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CN111869078A - 集成式自驱动有源钳位 - Google Patents

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CN111869078A CN201980010468.XA CN201980010468A CN111869078A CN 111869078 A CN111869078 A CN 111869078A CN 201980010468 A CN201980010468 A CN 201980010468A CN 111869078 A CN111869078 A CN 111869078A
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A.拉迪克
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Apars Electric Power Co Ltd
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Abstract

一种有源钳位电路包括：有源钳位电容器，其与有源钳位开关串联耦合；以及有源钳位控制器电路，其用于接收通过所述有源钳位开关的有源钳位开关电流并基于所述接收到的有源钳位开关电流控制所述有源钳位开关。所述有源钳位控制器电路被配置为基于第一振幅比较来启用所述有源钳位开关，所述第一振幅比较是基于所述有源钳位开关电流。所述有源钳位控制器电路被配置为基于第二振幅比较和第三振幅比较来停用所述有源钳位开关，所述第二振幅比较和所述第三振幅比较是基于所述有源钳位开关电流。

Description

集成式自驱动有源钳位
相关申请
本申请要求2018年9月28日提交的且标题为“集成式自驱动有源钳位(IntegratedSelf-Driven Active Clamp)”的美国非临时专利申请第16/145,819号的优先权，该申请要求2018年2月2日提交的且标题为“集成式自适应有源钳位(Integrated Adaptive ActiveClamp)”的美国临时专利申请第62/625,691号的优先权，其全部内容出于所有目的以引用的方式并入本文中。
背景技术
开关式电源(SMPS)是现代电子装置中的电源管理部件。它们尤其为多个负载提供高能效和电流隔离的电源。为了实现高功率处理效率和/或电流隔离，通常需要一个或多个磁耦合元件、半导体开关和相关联的栅极驱动器电路。
磁耦合元件经常遭遇非平凡的漏感现象，这需要价格合理的电压缓冲电路来控制半导体开关的峰值漏极-源极电压。由于SMPS的价格敏感特性，缓冲电路通常限于具有成本效益的无源和功率损耗的电阻器-电容器-二极管(RCD)配置。
在对功率损耗和热量产生敏感的系统中，以热量形式耗散有损部件是不合适的。因此，使用系统内的有源钳位配置来回收能量为减小系统的形状因数和提高功效提供了机会。
此外，钳位开关功率晶体管的最大漏极-源极电压允许提高装置的可靠性，并且允许使用具有改进的品质因数(FOM)的功率晶体管。改进的FOM使SMPS能够以更高的开关频率操作，同时保持高的功率处理效率。此外，其允许减小SMPS电抗部件的尺寸并降低其成本。
发明内容
在一些实施方案中，有源钳位电路包括与有源钳位开关串联耦合的有源钳位电容器，以及有源钳位控制器电路。有源钳位控制器电路接收通过有源钳位开关的有源钳位开关电流，并基于接收到的有源钳位开关电流来控制有源钳位开关。有源钳位控制器电路被配置为基于第一振幅比较来启用有源钳位开关，所述第一振幅比较是基于有源钳位开关电流。有源钳位控制器电路被配置为基于第二振幅比较和第三振幅比较来停用有源钳位开关，所述第二振幅比较和所述第三振幅比较是基于有源钳位开关电流。
在一些实施方案中，一种设备包括功率转换器电路以将来自电压源的输入电压转换成输出电压。功率转换器电路包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组的第一绕组节点耦合到电压源以接收输入电压。所述设备包括：主开关，其耦合到初级绕组的第二绕组节点以控制通过初级绕组的电流；以及有源钳位电路，其用于钳位初级绕组的第二绕组节点处的电压。有源钳位电路包括：i)串联耦合到有源钳位开关的有源钳位电容器的串联电路组合，所述串联电路组合与初级绕组并联耦合；以及ii)有源钳位控制器电路，其用于接收通过有源钳位开关的有源钳位开关电流并基于有源钳位开关电流控制有源钳位开关。有源钳位控制器电路被配置为基于第一振幅比较来启用有源钳位开关，所述第一振幅比较是基于有源钳位开关电流。有源钳位控制器电路被配置为基于第二振幅比较和第三振幅比较来停用有源钳位开关，所述第二振幅比较和所述第三振幅比较是基于有源钳位开关电流。
附图说明
图1是常规功率转换器的简化电路示意图。
图2是根据一些实施方案的具有自驱动有源钳位电路的功率转换器的简化电路示意图。
图3是根据一些实施方案的自驱动有源钳位电路的简化电路示意图。
图4是根据一些实施方案的与自驱动有源钳位电路有关的信号的简化曲线图。
图5A是根据一些实施方案的与具有自驱动有源钳位电路的功率转换器有关的信号的简化曲线图。
