi)關(guān)頻率模式中，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)元件以使得實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率為最大開(kāi) 關(guān)頻率或最小開(kāi)關(guān)頻率。
[0006] -種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，該計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令響應(yīng)于 執(zhí)行而使處理組件用以：存儲(chǔ)最小開(kāi)關(guān)頻率閾值和最大開(kāi)關(guān)頻率閾值中的至少一個(gè)；當(dāng)開(kāi) 關(guān)元件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)開(kāi)關(guān)元件上的電壓中出現(xiàn)的谷值；以及在準(zhǔn)諧振模式中，當(dāng)出 現(xiàn)第n個(gè)連續(xù)谷值時(shí)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)元件（n是大于或等于1的整數(shù)）以使得實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率為以 下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)：低于最大開(kāi)關(guān)頻率閾值和尚于最小開(kāi)關(guān)頻率閾值，或者在強(qiáng)制開(kāi)關(guān) 頻率模式中，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)元件以使得實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率為最大開(kāi)關(guān)頻率或最小開(kāi)關(guān)頻率。
[0007] 通過(guò)研習(xí)以下附圖和詳細(xì)描述，其它的轉(zhuǎn)換器、方法、軟件、特征和優(yōu)勢(shì)對(duì)于本領(lǐng) 域技術(shù)人員將是或?qū)⒆優(yōu)轱@而易見(jiàn)的。所有這些附加的轉(zhuǎn)換器、方法、程序、特征和優(yōu)勢(shì)都 意在被包括在該描述之內(nèi)、處于本發(fā)明的范圍之內(nèi)并且被以下權(quán)利要求所保護(hù)。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 參考以下附圖和描述可以更好地理解該系統(tǒng)。在圖中，同樣的附圖標(biāo)記貫穿不同 視圖而表示相對(duì)應(yīng)的部分。
[0009] 圖1是圖示第一示例性開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的電路圖；
[0010] 圖2是圖示對(duì)開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行操作的示例性方法的流程圖；
[0011] 圖3是圖示第二示例性開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的電路圖；
[0012] 圖4是圖示圖3所示的示例性開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)控制單元的輸入信號(hào) 和輸出信號(hào)的示圖；
[0013] 圖5是圖示圖3所示的示例性開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中取決于負(fù)載的谷值開(kāi)關(guān)的示 圖；以及
[0014] 圖6是圖示圖3所示的示例性開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器中的操作模式開(kāi)關(guān)的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 參考圖1，示例性開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器可以包括功率轉(zhuǎn)換單元100,例如DC-DC反 激式轉(zhuǎn)換器，其具有開(kāi)關(guān)元件101、諸如變壓器102之類(lèi)的磁性元件以及諸如整流器、電容 器等其它部分（未示出）。功率轉(zhuǎn)換器單元100具有被提供以DC電壓（體電壓Vbuu5)的輸 入，以及向負(fù)載103提供輸出電壓Vot的輸出。開(kāi)關(guān)元件101可以是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，諸如金屬氧 化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管（IGBT)等，其被配置為依據(jù)相應(yīng)控 制信號(hào)將變壓器連接至電壓Vbim。開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)一步包括電流感測(cè)模塊104， 其提供例如（初級(jí)）電流感測(cè)電壓￥?的電流感測(cè)信號(hào)，其表示流過(guò)變壓器102的初級(jí)繞組 的電流。開(kāi)關(guān)控制單元105被配置為生成控制信號(hào)Vai，其被提供至開(kāi)關(guān)元件103,用于根據(jù) 控制信號(hào)Vgd開(kāi)啟（導(dǎo)通）和關(guān)斷（非導(dǎo)通）開(kāi)關(guān)元件101。如果開(kāi)關(guān)元件101是MOSFET 或IGBT，則控制信號(hào)Vai可以應(yīng)用于其柵極。
