以多种模式操作功率开关的方法和设备与流程

[0001]
本申请涉及用于控制功率开关的电路和方法，更具体地，提供了其中可以在第一模式中通过开关控制信号，并且在诸如有源二极管模式之类的第二模式中通过功率开关的电压或电流而确定功率开关的导通性的技术。


背景技术：

[0002]
电子开关广泛用于多种应用。在这些应用中的许多应用中，电子开关主要在完全导通模式或断开模式中操作。避免了开关部分导通的状态，对于一些开关类型，其可以称为线性模式或三极管模式，因为这种状态期间的功率损耗高于完全导通状态或断开状态下的损耗。主要在完全导通或断开模式中使用电子开关的常见应用包括开关模式电源(smps)、电机驱动器、以及充电电路。
[0003]
通常在完全导通或断开状态使用的电子开关的一个示例是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。mosfet代表一种具有本征二极管的开关，使得该开关不能阻断沿一个方向的电流。当例如通过施加到mosfet的栅极电压的适当设置而关断mosfet时，电流沿一个方向的流动受阻，但本征(体)二极管允许电流沿另一个方向流动，前提是本征二极管两端的电压足够高以正向偏置该二极管。在许多不需要阻断沿两个方向通过开关的电流的应用中，本征二极管提供有用性能或至少无害。
[0004]
smps的电子开关既可以用于smps的功率级电路，也可以用于有源整流器电路，这些电路所需的开关控制完全不同。考虑例如隔离smps，其中变压器将初级侧和次级侧分开。可以开关(控制)初级侧上的功率级内的电子开关，以适当地将功率从输入传送到变压器，进而又传送到次级侧和smps的输出。功率级将直流(dc)电压转换为在变压器两端施加的交流(ac)电压。整流器将在变压器的次级侧感应的ac电压转换为在输出处提供的dc电压。dc电压可以使用无源整流器(例如，二极管桥)来提供，但是二极管两端的电压降会导致功率损耗，该功率损耗在一些应用中可能会高到无法接受的程度。特别是，当使用二极管桥时，提供低输出电压(例如，3.3v、1.8v)的smps的效率非常差，因为每个二极管两端的电压降(通常为0.7v)代表系统的功率损耗中的很大一部分。通过使用电子开关执行有源整流而非使用基于二极管的无源整流，可以大大提高smps的功率效率。与开关的导通电阻有关的电子开关两端的电压降通常明显小于二极管两端的电压降，并且由适当控制的电子开关引起的最终功率损耗明显小于功率二极管的功率损耗。
[0005]
有源整流器替代具有电子开关的无源整流器的二极管。必须控制开关，使得允许电流仅沿一个方向流动，对于mosfet，该方向必须沿本征二极管的方向。同时，以完全不同的方式控制功率级的电子开关。特别地，通常调整用于控制功率级开关的占空比、频率和/或相移，以便在smps的输出处维持期望电压。
[0006]
如上文所描述的，双向smps支持从初级侧到次级侧的正向功率流以及从次级侧到初级侧的反向功率流。沿反向方向，必须控制次级侧功率级以便传送适当的能量，而必须对初级侧上的电压进行整流。
[0007]
期望开关控制电路能够在不同的操作模式下控制电子开关，使得电子开关可以操作以支持功率级或有源整流器。


技术实现要素：

[0008]
根据一个实施例，提供了一种用于控制具有本征二极管的功率开关的方法，该本征二极管被配置为传导功率开关的反向方向的电流，其中功率开关不能阻断沿反向方向的电流。该方法包括：接收配置信号，该配置信号指示功率开关的操作模式。如果指示了有源二极管配置，则感测功率开关的电流和/或电压；并且如果感测的电流和/或电压指示正电流沿反向方向通过功率开关，则接通功率开关。如果指示正常(pwm)配置，则响应于接收到指引关断功率开关的开关控制信号而关断功率开关，并且响应于接收到指引接通功率开关的开关控制信号而接通功率开关。
[0009]
根据双向开关模式电源(smps)的实施例，该smps包括用于提供与smps的外部连接的第一smps端子和第二smps端子、高侧开关和低侧开关、电感器、控制器、以及第一驱动器电路以及第二驱动器电路。高侧开关和低侧开关在开关节点处耦合在一起。附加地，高侧开关耦合到第一smps端子。电感器电插置在开关节点与第二smps端子之间。控制器被配置为通过生成用于高侧开关和低侧开关中的一个开关的开关控制信号来控制第一smps端子与第二smps端子之间的功率流动。第一驱动器控制电路被配置为使用有源二极管模式或正常模式来控制高侧开关，其中对于有源二极管模式，高侧开关导通性基于感测的高侧开关的电流或电压，而对于正常模式，高侧开关导通性基于控制器所生成的开关控制信号。同样，第二驱动器控制电路被配置为使用有源二极管模式或正常模式来控制低侧开关，其中对于有源二极管模式，低侧开关导通性基于感测的低侧开关的电流或电压，而对于正常模式，低侧开关导通性基于控制器所提供的开关控制信号。smps被配置为在第一时间间隔期间以第一模式操作以及在第二间隔期间以第二模式操作，在该第一模式中，功率从第一smps端子传送到第二smps端子；并且在该第二模式中，功率从第二smps端子传送到第一smps端子。
[0010]
根据其中初级侧和二次侧之间具有隔离(诸如双向车载充电器(obc))的转换器(例如，dc/dc转换器或ac/dc转换器)的实施例，转换器包括第一直流(dc)功率节点和第二dc功率节点，第一dc功率节点和第二dc功率节点中的每个dc功率节点都用于连接到功率源或功率槽；隔离变压器，其包括初级绕组和次级绕组；初级侧功率级；次级侧功率级；以及控制器。初级侧功率级将第一dc功率节点耦合到初级绕组。次级侧功率级将次级绕组耦合到第二dc功率节点。次级侧功率级包括次级侧半桥，该次级侧半桥包括以半桥配置布置的第一次级侧功率开关和第二次级侧功率开关。次级侧功率级还包括分别耦合到第一次级侧功率开关和第二次级侧功率开关的第一次级侧开关控制器电路和第二次级侧开关控制器电路。开关控制器电路中的每个开关控制器电路被配置为以正常模式和以有源二极管模式操作，在该正常模式中，外部提供的开关控制信号控制耦合到该开关控制器电路的功率开关的导通性，并且在该有源二极管模式中，耦合到开关控制器的功率开关的导通性基于感测的功率开关的电流和/或电压。控制器被配置成在第一间隔期间以正向模式以及在第二间隔期间以反向模式操作转换器，在该正向模式中，功率从第一dc功率节点传送到第二dc功率节点；在该反向模式中，功率从第二dc功率节点传送到第一dc功率节点。对于正向模式，控制器将次级侧控制器电路设置为以有源二极管模式操作次级侧功率开关。对于反向模
式，控制器将次级侧控制器电路设置为以正常模式操作次级侧功率开关，并且生成用于次级侧功率开关的外部提供的控制信号。
[0011]
在阅读以下具体实施方式并且在查看附图时，本领域技术人员将认识到附加特征和优点。
附图说明
[0012]
附图的元件不必相对于彼此成比例绘制。相同的附图标记表示对应的相似部分。除非各种图示实施例的特征相互排斥，否则可以组合它们。实施例在附图中进行了描述，并且在随后的描述中得以详述。
