有源钳位电路

相关申请

本申请要求于2019年10月28日提交且名为“Active Clamp Circuit”的美国专利申请号16/665,237的权益，所述专利申请是2019年1月14日提交的名为“Active ClampCircuit”且作为美国专利号10,461,626发布的美国专利申请号16/247,227的连续申请；这些申请全部以引用的方式整体并入本文。

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效且电流隔离的电源。为了实现高功率处理效率和/或电流隔离，常规上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意义非凡的漏电感现象，这使得对价格合理的用于控制半导体开关的峰值漏极-源极电压的电压缓冲电路的需求成为必需。由于SMPS的价格敏感特性，缓冲电路常规上受限于具有成本效益的无源的且有功率损耗的电阻器-电容器-二极管(RCD)配置。

发明内容

在一些实施方案中，一种有源钳位电路包括：有源钳位开关，所述有源钳位开关具有漏极节点和源极节点；有源钳位电容器，所述有源钳位电容器与所述有源钳位开关以串联组合进行耦合；延迟电路；以及有源钳位控制器电路。所述有源钳位控制器电路耦合到所述有源钳位开关和所述延迟电路。所述有源钳位控制器电路被配置为i)接收基于跨所述有源钳位开关的所述漏极节点和所述源极节点产生的电压的有源钳位开关电压，ii)基于所述有源钳位开关电压的电压幅值而启用所述有源钳位开关，以及iii)基于由所述延迟电路产生的延迟信号而禁用所述有源钳位开关。

在一些实施方案中，一种功率转换器包括变压器，所述变压器具有初级绕组和次级绕组。所述初级绕组的第一绕组节点被配置为耦合到电压源以接收输入电压。所述次级绕组被配置为耦合到负载以从所述输入电压提供输出电压。所述功率转换器包括有源钳位电路和主开关，所述主开关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。所述有源钳位电路包括：有源钳位开关，所述有源钳位开关具有漏极节点和源极节点；有源钳位电容器，所述有源钳位电容器与所述有源钳位开关以串联电路组合进行耦合；延迟电路；以及有源钳位控制器电路。所述有源钳位控制器电路耦合到所述有源钳位开关和所述延迟电路。所述有源钳位控制器电路被配置为i)接收基于跨所述有源钳位开关的所述漏极节点和所述源极节点产生的电压的有源钳位开关电压，ii)基于所述有源钳位开关电压的电压幅值而启用所述有源钳位开关，以及iii)基于由所述延迟电路产生的延迟信号而禁用所述有源钳位开关。

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例如用于图2所示的功率转换器中的低成本型自驱动有源钳位电路的简化电路示意图。

图4示出了根据一些实施方案的与图3所示的低成本型自驱动有源钳位电路相关的信号的简化曲线图。

图5至图6是根据一些实施方案的用于使用图3所示的自驱动有源钳位电路来对图2所示的功率转换器的主开关的电压进行钳位的过程的各部分。

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低成本型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电路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，而无需改变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。在任一实施方案中，与常规的解决方案相比较，功率转换器的控制被有利地简化。

在对功率损耗和热量产生敏感的系统中，有损部件中呈热量形式的耗散是不合适的。因此，在系统内使用有源钳位配置来回收能量为减小系统形状因数和提高功率效率提供了机会。另外地，对开关电源晶体管的最大漏极-源极电压进行钳位允许提高装置可靠性，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使得SMPS能够以更高的开关频率操作，同时维持高功率处理效率。另外，对开关电源晶体管的最大漏极-源极电压进行钳位允许降低SMPS电抗部件的尺寸和成本。

与RCD缓冲电路相比较，自驱动有源钳位电路通过回收存储在变压器的漏电感中的能量，有利地提高了功率转换器的功率处理效率。根据一些实施方案，自驱动有源钳位电路对功率转换器的主开关的初级侧峰值电压进行钳位，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，从而带来在开关导通和/或开关期间降低的功率损耗。

