CN104917362A - 同步功率整流器的过电压保护 - Google Patents

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Abstract

提供了同步功率整流器的过电压保护。描述了一种电路，其包括配置用于将来自AC输入的DC输出进行整流的整流器，配置用于检测DC输出的电压电平的感测单元，以及配置用于基于DC输出的电压电平控制该整流器的控制单元。将该控制单元配置为通过至少控制整流器来控制整流器输出，以当DC输出的电压电平没有指示电路处的过电压状态时，将来自AC输入的DC输出进行整流。另外，将控制单元配置为，如果DC输出的确指示过电压状态，则基于DC输出的电压电平，并通过至少控制整流器以对来自AC输入的电流进行分流，来控制整流器。

Description

同步功率整流器的过电压保护
技术领域
本公开涉及与同步功率整流器相关的技术与电路。
背景技术
一些功率应用包括一个或多个整流器，以将AC电压转换为DC电压。例如，无线功率接收器可依赖于整流器，将在接收线圈处接收到的AC电压输入转换为DC电压，该DC电压依赖于无线功率接收器的一些其它部分(例如，功率变换器，负载等)。整流器可以是无源整流器或同步整流器(否则，称为“有源整流器”)。无源整流器可包括无源元件(例如，二极管)，且同步整流器可包括有源元件(例如，可控开关)。在任一种情况下，将无源整流器和同步整流器的元件布置在特定配置中(例如，半桥配置，H桥配置)以将AC电压转换为DC电压。与无源整流器相比，通过使用有源型元件而非无源型元件，同步整流器可具有降低的功率损耗量。
在一些示例中，同步整流器的有源类型元件可以是金属氧化物半导体(MOS)型开关，且每个开关包括寄生的体二极管。每个MOS型开关的体二极管可作为无源整流器的无源型元件。因此，甚至当每个同步整流器的MOS型开关处于关断状态时，该同步整流器仍可执行无源整流。因此，当MOS型开关关断时，如果将较大AC电压施加至同步整流器的输入，则同步整流器仍可输出较大的DC电压(例如，DC电压超过MOS型开关的击穿电压)，该电压可破坏或至少损害同步整流器和/或周边系统。
发明内容
总体上，本公开所述电路和技术可提供对同步整流器的保护，使其在不使用电压钳位(例如，位于整流器输入处的高电压电容器)或其它类型外部元件的情况下免于承受过电压状态。通过对整流器开关的控制，控制器可使整流器基于AC电压输入来输出经整流的DC电压。然而，文中所述控制器不是简单控制同步整流器的开关以执行整流，而是可进一步控制开关以阻止过电压状态损坏整流器。例如，基于整流器DC输出的电压电平，该控制器可确定是否调整整流器的一些开关的操作状态，以使得整流器在保护模式下开始运行，由此导致DC输出电压电平的降低。
在一个示例中，本公开涉及包括整流器的电路，其被配置为将来自AC输入的DC输出进行整流；以及感测单元，其被配置为检测DC输出的电压电平。该电路进一步包括控制单元，其被配置为基于DC输出的电压电平通过以下方式控制整流器，该方式为通过至少将整流器控制为：如果DC输出的电压电平没有指示电路处的过电压状态，则对来自AC输入的DC输出进行整流；并且如果DC输出的电压电平指示过电压状态，则将来自AC输入的电流进行分流。
在另一个示例中，本公开涉及一种方法，该方法包括：检测来自接收AC输入的整流器的DC输出的电压电平；通过控制单元确定，是否电压电平指示整流器处的过电压状态；并且，如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态，则使用整流器将DC输出进行整流。该方法进一步包括，如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态，则使用整流器将来自AC输入的电流进行分流。
在另一个示例中，本公开涉及一种电路，该电路具有用于检测来自接收AC输入的整流器的DC输出的电压电平的装置，用于确定在电压电平是否指示整流器处的过电压状态的装置，以及如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态时，用于将DC输出进行整流的装置。该电路具有用于在DC输出电压电平没有指示过电压状态时将来自AC输入的电流进行分流的装置。
结合下面附图及说明书对一个或多个实施例的细节进行详细阐述。本公开的其它特征、目的以及优点将通过说明书及附图，以及权利要求书变得显而易见。
附图说明
图1为示出了根据本公开的一个或多个方面的对来自AC电源的AC电压进行整流的示例系统的框图。
图2为示出了图1中所示示例系统的功率变换器的一个示例，其使用电压钳位用于过电压保护。
图3为示出了根据本公开的一个或多个方面的图1中所示示例系统的具有过电压保护的功率变换器的一个示例。
图4A至4D为示出了图3中所示功率变换器的整流器的可选示例的框图。
图5为示出了根据本公开的一个或多个方面的具有过电压保护的示例功率变换器操作的示例的框图。
图6为示出了根据本公开的一个或多个方面的示例功率变换器电气时序特性的时序图。
图7为具有无源整流器的示例无线功率接收器的框图。
图8A和8B为具有用于过电压保护的同步整流器和电压钳位的示例无线功率接收器的电路图。
图9为示出了图8中所示示例无线功率接收器的电气时序特性的时序图。
具体实施方式
一些功率应用包括一个或多个整流器，以将AC电压转换为DC电压。例如，无线功率接收器可依赖整流器将在接收线圈处接收到的AC电压输入转换为DC电压，该DC电压依赖于无线功率接收器的一些其它部分(例如，升压变换器或降压变换器，负载等)。整流器可以是无源整流器或同步整流器(否则，称为“有源整流器”)。无源整流器可包括无源元件(例如，二极管)且同步整流器可包括有源元件(例如，可控开关)。在任一种情况中，将无源整流器和同步整流器的元件布置在特定配置中(例如，半桥，H桥配置)，以将AC电压转换为DC电压。通过使用有源类型元件而非无源类型元件，同步整流器与无源整流器相比可具有减小的功率损耗量。
