TW201935836A - 整合型自驅動式主動箝位 - Google Patents

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Abstract

一種主動箝位電路包括：一主動箝位電容器，該主動箝位電容器與一主動箝位開關串聯地耦合；以及一主動箝位控制器電路，該主動箝位控制器電路用於接收通過該主動箝位開關之一主動箝位開關電流且基於所接收之主動箝位開關電流來控制該主動箝位開關。該主動箝位控制器電路經組態以基於一第一振幅比較來賦能該主動箝位開關，該第一振幅比較係基於該主動箝位開關電流。該主動箝位控制器電路經組態以基於一第二振幅比較及一第三振幅比較來去能該主動箝位開關，該第二振幅比較及該第三振幅比較係基於該主動箝位開關電流。

Description

整合型自驅動式主動箝位
相關申請案
本申請案主張2018年9月28日提交且標題為「Integrated Self-Driven Active Clamp」之美國非臨時專利申請案第16/145,819號之優先權，該申請案主張2018年2月2日提交且標題為「Integrated Adaptive Active Clamp」之美國臨時專利申請案第62/625,691號之優先權，該等申請案全部藉此出於所有目的以引用方式併入。
本發明係有關於整合型自驅動式主動箝位。
開關模式電源供應器(SMPS)係現代電子裝置中之電力管理組件。該等開關模式電源供應器尤其將電力(有效且電隔離之電力)提供至多個負載。為了達成高電力處理效率及/或電隔離，習知地，需要一或多個磁耦合之元件、半導體開關及相關聯之閘極驅動器電路。
磁耦合元件通常會經歷不小之漏電感現象，此使得需要可負擔得起之電壓吸收器電路以控制半導體開關之峰值汲極-源極電壓。由於SMPS之價格敏感性質，吸收器電路習知地限於有成本效益之被動及功率有損之電阻器-電容器-二極體(RCD)組態。
在對功率損失及熱產生敏感之系統中，呈熱形式的有損組件中之損耗係不合適的。因此，在該系統內使用主動箝位組態來回收利用能量為系統外形尺寸減小及功率效率提高提供了機會。
另外，箝制開關電力電晶體之最大汲極-源極電壓實現了具有提高之優值(FOM)之電力電晶體的增加之裝置可靠性及使用。提高之FOM使得SMPS能夠以較高切換頻率來操作，同時維持高電力處理效率。此外，提高之FOM實現了SMPS無功組件大小及成本之減小。
在一些實施例中，一種主動箝位電路包括：一主動箝位電容器，該主動箝位電容器與一主動箝位開關串聯地耦合；以及一主動箝位控制器電路。該主動箝位控制器電路接收通過該主動箝位開關之一主動箝位開關電流且基於所接收之主動箝位開關電流來控制該主動箝位開關。該主動箝位控制器電路經組態以基於一第一振幅比較來賦能該主動箝位開關，該第一振幅比較係基於該主動箝位開關電流。該主動箝位控制器電路經組態以基於一第二振幅比較及一第三振幅比較來去能該主動箝位開關，該第二振幅比較及該第三振幅比較係基於該主動箝位開關電流。
在一些實施例中，一種設備包括用於將來自一電壓源之一輸入電壓轉換成一輸出電壓的一電力轉換器電路。該電力轉換器電路包括具有一一次繞組及一二次繞組之一變壓器，該一次繞組之一第一繞組節點耦合至該電壓源以接收該輸入電壓。該設備包括：一主開關，該主開關耦合至該一次繞組之一第二繞組節點以控制通過該一次繞組之一電流；以及一主動箝位電路，該主動箝位電路用於箝制該一次繞組之該第二繞組節點處的一電壓。該主動箝位電路包括：i)串聯地耦合至一主動箝位開關之一主動箝位電容器之一串聯電路組合，該串聯電路組合與該一次繞組並聯地耦合；以及ii)一主動箝位控制器電路，該主動箝位控制器電路用於接收通過該主動箝位開關之一主動箝位開關電流且基於該主動箝位開關電流來控制該主動箝位開關。該主動箝位控制器電路經組態以基於一第一振幅比較來賦能該主動箝位開關，該第一振幅比較係基於該主動箝位開關電流。該主動箝位控制器電路經組態以基於一第二振幅比較及一第三振幅比較來去能該主動箝位開關，該第二振幅比較及該第三振幅比較係基於該主動箝位開關電流。
本文中闡述之一些實施例提供用於在電力轉換器中使用之自驅動式主動箝位電路及自驅動式主動箝制方法，該電力轉換器使用變壓器將輸入電壓轉換成輸出電壓。在一些實施例中，本文中闡述之自驅動式主動箝位替代習知電力轉換器之電阻器-電容器-二極體(RCD)吸收器電路之二極體，有利地將習知電力轉換器轉變成具有自驅動式主動箝制之電力轉換器，而無需改變該電力轉換器之額外控制電路(諸如一次側電力管理整合型電路或二次側同步開關控制器整合型電路)。在其他實施例中，該自驅動式主動箝位電路整合至電力轉換器之初始設計中。
該自驅動式主動箝位電路有利地藉由回收利用儲存於變壓器之漏電感中之能量來提高電力轉換器之電力處理效率。為了進一步提高輕度至中度電力處理效率，在一些實施例中，在該電力轉換器之輕負載及低線路操作期間(例如，在一次側開關之汲極-源極電壓低於電壓臨限值(諸如500V)時)，有利地去能該主動箝位電路。
根據一些實施例，該自驅動式主動箝位電路箝制主開關之一次側峰值電壓，如此使得電力轉換器能夠利用具有較低電壓額定值之一次側及/或二次側開關，導致在開關導通及/或切換期間減小之功率損失。在一些實施例中，該自驅動式主動箝位電路在自驅動式主動箝位電路之主動箝位場效電晶體(FET)開關之內接二極體開始導通(例如，該開關之源極-汲極電流流經該開關)時接通且在接近通過該開關之源極-汲極電流之第二零交叉時斷開。因此，如與習知主動箝位解決方案相比，自驅動式主動箝位電路之接通時間可有利地減少，因為主動箝位切換無需與主開關接通時間一致。因此，可利用與習知箝位電路相比較小之主動箝位電容器，因為該主動箝位電路之共振週期較短。因為該主動箝位電容器為高電壓組件，因此使用較小之電容可導致顯著之成本降低好處。
