CN101039074A

CN101039074A - 具有用于轻负载操作的节能电路的软切换式功率转换器

Info

Publication number: CN101039074A
Application number: CN 200610064885
Authority: CN
Inventors: 杨大勇
Original assignee: System General Corp Taiwan
Current assignee: Fairchild Taiwan Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: CN100511946C

Abstract

本发明具有用于轻负载操作的节能电路的软切换式功率转换器，其包括一第一开关用以切换一变压器而进行能量传递。为了达到下一切换周期的软切换，一第二开关将一电容器的能量切换到变压器。一控制电路连接到功率转换器的输出，借由响应一反馈信号而生出一第一信号和一第二信号，用以调节功率转换器的输出。在第一开关断开后与第二信号启用前，生出一第一延迟时间。而在第二开关断开后与第一信号启用前，生出一第二延迟时间。在轻负载状况下，第二延迟时间依据反馈信号的减少而比例地增加。

Description

具有用于轻负载操作的节能电路的软切换式功率转换器

技术领域

本发明涉及一种功率转换器，特别是涉及一种功率转换器的控制电路。

背景技术

功率转换器是用于将一未调节的电源转换为一恒定电压源。功率转换器通常包括一变压器，其包含用以提供绝缘的一初级绕组(primarywinding)以及一次级绕组(secondary winding)。一切换装置连接到初级绕组，以控制从初级绕组至次级绕组的能量转换。虽然较高的操作频率允许功率转换器具有较小的尺寸和重量，然而，切换损耗、组件应力以及电磁干扰都是其固有的问题。在近期的发展中，一种常见的软切换式(soft switching)相移(phase shift)设计被提出，用以减少高频功率转换的切换损耗。在这些发展中，全桥准谐振(quasi-resonant)ZVS技术描述如后：即由Christopher、P.Henze、Ned Mohan以及John G.Hayes于1989年8月8日在美国专利第4,855,888号所提出的“以零电压切换的恒定频率谐振功率转换器(Constant Frequency Resonant Power Converterwith Zero Voltage Switching)”；由Guichao C.Hua和Fred C.Lee于1995年8月15日在美国专利第5,442,540号所提出的“软切换式脉宽调制转换(Soft-switching PWM Converters)”；还有Yungtaek Jang和Milan M.Jovanovic于2002年3月12日所提出的“软切换式全桥转换器(Soft-switched Full-bridge Converters)”。用于正向式(forward)ZVS功率转换器的主动箝位(active clamp)技术揭示于下文之中，例如有F.Don Tan于1999年10月26日在美国专利第5,973,939号所提出的“具脉宽调制软切换的双正向式转换器(Double Forward Converter with Soft-PWMSwitching)”；由Simon Fraidlin和Anatoliy Polikarpov于2001年2月20日在美国专利第6,191,960号所提出的“主动箝位绝缘的功率转换器以及其操作方法(Active Clamp Isolated Power Converter and Method of OperatingThereof)”。对于半桥技术来说，开发了一种用于ZVS的非对称设计，即由Rui Liu于2000年5月30日在美国专利第6,069,798号所提出的“非对称的功率转换器及其操作方法(Assymmetrical Power Converter and Methodof Operation Thereof)”。在各种不同的ZVS转换器中，使用变压器的寄生漏电感(parasitic leakage inductance)以及额外的磁性组件作为谐振电感器(resonant inductor)或开关，用于生出环电流以达到零电压的切换。

图1说明一现有的主动箝位功率转换器。图1A～图1D说明上述功率转换器的四个操作阶段。图1A说明当一第一信号S₁接通晶体管Q₁，其用以将能量从功率转换器的一输入通过一变压器T₁传递到功率转换器的一输出上。如图1B所示，当晶体管Q₁断开时，变压器T₁的能量将经由一寄生二极管D₂流入一电容器C₁中。同时，一第二信号S₂将接通一晶体管Q₂，因而达到晶体管Q₂的软切换。如图1C所示，当变压器T₁的能量完全释放后，电容器C₁将透过接通的晶体管Q₂开始对变压器T₁进行充电。图1D说明第四个操作阶段，其中第二信号S₂停用以断开晶体管Q₂，因此切断流经变压器T₁和电容器C₁之间的电流。其间，存储于变压器T₁中的能量会生出一环电流，因而将晶体管Q₁的寄生电容器C_j放电。为接通寄生二极管D₁而达到晶体管Q₁的软切换，寄生电容器C_j的电荷必须事先完全释放完毕。