在一些示例中，同步整流器的有源类型元件可包括金属氧化物半导体(MOS)型开关，且每个开关包括寄生的体二极管。每个MOS型开关的体二极管可作为无源整流器的无源类型元件。因此，甚至当每个同步整流器的MOS型开关工作在关断状态下时，同步整流器仍可实现无源整流。
参考回上述示例无线功率接收器，可将接收线圈暴露于可能的经由空气行进的信号。如果无线功率接收器的整流器是依赖于MOS型开关的同步整流器，则甚至当同步整流器关断时，由接收线圈捕获的任意信号都有可能被整流。例如，如果接收线圈在同步整流器关断时接收较大的AC电压，则可在同步整流器输出处将对大的且非预期的DC电压进行整流。在整流器的输出处的非预期DC电压，特别是如果DC电压超过了MOS型开关的击穿电压，能够毁坏或至少损害同步整流器和/或与同步整流器输出耦合的无线功率接收器的部分。
为防止在这种同步整流器关断时同步整流器产生非预期的DC电压输出，一些无线功率接收器和其它类型的功率应用可依赖于电压钳位以阻止非预期的AC电压到达同步整流器。例如，本文中的电压钳位可以是高电压电容器的形式，该高电压电容器耦合至地面并与开关和同步整流器相应的输入端串联。同步整流器的每个输入端可具有一个或多个电压钳位。当控制器引起同步整流器的MOS型开关关断和/或当控制器在同步整流器的输出处感测到过电压时，控制器同样引起每个电压钳位的对应的开关闭合，本质上，将该输入端地接至同步整流器。通过激活每个电压钳位，将任何可能进入或否则已经进入到同步整流器的电流从输入端分流离开，并分流至每个接地电容器。电压钳位的缺点诸如存在需要用于其实现方式的额外管脚、开关、部件等。额外的部件及连接可导致整个系统的尺寸、面积、成本和/或复杂性的增加。可设计用于电压钳位的这种类型的高电压电容器以承受异常的高电压或高电流。对于一些应用，这些高电压电容器可能特别是成本过高的。
总体上，本公开的电路和技术可对同步整流器提供保护，以防止过电压状态，而不使用电压钳位(例如，在整流器输入处的高电压电容器)或其它类型外部部件。例如，通过向整流器提供引起开关中的一个或多个开关在导通与关断工作状态之间转换的信号，控制器通常可控制同步整流器的开关的操作。通过对开关的控制，控制器可基于AC电压输入使整流器输出经整流的DC电压。
根据本公开的电路和技术，控制器并非仅仅控制同步整流器的开关以实现整流，而是控制器可根据本公开的电路和技术以一种方式进一步控制整流器的开关，以防止在整流器处的过电压状态对整流器产生损害。控制器可确定整流器输出处的电压电平，并根据该输出电压电平确定是否调节开关中的任意开关的操作状态。当控制器确定在整流器处过电压正在发生或即将发生的情况下，控制器可使整流器开始在保护模式下运行。在保护模式期间，将整流器配置为将电流从整流器的AC输入分流离开，以降低整流器DC输出的电压电平。
例如，控制器可在输出处将电压电平与阈值电压进行比较以确定是否可能存在过电压状态(例如，如果存在于整流器处可能损害整流器的电压)。如果基于该比较，控制器确定在输出处的经整流的电压电平接近与过电压状态相关的电压电平，则控制器部分地或完全地将整流器的开关中的一个或多个开关禁用(例如，高侧开关中的一个或多个)并可部分地或完全地将整流器的启用其他开关中的一个或多个开关(例如，低侧开关中的一个或多个)，以将经整流的电压电平降低到可容许的电平。
通过在控制同步整流器开关的操作状态中基于经整流的输出电压，控制器可防止整流器发生过电压状态，否则该过电压状态会损害整流器。通过这种方式，整流器可具备过电压状态保护而无需使用昂贵的外部部件。根据本公开的电路和技术，控制同步整流器的功率变换器可比一些依赖于如高电压电容器的外部保护部件的其它功率变换器更廉价和/或具有更小的尺寸。
图1是示出了根据本公开的一个或多个方面的用于将来自AC电源的AC电压进行整流的示例系统的框图。图1示出了具有四个分开且不同的部件的系统1，不同的部件如AC电源2、功率变换器4、滤波器6和DC负载8所示，然而，系统1可包括额外的或更少的部件。例如，AC电源2、功率变换器4、滤波器6和DC负载8可以是四个单独的部件，或可表示提供本文中所述系统1的功能的一个或多个部件的组合。
系统1包括AC电源2，其(向系统1)提供AC电能。存在多个AC电源2的示例，且AC电源2可包括但不限于，电网、发电机、变压器或能够向系统1提供AC电能的任意其它形式的设备。AC电源2可通过联接10向功率变换器4提供AC电压和/或AC电流。
功率变换器4表示AC至DC功率变换器，其将由AC电源2提供的AC功率转换为DC功率，用于向DC负载8提供电能。功率变换器4包括一个或多个接收线圈、整流器、升压变换器或降压变换器、滤波器和/或其它部件，以将与从AC电源2接收到的功率相关的电压和/或电流转换为DC功率的可用形式以供DC负载8使用。例如，功率变换器4可以是无线功率接收器，其将无线AC功率转换为DC电压输出。在一些示例中，功率变换器4包括控制单元以控制功率变换器4的运行。例如，功率变换器4的控制单元可控制功率变换器4何时并以多大的幅值在联接12处输出DC电压。
