TW202105894A - 用於功率轉換器的輸入線路電壓操作 - Google Patents

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Abstract

一種用於一功率轉換器的控制器。該控制器包含一控制電路，該控制電路被耦合以接收代表該功率轉換器的一輸入電壓的一輸入線路電壓感應訊號。該控制電路用以響應於代表該功率轉換器的一輸出的一請求訊號而產生一控制訊號。響應於該輸入線路電壓感應訊號，該控制訊號代表從開啟一箝位開關至開啟一功率開關的一延遲時間。該控制電路更可產生一箝位驅動訊號，以控制一箝位驅動器；以及一驅動電路，用以產生一驅動訊號，以控制該功率開關將能量從該功率轉換器的一輸入傳送至該功率轉換器的該輸出。

Description

用於功率轉換器的輸入線路電壓操作
本發明概言之是關於功率轉換器，且更具體而言，是關於用於變頻式返馳功率轉換器（variable frequency flyback power converter）的零電壓切換（zero voltage switching，ZVS）。
電子裝置（例如，行動電話、平板電腦、筆記型電腦等）使用功率進行操作。開關模式電源供應因其高效率、小尺寸及低重量而被廣泛用於供電給當今許多電子產品。傳統的牆壁插座提供一高壓交流電（alternating current，ac）。在一開關電源供應中，一高壓交流電（ac）輸入藉由開關模式功率轉換器被轉換，以經由一能量轉換元件（energy transfer element）向一負載提供一被良好調節的直流電（direct current，dc）輸出。在操作中，一開關被開啟及關閉，藉由改變占空比（duty cycle）（通常是開關的開啟時間與總開關週期之比）、改變開關頻率或改變一開關模式功率轉換器中開關每單位時間的開啟/關閉的脈衝數，以提供期望的輸出。
在例如一返馳轉換器（flyback converter）等功率轉換器中，當一初級電源開關被關閉時，初級側上的電流路徑突然中斷。儲存在一能量轉換元件的激磁能量中的能量可被傳送至輸出，但漏電感（leakage inductance）中的能量無法被傳送至輸出。儲存的能量被傳送至主功率開關（power switch）的汲極至源極電容。此可能對裝置產生災難性的影響，乃因汲極至源極之間產生的電壓可超出裝置額定值。傳統的返馳轉換器使用被動箝位（passive clamp），例如RCD箝位，其中漏感能量（leakage energy）被捕獲在一箝位電容（clamp capacitance）中，且該能量在一電阻器中被消耗。此浪費的能量降低了系統的整體效率。
主動箝位策略（active clamp strategy）已被提供，其回收漏感能量以實現初級開關（primary switch）上的零電壓切換。此增加了整體系統的效率。目前最常用的零電壓切換技術使用位於初級側上的一主動箝位及一電感電容共振次級輸出線圈（resonant LC secondary output winding）結構。儘管此種方法具有優異的效率及可靠的零電壓開關操作，但控制器需要在突發模式（burst mode）下操作。突發模式是一種複雜的控制策略，其需要仔細的迴路速度最佳化及系統穩定性。對於輸出電壓可在大範圍內變化的轉接器（例如，USBPD），此可尤其具有挑戰性。
一種用於一功率轉換器的控制器被揭露。該控制器包含：一控制電路，被耦合以接收代表該功率轉換器的一輸入電壓的一輸入線路電壓感應訊號，該控制電路用以響應於代表該功率轉換器的一輸出的一請求訊號而產生一控制訊號，其中，響應於該輸入線路電壓感應訊號，該控制訊號代表從開啟一箝位開關至開啟一功率開關的一延遲時間，該控制電路更用以產生一箝位驅動訊號，以控制一箝位驅動器；以及一驅動電路，用以產生一驅動訊號，以控制該功率開關將能量從該功率轉換器的一輸入傳送至該功率轉換器的該輸出。
一種功率轉換器被揭露。該功率轉換器包含：一能量轉換元件，被耦合至該功率轉換器的一輸入與該功率轉換器的一輸出之間；一功率開關，被耦合至該能量轉換元件；一箝位驅動器，被耦合至該能量轉換元件以及該功率開關；以及一主要控制器，被耦合至該箝位驅動器以及該功率開關。該主要控制器包含：一控制電路，用以響應於代表該功率轉換器的一輸出的一請求訊號而產生一控制訊號，其中該控制訊號響應於一輸入線路電壓感應訊號而選擇複數模式操作的其中一個以在開啟一箝位開關之後開啟一功率開關，該控制電路更用以產生一箝位驅動訊號以控制一箝位驅動器；以及一驅動電路，用以產生一驅動訊號，以控制該功率開關將能量從該功率轉換器的該輸入傳送至該功率轉換器的該輸出。
本文闡述了一功率轉換器的示例，該功率轉換器能夠響應於一線路輸入電壓而自一不連續導通模式操作轉變至一連續導通模式操作。在以下說明中，描述了許多具體細節，以提供對本發明的透徹理解。然而，對本發明所屬技術領域中具有通常知識者而言顯而易見的是，不需要採用具體細節來實施本發明。在其他情況下，未詳細闡述眾所習知的材料或方法，以避免模糊本發明。
在本說明書通篇中，對「一個實施例（embodiment）」、「一實施例」、「一個示例（example）」或「一示例」的提及意指結合該實施例或示例闡述的一特定特徵、結構或特性被包含在本發明的至少一個實施例中。因此，在本說明書的不同地方出現的片語「在一個實施例中」、「在一實施例中」、「一個示例」或「一示例」未必都指同一實施例或示例。此外，在一或多個實施例或示例中，特定特徵、結構或特性可以以任何合適的組合及/或子組合進行組合。特定的特徵、結構或特性可被包含在一積體電路、一電子電路、一組合邏輯電路或提供所述功能的其他合適的組件中。此外，應理解，隨本文一起提供的圖式是用於向本發明所屬技術領域中具有通常知識者進行解釋的目的，並且圖式未必按比例繪製。
一功率轉換器，例如一返馳轉換器，可以以低組件成本提供低輸出電流，且相較於其他轉換器拓撲相對簡單。返馳轉換器亦可利用一主動箝位電路來防止過電壓損壞返馳轉換器內的組件。
傳導損耗及切換損耗是由於電路中的電阻及由功率轉換器切換的寄生電容（parasitic capacitance）引起的，尤其是當功率開關是一電晶體（transistor）時。當功率開關傳導電流時，電路的電阻連同電路中經過的電流一起產生傳導損耗。切換損耗常常與當功率轉換器的功率開關在一開啟狀態與一關閉狀態之間轉變（反之亦然）時發生的損耗相關聯。在一個示例中，開啟（或閉合）的開關可傳導電流，而關閉（或打開）的開關不能傳導電流。當功率開關被打開時，開關兩端的電壓將能量儲存在寄生電容中。當功率開關閉合時，寄生電容放電，將儲存在寄生電容中的能量耗散在功率開關的電阻中，從而產生切換損耗。此外，切換損耗可能是由於在功率開關開啟時功率開關兩端的電壓為非零、或者當功率開關關閉時經過功率開關的電流為非零而導致。主動箝位電路可用以藉由使用零電壓切換技術來減少該開關損耗。
為使一功率轉換器在輕負載或無負載狀況下保持高效率，一功率轉換器控制器可藉由在一段時間間隔（亦稱為一突發間隔）內開啟及關閉功率開關，並在隨後的間隔不做切換，以實施一突發模式操作。對於具有一主動箝位的返馳轉換器而言，可能難以針對寬輸出電壓範圍或要求穩定的定電流（constant current，CC）操作的設計來最佳化迴路速度、穩定性及漣波（ripple）。為避免突發模式的複雜性，本揭露繪示一功率轉換器控制器，其控制一主動箝位及一返馳轉換器，該返馳轉換器為零電壓切換提供一連續可變頻率，而不需要突發模式或複雜的LC輸出線圈網路。可變頻率可被輕易控制，以達成輸出響應及線路抑制（line rejection）的最佳迴路響應。此外，該功率轉換器控制器可響應於代表輸入線路電壓的一線路感應輸入電壓來確定以不連續導通模式（discontinuous conduction mode，DCM）還是連續導通模式（continuous conduction mode，CCM）操作。在一個示例中，當在較低的輸入電壓下以連續導通模式操作時，功率開關的方均根（root mean square，RMS）電流減小，藉此提高功率轉換器的效率。
為進行例示，第1圖繪示了根據本揭露所教導的一示例性功率轉換器100的方塊圖，該功率轉換器100包含一箝位驅動器（clamp driver）106、一主要控制器133及一次要控制器137。被繪示的功率轉換器100的示例包含一輸入電容CIN 102、一能量轉換元件116、能量轉換元件116的一初級線圈118、能量轉換元件116的一次級線圈120、一功率開關S1 145、一箝位電容CCL 104、二極體107及115、一箝位開關（clamp switch）108、一輸出電容CO 122、一輸入迴路（input return）126、一輸出迴路（output return）125、一同步整流器（synchronous rectifier）128及一感應電路131。
被呈現的箝位驅動器106包含一低側驅動器（low side driver）150及一高側驅動器（high side driver）151。低側驅動器150用以經由傳遞連結152控制高側驅動器。高側驅動器用以產生一箝位致能訊號（clamp enable signal）UCE 168，以控制箝位開關108。
次要控制器137用以產生用以控制同步整流器128的一次級驅動訊號134、以及一請求訊號UREQ 135。請求訊號UREQ 135被傳遞至主要控制器以致能功率開關S1 145。此外，次要控制器137被耦合以接收代表功率轉換器100的一輸出的一回授訊號（feedback signal）UFB 132。
