TWI650927B

TWI650927B - 用於主開關切換轉換的零電壓開關式返馳變換器

Info

Publication number: TWI650927B
Application number: TW106136301A
Authority: TW
Inventors: 光銘張; 霖陳; 啟洪黃
Original assignee: 開曼群島商萬國半導體股份有限公司
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2019-02-11
Also published as: TW201918005A

Abstract

通過檢測次級繞組的正電流衝程作為同步整流器關斷觸發器，一種返馳變換器配置強迫式零電壓開關(ZVS)時間控制。在開關週期快結束時，接通同步整流器開關，或者延長接通時間，在次級繞組電流上形成電流波紋。返馳變換器的控制電路檢測次級繞組電流上的正電流衝程，以斷開同步整流器，啟動下一個開關週期。此時，初級開關上的電壓放電，初級開關在零汲極至源極電壓下接通。在其他實施例中，通過初級開關耦合電容器或者通過初級繞組耦合電容器，或者兩者兼具，實現初級開關的斷開瞬變下的零電壓開關。

Description

用於主開關切換轉換的零電壓開關式返馳變換器

本發明涉及返馳變換器領域。

返馳變換器是一種絕緣式功率轉換器，常用於輸入和一個或多個輸出之間的電流絕緣的交流至直流和直流至直流之間的轉換。更確切地說，返馳變換器是一個帶有電感***的升壓-降壓變換器，構成一個變壓器，使得電壓比例與絕緣的額外優勢相乘。同步整流通常用於代替二極管整流器，以提高效率。圖1表示使用同步整流的返馳變換器的一個示例。如圖1所示，返馳變換器的典型結構包括一個初級開關(SW)，耦合到變壓器Lm的初級變壓器繞組，以及一個同步整流器開關(SR)，耦合到變壓器Lm的次級變壓器繞組。通過初級繞組和初級開關，提供輸入電壓VIN。控制電壓VGS控制初級開關接通和斷開，傳導初級電流Ipri。初級開關和同步整流器在運行中作為補充，一個開關接通，同時另一個開關斷開。初級開關SW和同步整流器SR的傳導週期不重疊。次級端的電流流動稱為次級電流Isec，為輸出電容器C3充電，提供輸出電壓Vo。在一些情況下，可以在次級端配置有源箝位，當初級開關SW斷開時，嵌制初級開關SW的汲極端處的電壓。

圖2表示在恒定頻率、連續傳導模式(CF CCM)下，運行圖1所示的返馳變換器的示例信號波形。圖3表示在恒定頻率、不連續傳導模式(CF DCM)下，圖1所示的返馳變換器的示例信號波形。圖1所示的返馳變換器、圖2和圖3所示的工作模式在以下論文中進行了詳細介紹：M.T.Zhang,M.M.Jovanovic和F.C.Lee返馳變換器中同步整流的設計考慮和性能評估應用電力電子會議及展覽會，1997，APEC’97會議論文集1997，pp.623-630，卷2。簡而言之，當在CCM運行模式下工作時，在下一個開關週期啟動(初級開關SW接通)之前，次級電流Isec沒有達到零電流值，如圖2所示。另一方面，當在DCM運行模式下工作時，在下一個開關週期啟動之前，次級電流Isec達到零電流值，如圖3所示。

當開關轉換發生在電源開關的非零電壓時，返馳變換器會發生功率損失。在返馳變換器中配置零電壓開關(ZVS)，在零電壓下完成開關，以獲得高效率。提出了不同的配置零電壓開關的技術。例如，Zhang論文中提出了在圖1所示的返馳變換器中可以配置變頻(VF)ZVS DCM操作模式。圖4複製了Zhang論文中的圖5，並且表示在VF ZVS DCM工作模式下，圖1所示的返馳變換器運行的示例信號波形。確切地說，在初級開關獲得ZVS，要延長同步整流器(SR)的傳導週期，或將同步整流器的斷開時間延遲一段時間Tdelay，一直到次級電流Isec已經達到零電流值之後。利用延長的接通時間Tdelay，使得在次級變壓器繞組上建立負次級電流，如圖4中的電流IZVS所示。只要負次級電流IZVS在勵磁電感Lm中存儲的能量，足夠使初級開關寄生電容(如圖1中的C1所示)放電至零電壓，就可以在返馳變換器中實現ZVS。然而，利用延長的SR傳導時間，返馳變換器的開關頻率作為負載調製的函數可變。不需要變頻操作，尤其是當避免電磁幹擾(EMI)分佈很重要時。

本發明公開了一種返馳變換器，包括：一個變壓器，具有接收輸入電壓的初級繞組以及提供輸出電壓的次級繞組；一個初級開關，耦合到初級繞組；一個同步整流器，耦合到次級繞組；一個輸出電容器，跨過次級繞組耦合；一個控制器，耦合產生控制信號，驅動初級開關和同步整流器；以及一個第一電容器，跨過初級開關耦合，其中控制器產生控制信號，在一個開關周期內，交替接通和斷開初級開關與同步整流器，並且其中根據跨過初級開關耦合的第一電容器，在初級開關的零電壓下，斷開初級開關。

其中，還包括配置一個正電流檢測電路，傳感次級繞組中流動的次級電流，根據檢測到具有正電流值的次級電流，產生檢測信號，其中控制器產生控制信號，在開關周期內，根據檢測達到零電流值的次級電流，使同步整流器接通第二接通時間，正電流檢測電路在第二接通時間內傳感次級電流，根據檢測到具有正電流值的次級電流，產生檢測信號，並且根據檢測信號，在開關周期內斷開同步整流器。

其中，控制器在非連續傳導模式下運行返馳變換器，控制器產生控制信號，根據檢測達到零電流值的次級電流，斷開同步整流器，控制器繼續監控輸出電壓，根據等於或小於參考電壓的輸出電壓，控制器產生控制信號，在開關周期內使同步整流器接通第二接通時間。

