TWI720453B - 無橋式pfc轉換器、及用於控制其之方法及封裝ic裝置 - Google Patents

無橋式pfc轉換器、及用於控制其之方法及封裝ic裝置 Download PDF

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尼克利許 Ｓ 卡瑪
阿曼度 蓋比爾 梅莎
阿賈伊 卡西克 哈里
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美商半導體組件工業公司
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Abstract

無橋式PFC轉換器、及用於控制其之方法及封裝IC裝置。實例實施例係操作一電力轉換器的方法，該等方法包括在一交流電(AC)電源的一正半線循環期間藉由下列來操作該電力轉換器：通過一低側開關以具有一第一極性的一第一充電電流對一電感充電；在使一高側變流器(CT)的一二次繞組短路的同時，使用一低側CT測量該第一充電電流；及通過一高側開關以具有該第一極性的一第一放電電流使該電感放電。在該AC電源的一負半線循環期間藉由下列來操作該電力轉換器：通過該高側開關以具有一第二極性的一第二充電電流對該電感充電；在使該低側CT的一二次繞組短路的同時，使用該高側CT測量該第二充電電流；及通過該低側開關以具有該第二極性的一第二放電電流使該電感放電。

Description

無橋式PFC轉換器、及用於控制其之方法及封裝IC裝置
此申請案係關於電力轉換器的技術領域，且具體而言係關於無橋式功率因數校正電力轉換器。
對具有較佳效率及較小佔用面積的電力轉換器的需求不斷增加。滿足上述要求的注意力最近已集中在整流電橋上、以及無橋式功率因數校正(power factor correcting,PFC)轉換器上的特定進展。此種設計中的困難之一是如何精確地感測無橋式PFC轉換器內的電流，從而增加無橋式PFC轉換器之有效率操作。改善電流感測的精確度的任何方法或系統將提供在市場上的競爭優勢。
至少一個實例實施例係一種操作電力轉換器的方法，該方法包含在一交流電(AC)電源的一正半線循環期間操作該電力轉換器，並在該AC電源的一負半線循環期間操作該電力轉換器。在該正半線循環期間操作可包含：使一高側變流器的一二次繞組短路；通過一快步低側電控開關以具有一第一極性的一第一充電電流對一電感充電；使用一低側變流器測量該第一充電電流；且然後通過一快步高側電控開關以具有該第一極 性的一第一放電電流使該電感放電。在該負半線循環期間操作可包含：使該低側變流器的一二次繞組短路；通過該快步高側電控開關以具有與該第一極性相反的一第二極性的一第二充電電流對該電感充電；使用該高側變流器測量該第二充電電流；且然後通過該快步低側電控開關以具有該第二極性的一第二放電電流使該電感放電。
在該實例方法中，該電感可以一連續傳導模式充電及放電。
在該實例方法中使用該低側變流器測量該第一充電電流可進一步包含：藉由該低側變流器的該二次繞組在一低側感測節點上產生一輸出電壓；及通過一低側整流器在該低側感測節點與一電流感測節點之間傳導電流，其中該低側整流器經組態以將電流從該低側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。在該實例方法中使用該高側變流器測量該第二充電電流可進一步包含：藉由該高側變流器的該二次繞組在一高側感測節點上產生一輸出電壓；及通過一高側整流器在該高側感測節點與該電流感測節點之間傳導電流，其中該高側整流器經組態以將電流從該高側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
在該實例方法中使用該低側變流器測量該第一充電電流可進一步包含：藉由該低側變流器的該二次繞組在一低側感測節點上產生一輸出電壓；及通過一低側整流器在該低側感測節點與一電流感測節點之間傳導電流，其中該低側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該低側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。在該實例方法中使用該高側變流器測量該第二充電電流可進一步包含：藉由該高側變流器的該二次繞 組在一高側感測節點上產生一輸出電壓；及通過一高側整流器在該高側感測節點與該電流感測節點之間傳導電流，其中該高側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該高側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
該實例方法可進一步包含：藉由一放電電流感測器測量該第一放電電流；藉由該放電電流感測器測量該第二放電電流；將一第一複合電流計算為該第一充電電流及該第一放電電流的一總和；及將一第二複合電流計算為該第二充電電流及該第二放電電流的一總和。
另一實例實施例係一種無橋式功率因數校正(PFC)轉換器，其包含：一第一線輸入及一第二線輸入；一慢步高側場效電晶體(field effect transistor,FET)，其定義一閘極、耦接至該第一線輸入的一源極、及耦接至一正節點的一汲極；一慢步低側FET，其定義一閘極、耦接至該第一線輸入的一汲極、及耦接至一負節點的一源極；一電感，其定義耦接至該第二線輸入的一第一引線、及定義一開關節點的一第二引線；一快步高側FET，其定義一閘極、耦接至該開關節點的一源極、及耦接至該正節點的一汲極；一高側變流器(current transformer,CT)，其經組態以感測通過該快步高側FET的電流；一快步低側FET，其定義一閘極、耦接至該負節點的一源極、及耦接至該開關節點的一汲極；一低側CT，其經組態以感測通過該快步低側FET的電流；及一PFC控制器。該PFC控制器可經組態以在耦接至該第一線輸入及該第二線輸入的一交流電(AC)電源的一正半線循環期間操作該轉換器，該操作係藉由使該轉換器執行下列：通過該快步低側FET以具有一第一極性的一第一充電電流對該電感充電；在使該高側CT的一二次繞組短路的同時，使用該低側CT測量該第一 充電電流；且然後通過該快步高側FET以具有該第一極性的一第一放電電流使該電感放電。該PFC控制器可進一步經組態以在該AC電源的一負半線循環期間藉由使該轉換器執行下列而操作該轉換器：通過該快步高側FET以具有與該第一極性相反的一第二極性的一第二充電電流對該電感充電；在使該低側CT的一二次繞組短路的同時，使用該高側CT測量該第二充電電流；且然後通過該快步低側FET以具有該第二極性的一第二放電電流使該電感放電。
該實例無橋式PFC轉換器的該PFC控制器可進一步經組態以一連續導電模式將該電感充電及放電。
該實例無橋式PFC轉換器可進一步包含：該PFC控制器，其經組態以在該AC電源的該正半線循環期間將一極性輸出確立，且在該AC電源的該負半線循環期間將該極性輸出解除確立；一高側開關，其經組態以回應於該極性輸出確立而在該高側CT的一第一二次端子與一第二二次端子之間傳導電流；及一低側開關，其經組態以回應於該極性輸出被解除確立而在該低側CT的一第一二次端子與一第二二次端子之間傳導電流。
該實例無橋式PFC轉換器的該高側CT可經組態以測量在該正節點與該快步高側FET之間、或在該快步高側FET與該開關節點之間的該第二充電電流。
該實例無橋式PFC轉換器的該低側CT可經組態以測量在該開關節點與該快步低側FET之間、或在該快步低側FET與該負節點之間的該第一充電電流。
該實例無橋式PFC轉換器可進一步包含一放電電流感測 器，該放電電流感測器經組態以測量該第一放電電流及該第二放電電流。該放電電流感測器可進一步包括一變流器(current transformer,CT)，該變流器經組態以感測該正節點與該負節點之間的一電流。該放電電流感測器可進一步經組態以測量在該負節點與一輸出電容器之間的該第一放電電流及該第二放電電流之各者。該放電電流感測器可進一步經組態以測量在該正節點與一輸出電容器之間的該第一放電電流及該第二放電電流之各者。
該實例無橋式PFC轉換器可進一步包含：該低側變流器的該二次繞組，其經組態以在一低側感測節點上產生一輸出電壓；一低側整流器，其耦接在該低側感測節點與一電流感測節點之間，其中該低側整流器經組態以將電流從該低側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流；該高側變流器的該二次繞組，其經組態以在一高側感測節點上產生一輸出電壓；一高側整流器，其耦接在該高側感測節點與該電流感測節點之間，其中該高側整流器經組態以將電流從該高側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
該實例無橋式PFC轉換器可進一步包含：該低側變流器的該二次繞組，其經組態以在一低側感測節點上產生一輸出電壓；一低側整流器，其耦接在該低側感測節點與一電流感測節點之間，其中該低側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該低側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流；該高側變流器的該二次繞組，其經組態以在一高側感測節點上產生一輸出電壓；一高側整流器，其耦接在該高側感測節點與該電流感測節點之間，其中該高側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該高側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
