零电压切换检测装置和方法与流程

相关申请案交叉申请

本申请要求2014年11月19日递交的发明名称为“零电压切换检测装置和方法(zerovoltageswitchingdetectionapparatusandmethod)”的第14/548,106号美国专利申请案的在线申请优先权。

本发明涉及一种dc/dc转换器，具体而言，涉及一种用于dc/dc转换器的零电压切换检测装置。

背景技术：

电信网络电源系统通常包括ac-dc阶段，将电力从ac公用设施管线转换到48vdc配电总线，以及dc-dc阶段，将48vdc配电总线转换为所有类型的电信负载的多个电压电平。这两个阶段都可包括隔离型dc-dc转换器。可以使用不同的功率拓扑，例如回扫转换器、正向转换器、半桥转换器、全桥转换器、llc谐振转换器等，来实施隔离型dc-dc转换器。

随着技术的进一步发展，总线转换器已广泛应用于电信产业。总线电压可划分为三类：从48v输入dc电源转换的12v总线电压，从380v输入dc电源转换的48v总线电压，以及从380v输入dc电源转换的12v总线电压。总线转换器不仅将输入电压从高电平转换到低电平，而且还通过磁性设备，例如变压器和/或类似设备，提供隔离。

中间总线电压，例如12v，可用作多个下行非隔离型功率转换器的输入电源总线。下行非隔离型功率转换器可实施为降压转换器等降压dc/dc转换器、升压转换器等升压dc/dc转换器、线性调节器、它们的任意组合。下行非隔离型功率转换器在紧密控制回路下运作，以便充分调节的输出电压进入它们的相应负载。

技术实现要素：

本发明优选实施例提供了一种用于实现高效非隔离型功率转换器的系统、装置和方法，从而大体上解决或规避了这些和其它问题并大体上实现了技术上的优点。

根据一项实施例，一种转换器包括：耦合到电源的交换网络，其中所述交换网络包括多个电源开关；耦合到所述交换网络的磁性设备；通过磁耦合来耦合到所述磁性设备的检测器；以及控制电路，所述控制电路用于从所述检测器接收零电压切换信号并基于所述零电压切换信号调整所述电源开关的栅极驱动信号。

根据另一项实施例，一种方法包括提供功率转换器，其中所述功率转换器包括耦合到交换网络的电感器、通过磁耦合来耦合到所述电感器的检测器以及耦合在所述检测器与所述交换网络之间的控制电路。

所述方法还包括检测指示所述交换网络的电源开关的软切换过程的信号，以及在所述信号的幅度小于预定阈值之后打开所述电源开关。

根据再一项实施例，一种方法包括提供dc/dc转换器，其中所述dc/dc转换器包括：耦合到电源的交换网络，其中所述交换网络包括多个电源开关；耦合到所述交换网络的磁性设备；耦合到所述磁性设备的检测器；以及耦合在所述检测器与所述交换网络之间的控制电路。

所述方法还包括检测指示所述dc/dc转换器的电源开关的零电压切换过程的信号，以及在指示所述零电压切换过程的所述信号降到预定阈值以下后，通过所述控制电路打开所述电源开关。

本发明的一项优选实施例的优势在于，可通过零电压转换打开电源开关，从而提高dc/dc转换器的效率。零电压转换通过以下方式实现：通过零电压切换检测器与dc/dc转换器的电感器之间的磁耦合检测通过电源开关的电压。

上述内容简要地列出了本发明的特征和技术优点，以便能更好地理解下文对本发明的详细描述。下文中将描述本发明的其它特征和优点，其形成本发明的权利要求书的标的物。本领域技术人员应理解，所述概念和具体实施例可方便地作为改进或设计用于执行与本发明相同的目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员也应该认识到，这类等同结构没有偏离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，其中：

图1示出了根据本发明各种实施例的具有零电压切换(zerovoltageswitching，zvs)检测装置的功率转换器的方框图；

图2示出了根据本发明各种实施例的图1所示的检测器的示意图；

图3示出了根据本发明各种实施例的图1所示的功率转换器的第一实施方式；

图4示出了根据本发明各种实施例的图3所示的功率转换器的各种波形；

图5示出了根据本发明各种实施例的图1所示的功率转换器的第二实施方式；

图6示出了根据本发明各种实施例的图5所示的功率转换器的各种波形；

图7示出了根据本发明各种实施例的图1所示的功率转换器的第三实施方式；

图8示出了根据本发明各种实施例的图7所示的功率转换器的第一组波形；

图9示出了根据本发明各种实施例的图7所示的功率转换器的第二组波形；

图10示出了根据本发明各种实施例的图7所示的功率转换器的第三组波形。

除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常指代对应部分。绘制各图是为了清楚地说明实施例的相关方面，因此未必是按比例绘制的。

