控制电路以及应用其的开关变换器的制作方法

1.本发明涉及电力电子技术，具体涉及开关变换器以及其控制电路。


背景技术：

2.开关变换器是在主功率管导通时在磁性元件中储存能量，在主功率管关断时将磁性元件中储存的能量输送到负载的功率变换器。在主功率管关断时，开关变换器中的磁性元件和主功率管的结电容之间会产生谐振，因此在主功率管再次导通时会产生导通损耗，导致电源转换效率较低。为了降低主功率管的导通损耗，现有技术中采用准谐振方式来控制主功率管的导通，即在主功率管的漏源电压降低到最低点时导通，以实现零电压开通。但是，当开关变换器的输入电压变化时，主功率管很难实现零电压开通，从而增加了开通损耗，降低了系统效率。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施例提供了一种开关变换器及其控制电路，通过在主功率管导通前控制辅助开关管导通预定时间段，以有效降低主开关管的开通损耗，提高系统效率。
4.根据本发明实施例的第一方面，提供一种开关变换器的控制电路，所述开关变换器包括主开关管和辅助开关管，所述控制电路包括：
5.零电压控制器，被配置为根据所述开关变换器的输入和输出电压信息产生辅管控制信号，以控制所述辅助开关管导通第一时间段；以及
6.原边控制器，被配置为产生主管控制信号以控制所述主开关管导通第二时间段。
7.优选地，所述零电压控制器的参考地电位耦接至所述开关变换器的磁性元件和所述主开关管的公共端，所述原边控制器的参考地电位耦接至所述开关变换器的参考地电位。
8.优选地，所述零电压控制器的参考地电位和所述原边控制器的参考地电位相同。
9.优选地，所述零电压控制器被集成于第一控制晶片以产生所述辅管控制信号，所述原边控制器被集成于第二控制晶片以产生所述主管控制信号。
10.优选地，所述第一时间段的长度受控处于预设范围内以使得所述主开关管的漏源电压在所述第一时间段结束之后且在所述第二时间段开始之前下降至零。
11.优选地，在所述辅助开关管导通之前所述主开关管的漏源电压至少具有一个谷底。
12.优选地，所述第一时间段的长度与所述开关变换器的输入电压具有相同的变化趋势，与所述开关变换器的输出电压具有相反的变化趋势。
13.优选地，所述零电压控制器包括：
14.输入端，被配置为接收所述开关变换器的输入电压；
15.输出端，被配置为产生所述辅管控制信号；以及
16.参考端，耦接至所述开关变换器的磁性元件和所述主开关管的公共端。
17.优选地，所述零电压控制器包括：
18.输入端，耦接至所述开关变换器的磁性元件和所述主开关管的公共端；
19.输出端，被配置为产生所述辅管控制信号；以及
20.参考端，耦接至所述开关变换器的参考地电位。
21.优选地，在一个开关周期内，所述零电压控制器被配置为采样所述磁性元件和所述主开关管的公共端上电压以产生第一电压，采样所述磁性元件和所述主开关管的公共端上电压的最大值以产生第二电压，以及将所述第二电压和所述第一电压作差产生第三电压，其中所述第一电压表征所述开关变换器的输入电压，所述第三电压表征所述开关变换器的输出电压。
22.优选地，所述开关变换器包括变压器，所述变压器包括原边绕组和辅助绕组，所述零电压控制器包括：
23.输入端，耦接至所述辅助绕组和所述辅助开关管的公共端；
24.输出端，被配置为产生所述辅管控制信号；以及
25.参考端，耦接至所述开关变换器的参考地电位。
26.优选地，在一个开关周期内，所述零电压控制器被配置为采样所述辅助绕组和所述辅助开关管的公共端上的电压以产生第四电压，采样所述辅助绕组和所述辅助开关管的公共端上的电压的最大值产生第五电压，以及将所述第五电压和所述第四电压作差以产生第六电压，其中所述第四电压表征所述开关变换器的输出电压，所述第六电压表征所述开关变换器的输入电压。
27.优选地，所述开关变换器工作在电流断续模式。
28.根据本发明的第二方面，提供一种开关变换器。所述开关变换器包括：
29.如第一方面所述的任一项控制电路；
30.功率级电路，包括主开关管和磁性元件；以及
31.箝位电路，包括辅助开关管。
32.优选地，所述箝位电路与所述主开关管串联连接，包括连接在所述开关变换器输入端和所述主开关管之间的辅助开关管和箝位电容。
33.优选地，所述箝位电路与所述主开关管并联连接，包括在所述主开关管的第一端和第二端之间串联连接的辅助开关管和箝位电容。
34.优选地，所述磁性元件为变压器，所述变压器包括原边绕组，至少一个副边绕组，以及辅助绕组，所述箝位电路并联连接在所述辅助绕组的两端，包括连接在所述辅助绕组的第一端和第二端之间串联连接的辅助开关管和箝位电容。