其中，控制器在臨界傳導模式下運行返馳變換器，控制器產生控制信號，在開關周期內，根據檢測達到零電流值的次級電流，將同步整流器的接通時間延長第二接通時間。

其中，根據初級開關的斷開時間的截止，通過重新接通初級開關，啟動下一個開關周期，初級開關在開關的零電壓下接通。

其中，根據同步整流器接通第二接通時間，控制器傳感初級電流，根據超過閾值的初級電流，通過重新接通初級開關，啟動下一個開關周期。

其中，還包括第二電容器，跨過變壓器的初級繞組耦合，其中根據跨過初級繞組耦合的第二電容器，初級開關在跨過初級開關的零電壓下斷開。

其中，控制器產生控制信號，使初級開關接通一段固定的接通時間。

本發明還公開了一種返馳變換器，包括：一個變壓器，具有接收輸入電壓的初級繞組以及提供輸出電壓的次級繞組；一個初級開關，耦合到初級繞組；一個同步整流器，耦合到次級繞組；一個輸出電容器，跨過次級繞組耦合；一個控制器，耦合產生控制信號，驅動初級開關和同步整流器；以及一個第一電容器，跨過初級開關耦合，其中控制器產生控制信號，在一個開關周期內，交替接通和斷開初級開關與同步整流器，並且其中根據跨過初級開關耦合的第一電容器，在初級開關的零電壓下，接通和斷開初級開關。

其中，控制器在臨界傳導模式下運行返馳變換器，控制器產生控制信號，在開關周期內，根據檢測達到零電流值的次級電流，將同步整流器的接通時間延長到第二接通時間。

其中，根據初級開關的斷開時間的截止時間，通過重新接通初級開關，啟動下一個開關周期，初級開關在開關的零電壓下接通。

(ZVS)‧‧‧零電壓開關

(DCM)‧‧‧非連續傳導模式

(CRI)‧‧‧臨界傳導模式

(10)‧‧‧返馳變換器

(Q1)‧‧‧初級開關

(Q2)‧‧‧同步整流器

(12)‧‧‧電壓節點

(18)‧‧‧接地節點

(16)‧‧‧輸出節點

(15)‧‧‧節點

(20)‧‧‧驅動負載

(25)‧‧‧有源箝位電路

(D1)‧‧‧體二極管

(30)‧‧‧初級端控制器

(40)‧‧‧次級端控制器

(45)‧‧‧正電流檢測電路

以下的詳細說明及附圖提出了本發明的各個實施例。

圖1表示使用同步整流的返馳變換器的一個示例。

圖2表示圖1所示的返馳變換器在固頻、連續傳導模式下(CF CCM)，運行的示例信號波形。

圖3表示圖1所示的返馳變換器在固頻、非連續傳導模式下(CF DCM)，運行的示例信號波形。

圖4複製了Zhang論文中的圖5，表示圖1所示的返馳變換器在VF ZVS DCM運行模式下的示例信號波形。

圖5表示在本發明的實施例中，返馳變換器配置強迫式零電壓開關(ZVS)時序控制的示意圖。

圖6表示在一些示例中，強迫式ZVS運行模式通常運行情況的時序圖。

圖7表示在本發明的實施例中，強迫式ZVS時序控制中運行的返馳變換器信號波形的時序圖，帶有正電流同步整流關斷觸發器。

圖8(a)至8(c)表示在本發明的可選實施例中，用於初級開關，配有強迫式零電壓開關(ZVS)時序控制的返馳變換器的示意圖。

圖9表示在本發明的實施例中，用於初級開關斷開瞬變，配有零電壓開關(ZVS)的返馳變換器的示意圖。

圖10表示在本發明的實施例中，帶有正電流同步整流關斷觸發器的強迫式ZVS時序控制方法的流程圖。

圖11表示在本發明的一個可選實施例中，帶有正電流同步整流關斷觸發器的強迫式ZVS時序控制方法的流程圖。

圖12表示在本發明的一個可選實施例中，帶有正電流同步整流關斷觸發器的強迫式ZVS時序控制方法的流程圖。

本發明可以以各種方式實現，包括作為一個工藝；一種裝置；一個系統；和/或一種物質合成物。在本說明書中，這些實現方式或本發明可能採用的任意一種其他方式，都可以稱為技術。一般來說，可以在本發明的範圍內變換所述工藝步驟的順序。

本發明的一個或多個實施例的詳細說明以及附圖解釋了本發明的原理。雖然，本發明與這些實施例一起提出，但是本發明的範圍並不局限於任何實施例。本發明的範圍僅由權利要求書限定，本發明包含多種可選方案、修正以及等效方案。在以下說明中，所提出的各種具體細節用於全面理解本發明。這些細節用於解釋說明，無需這些詳細細節中的部分細節或全部細節，依據權利要求書，就可以實現本發明。為了簡便，本發明相關技術領域中眾所周知的技術材料並沒有詳細說明，以免對本發明產生不必要的混淆。

根據本發明的實施例，通過檢測二次繞組電流的正電流衝程，作為同步整流關斷觸發器，返馳變換器配置強迫式零電壓開關(ZVS)時序控制。返馳變換器可以在非連續傳導模式(DCM)或臨界傳導模式(CRI)下運行。在DCM模式下，已經根據負載規則斷開的同步整流器開關，在開關週期快結束時再次接通，在二次繞組電流上產生電流波紋。在CRI模式下，同步整流器開關的接通時間延長到二次繞組電流零交叉，在二次繞組電流上產生電流波紋。二次繞組電流上的電流波紋包括負電流衝程和正電流衝程。返馳變換器的控制電流探測二次繞組電流波紋上的正電流衝程作為一個觸發器，斷開同步整流器，啟動下一個開關週期。在此時，初級開關上的電壓已經放電，初級開關在零汲極至源極電壓下就能接通，從而避免了開關損耗。

