自适应谐振频率转换器的制作方法

本专利申请根据35u.s.c.119(e)要求2017年8月21日递交的申请序号为62/548,318、标题为“adaptiveresonantfrequencyconverter”的共同未决的美国临时专利申请、以及2018年8月20日递交的申请序号为16/105,330的美国申请的优先权，在此通过引用将该申请全部并入。

本发明一般地涉及电力转换器(powerconverter)的领域。更具体地，本发明涉及用于电力管理和电力供应的谐振电力转换器。

背景技术：

多年以来已经开发的电力转换器拓扑有若干种，它们旨在改善电力转换器的功率密度和开关(switching)效率。新的转换器拓扑的新兴的焦点是提供一种降低或消除转换器开关损耗、同时增大开关频率的构件。更低的损耗和更高的开关频率意味着更高效的转换器，这可降低转换器组件的大小和重量。此外，随着诸如由脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)操作的金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，mosfet)之类的高速复合半导体开关的引入，近来的正激和反激拓扑现在能够在例如达到或高于1mhz的大幅增大的开关频率下操作。

然而，由于半导体开关在高电压和/或高电流水平下的迅速开/关切换，开关频率的增大可以引起与切换和组件应力相关的损耗的相应增大、以及增大的电磁干扰(electromagneticinterference，emi)、噪声和开关换向问题。另外，现代电子组件被期望在小空间中高效地执行多种功能，并且产生很少的不期望的负面效果。例如，提供相对高功率密度和高开关频率的现代电压转换器应当也包括非杂乱的(uncluttered)电路拓扑，提供输出或“负载”电压与输入或“源”电压的隔离，并且也提供可变的升压或降压电压变换。

许多传统的电力转换器电路的缺点是切换组件遭受的相对高的电压和电流应力。此外，主开关所见的高的关断电压(由变压器漏电感和开关电容之间的寄生振荡引起的)传统上要求使用电阻器、电容器、二极管子电路，例如，缓冲(snubber)电路。这种寄生振荡的谐波极为丰富并且用emi污染环境，并且引起来自切换组件的以额外热耗散的形式的高的开关损耗。

为了降低或消除开关损耗并且降低emi噪声，在本领域中越来越多地采取了“谐振”或“软”开关技术的使用。谐振开关技术在传统电力转换器拓扑上的应用对于高密度和高频率提供了许多优点，以降低或消除开关应力并且降低emi。谐振开关技术一般包括电容器-电感器(inductor-capacitor，lc)子电路与半导体开关串联，该半导体开关当被接通时在转换器内产生谐振子电路。另外，将谐振开关的开/关控制周期定时为与开关周期期间跨各个转换器组件的特定电压和电流状况相对应，允许了零电压和/或零电流状况下的切换。零电压切换(zerovoltageswitching，zvc)和/或零电流切换(zerocurrentswitching，zcs)内在地降低或消除了许多频率相关的开关损耗。

这种谐振开关技术在传统电力转换器拓扑上的应用对于高密度、高频率转换器(例如准正弦电流波形)、转换器的电气组件上的降低或消除的开关应力、降低的频率相关损耗和/或降低的emi提供了许多优点。然而，在零电压切换和/或零电流切换的控制期间招致的能量损耗、以及在驱动和控制谐振构件期间招致的损耗仍然是成问题的。在对于电力管理和电力供应而应用谐振电力转换器的领域中，关键的任务是消除损耗和在宽输入电压范围上维持高效率。为了实现性能效率和明确定义的控制以获得按照设计的调控，谐振回路(tank)被调谐到谐振电力转换器的主开关的开关频率。以这种方式调谐谐振回路，使得谐振电力转换器能够谐振工作(operateinresonance)。这种谐振电力转换器可被以达到khz范围的开关频率操作，同时仍维持谐振频率与开关频率之间的谐振。然而，谐振电力转换器正在朝着使用1mhz以及更高的极高频率切换的应用发展。在这种极高频率应用中，各种电路组件的寄生效应，例如电容器的esl(等效串联电感)、漏电感以及晶体管开关的电容性质和电阻性质因为其涉及谐振而不再是可忽略的。谐振频率是谐振回路中的电容器和电感器值以及电路中的寄生效应的函数。由于寄生效应，极高开关频率下的谐振频率相对于被调谐到期望的操作开关频率的、设计的谐振频率有所更改。这样，更改后的谐振频率在极高开关频率下不再被调谐到开关频率，这导致了减弱的性能效率和控制。

