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TW202101890A - 功率轉換器及用於控制其之方法與控制器 - Google Patents

功率轉換器及用於控制其之方法與控制器 Download PDF

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TW202101890A
TW202101890A TW109112195A TW109112195A TW202101890A TW 202101890 A TW202101890 A TW 202101890A TW 109112195 A TW109112195 A TW 109112195A TW 109112195 A TW109112195 A TW 109112195A TW 202101890 A TW202101890 A TW 202101890A
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fet
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尚 保羅 喬治斯 雷尼 盧費
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美商半導體組件工業公司
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Abstract

功率轉換器及用於控制其之方法與控制器。至少一些實例實施例涉及操作一功率轉換器，其包括：對耦接至經配置用於返馳操作之一變壓器的一二次繞組之一緩衝電容器充電，該充電係於該變壓器的一一次繞組的一充電模式期間；以來自該緩衝電容器之電流對一二次場效電晶體(FET)的一閘極充電，對該閘極的該充電係於該一次繞組的一放電模式期間，該放電模式與該充電模式連接；提供電流通過一二次整流器及該二次FET至該功率轉換器的一二次輸出節點，該二次整流器與該二次FET串聯耦接；及使該二次FET不導電。

Description

功率轉換器及用於控制其之方法與控制器
本申請案係關於功率轉換器的技術領域，且具體而言係關於驅動一二次整流器。
切換式功率轉換器係用於電子裝置中，以產生各種供應電壓。在一些情況中，單一切換式功率轉換器可具有或產生多個電壓輸出。例如，用於發光二極體(LED)電視中的切換式功率轉換器可產生一或多個相對低的電壓（例如，5伏特、12伏特）以對LED TV內的電子裝置供電，且亦產生一或多個相對高的電壓（例如，400伏特）以對LED燈串供電。當單一切換式功率轉換器產生多個電壓輸出時，各電壓輸出係諸如以場效電晶體(field effect transistor, FET)分別調控。然而，調控高電壓輸出可能是困難的，因為使一FET導電涉及將該FET的閘極驅動至非常接近該FET的源極上之電壓的一電壓。若FET的源極係處於相對高的電壓輸出，則在一些情況中閘極可能難以獲得足夠電壓及/或電流以使該FET導電。
一個實例實施例係一種操作一功率轉換器的方法，該方法包含：對耦接至經配置用於返馳操作之一變壓器的一二次繞組之一緩衝電容器充電，該充電係於該變壓器的一一次繞組的一充電模式期間；以來自該緩衝電容器之電流對一二次場效電晶體(FET)的一閘極充電，對該閘極的該充電係於該一次繞組的一放電模式期間，該放電模式與該充電模式連接；提供電流通過一二次整流器及該二次FET至該功率轉換器的一二次輸出節點，該二次整流器與該二次FET串聯耦接；及使該二次FET不導電。
在該實例方法中，對該二次FET的該閘極充電可進一步包含：在該充電模式結束之後但在與該二次FET串聯耦接之該二次整流器經順向偏壓之前，對該閘極充電。
在該實例方法中，對該閘極充電可進一步包含：在跨該二次繞組之一電壓在從該充電模式期間之負極性到該放電模式期間之正極性的一電壓擺動中達到零伏特之前，對該閘極充電。
在該實例方法中，使該二次FET不導電可進一步包含在該二次整流器經順向偏壓的同時使該二次FET不導電，且該二次FET變得不導電使該二次FET的一導通時間結束。使該二次FET不導電可進一步包含使該二次FET不導電，以基於該二次輸出節點的一電壓的一量值來控制該導通時間。
在該實例方法中，使該二次FET不導電可進一步包含在該放電模式期間使該二次FET不導電。
在該實例方法中，使該二次FET導電可進一步包含憑藉一齊納二極體對跨該二次FET的一閘極與一源極之一電壓箝位。對該緩衝電容器充電可進一步包含透過該齊納二極體對該緩衝電容器充電。
在實例方法中，使該二次FET不導電可進一步包含透過一閘流體將該二次FET的一閘極短路至該二次FET的一源極。
另一實例實施例係一種用於一功率轉換器的控制器，該控制器包含：一閘極端子、一源極端子、及一回授端子；一箝位電路，其耦接在該閘極端子與該源極端子之間，該箝位電路經組態以在電流流入該閘極端子時將在該閘極端子處之電壓相對於該源極端子箝位在一預定電壓；一短路電路，其界定一控制輸入，且該短路電路耦接在該閘極端子與該源極端子之間，該短路電路經組態以回應於該控制輸入的確立而將該閘極端子耦接至該源極端子；及一電壓控制器，其耦接至該回授端子及該控制輸入，該電壓控制器經組態以感測該功率轉換器的各放電模式，且在各放電模式期間，該電壓控制器經組態以基於該回授端子處之一電壓調變該箝位電路箝位在該預定電壓之一時間長度。
