TW202011673A - 諧振電力轉換器及用於控制其之方法與積體電路控制器 - Google Patents

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Abstract

諧振電力轉換器及用於控制其之方法與積體電路控制器。實例實施例係用於一諧振電力轉換器的積體電路控制器，該等控制器包括：一頻率控制器，其經組態以控制驅動至一高側閘極端子及一低側閘極端子之信號的頻率；一故障偵測器，其經組態以感測該諧振電力轉換器的一一次繞組的一過電流狀況，並回應於該過電流狀況而確立一過電流信號；一回授控制器，其在該過電流信號經解除確立時之時間週期期間經組態以經由該回授端子感測代表輸出電壓的一信號並產生一中間信號；及該回授控制器，其進一步經組態以在該過電流信號經確立時之週期期間修改該中間信號，以增加驅動至該高側閘極端子及該低側閘極端子之該等信號的該頻率。

Description

諧振電力轉換器及用於控制其之方法與積體電路控制器
諧振電力轉換器利用電力轉換器的一次側上的共振電路以產生施加至變壓器的一次繞組的交流(alternating current, AC)信號。諧振電力轉換器的一次側上的電控制開關係用於產生AC信號且由一次側控制器所控制。施加至一次繞組的AC信號跨變壓器傳遞，以在產生在二次繞組上的AC信號。在一些情況中，在二次繞組上的AC信號接著經整流（例如，全波整流、半波整流）以將直流(direct current, DC)電壓供應至負載。
相關技術的一次側控制器實施過電流保護。亦即，當持續過載或短路在二次側上（例如，在負載處）發生時，一次側控制器關閉諧振電力轉換器的操作以保護該諧振電力轉換器的組件。然而，感測過載或短路情況，及關閉諧振電力轉換器，會花費AC信號的一有限數目的循環。因此，實質過電流狀況能在過載或短路發生時及一次側控制器感測到該情況並關閉電力轉換器時之間於諧振電力轉換器的一次電路及二次電路二者上發生。諧振電力轉換器設計者因此過度設計(over-design)電力轉換器的組件以將可能的過電流狀況列入考慮，該過度設計增加諧振電力轉換器的成本、尺寸、及重量。
實例實施例的至少一些係一種操作一電力轉換器的方法，該方法包含：感測提供至一負載之代表輸出電壓的一信號；使用代表輸出電壓的該信號產生一中間信號；感測代表在一變壓器的一一次繞組中的電流的一信號；經由高側場效電晶體(field effect transistor, FET)及低側FET來控制施加至該一次繞組的一交流(AC)信號的頻率，該高側FET選擇性地將一輸入電壓耦接至該一次繞組，且該低側FET選擇性地將該一次耦接至接地；基於該中間信號及代表該一次繞組中之電流的該信號在該AC信號的各循環中控制該高側FET的斷開；感測在該變壓器之該一次繞組中的一過電流狀況；及回應於該過電流狀況而修改該中間信號以增加該AC信號的該頻率。
在該實例方法中產生該中間信號可進一步包含將一增益施加至代表該輸出電壓的該信號，且修改該中間信號可進一步包含改變用於產生該中間信號的該增益，該修改從一原始增益至與該原始增益不同的一經修改增益。該實例方法可進一步包含，在改變該增益後，在該改變後的一預定時間量返回至該原始增益。該預定時間量可係選自包含下列之一群組的至少一者：施加至該一次繞組之該AC信號的一預定數目的循環；及一定時器的一預定義持續時間。
在該實例方法中產生該中間信號可進一步包含將一偏壓施加至代表輸出電壓的該信號，且修改該中間信號可進一步包含改變用於產生該中間信號的該偏壓。改變該偏壓可進一步包含減少該偏壓。
在該實例方法中產生該中間信號可進一步包含將一增益及一偏壓施加至代表輸出電壓的該信號，且修改該中間信號可進一步包含改變選自由下列組成之一群組之至少一者：該增益；及該偏壓。
在該實例方法中控制該頻率可進一步包含基於經由一一次側控制器的一電流感測端子感測代表該一次繞組中之電流的該信號而控制，且感測該過電流狀況可進一步包含經由該一次側控制器的該電流感測端子而感測。
該實例方法可進一步包含，在修改該中間信號後，在該改變後的一預定時間量返回至一原始中間信號。該預定時間量可係選自包含下列之一群組的至少一者：施加至該一次繞組之該AC信號的一預定數目的循環；一定時器的一預定義持續時間。
在該實例方法中感測該過電流狀況可進一步包含感測該一次繞組中超過一預定臨限的一峰值電流（即在施加至該一次繞組的該AC信號之該頻率的一單一循環內的該感測），且修改該中間信號可進一步包含基於在該單一循環中超過該預定臨限的該峰值電流而修改該中間信號。
該實例方法可進一步包含：在施加至該一次繞組的該AC信號之該頻率的一預定數目的循環中感測該過電流狀況；然後停止該電力轉換器的操作。在該預定數目的循環中偵測該過電流狀況可進一步包含在該AC信號的該頻率之多於30個的一組連續循環中感測位在（且包括）5個與10個之間的過電流狀況。
在該等實例實施例中感測代表輸出電壓的該信號可進一步包含：將輸出電壓施加至一光耦合器的一二極體；藉由該光耦合器的一電晶體產生代表輸出電壓的該信號。
另一實例實施例係用於一諧振電力轉換器的一積體電路控制器，該控制器包含：一頻率控制器，其耦接至一驅動器電路，該頻率控制器經組態以控制驅動至一高側閘極端子及一低側閘極端子之信號的頻率；一故障偵測器，其耦接至一電流感測端子，該故障偵測器經組態以感測該諧振電力轉換器的一一次繞組的一過電流狀況，並回應於該過電流狀況而確立一過電流信號；一回授控制器，其耦接至一回授端子、該電流感測端子、該頻率控制器、及該過電流信號，在該過電流信號經解除確立時之時間週期期間，該回授控制器經組態以經由該回授端子感測代表輸出電壓的一信號並產生一中間信號。該回授控制器可進一步經組態以在該過電流信號經確立時之週期期間，修改該中間信號以增加驅動至該高側閘極端子及該低側閘極端子之該等信號的該頻率。