滤波器6和DC负载8表示系统1的可选部件。DC负载8可接收在DC功率通过滤波器6后，由功率变换器4转换的DC功率(例如，电压、电流等)。在一些示例中，DC负载8使用来自功率变换器4和滤波器6的经滤波的DC功率来执行功能。存在滤波器6的许多示例，且可包括用于针对负载将功率滤波的任何适合的电子滤波器。滤波器6的示例包括但不限于，无源或有源的电子滤波器，模拟或数字滤波器，高通、低通、带通、陷波或全通滤波器，电阻器-电容器滤波器，电感器-电容器滤波器，电阻器-电感器-电容器滤波器等。同样，存在许多DC负载8的示例，且可包括但不限于，充电电路，计算设备和相关部件，如微处理器、电气部件、电路、笔记本计算机、台式计算机、平板计算机、移动电话、电池、扬声器、照明单元、与汽车/海事/太空/火车相关的部件、电机、变压器或任意其它类型电气设备和/或从功率变换器接收电压或电流的电路。
AC电源2可通过联接10提供AC功率(例如，具有AC电压电平或AC电流电平的功率)。DC负载8可接收经由联接14由功率变换器4变换、且通过滤波器6滤波的DC功率(例如，具有DC电压电平或DC电流电平的功率)。联接10、12和14表示能够从一个地点向另一个地点传导电功率的任意介质。
联接10、12和14的示例包括但不限于，物理的和/或无线的电力传输介质，如电力线、电力轨迹、导电气体管、双绞线等。联接10和12的每个可在AC电源2和功率变换器4之间，以及功率变换器4和滤波器6之间分别提供电气耦合。联接14提供在滤波器6和DC负载8之间的电气耦合。另外，联接14对与来自滤波器6的经滤波的功率输出特性相关联的功率变换器4提供承载信息的反馈回路或反馈电路。在图1的示例中，联接10是用于传输AC功率的无线联接，然而，在其它示例中，联接10可以是有线的或物理的联接。
在系统1的示例中，功率变换器4可将由AC电源2输送的AC功率的AC电压整流至满足DC负载8功率要求的DC功率的DC电压。例如，AC电源2可输出，且功率变换器4可在联接10处接收具有AC电压电平的功率。功率变换器4可将具有AC电压电平的功率转换(例如，整流)至由DC负载8要求的具有DC电压电平的功率。功率变换器4可在联接12处输出具有DC电压电平的功率。滤波器6可从变换器4接收功率并在联接14处输出具有DC电压电平的经滤波的功率。DC负载8可在联接14处接收具有DC电压电平的经滤波的功率。DC负载8可使用具有DC电压电平的经滤波的功率来执行功能(例如，向微处理器供电)。
图2是示出了图1中所示系统1的功率变换器4的一个示例的方框图，该功率变换器使用电压钳位以进行过电压保护。例如，图2示出了作为图1中所示系统1的功率变换器4的更详细的示例的功率变换器4A的示例性视图，且联接10、12和14分别提供至AC电源2、滤波器6和DC负载8的电气连接。如下所述，功率变换器4A使用电压钳位36A和36B进行过电压保护。
示出了作为无线功率接收器的功率变换器4A，其被配置用来通过联接10接收AC功率输入且通过联接12接收输出DC功率。功率变换器4A包括与同步整流器34(简称“整流器34”)耦合的接收(“RX”)线圈32。
RX线圈32包括电感器26和电容器24A和24B。RX线圈可通过无线联接10接收AC功率输入，并输出与在节点18A和18B处(例如，电容器24B的阴极端和阳极端)的AC功率输入相关联的AC电流和/或AC电压。整流器34可从节点18A和18B处的RX线圈32中接收AC电流和/或AC电压，并将AC电流和/或AC电压在联接12处整流为经整流的DC电流和/或经整流的DC电压输出。
整流器34包括高侧开关20A和20B(文中统称为“开关20”)和低侧开关22A和22B(文中统称为“开关22”)。开关20和22表示MOS型开关设备，其被布置在H桥配置中用于将在节点18A和18B处接收到的AC电压输入在联接12处整流成DC电压输出。在一些示例中，整流器34的开关20和22可包括额外的和/或更少的开关。另外，可存在包括半桥配置等的开关20和22的其它配置。
开关20和22的每个可通过联接16中的一个接收各自的控制信号，该控制信号引起相应开关在导通和关断工作状态之间的转换。本文中所使用的术语“导通状态”反应了开关20和22中的每个的操作状态，其对应于“接通”、“开启”、“闭合”、“启用”中的开关。术语“关断状态”反应了开关20和22中的每个的操作状态，其对应于“断开”、“关断”、“打开”、“禁用”中的开关。在任意特定时间，开关20和22中的每个的操作状态可取决于通过联接16接收的对应的信号。
功率变换器4A包括控制单元30A，用于在联接12处控制整流器34以对DC电压输出进行整流。换言之，控制单元30A表示用于实现整流技术的功率变换器4A的驱动/控制逻辑的组合，以在联接12处控制开关20和22产生经整流的DC电压。控制单元30A可通过联接16发布控制信号，该控制信号引起一个或多个开关20和22在导通和关断操作状态之间的转换。例如，控制单元30A可通过联接16发布控制信号，其引起开关20A和22B导通以及开关20B和22A断开。控制单元30A可通过联接16发布随后的控制信号，其引起开关20A和22B断开以及开关20B和22A导通。控制单元30A可通过联接16发布命令或信号，其引起开关20和22在相应的导通状态和/或断开状态之间以各种形式在不同时间变换，以使得整流器34在联接12处产生经整流的电压输出。
为保护功率变换器4A免受过电压状态，功率变换器4A依赖于耦合至节点18A和18B的有源电压钳位36A和36B(例如，整流器34的输入)。电压钳位36A包括开关28A，当开关28A闭合时将接地的高电压电容器26A耦合至节点18A。闭合开关28A以“启用”电压钳位36A，用于为整流器34提供过电压保护。电压钳位36B包括开关28B，当开关28B启用时将接地的高电压电容器26B耦合至节点18B。闭合开关28B以“启用”电压钳位36B，用于为整流器34提供过电压保护。控制单元30A可通过联接16发布一个或多个命令或信号以启用电压钳位36A和36B。