被呈現的主要控制器133包含一控制電路139及一驅動電路141。控制電路139被耦合以接收來自次要控制器137的請求訊號UREQ 135及代表該功率開關的開關電流ID 143的一電流感應訊號。控制電路139用以響應於輸入線路電壓感應訊號（input line voltage sense signal）ULS 149而產生一控制訊號UCTRL 142。控制訊號UCTRL 142代表從開啟箝位開關108至開啟功率開關S1 145的一延遲時間。輸入線路電壓感應訊號ULS 149代表功率轉換器100的一輸入電壓VIN 101。如將進一步闡釋，響應於輸入線路電壓感應訊號ULS 149而選擇控制訊號UCTRL 142的延遲時間。驅動電路141被耦合以接收控制訊號UCTRL 142並產生一驅動訊號UD 144來控制功率開關145。驅動電路141更被耦合以接收代表功率開關145的一開關電流ID 143的一電流感應訊號。驅動電路141被耦合以開啟功率開關S1 145，並且被耦合以響應於開關電流ID 143達到電流限值（圖中未繪示）而關閉功率開關S1 145。
進一步例示的是可代表與能量轉換元件116或一分立電感器（discrete inductor）相關聯的激磁電感（magnetizing inductance）及漏電感的一激磁電感LMAG 112、一漏電感LLK 114。在虛線中，繪示寄生電容CP 146以代表耦合至功率開關S1 145的所有電容，並且寄生電容CP 146可包含能量轉換元件116內部的自然電容、功率開關S1 145及/或分立電容的自然內部電容。第1圖中亦繪示一次級電流IS 121、一輸出電壓VO 123、一輸出電流IO 127、一輸出量UO 136、一回授訊號UFB 132、一箝位電壓VCL 109、箝位電流ICL 110及一漏電壓VL 111。在所示示例中，被呈現的功率轉換器100具有一返馳拓撲。應理解，功率轉換器的其他已知拓撲及配置亦可受益於本揭露的教導。
功率轉換器100自一未經調節的輸入電壓VIN 101向一負載124提供輸出功率。在一個實施例中，輸入電壓VIN 101是一經整流及濾波的ac線路電壓。在另一實施例中，輸入電壓VIN 101是一dc輸入電壓。能量轉換元件116被耦合以接收輸入電壓VIN 102。在一些實施例中，能量轉換元件116可為一耦合電感器、變壓器或一電感器。示例性能量轉換元件116被繪示為包含二個線圈：一初級線圈118（匝數為NP ）及一次級線圈120（匝數為Ns）。然而，能量轉換元件116可具有多於兩個線圈。初級線圈118兩端的電壓被例示為在初級線圈118的點端處具有正極性的初級電壓。當功率開關S1 145開啟時，初級電壓實質上等於輸入電壓VIN 102與漏電壓VL 1135的負和，或者在數學上表示為：VP =-(VIN +VL )。當功率開關S1 145關閉時，初級電壓實質上等於次級線圈120的反射輸出電壓（reflected output voltage）。能量轉換元件的初級線圈118還耦合至功率開關S1 145，並且功率開關S1 145還耦合至輸入迴路126。
在操作中，主要控制器133響應於輸入線路電壓感應訊號ULS 149來確定一第一模式操作。第一模式操作發生於當輸入線路電壓感應訊號ULS 149小於一連續導通模式閾值時。在一個示例中，該連續導通模式閾值可在130伏特的範圍內。當功率開關S1 145被關閉時，在被開啟之後，汲極-源極電壓以一速率升高，該速率由功率開關關閉時的峰值電流及電容CP 146所決定。汲極至源極電壓（drain to source voltage）將繼續升高，直到藉由二極體115被箝位至箝位電容CCL 106的箝位電壓VCL 109。在開啟功率開關S1 145之前，箝位開關108被箝位驅動器106開啟。漏電感LLK 114及初級線圈118由CCL 104兩端的箝位電容的電壓經由處於開啟狀態的箝位開關108充電。當箝位開關108被開啟時，電壓被施加至漏電感LLK 114，此使得電流以與功率開關S1 145被開啟時相反的方向升高。在一特定時間之後，箝位開關108被關閉。箝位開關108的關閉使得功率開關S1 145的汲極至源極電壓實質上下降至零。在所述時間期間，已由被開啟的箝位開關108充電的洩漏及能量被放電。在汲極電壓已實質上達到零伏特之後，可開啟功率開關S1 145。
此外，主要控制器133可響應於輸入線路電壓感應訊號ULS 149來確定一第二模式操作。第二模式操作出現於當輸入線路電壓感應訊號ULS 149大於一不連續導通模式閾值時。在一個示例中，不連續導通模式閾值在150伏特的範圍內。
當功率開關S1 145被關閉時，在被開啟之後，汲極-源極電壓以一速率升高，該速率由功率開關S1 145關閉時的峰值電流及電容CP 146所決定。汲極至源極電壓將繼續升高，直到藉由二極體115被箝位至箝位電壓VCL 109。在開啟功率開關S1 145之前，箝位開關108被箝位驅動器106開啟。當箝位開關108被開啟時，電壓被施加至漏電感LLK 114及激磁電感LMAG 112，此使得電流以與功率開關S1 145被開啟時相比相反的方向升高。在一特定時間之後，箝位開關108被關閉。箝位開關的關閉使得功率開關S1 145的汲極至源極電壓下降至實質上的零。在所述時間期間，已由開啟的箝位開關108充電的洩漏及激磁能量被放電。此使得功率開關S1 145的汲極至源極兩端的電壓降低並最終達到零。此種模式通常需要更長的時間才能在功率開關S1 145的汲極上達到零伏特，藉由增加箝位開關108關閉與功率開關S1 145開啟之間的延遲來使第二模式操作適應於此。在汲極電壓實質上達到零伏特之後，主開關被開啟。
如圖所示，漏電感LLK 114可被耦合在功率開關S1 145與初級線圈118之間。漏電感LLK 114可代表與能量轉換元件116或一分立電感器相關聯的漏電感。未耦合的漏電感LLK 114兩端的電壓可表示為漏電壓VL 111。
被耦合在初級線圈118與漏電感LLK 114間的是箝位開關108。箝位驅動器106耦合至箝位電容CCL 104。箝位電容CCL 104兩端的電壓被表示為箝位電壓VCL 109，而箝位電路中的電流被表示為箝位電流ICL 110。箝位開關108限制功率開關S1 145上的最大電壓，並且箝位開關108的控制（由箝位驅動器106產生）有助於功率開關S1 145的零電壓切換。此外，箝位驅動器106結合箝位開關108可降低功率轉換器100中的方均根電流。具體而言，在驅動箝位開關108（例示為一電晶體）的一高側驅動器151處接收到箝位驅動訊號（clamp drive signal）UCD 147。箝位開關108被控制以開啟，以將電流注入初級線圈118中。在功率開關S1 145開啟之前，箝位開關108在第一持續期間被開啟。換言之，箝位開關108並非在功率開關S1 145關閉的整個持續期間內皆被開啟。在功率開關S1 145的關閉時間的開始或接近開始時，箝位開關108傳導與功率轉換器100的漏電感LLK 114相關聯的電荷。來自未耦合的漏電感LLK 114的該電荷經由二極體115被傳送至箝位電容CCL 104並被儲存。在與功率轉換器100的漏電感LLK 114相關聯的淨電荷被傳送之後，二極體115實質上停止傳導。箝位開關108保持關閉，直到接近功率開關S1 145的關閉時間的結尾。一旦確定功率開關應開啟，箝位開關108便在第一持續時間期間被開啟。箝位開關108的電晶體被導通，使得先前傳送至與漏電感LLK 114相關聯的箝位電容CCL 104的淨電荷被傳送至初級線圈118。因此，與漏電感LLK 114相關聯的能量被返回至系統，而不是被耗散。在一個示例中，漏電感LLK 114代表能量轉換元件116的漏電感。控制箝位開關108使得洩漏能量被重設並返回至功率轉換器，而不是被耗散。
次級線圈120被耦合至同步整流器128。自次級線圈120輸出的電流被示為次級電流IS 121。被呈現的輸出電容CO 122被耦合至同步整流器128及輸出迴路125。功率轉換器100更包含調節輸出（其被例示為輸出量UO 136）的電路系統。一般而言，輸出量UO 136可為一輸出電壓VO 123及輸出電流IO 127、或所述兩者的組合。感應電路131被耦合以感應輸出量UO 136，並提供代表輸出量UO 136的回授訊號UFB 132。
如圖所示，次要控制器137被耦合以接收回授訊號UFB 132，並且當回授訊號UFB 132低於一調節閾值時產生一請求訊號UREQ 135。請求訊號UREQ 135經由一傳遞連結被傳輸至主要控制器133，以致能功率開關S1 145。在一個示例中，主要控制器133及次要控制器137彼此電性隔離。傳遞連結可為磁耦合或光耦合。
主要控制器133被耦合以接收電流感應訊號167，並產生驅動訊號UD 144及箝位致能訊號UCE 147。電流感應訊號167可代表由功率開關S1 145接收的開關電流ID 143，並且可為一電壓訊號或一電流訊號。此外，主要控制器133向功率開關S1 145提供一驅動訊號UD 144，以控制各種開關參數，從而控制能量自功率轉換器100的輸入經由能量轉換元件116傳送至功率轉換器100的輸出。此類參數的示例可包含功率開關S1 145的開關頻率（或週期）、占空比、開啟及關閉時間，或者改變功率開關S1 145每單位時間的脈衝數。此外，可控制功率開關S1 145，使其具有一固定的開關頻率或一可變的開關頻率。在可變開關頻率控制的一個示例中，對於輕負載或無負載狀況，開關頻率可能降低。以前，使用傳統的主動箝位技術難以在較低的開關頻率下達成返馳轉換器的零電壓切換，在所述傳統的主動箝位技術中，箝位電路在功率開關的整個關閉時間內皆被開啟。
