零電壓切換檢測裝置和方法與流程

2024-03-06 16:51:15

相關申請案交叉申請

本申請要求2014年11月19日遞交的發明名稱為「零電壓切換檢測裝置和方法(zerovoltageswitchingdetectionapparatusandmethod)」的第14/548,106號美國專利申請案的在線申請優先權。

本發明涉及一種dc/dc轉換器，具體而言，涉及一種用於dc/dc轉換器的零電壓切換檢測裝置。

背景技術：

電信網絡電源系統通常包括ac-dc階段，將電力從ac公用設施管線轉換到48vdc配電總線，以及dc-dc階段，將48vdc配電總線轉換為所有類型的電信負載的多個電壓電平。這兩個階段都可包括隔離型dc-dc轉換器。可以使用不同的功率拓撲，例如回掃轉換器、正向轉換器、半橋轉換器、全橋轉換器、llc諧振轉換器等，來實施隔離型dc-dc轉換器。

隨著技術的進一步發展，總線轉換器已廣泛應用於電信產業。總線電壓可劃分為三類：從48v輸入dc電源轉換的12v總線電壓，從380v輸入dc電源轉換的48v總線電壓，以及從380v輸入dc電源轉換的12v總線電壓。總線轉換器不僅將輸入電壓從高電平轉換到低電平，而且還通過磁性設備，例如變壓器和/或類似設備，提供隔離。

中間總線電壓，例如12v，可用作多個下行非隔離型功率轉換器的輸入電源總線。下行非隔離型功率轉換器可實施為降壓轉換器等降壓dc/dc轉換器、升壓轉換器等升壓dc/dc轉換器、線性調節器、它們的任意組合。下行非隔離型功率轉換器在緊密控制迴路下運作，以便充分調節的輸出電壓進入它們的相應負載。

技術實現要素：

本發明優選實施例提供了一種用於實現高效非隔離型功率轉換器的系統、裝置和方法，從而大體上解決或規避了這些和其它問題並大體上實現了技術上的優點。

根據一項實施例，一種轉換器包括：耦合到電源的交換網絡，其中所述交換網絡包括多個電源開關；耦合到所述交換網絡的磁性設備；通過磁耦合來耦合到所述磁性設備的檢測器；以及控制電路，所述控制電路用於從所述檢測器接收零電壓切換信號並基於所述零電壓切換信號調整所述電源開關的柵極驅動信號。

根據另一項實施例，一種方法包括提供功率轉換器，其中所述功率轉換器包括耦合到交換網絡的電感器、通過磁耦合來耦合到所述電感器的檢測器以及耦合在所述檢測器與所述交換網絡之間的控制電路。

所述方法還包括檢測指示所述交換網絡的電源開關的軟切換過程的信號，以及在所述信號的幅度小於預定閾值之後打開所述電源開關。

根據再一項實施例，一種方法包括提供dc/dc轉換器，其中所述dc/dc轉換器包括：耦合到電源的交換網絡，其中所述交換網絡包括多個電源開關；耦合到所述交換網絡的磁性設備；耦合到所述磁性設備的檢測器；以及耦合在所述檢測器與所述交換網絡之間的控制電路。

所述方法還包括檢測指示所述dc/dc轉換器的電源開關的零電壓切換過程的信號，以及在指示所述零電壓切換過程的所述信號降到預定閾值以下後，通過所述控制電路打開所述電源開關。

本發明的一項優選實施例的優勢在於，可通過零電壓轉換打開電源開關，從而提高dc/dc轉換器的效率。零電壓轉換通過以下方式實現：通過零電壓切換檢測器與dc/dc轉換器的電感器之間的磁耦合檢測通過電源開關的電壓。

上述內容簡要地列出了本發明的特徵和技術優點，以便能更好地理解下文對本發明的詳細描述。下文中將描述本發明的其它特徵和優點，其形成本發明的權利要求書的標的物。本領域技術人員應理解，所述概念和具體實施例可方便地作為改進或設計用於執行與本發明相同的目的的其它結構或過程的基礎。本領域技術人員也應該認識到，這類等同結構沒有偏離所附權利要求中闡述的本發明的精神和範圍。