当控制单元30A在功率变换器4A的输出处(例如，在联接12处)检测到过电压状态时，控制单元30A可启用电压钳位36A和36B。例如，控制单元30A可在联接12处检测电流和/或电压状态并判断电压可能超过了整流器34的工作限制。为使整流器34在整流器34输入处的免受过电压状态的损害，控制单元30A可在联接16处生成一个或多个启用电压钳位36A和36B的命令或信号。以这种方式，将从RX线圈36流向整流器34的输入处的电荷(例如，电流)在过电压过程中从整流器34中分流。当控制单元30A确定过电压状态结束时，控制单元30A可将电压钳位36A和36B禁用，以允许整流器34再次从RX线圈中接收电流。
功率变换器4和电压钳位的使用存在许多缺点，电压钳位的使用如用于过电压保护的电压钳位36A和36B。例如，电压钳位36A和36B的每个表示除RX线圈32、整流器34和控制单元30A之外的额外的外部部件，并且因此可能增加功率变换器4A整体上的尺寸、面积和/或复杂性。此外，电压钳位36A和36B的每个代表了可能成本较高的(例如，昂贵的)部件。例如，电容器26A和26B可能是昂贵的高电压电容器，其被认为用于承受高电压和/或高电流。因此，使用可能较昂贵的电压钳位36A和36B可增加功率变换器4A的整体成本。
图3是示出了根据本公开的一个或多个方面的图1中所示的系统1的具有过电压保护的功率变换器4的一个示例的方框图。例如，图3示出了作为图1中系统1的功率变换器4的详细的示例性视图的功率变换器4B，以及由联接10、12和14分别提供的至AC电源2、滤波器6和DC负载8的电力联接。如下所示，功率变换器4B提供了优于功率变换器4A的各种优点。例如，功率变换器4B并不依赖于额外的和可能昂贵的电压钳位，如电压钳位36A和36B，通过对整流器34的开关20和22的精细控制可实现过电压保护。
功率变换器4B包括直接与整流器34相连的RX线圈32，而在整流器34的输入处没有使用任何电压钳位。功率变换器4B进一步包括控制单元30以及电压感测单元38。
整流器34包括布置在H桥配置中的四个开关20和22(作为MOS型开关示出)。在一些实施例中，整流器34可包括少于四个或多于四个的开关。例如，开关20和22可以只是布置在半桥配置中两个开关，或任意其它多于四个开关的布置，整流器34可使用该开关，以在联接12处产生经整流的电压输出。
在图3的示例中，整流器34的开关20和22中的每个是能够以无源模式传导电流的有源开关元件。例如，开关20和22的每个表示MOS型开关，该开关的每个包括各自的体二极管，体二极管被配置为甚至在关断时，当跨开关20和22中的每一个开关的电压超过每个相应的体二极管的击穿电压时传导电流。在一些示例中，高侧开关20可以不是有源开关元件，并可以是无源开关元件，如二极管。无论只是低侧开关22或既有低侧开关22又有高侧开关20，任何整流器34的开关元件具有体二极管(例如，在关断开关的情况下同样作为无源整流器，与具有MOS晶体管的情况一样)。在一些示例中，高侧开关20可以是NMOS(具有自举驱动器)或PMOS开关。
功率变换器4B使用控制单元30B控制整流器34，以在联接12处基于联接10处的AC功率输入将DC电压输出进行整流。换言之，控制单元30B表示用于实现整流技术的功率整流器4B的驱动/控制逻辑的组合，以在联接12处控制整流器34的开关20和22产生经整流的DC电压。控制单元30B可通过联接16发布控制信号，其引起一个或多个开关20和22在导通状态和关断状态操作之间转换。例如，控制单元30B可通过联接16发布控制信号，其引起开关20A和22B导通以及开关20B和22A关断。控制单元30B可通过联接16发布随后的控制信号，其引起开关20A和22B关断以及开关20B和22A导通。控制单元30B可通过联接16发布命令或信号，其引起开关20和22在各自的导通状态和/或关断状态操作之间以不同形式并在不同时间转换，以使得整流器34在联接12处产生经整流的电压输出。
控制单元30B可包括硬件、软件、固件或其组合的任意适当的布置，以实现本文中用于控制单元30B的技术。在一些示例中，控制单元30B只包括数字控制逻辑，只包括模拟控制逻辑，或在一些示例中，包括数字和模拟控制逻辑的组合。
例如，控制单元30B可包括数字电路、模拟电路或二者的组合，以控制并调节开关模式功率整流器。控制单元30B可包括任意一个或多个微处理器、信号处理器、专用集成电路(ASICs)、现场可编程门阵列(FPGAs)、比较器、运算放大器、全定制和/或半定制数字逻辑、用于存储控制数据(例如，参数)的寄存器、模拟和/或数字滤波器平台、非线性控制模块或任意其它等同的集成、数字或模拟电路，以及这些部件的任意组合。
当控制单元30B包括软件和固件时，控制单元30B进一步包括用于存储并执行软件或固件的硬件，如一个或多个数字或模拟处理器或处理单元。通常，处理单元可包括一个或多个微处理器、信号处理器、ASIC、FPGA、比较器、运算放大器或任意其它等同的集成的、数字或模拟电路，以及这些部件的任意组合。尽管未示出，但控制单元30B可包括被配置用于存储数据的存储器。存储器可包括任意易失性或非易失性介质，如随机存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，非易失性RAM(NVRAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存等。在一些示例中，存储器可位于控制单元30B和/或功率变换器4B的外部，例如，可在封装控制单元30A和/或功率变换器4B的封装的外部。
电压感测单元38耦合至联接12(例如，整流器34的输出)用于确定或测量在联接12处的电压电平，控制单元30B可从该电压电平检测过电压状态。例如，电压感测单元38表示能够通过联接40提供指示联接12处的电压电平的信息的任何数字和/或模拟电路的组合。电压检测单元38的示例是电压比较器、模数转换器(ADC)、漏电流钳位保护等。电压检测单元38表示用于在整流器34输出处检测电压电平的硬件、软件和/或固件的任意组合。
