TWI542131B - 具零電壓切換能力且以穩定切換頻率運作之可切換降壓轉換器 - Google Patents

具零電壓切換能力且以穩定切換頻率運作之可切換降壓轉換器 Download PDF

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Description

具零電壓切換能力且以穩定切換頻率運作之可切換降壓轉換器
本發明是關於一種具有穩定切換頻率之次邊界導通模式(SBCM)零電壓切換降壓轉換器。
降壓電壓轉換已經廣泛地用於整合式電路中，以將來自直流(DC)電源供應器之電力分配至其負載點。典型地，一降壓轉換器係由一脈衝寬度調變(PWM)控制電路所驅動，該PWM控制電路驅動該降壓轉換器的一可切換功率級。該PWM工作週期經設計以容許所需之電壓減少。
第1圖顯示一種習知的降壓轉換器，其包含具一個別高側控制17之一高側開關11、具一個別低側控制18之一低側開關12、連接至一開關節點13之一電感器15、連接至該電感器15與接地點14之一電容器16。在充電相中，高側開關11切換為開啟，而低側開關12切換為關閉。電容器16係經由電感器15而進行充電。在一放電相中，高側開關11切換為關閉，而低側開關12切換為開啟。典型地，這些開關是以金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFETs)來實施。在這些MOSFETs中，當從放電相切換為充電相時，即會發生切換損失。當高側MOSFET被開啟、而低側MOSFET被關閉時，會有非常高的電流流過MOSFET對，因為低側MOSFET的本體二極體於其反向回復時間中呈現為短路。其他的損失係因高側 MOSFET輸出電容的放電、以及低側MOSFET中反向回復所致。這些損失隨著切換頻率或輸入電壓增加而增加。為了克服這些損失，降壓轉換器已採用零電壓切換。由於仍以PWM為基礎，一獨立相被加入PWM時序中以允許零電壓切換(ZVS)運作。這在切換開啟高側MOSFET之前先消除了高電流本體導通，使高側MOSFET的汲極-源極電壓為零或接近零，並且不產生高電流尖峰值或破壞的振鈴(ringing)。對高側MOSFET所施加之零電壓調整係可消除在切換開啟時的米勒效應，允許使用較小的驅動器及較低的閘極驅動。利用該增加相，即可藉由一纜夾開關19及電路諧振來實施零電壓調整，以利用軟切換來有效率地操作高側MOSFET及同步低側MOSFET，避免在傳統PWM操作與時序期間其所發生之損失。
相較於傳統的硬切換式系統，SBCM降壓轉換器係因而呈現接近於零的切換損失。這可允許在較大切換頻率下之運作，及相關被動組件的大小的整體減少。
然而，此一運作模式需要與一負載電流成反比之一切換頻率、或是需要一固定頻率及至少為最大輸出電流的兩倍之一電感器波動電流，如下文將說明者。
SBCM降壓轉換器的功率生產量可表示如下： 其中V 0為輸出電壓，I 0為輸出電流，且 L 0為輸出電感器的電感，f SW 為切換頻率，而V in 為輸入電壓。
從式(1)可知，一已知輸出電壓之功率處理量係與輸出電感器電流△I L 的一半成正比。
切換頻率f sw 可表示為 由式(2)明顯可知，對於具有一固定電感L 0之一變化負載電流而言，切換 頻率將與變化負載電流I 0成反比而變化，如第2圖所示。
此可變頻率運作可藉由設計L 0來處理，以提供之一電感器電流△I L ，以產生一固定頻率運作。然後，該切換頻率可表示為：
此一波形的均方根(RMS)組成假設為：
式(4)顯示存在電感器電流之一固定RMS組成，其與在較低輸出電流下產生不可接受之損失之輸出電流I 0無關。
因此，與負載電流成反比之一切換頻率或一固定頻率、以及至少為最大輸出電流兩倍的電感器波動電流之先決條件會是整體性能的主要限制。
因此，需要一種可克服上述缺點之解決方案。具體而言，需要一種在以固定切換頻率操作時可具有比目前方式更低損失之解決方案。
可利用根據獨立請求項所載之一降壓轉換器來實現此一解決方案。附屬請求項則與本發明的進一步構想有關。