在該實例控制器中，該短路電路可進一步經組態以在該功率轉換器的一充電模式期間從該源極端子提供電流至該閘極端子。該箝位電路可進一步包含一齊納二極體，該齊納二極體具有耦接至該閘極端子之一陰極及耦接至該源極端子之一陽極。
在該實例控制器中，該箝位電路可進一步包含一齊納二極體，該齊納二極體具有耦接至該閘極端子之一陰極及耦接至該源極端子之一陽極。
在該實例控制器中，該短路電路進一步包含一閘流體，該閘流體具有耦接至該源極端子之一陽極及耦接至該閘極端子之一陰極。
另一實例實施例係一種切換式功率轉換器，其包含一一次側及一二次側。該一次側可包含：一變壓器的一一次繞組；一主開關，其耦接在該一次側上的該一次繞組與一參考電壓之間，該主開關界定一控制輸入；一一次側控制器，其耦接至該主開關的該控制輸入及一電壓回授電路，該一次側控制器經組態以基於指示一低側電壓輸出之一電壓來控制該主開關。該二次側可包含：該變壓器的一低側二次繞組，其耦接至該低側電壓輸出；一低側整流器，其耦接在該低側二次繞組與該低側電壓輸出之間，該低側二次繞組及該低側整流器經配置用於該低側二次繞組的返馳操作；該變壓器的一高側二次繞組，其耦接至一高側電壓輸出；一高側整流器，其界定一陽極及一陰極，該陽極經耦接至該高側二次繞組；一緩衝電容器，其具有耦接至該高側整流器的該陽極之一第一引線；一二次場效電晶體(FET)，其耦接在該高側整流器的該陰極與該高側電壓輸出之間；一二次側控制器，其耦接至該二次FET的一閘極、該二次FET的一源極、及該高側電壓輸出，該二次側控制器經組態以感測該功率轉換器的各放電模式，及在各放電模式期間基於該高側電壓輸出的一電壓來控制該二次FET導電的一時間長度。
在該實例切換式功率轉換器中，該二次側控制器可進一步包含：一箝位電路，其耦接在該二次FET的一閘極與一源極之間，該箝位電路經組態以在電流朝向該高側電壓輸出流動時，將在該閘極處之電壓相對於該源極箝位一預定電壓；一短路電路，其界定一控制輸入，且該短路電路耦接在該閘極與該源極之間，該短路電路經組態以回應於該控制輸入的確立而藉由將該閘極耦接至該源極來使該二次FET不導電；及一電壓控制器，其經組態以感測該功率轉換器的各放電模式，且在各放電模式期間，該電壓控制器經組態以藉由控制該箝位電路箝位在該預定電壓多久來控制該時間長度。該短路電路可進一步經組態以在該功率轉換器的各充電模式期間從該源極提供電流至該閘極。該箝位電路可進一步包含一齊納二極體，該齊納二極體具有耦接至該閘極之一陰極及耦接至該源極之一陽極。
在該實例切換式電力控制器中，該箝位電路可進一步包含一齊納二極體，該齊納二極體具有耦接至該閘極之一陰極及耦接至該源極之一陽極。
在實例切換式功率轉換器中，該短路電路可進一步包含一閘流體，該閘流體具有耦接至該源極之一陽極及耦接至該閘極之一陰極。
下列討論係關於本發明的各種實施例。雖然此等實施例中之一或多者可係較佳的，所揭示的實施例不應理解為或以其他方式用作限制包括申請專利範圍的本揭露之範疇。此外，所屬技術領域中具有通常知識者將了解下列描述具有廣泛應用，且任何實施例的討論僅意欲作為該實施例的例示而非意欲暗示包括申請專利範圍之本揭露的範疇受到該實施例的限制。
各種實例實施例係關於產生多個電壓輸出的功率轉換器。更具體而言，實例實施例係關於一功率轉換器，該功率轉換器具有由該一次側控制器直接或間接調控之一低側電壓輸出，及由一高側二次控制器調控之一高側電壓輸出。更具體而言，實例實施例係關於一種控制一二次場效電晶體(FET)之方法及系統，基於儲存在高側二次整流器的一緩衝電容器中之電流而在一返馳式變壓器的各放電模式中令該二次場效電晶體導電，且其在各放電模式中的導通時間係基於該高側電壓輸出來控制。說明書首先轉至一實例切換式功率轉換器電來引導讀者。
圖1根據至少一些實施例顯示功率轉換器100的電氣示意圖。具體而言，功率轉換器100包含憑藉一主變壓器106而電絕緣於一二次側104之一一次側102。直流(DC)輸入電壓VDC 經供應至功率轉換器100（例如，由半或全波整流而整流的交流電(AC)信號）。該實例功率轉換器產生兩個DC電壓輸出：一低側電壓輸出VOUTL ；及一高側電壓輸出VOUTH 。一次側102包含主變壓器106的一一次繞組108，其中一次繞組108的第一引線或連接耦接至供應電壓VDC 的正節點。一次繞組108的第二引線或連接耦接一主開關或主FET 110。具體而言，主FET 110界定汲極112、閘極114、與源極116。汲極112耦接至一次繞組108的第二連接。源極116耦接至一實例感測電阻器118，而感測電阻器118的第二側耦接至一次側102上的接地。
功率轉換器100的一次側102係由一一次側控制器120控制。一次側控制器120耦接至主FET 110的閘極114，且據此控制主FET 110的導電狀態及不導電狀態。一次側控制器120進一步耦接至界定在源極116與感測電阻器118之間的電流感測節點122。實例一次側控制器120進一步耦接至一電壓回授電路124。電壓回授電路124提供指示低側輸出電壓VOUTL 至一次側控制器120的一信號。實例電壓回授電路124係以具有光學驅動基礎（諸如光耦合器126的電晶體）之電晶體的形式來實施。實例光耦合器126的LED耦接至低側輸出電壓VOUTL ，且在下文更詳細論述。