根据本文公开的电路和技术，控制单元30B可获得经整流的DC电压的电压电平，该电压电平由整流器34在联接12处通过控制单元30B与电压感测单元38在联接40处公用的连接而输出。变换器4B可依赖经整流的DC电压的电压电平，以确定在功率变换器4B处过电压状态正在发生或即将发生。如果基于经整流的DC电压的电压电平，控制单元30B确定过电压状态正在发生或可能即将发生，控制单元30B可改变开关30和32的控制模式以防止过电压损害整流器34。换言之，控制单元30B不是依赖于其它类型的过电压保护(例如，昂贵的高电压外部钳位电容器等)，而是功率变换器4B的控制单元30B可在联接12处检测经整流的电压，确定经整流的电压是否示出过电压状态，以及在过电压状态下，控制单元30B可使用改进的控制模式以将整流器34配置为使得经整流的电压电平降低。以这种方式，电压感测单元38和由控制单元30B执行的操作的组合与在整流器34的输出处的有源钳位配置作用相似，该有源钳位配置感测经整流的电压并将经整流的电压钳位到整流器34的部件可容许的电平。
例如，控制单元30B可从电压感测单元38接收关于与在联接12处的经整流的电压输出相关的电压电平的信息。控制单元30B可将该信息与一个或多个阈值(例如，最大电压阈值，如与开关20和22相关的击穿电压)进行比较，以确定在整流器34处过电压状态是否正在发生或将要发生。例如，如果从电压感测单元38接收到的信息指示经整流的电压的电平达到或超过了一个或多个阈值(例如，与一个或多个开关20和22相关的击穿电压容许值之内的电压值)，则控制单元30B可确定在整流器34处过电压状态正在发生。
如果控制单元30B确定整流器34正承受或即将承受过电压状态，则控制器30B可改变开关20和22的控制，并通过跨联接16的命令控制开关20和22，以使得整流器34操作在“保护模式”下。当控制单元30B使整流器34操作在保护模式，控制单元30B可将整流器34的开关20A和20B(例如，整流器34高侧开关的每个)切断、关断或部分地或全部禁用，而将整流器34的开关22A和22B(例如，整流器34低侧开关的每个)接通、开启或部分地或全部启用。
由于在过电压情况期间，将整流器34配置为在保护模式下操作，控制单元30B可导致节点18A和18B与公共接地端之间的低欧姆连接。节点18A和18B与公共接地端之间的低欧姆连接可消除或至少限制开关20和22在过电压过程中可能承受的应力，并可防止整流器34的损害或破坏。
由于在控制开关20和22的操作状态中依赖于联接12处的经整流的输出电压，控制单元30B可防止整流器34经受可损害整流器34的过电压状态。以这种方式，整流器34具有过电压状态保护而没有使用昂贵的外部部件，如图2中功率变换器4A使用的电压钳位26A和26B。根据本公开的电路和技术，通过控制整流器34，功率变换器4B可以比一些依赖于如高电压电容器的外部保护部件的其它功率变换器更便宜和/或体积更小。
图4A至4D是示出了图3中所示的功率变换器的整流器34的可选示例的框图。例如，图4A、4B、4C和4D中的整流器34A、34B、34C和34D的每一个示出了整流器的可选示例，该整流器能够根据经整流的电压输出的电平控制以防止在过电压状态中的损害。
在节点18A和18B处，将整流器34A、34B、34C和34D的相应的输入的每个耦合至功率变换器4B的RX线圈32。将整流器34A、34B、34C和34D的相应输出的每一个均耦合至联接12。
整流器34示出了有源和/或无源开关元件的可选布置，可通过控制单元30B将其配置为在上述保护模式中操作。在整流器34A、34B、34C和34D的每个示例中，低侧开关22可通过体二极管在有源和无源模式下操作。高侧开关可能是有源的可控器件或可能不是有源的可控器件。例如，在具有低侧开关22的H桥配置中，整流器34A包括高侧二极管52A和52B。在半桥配置中，整流器34B包括高侧开关20A和低侧开关22A以在联接12处提供经整流的电压输出。整流器34C包括与低侧开关22A耦合的高侧二极管52A，以在联接12处提供经整流的电压输出。
在具有低侧开关22的H桥配置中，整流器34D包括高侧二极管52A和52B，并具有与低侧开关22并联布置的相应的开关54A和54B。以这种方式，整流器34D允许开关22保持起作用或不起作用，而不论在联接12处是否有过电压状态存在，且控制单元30B可通过联接16上的命令，控制开关54A和54B，以在过电压状态下将电流从整流器34D的输入分流。开关54A和54B可以是比开关22和整流器34D的任何高侧开关更小或具有更低稳健性的开关。如所示，可在整流器的任意其它布置中使用开关54A和54B，如图4A至4C中的整流器34A、34B、34C和图3中的整流器34。
图4A至4D示出了，在一些示例中，根据本文中所述电路和技术执行过电压保护，整流器34A、整流器34B、整流器34C和整流器34D的每个可包括至少一个低侧元件，该低侧元件是MOS晶体管类型开关(例如，开关22A)。在一些示例中，如图4B的整流器34B中所示，至少一个高侧元件是MOS晶体管类型开关(例如，开关20A)。在其它示例中，如在整流器34A和34C中所示，至少一个高侧元件是二极管(例如，二极管52A)。图4A示出了，在一些示例中，将整流器34A的至少一个低侧元件和整流器34A的至少一个高侧元件布置在H桥配置中。图4B至4C的每个示出了在一些示例中，将整流器34B和34C的至少一个低侧元件和整流器34B和34C的至少一个高侧元件布置在H桥配置中。图4D示出了额外的开关元件，可将其用于从整流器的输入中分流电流。图4A至4D进一步示出了不考虑开关元件的数量，整流器使用的用于在联接12处将输出进行整流的一个或多个开关元件的每一个包括各自的体二极管。