在輕負載時，零電壓切換習知地難以使用習知主動箝位電路來達成，因為主開關接通時間之間的時段明顯較長。本文中闡述之自驅動式主動箝位電路之實施例允許在輸出負載電流之寬範圍內電力轉換器之一次側上的主開關之近零電壓切換，而無需精確地調變變壓器勵磁電感電流值。此類實施例經由主動箝位電容器之放電而誘發低振幅共振勵磁電感電流，如此放大了準共振電壓振幅。此有利地導致在第一穀處在準共振操作期間的主開關之近零電壓切換及在第二且較高穀處明顯減小之主開關接通電壓。
如與習知主動箝位零電壓切換方法相比，本文中闡述之自驅動式主動箝位電路之另一個優點為明顯較低之主動箝位RMS電流(例如，直至10×之減少)。此使得自驅動式主動箝位電路能夠利用如與習知主動箝位電路相比具有較高RDSON (汲極-源極導通電阻)之主動箝位開關，導致與習知主動箝位電路相比成本較低、較易於整合且具有較小實體大小之主動箝位電路。
圖1為習知電力轉換器(「轉換器」) 100之簡化電路圖。已自圖1省去電力轉換器100之一些元件以簡化電力轉換器100之闡述，但該等元件被理解為存在的。在轉換器100處接收電壓源V輸入 ’。V輸入 ’可提供為交流電(AC)或直流電(DC)。轉換器100之輸入側大體上包括輸入電壓濾波器區塊122、整流器區塊116 (在AC輸入之情況中)、輸入電壓緩衝器電容器C1、RCD吸收器電路區塊114 (其包括電容器C2、電阻器R1及二極體D1)、主開關M1及主開關控制器電路(「控制器」) 118。輸入電壓濾波器區塊122、整流器區塊116及輸入緩衝器電容器C1將經濾波、經緩衝、經整流或以其他方式調整之輸入電壓V輸入 提供至變壓器102。
變壓器102將電力自轉換器100之輸入側傳遞至轉換器100之輸出側且大體上包括具有第一節點108及第二節點110之一次繞組104，及二次繞組106。轉換器100之輸出側大體上包括輸出緩衝器電路112、同步整流器開關M2、同步整流器開關控制器電路(「控制器」) 120及負載(未圖示)。
第一節點108接收V輸入 ，且第二節點110耦合至第二節點110處之主開關M1之端子。主開關M1控制通過一次繞組104之電流以在轉換器100之切換週期之第一部分期間對變壓器102之勵磁電感LM 充電。同步整流器開關M2控制流經二次繞組106之電流以在切換週期之後續部分期間將變壓器102放電至輸出緩衝器電路112及/或負載中。在一些實施例中，主開關M1及/或同步整流器開關M2中之一者或兩者為場效電晶體(FET)，每一場效電晶體具有汲極節點、源極節點及用於控制汲極節點與源極節點之間的電流之導通的閘極節點。在其他實施例中，同步整流器開關M2用二極體來替代。
當在切換週期之第一部分期間藉由控制器118賦能主開關M1時，電流經由一次繞組104流至電壓偏置節點，諸如接地。電流流經一次繞組104使能量儲存於變壓器102之勵磁電感LM 及漏電感LL 中。當在切換週期之後續部分中去能主開關M1時，在輸出緩衝器電路112處產生輸出電壓V輸出 且將該輸出電壓提供至負載(未圖示)。當主開關M1斷開時，在節點110處之主開關M1之汲極節點處產生反射電壓(nV輸出 )。反射電壓nV輸出 對節點110處之主開關M1之汲極-源極電壓Vds 的貢獻表達為：
Vds = V輸入 + nV輸出 (方程式1)
其中n為變壓器102之匝數比。儲存於變壓器102之漏電感LL 中的能量亦對在節點110處產生之電壓Vds 有貢獻。
RCD吸收器電路114防止電壓Vds 增加至損壞主開關M1之位準。在Vds 升高時，二極體D1變成正向偏置且電流流入電容器C2中且流入電阻器R1中以耗散能量，藉此將Vds 箝制於在主開關M1之安全操作範圍內的位準。為了進一步提高轉換器100之效率，可用藉由主動箝位驅動信號驅動之主動驅動式箝位開關來替代二極體D1。然而，習知主動箝位電路需要來自控制器118之控制信號或其他同步手段。因此，使用尚未經組態以支持習知主動箝制之控制器118的轉換器100無法容易地被修改成實施主動箝制。
圖2為根據一些實施例的具有自驅動式主動箝位電路214之電力轉換器(「轉換器」) 200之簡化電路圖。已自圖2省去電力轉換器200之一些元件以簡化電力轉換器200之闡述，但該等元件被理解為存在的。轉換器200大體上包括參看圖1所討論之電路元件。然而，轉換器100之吸收器電路114之全部或一部分(例如，二極體D1)已被自驅動式主動箝位電路(「主動箝位電路」) 214替代。有利地，主動箝位電路214可替代轉換器100之吸收器電路114，而無需對轉換器100進行顯著修改(例如，其不需要來自控制器118、120之控制信號或其他同步信號)。因此，被製造有與吸收器電路114類似之吸收器電路的轉換器100可用自驅動式主動箝位電路214來改裝以執行主動箝制。舉例而言，在一些實施例中，習知吸收器電路114之二極體D1可用自驅動式主動箝位電路214替代。之後參看圖5A來闡述自一次繞組104流出之勵磁電感電流iLM 。
