[发明专利]一种新型零电压切换控制电路、方法及电压变换器

说明书

本发明公开了一种用于电压变换器实现零电压切换的控制电路及控制方法，通过控制器芯片控制第一开关单元切换输入绕组的通断，以及控制第二开关单元切换辅助绕组与一负电压准位的通断；其中，在第一控制信号接通输入绕组之前，预先将电压变换器的辅助绕组与负电压准位接通，基于输入绕组与辅助绕组之间的耦合作用，使得输入绕组的极性反转而产生负电流，将第一开关单元中寄生电容跨电压能量释放并下拉至切换电位。本发明不仅可以在连续模式CCM或者非连续模式QR/DCM下实现零电压切换，降低第一电子开关的切换损耗，而且可以将原本在连续模式CCM操作下交越的初级电流与次级电流相互错开，避免近似短路的跨导通现象的出现，降低二次侧同步整流控制难度。

技术领域

本发明属于电源技术领域，尤其涉及一种新型零电压切换控制电路、方法及电压变换器。

背景技术

近年来，手机及笔电等消费型电子产品的电源充电器走向小型化的市场需求正快速增加，然而，成为此一目标的最大障碍，即是电源变换器的工作频率无法大幅提高，其中最核心的原因，就是功率晶体随着提高工作频率而造成巨大的切换损失将导致转换效率大幅降低，而这些损失掉的功率(热能)由于充电器本身为密封状态，便无法藉由散热器有效散逸。

这种半导体功率晶体的切换损失主要来自于寄生的Coss，该损失可由以下公式计算得知，当工作频率越高则切换损失随之成正比增加，如要降低切换损失，则以降低切换时的电压为最有效的方法。

对此，市场上已有主动式钳位(Active Clamp)技术可以达到零电压切换(ZeroVoltage Switching，ZVS)，然而该架构组件数量多、成本过高、体积大、占空间、工作原理复杂，以及该电源变换器无法被设计成CCM(连续电流模式)以获得效率进一步提升等种种因素而无法成为市场主流。

具体地，图1为一典型的电压变换器，输入端交流电压经整流滤波之后，再经过功率晶体Q1的频率切换产生初级电流id，再透过变压器TX将能量转换成次级电流iD。Q1在切换过程当中，漏极D与源极S间会产生跨压Vds，若不管Vds而进行硬切换，则会带来巨大的损耗。图2为一典型的电压变换器DCM硬切换操作波形，由Id与iD电流波形可以看出，这是一个非连续模式DCM(Dis-Continue Current Mode)的操作波形，在此模式操作下，Vds波形伴随着自由震荡的Ringing，早期的控制器IC没有任何控制机制的话，就会带来巨大的切换损耗。同样地，图3所示的一典型的电压变换器CCM硬切换操作波形，其也就会带来巨大的切换损耗。

2000年左右，市场上开始关注到上述硬切换所带来的巨大损耗对于效率的影响甚大，于是如图4所示的所谓波谷切换(Valley-Switching)以及如图5所示的半共振QR(Quasi-Resonant)的技术应运而生。

但是由于QR技术能使变换器有一段相当长的区域工作在DCM与CCM的临界点(Boundary point)，因此又被称为Boundary Mode(BCM)或Critical Mode(CrM)。尽管QR技术能够大幅降低切换损失，同时又能够让系统操作在Boundary Mode，降低导通损失，然而，变换器真正的效率最低点其实是Low-Line 90Vac，而在90Vac条件下，导通损失仍然是主导效率的关键因素，CCM的导通损失要比DCM来的更小。

可惜的是，QR技术必须仰赖DCM才能达成，而且，QR技术并未完全达成ZVS，在高压264Vac输入时仍可能有高达250伏的硬切换，如图4所示，且目前市场上并未提出有效解决CCM-ZVS的方法。

另外，参看图6，由于现有的变换器一次侧的控制信号居于整个变换器动作的主导地位，在下个周期的初级电流先开启，然后二次侧的次级电流才跟着关断，故而会发生交越瞬间的同时导通的现象(Cross Conduction)，即所谓的短路(Short Through)现象，对此，在支持CCM的操作条件上，现有技术最需要的是快速关断速度，以尽可能降低这样的短路现象，但是这一点是对于控制的难度非常大。