本發明所述的強迫式ZVS返馳變換器與傳統的運行體系相比，具有多種優勢。確切地說，利用正次級繞組電流作為同步整流關斷觸發器，返馳變換器可以在固定頻率或固頻非連續傳導模式(CF DCM)下運行，消除了EMI需考慮的問題。在一個示例中，可以調製符合負載規則的同步整流器的接通時間，同時開關頻率保持恒定。另外，通過確保初級開關在零電壓下進行切換，返馳變換器實現了效率的提高。

圖5表示在本發明的實施例中，配有強迫式零電壓開關(ZVS)時序控制的返馳變換器的示意圖。參見圖5，返馳變換器10包括一個初級開關Q1 (SW)，耦合到變壓器TR的初級變壓器繞組上，以及一個同步整流器開關Q2(SR)耦合到變壓器TR的次級變壓器繞組上。輸入電壓VIN跨過初級繞組和初級開關耦合，在輸入電壓節點12和接地節點18之間。輸入去耦電容器Cin可以耦合到輸入電壓節點12上。初級開關由控制電壓VGS1控制接通和斷開，以傳導初級電流Ipri，在初級變壓器繞組中流動。同步整流器開關由控制電壓VGS2接通和斷開，以傳導次級電流Isec，在次級變壓器繞組中流動。在本說明中，“初級電流”一詞是指變壓器TR的初級變壓器繞組中流動的電流，“次級電流”和“次級繞組電流”都用於指代次級變壓器繞組中流動的電流。輸出電容器COUT跨過次級繞組和同步整流器耦合，也就是說在輸出節點16和接地節點18之間。在輸出節點16處產生輸出電壓VOUT，驅動負載20。在一些實施例中，有源箝位電路25可以位於初級端，當初級開關Q1斷開時，箝位初級開關Q1汲極端(節點14)處的電壓。

在本發明的實施例中，初級開關Q1和同步整流器Q2都是電源開關，通常是MOSFET器件。在本實施例中，初級開關Q1和同步整流器Q2都使用NMOS晶體管制成。初級開關Q1的NMOS晶體管具有一個耦合到變壓器(節點14)上的汲極端，一個耦合到地(節點18)的源極端以及一個由控制電壓VGS1驅動的閘極端。作為NMOS晶體管，初級開關Q1還具有相關的寄生電容Coss1，跨過晶體管的汲極和源極端。初級開關Q1的NMOS晶體管還具有寄生體二極管D1，跨過晶體管的汲極和源極端。在本說明中，寄生電容Coss1和體二極管D1表示為跨過NMOS開關Q1虛線連接，以說明電容Coss1不是一個附加的電容器元件，耦合到NMOS晶體管上，而是一個寄生電容，作為NMOS晶體管結構的一部分，體二極管D1僅僅是一個寄生二極管，而不是一個附加二極管元件。在次級端，同步整流器開關Q2的NMOS晶體管具有一個耦合到變壓器(節點15)上的汲極端、一個耦合到地(節點18)的源極端以及一個由控制電壓VGS2驅動的閘極端。作為一個NMOS晶體管，同步整流器開關Q2具有相關的寄生電容Coss2和寄生體二極管D2，都跨過晶體管的汲極和源極端。再次，寄生電容Coss2和體二極管D2表示為跨過NMOS開關Q2虛線連接，以說明電容Coss2和二極管D2都是耦合到NMOS晶體管上的元件，而不是作為NMOS晶體管結構一部分的寄生元件。

初級開關和同步整流器都由各自的控制電路驅動，控制開關的接通和斷開操作。確切地說，耦合初級端控制器30，驅動初級開關Q1的閘極端，耦合次級端控制器40，驅動同步整流器Q2的閘極端。根據返馳變換器10所需的控制體系，可以用不同的方式製造初級端控制器30和次級端控制器40。換言之，返馳變換器10是功率階段，不同的控制體系可用於控制返馳變換器功率階段。在實際運行中，初級開關的切換同步到同步整流器的切換。在大多數配置中，初級端控制器可以是主控制器，次級端控制器是從屬控制器，或者次級端控制器是主控制器，初級端控制器是從屬控制器。主控制器通常配置成PWM控制器。可用於返馳變換器10的控制體系的示例包括電壓模式控制、峰值電流模式控制和輸入電壓前饋控制。每個控制體系都使用不同的反饋信號，控制穩定的輸出電壓，提供負載調製。返馳變換器10中控制體系的特殊配置，對於本發明的實現並不重要。本領域的技術人員應明確強迫式ZVS時序控制可用於任何控制體系，在初級開關處啟動零電壓開關，以消除開關損耗。在本說明中，提出了初級端控制器和次級端控制器。在其他實施例中，初級端控制器和初級端控制器可以製成一個單獨的控制器或控制電路，產生控制信號，用於初級開關和同步整流器開關。

在本發明的實施例中，返馳變換器功率階段在初級端控制器中配置了固定的接通時間(COT)控制體系，次級端作為主控制器。次級端控制器為PWM控制器，用於調製輸出電壓VOUT。在COT控制體系下，初級開關接通一段固定的接通時間。然後，初級開關的斷開時間不固定，而是由傳感到輸出電壓的次級端控制器控制。在COT控制體系下，返馳變換器可以在非連續模式下運行，帶有可變切換頻率。次級端控制器根據本發明配置了強迫式ZVS時序控制，接通同步整流器很短的時間，在初級開關處放電汲極電壓，當檢測到正次級電流衝程時，斷開同步整流器。在一些實施例中，初級端控制器配置了自動同步，初級控制器檢測初級端的電流信號，表示同步整流器斷開，使用檢測到的電流信號，接通初級開關，啟動下一個開關週期。

