CN103683945B - 以顺向式架构为基础的电源转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所提的电源转换装置系以顺向式架构为基础,且其在供应多组(至少两组)输出电压给负载时,将透过所设置的输出辅助单元撷取对应于较低输出电压之变压器二次侧绕组的反向电压以辅助较高输出电压的输出。如此一来,相较于以往,本发明可将变压器之二次侧绕组的反向电压转化为有效的功率输出,藉以降低电源转换装置整体的功率损耗,从而增加电源转换装置的转换效率。

Description

以顺向式架构为基础的电源转换装置
技术领域
本发明是有关于一种电源转换技术,且特别是有关于一种以顺向式架构为基础的电源转换装置。
背景技术
现今比较常见的电源转换装置之架构有一类为顺向式(forward)。一般而言,以顺向式架构为基础的电源转换装置(forward-based power conversion apparatus)在供应输出电压给负载(load)时,变压器(transformer)之二次侧绕组(secondary winding)的反向电压(reverse voltage)都是浪费未使用的。在此条件下,电源转换装置整体的功率损耗(power loss)将会增加,从而降低了电源转换装置的转换效率(conversion efficiency)。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种以顺向式架构为基础的电源转换装置,其可以有效地解决先前技术所述及的问题。
基于上述,本发明之一示范性实施例提供一种电源转换装置,其包括:变压器、功率开关、第一电源转换线路、第二电源转换线路,以及输出辅助单元。变压器具有一次侧绕组、第一二次侧绕组与第二二次侧绕组,其中变压器之一次侧绕组的异名端用以接收一输入电压。功率开关的第一端耦接变压器之一次侧绕组的同名端,功率开关的第二端耦接至一接地电位,而功率开关的控制端则用以接收一脉宽调变讯号。
第一电源转换线路耦接变压器的第一二次侧绕组,用以对变压器之第一二次侧绕组的第一感应电压进行转换,藉以供应一第一输出电压。第二电源转换线路耦接变压器之第二二次侧绕组,用以对变压器之第二二次侧绕组的第二感应电压进行转换,藉以供应一第二输出电压。其中,所述第一输出电压大于所述第二输出电压。输出辅助单元耦接于变压器的第二二次侧绕组与第一电源转换线路之间,用以于第一与第二电源转换线路分别供应所述第一与所述第二输出电压时,撷取变压器之第二二次侧绕组的反向电压以辅助第一电源转换线路的输出。
于本发明的一示范性实施例中,第一与第二电源转换线路皆可以为顺向式电源转换线路。
于本发明的一示范性实施例中,第一电源转换线路可以包括:第一二极体、第二二极体、第一电感,以及第一电容。第一二极体的阳极耦接变压器之第一二次侧绕组的异名端。第二二极体的阳极耦接变压器之第一二次侧绕组的同名端,而第二二极体的阴极则耦接第一二极体的阴极。第一电感的第一端耦接第一与第二二极体的阴极,而第一电感的第二端则用以供应所述第一输出电压。第一电容的第一端耦接第一电感的第二端,而第一电容的第二端则耦接第二二极体的阳极。
于本发明的一示范性实施例中,第二电源转换线路可以包括:第三二极体、第四二极体、第二电感,以及第二电容。第三二极体的阳极耦接变压器之第二二次侧绕组的异名端。第四二极体的阳极耦接变压器之第二二次侧绕组的同名端,而第四二极体的阴极则耦接第三二极体的阴极。第二电感的第一端耦接第三与第四二极体的阴极,而第二电感的第二端则用以供应所述第二输出电压。第二电容的第一端耦接第二电感的第二端,而第二电容的第二端则耦接第四二极体的阳极。
于本发明的一示范性实施例中,输出辅助单元可以包括:第五二极体,其阳极耦接变压器之第二二次侧绕组的异名端,而其阴极则耦接第一电感的第一端。
本发明之另一示范性实施例提供一种电源转换装置,其包括:变压器、功率开关、多个电源转换线路,以及多个输出辅助单元。变压器具有一次侧绕组与多个二次侧绕组,其中变压器之一次侧绕组的异名端用以接收一输入电压。功率开关的第一端耦接变压器之一次侧绕组的同名端,功率开关的第二端耦接至一接地电位,而功率开关的控制端则用以接收一脉宽调变讯号。
所述多个电源转换线路分别耦接所述多个二次侧绕组,用以分别对所述多个二次侧绕组的感应电压进行转换,藉以供应多组输出电压。所述多个输出辅助单元分别耦接于对应的二次侧绕组与对应的电源转换线路之间,用以于所述多个电源转换线路分别供应所述多组输出电压时,撷取对应的二次侧绕组的一反向电压以辅助对应的电源转换线路的输出。
于本发明的一示范性实施例中,所述多个电源转换线路皆可以为顺向式电源转换线路。
于本发明的一示范性实施例中,每一输出辅助单元至少由一二极体所组成。
基于上述,本发明所提的电源转换装置系以顺向式架构为基础,且其在供应多组(至少两组)输出电压给负载时,将透过所设置的输出辅助单元撷取对应于较低输出电压之变压器二次侧绕组的反向电压以辅助较高输出电压的输出。如此一来,相较于以往,本发明可将变压器之二次侧绕组的反向电压转化为有效的功率输出(power output),藉以降低电源转换装置整体的功率损耗(power loss),从而增加电源转换装置的转换效率。
