CN110365214A - 利用降低的电流进行有源钳位反激式转换器控制 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于控制转换器的方法和控制器。在第一阶段中操作转换器，在第一阶段中，控制器逻辑使第一栅极驱动信号有效以引起转换器的第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起转换器的第二晶体管不导通。在第一死区时间阶段和第二阶段中，控制器逻辑使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效以引起来自转换器的初级绕组的漏电感的泄漏能量传递到转换器的钳位电容。在传递泄漏能量之后，转换器在第三阶段中操作，在第三阶段中，逻辑使第二栅极驱动信号有效并且使第一栅极驱动信号无效。

Description

利用降低的电流进行有源钳位反激式转换器控制
技术领域
本公开涉及一种用于控制有源钳位反激式转换器的控制器和方法，并且具体地涉及一种在实现零电压开关(ZVS)以及最小化转换器的初级侧的均方根(RMS)电流的同时控制转换器的控制器和方法。
背景技术
有源钳位反激式转换器是一类开关转换器，其中使用钳位电容来恢复和存储由初级侧绕组或电感泄漏的能量。能量然后在转换器输出处被释放。用于控制有源钳位反激式转换器的传统技术采用互补开关，其中初级侧绕组在第一时段被赋能，并且恢复的能量在第二时段被释放到输出。然而，这些传统技术在开关周期的过程中遭受初级侧电流的高RMS，这降低了转换器的功率效率。
发明内容
在一个实施例中，一种用于转换器的控制器包括：用于输出用于驱动转换器的初级侧中的第一晶体管的栅极的第一栅极驱动信号的第一输出节点以及用于输出用于驱动转换器的初级侧中的第二晶体管的栅极的第二栅极驱动信号的第二输出节点。在一个实施例中，控制器包括逻辑，该逻辑被配置为：在第一阶段中操作转换器，在第一阶段中，该逻辑使第一栅极驱动信号有效以引起第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起第二晶体管不导通；在第一死区时间阶段和第二阶段中操作转换器，在第一死区时间阶段和第二阶段中，该逻辑使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效以引起来自转换器的初级绕组的漏电感的泄漏能量传递到转换器的钳位电容；以及在第三阶段中操作转换器，在第三阶段中，该逻辑使第二栅极驱动信号有效并且使第一栅极驱动信号无效。
在一个实施例中，该逻辑被配置为在第三阶段之后的第二死区时间阶段中操作转换器，在第二死区时间阶段中，该逻辑使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效。在一个实施例中，该逻辑被配置为在第二死区时间阶段之后，恢复在第一阶段中操作转换器。在一个实施例中，该逻辑被配置为：检测转换器的次级绕组的电流水平，确定次级绕组的电流水平小于电流水平阈值，以及响应于确定次级绕组的电流水平小于电流水平阈值，终止第二阶段并且在第三阶段中操作转换器。
在一个实施例中，控制器包括用于输出用于驱动转换器的次级侧中的同步整流器晶体管的栅极的第三栅极驱动信号的第三输出节点。在一个实施例中，该逻辑被配置为：在第一阶段中使第三栅极驱动信号无效，在第一死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效，在第二阶段和第三阶段中使第三栅极驱动信号有效，以及在第二死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效。
在一个实施例中，一种方法包括由控制器在第一阶段中操作转换器。在一个实施例中，转换器具有包括初级绕组和次级绕组的变压器、耦合到初级绕组的第一晶体管、耦合到初级绕组的第二晶体管、以及耦合到第二晶体管的钳位电容。在一个实施例中，控制器在第一阶段中操作转换器，在第一阶段中，控制器使第一栅极驱动信号有效以引起第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起第二晶体管不导通。
在一个实施例中，控制器在第一死区时间阶段和第二阶段中操作转换器，在第一死区时间阶段和第二阶段中，控制器使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效以引起来自初级绕组的漏电感的泄漏能量传递到钳位电容，并且控制器在第三阶段中操作转换器，在第三阶段中，控制器使第二栅极驱动信号有效并且使第一栅极驱动信号无效。
在一个实施例中，一种方法包括由控制器在第一阶段中操作转换器。在一个实施例中，转换器具有包括初级绕组和次级绕组的变压器、耦合到初级绕组的第一晶体管、耦合到初级绕组的第二晶体管、以及耦合到第二晶体管的钳位电容。在一个实施例中，控制器在第一阶段中操作转换器，在第一阶段中，控制器使第一栅极驱动信号有效以引起第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起第二晶体管不导通。
