CN109428492A - 开关变换器 - Google Patents

开关变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN109428492A
CN109428492A CN201810063977.6A CN201810063977A CN109428492A CN 109428492 A CN109428492 A CN 109428492A CN 201810063977 A CN201810063977 A CN 201810063977A CN 109428492 A CN109428492 A CN 109428492A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
power switch
coupled
power
terminal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810063977.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109428492B (zh
Inventor
霍斯特·克内德根
克里斯托夫·N·纳格尔
雷伯加·杰拉卡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dialog Semiconductor UK Ltd
Original Assignee
Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dialog Semiconductor UK Ltd filed Critical Dialog Semiconductor UK Ltd
Publication of CN109428492A publication Critical patent/CN109428492A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109428492B publication Critical patent/CN109428492B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H02M1/096—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices the power supply of the control circuit being connected in parallel to the main switching element
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/36—Means for starting or stopping converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0016—Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0032—Control circuits allowing low power mode operation, e.g. in standby mode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33571—Half-bridge at primary side of an isolation transformer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

提出了一种变换器和一种在低功率模式中操作开关变换器的方法。本发明涉及III/V半导体开关变换器。开关变换器包含经由开关节点耦合至第二功率开关的第一功率开关。存在耦合至开关节点的电感器以及包含并联耦合至第一功率开关的第三功率开关的箝位电路。该开关变换器被适配成在识别到该开关变换器提供低水平功率时断开第一功率开关并且启用对第三功率开关的控制。