[0013]
图1图示了可以以降压模式或升压模式操作的开关模式电源(smps)的示意图。
[0014]
图2a图示了当以降压模式操作时的图1的smps的示意图。图2b图示了与图2a的图相对应的波形。
[0015]
图3a图示了当以升压模式操作时的图1的smps的示意图。图3b图示了与图3a的图相对应的波形。
[0016]
图4图示了其中通过安全开关而非由功率级内的开关提供电流阻断的备选smps的示意图。
[0017]
图5图示了当smps以降压模式操作时的图4的smps的示意图。
[0018]
图6a图示了栅极驱动控制器及其与功率开关的连接的示意图。图6b和图6c图示了在栅极驱动控制器的控制下功率开关的电压-电流关系。
[0019]
图7图示了利用晶体管镜来感测功率开关的电流的栅极驱动控制器的示意图。
[0020]
图8图示了利用低压功率开关和高压功率开关的开关电路的示意图。
[0021]
图9图示了具有输出电流感测信号的功率开关的开关电路的示意图。
[0022]
图10a图示了用于电机/发电机的驱动器电路的示意图，其中该驱动器电路可以用作用于驱动电机/发电机的功率级或用作用于整流由电机/发电机生成的功率的有源整流器。
[0023]
图10b图示了与当以发电机模式操作时从电机/发电机输出的电流相对应的波形。
[0024]
图11图示了支持功率沿任一方向传送的隔离车载充电器。
[0025]
图12图示了有源二极管或pwm模式下功率开关的控制方法。
具体实施方式
[0026]
许多电路依靠电子开关来生成交流(ac)功率和/或在生成直流(dc)功率时对ac功率进行整流。例如，诸如降压转换器或升压转换器之类的开关模式电源(smps)从电源输入dc电压，使用由一个或多个电子开关组成的功率级来将dc电压转换为ac电压，并且使用整流器来将ac电压转换为在输出处提供的dc电压。用于实现smps的电路拓扑结构很多，这些电路拓扑结构包括隔离电压转换器和非隔离电压转换器两者。示例性非隔离电压转换器包括降压转换器和升压转换器，并且使用电感器作为能量存储部件。包括例如反激转换器和正向转换器的隔离电压转换器使用变压器既用于能量存储/传送又用于在转换器的输入与输出之间提供电气(电流)隔离。虽然上述转换器的特定电路拓扑结构有所不同，但是它们的相似之处在于，每个转换器都具有可以被视为功率级的电路和可以被视为整流器的电
路。在非隔离降压转换器中，例如，单个电子开关可以提供功率级，而二极管可以提供整流器。在典型的隔离转换器中，功率级可以是包括两个电子开关的半桥，而整流器可以包括二极管桥等。
[0027]
包括一些smps在内的许多现代电路都使用有源整流，其中电子开关用于允许电流沿一个方向流动，而阻断电流沿另一方向流动，从而模拟二极管的操作。由于可以大大减少二极管两端的电压降所引起的功率损耗，所以与基于二极管的无源整流相比，有源整流提供更好的功率效率。然而，有源整流需要生成用于一个或多个电子开关的控制信号，使得允许电流仅沿期望方向流动。电子开关两端的电压可以用于确定应当接通开关的时间。例如，典型的增强型n沟道mosfet沿从mosfet的源极端子到漏极端子的方向包括体二极管。如果源极电压大于漏极电压，则应当接通开关，以使正电流从mosfet的源极流到漏极，而无需使用体二极管以及没有与其相关联的功率损耗。当漏极电压大于源极电压时，应当关断开关，以便阻断正电流从漏极流向源极。附加地或备选地，可以以其他方式(例如，使用分流电阻器两端的电压、使用功率开关的感测路径(其中开关区域的一部分用作感测元件，kilis)或通过测量与开关串联连接的电感器或绕组两端的电压)来监测或预测流过开关的电流。专用有源二极管控制电路系统可以测量开关的电压或电流，并且基于这样的测量来控制开关的导通性。这种控制电路系统和电子开关的组合有效地提供了自主有源二极管，例如，无需外部控制信号，以用于控制电子开关。
[0028]
与有源整流器的电子开关相比，功率级的电子开关基于外部提供的控制信号来控制。在典型的smps中，诸如比例积分微分(pid)控制器之类的控制器生成用于功率级的一个或多个电子开关的控制信号，以便在smps的输出处维持期望电压。
[0029]
提供减压电压转换或增压电压转换的隔离smps的初级侧功率级包括电子开关，这些电子开关由外部提供的控制信号(例如，来自可操作以调节次级侧上的输出电压的控制器的控制信号)控制。这种smps还可以具有次级侧有源整流器，该次级侧有源整流器包括作为自主有源二极管操作的电子开关。在第一模式下，功率从初级侧传送到次级侧，并且输出电压相对于输入减小或增加。如果smps是双向的，则smps还应当能够在第二模式下操作，在该第二模式下，功率从次级侧传送到初级侧，从而增加或减小次级侧输入电压并且在初级侧输出处提供增加的电压或减小的电压。在优选实施例中，初级侧电子开关在第一操作模式(初级到次级功率传送)中由外部提供的控制信号控制，并且在第二操作模式(次级到初级功率传送)中作为有源二极管操作。相反，次级侧电子开关优选地在第一操作模式(初级到次级功率传送)中作为有源二极管操作，并且在第二操作模式(次级到初级功率传送)中由外部提供的控制信号控制。
[0030]
本文中描述了多种模式中电子开关的控制电路和方法，这些模式包括例如有源二极管模式和外部控制模式。对于安全关键应用，开关控制还可以包括保护模式，其中有源二极管操作或外部控制操作可以响应于检测到诸如短路或过电流条件而被覆盖。这些电路和方法在双向smps中有特殊用途，其中一个或多个电子开关可以被从外部控制以便提供功率级，或者可以被设置为有源二极管模式以提供整流。虽然在smps的上下文中主要对电路和方法进行了描述，但是其他设备也可以有利地使用这些电路和方法。例如，可以以电机模式有源控制桥电路的电子开关，以设置电机/发电机的方向和/或速度。在发电机模式中，桥电路的电子开关可以设置为有源二极管模式，以便当电机/发电机以发电模式操作时提供有
源整流。
[0031]
为了说明清楚，通过特定示例性实施例对本发明进行了描述。应当理解，下文的示例并不意味着具有限制性。没有对本领域中公知的电路和技术进行详细描述，以免混淆本发明的独特方面。除非上下文不允许，否则可以组合或重新布置示例实施例的特征和方面。
[0032]
该描述从非隔离双向降压/升压转换器的实施例开始，该非隔离双向降压/升压转换器被配置为以第一模式和第二模式操作，在该第一模式中，功率沿正向方向传送；并且在该第二模式中，功率沿反向方向传送。该降压/升压转换器中的电子开关以有源二极管模式、外部控制模式、或保护模式操作。降压/升压转换器描述之后是对在提供不同操作模式时使用的栅极驱动控制电路系统的更详细描述，降压/升压转换器或其他应用可以使用该栅极驱动控制电路系统。接下来，对将栅极驱动器控制电路系统用于电机/发电机控制进行描述。在另一示例中，描述了一种隔离车载充电器，其中第一电子开关集合和第二电子开关集合中的每个电子开关集合都可以以有源二极管模式或外部控制模式操作。最后，描述了一种以有源二极管模式或外部控制模式控制功率开关的方法。
