用于常通開關模式電源的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于常通開關模式電源的系統(tǒng)和方法
[0001]本申請要求于2014年6月23日提交的US臨時申請N0.62/015，857的權益，特此通過引用將該申請并入本文。
技術領域
[0002]本發(fā)明總體上涉及用于電源的方法和系統(tǒng)，并且，在具體實施方案中，涉及常通(normally-on)開關模式電源(SMPS)的方法和系統(tǒng)。
【背景技術】
[0003]電源供應系統(tǒng)普遍存在于從電腦到汽車的電子應用。通常，電源系統(tǒng)內(nèi)的電壓是通過操作加載有電感器或變壓器的開關所執(zhí)行的DC-DC、DC-AC、和/或AC-DC轉換而產(chǎn)生的。一類這樣的系統(tǒng)包括開關模式電源(SMPS)。SMPS通常比其他類型的功率轉換系統(tǒng)效率更高，因為功率轉換是通過電感器或變壓器的受控制的充電和放電進行的，并減少由于跨電阻性電壓降的功耗引起的能損失。
[0004]SMPS通常包括至少一個開關和電感器或變壓器。一些具體的拓撲包括降壓轉換器、升壓轉換器、以及反激式轉換器，等等。控制電路通常用于斷開和閉合電開關以對電感器或變壓器充電和放電的。在一些應用中，提供給負載的電流和/或提供給負載的電壓通過反饋回路控制。
[0005]對于一些供電系統(tǒng)，使用變壓器的初級側電路和次級側電路。在用于大電壓的AC-DC轉換器的一個例子中，變壓器提供了大電壓AC信號和轉換后的DC信號之間的隔離。初級側電路可以包括整流器和耦合到變壓器的開關轉換器，而次級側可以包括濾波器或另一整流電路。對于SMPS，已知的是在其輸入啟動過程中可能接收到涌流電流。如果在啟動過程中不進行正確的處理，這種涌流電流可能會損壞SMPS。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]—種用于在啟動序列過程中操作開關模式電源(SMPS)的方法，其包括:在耦合到所述SMPS內(nèi)的第一側電路的第一繼電器和第二繼電器處于斷開時，在偏置電源電路處接收輸入電流；基于所接收到的所述輸入電流生成第一偏置電源電壓；在生成所述第一偏置電源電壓之后，閉合所述第一繼電器；通過所述第一繼電器和通過與所述第一繼電器串聯(lián)耦合的涌流電阻器導通所述輸入電流；以及在第一時間段之后，閉合所述第二繼電器。
【附圖說明】
[0007]為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)勢，現(xiàn)在與附圖結合參考以下描述，其中:
[0008]圖1示出了實施例開關模式電源(SMPS)的系統(tǒng)框圖；
[0009]圖2示出了另一個實施例SMPS的系統(tǒng)框圖；
[0010]圖3示出了一個實施例的SMPS的時序圖；
[0011]圖4示出了一個實施例的SMPS的示意圖；以及
[0012]圖5示出了操作一個實施例SMPS的方法的框圖。
[0013]不同的圖中的對應數(shù)字和符號通常指代相應的部件，除非另有說明。繪制附圖以清楚地說明實施例的相關方面，但未必按比例繪制。
【具體實施方式】
[0014]以下詳細討論各種實施例的制造和使用。然而，應當理解，本文所描述的各種實施例適用于各種各樣具體環(huán)境。討論的具體實施例僅僅是說明制造和使用各種實施例的具體方式，并且不應當在受限制的范圍內(nèi)進行解釋。
[0015]關于具體環(huán)境中的各種實施例對電源進行說明，并且更具體地，對開關模式電源(SMPS)進行說明。本文中描述的各種實施例中的一些包括用于具有常通開關的SMPS和電源的啟動或涌流序列控制。在其他實施例中，各方面也可以適用于涉及根據(jù)本領域已知的任何方式的任何類型的電路的其他應用。
