CN101242145B - 适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路 - Google Patents

Abstract

本发明是揭示一种适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路。此返驰式电源转换器具有一输出侧以及一输入侧，输出侧是以一第一线圈绕组及一开关串接方式所组成；输入侧是具有一第二线圈绕组、一主动箝位电路(Active clamp)、一开关晶体管(MOS)及一电阻，其中此主动箝位电路至少是由一第三线圈绕组、两二极管及一电容所组成。至此，于开关晶体管为不导通(turn-off)状态时，此主动箝位电路的两二极管能嵌制开关晶体管的汲极(Drian)和源极(Source)上的跨电压(VDS)，使跨电压上升较为缓慢不至产生电压突波(spike)的现象。

Description

适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路

技术领域

本发明是有关于一种主动箝位电路，且特别是有关于一种适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路。

背景技术

如返驰式电源转换器、顺向式电源转换器(forward converter)、推挽式电源转换器(push-pull converter)、半桥式电源转换器(half-bridge converter)及全桥式电源转换器(full-bridge converter)这类型的切换式电源转换器(switching power supply)由于体积小、重量轻、功率消耗低，在日趋复杂的电子、计算机的系统中，扮演着极重要的角色。而近几年来，由于高功率的半导体控制电路以及被动组件的快速发展，使得切换式电源转换器可以大量生产，不仅在可靠度大大的提高，而且在价格上也渐渐下降。

由于为了配合各项电子产品轻、薄、短、小的发展原则，也希望电源转换器具有更高的功率密度，因此便需要向高频的操作频率发展，但是伴随着电路中切换频率的提高，开关组件在切换时产生的切换损失问题也更为严重。这不但造成能量的浪费、效率的降低之外，同时在开关上散逸的无效热能亦使得散热问题变得更为棘手，此外还有切换动作的非理想现象而产生电压、电流突波，或是产生过大的电压、电流变化率，而使得电路组件应力增加，或是成为电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)的来源。

以返驰式电源转换器为例，如图1所示，该图绘一基本的返驰式电源转换器的电路架构图，由此图中可知，此返驰式电源转换器1中的变压器T其实是一个具有二次线圈的电感器(亦指在图面上所显示的输出侧11的一第一线圈绕组111及输入侧12的第二线圈绕组112，及图上的N₁及N₂分别代表第一线圈绕组111的匝数以及第二线圈绕组112的匝数)，当开关S导通时，电流会流经具有二次线圈的电感器T，并将能量储存于其中，此时二极管D被逆向偏压，因此，没有能量传送至负载(未显示)。当开关S截止时，具有二次线圈的电感器T中的能量才被释放并传送至负载。且此返驰式电源转换器1仅具单一主动式开关S，拥有电路架构简单、单一功率转换级以及在双向功率转换应用中控制容易等特性，所以，返驰式电源转换器1可被广泛地使用在低功率的应用领域中。与其它电源转换器，譬如顺向式电源转换器相较起来，理论上可大大降低磁性组件所占的大小与体积，同时，输出的部分仅需用到二极管D与电容器C，即可达到多组输出的目的。

然而，此返驰式电源转换器于高频下的切换动作会发生下列问题：

(1)当开关切换时，电感接上开关充电(流)后突然关闭，电感会由充磁状态变为放磁，此时由于电流路径被截断因此会产生电压突波，而使开关受到伤害。

(2)在变压器有汲电感的存在，使转换效率变差。

(3)当开关在追求高切换频率的情况下，开关切换所产生的噪声使得电磁干扰与射频干扰的问题不易解决。

(4)开关必须承受较高的跨电压以及较大的电流。

因此有许多方法以解决上述问题，如图2所示，在原返驰式电源转换器的输入侧12(图1所示)额外加上由电阻R_S、电容C_S和二极管D_S三种被动组件所组成一种RCD嵌制电路12’，其电路的动作原理如下所述：