图5为示出根据本公开一个或多个方面的具有过电压保护的示例功率变换器的示例操作的流程图。下面以图3的内容为背景对图5进行描述。例如，控制单元30B可执行下述针对图5的操作。
在图5的示例中，控制单元可从接收AC输入的整流器检测DC输出的电压电平(100)。例如，当整流器34在联接12处输出经整流的DC电压时，功率变换器4B的控制单元30B可从电压感测单元38接收信息。
在图5的示例中，控制单元可确定电压电平是否指示整流器处的过电压状态(110)。例如，控制单元30B在联接12处可将DC输出的电压电平与由控制单元30B接收的阈值电压或参考电压进行比较，以确定在整流器34输出处的电压是否处于或正在接近可能损害整流器34的电平。例如，控制单元30B可在联接12处将电压电平和与开关20和22中的一个或多个开关相关联的击穿电压进行比较，以评估是否DC输出处于可能损害整流器34的电压电平。
在图5的示例中，如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态(120)，则控制单元可使用整流器对DC输出进行整流(130)。换言之，控制单元30B可在整流器34处对AC输入进行整流，或如果在整流器34输出处的电压电平不具有损害功率变换器4B的威胁，至少不调节开关20和22的状态。然而，如果DC输出的电压电平的确指示过电压状态(120)，则控制单元可使得整流器将电流从AC输入中使用整流器分流或转移(140)。例如，控制单元30B可通过联接16提供控制命令或信号，其导致高侧开关20的每个开关断开、关断、切断或被禁用，并进一步引起低侧开关22的每个开关闭合、开启、导通或被启用。当启用低侧开关22的每个开关和禁用高侧开关20的每个开关时，可将在整流器34的AC输入处的电流从AC输入处转移并至地面。在一些示例中，当引起电流从整流器34的输入处分流时，控制单元30B可在联接12处使整流器34停止对DC输出进行整流。
在一些示例中，在过电压状态下，控制单元30B可首先在整流器34处触发“平滑”的电流分流至地。为了实现平滑的电流分流，控制单元30B可完全开启或完全启用低侧开关22(例如，以在联接12处停止对电压进行整流)。在一些示例中，控制单元30B可仅是部分接通的或只接通低侧开关22中的一些，以允许整流器34继续在联接12处对输出进行整流，但降低了电压电平以防止损害。在一些示例中，可将额外的更小的开关与低侧开关22并联，且控制单元30B可闭合额外的开关而同时保持主整流器开关22起作用，以降低在联接12处的电压电平。
在一些示例中，当在过电压过程中启用整流器低侧开关时，控制单元可通过执行硬开关启用低侧开关元件。例如，控制单元30B可通过联接16发布一个或多个命令或信号，其引起开关22以这样一种方式被接通，使得每次从整流器34的AC输入中分流的电流量最大。换言之，通过执行硬开关，控制单元30B可将开关22接通以将低侧开关33的每个从AC输入分流电流的速率最大化。
在一些实施例中，当在过电压状态中启用整流器低侧开关时，控制单元可通过执行软开关而启用低侧开关元件。例如，控制单元30B可通过联接16发布一个或多个命令或信号，其引起开关22以这样一种方式被接通，以将整流器34和功率变换器4B的效率最大化。换言之，控制单元30B可以这样一种方式控制低侧开关22，以控制低侧开关22从整流器34的AC输入分流电流的速率。软开关的示例包括零电压开关技术和零电流开关技术。通过执行软开关，控制单元30B可控制低侧开关22的每个开关的导通电阻RDSON，以将过电压状态将引起对整流器的损害的风险最小化，而没有抑制功率变换器4B的性能或效率。
图6为示出了根据本公开的一个或多个方面的具有过电压保护的示例功率变换器的电气时序特性的时序图。例如，图6示出了功率变换器4B的时序特性。平面图200示出了由控制单元30B施加至开关22的在时间t0至t8之间的栅极电压。平面图200示出了在联接16处当耦合至开关22的栅极电压到达电平VON时，接通开关22，且随后在联接16处耦合至开关22的栅极电压降至电平VOFF，关断开关22。
平面图202示出了整流器34的DC输出在时间t0至t8之间的经整流的电压。平面图202示出了阈值电压VTH，由控制单元30B在时间t0至t8之间施加到开关22的控制单元栅极电压。平面图202示出了当在整流器34输出处的电压电平满足或超过阈值电压VTH时，控制单元30B可使得开关22闭合，其进一步使得在整流器34输出处的电压电平下降。
在一些示例中，如果开关20和22是12V设备(例如，操作限制不超过12V的设备)，则由RX线圈32接收的电压可能很容易超过20到30V。控制单元30B可包括比较器，其将整流器34输出处的电压与对应于操作限制12V的阈值电压进行比较。当在整流器34输出处的电压超过预设阈值电压时(例如，12V)，控制单元30B可使得整流器34工作在保护模式。换言之，控制单元30B可使得两个低侧开关22起作用、接通或启用，将AC电流从节点18A和18B分流至地面并控制电流离开功率变换器4B。另外，控制单元30B可使得高侧开关20切断、关断或禁用。控制单元30B可使得整流器34在整流器34输出处的整流电压降至迟滞窗口(例如，VSAFE)以下时，从保护模式中转出。平面图2示出了整流器34的经整流的输出。
图7是具有无源整流器的示例无线功率接收器的框图。图7的无源整流器可在接收线圈电路150处接收AC输入，该接收线圈电路150包括LS，CS和CD，并使用无源整流器152将AC输入转换为在降压型变换器154(例如，降压变换器)在VR处的经整流的DC电压输出。无源整流器152包括四个布置在H桥中的用于执行无源整流的二极管。