图5B是与具有常规钳位电路的功率转换器有关的信号的简化曲线图。
图6是根据一些实施方案的具有自驱动有源钳位电路的功率转换器的一部分的简化电路示意图。
图7是根据一些实施方案的具有自驱动有源钳位电路的功率转换器的一部分的简化电路示意图。
图8是根据一些实施方案的具有自驱动有源钳位电路的功率转换器的一部分的简化电路示意图。
图9A是根据一些实施方案的与具有自驱动有源钳位电路的功率转换器有关的信号的简化曲线图。
图9B是与具有常规钳位电路的功率转换器有关的信号的简化曲线图。
图10是示出了根据一些实施方案的具有自驱动有源钳位电路的功率转换器的实验结果的屏幕截图。
图11是根据一些实施方案的使用自驱动有源钳位电路来钳位功率转换器的主开关的电压的过程的一部分。
图12是根据一些实施方案的使用自驱动有源钳位电路来钳位功率转换器的主开关的电压的过程的一部分。
具体实施方式
本文描述的一些实施方案提供了用于功率转换器中的自驱动有源钳位电路和自驱动有源钳位方法，所述功率转换器使用变压器将输入电压转换为输出电压。在一些实施方案中，本文描述的自驱动有源钳位代替了常规功率转换器的电阻器-电容器-二极管(RCD)缓冲电路的二极管，从而有利地将常规功率转换器转换为具有自驱动有源钳位的功率转换器而无需更改功率转换器的其他控制电路(诸如初级侧电源管理集成电路，或次级侧同步开关控制器集成电路)。在其他实施方案中，自驱动有源钳位电路被集成到功率转换器的初始设计中。
自驱动有源钳位电路通过回收存储在变压器的漏感中的能量，有利地提高了功率转换器的功率处理效率。为了进一步提高轻到中等功率处理效率，在一些实施方案中，在功率转换器的轻负载和低线操作期间(例如，当初级侧开关的漏极-源极电压低于电压阈值(诸如500V)时)，有源钳位电路被有利地停用。
根据一些实施方案，自驱动有源钳位电路钳位主开关的初级侧峰值电压，这使得功率转换器能够利用具有较低额定电压的初级侧和/或次级侧开关，从而导致在开关导通和/或开关期间功率损耗减少。在一些实施方案中，当自驱动有源钳位电路的有源钳位场效应晶体管(FET)开关的体二极管开始导通(例如，开关的源极-漏极电流流过开关)时，自驱动有源钳位电路接通，并且当通过开关的源极-漏极电流接近第二过零点时断开。因此，与常规的有源钳位解决方案相比，可以有利地减少自驱动有源钳位电路的接通时间，因为有源钳位开关不需要与主开关接通时间一致。因此，与常规的钳位电路相比，可以使用更小的有源钳位电容器，因为有源钳位电路的谐振周期更短。因为有源钳位电容器是高压部件，所以使用较小的电容可以产生成本显著降低的好处。
在轻负载下，通常很难使用常规的有源钳位电路来实现零电压开关，因为主开关接通时间之间的周期会长很多。本文所述的自驱动有源钳位电路的实施方案允许在宽范围的输出负载电流上在功率转换器的初级侧上对主开关进行接近零电压开关，而无需对变压器磁化电感电流值进行精确调制。这样的实施方案经由有源钳位电容器的放电而感应出低振幅谐振磁化电感电流，这放大了准谐振电压振幅。有利地，这导致在第一波谷处的准谐振操作期间主开关的接近零电压开关，并且显著降低第二波谷处和更高波谷处主开关的接通电压。
与常规的有源钳位零电压开关方法相比，本文所述的自驱动有源钳位电路的另一个优点是有源钳位RMS电流显著降低(例如，降低了高达10倍)。与常规的有源钳位电路相比，这使得自驱动有源钳位电路能够利用具有更高RDSON(漏极-源极导通电阻)的有源钳位开关，从而产生成本更低、更易于集成并且具有比常规有源钳位电路更小的物理尺寸的有源钳位电路。
图1是常规的功率转换器(“转换器”)100的简化电路示意图。已经从图1中省略了功率转换器100的一些元件以简化对功率转换器100的描述但其应被理解为存在。在转换器100处接收电压源V输入’。V输入'可以作为交流电(AC)或直流电(DC)提供。转换器100的输入侧通常包括输入电压滤波器块122、整流器块116(在AC输入的情况下)、输入电压缓冲电容器C1、RCD缓冲电路块114(其包括电容器C2、电阻器R1和二极管D1)、主开关M1和主开关控制器电路(“控制器”)118。输入电压滤波器块122、整流器块116和输入缓冲电容器C1将经滤波、缓冲、整流或以其他方式调节的输入电压V输入提供给变压器102。
变压器102将功率从转换器100的输入侧传递到转换器100的输出侧，并且通常包括具有第一节点108和第二节点110的初级绕组104以及次级绕组106。转换器100的输出侧通常包括输出缓冲电路112、同步整流器开关M2、同步整流器开关控制器电路(“控制器”)120和负载(未示出)。
第一节点108接收V输入，并且第二节点110在第二节点110处耦合到主开关M1的端子。在转换器100的开关周期的第一部分期间，主开关M1控制通过初级绕组104的电流以对变压器102的磁化电感LM充电。在开关周期的后续部分期间，同步整流器开关M2控制流过次级绕组106的电流以使变压器102放电到输出缓冲电路112和/或负载中。在一些实施方案中，主开关M1和/或同步整流器开关M2中的一者或两者是场效应晶体管(FET)，它们各自具有漏极节点、源极节点和栅极节点以控制漏极节点和源极节点之间的电流导通。在其他实施方案中，同步整流器开关M2用二极管代替。