圖3為根據一些實施例的參看圖2介紹之轉換器200的自驅動式主動箝位電路214之簡化電路圖。已自圖3省去自驅動式主動箝位電路214之一些元件以簡化自驅動式主動箝位電路214之闡述，但該等元件被理解為存在的。主動箝位電路214大體上包括主動箝位開關控制器電路302，該主動箝位開關控制器電路經由閘極驅動器電路314將主動箝位開關控制信號提供至主動箝位開關M3。主動箝位電路214另外包括第一電流振幅比較電路304、第二電流振幅比較電路306、電壓峰值偵測及賦能電路308、電壓源電路316 (例如，LDO)、具有內接二極體D2之主動箝位開關M3，及主動箝位電容器C3。主動箝位電容器C3與主動箝位開關M3串聯地耦合，且主動箝位電容器C3與主動箝位開關M3之串聯組合與一次繞組104並聯地耦合。第一電流振幅比較電路304、第二電流振幅比較電路306、電壓峰值偵測及賦能電路308及主動箝位開關控制器電路302在本文中被稱作主動箝位控制器電路。主動箝位電容器C3與習知RCD電路114之電容器C2之電壓額定值相比可有利地具有較低之電壓額定值，因此提供成本節約。舉例而言，在實例性實施例中，如與電容器C2之630 V額定值相比，主動箝位電容器C3可具有250V額定值。在一些實施例中，可有利地自主動箝位電路214省去習知RCD 114之電阻器R1，提供進一步成本節約。
電壓源電路316接收電壓318且增加、減小或以其他方式調節電壓318以對閘極驅動器電路314供電以便驅動(亦即，賦能及去能)主動箝位開關M3。在一些實施例中，主動箝位開關M3為電流雙向二象限開關。在一些實施例中，主動箝位開關M3為場效電晶體(FET)，該場效電晶體具有汲極節點(亦即，第一開關節點)、源極節點(亦即，第二開關節點)及用於控制汲極節點與源極節點之間的電流之導通的閘極節點(亦即，開關控制節點)。主動箝位開關M3之汲極節點及源極節點與主動箝位電容器C3成串聯電路組合。主動箝位開關M3之閘極節點控制主動箝位開關M3之汲極節點與源極節點之間的電流。在一些實施例中，主動箝位開關M3包括除了內接二極體外之二極體，該二極體經組態以在該二極體被正向偏置時(例如，跨越主動箝位開關M3之源極及汲極產生足夠之電壓時)在源極節點與汲極節點之間傳遞電流(沿第一電流方向)。當藉由開關控制信號驅動主動箝位開關M3之閘極節點時，主動箝位開關M3雙向地傳遞電流(例如，沿第一電流方向及/或第二電流方向)。在第一電流方向上，電流自一次繞組104、通過主動箝位開關M3且流入主動箝位電容器C3中。在第二電流方向上，電流自主動箝位電容器C3、通過主動箝位開關M3且流入一次繞組104中。
電壓峰值偵測及賦能電路308大體上包括電壓比較電路310、二極體D3及電容器C4。電容器C4將電壓比較電路310之第一輸入端耦合至節點110以接收主開關M3之汲極-源極電壓Vds。電壓比較電路310在第二輸入端處接收電壓臨限值312 (例如，自電壓源電路，未圖示)。在一些實施例中，電壓臨限值312為一電壓位準，高於該電壓位準可能會損壞主開關M3。在其他實施例中，電壓臨限值312為與轉換器200之重負載操作對應之電壓位準。在其他實施例中，電壓臨限值為與轉換器200之中度或重度負載操作對應之電壓位準。當跨越主開關M3之電壓等於或超過電壓臨限值312時，電壓峰值偵測及賦能電路308將賦能信號傳輸至主動箝位開關控制器電路302。當跨越主開關M3之電壓不等於或超過電壓臨限值312時，電壓峰值偵測及賦能電路308將去能信號傳輸至主動箝位開關控制器電路302。因此，主動箝位開關控制器電路經組態以回應於跨越主開關M1產生之電壓之電壓振幅小於電壓臨限值312 (例如，500 V)而去能主動箝位開關M3，而不考慮超過第一電流臨限值320之電流。亦即，因為只要主動箝位開關控制器電路302在賦能輸入端處接收到解除宣告之信號，則主動箝位開關M3被去能且不基於藉由主動箝位開關控制器電路302在設定及重設輸入端處自電流振幅比較電路304、306接收之信號來轉變輸出PWM信號。相反地，當電壓比較信號指示所接收之電壓超過電壓臨限值312 (賦能被宣告)，則輸出PWM信號係基於藉由主動箝位開關控制器電路302自電流振幅比較電路304、306接收之設定及重設信號。因此，在一些實施例中，有利地在轉換器200之輕負載操作期間去能自驅動式主動箝位電路214，進一步提高功率效率。
在當主開關M1與主動箝位開關M3均斷開時的切換週期之一部分期間，主動箝位開關電流isd 自一次繞組104、通過內接二極體D2、流至主動箝位電容器C3。在當主開關M1斷開且主動箝位開關M3接通時的切換週期之後續部分期間，電流isd 在主動箝位電容器C3、勵磁電感LM 及轉換器200之其他既定或寄生無功元件之間振盪。
在高位準時，若歸因於電流iSD 自一次繞組104經由主動箝位開關M3之內接二極體D2而流至主動箝位電容器C3 (例如，偵測到D2之內接二極體導通)，使電流iSD 超過第一電流臨限值320，則賦能主動箝位開關M3。若偵測到電流iSD 之第二零交叉，則去能主動箝位開關M3。若歸因於電流iSD 自主動箝位電容器C3經由被賦能之主動箝位開關M3而流入一次繞組104中，使電流iSD 小於第二電流臨限值322，則確定電流iSD 之第一零交叉已出現。若在之後歸因於電流自一次繞組104經由被賦能之主動箝位開關M3而流入主動箝位電容器C3，使電流iSD 大於第二電流臨限值322，則確定電流iSD 之第二零交叉已出現。在確定電流iSD 之第二零交叉已出現時，去能主動箝位開關M3。