功率開關S1 145響應於驅動訊號UD 144而被打開及閉合。在操作中，功率開關S1 145的開關會產生一脈動次級電流IS 121，其被輸出電容CO 122濾波以產生實質上恆定的輸出電壓VO 123、輸出電流IO 127或所述兩者的組合。在一個示例中，功率開關S1 145可為一電晶體，例如一金屬氧化物半導體場效應電晶體（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）。在另一示例中，功率開關S1 145可包含（cascode configuration）串疊組態，使得一低電壓電晶體耦合至一高電壓接面場效應電晶體（junction field effect transistor，JFET）。在一個示例中，JFET可包含氮化鎵（GaN）或碳化矽（SiC）材料。主要控制器133、次要控制器137及功率開關145可被實施為一單片積體電路，或者可用分立的電子組件或者分立及積體組件的組合來實施。
第2圖例示了在各種控制模式內經過第1圖的功率開關的電流的圖，該圖包含開關開啟時間tON 269、開關關閉時間tOFF 270、開關週期TS 271、梯形272及三角形273。第2圖例示了在連續導通模式及不連續導通模式兩種模式下經過功率開關S1 145的電流隨時間的一般波形。
在任一開關週期TS 271期間，功率開關S1 145可響應於來自主要控制器133的驅動訊號UD 144而導通，以調節輸出量UO 136。開關週期TS 271可被分成兩個時間段：開關開啟時間tON 269及開關關閉時間tOFF 270。開關開啟時間tON 269表示開關週期TS 271中功率開關S1 145導通的部分。開關關閉時間tOFF 270表示開關週期TS 271中功率開關S1 110不導通時的剩餘部分。第2圖的電流波形繪示兩種基本模式操作。梯形272為連續導通模式的特性，而三角形273是不連續導通模式的特性。在連續導通模式期間，經過功率開關S1 145的電流緊接在開關開啟時間tON 269開始之後實質上為非零，並且在整個開關開啟時間tON 269中穩定地增加。在不連續導通模式期間，經過功率開關S1 145的電流在開關開啟時間tON 269開始時實質上為零，並且在整個開關開啟時間tON 269中自零開始穩定地增加。
第3圖例示了根據本揭露之實施例的第1圖中使用的一控制電路的一個示例。應理解，第3圖的控制電路339可為第1圖的控制電路139的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
控制電路339包含一致能電路（enable circuit）305、正反器（flip flop）315、375、一設置-重置閉鎖器（set-reset latch，SR latch）338、比較器（comparator）317、319、一延遲電路（delay circuit）360及一單穩態複震器（monostable multivibrator）307。延遲電路360包含一第一開關358、一第二開關359、一第一延遲電路361及一第二延遲電路362。
控制電路339可選擇代表開啟功率開關的延遲時間的控制訊號UCTRL 342。延遲時間取決於功率轉換器的模式操作，所述模式操作響應於輸入線路電壓感應訊號ULS 349，輸入線路電壓感應訊號代表線路輸入電壓。比較器317被耦合以在反相輸入處接收輸入線路電壓感應訊號ULS 349，並在非反相輸入處接收一連續導通模式閾值VCCM 365。比較器317用以當輸入線路電壓感應訊號ULS 349小於連續導通模式閾值VCCM 365時產生具有一第一狀態的一輸出，並且當輸入線路電壓感應訊號ULS 349不小於連續導通模式閾值VCCM 365時進一步產生一第二狀態。比較器317的輸出被耦合至設置-重置閉鎖器338的設置輸入（set input）。設置-重置閉鎖器338用以響應於該設置輸入而輸出一第一模式操作訊號（operation signal）UM1 363的一第一狀態。在第3圖的示例中，第一模式操作訊號UM1 363的第一狀態可為一邏輯高位準（logic high）。該第一模式操作代表該功率轉換器的一連續導通模式操作。設置-重置閉鎖器338更用以在設置-重置閉鎖器338的反相輸出處輸出一第二模式操作訊號UM2 364。在第3圖的示例中，第二模式操作訊號UM2 364的第一狀態可為一邏輯低位準（logic low）。
比較器319被耦合以在反相輸入處接收輸入線路電壓感應訊號ULS 349，並在非反相輸入處接收一不連續導通模式閾值VDCM 366。比較器319用以當輸入線路電壓感應訊號ULS 349大於不連續導通模式閾值VDCM 366時產生一第一輸出，並且當輸入線路電壓感應訊號ULS 349不大於不連續導通模式閾值VDCM 366時進一步產生一第二狀態。比較器319的輸出被耦合至設置-重置閉鎖器338的重置輸入（reset input）。設置-重置閉鎖器338用以響應於該重置輸入而輸出第一模式操作訊號UM1 364的第二狀態。在第3圖的示例中，第一模式操作訊號UM1 363的第二狀態可為一邏輯低位準。設置-重置閉鎖器338更用以在設置-重置閉鎖器338的反相輸出處輸出第二模式操作訊號UM2 364。在第3圖的示例中，第二第二模式操作訊號UM2 364的第二狀態可為一邏輯高位準。第二模式操作代表功率轉換器的一不連續導通模式操作。
在開啟功率開關之前，控制電路339開啟箝位開關以使箝位電容放電。致能電路305被耦合以接收請求訊號UREQ 135，並用以產生致能訊號UEN 374。請求訊號UREQ 337代表確定開啟功率開關。單穩態複震器307耦合至致能電路305。單穩態複震器307用以在一第一持續期間輸出一脈衝，其中響應於經由請求訊號UREQ 337確定開啟該功率開關，該第一持續期間自該功率開關的一關閉時間的一結尾附近開始。該脈衝由一箝位驅動訊號UCD 347代表。在脈衝持續期間結束之後，正反器315用以響應於箝位驅動訊號UCD 347而產生一第一邏輯狀態。正反器315的輸出被耦合至開關358及359。開關359被第一模式操作訊號UM1 359關閉，且正反器375被第一延遲電路361的輸出控制時脈。第一延遲電路361輸出一第一延遲，其為控制訊號UCTRL 342。開關358被第二模式操作訊號UM2 364關閉，且正反器375被第二延遲電路362的輸出控制時脈。第二延遲電路362輸出一第二延遲，其為控制訊號UCTRL 342。第二延遲時間大於第一延遲。在一個示例中，第一延遲時間可在50奈秒的範圍內，且第二延遲時間可在200奈秒的範圍內。在第一模式操作中，第一延遲時間說明漏電感將功率開關的汲極至源極電壓降至實質上的零的時間。在第二模式操作中，第二延遲時間說明漏電感及激磁電感將功率開關的汲極至源極電壓降至實質上的零的時間。
第4A圖例示了一時序圖，該時序圖例示了一汲極-源極電壓、一箝位電流、功率開關的一開關電流、一次級電流、一致能訊號及一驅動訊號。應理解，第4A圖提到的訊號可為第1圖的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
第一時序圖例示了一汲極至源極電壓VDS 453。第二時序圖例示了一箝位電流ICL 410。第三時序圖例示了一開關電流ID 443。第四時序圖例示了一次級電流IS 421。第五時序圖例示了箝位致能訊號UCE 468。第六時序圖例示了一驅動訊號UD 444。
在第4A圖的示例中，功率轉換器的模式操作是臨界導通模式（critical conduction mode，CRM），其由開關電流ID 443的三角形表示。當線路感應輸入電壓高於連續導通模式閾值但低於不連續導通模式閾值時，可出現臨界導通模式。在一些設計中，臨界導通模式能夠使用由如第3圖中論述的第一延遲電路或第二延遲電路產生的控制訊號。在時間t1之前，功率開關被開啟，使得汲極至源極電壓VDS 453為零。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443正在升高。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為零。驅動訊號UD 444為一邏輯高位準。
在時間t1，功率開關被關閉，如為一邏輯低位準的驅動訊號UD 444所指示。因此，汲極至源極電壓VDS 453升高至輸入電壓加上箝位電壓。箝位電容被充電，如箝位電流ICL 410所指示。儲存在能量轉換元件中的能量自初級線圈被傳送至次級線圈，如次級電流IS 421的線性減小的波形所示。在t1之後及t2之前，汲極至源極電壓VDS 453升高，並且等於輸入電壓加上箝位電壓。該箝位電容繼續充電，如衰減至零的箝位電流ICL 410所指示。驅動訊號UD 444為邏輯低位準，因此開關電流ID 443亦為零。