输入侧12所有等效的寄生电感(包含接续线电感、汲电感、激磁电感等，未显示)所积蓄的能量将对开关晶体管Q的寄生电容C_P充电，因此，开关晶体管Q两端电压上升，此电压上升到和电容CS的电压相同时(一般而言，此时CS二端的电压为0或极低)，该二极管DS导通，开关晶体管Q两端的电压将被电容CS两端的电压所箝制，此时，寄生电感所积蓄的能量也会对电容CS充电，将能量转移至电容CS。最后，电容CS所储存的能量最后将经由电阻R_S以热能的形式消耗掉。

RCD嵌制电路的目的在于箝制开关组件上的电压突波，在开关由导通到截止的瞬间，可避免过大的电压突波产生而导致开关组件的损坏。然而RCD嵌制电路仍具有下列缺点：

1.虽能将开关晶体管瞬间的高跨电压一部分予以嵌制，但部分的能量被嵌制电阻所消耗，因此会影响到返驰式电源转换器的转换效率。

2.此开关晶体管由导通状态到不导通状态的瞬间，仍有不小的电压突波存在于开关晶体管的跨电压中，并且当输入电压增加时，电压突波的现象变得更加地严重，致使转换功率的提升受到限制；同时开关晶体管也容易由电压突波的存在而被破坏。

因此，为了避免习用返驰式电源转换器以RCD嵌制电路来嵌制电压突波所带来的缺失，应有另一电路设计来解决电压突波所带来的种种缺失。

发明内容

因此本发明的目的就是在提供一种适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，这额外所加的主动箝位电路能致使开关晶体管上的汲极和源极的跨电压值(V_DS)上升较为缓慢，可消除开关晶体管在切换时所产生的电压突波的现象，以减少返驰式电源转换器的功率损失，达到提高功率的目的。

根据本发明的上述目的，本发明亦提供一种适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，该返驰式电源转换器包括一输入侧以及一输出侧，该输出侧包括一第一线圈绕组以及与该第一线圈绕组串联的一开关；该输入侧包含具有一第一端点及一第二端点的一第二线圈绕组、一主动箝位电路、一开关晶体管以及一电阻，该第二线圈绕组的第一端点连接至该输入侧的一电压输入端；该主动箝位电路与上述第二线圈绕组的第二端点连接；该开关晶体管的汲极与上述第二线圈绕组的第二端点连接，其闸极用以接收一切换信号；该电阻的一端与上述开关晶体管的源极连接，另一端接地；其中所述的主动箝位电路包含：

一第一串联电路，其是由一第一二极管与一第三线圈绕组串联在一起，第一二极管具有一正极端及一负极端，第三线圈绕组具有一第三端点及一第四端点，其中第一二极管的正极端与该第三端点连接，该第一二极管的负极端与该第二线圈绕组的第二端点相连，上述第三线圈绕组的第四端点连接至一接地端；以及

一第二二极管，其具有一正极端及一负极端，第二二极管的负极端与输入侧的电压输入端连接，第二二极管的正极端与第一二极管的负极端连接。

至此，于该开关晶体管呈不导通状态时，该主动箝位电路的该第一二极管及该第二二极管箝制该开关晶体管最大电压而送至该输入侧的电压输入端。

附图说明

图1为返驰式电源转换器的电路架构图。

图2为返驰式电源转换器内提供的RCD缓冲电路的电路架构图。

图3为返驰式电源转换器内提供的主动箝位电路的电路架构图。

图4为本发明主动箝位电路的波形示意图(移除第一二极管及第二二极管)。

图5为本发明主动箝位电路的波形示意图(未移除第一二极管及第二二极管)。

具体实施方式

以下详细地讨论目前较佳的实施例。然而应被理解的是，本发明提供许多可适用的发明观念，而这些观念能被体现于很宽广多样的特定具体背景中。所讨论的特定具体的实施例仅是说明使用本发明的特定方式，而且不会限制本发明的范围。