在本發明的實施例中，通過監控流經同步整流器Q2的次級電流，次級端控制器40配置了強迫式ZVS時序控制。利用不同的電流傳感技術，產生表示流經同步整流器Q2電流的電流傳感信號VCS_sec，可以傳感次級電流。例如，在節點15處，可以傳感次級電流。例如，利用串聯電阻或通過次級繞組上的輔助繞組，可以傳感次級繞組電流。耦合正電流檢測電路45，接收電流傳感信號VCS_sec，檢測次級電流波紋上的正電流衝程，作為觸發器，斷開同步整流器Q2，這將在下文中詳細介紹。

返馳變換器10的常用工作方式將參照圖6所示的時序圖介紹。參見圖6，可以使用上述不同的控制體系，控制返馳變換器10。無論使用哪種控制體系，初級開關SW和同步整流器SR都在運行過程中互為補充，一個開關接通時，另一個開關斷開(曲線102)。初級開關SW和同步整流器SR的傳導週期不重疊。當初級開關SW接通時，變壓器TR的初級繞組連接到輸入電壓VIN，初級電流Ipri(曲線104)隨著變壓器中的磁通量增大，而線性增大。能量儲存在變壓器TR中。此時，次級繞組中產生的電壓VSEC與初級繞組具有相反的極性，導致同步整流器SR的體二極管D2反向偏置。沒有次級電流Isec(曲線106)流動，儲存在輸出電容器COUT上的電荷提供負載20。隨著初級開關SW接通，初級開關SW的汲極至源極電壓VDS(SW)(曲線108)，在節點14處，處於或在零伏附近。同時，同步整流器SR(節點15)的次級電壓VSEC(曲線110)，也是同步整流器的汲極至源極電壓VDS(SR)，驅動至正電壓，為輸入電壓VIN的比例。

初級開關的接通時間過後，初級開關斷開，同步整流器在非重疊時間後接通。當初級開關斷開時，初級電流Ipri降低，磁通量減少。次級繞組上的電壓反向，使得次級電壓在同名端具有正極性，或在同步整流器(節點15)的汲極處具有負極性，從而使同步整流器SR的體二極管D2正向偏置。因此，流經次級繞組的電流作為次級電流Isec。次級電流Isec增大到峰值電流值。非重疊時間後，同步整流器SR接通，傳導次級電流Isec，幫助存儲的能量從變壓器核心轉移到輸出電容器COUT。輸出電容器COUT再次充電，並供給負載20。輸出電容器COUT上的電荷維持輸出電壓VOUT(節點16)。當初級開關SW斷開時，初級開關SW(節點14)的汲極至源極電壓VDS(SW)擺動至高電壓值。在一些示例中，電壓箝位電路(例如有源箝位電路25)用於嵌制初級開關處的汲極電壓至最大的可允許電壓值，以保護初級開關。

返馳變換器中配置的控制體系包括一個反饋控制回路，監控輸出電壓VOUT。所用的控制體系控制同步整流器的接通時間或初級開關的斷開時間，以便在不同的負載情況下，將輸出電壓保持在所需的電壓值。在規定的時間內，返馳變換器的初級端或次級端控制器通過斷開同步整流器並接通初級開關，啟動下一個開關週期。重複上述操作過程。

在上述說明中，返馳變換器在DCM模式下運行，次級電流在開關週期內達到零電流值。在其他實施例中，返馳變換器可以在臨界電流模式下或臨界傳導模式下(CRI)運行。在臨界電流模式下，根據次級電流Isec降至零電流值，同步整流器導通時間停止，如圖6中的曲線106點劃線所示。在實際運行中，檢測到次級電流Isec的零交叉，利用Isec零交叉檢測，終止同步整流器接通時間。本發明所述的強迫式ZVS時序控制可用於返馳變換器配置非連續傳導模式或臨界傳導模式，這將在下文中詳細介紹。

在每個開關週期開始時，當初級開關接通，初級開關處的汲極電壓處於高電壓值。當帶有高汲極電壓的初級開關接通，返馳變換器受到不必要的功率損耗。因此，返馳變換器中配置的零電壓開關(ZVS)，導致在零汲極電壓下開關瞬變，實現高效率。在本領域中還可使用不同的體系實現TVS。圖6表示在返馳變換器10中配置ZVS的結果。確切地說，當配置ZVS時，在初級開關SW接通前，初級開關SW(節點108)的汲極至源極電壓VDS(SW)降至零伏，如圖6中的點劃圓所示。在這種情況下，可以避免開關瞬變時初級開關處的功率損耗。

在本發明的實施例中，通過檢測次級電流的正電流衝程作為同步整流器關斷觸發器，返馳變換器10配置強迫式零電壓開關(ZVS)時序控制。圖7為時序圖，表示在本發明的實施例中，帶有正電流同步整流器關斷觸發器的強迫式ZVS時序控制中返馳變換器的信號波形。參見圖7，返馳變換器10在非連續傳導模式(DCM)下運行，初級開關接通一段指定的接通時間TON，斷開一段指定的斷開時間TOFF。在DCM模式下，可以配置固定頻率的操作。開關頻率可以固定到一段固定的開關時間TSW。可以利用不同的控制體系控制返馳變換器10，以維持輸出電壓和負載調製。無論使用哪種控制體系，初級開關SW和同步整流器SR都可以配置成一個開關接通，同時另一個開關斷開(曲線102)。初級開關SW和同步整流器SR的傳導週期不重疊。

開關週期(T1)啟動時，初級開關SW接通一段接通時間TON。初級開關Ipri建立(曲線104)，能量儲存在變壓器TR中。同時，沒有次級電流Isec流動(曲線106)，儲存在輸出電容器COUT上的電荷供給負載20。初級開關SW的汲極至源極電壓VDS(SW)(曲線108)，在節點14處，處於或在零伏附近。同時，同步整流器SR(節點15)的次級電壓VSEC(曲線110)，也是同步整流器的汲極至源極電壓VDS(SR)，驅動至與輸入電壓VIN成比例的電壓。