附圖說明

為了更完整地理解本發明及其優點，現在參考下文結合附圖進行的描述，其中：

圖1示出了根據本發明各種實施例的具有零電壓切換(zerovoltageswitching，zvs)檢測裝置的功率轉換器的方框圖；

圖2示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的檢測器的示意圖；

圖3示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的功率轉換器的第一實施方式；

圖4示出了根據本發明各種實施例的圖3所示的功率轉換器的各種波形；

圖5示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的功率轉換器的第二實施方式；

圖6示出了根據本發明各種實施例的圖5所示的功率轉換器的各種波形；

圖7示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的功率轉換器的第三實施方式；

圖8示出了根據本發明各種實施例的圖7所示的功率轉換器的第一組波形；

圖9示出了根據本發明各種實施例的圖7所示的功率轉換器的第二組波形；

圖10示出了根據本發明各種實施例的圖7所示的功率轉換器的第三組波形。

除非另有指示，否則不同圖中的對應標號和符號通常指代對應部分。繪製各圖是為了清楚地說明實施例的相關方面，因此未必是按比例繪製的。

具體實施方式

下文將詳細論述當前優選實施例的製作和使用。然而，應了解，本發明提供可在各種具體上下文中體現的許多適用的發明性概念。所論述的具體實施例僅僅說明用以實施和使用本發明的具體方式，而不限制本發明的範圍。

本發明將參考具體上下文中的優選實施例進行描述，該具體上下文即用於高效非隔離型dc/dc轉換器的零電壓切換檢測器。然而，本發明還可用於各種dc/dc轉換器，包括降壓dc/dc轉換器、升壓dc/dc轉換器、升降壓dc/dc轉換器、回掃轉換器、正向轉換器、半橋轉換器、全橋轉換器、它們的任意組合，等等。以下將結合附圖詳細說明各實施例。

圖1示出了根據本發明各種實施例的具有零電壓切換(zerovoltageswitching，zvs)檢測裝置的功率轉換器的方框圖。功率轉換器100可包括輸入dc電源101、交換網絡102、磁性設備106、輸出濾波器108、負載110、檢測器104和控制電路105。如圖1所示，交換網絡102、磁性設備106和輸出濾波器108在輸入dc電源101與負載110之間串聯連接。

在一些實施例中，交換網絡102、磁性設備106和輸出濾波器108可構成功率轉換器100的功率級120。根據一些實施例，功率級120可為降壓dc/dc轉換器。圖1中的方框圖僅為示例，其不應過度限制權利要求的範圍。本領域普通技術人員將認識到許多變體、替代物和修改。例如，當功率轉換器100是升壓dc/dc轉換器時，交換網絡102可位於磁性設備106右邊。此外，當功率轉換器100是降壓dc/dc轉換器時，磁性設備106的相對邊上可存在兩個交換網絡(未示出)。升壓dc/dc轉換器和升降壓dc/dc轉換器的詳細系統配置將在下文結合圖5和圖7分別描述。

檢測器104通過磁耦合來耦合到磁性設備106。在一些實施例中，將磁耦合實施為信號變壓器(未示出)。該信號變壓器的原邊是功率轉換器100的電感器。磁耦合的詳細實施方式將在下文結合圖3、圖5和圖7描述。

圖1還示出了耦合在檢測器104與交換網絡102之間的控制電路105。在一些實施例中，控制電路105可包括數字控制器，該數字控制器能夠處理來自檢測器104的檢測到的信號。此外，控制電路105可包括脈寬調製(pulsewidthmodulation，pwm)發生器和至少一個柵極驅動器。pwm發生器和柵極驅動器的工作原理和結構眾所周知，因此，本文不再論述，以避免重複。

