控制功率電路的功率晶體管、驅(qū)動電路的裝置和控制功率電路的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及轉(zhuǎn)換器，并且更具體地涉及準(zhǔn)諧振高功率因數(shù)AC/DC轉(zhuǎn)換器的控 制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 高功率因數(shù)(Hi-PF)準(zhǔn)諧振(QR)回掃轉(zhuǎn)換器，是在許多成本敏感應(yīng)用（例如，固態(tài) 照明（SSL))中的常見選擇。功率轉(zhuǎn)換器通常由交流電力線供電，并且許多應(yīng)用還應(yīng)同時滿 足IEC60950電氣安全規(guī)范以及IEC61000-3-2諧波電流發(fā)射限值規(guī)范。實際上，它們能夠產(chǎn) 生與電力線相隔離的總線電壓，以滿足IEC60950,并且使用單一轉(zhuǎn)換級來汲取具有低諧波 含量的電流，以滿足IEC61000-3-2。
[0003] 市場上有大量執(zhí)行QR操作（例如，轉(zhuǎn)換模式、邊界模式或者臨界模式）的功率因數(shù) 控制(PFC)控制芯片。盡管主要被構(gòu)想為使用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來控制PFC轉(zhuǎn)換器，但是它們也 可以成功地用于控制Hi-PF QR回掃轉(zhuǎn)換器。
[0004] Hi-PF回掃轉(zhuǎn)換器由交流電力線供電，并且在輸入橋式整流器之后沒有儲能電容 器，因此，其輸入電壓基本上是經(jīng)整流的正弦波(V in(0)=VPK|sin0|)并且從電力線汲取的 電流是正弦波形的。
[0005] 在功率開關(guān)(通常，是M0SFET)的導(dǎo)通與變壓器去磁的時刻（在次級電流已經(jīng)成為 零時）同步(通常，在適當(dāng)?shù)难舆t之后）時，回掃轉(zhuǎn)換器(無論是否是Hi-PF)被稱作是QR操作 的。這樣使得導(dǎo)通能夠在跟隨在去磁之后的漏極電壓振蕩的谷部上發(fā)生，從而使得導(dǎo)通損 耗減少。出于此原因，該操作通常稱為"谷部切換"。最常見地，使用峰值電流模式控制，從 而，由電流感測信號達(dá)到由用于調(diào)節(jié)輸出電壓或電流的控制環(huán)路所程式化的值，來判定功 率開關(guān)的關(guān)斷。
[0006] 圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Hi-PF QR回掃轉(zhuǎn)換器20。在初級側(cè)上，回掃轉(zhuǎn)換器20包 括橋式整流器22,在其輸入24處具有交流電力線。用作高頻平滑濾波器的電容器C in，跨接在 橋式整流器22的輸出電子上，其中負(fù)極端子連接到接地、并且正極端子連接到變壓器26的 初級繞組L p。變壓器26還具有輔助繞組Laux和次級繞組Ls。功率開關(guān)M的漏極端子接到初級繞 組L P，并且其源極端子通過電阻器Rs連接到接地。電阻器Rs使得能夠?qū)α鹘?jīng)功率開關(guān)M的電 流進(jìn)行讀值，該讀值指示了在M "導(dǎo)通"時流經(jīng)1^的電流。轉(zhuǎn)換器的初級側(cè)還包括：電阻分壓 器，該電阻分壓器由與電容器Cin并聯(lián)的電阻器RjPR b構(gòu)成；以及箝位電路27,該箝位電路用 于將由于初級繞組Lp的漏磁電感而產(chǎn)生的漏極電壓上的尖峰箝位。
[0007] 在變壓器26的次級側(cè)上，次級繞組1^的一端連接到次級接地，另一端連接到二極 管D的陽極。二極管D的陰極連接到電容器(：_的正極板，該電容器的負(fù)極板連接到次級接 地。
[0008] 該回掃轉(zhuǎn)換器20在其跨Cciut的輸出端子處產(chǎn)生直流電壓Vciut,該直流電壓將供給負(fù) 載。對于SSL應(yīng)用而言，負(fù)載將為高亮度LED串。
[0009]該轉(zhuǎn)換器是閉環(huán)控制的隔離轉(zhuǎn)換器，其中，將需要調(diào)節(jié)的量(輸出電壓Vciut或者輸 出電流1_)與參考值進(jìn)行比較，并且將根據(jù)被調(diào)節(jié)的量與參考值之間的差值而生成誤差信 號。該誤差信號通常通過使用光耦合器而被傳輸?shù)匠跫墏?cè)，該光耦合器在圖1中未示出。在 初級側(cè)上，該誤差信號用電流Ifb表示，該電流從控制器29中的專用管腳FB灌入，從而在管腳 FB上產(chǎn)生控制電壓V。?？刂破?9部分基于控制電壓Vc驅(qū)動功率開關(guān)M。如果整體控制環(huán)路的 開環(huán)帶寬（其由位于隔離的反饋塊28內(nèi)部的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)決定)足夠窄（通常，低于20Hz)， 并且假定處于穩(wěn)態(tài)操作下，則控制電壓V。可以視作直流電平。
[0010]控制電壓Vc被內(nèi)部饋送入乘法器塊30的一個輸入。乘法器30也接收跨Cin感測的經(jīng) 瞬時整流的線路電壓的一部分，該部分的電壓在電阻分壓器Ra-Rb處進(jìn)行分壓。分壓器比 率Rb/ (Ra+Rb)將用Kp表示。