該實例無橋式PFC轉換器可進一步包含：一低側開關，其經組態以選擇性地使該低側變流器的該二次繞組短路；及一高側開關，其經組態以選擇性地使該高側變流器的該二次繞組短路。該低側開關及該高側開關之各者可經組態以在一第一引線與一第二引線之間選擇性地傳導電流。該低側開關或該高側開關之一者包括：一第一FET，其定義一閘極、耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第二引線的一汲極、及耦接至一中心節點的一源極；一第二FET，其定義耦接至該第一FET之該閘極的一閘極、耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第一引線的一汲極、及耦接至該中心節點的一源極；及一二極體，其定義耦接至該第一FET的該閘極及該第二FET的該閘極之各者的一陽極端子、及耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第一引線的一陰極端子。
該實例無橋式PFC轉換器可進一步包含：一低側開關，其經組態以選擇性地使該低側變流器的該二次繞組短路；及一高側開關，其經組態以選擇性地使該高側變流器的該二次繞組短路。該低側開關及該高側開關之各者經組態以在一第一引線與一第二引線之間選擇性地傳導電流，且該低側開關或該高側開關之一者包括：一p通道FET，其定義一閘極、耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第二引線的一汲極、及一源極；一二極體，其定義耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第一引線的一陽極端子、及耦接至該p通道FET的該源極的一陰極端子。
另一實例實施例係一種用於控制一無橋式功率因數校正(PFC)轉換器的封裝積體電路(IC)裝置，該封裝積體電路裝置包含：一AC感測端子、一慢步高側端子、一慢步低側端子、一快步高側端子、一快步低側端子、一充電電流端子、及一放電電流端子；一線側控制器，其耦接 至該慢步高側端子及該慢步低側端子，該線側控制器經組態以感測連接至該AC感測端子的一交流電(AC)的極性，且該線側控制器經組態以在該極性係正時將該慢步低側端子確立並將該慢步高側端子解除確立，且該線側控制器經組態以在該極性係負的時將該慢步高側端子確立並將該慢步低側端子解除確立；一電感器電流監測組塊，其耦接至該充電電流端子及該放電電流端子，並經組態以使用該充電電流端子上的一充電電流信號及該放電電流端子上的一放電電流信號來判定一平均電感器電流；一極性輸出端子，其經組態以回應於該交流電(AC)電源在一正半線循環或一負半線循環之一者中而被確立，該極性輸出端子經組態以回應於該交流電(AC)電源在與該極性輸出端子確立之該正半線循環或該負半線循環的該一者相反之該正半線循環或該負半線循環的一者中而解除確立。
該實例封裝IC裝置的該極性輸出端子可進一步經組態以在該交流電(AC)電源的該正半線循環期間被確立，並在該交流電(AC)電源的該負半線循環期間被解除確立。
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。
「控制器(controller)」應指經組態以讀取信號並回應於此類信號而採取行動的個別電路組件、所架構的特定應用積體電路(application specific integrated circuit,ASIC)、微控制器(具有控制軟體)、現場可程式化閘陣列(field programmable gate array,FPGA)、或其組合。
關於電氣裝置，用語「輸入(input)」及「輸出(output)」 係指至電氣裝置的電氣連接，且不應理解為需要動作的動詞。例如，控制器可具有閘極輸出與一或多個感測輸入。
100:無橋式PFC轉換器
102:第一線輸入
104:第二線輸入
106:AC電源
108:慢步高側FET
110:閘極
112:源極
114:汲極
116:正節點
118:慢步低側FET
120:閘極
122:汲極
124:源極
126:負節點/負輸出
128:電感/電感器
130:第一引線
132:第二引線
134:開關節點
136:快步高側FET
138:閘極
140:源極
142:汲極
144:快步低側FET
146:閘極
148:源極
150:汲極
152:正輸出
154:負輸出
156:平滑或輸出電容器/輸出電容器
158:電阻器
160:高側電流感測器
162:低側電流感測器/低側CT
164:放電電流感測器
600:PFC控制器
602:第一線感測端子
604:第二線感測端子
606:極性輸出端子
608:反相極性輸出端子
610:快步高側端子
612:快步低側端子
614:第一電流感測端子
616:第二電流感測端子
618:慢步低側端子
620:慢步高側端子
630:慢步閘極驅動器
632:慢步低側輸入
634:慢步高側輸入
636:慢步低側輸出
638:慢步高側輸出
640:快步閘極驅動器
642:快步低側輸入
644:快步高側輸入
646:快步低側輸出
648:快步高側輸出
650:高側電流輸出
652:低側電流輸出
654:充電電流感測節點
656:放電電流感測節點
660:高側開關
662:高側命令輸入
664:低側開關
666:低側命令輸入
700:極性輸出驅動器
702:線側控制器
704:極性輸入
710:調節處理方塊
712:調節輸出
714:加總方塊
716:加總輸出
720:轉換器側控制器
722:極性輸入
724:調節輸入
800:高側變流器/高側CT
802:一次繞組
804:二次繞組
806:參考節點
808:高側感測節點
810:高側重設電阻器
812:第一電阻器引線
814:第二電阻器引線
816:第一開關引線
818:第二開關引線
820:高側整流器
822:第一整流器引線
824:第二整流器引線
840:低側變流器/低側CT
842:一次繞組
844:二次繞組
846:參考節點
848:低側感測節點
850:低側重設電阻器
852:第一電阻器引線
854:第二電阻器引線
856:第一開關引線
858:第二開關引線
860:低側整流器
862:第一整流器引線
864:第二整流器引線
870:電流信號電阻器
872:第一電阻器引線
874:第二電阻器引線
900:標繪圖
1100:標繪圖
1200:放電CT
1202:一次繞組
1204:二次繞組
1206:參考節點/放電參考節點
1208:放電感測節點
1210:放電重設電阻器
1212:第一電阻器引線
1214:第二電阻器引線
1216:放電整流器
1218:第一整流器引線
1220:第二整流器引線
1230:放電信號電阻器
1232:第一電阻器引線
1234:第二電阻器引線
1300:放電感測電阻器
1302:第一電阻器引線
1304:第二電阻器引線
1400:標繪圖
1500:標繪圖
1600:第一FET
1602:閘極
1604:汲極
1606:源極
1608:中心節點
1610:第一本體二極體
1612:第二FET
1614:閘極
1616:汲極
1618:源極
1620:第二本體二極體
1622:二極體
1624:陽極端子
1626:陰極端子
1628:電阻器
1630:第一引線
1632:第二引線
1634:信號電容器
1636:第一引線
1638:第二引線
1700:p通道FET
1702:閘極
1704:汲極
1706:源極
1708:中心節點
1710:本體二極體
1712:二極體
1714:陽極端子
1716:陰極端子
2100:方塊
2102:方塊
2102a:方塊
2102b:方塊
2102c:方塊
2102d:方塊
2104:方塊
2104a:方塊
2104b:方塊
2104c:方塊
2104d:方塊
2106:方塊
ICHARGE1,ICHARGE2:充電電流
IDISCHARGE1,IDISCHARGE2,IDISCHARGEX:放電電流
TOFF:放電時間間隔
TON:充電時間間隔
VOUT:輸出電壓