如圖1所示，檢測器104檢測來自功率級120的信號。檢測到的信號可包括指示通過功率轉換器100的電源開關的電壓是否約等於零的信號。在一些實施例中，在打開電源開關之前，通過電源開關的電壓可能降至約零。換言之，電源開關已準備好從關閉狀態到打開狀態的零電壓轉換。檢測器104可通過磁耦合檢測通過電源開關的電壓變化。在一些實施例中，檢測器104向控制電路105發送檢測到的信號。控制電路105將檢測到的信號與預定閾值進行比較。如果檢測到的信號的幅度降到閾值以下，則控制電路105可相應地打開電源開關。因此，功率轉換器100可通過零電壓切換實現更高的效率。

應注意的是，控制電路105可基於檢測到的信號以及各種延遲確定電源開關的打開時間。例如，可能有來自檢測器104的檢測電路延遲和來自控制電路105的驅動器延遲。為了實現更好的zvs過程，控制電路105可考慮這兩種時延，相應地確定合適的打開時間。

具有圖1所示的檢測器104的一個有利特徵在於，檢測器104和控制電路105可基於來自檢測器104的實時檢測到的信號打開功率轉換器100的電源開關。因此，功率轉換器100能夠動態調整電源開關的打開時間，使得功率轉換器100可以通過零電壓切換實現更高的效率。

圖2示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的檢測器的示意圖。檢測器104通過信號變壓器t1耦合到磁性設備106。在一些實施例中，信號變壓器t1的原邊是功率轉換器100的電感器l1。信號變壓器t1的副邊l2耦合到檢測器104。

檢測器104包括第一電容器c1、第二電容器c2、二極體d1、電阻器r1和分壓器。如圖2所示，第一電容器c1具有連接到信號變壓器t1的副邊的第一端子。二極體d1和電阻器r1串聯連接並且進一步耦合到第一電容器c1的第二端子。分壓器由電阻器r2和r3構成。分壓器耦合到第一電容器c1的第二端子。第二電容器c2和電阻器r3並聯連接，如圖2所示。

第一電容器c1可用作隔直電容器。二極體d1可用作整流器。電阻器r1用於限制流經二極體d1的電流。第二電容器c2可用作濾波器以削弱不要的噪聲。分壓器用於將檢測到的信號縮減到適合於控制電路105的電平。

在一些實施例中，c1的電容等於100pf。r1的電阻等於1kohm。c2的電容等於1nf。r2的電阻等於10kohm。r3的電阻等於2kohm。應注意的是，上文給出的值僅出於示例目的而選擇，並非旨在將本發明的各種實施例限制為任何特定值。本領域技術人員將認識到，根據不同應用和設計需要，可將上文列舉的電阻和電容改變為不同的值。

圖2所示的檢測器104的一個有利特徵在於，檢測器104能夠通過由信號變壓器t1構成的磁耦合來檢測指示電源開關的零電壓轉換的信號。這一信號有助於功率轉換器100實現零電壓切換。電源開關的軟切換操作有助於功率轉換器100實現更高的效率。

應理解的是，圖2所示的方框圖僅為示例，其不應過度限制權利要求的範圍。本領域普通技術人員將認識到許多變體、替代物和修改。

圖3示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的功率轉換器的第一實施方式。如圖3所示，功率轉換器300是降壓dc/dc轉換器。降壓dc/dc轉換器包括高邊開關q1、低邊開關q2和電感器l1。電感器l1是信號變壓器t1的原邊。如圖3所示，t1的變比是n:1。輔助l2耦合到檢測器104。

根據降壓dc/dc轉換器的工作原理，高邊開關q1和低邊開關q2在補充模式下運作。高邊開關q1的傳導時間與降壓dc/dc轉換器的切換周期的比率稱為降壓dc/dc轉換器的佔空比。佔空比由pwm控制器(例如控制電路105)和/或類似設備設置。為了將輸出電壓維持在預定電壓，當輸出電壓降到預定電壓以下時，打開高邊開關q1並關閉低邊開關q2，使得輸出電容器co從通過打開的高邊開關q1的輸入以及輸出電感器l1來充電。另一方面，當輸出電壓超過預定電壓時，pwm控制器關閉高邊開關q1並打開低邊開關q2，使得輸出電壓通過打開的低邊開關q2和輸出電感器l1放電到接地。因此，耦合到降壓dc/dc轉換器的電子電路(例如圖1所示的負載110)可以在負載和溫度波動的情況下接收恆定的輸出電壓。