在時間t2，汲極至源極電壓VDS 453降低至輸入電壓加上次級線圈的反射輸出電壓。箝位電流ICL 410為零，表示箝位電容不再被充電。當能量由初級線圈被傳送至次級線圈時，開關電流ID 443為零。次級電流IS 421為一非零值，並且以線性方式減小。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。在時間t2至時間t3之間，汲極至源極電壓VDS 453為一非零值，並且斜率為零，此代表同步整流器正在導通。箝位電流ICL 410為零。次級電流IS 421正在線性減小。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t3，箝位驅動器產生一箝位致能訊號UCE 468，以在開啟功率開關之前開啟箝位開關。汲極至源極電壓VDS 453升高至箝位電壓加上輸入電壓。由於能量被傳送至能量轉換元件的次級線圈，因此箝位電容放電，如箝位電流ICL 410的負極性所指示。開關電流ID 443為零。次級電流IS 421由於箝位開關的開啟而開始增加。當功率開關關閉時，驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t4，箝位致能訊號UCE 468轉變為邏輯低位準。箝位電流ICL 410下降至零。開關電流ID 443為零。汲極至源極電壓VDS 453朝向輸入電壓降低。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
時間t4與時間t5之間的時間代表第2圖中所論述的第二延遲時間，如tDEL2 所示。關於第2圖，第二延遲時間被表示為TB 。激磁電感及漏電感將汲極至源極電壓VDS 453降低至零，以提供零電壓切換。在臨界導通模式的其他示例中，漏電感可將汲極至源極電壓VDS 453降低至零，以提供功率開關的零電壓切換。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443為零。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t5處是延遲時間tDEL2 的結尾。汲極至源極電壓VDS 453為零，並且功率開關被開啟，如轉變至邏輯高位準的驅動訊號UD 444所指示。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443開始線性增加。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。
在時間t5之後及時間t6之前的時間，功率開關被開啟，如驅動訊號UD 444的邏輯高位準所指示。汲極至源極電壓VDS 453為零。開關電流ID 443線性升高。在一個示例中，開關電流ID 443繼續升高，直到其到達電流限值（圖中未繪示）。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為零。
在時間t6，功率開關被關閉，如為一邏輯低位準的驅動訊號UD 444所指示。因此，汲極至源極電壓VDS 453升高至輸入電壓加上箝位電壓。箝位電容被充電，如箝位電流ICL 410所指示。儲存在能量轉換元件中的能量自初級線圈被傳送至次級線圈，如次級電流IS 421的線性增加的波形所示。在t1之後及t2之前，汲極至源極電壓等於輸入電壓加上箝位電壓。箝位電容仍在充電，如衰減至零的箝位電流ICL 410所指示。驅動訊號UD 444為邏輯低位準，因此開關電流ID 443亦為零。
第4B圖例示了一時序圖，該時序圖例示了一汲極-源極電壓、一箝位電流、功率開關的一開關電流、一次級電流、一箝位致能訊號及一驅動訊號。應理解，第4B圖提到的訊號可為第1圖的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
第一時序圖例示了一汲極至源極電壓VDS 453。第二時序圖例示了一箝位電流ICL 410。第三時序圖例示了一開關電流ID 443。第四時序圖例示了一次級電流IS 421。第五時序圖例示了箝位致能訊號UCE 468。第六時序圖例示了一驅動訊號UDR 444。
在第4B圖的示例中，功率轉換器的模式操作是連續導通模式，其由開關電流ID 443的梯形表示。在時間t1之前，功率開關被開啟，使得汲極至源極電壓VDS 453為零。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443正在升高。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為零。驅動訊號UD 444為一邏輯高位準。
在時間t1，功率開關被關閉，如轉變至一邏輯低位準的驅動訊號UD 444所指示。因此，汲極至源極電壓VDS 453升高至輸入電壓加上箝位電壓。箝位電容被充電，如箝位電流ICL 410所指示。儲存在能量轉換元件中的能量自初級線圈被傳送至次級線圈，如次級電流IS 421的增加所示。在t1之後及t2之前，汲極至源極電壓VDS 453等於輸入電壓加上箝位電壓。箝位電容繼續充電，如衰減至零的箝位電流ICL 410所指示。由於能量自初級線圈傳送至次級線圈，因此次級電流IS 421升高。驅動訊號UD 444為邏輯低位準，因此開關電流ID 443亦為零。
在時間t2，汲極至源極電壓VDS 453降低至輸入電壓加上次級線圈的反射輸出電壓。箝位電流ICL 410為零，此表明箝位電容不再被充電。當能量由初級線圈被傳送至次級線圈時，開關電流ID 443為零。次級電流IS 421為一非零值，並且以線性方式減小。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UDR 444為邏輯低位準。在時間t2至時間t3之間，汲極至源極電壓VDS 453為一非零值，並且斜率為零，此代表同步整流器正在導通。箝位電流ICL 410為零。次級電流IS 421正在線性減小。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t3，箝位驅動器產生一箝位致能訊號UCE 468，以在開啟功率開關之前開啟箝位開關。汲極至源極電壓VDS 453升高至箝位電壓加上輸入電壓。由於能量自能量轉換元件的初級線圈被傳送至次級線圈，因此箝位電容放電，如由箝位電流ICL 410的負極性所指示。由於儲存在箝位電容中的能量被傳送至次級線圈，因此次級電流IS 421並非為零且略微升高。開關電流ID 443為零。當功率開關關閉時，驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t4，箝位致能訊號UCE 468轉變至邏輯低位準。汲極至源極電壓VDS 453快速衰減至零。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443為零。驅動訊號UDR 444為邏輯低位準。
時間t4與時間t5之間的時間代表如第2圖中所論述的繪示為時間TA 的第一延遲時間，且所述時間在第3圖中被例示為TDEL1 。漏電感的放電將汲極至源極電壓VDS 453降低至零，以提供功率開關的零電壓切換。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443為零。次級電流IS 421朝向零降低。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t5，汲極至源極電壓VDS 453為零，並且功率開關被開啟，如轉變至邏輯高位準的驅動訊號UD 444所指示。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443開始線性增加。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。
在時間t5之後及時間t6之前的時間，功率開關被開啟，如驅動訊號UD 444的邏輯高位準所指示。汲極至源極電壓VDS 453為零。開關電流ID 443繼續線性升高。在一個示例中，開關電流ID 443繼續升高，直到其到達電流限值（圖中未繪示）。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為零。
在時間t6，功率開關被關閉，如轉變至一邏輯低位準的驅動訊號UD 444所指示。因此，汲極至源極電壓VDS 453升高至輸入電壓。箝位電容被充電，如箝位電流ICL 410所指示。儲存在能量轉換元件中的能量自初級線圈被傳送至次級線圈，如次級電流IS 421的增加所示。在t6後，汲極至源極電壓VDS 453升高至輸入電壓加上箝位電壓。箝位電容繼續充電，如衰減至零的箝位電流ICL 410所指示。驅動訊號UD 444為邏輯低位準，因此開關電流ID 443亦為零。
第4C圖例示了一時序圖，該時序圖例示了一汲極-源極電壓、一箝位電流、功率開關的一開關電流、一次級電流、一箝位致能訊號及一驅動訊號。應理解，第4C圖提到的訊號可為第1圖的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
第一時序圖例示了一汲極至源極電壓VDS 453。第二時序圖例示了一箝位電流ICL 410。第三時序圖例示了一開關電流ID 443。第四時序圖例示了一次級電流IS 421。第五時序圖例示了一箝位致能訊號UCE 468。第六時序圖例示了一驅動訊號UD 444。
在第4C圖的示例中，功率轉換器的模式操作是不連續導通模式，其由開關電流ID 443的三角形表示。在時間t1之前，功率開關被開啟，使得汲極至源極電壓VDS 453為零。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443正在升高。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為零。驅動訊號UD 444為一邏輯高位準。