為了詳細描述實例實施例，現將參考隨附圖式，其中：圖1根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器的電路示意圖；圖2根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器在正半線循環期間及在電感的充電期間的電路示意圖；圖3根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器在正半線循環期間及在電感的放電期間的電路示意圖；圖4根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器在負半線循環期間及 在電感的充電期間的電路示意圖；圖5根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器在負半線循環期間及在電感的放電期間的電路示意圖；圖6根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器的部分示意及部分方塊圖；圖7根據至少一些實施例顯示PFC控制器的方塊圖；圖8根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器的一部分的電路示意圖；圖9根據至少一些實施例顯示代表無橋式功率因數校正(PFC)轉換器內的電感的充電電流之充電電流感測信號的時序圖；圖10根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器的一部分的電路示意圖；圖11根據至少一些實施例顯示代表無橋式功率因數校正(PFC)轉換器內的電感的充電電流之充電電流感測信號的時序圖；圖12根據至少一些實施例顯示放電電流感測器的電路示意圖；圖13根據至少一些實施例顯示放電電流感測器的電路示意圖；圖14根據至少一些實施例顯示代表無橋式功率因數校正(PFC)轉換器內的電感的放電電流之放電電流感測信號的時序圖；圖15根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器內的複合電流的時序圖；圖16根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器內的開關的電路示意圖；圖17根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器內的 替代開關的電路示意圖；圖18根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器的電路示意圖；圖19根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器的電路示意圖；圖20根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器的電路示意圖；及圖21根據至少一些實施例顯示方法步驟。
[相關申請案的交叉參照]
本申請案主張2018年4月10日申請之美國臨時專利申請案第62/655,598號，發明名稱係「CURRENT SENSING TECHNIQUE FOR TOTEM POLE BRIDGELESS PFC」的優先權。該臨時專利申請案於下文以宛如全文轉載的引用方式併入本文中。
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。
各種實例實施例係關於無橋式功率因數校正(PFC)轉換器(有時稱為推拉輸出電路無橋式PFC)的方法和系統。更具體地說，實例實施例係關於操作無橋式PFC的方法，從而使用簡化且一致的組件組精確且有效率地測量充電及放電電流。例如，使用變流器(CT)感測充電及放電電流。仍更具體地說，在實例實施例中，在CT未主動地用於感測充電電流時將CT的二次繞組短路，從而防止該已短路CT在用於控制場效電晶體(FET)的切換以產生轉換器之輸出電壓的充電電流感測節點上產生滋擾信號。本說明書首先轉向實例無橋式PFC轉換器以引導讀者。
圖1根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器。具體而 言，圖1顯示定義第一線輸入102及第二線輸入104的無橋式PFC轉換器100。AC電源106耦接至線輸入102及104。在一些情形中，AC電源具有50或60赫茲的線頻率，及範圍從約85至約265 VRMS的均方根(root mean square,RMS)電壓。無橋式PFC轉換器100進一步定義慢步(slow leg)高側FET 108，該慢步高側FET定義閘極110、耦接至第一線輸入102的源極112、及耦接至無橋式PFC轉換器100之正節點116的汲極114。無橋式PFC轉換器100進一步定義慢步低側FET 118，該慢步低側FET定義閘極120、耦接至第一線輸入102的汲極122、及耦接至負節點126的源極124。慢步高側FET 108的命名係基於其在圖式中的位置(例如，上部分)、慢步高側FET 108基於AC電源106的線頻率切換的事實、及使慢步高側FET 108完全導電可涉及將閘極110驅動至略高於轉換器100的輸出電壓VOUT之電壓的事實。慢步低側FET 118的命名係基於其在圖式內與慢步高側FET 108的相反位置(例如，下部分)、及慢步低側FET 118基於AC電源106的線頻率而切換的事實。FET 108及118係使用在許多情形中的實例；然而，FET代表可使用為電控開關的任何裝置(例如，電晶體、接面電晶體、氮化鎵(GaN)高電子遷移率電晶體(high-electron-mobility transistor,HEMT)、碳化矽(SiC)裝置、其他類型的FET、及矽控整流器)。
實例無橋式PFC轉換器100進一步包含電感128，該電感定義耦接至第二線輸入104的第一引線130及定義開關節點134的第二引線132。在該實例實施例中，電感128係由單繞組電感器提供。然而，電感128可提供為多繞組電感器或使用變壓器的一或多個繞組。
實例無橋式PFC轉換器100進一步包含快步(fast leg)高側FET 136，該快步高側FET定義閘極138、耦接至開關節點134的源極 140、及耦接至正節點116的汲極142。也包括快步低側FET 144，該快步低側FET定義閘極146、耦接至負輸出126的源極148、及耦接至開關節點134的汲極150。快步高側FET 136的命名係基於其在圖式中的位置(例如，上部分)、快步高側FET 136以高於AC電源106之線頻率的切換頻率切換的事實、及使快步高側FET 136完全導電可涉及將閘極138驅動至略高於轉換器的VOUT之電壓的事實。快步低側FET 144的命名係基於其在圖式內與快步高側FET 136的相反位置(例如，下部分)、及快步低側FET 144以高於AC電源106之線頻率的切換頻率切換的事實。FET 136及144係使用在多數情形中的實例；然而，FET 136及144代表可使用為電控開關的任何裝置(例如，電晶體、接面電晶體、GaN HEMT、SiC裝置、其他類型的FET、及矽控整流器)。
實例無橋式PFC控制器100定義耦接至正節點116的正輸出152及耦接至負節點126的負輸出154。在實例系統中，正輸出152及負輸出154定義無橋式PFC轉換器100的輸出電壓VOUT。實例無橋式PFC轉換器100進一步包含橫跨正輸出152及負輸出154耦接的平滑或輸出電容器156。輸出電容器156將輸出電壓平滑，並在電感128在充電模式時的時間週期期間儲存及提供電荷(於下文詳細討論)。在一些情形中，輸出電壓VOUT可係橫跨85至265 VRMS之整個實例AC電源電壓範圍的400伏特DC，但其他輸出電壓係可能的。無橋式PFC轉換器100因此將電力供應至橫跨正輸出152及負輸出154耦接的負載，其中一實例負載顯示為電阻器158。然而，在一些情形中，負載可係另外的電力轉換器，諸如返馳式轉換器，其經設計及架構以將由無橋式PFC轉換器建立的400VDC轉換成適合下游電子產品的較低電壓(例如，20伏特、12伏特、或5伏特)。
實例無橋式PFC轉換器100進一步包含：高側電流感測器160，其經組態以感測通過快步高側FET 136的電流；低側電流感測器162，其經組態以感測通過快步低側FET 144的電流；及放電電流感測器164，其經組態以感測正節點116與正輸出152之間的電流、或負節點126與負輸出154之間的電流。電流感測器於下文更詳細地討論。
實例無橋式PFC轉換器100的操作能夠概念地分成兩大類：AC電源106的正半線循環；及AC電源106的負半線循環。在正半線循環中，AC電源106具有極性，使得在第二線輸入104處的電壓高於第一線輸入102。相反地，在負半線循環中，AC電源106具有極性，使得在第一線輸入102處的電壓高於在第二線輸入104處的電壓。「正」或「負」的命名是任意的，但一致地選擇及使用以避免混淆。
在正半線循環期間，慢步高側FET 108係非導電的且慢步低側FET 118係導電的。假設AC電源106具有60赫茲的線頻率，慢步高側FET 108在正半線循環中保持不導電達120分之1秒，且慢步低側FET 118保持導電達相同的120分之1秒。在負半線循環期間，慢步高側FET 108係導電的且慢步低側FET 118係非導電的。再度假設AC電源106具有60赫茲的線頻率，慢步高側FET 108在負半線循環中保持導電達120分之1秒，且慢步低側FET 118保持不導電達相同的120分之1秒。FET 108及118的導電及非導電狀態因此隨AC電源106之電壓的各極性變化而來回交換。
在各概念分區內(例如，正半線循環及負半線循環)，無橋式PFC轉換器100具有兩個可能狀態：對電感128充電(有時稱為充電模式)；及使電感128放電(有時稱為放電模式)。本說明書現在通過一系列圖式轉向無橋式PFC轉換器100的操作。在各圖式中，將導電的FET顯示 為閉合的開關接點，並將不導電的FET顯示為斷開的開關接點。