当在开关周期的第一部分期间通过控制器118启用主开关M1时，电流流过初级绕组104到电压偏置节点(诸如接地)。流过初级绕组104的电流使能量存储在变压器102的磁化电感LM和漏感LL中。当在开关周期的后续部分中停用主开关M1时，在输出缓冲电路112处产生输出电压V输出并将其提供给负载(未示出)。当主开关M1断开时，主开关M1在节点110处的漏极节点处产生反射电压(nV输出)。反射电压nV输出对主开关M1在节点110处的漏极-源极电压Vds的贡献被表示为：
Vds＝V输入+nV输出 (等式1)
其中，n是变压器102的匝数比。存储在变压器102的漏感LL中的能量也对节点110处产生的电压Vds做出贡献。
RCD缓冲电路114防止电压Vds升高到损坏主开关M1的水平。随着Vds升高，二极管D1变为正向偏置，并且电流流入电容器C2和电阻器R1以耗散能量，从而将Vds钳位至在主开关M1的安全工作范围内的水平。为了进一步提高转换器100的效率，可以用由有源钳位驱动信号驱动的有源驱动钳位开关来代替二极管D1。然而，常规的有源钳位电路需要来自控制器118的控制信号或其他同步手段。因此，使用控制器118的尚未配置为支持常规有源钳位的转换器100无法被容易地修改来实施有源钳位。
图2是根据一些实施方案的具有自驱动有源钳位电路214的功率转换器(“转换器”)200的简化电路示意图。已经从图2中省略了功率转换器200的一些元件以简化对功率转换器200的描述但其应被理解为存在。转换器200通常包括参考图1讨论的电路元件。然而，转换器100的缓冲电路114的全部或一部分(例如，二极管D1)已经用自驱动有源钳位电路(“有源钳位电路”)214代替。有利地，有源钳位电路214可以代替转换器100的缓冲电路114而无需对转换器100进行大的修改(例如，其不需要来自控制器118、120的控制信号或其他同步信号)。因此，可以利用自驱动有源钳位电路214来修改制造有类似于缓冲电路114的缓冲电路的转换器100，以执行有源钳位。例如，在一些实施方案中，常规的缓冲电路114的二极管D1可以用自驱动有源钳位电路214代替。从初级绕组104流出的磁化电感电流iLM将在后面参考图5A进行描述。
图3是根据一些实施方案的参考图2介绍的转换器200的自驱动有源钳位电路214的简化电路示意图。已经从图3中省略了自驱动有源钳位电路214的一些元件来简化对自驱动有源钳位电路214的描述但其应被理解为存在。有源钳位电路214通常包括有源钳位开关控制器电路302，所述有源钳位开关控制器电路302经由栅极驱动器电路314向有源钳位开关M3提供有源钳位开关控制信号。有源钳位电路214还包括第一电流振幅比较电路304、第二电流振幅比较电路306、电压峰值检测和启用电路308、电压源电路316(例如，LDO)、具有体二极管D2的有源钳位开关M3以及有源钳位电容器C3。有源钳位电容器C3与有源钳位开关M3串联耦合，并且有源钳位电容器C3和有源钳位开关M3的串联组合与初级绕组104并联耦合。第一电流振幅比较电路304、第二电流振幅比较电路306、电压峰值检测和启用电路308以及有源钳位开关控制器电路302在本文中被称为有源钳位控制器电路。与常规RCD电路114的电容器C2的额定电压相比，有源钳位电容器C3可以有利地具有较低的额定电压，从而节省成本。例如，在示例性实施方案中，与电容器C2的630V额定值相比，有源钳位电容器C3可以具有250V额定值。在一些实施方案中，可以有利地从有源钳位电路214中省去常规RCD114的电阻器R1，从而进一步节省成本。
电压源电路316接收电压318，并且增加、减小或以其他方式调节电压318以对栅极驱动器电路314供电以便驱动(即，启用和停用)有源钳位开关M3。在一些实施方案中，有源钳位开关M3是电流双向二象限开关。在一些实施方案中，有源钳位开关M3是具有漏极节点(即，第一开关节点)、源极节点(即，第二开关节点)和栅极节点(即，开关控制节点)的场效应晶体管(FET)以控制漏极节点和源极节点之间的电流导通。有源钳位开关M3的漏极节点和源极节点是与有源钳位电容器C3的串联电路组合。有源钳位开关M3的栅极节点控制有源钳位开关M3的漏极节点和源极节点之间的电流。在一些实施方案中，有源钳位开关M3包括除了体二极管之外的二极管，所述二极管被配置为当二极管被正向偏置时(例如，当跨有源钳位开关M3的源极和漏极产生足够的电压时)，在源极节点和漏极节点之间传递电流(沿第一电流方向)。当有源钳位开关M3的栅极节点由开关控制信号驱动时，有源钳位开关M3双向通过电流(例如，沿第一电流方向，和/或第二电流方向)。在第一电流方向上，电流从初级绕组104流过有源钳位开关M3，并流入有源钳位电容器C3。在第二电流方向上，电流从有源钳位电容器C3流过有源钳位开关M3，并流入初级绕组104。