在降壓dc/dc轉換器的穩態運作中，檢測器104有助於高邊開關q1實現零電壓切換。第一電容器c1用作隔直電容器。通過第一電容器c1的電壓可通過以下等式給出：

在關閉低邊開關q2之前，通過信號變壓器t1的副邊的電壓通過以下等式給出：

分壓器的輸入處的電壓等於vc1與v2之和。因此，檢測器104的輸出可以表示為：

在關閉低邊開關q2之後且打開高邊開關q1之前，通過高邊開關q1的電壓可能降至約等於零的電平。因此，通過信號變壓器t1的副邊的電壓通過以下等式給出：

通過電容器c1的電壓可保持在等式(1)所示的電平。所以，檢測器的輸出處的電壓可能降至約等於零的電平。因此，可通過檢測器104的輸出處的電壓下降來檢測高邊開關q1的零電壓切換。降壓dc/dc轉換器的詳細波形和檢測器104的工作原理將在下文結合圖4詳細描述。

圖4示出了根據本發明各種實施例的圖3所示的功率轉換器的各種波形。圖4的橫軸代表時間間隔。橫軸的單元是微秒。可存在四個縱軸。第一縱軸y1代表流經圖3所示的功率轉換器300的電感器l1的電流。第二縱軸y2代表通過高邊開關q1的電壓。第三縱軸q3代表高邊開關q1和低邊開關q2的柵極驅動信號。第四縱軸y4代表檢測器104的輸出處的電壓。

在時間t1，打開低邊開關q2並關閉高邊開關q1。流入電感器l1的電流達到其峰值。因為高邊開關q1被關閉，所以通過高邊開關q1的電壓約等於功率轉換器100的輸入電壓。根據上述等式(3)，檢測器104的輸出處的電壓可等於vin/k。

在時間t2，關閉低邊開關q2。在高邊開關q1被打開之前，功率轉換100的電流可流經低邊開關q2的體二極體。如圖4所示，通過高邊開關q1的電壓在時間t2開始下降並在時間t4達到約等於零的電平。通過高邊開關q1的電壓下降的結果是，檢測器104的輸出在時間t4從vin/k降至約零。在時間t4，通過高邊開關q1的電壓約等於零。換言之，在時間t4，高邊開關q1作好了零電壓轉換的準備。

為了在零電壓應力或接近零的電壓應力下打開高邊開關q1，基於設計需要選擇預定閾值vth。在一些實施例中，閾值vth在約0.5v到約1v的範圍中。如圖4所示，在時間3t，檢測器104的輸出電壓達到閾值vth。控制電路105從檢測器104接收檢測到的信號並將檢測到的信號與預定閾值vth進行比較。在時間t3，檢測到的信號的幅度等於閾值。控制電路105可相應地打開高邊開關q1。因此，功率轉換器100可通過高邊開關q1的零電壓切換實現更高的效率。

圖5示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的功率轉換器的第二實施方式。圖5所示的功率轉換器500與圖3所示的功率轉換器300類似，除了功率級120是升壓dc/dc轉換器。升壓dc/dc轉換器包括高邊開關q3、低邊開關q4和電感器l1。在一些實施例中，高邊開關q3和低邊開關q4在補充模式下運作。升壓轉換器的工作原理眾所周知，因此本文不再詳細論述。

通過使用上文結合圖3描述的相同電路分析方法，在高邊開關q3被關閉之前，檢測器104的輸出可表示為：

在關閉高邊開關q3之後且打開低邊開關q4之前，可通過檢測器104的輸出處的電壓下降來檢測低邊開關q4的零電壓切換。升壓dc/dc轉換器的詳細波形和檢測器104的工作原理將在下文結合圖6描述。

