CN102664532B - 控制谐振式电力转换器的方法与其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种控制谐振式电力转换器的方法与其装置。此控制电路包括第一晶体管和第二晶体管，其用以切换变压器和谐振槽，其中谐振槽包括电容器和电感器。控制器经配置以接收与电力转换器的输出有关的反馈信号，从而产生第一切换信号和第二切换信号，以分别驱动第一晶体管和第二晶体管。二极管耦接到第一晶体管和谐振槽，用以检测第一晶体管的状态，并产生检测信号给予控制器。检测信号表明晶体管是否处于零电压切换状态。若晶体管未处于零电压切换状态，则增加晶体管的切换频率。

Description

控制谐振式电力转换器的方法与其装置
技术领域
本发明涉及谐振式电力转换器，特别是涉及一种用于控制谐振式电力转换器的方法与其装置。
背景技术
为了达到高效率的运转，谐振式电力转换器的操作频率应接近其在满载(full load)和/或具有低输入电压时的谐振频率。然而，当切换频率降低以回应于负载的增加及/或电力转换器的输入电压的减小时，切换频率可能会落在零电流切换(zero current switching，ZCS)区域(也就是，图2所示的区域3)内。如果切换频率降低且落在区域3内时，谐振式电力转换器将会操作在非线性区域。此外，非零电压切换(non-zero voltage switching，none-ZVS)操作会导致切换电力装置过热，并产生噪音。因此，必须防止谐振式电力转换器操作在图2的区域3中。
发明内容
本发明提供一种控制谐振式电力转换器的方法与其装置。此控制电路包括用以切换变压器与谐振槽(tank)的第一晶体管与第二晶体管。控制器经配置以接收与谐振式电力转换器的输出有关的反馈信号，从而产生第一切换信号和第二切换信号，以分别驱动第一晶体管和第二晶体管。耦接到第一晶体管的二极管检测第一晶体管的状态，并根据第一晶体管的状态产生检测信号以给予所述控制器，其中，在第一切换信号启动第一晶体管之前，若此第一晶体管的体二极管(body diode)不导电，则增加第一晶体管与第二晶体管的切换频率。
换言之，本发明提供一种控制谐振式电力转换器的方法。此方法包括以下步骤：接收反馈信号；根据此反馈信号以产生切换信号；根据切换信号，通过晶体管来启动变压器与谐振槽；在通过晶体管启动变压器与谐振槽之前，来产生检测信号以表明此晶体管的体二极管是否导电；以及，根据检测信号来改变此晶体管的切换频率，其中此晶体管是由切换信号来驱动，且反馈信号与电力转换器的输出有关。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例所提出的一种谐振式电力转换器的示意图；
图2绘示谐振式电力转换器的谐振槽的传递函数的示意图；
图3是根据本发明的一实施例所提出控制器的方块图；
图4是根据本发明的一实施例所提出的最小频率编程电路的示意图；
图5是根据本发明的一实施例所提出的振荡器的示意图；
图6是根据本发明的一实施例所提出的死区时间电路的示意图；
图7是根据本发明的一实施例所提出的脉冲产生器的示意图；
图8是根据本发明一个实施例所提出的振荡信号CK、脉冲信号PLS、死区时间信号SDT、第一切换信号CK0以及第二切换信号CK1的波形图；
图9是根据本发明的一实施例所提出的输入电路的示意图；
图10是根据本发明的一实施例所提出的反馈输入电路的示意图；
图11是根据本发明的一实施例所提出的检测电路的示意图；
图12是根据本发明一实施例所提出的振荡信号CK、信号CKA以及零电压切换检测信号ZVSD的波形图；