為了詳盡闡述，第一電流振幅比較電路304在第一輸入端處接收電流isd 、在第二輸入端處(例如，自第一電流源電路，未圖示)接收或產生第一電流臨限值320、將所接收之電流isd 與第一電流臨限值320進行比較且將第一比較信號傳輸至主動箝位開關控制器電路302之設定輸入端。在一些實施例中，第一電流臨限值320為識別主動箝位開關M3之內接二極體導通的電流振幅。在一些實施例中，第一電流臨限值320為約50mA至250mA，諸如100mA。第二電流振幅比較電路306在第一輸入端處接收電流isd 、在第二輸入端處(例如，自第二電流源電路，未圖示)接收或產生第二電流臨限值322、將所接收之電流isd 與第二電流臨限值322進行比較且將第二及第三比較信號傳輸至主動箝位開關控制器電路302之重設輸入端。在一些實施例中，第二電流臨限值322為識別電流isd 之第一及第二零交叉的電流振幅，主動箝位開關控制器電路302之重設輸入端回應於第二電流振幅電路306偵測到電流isd 之第一零交叉而接收宣告之第二比較信號，且回應於第二電流振幅電路306偵測到電流isd 之第二零交叉而接收解除宣告之第三比較信號。在一些實施例中，第二電流臨限值322為約-300mA至0mA，諸如-50mA。在一些實施例中，藉由電流isd 以負斜率轉變越過第二電流臨限值322來確定電流isd 之第一零交叉，且藉由電流isd 以正斜率轉變越過第二電流臨限值322來確定電流isd 之第二零交叉。
因此，藉由主動箝位開關控制器電路302基於在設定及重設輸入端處自比較電路304、306接收之比較結果信號來產生用於經由閘極驅動器電路314驅動主動箝位開關M3之PWM信號。將該PWM信號傳輸至閘極驅動器電路314以控制主動箝位開關M3。圖4提供根據一些實施例的說明在設定和重設比較信號402、406與主動箝位開關控制器電路302之所得PWM信號輸出404之間的關係的實例圖400。
如所示，自第一電流振幅比較電路304接收之設定比較信號402的上升邊緣(歸因於偵測到M3之內接二極體導通)觸發PWM信號404之第一邊緣404a。設定比較信號402之下降邊緣不會導致PWM信號404改變狀態。同樣地，自第二電流振幅比較電路306接收之重設比較信號406之上升邊緣(歸因於偵測到電流iSD 之第一零交叉)不會導致PWM信號404改變狀態。然而，重設比較信號406之下降邊緣(歸因於偵測到電流iSD 之第二零交叉)觸發PWM信號404之第二邊緣404b。因此，在所示之實施例中，當電流isd 超過第一電流臨限值320時(例如，當電流isd 通過內接二極體D2流至主動箝位電容器C3時)，賦能主動箝位開關M3。當偵測到電流iSD 之第二零交叉時(例如，當電流isd 歸因於勵磁電感LM 、主動箝位電容器C3及其他無功組件而共振時)，去能主動箝位開關M3。
在一些實施例中，轉換器200依賴於間接共振機制來達成主開關M1之近零電壓變換切換。圖5A示出提供根據一些實施例之轉換器200之操作詳情的簡化圖502。相比之下，圖5B示出提供具有習知主動箝位電路之轉換器之操作詳情的簡化圖550。在圖502與圖550中，示出在時間t內的節點110處之電壓Vds 及變壓器102之電流iLM 。電流iLM 在圖502中示出為具有與參看圖3介紹之電流isd 的極性相反的極性。如參看圖3所闡述，回應於電流iSD (負iLM )之振幅而產生主動箝位開關M3賦能信號(PWM) 506。與轉換器200對應之簡化圖502示出在內接二極體D2導通時在區504處的主動箝位開關M3之有利的零電壓切換、在區508處的主動箝位開關M3之零電流切換及在區514處的主開關M1之近零電壓切換。如本文中所闡述，經由由主動箝位電路214之操作產生的二級效應來達成在區514處的主開關M1之近零電壓切換。具體而言，當主動箝位電路214工作時，主動箝位電容器C3電壓維持於約等於反射輸出電壓之電壓值。因此，轉換器200一進入區514(準共振模式)，跨越主動箝位開關M3之電壓即約為零且等效電路變成圖7之簡化電路圖700中所示的LC電路(L係歸因於變壓器102之勵磁電感，且C為在節點110處所見之等效電容Ceq)。請注意，如節點110處所見之等效電容Ceq受主動箝位開關之各別電容CossM3及主動箝位電容器C3之電容控制(如圖7之簡化圖700中所示)，該等電容在nF範圍中(比具有RCD吸收器電路區塊114之習知轉換器100大幾個數量級)。歸因於相對較大之等效電容Ceq，如與利用習知RCD吸收器且箝位電容器處之電壓明顯大於反射輸出電壓(如圖9B中所示)之情況相比，共振勵磁電感電流振幅iLM 1 (如圖7中所示)被迫為較大值(如圖9A中所示)。可根據能量方程式之熟知LC共振守恆來近似峰值勵磁電感電流，
(方程式2)，
其中Ceq為節點110處之等效電容，且iLM1 為勵磁電感電流(在圖7中示出為iLM 1 )。因為勵磁電感電流之振幅最初被迫為較高值，且因為一旦主開關M1汲極-源極電壓開始降低，如在節點110處見到之等效電容Ceq則降低至pF範圍(在圖8中示出此時之等效電路的簡化圖800)，因此穀處之電壓值被迫為較低電壓值(例如，如與習知RCD電路相比，是它的三分之一至二分之一)。
此外，PWM脈衝506之寬度明顯地且有利地短於在區564處的與具有主開關M1之零電壓切換之習知主動箝位對應的PWM脈衝556。圖502之RMS電流irms 明顯小於圖550之RMS電流irms ，此歸因於峰值電流具有相同振幅ipk 但圖502之共振週期(及接通時間/切換週期之占空比D )比圖550小一個數量級，如藉由以下方程式給出，