[0033]
具有安全保护开关的降压升压转换器
[0034]
图1图示了以降压模式或升压模式操作的非隔离双向电压转换器100以及连接到电压转换器100的第一电池bat1和第二电池bat2。依据功率流动方向，每个电池都可以用作功率源或功率槽(负载)。如所图示的，第一电池bat1的第一电压v1高于第二电池的电压v2。例如，第一电池bat1的标称电压可以为48v，而第二电池bat2的标称电压可以为12v。如图1所示，电压转换器100可以用于以任一方向在例如用于汽车应用的两个能量源之间传送能量。当能量从第一电池bat1传送到第二电池bat2时，电压转换器100以降压(减压)模式操作，并且第二电池bat2被充电。当能量沿反向方向传送时，电压转换器100以升压(增压)模式操作，从而为第一电池bat1充电。因此，电压转换器100是一种降压升压转换器。
[0035]
电压转换器100包括第一端子102，其用于连接到诸如第一电池bat1之类的外部功率源/功率槽；以及第二端子104，其用于连接到诸如第二电池bat2之类的另一外部功率源/功率槽。除了所图示的电池bat1、bat2之外，诸如电机或发电机之类的附加功率源/功率槽还可以例如与电池bat1、bat2并联连接到电压转换器100的端子102，104。电压转换器100包括高侧开关th、用于驱动所述开关th的高侧栅极驱动器112h、以及用于控制栅极驱动器112h的高侧栅极驱动控制器120h，它们一起构成高侧开关电路110h。高侧开关电路110h的部件可以单片集成。电压转换器100包括类似的低侧开关电路110l，其包括低侧开关tl、低侧栅极驱动器112l、以及低侧栅极驱动控制器120l。电压转换器100还包括电感器l1，并且可选地包括保护隔离器电路150。保护电路150包括由相应栅极驱动器152，154驱动的保护开关t1，t2。针对包括汽车应用在内的安全关键应用，包括保护电路150，并且假如例如在开关th，tl中的一个开关两端发生短路故障，该保护电路150可以用于将电池bat1，bat2彼此隔离或将电池bat1，bat2与接地隔离。
[0036]
与现有电压转换器控制相比较，高侧栅极驱动控制器120h和低侧栅极驱动控制器120l使得电压转换器100能够以几种模式中的一个模式控制相关联的开关，从而允许开关电路110h、110l中的每个开关电路在如模式信号mode1、mode2所指示的多种模式中操作，这些模式包括脉宽调制(pwm)模式和有源二极管模式。附加地，模式信号可以指示安全截止模式，其中应当响应于故障的外部或内部指示而关断开关。下文结合图2a、图2b、图3a和图3b
的描述对不同的模式进行更彻底的说明。
[0037]
电压转换器100还包括控制器190，该控制器190生成用于栅极驱动控制器120h，120l和保护电路150的控制信号。控制器190所生成的第一模式信号mode1指示高侧栅极驱动控制器120h应当以pwm模式、有源二极管模式还是以其他方式操作。当第一模式信号mode1指示pwm模式时，控制器190所生成的第一pwm信号pwm1经由栅极驱动器112h控制高侧开关th的导通性。例如，控制器190内的pid控制器可以生成第一pwm信号pwm1以维持电池bat2两端的期望目标电压。当第一模式信号mode1指示有源二极管模式时，高侧gd控制器120h忽略了信号pwm1，并且高侧开关th的导通性基于通过高侧开关th的电流i
th
、高侧开关th的漏极到源极电压v
ds_th
、或高侧开关电路110h的类似信号。这样，高侧开关电路110h可以在有源二极管模式下自主操作，而不依赖来自控制器190的pwm控制信号。在这种模式中，控制器190既无需生成控制信号pwm1，也无需感测高侧开关th的电流或电压来实现这一点。除了使控制器190免于生成第一pwm控制信号pwm1之外，可以消除或至少减少控制器190感测电流或电压的延迟。
[0038]
对应模式和pwm信号mode2、pwm2以类似方式配置和控制低侧gd控制器120l。保护电路150的安全开关t1，t2通过控制器190所生成的安全控制信号ctrl_safety接通。如果控制器检测到电压转换器100中的故障，例如，来自电池bat1、bat2中的一个电池的电流流动过大或电池电压v1，v2超出正常(非故障)范围，则控制器190使用安全控制信号ctrl_safety关断安全开关t1，t2。
[0039]
可以使用模拟硬件部件(诸如晶体管、放大器、二极管、电阻器、模数转换器)和主要包括数字部件的处理器电路系统的组合来实现控制器190及其组成部分。处理器电路系统可以包括以下各项中的一项或多项：数字信号处理器(dsp)、通用处理器、以及专用集成电路(asic)。控制器190还可以包括存储器，例如，诸如闪存之类的非易失性存储器，其包括供处理器电路系统使用的指令或数据；以及一个或多个计时器。控制器190输入传感器信号，诸如与电池电压v1，v2以及电感器l1的电流i
l
相对应的信号。
[0040]
图1所示的高侧开关th和低侧开关tl是增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，但是可以使用其他开关类型。例如，在一些应用中，结场效应晶体管(jfet)、双极结晶体管(bjt)、绝缘栅双极晶体管(igbt)、高电子迁移率晶体管(hemt)或其他类型的功率晶体管可能是优选的。应当指出，并非所有这些开关类型都具有本征二极管。在以下实施例中所描述的功率开关也被示为mosfet，但是可以使用其他类型的开关替换。
[0041]
图2a提供了当电压转换器100以降压操作模式下操作时与图1的电压转换器100相对应的示意图200。图2b图示了与该电压转换器的降压模式操作相对应的波形。所示的电压转换器200从电压为48v的电池bat1输入功率，并且向电压为12v的电池bat2输出功率(为其充电)。控制器190(为了便于说明而没有示出)生成信号mode1、mode2和pwm1，用于控制高侧开关电路110h和低侧开关电路110l。
[0042]
用于高侧开关电路110h的模式信号被设置为pwm_mode，使得高侧开关th由控制信号pwm1控制。低侧模式信号被设置为active_diode_mode，从而将低侧开关电路110l设置为允许仅沿所图示方向流动的正电流i
fw
。低侧开关tl被图示为续流二极管，但是应当理解，当低侧开关tl的电流可能以其他方式流动通过其体二极管时，这通过在低侧开关电路110l内内部控制接通开关tl来实现。控制器190无需生成用于低侧开关tl的开关控制信号pwm2；低
侧开关电路110l基于内部感测的(多个)电压和/或(多个)电流来自主操作。
[0043]
当接通高侧开关th时，正电流i
p
流过高侧开关th和电感器l1。当接通低侧开关tl时，正电流i
fw
流过低侧开关tl和电感器l1。这两个电流i