技术实现要素：

实施例涉及的是一种谐振电力转换器，其具有主开关、耦接在主开关两端的谐振回路以及耦接到主开关和谐振回路的信号处理电路。信号处理电路生成用于以开关频率驱动主开关接通和断开的驱动信号。谐振回路包括被设计为具有被调谐到主开关的设计的开关频率的谐振频率的电路组件，例如电感器和电容器。信号处理电路包括零电压切换(zvs)电路、信号发生器、检测电路和锁存振荡器。信号处理电路被配置为将驱动信号的开关频率调节为被调谐到1mhz以及更高的极高开关频率状况下的谐振回路的实际谐振频率，从而应对极高开关频率下的寄生效应的影响并且实现电路的谐振。

在一个方面中，公开了一种谐振电力转换器，其包括变压器、开关、谐振回路和信号处理电路。变压器具有初级绕组和次级绕组，其中次级绕组耦接到谐振电力转换器的输出。开关与初级绕组串联耦接。谐振回路并联耦接在开关两端。信号处理电路耦接到谐振回路和开关。信号处理电路被配置为生成具有开关频率以驱动开关的驱动信号，感测谐振回路两端的电压，并且根据感测到的谐振回路两端的电压选择性地适配开关频率以使得开关频率被调谐到谐振回路的谐振频率。在一些实施例中，初级绕组耦接到输入电压电源。在一些实施例中，开关是晶体管开关。在一些实施例中，晶体管开关是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，并且开关的第一端是mosfet的漏极。在一些实施例中，谐振回路包括与电容器串联耦接的电感器。在一些实施例中，适配开关频率以与谐振频率调谐将谐振电力转换器配置为谐振工作。在一些实施例中，谐振工作在谐振回路两端生成驼峰电压波形，其中，驼峰电压波形的第一波峰对应于开关频率的基频，驼峰电压波形的波谷对应于开关频率的二次谐波，并且驼峰电压波形中的第二波峰对应于开关频率的三次谐波。在一些实施例中，谐振回路包括被选择为使谐振频率是被调谐到设计的开关频率的设计的谐振频率的电路组件。在一些实施例中，开关频率大于或等于1mhz，并且其中，在大于或等于1mhz的开关频率下，谐振频率由于大于或等于1mhz的开关频率下的开关中的寄生效应而被更改为与设计的谐振频率不同的更改后的谐振频率，并且信号处理电路选择性地将开关频率适配为与设计的开关频率不同的适配后的开关频率，以将适配后的开关频率调谐到更改后的谐振频率。在一些实施例中，谐振回路被调谐以过滤掉设计的开关频率的二次谐波。在一些实施例中，适配后的开关频率被适配以使得具有更改后的谐振频率的谐振回路过滤掉适配后的开关频率的二次谐波。在一些实施例中，谐振回路的电路组件包括串联耦接的电感器和电容器。

在一些实施例中，信号处理电路包括零电压切换电路，其耦接到开关以感测开关两端的电压并且在检测到电压过零时生成信号来接通和断开开关。在一些实施例中，信号处理电路包括检测电路来感测谐振回路两端的电压，将感测到的电压的波形与电压轮廓相比较，并且根据比较输出调制信号。在一些实施例中，检测电路被配置为检测感测到的电压波形内的波峰和波谷电压并且将检测到的波峰和波谷电压与阈值相比较。在一些实施例中，信号处理电路还包括与检测电路耦接的信号发生器，其中信号发生器生成具有被从检测电路输出的调制信号调制的开关频率的信号。在一些实施例中，信号处理电路包括锁存振荡器来在适配后的开关频率被调谐到谐振回路的更改后的谐振频率时锁存适配后的频率。