(方程式3)，
因此，如與可能要求主動箝位電容器為約數百奈法拉之習知主動箝位電路相比，可使用較小之主動箝位電容器C3 (約數奈法拉)。基於區514處之近零電壓交叉，當節點110處之電壓Vds 等於V輸入 – knV輸出 (其中k為整數值)時，主開關M1被接通(例如，導致脈衝M1EN 516)。
圖6至圖8突出說明在轉換器200之準共振操作期間(主開關M1與同步整流器開關M2均斷開的切換週期之一部分)共振的轉換器200之寄生電容及電感元件。圖6之簡化電路圖600包括在圖2中介紹之轉換器200的元件以及勵磁電感LM 130、主動箝位開關M3之寄生電容CossM3、主開關M1之寄生電容CossM1及同步整流器開關M2之寄生電容CossM2的表示。亦示出主動箝位開關電壓VAC ，該電壓為主動箝位開關M3之汲極-源極電壓。分別在圖7至圖8之簡化電路圖700、800中示出主控電容元件以及對於兩個不同主動箝位開關電壓該等主控電容元件之電容值的範圍。
圖7之簡化電路圖700示出在跨越電容CossM3之電壓約等於零伏、跨越主動箝位電容器C3之電壓約等於nV輸出 且節點110處之電壓Vds 等於V輸入 + nV輸出 的切換週期之一部分期間轉換器200之特定電容及電感元件。此時，主動箝位電容器C3之組合電容及主動箝位開關M3之寄生電容CossM3為約數奈法拉。主開關M1之寄生電容CossM1為約數微微法拉，且同步整流器開關M2之寄生電容CossM2為約數微微法拉。
圖8之簡化圖800示出在跨越電容CossM3之電壓約等於負nV輸出 且跨越主動箝位電容器C3之電壓約等於nV輸出 而導致節點110處之電壓Vds 小於輸入電壓V輸入 的切換週期之一部分期間轉換器200之特定電容及電感元件。在該切換週期之此部分期間，主動箝位電容器C3之電壓明顯大於反射輸出電壓nV輸出。主動箝位電容器C3之組合電容及主動箝位開關M3之寄生電容CossM3為約數微微法拉。主開關M1之寄生電容CossM1為約數微微法拉，且同步整流器開關M2之寄生電容CossM2為約數微微法拉。亦示出勵磁電感130之電流iLM 2 。
電容值之大差異為重要的，因為最初之大有效電容導致較高之勵磁電感電流(在LC共振期間)：
(方程式4)，
其中V峰值 等於變壓器102之一次側上的反射電壓nV輸出 ，LM 為勵磁電感130，且Ceq為圖6至圖8中所示的在節點110處所見之既定及寄生電容之等效電容。電容值之大差異的出現係歸因於主動箝位開關M3在其汲極-源極電壓為零時之大的主動箝位FET輸出電容CossM3，此僅為在主動箝位電路214被賦能時(例如，當在每個切換週期期間回收利用儲存於主動箝位電容器C3中之能量時)的情況。
圖9A之簡化圖900示出根據一些實施例在轉換器200之準共振操作期間在時間t內節點110處之電壓Vds 及勵磁電感130之勵磁電感電流iLM (iLM 1-2 )。圖9B之簡化圖950為對於習知有損RCD吸收器電流在切換週期之準共振部分期間在時間t內電壓Vds 及電流iLM 之圖。如與示出吸收器電容器電壓明顯大於反射輸出電壓(例如，VAC ＞ 1.5 × nV輸出 )之習知有損吸收器操作的簡化圖950相比，簡化圖900示出在主動箝位電容器C3之電壓VAC 約等於反射輸出電壓(例如，VAC ~ nV輸出 )時的方程式4之非線性效應。
如簡化圖900中所示，如與簡化圖950中所示之習知有損吸收器電路相比，主動箝位電路214允許較高之勵磁電流iLM 。較高之勵磁電流iLM 轉而使得能夠自主開關M1移除更多電荷，因此在轉換器200之準共振操作期間導致較低之汲極-源極電壓Vds 。
圖10為根據一些實施例的對於具有主動箝位電路214之轉換器200，隨著時間過去Vds 之實驗結果的螢幕截圖1000。螢幕截圖1000之第一部分1002示出在轉換器200之操作期間在主動箝位電路214被去能時節點110處之電壓Vds 。螢幕截圖1000之第二部分1052示出在轉換器200之操作期間在主動箝位電路214被賦能且主動箝位電容器電壓VAC約等於反射輸出電壓nV輸出時節點110處之電壓Vds 。如所示，當主動箝位214被賦能時，穀處之主開關M1汲極-源極電壓明顯較小(例如，在第一穀處100Vdc對225Vdc；在第二穀處125Vdc對240Vdc，等等)。減小之穀電壓的好處係歸因於在主開關M1接通時主開關CossM1能量耗散減少，該能量耗散減少隨電壓平方而變。
圖11為根據一些實施例的用於箝制電力轉換器(例如，電力轉換器200)之主開關之電壓的實例性方法之一部分。僅為了說明及闡釋而示出特定步驟、步驟次序及步驟組合。其他實施例可實施不同之特定步驟、步驟次序及步驟組合以達成類似之功能或結果。在步驟1102，在電力轉換器(200)之變壓器(102)之一次繞組(104)處接收輸入電壓。在步驟1104，使用電力轉換器(200)之主開關(M1)來控制通過一次繞組(104)之電流。在步驟1106，使用主動箝位電路(214)將主開關(例如，在節點110處)之電壓箝制於最大電壓。基於通過主動箝位電路(214)之主動箝位開關(M3)的主動箝位開關電流(iSD )來箝制主開關(M1)之電壓。根據一些實施例，在圖12中呈現步驟1106之細節。僅為了說明及闡釋而示出特定步驟、步驟次序及步驟組合。其他實施例可實施不同之特定步驟、步驟次序及步驟組合以達成類似之功能或結果。
