使用雙極結(jié)型晶體管的自激振蕩變流器的調(diào)節(jié)控制器的制造方法
【專利說明】
[0001 ] 本申請是申請日為2011年3月24日、申請?zhí)枮?01180022774.9、發(fā)明名稱為《使用 雙極結(jié)型晶體管的自激振蕩變流器的調(diào)節(jié)控制器》的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及一種開關(guān)式變流器(SMPC,Switched-Mode F*ower Conve;rte;r)，包括開 關(guān)式電源（SMPS,Switched Mode Power Supplies)、逆變器和照明設(shè)備用鎮(zhèn)流器。本發(fā)明尤 其設(shè)及一種用于控制變流器開關(guān)的裝置和方法。本發(fā)明尤其適合與在專利號為GB2457085 的英國專利中記載的、控制W雙極結(jié)型晶體管（BJTs，Bipolar Junction IYansistors)作 為開關(guān)的自激振蕩變流器的控制電路一起使用。特此引用該專利內(nèi)容W作為參照。
[0003] 作為高效、成本敏感的消費類應(yīng)用設(shè)備的電源單元(PSUs,化wer Supply化it)和 照明設(shè)備用鎮(zhèn)流器一般為開關(guān)式，且經(jīng)?；诎霕蚧蛉珮蚴酵?fù)浣Y(jié)構(gòu)。運些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別 適用于輸入輸出電壓比相對受限的較高功率、高效性應(yīng)用。增加開關(guān)效率、降低制造成本的 持續(xù)壓力推進(jìn)了對于開關(guān)式電源控制器創(chuàng)新方法的需要。
[0004] -些使用雙極結(jié)型晶體管的開關(guān)式變流器為自激振蕩式，也就是說，一旦其中一 個作為電源開關(guān)的雙極結(jié)型晶體管被接通，開關(guān)式變流器將自動憑借一諧振頻率接通而無 需其他控制。通常，使用=個圍繞同一鐵忍的繞阻，即兩個繞阻在反方向上與雙極結(jié)型晶體 管的基極禪合，另一還被稱為"負(fù)載繞阻"的繞阻位于流向負(fù)載的電流路徑上，W實現(xiàn)運樣 一種自激振蕩變流器(SOC,Self-OsciIlating Convener)。運些繞阻構(gòu)成了用于提供必要 電流W驅(qū)動雙極結(jié)型晶體管的基極驅(qū)動變壓器。圖2示出了運樣一種自激振蕩變流器，繞阻 Ub, Tlc與雙極結(jié)型晶體管的基極禪合，繞阻Tld位于流向負(fù)載的電流路徑上。圖2示出的自 激振蕩變流器向變壓器T2提供交流電源。運樣在禪合于初級繞阻的自激振蕩變流器與由二 極管D5，D6和電容C3整流、平整的次級繞阻所驅(qū)動的負(fù)載之間實現(xiàn)了電流隔離。相應(yīng)地，使 用流向負(fù)載的電流驅(qū)動雙極結(jié)型晶體管的自激振蕩。專利號為GB2457085的英國專利中記 載了如何通過向圍繞同一鐵忍的第四控制繞阻施加電流及短路來控制基本的自激振蕩變 流器，由此實現(xiàn)了受控的自激振蕩變流器(CS0C，Controlled S0C)。圖3示出了適合于W集 成電路形式實現(xiàn)的控制器的可能設(shè)置。其中該控制器禪合于同其他繞阻一起纏繞在同一鐵 忍上且與其他繞阻磁性禪合的控制繞阻Tla。
