CN100542000C - 双n信道半桥式换流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双N信道半桥式换流装置，包括有：一推挽式控制芯片，输出占空比大于50%的第一控制信号与占空比小于50%的第二控制信号；一第一缓冲电路耦接于该推挽式控制芯片；一第二缓冲电路耦接于该推挽式控制芯片；驱动电路通过该第一缓冲电路耦接于该推挽式控制芯片与一直流电源，接受该第一控制信号；及一由二个N信道场效晶体管组成的半桥式开关组件，该半桥式开关组件耦接于该直流电源、该驱动电路、该第二缓冲电路及一变压器，该半桥式开关组件受控于该驱动电路，用以将该直流电源切换为该交流电源传送至该变压器的一次侧。

Description

双N信道半桥式换流装置

技术领域

本发明涉及一种双N信道半桥式换流装置，尤其涉及一种可以利用推挽式控制芯片控制半桥式换流器，并驱动负载的换流装置。

背景技术

TFT面板背光源的电力供应(Power Supply)主要使用换流电路(InverterCircuit)来达成能量的转换及驱动冷阴极萤光灯管(CCFL)的发光。现有的换流电路(Inverter Circuit)因电路拓朴的不同，一般分有半桥式换流电路、全桥式换流电路及推挽式换流电路等，为将直流电转换成交流电的换流电路。

如图1所示，为现有推挽式换流电路应用于CCFL负载的电路示意图。变压器T1将电路区分成为一次侧的前级电路101与二次侧的后级电路102。该一次侧101包括有：一直流电源Vcc、一第一开关Q1、一第二开关Q2等，该二次侧102包括有：至少一电容器(C1、C2、C3)、一负载(Load)、至少一二极管(D1、D2)等。另外，一次侧101与二次侧102间连接有一推挽式控制芯片103。

如图1所示，同时配合图2，为现有推挽式控制芯片输出信号及负载端输出波形示意图。推挽式控制芯片103输出一第一控制信号a与一第二控制信号b，其中第一控制信号a与第二控制信号b分别控制一次侧101的第一开关Q1与第二开关Q2的切换动作，同时依据直流电源Vcc的电压，用以提供能量并通过变压器T1将直流电源Vcc的电压升压转换到二次侧102，用以驱动负载(Load)，变压器T1的二次侧102输出电压波形c显示C点的电压波形，如图2图2所示，二次侧102输出电压波形c为交流电压波形。

上述说明中该推挽式控制芯片103为LINFINITY(MICROSEMI)公司生产的芯片，其型号为LX1686及LX1688与LX1691等系列，或为O2 Microinternational Limited公司生产的芯片，其型号为O2-9RR、OZ9930、OZ9938、OZ9939和TEXAS INSTRUMENTS公司生产的芯片，其型号为TL-494、TL-494其型号为列，和Beyond Innovation Technology公司生产的芯片，其型号为BIT3193、BIT3713、BIT3715、BIT3501等系列因厂牌众多而无法一一举例，仅以常用型号列举。

如图3所示，为现有半桥式换流电路驱动负载的电路示意图。变压器T2将电路区分成为一次侧的前级电路201与二次侧的后级电路202，一次侧201包括有：一直流电源Vcc、二个电子开关(Q1、Q2)、一半桥式控制芯片TL494、二电容器(C1、C2)及一驱动变压器Tr等，二次侧202包括有：一负载(Load)。

如图3所示，同时配合图4，为现有半桥式控制芯片输出控制信号及交流电源电压波形示意图。半桥式控制芯片TL494由二个输出端D1、D2输出控制信号D1-D2，控制信号D1-D2通过驱动变压器Tr用以分别控制Q1、Q2二个电子开关的切换动作。该二个电子开关Q1、Q2为N信道场效晶体管或P信道场效晶体管。通过该二个电子开关Q1、Q2的切换动作，将储存于电容器C1、C2的电能通过一交连电容C3分别传送至变压器T2的一次侧端点T21，用以形成一交流电源ac。电容器C1、C2的电压为直流电源Vcc的一半电压Vcc/2。该交流电源ac用以提供能量给变压器T2，并通过变压器T2将交流电源升压转换到二次侧202，用以驱动负载(Load)。

