[發明專利]一種新型零電壓切換控制電路、方法及電壓變換器

在審

• 申請號: 202011337449.9
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112532066A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 簡銘泰
• 申請（專利權）人: 上海百功半導體有限公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H02M1/08
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明公開了一種用于電壓變換器實現零電壓切換的控制電路及控制方法，通過控制器芯片控制第一開關單元切換輸入繞組的通斷，以及控制第二開關單元切換輔助繞組與一負電壓準位的通斷；其中，在第一控制信號接通輸入繞組之前，預先將電壓變換器的輔助繞組與負電壓準位接通，基于輸入繞組與輔助繞組之間的耦合作用，使得輸入繞組的極性反轉而產生負電流，將第一開關單元中寄生電容跨電壓能量釋放并下拉至切換電位。本發明不僅可以在連續模式CCM或者非連續模式QR/DCM下實現零電壓切換，降低第一電子開關的切換損耗，而且可以將原本在連續模式CCM操作下交越的初級電流與次級電流相互錯開，避免近似短路的跨導通現象的出現，降低二次側同步整流控制難度。

技術領域

本發明屬于電源技術領域，尤其涉及一種新型零電壓切換控制電路、方法及電壓變換器。

背景技術

近年來，手機及筆電等消費型電子產品的電源充電器走向小型化的市場需求正快速增加，然而，成為此一目標的最大障礙，即是電源變換器的工作頻率無法大幅提高，其中最核心的原因，就是功率晶體隨著提高工作頻率而造成巨大的切換損失將導致轉換效率大幅降低，而這些損失掉的功率(熱能)由于充電器本身為密封狀態，便無法藉由散熱器有效散逸。

這種半導體功率晶體的切換損失主要來自于寄生的Coss，該損失可由以下公式計算得知，當工作頻率越高則切換損失隨之成正比增加，如要降低切換損失，則以降低切換時的電壓為最有效的方法。

對此，市場上已有主動式鉗位(Active Clamp)技術可以達到零電壓切換(ZeroVoltage Switching，ZVS)，然而該架構組件數量多、成本過高、體積大、占空間、工作原理復雜，以及該電源變換器無法被設計成CCM(連續電流模式)以獲得效率進一步提升等種種因素而無法成為市場主流。

具體地，圖1為一典型的電壓變換器，輸入端交流電壓經整流濾波之后，再經過功率晶體Q1的頻率切換產生初級電流id，再透過變壓器TX將能量轉換成次級電流iD。Q1在切換過程當中，漏極D與源極S間會產生跨壓Vds，若不管Vds而進行硬切換，則會帶來巨大的損耗。圖2為一典型的電壓變換器DCM硬切換操作波形，由Id與iD電流波形可以看出，這是一個非連續模式DCM(Dis-Continue Current Mode)的操作波形，在此模式操作下，Vds波形伴隨著自由震蕩的Ringing，早期的控制器IC沒有任何控制機制的話，就會帶來巨大的切換損耗。同樣地，圖3所示的一典型的電壓變換器CCM硬切換操作波形，其也就會帶來巨大的切換損耗。

2000年左右，市場上開始關注到上述硬切換所帶來的巨大損耗對于效率的影響甚大，于是如圖4所示的所謂波谷切換(Valley-Switching)以及如圖5所示的半共振QR(Quasi-Resonant)的技術應運而生。

但是由于QR技術能使變換器有一段相當長的區域工作在DCM與CCM的臨界點(Boundary point)，因此又被稱為Boundary Mode(BCM)或Critical Mode(CrM)。盡管QR技術能夠大幅降低切換損失，同時又能夠讓系統操作在Boundary Mode，降低導通損失，然而，變換器真正的效率最低點其實是Low-Line 90Vac，而在90Vac條件下，導通損失仍然是主導效率的關鍵因素，CCM的導通損失要比DCM來的更小。

可惜的是，QR技術必須仰賴DCM才能達成，而且，QR技術并未完全達成ZVS，在高壓264Vac輸入時仍可能有高達250伏的硬切換，如圖4所示，且目前市場上并未提出有效解決CCM-ZVS的方法。

另外，參看圖6，由于現有的變換器一次側的控制信號居于整個變換器動作的主導地位，在下個周期的初級電流先開啟，然后二次側的次級電流才跟著關斷，故而會發生交越瞬間的同時導通的現象(Cross Conduction)，即所謂的短路(Short Through)現象，對此，在支持CCM的操作條件上，現有技術最需要的是快速關斷速度，以盡可能降低這樣的短路現象，但是這一點是對于控制的難度非常大。