图13是根据本发明的一实施例所提出的取样保持电路的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一实施例所提出的一种谐振式电力转换器的示意图。此谐振式电力转换器包括控制器100、晶体管10及20以及谐振槽。控制器100分别藉由端点CK1和CK0而耦接到晶体管10和20。控制器100经配置以接收反馈端点FB处的反馈信号VFB，用以产生切换信号CK0和CK1，以分别驱动晶体管20和10。换句话说，控制器100所产生的切换信号CK0和CK1来使晶体管20和10导通，以回应于控制器100的反馈端点FB处的反馈信号VFB。晶体管10的源极(source)和晶体管20的漏极(drain)耦接到谐振槽以便切换此谐振槽和变压器50。晶体管10的漏极接收输入VIN。Vab是指晶体管20的漏极所呈现的电压。谐振槽包括电容器30和电感器35。二极管25耦接到晶体管20，二极管25用以检测晶体管20的状态，并根据晶体管20的状态产生检测信号ZVSD以给予控制器100。详细来说，二极管25连接到晶体管20的漏极端，用以检测晶体管20的零电压切换(zero voltageswitching，ZVS)状态，并产生耦接到控制器100的零电压切换检测信号ZVSD。电阻器40是用来检测晶体管20的切换电流，而电阻器45上所产生的信号SI被传送到控制器100。电阻器40连接在晶体管20的源极与接地端之间，且电阻器45连接在晶体管20的源极与控制器100之间。整流器51和52连接到变压器50的次级绕组(secondary winding)，用以产生电力转换器的输出Vo。反馈电路包括电阻器61、齐纳二极管(zener diode)62以及光耦合器(opto-coupler)65，此反馈电路根据输出Vo而在反馈端点FB处产生反馈信号VFB。控制器100还包括：FMIN端点，其耦接到电阻器71，用以决定最小切换频率；FMAX端点，其耦接到电阻器72，用以决定最大切换频率；以及SS端点，其耦接到电容器73，用来进行软启动(soft starting)。
图2绘示谐振式电力转换器的谐振槽的传递函数的示意图。其中，如图2和图1所示，Fr1(ωr1)是谐振槽的谐振频率。电感Lr是谐振槽的等效电感，它通常取决于电感器35。电容Cr是谐振槽的等效电容，它取决于电容器30的电容值。电感Lm是变压器50的初级绕组(primary winding)的磁化电感。电感Lm与电感Lr、电容Cr共同决定谐振槽的另一个谐振频率Fr2(ωr2)。计算谐振频率Fr1和Fr2的方程式如下列方程式(1)和方程式(2)所述：
Fr 1 ( ωr 1 ) = ( L r C r ) - 1 . . . . . . ( 1 )
Fr 2 ( ωr 2 ) = ( ( L r + L m ) C r ) - 1 . . . . . . ( 2 )
图2的“区域1”定义为高于第一谐振频率Fr1的谐振式电力转换器的操作频率。图2的“区域2”定义为高于第二谐振频率Fr2且低于第一谐振频率Fr1的谐振式电力转换器的操作频率。若谐振槽的阻抗导致此谐振槽的操作频率落在区域1和区域2内，则晶体管10和20的切换可以称为是“零电压切换(ZVS)”。“区域3”定义为低于谐振频率Fr2的谐振式电力转换器的操作频率。若谐振槽的操作频率落在区域3内，则晶体管10和20的切换无法达到零电压切换条件。在图2中，横轴代表频率范围，纵轴代表输出Vo除以Vab再乘以n所得的数值，其也代表输出的增益值。Vab是晶体管20的漏极所呈现的电压，且n代表变压器50的匝数(turns)。在所述实例中，n为定值。图2中的不同曲线代表不同品质因数的“nVo/Vab”值，也就是所谓的“Q”值。下面将针对图2所示的任意一条Q值曲线来进行论述。图2清楚地显示，就谐振式电力转换器的反馈回路控制而言，当操作于区域1和区域2时，输出电压Vo会增加以回应于切换频率的减小。然而，当操作于区域3时，输出电压Vo会减小以回应于切换频率的减小。因此，应当避免谐振式电力转换器的切换频率落在区域3内。谐振式电力转换器的优点是，当切换频率操作在谐振频率中时，可达到最大电力传递和最高效率。因此，本发明容许谐振式电力转换器的切换频率操作在接近谐振频率的频率，而不落在图2的区域3内。