p
，i
fw
都流过电感器i
l
，并且与电感器电流i
l
相对应。
[0044]
图2b图示了高侧控制信号pwm1的波形204和电感器电流i
l
的波形202。在表示为
‘
p’的正间隔期间，控制信号pwm1经由高侧gd控制器120h接通高侧开关th，从而导致电感器电流i
l
增加。每个正间隔之后是表示为
‘
f’的续流间隔，该续流间隔期间，电感电流i
l
减小。在这些间隔p，f期间，电流i
l
上升或下降的速率由电感器l1两端的电压差(即，如果忽略了开关两端的电压降，则为v1-v2)和电感器l1的电感确定。如果在续流间隔期间电流i
l
降为零，则续流间隔之后是表示为
‘
z’的零间隔，并且电压转换器200以不连续传导模式(dcm)操作。如果在每个续流间隔期间电流i
l
降至零之前始终激活高侧控制信号pwm1或者如果允许电流i
l
变为负值，则电压转换器200以连续传导模式(ccm)操作。dcm为经常以低功率模式操作的转换器提供了功率节省优势，而ccm为一些拓扑结构提供了更简单的控制。
[0045]
图3a提供了以升压操作模式操作的电压转换器的示意图300，即，其中功率从第二电池bat2流向第一电池bat1。图3b图示了与该电压转换器的升压模式操作相对应的波形。控制器190(为了便于说明而没有示出)生成信号mode1，mode2和pwm2，用于控制高侧开关电路110h和低侧开关电路110l。正电流i
boost
沿所图示的方向流动，该方向与图2a中所示的方向i
l
相对。
[0046]
低侧开关电路110l的模式信号被设置为pwm_mode，使得低侧开关tl由控制信号pwm2控制。高侧模式信号被设置为active_diode_mode，从而将高侧开关电路110h设置为允许仅沿所图示方向流动的正电流i
fw
。高侧开关th被图示为续流二极管，但是应当理解，当高侧开关th的电流可能以其他方式流动通过其体二极管时，这通过内部控制接通开关th来实现。控制器190无需生成用于高侧开关th的开关控制信号pwm1；高侧开关电路110h基于内部感测的(多个)电压和/或(多个)电流来自主操作。
[0047]
当接通高侧开关tl时，正电流i
p
流过电感器l1和低侧开关tl。当接通高侧开关th时，正电流i
fw
流过电感器l1和高侧开关th。这两个电流i
p
、i
fw
都流过电感器i
l
，并且与升压电流i
boost
相对应。
[0048]
图3b图示了低侧控制信号pwm2的波形304和升压电流i
boost
的波形302。在表示为
‘
p’的正间隔期间，控制信号pwm2经由低侧gd控制器120l接通低侧开关tl，从而导致升压电流i
boost
增加。每个正间隔p之后是表示为
‘
f’的续流间隔，在该续流间隔期间，升压电流i
boost
减小。如上文所描述的降压操作中一样，如果续流间隔期间的电流i
boost
降至零，则续流间隔之后是零间隔
‘
z’，并且如所图示的，电压转换器300以不连续传导模式(dcm)操作。
[0049]
图4图示了降压升压转换器的备选配置的示意图400。该电压转换器400类似于图1的转换器100，但是有源整流由安全电路450而非高侧开关th或低侧开关tl提供。
[0050]
高侧开关th和低侧开关tl以及它们各自的栅极驱动器412h，412l以半桥配置布置。反相器430被配置为使得每当关断高侧开关th时，就接通低侧开关tl，反之亦然。(附加地，在开关过渡处通常包括短暂死区时间以避免击穿，在该死区时间期间，两个开关均未接通。为了便于说明，未明确示出实现这些死区时间间隔的电路系统。)这种布置避免使用高侧gd控制器110l和低侧gd控制器110h，从而简化了功率级。控制器使用单个pwm控制信号在
降压模式或升压模式下控制开关th，tl。在没有其他整流的情况下，这种布置会导致ccm，从而在一些情形下可能导致非期望的电流流动。
[0051]
为了解决这个问题，安全电路450被配置为还提供有源整流。除了安全开关t1，t2及其各自的驱动器452、454之外，安全电路450还包括gd1控制器461和gd2控制器462。这些控制器461、462的配置类似于图1的控制器120l、120h的配置。值得注意的是，gd控制器461，462中的每个gd控制器可以以多种模式操作，这些模式包括直接控制模式和有源二极管模式，该直接控制模式与针对控制器110h、110l所描述的pwm模式类似。模式信号mode1、mode2确定gd控制器461、462的模式(例如，直接控制模式或有源二极管模式)，而当模式被设置为直接控制模式时，控制输入ctrl1、ctrl2确定开关t1，t2的导通性。模式和控制信号mode1、mode2、ctrl1、ctrl2通常由诸如先前所描述的控制器190之类的控制器生成。为了便于说明，未示出这种控制器。
[0052]
当第一模式信号mode1被设置为有源二极管模式时，控制第一开关t1的导通性，使得每当电流以其他方式流过开关t1的体二极管时，便会接通开关t1。对于所图示的mosfet，这对应于从开关t1的源极端子流向漏极端子的电流。这种操作不需要外部干预，例如，从控制器生成开关控制信号。在有源二极管模式中，由第一开关t1、第一栅极驱动器452和gd1控制器461组成的第一开关电路自主操作以提供有源二极管功能。应当指出，还可以在不提供如所指示的专用模式控制信号mode1的情况下设置模式，例如，该模式可以存储在gd1控制器461的配置寄存器内。gd2控制器462、第二栅极驱动器454和第二安全开关t2以与上文所描述的方式类似的方式操作。
[0053]
图5图示了当电压转换器400以降压操作模式操作时与图4的电压转换器400相对应的示意图500。对于gd1控制器461，第一模式mode1被设置为直接控制模式，并且第一控制输入ctrl1被设置为on，使得第一开关t1导通。gd2控制器462的模式mode2被设置为有源二极管模式，在该有源二极管模式下，不使用第二控制输入ctrl2。在该模式下，每当沿从开关源极端子到开关漏极端子的方向(即，沿正电流流动i
l
的方向)存在潜在的电流流动时，gd2控制器462使用第二开关t2的电压或电流来接通第二开关t2。gd2控制器462感测第二安全开关t2的电流(例如，i
l
)或电压(例如，漏极到源极电压v
t2_ds
)，以确定接通第二安全开关t2的时间，从而允许电流仅沿期望方向(即，朝向第二电池bat2)流动。当使用传统半桥和对功率级进行相对简单的控制时，这种操作在低功率传送时段期间允许dcm及其相关联的省电优势。半桥和电感器电流i
l
的合成pwm控制与图2b所示的波形204，202类似。
[0054]
虽然未明确示出，但是通过将gd1控制器461设置为有源二极管模式，将gd2控制器462设置为直接控制模式，以及将第二控制输入ctrl2设置为on，使得图4的电压转换器400还可以以升压模式操作。这种操作仅允许从第二端子104到第一端子102的方向(即，与所图示的电流流动方向i
l