[0016] 開(kāi)關(guān)控制單元105被配置為對(duì)功率轉(zhuǎn)換單元100的開(kāi)關(guān)操作進(jìn)行控制。在以下示 例中，開(kāi)關(guān)控制單元105被配置為對(duì)功率轉(zhuǎn)換單元100進(jìn)行控制以在準(zhǔn)諧振模式（即自振 蕩模式）中至少在某些環(huán)境下進(jìn)行操作?？刂茊卧?0可以進(jìn)一步被配置為將電流感測(cè)電 壓Vcs與參考電壓進(jìn)行比較。控制信號(hào)V被設(shè)置為當(dāng)電流感測(cè)信號(hào)VK等于或超過(guò)參考電 壓時(shí)關(guān)斷流入變壓器102中的初級(jí)電流。在準(zhǔn)諧振模式中，開(kāi)關(guān)元件101可以在跨開(kāi)關(guān)元 件101的電壓處于也被稱(chēng)作電壓谷值或谷值的（局部）最小值時(shí)被開(kāi)啟。為了實(shí)現(xiàn)該目的， 開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器可以包括電壓感測(cè)模塊106,其用于在開(kāi)關(guān)元件101的關(guān)斷期間直接 或間接監(jiān)視跨開(kāi)關(guān)元件101的壓降VD，以便允許檢測(cè)電壓處于最小值（谷值）的時(shí)刻。從 開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器輸出（即，從功率轉(zhuǎn)換單元100的輸出）到開(kāi)關(guān)控制單元105的反饋 路徑可以向開(kāi)關(guān)控制單元105提供附加的輸入信號(hào)（反饋信號(hào)FB)。反饋路徑可以包括基 本信號(hào)處理（例如PI或PID調(diào)節(jié)）和電流隔離（例如通過(guò)光電耦合器等）。
[0017] 在谷值進(jìn)行開(kāi)關(guān)使得開(kāi)關(guān)損失和電磁干擾（EMI)最小化。通常，一行中的多個(gè)谷 值中的固定（恒定）谷值，例如第一、第二或任意其它谷值，被用作用于控制開(kāi)關(guān)元件101 開(kāi)啟的觸發(fā)器。當(dāng)處于準(zhǔn)諧振模式中時(shí)，開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)于負(fù)載103， 并且因此可能會(huì)大幅變化。然而，高的開(kāi)關(guān)頻率（在低負(fù)載處）增加了開(kāi)關(guān)損失和電磁干 擾。低的開(kāi)關(guān)頻率（在高負(fù)載處）在它們與可聽(tīng)頻率范圍重疊時(shí)可能并不是用戶(hù)所期望見(jiàn) 到的。限制開(kāi)關(guān)頻率范圍對(duì)功率轉(zhuǎn)換器的可應(yīng)用性進(jìn)行限制。
[0018] 參考圖2, 一種操作開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器的示例性方法可以包括以下過(guò)程，其可以 以硬件、軟件或者它們的任意組合來(lái)實(shí)施。最初，預(yù)先定義最小開(kāi)關(guān)頻率閾值和最大開(kāi)關(guān)頻 率閾值（201)。上述閾值可以是恒定的或可變的，例如隨著反饋信號(hào)而改變。隨后，在開(kāi)關(guān) 元件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)其上的電壓中可能出現(xiàn)的谷值（202)。谷值例如可以通過(guò)專(zhuān)用 硬件或軟件檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，或者可以從諸如過(guò)零事件和諧振頻率之類(lèi)的其它參數(shù)進(jìn)行計(jì) 算。
[0019] 在準(zhǔn)諧振操作模式中，開(kāi)關(guān)元件在一行中出現(xiàn)第n個(gè)谷值時(shí)被開(kāi)啟，其中n是大于 或等于1的整數(shù)（203)。在強(qiáng)制頻率模式中，開(kāi)關(guān)元件在最后一次開(kāi)啟之后的開(kāi)關(guān)時(shí)間周期 Ta?= 1/fa?內(nèi)被開(kāi)啟（2〇4)。實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率為fsw。在一種情況下，實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率fsw等于最 大開(kāi)關(guān)頻率。在另一種情況下，實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率fsw等于最小開(kāi)關(guān)頻率。依據(jù)負(fù)載條件和線路 條件，選擇最佳的操作模式。例如，在低負(fù)載時(shí)，處于更低開(kāi)關(guān)頻率范圍中的強(qiáng)制頻率操作 模式可能是適宜的。這里，最大頻率可以被設(shè)置為更低數(shù)值并且控制器可以以較低的最大 頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)。在更高負(fù)載時(shí)，處于更高開(kāi)關(guān)頻率范圍中的準(zhǔn)諧振操作模式可能更為適宜。 谷值數(shù)量n可以被選擇以便保持實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率低于最大開(kāi)關(guān)頻率閾值。然而，在大多數(shù)情 況下，谷值數(shù)量n可以被選擇以保持開(kāi)關(guān)頻率高于最小開(kāi)關(guān)頻率閾值。
[0020] 為了實(shí)現(xiàn)這樣的準(zhǔn)諧振操作，以下給出一種示例算法。開(kāi)關(guān)元件的實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率 與最小開(kāi)關(guān)頻率閾值和最大開(kāi)關(guān)頻率閾值進(jìn)行比較以達(dá)到如下效果：如果實(shí)際頻率小于或 等于最小開(kāi)關(guān)頻率閾值則將n減1，或者如果實(shí)際頻率大于或等于最大開(kāi)關(guān)頻率閾值則將n 加1。
[0021] 圖3描繪了另一種示例性開(kāi)關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器（例如，脈沖寬度調(diào)制反激式轉(zhuǎn)換 器），其中開(kāi)關(guān)器件304可操作為將變壓器300連接至DC輸入電壓（體電壓Vbim)，并且對(duì) 從變壓器300的初級(jí)繞組301傳遞至次級(jí)繞組302的功率進(jìn)行控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)器件