CN102208873B - 准谐振返驰式功率转换器的主动箝位电路 - Google Patents

准谐振返驰式功率转换器的主动箝位电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及准谐振返驰式功率转换器的主动箝位电路，其包含一主动箝位器而并联于准谐振返驰式功率转换器的一功率变压器的一一次侧绕组。一高压侧晶体管驱动器用于驱动该主动箝位器。一充电帮浦电路耦接该高压侧晶体管驱动器，并依据一电压源而供应一电源至该高压侧晶体管驱动器。一控制电路产生一控制讯号以控制该高压侧晶体管驱动器。该控制讯号是依据一脉宽调变讯号与该准谐振返驰式功率转换器的一输入电压所产生。

Description

准谐振返驰式功率转换器的主动箝位电路
技术领域
本发明涉及一种功率转换器，尤其是指柔性切换式功率转换器。
背景技术
返驰式功率转换器已被广泛应用于提供电源至电子产品，例如：家电产品、计算机、电池充电器等等...。为了达到更高效率与降低功率损失，功率转换器可设计运作于高输入电压与高切换频率时，是运作在准谐振(Quasi-Resonant；QR)切换。准谐振切换是较佳地用于降低切换损失与电磁干扰(EMI)。本发明为一种准谐振(QR)返驰式功率转换器的主动箝位电路。本发明的目的是藉由回收准谐振返驰式功率转换器的功率变压器的漏电感的储存能量，以改善准谐振返驰式功率转换器的效率，并实现准谐振柔性切换运作。因此，准谐振返驰式功率转换器可操作于高切换频率，以降低功率变压器的尺寸大小。相关的先前技术可参考美国专利第5,570,278号“Clamped Continuous Flyback PowerConverter”与美国专利第6,069,803号“Offset Resonance Zero Voltage SwitchingFlyback Converter”。
发明内容
本发明的目的之一，是提供一准谐振返驰式功率转换器的一主动箝位电路，其可回收准谐振返驰式功率转换器的功率变压器的漏电感的储存能量，并达成准谐振柔性切换运作，以改进准谐振返驰式功率转换器的效率。
本发明的目的之一，是提供一准谐振返驰式功率转换器的一主动箝位电路，其可使准谐振返驰式功率转换器运作于高切换频率，以减少功率变压器的尺寸大小。
本发明的技术方案是这样实现的：一种准谐振返驰式功率转换器的一主动箝位电路，其包含：
一主动箝位器，并联该准谐振返驰式功率转换器的一功率变压器的一一次侧绕组；
一高压侧晶体管驱动器，驱动该主动箝位器；
一充电帮浦电路，耦接该高压侧晶体管驱动器，并依据一电压源提供一电源至该高压侧晶体管驱动器；以及
一控制电路，产生一控制讯号并控制该高压侧晶体管驱动器；
其中，该控制讯号是依据一脉宽调变讯号与该准谐振返驰式功率转换器的一输入电压所产生。
本发明中，其中该主动箝位器包含：
一电容，耦接该功率变压器的该一次侧绕组的一第一端；
一功率晶体管，耦接该功率变压器的该一次侧绕组的一第二端，并串联于该电容。
本发明中，其中该脉宽调变讯号控制该准谐振返驰式功率转换器的一主功率晶体管，以调整该准谐振返驰式功率转换器，该主功率晶体管用于切换该功率变压器的该一次侧绕组。
本发明中，其中该脉宽调变讯号截止时，该控制讯号导通。
本发明中，其中该控制讯号的脉波宽度是依据该脉宽调变讯号的脉波宽度与该输入电压的振幅所产生。
本发明中，其中该充电帮浦电路包含：
一二极管，耦接该电压源；以及
一充电帮浦电容，串联该二极管；
其中，该充电帮浦电容连接该高压侧晶体管驱动器。
本发明中，其中该控制电路为一线性预测电路，其依据该脉宽调变讯号的脉波宽度与该输入电压的振幅产生该控制讯号，该控制讯号的脉波宽度与该脉宽调变讯号的脉波宽度和该输入电压的振幅成比例。
本发明中，其中该控制讯号截止于该功率变压器完全消磁之前。
本发明中，其中该电压源产生于该功率变压器的一辅助绕组。
本发明中，其中该脉宽调变讯号截止时，该控制讯号产生于一延迟时间之后。
本发明中，其中该控制电路包含：
一输入电压侦测电路，接收一感测讯号以产生一电压讯号，该感测讯号关联于该准谐振返驰式功率转换器的一主功率晶体管的一高电压讯号，该主功率晶体管切换该功率变压器的一次侧绕组；