在一个实施例中，控制器在第一死区时间阶段中操作转换器，在第一死区时间阶段中，控制器使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效并且来自初级绕组的漏电感的泄漏能量被传递到钳位电容。在一个实施例中，在第一死区时间阶段之后，控制器在第二阶段的第一子阶段中操作转换器，在第二阶段的第一子阶段中，控制器使第一栅极驱动信号无效并且使第二栅极驱动信号有效。在一个实施例中，控制器在第二阶段的在第一子阶段之后的第二子阶段中操作转换器，在第二阶段的第二子阶段中，控制器使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效，并且控制器在第二阶段之后的第三阶段中操作转换器，在第三阶段中，控制器使第一栅极驱动信号无效并且使第二栅极驱动信号有效。
在一个实施例中，一种方法包括在第二死区时间阶段中操作转换器，在第二死区时间阶段中，控制器使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效。在一个实施例中，一种方法包括在第二死区时间阶段之后，恢复在第一阶段中操作转换器。在一个实施例中，一种方法包括将第二阶段的第一子阶段的持续时间设置为第三阶段的持续时间的比例。在一个实施例中，转换器包括被耦合到次级绕组的同步整流器晶体管。
在一个实施例中，一种方法包括在第一阶段和第一死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效以引起同步整流器晶体管不导通，在第二阶段的第一子阶段和第二子阶段中以及在第三阶段中使第三栅极驱动信号有效以引起同步整流器晶体管导通，并且在第二死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效。在一个实施例中，一种方法包括在第一阶段和第一死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效以引起同步整流器晶体管不导通，在第二阶段的第一子阶段和第二子阶段中使第三栅极驱动信号有效以引起同步整流器晶体管导通，并且在第三阶段和第二死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效。
在一个实施例中，一种系统包括转换器。该转换器包括：具有在转换器的初级侧中的初级绕组以及在转换器的次级侧中的次级绕组的变压器、被配置为接通和断开从电压供应节点到初级绕组的电压供应的第一晶体管、钳位电容、被配置为接通和断开向钳位电容的电荷转移的第二晶体管、以及被配置为接通和断开次级绕组中的电流流动的第三晶体管。
在一个实施例中，一种系统包括控制器、该控制器被配置为：在第一阶段中操作转换器，在第一阶段中，控制器使第一栅极驱动信号有效以引起第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起第二晶体管不导通；在第一死区时间阶段中操作转换器，在第一死区时间阶段中，控制器使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效并且来自初级绕组的漏电感的泄漏能量被传递到钳位电容；在第二阶段的第一子阶段中操作转换器，在第二阶段的第一子阶段中，控制器使第一栅极驱动信号无效并且使第二栅极驱动信号有效；在第二阶段的在第一子阶段之后的第二子阶段中操作转换器，在第二阶段的第二子阶段中，控制器使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效；并且在第二阶段之后的第三阶段中操作转换器，在第三阶段中，控制器使第二栅极驱动信号有效，使第一栅极驱动信号无效并且使第二栅极驱动信号有效。
在一个实施例中，控制器被配置为：在第三阶段之后的第二死区时间阶段中操作转换器，在第二死区时间阶段中，控制器使第一栅极驱动信号和第二栅极驱动信号两者无效；并且在第二死区时间阶段之后，恢复在第一阶段中操作转换器。在一个实施例中，控制器被配置为通过调节第三阶段的持续时间以控制钳位电容的电压来引起第三晶体管的体二极管在第三阶段中不导通。
附图说明
图1示出了耦合到控制器的有源钳位反激式转换器的电路图；
图2示出了用于操作转换器的方法的流程图；
图3示出了在参考图2描述的用于操作控制器的方法的控制周期的各阶段期间的次级侧电流、初级侧电流、低压侧晶体管漏极电压、低压侧栅极驱动信号、高压侧栅极驱动信号和同步整流器栅极驱动信号的信号图；
图4示出了用于操作转换器的方法的流程图；
图5示出了在参考图4描述的用于操作转换器的方法的控制周期的各阶段期间的信号图；
图6示出了用于操作转换器的方法的流程图；
图7示出了在参考图6描述的用于操作转换器的方法的控制周期的各阶段期间的信号图；以及
图8示出了具有所示的漏电感的有源钳位反激式转换器的电路图。
具体实施方式