在一些实施方案中，自驱动有源钳位电路基于参考电压与跨有源钳位开关的漏极节点和源极节点产生的电压之间的比较，或所述电压的衰减表示而启用有源钳位开关。在此类实施方案中，自驱动有源钳位电路在延迟到期时禁用有源钳位开关。响应于有源钳位开关被启用而启动延迟。在此类实施方案中，可有利地使用低成本电压比较放大器来实现有源钳位电路。另外地，与常规的有源钳位解决方案相比较，可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，与用于常规的钳位电路中的有源钳位电容器相比较，可利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。由于有源钳位电容器是高压部件，因此使用较小的电容可带来显著的成本降低的益处。

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中省略了转换器100的一些元件以简化对转换器100的描述，但是应理解为存在所述元件。在转换器100处接收电压源V

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以及负载R

第一节点108接收V

当在开关循环的第一部分期间通过控制器118启用主开关M1’时，电流通过初级绕组104流动到电压偏置节点，诸如接地端。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L

V

其中n是变压器102的匝数比。存储在变压器102的漏电感L

RCD缓冲电路114防止电压V

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中省略了转换器200的一些元件以简化对转换器200的描述，但是应理解为存在所述元件。转换器200的一些元件类似于转换器100的元件(例如，主开关M1类似于主开关M1’)。然而，在所示的实施方案中，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。在一些实施方案中，可有利地从有源钳位电路214中省略常规RCD 114的电阻器R1，从而提供进一步的节省成本和功率效率的提高。一般而言，转换器200包括被配置为接收输入电压的输入侧，以及被配置为从输入电压提供输出电压的输出侧，所述输入侧通过变压器202耦合到输出侧。变压器202将功率从转换器200的输入侧传递到转换器200的输出侧，并且通常包括初级绕组204以及次级绕组206。初级绕组204包括第一绕组节点208和第二绕组节点210。转换器200的输入侧通常包括输入滤波器块222、整流器块216、输入电压缓冲电容器C1、主开关M1、自驱动有源钳位电路(“有源钳位电路”)214以及主开关控制器218。变压器202的磁化电感L

转换器200的输出侧通常包括输出缓冲器212、同步整流器开关M2、同步整流器开关控制器电路(“控制器”)220以及负载R

有利地，在一些实施方案中，有源钳位电路214可代替转换器100的缓冲电路114而不用对转换器100进行显著的修改(例如，所述有源钳位电路不需要来自控制器218、220的控制信号或其他同步信号)。因此，在此类实施方案中，可用执行有源钳位的自驱动有源钳位电路214对制造有类似于缓冲电路114的缓冲电路的转换器100进行改造。例如，在一些实施方案中，常规的缓冲电路114的二极管D1可用自驱动有源钳位电路214代替。在其他实施方案中，转换器200可被设计和/或制造为包括自驱动有源钳位电路214。在此类实施方案中，与常规的解决方案相比较，转换器200的控制被有利地简化。

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的一些元件以简化对自驱动有源钳位电路214的描述，但是应理解为存在所述元件。

有源钳位电路214防止电压V

有源钳位电容器C3与有源钳位开关M3连接成串联电路组合。有源钳位控制器电路304通过栅极驱动器电路306耦合到有源钳位开关M3的栅极节点G。栅极驱动器电路306耦合到偏置电压Vcc和节点210以接收干线电压。有源钳位控制器电路304被配置为在节点308处接收有源钳位开关电压(V

有源钳位开关电压(V

参考电压源312产生参考电压314。电压比较电路(例如，比较器)316在负端子(‘-’)处从节点308接收有源钳位开关电压307并且在正端子(‘+’)处接收参考电压314。电压比较电路316基于有源钳位开关电压307与参考电压314的比较而产生电压比较信号(V

逻辑电路318包括置位-复位(SR)锁存电路。逻辑电路318的SR锁存电路的置位端子被配置为接收电压比较信号317。响应于在置位端子处接收到电压比较信号317的正沿，逻辑电路318发出处于第一电平(例如，断言电平)的脉冲宽度调制(PWM)信号319(即，有源钳位开关控制信号PWM