Description

开关变换器
技术领域
本公开涉及低功率开关变换器以及在低功率模式中操作开关变换器的方法。特别地，本公开涉及III/V半导体开关变换器。
背景
基于诸如氮化镓(GaN)的III/V半导体的晶体管与其基于硅的对应物相比展现出相对低的导通电阻并且能够实现更高的开关速度。因此，GaN晶体管非常适合用于快速功率开关变换器的设计。然而，当前的基于GaN的开关变换器不适合用于低功率应用。
本公开的目的是解决上文提及的限制中的一个或更多个。
概述
根据本公开的第一方面，提供了一种开关变换器，包括：第一功率开关，其经由开关节点耦合至第二功率开关；电感器，其耦合至开关节点；以及箝位电路，其包括并联耦合至第一功率开关的第三功率开关；该开关变换器被适配成在识别到所述开关变换器提供低水平功率时，断开第一功率开关并且启用对第三功率开关的控制。
例如，第一功率开关可以是高压侧功率开关(high-side power switch)并且第二功率开关可以是低压侧功率开关(low-side power switch)。低水平功率可以是小于参考功率值的水平的功率。参考功率值可以被设定为可以是开关变换器的正常功率的百分比的最小功率值。可替代地，最小值可以由操作运行第一功率开关的驱动器所需的最小功率量来定义。
可选择地，该开关变换器可以包括耦合至箝位电路的控制器，该控制器被适配成：感测开关变换器的电参数；并且将该电参数与阈值进行比较以识别开关变换器的功率水平。
例如，电参数可以是与由变换器所提供的功率水平(level power)相关联的参数。这样的参数可以包括开关变换器的输出功率、输出电压、负载电流和占空比中的一个或更多个。
可选择地，该第三功率开关可以耦合至电容器，该箝位电路被适配成：在第二功率开关接通时断开第三功率开关，以对电感器充电；并且在第二功率开关断开时接通第三功率开关，以对电容器充电。
可选择地，该第三功率开关包括功率晶体管，该功率晶体管具有经由接地隔离开关耦合至大地的第一端子、耦合至开关节点的第二端子以及耦合至电容器的第三端子。
可选择地，箝位电路包括并联耦合在第三功率开关的第一端子与第二端子之间的控制开关。
可选择地，箝位电路包括与控制开关并联耦合的齐纳二极管(Zener diode)。该齐纳二极管可以是基于III/V半导体的齐纳二极管。例如，齐纳二极管可以通过串联耦合的三个GaN二极管来实现。
可选择地，箝位电路包括并联耦合在第三功率开关的第一端子与第三端子之间的电阻器。该电阻器可以是基于III/V半导体的电阻器，诸如GaN电阻器。
可选择地，第三功率开关可以是增强模式功率开关(enhancement mode powerswitch)。
可选择地，该箝位电路包括并联耦合至控制开关的滤波器。
可选择地，第一功率开关、第二功率开关和第三功率开关中的至少一个是基于III/V半导体的晶体管。例如，III/V半导体可以是GaN半导体。
根据本公开的第二方面，提供了一种操作开关变换器的方法，该开关变换器包括经由开关节点耦合至第二功率开关的第一功率开关、电容器以及耦合至开关节点的电感器，该方法包括提供并联耦合至第一功率开关的第三功率开关；并且在识别到开关变换器提供低水平功率时，断开第一功率开关并且启用对第三功率开关的控制。
可选择地，该方法包括：感测开关变换器的电参数；并且将该电参数与阈值进行比较。
可选择地，该方法包括：当该第二功率开关接通时断开第三功率开关以对电感器充电；并且当第二功率开关断开时接通第三功率开关以对电容器充电。
可选择地，断开第三开关包括降低第三开关的栅极电压。
根据本公开的第三方面，提供了一种使用半桥的箝位电路，该箝位电路包括功率开关，该功率开关具有用于耦合至大地的第一端子、用于耦合至开关节点的第二端子以及用于耦合至电容器的第三端子。
可选择地，该箝位电路包括并联耦合在功率开关的第一端子与第二端子之间的控制开关。
可选择地，该箝位电路包括与控制开关并联耦合的齐纳二极管。
可选择地，该箝位电路包括并联耦合在功率开关的第一端子与第三端子之间的电阻器。
可选择地，该功率开关可以是增强模式功率开关。
可选择地，该箝位电路包括并联耦合至该控制开关的滤波器。
可选择地，该功率开关、该电阻器和该齐纳二极管中的至少一个是基于III/V半导体的组件。例如，III/V半导体可以是GaN半导体。
附图说明
在下面借助于示例并参考附图来更详细地描述本公开，在附图中：
图1是根据现有技术的开关变换器的图；
图2是用于在低功率模式中操作开关变换器的方法的流程图；
图3是设置有低功率箝位电路的返驰式开关变换器(fly-back switchingconverter)的图；