圖2根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器在正半線循環期間及在電感的充電期間的電路示意圖。具體而言，在正半線循環期間，慢步高側FET 108係非導電的(顯示為斷開的開關接點)，且慢步低側FET 118係導電的(顯示為閉合的開關接點)。圖2的實例無橋式PFC轉換器100顯示為對電感128充電，且因此快步高側FET 136係不導電的(顯示為斷開的開關接點)，且快步低側FET 144係導電的(顯示為閉合的開關接點)。所示的組態導致第一充電電流ICHARGE1流過電感128，該第一充電電流ICHARGE1具有第一極性(例如，相關於開關節點134在第一引線130處導致正電壓)。假設穩態操作，在電感128的充電期間，輸出電壓VOUT係由輸出電容器156供應。第一充電電流ICHARGE1將能量建立並儲存在電感128周圍的場中。仍在實例正半循環期間，然後無橋式PFC轉換器100轉變成使電感128放電。
圖3根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器在正半線循環期間及在電感128的放電期間的電路示意圖。具體而言，再度在正半線循環期間，慢步高側FET 108係非導電的，且慢步低側FET 118係導電的。圖2的實例無橋式PFC轉換器100顯示為使電感128放電，且因此快步高側FET 136係導電的(顯示為閉合的開關接點)，且快步低側FET 144係不導電的(顯示為斷開的開關接點)。因為通過電感的電流不能瞬間變化，當無橋式PFC轉換器100轉變成使電感128放電時，第一放電電流IDISCHARGE1流過電感128，且第一放電電流IDISCHARGE1具有第一極性。更具體地說，第一放電電流IDISCHARGE1流至輸出電容器156的第一引線及/或輸出電壓VOUT的正輸出152。因此，在放電模式期間，第一放電電流 IDISCHARGE1供應輸出電壓及電流，並對輸出電容器156再充電。
在實例正半線循環期間，無橋式PFC轉換器100在充電模式與放電模式之間來回切換以供應輸出電壓VOUT。更具體地說，實例實施例以連續傳導模式操作無橋式PFC轉換器100，其中電感器128在充電模式與放電模式之間切換而無需通過電感器的電流到達零。換言之，當無橋式PFC轉換器100在半線循環期間以連續傳導模式操作時，第一放電電流IDISCHARGE1在次一充電模式開始之前不到達零。
仍考慮圖2及圖3之實例正半線循環，電感128、快步高側FET 136、及快步低側FET 144因此形成非隔離式升壓轉換器，將AC電源106的電壓升壓以建立輸出電壓VOUT。
圖4及圖5顯示無橋式PFC轉換器100內且相關於AC電源106的負半線循環的充電電流ICHARGE2及放電電流IDISCHARGE2。更精確地說，圖4及圖5顯示在由AC電源106外加在第二線輸入104上的電壓低於外加在第一線輸入102上的電壓時的時間週期期間的充電電流ICHARGE2及放電電流IDISCHARGE2。
至此時為止討論的無橋式PFC轉換器100的各種實施例已假設、但未明確顯示控制各種FET及監測各種信號之PFC控制器的存在。本說明書現在轉而更詳細地描述包括PFC控制器的無橋式PFC轉換器。
圖6根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器100的部分示意及部分方塊圖。具體而言，圖6顯示許多在圖1中介紹的相同組件，而此等組件帶有相同的參考數字且將不相關於圖6重新介紹。圖6明確地顯示整個無橋式PFC轉換器100內的PFC控制器600。實例PFC控制器600係封裝積體電路(IC)，該封裝積體電路具有電暴露於該封裝IC之外側表面上的 複數個端子。在一些實例系統中，該封裝IC係20接腳的雙列直插封裝(dual in-line package,DIP)，但可使用任何合適封裝。實例PFC控制器600定義第一線感測端子602、第二線感測端子604、極性輸出端子606、反相極性輸出端子608、快步高側端子610、快步低側端子612、第一電流感測端子614、第二電流感測端子616、慢步低側端子618、及慢步高側端子620。額外的端子(例如，電源、接地、或共同)將存在，但省略額外的端子以不使該圖過度複雜化。
實例無橋式PFC轉換器100包括耦接至AC電源106的第一線輸入102之PFC控制器600的第一線感測端子602，及耦接至AC電源106的第二線輸入104之PFC控制器600的第二線感測端子604。雖然圖6顯示分別直接耦接至線輸入102及104的端子602及604，在實踐上，連接可包括分壓器以降低從AC電源106施加至PFC控制器600的電壓。額外地或替代地，線輸入102及104與端子602及604之間的連接可包括電流限制電阻器以降低從AC電源106供應至PFC控制器600的電流。
在一些實施例中，PFC控制器600經組態以回應於AC電源106在正半線循環中而將極性輸出端子606確立，並回應於AC電源106在負半線循環中而將極性輸出端子606解除確立。替代地，PFC控制器600可經組態以回應於AC電源106在負半線循環中而將極性輸出端子606確立，並回應於AC電源106在正半線循環中而將極性輸出端子606解除確立。在實例實施例中，反相極性輸出端子608係組態成極性輸出端子606的反相。換言之，PFC控制器600經組態以僅在極性輸出端子606被解除確立時確立反相極性輸出端子608。
但在PFC控制器600可能能夠直接驅動FET的閘極的一些情 形中，實例實施例使用慢步閘極驅動器630以實施相關於慢步高側FET 108及慢步低側FET 118的任務。實例實施例也使用快步閘極驅動器640以實施相關於快步高側FET 136及快步低側FET 144的任務。實例慢步閘極驅動器630定義慢步低側輸入632、慢步高側輸入634、慢步低側輸出636、及慢步高側輸出638。慢步低側輸入632耦接至慢步低側端子618。慢步高側輸入634耦接至慢步高側端子620。慢步低側輸出636耦接至慢步低側FET 118的閘極120。慢步高側輸出638耦接至慢步高側FET 108的閘極110。慢步閘極驅動器630回應於驅動至PFC控制器600之慢步端子618及620的信號而使慢步FET 108及118導電及不導電。
實例快步閘極驅動器640定義快步低側輸入642、快步高側輸入644、快步低側輸出646、及快步高側輸出648。快步低側輸入642耦接至快步低側端子612。快步高側輸入644耦接至快步高側端子610。快步高側輸出648耦接至快步高側FET 136的閘極138。快步低側輸出646耦接至快步低側FET 144的閘極146。快步閘極驅動器640回應於驅動至PFC控制器600之快步端子610及612的信號而使快步FET 136及144導電及不導電。
仍參考圖6，高側電流感測器160定義高側電流輸出650，且低側電流感測器162定義低側電流輸出652。高側電流感測器160包括定義高側命令輸入662的高側開關660，且該高側開關經組態以選擇性地啟用高側電流感測器160以在高側電流輸出650上產生信號。高側命令輸入662連接至PFC控制器600的極性輸出端子606，如共同標號「POLARITY」(極性)所指示。低側電流感測器162包括定義低側命令輸入666的低側開關664，且該低側開關經組態以選擇性地啟用低側電流 感測器162以在低側電流輸出652上產生信號。低側命令輸入666連接至PFC控制器600的反相極性輸出端子608，如共同標號「POLARITY」(反相極性)所指示。
在實例實施例中，高側電流輸出650及低側電流輸出652之各者耦接至充電電流感測節點654，該充電電流感測節點耦接至PFC控制器600的第一電流感測端子614，如共同參考符號「CS1」所指示者。類似地，放電電流感測器164定義耦接至PFC控制器600的第二電流感測端子616的放電電流感測節點656，如共同參考符號「CS2」所指示者。
圖7根據至少一些實施例顯示PFC控制器600的方塊圖。PFC控制器600的功能性可概念地(雖然不必然實體地)分成極性輸出驅動器700、線側控制器702、調節處理方塊710(例如電感器電流監測組塊)、及轉換器側控制器720。
實例極性輸出驅動器700耦接至第一線感測端子602、第二線感測端子604、極性輸出端子606、及反相極性輸出端子608。極性輸出驅動器700組經態以通過第一線感測端子602及第二線感測端子604感測AC電源106的極性，且極性輸出驅動器700經組態以在極性係正時(例如，第二線輸入104上的電壓高於第一線輸入102)將極性輸出端子606確立並將反相極性輸出端子608解除確立。此外，極性輸出驅動器700經組態以在極性係負時(例如，第一線輸入102上的電壓高於第二線輸入104)將反相極性輸出端子608確立並將極性輸出端子606解除確立。
實例線側控制器702耦接至慢步高側端子620及慢步低側端子618。線側控制器702包括連接至極性輸出端子606之用於接收AC電源106的極性的極性輸入704。替代地或額外地，線側控制器702可經由連接至反相極性輸出端子608的輸入，從極性輸出驅動器700接收輸入信號。 替代地，極性輸出驅動器700可將一或多個極性信號直接傳送至線側控制器702。線側控制器702經組態以在極性係正時(例如，第二線輸入104上的電壓高於第一線輸入102)將慢步低側端子618確立並將慢步高側端子620解除確立。此外，線側控制器702經組態以在極性係負時(例如，第一線輸入102上的電壓高於第二線輸入104)將慢步高側端子620確立並將慢步低側端子618解除確立。