相对的方向)的正电流。这种配置还在以简单方式操作半桥(th，tl)的同时实现dcm，并且产生与图3b所示的pwm和电流波形类似的pwm和电流波形304，302。
[0055]
栅极驱动控制器
[0056]
图6a图示了栅极驱动控制器620，如同可以用于先前结合图1和图4所描述的栅极驱动控制器120h、120l、461、462中的任一栅极驱动控制器一样。栅极驱动控制器620提供了用于驱动栅极驱动器612的控制信号ctrl_tpwr，该栅极驱动器612进而驱动功率开关t
pwr
。该功率开关t
pwr
可以是先前所描述的高侧开关th、低侧开关tl或安全开关t1，t2中的任一开
关。栅极驱动控制器620包括栅极驱动信号发生器622、有源二极管控制器624、故障检测器626、电流传感器6282、以及电压传感器6284。
[0057]
有源二极管模式操作使用有源二极管控制器624和传感器6282，6284中的一个或两个传感器来实现。电压传感器6284被配置为测量功率开关t
pwr
的漏极到源极电压，并且将结果v
ds_tpwr
提供给有源二极管控制器624。电流传感器6282被配置为测量功率晶体管t
pwr
的电流614，并且将结果i
tpwr
提供给有源二极管控制器624。电流i
tpwr
可以例如使用与功率开关t
pwr
串联的分流电阻器、使用dcr电路或使用功率晶体管t
pwr
的漏极到源极电压v
ds_tpwr
而被感测。
[0058]
在优选实施例中，当漏极到源极电压v
ds_tpwr
低于为负值的激活阈值v
ds_thr
时，接通触发器6244激活有源二极管控制信号ad_ctrl。换句话说，功率晶体管t
pwr
的源极到漏极电压应当高于阈值，该阈值防止体二极管携带电流通过功率开关t
pwr
。例如，体二极管可以以0.7v的源极到漏极电压而被正向偏置，在这种情况下，如果漏极到源极电压v
ds_tpwr
低于例如-0.1v或-0.2v，则应当接通功率开关t
pwr
。(换句话说，源极到漏极电压高于0.1v或0.2v。)
[0059]
在有源二极管模式下，优选地，当通过开关t
pwr
的电流为零时，如可以由电流传感器6282感测的一样，关断功率开关t
pwr
。由于gd信号发生器622和栅极驱动器612的延迟，可以期望在电流幅度达到零之前触发功率开关t
pwr
的关断。这通过有源二极管控制器624的关断触发电路6242进行，该关断触发电路6242将感测的电流i
tpwr
与阈值i
tpwr_thr
进行比较，并且响应于检测到该电流的幅度达到阈值电流i
tpwr_thr
的幅度，停用有源二极管控制信号ad_ctrl。对于所图示的电流方向i
load
，阈值i
tpwr_thr
为小负值，并且当i
load
>i
tpwr_thr
时，触发开关关断，其中当电流以功率开关tpwr的体二极管的方向流动时，电流i
load
为负值。
[0060]
在优选实施例中，体二极管不会携带任何电流。如果功率开关过早关断，则可能会激活体二极管，从而导致功率开关t
pwr
的漏极到源极电压突然改变。反过来，这可能导致非期望的电磁干扰(emi)。为了避免这样的问题，电流阈值i
tpwr_thr
可以被设置为使得直到电流方向i
load
反向之前，才关断开关t
pwr
，并且电平很小的正电流沿i
load
的图示方向流动。
[0061]
上文所描述的有源二极管控制器624使用感测的电压v
ds_tpwr
来触发开关t
pwr
的接通，并且使用感测的电流i
tpwr
来触发开关t
pwr
的关断。在其他实施例中，感测的电压v
ds_tpwr
可以用于触发功率开关t
pwr
的接通和关断。然而，难以检测到在接近零电流时准确关断功率开关t
pwr
所需的低电压电平，因此优选实施例使用感测的电流i
tpwr
来触发关断。在其他实施例中，感测的电流i
tpwr
可以用于触发接通和关断两者。对于这种实施例，接通需要一些电流以体二极管的方向流动以检测沿期望方向的感测电流i
tpwr
。这意指在每次接通过渡时，体二极管至少使用一小段时间，这会导致不必要的功率损耗，并且可能导致高水平的emi。因此，该技术不是优选的。
[0062]
栅极驱动(gd)信号发生器622基于模式、安全禁用信号(safety_dis)、pwm控制信号(pwm_ctrl)和有源二极管控制信号(ad_ctrl)来生成开关控制信号ctrl_tpwr。如果mode指示有源二极管模式，则gd信号发生器622将其输出基于gd信号发生器622内的有源二极管控制器624所提供的有源二极管控制信号(ad_ctrl)。如果mode指示pwm(直接控制)模式，则开关控制信号ctrl_tpwr基于外部提供的pwm控制信号。附加地，安全禁用(safety_dis)信号可以静态禁用gd信号发生器622。当在系统中检测到故障并且应当禁用功率开关t
pwr
以停止电流流动时，诸如控制器190之类的控制器可以生成safety_dis信号。
[0063]
故障检测器626可以使用功率开关t
pwr
的电压v
ds_tpwr
或电流i
tpwr
来检测故障。例如，幅度大于可接受值的电压v
ds_tpwr
或电流i
tpwr
可以指示问题，在这种情况下，故障检测器626发出故障检测信号fault_det。该故障检测信号可以从栅极驱动控制器620输出，并且还可以提供给gd信号发生器622，以禁用控制信号ctrl_tpwr。故障检测器626优选地在有源二极管模式和pwm模式两者期间都操作。在有源二极管模式下，当电流i
load
在阈值电流i
tpwr_thr
与安全截止阈值i
tpwr_safety
之间的范围内时，有源二极管控制器624和故障检测器626操作以仅接通功率开关t
pwr
，其中对于所图示的i
load
方向，电流i
load
、i
tpwr_thr
和i
tpwr_safety
都为负值。
[0064]
图6b图示了用于直接控制(pwm)模式的功率开关t
pwr
的电压电流映射。曲线642图示了例如通过pwm_ctrl信号接通开关时的映射，而曲线644图示了关断开关时的映射。图6c图示了用于有源二极管工作模式的功率开关t
pwr
的电压电流映射646。
[0065]
备选栅极驱动控制器
[0066]
对于一些实现方式，流过图6的功率开关t
pwr
的电流i
load
可能非常大，这可能会使得难以感测该电流。例如，如果使用分流电阻器感测电流i
load
(例如，在614处)，则高电流可能导致分流电阻器中的高功率损耗，并且需要使用额定用于高功率的分流电阻器。附加地，高电流(及其相关联的功率)可能使得栅极驱动控制器620、栅极驱动器612和功率开关t
pwr
的单片集成不可行。图7所图示的栅极驱动控制器720和相关联的电路系统解决了这些问题。除非另有描述，否则可以假定栅极驱动控制器720的部件与图6的对应部件类似，不过栅极驱动控制器720省略了与栅极驱动控制器620，720的差异无关的一些信号和部件。
[0067]