电压峰值检测和启用电路308通常包括电压比较电路310、二极管D3和电容器C4。电容器C4将电压比较电路310的第一输入端耦合到节点110，以接收主开关M3的漏极-源极电压Vds。电压比较电路310在第二输入端处接收电压阈值312(例如，从电压源电路，未示出)。在一些实施方案中，电压阈值312是这样的电压水平，高于其，主开关M3可能被损坏。在其他实施方案中，电压阈值312是对应于转换器200的重负载操作的电压水平。在其他实施方案中，电压阈值是对应于转换器200的中等或重负载操作的电压水平。当跨主开关M3的电压等于或超过电压阈值312时，电压峰值检测和启用电路308将启用信号传输到有源钳位开关控制器电路302。当跨开关M3的电压不等于或超过电压阈值312时，电压峰值检测和启用电路308将停用信号传输到有源钳位开关控制器电路302。因此，有源钳位开关控制器电路被配置为响应于跨主开关M1产生的电压的电压振幅小于电压阈值312(例如，500V)而停用有源钳位开关M3，而与电流超过第一电流阈值320无关。即，只要有源钳位开关控制器电路302在启用输入端处接收到取消断言的信号，就基于由有源钳位开关控制器电路302在设置和重置输入端处从电流振幅比较电路304、306接收的信号停用有源钳位开关M3并且输出PWM信号不被转变。相反，当电压比较信号指示接收到的电压超过电压阈值312(断言为启用)时，输出PWM信号是基于由有源钳位开关控制器电路302从电流振幅比较电路304、306接收到设置和重置信号。因此，在一些实施方案中，有利地在转换器200的轻负载操作期间停用自驱动有源钳位电路214，从而进一步提高功率效率。
在主开关M1和有源钳位开关M3均断开时的一部分开关周期期间，有源钳位开关电流isd从初级绕组104流过体二极管D2到达有源钳位电容器C3。在主开关M1断开且有源钳位开关M3接通时的开关周期的后续部分期间，电流isd在有源钳位电容器C3、磁化电感LM和转换器200的其他预期或寄生电抗元件之间振荡。
在高水平下，如果由于电流iSD从初级绕组104通过有源钳位开关M3的体二极管D2流到有源钳位电容器C3(例如，检测到D2的体二极管导通)，电流iSD超过第一电流阈值320，则启用有源钳位开关M3。如果检测到电流iSD的第二过零点，则停用有源钳位开关M3。如果由于电流iSD从有源钳位电容器C3通过启用的有源钳位开关M3流入初级绕组104，电流iSD小于第二电流阈值322，则确定已经出现电流iSD的第一过零点。如果由于电流从初级绕组104通过启用的有源钳位开关M3流到有源钳位电容器C3，电流iSD在稍后时间大于第二电流阈值322，则确定已经出现电流iSD的第二过零点。一旦确定已经出现了电流iSD的第二过零点，就停用有源钳位开关M3。
详细地说，第一电流振幅比较电路304在第一输入端处接收电流isd，在第二输入端处接收或产生第一电流阈值320(例如，从第一电流源电路，未示出)，将接收到的电流isd与第一电流阈值320进行比较，并将第一比较信号传输到有源钳位开关控制器电路302的设置输入端。在一些实施方案中，第一电流阈值320是识别有源钳位开关M3的体二极管导通的电流振幅。在一些实施方案中，第一电流阈值320为大约50mA至250mA，诸如100mA。第二电流振幅比较电路306在第一输入端处接收电流isd，在第二输入端处接收或产生第二电流阈值322(例如，从第二电流源电路，未示出)，将接收到的电流isd与第二电流阈值322进行比较，并将第二和第三比较信号传输到有源钳位开关控制器电路302的重置输入端。在一些实施方案中，第二电流阈值322是识别电流isd的第一和第二过零点的电流振幅，有源钳位开关控制器电路302的重置输入端响应于第二电流振幅电路306检测到电流isd的第一过零点而接收断言的第二比较信号，并且响应于第二电流振幅电路306检测到电流isd的第二过零点而接收取消断言的第三比较信号。在一些实施方案中，第二电流阈值322为大约-300mA至0mA，诸如-50mA。在一些实施方案中，电流isd的第一过零点由跨第二电流阈值322以负向斜率转变的电流isd确定，并且电流isd的第二过零点由跨第二电流阈值322以正向斜率转变的电流isd确定。
因此，基于在设置和重置输入端处从比较电路304、306接收到的比较结果信号，有源钳位开关控制器电路302产生经由栅极驱动器电路314驱动有源钳位开关M3的PWM信号。PWM信号被传输到栅极驱动器电路314以控制有源钳位开关M3。图4提供了示例性曲线图400，其示出了根据一些实施方案的设置比较信号402和重置比较信号406与有源钳位开关控制器电路302的所得PWM信号输出404之间的关系。
如图所示，从第一电流振幅比较电路304接收到的设置比较信号402的上升沿(由于检测到M3的体二极管导通)触发PWM信号404的第一沿404a。设置比较信号402的下降沿不会使PWM信号404改变状态。同样，从第二电流振幅比较电路306接收到的重置比较信号406的上升沿(由于检测到电流iSD的第一过零点)不会导致PWM信号404改变状态。但是，重置比较信号406的下降沿(由于检测到电流iSD的第二过零点)触发PWM信号404的第二沿404b。因此，在所示的实施方案中，当电流isd超过第一电流阈值320时(例如，当电流isd流过体二极管D2到达有源钳位电容器C3时)，有源钳位开关M3被启用。当检测到电流iSD的第二过零点时(例如，当电流isd由于磁化电感LM、有源钳位电容器C3和其他电抗部件而谐振时)，有源钳位开关M3被停用。