初級開關的接通週期TON過後(T2)，初級開關SW斷開，一段非重疊時間(T2至T3)之後，同步整流器接通。當初級開關斷開時，初級電流Ipri減小，磁通量下降。次級繞組上的電壓反向，使得次級電壓Vsec在點端具有正極性，或在同步整流器(節點15)的汲極處具有負極性。電壓Vsec的負極性導致同步整流器SR的體二極管D2成為正向偏置，流經次級繞組的電流作為次級電流Isec。次級電流Isec增大到峰值電流值。在非重疊時間(T3)快結束時，同步整流器SR接通，傳導次級電流Isec，幫助存儲的能量從變壓器核心轉移到輸出電容器COUT。輸出電容器COUT再次充電，並供給負載20。輸出電容器COUT上的電荷維持輸出電壓VOUT(節點16)。當初級開關SW斷開時，初級開關SW(節點14)的汲極至源極電壓VDS(SW)擺動至高電壓值，電壓箝位電路嵌制高電壓值，以保護初級開關SW。

返馳變換器中配置的控制體系包括一個反饋控制回路，監控輸出電壓VOUT。所用的控制體系控制同步整流器的接通時間或初級開關的斷開時間，以便在不同的負載情況下，將輸出電壓保持在所需的電壓值。在規定的時間內，返馳變換器的初級端或次級端控制器通過斷開同步整流器並接通初級開關，啟動下一個開關週期。確切地說，在DCM運行模式下，在開關週期TSW結束之前，次級電流Isec降至零(T4)。同步整流器SR斷開(T4)，返馳變換器10在初級開關SW和同步整流器SR斷開時(T4至T5)運行。在這期間，初級開關的汲極電壓VDS(SW)波動，同步整流器開關的次級電壓VSEC或汲極電壓VDS(SR)也波動。

在本發明的實施例中，配置強迫式ZVS時序控制在開關週期快結束時再次接通同步整流器SR。返馳變換器在固定頻率DCM下運行，每個開關週期的末尾都是確定性的，可以配置強迫式ZVS時序控制，在每個開關週期結束之前，***同步整流器簡短的接通時間。因此，在T5時，強迫式ZVS時序控制運行，再次接通同步整流器SR一個很短的時間(T5-T6)。同步整流器再次接通(“第二接通時間”)，在次級電流中引入負電流波紋。次級電流中的負電流波紋導致諧振能量建立在變壓器TR中，利用該能量向下驅動初級開關上的汲極電壓。

確切地說，當同步整流器再次接通第二接通時間，次級電流達到零電流值時，由於同步整流器和初級開關上的寄生電容，使得次級電流Isec上形成帶有電流波紋的負電流。參見圖5，初級開關Q1上的寄生電容Coss1和同步整流器開關Q2上的寄生電容Coss2並聯。寄生電容Coss1和Coss2的並聯(Coss1∥Coss2)導致次級電流Isec上形成負電流波紋，如圖7中的曲線106所示。

當同步整流器SR在第二接通時間內接通時，次級電流Isec變為負，負能量儲存在次級繞組上。變壓器上儲存的負能量轉移到初級繞組，導致電流在初級開關中流動，從而驅動初級開關的汲極至源極電壓達到零電壓。在一些示例中，引入的電流流經初級開關的寄生體二極管，在初級開關處放電總電容，從而將汲極電壓將為零伏。

在強迫式ZVS時序控制中，保持同步整流器SR接通的時間決定了ZVS所需的能量。然而，沒有必要保持同步整流器SR的二次接通時間過長，否則會限制返馳變換器的開關頻率。傳統的ZVS方法檢測初級開關汲極電壓，當初級開關汲極電壓等於或低於零電壓時，斷開同步整流器SR。然而，這種方法通常需要使用高電壓元件，傳感初級開關汲極電壓，因此該配置通常成本很高，且不實用。

在本發明所述的強迫式ZVS時序控制下，次級電流上產生的負電流波紋運行諧振，直到諧振電流波紋建立在正電流衝程內為止。更確切地說，當同步整流器SR在T5時間接通時，次級電流Isec驅動至負電流值，由虛線圓112表示。負電流值產生的變壓器中的能量用於將初級開關的汲極電壓VDS(SW)降至零電壓。同時，寄生電容Coss1和Coss2產生次級電流Isec諧振，在次級電流上產生電流波紋或震動。電流波紋或震動的幅度非常大，使得次級電流諧振回到正電流值，如圖中虛線圓114所示。在本發明所述的強迫式ZVS時序控制下，檢測到次級電流的正電流衝程，用於觸發同步整流器SR斷開。同步整流器SR斷開之後，剩餘的次級電流將由同步整流器的體二極管傳導。

更確切地說，本發明所述的強迫式ZVS時序在開關週期快結束時，持續接通同步整流器第二接通時間。由於初級開關和同步整流器開關的寄生電容Coss1和Coss2，導致次級電流諧振。次級電流建立帶有電流波紋的負電流。次級電流上的電流波紋包括負電流衝程和正電流衝程。利用負電流衝程，提供能量驅動初級開關汲極電壓到零，用於零電壓開關。正電流衝程用作觸發器，斷開同步整流器。同步整流器斷開後，控制電路等待斷開時間TOFF過後，接通初級開關，啟動下一個開關週期，初級開關的汲極至源極電壓處於零伏。重複上述操作過程。