具体实施方式

下文将详细论述当前优选实施例的制作和使用。然而，应了解，本发明提供可在各种具体上下文中体现的许多适用的发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。

本发明将参考具体上下文中的优选实施例进行描述，该具体上下文即用于高效非隔离型dc/dc转换器的零电压切换检测器。然而，本发明还可用于各种dc/dc转换器，包括降压dc/dc转换器、升压dc/dc转换器、升降压dc/dc转换器、回扫转换器、正向转换器、半桥转换器、全桥转换器、它们的任意组合，等等。以下将结合附图详细说明各实施例。

图1示出了根据本发明各种实施例的具有零电压切换(zerovoltageswitching，zvs)检测装置的功率转换器的方框图。功率转换器100可包括输入dc电源101、交换网络102、磁性设备106、输出滤波器108、负载110、检测器104和控制电路105。如图1所示，交换网络102、磁性设备106和输出滤波器108在输入dc电源101与负载110之间串联连接。

在一些实施例中，交换网络102、磁性设备106和输出滤波器108可构成功率转换器100的功率级120。根据一些实施例，功率级120可为降压dc/dc转换器。图1中的方框图仅为示例，其不应过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变体、替代物和修改。例如，当功率转换器100是升压dc/dc转换器时，交换网络102可位于磁性设备106右边。此外，当功率转换器100是降压dc/dc转换器时，磁性设备106的相对边上可存在两个交换网络(未示出)。升压dc/dc转换器和升降压dc/dc转换器的详细系统配置将在下文结合图5和图7分别描述。

检测器104通过磁耦合来耦合到磁性设备106。在一些实施例中，将磁耦合实施为信号变压器(未示出)。该信号变压器的原边是功率转换器100的电感器。磁耦合的详细实施方式将在下文结合图3、图5和图7描述。

图1还示出了耦合在检测器104与交换网络102之间的控制电路105。在一些实施例中，控制电路105可包括数字控制器，该数字控制器能够处理来自检测器104的检测到的信号。此外，控制电路105可包括脉宽调制(pulsewidthmodulation，pwm)发生器和至少一个栅极驱动器。pwm发生器和栅极驱动器的工作原理和结构众所周知，因此，本文不再论述，以避免重复。

如图1所示，检测器104检测来自功率级120的信号。检测到的信号可包括指示通过功率转换器100的电源开关的电压是否约等于零的信号。在一些实施例中，在打开电源开关之前，通过电源开关的电压可能降至约零。换言之，电源开关已准备好从关闭状态到打开状态的零电压转换。检测器104可通过磁耦合检测通过电源开关的电压变化。在一些实施例中，检测器104向控制电路105发送检测到的信号。控制电路105将检测到的信号与预定阈值进行比较。如果检测到的信号的幅度降到阈值以下，则控制电路105可相应地打开电源开关。因此，功率转换器100可通过零电压切换实现更高的效率。

应注意的是，控制电路105可基于检测到的信号以及各种延迟确定电源开关的打开时间。例如，可能有来自检测器104的检测电路延迟和来自控制电路105的驱动器延迟。为了实现更好的zvs过程，控制电路105可考虑这两种时延，相应地确定合适的打开时间。

具有图1所示的检测器104的一个有利特征在于，检测器104和控制电路105可基于来自检测器104的实时检测到的信号打开功率转换器100的电源开关。因此，功率转换器100能够动态调整电源开关的打开时间，使得功率转换器100可以通过零电压切换实现更高的效率。

图2示出了根据本发明各种实施例的图1所示的检测器的示意图。检测器104通过信号变压器t1耦合到磁性设备106。在一些实施例中，信号变压器t1的原边是功率转换器100的电感器l1。信号变压器t1的副边l2耦合到检测器104。

检测器104包括第一电容器c1、第二电容器c2、二极管d1、电阻器r1和分压器。如图2所示，第一电容器c1具有连接到信号变压器t1的副边的第一端子。二极管d1和电阻器r1串联连接并且进一步耦合到第一电容器c1的第二端子。分压器由电阻器r2和r3构成。分压器耦合到第一电容器c1的第二端子。第二电容器c2和电阻器r3并联连接，如图2所示。