圖6示出了根據本發明各種實施例的圖5所示的功率轉換器的各種波形。圖6的橫軸代表時間間隔。橫軸的單元是微秒。可存在四個縱軸。第一縱軸y1代表流經圖5所示的功率轉換器500的電感器l1的電流。第二縱軸y2代表通過低邊開關q4的電壓。第三縱軸q3代表高邊開關q3和低邊開關q4的柵極驅動信號。第四縱軸y4代表檢測器104的輸出處的電壓。

在時間t1，打開高邊開關q3並關閉低邊開關q4。因為高邊開關q3被打開，所以通過低邊開關q4的電壓約等於功率轉換器100的輸出電壓。根據上述等式(5)，檢測器104的輸出處的電壓可等於vo/k。

在時間t2，關閉高邊開關q3。在低邊開關q4被打開之前，功率轉換100的電流可流經高邊開關q3的體二極體。如圖6所示，通過低邊開關q4的電壓在時間t2開始下降並在時間t4達到約等於零的電平。通過低邊開關q4的電壓下降的結果是，檢測器104的輸出在時間t4從vo/k降至約零。在時間t4，通過低邊開關q4的電壓約等於零。換言之，低邊開關q4作好了零電壓轉換的準備。

為了在零電壓應力或接近零的電壓應力下打開低邊開關q4，基於設計需要選擇預定閾值vth。在一些實施例中，閾值vth在約0.5v到約1v的範圍中。如圖6所示，在時間3t，檢測器104的輸出電壓達到閾值。控制電路105從檢測器104接收檢測到的信號並將檢測到的信號與預定閾值vth進行比較。在時間t3，檢測到的信號的幅度等於閾值vth。控制電路105可相應地打開低邊開關q4。因此，功率轉換器500可通過低邊開關q4的零電壓切換實現更高的效率。

圖7示出了根據本發明各種實施例的圖1所示的功率轉換器的第三實施方式。圖7所示的功率轉換器700與圖3所示的功率轉換器300類似，除了功率級120是升降壓dc/dc轉換器。

升降壓dc/dc轉換器包括第一高邊開關q1、第一低邊開關q2、第二高邊開關q3、第二低邊開關q4和電感器l1。在一些實施例中，升降壓dc/dc轉換器可包括兩種運作模式，也就是降壓運作模式和升壓運作模式。在降壓運作模式下，開關q1和q2是有源開關。另一方面，在升壓運作模式下，開關q3和q4是有源開關。在替代性實施例中，升降壓dc/dc轉換器可包括一種運作模式。所有開關q1、q2、q3、q4都是有源開關。這兩種類型的升降壓dc/dc轉換器眾所周知，因此本文不再詳細論述升壓轉換器的工作原理。

通過使用上文結合圖3描述的相同方法，在關閉第二低邊開關q4之後且關閉第一高邊開關q1之前，檢測器104的輸出可表示為：

此外，在關閉第一高邊開關q1之後，檢測器104的輸出可表示為：

如等式(6)和(7)所示，檢測器104的輸出可具有兩個電壓電平。可通過檢測器104的輸出處的電壓下降來檢測第二低邊開關q4的零電壓切換。升降壓dc/dc轉換器的詳細波形和檢測器104的工作原理將在下文結合圖8至圖10描述。

圖8示出了根據本發明各種實施例的圖7所示的功率轉換器的第一組波形。當功率轉換器700的輸入電壓大於功率轉換器700的輸出電壓時，獲得圖7中的波形。

圖8的橫軸代表時間間隔。橫軸的單元是微秒。可存在五個縱軸。第一縱軸y1代表第二低邊開關q4的柵極驅動信號。第二縱軸y2代表第一高邊開關q1的柵極驅動信號。第三縱軸y3代表流經圖7所示的功率轉換器700的電感器l1的電流。第四縱軸y4代表通過第二低邊開關q4的電壓。第五縱軸y5代表檢測器104的輸出處的電壓。

在時間t0，關閉第二低邊開關q4。因為第二高邊開關q3被打開，所以通過第二低邊開關q4的電壓約等於功率轉換器700的輸出電壓。根據上述等式(6)，檢測器104的輸出處的電壓可等於vo/k。