本發明是關於一種具有零電壓切換能力且以一穩定切換頻率運作之可切換降壓轉換器，其包含一輸出級，以藉由一切換元件根據一控制訊號和一輸入電壓而產生一輸出電壓，該切換元件包含一高側開關和一低側開關，其各具有個別第一與第二主要終端以及由一個別驅動器所驅動的一個別控制終端，該個別驅動器是根據該控制訊號而配置。該第一低側主要終端可接地。該第二低側主要終端與該第一高側主要終端可連接至一開關節點。該第二高側主要終端可連接至一輸入電壓終端。該輸出級包 含連接至該開關節點的一非線性電感器，該非線性電感器具有的一電感為一負載電流的函數，以允許該可切換降壓轉換器的一固定切換頻率運作。該輸出電容器可接地。該降壓轉換器可在一充電相中運作，該充電相具有切換開啟的該高側開關及切換關閉的該低側開關。該降壓轉換器可進一步在一放電相中運作，該放電相具有切換關閉的該高側開關及切換開啟的該低側開關。該驅動器係配置以藉由使一電感器電流流至該開關節點而執行零電壓切換，使得當從該放電相切換至該充電相時，在該高側開關兩端的一電壓降係接近為零。該高側開關和該低側開關可以MOSFET實現。
本發明之一構想係與可切換降壓轉換器的零電壓切換特性有關，因其消除了在傳統降壓轉換器中所發現的切換損失。為達此構想，需要使電感器電流通過零而達足夠大小的一負值，以在切換開啟高側開關之前先驅動該開關節點電位(亦即該開關節點電容)回到輸入電壓。負的電感器電流係流至開關節點之一電感器電流。因此，電感器電流因其變為負值而反轉其方向。因此，低側驅動器係配置以藉由使低側開關保持為切換開啟直到開關節點的電位等於輸入電壓為止來實施零電壓切換。
這可藉由在電感器電流反轉期期間測量電感器電流、並藉由一鎖存之切換驅動訊號控制該低側開關的切換時間而達到。驅動訊號保持閂鎖，直到已經達到一輸入電壓敏感臨界值為止，其中一臨界位準係需確保在一完全輸入電壓範圍中都能零電壓調整運作。
為了維持一負載電流變化之必要地固定切換頻率f sw ，電感L 0必須是負載電流的函數。藉由非線性電感器的方式即可實現隨一負載電流變化之此一變化電感。
由於電感器係以負載電流之一函數來改變其電感，RMS輸出電流會變成：
由式(5)可清楚得知，電感器電流的RMS值係與負載電流I 0成正比，因此損失即與負載功率成正比。因此，不會發生與I 0無關之損失。
在與同步整流器(例如前向式轉換器、推拉式轉換器、全橋式與半橋式轉換器)一起使用時，經設計以供一固定切換運作之非線性電感可被提供至降壓轉換器的所有構件或衍生構件。
11、21‧‧‧高側開關
12、22‧‧‧低側開關
13、23‧‧‧開關節點
14、24‧‧‧接地
15‧‧‧電感器
16、26‧‧‧電容器
17‧‧‧高側控制
18‧‧‧低側控制
19‧‧‧纜夾開關
25‧‧‧非線性電感器
27、28‧‧‧驅動器
29‧‧‧比較器
210‧‧‧鎖存器
現將參照如附圖式進行說明，其中：第1圖顯示習知技術中之SBCM降壓轉換器的狀態；第2圖為顯示一降壓轉換器之切換頻率與輸出電流關係圖；第3圖顯示具有一非線性電感器之SBCM降壓轉換器；第4圖為顯示電感器電流、開關節點電壓與高側切換電壓之圖式；第5圖係顯示為維持一固定切換頻率之一理想電感對負載電流關係圖；第6圖顯示了一磁性材料的磁化曲線，其包括一線性區、一飽和控制區與一飽和區；第7圖係顯示一非線性電感器設計及理想電感的一計算電感變化曲線之圖式；以及第8圖係顯示一線性電感器與一非線性電感器之切換頻率對負載電流相關性之間的比較圖。
第3圖顯示了一種SBCM降壓轉換器，其包含了具有一非線性電感器25與一電容器26之一輸出級。輸出級根據一控制訊號與一輸入電壓而產生一輸出電壓。該可切換降壓轉換器包括一高側開關21與一低側開關22，其各具有個別的第一與第二主要終端以及由一個別驅動器27、28所驅動之一個別控制終端，其中該個別驅動器27、28係根據控制訊號而 配置。控制訊號為一脈衝寬度調變訊號。高側開關21的一驅動訊號對應於PWM訊號，而低側開關22的驅動訊號對應於PWM訊號的補償訊號。第一低側主要終端係連接接地。第二低側主要終端與第一高側主要終端係連接至一開關節點23。第二高側主要終端係連接至一輸入電壓終端。輸出級包括連接至開關節點23之非線性電感器25。輸出電容器26係連接接地24。將高側開關21切換為開啟、並將低側開關切換為關閉，可切換降壓轉換器即可於一充電相中運作。將高側開關21切換為關閉、並將低側開關22切換為開啟，該可切換降壓轉換器可進一步於一放電相中運作。