在步驟1202，在第一時間，在第一電流振幅比較電路(304)處接收主動箝位開關電流(iSD )。在步驟1204，使用第一電流振幅比較電路來確定主動箝位開關電流是否大於第一電流臨限值(320) (例如，100mA)。若在步驟1204確定主動箝位開關電流不大於第一電流臨限值，則流程返回至步驟1202。若在步驟1204確定主動箝位開關電流大於第一電流臨限值(例如，主動箝位開關M3之內接二極體導通)，則流程繼續至步驟1206。在步驟1206，賦能主動箝位開關(M3) (例如，接通)，藉此箝制主開關(M1)處之電壓。在步驟1208，在第二時間，在第二電流振幅比較電路(306)處接收主動箝位開關電流。在步驟1210，使用第二電流振幅比較電路來確定主動箝位開關電流是否小於第二電流臨限值(322) (例如，-50mA)。若在步驟1210確定主動箝位開關電流不小於第二電流臨限值，則流程返回至步驟1208。若在步驟1210確定主動箝位開關電流小於第二電流臨限值(例如，主動箝位開關電流之第一零交叉)，則流程繼續至步驟1212。在步驟1212，在第三時間，在第二電流振幅比較電路處接收主動箝位開關電流。在步驟1214，使用第二電流振幅比較電路來確定主動箝位開關電流是否大於第二電流振幅比較電路。若在步驟1214確定主動箝位開關電流不大於第二電流臨限值，則流程返回至步驟1212。若在步驟1214確定主動箝位開關電流大於第二電流臨限值(例如，主動箝位開關電流之第二零交叉)，則流程繼續至步驟1216。在步驟1216，去能主動箝位開關(M3) (例如，使其斷開)。當主動箝位開關斷開時，主動箝位電路(214)不再箝制電力轉換器(200)之主開關(M1)的電壓。
已詳細地參考所揭示發明之實施例，該等實施例之一或多個實例已在附圖中示出。每一實例係以闡釋當前技術而非限制當前技術之方式來提供。事實上，雖然已相對於本發明之特定實施例來詳細地闡述了本說明書，但將瞭解，熟習此項者在理解了前文後可容易地設想到此等實施例之更改、變化及等效物。舉例而言，被示出或闡述為一個實施例之部分的特徵可用於另一實施例以得到另一實施例。因此，希望本主題涵蓋屬於所附申請專利範圍及其等效物之範疇內的所有此類修改及變化。在不偏離本發明之範疇的情況下，可由熟習此項技術者來實踐本發明之此等及其他修改及變化，在所附申請專利範圍中更具體地陳述本發明之範疇。此外，熟習此項技術者將瞭解，前文闡述僅係舉例而並非意欲限制本發明。
100‧‧‧習知電力轉換器
102‧‧‧變壓器
104‧‧‧一次繞組
106‧‧‧二次繞組
108‧‧‧第一節點
110‧‧‧第二節點
112‧‧‧輸出緩衝器電路
114‧‧‧RCD吸收器電路區塊
116‧‧‧整流器區塊
118‧‧‧控制器
120‧‧‧控制器
122‧‧‧輸入電壓濾波器區塊
130‧‧‧勵磁電感
200‧‧‧電力轉換器
214‧‧‧自驅動式主動鉗位電路
302‧‧‧主動鉗位開關控制器電路
304‧‧‧第一電流振幅比較電路
306‧‧‧第二電流振幅比較電路
308‧‧‧電壓峰值偵測及賦能電路
310‧‧‧電壓比較電路
312‧‧‧電壓臨限值
314‧‧‧閘極驅動器電路
316‧‧‧電壓源電路
318‧‧‧電壓
320‧‧‧第一電流臨限值
322‧‧‧第二電流臨限值
400‧‧‧圖
402‧‧‧設定比較信號
404‧‧‧PWM信號
404a‧‧‧PWM信號之第一邊緣
404b‧‧‧PWM信號之第二邊緣
406‧‧‧重設比較信號
502‧‧‧簡化圖
504、508、514‧‧‧區
516‧‧‧脈衝
556‧‧‧PWM脈衝
564‧‧‧區
600‧‧‧簡化電路圖
700‧‧‧簡化電路圖
800‧‧‧簡化圖
900‧‧‧簡化圖
950‧‧‧簡化圖
1000‧‧‧螢幕截圖
1002‧‧‧螢幕截圖之第一部分
1052‧‧‧螢幕截圖之第二部分
1102、1104、1106‧‧‧步驟
C1‧‧‧輸入電壓緩衝器電容器
C2‧‧‧電容器
C3‧‧‧主動鉗位電容
C4‧‧‧電容器
CossM1‧‧‧主開關之寄生電容
CossM2‧‧‧同步整流器開關之寄生電容
CossM3‧‧‧主動鉗位開關之電容
D1‧‧‧二極體
D2‧‧‧內接二極體
D3‧‧‧二極體
ILM‧‧‧勵磁電感電流
IPK‧‧‧峰值電流振幅
isd‧‧‧電流
M1‧‧‧主開關
M1EN‧‧‧脈衝
M2‧‧‧同步整流器開關
M3‧‧‧主動鉗位開關
R1‧‧‧電阻器
VAC‧‧‧主動鉗位開關電壓
Vds‧‧‧汲極-源極電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
圖1為習知電力轉換器之簡化電路圖。
圖2為根據一些實施例的具有自驅動式主動箝位電路之電力轉換器的簡化電路圖。
圖3為根據一些實施例的自驅動式主動箝位電路之簡化電路圖。
圖4為根據一些實施例的與自驅動式主動箝位電路有關之信號的簡化圖。
圖5A為根據一些實施例的與具有自驅動式主動箝位電路之電力轉換器有關之信號的簡化圖。
圖5B為與具有習知箝位電路之電力轉換器有關之信號的簡化圖。
圖6為根據一些實施例的具有自驅動式主動箝位電路之電力轉換器之一部分的簡化電路圖。
圖7為根據一些實施例的具有自驅動式主動箝位電路之電力轉換器之一部分的簡化電路圖。
圖8為根據一些實施例的具有自驅動式主動箝位電路之電力轉換器之一部分的簡化電路圖。
圖9A為根據一些實施例的與具有自驅動式主動箝位電路之電力轉換器有關之信號的簡化圖。
圖9B為與具有習知箝位電路之電力轉換器有關之信號的簡化圖。