图1示出了耦合到控制器102的有源钳位反激式转换器100的电路图。转换器100具有可以处于电流隔离的功率域中的初级侧104和次级侧106。在初级侧104，转换器100包括钳位电容108、高压侧晶体管110和低压侧晶体管112。在次级侧106，转换器100包括同步整流器晶体管114和输出电容116。转换器100包括变压器118，变压器118具有设置在初级侧104的初级绕组120和设置在次级侧106的次级绕组122。控制器102分布在初级侧104和次级侧106之上，并且可以具有在初级侧104与次级侧106之间的内部电流隔离。然而，在各种实施例中，控制器102可以位于初级侧104或次级侧106。
在图1中，高压侧晶体管110表示为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。类似地，低压侧晶体管112和同步整流器晶体管114也表示为n沟道MOSFET。注意，尽管本文中示出和描述n沟道MOSFET晶体管，但是可以使用其他类型的晶体管或开关来代替晶体管110、112、114。例如，同步整流器晶体管114可以是未由控制器102直接控制的二极管。
在初级侧104，钳位电容108具有耦合到输入电压节点124的第一侧和耦合到高压侧晶体管110的漏极的第二侧。高压侧晶体管110具有用于从控制器102接收高压侧栅极驱动信号HSGD的栅极。初级绕组120具有耦合到输入电压节点124的第一端子和耦合到高压侧晶体管110的源极的第二端子。低压侧晶体管112具有耦合到高压侧晶体管110的源极和初级绕组120的第二端子两者的漏极。低压侧晶体管112具有用于从控制器102接收低压侧栅极驱动信号LSGD的栅极。低压侧晶体管112具有耦合到初级侧参考电压节点126的源极，初级侧参考电压节点126可以是初级侧104的接地节点。
在次级侧106，输出电容116具有耦合到输出电压节点128的第一侧和耦合到次级侧参考电压节点130的第二侧。次级侧参考电压节点130可以例如是次级侧106的接地节点。同步整流器晶体管114具有用于从控制器102接收同步整流器栅极驱动信号SRGD的栅极和耦合到次级侧参考电压节点130的源极。变压器118的次级绕组122具有耦合到输出电压节点128的第一端子和耦合到同步整流器晶体管114的漏极的第二端子。
控制器102可以是被配置为向转换器100输出高压侧驱动信号、低压侧驱动信号或同步整流器栅极驱动信号以操作转换器100的任何类型的器件。控制器102可以例如是微控制器、处理器或微处理器等。此外，控制器102可以包括被配置为确定栅极驱动信号的状态(即，有效或无效，或使其有效或使其无效)或栅极驱动信号的切换定时的电路或数字逻辑。该电路或逻辑可以引起栅极驱动信号被输出到转换器100。
转换器100在输入电压节点124上接收输入电压(VIN)。控制器102使用晶体管110、112、114的相应栅极驱动信号来操作晶体管110、112、114，以在输出电压节点128上向负载132提供输出电压(VOUT)，负载132被耦合在输出电压节点128与次级侧参考电压节点130之间。
图2示出了用于控制转换器100的方法200的流程图。方法200可以由参考图1描述的控制器102实现。在方法200中，在202处，控制器102在第一阶段中操作转换器100，在第一阶段中，使低压侧栅极驱动信号LSGD有效以引起低压侧晶体管112处于导通状态。在可以具有任何持续时间的第一阶段期间，使高压侧栅极驱动信号HSGD无效，并且高压侧晶体管110不导通。此外，使同步整流器栅极驱动信号无效。注意，如果使用二极管代替同步整流器晶体管，则二极管可以断开。
参考图3，图3示出了控制器102的控制周期的各阶段322、324、326、328、330的次级侧电流302、初级侧电流304和低压侧晶体管漏极电压306、低压侧栅极驱动信号308、高压侧栅极驱动信号310和同步整流器栅极驱动信号312的信号图。这些阶段包括第一阶段322、第一死区时间阶段324、第二阶段326、第三阶段328和第二死区时间阶段330。控制周期从第一阶段322开始。次级侧电流302示出了通过变压器118的次级绕组122的电流水平。当从次级绕组122的第二端子流到次级绕组122的第一端子时，次级侧电流302的符号为正。
如本文所述，同步整流器晶体管114可以是二极管。在同步整流器晶体管114是二极管的情况下，控制器102不产生或输出同步整流器栅极驱动信号312。控制器102可以仅产生和输出低压侧栅极驱动信号308和高压侧栅极驱动信号310。相反，由于由控制器102执行的控制，根据本文所述的实施例，可以诱导二极管变为导通或不导通。例如，通过控制低压侧栅极驱动信号308和高压侧栅极驱动信号310，由于转换器100的次级侧106中的感应，控制器102诱导同步整流二极管如本文所述操作(以及在导通状态与非导通状态之间转换)。因此，尽管本文中描述的实施例将同步整流器栅极驱动信号描述为有效或无效，但是可以理解，在使用二极管的情况下，控制器102可以不输出同步整流器栅极驱动信号。相反，作为感应的结果而不是未生成的同步整流器栅极驱动信号的结果，二极管可以如本文所述在接通状态与断开状态之间转换。