图3是根据本发明的一实施例所提出控制器的方块图。此控制器100包括最小频率编程电路200、振荡器300、输入电路500以及死区时间(dead-time)电路400。请参照图1与图3，最小频率编程电路200藉由端点FMIN并根据电阻器71来产生电流IX和IY，详情将参照图4来进行阐述。电流IX和IY耦接到振荡器300，此振荡器300根据电流IX、IY和控制信号VCOM来产生振荡信号CK。控制信号VCOM是由输入电路500根据反馈端点FB所接收的反馈信号VFB、零电压切换检测信号ZVSD、SS端点所接收的软启动信号VSS以及VFMX端点所接收的最大频率信号VFMX来产生。振荡信号CK进而通过死区时间电路400来产生切换信号CK0和CK1。
图4是根据本发明的一实施例所提出的最小频率编程电路的示意图。此最小频率编程电路200包括比较器210以及晶体管230、231、232、233、235及236。图1的电阻器71连接到FMIN端点，且信号VFMN决定着电流IX和IY的数值。
图5是根据本发明的一实施例所提出的振荡器的示意图。此振荡器300包括比较器341及342、NAND门(gate)343及344、反相器345及346、开关311及321以及电容器330。控制信号VCOM用作振荡器300的跳变点电压(trip-point voltage)，其中为了便于说明，振荡器300可描述为压控振荡器(voltage controlled oscillator，VCO)。电流IX和IY在图5中绘示为电流源。开关311和开关321分别耦接到IX电流源和IY电流源。信号VCOM耦接到比较器341的正端点。比较器341的负端点和比较器342的正端点耦接到电容器330。比较器341的输出端和比较器342的输出端分别耦接到NAND门343的输入端和NAND门344的输入端。比较器344的输出端耦接到比较器343的另一个输入端，且比较器343的输出端耦接到反相器345的输入端。反相器345的输出端产生振荡信号CK。开关311是由反相器346的输出来控制，且开关321是由振荡信号CK来控制。电流IX及IY、控制信号VCOM以及电容器330的电容决定着振荡信号CK的频率。
图6是根据本发明的一实施例所提出的死区时间电路的示意图。此死区时间电路400包括脉冲产生器450、消隐时间电路、AND门420及421、缓冲器430及435以及反相器422。脉冲产生器450耦接到消隐时间电路，且产生脉冲信号PLS以回应在振荡信号CK的上升沿(rising edge)和下降沿(falling edge)。脉冲信号PLS被传送到消隐时间电路以产生死区时间信号SDT。消隐时间电路包括电流源IR、电容器415、晶体管411、反相器410及416以及NAND门417。电流源IR耦接到晶体管411的漏极、电容器415以及反相器416的输入端。反相器416的输出端耦接到NAND门417。反相器410的输入端也耦接到NAND门417，且反相器410的输出端耦接到晶体管411的栅极(gate)。AND门421经由反相器422来接收振荡信号CK，且接收死区时间信号SDT产生信号CKA以通过缓冲器430来产生第一切换信号CK0。AND门420接收振荡信号CK和死区时间信号SDT产生信号CKB以通过缓冲器435来产生第二切换信号CK1。
图7是根据本发明的一实施例所提出的脉冲产生器的示意图。此脉冲产生器450包括电流源463及473、反相器461、466、471、476及451、晶体管462及472、AND门467及477、电容器465及475以及OR门480。电流源463耦接到晶体管462的漏极、电容器465以及反相器466的输入端。反相器466的输出端耦接到AND门467。AND门467接收振荡信号CK，且AND门467的输出端耦接到OR门480。电流源473耦接到晶体管472的漏极、电容器475以及反相器476的输入端。反相器451接收振荡信号CK，且反相器451的输出端耦接到反相器471的输入端和AND门477的输入端。反相器476的输出端也耦接到AND门477。OR门480的输入端耦接到AND门467的输出端和AND门477的输出端，且在OR门480的输出端处产生脉冲信号PLS。