第一电容器c1可用作隔直电容器。二极管d1可用作整流器。电阻器r1用于限制流经二极管d1的电流。第二电容器c2可用作滤波器以削弱不要的噪声。分压器用于将检测到的信号缩减到适合于控制电路105的电平。

在一些实施例中，c1的电容等于100pf。r1的电阻等于1kohm。c2的电容等于1nf。r2的电阻等于10kohm。r3的电阻等于2kohm。应注意的是，上文给出的值仅出于示例目的而选择，并非旨在将本发明的各种实施例限制为任何特定值。本领域技术人员将认识到，根据不同应用和设计需要，可将上文列举的电阻和电容改变为不同的值。

图2所示的检测器104的一个有利特征在于，检测器104能够通过由信号变压器t1构成的磁耦合来检测指示电源开关的零电压转换的信号。这一信号有助于功率转换器100实现零电压切换。电源开关的软切换操作有助于功率转换器100实现更高的效率。

应理解的是，图2所示的方框图仅为示例，其不应过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变体、替代物和修改。

图3示出了根据本发明各种实施例的图1所示的功率转换器的第一实施方式。如图3所示，功率转换器300是降压dc/dc转换器。降压dc/dc转换器包括高边开关q1、低边开关q2和电感器l1。电感器l1是信号变压器t1的原边。如图3所示，t1的变比是n:1。辅助l2耦合到检测器104。

根据降压dc/dc转换器的工作原理，高边开关q1和低边开关q2在补充模式下运作。高边开关q1的传导时间与降压dc/dc转换器的切换周期的比率称为降压dc/dc转换器的占空比。占空比由pwm控制器(例如控制电路105)和/或类似设备设置。为了将输出电压维持在预定电压，当输出电压降到预定电压以下时，打开高边开关q1并关闭低边开关q2，使得输出电容器co从通过打开的高边开关q1的输入以及输出电感器l1来充电。另一方面，当输出电压超过预定电压时，pwm控制器关闭高边开关q1并打开低边开关q2，使得输出电压通过打开的低边开关q2和输出电感器l1放电到接地。因此，耦合到降压dc/dc转换器的电子电路(例如图1所示的负载110)可以在负载和温度波动的情况下接收恒定的输出电压。

在降压dc/dc转换器的稳态运作中，检测器104有助于高边开关q1实现零电压切换。第一电容器c1用作隔直电容器。通过第一电容器c1的电压可通过以下等式给出：

在关闭低边开关q2之前，通过信号变压器t1的副边的电压通过以下等式给出：

分压器的输入处的电压等于vc1与v2之和。因此，检测器104的输出可以表示为：

在关闭低边开关q2之后且打开高边开关q1之前，通过高边开关q1的电压可能降至约等于零的电平。因此，通过信号变压器t1的副边的电压通过以下等式给出：

通过电容器c1的电压可保持在等式(1)所示的电平。所以，检测器的输出处的电压可能降至约等于零的电平。因此，可通过检测器104的输出处的电压下降来检测高边开关q1的零电压切换。降压dc/dc转换器的详细波形和检测器104的工作原理将在下文结合图4详细描述。

图4示出了根据本发明各种实施例的图3所示的功率转换器的各种波形。图4的横轴代表时间间隔。横轴的单元是微秒。可存在四个纵轴。第一纵轴y1代表流经图3所示的功率转换器300的电感器l1的电流。第二纵轴y2代表通过高边开关q1的电压。第三纵轴q3代表高边开关q1和低边开关q2的栅极驱动信号。第四纵轴y4代表检测器104的输出处的电压。

在时间t1，打开低边开关q2并关闭高边开关q1。流入电感器l1的电流达到其峰值。因为高边开关q1被关闭，所以通过高边开关q1的电压约等于功率转换器100的输入电压。根据上述等式(3)，检测器104的输出处的电压可等于vin/k。

在时间t2，关闭低边开关q2。在高边开关q1被打开之前，功率转换100的电流可流经低边开关q2的体二极管。如图4所示，通过高边开关q1的电压在时间t2开始下降并在时间t4达到约等于零的电平。通过高边开关q1的电压下降的结果是，检测器104的输出在时间t4从vin/k降至约零。在时间t4，通过高边开关q1的电压约等于零。换言之，在时间t4，高边开关q1作好了零电压转换的准备。