一电压对电流转换器，接收该电压讯号以产生一充电电流；
一电容，当该脉宽调变讯号为导通状态时，该充电电流充电该电容以产生一充电讯号；
一放电电流，当该脉宽调变讯号为截止状态时，该放电电流放电该电容；以及
一比较器，接收该充电讯号以比较一门坎电压，并在该充电讯号低于该门坎电压时，而截止该控制讯号。
本发明具有的有益效果：本发明所述准谐振返驰式功率转换器的主动箝位电路包含一主动箝位器、一高压侧晶体管驱动器、一充电帮浦电路与一控制电路。该主动箝位器并联于该准谐振返驰式功率转换器的一功率晶体管的一一次侧绕组，该高压侧晶体管驱动器用于驱动该主动箝位器，该充电帮浦电路耦接该高压侧晶体管驱动器，以依据一电压源供应一电源至该高压侧晶体管驱动器，该控制电路产生一控制讯号以控制该高压侧晶体管驱动器。该控制讯号是依据一脉宽调变讯号与该准谐振返驰式功率转换器的一输入电压所产生。
附图说明
图1为本发明的一准谐振返驰式功率转换器的一较佳实施例的电路图；
图2A到图2E为本发明的一较佳实施例的准谐振返驰式功率转换器的电路运作；
图3为本发明的一较佳实施例的准谐振返驰式功率转换器的脉宽调变讯号、控制讯号与高电压讯号的波形；
图4为本发明的脉宽调变控制器的一较佳实施例的电路图；以及
图5为本发明的控制电路的一较佳实施例的电路图。
【图号对照说明】
10    功率变压器        15    电容
20    主功率晶体管      25    寄生二极管
30     功率晶体管          35    寄生二极管
40     整流器              45    输出电容
50     高压侧晶体管驱动器  60    整流器
65     电容                70    二极管
75     充电帮浦电容        80    电阻
100    脉宽调变控制器      150   脉宽调变电路
200    控制电路            210   输入电压侦测电路
215    电压对电流转换器    225   反相器
230    开关                235   开关
250    电容                260   比较器
265    与非门              270   时间延迟电路
CIN    输入电容            CJ    寄生电容
IC     充电电流            IP    切换电流
NA     辅助绕组            NP    一次侧绕组
NS     二次侧绕组          S1    脉宽调变讯号
S2     控制讯号            VA    电压讯号
VCC    电压源              VFB   回授讯号
VIN    输入电压            VNA   电压
VO     输出电压            VP    高电压讯号
VS     感测讯号            VT    门坎电压
TD     延迟时间            TDS   消磁时间
TON    导通时间            TQR   准谐振时间
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
请参阅图1，其为本发明的一准谐振返驰式功率转换器的一较佳实施例的电路图。准谐振返驰式功率转换器包含一功率变压器10，其具有位于一次侧的一一次侧绕组NP与位于二次侧的一二次侧绕组NS。一次侧绕组NP的一第一端耦接一输入电容GIN的一端，并接收一输入电压VIN。输入电容CIN的另一端更耦接一接地端。一主功率晶体管20用于切换功率变压器10的一次侧绕组NP，以经由一整流器40与一输出电容45而调整位于准谐振返驰式功率转换器的输出端的一输出电压VO。主功率晶体管20的一汲极耦接功率变压器10的一次侧绕组NP的一第二端。主功率晶体管20的一源极耦接至接地端。整流器40的一阳极耦接二次侧绕组NS的一端。输出电容45耦接于整流器40的一阴极与二次侧绕组NS的另一端之间，输出电容45更并联于准谐振返驰式功率转换器的输出。