图4是示出图3的开关变换器的工作的时序图；
图5是设置有低功率箝位电路的升压开关变换器的图。
描述
图1示出了用于向负载140提供输出电压的传统的返驰式功率变换器100。电路100包括所谓的半桥，该半桥由经由开关节点LX耦合至低压侧功率开关110的高压侧功率开关105形成。高压侧功率开关105具有经由电容器Csnub 115耦合至输入电压Vbus的第一端子、耦合至开关节点的第二端子以及耦合至高压侧驱动器120的第三端子。高压侧驱动器120包括用于对高压侧驱动器供电的自举电容器(boot capacitor)Cboot 122。自举电容器122在一端经由二极管耦合至电压Vdd，并且在另一端经由低压侧功率开关110耦合至大地。提供控制电路以控制高压侧开关105的栅极电压。
低压侧功率开关110具有耦合至开关节点LX的第一端子、耦合至大地的第二端子以及耦合至用于操作低压侧功率开关的低压侧驱动器(未示出)的第三端子。变压器具有耦合至次级绕组134的初级绕组132。初级绕组132在一端耦合至开关节点LX并且在另一端耦合至电容器Csnub 115。次级绕组134并联耦合至输出电容器136。二极管138被设置在次级绕组134与输出电容器136之间。
在操作中，交替地接通和断开还被称为主开关的低压侧开关110。当低压侧功率开关110闭合时，初级绕组连接到输入电压Vbus。初级绕组132中的电流增加并且次级绕组134中感生的电压为负。因此，二极管138反向偏置并且通过输出电容器136向负载140提供能量。当低压侧功率开关110断开时，初级绕组132断开与大地的连接并且不能充电。初级绕组132中的电流减小并且在次级绕组134中感生的电压为正。二极管138正向偏置，允许变压器向负载140和输出电容器136两者提供能量，从而对它再充电。
与初级绕组132并联的电容器Csnub 115提供了还被称为无源缓冲电路(passivesnubber circuit)的电路，用于抑制电压过冲。这些过冲能够在操作高压侧和低压侧功率开关时由变压器的漏感引起。然而，这种无源缓冲电路消耗能量，并且因此降低了变换器的效率。为了减少该缓冲电路中的功率损耗，高压侧功率开关105被用作有源箝位件(activeclamp)。通过自举电容器Cboot 122对高压侧驱动器120供电。自举电容器122仅能够在低压侧功率开关110接通(闭合)时进行充电。然而，在低功率模式中，低压侧功率开关110的导通时间仅持续相对短的时间。因此，自举电容器122不能充分充电以提供足够的功率来可靠地操作高压侧驱动器120。
如果使用GaN技术来设计开关变换器100，它将需要甚至更多的能量。因为GaN技术不提供诸如p沟道晶体管的p沟道器件，故功率变换器将需要使用n沟道器件进行设计。这样的n沟道晶体管在增强模式HEMT中运行，并且因此需要大量的功率。
图2是操作开关变换器的方法的流程图，该开关变换器包括经由开关节点耦合至第二功率开关的第一功率开关、电容器以及耦合至开关节点的电感器。
在步骤210，提供还被称为箝位开关的第三功率开关。第三功率开关并联耦合至第一功率开关。
在步骤220，在识别到开关变换器提供低水平功率时，断开第一功率开关并且启动对第三功率开关的控制。可以通过感测开关变换器的电参数来实现识别开关变换器运行于低功率模式中。例如，电参数可以是与由变换器提供的功率水平相关联的参数。这样的参数可以包括开关变换器的输出功率、输出电压、负载电流和占空比中的一个或更多个。然后，可以将电参数与阈值进行比较。例如，阈值可以对应于由开关调节器提供的最小功率量。这样的最小功率量可以由开关调节器在正常操作模式中提供的功率的百分比来定义，例如，小于1％或小于5％。例如，如果开关变换器在正常模式中提供大约100瓦，那么当开关调节器提供小于5瓦时，可以识别到低功率模式。这样的阈值可以取决于所使用的变换器的类型和应用。该阈值还可以对应于开关变换器的最小负载电流或最大输出电压。例如，当输出电压增加超过最大输出电压值时，可以识别到低功率操作模式。
可替代地，可以由可靠地操作高压侧驱动器所需的最小功率量来定义阈值。如上文所说明的，这取决于低压侧功率开关的导通时间。
在步骤230，当第二功率开关接通时断开第三功率开关，以对电感器充电。
在步骤240，当第二功率开关断开时接通第三功率开关，以对电容器充电。
图3是用于在低功率模式中使用的功率变换器300的图。在这个示例中，功率变换器300是设置有有源箝位电路350的返驰式变换器，该有源箝位电路还被称为低功率有源箝位电路，在施加于开关变换器的负载非常小或没有负载时可以使用该有源箝位电路。