附图说明

参考附图来描述若干个示例实施例，附图中相似的组件具有相似的标号。示例实施例旨在说明而不是限制本发明。附图包括以下的图：

图1图示了根据一些实施例的谐振电力转换器的示意性电路图。

图2图示了与谐振电力转换器的操作相对应的示范性波形。

图3图示了与谐振电力转换器的仿真操作相对应的示范性波形。

具体实施方式

本申请的实施例涉及谐振电力转换器。本领域普通技术人员将会认识到，以下对谐振电力转换器的详细描述只是说明性的，而并不旨在以任何方式进行限定。受益于本公开的本领域技术人员将容易想到谐振电力转换器的其他实施例。

现在将详细述及如附图所示的谐振电力转换器的实现方式。相同的附图标记将在各幅图和以下详细描述的各处用于指代相同或相似的部件。为了清晰起见，没有示出和描述本文描述的实现方式的所有常规特征。当然，将会明白，在任何这种实际实现方式的开发中，必须做出许多依实现方式而定的决定以便实现开发者的具体目标，例如遵从与应用和业务相关的约束，并且这些具体目标在一个实现方式与另一实现方式之间和一个开发者与另一开发者之间将是不同的。另外，将会明白，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言仍只是常规工程工作。

实施例涉及的是一种谐振电力转换器，其具有主开关、耦接在主开关两端的谐振回路以及耦接到主开关和谐振回路的信号处理电路。信号处理电路生成用于以开关频率驱动主开关接通和断开的驱动信号。谐振回路包括被设计为具有谐振频率的电路组件，该谐振频率是调谐到主开关的设计的开关频率的，电路组件例如为电感器和电容器。信号处理电路包括零电压切换(zvs)电路、信号发生器、检测电路和锁存振荡器(latchoscillator)。

在例如khz范围这样的较低开关频率下，谐振电力转换器简单地使用zvs电路谐振工作，并且生成与设计的开关频率相对应的驱动信号。在这个情况下，谐振回路的谐振频率匹配于设计的谐振频率回路，其中该设计的谐振频率是通过被调谐到设计的开关频率的谐振回路的设计值来实现的。在主开关上存在寄生电容，例如跨mosfet的漏极和源极的寄生电容、跨栅极和源极的另一寄生电容以及跨漏极和栅极的另一寄生电容。在mosfet上也存在寄生电感。还存在与谐振电力转换器的其他电路元件相关联的寄生效应。在较低开关频率下存在的寄生效应不会使实际谐振频率相对于设计的谐振频率有大幅改变，因此电路保持谐振。

然而，在极高频率下，例如1mhz以及更高，寄生效应更加有影响并且更改谐振频率。实际谐振频率与设计的谐振频率足够不同，并且由zvs电路生成的开关频率和谐振回路的谐振频率不再谐振。这导致了与原始设计相比降低的性能效率和电路可预测性。原始电路设计无法为谐振回路电路元件计算恰当的电感和电容以实现可应对(accountfor)极高开关频率下的所有寄生效应的谐振回路。

信号处理电路被配置为将驱动信号的开关频率调节为被调谐到1mhz以及更高的极高开关频率状况下的谐振回路的实际谐振频率，从而应对极高开关频率下的寄生效应的影响并且实现电路的谐振。换言之，谐振电力转换器使得能够将开关频率调谐到被极高开关频率下存在的寄生效应更改的谐振频率。具体地，开关频率被调谐以使得更改后的谐振频率的二次谐波被过滤掉。谐振工作还通过过滤掉由二次谐波引起的峰值电压而降低了晶体管开关q1上的电压应力。