該積體電路控制器的該回授控制器（在該過電流信號經解除確立時之時間週期期間）可經組態以將一增益施加至代表輸出電壓的該信號以產生該中間信號，且該回授控制器（在該過電流信號經確立時之時間週期期間）可進一步經組態以將用於產生該中間信號的該增益從一原始增益改變至與該原始增益不同的一經修改增益。該回授控制器可進一步經組態回應於解除確立該過電流信號而返回至該原始增益。
該積體電路控制器的該回授控制器（在該過電流信號經解除確立時之時間週期期間）可經組態以將一偏壓施加至代表輸出電壓的該信號以產生該中間信號，且該回授控制器（在該過電流信號經確立時之時間週期期間）可經組態以將該偏壓從一原始偏壓改變至與該原始偏壓不同的一經修改偏壓。
該積體電路控制器的該回授控制器（在該過電流信號經解除確立時之時間週期期間）可經組態以將一增益及一偏壓施加至代表輸出電壓的該信號以產生該中間信號，且該回授控制器（在該過電流信號經確立時之時間週期期間）可經組態以改變選自由下列組成之一群組之至少一者：該增益；及該偏壓。
其他實例實施例包括一諧振電力轉換器，其包含：一變壓器，其包含一一次繞組及一二次繞組，該變壓器的該二次繞組經組態以提供電力至一二次側上的一負載；一高側場效電晶體(FET)，其選擇性地將一輸入電壓耦接至該變壓器的該一次繞組；一低側FET，其選擇性地將該變壓器的該一次繞組耦接至接地；一FET控制器，其界定耦接至該高側FET的一閘極的一高側閘極端子、耦接至該低側FET的一閘極的一低側閘極端子、耦接至一分壓器的一電流感測端子、及耦接以感測該諧振電力轉換器的該二次側上的電壓的一回授端子。該FET控制器可包含：一頻率控制器，其耦接至一驅動器電路，該頻率控制器經組態以控制驅動至該高側閘極端子及該低側閘極端子之信號的頻率；一故障偵測器，其耦接至該電流感測端子，該故障偵測器經組態以感測該一次繞組的一過電流狀況，並回應於該過電流狀況而確立一過電流信號；一回授控制器，其耦接至該回授端子、該電流感測端子、該頻率控制器、及該過電流信號，在該過電流信號經解除確立時之時間週期期間，該回授控制器經組態以經由該回授端子感測代表輸出電壓的一信號並產生一中間信號；及該回授控制器進一步經組態以在該過電流信號經確立時之週期期間，修改該中間信號以增加驅動至該高側閘極端子及該低側閘極端子之該等信號的該頻率。
下列討論係關於本發明的各種實施例。雖然此等實施例中之一或多者可係較佳的，所揭示的實施例不應理解為或以其他方式用作限制包括申請專利範圍的本揭露之範疇。此外，所屬技術領域中具有通常知識者將了解下列描述具有廣泛應用，且任何實施例的討論僅意欲作為該實施例的例示而非意欲暗示包括申請專利範圍之本揭露的範疇受到該實施例的限制。
實例實施例係關於諧振電力轉換器。更具體地說，各種實例實施例係關於具有一次側控制器的諧振電力轉換器，該等一次側控制器在過載及短路情況期間限制輸入電流及輸出電流。此電流限制係附加至在嚴重的過電流狀況中關閉該諧振電力轉換器的過電流保護。因為電流在關閉之前的過載及短路情況期間受限制，各種電路組件（例如，電感器、變壓器、橋式整流器）可針對標稱功率情況而非針對過電流狀況而設計。仍更具體地說，根據各種實施例的一次側控制器感測變壓器的一次繞組中的電流，且當感測到過電流狀況時，一次側控制器藉由增加施加至該一次繞組的交流(AC)信號的頻率而限制電流。本說明書現在描述諧振電力轉換器以引導讀者。
圖1顯示根據至少一些實施例的諧振電力轉換器。具體而言，圖1的諧振電力轉換器100包含藉由變壓器106耦接的一次側102及二次側104。在圖1中從左運行至右，諧振電力轉換器100包含高側場效電晶體(FET)108及低側FET 110。高側FET 108具有耦接至輸入直流(DC)電壓（下文中稱為輸入電壓VDC ）的汲極112，及耦接至開關節點116的源極114。高側FET 108的閘極118經由高側閘極端子122耦接至一次側控制器120。當藉由閘極118的確立受到一次側控制器120命令時，高側FET 108將開關節點116（並因此將變壓器106）耦接至輸入電壓VDC 。低側FET 110具有耦接至開關節點116的汲極124，及耦接至一次側102上之接地的源極126。低側FET 110的閘極128經由低側閘極端子130耦接至一次側控制器120。當藉由閘極128的確立受到一次側控制器120命令時，低側FET 110將開關節點116耦接至一次側上之接地。在操作中，一次側控制器120交替地使開關節點116分別經由高側FET 108及低側FET 110耦接至輸入電壓VDC 然後耦接至接地，在開關節點116產生交流(AC)信號（並因此將該AC信號施加至變壓器106）。為不使輸入電壓VDC 短路至接地，一次側控制器120經設計及建構使得高側FET 108及低側FET 110不同時受到命令以導通（亦即，在各別閘極的確立之間有時間的空滯區或空滯帶）。
開關節點116經耦接至變壓器106的一次繞組132。一次繞組132在圖1中展示為分離電感，其中一次繞組132的漏電感係由漏電感134表示，且一次繞組132的一次電感係由一次電感136（與金屬核心138相關聯的一次電感）表示。與一次繞組132串聯的係電容器140。亦即，電容器140係耦接在一次繞組132的第二端子或連接及一次側102上的接地之間。漏電感134、一次電感136、及電容器140因此在一次側102上產生電感器-電感器-電容器(inductor-inductor-capacitor, LLC)的儲能電路或共振電路。驅動至開關節點116的AC信號具有可在LLC共振電路之共振頻率處或附近的頻率。關於操作LLC諧振電力轉換器，注意力導向共同擁有之美國專利第9,520,795號，其於下文以猶如完整重現(reproduced in full)之引用方式併入本文中。