图8A和8B是具有用于过电压保护的同步整流和电压钳位的示例无线功率接收器的电路图。图8B示出了图8A部分的更详细视图。点画线部分300突出了两个电路图的相似特征。图8A和8B是图2中功率变换器4A的电路图等同体，且依赖于较昂贵的电压钳位以保护整流器免受过电压状态。
图9为示出了图8中示例无线功率接收器电气时序特性的时序图。当与图6中的时序图比较时，图9示出了依赖于如图3中所示昂贵的电压钳位的功率变换器的经整流的电压可具有与根据本文中描述的技术和电路运行的功率变换器相似的电压以及在整流器输出处的时序特性。换言之，根据文中所述的技术和电路操作的功率变换器，如功率变换器4B可被保护免受过电压损害而无需依赖昂贵的电压钳位等，并且没有降低性能。
条款1：电路包括：整流器，被配置为对来自AC输入的DC输出进行整流；感测单元，被配置为检测DC输出的电压电平；控制单元，被配置为基于所述DC输出的电压电平并通过至少将所述整流器控制为下述情况而控制整流器：如果DC输出的电压电平没有指示电路处的过电压状态，则将来自AC输入的DC输出进行整流；且如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态，则将来自AC输入的电流分流。
条款2：条款1中所述电路，其中整流器包括至少一个低侧元件和至少一个高侧元件，其中将控制单元配置为，如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态，则通过至少启用至少一个低侧元件来控制整流器将来自AC输入的电流进行分流。
条款3：条款2中所述电路，其中将控制单元配置为，如果DC输出的电压电平的确指示过电压状态，则通过至少禁用至少一个高侧元件来控制整流器，以进一步将来自AC输入的电流进行分流。
条款4：条款2至3中任意一项所述电路，其中将控制单元配置为，通过至少执行至少一个低侧元件的硬开关来启用至少一个低侧元件，以将至少一个低侧元件对来自AC输入的电流进行分流的速率最大化。
条款5：条款2至4中任意一项所述电路，其中将控制单元配置为，通过至少执行至少一个低侧元件的软开关以启用至少一个低侧元件，以控制至少一个低侧元件对来自AC输入的电流进行分流的速率。
条款6：条款2至5中任意一项所述电路，其中至少一个低侧元件是MOS晶体管型开关。
条款7：条款2至6中任意一项所述电路，其中至少一个高侧元件是MOS晶体管型开关或二极管。
条款8：条款2至7中任意一项所述电路，其中将至少一个低侧元件和至少一个高侧元件布置在半桥或H桥配置中。
条款9：条款2至8中任意一项所述电路，其中整流器包括多个低侧元件，该多个低侧元件包括至少一个低侧元件，其中，将控制单元配置为，通过启用至少一个低侧元件而不启用多个低侧元件中至少一个另外的低侧元件，来启用至少一个低侧元件。
条款10：条款2至9中任意一项所述电路，其中整流器包括多个低侧元件，该多个低侧元件包括至少一个低侧元件，其中，将控制单元配置为通过启用多个低侧元件中的每一个以启用至少一个低侧元件。
条款11：条款1至10中任意一项所述电路，其中，整流器包括至少一个低侧元件、至少一个高侧元件和与至少一个低侧元件并联布置的至少一个开关元件，其中，将控制单元配置为，如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态，则通过至少启用至少一个开关元件而不改变是否至少一个低侧元件是启用的还是禁用的，而控制整流器将来自AC输入的电流进行分流。
条款12：条款1至12中任意一项所述电路，其中，整流器包括一个或多个开关元件，其中整流器的一个或多个开关元件中的每一个包括相应的体二极管。
条款13：条款1至13中任意一项所述电路，其中，将控制单元进一步配置为：将DC输出的电压电平与阈值电压进行比较；且基于电压电平和阈值电压的比较结果，确定是否在DC输出的电压电平指示电路处的过电压状态。
条款14：一种方法，所述方法包括：从接收AC输入的整流器中检测DC输出的电压电平；通过控制单元确定是否电压电平在整流器处指示过电压状态；如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态，则使用整流器对DC输出进行整流；以及如果DC输出的电压电平的确指示过电压状态，则使用整流器对来自AC输入的电流进行分流。
条款15：条款14中所述方法，其中，所述整流器包括至少一个低侧元件和至少一个高侧元件，其中对来自AC输入的电流进行分流包括启用至少一个低侧元件。
条款16：条款15中所述方法，其中，对来自AC输入的电流进一步进行分流包括禁用至少一个高侧元件。
条款17：条款14至16中任意一项所述方法，其中，启用至少一个低侧元件包括，通过控制单元对整流器的至少一个低侧元件执行硬开关，以将至少一个低侧元件对来自AC输入的电流进行分流的速率最大化。
条款18：条款14至17中任意一项所述方法，其中，启用至少一个低侧元件包括，通过控制单元对整流器的至少一个低侧元件执行软开关，以控制至少一个低侧元件对来自AC输入的电流进行分流的速率。
条款19：条款14中所述方法，进一步包括：通过控制单元将DC输出的电压电平与阈值电压进行比较；且基于电压电平和阈值电压的比较，通过控制单元确定DC输出的电压电平是否指示过电压状态。
条款20：电路包括：用于从接收AC输入的整流器检测DC输出的电压电平的装置；用于确定电压电平是否指示整流器处的过电压状态的装置；如果DC输出的电压电平没有指示过电压状态，用于对DC输出进行整流的装置；以及如果DC输出的电压电平的确指示过电压状态，用于将来自AC输入的电流进行分流的装置。