上述说明中，若使用的换流电路(Inverter Circuit)为半桥式换流电路时则需要搭配半桥式控制芯片的控制才能动作，若为推挽式换流电路则需要搭配推挽式控制芯片的控制才能动作。因此，在实用上缺乏弹性与共享性。另外，换流电路(Inverter Circuit)在使用上也常受限于控制芯片，而导致换流电路(Inverter Circuit)因受制于以上叙述，而使控制芯片无法共享并统一购料，或需要搭配更多复杂的电路。

同时，现有的半桥式换流电路需要使用隔离变压器来控制电子开关的切换动作，无法由半桥式控制芯片直接驱动电子开关。并且，现有的半桥式换流电路使用的电子开关同为N信道场效晶体管与同为P信道场效晶体管或为一P信道场效晶体管和一N信道场效晶体管所组成的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种双N信道半桥式换流装置，使用一驱动电路连接于推挽式控制芯片的输出端与二个N信道场效晶体管所组成的半桥式开关组件，该驱动电路接受推挽式控制芯片的控制，用以驱动半桥式开关组件的切换动作。

本发明提供一种双N信道半桥式换流装置，其于现有半桥式换流电路的二个电子开关与控制芯片之间连接该驱动电路。并且，控制芯片更替为推挽式控制芯片，且分别输出一占空比(duty cycle)大于50％的第一控制信号与一占空比(duty cycle)小于50％的一第二控制信号以控制该二个电子开关的切换动作。

上述说明中，本发明提供的双N信道半桥式换流装置，连接于一变压器的一次侧，用来将一直流电源转换为一交流电源。双N信道半桥式换流装置包括有：一设有一第一输出端与一第二输出端的推挽式控制芯片，从该第一输出端输出占空比大于50％的第一控制信号，并从该第二输出端输出占空比小于50％的第二控制信号。一开关耦接于一参考端与该推挽式控制芯片的第一输出端。一SCR开关，其栅极耦接于该开关，阳极耦接于该直流电源。一第一N信道场效晶体管，其栅极耦接于该SCR开关的阴极，漏极耦接于该直流电源，源极耦接于该变压器的一次侧。一第二N信道场效晶体管，其栅极耦接于该推挽式控制芯片的第二输出端，漏极耦接于该第一N信道场效晶体管的源极，源极耦接到该参考端。

如此，本发明的双N信道半桥式换流装置，搭配一驱动电路与一个输出有占空比大于50％的第一控制信号与占空比(duty cycle)小于50％的第二控制信号的推挽式控制芯片，来控制半桥开关组件动作。在实用上更具有弹性，且不会受限于控制芯片。并且，业者只需使用推挽式控制芯片即可依实际需求来驱动控制推挽式换流电路或半桥式换流电路。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有推挽式换流电路驱动负载的电路示意图；