图1图示了根据一些实施例的谐振电力转换器的示意性电路图。谐振电力转换器包括变压器t1、晶体管开关q1、信号处理电路14和谐振回路。谐振回路包括电感器l1和电容器c1。信号处理电路14包括zvs电路2、信号发生器4、检测电路6、与门8、锁存振荡器10和放大器12。变压器t1包括初级绕组p1和次级绕组s2。次级绕组电压可被整流和滤波，例如利用二极管(未示出)和电容器(未示出)，该次级绕组电压被提供为输出电压vout。在一些实施例中，谐振电力转换器被配置为反激转换器(flybackconverter)。要理解，可根据其他传统转换器方案来替代地配置谐振电力转换器。在一些实施例中，晶体管开关q1是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在图1所示的示范性配置中，晶体管开关q1是n沟道mosfet。或者，可使用其他类型的半导体晶体管。

初级绕组p1的第一端耦接到输入电压电源vin的正极端。初级绕组p1的第二端耦接到晶体管开关q1的漏极并且耦接到电感器l2的第一端。晶体管开关q1的源极耦接到地。电感器l1的第二端耦接到电容器c1的第一端。电容器c1的第二端耦接到地。初级绕组p1的第二端也作为输入耦接到zvs电路2和检测电路6。zvs电路2的第一输出作为第一输入耦接到与门8，并且检测电路6的输出作为输入耦接到信号发生器4。信号发生器4的输出作为第二输入耦接到与门8。与门8的输出作为输入耦接到锁存振荡器10。锁存振荡器10的输出作为输入耦接到放大器12。放大器12的输出是作为输入耦接到晶体管开关q1的栅极的驱动信号。要理解，图1所示的功能块只是为了示范，并且这些功能块中的一个或多个可被组合和/或进一步细分，或者额外的功能块可被添加来实现本文描述的谐振电力转换器的功能。

图2图示了与谐振电力转换器的操作相对应的示范性波形。图2所示的波形是联系图1的谐振工作的谐振电力转换器来描述的。波形20是施加到晶体管开关q1的栅极的示范性驱动信号，其被表示为栅源电压vgs。在一些实施例中，驱动信号是具有定义的频率和占空比的脉冲宽度调制信号，该频率与晶体管开关q1的开关频率相对应。波形30是经过次级绕组s1的示范性电流，其被表示为次级电流is。波形40是经过初级绕组p1的示范性电流，其被表示为初级电流ip。波形50是晶体管开关q1两端的示范性电压，其被表示为漏源电压vds。波形40的形状被称为具有两个波峰(peak)或驼峰(hump)的驼峰(camelback)波形。漏源电压vds也是由电感器l1和电容器c1形成的谐振回路两端的电压，如图1所示。波形60是示范性输出电压vout。

当晶体管开关q1被接通时，这对应于栅源电压vgs在波形20中变高，初级电流ip开始线性升高。初级电流ip在晶体管开关q1被断开——对应于栅源电压vgs变低——的时点达到峰值。

当晶体管断开(驱动信号为低)并且电路谐振时，开关频率被调谐到谐振频率，漏源电压vds形成波形50中所示的驼峰波形。驼峰波形具有与基本开关频率相对应的第一波峰52、与二次谐波相对应的波谷54、以及与三次谐波相对应的第二波峰54。电感器l1的电感和电容器c1的电容原本被设计为过滤设计的开关频率的二次谐波，其中波谷54是因为在谐振下过滤二次谐波而产生的。换言之，驼峰波形是通过过滤掉二次谐波形成的。谐振回路充当二次谐波滤波器，并且因此被调谐到开关频率的两倍。例如，如果谐振电力转换器被设计为在1mhz的开关频率下操作，则谐振回路组件l1和c1被设计为具有2mhz的谐振频率，其充当2mhz下的二次谐波滤波器。然而，在这种极高开关频率(1mhz)下操作引入了寄生效应，这些寄生效应对滤波器(谐振回路)的谐振频率(2mhz)产生足够的更改，以至于更改后的谐振频率(不同于2mhz)不再被调谐到设计的开关频率(1mhz)以像设计那样过滤掉二次谐波。由此，开关频率被调节为与更改后的谐振频率调谐，从而建立了电路谐振和恰当的二次谐波过滤。