仍參考圖1，變壓器106進一步包含耦接至橋式整流器144的二次繞組142。在圖1所示的實例二次側104中，二次繞組142具有耦接至二次側104上的共同端之中心抽頭146。二次繞組142的其他端子耦接至具有二個二極體的實例橋式整流器144。在其他情況中，中心抽頭146可係電浮動的，且其餘二個端子經耦接至具有四個二極體的另一實例橋式整流器。橋式整流器144經耦接至平滑電容器148，該平滑電容器過濾由橋式整流器144產生的經整流信號以產生輸出電壓VOUT 。在實例系統中，負載說明地顯示為跨輸出電壓VOUT 耦接的電阻器RL 。
仍參考二次側104，基準電阻器150經耦接至VOUT 的正端子，且基準電阻器150隨後耦接至二極體152的陽極。二極體152的陰極耦接至二次側104上的共同端。二極體152係感測輸出電壓VOUT 之光耦合器156的一部分，並將輸出電壓的指示光學地轉移至電晶體154的基極，電晶體154也係光耦合器156的一部分。光耦合器156的電晶體154說明性地具有耦接至一次側控制器120的回授端子158的集極，及耦接至一次側102上之接地的射極。因此，一次側控制器120經由光耦合器156及回授端子158感測代表提供至負載之輸出電壓的信號。
在操作中，高側FET 108及低側FET 110交替地將開關節點116耦接至輸入電壓VDC 及接地，因此產生施加至一次繞組132的AC信號。施加至一次繞組132的該AC信號跨變壓器106傳遞，以產生二次繞組142上之AC信號（在一次繞組上的AC信號與二次繞組上的AC信號之間的電壓關係是由變壓器的匝數比決定）。在二次繞組142上產生的AC信號然後由橋式整流器144整流，並經平滑化以產生施加至負載RL 的輸出電壓VOUT 。
一次側控制器120在開關節點116處控制AC信號的頻率（亦即，控制至高側FET 108及低側FET 110之閘極信號的確立的頻率）。根據實例實施例，施加至高側FET 108及低側FET 110之閘極信號的頻率，及因此在開關節點116處之AC信號的基本頻率，係基於數個信號受管理或控制。一個實例信號係在回授端子158處感測之代表輸出電壓的信號。另一實例信號係在開關節點端子160處感測之代表在開關節點116處之AC信號的信號。亦即，一次側控制器120的開關節點端子160經耦接至開關節點116。又另一實例信號係在電流感測端子162感測之代表一次繞組132中之電流的信號。具體而言，電流感測端子162耦接至說明性地顯示為電容器164及電容器166的AC分壓器電路。電容器164及電容器166經串聯耦接，且該二個串聯電容器164/166經並聯耦接至電容器140。因此，在一次繞組132與電容器140之間的節點168處的AC信號係由電容器164及電容器166分割。在一些情況中，電流感測端子162可直接耦接至電容器164及電容器166之間的節點170。又，在又其他情況中，實施進一步的分壓器電路（說明性地顯示成二個電阻器172及174）。因此，在實例系統中，電流感測端子162經耦接至電阻器172及174之間的節點176。
仍考慮產生並施加至開關節點116之AC信號的頻率，AC信號的頻率主要基於提供至負載的電力，具有用於較高負載的較高頻率及用於較低負載的較低頻率（儘管該等頻率仍在接近或圍繞一次側102上的LLC電路之共振頻率的受控範圍內）。由一次側控制器120作出之頻率的調整可基於在回授端子158上感測之代表輸出電壓的信號，其中較低的輸出電壓VOUT 指示增加的負載（導致較低頻率），且較高的輸出電壓VOUT 指示減少的負載（導致較高頻率）。第二，一次側控制器120也可調整頻率以減少藉由如在開關節點端子160處感測之開關節點116處的AC信號的頻率在一次側102上產生的諧波（可能與工作循環的變化結合）。在非故障情況中（亦即，二次側104上沒有過載或短路情況），且儘管有用以減少諧波的頻率改變，一次側控制器120以增加提供至負載的電力來減少在開關節點116處之AC信號的頻率，且同樣地一次側控制器120以減少提供至負載的電力來增加在開關節點116處之AC信號的頻率。本說明書現在轉向實例一次側控制器120。
圖2顯示根據至少一些實施例的一次側控制器的方塊圖。具體而言，圖2顯示用於諧振電力轉換器的一次側控制器120的方塊圖，其中一次側控制器120可係以單片方式構成(monolithically constructed)的積體電路。實例一次側控制器120包含高側閘極端子122、低側閘極端子130、開關節點端子160、電流感測端子162、及回授端子158，全部在如圖1所示的相同相對位置上；然而，一次側控制器之端子的實體布局係任意的，且因此實例端子的位置係不具限制性的。此外，將會存在的額外端子（例如，電源端子、接地端子）經省略以不過度地復雜化圖式。
實例一次側控制器120包含FET驅動器200。FET驅動器200經設計及建構以用適當信號來驅動高側FET及低側FET的閘極。因此，FET驅動器200包含耦接至高側閘極端子122的高側輸出202，及耦接至低側閘極端子130的低側輸出204。FET驅動器200回應於從頻率控制器206提供的信號而驅動各別閘極端子。在實例系統中，FET驅動器200因此包含高側輸入208及低側輸入210，各經耦接至頻率控制器206。在大多數的操作情況中，至FET之閘極的閘極信號的確立係互斥的，且因此來自頻率控制器的單一信號能足以從頻率控制器206提供所需的資訊，但具有二個輸入也使頻率控制器206能夠提供額外命令及資訊，諸如，（例如在當高側輸入及低側輸入均經解除確立時）停止操作的命令。
仍參考圖2，實例一次側控制器120包含上文提及的頻率控制器206。頻率控制器206定界定分別耦接至FET驅動器200的高側輸入208及低側輸入210的高側輸出212及低側輸出214。頻率控制器206進一步界定耦接至開關節點端子160的感測輸入216。實例頻率控制器206經由開關節點端子160及感測輸入216來在感測開關節點116（圖1）處的AC信號。實例頻率控制器206進一步界定時序輸入(timing input) 218。經由時序輸入218，將判定高側閘極端子122之解除確立的時序及，延伸地，判定低側閘極端子130之確立的時序（下文討論更多）的資訊提供給頻率控制器206。