功率开关t
pwr
通过镜开关t
mir
得以增强，该镜开关t
mir
承载的电流i
tmir
与通过功率开关t
pwr
的电流成比例。例如并且如传统一样，镜开关t
mir
可以以与功率开关t
pwr
相同的技术制造，但是具有不同的大小(宽度、长度)，使得镜开关t
mir
所承载的电流按比例缩小，例如，通过开关t
pwr
、t
mir
的电流可能与1000:1的比例有关。将负载电流与感测电流相关的系数(通常称为kilis)用于量化该比例。开关t
mir
、t
pwr
由同一栅极驱动器712控制。镜开关t
mir
可以是不是连接到负载源端子s而是连接到感测输出的功率开关t
pwr
的一部分。通过镜开关t
mir
的电流i
tmir
可以用于估计负载电流i
load
。例如，来自镜开关t
mir
的连接714可以包括分流电阻器，并且电流传感器7282可以使用分流电阻器两端的电压来估计电流i
tmir
以及相关联的电流i
load
＝αi
tmir
，其中α是与开关t
mir
、t
pwr
的相对大小有关的正系数。这种实现方式具有以下优点：相对于图6的电路，可以减少分流电阻器的功率损耗和额定功率。
[0068]
在一些实现方式中，图7所示的电路系统单片集成在同一半导体上。栅极驱动控制器720主要包括数字电路系统，该数字电路系统可以使用能够处理低于例如20v的电压的低成本低压半导体工艺来实现。混合信号电路系统(例如，电流传感器7282、电压传感器7284和栅极驱动器712)还可以使用低压电路系统实现，除了功率开关tpwr两端的电压v
ds_tpwr
可能太大而无法被在低压半导体工艺中实现的电压传感器检测到之外。该电压v
ds_tpwr
的范围可以由诸如图1的电池bat1、bat2之类的系统部件来确定。图8图示了低压开关电路810，其在很大程度上实现了期望的单片集成，同时还适应由具有该系统的其他电路系统所需的高压电平。
[0069]
在图8的电路中，图7的功率开关t
pwr
分为高压开关t
hv
和低压开关t
lv
。高压开关t
hv
被配置为适应其漏极端子和源极端子两端的高压降，使得低压开关t
lv
仅需要支持其漏极端子和源极端子两端的低压，如可以通过低压半导体工艺支持的一样。因此，低压开关t
lv
可以
与栅极驱动控制器720集成，该栅极驱动控制器720能够感测低压开关t
lv
的相对较低的电压v
ds_lv
。高压开关t
hv
在单片集成的低压开关电路810的外部实现，并且可以例如是分立功率开关。高压开关t
hv
以与先前所描述的方式相同的方式进行控制，但是可能需要不同的栅极驱动器813来适应其栅极电压要求。
[0070]
图9图示了另一电路划分，其中功率开关t
pwr
输出电流感测信号914。如先前所描述的，栅极驱动控制器920和栅极驱动器712可以集成在低压开关电路910内。电流感测信号914输入到栅极驱动控制器920内的电流传感器9282。如图6a的描述中所暗示的，栅极驱动控制器920使用感测的电流i
load_sns
来触发功率开关t
pwr
的接通和关断。例如，电流传感器9282可以感测电流正在流过体二极管，并且作为响应，接通触发器9244设置有源二极管控制信号(ad_ctrl)以接通功率开关t
pwr
。一旦电流i
load_sns
的幅度达到阈值，则关断触发器9242重置有源二极管控制信号(ad_ctrl)以关断功率开关t
pwr
。
[0071]
电机/发电机控制器
[0072]
图10a图示了桥电路1000，其可以用作三相电机/发电机1080的功率级或有源整流器。在第一模式下，电机/发电机1080用作电机并且由电池1070供电。在第二模式下，电机发电机1080用作发电机并且电池1070被充电。栅极驱动控制器1020uh、1020ul，1020vh、1020vl、1020wh、1020wl被配置为使得桥电路1000可以作为用于电机模式的功率级操作或作为用于发电机模式的有源整流器操作。
[0073]
电机/发电机1080由分别表示为
‘
u’、
‘
v’和
‘
w’的3个相位组成。每个相位都连接到半桥电路。第一半桥包括开关电路1010uh、1010ul和用于相位u的源电流/槽电流。第二半桥包括开关电路1010vh、1010vl和用于相位v的源电流/槽电流。第三半桥包括开关电路1010wh、1010wl和用于相位w的源电流/槽电流。
[0074]
u相高侧开关电路1010uh的配置与图1的高侧开关电路110h的配置类似。更具体地，该电路1010uh可以以有源二极管模式或pwm模式操作。u相低侧开关电路1010ul的配置与图1的低侧开关电路110l的配置类似，并且也可以以有源二极管或pwm模式操作。相位v和w具有类似的相关联的高侧开关电路和低侧开关电路1010vh、1010vl、1010wh、1010wl。
[0075]
当电机/发电机1080在电机模式下操作时，提供给gd控制器1020h、1020l中的每个gd控制器的mode信号被设置为pwm模式。通过适当交错生成pwm控制信号pwm_uh、pwm_ul、pwm_vh、pwm_vl、pwm_wh、pwm_wl，以便沿期望方向且以期望速度驱动电机。为了便于说明而没有示出的控制器生成pwm控制信号和模式信号。这种电机控制和pwm信号生成在本领域中是众所周知的，并且不再进行进一步描述。
[0076]
当电机/发电机1080以发电机模式操作时，提供给gd控制器1020h、1020l中的每个gd控制器的mode信号被设置为有源二极管模式。不需要生成pwm信号。在有源二极管模式下，gd控制器1020h、1020l将每个相位的开关t
l
，t
h
作为有源二极管操作，其中允许电流仅沿这些开关的体二极管的方向流动。电流经由端子1002流向电池1070，以便在该模式下为电池1070充电。
[0077]
图10b图示了与在发电机模式操作期间生成的绕组电流相对应的波形。对于相位u，接通高侧开关t
uh
直到时间t3，并且电流如i
uh_gen
的方向所图示流动。在时间t3，关断高侧开关t
uh
，而接通低侧开关t
ul
，从而产生所图示的电流i
ul_gen
。以相同的方式，当所图示的电流i
v
、i
w
为正时，接通其他相位的高侧开关，而当这些电流为负值时，接通低侧开关。gd控制
器配置允许桥电路作为功率级或有源整流器操作。与依赖于体二极管(或其他无源二极管)整流相比，桥电路作为有源整流器操作可以提供更好的功率效率，并且无需电机/发电机1080的控制器的附加的复杂性或连接。
[0078]
双向车载充电器(obc)
[0079]
obc可以包括ac/dc转换器，其耦合在ac电网电压与中间电压v
dc_grid
之间；以及dc/dc转换器，其耦合在v
dc_grid
与诸如v
hv_bat