在時間t1，功率開關被關閉，如為一邏輯低位準的驅動訊號UD 444所指示。因此，汲極至源極電壓VDS 453升高至輸入電壓。箝位電容充電，如箝位電流ICL 410所指示。儲存在能量轉換元件中的能量自初級線圈被傳送至次級線圈，如次級電流IS 421的急劇增加所示。在t1之後及t2之前，汲極至源極電壓VDS 453上升至輸入電壓加上箝位電壓。箝位電容繼續充電，如衰減至零的箝位電流ICL 410所指示。驅動訊號UD 444為邏輯低位準，因此開關電流ID 443亦為零。
在時間t2，汲極至源極電壓VDS 453降低至輸入電壓加上次級線圈的反射輸出電壓。箝位電流ICL 410為零，表示箝位電容不再被充電。當能量自初級線圈被傳送至次級線圈時，開關電流ID 443為零。次級電流IS 421為一非零值，並且以線性方式減小。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。在時間t2至時間t3之間，汲極至源極電壓VDS 453為一非零值，並且斜率為零，此代表同步整流器正在導通。箝位電流ICL 410為零。次級電流IS 421線性減小。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t3，汲極至源極電壓VDS 343開始振盪，這是由完成自初級線圈至次級線圈的能量傳送而引起的，使得次級電流IS 421為零。振盪是由漏電感及激磁電感、以及功率開關的共振電容形成的共振儲槽（resonant tank）引起的。在時間t4，汲極至源極電壓VDS 453處於峰值，並且箝位驅動器產生一箝位致能訊號UCE 468，以在開啟功率開關之前開啟箝位開關，此使得汲極至源極電壓VDS 453再次升高至輸入電壓加上箝位電壓。由於能量自箝位電容經由能量轉換元件的初級線圈被傳送至次級線圈，因此箝位電容放電，如箝位電流ICL 410的負極性所指示。開關電流ID 443為零。次級電流IS 421由於箝位開關的開啟而開始增加，此表示自箝位電容儲存的能量經由初級線圈被傳送至次級線圈。當功率開關關閉時，驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t5，箝位致能訊號UCE 468轉變至邏輯低位準。箝位電流ICL 410下降至零。開關電流ID 443為零。汲極至源極電壓VDS 453朝向零減小。驅動訊號UDR 444為邏輯低位準。
時間t5與時間t6之間的時間代表如第2圖中所論述的延遲時間，如tDEL1 所示。儘管汲極至源極電壓VDS 453朝向零減小，但漏電感會暫時略微增加。對於不連續導通模式操作，漏電感及激磁電感可將汲極至源極電壓VDS 453降低至零，以提供零電壓切換。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443為零。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。
在時間t6，汲極至源極電壓VDS 453為零，並且如轉變至邏輯高位準的驅動訊號UD 444所指示，功率開關被開啟。箝位電流ICL 410為零。開關電流ID 443開始線性增加。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為邏輯低位準。
在時間t6之後及時間t7之前的時間，功率開關被開啟，如驅動訊號UD 444的邏輯高位準所指示。汲極至源極電壓VDS 453為零。開關電流ID 443線性升高。在一個示例中，開關電流繼續升高，直到其到達電流限值（圖中未繪示）。次級電流IS 421為零。箝位致能訊號UCE 468為零。
在時間t7，功率開關被關閉，且行為與先前所述的時間t1之後的行為相同。
第5A圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖的一示例，該時序圖例示了一功率轉換器的訊號，例如一汲極電壓、一致能訊號及一驅動訊號。應理解，第5A圖提到的訊號可為來自先前圖式的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
第一時序圖是一汲極至源極電壓VDS 553。第二時序圖是一箝位致能訊號UCE 568。第三時序圖是一驅動訊號UD 544。功率轉換器的操作為臨界導通模式，但亦可為連續導通模式。如先前所提到，臨界導通模式出現於當線路感應輸入電壓高於連續導通模式閾值但低於不連續導通模式閾值時。在一些設計中，臨界導通模式能夠使用由第一延遲電路或第二延遲電路產生的控制訊號。
在時間t1之前，驅動訊號UD 544為邏輯高位準，此表示功率開關被開啟。汲極至源極電壓VDS 553為零。箝位致能訊號UCE 568為邏輯低位準。在時間t1，驅動訊號UD 544轉變至邏輯低位準，此表示功率開關被關閉。汲極至源極電壓VDS 553升高至輸入電壓。在時間t1之後及時間t2之前，汲極至源極電壓VDS 553升高至箝位電壓加上輸入電壓。在時間t2，汲極至源極電壓VDS 553降低至輸入電壓加上次級線圈的反射輸出電壓。在時間t3，箝位致能訊號UCE 568轉變至一邏輯高位準。由於箝位開關被開啟，因此汲極至源極電壓VDS 553升高至箝位電壓。在時間t3之後及時間t4之前，汲極至源極電壓VDS 553開始降低。箝位致能訊號UCE 568為邏輯高位準。驅動訊號UD 544為邏輯低位準。
在時間t4，箝位致能訊號UCE 568轉變至邏輯低位準。汲極至源極電壓VDS 553朝向零降低。在時間t4之後及時間t5之前，代表在開啟功率開關之前作為控制訊號而產生的第一延遲時間tDEL1 。在時間t5，汲極至源極電壓VDS 553為零。驅動訊號UD 544轉變至一邏輯高位準。在時間t5之後及時間t6之前的時間，汲極至源極電壓VDS 553為零。箝位致能訊號UCE 568為零。驅動訊號UD 544為邏輯高位準。在時間t6，驅動訊號UDR 544轉變至邏輯低位準，此表示功率開關被關閉。汲極至源極電壓VDS 553升高至輸入電壓。在時間t6之後且時間t7之前，汲極至源極電壓VDS 553升高至箝位電壓加上輸入電壓。在時間t7，汲極至源極電壓VDS 553降低至輸入電壓加上次級線圈的反射輸出電壓。
第5B圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖的一示例，該時序圖例示了一功率轉換器的訊號，例如一汲極電壓、一致能訊號及一驅動訊號。應理解，第5B圖提到的訊號可為來自先前圖式的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
功率轉換器以不連續導通模式操作。第一時序圖是一汲極至源極電壓VDS 553。第二時序圖是一箝位致能訊號UCE 568。第三時序圖是一驅動訊號UD 544。
在時間t5之前，功率開關被開啟，使得汲極至源極電壓VDS 553為零。驅動訊號UD 544為邏輯高位準。箝位致能訊號UCE 568為邏輯低位準。
在時間t5，功率開關被關閉，如為一邏輯低位準的驅動訊號UDR 544所指示。因此，汲極至源極電壓VDS 553升高至輸入電壓。箝位致能訊號UCE 568為邏輯低位準。在t5之後且在t6之前，汲極至源極電壓VDS 553升高至輸入電壓加上箝位電壓。之後，汲極至源極電壓開始振盪，這是由完成自初級線圈至次級線圈的能量傳送而引起的。振盪是由漏電感及激磁電感、以及功率開關的共振電容形成的共振儲槽引起的。驅動訊號UD 444為邏輯低位準。箝位致能訊號UCE 568為邏輯低位準。
在時間t6，箝位致能訊號UCE 568變為邏輯高位準。汲極至源極電壓VDS 553被箝位電容及輸入電壓箝位。在時間t7，箝位致能訊號UCE 568變為邏輯低位準。汲極至源極電壓VDS 553朝向零降低。在時間t7之後且時間t8之前，代表在開啟功率開關之前作為控制訊號而產生的延遲tDEL2 。在時間t8，汲極至源極電壓VDS 553為零。驅動訊號UD 544轉變至一邏輯高位準。在時間t8，功率開關被開啟，使得汲極至源極電壓VDS 553為零。驅動訊號UDR 544為邏輯高位準直至時間t9。箝位致能訊號UCE 568為邏輯低位準直至時間t9。在時間t9，驅動訊號UDR 544變為邏輯低位準，且功率開關被關閉，且汲極至源極電壓VDS 553開始升高。
第6A圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓的一示例性時序圖。應理解，第6A圖提到的訊號可為先前圖式的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
在第6A圖中，汲極至源極電壓VDS 653呈現出以連續導通模式操作的一功率轉換器。由時間t1至時間t2表示的延遲時間tDEL1 是箝位開關關閉與功率開關開啟之間的延遲。如先前所提到，只有來自漏電感的能量可用於將汲極至源極電壓VDS 653降至零。在時間t2之後，若由漏電感及功率開關的共振電容構成的共振儲槽導致功率開關不開啟，則汲極-源極電壓VDS 的虛線將急劇增加。