电路300包括经由开关节点LX耦合至低压侧功率开关310的高压侧功率开关305。高压侧功率开关305具有经由电容器C1 315耦合至输入电压Vbus的第一端子、耦合至开关节点的第二端子以及耦合至高压侧驱动器320的第三端子。在这个示例中，高压侧驱动器320与关于图1所描述的高压侧驱动器相同。高压侧驱动器320包括用于对高压侧驱动器供电的自举电容器Cboot 322。低压侧功率开关310具有耦合至开关节点LX的第一端子、耦合至大地的第二端子以及耦合至用于操作低压侧功率开关的低压侧驱动器的第三端子。
变压器具有耦合至次级绕组334的初级绕组332。初级绕组332在一端耦合至开关节点LX并且在另一端耦合至电容器C1 315。示出了分立的漏感(discrete leakageinductor)Lleak以表示初级线圈332的能量泄漏，其作为任何实际变压器的一部分经历耦合损耗。次级绕组334并联耦合至输出电容器336。二极管338被设置在次级绕组334与输出电容器336之间。
箝位电路350包括并联耦合至高压侧功率开关305的功率开关352，该功率开关还被称为低功率开关LPSW。例如，该低功率开关352可以是诸如GaN晶体管的增强模式晶体管。低功率开关352具有：第一端子，例如，耦合至电容器C1的漏极端子；第二端子，例如，耦合至开关节点LX的源极端子；以及第三端子，例如，经由被称为隔离开关360的另一个开关耦合至大地的栅极端子，该隔离开关用于控制低功率开关栅极与大地的隔离。可选的电流吸收器(current sink)362可以设置在隔离开关360与大地之间。电流吸收器362可以用于限制电流并且因此避免使箝位电路350过载(overstressing)。
电阻R1 354被并联设置在低功率开关352的第一端子与第三端子之间。电阻器R1354可以用GaN技术实现。在这种情况下，阻抗可以呈现二维电子气体(2DEG)特性。
齐纳二极管D1 356被并联设置在低功率开关352的第二端子与第三端子之间，从而箝位LPSW的栅极电压。例如，齐纳二极管356可以通过GaN技术由三个串联的GaN二极管实现。
在低功率开关的第二端子与第三端子之间并联地设置还被称为切断开关(disconnection switch)Q1 358的附加开关。设置切断开关358以防止低功率开关352在所谓的正常运行模式中的自激活。
可选择地，还被称为栅极保护滤波器359的滤波器可与齐纳二极管并联设置。例如，滤波器可以是RC滤波器。在这个示例中，由与齐纳二极管356并联设置的电容器C2和具有耦合至D1 356的第一端子和耦合至C2的第二端子的电阻器R2提供滤波器359。
控制器370被设置用于产生用于驱动高压侧功率开关305、低压侧功率开关310、切断开关358和隔离开关360的一组逻辑信号。该控制器具有用于接收多个感测信号的多个输入端。例如，控制器可以具有用于接收通过初级电感器的电流的电流感测信号的第一输入端、用于接收诸如LX处的电压的开关节点处的信号的第二输入端以及用于接收诸如变换器的输出电压Vout的输出信号的第三输入端。通过初级绕组332的电流可以经由低压侧开关310感测。可选择地，控制器370还可以接收输入电压Vbus的感测信号。控制器370可以是允许控制低压侧功率开关310在待机期间没有显著的功率损耗的CMOS控制器。
开关变换器300可以使用基于GaN的器件，诸如GaN二极管、GaN电阻和GaN晶体管。开关变换器300还可以使用Si和GaN技术这两者来实现。这可以使用用于GaN和Si组件的不同芯片，并且然后将这些芯片组合在封装件内(还被称为系统封装或SIP)来实现。
图4是示出在图3的功率变换器中使用的不同开关的状态(断开或闭合)的时序图。时序图包括低压侧功率开关、高压侧功率开关、切断开关、隔离开关和低功率开关的分别标记为410、420、430、440和450的状态。
在时刻t0，开关变换器操作在所谓的正常模式中。可以通过控制器370基于多个感测值识别这种操作模式。切断开关358导通(闭合)430，从而断开低功率开关352的连接，该低功率开关保持关断(断开)450。当低压侧功率开关310导通时，高压侧功率开关是断开的。高压侧功率开关在低压侧功率开关断开后的短时间内接通。这个短暂的延迟被称为死区时间(dead time)。
在时刻t1，开关变换器开始在所谓的低功率模式中运行。开关变换器的低功率水平可以由控制器370识别。高压侧开关305被断开420。切断开关Q1断开(Vgs＝0)430，因此启用对低功率开关352的栅极控制。