可通过多种器件和设备实现本公开的技术，包括集成电路(IC)或IC的集合(例如，芯片组)。本公开中描述了不同部件、模块或单元，以强调被配置为实现本公开技术的器件的功能性方面，但并不需要由不同硬件单元的实现。如上所述，可将不同单元在硬件单元中组合或由交互作用的硬件单元群提供不同单元，包括如上所述与适当软件结合的一个或多个处理器，和/或固件。
本文中已描述了不同示例。这些示例以及其它示例落入下述权利要求的保护范围中。

Claims (20)

1.一种电路，所述电路包括：
整流器，被配置为对来自AC输入的DC输出进行整流；
感测单元，被配置为检测所述DC输出的电压电平；
控制单元，被配置为基于所述DC输出的所述电压电平，通过至少将所述整流器控制用以执行以下项来控制所述整流器：
如果所述DC输出的所述电压电平没有指示所述电路处的过电压状态，则对来自所述AC输入的所述DC输出进行整流；以及
如果所述DC输出的所述电压电平的确指示所述过电压状态，则对来自所述AC输入的电流进行分流。
2.根据权利要求1所述电路，其中，所述整流器包括至少一个低侧元件和至少一个高侧元件，其中，所述控制单元被配置为：如果所述DC输出的所述电压电平的确指示所述过电压状态，则通过至少启用所述至少一个低侧元件来控制所述整流器，以对来自所述AC输入的电流进行分流。
3.根据权利要求2所述电路，其中，所述控制单元被配置为：如果所述DC输出的所述电压电平的确指示所述过电压状态，则通过至少禁用所述至少一个高侧元件来控制所述整流器，以对来自所述AC输入的电流进行进一步分流。
4.根据权利要求2所述电路，其中，所述控制单元被配置为：通过至少执行所述至少一个低侧元件的硬开关来启用所述至少一个低侧元件，以将所述至少一个低侧元件对来自所述AC输入的所述电流进行分流的速率最大化。
5.根据权利要求2所述电路，其中，所述控制单元被配置为通过至少执行所述至少一个低侧元件的软开关来启用所述至少一个低侧元件，以控制所述至少一个低侧元件对来自所述AC输入的所述电流进行分流的速率。
6.根据权利要求2所述电路，其中，所述至少一个低侧元件是MOS晶体管类型开关。
7.根据权利要求2所述电路，其中，所述至少一个高侧元件是MOS晶体管类型开关或二极管。
8.根据权利要求2所述电路，其中，所述至少一个低侧元件和所述至少一个高侧元件被布置在半桥或H桥配置中。
9.根据权利要求2所述电路，其中，所述整流器包括多个低侧元件，所述多个低侧元件包括所述至少一个低侧元件，其中，所述控制单元被配置为通过启用所述至少一个低侧元件而不启用所述多个低侧元件的至少一个另外的低侧元件，以启用所述至少一个低侧元件。
10.根据权利要求2所述电路，其中，所述整流器包括多个低侧元件，所述多个低侧元件包括至少一个低侧元件，其中所述控制单元被配置为通过启用所述多个低侧元件的每一个以启用所述至少一个低侧元件。
11.根据权利要求1所述电路，其中，所述整流器包括至少一个低侧元件、至少一个高侧元件以及与所述至少一个低侧元件并联布置的至少一个开关元件，其中，所述控制单元被配置为：如果所述DC输出的所述电压电平的确指示所述过电压状态，则通过至少启用所述至少一个开关元件而不改变所述至少一个低侧元件是否是启用或禁用的，来控制所述整流器以从对来自所述AC输入的所述电流进行分流。
12.根据权利要求1所述电路，其中，所述整流器包括一个或多个开关元件，其中所述整流器的所述一个或多个开关元件的每一个包括相应的体二极管。
13.根据权利要求1所述电路，其中，所述控制单元被进一步配置为：
将所述DC输出的所述电压电平与阈值电压进行比较；以及
基于所述电压电平与所述阈值电压之间的比较，确定所述DC输出的所述电压电平是否指示所述电路处的所述过电压状态。
14.一种方法，所述方法包括：
从接收AC输入的整流器检测DC输出的电压电平；
通过控制单元，确定所述电压电平是否指示所述整流器处的过电压状态；
如果所述DC输出的所述电压电平没有指示所述过电压状态，则使用所述整流器对所述DC输出进行整流；以及
如果所述DC输出的所述电压电平的确指示所述过电压状态，则使用所述整流器从所述AC输入将电流分流。
15.根据权利要求14所述方法，其中，所述整流器包括至少一个低侧元件和至少一个高侧元件，其中，对来自所述AC输入的电流进行分流包括启用所述至少一个低侧元件。
16.根据权利要求15所述方法，其中，对来自所述AC输入的电流进行分流进一步包括禁用所述至少一个高侧元件。
17.根据权利要求15所述方法，其中，启用所述至少一个低侧元件包括通过所述控制单元对所述整流器的所述至少一个低侧元件执行硬开关，以将所述至少一个低侧元件对来自所述AC输入的所述电流进行分流的速率最大化。
18.根据权利要求15所述方法，其中，启用所述至少一个低侧元件包括通过所述控制单元对所述整流器的所述至少一个低侧元件执行软开关，以控制所述至少一个低侧元件对来自所述AC输入的所述电流进行分流的速率。
19.根据权利要求14所述方法，进一步包括：
通过所述控制单元，对所述DC输出的所述电压电平与阈值电压进行比较；以及
通过所述控制单元，基于所述电压电平与所述阈值电压的比较，确定所述DC输出的所述电压电平是否指示所述过电压状态。
20.一种电路，所述电路包括：
用于从接收AC输入的整流器检测DC输出的电压电平的装置；
用于确定所述电压电平是否指示所述整流器处的过电压状态的装置；
用于如果所述DC输出的所述电压电平没有指示所述过电压状态将所述DC输出进行整流的装置；以及
用于如果所述DC输出的所述电压电平的确指示所述过电压状态从所述AC输入分流电流的装置。
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