[0005] 盡管場效應(yīng)晶體管化ETs,Field Effect Transistors)憑借其出色的開關(guān)性能通 常應(yīng)用于開關(guān)式變流器，但作為主要的初級開關(guān)元件的雙極結(jié)型晶體管的采用（同金屬氧 化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)設(shè)備相比）可W更加顯著地降低成本。因此需要一創(chuàng)新 方法，W使雙極結(jié)型晶體管的開關(guān)性能與效應(yīng)晶體管的開關(guān)性能相當(dāng)。開關(guān)式變流器所使 用的開關(guān)裝置的特性對于整個變流器系統(tǒng)的可實現(xiàn)效率的影響很大。由于雙極結(jié)型晶體管 具備固有的較緩開關(guān)特性，因此，在應(yīng)用電路設(shè)計中保持謹(jǐn)慎W確保最佳的開關(guān)轉(zhuǎn)換是比 較重要的。
【背景技術(shù)】
[0006] 根據(jù)圖I示出了NPN型晶體管的斷開順序。其中，Vce為集電極-射極電壓，Vbe為基 級-射極電壓，Ib為施加于基極的電流。在初始狀態(tài)下，電流(標(biāo)識位Ib)流向基極，并且在NPN 型晶體管完全接通時VeE為0。斷開順序包括如下階段：
[0007] 1)接通期
[000引 2)蓄積期 [0009] 3)線性期
[0010] 4)集電級上升期
[0011] 5)斷開期
[0012] 為了 "斷開"雙極結(jié)型晶體管，要施加一穿過待斷開的雙極結(jié)型晶體管基級-射極 結(jié)的低阻抗短路或巧位。如果施加的阻抗足夠低，則通過基極引出端徹底地消除了流入雙 極結(jié)型晶體管集電極的電流，從而使發(fā)射極電流為零。P-N結(jié)電容很大程度地依賴于基級-射極結(jié)電壓，在基級-射極結(jié)電壓反向偏置時變小，而在基級-射極結(jié)電壓正向偏置時變大， 在運些結(jié)點之間帶有連續(xù)但非線性的轉(zhuǎn)換。
[0013] 在蓄積過程中，從基極去除電荷，耗盡基極-集電極和基級-發(fā)射極間結(jié)，該晶體管 保持在飽和(接通)狀態(tài)下。依照下列等式，進(jìn)入集電極的電流從基極和發(fā)射極流出。
[0014] Ic=Ib+Ie
[0015] 如果隨著恒定電流阱去除掉基極電荷，則根據(jù)下列電容方程式，基極-發(fā)射極電壓 的變化率給出總基極電容(基極-發(fā)射極加上基極-集電極結(jié))的直接顯示：
[0017] 因為晶體管的集電極-射極電壓不再開始增加，因此，蓄積期內(nèi)的損耗相對較小且 不明顯。
[0018] 在線性期內(nèi)，晶體管使傳導(dǎo)電流持續(xù)經(jīng)過集電極端，但是由于基極-發(fā)射極電壓明 顯降低，因此基極-發(fā)射極結(jié)無法維持充足的集電極電流。由此，集電極電壓開始增加。同時 出現(xiàn)的明顯的電壓和電流穿過集電極-基極插腳和集電極-發(fā)射極插腳，從而引起開關(guān)功率 損耗。
[0019] 在集電極上升期中，假如通過確保基極斷開電流不小于集電極電流而使發(fā)射極電 流減小至零，則功率損耗被降至最低。
[0020] 在自激振蕩半橋和全橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，開關(guān)換向為自然產(chǎn)生。然而，為了實現(xiàn) 調(diào)節(jié)目的，控制器根據(jù)感測到的功率需量維持一頻率，該頻率優(yōu)選高于固有振蕩頻率。參照 圖3,通過利用基極驅(qū)動變壓器上的控制繞阻Tla使兩個晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)短路，來強 制每次換向提前發(fā)生，由此實現(xiàn)調(diào)節(jié)。通過短路該控制繞阻，巧位化與每個雙極結(jié)型晶體管 禪合的基極驅(qū)動繞阻Tlb, Tic。運種基極-發(fā)射極結(jié)的巧位化使穿過基極-發(fā)射極結(jié)的電壓 接近于零。運樣，可W將電荷從無論哪個晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)處去除，進(jìn)而如上所述，在 蓄積期、線性期和集電極上升期過后，強制關(guān)斷設(shè)備。