为了在零电压应力或接近零的电压应力下打开高边开关q1，基于设计需要选择预定阈值vth。在一些实施例中，阈值vth在约0.5v到约1v的范围中。如图4所示，在时间3t，检测器104的输出电压达到阈值vth。控制电路105从检测器104接收检测到的信号并将检测到的信号与预定阈值vth进行比较。在时间t3，检测到的信号的幅度等于阈值。控制电路105可相应地打开高边开关q1。因此，功率转换器100可通过高边开关q1的零电压切换实现更高的效率。

图5示出了根据本发明各种实施例的图1所示的功率转换器的第二实施方式。图5所示的功率转换器500与图3所示的功率转换器300类似，除了功率级120是升压dc/dc转换器。升压dc/dc转换器包括高边开关q3、低边开关q4和电感器l1。在一些实施例中，高边开关q3和低边开关q4在补充模式下运作。升压转换器的工作原理众所周知，因此本文不再详细论述。

通过使用上文结合图3描述的相同电路分析方法，在高边开关q3被关闭之前，检测器104的输出可表示为：

在关闭高边开关q3之后且打开低边开关q4之前，可通过检测器104的输出处的电压下降来检测低边开关q4的零电压切换。升压dc/dc转换器的详细波形和检测器104的工作原理将在下文结合图6描述。

图6示出了根据本发明各种实施例的图5所示的功率转换器的各种波形。图6的横轴代表时间间隔。横轴的单元是微秒。可存在四个纵轴。第一纵轴y1代表流经图5所示的功率转换器500的电感器l1的电流。第二纵轴y2代表通过低边开关q4的电压。第三纵轴q3代表高边开关q3和低边开关q4的栅极驱动信号。第四纵轴y4代表检测器104的输出处的电压。

在时间t1，打开高边开关q3并关闭低边开关q4。因为高边开关q3被打开，所以通过低边开关q4的电压约等于功率转换器100的输出电压。根据上述等式(5)，检测器104的输出处的电压可等于vo/k。

在时间t2，关闭高边开关q3。在低边开关q4被打开之前，功率转换100的电流可流经高边开关q3的体二极管。如图6所示，通过低边开关q4的电压在时间t2开始下降并在时间t4达到约等于零的电平。通过低边开关q4的电压下降的结果是，检测器104的输出在时间t4从vo/k降至约零。在时间t4，通过低边开关q4的电压约等于零。换言之，低边开关q4作好了零电压转换的准备。

为了在零电压应力或接近零的电压应力下打开低边开关q4，基于设计需要选择预定阈值vth。在一些实施例中，阈值vth在约0.5v到约1v的范围中。如图6所示，在时间3t，检测器104的输出电压达到阈值。控制电路105从检测器104接收检测到的信号并将检测到的信号与预定阈值vth进行比较。在时间t3，检测到的信号的幅度等于阈值vth。控制电路105可相应地打开低边开关q4。因此，功率转换器500可通过低边开关q4的零电压切换实现更高的效率。

图7示出了根据本发明各种实施例的图1所示的功率转换器的第三实施方式。图7所示的功率转换器700与图3所示的功率转换器300类似，除了功率级120是升降压dc/dc转换器。

升降压dc/dc转换器包括第一高边开关q1、第一低边开关q2、第二高边开关q3、第二低边开关q4和电感器l1。在一些实施例中，升降压dc/dc转换器可包括两种运作模式，也就是降压运作模式和升压运作模式。在降压运作模式下，开关q1和q2是有源开关。另一方面，在升压运作模式下，开关q3和q4是有源开关。在替代性实施例中，升降压dc/dc转换器可包括一种运作模式。所有开关q1、q2、q3、q4都是有源开关。这两种类型的升降压dc/dc转换器众所周知，因此本文不再详细论述升压转换器的工作原理。

通过使用上文结合图3描述的相同方法，在关闭第二低边开关q4之后且关闭第一高边开关q1之前，检测器104的输出可表示为：

此外，在关闭第一高边开关q1之后，检测器104的输出可表示为：

如等式(6)和(7)所示，检测器104的输出可具有两个电压电平。可通过检测器104的输出处的电压下降来检测第二低边开关q4的零电压切换。升降压dc/dc转换器的详细波形和检测器104的工作原理将在下文结合图8至图10描述。