實例一次側控制器進一步包含故障偵測器220。故障偵測器220具有耦接至電流感測端子162的感測輸入222。實例故障偵測器具有說明性地耦接至FET驅動器200之高側輸出202（及因此耦接至高側閘極端子122）的脈衝計數輸入224。實例故障偵測器也具有耦接至頻率控制器206的故障輸出226。實例故障偵測器進一步包括過電流輸出228，當由故障偵測器220偵測到時，該實例故障偵測器在該過電流輸出上驅動指示過電流狀況的信號（例如，布林、類比）。根據至少一些實施例，故障偵測器220經設計及建構以（經由感測輸入222及電流感測端子162）感測諧振電力轉換器的一次繞組的過電流狀況。實例故障偵測器220進一步經設計及建構以回應於過電流狀況而在過電流輸出228上確立過電流信號。在引入一次側控制器120的進一步組件之後，下文更多地討論故障偵測器220的實例操作模式。
仍參考圖2，實例一次側控制器120進一步包含回授控制器230。回授控制器230界定耦接至電流感測端子162的感測輸入232。實例回授控制器230界定耦接至故障偵測器220之過電流輸出228的過電流輸入234。回授控制器230界定耦接至回授端子158的回授輸入236。回授控制器230界定耦接至頻率控制器206的斜坡輸入238。且最後，回授控制器230界定耦接至頻率控制器206之時序輸入218的時序輸出240。根據實例實施例，在過電流輸入234上的過電流信號（來自故障偵測器220）經解除確立時之時間週期期間，回授控制器230經設計及建構以經由回授輸入236及回授端子158感測代表輸出電壓的信號並產生中間信號242（其最終用於在時序輸出240上產生時序信號，如下文更多地討論）。此外，在過電流輸入234上的過電流信號（來自故障偵測器220）經確立時之週期期間，回授控制器230經設計及建構以修改中間信號242以增加驅動至高側閘極端子122及低側閘極端子130之信號的頻率。在實例系統中，中間信號242的產生，及其在某些操作狀態期間的修改，係由斜坡補償電路244來執行。下文更多地討論斜坡補償電路244的實例實施方案。
短暫地返回至頻率控制器206。實例頻率控制器206因此進一步界定耦接至回授控制器230之斜坡輸入238的斜坡輸出246。如下文將討論更多者，驅動至斜坡輸出246的斜坡信號控制斜坡補償電路244的操作態樣。此外，頻率控制器206界定耦接至故障偵測器220之故障輸出226的故障輸入248。回應於由故障偵測器220偵測到過電流狀況及故障輸出226的確立，頻率控制器206停止諧振電力轉換器的操作。可導致停止操作的實例故障情況於下文討論更多。本說明書現在轉向諧振電力轉換器及實例一次側控制器120之操作的描述。
圖3根據至少一些實施例顯示時序圖。具體而言，圖3具有以對應時間軸顯示的四個圖或標繪圖300、302、304、及306。標繪圖300顯示與代表一次電流的信號（下文中僅稱為一次電流信號310）共同繪製的實例中間信號242。一次電流信號310 (IP )可係經由電流感測端子162（圖1）感測的信號。標繪圖302顯示施加至高側FET 108的實例閘極信號（亦即，由FET驅動器200驅動至高側閘極端子122的信號）。標繪圖304顯示施加至低側FET 110的實例閘極信號（亦即，由FET驅動器200驅動至低側閘極端子130的信號）。標繪圖302及標繪圖304的實例閘極信號顯示為高確立(asserted high)，但確立狀態可基於由高側FET 108及低側FET 110之各者（且該等FET不必係相同類型）實施之FET的類型來選擇。最後，標繪圖306顯示在開關節點116處產生的實例AC信號，如可經由開關節點端子160（圖1或圖2）由頻率控制器206（圖2）所感測者。
同時參考圖1及圖3，對於零與t4之間的時間週期，說明性諧振電力轉換器100在穩態情況下操作，如平坦的中間信號242所示。根據實例實施例，當一次電流信號310跨越中間信號242時，高側FET 108在每個循環斷開。具體地考慮從時間t1開始並延伸至t2的時間週期。當一次電流信號310跨越中間信號242（在交叉點312處）時，一次側控制器120解除確立高側閘極端子122並因此解除確立高側FET 108的閘極118。高側FET 108因此變成不導通的且輸入電壓VDC 與開關節點116斷開。在預定時間量稍後（亦即，圖式中顯示的空滯時間），一次側控制器120確立低側閘極端子130及低側FET 110的閘極。低側FET 110因此變成導通的，將開關節點116耦接至接地。在實例情況中，低側FET 110之閘極的確立狀態的時間長度（及因此低側FET 110的傳導時間）係由一次側控制器120（具體地說，頻率控制器206（圖2））控制以使其成為與高側FET 108之緊接在前的導通時間相同的時間長度（如圖3各處之彎曲箭頭所示）。在預定時間長度之後，一次側控制器120解除確立低側閘極端子130並因此解除確立低側FET 110的閘極。低側FET 110因此變成不導通的，將開關節點116與接地斷開。在另一預定空滯時間（未具體地為特定轉變顯示）之後，一次側控制器120再次確立高側閘極端子122並因此確立高側FET 108的閘極118。再次，高側FET 108變成導通的，將輸入電壓VDC 耦接至開關節點116。且與之前一樣，一旦一次電流信號310跨越中間信號242（在交叉點314處），一次側控制器120解除確立高側閘極端子122並因此解除確立高側FET 108的閘極118，且該程序繼續。
使高側FET 108導通，然後使低側FET 110導通，在開關節點116處產生如標繪圖306所示之電壓方波信號（且其產生更正弦的一次電流IP ）。在開關節點116處的方波信號可被視為具有基本頻率的AC信號，該基本頻率係由一次側控制器120的切換頻率所設定。由於電容器140，沒有DC電流在一次繞組132中流動。
