DE102020213730A1 - Aktiver burst-zvs-boost-pfc-wandler - Google Patents

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Abstract

Ein Leistungswandler kann konfiguriert sein, um eine AC-Eingangsspannung in eine geregelte DC-Ausgangsspannung umzuwandeln, während der Eingangsstrom in Phase mit der gleichgerichteten AC-Eingangsspannung gehalten wird. Eine Steuerschaltung des Leistungswandlers kann konfiguriert sein, um die Schaltung von mindestens einer Schaltvorrichtung des Leistungswandlers als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Eingangsspannung größer als eine Schwellenspannung ist, selektiv zu aktivieren und um die Schaltung von der mindestens einen Schaltvorrichtung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung kleiner als die Schwellenspannung ist, selektiv zu deaktivieren. Die Steuerschaltung kann konfiguriert sein, um die Schaltung unter Verwendung eines Aktiv-Burst-Modus-Signals mit einer Frequenz, die niedriger als eine Schaltfrequenz des Wandlers ist, selektiv zu aktivieren und zu deaktivieren. Die Steuerschaltung kann noch weiter konfiguriert sein, um mindestens eine Schaltvorrichtung des Wandlers in einem Nullspannungsschaltzustand zu betreiben.

Description

  • STAND DER TECHNIK
  • In jüngster Zeit besteht ein steigender Bedarf an hocheffizienten Wechselrichtern mit hoher Leistungsdichte. Für Ausgangsleistungswerte von 70 Watt oder mehr kann eine Leistungsfaktorkorrekturstufe erforderlich sein. In vielen Anwendungen wird ein Hochspannungs-Boostwandler mit kritischer Leitungsmodus-Schaltung (CrM-Schaltung) verwendet, um einen Einheitsleistungsfaktor zu erreichen. Die Schaltfrequenz einer solchen Boost/PFC-Stufe ist oft mit einer breit variierten Schaltfrequenz ausgelegt, die zu einem unerwünscht niederfrequenten Betrieb über zumindest einen Teil des Betriebsbereichs führen kann. Zum Beispiel kann die maximale Schaltfrequenz bei hohem VAC-Leitungseingang mit niedrigem Spitzenstrom auftreten, jedoch wird die Schaltfrequenz bei niedrigem VAC-Leitungseingang mit hohem Spitzenstrom sehr niedrig. Infolgedessen kann der Boost-Induktorwert so ausgewählt werden, dass er einen ausreichend hohen Nennstrom bei niedriger Leitungseingangsspannung aufweist. Der minimale Induktivitätswert kann jedoch durch die maximale Schaltfrequenz bei hoher Leitungseingangsspannung begrenzt sein. Da die Schaltfrequenz an der Low-Line recht niedrig sein kann, kann ein großer Induktivitätswert mit einem hohen Spitzenstromnennwert erforderlich sein. Dies kann zu einer großen Baugröße des Boost-Induktors mit einer etwas begrenzten Schaltfrequenz führen. Außerdem können Schaltverluste bei hohen Leitungseingangsspannungsbedingungen unerwünscht hoch sein.
  • Somit sind verbesserte Boost/PFC-Wandlerkonstruktionen erforderlich, die diese und andere Konstruktionsprobleme abschwächen, um eine höhere Betriebseffizienz und Leistungsdichte zu erreichen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Ein AC/DC-Leistungswandler kann einen Eingang, der konfiguriert ist, um eine AC-Eingangsspannung zu empfangen, einen Gleichrichter, der konfiguriert ist, um die AC-Eingangsspannung in eine gleichgerichtete AC-Eingangsspannung umzuwandeln, einen Boost-Wandler, der konfiguriert ist, um die geregelte AC-Eingangsspannung zu empfangen und eine geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen, und eine Steuerschaltung, die mit dem Boost-Wandler gekoppelt ist, einschließen. Die Steuerschaltung kann konfiguriert sein, um die geregelte Ausgangsspannung, einen Eingangsstrom des Boost-Wandlers und die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung zu überwachen. Die Steuerschaltung kann ferner konfiguriert sein, um mindestens eine Schaltvorrichtung des Boost-Wandlers zu schalten, um die geregelte Ausgangsspannung zu liefern, während der Eingangsstrom in Phase mit der gleichgerichteten AC-Eingangsspannung gehalten wird. Die Steuerschaltung kann ferner noch konfiguriert sein, um das Schalten des Boost-Wandlers als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung größer als eine Schwellenspannung ist, selektiv zu aktivieren und das Schalten des Boost-Wandlers als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung kleiner als die Schwellenspannung ist, selektiv zu deaktivieren.
  • Der Boost-Wandler des AC/DC-Leistungswandlers kann einen Boost-Induktor mit einem ersten Anschluss, der mit der gleichgerichteten AC-Eingangsspannung gekoppelt ist, eine Boost-Schaltvorrichtung, die zwischen einem zweiten Anschluss des Boost-Induktors und der Masse gekoppelt ist, und einen Boost-Gleichrichter mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Boost-Induktors gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem Ausgang des Wandlers gekoppelt ist, einschließen. Der Boost-Gleichrichter kann eine Gleichrichterschaltvorrichtung sein, die komplementär zu der Boost-Schaltvorrichtung geschaltet ist. Die Gleichrichterschaltvorrichtung kann ferner komplementär zu der Boost-Schaltvorrichtung mit einer Totzeit geschaltet werden.
  • Die Steuerschaltung des AC/DC-Leistungswandlers kann ferner noch konfiguriert sein, um das Schalten des Boost-Wandlers unter Verwendung eines Aktiv-Burst-Modus-Signals mit einer Frequenz, die niedriger als eine Schaltfrequenz des Boost-Wandlers ist, selektiv zu aktivieren und zu deaktivieren. Das Aktiv-Burst-Modus-Signal kann Null sein, wenn die Eingangsspannung unter der Schwellenspannung liegt, die Null oder nicht Null sein kann. Die Steuerschaltung kann weiter noch konfiguriert sein, um mindestens eine Schaltvorrichtung des Boost-Wandlers in einem Nullspannungsschaltzustand zu betreiben. Zu diesem Zweck kann der Leistungswandler einen Nullspannungsschaltkondensator einschließen, der mit dem Boost-Wandler gekoppelt ist. Die Steuerschaltung kann somit konfiguriert sein, um das Timing von mindestens einer Schaltvorrichtung des Boost-Wandlers zu steuern, um einen Rückstrom durch die mindestens eine Schaltvorrichtung vor dem Einschalten der mindestens einen Schaltvorrichtung zu ermöglichen, wodurch eine Nullspannungsschaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung ermöglicht wird.
  • Eine AC/DC-Wandlerschaltung kann eine erste Phase einschließen, die einen ersten High-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit einem DC-Ausgangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem ersten AC-Eingangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einen ersten Low-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten High-Side-Schalters gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist, einschließt. Die AC/DC-Wandlerschaltung kann ferner eine zweite Phase einschließen, die einen zweiten High-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit einem DC-Ausgangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem zweiten AC-Eingangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einen zweiten Low-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten High-Side-Schalters gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist, einschließt. Die AC/DC-Wandlerschaltung kann ferner mindestens einen Induktor einschließen, der zwischen mindestens einem der ersten und zweiten AC-Eingangsanschlüsse und einer AC-Eingangsquelle gekoppelt ist. Der mindestens eine Induktor kann einen ersten Induktor, der zwischen dem ersten AC-Eingangsanschluss und der AC-Eingangsquelle gekoppelt ist, und einen zweiten Induktor, der zwischen dem zweiten AC-Eingangsanschluss und der AC-Eingangsquelle gekoppelt ist, einschließen.
  • Die AC/DC-Wandlerschaltung kann ferner eine Steuerung einschließen, die konfiguriert ist, um die erste und die zweite Schaltphase gemäß einer Schaltsequenz während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangsspannung zu betreiben und die erste und die zweite Schaltphase gemäß einer zweiten Schaltsequenz während eines negativen Halbzyklus der AC-Eingangsspannung zu betreiben. Die Steuerung kann ferner konfiguriert sein, um als Reaktion auf eine Bestimmung, dass ein Momentanwert der AC-Eingangsspannung größer als eine Schwellenspannung ist, eine Schaltung der ersten und zweiten Schaltphase selektiv zu aktivieren eine Schaltung des Boost-Wandlers als Reaktion auf eine Bestimmung, dass der Momentanwert der AC-Eingangsspannung kleiner als die Schwellenspannung ist, selektiv zu deaktivieren. Die Schaltsequenz während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangsspannung kann das Ausschalten des ersten High-Side-Schalters der ersten Phase, das Einschalten des ersten Low-Side-Schalters der ersten Phase und Schalten des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze einschließen, wodurch eine Nullspannungsschaltung des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters erreicht wird. Die Schaltsequenz während eines negativen Halbzyklus der AC-Eingangsspannung kann das Ausschalten des zweiten High-Side-Schalters der zweiten Phase, das Einschalten des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase und Schalten des ersten High-Side-Schalters und des ersten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze einschließen, wodurch eine Nullspannungsschaltung des ersten High-Side-Schalters und des ersten Low-Side-Schalters erreicht wird.
  • Alternativ kann die Schaltsequenz während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangsspannung das Einschalten des ersten High-Side-Schalters der ersten Phase, das Ausschalten des ersten Low-Side-Schalters der ersten Phase und Schalten des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze einschließen, wodurch eine Nullspannungsschaltung des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters erreicht wird. In dieser alternativen Schaltsequenz kann die Schaltsequenz während eines negativen Halbzyklus der AC-Eingangsspannung das Einschalten des ersten High-Side-Schalters der ersten Phase, das Ausschalten des ersten Low-Side-Schalters der ersten Phase und Schalten des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze einschließen, wodurch eine Nullspannungsschaltung des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters erreicht wird.
  • Ein Verfahren zum Betreiben eines AC/DC-Wandlers kann das Überwachen einer geregelten Ausgangsspannung, eines Eingangsstroms und einer Eingangsspannung des Wandlers einschließen. Das Verfahren kann ferner das selektive Schalten mindestens einer Schaltvorrichtung einschließen, um die geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen, während der Eingangsstrom in Phase mit der Eingangsspannung gehalten wird. Das Verfahren kann ferner das selektive Aktivieren der Schaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Eingangsspannung größer als eine Schwellenspannung ist und das selektive Deaktivieren der Schaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Eingangsspannung kleiner als die Schwellenspannung ist, einschließen. Die Schwellenspannung kann Null oder ungleich Null sein. Das selektive Aktivieren der Schaltung und das selektive Deaktivieren der Schaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung kann das Verwenden eines Aktiv-Burst-Modus-Signals mit einer Frequenz einschließen, die niedriger als eine Schaltfrequenz des Boost-Wandlers ist. Das selektive Schalten mindestens einer Schaltvorrichtung kann die Schaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung in einen Nullspannungs-Schaltzustand einschließen.
  • Figurenliste
    • 1A veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Boost- /Leistungsfaktorkorrekturwandlers, der in einem kritischen Leitungsmodus betrieben werden kann.