初级侧电流304示出了通过变压器118的初级绕组120的电流水平。初级侧电流304在从初级绕组120的第一端子流到初级绕组120的第二端子时符号是正的，并且反之亦然。
低压侧晶体管漏极电压306示出了在低压侧晶体管112的漏极处测量的电压电平，由此漏极被耦合到高压侧晶体管110的源极和变压器118的初级绕组120的第二端子。
在第一阶段322期间，将低压侧晶体管112切换到导通状态引起初级侧电流304在第一阶段322的时间持续时间内增加(例如，线性地)。同时，电流不流过次级绕组122并且次级侧电流302为零安培(A)。另外，低压侧晶体管漏极电压306为零伏特(V)。在第一阶段322期间，同步整流器晶体管114关断。或者在使用二极管代替同步整流器晶体管114的情况下，二极管将不导通。当流过低压侧晶体管112的电流(或初级侧电流304)达到第一阈值时，第一阶段322可以结束，并且第一死区时间阶段324可以开始。
在第一阶段322之后，控制器102将转换器100转换到第一死区时间阶段324。当一个或多个条件满足时(诸如初级侧电流304达到或超过如本文所述的电流水平阈值)，控制器102可以将转换器100转换到第一死区时间阶段324。在一个实施例中，传感器或感测电阻器用于检测初级侧电流304。例如，传感器或感测电阻器可以耦合到初级侧104并且可以用于检测初级侧电流304。在另一实施例中，可以基于检测高压侧晶体管110或低压侧晶体管112的源极或漏极电压来推断初级侧电流304。
在方法200中，在204处，控制器102在第一死区时间阶段324中操作转换器100，在第一死区时间阶段324，使低压侧栅极驱动信号LSGD和高压侧栅极驱动信号HSGD无效，以引起低压侧晶体管112和高压侧晶体管110处于非导通状态。在第一死区时间阶段324中，使同步整流器栅极驱动信号31无效，或者如果使用二极管，则二极管关断。
第一死区时间阶段324可以具有固定的或预定的持续时间(例如，在初级侧控制系统中)，或者第一死区时间阶段可以基于变压器118的次级绕组122的电压满足条件(诸如超过阈值(例如，在次级侧控制系统中))而结束。在第一死区时间阶段324，初级侧电流304停止流过低压侧晶体管112。相反，初级侧电流304流过低压侧晶体管112的漏极的寄生元件。寄生元件包括变压器118的寄生电容、低压侧晶体管112的漏极电容和高压侧晶体管110的源极电容。由于寄生电容，低压侧漏极电压306上升。
在第一死区时间阶段324期间，初级侧电流304略微增加并且然后减小。注意，在第一死区时间阶段324中，由于同步整流器栅极驱动信号SRGD的无效，同步整流器晶体管114保持关断。或者，如果使用二极管，则由于次级绕组122的感应不足而使二极管关断。当低压侧漏极电压306达到钳位电容108的电压电平时，初级绕组120的漏电感的能量可以传递到钳位电容108。
在206处，控制器102然后在第一死区时间阶段324之后的第二阶段326中操作转换器100。第二阶段326可以接续第一死区时间阶段324，并且可以紧接在第一死区时间阶段324之后。
类似于第一死区时间阶段324，在206处，控制器102通过以下方式在第二阶段326中操作转换器100：继续使低压侧和高压侧栅极驱动信号无效以引起低压侧晶体管112和高压侧晶体管110处于非导通状态，直到次级侧电流降低到低于第二电流阈值或者直到检测到次级侧106的零电流状态或过零状态。此外，也使同步整流器栅极驱动信号SRGD无效。第二阈值可以是0A或略高于0A，诸如0.1A。在第二阶段326中，同步整流器晶体管114接通(即，导通)，并且在使用二极管的情况下，二极管将通过次级侧电流302的方向和次级绕组122的感应而接通。在一个实施例中，传感器或感测电阻器用于检测次级侧电流。例如，传感器或感测电阻器可以耦合到次级侧106，并且可以用于检测次级侧电流。在另一实施例中，可以基于检测同步整流器晶体管114的源极或漏极电压来推断次级侧电流。
因为低压侧栅极驱动信号308和高压侧栅极驱动信号310类似地在第一死区时间阶段324和第二阶段326操作，所以从控制器102的角度来看，这两个阶段可以被认为是一个阶段。从控制器102的角度来看，这两个阶段可以不界定或分离。
控制器102可以耦合到转换器100的初级侧104和第二侧106。控制器102可以检测初级侧104和第二侧106的电流水平。或者，控制器102可以接收指示初级侧104和第二侧106的电流水平的信号。当次级侧电流302达到0A或者降低到低于第二电流阈值时，控制器102可以终止第二阶段326并且开始第三阶段328。
在第二阶段326期间，电流开始在次级侧106中流动，而初级侧104的漏电感中的电流开始下降并且其能量被传递到钳位电容108。此外，电流流过高压侧晶体管110体二极管，并且电流最终停止。
在次级侧电流302在第二阶段326期间达到峰值之后，感应引起次级侧电流302随时间以负变化率流动。另外，在能量被传递到钳位电容108之后，由于低压侧晶体管112和高压侧晶体管110关断并且处于高阻抗状态的这一事实，没有电流在初级侧104流动。