在一些实施方案中，转换器200依靠间接谐振机制来实现主开关M1的接近零电压的开关。图5A示出了根据一些实施方案的简化图502，其提供了转换器200的操作细节。相比之下，图5B示出了简化曲线图550，其提供了具有常规有源钳位电路的转换器的操作细节。在曲线图502和曲线图550两者中，示出了随时间t变化的在节点110处的电压Vds和变压器102的电流流动iLM。电流iLM在曲线图502中被示为具有与参考图3所引入的电流isd的极性相反的极性。如参考图3所描述的，响应于电流流动iSD的振幅(负iLM)而产生有源钳位开关M3启用信号(PWM)506。对应于转换器200的简化曲线图502示出了当体二极管D2导通时在区域504处有源钳位开关M3的有利的零电压开关、在区域508处有源钳位开关M3的零电流开关以及在区域514处主开关M1的接近零的电压开关。如本文所述，经由由有源钳位电路214的操作产生的二阶效应来实现区域514中的主开关M1的接近零的电压开关。具体地，当有源钳位电路214工作时，有源钳位电容器C3的电压保持在近似等于反射输出电压的电压值。因此，在转换器200进入区域514(准谐振模式)的瞬间，跨有源钳位开关M3的电压近似为零，并且等效电路变为LC电路，如图7的简化电路示意图700所示(L是由于变压器102的磁化电感引起的，并且C是在节点110处看到的等效电容Ceq)。值得注意的是，在节点110处看到的等效电容Ceq由有源钳位开关CossM3和有源钳位电容器C3电容的相应电容(如图7的简化示意图700所示)支配，所述电容在nF范围内(比具有RCD缓冲电路块114的常规转换器100大几个数量级)。由于相当大的等效电容Ceq，与利用传统的RCD缓冲器和在钳位电容器处的电压显著大于反射输出电压(如图9B所示)的情况相比，谐振磁化电感电流振幅iLM 1(如图7所示)被强制为更大的值(如图9A所示)。峰值磁化电感电流可以根据众所周知的LC谐振能量守恒等式来估算，
Figure BDA0002605097410000121
其中Ceq是节点110处的等效电容，并且iLM1是磁化电感电流(在图7中示出为iLM 1)。因为起初将磁化电感电流的振幅强制为较高的值，并且因为一旦主开关M1的漏极-源极电压开始下降，节点110处所示的等效电容Ceq就会降至pF范围(图8中示出了此时等效电路的简化示意图800)，所以将波谷处的电压值强制为较低的电压值(例如，与常规RCD电路相比减少2-3倍)。
此外，PWM脉冲506的宽度显著且有利地比对应于在区域564处具有主开关M1的零电压开关的常规有源钳位的PWM脉冲556短。曲线图502的RMS电流irms显著小于曲线550的RMS电流irms，这是由于峰值电流具有相同的振幅ipk，但是曲线502的谐振周期(和接通时间/开关周期的占空比D)具有小于曲线550的数量级，如等式所给出的，
Figure BDA0002605097410000122
因此，与可能要求有源钳位电容器为数百纳法量级的常规的有源钳位电路相比，可以使用较小的有源钳位电容器C3(纳法量级)。基于在区域514处接近电压过零点，当节点110处的电压Vds等于V输入-knV输出时，主开关M1接通(例如，产生脉冲M1EN516)，其中k是整数值。
图6至图8突显了转换器200的寄生电容性和电感性元件，它们在转换器200的准谐振操作期间谐振，当主开关M1和同步整流器开关M2均断开时，这是开关周期的一部分。图6的简化电路示意图600包括图2中引入的转换器200的元件，以及磁化电感LM130、有源钳位开关M3的寄生电容CossM3、主开关M1的寄生电容CossM1和同步整流器开关M2的寄生电容CossM2的表示。还示出了有源钳位开关电压VAC，其是有源钳位开关M3的漏极-源极电压。在图7至图8的简化电路示意图700、800中分别示出了主导电容元件以及其对于两个不同的有源钳位开关电压的电容值的范围。
图7的简化电路示意图700示出了跨电容CossM3的电压近似等于零伏、跨有源钳位电容器C3的电压近似等于nV输出并且节点110处的电压Vds等于V输入+nV输出时的开关周期的一部分期间转换器200的特定电容性和电感性元件。此时，有源钳位电容器C3和有源钳位开关M3的寄生电容CossM3的组合电容为纳法量级。主开关M1的寄生电容CossM1为皮法量级，并且同步整流器开关M2的寄生电容CossM2为皮法量级。
图8的简化示意图800示出了跨电容CossM3的电压近似等于负nV输出并且跨有源钳位电容器C3的电压近似等于nV输出，从而导致节点110处的电压Vds小于输入电压V输入时的开关周期的一部分期间转换器200的特定电容性和电感性元件。在开关周期的该部分期间，有源钳位电容器C3的电压显著大于反射输出电压nV输出。有源钳位电容器C3和有源钳位开关M3的寄生电容CossM3的组合电容为纳法量级。主开关M1的寄生电容CossM1为皮法量级，并且同步整流器开关M2的寄生电容CossM2为皮法量级。还示出了磁化电感130的电流iLM 2。
大的电容值差异非常重要，因为初始的大的有效电容会导致较高的磁化电感电流(在LC谐振期间)：
Figure BDA0002605097410000141
其中V峰值等于变压器102的初级侧上的反射电压nV输出，LM是磁化电感130，并且Ceq是预期电容和寄生电容的等效电容，如在图6至图8所示的节点110处所见。大的电容值差异是由于当有源钳位开关M3的漏极-源极电压为零时有源钳位开关M3的有源钳位FET输出电容CossM3大而出现，仅当有源钳位电路214被启用时(例如，当在每个开关周期中，有源钳位电容器C3中存储的能量被回收时)是这种情况。