在二次側104上，實例功率轉換器100包含主變壓器106的一低側二次繞組128。低側二次繞組128的一第一引線或連接耦接至一低側整流器130的一陽極，而低側整流器130的陰極耦接至低側電壓輸出VOUTL 。一低側平滑電容器132耦接在低側電壓輸出VOUTL 的正節點與低側電壓輸出VOUTL 的負節點或回路之間，其中共點或回路界定在二次側104上的一參考電壓。在實例電路中，憑藉光耦接器126的LED，提供低側電壓輸出VOUTL 的量值之一指示至一次側。在所示實例中，光耦接器的LED與一齊納二極體134及電流限制電阻器136串聯耦接。
在本說明書中將低側電壓輸出VOUTL 指定為「低側」，以不僅在該實例電氣示意圖中引用位置，亦指示在實例實施例中多個電壓輸出被產生，且與低側二次繞組128相關聯之電壓輸出係具有較低量值。在圖1之實例中，該低側包括作為一被動元件之低側整流器130。然而，在其他情況中，由該低側整流器執行的整流可藉由以一主動控制之FET及對應之封裝積體電路(IC)控制器之形式的一同步整流器來實施。
根據實例實施例，二次側104進一步包含一高側二次繞組138。高側二次繞組138經顯示為與低側二次繞組128分離且相異之繞組。然而，在其他情況中，該高側二次繞組及低側二次繞組可係具有一中心抽頭之相同繞組。高側二次繞組138耦接至一高側整流器140。高側整流器140界定耦接至高側二次繞組138的第一引線之一陽極，及耦接至一二次FET 142的汲極之一陰極。一緩衝電容器144具有耦接至高側整流器140的陽極之一第一引線，及耦接至二次FET 142的閘極之一第二引線。緩衝電容器144不僅作用以過濾非所要的電壓峰值，造成高側整流器140的切換效應，亦如在下文更多論述，在實例實施例中的緩衝電容器144亦幫助在各放電模式期間驅動二次FET 142的閘極。
二次FET 142的源極憑藉一電流感測電阻器146耦接至高側電壓輸出VOUTH 。具體而言，電流感測電阻器146的第一引線耦接至二次FET 142的源極，而第二引線耦接至高側電壓輸出VOUTH 的正節點。一高側平滑電容器148耦接在高側電壓輸出VOUTH 的正節點與高側電壓輸出VOUTH 的負節點或回路之間，其中共點或回路界定在二次側104上的一參考電壓。
實例二次側104進一步包含一二次側控制器150。二次側控制器150耦接至二次FET 142的閘極、二次FET 142的源極、及高側電壓輸出VOUTH 。二次側控制器150經組態以感測功率轉換器100的各放電模式，且在各放電模式期間基於高側電壓輸出VOUTH 的一電壓量值來控制二次FET 142導電的時間長度。在論述實例功率轉換器100的操作後下文更詳細論述實例電路（包括二次側控制器150）的操作。
實例功率轉換器100藉由使主FET 110導電且接著不導電來跨主變壓器106移轉能量而工作。即，當主FET 110導電時，電流從電壓源VDC 通過一次繞組108、通過主FET 110，並通過感測電阻器118流動至接地。當主FET 110導電時，功率轉換器100在主變壓器106的場中儲存電荷。一旦電流流動達到預定值（以下稱「峰電流」），令主FET 110不導電。主FET 110導電的時間時期稱為一充電模式。在充電模式之後，主FET 110維持不導電達一時間時期以使能量能夠儲存在主變壓器106的場中，以供應低及高側電壓輸出（下文更詳細論述）。主FET 110不導電的時間時期稱為放電模式。在操作期間，功率轉換器100在充電模式與放電模式之間來回交替。
根據實例實施例，在各充電模式期間使用的峰電流可基於指示由一次側控制器120所接收之電壓輸出的信號而變化。例如，若低側電壓輸出VOUTL 為低，則充電模式內之峰電流增加。反之，若低側電壓輸出VOUTL 為高，則充電模式內之峰電流減少。因此，一次側控制器120經組態以基於指示一低側電壓輸出之電壓來控制主FET 110。雖然實例功率轉換器100透過電壓回授電路124感測低側電壓輸出VOUTL ，但可使用其他方法及系統。例如，一次側控制器120可憑藉主變壓器106的一輔助繞組（未具體圖示）來感測低側電壓輸出VOUTL 。在其他情況中，可存在一低側二次控制器（未圖示）以控制一SR FET（未圖示），且當該低側二次控制器開始各充電模式時可與一次側控制器120通訊。
現在轉至二次側104操作，在主FET 110導電之時間時期期間，在低側二次繞組128上感應具有極性之一電壓，如由圖1中之點框所示。在各充電模式期間所感應之該電壓之極性傾向於使低側整流器130逆向偏壓。接著在主FET 110導電之時間時期期間，在低側二次繞組128中無電流流動。因此，在主FET 110導電的各充電模式期間，能量係儲存在主變壓器106的場中。一旦令主FET 110不導電，且因此開始一連續放電模式，在低側二次繞組128上所感應之電壓反向。低側二次繞組128在放電模式期間之極性使低側整流器130順向偏壓，且該崩潰的場產生通過低側整流器130之電流，以對低側電容器132充電及/或將電流供應至該低側負載（未具體圖示）。即，一旦令主FET 110不導電，該能量從主變壓器106的場移轉至低側輸出電壓VOUTL 。因此，所示之實例功率轉換器100中之低側二次繞組128經配置用於返馳操作。