[0021] 之后，通過去除之前施加到基極驅(qū)動變壓器控制繞阻上的巧位，接通其他晶體管。 優(yōu)選地，應(yīng)該在集電極上升期之后（當(dāng)穿過晶體管的電壓接近于零時）、初級電流（自激振蕩 變流器側(cè)的繞阻T2內(nèi)的電流)變向之前接通其他晶體管。實現(xiàn)運一目的的方法(通常用于其 他變流器拓?fù)洌⒏袦y直接來自于開關(guān)（負(fù)載)繞阻Tld或經(jīng)過獨立的感測繞阻的變壓器電 壓。運種方法的效果很好，但實現(xiàn)成本較高，且需要不適用于集成電路的額外的分立元器 件?，F(xiàn)有一種已被公開的實現(xiàn)成本較低的方法，該方法使用了簡單的固定計時器，從而在一 段設(shè)定時間內(nèi)將巧位施加到基極驅(qū)動變壓器。在該方法中，確定巧位時間，W便能夠為大多 數(shù)實例提供一最佳的開關(guān)效率，但該方法不能調(diào)節(jié)該巧位時間來適應(yīng)諸如溫度、制造公差、 線路及負(fù)荷狀態(tài)等影響變量。
[0022] 自激振蕩變流器的一固有問題是：需要一激勵來啟動振蕩。通常，執(zhí)行一開環(huán) (open-loop)方法，其中，周期生成脈沖W激勵變流器振蕩。諸如圖2示出的運種常規(guī)設(shè)置的 電路需要一些額外的元件，由此增加了整個設(shè)備的造價。通過電阻Rl向啟動電容C7提供充 電電流，直到經(jīng)過雙向開關(guān)二極管Xl的電壓達(dá)到雙向開關(guān)二極管的觸發(fā)電壓為止。此時，雙 向開關(guān)二極管將帶正電荷的啟動電容C7連接至Q2的基極。當(dāng)正電荷從啟動電容C7轉(zhuǎn)移至Q2 的基極時，雙向開關(guān)二極管Xl停止該連接，并返回一允許啟動進(jìn)程重新開始的高阻狀態(tài)。需 要注意的是，該啟動進(jìn)程為開放回路，即：不管電源是否真正振蕩，其都會發(fā)出一啟動脈沖。 運樣，連續(xù)的啟動脈沖會對變流器的運行產(chǎn)生瞬時但重復(fù)的干擾。可通過增加額外的元件 來避免運一干擾，但是當(dāng)然也增加了設(shè)備的制造成本。
[0023] -般而言，開關(guān)式變流器的控制電路消耗一小部分功率，但運部分功率占轉(zhuǎn)換總 功率的相當(dāng)大一部分比例。大多數(shù)開關(guān)式變流器的應(yīng)用在主變壓器上使用輔助繞阻，并連 同整流、調(diào)節(jié)元件一起生成控制電路的低壓電源。而其他的開關(guān)式變流器的應(yīng)用則通過使 用直接來自于初級繞阻的充電累來消除對于輔助繞阻的需求，但運樣會損失一部分功效。 仍然是運些其他的開關(guān)式變流器的應(yīng)用，使用電阻式降壓網(wǎng)直接從高壓整體供電軌向控制 電路供電，運種做法需要較少的元件但效率非常低。
[0024] 在輕載或空載的情況下，通過在脈沖巧發(fā)模式下運行開關(guān)式變流器，可W提高開 關(guān)式變流器的功效。在脈沖巧發(fā)模式下，在不連續(xù)脈沖中產(chǎn)生的變流循環(huán)代替了連續(xù)流。作 為開關(guān)式變流器常用技術(shù)的運種技術(shù)已存在有一段時間。然而，在具有電容式串聯(lián)元件的 開關(guān)式變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，諸如半橋式、全橋式及庫克變流器，存在有必須避免的不穩(wěn)定運 行的電勢。