图9A的简化曲线图900示出了根据一些实施方案的在转换器200的准谐振操作期间随时间t变化的节点110处的电压Vds和磁化电感130的磁化电感电流iLM(iLM 1-2)。图9B的简化曲线图950是对于常规的有损RCD缓冲电路，在开关周期的准谐振部分期间，随时间t变化的电压Vds和电流iLM的曲线图。与示出了其中缓冲电容器电压显著大于反射输出电压(例如，VAC>1.5x nV输出)的常规有损缓冲操作的简化曲线图950相比，简化曲线图900示出了有源钳位电容器C3的电压VAC近似等于反射输出电压(例如，VAC～nV输出)时的等式4的非线性效应。
如简化图900所示，与简化图950所示的常规有损缓冲电路相比，有源钳位电路214允许更高的磁化电流iLM。更高的磁化电流iLM继而使得能够从主开关M1移除更多的电荷，从而在转换器200的准谐振操作期间导致较低的漏极-源极电压Vds。
图10是根据一些实施例的具有有源钳位电路214的转换器200的Vds随时间变化的实验结果的屏幕截图1000。屏幕截图1000的第一部分1002示出了当有源钳位电路214被停用时在转换器200的操作期间节点110处的电压Vds。屏幕截图1000的第二部分1052示出了当启用有源钳位电路214并且有源钳位电容器电压VAC近似等于反射输出电压nV输出时在转换器200的操作期间节点110处的电压Vds。如图所示，当有源钳位214被启用时，主开关M1在波谷处的漏极-源极电压明显较小(例如，在第一波谷处为100Vdc对225Vdc；在第二波谷处为125Vdc对240Vdc等)。波谷电压降低的好处是由于主开关M1接通时，主开关CossM1的能量耗散降低，其是电压平方的函数。
图11是根据一些实施方案的用于钳位功率转换器(例如，功率转换器200)的主开关的电压的示例性过程的一部分。仅出于说明性和解释性目的示出了特定步骤、步骤顺序和步骤组合。其他实施方案可以实施不同的特定步骤、步骤顺序以及步骤的组合，以实现类似的功能或结果。在步骤1102处，在功率转换器(200)的变压器(102)的初级绕组(104)处接收输入电压。在步骤1104处，使用功率转换器(200)的主开关(M1)控制通过初级绕组(104)的电流。在步骤1106处，使用有源钳位电路(214)将主开关的电压(例如，在节点110处)钳位到最大电压。基于通过有源钳位电路(214)的有源钳位开关(M3)的有源钳位开关电流(iSD)来钳位主开关(M1)的电压。根据一些实施方案，图12中呈现了步骤1106的细节。仅出于说明性和解释性目的示出了特定步骤、步骤顺序和步骤组合。其他实施方案可以实施不同的特定步骤、步骤顺序以及步骤的组合，以实现类似的功能或结果。
在步骤1202处，在第一时间在第一电流振幅比较电路(304)处接收有源钳位开关电流(iSD)。在步骤1204处，使用第一电流振幅比较电路确定有源钳位开关电流是否大于第一电流阈值(320)(例如，100mA)。如果在步骤1204处确定有源钳位开关电流不大于第一电流阈值，则流程返回到步骤1202。如果在步骤1204处确定有源钳位开关电流大于第一电流阈值(例如，有源钳位开关M3的体二极管导通)，则流程继续进行到步骤1206。在步骤1206处，启用(例如，接通)有源钳位开关(M3)，从而钳位主开关(M1)处的电压。在步骤1208处，在第二时间在第二电流振幅比较电路(306)处接收有源钳位开关电流。在步骤1210处，使用第二电流振幅比较电路确定有源钳位开关电流是否小于第二电流阈值(322)(例如，-50mA)。如果在步骤1210处确定有源钳位开关电流不小于第二电流阈值，则流程返回到步骤1208。如果在步骤1210处确定有源钳位开关电流小于第二电流阈值(例如，有源钳位开关电流的第一过零点)，则流程继续进行到步骤1212。在步骤1212处，在第三时间在第二电流振幅比较电路处接收有源钳位开关电流。在步骤1214处，使用第二电流振幅比较电路确定有源钳位开关电流是否大于第二电流振幅比较电路。如果在步骤1214处确定有源钳位开关电流不大于第二电流阈值，则流程返回到步骤1212。如果在步骤1214处确定有源钳位开关电流大于第二电流阈值(例如，有源钳位开关电流的第二过零点)，则流程继续进行到步骤1216。在步骤1216处，有源钳位开关(M3)被停用(例如，其被断开)。当有源钳位开关被断开时，有源钳位电路(214)不再钳位功率转换器(200)的主开关(M1)的电压。
已经详细参考了所公开的发明的实施方案，在附图中已经示出了其一个或多个示例。已经通过说明本技术的方式提供了每个示例，而不是对本技术进行限制。实际上，尽管已经关于本发明的特定实施方案详细地描述了本说明书，但是应当理解，本领域技术人员在理解前述内容之后，可以容易地想到对这些实施方案的替代、变型和等同物。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以与另一实施方案一起使用以产生又一实施方案。因此，意图是本主题涵盖所附权利要求及其等同物的范围内的所有此类修改和变型。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以对本发明进行这些和其他修改和变型，本发明的范围在所附权利要求中被更具体地阐述。此外，本领域普通技术人员将理解，前述描述仅是示例性的，并不意图限制本发明。