    • 1B veranschaulicht einen konzeptionellen Arbeitszyklus, einen Referenzstrom und einen Induktorstrom für einen Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler.
    • 1C veranschaulicht einen simulierten Arbeitszyklus, Referenzstrom und Induktorstrom für einen Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler, der bei einer relativ niedrigeren Eingangsspannung betrieben wird.
    • 1D veranschaulicht einen simulierten Arbeitszyklus, Referenzstrom und Induktorstrom für einen Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler, der bei einer relativ höheren Eingangsspannung betrieben wird.
    • 1E ist eine grafische Darstellung der Schaltfrequenz gegenüber dem Phasenwinkel über einen Halbzyklus der AC-Eingangswellenform für einen Boost- /Leistungsfaktorkorrekturwandler bei relativ niedrigeren und relativ höheren Eingangsspannungen.
    • 2A veranschaulicht eine grafische Darstellung der Schaltfrequenz gegenüber dem Phasenwinkel über einen Halbzyklus der AC-Eingangswellenform für einen Boost- /Leistungsfaktorkorrekturwandler bei relativ niedrigeren und relativ höheren Eingangsspannungen mit Aktiv-Burst-Modus-Steuerbetrieb.
    • 2B ist ein Schema eines Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandlers im Aktiv-Burst-Modus (ABM) und seiner Steuerschaltung.
    • 2C veranschaulicht einen konzeptionellen Arbeitszyklus, Referenzstrom und Induktorstrom für einen Aktiv-Burst-Modus-Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler mit einem Aktiv-Burst-Modus, der selektiv in Bezug auf eine Nullschwellenspannung aktiviert ist.
    • 2D veranschaulicht einen idealisierten Arbeitszyklus, Referenzstrom und Induktorstrom für einen Aktiv-Burst-Modus-Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler mit Aktiv-Burst-Modus, der selektiv in Bezug auf eine Schwellenspannung größer als Null aktiviert ist.
    • 3A veranschaulicht einen Halbbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Boost- /Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM).
    • 3B veranschaulicht konzeptionelle Arbeitszyklen, Referenzstrom und Induktorstrom für einen Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM).
    • 4 veranschaulicht eine Schaltsequenz für einen Nullspannungsschaltungs- (ZVS) - Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM).
    • 5 veranschaulicht ein Schema eines Halbbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) - Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandlers im Aktiv-Burst-Modus (ABM) und seines Steuersystems.
    • 6 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Steuerschema für einen Aktiv-Burst-Modus-Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler zusammenfasst.
    • 7A veranschaulicht ein Schema eines Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) - Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM).
    • 7B veranschaulicht ein alternatives Schema eines Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM).
    • 8A veranschaulicht eine erste Schaltsequenz für einen Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines positiven Halbzyklus des Eingangsstroms.
    • 8B veranschaulicht verschiedene Spannungen und Ströme und zugehörige Wellenformen für die erste Schaltsequenz für einen Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs-(ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines positiven Halbzyklus des Eingangsstroms.
    • 8C veranschaulicht eine erste Schaltsequenz für einen Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines negativen Halbzyklus des Eingangsstroms.
    • 8D veranschaulicht verschiedene Spannungen und Ströme und zugehörige Wellenformen für die erste Schaltsequenz für einen Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs-(ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines negativen Halbzyklus des Eingangsstroms.
    • 9A veranschaulicht ein zusammenfassendes Flussdiagramm der ersten Schaltsequenz, die in 8A-8D abgebildet ist.
    • 9B veranschaulicht ein zusammenfassendes Flussdiagramm der ersten Schaltsequenz, die in den 8A-8D abgebildet ist.
    • 10A veranschaulicht eine zweite Schaltsequenz für einen Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines positiven Halbzyklus des Eingangsstroms.
    • 10B veranschaulicht verschiedene Spannungen und Ströme und zugehörige Wellenformen, die der zweiten Schaltsequenz eines Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs-(ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandlers im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines positiven Halbzyklus des Eingangsstroms entsprechen.
    • 10C veranschaulicht eine zweite Schaltsequenz für einen Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandler im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines negativen Halbzyklus des Eingangsstroms.
    • 10D veranschaulicht verschiedene Spannungen und Ströme und zugehörige Wellenformen, die der zweiten Schaltsequenz eines Vollbrücken-Nullspannungsschaltungs(ZVS) -Boost-/Leistungsfaktorkorrekturwandlers im Aktiv-Burst-Modus (ABM) während eines negativen Halbzyklus des Eingangsstroms entsprechen.
    • 11A veranschaulicht ein zusammenfassendes Flussdiagramm der zweiten Schaltsequenz, die in 10A-1OD abgebildet ist.
    • 11B veranschaulicht ein zusammenfassendes Flussdiagramm der zweiten Schaltsequenz, die in 10A-1OD abgebildet ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche konkrete Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der offenbarten Konzepte zu schaffen. Als Teil dieser Beschreibung stellen einige Zeichnungen dieser Offenbarung der Einfachheit halber Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform dar. Der Klarheit halber sind nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in dieser Offenbarung beschrieben. Die in dieser Offenbarung verwendete Sprache wurde hauptsächlich aus Gründen der Lesbarkeit und zu Anweisungszwecken ausgewählt und wurde nicht ausgewählt, um den offenbarten Gegenstand zu schildern oder abzugrenzen. Vielmehr sind die beigefügten Patentansprüche für diesen Zweck gedacht.
  • Verschiedene Ausführungsformen der offenbarten Konzepte werden in beispielhafter und nicht einschränkender Weise in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche Bezüge gleiche Elemente angeben. Aus Gründen der Einfachheit und Klarheit der Veranschaulichung wurden gegebenenfalls Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren wiederholt, um entsprechende oder analoge Elemente anzuzeigen. Zusätzlich werden zahlreiche, spezifische Details aufgeführt, um ein umfassendes Verständnis der hierin beschriebenen Implementierungen bereitzustellen. In anderen Fällen wurden Verfahren, Prozeduren und Komponenten nicht ausführlich beschrieben, um die zugehörige relevante Funktion, die beschrieben wird, nicht zu verdecken. Bezüge auf „eine“, „eine bestimmte“ oder „eine andere“ Ausführungsform in dieser Offenbarung beziehen sind nicht notwendigerweise auf die gleiche oder eine andere Ausführungsform, und sie bedeuten mindestens eine. Eine gegebene Figur kann verwendet werden, um die Merkmale von mehr als einer Ausführungsform oder mehr als einer Art der Offenbarung zu veranschaulichen, und nicht alle Elemente in der Figur können für eine gegebene Ausführungsform oder Spezies erforderlich sein. Ein Bezugszeichen bezieht sich, wenn es in einer gegebenen Zeichnung bereitgestellt wird, auf das gleiche Element in den verschiedenen Zeichnungen, obwohl es möglicherweise nicht in jeder Zeichnung wiederholt werden kann. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu, sofern nicht anders angegeben, und die Proportionen bestimmter Teile können übertrieben groß sein, um Details und Merkmale der vorliegenden Offenbarung besser zu veranschaulichen.
  • Die 1A-1E veranschaulichen verschiedene Gesichtspunkte einer beispielhaften Boost-/Leistungsfaktorkorrektur im kritischen Leitungsmodus (Boost PFC-Wandler) 100.
  • 1A veranschaulicht ein Schema des Wandlers. Eine AC-Eingangsspannung gelangt durch einen (optionales) elektromagnetischen Interferenzfilter (EMI-Filter) zu einem Gleichrichter, der in der veranschaulichten Ausführungsform ein Vollbrücken-Gleichrichter ist, der aus den Dioden D1-D4 besteht. Es versteht sich, dass andere Gleichrichter-Topologien alternativ verwendet werden könnten. Der Gleichrichter D1-D4 erzeugt eine gleichgerichtete Vollwellenspannung, die über den Eingang eines Boost-Wandlers hinweg erscheint, der aus dem Boost-Induktor Lb, der Boost-Schaltvorrichtung Qm und der Boost-Diode Do besteht. Die Schaltvorrichtung Qm kann betrieben werden, um zu bewirken, dass der Boost/PFC-Wandler 100 einen im Wesentlichen sinusförmigen Strom zieht, der im Wesentlichen in Phase mit der AC-Eingangsspannung ist, und eine DC-Spannung erzeugt, die an die Last geliefert wird, die hier durch den Ausgangskondensator Co und den Ausgangswiderstand Ro dargestellt ist.
  • 1B veranschaulicht einige Gesichtspunkte der Schaltung Qm, um die vorstehend beschriebenen Vorgänge zu erreichen. Genauer gesagt veranschaulicht die Wellenform 102 die Schaltzyklen des Hauptschalters Qm. Wenn das Qm-Signal hoch ist, kann der Schalter Qm geschlossen werden, was bewirkt, dass ein Strom IL (1A) durch die Boost-Induktor Lb fließt und darin Energie speichert. Wenn das Qm-Signal niedrig ist, kann der Schalter Qm geöffnet werden, was bewirkt, dass der Boost-Induktorstrom IL durch die Boost-Diode Do zur Last fließt. Das Schaltsteuersignal Qm kann durch eine Steuerung (nicht gezeigt) erzeugt werden, die den Boost-Induktorstrom IL mit einem Referenzstrom iref(104) vergleicht, der ein sinusförmiger Strom sein kann, der in Phase mit der AC-Eingangsspannung ist. Die Stromfenstersteuerung kann konfiguriert sein, die Boost-Schaltvorrichtung Qm einzuschalten, wenn der Boost-Induktorstrom IL Null erreicht (d. h. den kritischen Leitungsmodus). Wie oben erwähnt, erzeugt das Einschalten des Boost-Schalters Qm einen linear ansteigenden Strom IL, der Energie in dem Boost-Induktor Lb speichert. Dieser ansteigende Strom IL ist durch die ansteigenden Flanken 106a abgebildet, die in 1B veranschaulicht sind. Die Steuerung kann ferner konfiguriert sein, den Boost-Schalter Qm auszuschalten, wenn der Strom IL den Referenzstrom iref 104 erreicht. Das Ausschalten des Schalters bewirkt einen linear abnehmenden Strom IL, der durch die abfallende Flanke 106b abgebildet wird, wenn die in dem Boost-Induktor Lb gespeicherte Energie an die Last entladen wird.
  • Der Boost/PFC-Wandler 100 kann so ausgelegt sein, dass er über einen Bereich von Eingangsspannungen betreibbar ist. Zum Beispiel können Schaltungs-Leistungswandler, die für den Betrieb im normalem AC-Stromnetz in verschiedenen Regionen der Welt ausgelegt sind, Eingangsspannungen im Bereich von etwa 100 Vac bis etwa 240 Vac erfahren. Die 1C zeigen das Boost-Schaltersteuerschaltsignal Qm (102a), die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung 108a und den Boost-Induktorstrom IL (110a) während des Betriebs bei einer niedrigen Leitungsspannung (z. B. einer Eingangsspannung von 90Vac). 1D bildet das entsprechende Schaltsignal 102b, die entsprechende gleichgerichtete AC-Eingangsspannung 108b und den entsprechenden Boost-Induktorstrom IL (110b) während des Betriebs bei einer hohen Netzspannung (z. B. einer Eingangsspannung von 264Vac) ab. In jedem Fall liefert der Boost-/PFC-Wandler 100 dieselbe Leistung. Der Vergleich der beiden Figuren zeigt, dass der Boost-Induktorstrom 110a (niedrige Spannung) etwas größer ist als der Boost-Induktorstrom 110b (hohe Spannung), wie man erwarten würde, um die gleiche Energiemenge zu liefern.