在時間t1，關閉第一高邊開關q1。因為第二高邊開關q3仍然打開，所以通過第二低邊開關q4的電壓約等於功率轉換器700的輸出電壓。根據上述等式(7)，檢測器104的輸出處的電壓可等於(vin+vo)/k。

通過第二低邊開關q4的電壓在時間t2開始下降並在時間t4達到約等於零的電平。通過第二低邊開關q4的電壓下降的結果是，檢測器104的輸出在時間t4從(vin+vo)/k降至約零。在時間t4，通過第二低邊開關q4的電壓約等於零。換言之，第二低邊開關q4作好了零電壓轉換的準備。

為了在零電壓應力或接近零的電壓應力下打開第二低邊開關q4，基於設計需要選擇預定閾值vth。在一些實施例中，閾值vth在約0.5v到約1v的範圍中。如圖8所示，在時間3t，檢測器104的輸出電壓達到閾值。控制電路105從檢測器104接收檢測到的信號並將檢測到的信號與預定閾值進行比較。在時間t3，檢測到的信號的幅度等於閾值。控制電路105可相應地打開第二低邊開關q4和第一高邊開關q1。因此，功率轉換器700可通過零電壓切換實現更高的效率。

圖9示出了根據本發明各種實施例的圖7所示的功率轉換器的第二組波形。當功率轉換器700的輸入電壓等於功率轉換器700的輸出電壓時，得到圖9所示的波形。波形以及檢測器104的工作原理與圖8所示的那些類似，因此本文不再論述，以避免重複。

圖10示出了根據本發明各種實施例的圖7所示的功率轉換器的第三組波形。當功率轉換器700的輸出電壓大於功率轉換器700的輸入電壓時，得到圖10所示的波形。波形以及檢測器104的工作原理與圖8所示的那些類似，因此本文不再論述，以避免重複。

在一項實施例中，公開了用於轉換器的構件，該轉換器包括耦合到電源的交換網絡。交換網絡包括：用於多個電源開關的構件；用於磁性設備的構件，其中磁性設備耦合到交換網絡；用於檢測器的構件，其中檢測器通過磁耦合來耦合到磁性設備；以及用於控制電路的構件，其中控制電路用於從檢測器接收零電壓切換信號並基於零電壓切換信號調整電源開關的柵極驅動信號。

在另一項實施例中，公開了一種用於功率轉換器構件的方法，該功率轉換器構件包括耦合到交換網絡的電感器構件、通過磁耦合來耦合到電感器的檢測器構件以及耦合在檢測器與交換網絡之間的控制電路構件。該方法還包括檢測指示交換網絡的電源開關的軟切換過程的信號，以及在信號的幅度小於預定閾值之後打開電源開關。

在再一項實施例中，公開了一種涉及提供dc/dc轉換器的方法，其中dc/dc轉換器包括：耦合到電源的交換網絡構件，其中交換網絡包括多個電源開關；耦合到交換網絡的磁性設備構件；耦合到磁性設備的檢測器構件；以及耦合在檢測器與交換網絡之間的控制電路構件。該方法還包括檢測指示dc/dc轉換器的電源開關的零電壓切換過程的信號，以及在指示零電壓切換過程的信號降到預定閾值以下後，通過控制電路打開電源開關。

雖然已詳細地描述了本發明的實施例及其優點，但是應理解，可以在不脫離如所附權利要求書所界定的本發明的精神和範圍的情況下對本發明做出各種改變、替代和更改。

此外，本發明的範圍並不局限於說明書中所述的過程、機器、製造、物質組分、構件、方法和步驟的具體實施例。所屬領域的一般技術人員可從本發明中輕易地了解，可根據本發明使用現有的或即將開發出的，具有與本文所描述的相應實施例實質相同的功能，或能夠取得與所述實施例實質相同的結果的過程、機器、製造、物質組分、構件、方法或步驟。相應地，所附權利要求範圍包括這些流程、機器、製造、物質組分、構件、方法及步驟。