应了解的是,上述一般描述及以下具体实施方式仅为例示性及阐释性的,其并不能限制本发明所欲主张之范围。
附图说明
下面的所附图式是本发明的说明书的一部分,绘示了本发明的示例实施例,所附图式与说明书的描述一起说明本发明的原理。
图1绘示为本发明一示范性实施例之电源转换装置(power conversionapparatus)10的示意图。
图2绘示为图1之电源转换线路101与103以及输出辅助单元105的实施示意图。
【主要元件符号说明】
10:电源转换装置
101、103:电源转换线路
105:输出辅助单元
T:变压器
Q:功率开关
D1-D5:二极体
L1、L2:电感
C1、C2:电容
VIN:输入电压
Vout1:第一输出电压
Vout2:第二输出电压
NP:一次侧绕组
NS1:第一二次侧绕组
NS2:第二二次侧绕组
VNS1:第一感应电压
VNS2:第二感应电压
PW:脉宽调变讯号
GND:接地电位
具体实施方式
现将详细参考本发明之示范性实施例,在附图中说明所述示范性实施例之实例。另外,凡可能之处,在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件代表相同或类似部分。
图1绘示为本发明一示范性实施例之电源转换装置(power conversionapparatus)10的示意图。请参照图1,电源转换装置10可以包括:变压器(transformer)T、功率开关(power switch)Q、电源转换线路(power conversion circuit)101与103,以及输出辅助单元(output auxiliary unit)105。于本示范性实施例中,变压器T具有一次侧绕组(primary winding)NP、第一二次侧绕组(secondary winding)NS1与第二二次侧绕组NS2。其中,变压器T之一次侧绕组NP的异名端(opposite-polarity terminal,即未打点端)用以接收(直流)输入电压(input voltage)VIN。
功率开关Q的第一端耦接变压器T之一次侧绕组NP的同名端(common-polarityterminal,即打点端),功率开关Q的第二端耦接至接地电位(ground potential)GND,而功率开关Q的控制端则用以接收脉宽调变讯号(pulse width modulation signal,PWMsignal)PW。于本示范性实施例中,功率开关Q可以利用N型功率电晶体(N-type powertransistor)来实施,但并不限制于此。在此条件下,功率开关Q会反应于脉宽调变讯号PW的致能(enable)而导通(turned-on),并且反应于脉宽调变讯号PW的禁能(disable)而关闭(turned-off)。
电源转换线路101耦接变压器T的第一二次侧绕组NS1,用以对变压器T之第一二次侧绕组NS1的第一感应电压VNS1进行转换(即交直流转换(AC-to-DC conversion)),藉以供应第一输出电压Vout1给负载(load,未绘示)。电源转换线路103耦接变压器T之第二二次侧绕组NS2,用以对变压器T之第二二次侧绕组NS2的第二感应电压VNS2进行转换(即交直流转换),藉以供应第二输出电压Vout2给负载。于本示范性实施例中,电源转换线路101所供应的第一输出电压Vout1可以大于电源转换线路103所供应的第二输出电压Vout2。
输出辅助单元105耦接于变压器T的第二二次侧绕组NS2与电源转换线路101之间,用以于电源转换线路101与103分别供应第一与第二输出电压Vout1与Vout2时,撷取变压器T之第二二次侧绕组NS2的反向电压(reverse voltage),藉以辅助电源转换线路101的输出。
更清楚来说,图2绘示为图1之电源转换线路101与103以及输出辅助单元105的实施示意图。请合并参照图1与图2,于本示范性实施例中,电源转换线路101与103皆可以为顺向式电源转换线路(forward power conversion circuit)。在此条件下,电源转换线路101可以包括:二极体(diode)D1与D2、电感(inductor)L1,以及电容(capacitor)C1。
二极体D1的阳极(anode)耦接变压器T之第一二次侧绕组NS1的异名端。二极体D2的阳极耦接变压器T之第一二次侧绕组NS1的同名端,而二极体D2的阴极(cathode)则耦接二极体D1的阴极。电感L1的第一端耦接二极体D1与D2的阴极,而电感L1的第二端则用以供应第一输出电压Vout1。电容C1的第一端耦接电感L1的第二端,而电容C1的第二端则耦接二极体D2的阳极。