众所皆知，当返驰式电源转换器的开关在作切换作动时产生电压突波及电磁干扰与射频干扰的问题皆不易解决。故，根据前述该等问题所述，本发明于返驰式电源转换器内亦提出一种主动箝位电路设计，此箝位电路是可针对在开关晶体管上的跨电压作一嵌制电压动作。以下为本发明的实施例说明。

电路架构说明：请参照图3，该图为本发明的适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路的电路架构图。此返驰式电源转换器3是具有一输出侧31以及一输入侧32，该输出侧31是由一第一线圈绕组311以及一开关312串接组成，其中开关312是为一pn型二极管。输入侧32是包含具有一第一端点3211及一第二端点3212的一第二线圈绕组321、一主动箝位电路33、一开关晶体管34及一电阻35，此一实施例中，第二线圈绕组321的匝数(N₂)大于第一线圈绕组311的匝数(N₁)，且此两线圈绕组的任一线圈绕组藉由磁通量的变动感应电场而使另一线圈绕组产生感应电动势。

而在此电路中，输入侧32的第一端点3211连接至输入侧32的一电压输入端(亦指一高供应电压V_bulk)，开关晶体管34为是为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，且开关晶体管34的汲极341是连接至输入侧32的第二端点3212，开关晶体管34的源极343是连接该的电阻35的一端，电阻35的另一端连接至一接地端，其中开关晶体管34的闸极342用于接收一切换讯号。

主动箝位电路33包含一第一串联电路331及一第二二极管334。第一串联电路331是由一第一二极管332与一第三线圈绕组333串联在一起，第一二极管332具有一正极端(P)及一负极端(N)，第三线圈绕组333具有一第三端点3331及一第四端点3332，其中第一二极管332的正极端连接至第三端点3331，第三线圈绕组333的第四端点3332连接至一接地端。第二二极管334具有一正极端(P)及一负极端(N)，第二二极管334的负极端连接至该输入侧32的电压输入端(亦指一高供应电压V_bulk)，第二二极管334的正极端连接于第一二极管332的负极端。为避免两线圈绕组所产生的能量过大导致烧毁组件本身，于第二线圈绕组321的第二端点3212及第一二极管332的负极端进一步设有一电容36，此电容36是用于吸收一些电压突波的能量。

开关晶体管进行切换作动说明：目前大多数的切换式电源转换器皆为脉波宽度调变(pulse width modulation，PWM)的型式。此种方法乃改变转换晶体管的导通时间，并在导通期间来控制及调整输出电压至预定的值。如图3所示，藉由一脉波宽度调变控制器40所产生的方形脉波可用来推动晶体管至开或关状态，因此，如前言所述，开关晶体管34的闸极342用于接收一方形脉波(切换讯号)。

于输入侧的高供应电压V_bulk供应一385V至输入侧的第二线圈绕组321上，及藉由下列式子

V₂/V₃＝N₂/N₃

其中，V₂为第二线圈绕组上的感应电压(称的二次侧反馈电压)，N₂为第二线圈绕组上的匝数，V₃为第三线圈绕组上的感应电压，N₃为第三线圈绕组上的匝数，此一计算式可知，第三线圈绕组是根据第二线圈绕组的感应电压值可选择一线圈匝数比，使第三线圈绕组所产生一电压突波(spike)能将第一二极管及第二二极管导通而送至输入侧的电压输入端，意指，电压突波的电压值大小可作为开关晶体管的汲极和源极上的最大跨电压值。

波形分析：在此叙述根据本发明的主动箝位电路的实验结果。先请参照图4，该图为本发明主动箝位电路(已移除第一二极管及第二二极管)的跨电压(V_DS)的在一段时间的波形示意图。横轴代表时间，其每一格为10μs(微秒)，纵轴代表电压，其每一格为100V(伏特)，于输入侧的高供应电压V_bulk供应一385V至该输入侧的第二线圈绕组上，于量测跨电压值(V_DS)＝V_bulk(385V)+V₂为第二线圈绕组上的感应电压(二次侧反馈电压)+原开关晶体管切换的电压突波为683V。