为达到转换的标准须符合下列条件：

I_P ²/(2×L_P)＞C_j ×V_IN ²/2

其中L_P是变压器T₁的初级绕组的电感，I_P是变压器初级绕组的电流，而V_IN是功率转换器的输入电压。

谐振频率f_r是由下式给出：

f_r＝1/(2π×L_P×C_j)

用于完成软切换的相移(phase shift)的一延迟时间T_D1，如下列等式给出：

T_D1＝1/(4×f_r)

＝π×L_P×C_j/2

图2说明一传统的非对称半桥正向式功率转换器，其中信号S₁和S₂的操作与图1所示的功率转换器相同。虽然上述的功率转换器能够完成软切换，以减低在重负载条件下的切换损耗，但是，其缺点在于在轻负载条件下功率消耗仍然偏高。

发明内容

本发明的目的是提供一软切换式功率转换器，由此而减少在轻负载状况下的功率消耗。

此软切换式功率转换器包括一电容器和一变压器。为进行软切换操作，电容器连接到变压器。一第一开关用来切换变压器，由此将功率从功率转换器的一输入，传递到功率转换器的一输出。一第二开关用来将电容器的能量切换到变压器，由此生出一环电流，以完成第一开关的软切换操作。一控制电路连接到功率转换器的输出，以接收一反馈信号。控制电路响应反馈信号生出一第一信号和一第二信号，用以调节功率转换器的输出。第一信号和一第二信号，分别耦接到第一开关和第二开关，以进行切换操作。反馈信号的一第一范围代表一重负载状况，随着第一信号的启用时间(on-time)的减少，第二信号的启用时间将增加。启用时间(on-time)定义为一个信号处于启用状态的时间区间。在第一开关断开后与第二信号启用前，将生出一第一延迟时间。而在第二开关断开后与第一信号启用前，将生出一第二延迟时间。第二延迟时间于反馈信号的第一范围内为恒定。而第二延迟时间于反馈信号的一第二范围内为可变的，其中第二延迟时间响应反馈信号而比例地增加。反馈信号的第二范围，代表一轻负载状况。控制电路包含一临界，用以定义反馈信号的第一范围及第二范围。此外，控制电路还包括一输入端子和一编程端子。输入端子用于编程反馈信号第一范围的第二延迟时间。编程端子是为编程临界而开发。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

所附的图示提供对本发明的进一步的理解，并整合而作为本说明书的一部分。这些图示图解本发明的实施例，并配合相关的描述阐明本发明的原理。

图1是一传统主动箝位功率转换器的电路图。

图1A至图1D，是说明图1所示的功率转换器的四个操作阶段的示意图。

图2是一传统的非对称半桥正向式功率转换器的电路图。

图3是根据本发明一实施例所绘示的软切换式功率转换器的电路图。

图4A和图4B是图3所示的功率转换器的信号波形图。

图5是根据本发明一实施例所绘示的控制电路的电路图。

图6是根据本发明一实施例所绘示的振荡电路的电路图。

图7是根据本发明一实施例所绘示的延迟电路的电路图。

具体实施方式

图3是根据本发明一实施例所绘示的软切换式功率转换器的电路图。其包括一磁性装置(如变压器30)。变压器30和一电容器35串联连接。电容器35用于软切换。一第一开关10用以切换变压器30，以将能量从功率转换器的一输入传递到功率转换器的一输出。一第二开关20与电容器35相连接以切换电容器35，用以将电容器35的能量传递到变压器30中。一控制电路100耦接到功率转换器的输出，以响应一反馈信号VFB，从而生出一第一信号S1和一第二信号S2，用以调节功率转换器的输出。第一信号S1和第二信号S2分别耦接并切换第一开关10和第二开关20。具有一参考信号VR的误差放大器(error amplifier)60，经由电阻器51和52连接到功率转换器的输出。一电阻器53和一电容器54建立起误差放大器60的一频率补偿网络。误差放大器60的输出连接到一耦合器65(如一光耦合器)。耦合器65的输出生出反馈信号VFB到控制电路100的一反馈端子FB。控制电路100还包括一临界，其用以定义反馈信号VFB是处于一第一范围还是处于一第二范围。反馈信号VFB的第一范围代表一重负载状况。而反馈信号VFB的第二范围代表一轻负载状况。第一信号S1和第二信号S2，是相应于反馈信号VFB而生出。在反馈信号VFB的第一范围中，第二信号S2的启用时间响应第一信号S1的启用时间的减少而增加。