第6B圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓的另一示例性時序。應理解，第6B圖提到的訊號可為先前圖式的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
汲極至源極電壓VDS 653呈現出以不連續導通模式操作的一功率轉換器。由時間t1至時間t2表示的延遲時間tDEL2 表示箝位開關關閉與功率開關開啟之間的延遲。在第6A圖中，第二延遲時間tDEL2 長於第一延遲時間tDEL1 。來自漏電感及激磁電感的能量可用於將汲極至源極電壓VDS 653降至零。在時間t2之後，若由漏電感及激磁電感、以及功率開關的共振電容構成的共振儲槽導致功率開關不開啟，則汲極-源極電壓的虛線急劇增加。
第6C圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓時序圖的另一示例。應理解，第6C圖提到的訊號可為先前圖式的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
汲極至源極電壓VDS 653呈現出以不連續導通模式操作的一功率轉換器。由時間t1至時間t2表示的延遲時間tDEL2 表示箝位開關關閉與功率開關開啟之間的延遲。在t1之前，汲極至源極VDS 653的振盪代表由漏電感及輸出電容構成的共振儲槽引起的次級傳導的結束。時間tDEL3 代表開啟功率開關之前的時間。來自漏電感及激磁電感的能量可用於將汲極至源極電壓VDS 653降至零。使用激磁電感來降低汲極至源極電壓VDS 653的益處允許一同步整流器的一汲極至源極電壓的過沖（overshoot）最小。
第7圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓的時序圖。應理解，第7圖提到的訊號可為先前圖式的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
時序圖例示了升高至電壓VCL1 710的汲極至源極電壓VDS 753，當功率開關被關閉時電壓VCL1 710等於箝位電壓VCL 709加上輸入電壓VIN 701，並且在t2達到零。在時間t1，當箝位開關關閉時，儲存在漏電感中的能量相對於VCL 為LLK I^2。關閉箝位開關使得電流流入共振電容，並開始相對於箝位電壓負充電。取決於應用，定義功率開關的峰值電流。當功率開關的峰值電流已被定義、並且可確定將對箝位電容充電的能量的量時，實現零電壓切換的漏電感可由LLK = (CRES *VCL1 2 )/(0.65*ILIMPK )2 定義。電容CRES 是功率開關的電容，且ILIMPK 是開關的峰值電流。自時間t1至時間t2代表零電壓切換出現的時間，其為由漏電感及共振電容形成的共振週期的函數，並且環VTOTAL 的理論上未被箝位的電壓振幅可由下式定義：
Figure 02_image001
（1）
在時間t3，若功率開關未被開啟，則由漏電感及功率開關的輸出電容形成的共振儲槽可使得汲極至源極電壓快速升高。
第8圖例示了根據本揭露之實施例的一同步整流器開關的一汲極電壓及一功率開關的一汲極電壓的時序圖。應理解，第8圖提到的訊號可為在先前圖式中提到的訊號的一個示例，並且以下提及的以類似方式命名及編號的元件的耦合及功能類似於以上所述。
第一時序圖例示了同步整流器的一汲極至源極電壓VSR 855。第二時序圖例示了功率開關的一汲極至源極電壓VDS 853。同步整流器的汲極至源極電壓VSR 855與功率開關的汲極至源極電壓VDS 853可為彼此的反射。換言之，當功率開關的汲極至源極電壓VDS 853為零時，同步整流器的汲極至源極電壓VSR 855為正。當功率開關的汲極至源極電壓VDS 853為正時，同步整流器的汲極至源極電壓VSR 855為零。
在第8圖中，功率轉換器的操作是不連續導通模式。在時間t1，當同步整流器開關開啟時，同步整流器的汲極至源極電壓VSR 855為零，而當功率開關關閉時，功率開關的汲極至源極電壓VDS 853處於輸入電壓加上箝位電壓。在開啟功率開關之前，箝位開關被致能，以將功率開關的汲極至源極電壓VDS 853降至零。因此，能量儲存在漏電感及激磁電感中。當箝位開關被關閉時，漏電感將汲極至源極電壓VDS 853自輸入電壓加上箝位電壓降低至由激磁電感箝位的一較低值，該較低值由電壓的小幅度振盪所表示。激磁電感的放電持續將功率開關的汲極至源極電壓VDS 853一直降低至零。功率開關的汲極至源極電壓VDS 853的虛線代表共振儲槽，若功率開關未被開啟，則共振儲槽將使得汲極至源極電壓VDS 853振盪。
在時間t2，當功率開關的汲極至源極電壓VDS 953為零時，功率開關被開啟，此提供同步整流器的最小過沖。
對本發明的所示示例的以上說明（包含在摘要中闡述的內容）並不旨在為窮舉性的或限制於所揭露的精確形式。儘管在本文中出於例示目的而闡述了本發明的具體實施例及示例，但在不背離本發明的更廣泛的精神及範圍的情況下，可作出各種等效修改。實際上，應理解，提供具體的示例性電壓、電流、頻率、功率範圍值、時間等是出於闡釋目的，並且根據本發明的教導，在其他實施例及示例中亦可採用其他值。
儘管在申請專利範圍中對本發明進行了界定，但應理解，本發明亦可作為另一選擇根據以下示例進行界定：
示例1：一種用於一功率轉換器的控制器，該控制器包含：一控制電路，被耦合以接收代表該功率轉換器的一輸入電壓的一輸入線路電壓感應訊號，該控制電路用以響應於代表該功率轉換器的一輸出的一請求訊號而產生一控制訊號，其中，響應於該輸入線路電壓感應訊號，該控制訊號代表從開啟一箝位開關至開啟一功率開關的一延遲時間，該控制電路更用以產生一箝位驅動訊號，以控制一箝位驅動器；以及一驅動電路，用以產生一驅動訊號，以控制該功率開關將能量從該功率轉換器的一輸入傳送至該功率轉換器的該輸出。
示例2：如示例1所述的控制器，該控制電路包含：一致能電路，用以響應於該請求訊號而產生一致能訊號；以及一單穩態複震器，用以響應於該致能訊號而產生該箝位驅動訊號以開啟該箝位開關，該單穩態複震器用以在一第一持續期間輸出一脈衝，其中，響應於確定該功率開關被開啟，該第一持續期間從該功率開關的一關閉時間的一結尾附近開始。
示例3：如先前示例中的任一者所述的控制器，該控制電路更包含被耦合至該單穩態複震器的一正反器，該正反器用以響應於該箝位驅動訊號而產生一第一邏輯狀態。
示例4：如先前示例中的任一者所述的控制器，其中該控制電路更用以控制該箝位驅動器以將儲存於一箝位電容中的電荷注入一能量轉換元件，以在該功率開關被開啟之前使該功率開關的一寄生電容放電至該能量轉換元件。
示例5：如先前示例中的任一者所述的控制器，其中該控制電路更包含一延遲電路，該延遲電路用以延遲開啟該功率開關，以在該功率開關被開啟之前提供足夠的時間以使該功率開關的一寄生電容被放電至一能量轉換元件。
示例6：如先前示例中的任一者所述的控制器，該延遲電路包含：一第一開關，被一第一模式操作訊號控制；一第一延遲電路，被耦合至該第一開關，該第一延遲電路用以在一第一延遲時間後輸出該控制訊號；一第二開關，被一第二模式操作訊號控制；以及一第二延遲電路，被耦合至該第二開關，該第二延遲電路用以在一第二延遲時間後輸出該控制訊號，其中該第二延遲時間大於該第一延遲時間。
示例7：如先前示例中的任一者所述的控制器，其中該控制電路更包含：一第一比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否小於一連續導通模式閾值；一第二比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否大於一不連續導通模式閾值；以及一設置-重置閉鎖器，具有一設置輸入，該設置輸入被耦合至該第一比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器還有一重置輸入，該重置輸入被耦合至該第二比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器用以輸出一第一模式操作訊號，且該設置-重置閉鎖器更用以輸出一第二模式操作訊號。
示例8：如先前示例中的任一者所述的控制器，其中該第一模式操作訊號代表該功率轉換器的一不連續導通模式操作。
示例9：如先前示例中的任一者所述的控制器，其中該第二模式操作訊號代表該功率轉換器的一連續導通模式操作。
示例10：一種功率轉換器，包含：一能量轉換元件，被耦合至該功率轉換器的一輸入與該功率轉換器的一輸出之間；一功率開關，被耦合至該能量轉換元件；一箝位驅動器，被耦合至該能量轉換元件以及該功率開關；以及一主要控制器，被耦合至該箝位驅動器以及該功率開關，該主要控制器包含：一控制電路，用以響應於代表該功率轉換器的一輸出的一請求訊號而產生一控制訊號，其中該控制訊號響應於一輸入線路電壓感應訊號而選擇複數模式操作的其中一個以在開啟一箝位開關之後開啟一功率開關，該控制電路更用以產生一箝位驅動訊號以控制一箝位驅動器；以及一驅動電路，用以產生一驅動訊號，以控制該功率開關將能量從該功率轉換器的該輸入傳送至該功率轉換器的該輸出。
示例11：如示例10所述的功率轉換器，該箝位驅動器包含被耦合至該箝位開關的一箝位電容，其中該箝位電容被耦合以儲存一電荷，該電荷響應於該箝位驅動訊號而透過該箝位開關被注入該能量轉換元件的一初級線圈。
示例12：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，其中該能量轉換元件更包含在該箝位驅動器與該初級線圈之間的一激磁電感以及一漏電感。