用於驅動低側開關22之低側開關驅動器28係配置以實施零電壓切換，其是藉由使低側開關22保持為切換開啟、直到該低側開關兩端的一電壓降超過一臨界值為止而實施。低側驅動器28包含用於感測低側開關22兩端電壓降之裝置、用於將該低側開關22兩端電壓降對該臨界值VT進行比較之一比較器29、以及一鎖存器210，用於鎖存該低側驅動器210的一驅動訊號，直到該低側開關兩端的電壓降在電感器電流流至開關節點23時超過臨界值VT為止。低側開關22的驅動訊號是一PWM訊號的互補訊號，其係於從一放電相切換至一充電相之前進行鎖存。高側開關21的驅動訊號係對應於PWM訊號且由高側驅動器27所產生。當將功率轉換器從放電相切換至充電相時，由開關驅動器27、28所執行之零電壓切換係於高側開關兩端產生接近於零之電壓降。
第4圖(下方)顯示電感器電流。低側開關之切換關閉位準係已設定為0.94A。第4圖(上方)顯示開關節點電壓(實線)與高側開關電壓(虛線)。可清楚看見零電壓切換動作。該開關節點會在高側開關被切換為開啟之前先達到輸入電壓。
為了使切換頻率穩定，提供非線性電感器25。在此裝置中，電感係隨著電流增加而降低。
第5圖顯示用以維持固定切換頻率之理想電感對負載電流 之關係。為了達到此一電感變化，該非線性電感器係利用磁性芯部材料的磁飽和特性。
第6圖顯示了在軟磁性材料中所發現的三個區域。在線性區域中，軟磁性材料係經由材料的有效導磁率(Ue)而在通量密度(B)與磁場強度(H)之間係呈現一線性關係，提供一固定電感。然而，一旦通量密度接近材料的飽和密度，位準即開始快速降低，導致電感降低。
此一飽和性質係被利用於該非線電感器中。這些是以軟性飽和材料組成物、或在芯部中有受控制之飽和區域設計，且係設計以提供對所需要之理想非線性電感之一良好匹配。第7圖顯示了非線性電感器設計的計算電感變化與理想電感。
因此，該非線性電感器可包括一磁性材料芯部，且係配置以在磁性材料的一受控制飽和區域中運作。此外，該非線性係配置為使得作為該電感器電流的函數之其電感對應於一預先計算之電感。該預先計算之電感產生一電感器電流，以使降壓轉換器可進行一固定頻率運作。
第8圖顯示了線性電感器與非線性電感器間之切換頻率對負載電流相關性間之比較結果。可觀察到所設計之非理想導電性係與允許降壓轉換器之固定切換頻率運作的一理想電感緊密匹配。
相較於一線性電感，當於應用零電壓切換的一降壓轉換器中使用一非線性電感時，可達到明顯的電力節省。
21‧‧‧高側開關
22‧‧‧低側開關
23‧‧‧開關節點
24‧‧‧接地
25‧‧‧非線性電感器
26‧‧‧電容器
27、28‧‧‧驅動器
29‧‧‧比較器
210‧‧‧鎖存器

Claims (15)

  1. 一種具零電壓切換能力且以一穩定切換頻率運作的可切換降壓轉換器，其包含：一輸出級，以藉由一切換元件根據一控制訊號和一輸入電壓而產生一輸出電壓，該切換元件包含一高側開關和一低側開關，其各具有個別第一與第二主要終端以及由一個別驅動器所驅動的一個別控制終端，該個別驅動器是根據該控制訊號而配置；該第一低側主要終端係接地；該第二低側主要終端與該第一高側主要終端係連接至一開關節點；該第二高側主要終端係連接至一輸入電壓終端；該輸出級包含連接至該開關節點的一非線性電感器及接地的一輸出電容器，該非線性電感器具有的一電感為一負載電流的函數，以允許該可切換降壓轉換器的一固定切換頻率運作；該降壓轉換器可在一充電相中運作，該充電相具有切換開啟的該高側開關及切換關閉的該低側開關；該降壓轉換器可進一步在一放電相中運作，該放電相具有切換關閉的該高側開關及切換開啟的該低側開關；該驅動器係配置以藉由使一電感器電流流至該開關節點而執行零電壓切換，使得當從該放電相切換至該充電相時，在該高側開關兩端的一電壓降係接近為零。