仍同時參考圖1及圖3。再次，零與t4之間的時間週期代表穩態操作。然而，在時間t4處，由負載所汲取的電力發生變化。具體而言，在此實例中的時間t4處，由負載汲取的電力增加。由負載汲取之電力的增加可具有若干效應。首先，由負載汲取的增加的電力導致輸出電壓略微下降。輸出電壓的略微下降在圖3中係由就在時間t4後之在中間信號242的量值的增加所顯示。當輸出電壓下降時在中間信號242之量值的增加可歸因於光耦合器156的操作。亦即，當輸出電壓降低時，較少的光子係由二極體152產生，且因此在電晶體154的基極處接收到較少的光子。因為電晶體154變得較不導通，在回授輸入236（圖2）處的電壓因為上拉電阻器316而變得更高。其他組態亦係可能的。然而，一旦中間信號242改變量值，則用於斷開高側FET 108的觸發點對應地改變（例如，交叉點318）。若頻率控制器206（圖2）未產生其他變化，因為高側FET 108維持在導電狀態中更久（與圖3中的先前時間週期相比），中間信號242的實例增加量值因此減少在開關節點116處產生之AC信號的頻率。
雖然未特別顯示在圖3中，但當由負載汲取的電力減少時，輸出電壓略微增加，中間信號242的量值減少，交叉點改變，且因此諧振電力轉換器100的一次側102的操作頻率增加。實例系統因此實施諧振電力轉換器100的一次控制，使得操作的頻率與提供至負載的電力成反比。亦即，隨著提供至負載的電力增加，頻率減少。且隨著提供至負載的電力減少，頻率增加。
返回至圖2，頻率控制器206也與基於在回授輸入236處的回授信號經由改變中間信號242的量值來實施在頻率上的變化而同時地作出頻率上的變化。亦即，為減少施加至變壓器106（圖1）的一次繞組132（亦見圖1）之AC信號的諧波失真，實例頻率控制器206經由開關節點端子160及感測輸入216監測AC信號。在一些情況中，頻率控制器206經設計及建構以操作使得其整體頻率係位於或恰低於一次側102（圖1）上之LLC電路的共振頻率。為實施頻率控制，頻率控制器206經由耦接至回授控制器230之斜坡輸入238的斜坡輸出246改變及/或發送斜坡信號至斜坡補償電路244。如下文更詳細地討論，在一些情況中，斜坡信號係控制施加至用於產生中間信號242之回授信號的增益及/或偏壓的類比信號。然而，在其他情況中，斜坡信號可係布林信號，或頻率控制器206可經由基於封裝的訊息來與斜坡補償電路244通訊。然而，中間信號242的量值係基於回授端子158（及回授輸入236）上的回授信號，並也係基於由頻率控制器提供的斜坡信號（例如，用以減少次諧波振盪）二者所控制。
圖2顯示故障偵測器220的實例實施方案。具體而言，實例故障偵測器220感測在變壓器106（圖1）之一次繞組132（亦見圖1）中的過電流狀況。在所示的實施例中，感測輸入222係耦接至比較器250的非反相輸入249。反相輸入252係耦接至預定電壓（顯示為電壓源254）。由電壓源254產生的電壓代表一次繞組132中的電流臨限。由電壓源254產生的電壓係將實施在電流感測端子162與節點168之間的各種AC及DC分壓器電路（圖1）列入考慮而選擇。因此，當一次繞組中的電流超過預定臨限（亦即，過電流狀況）時，比較器輸出256經確立達該電流高於臨限（亦即，過電流信號）的時間週期。一次電流信號310（圖3）係AC信號，且在實例故障偵測器220中，比較器250僅在一次電流信號310之一半波形中（亦即，正半循環，但替代地能建構成在負半循環中感測，或二者皆可）感測到峰值電流。在過載或短路情況下，一次電流信號310可能在連續循環中超過預定臨限，因此由比較器250產生的信號可係複數個脈衝。過電流狀況可觸發二種控制動作，第一種係在若過電流狀況持續達預定的循環數目時停止電力轉換器的操作。
具體而言，圖2的實例故障偵測器220實施故障計數器258。故障計數器258具有耦接至比較器輸出256的故障輸入260。故障計數器258亦界定脈衝計數輸入224、故障輸出226、及過電流輸出228。關於在過電流狀況（例如，在二次側104（圖1）上重負載或短路）下停止操作，故障計數器258經組態以感測或計數指示在施加至一次繞組132（圖1）之AC信號的頻率的各循環中的過電流狀況的脈衝。若在預定數目的AC信號之頻率的循環（經由耦接至高側閘極端子122的脈衝計數輸入224所感測到的循環）中感測到預定數目的過電流狀況，故障計數器258（及因此故障偵測器220）確立故障輸出226至頻率控制器206。頻率控制器206繼而停止操作諧振電力轉換器。過電流狀況的預定數目，及AC信號之頻率的循環的預定數目，可係可由諧振電力轉換器的設計者選擇的。在一些情況中，過電流狀況的預定數目位在（且包括）5個與10個之間，且AC信號之頻率的循環的預定數目係多於30個循環。一個實例設定係當在AC信號之頻率的50個循環的滾動窗(rolling window)中偵測到六個過電流狀況時，故障計數器258確立故障輸出226。
可基於過電流狀況而採取的第二種控制動作係藉由增加AC信號的頻率來限制一次側102（圖1，並因此限制二次側104）中的電流。具體而言，實例故障計數器258進一步經設計及建構以在偵測到預定數目的過電流狀況時確立過電流輸出228。在一個實例實施例中，過電流輸出228係在單一過電流狀況之後確立，但在其他情況中，可在過電流輸出228之確立以前計算到多於一個的過電流狀況（但小於導致停止操作的數目）。下文更多地討論斜坡補償電路244的回應動作。然而，考慮到斜坡補償電路244的回應動作降低一次電流，使得峰值一次電流下降並且過電流狀況的數目自第一次過電流狀況之後不遞增。在實例實施例中，故障計數器258持續確立過電流輸出228達預定數目的AC信號之頻率的循環（再次，如在脈衝計數輸入224處所感測到的循環）。在一個實例情況中，故障計數器在解除確立之前可將過電流輸出228保持在確立狀態達30個AC信號之頻率的循環，以針對過載或短路情況提供消除時間。若過載或短路在過電流輸出經解除確立時尚未消除，頻率將再次增加，且過電流狀況將出現，可能導致操作的停止。另一方面，若過載或短路情況在過電流輸出228經確立時之時間週期期間消除，則在過電流輸出228經解除確立時，諧振電力轉換器恢復非故障操作。