一寄生二极管25为一本体二极管(body diode)，其并联于主功率晶体管20。一脉宽调变(PWM)控制器100产生一脉宽调变(PWM)讯号S1，脉宽调变讯号S1耦接主功率晶体管20的一闸极，以驱动主功率晶体管20。也就是说，脉宽调变讯号S1用于控制准谐振返驰式功率转换器的主功率晶体管20，以调整准谐振返驰式功率转换器的输出。脉宽调变控制器100是依据一回授讯号VFB产生脉宽调变讯号S1。回授讯号VFB耦接准谐振返驰式功率转换器的输出，并关联于输出电压VO。功率变压器10更包含一辅助绕组NA，并经由一整流器60与一电容65产生一电压源VCC。整流器60的一阳极耦接辅助绕组NA的一第一端，辅助绕组NA的一第二端耦接于接地端。电容65的一端耦接于整流器60的一阴极与脉宽调变控制器100。电容65的另一端耦接于接地端。电压源VCC更供应电源至脉宽调变控制器100。
复参阅图1，一电阻80耦接于功率变压器10的辅助绕组NA的第一端与脉宽调变控制器100之间，以产生一感测讯号VS至脉宽调变控制器100。一主动箝位电路包含一主动箝位器、一高压侧晶体管驱动器50、一充电帮浦电路与脉宽调变控制器100的一控制电路(LPC)200(如图4所示)。一功率晶体管30串联一电容15以形成主动箝位器。主动箝位器并联于功率变压器10的一次侧绕组NP。电容15的一端耦接一次侧绕组NP的第一端，且电容15的另一端耦接功率晶体管30的一汲极。功率晶体管30的一源极耦接一次侧绕组NP的第二端与主功率晶体管20的汲极。
一寄生二极管35为一本体二极管(body diode)，其并联于功率晶体管30。高压侧晶体管驱动器50耦接功率晶体管30的一闸极，以驱动主动箝位器的功率晶体管30。因此，高压侧晶体管驱动器50用于驱动主动箝位器。充电帮浦电路耦接高压侧晶体管驱动器50，以依据电压源VCC而提供一电源至高压侧晶体管驱动器50。充电帮浦电路是由耦接电压源VCC的一二极管70与串联于二极管70的一充电帮浦电容75所形成。充电帮浦电容75更并联高压侧晶体管驱动器50。脉宽调变控制器100产生一控制讯号S2，其控制高压侧晶体管驱动器50。脉宽调变控制器100依据脉宽调变讯号S1与感测讯号VS产生控制讯号S2。一旦脉宽调变讯号S1截止时，控制讯号S2则可被导通。感测讯号VS关联于功率转换器的输入电压VIN。控制讯号S2的脉波宽度是依据脉宽调变讯号S1的脉波宽度与输入电压VIN的振幅而产生。
图2A到图2E为本发明的一较佳实施例的准谐振返驰式功率转换器的电路运作。图2A显示主功率晶体管20导通及功率晶体管30截止时的电路状态。也就是说，控制讯号S2为截止状态且脉宽调变讯号S1为导通状态。当主功率晶体管20导通时，输入电压VIN将被增加跨于功率变压器10的一次侧绕组NP，且一切换电流IP将流经主功率晶体管20。一电压VNA产生于功率晶体管10的辅助绕组NA，且经由电阻80耦接于脉宽调变控制器100以产生感测讯号VS。电压VNA的振幅关联于输入电压VIN的振幅与功率晶体管10的匝数比NA/NP。此外，电压源VCC经由二极管70对充电帮浦电容75进行充电。
图2B是显示主功率晶体管20被截止且脉宽调变讯号S1为截止时的电路状态。当主功率晶体管20被截止且脉宽调变讯号S1为截止状态时，功率变压器10所储存的能量将被转换至功率变压器10的二次侧绕组NS，以在准谐振返驰式功率转换器的输出产生输出电压VO，且其亦将被转换至辅助绕组NA，以经由整流器60充电该电容65而产生电压源VCC。同时，储存于一次侧绕组NP的激磁电感与漏电感的能量将被传输至主功率晶体管20的一寄生电容CJ，并经由功率晶体管30的寄生二极管35传输至电容15。寄生电容CJ并联于主功率晶体管20。