在时刻t2，隔离开关360接通440。由于齐纳二极管D1 356正向偏置，故电流经由隔离开关从LX流至大地，因此禁用低功率开关352。这样避免了在低压侧功率开关310的导通时间期间经由电阻R1接通LPSW。
不久之后，在时刻t3，低压侧功率开关310接通410并且初级绕组332充电。低压侧功率开关310的导通时间限定存储在初级绕组332中的能量的量。图3示出了流动通过电感器332的初级电感器电流I1。
在时刻t4，低压侧功率开关310和隔离开关360两者都断开。初级电感器电流I1被中断，初级电感器332停止充电，并且节点LX处的电压增加。电感器电流I2在反向导通模式中从电感器332开始流向电容器C1，从而对电容器C1充电。这增加了LPSW 352的漏极电压以及栅极电压。
在时刻t5，低功率开关352的栅极至源极的电压Vgs足以(Vgs>Vth)使低功率开关接通450。当LPSW 352接通时，存储在C1中的能量使电流I2经由LPSW(正向模式)从C1流出以对初级电感器LP充电。只要电容器C1中有足够的能量来维持Vgs>Vth，则LPSW 352将保持接通。根据R1的值，LPSW 352的栅极电压将经由LPSW 352的低电阻漏极-源极路径(lowresistive drain-source path)放电直到LPSW断开。通过选择相对大的电阻R1，可以快速达到LPSW 352的期望的栅极电压。例如，R1可以具有范围从大约100KΩ到几MΩ的值。另外，这允许降低R1中的功耗。如果R1用GaN技术实现，那么由于GaN电阻器的2DEG特性，R1将具有针对高衬底电压的高欧姆值。因此，电阻器R1在LX节点处的电压高时将具有高欧姆值。
因此，所提出的有源箝位电路为开关变换器的电感器中存在的泄漏能量提供了简单的双向并且可控的路径。泄漏能量可以再循环使用并且提高开关变换器的效率。低功率箝位电路350不依赖于高压侧驱动器320。低功率开关352不由自举电容器322充电，而是由电容器C1 315充电。结果，即使在低功率开关的导通时间很短时仍可以运行低功率箝位电路352。结果，即使负载相对低时，开关变换器仍能够可靠地操作。箝位电路350的功耗主要取决于隔离开关360的导通时间。由于在低功率模式中占空比低，故箝位电路中的功率损耗可以忽略不计。
图5示出了另一个功率变换器500的图。在这个示例中，功率变换器500是设置有有源箝位电路的升压变换器。图5的电路与上文的图3的电路共享共同的特征，并且由相同的附图标记表示相同的元件。具体地，功率变换器500包括与上文所描述的箝位电路350相同的箝位电路。
升压变换器500包括电感器532和输出电容器Cout 536。电感器532具有耦合至输入电压Vbus的第一端子和耦合至开关节点LX的另一个端子。箝位电路350的低功率开关352具有：第一端子，例如，耦合至输出电容器Cout 536的漏极端子；第二端子，例如，耦合至开关节点LX的源极端子；以及第三端子，例如，经由被称为隔离开关360的另一个开关耦合至大地的栅极端子，该隔离开关用于控制低功率开关栅极与大地的隔离。
在操作中，当控制器370识别到低功率时，高压侧开关305被断开。切断开关Q1断开，因此使得启用对低功率开关352的栅极控制。
在低压侧开关310接通之前的短时间内，隔离开关360接通并且禁用低功率开关352。当低压侧功率开关310接通时，电感器532开始充电。低压侧功率开关310的导通时间定义存储在电感器532中的能量的量。图5示出了流动通过电感器532的电感器电流I1'。
当低压侧功率开关310和隔离开关360两者断开时，电感器532停止充电，并且节点LX处的电压升高。当低功率开关352的栅极至源极电压Vgs充足(Vgs>Vth)时，低功率开关352接通。电感器电流I2'在反向导通模式中开始从电感器532流向电容器Cout 536，从而对电容器Cout充电。随着电感器放电到电容器Cout中，节点LX处的电压开始下降，并且最终LPSW 352断开。
技术人员将理解的是，在不背离本公开的前提下，可以对所公开的布置进行变型。上文所描述的有源箝位电路不限于返驰式或升压拓扑结构，并且能够应用于使用半桥配置的任何其他类型的开关变换器。例如，有源箝位电路可以结合降压变换器(buckconverter)或降-升压变换器(buck-boost converter)使用。因此，仅借助于示例对特定实施例进行了上文的描述而非为了限制的目的。本领域技术人员将清楚的是，可以在不对所描述的操作进行显著改变的情况下进行较小的修改。