在第二阶段326的一部分期间，初级侧电流304保持在零或接近零水平。这个保持减小了初级侧电流304(并且因此降低了初级侧电流304的总RMS)，从而与具有较高电流水平的操作模式相比提高了转换器100的能量效率。
当次级侧电流302达到0A或者处于接近0A或低于第二电流阈值的电平时，零电压开关(ZVS)的最佳条件满足，其中次级侧电流302和初级侧电流304处于或者接近0A。在方法200中的208处，控制器102在第三阶段328中操作转换器100，在第三阶段328中，使高压侧栅极驱动信号有效以引起高压侧晶体管110处于导通状态，并且使低压侧栅极驱动信号无效以引起低压侧晶体管112处于非导通状态。同步整流器晶体管114在第三阶段328中也导通。
在第三阶段328期间在转换器100中发生谐振。存储在钳位电容108中的电压放电，从而引起初级侧电流304变为负。同时，次级侧电流302变为正，这引起功率被传递到负载132。初级侧电流304和次级侧电流302的瞬时幅度增加并且随后瞬时幅度减小。在第三阶段328之后，控制器102将转换器100转换到第二死区时间阶段330。
在方法200中，在210处，控制器102在第二死区时间阶段330中操作转换器100，在第二死区时间阶段330，使低压侧栅极驱动信号和高压侧栅极驱动信号都无效以引起低压侧晶体管112和高压侧晶体管110处于非导通状态。类似于第一死区时间阶段324，控制器102在第二死区时间阶段330操作转换器100。类似于第一死区时间阶段324，初级侧晶体管110、112在第二死区时间阶段330都不导通。同步整流器晶体管114在第二死区时间阶段330也关断。在第二死区时间阶段330期间，电流流过初级侧104的寄生电容，并且低压侧漏极电压下降到0V。另外，初级侧电流304下降到0A并且次级侧电流302保持在0A。在第二死区时间阶段330之后，方法200返回到步骤202，其中控制器102在转换器100的后续切换周期中在第一阶段322中操作转换器100。
在方法200中，控制器102在初级侧电流304在第二阶段326中达到零之后停止接通高压侧晶体管110。控制器102保持高压侧晶体管110关断。结果，在第二阶段326期间，在达到零之后，没有电流在初级绕组120中流动，因为初级侧104的两个晶体管110、112都关断。
在一个实施例中，第二阶段326被分成两个部分，并且高压侧晶体管110导通以减少高压侧晶体管110的体二极管中的损耗。可以预先确定高压侧晶体管110的导通持续时间。高压侧晶体管110的导通持续时间可以相对于第三阶段328的持续时间来设置。例如，高压侧晶体管110的导通持续时间可以被设置为第三阶段328的持续时间的百分比或比例。
图4示出了用于控制转换器100的方法400的流程图。方法400可以由参考图1描述的用于操作转换器100的控制器102实现。方法400的步骤402、404、408、410类似于参考图2描述的方法200的步骤202、204、208、210。图5示出了在参考图4描述的控制器102的控制周期的阶段322、324、326a，326b，328、330期间的信号图。
在第一死区时间阶段中操作转换器100之后，在406a处，控制器102在第二阶段326的第一子阶段326a中操作转换器，在第一子阶段326a中，使低压侧栅极驱动信号无效，使高压侧栅极驱动信号有效并且使同步整流器栅极驱动信号有效。如本文所述，使高压侧栅极驱动信号有效以导通高压侧晶体管110减少了高压侧晶体管110的体二极管中的损耗。第二阶段326的第一子阶段326a的持续时间可以设置为与第三阶段328的持续时间相关。例如，第一子阶段326a的持续时间可以设置为第三阶段328的持续时间的百分比或一部分。
在第一子阶段326a结束之后，在406b处，控制器102在第二阶段326的第二子阶段326b中操作转换器，在第二子阶段326b中，使低压侧栅极驱动信号无效，使高压侧栅极驱动信号无效。并且使同步整流器栅极驱动信号有效。第二子阶段326b中的操作类似于参考图2和3描述的第二阶段326的操作。
根据方法400，第二阶段326的第一子阶段326a被保留用于导通高压侧晶体管110。在第二阶段326的剩余部分(即，第二子阶段326b)，高压侧晶体管110根据方法200的操作而关断。
在第三阶段328期间，初级侧电流304和次级侧电流302的瞬时幅度增加。该增加有助于在转换器100的操作期间初级侧电流304的总均方根(RMS)和次级侧电流302的总RMS的增加。
如果在第三阶段328期间的初级侧电流304的瞬时幅度减小，则初级侧电流304的总RMS也减小，从而增加转换器100的功率效率。在第三阶段328期间减小初级侧电流304的瞬时幅度(其在图3中由“凸起”或“穹顶”展示)提高了转换器100的效率。
图6示出了用于操作转换器100的方法600的流程图，并且图7示出了参考图6描述的用于操作控制器102的方法600的控制周期的阶段322、324、326a、326b、328、330期间的信号图。