仍參照圖1，在主FET 110導電之時間時期期間，在高側二次繞組138上亦感應具有極性之一電壓，如由圖1中之點框所示。在充電模式期間所感應之該電壓之極性傾向於使高側整流器140逆向偏壓。接著在主FET 110導電之時間時期期間，在高側二次繞組138中無電流流動。因此，一樣，在主FET 110導電的各充電模式期間，能量係儲存在主變壓器106的場中。一旦令主FET 110不導電，且因此開始一連續放電模式，在高側二次繞組138上所感應之電壓反向。高側二次繞組138在放電模式期間之極性使高側整流器140順向偏壓，且該崩潰的場產生流動通過高側整流器140之電流。因此，所示之實例功率轉換器100中之高側二次繞組138亦經配置用於返馳操作。
根據實例實施例，二次FET 142在各放電模式之至少一部分期間導電。因此，崩潰的場產生流動通過高側整流器140、二次FET 142、電流感測電阻器146之電流，以對該高側平滑電容器148充電及/或將電流供應至該高側負載（未具體圖示）。
藉由一次側控制器120控制或調變使用在各充電模式中之峰電流，來至少部分實施低側電壓輸出VOUTL 的調控。較高的峰電流意味著較多能量被移轉至電壓輸出（因此傾向於升高電壓輸出），而較低的峰電流意味著較少能量被移轉至該等電壓輸出（因此傾向於降低電壓輸出）。然而，在各電壓輸出處所呈現的負載可能不會（且很可能不會）同步。例如，當高側電壓輸出VOUTH 係處於輕負載時，低側電壓輸出VOUTL 可能處於重負載，且反之亦然。為此原因，在實例實施例中，二次側控制器150在各放電模式中基於高側電壓輸出VOUTH 的量值而調變或調控二次FET 142的傳導或導通時間(on-time)。若高側電壓輸出的VOUTH 高於一預定值，則相較於例如二次FET 142在高側輸出電壓VOUTH 為低時之一放電模式期間的導通時間，二次FET 142在一特定放電模式期間的傳導或導通時間將減少。反之，若高側電壓輸出的VOUTH 的量值低於一預定值，則相較於例如二次FET 142在高側輸出電壓VOUTH 為高時之一放電模式期間的導通時間，二次FET 142在一特定放電模式期間的傳導或導通時間將增加。
仍參照圖1，實例二次FET 142使其源極通過電流感測電阻器146耦接至高側電壓輸出VOUTH 。在二次FET 142不導電且因此沒有電流流動通過電流感測電阻器146之時間時期期間，二次FET 142的源極上之電壓等於高側電壓輸出VOUTH 。在二次FET 142導電且因此電流流動通過電流感測電阻器146之時間時期期間，二次FET 142的源極上之電壓相對於該二次側上之共點可能高於高側電壓輸出VOUTH 。為了使二次FET 142導電，二次FET 142的閘極被驅動至高於該源極上之電壓的電壓。實施高側控制產生的問題在於，二次側控制器150可能難以產生或生成足夠高的電壓以施加至該閘極，以使二次FET 142導電或至少完全導電。在電流流動通過二次FET 142時保持二次FET 142導電或完全導電，產生類似的問題。各種實例實施例藉由使用儲存於緩衝電容器144中之電流，至少部分解決關於使足夠的電壓及/或電流驅動二次FET 142之問題。
圖2根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖。具體而言，考慮圖2顯示接近充電模式結束時之二次側104的高側。在充電模式期間，高側二次繞組138的第一引線200上的電壓低於電壓第二引線202，且因此跨高側二次繞組138的電壓具有極性，如圖2中由正及負符號所示。圖2中所示之極性稱為一負極性。具有負極性的電壓在充電模式中之量值取決於對功率轉換器之輸入電壓及低側與高側二次繞組的匝數比。考慮到在許多情況中，低側電壓輸出（例如，5伏特）係低於高側電壓輸出（例如，400伏）三個數量級，因此具有負極性的電壓在充電模式期間之量值大約等於高側電壓輸出之量值。接著高側整流器140在充電模式期間經逆向偏壓。
此外，考慮到跨高側二次繞組138具有負極性的電壓在充電模式期間已對緩衝電容器144充電，使得相對於緩衝電容器144的第二引線206第一引線204上的電壓較高，且如由與緩衝電容器144相關聯之正及負符號所示。下文更詳細論述電流如何產生電荷到達該緩衝電容器144。進一步假設二次側控制器150在連接至閘極208處具有一高輸入阻抗，使得該閘極有效地電氣浮動。現在考慮圖2所繪示的充電模式結束，且連續放電模式開始。
圖3根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖。具體而言，考慮圖3顯示連續放電模式開始時之高側。在放電模式期間，高側二次繞組138的第一引線200上的電壓變得高於電壓第二引線202，且因此具有極性，如圖2中由正及負符號所示。圖3所示之極性稱為一正極性。從在充電模式期間之具有負極性之電壓到具有正極性之最高放電模式電壓的轉變很快地發生，但並非瞬間發生。為了論述之目的，雖然高側二次繞組138上之電壓具有所示之正極性，但電壓的量值尚未高到足以使高側整流器140順向偏壓。