图2为现有推挽式控制芯片输出控制信号及负载端输出电压波形示意图；

图3为现有半桥式换流电路驱动负载的电路示意图；

图4为现有半桥式控制芯片输出控制信号及交流电源电压波形示意图；

图5为本发明第一实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图；

图6为本发明第二实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图；

图7为本发明第三实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图；

图8为本发明第四实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图；

图9为本发明第五实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图；

图10为本发明第六实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图；及

图11为本发明推挽式控制芯片的输出信号及交流电源电压波形示意图。

其中，附图标记：

现有：

101前级电路                       102后级电路

103推挽式控制芯片                 T1变压器

a第一控制信号                     b第二控制信号

c变压器T1的二次侧输出电压波形

201前级电路                       202后级电路

T2变压器

TL494推挽式控制芯片

D1-D2输出控制信号                 Q1第一开关

Q2第二开关                        ac交流电源

本发明：

103推挽式控制芯片                 30驱动电路

32半桥式开关组件                  34第一缓冲电路

36第二缓冲电路                    GND参考端

C1电容器                          LOAD负载

AC交流电源                        Vcc直流电源

T2变压器                          C2共振电容器

具体实施方式

如图5所示，为本发明第一实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图。其中本发明第一实施例的双N信道半桥式换流装置连接于一变压器T2的一次侧，用以将一直流电源Vcc转换成为一交流电源AC，该交流电源AC通过变压器T2提供负载LOAD动作所需的能量。

如图5所示，本发明第一实施例的双N信道半桥式换流装置包括有：一推挽式控制芯片103、一第一缓冲电路34、一第二缓冲电路36、一驱动电路30及一半桥式开关组件32。该推挽式控制芯片103设有一第一输出端A与一第二输出端B，该第一输出端A与该第二输出端B分别输出占空比(duty cycle)大于50％的一第一控制信号a与占空比(duty cycle)小于50％的一第二控制信号b。该第一缓冲电路34耦接于该推挽式控制芯片103的第一输出端A；该第二缓冲电路36则耦接于该推挽式控制芯片103的第二输出端B；该驱动电路30通过该第一缓冲电路34耦接于该推挽式控制芯片103的第一输出端A与该直流电源Vcc，接受该第一控制信号a；该半桥式开关组件32由二个N信道场效晶体管(Q1、Q2)组成，该半桥式开关组件32耦接于该直流电源Vcc、该驱动电路30、该第二缓冲电路36及该变压器T2。该半桥式开关组件32受控于该驱动电路30，并且配合耦接于该变压器一次侧的一共振电容器C2作用，而将该直流电源Vcc切换为该交流电源AC传送至该变压器T2的一次侧。

如图5所示，该驱动电路30包括有：一开关Q4与一SCR开关Q3。该开关Q4耦接于该第一缓冲电路34与一参考端GND；该SCR开关Q3的栅极(G)耦接于该开关Q4，该SCR开关Q3的阳极(A)耦接于该直流电源Vcc，该SCR开关Q3的阴极(K)耦接于该半桥式开关组件32。另外，该半桥式开关组件32包括有一第一N信道场效晶体管Q1与一第二N信道场效晶体管Q2。该第一N信道场效晶体管Q1的栅极耦接于该SCR开关Q3的阴极(K)，该第一N信道场效晶体管Q1的漏极耦接于该直流电源Vcc，该第一N信道场效晶体管Q1的源极耦接于该变压器T2的一次侧。该第二N信道场效晶体管Q2的栅极通过该第二缓冲电路36耦接于该推挽式控制芯片103的第二输出端B，该第二N信道场效晶体管Q2的漏极耦接于该第一N信道场效晶体管Q1的源极，该第二N信道场效晶体管Q2的源极耦接到该参考端GND。

上述中，该直流电源Vcc经由第一N信道场效晶体管Q1的导通，提供一正直流电源+Vcc给该变压器T2，以形成一正半周驱动，或是经由第二N信道场效晶体管Q2的导通，耦接于该变压器一次侧的共振电容器C2提供一负直流电源-Vcc给该变压器T2，以形成一负半周驱动。

如图5所示，该第一缓冲电路34包括有：一第一加速二极管D1与一第一电阻R1。第一加速二极管D1的负极(N)端耦接该推挽式控制芯片103的第一输出端A，正极(P)端耦接到该第一开关Q4。该第一电阻R1并联耦接于该第一加速二极管D1。该第二缓冲电路36包括有：一第二加速二极管D2与一第二电阻R2。第二加速二极管D2的负极(N)端耦接该推挽式控制芯片103的第二输出端B，正极(P)端耦接到该第二N信道场效晶体管Q2的栅极。第二电阻R2并联耦接于该第二加速二极管D2。