图5为本发明主动箝位电路的波形示意图(未移除第一二极管及第二二极管)。于输入侧的高供应电压V_bulk供应一385V至该输入侧的第二线圈绕组上，于量测跨电压值(V_DS)＝V_bulk(385V)+V₂为第二线圈绕组上的感应电压(二次侧反馈电压)+V_clamp(V_bulk×N₂/N₃)为617V。

至此，于开关晶体管呈不导通状态时，主动箝位电路的第一二极管及第二二极管箝制(clamp)开关晶体管最大电压至输入侧的电压输入端，故，不会呈现出图4的电压突波现象。

在返驰式电源转换器内提供的主动箝位电路，亦用嵌制电路方式，来嵌制开关晶体管上的电压，并利用柔性切换的技术，即是，当开关晶体管呈不导通状态时，会因该第一二极管及该第二二极管的作动如同箝制钳位二极管致使限制该开关晶体管最大电压至输入侧的电压输入端，使跨电压值(V_DS)上升较为缓慢，且当开关晶体管呈导通状态前瞬间，输入侧的电压输入端为零伏特，因此此柔性切换的技术使得返驰式电源转换器的功率密度能够提高、输出噪声可以减少、输入电源的电磁干扰以及射频干扰也能降低…等等方面的改善，且其中最重要的技术特点可消除开关晶体管在切换时所产生的电压突波现象。

Claims (6)

1.一种适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，该返驰式电源转换器包括一输入侧以及一输出侧，该输出侧包括一第一线圈绕组以及与该第一线圈绕组串联的一开关；该输入侧包含具有一第一端点及一第二端点的一第二线圈绕组、一主动箝位电路、一开关晶体管以及一电阻，该第二线圈绕组的第一端点连接至该输入侧的一电压输入端；该主动箝位电路与上述第二线圈绕组的第二端点连接；该开关晶体管的汲极与上述第二线圈绕组的第二端点连接，其闸极用以接收一切换信号；该电阻的一端与上述开关晶体管的源极连接，另一端接地；其特征在于，所述的主动箝位电路包含：

一第一串联电路，其是由一第一二极管与一第三线圈绕组串联在一起，第一二极管具有一正极端及一负极端，第三线圈绕组具有一第三端点及一第四端点，其中第一二极管的正极端与该第三端点连接，该第一二极管的负极端与该第二线圈绕组的第二端点相连，上述第三线圈绕组的第四端点连接至一接地端；以及

一第二二极管，其具有一正极端及一负极端，第二二极管的负极端与输入侧的电压输入端连接，第二二极管的正极端与第一二极管的负极端连接；

至此，于该开关晶体管呈不导通状态时，该主动箝位电路的该第一二极管及该第二二极管箝制该开关晶体管最大电压而送至该输入侧的电压输入端。

2.根据权利要求1所述的适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，其特征在于，该开关晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，其特征在于，该第三线圈绕组是根据该第二线圈绕组的感应电压值可选择一线圈匝数比，使该第三线圈绕组所产生一电压突波能将该第一二极管及该第二二极管导通而送至输入侧的电压输入端。

4.根据权利要求1所述的适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，其特征在于，当所述的开关晶体管呈导通状态前瞬间，输入侧的电压输入端为零伏特。

5.根据权利要求1所述的适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，其特征在于，该第二线圈绕组的匝数大于第一线圈绕组的匝数。

6.根据权利要求1所述的适用于返驰式电源转换器的主动箝位电路，其特征在于，该第二线圈绕组的第二端点及该第一二极管的负极端之间进步设有一电容，此电容是用于吸收一些电压突波的能量。

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