图2C显示寄生二极管35为正向偏压时，控制讯号S2将被致能而经由高压侧晶体管驱动器50导通功率晶体管30。储存于电容15的能量因此能够经过功率变压器10而被传输至输出电压VO。图2D与图2E显示功率晶体管30被截止且控制讯号S2为截止时的电路状态。图2D与图2E亦显示准谐振运作的电路状态。储存于主功率晶体管20的寄生电容CJ的能量将被充电于功率变压器10的一次侧绕组NP的激磁电感。之后，储存于功率变压器10的一次侧绕组NP的激磁电感的能量将被释放而对主功率晶体管20的寄生电容CJ进行放电。一旦主功率晶体管20的寄生电容CJ被放电至一低电压时，脉宽调变讯号S1则会被致能而导通主功率晶体管20，以达到柔性切换运作。详细描述可参考美国专利第7,466,569号“Power converter having phase lock circuit forquasi-resonant soft switching”。
图3为本发明的准谐振返驰式功率转换器的主要波形，其包含脉宽调变讯号S1、控制讯号S2与一高电压讯号VP(如图2B所示)。感测讯号VS的波形关联于位在主功率晶体管20的汲极的高电压讯号VP的波形。脉宽调变讯号S1用于控制准谐振返驰式功率转换器的主功率晶体管20(如图1所示)，以调整准谐振返驰式功率转换器。主功率晶体管20用于切换功率变压器10的一次侧绕组NP。脉宽调变讯号S1的脉波宽度为一导通时间TON。当脉宽调变讯号S1截止时，控制讯号S2产生于一延迟时间TD之后。控制讯号S2的脉波宽度短于功率变压器10的消磁时间TDS。因此，控制讯号S2截止于功率变压器10完全被消磁之前。准谐振时间TQR显示高电压讯号VP的准谐振周期。脉宽调变讯号S1导通于高电压讯号VP的一波谷电压的期间，以减少主功率晶体管20的切换损失。
图4为本发明的脉宽调变控制器100的一较佳实施例的电路图。脉宽调变控制器100包含一脉宽调变(PWM)电路150与控制电路(LPC)200。控制电路200为一线性预测(linear-predict)电路，其接收脉宽调变讯号S1与感测讯号VS，并依据脉宽调变讯号S1的脉波宽度与感测讯号VS的振幅而产生控制讯号S2。控制讯号S2控制高压侧晶体管驱动器50以导通/截止功率晶体管30(如图1所示)。感测讯号VS关联于功率转换器的输入电压VIN(如图1所示)。控制讯号S2的脉波宽度与脉宽调变讯号S1的脉波宽度和输入电压VIN的振幅成比例。换言之，控制讯号S2的脉波宽度是依据脉宽调变讯号S1的脉波宽度与输入电压VIN的振幅所产生。脉宽调变电路150接收回授讯号VFB与感测讯号VS，且依据回授讯号VFB与感测讯号VS产生脉宽调变讯号S1。脉宽调变电路150的详细内容可参考先前技术美国专利第7,362,592号“Switching controlcircuit for primary-side controlled power converters”，所以于此不再详述。
图5为本发明的控制电路200的一较佳实施例的电路图。控制电路200包含一输入电压侦测电路(VIN_DET)210，其接收感测讯号VS以产生一电压讯号VA。关于输入电压侦测电路210的详细描述与运作可参考先前技术美国专利第7,671,578号“Detection circuit for sensing the input voltage of transformer”。一电压对电流转换器(V/A)215接收电压讯号VA以产生一充电电流IC。当脉宽调变讯号S1为导通状态时，充电电流IC用于经由一开关230对一电容250充电，而产生一充电讯号VC。开关230耦接于电压对电流转换器215与电容250之间，电容更耦接于接地端。
当脉宽调变讯号S1为截止状态时，一放电电流ID经由一开关235对电容250进行放电。开关235耦接于放电电流ID与电容250之间，放电电流ID更耦接于接地端。脉宽调变讯号S1控制开关230的导通/截止状态，且脉宽调变讯号S1经由一反相器225而控制开关235的导通/截止状态。经由反相器225与一时间延迟电路(DLY)270，脉宽调变讯号S1耦接一正反器290的一频率输入端CK。因此，当脉宽调变讯号S1为截止状态时，正反器290在延迟时间TD后(如图3所示)将产生控制讯号S2于正反器290的一输出端Q。反相器225的一输出端耦接时间延迟电路270。延迟电路270耦接正反器290的频率输入端CK。正反器290的一输入端D接收电压源VCC。