Claims (21)

1.一种开关变换器，包括：
第一功率开关，其经由开关节点耦合至第二功率开关；
电感器，其耦合至所述开关节点；以及
箝位电路，其包括并联耦合至所述第一功率开关的第三功率开关；
所述开关变换器被适配成在识别到所述开关变换器提供低水平功率时，断开所述第一功率开关并且启用对所述第三功率开关的控制。
2.根据权利要求1所述的开关变换器，包括耦合至所述箝位电路的控制器，所述控制器被适配成：感测所述开关变换器的电参数；并且将所述电参数与阈值进行比较以识别所述开关变换器的功率水平。
3.根据权利要求1或2所述的开关变换器，其中，所述第三功率开关耦合至电容器，所述箝位电路被适配成：
当所述第二功率开关接通时断开所述第三功率开关，以对所述电感器充电；并且
当所述第二功率开关断开时接通所述第三功率开关，以对所述电容器充电。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器，其中，所述第三功率开关包括功率晶体管，所述功率晶体管具有经由接地隔离开关耦合至大地的第一端子、耦合至所述开关节点的第二端子以及耦合至所述电容器的第三端子。
5.根据权利要求4所述的开关变换器，包括并联耦合在所述第三功率开关的所述第一端子与所述第二端子之间的控制开关。
6.根据权利要求5所述的开关变换器，包括与所述控制开关并联耦合的齐纳二极管。
7.根据权利要求4所述的开关变换器，包括并联耦合在所述第三功率开关的所述第一端子与所述第三端子之间的电阻器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器，其中，所述第三功率开关是增强模式功率开关。
9.根据权利要求5所述的开关变换器，包括并联耦合至所述控制开关的滤波器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器，其中，所述第一功率开关、所述第二功率开关和所述第三功率开关中的至少一个是基于III/V半导体的晶体管。
11.一种操作开关变换器的方法，所述开关变换器包括经由开关节点耦合至第二功率开关的第一功率开关、电容器以及耦合至所述开关节点的电感器，所述方法包括：
提供并联耦合至所述第一功率开关的第三功率开关；并且
在识别到所述开关变换器提供低水平功率时，断开所述第一功率开关并且启用对所述第三功率开关的控制。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
感测所述开关变换器的电参数；并且
将所述电参数与阈值进行比较。
13.根据权利要求11或12所述的方法，包括：
当所述第二功率开关接通时断开所述第三功率开关，以对所述电感器充电；并且
当所述第二功率开关断开时接通所述第三功率开关，以对所述电容器充电。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，断开所述第三开关包括降低所述第三开关的栅极电压。
15.一种使用半桥的箝位电路，所述箝位电路包括功率开关，所述功率开关具有用于耦合至大地的第一端子、用于耦合至开关节点的第二端子以及用于耦合至电容器的第三端子。
16.根据权利要求15所述的箝位电路，包括并联耦合在所述功率开关的所述第一端子与所述第二端子之间的控制开关。
17.根据权利要求16所述的箝位电路，包括与所述控制开关并联耦合的齐纳二极管。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的箝位电路，包括并联耦合在所述功率开关的所述第一端子与所述第三端子之间的电阻器。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的箝位电路，其中，所述功率开关是增强模式功率开关。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的箝位电路，包括并联耦合至所述控制开关的滤波器。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的箝位电路，包括并联耦合在所述功率开关的所述第一端子与所述第三端子之间的电阻器，其中，所述功率开关、所述电阻器和所述齐纳二极管中的至少一个是基于III/V半导体的组件。
CN201810063977.6A 2017-08-31 2018-01-23 开关变换器、操作开关变换器的方法以及箝位电路 Active CN109428492B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/692,333 US10103633B1 (en) 2017-08-31 2017-08-31 Switching converter with power level selection
US15/692,333 2017-08-31