图8是根据本发明一个实施例所提出的振荡信号CK、脉冲信号PLS、死区时间信号SDT、第一切换信号CK0以及第二切换信号CK1的波形。脉冲信号PLS是在振荡信号CK的上升沿和下降沿处产生。当脉冲信号PLS被触发(triggered)的一段时间内，死区时间信号SDT是无效(off)的。当死区时间信号SDT和振荡信号CK都为高时，第一切换信号CK0有效(on)。当死区时间信号SDT为高且振荡信号CK为低时，第二切换信号CK1有效。
图9是根据本发明的一实施例所提出的输入电路的示意图。此输入电路500包括反馈输入电路550、缓冲器520、电流源521、以S/H来表示的取样保持电路700、漏极开路输出(open-drain-output)缓冲器525、以DET来表示的检测电路600以及预设电路540。此输入电路500还包括电流源530、运算放大器531、二极管532以及开关534。
反馈输入电路550耦接到软启动端点SS和图1的反馈端点FB，以便产生输入信号SFB和终端软启动信号SESS。输入信号SFB与反馈信号VFB有关。输入信号SFB耦接到具有漏极开路输出的缓冲器520，以产生控制信号VCOM。电流源521连接到缓冲器520的输出端以便将其拉高(pulling high)。输入信号SFB还耦接到取样保持电路700，以便通过另一个漏极开路输出缓冲器525来将控制信号VCOM箝位(clamping)在最大值。零电压切换检测信号ZVSD和信号CKA被传送给检测电路600，以便在检测到非零电压切换状态时产生闩锁(latch)信号ST。此闩锁信号ST被传送出去以便对取样保持电路700的输入信号SFB的移位值进行取样和保持，且产生耦接到缓冲器525的信号VSH。预设电路540包括比较器541、OR门545以及反相器544。此预设电路540接收输入信号SFB和偏置信号VOS。预设电路540包括比较器541、OR门545以及反相器544。偏置信号VOS通过比较器541与系统复位信号RESET进行比较，且被输入到OR门545中。预设信号PRST是通过OR门545而产生，且此预设信号PRST被用来预先设定取样保持电路700的值以及拉高信号VSH。产生预设信号PRST是为了在输入信号SFB低于偏置信号VOS时或者在通电状态下系统复位信号RESET无效时能够对取样保持电路700进行预先设定。
电流源530连接到FMAX端点。与图1的电阻器72相连接的电流源530将会产生最大频率信号VFMX。运算放大器531与二极管532构成缓冲电路，其经配置以接收最大频率信号VFMX，以便通过开关534来将控制信号VCOM箝位在最小值。开关534是由终端软启动信号SESS来激活(enabled)。
由于控制信号VCOM被取样保持电路700箝位在最大值，所以如图1的切换信号CK0和CK1的最小频率受到限制以防止谐振式转换器的切换频率操作在图2的区域3内。由于控制信号VCOM被最大频率信号VFMX箝位在最小值，所以切换信号CK0、CK1的最大频率受到控制以便在电力转换器的负载较小时具有更高效率。
图10是根据本发明的一实施例所提出的反馈输入电路的示意图。此反馈输入电路550包括电平移位(level-shift)电路、缓冲器557、比较器558、晶体管559以及电阻器556。由电阻器552、电阻器553以及晶体管551所构成的电平移位电路经配置以接收反馈信号VFB，以便产生输入信号SFB。具有漏极开路输出的缓冲器557经配置以根据SS端点的电压来对输入信号SFB的值进行箝位。缓冲器557的正输入端耦接到端点SS以便进行软启动，且耦接到电阻器556和晶体管559。电阻器556耦接到SS端点和VCC以便在晶体管559截止时对如图1电容器73充电。信号SPRT控制着晶体管559的导通/截止(on/off)状态。信号SPRT耦接到晶体管559的栅极，且在一段时间内和电力转换器的一定状态下被激活。比较器558耦接到SS端点，且在SS端点的电压高于临界值VTy时产生终端软启动信号SES。