图4A和图4B是图3所示的功率转换器的信号波形图。图4A说明在重负载状况下，第一信号和第二信号的波形。图4B说明在轻负载状况下，第一信号和第二信号的波形。在第一开关10断开后与第二信号S2启用前，生出一第一延迟时间TD1。而在此第二开关20断开后与第一信号S1启用前，生出一第二延迟时间TD2。第二延迟时间TD2于反馈信号VFB的第一范围内为恒定的。而第二延迟时间TD2于反馈信号VFB的第二范围内为可变的，其中，第二延迟时间TD2随着反馈信号VFB的减少而比例地延展。

图3所示的控制电路100还包括一输入端子RD，其用以在反馈信号VFB的第一范围编程第二延迟时间TD2。一电阻器56从控制电路100的输入端子RD连接到一接地参考，由此来编程第二延迟时间TD2。另外，一电阻器57从一编程端子RP连接到接地参考，由此来编程临界。控制电路100的一电流感应端子VS连接到一电阻器50，用以检测变压器30的一切换电流信号VS，以此来完成控制电路100的脉宽调制(Pulse WidthModulation，PWM)控制。

图5是根据本发明一实施例所绘示的控制电路100的电路图。控制电路100包括一振荡电路200，其用以生出一脉冲信号PLS、一锯齿信号RMP，以及一最大工作周期信号MD。脉冲信号PLS经由一非门71供给到一触发器85中的时钟输入。一比较器80用以将触发器85复位。比较器80的两个输入分别连接到反馈端子FB以及一电路350的一输出。此电路350经由将锯齿信号RMP和切换电流信号VS相加后生成一斜坡信号(slope signal)。一旦斜坡信号高于反馈信号VFB，触发器85即被复位。触发器85的一输出连接到一与门91的一第三输入，由此生出此第一信号S1。与门91的一第二输入和一第四输入分别连接到非门71的一输出以及最大工作周期信号MD。一具有一时钟输入的触发器86，经由一延迟电路300和一非门72而耦接到第一信号S1。图7绘示延迟电路300的电路图。延迟电路300决定第一延迟时间TD1。因此，触发器86在第一信号S1的下降缘后经过第一延迟时间TD1后启用。非门71的输出用于复位触发器86。当脉冲信号PLS被启用时，触发器86被复位。触发器86的一输出连接到一与门92的一第一输入，由此而生出此第二信号S2。与门92的一第二输入连接到非门71的输出。此外，与门92的一输出经由一非门76而连接到与门91的一第一输入。与门91的一输出经由一非门75而连接到与门92的一第三输入，由此形成一互斥电路(exclusivecircuit)，以此防止第一开关10和第二开关20的交叉传导。由于当脉冲信号PLS启用的时候，第一信号S1和第二信号S2是停用的，因此，随着脉冲信号PLS的脉宽(pulse width)的延展，将造成第一信号S1和第二信号S2的停用时间(off-time)的延展。停用时间的定义为一信号处于停用的时间区段。对于反馈信号VFB的第一范围来讲，电阻器56经由输入端子RD而决定脉冲信号PLS的脉宽。对于反馈信号VFB的第二范围来讲，脉冲信号PLS的脉宽响应反馈信号VFB的减少而延展。因此，使得第一信号S1和第二信号S2的切换频率随着输出负载的减少而降低，由此减少了切换损耗。