图8示出了根据本发明各种实施例的图7所示的功率转换器的第一组波形。当功率转换器700的输入电压大于功率转换器700的输出电压时，获得图7中的波形。

图8的横轴代表时间间隔。横轴的单元是微秒。可存在五个纵轴。第一纵轴y1代表第二低边开关q4的栅极驱动信号。第二纵轴y2代表第一高边开关q1的栅极驱动信号。第三纵轴y3代表流经图7所示的功率转换器700的电感器l1的电流。第四纵轴y4代表通过第二低边开关q4的电压。第五纵轴y5代表检测器104的输出处的电压。

在时间t0，关闭第二低边开关q4。因为第二高边开关q3被打开，所以通过第二低边开关q4的电压约等于功率转换器700的输出电压。根据上述等式(6)，检测器104的输出处的电压可等于vo/k。

在时间t1，关闭第一高边开关q1。因为第二高边开关q3仍然打开，所以通过第二低边开关q4的电压约等于功率转换器700的输出电压。根据上述等式(7)，检测器104的输出处的电压可等于(vin+vo)/k。

通过第二低边开关q4的电压在时间t2开始下降并在时间t4达到约等于零的电平。通过第二低边开关q4的电压下降的结果是，检测器104的输出在时间t4从(vin+vo)/k降至约零。在时间t4，通过第二低边开关q4的电压约等于零。换言之，第二低边开关q4作好了零电压转换的准备。

为了在零电压应力或接近零的电压应力下打开第二低边开关q4，基于设计需要选择预定阈值vth。在一些实施例中，阈值vth在约0.5v到约1v的范围中。如图8所示，在时间3t，检测器104的输出电压达到阈值。控制电路105从检测器104接收检测到的信号并将检测到的信号与预定阈值进行比较。在时间t3，检测到的信号的幅度等于阈值。控制电路105可相应地打开第二低边开关q4和第一高边开关q1。因此，功率转换器700可通过零电压切换实现更高的效率。

图9示出了根据本发明各种实施例的图7所示的功率转换器的第二组波形。当功率转换器700的输入电压等于功率转换器700的输出电压时，得到图9所示的波形。波形以及检测器104的工作原理与图8所示的那些类似，因此本文不再论述，以避免重复。

图10示出了根据本发明各种实施例的图7所示的功率转换器的第三组波形。当功率转换器700的输出电压大于功率转换器700的输入电压时，得到图10所示的波形。波形以及检测器104的工作原理与图8所示的那些类似，因此本文不再论述，以避免重复。

在一项实施例中，公开了用于转换器的构件，该转换器包括耦合到电源的交换网络。交换网络包括：用于多个电源开关的构件；用于磁性设备的构件，其中磁性设备耦合到交换网络；用于检测器的构件，其中检测器通过磁耦合来耦合到磁性设备；以及用于控制电路的构件，其中控制电路用于从检测器接收零电压切换信号并基于零电压切换信号调整电源开关的栅极驱动信号。

在另一项实施例中，公开了一种用于功率转换器构件的方法，该功率转换器构件包括耦合到交换网络的电感器构件、通过磁耦合来耦合到电感器的检测器构件以及耦合在检测器与交换网络之间的控制电路构件。该方法还包括检测指示交换网络的电源开关的软切换过程的信号，以及在信号的幅度小于预定阈值之后打开电源开关。

在再一项实施例中，公开了一种涉及提供dc/dc转换器的方法，其中dc/dc转换器包括：耦合到电源的交换网络构件，其中交换网络包括多个电源开关；耦合到交换网络的磁性设备构件；耦合到磁性设备的检测器构件；以及耦合在检测器与交换网络之间的控制电路构件。该方法还包括检测指示dc/dc转换器的电源开关的零电压切换过程的信号，以及在指示零电压切换过程的信号降到预定阈值以下后，通过控制电路打开电源开关。

虽然已详细地描述了本发明的实施例及其优点，但是应理解，可以在不脱离如所附权利要求书所界定的本发明的精神和范围的情况下对本发明做出各种改变、替代和更改。

此外，本发明的范围并不局限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法和步骤的具体实施例。所属领域的一般技术人员可从本发明中轻易地了解，可根据本发明使用现有的或即将开发出的，具有与本文所描述的相应实施例实质相同的功能，或能够取得与所述实施例实质相同的结果的过程、机器、制造、物质组分、构件、方法或步骤。相应地，所附权利要求范围包括这些流程、机器、制造、物质组分、构件、方法及步骤。