圖4根據至少一些實施例顯示時序圖。具體而言，圖4具有以對應時間軸顯示的五個圖或標繪圖400、402、404、406、及408。標繪圖400顯示與實例一次電流信號310及實例未修改中間信號410（顯示為鏈點鏈線）共同繪製的實例中間信號242。類似於圖3：標繪圖402顯示施加至高側FET 108的實例閘極信號；標繪圖404顯示施加至低側FET 110的實例閘極信號；且標繪圖406顯示在開關節點116處產生的實例AC信號。圖4亦包括標繪圖408，該標繪圖顯示由比較器輸出256（圖2）驅動的信號。
考慮到在t1（與圖3中的t1不係相同時間）周圍的時間週期中，由負載汲取的電力增加，諸如，由耦接至輸出電壓VOUT （圖1）的重負載或短路情況（下文中僅稱為「短路」）所導致。短路增加在輸出處汲取的電流，且相似地減少電壓。輸出電壓的減少導致中間信號242之量值的增加，如恰在t1之後所示。如前文，中間信號242之量值的增加導致頻率的初始減少。然而，也考慮到短路導致一次繞組132（圖1）中的電流超過預定臨限（如由電壓源254（圖2）所設定者），且因此比較器輸出256（圖2）經確立（亦即，過電流狀況），且在實例情況中導致如標繪圖408中所示之三個確立。
在非故障操作中，減少輸出電壓導致增加的中間信號242之量值，並將增加中間信號242之量值的實例顯示為標繪圖400中的未修改中間信號410。然而，因為過電流狀況，根據各種實施例，中間信號經修改以增加頻率。例如，中間信號242的量值在t3與t4之間減少，其導致增加在時間t4處及之後的頻率，如所示者（及與時間t1與t3之間的頻率相比）。因此，一次側控制器120（圖1或圖3）在短路情況期間限制輸入電流及輸出電流。因為電流在關閉之前的短路情況期間受限制，各種電路組件（例如，變壓器106、橋式整流器144）可針對標稱功率情況而非針對會經歷但對其限制電流的過電流狀況而設計。此外，在某個數目的AC信號之頻率的循環（例如，30個循環、50個循環）之後，可允許中間信號242返回其之未修改狀態或情況。若短路狀態已消除，電力轉換器返回至非故障操作。若短路仍存在，基於高於預定限制（在AC信號之頻率的循環的預定數目內）的增加脈衝計數，故障計數器258可確立故障輸出226，從而停止電力轉換器的操作。
現在返回圖2，回應於過電流狀況而修改中間信號242以增加頻率可採取許多形式。例如，當斜坡補償電路244在其過電流輸入234上接收確立信號時，斜坡補償信號可將中間信號242箝制在一電壓上，該電壓針對諧振電力轉換器100的特定設計（圖1）而確保一次繞組132上的過電流狀況將不發生。在其他情況中，回授輸入236上的回授信號與中間信號242之間的關係可由查找表控制。當斜坡補償電路244在其過電流輸入234上接收確立信號時，斜坡補償信號可改變或切換至不同的查找表。又，在又其他情況中，回授輸入236上的回授信號與中間信號242之間的關係係基於施加至該回授信號的增益及/或偏壓。
圖5顯示根據至少一些實施例的斜坡補償控制器的方塊圖。具體而言，實例斜坡補償電路244包括具有耦接至回授輸入236的放大器輸入502的可調整增益放大器500。此外，實例斜坡補償電路244包括顯示為求和方塊(summation block)502及控制電流源504的偏壓電路。求和方塊502具有耦接放大器輸出508的求和輸入506，且求和方塊502具有耦接至斜坡補償電路244的中間輸出512的總和輸出510。此外，求和方塊502具有耦接至控制電流源504的另一求和輸入507。因此，在實例實施例中，將由放大器500產生的電壓與由控制電流源504產生的電壓加總，以產生中間信號242。然而，應理解的是，可省略採取求和方塊502及控制電流源504之形式的偏壓電路而僅採用可調整增益放大器500，且相反地，可省略可調整增益放大器500而僅採用該偏壓電路，全部均不背離本揭露的範疇及精神。
根據實例實施例，由可調整增益放大器500提供的增益係經由斜坡輸入238由頻率控制器206（圖2），及亦係經由過電流輸入234由故障計數器258（圖2）二者所控制。在非故障操作中，頻率控制器206可調整增益以控制頻率而實現所欲的操作頻率（例如，減少諧波失真，或確保以連續導通模式操作的頻率）。由控制電流源504及求和方塊502（若存在）提供的偏壓係經由斜坡輸入238由頻率控制器206（圖2），及經由過電流輸入234由故障計數器258（圖2）二者所控制。在非故障操作中，頻率控制器206可調整偏壓以控制頻率而實現所欲的操作頻率（例如，減少諧波失真的頻率、或確保以連續導通模式操作的頻率）。
略微不同地說，回授控制器230（經由實例斜坡補償電路244）經設計及建構以使得在過電流輸入234上的過電流信號經解除確立時之時間週期期間，回授控制器230可將增益施加至代表輸出電壓的信號。除了增益以外，或替代增益，回授控制器230（經由實例斜坡補償電路244）經設計及建構以使得在過電流輸入234上的過電流信號經解除確立時之時間週期期間，回授控制器230可將偏壓施加至代表輸出電壓的信號。增益的單獨應用、偏壓的單獨應用、或增益及偏壓之組合的應用產生中間信號242。
然而，在過電流輸入234上的過電流信號經確立時之時間週期期間，回授控制器230（經由實例斜坡補償電路244）經設計及建構以將用於產生中間信號的增益從原始增益改變成與原始增益不同的經修改增益。除了增益以外，或替代增益，回授控制器230（經由實例斜坡補償電路244）經設計及建構以使得在過電流輸入234上的過電流信號經確立時之時間週期期間，回授控制器230可將偏壓施加至代表輸出電壓的信號。然而，在過電流信號經確立時之時間週期期間，增益的單獨應用、偏壓的單獨應用、或增益及偏壓之組合的應用仍產生中間信號242。