實例PFC控制器600的調節處理方塊710定義調節輸出712。調節處理方塊710包括耦接至第一電流感測端子614及第二電流感測端子616之各者的加總方塊714。加總方塊714經組態以加法地組合來自第一電流感測端子614及第二電流感測端子616之各者的電流信號，其等分別代表電感128的充電電流ICHARGE1、ICHARGE2及放電電流IDISCHARGE1、IDISCHARGE2。加總方塊714經組態以在加總輸出716上產生輸出信號，其隨後經由調節輸出712傳送至轉換器側控制器720。在實踐上，調節處理方塊710可將其他信號及/或功能(諸如，定標因數、偏移、及/或平滑)與加總輸出716組合以驅動調節輸出712，但該等其他信號及/或功能為了簡明起見從圖7省略。
轉換器側控制器720定義連接至極性輸出端子606之用於接收AC電源106的極性的極性輸入722。替代地或額外地，轉換器側控制器720可經由連接至反相極性輸出端子608的輸入而接收極性信號。替代地，極性輸出驅動器700可將一或多個極性信號直接傳送至轉換器側控制器720。轉換器側控制器720也定義調節輸入724，該調節輸入耦接至調節處理方塊710的調節輸出712。
轉換器側控制器720也耦接至快步高側端子610及快步低側 端子612。在正半線循環期間，轉換器側控制器720將轉換器100置於充電及放電模式中以供應輸出電壓VOUT。亦即，轉換器側控制器720藉由將快步低側端子612確立及將快步高側端子610解除確立而通過快步低側FET 144對電感128充電。然後轉換器側控制器720將轉換器置於放電模式中並藉由將快步高側端子610確立及將快步低側端子612解除確立而通過快步高側FET 136使電感128放電。
在負半線循環期間，轉換器側控制器720將轉換器100置於充電及放電模式中以供應輸出電壓VOUT。亦即，轉換器側控制器720藉由將快步高側端子610確立及將快步低側端子612解除確立而通過快步高側FET 136對電感128充電。轉換器側控制器720將轉換器置於放電模式中，並通過快步低側FET 144使電感128放電。
轉換器側控制器720經組態以使用脈衝寬度調變(pulse width modulation,PWM)控制策略在充電與放電模式之間切換，其中無橋式PFC轉換器100在充電模式中達充電時間間隔TON，且其中無橋式PFC轉換器100在放電模式中達放電時間間隔TOFF。充電時間間隔TON與經由調節輸出712傳送的平均電感器電流成反比。此控制策略在ON Semiconductor的出版物HBD853/D Rev.5(2014年4月)中描述，其全文以引用方式併入本文中。此控制策略因此取決於電感128的充電電流ICHARGE1、ICHARGE2及放電電流IDISCHARGE1、IDISCHARGE2兩者的精確測量。
圖8根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器100的一部分的電路示意圖。具體地說，圖8包括根據一些實施例的高側電流感測器160與低側電流感測器162之各者的詳細示意圖。在圖8的實例實施例中，高側電流感測器160包括高側變流器(current transformer,CT)800，該高 側變流器包括一次繞組802及二次繞組804。相鄰於二次繞組804的極性點指示當電流在由相鄰於一次繞組802的點所指示的側進入一次繞組802時電流自二次繞組804流出的側。一次繞組802經組態以通過快步高側FET 136測量第二充電電流ICHARGE2。二次繞組804產生從參考節點806至高側感測節點808的輸出電流，其中該輸出電流與第二充電電流ICHARGE2成正比。參考節點806連接至信號接地。實例高側電流感測器160也包括定義第一電阻器引線812及第二電阻器引線814的高側重設電阻器810。第一電阻器引線812及第二電阻器引線814分別連接至參考節點806及高側感測節點808。高側電流感測器160也包括定義第一整流器引線822及第二整流器引線824的高側整流器820。第一整流器引線822連接至高側感測節點808，且第二整流器引線824連接至充電電流感測節點654。更具體地說，圖8所示的高側整流器820經組態以將電流從高側感測節點808傳導至充電電流感測節點654，同時阻擋在相反方向上的電流流動。在至少一些實施例中，且如圖8所示，高側整流器820包括單一二極體，但可使用其他整流器配置(例如，切換式整流器)。
高側電流感測器160也包括高側開關660。具體地說，高側開關660定義第一開關引線816及第二開關引線818，彼等分別連接至參考節點806及高側感測節點808。高側開關660經組態以回應於高側命令輸入662的確立而在第一開關引線816與第二開關引線818之間選擇性地傳導電流。換言之，高側開關660回應於高側命令輸入662的確立而選擇性地使高側CT 800的二次繞組804短路。
當高側開關660在非導電狀態中時(亦即，當高側開關660沒有使二次繞組804短路時)，與第二充電電流ICHARGE2成正比的感測電流 從高側感測節點808流過高側整流器820並在電流信號電阻器870上產生電壓(亦即，圖9所示的電壓)。在此週期期間，磁化電流建立在高側CT 800中。一旦第二充電電流ICHARGE2停止流過高側一次繞組802，磁化電流流過高側重設電阻器810以在高側感測節點808處產生短持續時間負電壓，該短持續時間負電壓根據伏秒平衡定理重設高側CT 800。
高側電流感測器160可被與第二充電電流ICHARGE2無關的效果所影響。例如，在與第二充電電流ICHARGE2之流動相反的方向上流過高側CT 800之高側一次繞組802的第一放電電流IDISCHARGE1導致二次電流在從高側參考節點806至高側感測節點808的方向上通過高側重設電阻器810。結果，磁化電流以相反於由第二充電電流ICHARGE2感應之磁化電流的方向建立在高側CT 800中。一旦第一放電電流IDISCHARGE1停止流過高側一次繞組802，磁化電流繼續流過高側整流器820，並產生橫跨電流信號電阻器870的小正電壓。此小正電壓代表滋擾信號，其毀壞或扭曲低側CT 162橫跨電流信號電阻器870產生的電流感測電壓。藉由在第二充電電流ICHARGE2不流動時(例如，在正半線循環期間及/或在放電時間間隔TOFF期間)使高側CT 800的二次繞組804短路，可減少或消除此種滋擾信號。
在圖8的實例實施例中，低側電流感測器162包括低側變流器(CT)840，該低側變流器包括一次繞組842及二次繞組844。相鄰於二次繞組844的極性點指示當電流在由相鄰於一次繞組842的點所指示的側進入一次繞組842時電流自二次繞組844流出的側。一次繞組842經組態以通過快步低側FET 144測量第一充電電流ICHARGE1。二次繞組844產生從參考節點846至低側感測節點848的輸出電流，其中該輸出電流與第一充電電流ICHARGE1成正比。參考節點846連接至信號接地。實例低側電流感測 器162也包括定義第一電阻器引線852及第二電阻器引線854的低側重設電阻器850。第一電阻器引線852及第二電阻器引線854分別連接至參考節點846及低側感測節點848。低側電流感測器162也包括定義第一整流器引線862及第二整流器引線864的低側整流器860。第一整流器引線862連接至低側感測節點848，且第二整流器引線864連接至充電電流感測節點654。更具體地說，圖8所示的低側整流器860經組態以將電流從低側感測節點848傳導至充電電流感測節點654，同時阻擋在相反方向上的電流流動。在至少一些實施例中，且如圖8所示，低側整流器860包括單一二極體，但可使用其他整流器配置(例如，切換式整流器)。
低側電流感測器162也包括低側開關664。具體地說，低側開關664定義第一開關引線856及第二開關引線858，彼等分別連接至參考節點846及低側感測節點848。低側開關664經組態以回應於低側命令輸入666的確立而在第一開關引線856與第二開關引線858之間選擇性地傳導電流。換言之，低側開關664回應於低側命令輸入666的確立而選擇性地使低側CT 840的二次繞組844短路。
當低側開關664在非導電狀態中時(亦即，當低側開關664沒有使二次繞組844短路時)，與第一充電電流ICHARGE1成正比的感測電流從低側感測節點848流過低側整流器860並在電流信號電阻器870上產生電壓(亦即，圖9所示的電壓)。在此週期期間，磁化電流建立在低側CT 840中。一旦第一充電電流ICHARGE1停止流過低側一次繞組842，磁化電流流過低側重設電阻器850以在低側感測節點848處產生短持續時間負電壓，該短持續時間負電壓根據伏秒平衡定理重設低側CT 840。
低側電流感測器162可被與第一充電電流ICHARGE1無關的效 果所影響。例如，在與第一充電電流ICHARGE1之流動相反的方向上流過低側CT 840之低側一次繞組842的第二放電電流IDISCHARGE2導致二次電流在從低側參考節點846至低側感測節點848的方向上通過低側重設電阻器850。結果，磁化電流以相反於由第一充電電流ICHARGE1感應之磁化電流的方向建立在低側CT 840中。一旦第二放電電流IDISCHARGE2停止流過低側一次繞組842，磁化電流繼續流過低側整流器860，並產生橫跨電流信號電阻器870的小正電壓。此小正電壓代表滋擾信號，其毀壞或扭曲高側CT 160橫跨電流信號電阻器870產生的電流感測電壓。藉由在第一充電電流ICHARGE1不流動時(例如，在負半線循環期間及/或在放電時間間隔TOFF期間)使低側CT 840的二次繞組844短路，可減少或消除此種滋擾信號。