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可切換降壓轉換器，其中該低側驅動器係配置以藉由保持該低側開關為切換開啟，直到該開關節點的電位等於該輸入 電壓為止，以執行零電壓切換。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之可切換降壓轉換器，其中該低側驅動器係配置以藉由保持該低側開關為切換開啟，直到流至該開關節點的該電感器電流超過一預定值為止，以執行零電壓切換。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之可切換降壓轉換器，其中該低側驅動器係配置以藉由保持該低側開關為切換開啟，直到該低側開關兩端的一電壓降超過一臨界值為止，以執行零電壓切換。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之可切換降壓轉換器，其中該低側驅動器包括：用於感測該低側開關兩端之該電壓降之裝置；一比較器，用於將該低側開關兩端之該電壓降對該臨界值作比較；以及一鎖存器，用於鎖存該低側驅動器的一驅動訊號，直到該低側開關兩端的該電壓降超過該臨界值為止。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之可切換降壓轉換器，其中該臨界值具有允許一全輸入電壓範圍中進行零電壓切換之一數值。
  7. 如申請專利範圍第1項至第6項中任一項所述之可切換降壓轉換器，其中該非線性電感器具有之一電感為一電感器電流的函數，使得該電感隨該電感器電流增加而減少。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之可切換降壓轉換器，其中該非線性電感器包含一磁性材料。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之可切換降壓轉換器，其中該磁性材料在通量 密度與磁場強度之間呈現一飽和關係。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之可切換降壓轉換器，其中該非線性電感器包含一磁性材料芯部，其係配置以於該磁性材料的一受控制飽和區域中運作。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之可切換降壓轉換器，其中該非線性電感器係配置為使得作為該電感電流的函數之其電感對應於一預先計算之電感。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之可切換降壓轉換器，其中該非線性電感器包含軟飽和磁性材料組成物。
  13. 如申請專利範圍第第12項所述之可切換降壓轉換器，其中該非線性電感器係配置為使得作為該電感電流的函數之其電感對應於一預先計算之電感。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之可切換降壓轉換器，其中該預先計算之電感產生一電感電流以允許該降壓轉換器的一固定頻率運作。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之可切換降壓轉換器，其中該控制訊號係一脈衝寬度調變(PWM)訊號，且其中該高側開關的一驅動訊號係與該脈衝寬度調變訊號對應，且該低側開關的該驅動訊號對應於該PWM訊號的補償訊號。
TW103114045A 2013-04-18 2014-04-17 具零電壓切換能力且以穩定切換頻率運作之可切換降壓轉換器 TWI542131B (zh)

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