Claims (23)

1.一种有源钳位电路，其包括：
有源钳位电容器，其与有源钳位开关串联耦合；以及
有源钳位控制器电路，其用于接收通过所述有源钳位开关的有源钳位开关电流，并基于所述接收到的有源钳位开关电流来控制所述有源钳位开关；
其中：
所述有源钳位控制器电路被配置为基于第一振幅比较来启用所述有源钳位开关，所述第一振幅比较是基于所述有源钳位开关电流；并且
所述有源钳位控制器电路被配置为基于第二振幅比较和第三振幅比较来停用所述有源钳位开关，所述第二振幅比较和所述第三振幅比较是基于所述有源钳位开关电流。
2.根据权利要求1所述的有源钳位电路，其中所述有源钳位控制器电路还包括：
有源钳位开关控制器电路，其被配置为：i)基于所述第一振幅比较接收第一比较信号，ii)基于所述第二振幅比较接收第二比较信号，iii)基于所述第三振幅比较接收第三比较信号，以及iv)产生有源钳位开关控制信号以控制所述有源钳位开关；
其中所述有源钳位开关控制信号是由所述有源钳位开关控制器电路基于所述第一比较信号、所述第二比较信号和所述第三比较信号产生。
3.根据权利要求2所述的有源钳位电路，其中所述有源钳位控制器电路还包括：
第一振幅比较电路，其被配置为接收所述有源钳位开关电流以执行所述第一振幅比较，并基于所述第一振幅比较来产生所述第一比较信号；
其中：
所述有源钳位开关控制器电路被配置为响应于接收到所述第一比较信号而启用所述有源钳位开关。
4.根据权利要求3所述的有源钳位电路，其中：
所述第一振幅比较包括通过所述第一振幅比较电路将所述有源钳位开关电流的振幅与第一电流振幅阈值进行比较；并且
响应于通过所述第一振幅比较电路确定所述有源钳位开关电流的所述振幅大于所述第一电流振幅阈值，而产生所述第一比较信号。
5.根据权利要求3所述的有源钳位电路，其中所述有源钳位控制器电路还包括：
第二振幅比较电路，其被配置为接收所述有源钳位开关电流以执行所述第二振幅比较和所述第三振幅比较，并基于所述第二振幅比较和所述第三振幅比较而产生所述第二比较信号和所述第三比较信号；
其中：
所述有源钳位开关控制器电路被配置为响应于接收到所述第三比较信号而停用所述有源钳位开关。
6.根据权利要求5所述的有源钳位电路，其中：
所述第二振幅比较包括通过所述第二振幅比较电路检测所述有源钳位开关电流的第一过零点；
所述第三振幅比较包括通过所述第二振幅比较电路检测所述有源钳位开关电流的第二过零点；
响应于检测到所述有源钳位开关电流的所述第一过零点，通过所述第二振幅比较电路产生所述第二比较信号；并且
响应于检测到所述有源钳位开关电流的所述第二过零点，通过所述第二振幅比较电路产生所述第三比较信号。
7.根据权利要求6所述的有源钳位电路，其中：
检测所述有源钳位开关电流的所述第一过零点包括：在第一时间通过所述第二振幅比较电路将所述有源钳位开关电流的振幅与第二电流振幅阈值进行比较；并且
检测所述有源钳位开关电流的所述第二过零点包括：在第二时间通过所述第二振幅比较电路将所述有源钳位开关电流的所述振幅与所述第二电流振幅阈值进行比较。
8.根据权利要求3所述的有源钳位电路，其中：
所述有源钳位开关耦合到另一个开关的节点；并且
所述有源钳位开关将所述另一个开关的所述节点处的电压钳位到最大电压。
9.根据权利要求8所述的有源钳位电路，其中：
所述另一个开关的所述节点耦合到变压器的绕组；并且
所述有源钳位开关电流是在所述变压器的所述绕组和所述有源钳位电容器之间双向流过所述有源钳位开关的电流。
10.根据权利要求1所述的有源钳位电路，其中：
所述有源钳位控制器电路被配置为响应于开关电压的电压振幅小于电压阈值而停用所述有源钳位开关，而与所述第一振幅比较无关。
11.根据权利要求10所述的有源钳位电路，其中所述有源钳位控制器电路还包括：
电压比较电路，其用于接收所述开关电压并基于所述开关电压和所述电压阈值之间的比较输出电压比较信号，所述开关电压是在另一个开关的节点处产生的电压；
其中当所述电压比较信号指示所述开关电压未超过所述电压阈值时，响应于所述电压比较信号而停用所述有源钳位开关；并且
其中当所述电压比较信号指示所述开关电压超过所述电压阈值时，响应于所述电压比较信号而不停用所述有源钳位开关。
12.一种设备，其包括：
功率转换器电路，其用于将来自电压源的输入电压转换为输出电压，所述功率转换器电路包括具有初级绕组和次级绕组的变压器，所述初级绕组的第一绕组节点耦合到所述电压源以接收所述输入电压；
主开关，其耦合到所述初级绕组的第二绕组节点以控制通过所述初级绕组的电流；以及
有源钳位电路，其用于钳位所述初级绕组的所述第二绕组节点处的电压，所述有源钳位电路包括：
i)串联耦合到有源钳位开关的有源钳位电容器的串联电路组合，所述串联电路组合与所述初级绕组并联耦合；以及
ii)有源钳位控制器电路，其用于接收通过所述有源钳位开关的有源钳位开关电流，并基于所述有源钳位开关电流来控制所述有源钳位开关；
其中：
所述有源钳位控制器电路被配置为基于第一振幅比较来启用所述有源钳位开关，所述第一振幅比较是基于所述有源钳位开关电流；并且
所述有源钳位控制器电路被配置为基于第二振幅比较和第三振幅比较来停用所述有源钳位开关，所述第二振幅比较和所述第三振幅比较是基于所述有源钳位开关电流。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述有源钳位控制器电路还包括：