图6是根据本发明一实施例所绘示的振荡电路200的电路图。其中，比较器201和202分别有一折点电压(trip-point voltage)VH和一折点电压VL。比较器201的一负输入与比较器202的一正输入共接到一电容器210。一电流源220经由一开关215对电容器210进行充电。开关216用以对电容器210进行放电。与非门205和206形成一锁闩电路(latchcircuit)，其用以生出脉冲信号PLS。脉冲信号PLS分别被比较器201和202的输出启用和停用。一旦电容器210的电压高于折点电压VH，脉冲信号PLS将接通开关216令电容器210进行放电。当电容器210的电压低于折点电压VL时，脉冲信号PLS经由一非门211接通开关215，令电容器210进行充电。因而使电容器210上生成锯齿信号RMP。一比较器203包括一参考电压VM。比较器203的一负输入连接到电容器210。比较器203的一输出生出最大工作周期信号MD，用以决定第一信号S1的一最大工作周期(duty cycle)。一运算放大器230具有一供应一参考电压VR1的正输入，还有一连接到输入端子RD的一负输入。运算放大器230和一晶体管250并会同电阻器56，生出一电流I250。晶体管251和252形成一第一电流反射镜(current mirror)。晶体管254和255形成一第二电流反射镜。一流经晶体管255的电流I255，是由电流I250经由第一电流反射镜以及第二电流反射镜镜像而得。此电流I255进一步耦接到电容器210，并经由开关216的接通而令电容器210进行放电。

连接到编程端子RP的一电流源235与电阻器57，一同生成一用以决定临界的电压。编程端子RP连接到一运算放大器231。而反馈端子FB连接到一运算放大器232。运算放大器231、232，一电阻器270以及一晶体管260构成一电压-电流转换器，由而生成一电流I260。电流I260可以下列等式来表示：

I₂₆₀＝(V_TH-V_FB)/R₂₇₀

其中VTH代表临界的电压值；V_TH＝I₂₃₅×R₅₇

电流I260是在反馈信号VFB低于临界电压VTH时而生成。晶体管261和262形成一第三电流反射镜，电流I260经由第三电流反射镜镜像生成一电流I262。电流I262进一步耦接到晶体管255，因而决定电容器210的一放电电流ID。放电电流ID可由下列等式给出：

I_D＝I₂₅₅-I₂₆₂

I_D＝[k₁×(V_R1/R₅₆)]-{k₃×[(I₂₃₅×R₅₇)-V_FB]/R₂₇₀}

其中，k1和k3分别是第一电流反射镜和第三电流反射镜的镜射比率；R56、R57、R270是电阻器56、57和270的电阻值。

因此，对于反馈信号VFB的第一范围来讲，电阻器56决定电流I255以及电容器210的放电电流ID。而电阻器57决定临界，由此决定了反馈信号VFB的第一范围和第二范围。反馈信号VFB响应输出负载的减少而降低。因此，对于反馈信号VFB的第二范围来讲，依据输出负载的减少，电容器210的放电电流ID将比例地降低，令第二延迟时间TD2比例地延展。

由于第一开关10和第二开关20的切换频率随着输出负载的减少而降低，因此，在轻负载状况之下功率转换器的功率消耗便得以降低。此外，只有第二延迟时间TD2是可变的。第一信号S1和第二信号S2的时序，在轻负载和重负载状况下都保持一样，因此确保了软切换式功率转换器的正常操作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1、一种具有用于轻负载操作的节能电路的软切换式功率转换器，其特征在于：该软切换式功率转换器包括：

一变压器；

一电容器，耦接到所述变压器，所述电容器用于软切换；

一第一开关，用以切换所述变压器，由此将能量从所述功率转换器的一输入传递到所述功率转换器的一输出；

一第二开关，用以切换所述电容器的能量到所述变压器；和

一控制电路，耦接到所述功率转换器的所述输出，由此响应一反馈信号而生成一第一信号和一第二信号，第一信号和第二信号用以调节所述功率转换器的所述输出，其中所述第一信号和所述第二信号分别用以切换所述的第一开关和所述的第二开关；

其中，在所述反馈信号的一第一范围内，所述第二信号的启用时间响应前述第一信号的启用时间的减少而增加；在所述的第一开关断开后与所述第二信号启用前，生出一第一延迟时间，而在所述第二开关断开后与所述第一信号启用前，生出一第二延迟时间；其中所述第二延迟时间于所述反馈信号的第一范围内是恒定的，而所述第二延迟时间于所述反馈信号的一第二范围内是可变的，并且所述第二延迟时间依据所述反馈信号的减少而比例地增加。