图2所示的波形示出了理论波形。理论上，波谷54下降到基本上0v。实践中，漏源电压vds中的波谷不下降到零伏特，而是某个中间水平值，例如图3所示的仿真漏源电压vds波形90中所示的波谷92。图3图示了与谐振电力转换器的仿真操作相对应的示范性波形。波形70表示仿真的驱动信号。波形80示出了仿真的初级电流ip。波形100示出了仿真的输出电压vout。

零电压切换由zvs电路2实现。zvs电路2感测漏源电压vds并且确定用于触发晶体管开关以接通的漏源电压vds的过零点，例如波形50上的点58。

当谐振电力转换器最初被通电——称为加电——时，生成具有设计的开关频率的驱动信号。开关频率随后被适配(adapt)为调谐到经寄生效应更改的谐振频率。加电是包括多个周期(cycle)的过程。在加电阶段期间，所有寄生效应必须呈现自身以在调节后的开关频率下被自适应地补偿。最初在加电时，从信号发生器输出的信号的设计的开关频率并未由于寄生效应而被调谐到谐振频率，并且反馈电压被用于调制从扫频发生器输出的信号的开关频率。由信号发生器4生成的信号被调节以使得开关频率被调谐到谐振回路的经更改的谐振频率。将开关频率调节为被调谐到谐振频率是可能花费多个周期的迭代过程。一旦被调谐，调谐的信号就被锁存振荡器锁存以锁定在调谐的开关频率和占空比中。调谐的开关频率的应用导致了晶体管开关q1和谐振回路两端的驼峰电压波形。

为了适配开关频率，漏源电压vds——其也是谐振回路l1、c1两端的电压——被检测电路6感测并且被与期望的电压轮廓相比较，例如波形50或90中所示的驼峰电压波形。如果电路处于谐振中，则感测到的漏源电压vds将会匹配期望的电压轮廓。用于比较的示例技术包括——但不限于——感测所感测到的漏源电压vds内的波峰和波谷并且将这些感测到的值与已知的阈值或范围相比较。比较的结果被用于调制由信号发生器4生成的信号。例如，比较结果被用于根据比较结果的大小和符号来增大或减小由信号发生器4生成的信号的开关频率。要理解，其他技术可用于根据感测到的漏源电压vds来调节开关频率。

在加电期间，感测到的漏源电压vds波形中的波峰和波谷将随着开关频率被调节而在周期与周期之间发生变化。一旦加电阶段完成——这对应于所有寄生效应被呈现并且开关频率被恰当地适配为被调谐到经更改的谐振频率，则驼峰电压波形的波峰和波谷就将或多或少地稳定，因为经调节的开关频率被锁存振荡器锁定。

在加电之后，开关频率可继续被调节以针对由变化的电路状况引起的变化的谐振频率进行补偿。例如，变化的线电压(vin)状况(例如从90vrms到270vrms范围变化的输入电压)或者变化的负载状况(例如从1a到10a范围变化的电流)也会更改谐振频率。因此变化的线电压或负载也可利用此电路和技术来加以补偿，以调节开关频率来与由变化的状况引起的经更改的谐振频率调谐。

已按照包含细节的具体实施例描述了本申请以促进对谐振电力转换器的构造和操作的原理的理解。各图中示出和描述的组件中的许多可被互换以实现必要的结果，并且本描述应当被解读为也涵盖这种互换。这样，本文中对具体实施例及其细节的述及并不旨在限制所附权利要求的范围。本领域技术人员将会清楚，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对为了说明而选择的实施例作出修改。