在本發明所述的強迫式ZVS時序控制中，同步整流器的第二接通時間不固定，第二接通時間由次級電流上的電流波紋決定，次級電流上的正電流衝程用作觸發器，斷開同步整流器。本發明所述的強迫式時序控制的配置方式，無需高電壓元件即可傳感初級開關處的汲極電壓。反之，次級端控制器傳感次級電流，檢測正電流衝程，觸發同步整流器的第二接通時間結束。在一些實施例中，如圖5所示，返馳變換器10包括一個電流傳感電路，傳感次級電流(圖中沒有表示出)，以及一個正電流檢測電路45，用於在第二接通時間內，產生一個表示正電流衝程檢測的信號。正電流檢測電路45所產生的檢測信號可用於次級端控制器40，產生控制信號VGS2，斷開同步整流器。在一些實施例中，正電流檢測電路45可以配置成一個比較器，比較表示傳感次級電流的信號與檢測正電流值的參考信號。例如，傳感次級電流可以轉換成電壓值VCS_sec，與參考電壓相比較，檢測正電流值。

圖7表示為固定頻率非連續傳導模式下運行的返馳變換器配置強迫式ZVS時序控制。如上所述，強迫式ZVS時序控制可以配置在返馳變換器中，返馳變換器在可變頻臨界傳導模式下運行。在臨界傳導模式下，同步整流器斷開時間由次級電流的零交叉檢測決定。當檢測到次級電流交叉零電流值點時，次級端控制器將產生控制信號，斷開同步整流器。然而，當配置了強迫式ZVS 時序控制時，同步整流器在次級電流的零電流交叉處並不斷開，而是延長一個很短的時間。延長的接通時間與DCM模式下上述第二接通時間的方式一樣，帶有電流波紋的負電流建立在次級電流上，次級電流上的正電流衝程用作觸發器，斷開同步整流器。在本說明中，臨界傳導模式下延遲到接通時間以及非連續傳導模式下第二接通時間，稱為相同的時間，在該時刻，當次級電流達到零電流值時，同步整流器接通。

在上述實施例中，配置強迫式ZVS時序控制，用於初級開關的接通瞬變，也就是說當初級開關接通時，實現初級開關處的零電壓開關。在其他實施例中，可以配置零電壓開關，在初級開關處實現零電壓開關，用於初級開關的斷開瞬變，也就是說當初級開關斷開時。在本發明的實施例中，返馳變換器可以配有零電壓開關，用於初級開關接通瞬變，以及零電壓開關用於初級開關斷開瞬變。圖8(a)至8(c)表示在本發明的可選實施例中，用於初級開關的返馳變換器配置強迫式零電壓開關(ZVS)時序控制的示意圖。圖8(a)-8(c)中除了需要額外的電容器元件配置用於初級開關斷開瞬變的ZVS之外，返馳變換器50a-c的配置方式與圖5所示的返馳變換器10相同。確切地說，返馳變換器50a-c是利用上述強迫式ZVS時序控制，以實現初級零電壓開關，用於初級開關的接通瞬變。圖5和8(a)-(c)中的類似元件將給出參考數字，將不再贅述。首先參見圖8(a)，配置零電壓開關，用於返馳變換器50a中初級開關Q1的斷開瞬變，電容器C11與初級開關Q1並聯耦合。也就是說，連接在節點14(開關Q1的汲極)和18(地)之間。當初級開關Q1接通時，初級開關的汲極至源極電壓Vds處於零電壓。當初級開關Q1斷開時，電容器C11防止汲極至源極電壓Vds不會立即變化。電容器C11在斷開時間內保持汲極至源極Vds處於零電壓，使得初級開關Q1 在汲極至源極電壓Vds變化之前斷開。在這種情況下，實現了初級開關處的零電壓開關斷開。

參見圖8(b)，在其他實施例中，返馳變換器50b配有緩衝電容器Csnb，耦合在變壓器TR的初級端，為初級開關Q1的斷開瞬變配置零電壓開關。也就是說，電容器Csnb連接在節點12(輸入電壓Vin)和節點14(初級開關的汲極端)之間。這樣一來的話，緩衝電容器Csnb用作無損電壓尖峰吸收器，箝位變壓器TR的漏電感產生的電壓。另外，電容器Csnb的作用是確保初級開關Q1處在接通和斷開瞬變時都有零電壓開關。在初級開關接通瞬變時，初級開關接通之前，電容器Csnb中儲存的能量再次循環到輸入電壓節點中。在初級開關斷開瞬變時，電容器Csnb的運行方式與圖8(a)中的電容器C11相同，防止初級開關汲極端(節點14)處的電壓切換過快，從而確保初級開關斷開瞬變時的零電壓開關。

最後，在上述實施例中，返馳變換器50包括電容器C11或電容器Csnb。在其他實施例中，返馳變換器可以使用電容器C11和電容器Csnb一起配置。參見圖8(c)，返馳變換器50c是使用電容器C11和電容器Csnb一起製成的。電容器C11和Csnb的運行方式與上述內容相同，以確保至少在初級開關Q1斷開瞬變時的零電壓開關。

在圖8(a)至8(c)所示的實施例中，配置返馳變換器50a-c是使用初級開關瞬變時零電壓開關的強迫式ZVS時序控制體系，以及初級開關斷開瞬變時零電壓開關的電容器C11或Csnb(或兩者都有)。在本發明的其他實施例中，配置返馳變換器可以使用初級開關接通瞬變的其他任意零電壓開關體系，以及用於初級開關斷開瞬變的零電壓開關的電容器C11或Csnb(或兩者都有)。圖9表示在本發明的實施例中，用於初級開關斷開瞬變的零電壓開關(ZVS)的返馳變換器的示意圖。參見圖9，返馳變換器60的配置方式與圖8(a)-8(c)所示的返馳變換器50a-c的方式相同，但是沒有正電流檢測電路，用於配置上述初級開關接通瞬變的強迫式ZVS時序控制體系。反之，返馳變換器60可以使用目前已知或正要研發的任意其他的零電壓開關體系配置，以實現初級開關接通瞬變的零電壓開關。例如，返馳變換器60可以配置上述Zhang論文中提到的變頻(VF)ZVS DCM體系，以實現初級開關接通瞬變的零電壓開關。