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109428492A true CN109428492A (zh) 2019-03-05
CN109428492B CN109428492B (zh) 2020-09-29

Family

ID=63761670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810063977.6A Active CN109428492B (zh) 2017-08-31 2018-01-23 开关变换器、操作开关变换器的方法以及箝位电路

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10103633B1 (zh)
CN (1) CN109428492B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190036459A1 (en) * 2017-04-28 2019-01-31 Astec International Limited Flyback power converters including adaptive clamp circuits for adjusting resonant frequencies

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1381942A (zh) * 2001-02-09 2002-11-27 精电科技公司 包括用于对同步整流器进行控制的电路的电源变换器
US20060022653A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 Reed Byron M System and method to mitigate transient energy
CN1759525A (zh) * 2004-02-03 2006-04-12 株式会社村田制作所 开关电源设备
CN101330255A (zh) * 2007-06-20 2008-12-24 三星电子株式会社 具有有源箝位电路的开关式电源装置
CN101461122A (zh) * 2006-05-29 2009-06-17 皇家飞利浦电子股份有限公司 产生用于反激变换器的同步整流开关的驱动信号
US20110115456A1 (en) * 2009-11-17 2011-05-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Dc-dc converter and semiconductor integrated circuit

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE511219C2 (sv) * 1998-01-27 1999-08-23 Asea Brown Boveri Omriktare där klampningsdioderna ersatts av en aktiv klampningskrets
US6069803A (en) * 1999-02-12 2000-05-30 Astec International Limited Offset resonance zero volt switching flyback converter
JP3578113B2 (ja) * 2001-05-29 2004-10-20 株式会社村田製作所 スイッチング電源装置
JP3627708B2 (ja) * 2002-01-25 2005-03-09 株式会社村田製作所 スイッチング電源装置
US6995483B2 (en) * 2002-10-15 2006-02-07 Texas Instruments Incorporated Synchronous buck and boost regulator power reduction circuit using high side sensing
EP1447670A1 (en) * 2003-02-12 2004-08-18 Dialog Semiconductor GmbH Sensor read out
JP2005086931A (ja) * 2003-09-10 2005-03-31 Renesas Technology Corp スイッチング電源装置とそれに用いられる半導体集積回路
JP4908760B2 (ja) * 2005-01-12 2012-04-04 昌和 牛嶋 電流共振型インバータ回路
US20080068868A1 (en) * 2005-11-29 2008-03-20 Advanced Analogic Technologies, Inc. Power MESFET Rectifier
JP4952936B2 (ja) * 2007-10-23 2012-06-13 サンケン電気株式会社 スイッチング方式ｄｃｄｃコンバータ
JP5169170B2 (ja) * 2007-11-26 2013-03-27 株式会社リコー 降圧型スイッチングレギュレータ
US9118259B2 (en) * 2007-12-03 2015-08-25 Texas Instruments Incorporated Phase-shifted dual-bridge DC/DC converter with wide-range ZVS and zero circulating current
JP5125607B2 (ja) * 2008-02-28 2013-01-23 富士電機株式会社 電力変換装置
JP5451123B2 (ja) * 2009-03-17 2014-03-26 スパンション エルエルシー 電源装置，電源制御装置及び電源装置の制御方法
US8582331B2 (en) * 2009-07-20 2013-11-12 Vincotech Holdings S.à.r.l. Inverter topologies usable with reactive power
US8488350B2 (en) * 2009-09-25 2013-07-16 Astec International Limited DC-AC inverters
JP2011152011A (ja) * 2010-01-25 2011-08-04 Renesas Electronics Corp 半導体装置及びそれを用いた電源装置
US8829865B2 (en) * 2010-07-13 2014-09-09 General Electric Company Power factor correction efficiency improvement circuit, a converter employing the circuit and a method of manufacturing a converter
JP5656072B2 (ja) * 2011-01-25 2015-01-21 サンケン電気株式会社 Ｄｃ−ｄｃコンバータ
US8693223B2 (en) * 2011-02-23 2014-04-08 Fsp Technology Inc. Power converter with zero voltage switching and related control method thereof
EP2525491B1 (en) * 2011-05-16 2021-03-10 Vincotech GmbH Switching loss reduction in converter modules
JP5447603B2 (ja) * 2011-08-27 2014-03-19 株式会社デンソー 電力変換装置
US9812942B2 (en) * 2012-01-10 2017-11-07 Renesas Electronics America Inc. Distributed driving system
US8981673B2 (en) * 2012-03-12 2015-03-17 Cree, Inc. Power supply that maintains auxiliary bias within target range
CN102624232B (zh) * 2012-04-20 2014-06-25 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种用于dc-dc升压变换器的预充电电路及预充电方法
DE102013213986B4 (de) * 2013-07-17 2016-02-04 Siemens Aktiengesellschaft Dreipunkt-Stromrichter
US9337748B2 (en) * 2013-08-02 2016-05-10 Infineon Technologies Austria Ag System and method for a DC-to-DC power converter with inverter stage coupled to the DC input
JP5744144B2 (ja) * 2013-09-26 2015-07-01 三菱電機株式会社 誘導性負荷の給電制御装置
US9035687B2 (en) * 2013-10-09 2015-05-19 Infineon Technologies Ag Gate clamping
JP6369808B2 (ja) * 2013-11-15 2018-08-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 駆動装置、電力変換装置
JP6390959B2 (ja) * 2013-11-15 2018-09-19 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 駆動装置、電力変換装置
US10128749B2 (en) * 2014-05-12 2018-11-13 Texas Instruments Incorporated Method and circuitry for sensing and controlling a current
EP3023855A1 (en) * 2014-11-20 2016-05-25 Dialog Semiconductor (UK) Ltd Fast bias current startup with feedback
CN105991004B (zh) * 2015-01-30 2019-06-11 台达电子工业股份有限公司 变换器系统、半导体开关驱动电路及方法
US9853547B2 (en) * 2016-04-13 2017-12-26 Texas Instruments Incorporated Methods and apparatus for adaptive timing for zero voltage transition power converters