仍參考圖8，實例無橋式PFC轉換器100也包括定義第一電阻器引線872及第二電阻器引線874的電流信號電阻器870。第一電阻器引線872連接至充電電流感測節點654，且第二電阻器引線874連接至信號接地。因此，當充電電流感測節點654沒有由高側電流感測器160或低側電流感測器162之任一者賦能時，電流信號電阻器870可運作以將充電電流感測節點654下拉至與信號接地的0V電位匹配。
圖9根據至少一些實施例顯示時序圖。圖9中的時間尺度不必然依比例。具體而言，標繪圖900顯示在充電電流感測節點654上並代表第一充電電流ICHARGE1的正偏壓感測信號的圖，其隨著電感128充電而在充電時間間隔TON內增加。換言之，圖9繪示正偏壓感測信號，諸如可由顯示於圖8之實例實施例中的低側電流感測器162所產生者。當AC電源106在正半線循環中(亦即，在圖2所示的組態中)時，圖9所示的第一充電電流ICHARGE1可由低側電流感測器162感測。當AC電源106在負半線循 環中(亦即，圖4中所示的組態中)時，高側電流感測器160可在充電電流感測節點654上產生代表第二充電電流ICHARGE2之類似的正偏壓感測信號。
圖10根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器100的一部分的電路示意圖。圖10的無橋式PFC轉換器100包括一高側電流感測器160，其在形式及功能上與參考圖8於上文描述的高側電流感測器160等同，除了高側CT 800的二次繞組804組態成在相反的繞組方向上(如相鄰於參考節點806之點所指示)、且高側整流器820組態成在相反方向上導電之外。在操作中，高側CT 800的二次繞組804產生與第二充電電流ICHARGE2成正比之從高側感測節點808至參考節點806的電流。因此，高側感測節點808具有相對於參考節點806的負偏壓輸出電壓。該負偏壓輸出電壓通過高側整流器820傳輸至充電電流感測節點654。
圖10之實例實施例中的低側電流感測器162在形式及功能上與參考圖8於上文描述的低側電流感測器162等同，除了低側CT 840的二次繞組844組態成在相反的繞組方向上(如相鄰於參考節點846之點所指示)、且低側整流器860組態成在相反方向上導電之外。在操作中，低側CT 840的二次繞組844產生與第一充電電流ICHARGE1成正比之從低側感測節點848至參考節點846的電流。因此，低側感測節點848相對於參考節點846係負偏壓。負偏壓信號通過低側整流器860傳輸至充電電流感測節點654。
圖11根據至少一些實施例顯示時序圖。圖11中的時間尺度不必然依比例。具體而言，標繪圖1100顯示在充電電流感測節點654上並代表第一充電電流ICHARGE1的負偏壓感測信號的圖，其隨著電感128充電 而在充電時間間隔TON內增加。換言之，圖11繪示負偏壓感測信號，諸如可由顯示於圖10之實例實施例中的低側電流感測器162所產生者。當AC電源106在正半線循環中(亦即，在圖2所示的組態中)時，圖11所示的第一充電電流ICHARGE1可由低側電流感測器162感測。當AC電源106在負半線循環中(亦即，圖4中所示的組態中)時，高側電流感測器160可在充電電流感測節點654上產生代表第二充電電流ICHARGE2之類似的負偏壓感測信號。
圖12根據至少一些實施例顯示放電電流感測器164的電路示意圖。具體地說，放電電流感測器164包括放電CT 1200，該放電CT包括一次繞組1202及二次繞組1204。一次繞組1202經組態以測量無橋式PFC轉換器100中的放電電流IDISCHARGE1或IDISCHARGE2之任一者(且因此該圖顯示IDISCHARGEX)。二次繞組1204產生從參考節點1206至放電感測節點1208的輸出電流，其中該輸出電流與放電電流IDISCHARGEX成正比。參考節點1206連接至信號接地。實例放電電流感測器164也包括定義第一電阻器引線1212及第二電阻器引線1214的放電重設電阻器1210。第一電阻器引線1212及第二電阻器引線1214分別連接至參考節點1206及放電感測節點1208。放電電流感測器164也包括定義第一整流器引線1218及第二整流器引線1220的放電整流器1216。第一整流器引線1218連接至放電感測節點1208，且第二整流器引線1220連接至放電電流感測節點656。更具體地說，圖12所示的放電整流器1216經組態以將電流從放電感測節點1208傳導至放電電流感測節點656，同時阻擋在相反方向上的電流流動。在未顯示於圖式中的其他實施例中，放電電流感測器164可經組態以藉由反轉二次繞組的極性並藉由反轉放電整流器1216的極性而在放電電流感測節點 656上產生負極性。此種負極性組態可以與參考圖10於上文描述的電流感測器160、162類似的方式操作。在至少一些實施例中，且如圖12所示，放電整流器1216包括單一二極體，但可使用其他整流器配置(例如，切換式整流器)。
仍參考圖12，放電電流感測器164也包括定義第一電阻器引線1232及第二電阻器引線1234的放電信號電阻器1230。第一電阻器引線1232連接至信號接地，且第二電阻器引線1234連接至放電電流感測節點656。因此，當放電電流感測節點656沒有通過放電整流器1216由放電感測節點1208賦能時，放電信號電阻器1230可運作以將放電電流感測節點656下拉至與信號接地的0V電位匹配。
圖13根據至少一些實施例顯示放電電流感測器164的電路示意圖。圖13所示的實例放電電流感測器164包括定義第一電阻器引線1302及第二電阻器引線1304的放電感測電阻器1300。第一電阻器引線1302連接至負節點126且也連接至信號接地。第二電阻器引線1304連接至放電電流感測節點656。在操作中，第二放電電流IDISCHARGE2係通過放電感測電阻器1300傳導，該放電感測電阻器在第一電阻器引線1302與第二電阻器引線1304之間產生對應的電壓降。該電壓降因此包含放電電流感測節點656上的放電電流信號。圖13所示的放電電流感測器164以與圖12所示的放電電流感測器164類似的方式操作，以感測放電電流IDISCHARGEX。
圖14根據至少一些實施例顯示時序圖。圖14中的時間尺度不必然依比例。具體而言，標繪圖1400顯示放電電流IDISCHARGEX的圖，其隨著電感128放電而在放電時間間隔TOFF內減少，無論半線循環如何。換 言之，圖14繪示正偏壓信號，諸如可由放電電流感測器164在放電電流感測節點656上所產生者。
圖15根據至少一些實施例顯示時序圖。圖15中的時間尺度不必然依比例。具體而言，標繪圖1500顯示包括第一充電電流ICHARGE1及第一放電電流IDISCHARGE1兩者的複合信號的圖。在圖15上表示的複合信號係參考圖7於上文所討論者且當AC電源106在正半線循環中(亦即，在圖2至圖3所示的組態中)時的加總輸出716的輸出信號。當AC電源106在負半線循環中(亦即，在圖4至圖5所示的組態中)時，加總輸出716可產生包括第二充電電流ICHARGE2及第二放電電流IDISCHARGE2兩者的類似的加總信號。
圖16根據至少一些實施例顯示在無橋式PFC 100轉換器內使用的實例開關660、664的電路示意圖。圖16所示的實例開關660、664定義第一開關引線816、856及第二開關引線818、858以及命令輸入662、666。根據一些實施例，實例開關660、664經組態以回應於命令輸入662、666的解除確立而選擇性地將電流從第一開關引線816、856傳導至第二開關引線818、858。實例開關660、664經組態以在命令輸入662、666被確立時且在第二開關引線818、858具有相對於第一開關引線816、856的正電壓或負電壓之任一者時阻止電流在第一開關引線816、856與第二開關引線818、858之間流動。換言之，實例開關660、664作用如二象限開關。四象限開關也可用於高側開關660及/或低側開關664。
具體地說，圖16所示的實例開關660、664包括第一FET 1600，該第一FET定義閘極1602、耦接至第二開關引線818、858的汲極1604、及耦接至中心節點1608的源極1606。第一本體二極體1610包括連 接至汲極1604的陽極端子及連接至第一FET 1600之源極1606的陰極端子。第二FET 1612定義耦接至第一FET 1600之閘極1602的閘極1614、耦接至第一開關引線816、856的汲極1616、及耦接至中心節點1608的源極1618。第二本體二極體1620包括連接至汲極1616的陽極端子及連接至第二FET 1612之源極1618的陰極端子。外部二極體1622定義陽極端子1624及陰極端子1626。陽極端子1624連接至第一FET 1600的閘極1602及第二FET 1612的閘極1614，且陰極端子1626連接至第一開關引線816、856。實例開關660、664也包括電阻器1628，該電阻器定義連接至中心節點1608的第一引線1630、及連接至第一及第二FET 1600、1612之閘極1602、1614兩者的第二引線1632。信號電容器1634定義連接至命令輸入662、666的第一引線1636、及連接至第一及第二FET 1600、1612之閘極1602、1614兩者的第二引線1638。