圖5已在斜坡補償電路244內嵌入一圖，該圖顯示在回授輸入236上的電壓(VFB )與由斜坡補償電路244產生的中間信號242的電壓(VIS )之間的實例關係。具體而言，實線514表示具有斜率為一之增益（亦即，單位增益）。增益增加（例如，高於導致斜率為一之增益的增益增加）使斜率增加，諸如由鏈點鏈線516所示者。增益減少（例如，低於導致斜率為一之增益的增益減少）使斜率減少，諸如由虛線518所示者。用於任何特定非故障操作情況的增益能任意地經選擇成高於單位增益、等於單位增益、或低於單位增益。然而，當過電流信號經確立時，回應於過電流信號的確立的增益變化使斜率減少。相反地，當過電流信號從確立狀態轉變至解除確立狀態時，回應於解除確立的增益變化使斜率增加。儘管未具體地顯示在圖5中的嵌入關係中，類似地，當過電流信號經確立時，回應於過電流信號的確立的偏壓（若有使用）變化使偏壓減少。相反地，當過電流信號從確立狀態轉變至解除確立狀態時，回應於解除確立的偏壓變化使偏壓增加。
圖6顯示根據至少一些實施例的方法。亦即，在具有選擇性地將輸入電壓耦接至變壓器的一次繞組的高側FET、選擇性地將變壓器的一次繞組耦接至接地的低側FET、及將電力提供至二次側上之負載的變壓器的二次繞組的電力轉換器中，該方法開始（方塊600）並包含：感測代表提供至負載之輸出電壓的信號（方塊602）；使用代表輸出電壓的信號產生中間信號（方塊604）；感測代表一次繞組中之電流的信號（方塊606）；經由高側FET及低側FET來控制施加至一次繞組之交流(AC)信號的頻率（方塊608）；基於中間信號及代表一次繞組中之電流的信號而在AC信號的各循環中控制高側FET的斷開（方塊610）；感測在變壓器之一次繞組中的過電流狀況（方塊612）；及回應於過電流狀況而修改中間信號以增加AC信號的頻率（方塊614）。之後，該方法可結束（方塊616）。
上述討論係意欲說明本發明的原理及各種實施例。一旦完全理解上述的揭露，許多變化與修改對於所屬技術領域中具有通常知識者來說將變得明顯。其意圖係下列申請專利範圍係解釋成涵蓋所有此類變更與修改。
100:諧振電力轉換器 102:一次側 104:二次側 106:變壓器 108:高側場效電晶體(FET) 110:低側FET 112:汲極 114:源極 116:開關節點 118:閘極 120:一次側控制器 122:高側閘極端子 124:汲極 126:源極 128:閘極 130:低側閘極端子 132:一次繞組 134:漏電感 136:一次電感 138:金屬核心 140:電容器 142:二次繞組 144:橋式整流器 146:中心抽頭 148:平滑電容器 150:參考電阻器 152:二極體 154:電晶體 156:光耦合器 158:回授端子 160:開關節點端子 162:電流感測端子 164:電容器 166:電容器 168:節點 170:節點 172:電阻器 174:電阻器 176:節點 200:FET驅動器 202:高側輸出/高側閘極端子 204:低側輸出 206:頻率控制器 208:高側輸入 210:低側輸入 212:高側輸出 214:低側輸出 216:感測輸入 218:時序輸入 220:故障偵測器 222:感測輸入 224:脈衝計數輸入 226:故障輸出 228:過電流輸出 230:回授控制器 232:感測輸入 234:過電流輸入 236:回授輸入 238:斜坡輸入 240:時序輸出 242:中間信號 244:斜坡補償電路 246:斜坡輸出 248:故障輸入 249:非反相輸入 250:比較器 252:反相輸入 254:電壓源 256:比較器輸出 258:故障計數器 260:故障輸入 300:標繪圖 302:標繪圖 304:標繪圖 306:標繪圖 310:一次電流信號 312:交叉點 314:交叉點 316:上拉電阻器 318:交叉點 400:標繪圖 402:標繪圖 404:標繪圖 406:標繪圖 408:標繪圖 410:未修改中間信號 500:可調整增益放大器/放大器 502:求和方塊/放大器輸入 504:控制電流源 506:求和輸入 508:放大器輸出 510:總和輸出 512:中間輸出 514:求和輸入/實線 516:鏈點鏈線 518:虛線 600:方塊 602:方塊 604:方塊 606:方塊 608:方塊 610:方塊 612:方塊 614:方塊 616:方塊
為了詳細描述實例實施例，現將參考隨附圖式，其中： 圖1顯示根據至少一些實施例的諧振電力轉換器； 圖2顯示根據至少一些實施例的一次側控制器的方塊圖； 圖3顯示根據至少一些實施例的時序圖； 圖4顯示根據至少一些實施例的時序圖； 圖5顯示根據至少一些實施例的斜坡補償電路的方塊圖；及 圖6顯示根據至少一些實施例的方法。 定義
各種用語係用以指涉特定的系統組件。不同的公司可使用不同名稱指涉一組件，本文件不打算區別名稱不同但功能無不同的組件。在下列討論及申請專利範圍中，用語「包括(including)」及「包含(comprising)」係以開放方式使用，且因此應理解為意指「包括，但不限於…(including, but not limited to…)」。同樣地，用語「耦接（couple或couples）」係意欲意指間接連接或直接連接。因此，若一第一裝置耦接至一第二裝置，則該連接可係通過直接連接或通過經由其他裝置及連接的間接連接。
關於電裝置（無論係獨立的或作為積體電路的一部分），用語「輸入(input)」及「輸出(output)」係指至電裝置的電連接，且不應理解為需要動作的動詞。例如，差動放大器（諸如，運算放大器）可具有一第一差動輸入及一第二差動輸入，且此等「輸入」界定至該運算放大器的電連接，且不應理解為需要將信號輸入至該運算放大器。
「控制器」應指經組態以讀取信號並回應於此種信號而採取行動的在基材上的個別電路組件、建構在基材上的特定應用積體電路(application specific integrated circuit, ASIC)、建構在基材上的微控制器（具有儲存在該基材上或該基材外的控制軟體）、或其組合。