[0016]根據(jù)各種實施例，描述了在輸入級中包括常通晶體管的SMPS。為了保護SMPS和適應常通晶體管的行為，第一和第二繼電器耦合在SMPS的輸入級和輸入之間。啟動序列包括在偏置電源電路接收涌流電流時斷開兩個繼電器，并將第一偏置電源電壓提供到輸入級。一旦輸入級從偏置電源電路接收初始偏置電源電壓，第一繼電器被閉合以通過涌流電阻器到輸入級導通輸入電流。一定時間段之后，第一繼電器被斷開，并且第二繼電器被閉合，以將輸入電流直接傳導到輸入級。
[0017]根據(jù)各種實施例，常通晶體管或設備包括在諸如AC/DC、DC/DC、或DC/AC轉換器的SMPS應用中。用于功率晶體管和設備的新材料，諸如SiC(碳化硅)和GaN(氮化鎵)，舉例來說，天然地形成常通設備。例如，這些設備可以包括碳化硅結型場效應晶體管(JFET的)或氮化鎵高電子迀移率晶體管(HEMT器件)。成形、配置或修改這些設備使得它們操作為常斷晶體管或設備可能引起劣勢，諸如額外的設備(例如，在共源共柵結構中)，額外的可靠性風險(例如，一些碳化硅M0SFET的較低可靠性)，或降低的電氣性能(例如，一些常斷HEMT器件的不良性能)。另外，對于各種實施例中的電路，諸如電源，舉例來說，常通設備可能在輸入和輸出端子處導致短路的情況，并可能難以用于功率轉換應用，而沒有本文所描述的實施例的應用。
[0018]然而，寬帶隙設備提供了更好優(yōu)勢的顯著潛力，使得將寬帶隙晶體管和設備用作常通器件成為非常令人滿意的，以便提供改進的功率轉換解決方案。在本文描述的某些實施例中，呈現(xiàn)了操作的方法和相應的電路，將常通設備整合在電源電路中，諸如SMPS，舉例來說，同時防止了在輸入和輸出處的短路條件。
[0019]圖1示出了實施例開關模式電源(SMPS) 100的系統(tǒng)框圖，其包括繼電器102、初級級(primary stage) 104、能量存儲器 106、次級級(secondary stage) 108、控制器 110、和偏置電路112。根據(jù)各種實施例，SMPS100接收輸入電流I_in并且執(zhí)行電壓或電流轉換，以輸出電流I_out。在正常操作過程中，繼電器102可通過來自控制器110的控制信號CTRL_R進行控制，以便以最小的電阻將輸入電流I_in導通到初級級104。初級級104和能量存儲器106可以通過初級級108提供對于電壓或電流的受控開關，以提供輸出電流I_out。偏置電路112可提供偏置電壓以用于初級級104和次級級108。在各種實施方式中，初級級104可以包括常通晶體管或設備，并且初級級104和次級級108兩者均可以接收來自控制器110的開關控制信號，所述控制信號的形式為分別為控制信號CTRL_R和控制信號CTRL_S。一些實施例中，初級級108還可以包括常通晶體管或設備。
[0020]根據(jù)各種實施例，在啟動過程中，控制器110向繼電器102提供控制信號CTRL_R以安全啟動SMPS100中的功率轉換。在這種實施例中，控制器110可以使用控制信號CTRL_R來控制繼電器102以執(zhí)行啟動過程中的三個步驟。第一步驟中，控制器110控制繼電器102以操作在高阻抗或不導通狀態(tài)，而繼電器102中的所有繼電器均被斷開或不導通操作。在第一步驟過程中，輸入電流I_in，其可以被認為是涌流電流，在偏置電路112處被接收到，并且初始偏置電壓產(chǎn)生并被供應到初級級104。第一步驟之后，在第二步驟中，繼電器102被控制為操作在導通電阻狀態(tài)，其中繼電器102中的第一繼電器被閉合并且與涌流電阻器(未示出)串聯(lián)導通。在該第二步驟中，繼電器102中的閉合的第一繼電器和涌流電阻器將輸入電流I_in導通到初級級104。在啟動過程的第三步驟中，第二繼電器被閉合，并且第一繼電器可以再次被斷開，以便將輸入電流I_in通過第二繼電器，而不是通過涌流電阻器，導通到初級級104中。在各種實施方式中，啟動過程的步驟三是到SMPS 100的正常操作的轉變，其中輸入電流I_in通過低電阻路徑導通到初級級104，以便最小化電阻性功率損耗，并提高效率。在其他實施方式中，在第二繼電器被閉合時，第一繼電器也