[發明專利]開關模式轉換器及控制開關模式轉換器的方法

有效

• 申請號: 201280043645.2
• 申請日: 2012-09-03
• 公開（公告）號: CN103814513B
• 公開（公告）日: 2017-03-15
• 發明（設計）人: 馬庫斯·施密德;約翰娜·庫布里奇;托馬斯·杜爾巴姆;漢斯·哈貝爾施塔特;吉安·霍赫扎德;弗蘭斯·潘謝爾
• 申請（專利權）人: NXP股份有限公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 王波波

技術領域

本發明涉及開關模式轉換器及控制開關模式轉換器的方法，具體地涉及依賴于多個不同控制模式如連續導通模式(CCM)、邊界導通模式(BCM)、非連續導通模式(DCM)的轉換器及方法。

背景技術

已知可根據目標應用使用不同控制模式控制開關模式轉換器，如逆向轉換器(flyback?converter)。各個控制模式各有其不同的優缺點：

在連續導通模式(CCM)下，磁性元件如逆向轉換器中的變壓器的磁化電流在主行程中從非零的正的最小水平增加至最大水平，再在次行程中降回至最小水平。CCM提供初級側及次級側的最低均方根(RMS)損耗。但切換損耗高，尤其是在逆向轉換器的情形中，與在電壓為Vin+N*Vout時接通相關聯的電容損耗高。并且，“軟切換”或零電流切換(ZCS)也不可用，還存在由于輸出二極管的反向恢復引起的另外損耗。由于電容接通損耗保持恒定，在低負載狀態下，效率迅速下降。

在邊界導通模式(BCM)下，磁性元件如變壓器的磁化電流在主行程中從有效零值增加至最大水平，再在次行程中降回至零值。次行程在電流回到零值時結束，任意后續主行程緊跟其后。因此，電流的確降至零值，但在導通中沒有間隔：因此，此導通模式處于連續及非連續之間的“邊界”。實際上，在BCM中，開關上的電壓常常在次行程結束時下降，由于在電流停止時建立振蕩或共振，切換在開關上的電壓的第一個波谷的底部處常受影響。但在被稱為具有波谷跳過的BCM的BCM變體中，接通可能延遲此振蕩的一個或多個周期-也就是說，在主行程在下一個“波谷切換”時刻重啟以前，跳過一個或多個波谷。

BCM模式(有或無波谷跳過)的優點有：切換損耗低，(沒有反向恢復損耗，特別地，波谷切換引起的電容接通損耗低)，磁性元件的主要電感值低，從而使得相對較低的匝數以及隨之而來的串聯電阻減小；但開關頻率隨輸入電壓及負載變化，并且由于BCM操作的原理，開關頻率隨負載下降而嚴重增加，導致在與非常低負載相應的很高頻率上的切換損耗高。

非連續導通模式(DCM)受益于較低的電感值。通常開關頻率是固定的。但相對于BCM操作，低負載時的空閑時間相對長，從而導致相當高的峰值電流及高的RMS損耗。并且，由于波谷切換不可用，切換損耗也比BCM下的高。

已知有結合BCM與DCM的控制器。此處，全功率下運行具有波谷切換的真正BCM；若負載下降，則開關頻率增加，直至達到作為頻率鉗位的上限為止。之后，即仍在較低負載下，采用DCM或沿用具有波谷跳過的BCM。此種模式結合在伴隨低輸入電壓的高負載狀況下存在缺點，因為這樣的話，峰值電流變得很高(開關頻率減小，并且由于例如在逆向轉換器的情形中每個切換周期傳輸的能量為1/2LI²f(L響應于磁化電感，I為最大磁化電流，f為開關頻率)，電流隨頻率下降而上升)。必須為此最小輸入電壓下的最大負載設計變壓器：則對中間及低的負載而言，此變壓器是次優的。為適應電感值，需同時使用多匝數和大氣隙以防止飽和。流過開關的RMS電流也變得很大。

也已知有結合CCM與DCM的控制器。通常開關頻率是固定的。由于CCM具有含有兩個級點的開環響應，并可能含有右半平面的零點，而DCM具有簡單的單極點響應，這種控制器需要復雜的控制策略。

飛兆公司的功率開關FSQ510的數據表公開了包括在高負載下運行CCM、在中間及低的負載下運行BCM及具有波谷切換的BCM的結合的控制方法。由于此方案在相對低的部分負載下需要非常高的開關頻率，此方案并不理想；而且，由于該控制策略為CCM到BCM或DCM的轉變使用了頻率下限，該頻率下限直接與固定的頻率上限相關，因而，解決這個缺陷非常重要。

因此，需要提供一種控制轉換器如逆向轉換器的方法，該方法至少能從以下之一受益：控制模式的靈活性、相對簡單的控制策略以及在相對寬的電壓及／或負載范圍內有相對低的損耗。

發明內容