然而，在圖3所假設的情形中，由緩衝電容器144的第二引線206所經受的電壓擺動具有大約等於高側電壓輸出的量值之量值。由第二引線206所經受的電壓擺動（例如，從負VOUTH 到在此實例中之0.0與正0.7伏特之間）導致流動通過高側二次繞組138至緩衝電容器144的電流，如由箭頭300所示（以下稱電流300）。當正電荷累積在與第二引線206相關聯之緩衝電容器144的板上，先前累積在與第二引線206相關聯之板上的電荷被迫使離開緩衝電容器144，導致流動至二次FET 142的閘極208之電流，如由箭頭302（以下稱電流302）所示。因此，電流302使閘極208上之電壓升高，並使二次FET 142導電。事實上，在實例情況中，在高側整流器140經順向偏壓且電流開始流動通過高側整流器140的時間點之前，令二次FET 142完全導電（例如，經驅動至飽和）。另一說法是，在一些情況中，在跨高側二次繞組138之電壓在從充電模式期間之負極性到放電模式期間之正極性的一電壓擺動中達到零伏特之前，令二次FET 142導電。藉由在電流流動通過二次FET 142之前使二次FET 142導電來減少或消除切換損耗。
無論葡萄酒或構造技術為何，實例二次FET 142將在閘極208與源極210之間具有一定量的寄生電容。由於二次FET 142的寄生電容，驅動一電壓至閘極208亦可能導致電流流出源極210，如由箭頭304（以下稱電流304）所示。對較新的FET裝置而言，閘極至源極間寄生電容相對較低，且用於緩衝目的之緩衝電容器144的電容，足以驅動閘極208高到足以使二次FET 142導電。然而，若使用具有較高的閘極至源極間寄生電容之較舊FET裝置，則可適當地增加緩衝電容器144的電容。
緩衝電容器144可儲存多於所需之電荷，以將閘極208充分地驅動以使二次FET 142完全導電。為了確保閘極208上的電壓不超過設計公差，在圖3所示之情形期間，二次側控制器150可對跨閘極208與源極210之電壓箝位。因此，電流302的一部分可經轉向通過二次側控制器150，如由虛線300所示。下文更詳細論述在二次側控制器150內之對電壓箝位之一實例電路。因此，在高側整流器140導電之前，且可能在高側二次繞組138上之電壓在從負極性到正極性之電壓擺動中達到零之前，二次FET 142在該實例系統中導電。
圖4根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖。具體而言，考慮圖4顯示在連續放電模式期間之高側，但比圖3更進一步進入該連續放電模式。如同之前，高側二次繞組138具有一正極性，且在圖3的實例中的量值已升高到足以使高側整流器140經順向偏壓且傳導電流。鑒於二次FET 142已經導電，電流從高側二次繞組138、通過高側整流器140、通過二次FET 142、通過電流感測電阻器146、且至高側電壓輸出VOUTH ，如由箭頭400（以下稱電流400）所示。
根據實例實施例，二次側控制器150感測到功率轉換器處於放電模式。該感測可採取任何合適的形式。在所示的實例系統中，二次側控制器150可感測作為指示放電模式之電流400。可藉由使用耦接至源極210之電流感測輸入402、及耦接至高側電壓輸出VOUTH 之回授輸入404感測跨電流感測電阻器146之差動電壓，來感測電流400。在其他情況中，二次側控制器150可額外地直接耦接至二次FET 142的汲極（未具體圖示連接），或直接耦接至高側二次繞組138的第一引線200（未具體圖示連接），且可透過彼等實例連接之任一者感測到電模式之轉變。
二次側控制器150憑藉回授輸入404來監測高側輸出電壓VOUTH ，並控制高側輸出電壓VOUTH 。具體而言，在各放電模式期間二次側控制器150經組態以調變或控制二次FET 142導電之時間長度，此後稱為「導通時間」。即為，各放電模式具有電流可由高側二次繞組138供應至高側輸出電壓VOUTH 的一時間長度，但取決於高側輸出電壓VOUTH 的量值，二次側控制器150可使該導通時間短於放電模式的時間長度。稍微不同的說法是，二次側控制器150經組態以感測功率轉換器的各放電模式，且在各放電模式期間，二次側控制器150經組態以藉由控制二次側控制器150將閘極至源極間電壓箝位在一預定電壓之時間長度來控制導通時間。若高側輸出電壓VOUTH 高於一預定值，則二次側控制器150可使導通時間短於放電模式。且反之，若高側輸出電壓VOUTH 低於該預定值，則二次側控制器150可使導通時間成放電模式的全部長度。
在適當時間點，二次側控制器150使二次FET 142不導電從而使閘極208短路至源極210，或以其他方式降低閘極208上相對於源極210的電壓。下文更詳細論述在二次側控制器150內用以使閘極208短路至源極210之一實例電路。現在考慮圖3及圖4所繪示的放電模式結束，且連續充電模式開始。
圖5根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖。具體而言，考慮圖5顯示在下一個充電模式（即，接著圖3與圖4的放電模式的連續充電模式）開始處的高側。如在第一實例充電模式中，高側二次繞組138具有一負極性。此外，考慮充電模式剛開始，且緩衝電容器144尚未完全充電。
在充電模式與放電模式之間的轉變處之跨緩衝電容器144之電壓取決於相對於放電模式的長度之導通時間。一般說法是，在緩衝電容器144上之電壓將大約係高側輸出電壓VOUTH 與在二次FET 142變得不導電時高側二次繞組138的瞬間電壓之間的電壓差。若導通時間遠短於放電模式的長度，則緩衝電容器144可具有一第一極性（例如，在第二引線206上高於第一引線204之電壓）。若導通時間與放電模式的長度共延伸，則緩衝電容器144可具有一相反極性（例如，在第二引線206上低於第一引線204之電壓）。在任一事件中，緩衝電容器144不太可能會具有足以使二次FET 142在下一個放電模式導電之儲存電荷。