图11是根据本发明的一实施例所提出的检测电路的示意图。此检测电路600包括比较器620及630、AND门640、D型正反器(flip-flop)650以及电流源610。电流源610耦接到比较器620的正输入端以便接收零电压切换检测信号ZVSD。当零电压切换检测信号ZVSD高于临界值VRZ时，比较器620输出逻辑高(logic-high)信号(对于非零电压切换状态)。当输入信号SFB高于偏置信号VOS时，另一个比较器630也输出逻辑高信号。输入信号SFB高于偏置信号VOS代表电力转换器的输出负载很大。比较器620的输出端与比较器630的输出端耦接到AND门640。AND门640的输出端耦接到D型正反器650的D输入端，用以产生闩锁信号ST。D型正反器650的时钟输入端(clock-input)是由信号CKA来驱动。D型正反器650的复位输入端(reset-input)是由信号CKB来控制。谐振式电力转换器的零电压切换状态是指：在晶体管被栅极驱动信号启动之前，此晶体管的体二极管被谐振槽的循环电流接通。因此，如图1在晶体管20被启动前，若此晶体管20的体二极管不导电，则会产生闩锁信号ST(以表示非零电压切换状态)。
图12是根据本发明一实施例所提出的振荡信号CK、信号CKA以及零电压切换检测信号ZVSD的波形。当振荡信号CK被接通并持续了死区时间TDT后，信号CKA变为高。当振荡信号CK变为低时，信号CKA被切断。零电压切换检测信号ZVSD的WZ波形代表零电压切换状态。零电压切换检测信号ZVSD的WNZ波形代表非零电压切换状态。图12清楚地显示，在非零电压切换状态下，在死区时间到来前，零电压切换检测信号ZVSD不会变为低；而在零电压切换状态下，在死区时间开始前，零电压切换检测信号ZVSD已变为低。
图13是根据本发明的一实施例所提出的取样保持电路的示意图。此取样保持电路700包括加法电路730及770、模数转换器(analog-to-digital converter，A/D)740、寄存器(REG)750、数模转换器(digital-to-analog converter，D/A)760以及反相器751。参考电平735对输入信号SFB进行电平移位(减小)，然后输入信号SFB被传送到加法电路730的正输入端。偏置信号VOS被传送到加法电路730的负输入端。加法电路730的输出端耦接到模数转换器740的输入端。换言之，参考电平735与偏置信号VOS的电平减去输入信号SFB，然后被传送到模数转换器740。模数转换器740的输出被传送到寄存器750。预设信号PRST是用来经由反相器751来对寄存器750进行预先设定。闩锁信号ST是用来将模数转换器740的输出锁在寄存器750内。寄存器750的输出端耦接到数模转换器760。数模转换器760的输出通过加法电路770而与偏置信号VOS相加以产生信号VSH，此信号VSH便是取样保持电路700的输出。
根据本发明，若检测到非零电压切换状态，则晶体管的操作频率会增加。因此，可防止谐振式电力转换器操作在如图2的区域3的低频区，且可避免非线性操作。
虽然上文已对本发明及其优点进行了详细论述，但是容易理解的是，在不脱离权利要求书所界定的本发明的精神和技术方案范围的前提下，当可做各种更动、替换及交替变化。也就是说，对本发明所做的论述应视为基本描述。容易理解的是，具体的论述可能无法明确地描述所有可能的实施例，许多可选方案未能一一列举出来。本发明的一般性质可能未得到全面的解释，也可能未能明确地呈现出每个特征或元件实际上是如何代表更广泛的功能或多种可选元件或等效元件。而这些都隐晦地包含在所揭露的内容中。本文的论述和术语并非对权利要求书所界定的范围的限定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种谐振式电力转换器的控制电路，其特征在于，所述控制电路包括：