2、根据权利要求1所述的软切换式功率转换器，其特征在于：所述控制电路还包括一输入端子，其用以在所述反馈信号的所述第一范围内编程所述的第二延迟时间。

3、根据权利要求2所述的软切换式功率转换器，其特征在于：一电阻器从所述的控制电路的所述输入端子，耦接到一接地参考，由此来编程所述第二延迟时间。

4、根据权利要求1所述的软切换式功率转换器，其特征在于：所述控制电路还包括一临界，其用以定义所述反馈信号的所述第一范围或所述反馈信号的所述第二范围。

5、根据权利要求4所述的软切换式功率转换器，其特征在于：所述控制电路还包括一编程端子，其用以编程所述临界。

6、根据权利要求5所述的软切换式功率转换器，其特征在于：一电阻器从所述的控制电路的所述编程端子耦接到一接地参考，由此来编程所述的临界。

7、一种软切换式电源供应器，其特征在于：该软切换式电源供应器包括：

一变压器；

一电容器，耦接到所述变压器，所述电容器用于软切换；

一第一开关，用以切换所述变压器，由此将能量从所述电源供应器的一输入传递到所述电源供应器的一输出；

一第二开关，用以切换所述电容器的能量到所述变压器；和

一控制器，耦接到所述电源供应器的所述输出，由此响应一反馈信号而生出一第一信号和一第二信号，第一信号和第二信号用以调节所述电源供应器的所述输出，其中所述第一信号和所述第二信号分别切换所述第一开关和所述第二开关；

其中，在所述第一开关断开后与所述第二信号启用前，生出一第一延迟时间，而在所述第二开关断开后与所述第一信号启用前，生出一第二延迟时间，而且所述第二延迟时间于所述反馈信号的一第二范围内为可变的，其中所述第二延迟时间依据所述反馈信号的减少而比例地增加。

8、根据权利要求7所述的软切换式电源供应器，其特征在于：所述控制器进一步包括一输入端子，用以在所述反馈信号的一第一范围内编程所述第二延迟时间。

9、根据权利要求8所述的软切换式电源供应器，其特征在于：一电阻器从所述控制器的所述输入端子耦接到一接地参考，由此来编程所述第二延迟时间。

10、根据权利要求7所述的软切换式电源供应器，其特征在于：所述控制器还包含一临界，其用以定义所述反馈信号的一第一范围或者所述反馈信号的所述第二范围。

11、根据权利要求10所述的软切换式电源供应器，其特征在于：所述控制器还包含一编程端子，用以编程所述临界。

12、一种软切换式调节器，其特征在于：所述软切换式调节器包括：

一磁性装置；

一电容器，耦接到所述磁性装置，所述电容器用于软切换；

一第一开关，用以切换所述的磁性装置，由此将能量从所述调节器的一输入传递到所述调节器的一输出；

一第二开关，用以切换所述电容器的能量到所述磁性装置；以及

一电路，耦接到所述调节器的所述输出，由此生出一第一信号和一第二信号，第一信号和第二信号用以分别切换所述的第一开关和所述的第二开关，其中所述的第一信号包括一工作周期，其用以调节所述调节器的所述输出；

其中，在所述第一开关断开后与所述第二信号启用前，生出一第一延迟时间，而在所述第二开关断开后与所述第一信号启用前，生出一第二延迟时间，而且所述第二延迟时间于所述工作周期的一第二范围内是可变的，其中所述第二延迟时间依据所述工作周期的减少而比例地增加。

13、根据权利要求12所述的软切换式调节器，其特征在于：前述的电路还包含一输入端子，用以在所述工作周期的一第一范围内编程所述第二延迟时间。

14、根据权利要求13所述的软切换式调节器，其特征在于：所述电路还包含一临界，用以定义所述工作周期的所述第一范围或者所述工作周期的所述第二范围。

15、根据权利要求14所述的软切换式调节器，其特征在于：所述电路还包含一编程端子，用以编程所述的临界。