為了對緩衝電容器144充電，在各放電模式期間二次側控制器150將高側輸出電壓VOUTH 耦接至緩衝電容器144的第一引線204。在一些實例情況中，二次側控制器150藉由將電流感測輸入402耦接至二次FET 142的閘極208而將電流感測輸入402耦接至第一引線204。由於高側二次繞組138上之負極性，電流流動通過電流感測輸入402到閘極208，且因此到緩衝器電容器144的第一引線204，如由箭頭500（以下稱電流500）所示。若考慮具有負極性之電壓的量值大約等於高側輸出電壓VOUTH 的量值，則在充電模式結束時跨緩衝電容器144之電壓係大約高側輸出電壓VOUTH 的量值之兩倍。因此，在充電模式期間緩衝電容器144經以電流充電，以在一連續放電模式中使用以使二次FET 142導電。該實例循環接著在下一個放電模式開始處重新開始（如圖2）。本說明書現在轉至二次側控制器150的實例實施例。
圖6根據至少一些實施例顯示二次側控制器的方塊圖。具體而言，圖6顯示呈一封裝積體電路(IC) 600形式之二次側控制器150。該封裝囊封一或多個半導體晶粒或晶片，在其上各種電路以單塊的方式建構。在圖6的實例情況中，該封裝囊封一單一半導體晶片602，但在其他情況中，該封裝可囊封多個晶片（例如多晶片模組）。該封裝可採用任何合適的形式，諸如一小型IC (Small Outline IC, SOIC)十個接腳封裝(SOIC-10)。實例封裝IC 600界定閘極端子604、源極端子606、及回授端子608。在被安裝在一功率轉換器內時，閘極端子604耦接至閘極208（圖2），源極端子606耦接至源極210（圖2），而回授端子608耦接至高側電壓輸出VOUTH 。雖然會存在額外的端子（例如，共點或接地端子、VCC 端子），但為了不使該圖式過度複雜化，不顯示彼等額外的端子。
呈二次側控制器150形式之實例封裝IC 600包括一箝位電路610、一短路電路612、及一控制器614。該箝位電路耦接在閘極端子604與源極端子606之間。當電流流入閘極端子604時，箝位電路610經組態以將在閘極端子604處之電壓相對於源極端子606箝位在一預定電壓。例如，在各放電模式期間來自緩衝電容器144（圖1）之電流可流動通過箝位電路610以相對於源極端子606對在閘極端子604處之電壓箝位，以確保二次FET 142完全導電，並確保閘極208上的電壓不超過設計公差。
呈二次側控制器150形式之實例封裝IC 600亦包括一短路電路612。實例短路電路612界定一控制輸入616，且實例短路電路612經耦接在閘極端子604與源極端子606之間。短路電路612經組態以回應於控制輸入616的確立而將閘極端子604耦接至源極端子606。因此，在控制器614的命令下，短路電路612可使二次FET 142（圖1）不導電，以作為控制針對高側電壓輸出VOUTH 的電壓控制之導通時間的一部分。
呈二次側控制器150形式之實例封裝IC 600亦包括一電壓控制器614。實例電壓控制器614界定耦接至回授端子608之回授輸入404。實例電壓控制器614亦界定耦接至源極端子606之電流感測輸入402。最後，電壓控制器614界定耦接至控制輸入616之控制輸出618。實例電壓控制器614經組態以感測功率轉換器的各放電模式，且在各放電模式期間電壓控制器614經組態以藉由控制或調變箝位電路610箝位在該預定電壓之一時間長度來控制該導通時間。該導通時間的控制係基於在回授端子608處所感測的電壓。具體而言，在各放電模式內的導通時間期間，短路電路612充當一開路電路，且因此使來自緩衝電容器144（圖1）之過量電流能夠流入閘極端子604、通過箝位電路610、並流出源極端子606。然而，當電壓控制器614判定導通時間應結束時，電壓控制器614將控制輸出618確立，此使控制輸入616確立至短路電路612。短路電路612繼而將閘極端子604耦接或短路至源極端子606，其汲取來自閘極端子之電流且因此使二次FET 142不導電。在下一個充電模式期間，實例箝位電路610從源極端子606提供電流（例如，圖5的電流500）至閘極端子604，以對緩衝電容器144充電。
圖7根據至少一些實施例顯示二次側控制器的方塊圖。具體而言，圖7顯示呈封裝IC 600形式之二次側控制器150。箝位電路610經繪示性顯示為一齊納二極體700，該齊納二極體界定耦接至閘極端子604之一陰極702、及耦接至源極端子606之一陽極704。實例性齊納二極體700執行多個功能。在各放電模式的早期階段期間，齊納二極體700攜載電流306（圖3），且因此將來自閘極端子604之電壓相對於源極端子606箝位在齊納二極體700的反向崩潰電壓。在充電模式期間，齊納二極體700將電流從源極端子606攜載至閘極端子604，以對緩衝電容器144（圖1）充電。可使用其他電路來執行箝位電路的功能，諸如經驅動至其主動區中的電晶體（例如，由控制器614所驅動）。