之类的输出电压之间。图11图示了obc的dc/dc转换器1100，如可以用于从电网为例如电动车辆或混合动力车辆中的高压电池充电一样。除了这种充电之外，转换器1100还支持能量从电池流回到obc的电网侧。这种反向能量流动使得如果电网故障，则能够使用高压电池向房屋提供ac功率，当电网不可用而高压电池可用时(例如，当露营时)向ac设施提供ac功率等。应当指出，所图示的转换器1100在电网侧上未示出ac到dc(或dc到ac)转换，但是许多系统可能包括这种转换器。
[0080]
转换器1100使用功率节点1102、1102g连接到具有电压v
dc_grid
的初级侧dc功率源/功率槽，并且使用功率节点1104、1104g连接到具有电压v
hv_bat
的次级侧dc功率源/功率槽。ac电压可以由obc的ac到dc转换器部分处理(为便于说明而没有示出)。转换器1100还包括初级侧功率级1170、次级侧功率级1180、隔离变压器1140、以及控制器1190。
[0081]
变压器1140包括初级绕组1142、次级绕组1144、以及芯1146。初级侧功率级1170可以经由初级侧电感器l
pri
和初级侧电容器c
pri
耦合到初级绕组1142，以便提供llc转换器拓扑结构。同样，次级侧功率级1180可以经由次级侧电感器l
sec
和次级侧电容器c
sec
耦合到次级绕组1144。在其他实施例中，省略电容器c
pri
，c
sec
，如同在使用零电压开关(zvs)的全桥转换器拓扑中一样。
[0082]
初级侧功率级1170以全桥拓扑结构配置，并且可以被操作为要么向变压器1140供应功率或者要么对由变压器1140供应的功率进行有源整流。功率级1170包括第一高侧开关电路110h、第一低侧开关电路110l、第二高侧开关电路112h、以及第二低侧开关电路112l。这些开关电路110h、110l、112h、112l如针对图1的类似电路110h、110l所描述的那样配置，并且还可以使用结合图6至图9中的任一附图所描述的特定实施例。值得注意的是，开关电路110h、110l、112h、112l中的每个开关电路包括栅极驱动控制器，例如，120h、120l。为了便于说明，栅极驱动控制器未在开关电路112h、112l或次级侧功率级1180中明确示出，但是应当理解为存在。
[0083]
模式配置mode_pri被提供给功率级1170，并且确定它应当在正向模式下还是在反向模式下操作。在正向模式下，根据开关控制信号pwm_a、pwm_b来控制开关电路110h、110l、112h、112l。在第一间隔中，信号pwm_a经由栅极驱动控制器120h、122l接通开关ths1、tls2，以便在初级侧绕组1142两端施加电压。在第二间隔中，信号pwm_b经由栅极驱动控制器120l、122h接通开关tls1、ths2，以便以极性相对的方式在初级侧绕组1142两端施加电压。因为llc拓扑结构的这种全桥操作在本领域中是众所周知的，所以不再对其详细描述。
[0084]
如果模式配置mode_pri指示在反向模式下操作，则开关电路110h、110l、112h、112l的开关ths1、tls1、ths2、tls2作为有源二极管操作。在该模式下，这种操作是自主的，即，不需要生成开关控制信号，例如，pwm_a、pwm_b，或将其供应给初级侧功率级1170。功率级1170在反向模式中作为有源整流器操作。
[0085]
次级侧功率级1180以与初级侧功率级1170基本相同的方式进行配置，并且包括功
率开关ths3、tls3、ths4、tls4。这些功率开关中的每个功率开关都具有相关联的栅极驱动控制器和栅极驱动器。为了便于说明，未明确示出这些部件，但应当理解为如上文针对初级侧功率级1170的类似部件所述进行配置。当配置信号mode_sec指示反向模式时，开关控制信号pwm_c、pwm_d控制功率开关ths3、tls3、ths4、tls4，而当配置信号mode_sec指示正向模式时，功率开关电路用作有源二极管。
[0086]
控制器1190生成开关控制信号pwm_a、pwm_b、pwm_c、pwm_d和配置信号mode_pri、mode_sec。控制器1190可以位于obc 1100的初级侧或次级侧上。在典型的实施方式中，所生成的信号中的至少一些信号将需要通过隔离器以维持由变压器1140建立的隔离屏障的完整性。为了便于说明并且因为这种隔离器是众所周知的，所以没有明确示出这种隔离器。
[0087]
虽然使用布置在隔离llc拓扑结构中的全桥功率级的特定示例对图11的转换器1100进行了描述，但是应当理解，其他实施例可以使用其他功率级拓扑结构，诸如以半桥布置的开关。更进一步地，可以使用相移控制而非pwm控制来控制开关，在该相移控制中，控制信号之间的相移用于确定功率传送量；在该pwm控制中，pwm信号的占空比或频率用于确定功率传送量。
[0088]
控制sr开关的方法
[0089]
图12图示了功率开关的控制方法1200。该方法可以在如图1、图6至图9所示的栅极驱动控制器中实现。该方法开始于确定1210接收的配置信号是否指示功率开关是要在有源二极管下还是在正常(例如，pwm)模式下操作。如果指示正常模式，则根据接收的pwm控制信号控制(接通和关断)1220功率开关。如果指示有源二极管模式，则感测功率开关的漏极到源极电压v
ds
并且将其与电压阈值v
ds_on
进行比较。如果漏极到源极电压为充分负值，例如，低于电压阈值v
ds_on
(诸如-0.1v)，则接通1240功率开关。(换句话说，源极到漏极电压超过的阈值，诸如0.1v，则触发功率开关的接通。)同样和/或备选地，沿体二极管的方向通过功率开关的正电流可以触发功率开关的接通。一旦接通功率开关，就监测通过开关的正向电流i
load
，该电流为负值。一旦检测到1250该(负)电流i
load
升高到阈值i
pwr_thr
以上，就关断1260功率开关。
[0090]
实施例变型
[0091]
根据一个实施例，提供了一种控制功率开关的方法，该功率开关具有本征二极管，其被配置为传导功率开关的反向方向的电流。该方法包括：接收配置信号，该配置信号指示功率开关的操作模式。如果接收到指示有源二极管配置的第一模式，则感测功率开关处的电流和/或电压；并且如果感测的电流和/或电压表示正电流或正电流电位以反向方向通过功率开关，则接通功率开关。如果接收到指示正常(pwm)配置的第二模式，则响应于接收到指引关断功率开关的开关控制信号而关断功率开关，并且响应于接收到指引接通功率开关的开关控制信号而接通功率开关。
[0092]
根据该方法的任何实施例，该方法还包括：响应于配置信号指示保护模式，感测功率开关的电流和/或电压。响应于以下各项中的至少一项而关断功率开关：检测到感测的电流在正常操作电流范围之外，检测到感测的电压在正常操作电压范围之外，以及接收指引关断功率开关的开关控制信号。响应于接收到指引接通功率开关的开关控制信号而接通功率开关。
[0093]
根据该方法的任何实施例，感测电流包括：测量跨功率开关的第一端子和第二端