在方法600中，控制器102在阶段322、324、326、330中操作转换器100，类似于控制器102分别根据图4的方法400在这些阶段322、324、326、330中操作转换器100的方式。因此，图6的步骤602、604、606a、606b、610分别类似于图4的步骤402、404、406a、406b、410。然而，在608处，控制器102在第三阶段328期间不同地操作转换器100，以减小初级侧电流304和次级侧电流302并且减小转换器100的电流的RMS。
在608处，控制器102在第三阶段328中操作转换器100，在第三阶段328中，使低压侧栅极驱动信号无效，使高压侧栅极驱动信号有效并且使同步整流器栅极驱动信号无效。因此，高压侧晶体管110是导通状态，并且低压侧晶体管112和同步整流器晶体管114都处于非导通状态。此外，控制器102操作转换器100，以确保同步整流器晶体管114的体二极管处于非导通状态。
因为同步整流器晶体管114关断，所以没有电流在次级侧106中流动。次级侧电流302在第三阶段328期间处于零水平。因为低压侧晶体管112关断，所以存储在钳位电容108中的电压放电，从而引起初级侧电流304变为负。由于同步整流器晶体管114关断并且次级侧电流302处于零水平的这一事实，初级绕组120和次级绕组122在第三阶段328中不经历谐振。结果，初级侧电流304的瞬时幅度由于钳位电容108的放电而线性增加。
为了将次级侧电流302保持在零水平，需要防止同步整流器晶体管114的体二极管变为导通。控制器102可以通过将同步整流器晶体管114的体二极管保持在非导通状态来在第三阶段328中操作转换器100。
在第三阶段328期间，为了防止电流在同步整流器晶体管114的体二极管中流动，应当满足以下条件：
VPH＜VIN+n(VOUT+VF) 方程式(1)，
其中VPH是低压侧晶体管漏极电压，n是变压器118的匝数比，并且VF是同步整流器晶体管114的体二极管的正向电压。
图8示出了具有所示漏电感140的有源钳位反激式转换器100的电路图。转换器100的初级绕组120的漏电感140在图6中示意性地示出。漏电感140被建模为具有耦合到初级绕组120的第二端子的第一端子和耦合到低压侧晶体管112的漏极的第二端子。在漏电感器140被建模在转换器100中的情况下，可以假定转换器100的初级绕组120没有寄生电感。
在第三阶段328中，低压侧晶体管漏极电压(VPH)与钳位电容108两端的电压(VCLAMP)相同。钳位电容108在第一死区时间阶段324期间被充电并且将能量存储在漏电感140中。钳位电容108在第二死区时间阶段330期间被放电，其中钳位被复位。当充电和放电相等时达到平衡。
当低压侧晶体管112关断时，变压器118反射输出电压，并且漏电感140两端的电压表示为：
VLK＝VCLAMP-nVOUT 方程式(2)。
初级侧电流表示为：
其中IPK是在第一阶段322期间达到的峰值初级侧电流，LK是漏电感并且t是时间变量。
方程式(4)产生存储在钳位电容108中的总电荷，如下：
当高压侧晶体管110在第三阶段328中导通时，只要次级绕组122两端的电压小于VOUT+VF，则没有电流在次级侧106中流动。初级侧电流304(iPRI)从0A开始并且以如下速率下降
其中LPRI是初级侧电感。
钳位电容108中的电流从方程式(6)获得，如下：
存储在钳位电容108中的电荷从方程式(7)获得，如下：
其中TCLAMP是钳位接通的时间(即，第一死区时间阶段324的持续时间)。
当存储在钳位电容108中的电荷(由方程式(4)表示)和从钳位电容108消散的电荷(由方程式(7)表示)相等时，发生平衡。使两种电荷相等得到：
用在钳位阶段期间达到的峰值负电流替换钳位时间(TCLAMP)并且用方程式(2)中的表示代替VLK得到：
针对VCLAMP求解该方程式以得到：
因此，为了保持VCLAMP＜n(VOUT+VF)并且避免接通同步整流器晶体管114的体二极管，对钳位电流施加以下限制：
当方程式(11)的不等式满足时，同步整流器晶体管114的体二极管保持在非导通状态。漏电感(LK)、初级侧电感(LPRI)和同步整流器晶体管114的体二极管的正向电压(VF)通常是常数。输出电压(VOUT)、在第一阶段322期间达到的峰值初级侧电流(IPK)和钳位电流(ICLAMP)是变量。
因此，控制器102可以控制在第一阶段322期间达到的峰值初级侧电流(IPK)以确保在第三阶段328期间满足不等式。峰值电流与第一阶段322的持续时间相关，并且因此，控制器102可以通过增加或减少持续时间以实现不等式(11)的右侧的合适水平来调节第一阶段322的持续时间。此外，控制器102可以控制输出电压(VOUT)或钳位电流(ICLAMP)以满足不等式并且将体二极管置于非导通状态。
可以组合上述各种实施例以提供其他实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制于在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求有权享有的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种用于转换器的控制器，包括：