圖7亦以一閘流體706形式一實例短路電路612。閘流體706（有時稱為矽控整流器(silicon-controlled rectifier, SCR)）包括陽極708、陰極710、及閘極712（其界定控制輸入616）。在操作上，閘流體706在順向偏壓存在時保持不導電，直到閘極712被確立。一旦閘極712經確立，閘流體706將電流從陽極708傳導至陰極710（無論閘極712的狀態為何）。一旦閘流體706經反向偏壓，傳導能力再次被切斷，直到閘極712在跨閘流體706之順向偏壓的存在時再次被確立。因此，在實例情況中使用閘流體706以將閘極端子604短路至源極端子606以汲取來自二次FET 142的閘極之電流，以使二次FET 142不導電。可使用其他電路，諸如操作為電控開關的一電晶體。
實例二次側控制器150可在功率轉換器的一次側上以任何切換頻率操作。二次側控制器150感測一放電模式，並基於高側電壓輸出VOUTH 來控制導通時間、或根據該高側電壓輸出VOUTH 來變動地控制導通時間。因此，在至少一些實施例中，二次側控制器150（具體而言電壓控制器614）不具有或實施一振盪器。因此，缺少振盪器使電壓控制器614及二次側控制器150較小，且建造費用較不昂貴。
圖8根據至少一些實施例顯示一方法。具體而言，該方法開始（方塊800），且包含：對耦接至經配置用於返馳操作之一變壓器的一二次繞組之一緩衝電容器充電，該充電係於該變壓器的一一次繞組的一充電模式期間（方塊802）；以來自該緩衝電容器之電流對一二次FET的一閘極充電（例如，以使該二次FET導電），對該閘極的該充電係於該一次繞組的一放電模式期間，該放電模式與該充電模式連接（方塊804）；提供電流通過一二次整流器及該二次FET至該功率轉換器的一二次輸出節點，該二次整流器與該二次FET串聯耦接（方塊806）；及使該二次FET不導電（方塊808）。其後，該方法結束（方塊810）。
附圖中的許多電連接係示出為不具有居間裝置的直接耦接，但在上文描述中未明確指明為如此。然而，此段落將作為在申請專利範圍中提及任何電連接為附圖中不具有居間裝置的電連接之「直接耦接」之前置基礎。
上述討論係意欲說明本發明的原理及各種實施例。一旦完全理解上述的揭露，許多變化與修改對於所屬技術領域中具有通常知識者來說將變得明顯。其意圖係將下列申請專利範圍係解釋成涵蓋所有此類變更與修改。
100:功率轉換器 102:一次側 104:二次側 106:主變壓器 108:一次繞組 110:主開關/主FET 112:汲極 114:閘極 116:源極 118:感測電阻器 120:一次側控制器 122:電流感測節點 124:電壓回授電路 126:光耦合器 128:低側二次繞組 130:低側整流器 132:低側平滑電容器 134:齊納二極體 136:電流限制電阻器 138:高側二次繞組 140:高側整流器 142:二次FET 144:緩衝電容器 146:電流感測電阻器 148:高側平滑電容器 150:二次側控制器 200:第一引線 202:第二引線 204:第一引線 206:第二引線 208:閘極 210:源極 300:箭頭/電流/虛線 302:箭頭/電流 304:箭頭/電流 306:電流 400:箭頭/電流 402:電流感測輸入 404:回授輸入 500:箭頭/電流 600:封裝積體電路(IC) 602:半導體晶片 604:閘極端子 606:源極端子 608:回授端子 610:箝位電路 612:短路電路 614:控制器/電壓控制器 616:控制輸入 618:控制輸出 700:齊納二極體 702:陰極 704:陽極 706:閘流體 708:陽極 710:陰極 712:閘極 800:方塊 802:方塊 804:方塊 806:方塊 808:方塊 810:方塊 VDC:輸入電壓/電壓源 VOUTL:低側電壓輸出 VOUTH:高側電壓輸出
為了詳細描述實例實施例，現將參考隨附圖式，其中： 圖1根據至少一些實施例顯示功率轉換器的電氣示意圖； 圖2根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖； 圖3根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖； 圖4根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖； 圖5根據至少一些實施例顯示功率轉換器的二次側的一部分的電氣示意圖； 圖6根據至少一些實施例顯示二次側控制器的方塊圖； 圖7根據至少一些實施例顯示二次側控制器的方塊圖；及 圖8根據至少一些實施例顯示一方法。 定義
各種用語係用以指涉特定的系統組件。不同的公司可使用不同名稱指涉一組件，本文件不打算區別名稱不同但功能無不同的組件。在下列討論及申請專利範圍中，用語「包括(including)」及「包含(comprising)」係以開放方式使用，且因此應理解為意指「包括，但不限於…(including, but not limited to…)」。同樣地，用語「耦接（couple或couples）」係意欲意指間接連接或直接連接。因此，若一第一裝置耦接至一第二裝置，則該連接可係通過直接連接或通過經由其他裝置及連接的間接連接。
關於電氣裝置，用語「輸入(input)」及「輸出(output)」係指至電氣裝置的電氣連接，且不應理解為需要動作的動詞。例如，控制器可具有閘極輸出與一或多個感測輸入。