圖17根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器內的開關的電路示意圖。圖17所示的實例開關660、664定義第一開關引線816、856及第二開關引線818、858以及命令輸入662、666。根據一些實施例，實例開關660、664經組態以回應於命令輸入662、666被解除確立而選擇性地將電流從第一開關引線816、856傳導至第二開關引線818、858。實例開關660、664經組態以在命令輸入662、666被解除確立時且在第二開關引線818、858具有相對於第一開關引線816、856的正電壓或負電壓之任一者時阻止電流在第一開關引線816、856與第二開關引線818、858之間流動。換言之，實例開關660、664作用如二象限開關。四象限開關也可用於高側開關660及/或低側開關664。具體地說，圖17所示的實例開關660、664包括p通道FET 1700，該p通道FET定義閘極 1702、耦接至第二開關引線818、858的汲極1704、及耦接至中心節點1708的源極1706。本體二極體1710包括連接至汲極1704的陽極端子及連接至p通道FET 1700之源極1706的陰極端子。實例開關660、664也包括二極體1712，該二極體定義連接至第一開關引線816、856的陽極端子1714及連接至中心節點1708的陰極端子1716。
在關斷(亦即，非導電)情況下，開關660、664各自用於阻擋相對於第一開關引線816、856在第二開關引線818、858處的相對大的負重設電壓及相對小的正感測電壓。在導通(亦即，導電)情況下，開關660、664也各自用於將電流從第一開關引線816、856傳導至第二開關引線818、858。圖16所示的實例開關660、664比圖17所示的實例開關660、664更複雜，但圖16所示的實例開關660、664可具有在關斷情況下阻擋第二開關引線818、858處的正及/或負電壓之任一者或兩者的更高能力。額外地或替代地，與圖17所示的實例開關660、664相比，圖16所示的實例開關660、664可能能夠在導通情況下將更多電流從第一開關引線816、856傳導至第二開關引線818、858。
圖18根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器100的電路示意圖。具體地說，圖18顯示參考圖1於上文描述之無橋式PFC轉換器100的變型，但具有在不同位置的高側電流感測器160。如圖18所示，高側電流感測器160經組態以感測快步高側FET 136與開關節點134之間的電流。在其他實施例中，諸如參考圖1於上文討論的實施例，高側電流感測器160經組態以感測正節點116與快步高側FET 136之間的電流。此等組態的任一者均提供高側電流感測器160以通過快步高側FET 136測量第二充電電流ICHARGE2。
圖19根據至少一些實施例顯示無橋式PFC轉換器100的電路示意圖。具體地說，圖19顯示參考圖1於上文描述之無橋式PFC轉換器100的變型，但具有在不同位置的低側電流感測器162。如圖19所示，低側電流感測器162經組態以感測快步低側FET 144與負節點126之間的電流。在其他實施例中，諸如參考圖1於上文討論的實施例，低側電流感測器162經組態以感測開關節點134與快步低側FET 144之間的電流。此等組態的任一者均提供低側電流感測器162以通過快步低側FET 144測量第一充電電流ICHARGE1。
圖20根據至少一些實施例顯示無橋式功率因數校正(PFC)轉換器100的電路示意圖。具體地說，圖20顯示參考圖1於上文描述之無橋式功率因數校正(PFC)轉換器100的變型，但具有在不同位置的放電電流感測器164。如圖20所示，放電電流感測器164經組態以感測通過在正節點116與輸出電容器156之間的導體的電流(亦即，感測正節點116與正輸出152之間的電流)。在其他實施例中，諸如參考圖1於上文討論的實施例，放電電流感測器164經組態以感測通過在負節點126與負輸出154之間的導體的電流(亦即，感測負節點126與負輸出154之間的電流)。此等組態的任一者均允許放電電流感測器164在電感128放電時測量通過電感128的放電電流IDISCHARGE1、IDISCHARGE2。
圖21根據至少一些實施例顯示操作電力轉換器的方法。具體而言，該方法開始(方塊2100)且包含：在交流電(AC)電源的正半線循環期間操作電力轉換器(方塊2102)；及在AC電源的負半線循環期間操作電力轉換器(方塊2104)。其後，該方法結束(方塊2106)。具體地說，方塊2102包括使高側變流器的二次繞組短路(方塊2102a)；通過快 步低側電控開關以具有第一極性的第一充電電流對電感充電(方塊2102b)；使用低側變流器測量第一充電電流(方塊2102c)；且然後通過快步高側電控開關以具有第一極性的第一放電電流使電感放電(方塊2102d)。相似地，方塊2104包括使低側變流器的二次繞組短路(方塊2104a)；通過快步高側電控開關以具有與第一極性相反的第二極性的第二充電電流對電感充電(方塊2104b)；使用高側變流器測量第二充電電流(方塊2104c)；且然後通過快步低側電控開關以具有第二極性的第二放電電流使電感放電(方塊2104d)。在一些實施例中，以連續傳導模式將電感充電及放電。
在一些實施例中，使高側變流器的二次繞組短路(方塊2102a)之執行貫穿AC電源的正半線循環(方塊2102)。在其他實施例中，使高側變流器的二次繞組短路(方塊2102a)之執行少於AC電源之正半線循環(方塊2102)的整體時間。
在一些實施例中，使低側變流器的二次繞組短路(方塊2104a)之執行貫穿AC電源的負半線循環(方塊2104)。在其他實施例中，使低側變流器的二次繞組短路(方塊2104a)之執行少於AC電源之負半線循環(方塊2104)的整體時間。
在一些實施例中，使用低側變流器測量第一充電電流的步驟(方塊2102c)進一步包括：藉由低側變流器的二次繞組在低側感測節點上產生輸出電壓；及通過一低側整流器在該低側感測節點與一電流感測節點之間傳導電流，其中該低側整流器經組態以將電流從該低側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。此操作在本揭露中參考圖8進一步描述。
在一些實施例中，使用高側變流器測量第二充電電流的步 驟(方塊2104c)進一步包括：藉由高側變流器的二次繞組在高側感測節點上產生輸出電壓；及通過一高側整流器在該高側感測節點與該電流感測節點之間傳導電流，其中該高側整流器經組態以將電流從該高側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。此操作在本揭露中參考圖8進一步描述。
在一些實施例中，使用低側變流器測量第一充電電流的步驟(方塊2102c)進一步包括：藉由低側變流器的二次繞組在低側感測節點上產生輸出電壓；及通過一低側整流器在該低側感測節點與一電流感測節點之間傳導電流，其中該低側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該低側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。此操作在本揭露中參考圖10進一步描述。
在一些實施例中，使用高側變流器測量第二充電電流的步驟(方塊2104c)進一步包括：藉由高側變流器的二次繞組在高側感測節點上產生輸出電壓；及通過一高側整流器在該高側感測節點與該電流感測節點之間傳導電流，其中該高側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該高側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。此操作在本揭露中參考圖10進一步描述。
在第一實施例中，操作電力轉換器的方法進一步包含：藉由放電電流感測器測量第一放電電流；藉由該放電電流感測器測量該第二放電電流；將第一複合電流計算為第一充電電流及第一放電電流的總和；及將第二複合電流計算為第二充電電流及第二放電電流的總和。此操作在本揭露中參考圖15進一步描述。
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‧‧‧無橋式PFC轉換器
102‧‧‧第一線輸入
104‧‧‧第二線輸入
106‧‧‧AC電源
108‧‧‧慢步高側FET
110‧‧‧閘極
116‧‧‧正節點
118‧‧‧慢步低側FET
120‧‧‧閘極
126‧‧‧負節點/負輸出
128‧‧‧電感/電感器
134‧‧‧開關節點
136‧‧‧快步高側FET
138‧‧‧閘極
144‧‧‧快步低側FET
146‧‧‧閘極
152‧‧‧正輸出
154‧‧‧負輸出
156‧‧‧平滑或輸出電容器/輸出電容器
158‧‧‧電阻器
160‧‧‧高側電流感測器
162‧‧‧低側電流感測器/低側CT
164‧‧‧放電電流感測器
600‧‧‧PFC控制器
602‧‧‧第一線感測端子
604‧‧‧第二線感測端子
606‧‧‧極性輸出端子
608‧‧‧反相極性輸出端子
610‧‧‧快步高側端子
612‧‧‧快步低側端子
614‧‧‧第一電流感測端子
616‧‧‧第二電流感測端子
618‧‧‧慢步低側端子
620‧‧‧慢步高側端子