35.本发明实施例的技术方案通过在主功率管导通前控制辅助开关管导通预定时间段，使得主开关管在导通之前通过一放电电流将自身的寄生电容放电，以实现零电压开通，有效降低开通损耗，提高系统效率。
附图说明
36.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
37.图1是本发明第一实施例的开关变换器的电路图；
38.图2是本发明第二实施例的开关变换器的电路图；
39.图3是本发明第三实施例的开关变换器的电路图；
40.图4是本发明实施例的零电压控制器的结构示意图；
41.图5是本发明实施例的开关变换器的工作波形图。
具体实施方式
42.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
43.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
44.同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
45.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
47.图1是本发明第一实施例的开关变换器的电路图。本发明实施例的开关变换器为反激式开关变换器，包括功率级电路，箝位电路1以及控制电路10。控制电路10包括零电压控制器100和原边控制器101。功率级电路包括变压器t、与变压器t的原边绕组串联连接的主开关管sm、以及与变压器t的副边绕组串联连接的续流管sr和输出电容co。如图1所示，变压器t的原边绕组的第一端(例如异名端)接收输入电压vin,变压器t的原边绕组的第二端(例如同名端)连接至主开关管sm的第一端。主开关管sm的第二端耦接至原边参考地。变压器t的副边绕组的第一端(例如同名端)连接至续流管sr的第一端。输出电容co连接在续流管sr的第二端和变压器t的副边绕组的第二端(例如异名端)之间。在输出电容co的两端提供直流输出电压vout。箝位电路1与变压器t的主开关管sm串联连接，包括与主开关管sm串联连接的辅助开关管sa和箝位电容cc。通过设置有源箝位电路，可以降低开关管的耐压，扩大zvs范围，从而可以使得开关变换器应用在宽输入电压范围。在本实施例中，反激式开关变换器还包括副边控制器103，用以控制续流管sr。应理解，本发明实施例中续流管可以用二极管代替，也可以采用其他电控开关，以实现上述功能。在图1中，变压器t的原边绕组可以等效为串联的激磁电感lm和漏感lk，二者分别以虚线示出。根据多种实现方式，输入电压vin可以为未经整流的交流输入电压，例如220v的交流电(ac)，也可以为直流输入电压。零电压控制器100被配置为根据开关变换器的输入和输出电压信息产生辅管控制信号v
sa
以控
制辅助开关管sa导通第一时间段，原边控制器101被配置产生主管控制信号v
sm
以控制主开关管sm导通第二时间段。在本实施例中，零电压控制器100的参考地为原边绕组和主开关管sm的公共端，原边控制器101的参考地为开关变换器的参考地。
48.在本实施例中，第一时间段的长度处于预设范围内以使得主开关管sm的漏源电压在第一时间段结束之后并且在第二时间段开始之前下降至零。进一步地，在辅助开关管sa导通之前主开关管sm的漏源电压至少具有一个谷底。例如，开关变换器工作在准谐振模式，零电压控制器100通过检测主开关管sm的漏源电压的谷底的个数控制辅助开关管sa开始导通，并且导通第一时间段。
49.在本实施例中，在主开关管sm的开通之前，零电压控制器100控制辅助开关管sa导通预定时间段，使得箝位电路开始工作。在辅助开关管sa导通期间，箝位电容cc对原边绕组lm进行反向励磁，励磁结束后，原边绕组lm通过主开关管sm的寄生电容进行续流，直到主开关管sm的寄生电容上的电压释放完毕，同时流过原边绕组lm上的负向电流下降至零，此时原边控制器102控制主开关管sm导通，主开关管sm实现零电压开通，从而回收漏感lk中能量以改善电磁干扰(electromagnetic interference，emi)，并且减小主开关管sm在导通时两个功率端的电压，以减小开通损耗。
50.在本实施例中，零电压控制器100被集成于第一控制晶片以产生辅管控制信号v
sa
，原边控制器101被集成于第二控制晶片以产生主管控制信号v
sm
，其中第一控制晶片的参考地电位为原边绕组和主开关管sm的公共端，第二控制晶片的参考地电位为开关变换器的参考地。
51.在优选的实施例中，零电压控制器100采样开关变换器的输入电压vin和输出电压vout，并根据输入电压和输出电压信息调节辅助开关管sa的导通时间，以控制辅助开关管sa的导通时间处于预设范围内，从而使得主开关管sm的漏源电压在辅助开关管sa关断之后且在主开关管sm的开通之前下降至零。进一步地，辅助开关管sa的导通时间与输入电压vin具有相同的变化趋势，与输出电压vout具有相反的变化趋势。