子的电压，并且基于该电压来确定电流。根据该方法的一个实施例，响应于配置指示第一模式(有源二极管配置)，接通功率开关包括：响应于检测到跨第一端子和第二端子的电压低于第一电压阈值，改变控制信号以接通功率开关，该第一电压为负值；随后并且响应于检测到跨第一端子和第二端子的电压高于第二电压阈值，改变控制信号以便关断功率开关。
[0094]
根据双向开关模式电源(smps)的一个实施例，该smps包括第一端子和第二端子，其提供与smps的外部连接；高侧开关和低侧开关；电感器；控制器；以及第一驱动器电路和第二驱动器电路。该高侧开关与低侧开关在开关节点处耦合在一起。附加地，高侧开关耦合到第一smps端子。开关中的每个开关包括本征二极管，该本征二极管被配置为传导开关的反向方向的电流。该电感器电插置在开关节点与第二smps端子之间。控制器被配置为通过生成用于高侧开关和/或低侧开关中的至少一个开关的开关控制信号来控制第一smps端子与第二smps端子之间的功率流动。第一驱动器控制电路被配置为响应于接收到第一开关模式指示(有源二极管模式)而基于在高侧开关处感测的电流和/或电压来控制高侧开关的导通性。第一驱动器控制电路被配置为响应于接收到第二开关模式指示(例如，正常模式或pwm模式)而基于控制器所生成的开关控制信号来控制高侧开关的导通性。同样，第二驱动器控制电路被配置为响应于接收到第一开关模式指示(例如，有源二极管模式)而基于在低侧开关处感测的电流和/或电压来控制低侧开关的导通性。第二驱动器控制电路被配置为响应于接收到第二开关模式指示(例如，正常模式或pwm模式)而基于控制器所生成的开关控制信号来控制低侧开关的导通性。smps被配置为在第一间隔期间以第一模式以及第二间隔期间以第二模式操作，在该第一模式下，功率从第一smps端子传送到第二smps端子；并且在该第二模式下，功率从第二smps端子传送到第一smps端子。
[0095]
根据smps的任何实施例，第一模式是降压模式，第一smps端子耦合到功率源，第二smps端子耦合到功率槽，并且减小第一smps端子处的源电压以在第二smps端子处提供槽电压，该槽电压低于源电压。在该smps的另一实施例中，控制器被配置为当smps以降压模式操作时，将第一开关模式指示传输到第二驱动器控制电路，以便以有源二极管配置操作低侧二极管。
[0096]
根据smps的任何实施例，第二模式是升压模式，第二smps端子耦合到功率源，第一smps端子耦合到功率槽，并且增加第二smps端子处的源电压以在第一smps端子处提供槽电压，该槽电压高于源电压。在该smps的另一实施例中，控制器被配置为当smps以升压模式操作时，将第一开关模式指示传输到第一驱动器控制电路，以便将高侧开关设置为有源二极管配置。
[0097]
根据smps的任何实施例，该smps还包括第一保护开关和第二保护开关，该第一保护开关和第二保护开关插置在开关节点与第二端子之间，保护开关中的每个保护开关包括本征二极管，该本征二极管不能阻断沿一个方向的电流，其中保护开关串联连接，使得它们的本征二极管沿相对方向定位。根据该smps的另一实施例，在第一模式期间，smps以降压模式操作，在该降压模式中，正电流流到第二smps端子，第一保护开关被设置为导通，并且第二保护开关以第一模式(有源二极管配置)操作，在该第一模式中，响应于检测到正电流以从开关节点到第二smps端子的方向流动，第二保护开关被接通。根据该smps的另一实施例，在第二模式期间，smps以升压模式操作，在该升压模式中，正电流从第二smps端子流向开关节点，第二保护开关被设置为导通，并且第一保护开关以第一模式(有源二极管配置)操作，
在该第一模式中，响应于检测到正电流以从第二smps端子到开关节点的方向流动，第一保护开关被接通。
[0098]
根据dc/dc转换器的一个实施例，该转换器包括第一直流(dc)功率节点和第二dc功率节点，其中每个dc功率节点用于连接到功率源或功率槽；隔离变压器，其包括初级绕组和次级绕组；初级侧功率级；次级侧功率级；以及控制器。该初级侧功率级被配置为将第一dc功率节点耦合到初级绕组。该次级侧功率级将次级绕组耦合到第二dc功率节点。次级侧功率级包括次级侧半桥，其包括以半桥配置布置的第一次级侧功率开关和第二次级侧功率开关。次级侧功率级还包括第一次级侧开关控制器电路和第二次级侧开关控制器电路，其分别耦合到第一次级侧功率开关和第二次级侧功率开关。开关控制器电路中的每个开关控制器电路被配置为以第二(正常)模式和以第一(有源二极管)模式操作，在该第二(正常)模式中，外部提供的开关控制信号控制耦合到开关控制器电路的功率开关的导通性；并且在该第一(有源二极管)模式中，耦合到开关控制器的功率开关的导通性基于功率开关的感测的电流和/或电压。控制器被配置为在第一间隔期间以正向模式和在第二间隔期间以反向模式操作双向dc/dc转换器，在该正向模式中，功率从第一dc功率节点传送到第二dc功率节点；并且在该第二模式中，功率从第二dc功率节点传送到第一dc功率节点。对于正向模式，控制器设置次级侧控制器电路以有源二极管模式操作次级侧功率开关。对于反向模式，控制器设置次级侧控制器电路以正常模式操作次级侧功率开关，并且生成用于次级侧功率开关的外部提供的控制信号。
[0099]
根据dc/dc转换器的任何实施例，次级侧功率级还包括第二次级侧半桥，其包括以半桥配置布置的第三次级侧功率开关和第四次级侧功率开关；第三次级侧开关控制器电路和第四次级侧开关控制器电路，其被配置为根据控制器所提供的模式分别在正常模式和有源二极管模式下操作第三次级侧功率开关和第四次级侧功率开关；以及次级侧电感器，其耦合到次级绕组。
[0100]
根据dc/dc转换器的任何实施例，初级侧功率级包括初级侧全桥，其包括四个初级侧开关；以及四个初级侧开关控制器电路，其被配置为根据控制器所提供的设置在正常模式或有源二极管模式下操作初级侧开关中的每个初级侧开关。
[0101]
根据dc/dc转换器的任何实施例，该转换器还包括电池，其耦合到第二dc功率节点。根据另一实施例，在正向模式期间，电池从耦合到第一dc功率节点的功率源充电。根据另一实施例，在反向模式期间，电池向耦合到第一dc功率节点的功率槽供电。
[0102]
如本文中所使用的，术语“具有(having)”、“含有(containing)”、“包含(including)”，“包括(comprising)”等是开放式术语，其指示存在所述元件或特征，但不排除其他元件或特征。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包括复数以及单数，除非上下文另有明确说明。
[0103]
应当理解，除非另外特别指出，否则本文中所描述的各个实施例的特征可以彼此组合。
[0104]
尽管本文中已经示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员应当领会，在不脱离本发明的范围的情况下，多种备选实现方式和/或等同实现方式可以替代所示出和描述的特定实施例。本申请旨在覆盖本文中所讨论的特定实施例的任何改编或变型。因此，意图是本发明仅由权利要求及其等同物所限制。