[发明专利]用于开关功率变换器的谷值和峰值检测

说明书

开关功率变换器设置有用于将功率开关晶体管的分压形式的漏极电压相移为相移后的电压的相移RC网络。比较器将相移后的电压与DC偏置电压进行比较，以在功率开关晶体管的漏极电压的谐振振荡期间检测峰值和谷值。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月17日提交的美国临时申请第62/545,957号的权益和优先权。

技术领域

本申请涉及开关功率变换器控制器，并且更具体地涉及用于开关功率变换器的谷值(valley)和峰值(peak)检测。

背景技术

例如反激式变换器的开关功率变换器的高效率使其广泛适用于移动设备的电池充电器。在反激式变换器中，控制器控制连接在变压器初级绕组与地之间的功率开关晶体管的循环。当功率开关被循环导通(cycle on)时，诸如来自桥式二极管整流器的整流后的AC干线电压驱动初级绕组电流。整流后的AC干线电压可以为几百伏，使得它可能对功率开关晶体管造成应力。为了最小化功率开关晶体管的开关应力，已知的是当功率开关晶体管被循环关断时，针对功率开关晶体管的漏极电压的谐振振荡采用谷值开关技术。谐振振荡的峰值电压可能相对稳健(高达200V或更高)，而最小电压(谐振振荡中的谷值)要低得多。

通过考虑图1中所示的波形可以更好地理解谷值模式切换。在时刻t1，功率开关晶体管S1循环导通并且然后在时刻t2循环关断(cycle off)。功率开关晶体管S1的漏极电压(V_DRAIN)在其导通时接地。次级绕组电流在功率开关晶体管S1导通时不流动。在时刻t2，响应于功率开关晶体管S1的循环关断，漏极电压突然升高。然后次级绕组电流跳高并开始缓降到在时刻t3的零，这表示为变压器复位时间。从时刻t2到时刻t3，漏极电压从其高值缓慢下降，然后在变压器复位时间下降，之后漏极电压开始谐振振荡。谐振振荡中的每个最小值或谷值被编号，从初始谷值1开始至时刻t4处的谷值4。在时刻t4开始另一个功率开关循环。但由于漏极电压等于其在谷值4处的局部最小值，所以由于产生的谷值模式切换，对功率开关晶体管S1的应力被最小化。如果功率开关晶体管S1的接通时间出现在较早或较晚的谷值处，则会发生类似的应力减小。

虽然谷值模式切换因此降低了功率开关晶体管上的电压应力，但请注意，谷值电压不为零，而是可以在20V或甚至更高(例如60V)的范围内。当功率开关晶体管循环导通时，这个相对较高的漏极电压然后被放电至地，这降低了效率。对于谷值模式切换功率更高效的替代方案是零电压切换(zero-voltage-switching，ZVS)。在ZVS操作中，变压器中的泄露能量被存储并回收到电容器中，该电容器通过有源钳位开关与功率开关晶体管的漏极电压相耦接。有源钳位开关在谐振振荡的峰值处被循环导通，之后，随着泄漏能量被回收，漏极电压被放电到地。因此，ZVS架构在功率开关晶体管导通时没有应力开关(stressingswitch)。

谷值模式控制器因此需要某种检测漏极电压的谐振振荡中的谷值的手段，而ZVS控制器需要用于检测这样的谐振振荡中的峰值的手段。另外，ZVS控制器需要用于检测漏极电压的过零点(zero crossing)的手段。但是，现有的谷值和峰值检测方案容易出现不准确的情况。

例如，可以基于初级绕组的电感和功率开关晶体管的寄生电容的估计来估计谐振振荡的周期T。然后可以认为在从通过比较器检测到的谐振振荡的下降沿的过中点(midpoint crossing)起的T/4延迟之后出现谷值。类似地，可以认为峰值会出现在从谐振振荡的上升沿的过中点起的T/4延迟之后。但是这些寄生要素会因组件不同而不同，并因此会从一个反激式变换器到另一个反激式变换器而不同，从而周期T的固定估计将导致不准确的峰值和谷值检测。