52.进一步地，零电压控制器100具有输入端，用以接收采样信号vs(输入电压vin)，用以获取输入电压和输出电压信息；参考端，连接至原边绕组和主开关管sm的公共端，该公共端为零电压控制器100的参考地电位；以及输出端，用以产生辅管控制信号v
sa
以控制辅助开关管sa导通或关断。在本实施例中，零电压控制器100可以直接采样输入电压vin以获取输入电压信息。由于零电压控制器100的参考地电位为原边绕组和主开关管sm的公共端，零电压控制器100采样输入电压vin可以获取原边绕组上电压，从而根据原边绕组上电压获取输出电压信息。
53.进一步地，零电压控制器100控制辅助开关管sa的导通时间处于预设范围内以使得主开关管sm的漏源电压在辅助开关管sa关断之后且主开关管sm导通之前下降至零。
54.在本实施例中，开关变换器工作在电流断续模式，零电压控制器100在主开关管sm的开通之前控制辅助开关管sa导通预定时间段，以实现零电压开通。
55.在本技术中，开关管是工作开关模式以提供电流路径的晶体管，包括选自双极晶体管或场效应晶体管的一种。开关管的第一端和第二端分别是电流路径上的高电位端和低电位端，控制端用于接收控制信号以控制开关管的导通和关断。
56.与现有技术的开关变换器的控制方式不同，本发明实施例的开关变换器在主开关
管sm的开通之前控制辅助开关管sa导通预定时间段，同时根据开关变换器的输入电压和输出电压信息调节辅助开关管sa的导通时间，使得主开关管在导通之前通过一放电电流将自身的寄生电容放电，以实现零电压开通，有效降低开通损耗。
57.图2是本发明第二实施例的开关变换器的电路图。如图2所示，本发明实施例的开关变换器为反激式开关变换器，包括功率级电路、箝位电路1以及控制电路。该控制电路包括零电压控制器100和原边控制器101。该开关变换器的与第一实施例的开关变换器的功率级电路、原边控制器101，副边控制器103和控制方法基本相同，在此不再详述。不同的是，箝位电路1与主开关管sm并联连接，包括在主开关管sm的第一端和第二端之间串联连接的辅助开关管sa和箝位电容cc。在本实施例中，零电压控制器100和原边控制器101的参考地电位相同。
58.在本实施例中，零电压控制器100包括输入端，连接至原边绕组和主开关管sm的公共端，用以采样开关变换器的输入电压和输出电压信息；输出端，用以产生辅管控制信号v
sa
以控制辅助开关管sa导通或关断；以及参考端，连接至开关变换器的参考地。
59.在优选的实施例中，根据原边绕组上伏秒平衡原理可知，零电压控制器100在一个开关周期内通过采样原边绕组和和主开关管sm的公共端的电压并进行保持产生第一电压，其中该第一电压表征输入电压信息。零电压控制器100在一个开关周期内通过采样原边绕组和和主开关管sm的公共端上电压的最大值并进行保持产生第二电压，并且将该第二电压和上述第一电压作差以产生第三电压，其中该第三电压表征输出电压信息。
60.图3是本发明第三实施例的开关变换器的电路图。如图3所示，本发明实施例的开关变换器为反激式开关变换器，包括功率级电路、箝位电路1以及控制电路。该控制电路包括零电压控制器100和原边控制器101。在本实施例中，变压器包括辅助绕组。辅助绕组与变压器的原边绕组耦合。该开关变换器的与第一实施例的开关变换器的功率级电路、原边控制器101，副边控制器103和控制方法基本相同，在此不再详述。不同的是，箝位电路1并联连接在辅助绕组的两端，其包括在辅助绕组的第一端和第二端之间串联连接的辅助开关管sa和箝位电容cc。在本实施例中，零电压控制器100和原边控制器101的参考地电位相同。
61.在本实施例中，零电压控制器100包括输入端，连接至辅助绕组和辅助开关管sa的公共端，用以采样开关变换器的的输入电压和输出电压信息；输出端，用以产生辅管驱动信号v
sa
以控制辅助开关管sa导通或关断；以及参考端，连接至开关变换器的原边参考地。
62.在优选的实施例中，由于辅助绕组和原边绕组耦合，零电压控制器100在一个开关周期内通过采样辅助绕组和和辅助开关管sa的公共端的电压并进行保持产生第四电压，其中该第四电压表征输出电压信息。零电压控制器100在一个开关周期内通过采样辅助绕组和和辅助开关管sa的公共端上电压的最大值并进行保持产生第五电压，并且将该第五电压和上述第四电压作差以产生第六电压，其中该第六电压表征输入电压信息。