示例13：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，其中該複數模式操作包含一第一模式操作以及一第二模式操作，其中該第一模式操作為連續導通模式，且其中該第二模式操作為不連續導通模式。
示例14：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，其中該能量轉換元件的該漏電感響應於該箝位開關的開啟而將該功率開關的一汲極至源極電壓降低至實質上的零。
示例15：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，其中該能量轉換元件的該漏電感以及該激磁電感響應於該箝位開關的開啟而將該功率開關的一汲極至源極電壓降低至實質上的零。
示例16：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，該箝位驅動器包含：一低側驅動器，被耦合以接收該箝位驅動訊號，該低側驅動器用以傳遞該箝位開關的開啟；一高側驅動器，被耦合至該箝位開關，該高側驅動器用以產生一箝位致能訊號以控制該箝位開關；以及一傳遞連結，被耦合至該低側驅動器以及該高側驅動器。
示例17：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，該功率轉換器更包含一次要控制器，該次要控制器用以響應於代表該功率轉換器的該輸出的一回授訊號而產生該請求訊號。
示例18：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，其中該次要控制器與該主要控制器電性隔離。
示例19：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，一致能電路，用以響應於該請求訊號而產生一致能訊號；以及一單穩態複震器，用以響應於該致能訊號而產生該箝位驅動訊號以開啟該箝位開關，該單穩態複震器更用以在一第一持續期間輸出一脈衝，其中，響應於確定該功率開關被開啟，該第一持續期間從該功率開關的一關閉時間的結尾附近開始。
示例20：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，該控制電路更包含被耦合至該單穩態複震器的一正反器，該正反器用以響應於該箝位驅動訊號而產生一第一邏輯狀態。
示例21：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，其中該控制電路更包含一延遲電路，該延遲電路用以延遲開啟該功率開關，以在該功率開關被開啟之前提供足夠的時間以使該功率開關的一寄生電容被放電至該能量轉換元件。
示例22：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，其中該延遲電路包含：一第一開關，用以被一第一模式操作訊號控制；一第一延遲電路，用以在一第一延遲時間後輸出該控制訊號；一第二開關，被耦合以被一第二模式操作訊號控制；一第二延遲電路，用以在一第二延遲時間後輸出該控制訊號，其中該第二延遲時間大於該第一延遲時間。
示例23：如先前示例中的任一者所述的功率轉換器，該控制電路更包含：一第一比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否小於一連續導通模式閾值；一第二比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否大於一不連續導通模式閾值；以及一設置-重置閉鎖器，具有一設置輸入，該設置輸入被耦合至該第一比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器還有一重置輸入，該重置輸入被耦合至該第二比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器用以輸出一第一模式操作訊號，且該設置-重置閉鎖器更用以輸出一第二模式操作訊號。
本申請案主張於2019年4月24日提出申請的美國臨時申請案第62/838,227號的權利，該美國臨時申請案的內容全文以引用方式併入本案。
100:功率轉換器 101:輸入電壓VIN 102:輸入電容CIN 104:箝位電容CCL 106:箝位驅動器 107:二極體 108:箝位開關 109:箝位電壓VCL 110:箝位電流ICL 111:漏電壓VL 112:激磁電感LMAG 114:漏電感LLK 115:二極體 116:能量轉換元件 118:初級線圈 120:次級線圈 121:次級電流IS 122:輸出電容CO 123:輸出電壓VO 124:負載 125:輸出迴路 126:輸入迴路 127:輸出電流IO 128:同步整流器 131:感應電路 132:回授訊號UFB 133:主要控制器 134:次級驅動訊號 135:請求訊號UREQ 136:輸出量UO 137:次要控制器 139:控制電路 141:驅動電路 142:控制訊號UCTRL 143:開關電流ID 144:驅動訊號UD 145:功率開關S1 146:寄生電容CP 147:箝位驅動訊號UCD 149:輸入線路電壓感應訊號ULS 150:低側驅動器 151:高側驅動器 152:傳遞連結 167:電流感應訊號 168:箝位致能訊號UCE 269:開關開啟時間tON 270:開關關閉時間tOFF 271:開關週期TS 272:梯形 273:三角形 305:致能電路 307:單穩態複震器 315:正反器 317、319:比較器 337:請求訊號UREQ 338:設置-重置閉鎖器 339:控制電路 342:控制訊號UCTRL 347:箝位驅動訊號UCD 349:輸入線路電壓感應訊號ULS 358:開關 359:開關 360:延遲電路 361:第一延遲電路 362:第二延遲電路 363:第一模式操作訊號UM1 364:第二模式操作訊號UM2 365:連續導通模式閾值VCCM 366:不連續導通模式閾值VDCM 374:致能訊號UEN 375:正反器 410:箝位電流ICL 421:次級電流IS 443:開關電流ID 444:驅動訊號UD/驅動訊號UDR 453:汲極至源極電壓VDS 468:箝位致能訊號UCE 544:驅動訊號UD/驅動訊號UDR 553:汲極至源極電壓VDS 568:箝位致能訊號UCE 653:汲極至源極電壓VDS 701:輸入電壓VIN 709:箝位電壓VCL 710:電壓VCL1 753:汲極至源極電壓VDS 853:汲極至源極電壓VDS 855:汲極至源極電壓VSR NP:匝數 NS:匝數 t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9:時間 TA:延遲時間 TB:延遲時間 tDEL1:延遲時間 tDEL2:延遲時間
本發明的非限制性及非窮舉性實施例是參考以下圖式以說明的，其中除非另有說明，否則相同元件符號代表貫穿不同視圖之相同部分。
第1圖例示了根據本揭露之實施例的具有一主要控制器、一次要控制器及一箝位驅動器的一功率轉換器的一個示例。
第2圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖的一個示例，該時序圖例示了在第1圖的功率轉換器中使用的一功率開關的一電流。
第3圖例示了根據本揭露之實施例的在第1圖中被使用的一控制電路的一個示例。
第4A圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖的另一示例，該時序圖例示了一功率轉換器的訊號，例如一汲極電壓、一箝位電流、一汲極電流、一次級電流、一致能訊號及一驅動訊號。
第4B圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖的另一示例，該時序圖例示了一功率轉換器的訊號，例如一汲極-源極電壓、一箝位電流、一汲極電流、一次級電流、一致能訊號及一驅動訊號。
第4C圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖，該時序圖例示了一汲極-源極電壓、一箝位電流、功率開關的一開關電流、一次級電流、一箝位致能訊號及一驅動訊號。
第5A圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖的一示例，該時序圖例示了一功率轉換器的訊號，例如一汲極電壓、一致能訊號及一驅動訊號。
第5B圖例示了根據本揭露之實施例的時序圖的一示例，該時序圖例示了一功率轉換器的訊號，例如一汲極電壓、一致能訊號及一驅動訊號。
第6A圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓的一示例性時序圖。
第6B圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓的另一示例性時序圖。
第6C圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓的一時序圖的另一示例。
第7圖例示了根據本揭露之實施例的一功率開關的一汲極電壓的一時序圖。
第8圖例示了根據本揭露之實施例的一同步整流器開關的一汲極電壓及一功率開關的一汲極電壓的時序圖。