再如图5所示，本发明的双N信道半桥式换流装置进一步包括有一电容器C1，该电容器C1耦接于该第一N信道场效晶体管Q1的栅极-源极间。电容器C1可以视电路特性的需求而加入装置中。在电路设计上电容器C1可以由该第一N信道场效晶体管Q1栅极-源极间的一极际电容CGS取代。

配合图5，参考图11，图11为本发明的推挽式控制芯片输出信号及交流电源电压波形示意图。推挽式控制芯片103为市面上现有的控制芯片如TEXASINSTRUMENTS公司生产的芯片，其型号为TL-494、TL-494等系列因厂牌众多而无法一一举例，仅以常用型号列举。

如图11所示，推挽式控制芯片103输出端A输出占空比大于50％的第一控制信号a，而输出端B输出占空比小于50％的第二控制信号b。根据第一N信道场效晶体管Q1与第二N信道场效晶体管Q2的切换动作，并搭配共振电容器C1的作用，在变压器T2一次侧可得到交流电源AC的电压波形ac。

再配合图5，参考图11，在时间t1-t2时，第一控制信号a与第二控制信号b都为低电位。低电位的第一控制信号a通过第一缓冲电路34传送至开关Q4的控制端，控制开关Q4截止(OFF)。截止的开关Q4让SCR开关Q3的栅极(G)形成浮接(floating)状态，此时直流电源Vcc会跨于SCR开关Q3的阳极A与阴极K之间，用以驱动SCR开关Q3进入导通(ON)状态。随着SCR开关Q3的导通(ON)，直流电源Vcc即驱动第一N信道场效晶体管Q1进入导通(ON)状态。

此外，低电位的第二控制信号b通过第二缓冲电路36传送至第二N信道场效晶体管Q2的栅极，控制第二N信道场效晶体管Q2截止(OFF)。所以在时间t1-t2时，第一N信道场效晶体管Q1为导通(ON)状态，第二N信道场效晶体管Q2为截止(OFF)状态。此时，直流电源Vcc可以经由第一N信道场效晶体管Q1的导通(ON)，而将能量传送至变压器T2的一次侧与该共振电容C2，此时变压器T2一次侧得到的电压波形ac为正直流电源+Vcc，而形成一正半周驱动。同时共振电容C2二端会建立一直流电压。

再配合图5，参考图11，在时间t2-t3时，第一控制信号a从低电位降上升到高电位，而第二控制信号b仍保持为低电位。此时，高电位的第一控制信号a通过第一缓冲电路34控制开关Q4进入导通(ON)状态。导通的开关Q4将SCR开关Q3的栅极(G)拉到接地端GND，根据SCR开关Q3的特性，此时SCR开关Q3为截止(OFF)状态，所以第一N信道场效晶体管Q1则进入截止(OFF)状态。由于第二控制信号b仍保持为低电位，所以第二N信道场效晶体管Q2仍为截止(OFF)状态。

由上述说明中可知，在时间t2-t3时，第一N信道场效晶体管Q1与第二N信道场效晶体管Q2都为截止(OFF)状态，让变压器T2的一次侧形成开路。此时变压器T2一次侧得到的电压波形ac为零电位。

再配合图5，参考图11，在时间t3-t4时，第一控制信号a仍保持高电位，第二控制信号b由低电位上升至高电位。第二控制信号b通过第二缓冲电路36传送至第二N信道场效晶体管Q2的栅极，控制第二N信道场效晶体管Q2导通(ON)。由于第一控制信号a仍保持为高电位，所以第一N信道场效晶体管Q1仍为截止(OFF)状态。

此时，第一N信道场效晶体管Q1为截止(OFF)状态，第二N信道场效晶体管Q2为导通(ON)状态。而建立在共振电容C2二端上的直流电压根据导通的第二N信道场效晶体管Q2，传送至变压器T2的一次侧。因此变压器T2一次侧得到的电压波形ac为负直流电源-Vcc，而形成一负半周驱动。