120:一次側控制器
122:高側閘極端子
130:低側閘極端子
158:回授端子
160:開關節點端子
162:電流感測端子
200:FET驅動器
202:高側輸出/高側閘極端子
204:低側輸出
206:頻率控制器
208:高側輸入
210:低側輸入
212:高側輸出
214:低側輸出
216:感測輸入
218:時序輸入
220:故障偵測器
222:感測輸入
224:脈衝計數輸入
226:故障輸出
228:過電流輸出
230:回授控制器
232:感測輸入
234:過電流輸入
236:回授輸入
238:斜坡輸入
240:時序輸出
242:中間信號
244:斜坡補償電路
246:斜坡輸出
248:故障輸入
249:非反相輸入
250:比較器
252:反相輸入
254:電壓源
256:比較器輸出
258:故障計數器
260:故障輸入
316:上拉電阻器

Claims (10)

  1. 一種操作一電力轉換器的方法，該方法包含： 感測代表提供至一負載之輸出電壓的一信號； 使用代表輸出電壓的該信號產生一中間信號； 感測代表在一變壓器的一一次繞組中的電流的一信號； 經由一高側場效電晶體(field effect transistor, FET)及一低側FET來控制施加至該一次繞組的一交流(alternating current, AC)信號的頻率，該高側FET選擇性地將一輸入電壓耦接至該一次繞組，且該低側FET選擇性地將該一次繞組耦接至接地； 基於該中間信號及代表該一次繞組中之電流的該信號而在該AC信號的各循環中控制該高側FET的斷開； 感測在該變壓器之該一次繞組中的一過電流狀況；及 回應於該過電流狀況而修改該中間信號以增加該AC信號的該頻率。
  2. 如請求項1之方法： 其中產生該中間信號進一步包含將一增益施加至代表輸出電壓的該信號；且 其中修改進一步包含改變用以產生該中間信號的該增益，該修改從一原始增益至與該原始增益不同的一經修改增益。
  3. 如請求項1之方法： 其中產生該中間信號進一步包含將一偏壓施加至代表輸出電壓的該信號；且 其中修改進一步包含改變用以產生該中間信號的該偏壓。
  4. 如請求項1之方法： 其中控制頻率進一步包含基於通過一一次側控制器的一電流感測端子感測代表該一次繞組中之電流的該信號而控制；且 其中感測該過電流狀況進一步包含經由該一次側控制器的該電流感測端子而感測。
  5. 如請求項1之方法： 其中感測該過電流狀況進一步包含感測該一次繞組中超過一預定臨限的一峰值電流，該感測在施加至該一次繞組的該AC信號之該頻率的一單一循環內；且 其中修改進一步包含基於在該單一循環中超過該預定臨限的該峰值電流而修改該中間信號。
  6. 一種用於一諧振電力轉換器的積體電路控制器，該控制器包含： 一頻率控制器，其耦接至一驅動器電路，該頻率控制器經組態以控制驅動至一高側閘極端子及一低側閘極端子之信號的頻率； 一故障偵測器，其耦接至一電流感測端子，該故障偵測器經組態以感測該諧振電力轉換器的一一次繞組的一過電流狀況，且回應於該過電流狀況而確立一過電流信號； 一回授控制器，其耦接至一回授端子、該電流感測端子、該頻率控制器、及該過電流信號，在該過電流信號經解除確立之時間週期期間，該回授控制器經組態以經由該回授端子感測代表輸出電壓的一信號並產生一中間信號；且 該回授控制器進一步經組態以在該過電流信號經確立之週期期間修改該中間信號，以增加驅動至該高側閘極端子及該低側閘極端子之該等信號的該頻率。
  7. 如請求項6之積體電路控制器，其進一步包含： 在該過電流信號經解除確立之時間週期期間，該回授控制器經組態以將一增益施加至代表輸出電壓的該信號以產生該中間信號；且 在該過電流信號經確立之時間週期期間，該回授控制器進一步經組態以將用以產生該中間信號的該增益從一原始增益改變至與該原始增益不同的一經修改增益。
  8. 如請求項6之積體電路控制器，其進一步包含： 在該過電流信號經解除確立之時間週期期間，該回授控制器經組態以將一偏壓施加至代表輸出電壓的該信號以產生該中間信號；且 在該過電流信號經確立之時間週期期間，該回授控制器經組態以將該偏壓從一原始偏壓改變至與該原始偏壓不同的一經修改偏壓。
  9. 如請求項6之積體電路控制器，其進一步包含： 在該過電流信號經解除確立之時間週期期間，該回授控制器經組態以將一增益及偏壓施加至代表輸出電壓的該信號以產生該中間信號；且 在該過電流信號經確立之時間週期期間，該回授控制器經組態以改變選自由下列組成之一群組之至少一者：該增益；及該偏壓。
  10. 一種諧振電力轉換器，其包含： 一變壓器，其包含一一次繞組及一二次繞組，該變壓器的該二次繞組經組態以提供電力至一二次側上的一負載； 一高側場效電晶體(FET)，其選擇性地將一輸入電壓耦接至該變壓器的該一次繞組； 一低側FET，其選擇性地將該變壓器的該一次繞組耦接至接地； 一FET控制器，其界定耦接至該高側FET的一閘極的一高側閘極端子、耦接至該低側FET的一閘極的一低側閘極端子、耦接至一分壓器的一電流感測端子、及耦接以感測該諧振電力轉換器的該二次側上的電壓的一回授端子，該FET控制器包含： 一頻率控制器，其耦接至一驅動器電路，該頻率控制器經組態以控制驅動至該高側閘極端子及該低側閘極端子之信號的頻率； 一故障偵測器，其耦接至該電流感測端子，該故障偵測器經組態以感測該一次繞組的一過電流狀況，並回應於該過電流狀況而確立一過電流信號； 一回授控制器，其耦接至該回授端子、該電流感測端子、該頻率控制器、及該過電流信號，在該過電流信號經解除確立之時間週期期間，該回授控制器經組態以經由該回授端子感測代表輸出電壓的一信號並產生一中間信號；且 該回授控制器進一步經組態以在該過電流信號經確立之週期期間修改該中間信號，以增加驅動至該高側閘極端子及該低側閘極端子之該等信號的該頻率。
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