[0025] 當(dāng)在低諧振（即，低于變流器固有的串聯(lián)諧振頻率)情況下運行時，存在著使變流 器變得不穩(wěn)定或完全停止振蕩的危險。如前文所述，初級電流由（變壓器次級繞阻反映出 的）負(fù)載電流和(使變壓器鐵忍磁化的)磁化電流組成。當(dāng)在低諧振情況下運行時，負(fù)載電流 產(chǎn)生初級電壓。如果磁化電流相對較小的話，則總電流波形的零交點可W在電壓波形整流 的前方。通常將運種開關(guān)方式視為電容性開關(guān)。在一常見的從動變流器中，電容性開關(guān)會在 開關(guān)裝置中產(chǎn)生過多的功率消耗，因此需要避免運種情況的發(fā)生。在受控的自激振蕩變流 器中，電容性開關(guān)能產(chǎn)生過多的功能消耗、不穩(wěn)定的運行甚至是振蕩的完全中斷。
[0026] 圖2示出了具有諧振橋的自激振蕩變流器。該諧振橋在初級電路中包括電容性串 聯(lián)元件C4(串聯(lián)電容）。電容性元件的存在意味著中點MID電壓很大程度上依賴于經(jīng)過橋開 關(guān)元件(Ql，Q2)的電荷平衡。任何殘留電荷失衡將堆積在電容C2上，由此使中點電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)地 偏離于最佳電壓（即，HT+、HT-處電壓）。如果中點電壓誤差較多的話，則變流器會被鎖定在 某一模式下。在該模式下，功率減小且被W很低的變流效率僅僅單相地傳輸至負(fù)載。因為對 于系統(tǒng)而言，存在一個趨勢，使系統(tǒng)在多個周期的一段時間上自我修正。由此看出，Q1、Q2開 關(guān)時間方面的極小差異可W忽略不計。然而，在串聯(lián)電容性元件C4相對較小的諧振系統(tǒng)中， 會加速電荷失衡的影響，從而使自我修正的趨勢很難避免鎖定的發(fā)生。一些現(xiàn)有方案應(yīng)用 了變壓器偏磁（transformer flux imbalance)修正技術(shù)，運些方案包括增加電流W將變壓 器中點端子維持在正確電壓上的方法，而運些方法需要使用額外的元件才能被實現(xiàn)。
[0027] -般而言，通過檢測初級繞阻中的電流峰-峰值并將該電流峰-峰值與一預(yù)設(shè)閥值 進(jìn)行比較，便可實施帶有諸如半橋式、全橋式和庫克變流器(Ciik converter)的電容性串聯(lián) 元件的開關(guān)式變流器中的過流保護(hù)。運些方法適用于提供短路防護(hù)，但運些方法相對不精 確，并不適用于實施帶有精確定義輸出電流特性的供電，諸如恒定電流電池充電器等。
[0028] 無負(fù)載狀態(tài)下低功率消耗已變得十分受歡迎，且反映出當(dāng)今消費品發(fā)展趨勢W朝 向那些消耗更低電能從而更環(huán)保的消費品方向發(fā)展。為了達(dá)到所需的性能水平，可在變流 器于無負(fù)載狀態(tài)下運行時，使變流器進(jìn)入抑制變流的低功率模式。在無負(fù)載狀態(tài)下，變流器 可W不定時地推出低功率模式并發(fā)出一轉(zhuǎn)換周期短脈沖，W維持輸出電壓。相應(yīng)地，變流器 在無負(fù)載狀態(tài)下可W反復(fù)進(jìn)入、退出低電壓模式。重要的是，從低功率巧發(fā)模式至普通運行 模式的轉(zhuǎn)換是可靠的。該轉(zhuǎn)換帶有一基本不依賴于正常范圍內(nèi)輸入電源變化的負(fù)載口限。 上述方案受歡迎的原因還在于該方案特征無需增加產(chǎn)品的制造成本，因此(變壓器T2)次級 側(cè)的負(fù)荷感測電路是不需要的。用來確定模式轉(zhuǎn)換的一般方法是將全部的循環(huán)控制參數(shù)與 一固定閥值進(jìn)行比較。然而，在一使用脈沖頻率調(diào)制（PFM,PulSe Frequen巧Modulation) 作為傳遞輸出功率調(diào)節(jié)機構(gòu)的變流器(諸如諧振橋變流器）中，產(chǎn)生的開關(guān)頻率在很大程度 上依賴于輸入電壓及外加負(fù)載。
[0029] 舉例來說，在與圖3示出的變流器相似的標(biāo)準(zhǔn)串并聯(lián)諧振變流器中，施加的電源電 壓與開關(guān)頻率之間的在各種負(fù)