在转换器200的轻负载操作期间，漏极-源极电压可比非轻负载操作期间低几百伏。有利地，除了充当分压器之外，电阻器R2、R3的串联组合还实现了有源钳位电路214的低功率模式。也就是说，在置位端子处的电压比较信号317被断言之前，漏极-源极电压V

逻辑电路318的SR锁存电路的复位端子被配置为接收延迟信号305。响应于在复位端子处接收到延迟信号305，逻辑电路318发出处于第二电平(例如，解除断言电平)的PWM

延迟电路302包括串联电阻器R4、R5的电阻器分压器电路，所述电阻器分压器电路被配置为在第一端子处接收偏置电压Vcc，并且在第二端子处从有源钳位开关M3的源极节点接收电压Vs。电阻器分压器电路R4、R5产生延迟阈值电压(V

栅极驱动器电路306驱动(即，启用和禁用)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。有源钳位开关M3的栅极节点G控制漏极节点D与源极节点S之间的电流的传导。有源钳位开关M3的漏极节点D和源极节点S与有源钳位电容器C3形成串联电路组合。在一些实施方案中，有源钳位开关M3包括不同于体二极管的二极管，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)使电流在源极节点S与漏极节点D之间(在第一电流方向上)通过。当有源钳位开关M3的栅极节点G由开关控制信号驱动时，有源钳位开关M3中双向上有电流通过(例如，在第一电流方向，和/或第二电流方向上)。在第一电流方向上，电流从初级绕组204流过有源钳位开关M3，并且流入有源钳位电容器C3中。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，并且流入初级绕组204中。

在开关循环的主开关M1和有源钳位开关M3都断开的一部分期间，有源钳位开关电流i

图4提供了根据一些实施方案的简化示例曲线图402、404、406、408和410，所述示例曲线图示出了在整个时间窗口内转换器200的信号(包括有源钳位电路214的那些信号)之间的关系。曲线图402示出了主开关M1在整个时间窗口内的全范围电压漏极-源极电压(V

断言的PWM

图5是根据一些实施方案的用于对功率转换器(例如，转换器200)的主开关的电压进行钳位的示例过程500的一部分。仅出于说明性和解释性目的示出了特定步骤、步骤次序和步骤组合。其他实施方案可实施不同的特定步骤、步骤次序和步骤组合，以实现类似的功能或结果。在步骤502处，在功率转换器(200)的变压器(202)的初级绕组(204)处接收输入电压。在步骤504处，使用功率转换器(200)的主开关(M1)来控制通过初级绕组(204)的电流。在步骤506处，使用有源钳位电路(214)的有源钳位开关(M3)来将主开关(即，在第二节点210处)的电压钳位到最大电压。基于跨有源钳位开关(M3)产生的有源钳位开关电压(V

根据一些实施方案，在图6中呈现了步骤506的细节。仅出于说明性和解释性目的示出了特定步骤、步骤次序和步骤组合。其他实施方案可实施不同的特定步骤、步骤次序和步骤组合，以实现类似的功能或结果。

在步骤602处，在有源钳位电路(214)的有源钳位控制器电路(304)处接收有源钳位开关电压(V

已详细参考了所公开的本发明的实施方案，在附图中已示出所述实施方案的一个或多个实例。每个实例均以解释本技术而非限制本技术的方式提供。事实上，尽管已相对于本发明的具体实施方案详细描述了本说明书，但是将了解的是，本领域技术人员在理解前述内容之后可容易地构想出这些实施方案的更改、变化和等同物。例如，被示出或描述为一个实施方案的一部分的特征可与另一个实施方案一起使用以产生又一个另外的实施方案。因此，本主题意图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化。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对本发明进行这些和其他修改和改变，本发明的范围在所附权利要求中更具体地进行阐述。另外，本领域的普通技术人员将了解，前述描述仅是示例性的，并且不意图限制本发明。