再配合图5，参考图11，在时间t4-t5时，第一控制信号a仍为高电位，第二控制信号b由高电位下降回到低电位。此时，第一N信道场效晶体管Q1与第二N信道场效晶体管Q2为截止(OFF)状态，让变压器T2的一次侧形成开路。此时变压器T2一次侧得到的电压波形ac为零电位。

再配合图5，参考图11，本发明双N信道半桥式换流装置的电路动作以及变压器T2一次侧得到的电压波形ac，在时间t5-t6时又回复到时间t1-t2时的动作与波形，依序如上述说明，形成提供能量的交流电源AC。同时，变压器T2将交流电源AC升压转换后，从二次侧提供能量给负载(LOAD)。

配合图5，参考图6，为本发明第二实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图。在本发明第二实施例中的组件与第一实施例相同者，以相同符号标示。第二实施例与第一实施例的电路动作原理与达成的功效相同，经过比较下，其主要的差异处在于：第二实施例将第一实施例中的开关Q4以光偶合开关取代，通过光偶合开关的开关特性来保护双N信道半桥式换流装置中的电路组件，以及删去第一缓冲电路34的第一加速二极管D1的使用。

配合图5，参考图7，为本发明第三实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图。在本发明第三实施例中的组件与第一实施例相同者，以相同符号标示。第三实施例与第一实施例的电路动作原理与达成的功效相同，经过比较下，其主要的差异处在于：第三实施例将第一实施例中的开关Q4以双极晶体管开关(BJT)取代，以及删去第一缓冲电路34的第一加速二极管D1的使用。

配合图5，参考图8，为本发明第四实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图。在本发明第四实施例中的组件与第一实施例相同者，以相同符号标示。第四实施例与第一实施例的电路动作原理与达成的功效相同，经过比较下，其主要的差异处在于：第四实施例将第一实施例中的SCR开关Q3以一PNP晶体管Q31耦接一NPN晶体管Q32等效取代。

配合图5，参考图9，为本发明第五实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图。在本发明第五实施例中的组件与第一实施例相同者，以相同符号标示。第五实施例与第一实施例的电路动作原理与达成的功效相同，经过比较下，其主要的差异处在于：第五实施例将第一实施例中的开关Q4以光偶合开关取代，以及删去第一缓冲电路34的第一加速二极管D1的使用。同时，将第一实施例中的SCR开关Q3以一PNP晶体管Q31耦接一NPN晶体管Q32等效取代。

配合图5，参考图10，为本发明第六实施例的双N信道半桥式换流装置的电路示意图。在本发明第六实施例中的组件与第一实施例相同者，以相同符号标示。第六实施例与第一实施例的电路动作原理与达成的功效相同，经过比较下，其主要的差异处在于：第六实施例将第一实施例中的开关Q4以双极晶体管开关(BJT)取代，以及删去第一缓冲电路34的第一加速二极管D1的使用。同时，将第一实施例中的SCR开关Q3以一PNP晶体管Q31耦接一NPN晶体管Q32等效取代。

综上所述，本发明的双N信道半桥式换流装置，搭配一驱动电路与一个输出有占空比大于50％的第一控制信号与占空比(duty cycle)小于50％的第二控制信号的推挽式控制芯片，来控制半桥开关组件动作。在实用上更具有弹性，且不会受限于控制芯片。并且，业者只需使用推挽式控制芯片即可依实际需求来驱动控制推挽式换流电路或半桥式换流电路。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种双N信道半桥式换流装置，其特征在于，连接于一变压器的一次侧，将一直流电源转换为一交流电源，包括有：

