开关模式功率转换的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求于2014年2月14日提交的美国临时申请号61/940, 100的权益，该申 请据此通过引用全文结合于此。
技术领域
[0002] 本公开涉及一种开关模式功率转换器、一种被配置为操作开关模式功率转换器的 方法以及一种存储计算机可执行指令的计算机可读存储设备，该计算机可执行指令响应于 执行而使包括处理器的开关模式功率转换器进行工作。
【背景技术】
[0003] 每当开关模式功率转换器中诸如晶体管之类的开关开启或关断时，耗散与所开关 的电流和电压成比例的能量。与开关操作相关联的功率损失被称作开关损失，其表示功率 消散的重要来源并且因此是常规开关模式功率转换器中低效的重要来源。除了增加开关损 失之外，开关变换时大的电压和/或电流的变化率（即，dv/dt和/或di/dt)增加了对开 关的压力以及由开关产生的电磁干扰（EMI)量。已经研发了一些开关方案，其利用开关模 式功率转换器中的谐振以在施加到开关的电压处于被称作谷值的局部最小值时开启开关。 这样的开关方案因此通常被称作谷值模式开关方案。
【发明内容】
[0004] 一种方法，被配置为对开关模式功率转换器进行操作，其中功率转换器可操作为 以功率转换器中的开关元件的可变开关频率将输入电压转换为输出电压，该方法包括：定 义最小开关频率阈值和最大开关频率阈值中的至少一个；当开关元件处于关断状态时，检 测开关元件上的电压中出现的谷值；以及在准谐振模式中，当出现第n个连续谷值时开启 开关元件（n是大于或等于1的整数）以使得实际开关频率为以下各项中的至少一项：低于 最大开关频率阈值和高于最小开关频率阈值，或者在强制开关频率模式中，开启开关元件 以使得实际开关频率为最大开关频率或最小开关频率。
[0005] -种开关模式功率转换器，其可操作为将输入电压转换为输出电压，包括：可控开 关元件，被配置为以可变开关频率进行操作；以及开关控制单元，被配置为对开关元件进行 控制；开关控制单元进一步被配置为：接收所定义的最小开关频率阈值和所定义的最大开 关频率阈值中的至少一个；当开关元件处于关断状态时，检测开关元件上的电压中出现的 谷值；以及在准谐振模式中，当出现第n个连续谷值时开启开关元件（n是大于或等于1的 整数）以使得实际开关频率为以下各项中的至少一项：低于最大开关频率阈值和高于最小 开关频率阈值，或者在强制开关频率模式中，开启开关元件以使得实际开关频率为最大开 关频率或最小开关频率。
[0006] -种计算机可读存储设备，存储计算机可执行指令，该计算机可执行指令响应于 执行而使处理组件用以：存储最小开关频率阈值和最大开关频率阈值中的至少一个；当开 关元件处于关断状态时，检测开关元件上的电压中出现的谷值；以及在准谐振模式中，当出 现第n个连续谷值时开启开关元件（n是大于或等于1的整数）以使得实际开关频率为以 下各项中的至少一项：低于最大开关频率阈值和尚于最小开关频率阈值，或者在强制开关 频率模式中，开启开关元件以使得实际开关频率为最大开关频率或最小开关频率。
[0007] 通过研习以下附图和详细描述，其它的转换器、方法、软件、特征和优势对于本领 域技术人员将是或将变为显而易见的。所有这些附加的转换器、方法、程序、特征和优势都 意在被包括在该描述之内、处于本发明的范围之内并且被以下权利要求所保护。
【附图说明】
[0008] 参考以下附图和描述可以更好地理解该系统。在图中，同样的附图标记贯穿不同 视图而表示相对应的部分。
[0009] 图1是图示第一示例性开关模式功率转换器的电路图；
[0010] 图2是图示对开关模式功率转换器进行操作的示例性方法的流程图；
[0011] 图3是图示第二示例性开关模式功率转换器的电路图；
[0012] 图4是图示图3所示的示例性开关模式功率转换器中的开关控制单元的输入信号 和输出信号的示图；
[0013] 图5是图示图3所示的示例性开关模式功率转换器中取决于负载的谷值开关的示 图；以及
[0014] 图6是图示图3所示的示例性开关模式功率转换器中的操作模式开关的示图。
【具体实施方式】