比较器260的一正输入端接收一门坎电压VT，比较器260的一负输入端耦接开关230、235与电容250，以接收位于电容250的充电讯号VC并比较门坎电压VT。一与非门265的一第一输入端耦接比较器260的一输出端。与非门265的一第二输入端耦接时间延迟电路270与反相器225的输出端。与非门265的一输出端连接正反器290的一重置输入R，以在充电讯号VC低于门坎电压VT时重置正反器290而截止控制讯号S2。也就是说，控制讯号S2被截止在功率变压器10(如图1所示)完全消磁之前。
综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (11)

1.一种准谐振返驰式功率转换器的一主动箝位电路，其特征在于，其包含：
一主动箝位器，并联该准谐振返驰式功率转换器的一功率变压器的一一次侧绕组；
一高压侧晶体管驱动器，驱动该主动箝位器；
一充电帮浦电路，耦接该高压侧晶体管驱动器，并依据一电压源提供一电源至该高压侧晶体管驱动器；以及
一控制电路，产生一控制讯号并控制该高压侧晶体管驱动器；
其中，该控制讯号是依据一脉宽调变讯号与该准谐振返驰式功率转换器的一输入电压所产生。
2.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该主动箝位器包含：
一电容，耦接该功率变压器的该一次侧绕组的一第一端；
一功率晶体管，耦接该功率变压器的该一次侧绕组的一第二端，并串联于该电容。
3.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该脉宽调变讯号控制该准谐振返驰式功率转换器的一主功率晶体管，以调整该准谐振返驰式功率转换器，该主功率晶体管用于切换该功率变压器的该一次侧绕组。
4.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该脉宽调变讯号截止时，该控制讯号导通。
5.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该控制讯号的脉波宽度是依据该脉宽调变讯号的脉波宽度与该输入电压的振幅所产生。
6.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该充电帮浦电路包含：
一二极管，耦接该电压源；以及
一充电帮浦电容，串联该二极管；
其中，该充电帮浦电容连接该高压侧晶体管驱动器。
7.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该控制电路为一线性预测电路，其依据该脉宽调变讯号的脉波宽度与该输入电压的振幅产生该控制讯号，该控制讯号的脉波宽度与该脉宽调变讯号的脉波宽度和该输入电压的振幅成比例。
8.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该控制讯号截止于该功率变压器完全消磁之前。
9.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该电压源产生于该功率变压器的一辅助绕组。
10.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该脉宽调变讯号截止时，该控制讯号产生于一延迟时间之后。
11.如权利要求1所述的主动箝位电路，其特征在于，其中该控制电路包含：
一输入电压侦测电路，接收一感测讯号以产生一电压讯号，该感测讯号关联于该准谐振返驰式功率转换器的一主功率晶体管的一高电压讯号，该主功率晶体管切换该功率变压器的一次侧绕组；
一电压对电流转换器，接收该电压讯号以产生一充电电流；
一电容，当该脉宽调变讯号为导通状态时，该充电电流充电该电容以产生一充电讯号；
一放电电流，当该脉宽调变讯号为截止状态时，该放电电流放电该电容；以及
一比较器，接收该充电讯号以比较一门坎电压，并在该充电讯号低于该门坎电压时，而截止该控制讯号。
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