63.应理解，在上述实施例中，由于开关变换器中箝位电路1的连接方式发生变化，相应地零电压控制器的采样点需要做适应性调整。另外本发明实施例中的开关变换器还可以为buck变换器，boost变换器等其他开关变换器，而不限于所列举的反激式开关变换器。在上述实施例中，磁性元件均为变压器，在其他实施例中，磁性元件可以为电感等元件。
64.图4是本发明实施例的零电压控制器的结构示意图。零电压控制器100包括检测电路41和控制信号生成电路42。检测电路41被配置为接收采样信号vs以产生表征输入电压信
息的输入采样信号svin和表征输出电压信息的输出采样信号svout。控制信号生成电路42被配置根据输入采样信号svin和输出采样信号svout产生辅管控制信号v
sa
以调节辅助开关管sa的导通时间，从而使得主开关管在导通之前通过一放电电流将自身的寄生电容放电，以实现零电压开通，有效降低开通损耗。零电压控制器100根据输入采样信号svin和输出采样信号svout调节辅助开关管sa的导通时间的长度，也即辅管控制信号v
sa
的有效长度。在辅管控制信号v
sa
有效时，零电压控制器100控制辅助开关管sa导通。
65.在优选的实施例中，本实施例中反激变换器工作在非连续导通模式(discontinuous current mode，dcm)下，并且采用准谐振(quasi-resonant,qr)控制方式。零电压控制器100根据采样信号vs产生波谷检测信号vring，以控制辅助开关管sa在主开关管的漏源电压降至波谷时开通，从而降低辅助开关管sa的开关损耗，进而提高反激式变换器的工作效率。在本实施例中，辅助开关管sa开始导通前，主开关管的漏源电压至少具有一个波谷。以图1中反激变换器为例，检测电路41根据采样信号vs，也即输入电压vin可以获取波谷检测信号vring，控制信号生成电路42根据波谷检测信号vring产生有效的辅管控制信号v
sa
以控制辅助开关管sa导通。
66.控制信号生成电路42根据输入电压vin和输出电压vout信息设置辅助开关管sa的导通时间的长度在预设范围内,也即辅管控制信号v
sa
的有效长度。例如辅助开关管sa的导通时间的长度可以设置为位于预设范围(t0-th1,t0 th2),其中，th1和th2为时间阈值，两者可以相等或不相等，导通时间t0可以根据开关变换器的类型和工作原理进行设置，以使得辅助开关管sa的导通时间的位于时间t0附近，从而使得主开关管sm的漏源电压在辅助开关管sa关断之后且主开关管sm导通之前下降至零。
67.以本实施例中反激式变换器为例，时间t0可以表示如下：
[0068][0069]
其中，k1为正比例参数，与变压器的等效电感，续流管与副边参考地之间的结电容等相关，n为变压器的变比，svin为输入采样信号，svout为输出采样信号。
[0070]
在本实施例中，辅助开关管sa的导通时间(辅管控制信号v
sa
的有效长度)可以根据公式(1)进行直接设置，辅助开关管sa的导通时间可以稍小于或大于时间t0，具体可以根据时间阈值th1和th2进行调节。
[0071]
图5是本发明实施例开关变换器的工作波形图。本实施例以图1中反激变换器为例，主开关管sm的漏端电压vdrain，原边绕组上电压v
bus-drain
主管控制信号v
sm
以及辅管控制信号v
sa
由上向下依次示出。如图5所示，在时刻t1，主管控制信号v
sm
有效，主开关管sm从关断状态转变为导通状态，原边电流i
p
逐渐增大，原边绕组开始储存能量。在时刻t2，主管控制信号v
sm
无效，主开关管sm从导通状态转变为关断状态，主开关管sm关断，原边电流i
p
持续减小，主开关管sm的漏端电压vdrain相对于输入电压vin逐渐升高。在时刻t3，原边绕组上电压v
bus-drain
出现一个波谷，也即主开关管sm的漏源电压处于波谷，辅管控制信号v
sa
有效，辅助开关管sa导通。在辅助开关管sa导通期间，原边电流i
p
反向增大，加快了主开关管sm的结电容放电速度，从而能够使得漏感和主开关管sm的结电容之间的谐振降低至零(接近或近似于零即可认为谐振到零)。在时刻t4，辅助开关管sa导通预定时间段，辅管控制信号v
sa
由有效切换为无效，辅助开关管sa关断。在时刻t5，原边电流i
p
减小至零，主开关管sm的漏
端电压vdrain谐振到零，主管控制信号v
sm
有效，主开关管sm从关断状态转变为导通状态，开始新的工作周期。
[0072]
本发明实施例的技术方案通过在主开关管sm的开通之前控制辅助开关管sa导通预定时间段，同时根据开关变换器的输入电压和输出电压信息调节辅助开关管sa的导通时间，使得主开关管在导通之前通过一放电电流将自身的寄生电容放电，以实现零电压开通，有效降低开通损耗。
[0073]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。