在圖式的若干視圖中，相應的元件符號表示相應的組件。本發明所屬技術領域中具有通常知識者將理解，圖式中的元件是出於簡潔及清楚起見而繪示的，而未必按比例繪製。舉例而言，圖式中一些元件的尺寸可能相對於其他元件被誇大，以幫助提高對本發明各種實施例的理解。此外，通常未繪示在商業上可行的實施例中有用或必要的常見但眾所習知的元件，以便較少地妨礙對本發明的該些不同實施例的觀察。
100:功率轉換器
101:輸入電壓VIN
102:輸入電容CIN
104:箝位電容CCL
106:箝位驅動器
107:二極體
108:箝位開關
109:箝位電壓VCL
110:箝位電流ICL
111:漏電壓VL
112:激磁電感LMAG
114:漏電感LLK
115:二極體
116:能量轉換元件
118:初級線圈
120:次級線圈
121:次級電流IS
122:輸出電容CO
123:輸出電壓VO
124:負載
125:輸出迴路
126:輸入迴路
127:輸出電流IO
128:同步整流器
131:感應電路
132:回授訊號UFB
133:主要控制器
134:次級驅動訊號
135:請求訊號UREQ
136:輸出量UO
137:次要控制器
139:控制電路
141:驅動電路
142:控制訊號UCTRL
143:開關電流ID
144:驅動訊號UD
145:功率開關S1
146:寄生電容CP
147:箝位驅動訊號UCD
149:輸入線路電壓感應訊號ULS
150:低側驅動器
151:高側驅動器
152:傳遞連結
167:電流感應訊號
168:箝位致能訊號UCE

Claims (23)

  1. 一種用於一功率轉換器的控制器，該控制器包含： 一控制電路，被耦合以接收代表該功率轉換器的一輸入電壓的一輸入線路電壓感應訊號，該控制電路用以響應於代表該功率轉換器的一輸出的一請求訊號而產生一控制訊號，其中，響應於該輸入線路電壓感應訊號，該控制訊號代表從開啟一箝位開關至開啟一功率開關的一延遲時間，該控制電路更用以產生一箝位驅動訊號，以控制一箝位驅動器；以及 一驅動電路，用以產生一驅動訊號，以控制該功率開關將能量從該功率轉換器的一輸入傳送至該功率轉換器的該輸出。
  2. 如請求項1所述的控制器，該控制電路包含： 一致能電路，用以響應於該請求訊號而產生一致能訊號；以及 一單穩態複震器，用以響應於該致能訊號而產生該箝位驅動訊號以開啟該箝位開關，該單穩態複震器用以在一第一持續期間輸出一脈衝，其中，響應於確定該功率開關被開啟，該第一持續期間從該功率開關的一關閉時間的一結尾附近開始。
  3. 如請求項2所述的控制器，該控制電路更包含被耦合至該單穩態複震器的一正反器，該正反器用以響應於該箝位驅動訊號而產生一第一邏輯狀態。
  4. 如請求項1所述的控制器，其中該控制電路更用以控制該箝位驅動器以將儲存於一箝位電容中的電荷注入一能量轉換元件，以在該功率開關被開啟之前使該功率開關的一寄生電容放電至該能量轉換元件。
  5. 如請求項2所述的控制器，其中該控制電路更包含一延遲電路，該延遲電路用以延遲開啟該功率開關，以在該功率開關被開啟之前提供足夠的時間以使該功率開關的一寄生電容被放電至一能量轉換元件。
  6. 如請求項5所述的控制器，該延遲電路包含： 一第一開關，被一第一模式操作訊號控制； 一第一延遲電路，被耦合至該第一開關，該第一延遲電路用以在一第一延遲時間後輸出該控制訊號； 一第二開關，被一第二模式操作訊號控制；以及 一第二延遲電路，被耦合至該第二開關，該第二延遲電路用以在一第二延遲時間後輸出該控制訊號，其中該第二延遲時間大於該第一延遲時間。
  7. 如請求項6所述的控制器，其中該控制電路更包含： 一第一比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否小於一連續導通模式閾值； 一第二比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否大於一不連續導通模式閾值；以及 一設置-重置閉鎖器，具有一設置輸入，該設置輸入被耦合至該第一比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器還被耦合有一重置輸入，該重置輸入被耦合至該第二比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器用以輸出一第一模式操作訊號，且該設置-重置閉鎖器更用以輸出一第二模式操作訊號。
  8. 如請求項7所述的控制器，其中該第一模式操作訊號代表該功率轉換器的一不連續導通模式操作。
  9. 如請求項7所述的控制器，其中該第二模式操作訊號代表該功率轉換器的一連續導通模式操作。
  10. 一種功率轉換器，包含： 一能量轉換元件，被耦合至該功率轉換器的一輸入與該功率轉換器的一輸出之間； 一功率開關，被耦合至該能量轉換元件； 一箝位驅動器，被耦合至該能量轉換元件以及該功率開關；以及 一主要控制器，被耦合至該箝位驅動器以及該功率開關，該主要控制器包含： 一控制電路，用以響應於代表該功率轉換器的一輸出的一請求訊號而產生一控制訊號，其中該控制訊號響應於一輸入線路電壓感應訊號而選擇複數模式操作的其中一個以在開啟一箝位開關之後開啟一功率開關，該控制電路更用以產生一箝位驅動訊號以控制一箝位驅動器；以及 一驅動電路，用以產生一驅動訊號，以控制該功率開關將能量從該功率轉換器的該輸入傳送至該功率轉換器的該輸出。
  11. 如請求項10所述的功率轉換器，該箝位驅動器包含被耦合至該箝位開關的一箝位電容，其中該箝位電容被耦合以儲存一電荷，該電荷響應於該箝位驅動訊號而透過該箝位開關被注入該能量轉換元件的一初級線圈（primary winding）。
  12. 如請求項11所述的功率轉換器，其中該能量轉換元件更包含在該箝位驅動器與該初級線圈之間的一激磁電感以及一漏電感。
  13. 如請求項12所述的功率轉換器，其中該複數模式操作包含一第一模式操作以及一第二模式操作，其中該第一模式操作為連續導通模式，且其中該第二模式操作為不連續導通模式。
  14. 如請求項12所述的功率轉換器，其中該能量轉換元件的該漏電感響應於該箝位開關的開啟而將該功率開關的一汲極至源極電壓降低至實質上的零。
  15. 如請求項12所述的功率轉換器，其中該能量轉換元件的該漏電感以及該激磁電感響應於該箝位開關的開啟而將該功率開關的一汲極至源極電壓降低至實質上的零。
  16. 如請求項11所述的功率轉換器，該箝位驅動器包含： 一低側驅動器，被耦合以接收該箝位驅動訊號，該低側驅動器用以傳遞該箝位開關的開啟； 一高側驅動器，被耦合至該箝位開關，該高側驅動器用以產生一箝位致能訊號以控制該箝位開關；以及 一傳遞連結，被耦合至該低側驅動器以及該高側驅動器。
  17. 如請求項11所述的功率轉換器，該功率轉換器更包含一次要控制器，該次要控制器用以響應於代表該功率轉換器的該輸出的一回授訊號而產生該請求訊號。
  18. 如請求項17所述的功率轉換器，其中該次要控制器與該主要控制器電性隔離。
  19. 如請求項10所述的功率轉換器，該控制電路包含： 一致能電路，用以響應於該請求訊號而產生一致能訊號；以及 一單穩態複震器，用以響應於該致能訊號而產生該箝位驅動訊號以開啟該箝位開關，該單穩態複震器更用以在一第一持續期間輸出一脈衝，其中，響應於確定該功率開關被開啟，該第一持續期間從該功率開關的一關閉時間的結尾附近開始。
  20. 如請求項19所述的功率轉換器，該控制電路更包含被耦合至該單穩態複震器的一正反器，該正反器用以響應於該箝位驅動訊號而產生一第一邏輯狀態。
  21. 如請求項20所述的功率轉換器，其中該控制電路更包含一延遲電路，該延遲電路用以延遲開啟該功率開關，以在該功率開關被開啟之前提供足夠的時間以使該功率開關的一寄生電容被放電至該能量轉換元件。
  22. 如請求項21所述的功率轉換器，其中該延遲電路包含： 一第一開關，用以被一第一模式操作訊號控制； 一第一延遲電路，用以在一第一延遲時間後輸出該控制訊號； 一第二開關，被耦合以被一第二模式操作訊號控制；以及 一第二延遲電路，用以在一第二延遲時間後輸出該控制訊號，其中該第二延遲時間大於該第一延遲時間。
  23. 如請求項22所述的功率轉換器，該控制電路更包含： 一第一比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否小於一連續導通模式閾值； 一第二比較器，用以確定該輸入線路電壓感應訊號是否大於一不連續導通模式閾值；以及 一設置-重置閉鎖器，具有一設置輸入，該設置輸入被耦合至該第一比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器還被耦合有一重置輸入，該重置輸入被耦合至該第二比較器的一輸出，該設置-重置閉鎖器用以輸出一第一模式操作訊號，且該設置-重置閉鎖器更用以輸出一第二模式操作訊號。
TW109112958A 2019-04-24 2020-04-17 主要控制器及包含彼之功率轉換器 TWI838516B (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI810081B (zh) * 2022-09-30 2023-07-21 賴炎生 交流對直流升壓型轉換器切換控制方法
TWI832595B (zh) * 2022-12-02 2024-02-11 芯源系統有限公司 切換式電源電路、控制電路及其控制方法

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