同時，製成的返馳變換器60帶有電容器C11，與初級開關Q1耦合並聯。電容器C11在斷開瞬變時將汲極至源極電壓Vds保持在零電壓，允許在汲極至源極電壓Vds變化之前，斷開初級開關Q1。在這種情況下，實現了初級開關處的ZVS斷開。在本實施例中，返馳變換器60還具有緩衝的電容器Csnb，耦合在變壓器TR的初級端。電容器Csnb的作用是確保初級開關Q1在接通和斷開瞬變時的零電壓開關。在初級開關接通瞬變時，在初級開關接通之前，電容器Csnb中儲存的能量循環到輸入電壓節點中。在初級開關斷開瞬變時，電容器Csnb的運行方式與電容器C11的方式相同，防止初級開關汲極端(節點14)處的電壓切換過快，從而確保初級開關斷開瞬變處的零電壓開關。

在圖9中，返馳變換器60包括的電容器C11和Csnb。在本發明的其他實施例中，返馳變換器60可以僅使用電容器C11或僅使用電容器Csnb製成，以實現至少對初級開關的斷開瞬變，在初級開關處的零電壓開關。圖9所示的使用電容器C11和電容器Csnb僅用於解釋說明，不用於局限。

如上所述，帶有初級開關和同步整流器的返馳變換器，在一個開關週期內交替接通和斷開。控制器產生時間信號，同步初級開關和同步整流器的切換。例如，當同步整流器斷開時，初級端控制器必須接到通知，從而接通初級開關。在傳統的返馳變換器中，使用光電耦合器或隔離變壓器控制時間信號。然而，這些電路元件非常昂貴，而且佔用大量的電路區域。

在本發明的實施例中，返馳變換器實現了自動同步方法用於控制時間信號。在強迫式ZVS運行中，同步整流器接通一段第二接通時間，然後斷開。當同步整流器在第二接通時間斷開時，次級電流轉移到初級變壓器繞組，使得初級電流自由跨過初級開關Q1的體二極管D1。本發明所述的自動同步方法傳感初級電流，在啟動同步整流器的第二接通時間之後，檢測續流電流。在啟動同步整流器的第二接通時間之後，檢測續流電流時，自動同步方法產生一個電流傳感信號，表示同步整流器斷開。初級端控制器可以將電流傳感信號用作控制時間信號，為下一個開關週期接通初級開關。在一些實施例中，通過傳感特定閾值以上的電流值，傳感續流電流。

在本發明的可選實施例中，返馳變換器在變壓器的初級端，配置輸出電壓傳感。確切地說，在強迫式ZVS運行中，同步整流器接通一段第二接通時間，然後斷開。當同步整流器在第二接通時間接通時，初級變壓器上的電壓閉鎖輸出電壓Vout。因此，初級端控制器可以在同步整流器的第二接通時間內對變壓器初級繞組上的電壓進行採樣，作為輸出電壓的指示，並且利用採樣的電壓值，控制初級開關的工作週期。本發明所述的輸出電壓傳感方法對於電壓模式控制極其有用，可以在返馳變換器輸出端保持穩定的輸出電壓。

圖10表示在本發明的實施例中，帶有正電流同步整流器關斷觸發器的強迫式ZVS時間控制方法的流程圖。強迫式ZVS方法可以配置在返馳變換器中，例如圖5和8所示的返馳變換器10和50。參見圖10，強迫式ZVS方法200通過接通初級開關(202)，啟動開關週期。方法200在接通時間TON(204)之後，斷開初級開關。方法200在非重疊間隙時間(206)之後，接通同步整流器。方法200傳感次級電流，根據次級電流達到零電流值，方法200斷開同步整流器(208)。方法200繼續監控輸出電壓，返馳變換器在非連續傳導模式(210)下運行。方法傳感輸出電壓VOUT，以確定何時輸出電壓VOUT小於參考電壓VREF(212)。當輸出電壓VOUT等於或小於參考電壓VREF時，方法200接通同步整流器第二接通時間，並繼續監控次級電流(214)。當次級電流具有正電流值(216)時，方法200進行檢測。根據次級電流具有正電流值，方法200斷開同步整流器(218)。方法200等待初級開關(220)的斷開時間結束，下一個開關週期重複，方法200在202處重複，接通初級開關。

圖11表示在本發明的一個可選實施例中，帶有正電流同步整流器關斷觸發器的強迫式ZVS時間控制方法的流程圖。確切地說，圖11表示在本發明的實施例中，在強迫式ZVS時間控制方法中使用自動同步方法。參見圖11，強迫式ZVS方法250通過接通初級開關(252)，啟動開關週期。方法250在接通時間TON(254)之後斷開初級開關。方法250在非重疊間隙時間(256)之後，接通同步整流器。方法250傳感次級電流，根據次級電流達到零電流值，方法250斷開同步整流器(258)。方法250繼續監控輸出電壓，返馳變換器在非連續傳導模式下(260)運行。該方法傳感輸出電壓VOUT，以確定當輸出電壓VOUT小於參考電壓VREF時，方法250接通同步整流器第二接通時間，並繼續監控次級電流(264)。當次級電流具有正電流值(266)時，方法250進行檢測。根據次級電流具有正電流值，方法250斷開同步整流器(268)。方法250傳感初級電流，檢測初級電流值高於指定的閾值，表示同步整流器已經斷開(270)。根據傳感的初級電流高於指定的閾值，方法250在252處重複，為下一個開關週期接通初級開關。