一推挽式控制芯片，设有一第一输出端与一第二输出端，该第一输出端输出占空比大于50％的一第一控制信号，该第二输出端输出占空比小于50％的一第二控制信号；

一第一开关，耦接于一参考端与该推挽式控制芯片的第一输出端；

一SCR开关，该SCR开关的栅极耦接于该第一开关，该SCR开关的阳极耦接于该直流电源；

一第一N信道场效晶体管，该第一N信道场效晶体管的栅极耦接于该SCR开关的阴极，该第一N信道场效晶体管的漏极耦接于该直流电源，该第一N信道场效晶体管的源极耦接于该变压器的一次侧；及

一第二N信道场效晶体管，该第二N信道场效晶体管的栅极耦接于该推挽式控制芯片的第二输出端，该第二N信道场效晶体管的漏极耦接于该第一N信道场效晶体管的源极，该第二N信道场效晶体管的源极耦接到该参考端。

2.根据权利要求1所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，该直流电源经由第一N信道场效晶体管的导通，提供一正直流电源给该变压器，以形成一正半周驱动。

3.根据权利要求1所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，进一步包括有一共振电容器，该共振电容器耦接于该变压器的一次侧。

4.根据权利要求3所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，经由第二N信道场效晶体管的导通，该共振电容器提供一负直流电源给该变压器，以形成一负半周驱动。

5.根据权利要求1所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，该第一开关通过一限流电阻耦接于该推挽式控制芯片的第一输出端。

6.根据权利要求5所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，该第一开关为一双极晶体管开关或一光偶合开关。

7.根据权利要求1所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，进一步包括有一第一缓冲电路，该第一缓冲电路包括有：

一第一加速二极管，其负极端耦接该推挽式控制芯片的第一输出端，其正极端耦接到该第一开关；及

一第一电阻，并联耦接于该第一加速二极管。

8.根据权利要求1所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，进一步包括有一第二缓冲电路，该第二缓冲电路包括有：

一第二加速二极管，其负极端耦接该推挽式控制芯片的第二输出端，其正极端耦接到该第二N信道场效晶体管的栅极；及

一第二缓冲电阻，并联耦接于该第二加速二极管。

9.根据权利要求1所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，进一步包括有一电容器，该电容器耦接于该第一N信道场效晶体管的栅极-源极间。

10.根据权利要求1所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，该SCR开关由一PNP晶体管耦接一NPN晶体管等效组成。

11.一种双N信道半桥式换流装置，其特征在于，连接于一变压器的一次侧，将一直流电源转换为一交流电源，包括有：

一推挽式控制芯片，设有一第一输出端与一第二输出端，该第一输出端输出占空比大于50％的一第一控制信号，该第二输出端输出占空比小于50％的一第二控制信号；

一第一缓冲电路，耦接于该推挽式控制芯片的第一输出端；

一第二缓冲电路，耦接于该推挽式控制芯片的第二输出端；

一驱动电路，耦接于该直流电源，并通过该第一缓冲电路耦接于该推挽式控制芯片的第一输出端，接受该第一控制信号，该驱动电路包括一第一开关和一SCR开关，该第一开关耦接于该第一缓冲电路与一参考端，该SCR开关的栅极耦接于该第一开关，该SCR开关的阳极耦接于该直流电源；及

一半桥式开关组件，由第一N信道场效晶体管和第二N信道场效晶体管组成，该第一N信道场效晶体管耦接于该直流电源、该SCR开关的阴极及该变压器，该第二N信道场效晶体管耦接于该第二缓冲电路及该变压器，该半桥式开关组件受控于该驱动电路，用以将该直流电源切换为该交流电源传送至该变压器的一次侧。

12.根据权利要求11所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，进一步包括有一共振电容器，该共振电容器耦接于该变压器的一次侧。

13.根据权利要求11所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，该SCR开关由一PNP晶体管耦接一NPN晶体管等效组成。

14.根据权利要求11所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，该第一开关为一MOS开关、一双极晶体管开关或一光偶合开关。

15.根据权利要求11所述的双N信道半桥式换流装置，其特征在于，进一步包括有一电容器，该电容器耦接于该第一N信道场效晶体管的栅极-源极间。

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