第一输出节点，用于输出用于驱动所述转换器的初级侧中的第一晶体管的栅极的第一栅极驱动信号；
第二输出节点，用于输出用于驱动所述转换器的所述初级侧中的第二晶体管的栅极的第二栅极驱动信号；以及
逻辑，被配置为：
在第一阶段中操作所述转换器，在所述第一阶段中，所述逻辑使所述第一栅极驱动信号有效以引起所述第一晶体管导通并且使所述第二栅极驱动信号无效以引起所述第二晶体管不导通；
在第一死区时间阶段和第二阶段中操作所述转换器，在所述第一死区时间阶段和所述第二阶段中，所述逻辑使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效，以引起来自所述转换器的初级绕组的漏电感的泄漏能量被传递到所述转换器的钳位电容；以及
在第三阶段中操作所述转换器，在所述第三阶段中，所述逻辑使所述第二栅极驱动信号有效并且使所述第一栅极驱动信号无效。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述逻辑被配置为：
在所述第三阶段之后的第二死区时间阶段中操作所述转换器，在所述第二死区时间阶段中，所述逻辑使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中所述逻辑被配置为：
在所述第二死区时间阶段之后，恢复在所述第一阶段中操作所述转换器。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述逻辑被配置为：
检测所述转换器的次级绕组的电流水平；
确定所述次级绕组的电流水平小于电流水平阈值；以及
响应于确定所述次级绕组的电流水平小于所述电流水平阈值，终止所述第二阶段并且在所述第三阶段中操作所述转换器。
5.根据权利要求2所述的控制器，其中所述控制器包括第三输出节点，所述第三输出节点用于输出用于驱动所述转换器的次级侧中的同步整流器晶体管的栅极的第三栅极驱动信号，并且所述逻辑被配置为：
在所述第一阶段中使所述第三栅极驱动信号无效；
在所述第一死区时间阶段中使所述第三栅极驱动信号无效；
在所述第二阶段和所述第三阶段中使所述第三栅极驱动信号有效；以及
在所述第二死区时间阶段中使所述第三栅极驱动信号无效。
6.一种方法，包括：
由控制器在第一阶段中操作转换器，所述转换器具有包括初级绕组和次级绕组的变压器、耦合到所述初级绕组的第一晶体管、耦合到所述初级绕组的第二晶体管、以及耦合到所述第二晶体管的钳位电容，所述控制器在所述第一阶段中操作所述转换器，在所述第一阶段中，所述控制器使第一栅极驱动信号有效以引起所述第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起所述第二晶体管不导通；
在第一死区时间阶段和第二阶段中操作所述转换器，在所述第一死区时间阶段和所述第二阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效，以引起来自所述初级绕组的漏电感的泄漏能量被传递到所述钳位电容；以及
在第三阶段中操作所述转换器，在所述第三阶段中，所述控制器使所述第二栅极驱动信号有效并且使所述第一栅极驱动信号无效。
7.根据权利要求6所述的方法，包括：
在所述第三阶段之后的第二死区时间阶段中操作所述转换器，在所述第二死区时间阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效。
8.根据权利要求7所述的方法，包括：
在所述第二死区时间阶段之后，恢复在所述第一阶段中操作所述转换器。
9.根据权利要求6所述的方法，包括：
检测所述次级绕组的电流水平；
确定所述次级绕组的电流水平小于电流水平阈值；以及
响应于确定所述次级绕组的电流水平小于所述电流水平阈值，终止所述第二阶段并且在所述第三阶段中操作所述转换器。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述转换器包括被耦合到所述次级绕组的同步整流器晶体管，并且所述方法包括：
在所述第一阶段和所述第一死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效，以引起所述同步整流器晶体管不导通；
在所述第二阶段和所述第三阶段中使所述第三栅极驱动信号有效，以引起所述同步整流器晶体管导通；以及
在所述第二死区时间阶段中使所述第三栅极驱动信号无效。
11.一种方法，包括：
由控制器在第一阶段中操作转换器，所述转换器具有包括初级绕组和次级绕组的变压器、耦合到所述初级绕组的第一晶体管、耦合到所述初级绕组的第二晶体管、以及耦合到所述第二晶体管的钳位电容，所述控制器在所述第一阶段中操作所述转换器，在所述第一阶段中，所述控制器使第一栅极驱动信号有效以引起所述第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起所述第二晶体管不导通；