圖10為示出根據一些實施例的具有自驅動式主動箝位電路之電力轉換器之實驗結果的螢幕截圖。
圖11為根據一些實施例的用於使用自驅動式主動箝位電路來箝制電力轉換器之主開關之電壓的方法之一部分。
圖12為根據一些實施例的用於使用自驅動式主動箝位電路來箝制電力轉換器之主開關之電壓的方法之一部分。

Claims (23)

  1. 一種主動箝位電路，該主動箝位電路包括： 一主動箝位電容器，該主動箝位電容器與一主動箝位開關串聯地耦合；以及 一主動箝位控制器電路，該主動箝位控制器電路用於接收通過該主動箝位開關之一主動箝位開關電流且基於所接收之主動箝位開關電流來控制該主動箝位開關； 其中： 該主動箝位控制器電路經組態以基於一第一振幅比較來賦能該主動箝位開關，該第一振幅比較係基於該主動箝位開關電流；並且 該主動箝位控制器電路經組態以基於一第二振幅比較及一第三振幅比較來去能該主動箝位開關，該第二振幅比較及該第三振幅比較係基於該主動箝位開關電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之主動箝位電路，其中該主動箝位控制器電路進一步包括： 一主動箝位開關控制器電路，該主動箝位開關控制器電路經組態以：i)基於該第一振幅比較來接收一第一比較信號、ii)基於該第二振幅比較來接收一第二比較信號、iii)基於該第三振幅比較來接收一第三比較信號，並且iv)產生一主動箝位開關控制信號以控制該主動箝位開關； 其中藉由該主動箝位開關控制器電路基於該第一比較信號、該第二比較信號及該第三比較信號而產生該主動箝位開關控制信號。
  3. 如申請專利範圍第2項之主動箝位電路，其中該主動箝位控制器電路進一步包括： 一第一振幅比較電路，該第一振幅比較電路經組態以接收該主動箝位開關電流、執行該第一振幅比較且基於該第一振幅比較來產生該第一比較信號； 其中： 該主動箝位開關控制器電路經組態以回應於接收到該第一比較信號而賦能該主動箝位開關。
  4. 如申請專利範圍第3項之主動箝位電路，其中： 該第一振幅比較包括藉由該第一振幅比較電路將該主動箝位開關電流之一振幅與一第一電流振幅臨限值進行比較；並且 回應於藉由該第一振幅比較電路確定該主動箝位開關電流之該振幅大於該第一電流振幅臨限值而產生該第一比較信號。
  5. 如申請專利範圍第3項之主動箝位電路，其中該主動箝位控制器電路進一步包括： 一第二振幅比較電路，該第二振幅比較電路經組態以接收該主動箝位開關電流、執行該第二振幅比較及該第三振幅比較且基於該第二振幅比較及該第三振幅比較來產生該第二比較信號及該第三比較信號； 其中： 該主動箝位開關控制器電路經組態以回應於接收到該第三比較信號而去能該主動箝位開關。
  6. 如申請專利範圍第5項之主動箝位電路，其中： 該第二振幅比較包括藉由該第二振幅比較電路偵測該主動箝位開關電流之一第一零交叉； 該第三振幅比較包括藉由該第二振幅比較電路偵測該主動箝位開關電流之一第二零交叉； 回應於偵測到該主動箝位開關電流之該第一零交叉而藉由該第二振幅比較電路來產生該第二比較信號；並且 回應於偵測到該主動箝位開關電流之該第二零交叉而藉由該第二振幅比較電路來產生該第三比較信號。
  7. 如申請專利範圍第6項之主動箝位電路，其中： 偵測該主動箝位開關電流之該第一零交叉包括在一第一時間藉由該第二振幅比較電路將該主動箝位開關電流之一振幅與一第二電流振幅臨限值進行比較；並且 偵測該主動箝位開關電流之該第二零交叉包括在一第二時間藉由該第二振幅比較電路將該主動箝位開關電流之該振幅與該第二電流振幅臨限值進行比較。
  8. 如申請專利範圍第3項之主動箝位電路，其中： 該主動箝位開關耦合至另一開關之一節點；並且 該主動箝位開關將該另一開關之該節點處之一電壓箝制於一最大電壓。
  9. 如申請專利範圍第8項之主動箝位電路，其中： 該另一開關之該節點耦合至一變壓器之一繞組；並且 該主動箝位開關電流為在該變壓器之該繞組與該主動箝位電容器之間雙向地流經該主動箝位開關之一電流。
  10. 如申請專利範圍第1項之主動箝位電路，其中： 該主動箝位控制器電路經組態以回應於一開關電壓之一電壓振幅小於一電壓臨限值而去能該主動箝位開關，而不考慮該第一振幅比較。
  11. 如申請專利範圍第10項之主動箝位電路，其中該主動箝位控制器電路進一步包括： 一電壓比較電路，該電壓比較電路用於接收該開關電壓且基於該開關電壓與該電壓臨限值之間的一比較來輸出一電壓比較信號，該開關電壓為在另一開關之一節點處產生之一電壓； 其中在該電壓比較信號指示該開關電壓不超過該電壓臨限值時回應於該電壓比較信號而去能該主動箝位開關；並且 其中在該電壓比較信號指示該開關電壓超過該電壓臨限值時回應於該電壓比較信號而不去能該主動箝位開關。
  12. 一種設備，該設備包括： 一電力轉換器電路，該電力轉換器電路用於將來自一電壓源之一輸入電壓轉換成一輸出電壓，該電力轉換器電路包括具有一一次繞組及一二次繞組之一變壓器，該一次繞組之一第一繞組節點耦合至該電壓源以接收該輸入電壓； 一主開關，該主開關耦合至該一次繞組之一第二繞組節點以控制通過該一次繞組之一電流；以及 一主動箝位電路，該主動箝位電路用於箝制該一次繞組之該第二繞組節點處的一電壓，該主動箝位電路包括： i)串聯地耦合至一主動箝位開關之一主動箝位電容器之一串聯電路組合，該串聯電路組合與該一次繞組並聯地耦合；以及 ii)一主動箝位控制器電路，該主動箝位控制器電路用於接收通過該主動箝位開關之一主動箝位開關電流且基於該主動箝位開關電流來控制該主動箝位開關； 其中： 該主動箝位控制器電路經組態以基於一第一振幅比較來賦能該主動箝位開關，該第一振幅比較係基於該主動箝位開關電流；並且 該主動箝位控制器電路經組態以基於一第二振幅比較及一第三振幅比較來去能該主動箝位開關，該第二振幅比較及該第三振幅比較係基於該主動箝位開關電流。