  • Es versteht sich, dass die Schaltfrequenz durch den Induktivitätswert des Boost-Induktors Lb zusammen mit AC-Eingangsspannungs- und Ausgangsspannungspegeln bestimmt wird. Die Boost-/PFC-Ausgangsspannung ist in mindestens einigen Ausführungsformen ein Konstruktionszielwert, der basierend auf den Anforderungen nachgeschalteter Komponenten ausgewählt wird. Infolgedessen wird die Schaltfrequenz eine Funktion der Eingangsspannung und des Boost-Induktorwerts. 1E veranschaulicht hohe und niedrige Leitungsschaltfrequenzwerte für eine beispielhafte Ausführungsform unter Verwendung eines beispielhaften Belastungszustands und Induktorwerts. In der graphischen Darstellung von 1E ist der Phasenwinkel der gleichgerichteten AC-Eingangswellenform in Graden auf der horizontalen Achse abgebildet, wobei eine AC-Eingangsspannung und/oder Schaltfrequenz (in Kilohertz) auf der vertikalen Achse abgebildet sind. Kurve 108a bildet eine Wellenform einer niedrigen AC-Eingangsspannung mit einem Spitzenwert um 130 V (entsprechend einem Effektivwert von etwa 90 V) ab. Kurve 112a bildet einen entsprechenden Bereich erforderlicher Schaltfrequenzen für einen gegebenen Boost-Induktivitätswert und Belastungszustand ab. Die erforderliche Schaltfrequenz liegt somit im Bereich von etwa 70 kHz bis etwa 105 kHz. Kurve 108b bildet eine Wellenform einer hohen AC-Eingangsspannung mit einem Spitzenwert um 375 V (entsprechend einem Effektivwert von etwa 265 V) ab. Kurve 112b bildet einen entsprechenden Bereich erforderlicher Schaltfrequenzen für denselben Boost-Induktivitätswert und Belastungszustand ab. Die Schaltfrequenz benötigt Bereiche von etwa 20 kHz bis zu etwa 340 kHz. Fachleute werden erkennen, dass Einschränkungen des Bereichs der Schaltfrequenz, der praktisch implementiert werden kann, in vielen Fällen zur Auswahl eines relativ großen Induktivitätswerts führen, was zu großen physischen Größen für den Boost-Induktor führt, was in einigen Implementierungen unerwünscht sein kann. Somit sind alternative Steuerungstechniken erwünscht, die dieses Problem umgehen.
  • Die 2A-2D veranschaulichen verschiedene Gesichtspunkte eines durch einen Aktiv-Burst-Modus (ABM) gesteuerten Boost-/PFC-Wandlers 200, der verwendet werden kann, um den breiten Bereich der oben erörterten erforderlichen Schaltfrequenzen zu reduzieren. Unter Bezugnahme auf 2A führt die Aktiv-Burst-Modus-Steuerung für einen Boost-/PFC-Wandler mit kritischer Leitfähigkeit ein ABM-Burst-Frequenzsignal fB 203 ein, das viel niedriger sein kann als die Schaltfrequenz des Boost-Schalters Qm. Der Arbeitszyklus der ABM-Burst-Frequenz fB 203 kann gesteuert oder geändert werden, um das Schalten des Schalters Qm intermittierend zu aktivieren und zu deaktivieren, insbesondere wenn die momentane gleichgerichtete AC-Eingangsspannung niedrig ist (d. h. nahe den Nulldurchgängen der AC-Eingangswellenform). Wenn das ABM-Burst-Frequenzsignal fB hoch ist, kann der Hauptschalter Qm aktiviert/zugelassen werden, mit der erforderlichen Schaltfrequenz zu schalten. Alternativ kann, wenn das ABM-Burst-Frequenzsignal fB niedrig ist, das Schalten des Hauptschalters Qm deaktiviert werden. Das ABM-Burst-Frequenzsignal fB kann so konfiguriert sein, dass fB Null wird, wenn die AC-Eingangsspannung unter einen vorgegebenen Designwert fällt. Unter weiterer Bezugnahme auf 2A geben die schraffierten Bereiche 205 an, wo die Schaltfrequenz Null mit fB=0 ist, d. h. die Regionen, in denen der Betrieb des Hauptschalters Qm deaktiviert werden kann. Diese Anordnung kann ermöglichen, dass die Schaltfrequenz fsw auf einen relativ schmaleren Bereich von relativ hohen Frequenzen begrenzt ist, was die Auswahl eines relativ kleineren Induktivitätswerts für den Boost-Induktor ermöglicht.
  • 2B veranschaulicht einen beispielhaften Boost-/PFC-Wandler 200 im Aktiv-Burst-Modus (ABM) mit einem beispielhaften Steuersystem. Die Leistungsumwandlungsstufe der Schaltung ähnelt im Wesentlichen dem oben erörterten Boost-/PFC-Wandler 100. Es wird nämlich eine AC-Eingangsspannung Vac von einer Eingangsquelle empfangen, die durch einen (optionalen) EMI-Filter zu einem Gleichrichter geleitet wird. Die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung basiert auf einem Boost-Wandler, der aus einem Boost-Induktor LB, einem Boost-Schalter Qm und einer Boost-Diode Do besteht. Der Boost-Schalter Qm kann wie nachstehend beschrieben betrieben werden, um in einem aktiven Burst-Modus zu arbeiten, wodurch ein AC-Eingangsstrom gezogen wird, der in Phase mit der AC-Eingangsspannung ist, und eine gewünschte Ausgangsspannung Vout über den Ausgangskondensator Cout am Ausgang des Wandlers erzeugt.
  • In Bezug auf das Steuersystem kann der ABM-Boost-/PFC-Wandler 200 eine Ausgangsspannungssteuerung und eine Eingangsstromsteuerung einschließen. Die Ausgangsspannungssteuerung kann einen Ausgangsspannungssensor 236 einschließen. Die Ausgangsspannung Vout kann durch eine Spannungsschleifenverstärkung Kv skaliert werden (Block 235) und durch den Summierer 226 von einer Ausgangsspannungsreferenz V*o subtrahiert werden. Das resultierende Ausgangsspannungsfehlersignal kann jeder geeigneten Steuerung (z. B. einer Proportional-Integral-Differential-Steuerung 227) bereitgestellt werden. Das resultierende Steuersignal kann am Multiplizierer 228 mit dem momentanen Eingangsstrom iC (Teil der Eingangsstromsteuerung) multipliziert und einem Komparator 230 zugeführt werden, der mit dem Rücksetzeingang des Flip-Flops 232 gekoppelt ist. Die Eingangsstromsteuerung kann auch einen Stromsensor 224 einschließen, der den Eingangsstrom erfasst, der durch die Stromverstärkung Ki skaliert werden kann (Block 225). Das skalierte Eingangsstromsignal kann an den Komparator 229 angelegt werden, dessen anderer Eingang geerdet sein kann, wodurch er ein Eingangsstrom-Nulldetektor wird. Der Ausgang des Nullstromdetektors 229 kann dem Stelleneingang des Flip-Flops 232 bereitgestellt werden. Infolgedessen ist das Ausgangssignal des Flip-Flops 232 eine Steuerspannung, die bereitgestellt werden kann, um den Treiber 234 zu schalten, um ein Steuersignal für den Hauptschalter Qm zu erzeugen, das den Schalter betätigt, um die Ausgangsspannung und den Eingangsstrom zu regeln, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1A-1E beschrieben.
  • Die ABM-Steuerung kann auch Teil des Steuersystems sein. Genauer gesagt kann die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung („VDC“) von einem Spannungssensor 222 erfasst werden. Ebenso kann der Induktorstrom IL durch einen Stromsensor 224 erfasst werden. (Viele geeignete Arten von Spannungs- und Stromsensoren sind Fachleuten bekannt und werden daher hierin nicht ausführlich aufgezählt oder beschrieben.) Die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung und der Induktorstrom können in dem Steuerblock wie folgt verwendet werden. Die Erfassungsverstärkung Ks (Block 223) kann auf das gleichgerichtete AC-Eingangsspannungssignal angewendet werden. Die Erfassungsverstärkung Ki (Block 225) kann auf das Induktorstromsignal angewendet werden. Die skalierte/erfasste gleichgerichtete Eingangsspannung-VDC-Erfassungsspannung kann durch den Komparator 231 mit der Referenz-/Schwellenspannung Vk verglichen werden. (Referenz-/Schwellenspannung Vk wird nachstehend unter Bezugnahme auf 2C und 2D ausführlich erörtert). Ist VDC kleiner als Vk, so kann das ABM-Burst-Frequenzsignal fb auf Null gesetzt werden. In einem solchen Fall ist der Ausgang des Komparators 231 niedrig, was einen niedrigen Eingang für das AND-Gatter 233 bereitstellt, das auch das fsw-Signal empfängt, das durch das oben erörterte Flip-Flop 232 erzeugt wird. Durch den Nulleingang in das AND-Gatter 233 wird ein niedriger Eingang zum Schalten des Treibers 234 bereitgestellt, und der Hauptschalter Qm wird effektiv deaktiviert. Andernfalls kann die ABM-Schaltfrequenz fB (mit einer ausgewählten Frequenz und einem ausgewählten Arbeitszyklus) mit einem ausgewählten Arbeitszyklus DB bereitgestellt werden. Genauer gesagt, wenn VDC größer als Vk ist, wird ein hoher Ausgang an das AND-Gatter 233 geliefert, wodurch ermöglicht wird, dass der Schaltertreiber immer dann getriggert wird, wenn fB und fsw beide hoch sind.
  • 2C veranschaulicht den Betrieb des Wandlers 200, wenn die Referenz-/Schwellenspannung Vk Null ist. Wie oben erwähnt, darf, wenn das ABM-Signal fB (203a, 2B) hoch ist, das fsw-Signal 202a den Boost-Schalter Qm mit der Schaltfrequenz EIN- oder AUSSCHALTEN, die durch die Kontrollschleife wie oben beschrieben bestimmt wird. Daraus resultieren die Stromimpulse 206 wie oben beschrieben. Alternativ wird, wenn die Burst-Frequenz fB niedrig ist, der Boost-Schalter Qm nicht geschaltet.
  • In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, dass das ABM-Burst-Frequenzsignal fB Null wird, wenn die Eingangsspannung kleiner als ein bestimmter Referenzentwurf/Schwellenwert Vk ist. 2D veranschaulicht den Betrieb des Wandlers 200, wenn die Referenz-/Schwellenspannung Vk (207) ungleich Null ist. Wie oben erwähnt, darf, wenn das ABM-Signal fB (203b, 2C) hoch ist, das fsw-Signal 202b den Boost-Schalter Qm mit der Schaltfrequenz EIN- oder AUSSCHALTEN, die durch die Kontrollschleife wie oben beschrieben bestimmt wird. Daraus resultieren die Stromimpulse 206 wie oben beschrieben. Alternativ wird, wenn die Burst-Frequenz fB niedrig ist, der Boost-Schalter Qm nicht geschaltet.
  • 3A veranschaulicht einen beispielhaften Nullspannungsschaltungs- (ZVS) -Aktiv-Burst-Modus (ABM) -Halbbrücken-Boost/PFC-Wandler 300. Der Wandler 300 erhält eine AC-Eingangsspannung, die über einen (optionalen) EMI-Filter an einen Brückengleichrichter (bestehend aus Dioden D1-D4) geleitet wird. Die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung (VDC) erscheint über einen kleinen ZVS-Kondensator Cz hinweg, der die zur ZVS-Schaltung erforderliche Energie bereitstellen kann, wie nachstehend beschrieben. Die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung (VDC) erscheint auch über den Eingang eines Halbbrücken-Boost/PFC-Wandlers hinweg, der aus dem Boost-Induktor Lb, dem Hauptschalter Qm und dem Hilfsschalter Qa besteht. Der Boost-/PFC-Wandler kann eine Ausgangsspannung über eine Ausgangskapazität Co und eine Last Ro hinweg bereitstellen.
  • Die Funktionsprinzipien des ZVS-ABM Boost-/PFC-Wandlers 300 können unter Bezugnahme auf 3B und 4 verstanden werden. 3B veranschaulicht das Steuersignal 302a für den Hauptschalter Qm, das Steuersignal 302b für den Hilfsschalter 302b, die Wellenform des Referenzstroms (iref) 304 und die Wellenform des Boost-Induktorstroms (IL) 306a/306b. 4 veranschaulicht die Ströme durch den Wandler und betont die ZVS-Übergänge. Der Hauptschalter Qm kann eingeschaltet werden, wenn das Steuersignal 302a hoch ist (Block (b) von 4). Dies führt zu einem linear ansteigenden Boost-Induktorstrom 306a. Wenn der Boost-Induktorstrom IL den Referenzstrom- (iref) - Wert erreicht, kann der Hauptschalter Qm ausgeschaltet werden. Da sich der Strom durch die Boost-Induktor Lb nicht sofort ändern kann, beginnt der Boost-Induktorstrom durch die intrinsische Body-Diode des Hilfsschalters Qa zum Ausgang zu fließen, wie in Block (c) von 4 veranschaulicht. Dann kann der Hilfsschalter Qa nach einer kurzen geeigneten Verzögerungszeit (Tdead) in einem Nullspannungsschaltzustand (ZVS) eingeschaltet werden, wie in Block (d) von 4 veranschaulicht. Das Einschalten von Qa reduziert den Spannungsabfall über den Hilfsschalter Qa hinweg, wodurch der Wirkungsgrad verbessert wird, und das Schalten von Qa in einen ZVS-Zustand reduziert auch Schaltverluste, die mit diesem Vorgang verbunden sind. Während dieses Intervalls kann der Boost-Induktorstrom IL linear abnehmen (306b). Der Hilfsschalter Qa ersetzt somit die Boost-Diode Do und kann die Effizienz der Schaltung verbessern, da sie einen niedrigeren Einschaltwiderstand als eine herkömmliche Diode oder sogar eine Diode mit niedrigem Spannungsabfall in Durchlassrichtung (wie beispielsweise eine Schottky-Diode) aufweisen kann.
  • Sobald sich die in dem Boost-Induktor Lb gespeicherte Energie an die Last entladen hat, wird der Boost-Induktorsstrom IL Null und kann durch den Kondensator Cz umgekehrt/negativ betrieben werden, wie im unteren Abschnitt von 3B und Block (e) von 4 veranschaulicht. Der Hilfsschalter Qa kann zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet werden, was zu einem Stromfluss durch die intrinsische Body-Diode des Hauptschalters Qm führen kann (Block (f) von 4). Dies kann ermöglichen, dass der Hauptschalter Qm unter einer Nullspannungsbedingung (Block (a) von 4) wieder eingeschaltet wird, was die Schaltverluste, die mit dem Betrieb des Hauptschalters Qm verbunden sind, reduzieren kann.
  • 5 veranschaulicht einen ZVS-ABM-Halbbrücken-Boost-/PFC-Wandler 500, der die Steuerung von 2A in die Schalttopologie von 3A integriert. 5 schließt entsprechende Bezugszeichen zu 2A ein. Außerdem arbeitet der Wandler 500 wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2A-4 beschrieben, außer dass dem Komparator ein negativer ZVS-Referenzstrom (-iZVS) 529 bereitgestellt wird. Somit arbeitet der Komparator 529 als negativer Stromgrenzendetektor statt als Stromnulldetektor. Dies ermöglicht den oben erörterten negativen Boost-Induktorstromfluss, der eine ZVS-Schaltung des Hauptschalters Qm ermöglicht.
  • 6 bildet ein Flussdiagramm 600 ab, das die Steuertechniken des Aktiv-Burst-Modus (ABM) für einen vorstehend erörterten PFC-/Boost-Wandler zusammenfasst. In Block 602 können die Ausgangsspannung und der Eingangsstrom von einer Steuerung erfasst werden. In Block 604 kann die Steuerung den Haupt-und Hilfsschalter betreiben, um die Ausgangsspannung und den Eingangsstrom zu steuern. In Block 606 kann die Eingangsspannung erfasst werden. In Block 608 kann die Eingangsspannung mit einem Schwellenwert verglichen werden. Wie oben erwähnt, kann der Schwellenwert Null oder ein Wert ungleich Null sein. In Block 610 kann der Schaltvorgang (d. h. Block 604) als Reaktion auf den Vergleich der Eingangsspannung mit dem Schwellenwert selektiv aktiviert/deaktiviert werden.
  • Das Flussdiagramm von 6 kann durch jede geeignete Steuerung implementiert werden, einschließlich analoger Steuerschaltlogik, digitaler Steuerschaltlogik (einschließlich Steuerschaltlogik unter Verwendung von Logikgattern und ähnlichen Elementen oder programmierbaren Prozessoren, Steuerungen, Mikrosteuerungen usw.). In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung als hybride Analog-/Digital-Schaltlogik implementiert sein und kann in mindestens einigen Ausführungsformen in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung implementiert sein.
  • Die 7A und 7B veranschaulichen alternative Ausführungsformen von ZVS-ABM-Boost-/PFC-Wandlern, die eine Vollbrücken-Schaltanordnung verwenden, um die Notwendigkeit der separaten Gleichrichterstufe zu eliminieren. 7A veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines brückenlosen ZVS-ABM-Boos-t/PFC-Wandlers 700a. Im Wandler 700a kann eine AC-Eingangsspannung durch einen (optionalen) EMI-Filter zu einem Boost-Induktor LB2 geleitet werden. Die optional gefilterte AC-Eingangsspannung kann auf einer Vollbrücken-Schaltanordnung basieren, die aus den Schaltern Q11-Q14 durch die Boost-Induktor LB2 besteht. Die Schalter Q11-Q14 bilden jeweils zwei Phasen, die jeweils einen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter umfassen. In nachfolgenden Figuren und Beschreibungen ist Schalter Q14 die Phase A, High-Side-Schalter und wird als QAH bezeichnet. In ähnlicher Weise ist Schalter Q12 die Phase A, Low-Side-Schalter und wird als QAL bezeichnet. Schalter Q11 ist die Phase B, High-Side-Schalter und wird als QBH bezeichnet. Letztlich ist Schalter Q13 die Phase B, Low-Side-Schalter und wird als QBL bezeichnet.
  • Die Schaltbrücke Q11-Q14 kann wie nachstehend beschrieben betrieben werden, um eine DC-Ausgangsspannung (Vout) zu erzeugen, die über den Kondensator CB2 hinweg erscheint, der sowohl als Filterkondensator als auch als Energiespeicherquelle dient, um eine Nullspannungsschaltung (ZVS) der Schaltkomponenten zu erreichen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. 7B veranschaulicht eine zweite Ausführungsform eines brückenlosen ZVS-ABM-Boost-/PFC-Wandlers 700b. Im Wandler 700b wird die Boost-Induktivität durch separate Boot-Induktoren LB3 und LB4 bereitgestellt, die sich in jedem Schenkel der (optional gefilterten) AC-Eingangswellenform befinden.
  • Die 8A-8D veranschaulichen ein erstes Steuerschema für einen brückenlosen ZVS-ABM-Boost-/PFC-Wandler. Die 10A-10D veranschaulichen ein zweites Steuerschema für einen brückenlosen ZVS-ABM-Boost-/PFC-Wandler. Bezugnehmend auf das erste Steuerschema, veranschaulichen 8A und 8B den Schaltvorgang während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangswellenform, und 8C und 8D veranschaulichen die Schaltvorgänge während eines negativen Halbzyklus der AC-Eingangswellenform. Bezugnehmend auf das zweite Steuerschema, veranschaulichen 10A und 10B den Schaltvorgang während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangswellenform, und 10C und 10D veranschaulichen die Schaltvorgänge während eines negativen Halbzyklus der AC- Eingangswellenform.
  • Bezugnehmend auf die 8A und 8B wird die positive Halbwellen-Schaltfolge für das erste Steuerschema veranschaulicht. Während des positiven Halbzyklus des ersten Schaltschemas bleibt der Schalter QBH ausgeschaltet, der Schalter QBL bleibt eingeschaltet, und die Schalter QAH und QAL werden abwechselnd geschaltet, um dem Eingang eine gewünschte Ausgangsspannung Vout und eine Leistungsfaktorkorrektur bereitzustellen. Die positive Halbzyklus-Schaltsequenz kann in Block (a) von 8A bei den geschlossenen zwei Lower-Side-Schaltern QAL und QBL eingeleitet werden. Block (a) veranschaulicht den in 8B abgebildeten Zeitraum, der bei Null beginnt und sich bis zum Zeitpunkt t1 erstreckt. Da beide Low-Side-Schalter QAL und QBL eingeschaltet sind, kann ein Strom 840a vom AC-Eingang durch den Boost-Induktor LB, durch den eingeschalteten Schalter QAL und durch den eingeschalteten Schalter QBL fließen, wobei er zur AC-Eingangsquelle zurückkehrt. Dies führt zu dem linearen Anstieg des Boost-Induktorstroms iLB (806), der in 8B abgebildet ist. Wie ferner unter Bezugnahme auf Fig . 8B zu sehen ist, sind die Antriebssignale 802b und 802d für die Schalter QAL und QBL während des Zeitraums (a) hoch. Außerdem steigt der Strom durch den Low-Side-Schalter QAL (862) linear an, und die Ausgangsspannung Vout erscheint über den High-Side-Schaltern QAH hinweg (wie durch die Spannungswellenform 866 veranschaulicht).
  • Wenn der Boost-Induktorstrom iLB den Spitzenstromreferenzwert 807 (8B) erreicht, kann zum Zeitpunkt t1 der Schalter QAL ab dem Zeitraum (b) ausgeschaltet werden, der sich vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 erstreckt. Während der Periode (b) fließt der Strom 840b weiterhin durch den Boost-Induktor (iLB), durch die intrinsische Body-Diode des Schalters QAH, durch die Last (iL) und kehrt über den Schalter QBL zum AC-Eingang zurück. Wie in 8B gezeigt, bleibt das Antriebssignal 802d für den Schalter QBL während der Periode (b) hoch, während alle anderen Schalterantriebssignale (802a, 802b und 802c) niedrig bleiben. Der Induktorstrom iLB (806) beginnt abzunehmen, was einer Abnahme des Stroms durch den Low-Side-Schalter QAL (862) und einer Zunahme des Stroms durch den High-Side-Schalter QAH (Wellenform 864) entspricht. Die Ausgangsspannung Vout erscheint über den Schalter QBH hinweg (Wellenform 867), und die Spannung über den Schalter QAH hinweg fällt auf Null ab (Wellenform 866), während die Spannung über den Schalter QAL hinweg auf Vout ansteigt (Wellenform 868).
  • Wie oben erwähnt, wird zum Zeitpunkt t2 Strom durch die intrinsische Body-Diode des Schalters QAH eingeführt. Dies ermöglicht es dem Schalter QAH, zum Zeitpunkt t3, beginnend mit dem Zeitraum (c), eine Nullspannungseinschaltung zu erreichen. Während des Zeitraums (c) fließt der Strom 840c weiterhin durch den Schalter QAH, durch die Last und kehrt über den Schalter QBL zum AC-Eingang zurück. Infolgedessen wird der Boost-Induktor LB entladen, wie durch die abfallende Stromwellenform 806 während der Periode (c) veranschaulicht. Dieser abfallende Strom fließt auch durch den Schalter QBL (Wellenform 864). Infolgedessen liegt während des Zeitraums (c) eine Spannung von Null über die Schalter QAH und QBL hinweg vor, wobei die Ausgangsspannung über die Schalter QAL (Wellenform 868) und QBH (Wellenform 867) erscheint.
  • Wie in den vorstehend erörterten Ausführungsformen dürfen der Boost-Induktorstrom iLB und der Laststrom iload einen leichten negativen Wert 863 erreichen, der durch den Kondensatorausgang Co angetrieben wird und den Beginn des Zeitraums (d) angibt, welcher der kurze Zeitraum um die Zeit t3 ist. Wie in Block (d) von 8A veranschaulicht, fließt der negative Boost-Induktorstrom 840c vom AC-Eingang durch den Schalter QBL (der eingeschaltet bleibt), durch die Last und kehrt durch den Induktor Lb zum AC-Eingang zurück. Unter Bezugnahme auf 8B bleibt während des Zeitraums (d) das Antriebssignal 802d (für Schalter QBL) hoch, wobei die Antriebssignale 802a (für Schalter QAH), 802b (für Schalter QAL) und 802c (für Schalter QBH) niedrig bleiben. (Schalter QAH kann zum Zeitpunkt t3, d. h. zum Beginn des Zeitraums (d), ausgeschaltet werden.) Der Boost-Induktorstrom iLB bleibt auf seinem leichten negativen Wert (Wellenform 806), und die Ausgangsspannung verändert sich, um über Schalter QAH (Wellenform 866) und Schalter QBH (Wellenform 867) hinweg zu erscheinen, während die Spannung über Schalter QAL hinweg von Vout auf Null übergeht (Wellenform 868).
  • Wenn der Schalter QAH ausgeschaltet ist, fließt der negative Boost-Strom 840e, wie in der Zeitperiode (e) veranschaulicht, die sich von der Zeit t3 bis zur Zeit t4 erstreckt, an welcher der Schalter QAL in einem ZVS-Zustand eingeschaltet wird. Während der Periode (e) fließt der negative Boost-Induktorstrom 840e von der AC-Quelle durch den eingeschalteten Schalter QBL, durch die intrinsische Body-Diode des Schalters QAL, durch den Boost-Induktor IB zurück zum AC-Eingang. Der Rückstromfluss durch die Body-Diode des Schalters QAL ermöglicht es, QAL in einem ZVS-Zustand zum Zeitpunkt t4 einzuschalten, wodurch der Beginn des Zeitraums (f) markiert wird, der vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 (der dem Beginn des Schaltzyklus, d.h. dem Zeitpunkt t0, entspricht) verläuft. Sobald der Schalter QAL eingeschaltet ist, fließt der positive Strom 840f vom AC-Eingang durch den Boost-Induktor LB, durch den Schalter QAL und kehrt durch QBL zum AC-Eingang zurück. Entsprechende Wellenformen sind in 8B veranschaulicht.
  • Nun bezugnehmend auf die 8C und 8D ist die negative Halbzyklus-Schaltsequenz für das erste Steuerschema veranschaulicht. Während des negativen Halbzyklus des ersten Schaltschemas bleibt der Schalter QAH ausgeschaltet, der Schalter QAL bleibt eingeschaltet, und die Schalter QBH und QBL werden abwechselnd geschaltet, um eine gewünschte Ausgangsspannung Vout und den Leistungsfaktorkorrektur für den Eingang bereitzustellen. Beginnend zum Zeitpunkt t0 beginnt der Zeitraum (a). Während des Zeitraums (a) werden die High-Side-Schalter QAH und QBH beide ausgeschaltet, während die Low-Side-Schalter QAL und QBL beide eingeschaltet sind. Die entsprechenden Antriebssignale 802a, 802b, 802c und 802d sind in 8D veranschaulicht. Infolgedessen fließt der negative Induktorstrom 842a von der AC-Quelle durch die eingeschalteten Schalter QBL und QAL, durch den Induktor LB zurück zur AC-Eingangsquelle. Dadurch ergibt sich der zunehmend negative Induktorstrom 806 mit einem entsprechenden positiven Strom 862 durch den Schalter QBL. Die Ausgangsspannung Vout erscheint über die Schalter QAH (Wellenform 866) und QBH (Wellenform 867) hinweg.
  • Zum Zeitpunkt t1, wenn der Induktorstrom seinen Spitzenwert 807 erreicht, kann der Schalter QBL ausgeschaltet werden, beginnend mit dem Zeitraum (b), der sich vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 erstreckt. Während dieses Intervalls bleibt der Schalter QAL eingeschaltet, und die Schalter QAH, QBH und QBL sind alle ausgeschaltet. Infolgedessen fließt der negative Induktorstrom 842b vom AC-Eingang durch die intrinsische Body-Diode des Schalters QBH, durch die Last, durch den Schalter QAL und kehrt durch den Boost-Induktor LB zum AC-Eingang zurück. Entsprechende Antriebssignale 802a, 802b, 802c und 802d sind in 8D veranschaulicht. Während des Zeitraums (b) bleibt der Induktorstrom 806 an seiner negativen Spitze, aber der Stromfluss geht vom Fluss durch den Schalter QBL (Wellenform 862) zum Fluss durch den Schalter QBH (Wellenform 864) über. Die Ausgangsspannung erscheint weiterhin über den Schalter QAH (Wellenform 866), geht aber vom Auftreten über den Schalter QBH (Wellenform 862) zum Auftreten über den Schalter QBL (Wellenform 869) über.
  • Zum Zeitpunkt t2 kann der Schalter QBH im ZVS-Zustand eingeschaltet werden, aufgrund dessen, dass der Strom 842c durch die intrinsische Body-Diode des Schalters QBH fließt. Der Strom 842c fließt weiterhin, wie in 8C angegeben, beginnend an der AC-Quelle, durch den jetzt eingeschalteten Schalter QBH, durch die Last, durch den Schalter QAL, wobei er über den Boost-Induktor LB zum AC-Eingang zurückkehrt. Während der Zeitspanne (c) werden die Schalter QBH und QAL eingeschaltet, während die Schalter QAH und QBL ausgeschaltet sind. Die entsprechenden Antriebswellenformen 802a, 802b, 802c und 802d sind in 8D veranschaulicht. Auch in 8D veranschaulicht, nimmt der Induktorstrom 806 auf Null und dann auf einen leicht positiven Wert 863 ab. Die Ausgangsspannung erscheint weiterhin über Schalter QAH (Wellenform 866) und Schalter QBL (Wellenform 869) hinweg.
  • Die Zeitperiode (d), die dem kurzen Intervall um die Zeit t3 entspricht, veranschaulicht die Umkehrung des Stroms 842f (8C). Der umgekehrte Induktorsstrom 842f fließt von der AC-Quelle durch den Schalter QAL, rückwärts durch die Ausgangslast, durch den Schalter QBH zurück zum AC-Eingang. Während der Zeitdauer (d) bleiben die Schalter QBH und QAL eingeschaltet, die Schalter QAH und QBL bleiben ausgeschaltet. Entsprechende Antriebssignale 802a, 802b, 802c und 802d sind in 8D veranschaulicht. Nach der Zeit t3 fließt der positive Strom 842e weiterhin durch die Boost-Induktor Lb und den Schalter QAL, wobei er vom Fließen durch den Ausgang/die Last zum Fließen durch die intrinsische Body-Diode des Schalters QBL übergeht, wodurch er zum AC-Eingang zurückkehrt. Dies ermöglicht, dass der Schalter QBL in einem ZVS-Zustand zum Zeitpunkt t4 eingeschaltet wird, was dann ermöglicht, dass sich der Induktorstrom 842f wieder umkehrt, wodurch der Zyklus zum Zeitpunkt t5 zurückkehrt, was dem Zeitpunkt t0 entspricht, d. h. dem Beginn des negativen Halbzyklus.
  • Die 9A und 9B veranschaulichen zusammenfassende Flussdiagramme des oben unter Bezugnahme auf die 8A-8D beschriebenen Schaltschemas. Genauer gesagt bildet 9A ein Flussdiagramm 900 ab, das mit dem Bestimmen beginnt, ob sich die AC-Eingangswellenform im positiven oder negativen Halbzyklus befindet (Block 902). Es sollte beachtet werden, dass das Flussdiagramm 900 einen vorläufigen Schritt (nicht gezeigt) des Bestimmens, ob die Schaltung aktiviert oder deaktiviert ist, gemäß der obigen Erörterung in Bezug auf 2A-5 einschließen kann. Wenn sich die AC-Eingangswellenform in dem positiven Halbzyklus befindet, geht die Steuerung zu Block 904 über, in dem der High-Side-Schalter QBH der Phase B ausgeschaltet ist und der Low-Side-Schalter QBL der Phase B eingeschaltet ist. Diese Schalter bleiben für die Dauer des positiven Halbzyklus in diesen Stellungen.
  • Dann kann in Block 906 der Phase A Low-Side-Schalter QAL eingeschaltet werden, und der Phase A High-Side-Schalter QAH kann ausgeschaltet werden. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, kann der QAL-Einschaltübergang ein Nullspannungsschalt-(ZVS) -Übergang sein. In jedem Fall bewirkt diese Schaltkonfiguration, dass Strom durch den Boost-Induktor fließt und darin Energie speichert. Block 908 kann den Induktorstrom überwachen, um zu bestimmen, ob er seine vorbestimmte Spitzenstromgrenze erreicht hat. Wenn nicht, können die Schalter in Position bleiben, was bewirkt, dass der Induktorstrom weiter linear ansteigt, wenn mehr Energie in dem Induktor gespeichert wird. Andernfalls, wenn durch Block 908 bestimmt wird, dass der Induktorstrom seinen Spitzenwert erreicht hat, kann der Phase A Ein Low-Side-Schalter ausgeschaltet werden, wodurch der Induktorstrom zur Last umgeleitet wird.
  • Zusätzlich zum Ableiten von Energie zu der Last bewirkt diese Schaltkonfiguration, dass Strom durch die intrinsische Body-Diode des High-Side-Schalters QAH der Phase A fließt, was ermöglicht, dass der Schalter QAH in einem ZVS-Zustand eingeschaltet wird, wodurch die Betriebseffizienz der Schaltung verbessert wird. Wenn die Energie von dem Induktor an die Last geliefert wird, nimmt der Induktorstrom weiter linear ab, was in Block 914 überwacht werden kann. Solange der Strom oberhalb einer vorgegebenen negativen Stromgrenze bleibt, können die Schalter in dieser Stellung gehalten werden. Wenn der Induktorstrom eine vorbestimmte negative Stromgrenze erreicht, wie in Block 914 bestimmt, kann der Phase A High-Side-Schalter QAH ausgeschaltet werden (Block 916). Dann kann der Phase A High-Side-Schalter QAL in einem Nullspannungsschaltzustand eingeschaltet werden, und der Zyklus kann sich für die Dauer des positiven Halbzyklus der AC-Eingangswellenform wiederholen (und solange das Schalten aktiviert bleibt).
  • Während des negativen Zyklus der AC-Eingangswellenform geht die Steuerung von Block 902 zu Block 905 über, in welcher der Phase A High-Side-Schalter QAH ausgeschaltet ist und der Phase a Low-Side-Schalter QAL eingeschaltet ist. Dann wird in Block 907 der Phase B Low-Side-Schalter QBL eingeschaltet und der Phase B High-Side-Schalter QBH ausgeschaltet. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, kann der QBL-Einschaltübergang ein Nullspannungsschalt- (ZVS) -Übergang sein. Diese Schalterkonfiguration stellt einen negativen Strom durch den Induktor her, der Energie in dem Induktor speichert. Block 909 kann den Induktorstrom überwachen, um zu bestimmen, ob er eine vorbestimmte Induktorstromgrenze erreicht hat. Wenn nicht, können die Schalter in Position belassen werden, wodurch weiterhin Energie in dem Induktor gespeichert wird. Ist dies der Fall, so geht die Steuerung zu Block 911 über, in dem der Phase B Low-Side-Schalter QBL ausgeschaltet ist. Dies beginnt mit der Übertragung von Energie von dem Boost-Induktor auf die Last und stellt auch eine Stromflussbedingung her, die es ermöglicht, dass der Phase B High-Side-Schalter QBH in einer Nullspannungsbedingung eingeschaltet wird, wodurch die Betriebseffizienz der Schaltung verbessert wird.
  • Wenn die in dem Boost-Induktor gespeicherte Energie auf die Last übertragen wird, nimmt der (negative) Induktorsstrom weiter ab. Block 915 kann den Induktorstrom überwachen und auf eine Stromumkehr auf einen leicht positiven Wert warten. Bis zum Erreichen dieser leicht positiven Stromgrenze können die Schalter in ihrer Konfiguration belassen werden. Sobald die positive Stromgrenze erreicht ist, kann der Phase B High-Side-Schalter QBH ausgeschaltet werden (Block 917), was einen Zustand einstellt, in dem der Phase B Low-Side-Schalter in einem ZVS-Zustand eingeschaltet werden kann. Der Zyklus kann sich für die Dauer des negativen Halbzyklus der AC-Eingangswellenform wiederholen (und solange die Schaltung aktiviert bleibt).
  • 9B veranschaulicht ein weiteres vereinfachtes Flussdiagramm 920, das denselben Steuervorgang darstellt und zusammenfasst. Anfangs kann in Block 922 bestimmt werden, ob die Schaltung aktiviert ist (z. B. gemäß den oben in Bezug auf 2A-5 beschriebenen Techniken. Wenn nicht, kann Block 922 weiterhin auf eine aktivierte Schaltung testen, und, wenn eine Schaltung aktiviert ist, kann Block 924 bestimmen, ob sich die AC-Eingangswellenform gegenwärtig in ihrem negativen oder positiven Halbzyklus befindet. Wenn sie sich in dem positiven Halbzyklus befindet kann die Steuerung mit Block 926 fortfahren, in dem der High-Side-Schalter der ersten Phase ausgeschaltet werden kann und der Low-Side-Schalter der ersten Phase eingeschaltet werden kann. Die Steuerung kann dann zu Block 928 übergehen, wo die High- und Low-Side-Schalter der zweiten Phase abwechselnd im kritischen Leitungsmodus mit negativen Stromgrenzen geschaltet werden können, um Nullspannungsschaltung zu erreichen. Alternativ kann, wenn in Block 924 bestimmt wird, dass sich die AC-Eingangsquelle in ihrem negativen Halbzyklus befindet, die Steuerung zu Block 927 übergehen, in dem der High-Side-Schalter der zweiten Phase ausgeschaltet werden kann und der Low-Side-Schalter der zweiten Phase eingeschaltet werden kann. Die Steuerung kann dann zu Block 929 übergehen, in dem die High- und Low-Side-Schalter der ersten Phase abwechselnd im kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze geschaltet werden, um Nullspannungsschalt-Einschaltübergänge zu ermöglichen.
  • Die vorhergehenden Flussdiagramme von den 9A und 9B können durch jede geeignete Steuerung implementiert werden, einschließlich analoger Steuerschaltlogik, digitaler Steuerschaltlogik (einschließlich Steuerschaltlogik unter Verwendung von Logikgattern und ähnlichen Elementen oder programmierbaren Prozessoren, Steuerungen, Mikrosteuerungen usw.). In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung als hybride Analog-/Digital-Schaltlogik implementiert sein und kann in mindestens einigen Ausführungsformen in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung implementiert sein.
  • Nun bezugnehmend auf die 10A und 10B wird die positive Halbzyklus-Schaltsequenz für das zweite Steuerschema veranschaulicht. Bezugnehmend auf Block (a) von 10A werden beginnend zum Zeitpunkt t0 die High-Side-Schalter QAH und QBH eingeschaltet, wobei die Low-Side-Schalter QAL und QBL ausgeschaltet sind. Entsprechende Antriebssignale 1002a (QAH), 1002b (QAL), 1002c (QBH) und 1002d (QBL) sind in 10B veranschaulicht. Infolge dieser Schalterkonfiguration fließt ein positiver Induktorstrom 1040a von der AC-Quelle durch den Schalter QAH, durch den Schalter QBH zurück zur AC-Quelle. Dieser Strom ist ein linear ansteigender Strom, wie durch die Wellenform 1006 in 10B veranschaulicht. Wellenform 1062 veranschaulicht einen entsprechenden ansteigenden Strom durch Schalter QBH. Wie durch die Wellenformen 1066 -1069 veranschaulicht, erscheint die Wandlerausgangsspannung Vout über die Schalter QBH und QAL hinweg.
  • Zum Zeitpunkt t1, wenn der Induktorstrom iLB die Spitzenstromgrenze 1007 erreicht, kann der Schalter QBH ausgeschaltet werden. Der Strom 1040b fließt weiterhin durch den Boost-Induktor LB. Da QBH ausgeschaltet ist, fließt der Strom durch die Last und kehrt durch die intrinsische Body-Diode des Low-Side-Schalters QBL zur AC-Quelle zurück. Die entsprechenden Antriebssignale 1002a-1002d sind in 10B veranschaulicht, die alle Schalter außer QAH ausgeschaltet zeigen. Wie durch die Wellenformen 1062 (Schalter-QBH-Strom) und 1064 (Schalter-QBL-Strom) veranschaulicht, geht der Induktorstrom (jetzt auch Laststrom) von Schalter QBH zu QBL über. Ebenso geht die Ausgangsspannung vom Auftreten über Schalter QAL (Spannungswellenform 1068) und Schalter QBH (Wellenform 1067) hinweg zum Auftreten über Schalter QAL (Spannungswellenform HH68) und Schalter QBL (Wellenform 1069) hinweg, über.
  • Der Strom 1040b, der durch die intrinsische Body-Diode des Schalters QBL fließt, ermöglicht es, den Schalter QBL in einem ZVS-Zustand zum Zeitpunkt t2 einzuschalten. Dies beginnt mit dem Zeitraum (c), in dem der Induktorstrom 1040c weiterhin durch den Boost-Induktor IB, durch den High-Side-Schalter QAH, der eingeschaltet bleibt, durch die Last fließt und durch den nun eingeschalteten Low-Side-Schalter QBL zur AC-Quelle zurückkehrt. Wie in 10b veranschaulicht, sind während des Zeitraums von t2 bis t3 (d. h. Zeitraum (c)) die Antriebssignale 1002a und 1002d hoch, was dem Einschalten der Schalter QAH und QBL entspricht, und die Antriebssignale 1002b und 1002c sind niedrig, was dem Ausschalten der Schalter QAL und QBH entspricht. Während dieses Zeitraums wird in dem Boost-Induktor LB gespeicherte Energie an die Last entladen, wie durch den linear abnehmenden Induktorsstrom 1006 veranschaulicht. Dies schließt eine entsprechende Abnahme des Stroms durch den Schalter QBL ein, veranschaulicht in der Wellenform 1064. Wie im Zeitraum (b) erscheint die Ausgangsspannung über die Schalter QAL und QBL hinweg.
  • Zum Zeitpunkt t3 sinkt der Induktorstrom auf eine negative Stromgrenze 1063, wie oben erörtert. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Strom 1040d umgekehrt durch den Induktor. Der Stromflusspfad verläuft somit von der AC-Quelle, durch den Schalter QBL, der eingeschaltet bleibt, durch die Last (in Rückrichtung), durch den Schalter QAH, durch den Boost-Induktor LB, zurück zur AC-Eingangsquelle. Entsprechende Schalterantriebswellenformen 1002a-1002d sind in 10B gezeigt. Zum Zeitpunkt t3 kann der Low-Side-Schalter QBL ausgeschaltet werden, was bewirkt, dass der negative Strom 1040e entlang des in Block (e) von 10A angegebenen Pfads fließt. Genauer gesagt fließt der Strom weiterhin von der AC-Quelle durch die intrinsische Body-Diode des High-Side-Schalters QBH, durch den High-Side-Schalter QAH (der kontinuierlich eingeschaltet bleibt), zurück durch den Boost-Induktor LB zur AC-Quelle. Der Rückstrom, der durch die Body-Diode des High-Side-Schalters QBH fließt, ermöglicht es, den Schalter in einem ZVS-Schaltzustand zum Zeitpunkt t4, beginnend mit dem Zeitraum (f), der dem vorstehend erörterten Zeitraum (a) entspricht, einzuschalten.
  • Nun bezugnehmend auf die 10C und 10D ist die negative Halbwellen-Schaltsequenz für das zweite Steuerschema veranschaulicht. Während des negativen Halbzyklus des zweiten Schaltschemas werden, beginnend zum Zeitpunkt t0, die High-Side-Schalter QAH und QBH ausgeschaltet, wobei die Low-Side-Schalter QAL und QBL eingeschaltet sind, entsprechend den Antriebssignale 1002a-1002d, die in 10D veranschaulicht sind. Infolge dieser Schalterkonfiguration fließt der Induktorstrom 1042a von der AC-Quelle durch die Low-Side-Schalter QBL und QAL und kehrt über den Boost-Induktor LB zur AC-Quelle zurück. Dies führt zu einem linear ansteigenden Induktorstrom iLB (Wellenform 1006), der Energie in dem Induktor speichert. Wellenform 1062 veranschaulicht den entsprechenden ansteigenden Strom durch den Low-Side-Schalter QBL. Wie durch die Spannungswellenformen 1066-1069 veranschaulicht, erscheint während dieses ersten Zeitraums (a) zwischen dem Zeitpunkt t0 und t1 die Ausgangsspannung über die High-Side-Schalter QAH und QBH hinweg.
  • Zum Zeitpunkt t1, wenn der Induktorstrom iLB seine programmierte Spitzengrenze 1007 erreicht, kann der Low-Side-Schalter QBL ausgeschaltet werden, beginnend mit dem Zeitraum (b). Infolgedessen fließt Strom 1042b von der AC-Quelle durch die intrinsische Body-Diode des High-Side-Schalters QBH, durch die Last, durch den Low-Side-Schalter QAL (der während des gesamten negativen Halbzyklus eingeschaltet bleibt) und kehrt über den Boost-Induktor LB zur AC-Quelle zurück. Außerdem geht der Strom vom Fluss durch den Low-Side-Schalter QBL zum High-Side-Schalter QBH über, wie durch die Wellenformen 1062 und 1064 veranschaulicht. Entsprechend geht die Ausgangsspannung vom Auftreten über die High-Side-Schalter QAH und QBH hinweg zum Auftreten über den High-Side-Schalter QAH und den Low-Side-Schalter QBL hinweg über, wie durch die Spannungswellenformen 1066-1069 veranschaulicht.
  • Zum Zeitpunkt t2 kann, wenn der Strom 1042b durch die intrinsische Body-Diode des High-Side-Schalters QBH fließt, der Schalter QBH in einem Nullspannungszustand eingeschaltet werden, was den Beginn des Zeitraums (c) markiert. Während dieses Zeitraums fließt weiterhin Strom vom AC-Eingang durch den High-Side-Schalter QBH, durch die Last, durch den Low-Side-Schalter QAL und kehrt über den Boost-Induktor LB zur AC-Quelle zurück. Die entsprechenden Antriebsspannungswellenformen 1002a-1002d sind in 10D veranschaulicht. Wie durch die Stromwellenform 1006 veranschaulicht, nimmt der Induktorstrom iLB ab, wodurch die in dem Boost-Induktor IB gespeicherte Energie an die Last geliefert wird. Zusätzlich bleibt während dieses Zeitraums die Ausgangsspannung über den High-Side-Schalter QAH und den Low-Side-Schalter QBL hinweg, wie durch die Spannungswellenformen 1066-1069 veranschaulicht.
  • Der Boost-Induktorstrom iLB nimmt weiter ab bis zu dem Zeitpunkt t3, zu dem er eine negative (in diesem Fall tatsächlich positive) Stromgrenze 1063 erreicht. Zum Zeitpunkt t3 fließt der Strom 1042d von der AC-Quelle durch den Induktor IB, durch den Low-Side-Schalter QAL, der durchgängig eingeschaltet bleibt, durch die Last (in einer umgekehrten Richtung) und kehrt über den High-Side-Schalter QBH zur AC-Quelle zurück. Der High-Side-Schalter QBH kann zu diesem Zeitpunkt ausgeschaltet werden. Die entsprechenden Antriebssignale 1002a-1002d sind in 10D veranschaulicht. Zum Zeitpunkt t3 beginnt der Strom, vom High-Side-Schalter QBH zurück zum Low-Side-Schalter QBL überzugehen, wie durch die Stromwellenformen 1062 und 1064 veranschaulicht. Gleichermaßen wechselt die Ausgangsspannung, die über den High-Side-Schalter QAH und den Low-Side-Schalter QBL hinweg erscheint, zu einem Erscheinen über die High-Side-Schalter QAH und QBH hinweg, wie durch die Spannungswellenformen 1066-1069 veranschaulicht.
  • Der Ausschalter QBH führt zu dem in 10C veranschaulichten Stromflusspfad 1042e. Der Strom 1042e fließt weiterhin durch den Boost-Induktor LB, durch den Low-Side-Schalter QAL, der durchgängig eingeschaltet bleibt, durch die intrinsische Body-Diode des Low-Side-Schalters QBL und kehrt zur AC-Eingangsquelle zurück. Der Strom durch die Body-Diode des Schalters QBL ermöglicht es, den Low-Side-Schalter QBL in einem ZVS-Schaltzustand zum Zeitpunkt t4 einzuschalten, der den Zeitraum (f) beginnt, der dem vorstehend erörterten Zeitraum (a) entspricht. Entsprechende Wellenformen sind in 10D veranschaulicht.
  • Die 11A und 11B veranschaulichen zusammenfassende Flussdiagramme des zweiten Schaltschemas, das vorstehend unter Bezugnahme auf die 10A-10D beschrieben wird. Genauer gesagt bildet 11A ein Flussdiagramm 1100 ab, das mit dem Bestimmen beginnt, ob sich die AC-Eingangswellenform im positiven oder negativen Halbzyklus befindet (Block 1102). Es sollte beachtet werden, dass das Flussdiagramm 1100 einen vorläufigen Schritt (nicht gezeigt) des Bestimmens, ob die Schaltung aktiviert oder deaktiviert ist, gemäß der obigen Erörterung in Bezug auf 2A-5 einschließen kann. Wenn sich die AC-Eingangswellenform im positiven Halbzyklus befindet, geht die Steuerung zu Block 1104 über, in dem der Phase A High-Side-Schalter QAH eingeschaltet wird und der Phase A Low-Side-Schalter QAL ausgeschaltet wird. Diese Schalter bleiben für die Dauer des positiven Halbzyklus in diesen Stellungen.
  • Dann kann in Block 1106 der Phase B Low-Side-Schalter QBL ausgeschaltet werden, und der Phase B High-Side-Schalter QBH kann eingeschaltet werden. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, kann der QBH-Einschaltübergang ein Nullspannungsschalt-(ZVS) -Übergang sein. In jedem Fall bewirkt diese Schaltkonfiguration, dass Strom durch den Boost-Induktor fließt und darin Energie speichert. Block 1108 kann den Induktorstrom überwachen, um zu bestimmen, ob er seine vorbestimmte Spitzenstromgrenze erreicht hat. Wenn nicht, können die Schalter in Position bleiben, was bewirkt, dass der Induktorstrom weiter linear ansteigt, wenn mehr Energie in dem Induktor gespeichert wird. Andernfalls kann, wenn durch Block 1108 bestimmt wird, dass der Induktorstrom seinen Spitzenwert erreicht hat, der High-Side-Schalter der Phase B ausgeschaltet werden, wodurch der Induktorstrom zur Last umgeleitet wird.
  • Zusätzlich zum Ableiten von Energie an die Last bewirkt diese Schaltkonfiguration, dass Strom durch die intrinsische Body-Diode des Low-Side-Schalters QBL der Phase B fließt, was ermöglicht, dass der Schalter QBL in einem ZVS-Zustand eingeschaltet wird, wodurch die Betriebseffizienz der Schaltung verbessert wird. Wenn die Energie von dem Induktor an die Last geliefert wird, nimmt der Induktorstrom weiter linear ab, was in Block 1114 überwacht werden kann. Solange der Strom oberhalb einer vorgegebenen negativen Stromgrenze bleibt, können die Schalter in dieser Stellung gehalten werden. Wenn der Induktorstrom eine vorbestimmte negative Stromgrenze erreicht, wie in Block 1114 bestimmt, kann der Low-Side-Schalter QBH der Phase B ausgeschaltet werden (Block 1116). Dann kann der High-Side-Schalter QBH der Phase B in einem Nullspannungs-Schaltzustand eingeschaltet werden, und der Zyklus kann sich für die Dauer des positiven Halbzyklus der AC-Eingangswellenform wiederholen (und solange das Schalten aktiviert bleibt).
  • Während des negativen Zyklus der AC-Eingangswellenform geht die Steuerung von Block 1102 zu Block 1105 über, in der ein High-Side-Schalter QAH der Phase A ausgeschaltet ist und ein Low-Side-Schalter QAL der Phase A eingeschaltet ist. Dann wird in Block 1107 der Low-Side-Schalter QBL der Phase B eingeschaltet und der High-Side-Schalter QBH der Phase B ausgeschaltet. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, kann der QBL-Einschaltübergang ein Nullspannungsschalt- (ZVS) -Übergang sein. Diese Schalterkonfiguration stellt einen negativen Strom durch den Induktor her, der Energie in dem Induktor speichert. Block 1109 kann den Induktorstrom überwachen, um zu bestimmen, ob er eine vorbestimmte Induktorstromgrenze erreicht hat. Wenn nicht, können die Schalter in Position belassen werden, wodurch weiterhin Energie in dem Induktor gespeichert wird. Ist dies der Fall, so geht die Steuerung zu Block 1111 über, in dem der Low-Side-Schalter QBL der Phase B ausgeschaltet ist. Dies beginnt mit der Übertragung von Energie von dem Boost-Induktor auf die Last und stellt auch eine Stromflussbedingung her, die es ermöglicht, dass der Phase B High-Side-Schalter QBH in einer Nullspannungsbedingung eingeschaltet wird, wodurch die Betriebseffizienz der Schaltung verbessert wird.
  • Wenn die in dem Boost-Induktor gespeicherte Energie auf die Last übertragen wird, nimmt der (negative) Induktorsstrom weiter ab. Block 1115 kann den Induktorstrom überwachen, um auf eine Stromumkehr auf einen leicht positiven Wert zu warten. Bis zum Erreichen dieser leicht positiven Stromgrenze können die Schalter in ihrer Konfiguration belassen werden. Sobald die positive Stromgrenze erreicht ist, kann der High-Side-Schalter QBH der Phase B ausgeschaltet werden (Block 1117), was einen Zustand einstellt, in dem der Low-Side-Schalter QBL der Phase B in einem ZVS-Zustand eingeschaltet werden kann (Block 1119). Der Zyklus kann sich für die Dauer des negativen Halbzyklus der AC-Eingangswellenform wiederholen (und solange die Schaltung aktiviert bleibt).
  • 11B veranschaulicht ein weiteres vereinfachtes Flussdiagramm 1120, das denselben Steuervorgang darstellt und zusammenfasst. Anfangs kann in Block 1122 bestimmt werden, ob die Schaltung aktiviert ist (z. B. gemäß den oben in Bezug auf 2 A-5 beschriebenen Techniken. Wenn nicht, kann Block 1122 weiterhin auf eine aktivierte Schaltung testen, und, wenn eine Schaltung aktiviert ist, kann Block 1124 bestimmen, ob sich die AC-Eingangswellenform gegenwärtig in ihrem negativen oder positiven Halbzyklus befindet. Wenn sie sich in dem positiven Halbzyklus befindet kann die Steuerung mit Block 1126 fortfahren, in dem der High-Side-Schalter der ersten Phase eingeschaltet werden kann und der Low-Side-Schalter der ersten Phase ausgeschaltet werden kann. Die Steuerung kann dann zu Block 1128 übergehen, wo die High- und Low-Side-Schalter der zweiten Phase abwechselnd im kritischen Leitungsmodus mit negativen Stromgrenzen geschaltet werden können, um Nullspannungsschaltung zu erreichen.
  • Alternativ kann, wenn in Block 1124 bestimmt wird, dass sich die AC-Eingangsquelle in ihrem negativen Halbzyklus befindet, die Steuerung zu Block 1127 übergehen, in dem der High-Side-Schalter der ersten Phase ausgeschaltet werden kann und der Low-Side-Schalter der ersten Phase eingeschaltet werden kann. Die Steuerung kann dann zum Block 1129 übergehen, in dem die High- und Low-Side-Schalter der zweiten Phase abwechselnd im kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze geschaltet werden, um Nullspannungsschalt-Einschaltübergänge zu ermöglichen.
  • Die vorhergehenden Flussdiagramme von 11A und 11B können durch jede geeignete Steuerung implementiert werden, einschließlich analoger Steuerschaltlogik, digitaler Steuerschaltlogik (einschließlich Steuerschaltlogik unter Verwendung von Logikgattern und ähnlichen Elementen oder programmierbaren Prozessoren, Steuerungen, Mikrosteuerungen usw.). In einigen Ausführungsformen kann die Steuerung als hybride Analog-/Digital-Schaltlogik implementiert sein und kann in mindestens einigen Ausführungsformen in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung implementiert sein.
  • Vorstehend werden verschiedene Merkmale und Ausführungsformen in Bezug auf Boost- /PFC-Wandler beschrieben. Solche Schaltungen können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, können jedoch besonders vorteilhaft sein, wenn sie in Verbindung mit Computerstromversorgungen, AC-DC-Wandlern/Adaptern (umgangssprachlich als Ladegeräte oder externe Leistungsbausteine bekannt) für tragbare elektronische Vorrichtungen, Kleinformfaktor-Computern und dergleichen verwendet werden. Zusätzlich versteht es sich, obwohl zahlreiche spezifische Merkmale und verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, dass, sofern nicht anders als sich gegenseitig ausschließend angemerkt, die verschiedenen Merkmale und Ausführungsformen in einer bestimmten Implementierung in verschiedenen Permutationen kombiniert werden können. Somit werden die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nur als Veranschaulichung bereitgestellt und sollten nicht konstruiert sein, um den Umfang der Offenbarung einzuschränken. Verschiedene Modifikationen und Änderungen können an den Prinzipien und Ausführungsformen hierin vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen und ohne vom Schutzumfang der Patentansprüche abzuweichen.

Claims (19)

  1. Leistungswandler, umfassend: einen Eingang, der konfiguriert ist, um eine AC-Eingangsspannung zu empfangen; einen Gleichrichter, der konfiguriert ist, um die AC-Eingangsspannung in eine gleichgerichtete AC-Eingangsspannung umzuwandeln; einen Boost-Wandler, der konfiguriert ist, um die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung zu empfangen und eine geregelte Ausgangsspannung zu liefern; und eine Steuerschaltung, die mit dem Boost-Wandler gekoppelt und konfiguriert ist zum: Überwachen der geregelten Ausgangsspannung, eines Eingangsstroms des Boost-Wandlers und der gleichgerichteten AC-Eingangsspannung; Schalten mindestens einer Schaltvorrichtung des Boost-Wandlers, um die geregelte Ausgangsspannung zu liefern, während der Eingangsstrom in Phase mit der gleichgerichteten AC-Eingangsspannung gehalten wird; und selektives Aktivieren der Schaltung des Boost-Wandlers als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung größer als eine Schwellenspannung ist, und selektives Deaktivieren der Schaltung des Boost-Wandlers als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die gleichgerichtete AC-Eingangsspannung kleiner als die Schwellenspannung ist.
  2. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei der Boost-Wandler Folgendes umfasst: einen Boost-Induktor mit einem ersten Anschluss, der mit der gleichgerichteten AC-Eingangsspannung gekoppelt ist; eine Boost-Schaltvorrichtung, die zwischen einem zweiten Anschluss des Boost-Induktors und der Masse gekoppelt ist; und einen Boost-Gleichrichter mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Boost-Induktors gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem Ausgang des Wandlers gekoppelt ist.
  3. Leistungswandler nach Anspruch 2, wobei der Boost-Gleichrichter eine Gleichrichterschaltvorrichtung ist, die komplementär zu der Boost-Schaltvorrichtung geschaltet ist.
  4. Leistungswandler nach Anspruch 3, wobei die Gleichrichterschaltvorrichtung komplementär zu der Boost-Schaltvorrichtung mit einer Totzeit geschaltet wird.
  5. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Schwellenspannung Null ist.
  6. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist, um die Schaltung des Boost-Wandlers unter Verwendung eines Aktiv-Burst-Modus-Signals mit einer Frequenz, die niedriger als eine Schaltfrequenz des Boost-Wandlers ist, selektiv zu aktivieren und zu deaktivieren.
  7. Leistungswandler nach Anspruch 6, wobei das Aktiv-Burst-Modus-Signal Null ist, wenn die Eingangsspannung unter der Schwellenspannung liegt.
  8. Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist, um mindestens eine Schaltvorrichtung des Boost-Wandlers in einem Nullspannungsschaltzustand zu betreiben.
  9. Leistungswandler nach Anspruch 8, ferner umfassend einen NullspannungsSchaltkondensator, der mit dem Boost-Wandler gekoppelt ist, wobei die Steuerschaltung konfiguriert ist, um das Timing von mindestens einer Schaltvorrichtung des Boost-Wandlers zu steuern, um einen Rückstrom durch die mindestens eine Schaltvorrichtung vor dem Einschalten der mindestens einen Schaltvorrichtung zu ermöglichen, wodurch eine Nullspannungsschaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung ermöglicht wird.
  10. AC/DC-Wandlerschaltung, umfassend: eine erste Phase, die einen ersten High-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit einem DC-Ausgangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem ersten AC-Eingangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einen ersten Low-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten High-Side-Schalters gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist, einschließt; eine zweite Phase, die einen zweiten High-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit dem DC-Ausgangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit einem zweiten AC-Eingangsanschluss des Wandlers gekoppelt ist, und einen zweiten Low-Side-Schalter mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des zweiten High-Side-Schalters gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit Masse gekoppelt ist, einschließt; und mindestens einen Induktor, der zwischen mindestens einem der ersten und zweiten AC-Eingangsanschlüsse und einer AC-Eingangsquelle gekoppelt ist; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um die erste und die zweite Schaltphase gemäß einer Schaltsequenz während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangsspannung zu betreiben und die erste und die zweite Schaltphase gemäß einer zweiten Schaltsequenz während eines negativen Halbzyklus der AC-Eingangsspannung zu betreiben; wobei die Steuerung ferner konfiguriert ist, um die Schaltung der ersten und der zweiten Schaltphase selektiv zu aktivieren als Reaktion auf eine Bestimmung, dass ein Momentanwert der AC-Eingangsspannung größer als eine Schwellenspannung ist, und eine Schaltung des Boost-Wandlers selektiv zu deaktivieren als Reaktion auf eine Bestimmung, dass der Momentanwert der AC-Eingangsspannung kleiner als die Schwellenspannung ist.
  11. AC/DC-Wandlerschaltung nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Induktor einen ersten Induktor, der zwischen dem ersten AC-Eingangsanschluss und der AC-Eingangsquelle gekoppelt ist, und einen zweiten Induktor, der zwischen dem zweiten AC-Eingangsanschluss und der AC-Eingangsquelle gekoppelt ist, umfasst.
  12. AC/DC-Wandler nach Anspruch 10, wobei die Schaltsequenz während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangsspannung Folgendes umfasst: Ausschalten des ersten High-Side-Schalters der ersten Phase; Einschalten des ersten Low-Side-Schalters der ersten Phase; und Schalten des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze, wodurch eine Nullspannungsschaltung des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters erreicht wird.
  13. AC/DC-Wandler nach Anspruch 10, wobei die Schaltsequenz während eines negativen Halbzyklus der AC-Eingangsspannung Folgendes umfasst: Ausschalten des zweiten High-Side-Schalters der zweiten Phase; Einschalten des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase; und Schalten des ersten High-Side-Schalters und des ersten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze, wodurch eine Nullspannungsschaltung des ersten High-Side-Schalters und des ersten Low-Side-Schalters erreicht wird.
  14. AC/DC-Wandler nach Anspruch 10, wobei die Schaltsequenz während eines positiven Halbzyklus der AC-Eingangsspannung Folgendes umfasst: Einschalten des ersten High-Side-Schalters der ersten Phase; Ausschalten des ersten Low-Side-Schalters der ersten Phase; und Schalten des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze, wodurch eine Nullspannungsschaltung des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters erreicht wird.
  15. AC/DC-Wandler nach Anspruch 10, wobei die erste Schaltsequenz während eines negativen Halbzyklus der AC-Eingangsspannung Folgendes umfasst: Einschalten des ersten High-Side-Schalters der ersten Phase; Ausschalten des ersten Low-Side-Schalters der ersten Phase; und Schalten des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters der zweiten Phase in einem kritischen Leitungsmodus mit einer negativen Stromgrenze, wodurch eine Nullspannungsschaltung des zweiten High-Side-Schalters und des zweiten Low-Side-Schalters erreicht wird.
  16. Verfahren zum Betreiben eines AC/DC-Wandlers, das Verfahren umfassend: Überwachen einer geregelten Ausgangsspannung, eines Eingangsstroms und einer Eingangsspannung des Wandlers; selektive Schaltung mindestens einer Schaltvorrichtung, um die geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen, während der Eingangsstrom in Phase mit der Eingangsspannung gehalten wird; und selektives Aktivieren der Schaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Eingangsspannung größer als eine Schwellenspannung ist, und selektives Deaktivieren der Schaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung als Reaktion auf eine Bestimmung, dass die Eingangsspannung kleiner als die Schwellenspannung ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Schwellenspannung Null ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das selektive Aktivieren der Schaltung und das selektive Deaktivieren der Schaltung der wenigstens einen Schaltvorrichtung das Verwenden eines Aktiv-Burst-Modus-Signals mit einer Frequenz umfasst, die niedriger ist als eine Schaltfrequenz des Boost-Wandlers.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die selektive Schaltung mindestens einer Schaltvorrichtung die Schaltung der mindestens einen Schaltvorrichtung in einen Nullspannungsschaltzustand umfasst.
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