有源钳位开关控制器电路，其被配置为：i)基于所述第一振幅比较接收第一比较信号，ii)基于所述第二振幅比较接收第二比较信号，iii)基于所述第三振幅比较接收第三比较信号，以及iv)产生有源钳位开关控制信号以控制所述有源钳位开关；
其中所述有源钳位开关控制信号是由所述有源钳位开关控制器电路基于所述第一比较信号、所述第二比较信号和所述第三比较信号产生。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述有源钳位控制器电路还包括：
第一振幅比较电路，其被配置为接收所述有源钳位开关电流以执行所述第一振幅比较，并基于所述第一振幅比较来产生所述第一比较信号；
其中：
所述第一振幅比较包括通过所述第一振幅比较电路将所述有源钳位开关电流的振幅与第一电流振幅阈值进行比较；
响应于通过所述第一振幅比较电路确定所述有源钳位开关电流的所述振幅大于所述第一电流振幅阈值，而产生所述第一比较信号；并且
所述有源钳位开关控制器电路被配置为响应于接收到所述第一比较信号而启用所述有源钳位开关。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述有源钳位控制器电路还包括：
第二振幅比较电路，其被配置为接收所述有源钳位开关电流以执行所述第二振幅比较和所述第三振幅比较，并基于所述第二振幅比较和所述第三振幅比较而产生所述第二比较信号和所述第三比较信号；
其中：
所述第二振幅比较包括通过所述第二振幅比较电路检测所述有源钳位开关电流的第一过零点；
所述第三振幅比较包括通过所述第二振幅比较电路检测所述有源钳位开关电流的第二过零点；
响应于检测到所述有源钳位开关电流的所述第一过零点，通过所述第二振幅比较电路产生所述第二比较信号；
响应于检测到所述有源钳位开关电流的所述第二过零点，通过所述第二振幅比较电路产生所述第三比较信号；并且
所述有源钳位开关控制器电路被配置为响应于接收到所述第三比较信号而停用所述有源钳位开关。
16.如权利要求15所述的设备，其中：
检测所述有源钳位开关电流的所述第一过零点包括：在第一时间通过所述第二振幅比较电路将所述有源钳位开关电流的所述振幅与第二电流振幅阈值进行比较；并且
检测所述有源钳位开关电流的所述第二过零点包括：在第二时间通过所述第二振幅比较电路将所述有源钳位开关电流的所述振幅与所述第二电流振幅阈值进行比较。
17.如权利要求15所述的设备，其中：
所述有源钳位开关控制信号具有第一信号转变沿，所述第一信号转变沿将所述有源钳位开关控制信号从先前的有源钳位开关控制信号状态转变到第一有源钳位开关控制信号状态；
所述有源钳位开关控制信号具有第二信号转变沿，所述第二信号转变沿将所述有源钳位开关控制信号从所述第一有源钳位开关控制信号状态转变到第二有源钳位开关控制信号状态；
响应于所述第一比较信号，产生所述有源钳位开关控制信号的所述第一信号转变沿；并且
响应于所述第三比较信号，产生所述有源钳位开关控制信号的所述第二信号转变沿。
18.如权利要求17所述的设备，其中：
所述有源钳位开关被配置为响应于所述第一有源钳位开关控制信号状态而被启用；并且
所述有源钳位开关被配置为响应于所述第二有源钳位开关控制信号状态而被停用。
19.如权利要求12所述的设备，其中：
所述有源钳位控制器电路被配置为响应于开关电压的电压振幅小于电压阈值而停用所述有源钳位开关，而与所述第一振幅比较无关。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述有源钳位控制器电路包括：
电压比较电路，其用于接收所述开关电压并基于所述开关电压和所述电压阈值之间的比较输出电压比较信号，所述开关电压是在所述主开关的节点处产生的电压；
其中当所述电压比较信号指示所述开关电压未超过所述电压阈值时，响应于所述电压比较信号而停用所述有源钳位开关；并且
其中当所述电压比较信号指示所述开关电压超过所述电压阈值时，响应于所述电压比较信号而不停用所述有源钳位开关。
21.根据权利要求12所述的设备，其还包括：
主开关控制器电路，其通信地耦合到所述主开关，以控制从所述初级绕组到所述次级绕组的功率传递；
其中：
所述有源钳位控制器电路与所述主开关控制器电路通信地隔离开。
22.如权利要求12所述的设备，其中：
所述有源钳位开关是具有第一开关节点、第二开关节点和开关控制节点的电流双向二象限开关；
所述第一开关节点和所述第二开关节点是与所述有源钳位电容器的串联电路组合；并且
所述开关控制节点耦合到所述有源钳位控制器电路，以控制所述第一开关节点和所述第二开关节点之间的所述有源钳位开关电流。
23.如权利要求22所述的设备，其中：
所述有源钳位开关被配置为响应于跨所述第二开关节点和所述第一开关节点产生的电压而使所述有源钳位开关电流在所述第二开关节点和所述第一开关节点之间沿第一方向通过；并且
所述有源钳位开关被配置为响应于在所述开关控制节点处接收到的开关控制信号而使所述有源钳位开关电流在所述第一开关节点和所述第二开关节点之间沿第二方向通过。
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