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1381942A (zh) * 2001-02-09 2002-11-27 精电科技公司 包括用于对同步整流器进行控制的电路的电源变换器
CN1759525A (zh) * 2004-02-03 2006-04-12 株式会社村田制作所 开关电源设备
US20060022653A1 (en) * 2004-07-29 2006-02-02 Reed Byron M System and method to mitigate transient energy
CN101461122A (zh) * 2006-05-29 2009-06-17 皇家飞利浦电子股份有限公司 产生用于反激变换器的同步整流开关的驱动信号
CN101330255A (zh) * 2007-06-20 2008-12-24 三星电子株式会社 具有有源箝位电路的开关式电源装置
US20110115456A1 (en) * 2009-11-17 2011-05-19 Kabushiki Kaisha Toshiba Dc-dc converter and semiconductor integrated circuit

Also Published As

Publication number Publication date
CN109428492B (zh) 2020-09-29
US10103633B1 (en) 2018-10-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8885362B2 (en) Fast startup switching converter and method thereof
US8957642B2 (en) Enhancement mode III-nitride switch with increased efficiency and operating frequency
CN105391281B (zh) 含常导通晶体管和常关断晶体管的开关的系统和方法
US10992235B2 (en) Soft switching full-bridge phase-shifted DC-DC converter
US20140204623A1 (en) Charging circuit for a power converter controller
CN103066855B (zh) 用于电源变换系统中的零电压开关的系统和方法
US9479072B2 (en) Flyback converter
CN209170244U (zh) 可逆转换器
GB2265771A (en) Power converters with improved switching efficiency
US10243451B1 (en) System and method for powering a switching converter
CN104038037B (zh) 辅助再充电
US10389275B2 (en) Converter with ZVS
EP3790194A1 (en) Transformer-based driver for power switches
CN108900083A (zh) 功率转换器及相关系统
CN110120748A (zh) 双向的反激转换器电路
TW202110067A (zh) 具有自舉電路之主動箝位
CN108448902A (zh) 一种同步整流反激式直流-直流电源转换装置及控制方法
CN105322775A (zh) 用于常通开关模式电源的系统和方法
CN106357108A (zh) 直流升压高压输出电路及直流升压电源
CN108475991A (zh) 隔离式直流-直流变换器
CN108933515A (zh) 反激式转换器控制器、反激式转换器及其操作方法
CN218102962U (zh) Dc-dc转换器、用于电力供应和控制的系统及交通工具
CN102315759B (zh) 具有抗饱和电路的栅极驱动控制器电路及其加电电路
CN104682677B (zh) 切换控制电路及用于提供附加基极驱动的方法
CN109428492A (zh) 开关变换器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant