[发明专利]用于电源的控制器及其操作方法

说明书

该申请与由He等人于1999年9月22日申请的美国专利申请序列号为No.09/401728相关，该美国中请的题目为“相移后调整器，其操作方法以及使用该方法的功率转换器”。上面所列出的申请被转让给本发明，并且在这里被作为参考结合如同被全面再现。

本发明通常直接涉及功率转换，并且尤其是涉及用于电源的控制器以及其操作方法。

对于更有效以及较低噪声的功率转换器的开发一直是功率电子学领域的目标。功率转换器一般是用于需要将输入DC电压转换(有绝缘)为各种高于或低于输入DC电压的其它DC电压的应用中。这样的例子包括其中将高电压转换为较低电压以便于运行系统的电信以及计算机系统。功率转换器通常面临这些问题：比如切换损耗、切换噪声以及源于功率变压器的共模噪声。切换损耗降低了系统的效率并导致比相同输出功率所需的更高的输入功率。导致以及发出的切换以及共模噪声需要滤波来防止或降低与其它敏感电子设备之间的干扰。

当前的功率转换器设计通常实现了两个全桥控制策略中的一个，即，常规的硬件切换、脉宽调制的全桥或相移全桥。这两种控制策略使用具有四个可控开关(例如，功率金属氧化物半导体场效应晶体管)、一个绝缘变压器、一个输出整流器以及一个输出滤波器的全桥反相器拓扑结构。带有伍一个控制策略的全桥反相器拓扑结构得益于体二极管或分离附加的与所述四个可控开关反并联的二极管从而可以将电流提供给绝缘变压器的寄生电感上。包括并使用一个控制器来控制可控开关。

通用的全桥一般以如下方式操作。将可控开关呈对角线对排列，这样可以在切换周期的部分交替接通开关以便于给该绝缘变压器的初级绕组提供输入DC电压的相反极性。因此可以操纵可控开关将输入DC电压转换为AC电压以操作绝缘变压器。在所述对角线对的导通间隔之间，在切换周期的一小部分时间内，所有的可控开关都截止。理论上，这将强制使穿过绝缘变压器初级绕组的电压变为零。输出整流器然后整流来自绝缘变压器的AC电压。该绝缘变压器的整流电压因此而应该在理论上是带有与可控开关对角线对的占空比成比例的平均值的一个方波。

输出滤波器平滑并将整流过的电压滤波从而在该功率转换器的输出端提供基本上恒定的输出电压。控制器监视该输出电压并调整可控开关对角线对的占空比以便于当输入DC电压而负载电流变化时将输出电压维持在一个恒定电平上。

实际上，整流电压不是一个很好的方波，但是，由于所有可控开关的截止从而在绝缘变压器的漏电感和可控开关的寄生电容之间感应出一个振荡(ring)。该振荡损耗能量因此而减少了功率转换器的效率。该振荡还带来显著的噪声，比如传导和发射的电磁干扰。此外，变压器的磁感应中的电流应该被清除，该电流通常是由可控开关的反并联二极管所导致的。

相移全桥已经发展到可以消除一些切换损耗以及常规全桥中所存在的切换噪声问题。相移全桥的动力系结构基本上与通用全桥的结构相同。但是，来自可控开关的操作的效果导致在可控开关导通之前产生经过可控开关的基本为零或减少的电压。通过开始时导通一个对角线对的两个可控开关(例如，可控开关的左上和右下可控开关)来操作相移全桥。然后，相移全桥可以截止该对角线对的其中一个可控开关(例如，右下开关)来开始零电压周期，从而取代两个可控开关的截止。然后，导通来自相同一边的一个可控开关(例如，右上开关)，使初级电路中的电流流经带有经过绝缘变压器的基本为零或减少的电压的两个可控开关。

这两个可控开关因此将经过绝缘变压器的电压箝位为大约零，并因此基本上消除了当可控开关截止时常规全桥所经受的振荡状态。通过将绝缘变压器的初级绕组两端固定到一条干线上，然后固定到其它干线上，然而相移全桥感应出流经该绝缘变压器的固有的初级到次级电容的电流。当交替从一条干线到另一条干线充电电容电位时，就产生了共模噪声。

另外，初级电流可替换地流经两个顶部或底部可控开关可能导致附加的传导损耗。在初级电流的循环间隔期间，到达桥的输入电流以及施加到输出滤波器的输出电压都基本上是零，都需要输入和输出滤波。

全桥拓扑结构的一个有效应用是使用基本上工作于全工作循环的未调节全桥，基本上同时切换开关的对角线对从而提供减少的电磁干扰。该全桥电路后跟有具有全范围调整的后调整器。为了提供启动和过载条件，有必要将该全桥电路用做一个相移电桥。

用于提供相移操作的常用控制集成电路一般都显示出一些苛刻限制从而使其用于全桥拓扑结构复杂化。这些控制集成电路通常不能精确地提供全循环操作。另外，控制集成电路在需要全循环操作时还不能提供全桥电路对角线开关的基本同时切换。