「控制器(controller)」應指經組態以讀取輸入並回應於該等輸入而驅動輸出的個別電路組件、特定應用積體電路(application specific integrated circuit, ASIC)、具有控制軟體的微控制器、數位信號處理器(digital signal processor, DSP)、具有控制軟體的處理器、現場可程式閘陣列(field programmable gate array, FPGA)、或其組合。
100:功率轉換器
102:一次側
104:二次側
106:主變壓器
108:一次繞組
110:主開關/主FET
112:汲極
114:閘極
116:源極
118:感測電阻器
120:一次側控制器
122:電流感測節點
124:電壓回授電路
126:光耦合器
128:低側二次繞組
130:低側整流器
132:低側平滑電容器
134:齊納二極體
136:電流限制電阻器
138:高側二次繞組
140:高側整流器
142:二次FET
144:緩衝電容器
146:電流感測電阻器
148:高側平滑電容器
150:二次側控制器
VDC:輸入電壓/電壓源
VOUTL:低側電壓輸出
VOUTH:高側電壓輸出

Claims (10)

  1. 一種操作一功率轉換器的方法，該方法包含： 對耦接至經配置用於返馳操作之一變壓器的一二次繞組之一緩衝電容器充電，該充電係於該變壓器的一一次繞組的一充電模式期間； 以來自該緩衝電容器之電流對一二次場效電晶體(FET)的一閘極充電，對該閘極的該充電係於該一次繞組的一放電模式期間，該放電模式與該充電模式連接； 提供電流通過一二次整流器及該二次FET至該功率轉換器的一二次輸出節點，該二次整流器與該二次FET串聯耦接；及 使該二次FET不導電。
  2. 如請求項1之方法，其中將該二次FET的該閘極充電到導電進一步包含：在該充電模式結束之後但在與該二次FET串聯耦接之該二次整流器經正向偏壓之前，對該閘極充電。
  3. 如請求項1之方法，其中對該閘極充電進一步包含：在跨該二次繞組之一電壓在從該充電模式期間之負極性到該放電模式期間之正極性的一電壓擺動中達到零伏特之前，對該閘極充電。
  4. 如請求項1之方法，其中使該二次FET不導電進一步包含在該二次整流器經正向偏壓的同時使該二次FET不導電，且該二次FET變得不導電使該二次FET的一導通時間結束。
  5. 如請求項1之方法，其中使該二次FET不導電進一步包含在該放電模式期間使該二次FET不導電。
  6. 一種用於一功率轉換器的控制器，該控制器包含： 一閘極端子、一源極端子、及一回授端子； 一箝位電路，其耦接在該閘極端子與該源極端子之間，該箝位電路經組態以在電流流入該閘極端子時將在該閘極端子處之電壓相對於該源極端子箝位在一預定電壓； 一短路電路，其界定一控制輸入，且該短路電路耦接在該閘極端子與該源極端子之間，該短路電路經組態以回應於該控制輸入的確立而將該閘極端子耦接至該源極端子；及 一電壓控制器，其耦接至該回授端子及該控制輸入，該電壓控制器經組態以感測該功率轉換器的各放電模式，且在各放電模式期間，該電壓控制器經組態以基於該回授端子處之一電壓調變該箝位電路箝位在該預定電壓之一時間長度。
  7. 如請求項6之控制器，其中該短路電路進一步經組態以在該功率轉換器的一充電模式期間從該源極端子提供電流至該閘極端子。
  8. 一種切換式功率轉換器，其包含： 一一次側，其包括： 一變壓器之一一次繞組； 一主開關，其耦接在該一次側上的該一次繞組與一參考電壓之間，該主開關界定一控制輸入； 一一次側控制器，其耦接至該主開關的該控制輸入及一電壓回授電路，該一次側控制器經組態以基於指示一低側電壓輸出之一電壓來控制該主開關； 一二次側，其包括： 該變壓器的一低側二次繞組，其耦接至該低側電壓輸出； 一低側整流器，其耦接在該低側二次繞組與該低側電壓輸出之間，該低側二次繞組及該低側整流器經配置用於該低側二次繞組的返馳操作； 該變壓器的一高側二次繞組，其耦接至一高側電壓輸出； 一高側整流器，其界定一陽極及一陰極，該陽極經耦接至該高側二次繞組； 一緩衝電容器，其具有耦接至該高側整流器的該陽極之一第一引線； 一二次場效電晶體(FET)，其耦接在該高側整流器的該陰極與該高側電壓輸出之間； 一二次側控制器，其耦接至該二次FET的一閘極、該二次FET的一源極、及該高側電壓輸出，該二次側控制器經組態以感測該切換式功率轉換器的各放電模式，及在各放電模式期間基於該高側電壓輸出的一電壓來控制該二次FET導電的一時間長度。
  9. 如請求項8之切換式功率轉換器，其中該二次側控制器進一步包含： 一箝位電路，其耦接在該二次FET的一閘極與一源極之間，該箝位電路經組態以在電流朝向該高側電壓輸出流動時，將在該閘極處之電壓相對於該源極箝位一預定電壓； 一短路電路，其界定一控制輸入，且該短路電路耦接在該閘極與該源極之間，該短路電路經組態以回應於該控制輸入的確立而藉由將該閘極耦接至該源極來使該二次FET不導電；及 一電壓控制器，其經組態以感測該切換式功率轉換器的各放電模式，且在各放電模式期間，該電壓控制器經組態以藉由控制該箝位電路箝位在該預定電壓多久來控制該時間長度。
  10. 如請求項9之切換式功率轉換器，其中該短路電路進一步經組態以在該切換式功率轉換器的各充電模式期間從該源極提供電流至該閘極。
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