[0015] 参考图1，示例性开关模式功率转换器可以包括功率转换单元100,例如DC-DC反 激式转换器，其具有开关元件101、诸如变压器102之类的磁性元件以及诸如整流器、电容 器等其它部分（未示出）。功率转换器单元100具有被提供以DC电压（体电压Vbuu5)的输 入，以及向负载103提供输出电压Vot的输出。开关元件101可以是半导体开关，诸如金属氧 化物半导体场效应晶体管（MOSFET)、绝缘栅双极晶体管（IGBT)等，其被配置为依据相应控 制信号将变压器连接至电压Vbim。开关模式功率转换器可以进一步包括电流感测模块104， 其提供例如（初级）电流感测电压￥?的电流感测信号，其表示流过变压器102的初级绕组 的电流。开关控制单元105被配置为生成控制信号Vai，其被提供至开关元件103,用于根据 控制信号Vgd开启（导通）和关断（非导通）开关元件101。如果开关元件101是MOSFET 或IGBT，则控制信号Vai可以应用于其栅极。
[0016] 开关控制单元105被配置为对功率转换单元100的开关操作进行控制。在以下示 例中，开关控制单元105被配置为对功率转换单元100进行控制以在准谐振模式（即自振 荡模式）中至少在某些环境下进行操作。控制单元10可以进一步被配置为将电流感测电 压Vcs与参考电压进行比较。控制信号V被设置为当电流感测信号VK等于或超过参考电 压时关断流入变压器102中的初级电流。在准谐振模式中，开关元件101可以在跨开关元 件101的电压处于也被称作电压谷值或谷值的（局部）最小值时被开启。为了实现该目的， 开关模式功率转换器可以包括电压感测模块106,其用于在开关元件101的关断期间直接 或间接监视跨开关元件101的压降VD，以便允许检测电压处于最小值（谷值）的时刻。从 开关模式功率转换器输出（即，从功率转换单元100的输出）到开关控制单元105的反馈 路径可以向开关控制单元105提供附加的输入信号（反馈信号FB)。反馈路径可以包括基 本信号处理（例如PI或PID调节）和电流隔离（例如通过光电耦合器等）。
[0017] 在谷值进行开关使得开关损失和电磁干扰（EMI)最小化。通常，一行中的多个谷 值中的固定（恒定）谷值，例如第一、第二或任意其它谷值，被用作用于控制开关元件101 开启的触发器。当处于准谐振模式中时，开关模式功率转换器的开关频率对应于负载103， 并且因此可能会大幅变化。然而，高的开关频率（在低负载处）增加了开关损失和电磁干 扰。低的开关频率（在高负载处）在它们与可听频率范围重叠时可能并不是用户所期望见 到的。限制开关频率范围对功率转换器的可应用性进行限制。
[0018] 参考图2, 一种操作开关模式功率转换器的示例性方法可以包括以下过程，其可以 以硬件、软件或者它们的任意组合来实施。最初，预先定义最小开关频率阈值和最大开关频 率阈值（201)。上述阈值可以是恒定的或可变的，例如随着反馈信号而改变。随后，在开关 元件处于关断状态时，检测其上的电压中可能出现的谷值（202)。谷值例如可以通过专用 硬件或软件检测器进行检测，或者可以从诸如过零事件和谐振频率之类的其它参数进行计 算。
[0019] 在准谐振操作模式中，开关元件在一行中出现第n个谷值时被开启，其中n是大于 或等于1的整数（203)。在强制频率模式中，开关元件在最后一次开启之后的开关时间周期 Ta?= 1/fa?内被开启（2〇4)。实际开关频率为fsw。在一种情况下，实际开关频率fsw等于最 大开关频率。在另一种情况下，实际开关频率fsw等于最小开关频率。依据负载条件和线路 条件，选择最佳的操作模式。例如，在低负载时，处于更低开关频率范围中的强制频率操作 模式可能是适宜的。这里，最大频率可以被设置为更低数值并且控制器可以以较低的最大 频率进行开关。在更高负载时，处于更高开关频率范围中的准谐振操作模式可能更为适宜。 谷值数量n可以被选择以便保持实际开关频率低于最大开关频率阈值。然而，在大多数情 况下，谷值数量n可以被选择以保持开关频率高于最小开关频率阈值。
[0020] 为了实现这样的准谐振操作，以下给出一种示例算法。开关元件的实际开关频率 与最小开关频率阈值和最大开关频率阈值进行比较以达到如下效果：如果实际频率小于或 等于最小开关频率阈值则将n减1，或者如果实际频率大于或等于最大开关频率阈值则将n 加1。
[0021] 图3描绘了另一种示例性开关模式功率转换器（例如，脉冲宽度调制反激式转换 器），其中开关器件304可操作为将变压器300连接至DC输入电压（体电压Vbim)，并且对 从变压器300的初级绕组301传递至次级绕组302的功率进行控制。当开关器件