[发明专利]使用双极结型晶体管的自激振荡变流器的调节控制器

说明书

本发明提供了一种控制变流器的控制器及控制方法，以通过操纵流入控制绕阻中的电流来控制使用双极结型晶体管(BJT)作为开关的自激振荡变流器。该控制器可以确定去除施加至控制绕阻的短路的最佳时机，同样还可以确定使电流穿过控制绕阻的最佳时机。该控制器还可以使用控制绕阻从变流器中抽拉功率。该控制器可以在变流器具有多个开关的情况下维持变流器的中点电压。该控制器可以在无需与换流变压器的次级侧连接的条件下估算变流器的输出功率。该控制器还控制抑制变流器振荡的低功率模式的进出。

本申请是申请日为2011年3月24日、申请号为201180022774.9、发明名称为《使用双极结型晶体管的自激振荡变流器的调节控制器》的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种开关式变流器(SMPC,Switched-Mode Power Converter)，包括开关式电源(SMPS,Switched Mode Power Supplies)、逆变器和照明设备用镇流器。本发明尤其涉及一种用于控制变流器开关的装置和方法。本发明尤其适合与在专利号为GB2457085的英国专利中记载的、控制以双极结型晶体管(BJTs,Bipolar Junction Transistors)作为开关的自激振荡变流器的控制电路一起使用。特此引用该专利内容以作为参照。

作为高效、成本敏感的消费类应用设备的电源单元(PSUs,Power Supply Unit)和照明设备用镇流器一般为开关式，且经常基于半桥或全桥式拓扑结构。这些拓扑结构特别适用于输入输出电压比相对受限的较高功率、高效性应用。增加开关效率、降低制造成本的持续压力推进了对于开关式电源控制器创新方法的需要。

一些使用双极结型晶体管的开关式变流器为自激振荡式，也就是说，一旦其中一个作为电源开关的双极结型晶体管被接通，开关式变流器将自动凭借一谐振频率接通而无需其他控制。通常，使用三个围绕同一铁芯的绕阻，即两个绕阻在反方向上与双极结型晶体管的基极耦合，另一还被称为“负载绕阻”的绕阻位于流向负载的电流路径上，以实现这样一种自激振荡变流器(SOC,Self-Oscillating Converter)。这些绕阻构成了用于提供必要电流以驱动双极结型晶体管的基极驱动变压器。图2示出了这样一种自激振荡变流器，绕阻T1b，T1c与双极结型晶体管的基极耦合，绕阻T1d位于流向负载的电流路径上。图2示出的自激振荡变流器向变压器T2提供交流电源。这样在耦合于初级绕阻的自激振荡变流器与由二极管D5，D6和电容C3整流、平整的次级绕阻所驱动的负载之间实现了电流隔离。相应地，使用流向负载的电流驱动双极结型晶体管的自激振荡。专利号为GB2457085的英国专利中记载了如何通过向围绕同一铁芯的第四控制绕阻施加电流及短路来控制基本的自激振荡变流器，由此实现了受控的自激振荡变流器(CSOC,Controlled SOC)。图3示出了适合于以集成电路形式实现的控制器的可能设置。其中该控制器耦合于同其他绕阻一起缠绕在同一铁芯上且与其他绕阻磁性耦合的控制绕阻T1a。

尽管场效应晶体管(FETs,Field Effect Transistors)凭借其出色的开关性能通常应用于开关式变流器，但作为主要的初级开关元件的双极结型晶体管的采用(同金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设备相比)可以更加显著地降低成本。因此需要一创新方法，以使双极结型晶体管的开关性能与效应晶体管的开关性能相当。开关式变流器所使用的开关装置的特性对于整个变流器系统的可实现效率的影响很大。由于双极结型晶体管具备固有的较缓开关特性，因此，在应用电路设计中保持谨慎以确保最佳的开关转换是比较重要的。

背景技术

根据图1示出了NPN型晶体管的断开顺序。其中，V_CE为集电极-射极电压，V_BE为基级-射极电压，I_B为施加于基极的电流。在初始状态下，电流(标识位I_B)流向基极，并且在NPN型晶体管完全接通时V_CE为0。断开顺序包括如下阶段：

1)接通期

2)蓄积期