[0011]乘法器塊30的輸出是經(jīng)整流的正弦波乘以直流電平的乘積，因而仍然是經(jīng)整流的 正弦波，該正弦波的幅度取決于：均方根線路電壓、以及控制電壓Vc的幅度。乘法器30輸出 信號將是峰值初級電流的電壓參考信號VCS, REF(Q)。
[0012]乘法器30的輸出信號被饋送到比較器32的反相輸入，該比較器在其非反相輸入處 接收感測信號VCS(t，0)，該感測信號是跨感測電阻器Rs進(jìn)行感測的。該感測信號Vcs(t，0)與 在功率開關(guān)M"導(dǎo)通"時流經(jīng)初級繞組L p和功率開關(guān)M的瞬時電流IP(t，Θ)成比例。假定功率開 關(guān)M初始地"導(dǎo)通"，則流經(jīng)初級繞組L p的電流將斜升，因此跨電阻器Rs的電壓也將斜升。SR 觸發(fā)器34具有輸出Q，該輸出Q耦合到驅(qū)動功率開關(guān)M的驅(qū)動器35。當(dāng)Vcs(t，0)等于VCS,REF(0) 時，比較器32重置SR觸發(fā)器34,并且功率開關(guān)M關(guān)斷。因此，來自乘法器30的電壓參考信號 Vcs,REF(0)(其呈經(jīng)整流的正弦波形狀)決定了初級電流的峰值，該峰值將由經(jīng)整流的正弦波 而包絡(luò)地形成。
[0013]在功率開關(guān)M已經(jīng)被關(guān)斷之后，儲存在初級繞組1^中的能量通過磁耦合傳輸?shù)酱?級繞組Ls，然后轉(zhuǎn)出到輸出電容器(：_和負(fù)載中，直到次級繞組Ls完全去磁。此時，二極管D斷 開，并且在Ldro導(dǎo)電時固定在V in(0)+VR下的漏極二極管成為浮置的。該漏極二極管的電壓 趨向于，通過由于其寄生電容與L p-起地開始諧振而造成的阻尼振蕩，最終達(dá)到瞬時線路 電壓νιη(θ)。但是，跟隨著變壓器26去磁的快速漏極電壓下降，通過輔助繞組L aux和電阻器 Rzcd耦合到控制器的管腳ZCD。每當(dāng)零交叉檢測器(ZCD)36檢測到下降到閾值以下的下降沿 時，該零交點檢測器就會放出脈沖，并且該脈沖會設(shè)定SR觸發(fā)器34、并且驅(qū)動功率開關(guān)M導(dǎo) 通，從而開始新的切換循環(huán)。
[0014] ZCD 36與SR觸發(fā)器34的設(shè)定輸入之間的OR門38,使得啟動器塊40的輸出能夠初始 化切換循環(huán)。啟動器塊40在接通電源時、在輸入管腳ZCD上不存在任何可用信號時，產(chǎn)生信 號，并且避免轉(zhuǎn)換器20在輸入管腳ZCD上的信號出于任何原因丟失的情況下，出現(xiàn)卡塞。
[0015] 假定θΕ(〇，π)，根據(jù)所考慮的控制方案，初級電流的峰值包絡(luò)如下式：
[0016] Ipkp(S) = Ιρ(Τον,Θ) = IpKPsin0 (I)
[0017]值得注意的是:該方案會導(dǎo)致功率開關(guān)M的導(dǎo)通時間Ton恒定：
[0019]為簡單起見，功率開關(guān)的關(guān)斷時間TQFF(0)將視作與電流在次級側(cè)上循環(huán)的時間τ? (Θ)-致。換言之，在其期間跨初級開關(guān)的電壓進(jìn)行振蕩直到達(dá)到振蕩谷部的時間區(qū)間Tr， 將被忽略。只要Tr〈〈Tqff( Θ)，這就是可接受的。
[0020] 因此，切換時間Τ(θ)如下式：
[0021] Τ(Θ)=Τον+Τρψ(Θ) (3)
[0022] 考慮到跨初級電感器的伏秒平衡，可以寫成：
[0024] 其中，Vr是反射電壓，即，輸出電壓Vciut乘以初級到次級匝數(shù)比η = NP/NS，該電壓在 時間區(qū)間TFW( Θ)中在跨變壓器26的初級繞組Lp處被觀測到：
[0025] VR = n(V〇ut+VF) (5)
[0026] 其中，Vf是次級整流器上的正向電壓降。因此，Τ(θ)可以改寫成：
[0027] Τ(θ)=Τ〇Ν(1+Κν sin9) (6)
[0028] 其中，Kv=Vpk/Vr。
[0029] 該轉(zhuǎn)換器的輸入電流Ιιη(θ)可通過求切換循環(huán)內(nèi)的初級電流lp(t，0)的平均值來 得出。初級電流I P(t，0)是圖2右側(cè)圖示中的一系列較深灰色的三角，從而，考慮到方程式 (1)，可得出：
[0031]方程式(7)表明，輸入電流不是純粹的正弦波。圖3A中針對不同的Kv值示出的函數(shù) sin0/(l+Kv sin0)是在兩倍線路頻率下的周期偶函數(shù)。相反地，從市電汲取的電力將是其 在線路頻率下的"奇對應(yīng)"，如圖3B所示。
[0032]只有在Kv = O時，該電流才是正弦波。當(dāng)Kv矣0時，盡管能夠維持類似正弦波的形狀， 但是輸入電流是失真的，Kv越大，失真越大。由于Kv不可能為零(這需要反射電壓趨向于無限 大），因此顯然可得出結(jié)論:與升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，該QR控制方案在回掃轉(zhuǎn)換器中既不允許 的輸入電流的總諧波失真(THD)為零、也不允