第一晶体管和第二晶体管，其用以切换变压器和谐振槽；
控制器，经配置以接收与所述谐振式电力转换器的输出有关的反馈信号，用以产生第一切换信号和第二切换信号，以分别驱动所述第一晶体管和所述第二晶体管；以及
二极管，其耦接到所述第一晶体管，用以检测所述第一晶体管的状态，并根据所述第一晶体管的状态产生检测信号以给予所述控制器；
其中，在第一切换信号启动第一晶体管之前，若所述第一晶体管的体二极管不导电，则增加所述第一晶体管和所述第二晶体管的切换频率。
2.根据权利要求1所述的谐振式电力转换器的控制电路，其特征在于：在所述第一切换信号启动所述第一晶体管之前，若所述第一晶体管的所述体二极管不导电，则激活所述检测信号，且当所述检测信号被激活时，将所述第一晶体管和所述第二晶体管的切换频率箝位在最小值。
3.根据权利要求1所述的谐振式电力转换器的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括：
电阻器，其耦接到所述控制器，以决定所述切换频率的最小值；以及
另一个电阻器，其耦接到所述控制器，以决定所述切换频率的最大值。
4.根据权利要求1所述的谐振式电力转换器的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括电容器，其耦接到所述控制器以便进行软启动。
5.根据权利要求1所述的谐振式电力转换器的控制电路，其特征在于，所述控制器还包括：
输入电路，其经配置以接收所述反馈信号和所述检测信号，以便产生控制信号；以及
振荡器，其经配置以接收所述控制信号，以便产生振荡信号，
其中所述振荡信号与产生所述第一切换信号和所述第二切换信号有关。
6.根据权利要求5所述的谐振式电力转换器的控制电路，其特征在于，所述输入电路包括取样保持电路，当所述检测信号被激活时，所述取样保持电路将所述控制信号箝位在最大值以下。
7.根据权利要求6所述的谐振式电力转换器的控制电路，其特征在于，所述取样保持电路还包括：
模数转换器；
寄存器，其耦接到所述模数转换器；以及
数模转换器，其耦接到所述寄存器。
8.一种控制谐振式电力转换器的方法，其特征在于，所述方法包括：
接收与所述谐振式电力转换器的输出有关的反馈信号；
根据所述反馈信号来产生切换信号；
根据所述切换信号通过晶体管来启动变压器和谐振槽；
产生检测信号，所述检测信号表明，在通过所述晶体管来启动所述变压器和所述谐振槽之前，所述晶体管的体二极管是否导电；以及
根据所述检测信号来改变所述晶体管的切换频率，
其中所述晶体管是由所述切换信号来驱动。
9.根据权利要求8所述的控制谐振式电力转换器的方法，其特征在于，产生所述检测信号包括：在所述切换信号启动所述晶体管之前，若所述晶体管的所述体二极管不导电，则激活所述检测信号。
10.根据权利要求8所述的控制谐振式电力转换器的方法，其特征在于，根据所述检测信号来改变所述晶体管的所述切换频率包括：当所述检测信号被激活时，增加所述切换频率。
11.根据权利要求8所述的控制谐振式电力转换器的方法，其特征在于，所述方法还包括：
进行最小切换频率及最大切换频率编程；以及
进行软启动编程。
12.根据权利要求8所述的控制谐振式电力转换器的方法，其特征在于，产生所述切换信号包括：
根据所述反馈信号和所述检测信号来产生控制信号；以及
根据所述控制信号来产生振荡信号，
其中所述振荡信号经耦接以产生所述切换信号。
13.根据权利要求12所述的控制谐振式电力转换器的方法，其特征在于，产生所述控制信号包括：当所述检测信号被激活时，通过取样保持电路来将所述控制信号箝位在最大值以下。
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