630‧‧‧慢步閘極驅動器
632‧‧‧慢步低側輸入
634‧‧‧慢步高側輸入
636‧‧‧慢步低側輸出
638‧‧‧慢步高側輸出
640‧‧‧快步閘極驅動器
642‧‧‧快步低側輸入
644‧‧‧快步高側輸入
646‧‧‧快步低側輸出
648‧‧‧快步高側輸出
650‧‧‧高側電流輸出
652‧‧‧低側電流輸出
654‧‧‧充電電流感測節點
656‧‧‧放電電流感測節點
660‧‧‧高側開關
662‧‧‧高側命令輸入
664‧‧‧低側開關
666‧‧‧低側命令輸入

Claims (10)

  1. 一種操作一電力轉換器的方法，該方法包含：在一交流電(alternating current,AC)電源的一正半線循環期間藉由下列來操作該電力轉換器：使一高側變流器的一二次繞組短路；通過一快步(fast leg)低側電控開關以具有一第一極性的一第一充電電流對一電感充電；使用一低側變流器測量該第一充電電流；且然後通過一快步高側電控開關以具有該第一極性的一第一放電電流使該電感放電；在該AC電源的一負半線循環期間藉由下列來操作該電力轉換器：使該低側變流器的一二次繞組短路；通過該快步高側電控開關以具有與該第一極性相反的一第二極性的一第二充電電流對該電感充電；使用該高側變流器測量該第二充電電流；且然後通過該快步低側電控開關以具有該第二極性的一第二放電電流使該電感放電。
  2. 如請求項1之方法：其中使用該低側變流器測量該第一充電電流進一步包含：藉由該低側變流器的該二次繞組在一低側感測節點上產生一輸出電壓； 通過一低側整流器在該低側感測節點與一電流感測節點之間傳導電流，其中該低側整流器經組態以將電流從該低側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流；且其中使用該高側變流器測量該第二充電電流進一步包含：藉由該高側變流器的該二次繞組在一高側感測節點上產生一輸出電壓；通過一高側整流器在該高側感測節點與該電流感測節點之間傳導電流，其中該高側整流器經組態以將電流從該高側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
  3. 如請求項1之方法：其中使用該低側變流器測量該第一充電電流進一步包含：藉由該低側變流器的該二次繞組在一低側感測節點上產生一輸出電壓；通過一低側整流器在該低側感測節點與一電流感測節點之間傳導電流，其中該低側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該低側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流；且其中使用該高側變流器測量該第二充電電流進一步包含：藉由該高側變流器的該二次繞組在一高側感測節點上產生一輸出電壓；通過一高側整流器在該高側感測節點與該電流感測節點之間傳導電流，其中該高側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該高側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
  4. 一種無橋式功率因數校正(power factor correcting,PFC)轉換器，其包含：一第一線輸入及一第二線輸入；一慢步高側場效電晶體(field effect transistor,FET)，其定義一閘極、耦接至該第一線輸入的一源極、及耦接至一正節點的一汲極；一慢步(slow leg)低側FET，其定義一閘極、耦接至該第一線輸入的一汲極、及耦接至一負節點的一源極；一電感，其定義耦接至該第二線輸入的一第一引線、及定義一開關節點的一第二引線；一快步高側FET，其定義一閘極、耦接至該開關節點的一源極、及耦接至該正節點的一汲極；一高側變流器(current transformer,CT)，其經組態以感測通過該快步高側FET的電流；一快步低側FET，其定義一閘極、耦接至該負節點的一源極、及耦接至該開關節點的一汲極；一低側CT，其經組態以感測通過該快步低側FET的電流；一PFC控制器，其經組態以在耦接至該第一線輸入及該第二線輸入的一交流電(AC)電源的一正半線循環期間操作該轉換器，該操作係藉由使該轉換器執行下列：通過該快步低側FET以具有一第一極性的一第一充電電流對該電感充電；在使該高側CT的一二次繞組短路的同時，使用該低側CT測量 該第一充電電流；且然後通過該快步高側FET以具有該第一極性的一第一放電電流使該電感放電；該PFC控制器經組態以在該AC電源的一負半線循環期間藉由使該轉換器執行下列而操作該轉換器：通過該快步高側FET以具有與該第一極性相反的一第二極性的一第二充電電流對該電感充電；在使該低側CT的一二次繞組短路的同時，使用該高側CT測量該第二充電電流；且然後通過該快步低側FET以具有該第二極性的一第二放電電流使該電感放電。
  5. 如請求項4之無橋式PFC轉換器，其進一步包含：該PFC控制器，其經組態以在該AC電源的該正半線循環期間將一極性輸出確立，且在該AC電源的該負半線循環期間將該極性輸出解除確立；一高側開關，其經組態以回應於該極性輸出被確立而在該高側CT的一第一二次端子與一第二二次端子之間傳導電流；及一低側開關，其經組態以回應於該極性輸出被解除確立而在該低側CT的一第一二次端子與一第二二次端子之間傳導電流。
  6. 如請求項4之無橋式PFC轉換器，其進一步包含：該低側變流器的該二次繞組，其經組態以在一低側感測節點上產 生一輸出電壓；一低側整流器，其耦接在該低側感測節點與一電流感測節點之間，其中該低側整流器經組態以將電流從該低側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流；該高側變流器的該二次繞組，其經組態以在一高側感測節點上產生一輸出電壓；一高側整流器，其耦接在該高側感測節點與該電流感測節點之間，其中該高側整流器經組態以將電流從該高側感測節點傳導至該電流感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
  7. 如請求項4之無橋式PFC轉換器，其進一步包含：該低側變流器的該二次繞組，其經組態以在一低側感測節點上產生一輸出電壓；一低側整流器，其耦接在該低側感測節點與一電流感測節點之間，其中該低側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該低側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流；該高側變流器的該二次繞組，其經組態以在一高側感測節點上產生一輸出電壓；一高側整流器，其耦接在該高側感測節點與該電流感測節點之間，其中該高側整流器經組態以將電流從該電流感測節點傳導至該高側感測節點並阻擋在一相反方向上的電流。
  8. 如請求項4之無橋式PFC轉換器，其進一步包含： 一低側開關，其經組態以選擇性地使該低側變流器的該二次繞組短路；一高側開關，其經組態以選擇性地使該高側變流器的該二次繞組短路；其中該低側開關及該高側開關之各者經組態以在一第一引線與一第二引線之間選擇性地傳導電流；且其中該低側開關或該高側開關之一者包括：一第一FET，其定義一閘極、耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第二引線的一汲極、及耦接至一中心節點的一源極；一第二FET，其定義耦接至該第一FET之該閘極的一閘極、耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第一引線的一汲極、及耦接至該中心節點的一源極；及一二極體，其定義耦接至該第一FET的該閘極及該第二FET的該閘極之各者的一陽極端子、及耦接至該高側開關或該低側開關之該一者的該第一引線的一陰極端子。
  9. 一種用於控制一無橋式功率因數校正(PFC)轉換器的封裝積體電路(integrated circuit,IC)裝置，該封裝積體電路裝置包含：一交流電(alternating current,AC)感測端子、一慢步高側端子、一慢步低側端子、一快步高側端子、一快步低側端子、一充電電流端子、及一放電電流端子；一線側控制器，其耦接至該慢步高側端子及該慢步低側端子，該 線側控制器經組態以感測連接至該AC感測端子的一交流電(AC)的極性，且該線側控制器經組態以在該極性係正時將該慢步低側端子確立並將該慢步高側端子解除確立，且該線側控制器經組態以在該極性係負的時將該慢步高側端子確立並將該慢步低側端子解除確立；一電感器電流監測組塊，其耦接至該充電電流端子及該放電電流端子，並經組態以使用該充電電流端子上的一充電電流信號及該放電電流端子上的一放電電流信號來判定一平均電感器電流；一極性輸出端子，其經組態以回應於該交流電(AC)電源在一正半線循環或一負半線循環之一者中而被確立，該極性輸出端子經組態以回應於該交流電(AC)電源在與該極性輸出端子確立之該正半線循環或該負半線循環的該一者相反之該正半線循環或該負半線循環的一者中而被解除確立。
  10. 如請求項9之封裝IC裝置，其中該極性輸出端子經組態以在該交流電(AC)電源的該正半線循環期間被確立，並在該交流電(AC)電源的該負半線循環期間被解除確立。
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