  13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該主動箝位控制器電路進一步包括： 一主動箝位開關控制器電路，該主動箝位開關控制器電路經組態以：i)基於該第一振幅比較來接收一第一比較信號、ii)基於該第二振幅比較來接收一第二比較信號、iii)基於該第三振幅比較來接收一第三比較信號，並且iv)產生一主動箝位開關控制信號以控制該主動箝位開關； 其中藉由該主動箝位開關控制器電路基於該第一比較信號、該第二比較信號及該第三比較信號而產生該主動箝位開關控制信號。
  14. 如申請專利範圍第13項之設備，其中該主動箝位控制器電路進一步包括： 一第一振幅比較電路，該第一振幅比較電路經組態以接收該主動箝位開關電流、執行該第一振幅比較且基於該第一振幅比較來產生該第一比較信號； 其中： 該第一振幅比較包括藉由該第一振幅比較電路將該主動箝位開關電流之一振幅與一第一電流振幅臨限值進行比較； 回應於藉由該第一振幅比較電路確定該主動箝位開關電流之該振幅大於該第一電流振幅臨限值而產生該第一比較信號；並且 該主動箝位開關控制器電路經組態以回應於接收到該第一比較信號而賦能該主動箝位開關。
  15. 如申請專利範圍第14項之設備，其中該主動箝位控制器電路進一步包括： 一第二振幅比較電路，該第二振幅比較電路經組態以接收該主動箝位開關電流、執行該第二振幅比較及該第三振幅比較且基於該第二振幅比較及該第三振幅比較來產生該第二比較信號及該第三比較信號； 其中： 該第二振幅比較包括藉由該第二振幅比較電路偵測該主動箝位開關電流之一第一零交叉； 該第三振幅比較包括藉由該第二振幅比較電路偵測該主動箝位開關電流之一第二零交叉； 回應於偵測到該主動箝位開關電流之該第一零交叉而藉由該第二振幅比較電路來產生該第二比較信號； 回應於偵測到該主動箝位開關電流之該第二零交叉而藉由該第二振幅比較電路來產生該第三比較信號；並且 該主動箝位開關控制器電路經組態以回應於接收到該第三比較信號而去能該主動箝位開關。
  16. 如申請專利範圍第15項之設備，其中： 偵測該主動箝位開關電流之該第一零交叉包括在一第一時間藉由該第二振幅比較電路將該主動箝位開關電流之該振幅與一第二電流振幅臨限值進行比較；並且 偵測該主動箝位開關電流之該第二零交叉包括在一第二時間藉由該第二振幅比較電路將該主動箝位開關電流之該振幅與該第二電流振幅臨限值進行比較。
  17. 如申請專利範圍第15項之設備，其中： 該主動箝位開關控制信號具有使該主動箝位開關控制信號自一先前主動箝位開關控制信號狀態轉變至一第一主動箝位開關控制信號狀態的一第一信號轉變邊緣； 該主動箝位開關控制信號具有使該主動箝位開關控制信號自該第一主動箝位開關控制信號狀態轉變至一第二主動箝位開關控制信號狀態的一第二信號轉變邊緣； 回應於該第一比較信號而產生該主動箝位開關控制信號之該第一信號轉變邊緣；並且 回應於該第三比較信號而產生該主動箝位開關控制信號之該第二信號轉變邊緣。
  18. 如申請專利範圍第17項之設備，其中： 該主動箝位開關經組態以回應於該第一主動箝位開關控制信號狀態而被賦能；並且 該主動箝位開關經組態以回應於該第二主動箝位開關控制信號狀態而被去能。
  19. 如申請專利範圍第12項之設備，其中： 該主動箝位控制器電路經組態以回應於一開關電壓之一電壓振幅小於一電壓臨限值而去能該主動箝位開關，而不考慮該第一振幅比較。
  20. 如申請專利範圍第19項之設備，其中該主動箝位控制器電路包括： 一電壓比較電路，該電壓比較電路用於接收該開關電壓且基於該開關電壓與該電壓臨限值之間的一比較來輸出一電壓比較信號，該開關電壓為在該主開關之一節點處產生之一電壓； 其中在該電壓比較信號指示該開關電壓不超過該電壓臨限值時回應於該電壓比較信號而去能該主動箝位開關；並且 其中在該電壓比較信號指示該開關電壓超過該電壓臨限值時回應於該電壓比較信號而不去能該主動箝位開關。
  21. 如申請專利範圍第12項之設備，該設備進一步包括： 一主開關控制器電路，該主開關控制器電路通信地耦合至該主開關以控制自該一次繞組至該二次繞組之一電力傳遞； 其中： 該主動箝位控制器電路與該主開關控制器電路通信地隔離。
  22. 如申請專利範圍第12項之設備，其中： 該主動箝位開關為具有一第一開關節點、一第二開關節點及一開關控制節點之一電流雙向二象限開關； 該第一開關節點及該第二開關節點與該主動箝位電容器成串聯電路組合；並且 該開關控制節點耦合至該主動箝位控制器電路以控制該第一開關節點與該第二開關節點之間的該主動箝位開關電流。
  23. 如申請專利範圍第22項之設備，其中： 該主動箝位開關經組態以回應於跨越該第二開關節點及該第一開關節點產生之一電壓而使該主動箝位開關電流沿一第一方向在該第二開關節點與該第一開關節點之間通過；並且 該主動箝位開關經組態以回應於在該開關控制節點處接收之一開關控制信號而使該主動箝位開關電流沿一第二方向在該第一開關節點與該第二開關節點之間通過。
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