圖12表示在本發明的一個可選實施例中，帶有正電流同步整流器關斷觸發器的強迫式ZVS時間控制方法的流程圖。強迫式ZVS方法可以在返馳變換器中配置，例如圖5和8所示的返馳變換器10和50。參見圖12，強迫式ZVS方法300通過接通初級開關(302)，啟動開關週期。方法300在接通時間TON(304)之後，斷開初級開關。方法300在非重疊間隙時間(306)之後，接通同步整流器。方法300檢測次級電流達到零電流值，返馳變換器在臨界傳導模式(308)下運行。方法300保持同步整流器接通第二接通時間，並繼續監控次級電流(310)。當次級電流具有正電流值(312)時，方法300進行檢測。根據次級電流具有正電流值，方法300斷開同步整流器(314)。方法300傳感初級電流，檢測初級電流值高於指定的閾值，表示同步整流器斷開(316)。根據傳感的初級電流高於指定的閾值，方法300在302處重複，為下一個開關週期接通初級開關。

在圖12所示的實施例中配置了自動同步。在其他實施例中，強迫式ZVS時間控制方法可用於臨界傳導模式下的返馳變換器，無需使用自動同步方法。

雖然為了表述清楚，以上內容對實施例進行了詳細介紹，但是本發明並不局限於上述細節。實施本發明還有許多可選方案。文中的實施例僅用於解釋說明，不用於局限。

Claims

一種用於主開關切換轉換的零電壓開關式返馳變換器，係包括：一個變壓器，具有接收輸入電壓的初級繞組以及提供輸出電壓的次級繞組；一個初級開關，耦合到初級繞組；一個同步整流器，耦合到次級繞組；一個輸出電容器，跨過次級繞組和同步整流器耦合；一個控制器，耦合產生控制信號，驅動初級開關和同步整流器；以及一個第一電容器，跨過初級開關耦合，其中控制器產生控制信號，在一個開關週期內，交替接通和斷開初級開關與同步整流器，並且其中根據跨過初級開關耦合的第一電容器，在初級開關的零電壓下，斷開初級開關，配置一個正電流檢測電路，傳感次級繞組中流動的次級電流，根據檢測到具有正電流值的次級電流，產生檢測信號，其中控制器產生控制信號，在開關週期內，根據檢測達到零電流值的次級電流，使同步整流器接通第二接通時間，正電流檢測電路在第二接通時間內傳感次級電流，根據檢測到具有正電流值的次級電流，產生檢測信號，並且根據檢測信號，在開關週期內斷開同步整流器，第二電容器，跨過變壓器的初級繞組耦合，其中根據跨過初級繞組耦合的第二電容器，初級開關在跨過初級開關的零電壓下斷開。
如請求項第1項所述之返馳變換器，其中控制器在非連續傳導模式下運行返馳變換器，控制器產生控制信號，根據檢測達到零電流值的次級電流，斷開同步整流器，控制器繼續監控輸出電壓，根據等於或小於參考電壓的輸出電壓，控制器產生控制信號，在開關週期內使同步整流器接通第二接通時間。
如請求項第1項所述之返馳變換器，其中控制器在臨界傳導模式下運行返馳變換器，控制器產生控制信號，在開關週期內，根據檢測達到零電流值的次級電流，將同步整流器的接通時間延長第二接通時間。
如請求項第1項所述之返馳變換器，其中根據初級開關的斷開時間的截止，通過重新接通初級開關，啟動下一個開關週期，初級開關在開關的零電壓下接通。
如請求項第1項所述之返馳變換器，其中根據同步整流器接通第二接通時間，控制器傳感初級電流，根據超過閾值的初級電流，通過重新接通初級開關，啟動下一個開關週期。
如請求項第1項所述之返馳變換器，其中控制器產生控制信號，使初級開關接通一段固定的接通時間。
一種用於主開關切換轉換的零電壓開關式返馳變換器，係包括：一個變壓器，具有接收輸入電壓的初級繞組以及提供輸出電壓的次級繞組；一個初級開關，耦合到初級繞組；一個同步整流器，耦合到次級繞組；一個輸出電容器，跨過次級繞組和同步整流器耦合；一個控制器，耦合產生控制信號，驅動初級開關和同步整流器；以及一個第一電容器，跨過初級開關耦合，其中控制器產生控制信號，在一個開關週期內，交替接通和斷開初級開關與同步整流器，並且其中根據跨過初級開關耦合的第一電容器，在初級開關的零電壓下，接通和斷開初級開關，配置一個正電流檢測電路，傳感次級繞組中流動的次級電流，根據檢測到具有正電流值的次級電流，產生檢測信號，其中控制器產生控制信號，在開關週期內，根據檢測達到零電流值的次級電流，使同步整流器接通第二接通時間，正電流檢測電路在第二接通時間內傳感次級電流，根據檢測到具有正電流值的次級電流，產生檢測信號，並且根據檢測信號，在開關週期內斷開同步整流器，第二電容器，跨過變壓器的初級繞組耦合，其中根據跨過初級繞組耦合的第二電容器，初級開關在跨過初級開關的零電壓下斷開。
如請求項第7項所述之返馳變換器，其中控制器在非連續傳導模式下運行返馳變換器，控制器產生控制信號，根據檢測達到零電流值的次級電流，斷開同步整流器，控制器繼續監控輸出電壓，根據等於或小於參考電壓的輸出電壓，控制器產生控制信號，在開關週期內使同步整流器接通第二接通時間。
如請求項第7項所述之返馳變換器，其中控制器在臨界傳導模式下運行返馳變換器，控制器產生控制信號，在開關週期內，根據檢測達到零電流值的次級電流，將同步整流器的接通時間延長到第二接通時間。
如請求項第7項所述之返馳變換器，其中根據初級開關的斷開時間的截止時間，通過重新接通初級開關，啟動下一個開關週期，初級開關在開關的零電壓下接通。
如請求項第7項所述之返馳變換器，其中根據同步整流器接通第二接通時間，控制器傳感初級電流，根據超過閾值的初級電流，通過重新接通初級開關，啟動下一個開關週期。
如請求項第7項所述之返馳變換器，其中控制器產生控制信號，使初級開關接通一段固定的接通時間。