在第一死区时间阶段中操作转换器，在所述第一死区时间阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效并且来自所述初级绕组的漏电感的泄漏能量被传递到所述钳位电容；
在所述第一死区时间阶段之后，在第二阶段的第一子阶段中操作所述转换器，在所述第二阶段的第一子阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号无效并且使所述第二栅极驱动信号有效；
在所述第二阶段的在所述第一子阶段之后的第二子阶段中操作所述转换器，在所述第二阶段的第二子阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效；以及
在所述第二阶段之后的第三阶段中操作所述转换器，在所述第三阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号无效并且使所述第二栅极驱动信号有效。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
在第二死区时间阶段中操作所述转换器，在所述第二死区时间阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效。
13.根据权利要求12所述的方法，包括：
在所述第二死区时间阶段之后，恢复在所述第一阶段中操作所述转换器。
14.根据权利要求11所述的方法，包括：
将所述第二阶段的第一子阶段的持续时间设置为所述第三阶段的持续时间的比例。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述转换器包括被耦合到所述次级绕组的同步整流器晶体管。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：
在所述第一阶段和所述第一死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效，以引起所述同步整流器晶体管不导通；
在所述第二阶段的第一子阶段和第二子阶段中以及在所述第三阶段中使所述第三栅极驱动信号有效，以引起所述同步整流器晶体管导通；以及
在所述第二死区时间阶段中使所述第三栅极驱动信号无效。
17.根据权利要求15所述的方法，包括：
在所述第一阶段和所述第一死区时间阶段中使第三栅极驱动信号无效，以引起所述同步整流器晶体管不导通；
在所述第二阶段的第一子阶段和第二子阶段中使所述第三栅极驱动信号有效，以引起所述同步整流器晶体管导通；以及
在所述第三阶段和所述第二死区时间阶段中使所述第三栅极驱动信号无效。
18.一种系统，包括：
转换器，包括：
变压器，具有在所述转换器的初级侧中的初级绕组以及在所述转换器的次级侧中的次级绕组；
第一晶体管，被配置为接通和断开从电压供应节点到所述初级绕组的电压供应；
钳位电容；
第二晶体管，被配置为接通和断开向所述钳位电容的电荷转移；以及
第三晶体管，被配置为接通和断开所述次级绕组中的电流流动；以及
控制器，被配置为：
在第一阶段中操作所述转换器，在所述第一阶段中，所述控制器使第一栅极驱动信号有效以引起所述第一晶体管导通并且使第二栅极驱动信号无效以引起所述第二晶体管不导通；
在第一死区时间中操作所述转换器，在所述第一死区时间中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效，并且来自所述初级绕组的漏电感的泄漏能量被传递到所述钳位电容；
在第二阶段的第一子阶段中操作所述转换器，在所述第二阶段的第一子阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号无效并且使所述第二栅极驱动信号有效；
在所述第二阶段的在所述第一子阶段之后的第二子阶段中操作所述转换器，在所述第二阶段的第二子阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效；以及
在所述第二阶段之后的第三阶段中操作所述转换器，在所述第三阶段中，所述控制器使所述第二栅极驱动信号有效，使所述第一栅极驱动信号无效，并且使所述第二栅极驱动信号有效。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制器被配置为：
在所述第三阶段之后的第二死区时间阶段中操作所述转换器，在所述第二死区时间阶段中，所述控制器使所述第一栅极驱动信号和所述第二栅极驱动信号两者无效；以及
在所述第二死区时间阶段之后，恢复在所述第一阶段中操作所述转换器。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述控制器被配置为：通过调节所述第三阶段的持续时间以控制所述钳位电容的电压，来引起所述第三晶体管的体二极管在所述第三阶段中不导通。
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