相似地,电源转换线路103可以包括:二极体D3与D4、电感L2,以及电容C2。二极体D3的阳极耦接变压器T之第二二次侧绕组NS2的异名端。二极体D4的阳极耦接变压器T之第二二次侧绕组NS2的同名端,而二极体D4的阴极则耦接二极体D3的阴极。电感L2的第一端耦接二极体D3与D4的阴极,而电感L2的第二端则用以供应第二输出电压Vout2。电容C2的第一端耦接电感L2的第二端,而电容C2的第二端则耦接二极体D4的阳极。
于此值得一提的是,在本发明的其它示范性实施例中,可以采用由功率电晶体所组成的同步整流器(synchronous rectifier,SR)来分别取代二极体D1-D4,藉以形成具有自激式或者它激式同步整流电路的顺向式电源转换线路。一切端视实际设计/应用需求而论。
另一方面,输出辅助单元105可以包括:二极体D5,其阳极耦接变压器T之第二二次侧绕组NS2的异名端,而其阴极则耦接电感L1的第一端。于此值得一提的是,在本发明的其它示范性实施例中,可以采用其它的单向导通元件来取代二极体D5,一切端视实际设计/应用需求而论。
基于上述,当功率开关Q反应于脉宽调变讯号PW的致能而导通时,二极体D1与D3会处于逆向偏压(reverse bias)而截止,而二极体D2与D4会处于顺向偏压而导通。如此一来,先前储存于电感L1、L2的能量就会分别对电容C1、C2进行充电,藉以供应第一与第二输出电压Vout1、Vout2给负载。
再加上,由于第一输出电压Vout1大于第二输出电压Vout2,所以变压器T之第二二次侧绕组NS2的反向电压(即第二二次侧绕组NS2之异名端的电压)会大于变压器T之第一二次侧绕组NS1的反向电压。在此条件下,二极体D5会处于顺向偏压而导通,以至于变压器T之第二二次侧绕组NS2的反向电压会经由二极体D5来辅助电源转换线路101的输出。在实际应用上,变压器T之第二二次侧绕组NS2的反向电压最好可以设计在经由二极体D5后等于原先电感L1之第一端的电压,但并不限制于此。基此,可以选择具有适当顺向偏压(forwardbias)的二极体,或者调整一次侧绕组NP与第二二次侧绕组NS2之间的圈数比(turnratio)。
另一方面,当功率开关Q反应于脉宽调变讯号PW的禁能而关闭时,二极体D1与D3会处于顺向偏压而导通,而二极体D2与D4会处于逆向偏压而截止。如此一来,电感L1、L2就会分别反应于第一与第二二次侧绕组NS1、NS2的感应电压VNS1、VNS2而进行储能。与此同时,由于第一输出电压Vout1大于第二输出电压Vout2,所以二极体D5会处于逆向偏压而截止。
据此可知,本发明所提的电源转换装置10系以顺向式架构为基础,且其在供应多组(至少两组)输出电压Vout1、Vout2给负载时,将透过所设置的输出辅助单元105撷取对应于较低输出电压Vout2之变压器T二次侧绕组NS2的反向电压以辅助较高输出电压Vout1的输出。如此一来,相较于以往,本发明可将变压器T之二次侧绕组NS2的反向电压转化为有效的功率输出(power output),藉以降低电源转换装置10整体的功率损耗(power loss),从而增加电源转换装置10的转换效率。
在此值得一提的是,虽然上述示范性实施例系以供应两组输出电压Vout1、Vout2给负载为例来进行说明,但是本发明并不限制于此。更清楚来说,因应负载的供电需求,可以藉由增加变压器T之二次侧绕组的数量以及相对应的顺向式电源转换线路后,就可实现供应两组以上之输出电压给负载的目的。而且,藉由上述示范性实施例的教示内容,亦可额外增设类似于输出辅助单元105的单向导通元件(即二极体D5)在相应的二次侧绕组与电源转换线路之间,藉以利用二次侧绕组的反向电压来辅助电源转换线路的输出。如此一来,亦可达到与上述示范性实施例相似的技术功效。
由此可知,只要是利用二次侧绕组的反向电压来辅助电源转换线路之输出的任何技术手段/方案/概念,就属于本发明所欲保护的范畴,无关乎上述示范性实施例的具体实施方式。换言之,虽然本发明已以实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明之精神和范围内,当可作些许之更动与润饰,故本发明之保护范围当视后附之申请专利范围所界定者为准。另外,本发明的任一实施例或申请专利范围不须达成本发明所揭露之全部目的或优点或特点。此外,摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用,并非用来限制本发明之权利范围。

Claims (10)

1.一种电源转换装置,其特征在于,包括:
一变压器,具有一一次侧绕组、一第一二次侧绕组与一第二二次侧绕组,其中该一次侧绕组的异名端用以接收一输入电压;
一功率开关,其第一端耦接该一次侧绕组的同名端,其第二端耦接至一接地电位,而其控制端则用以接收一脉宽调变讯号;
一第一电源转换线路,耦接该第一二次侧绕组,用以对该第一二次侧绕组的一第一感应电压进行转换,藉以供应一第一输出电压;
一第二电源转换线路,耦接该第二二次侧绕组,用以对该第二二次侧绕组的一第二感应电压进行转换,藉以供应一第二输出电压,其中该第一输出电压大于该第二输出电压;以及
一输出辅助单元,耦接于该第二二次侧绕组与该第一电源转换线路之间,用以于该第一与该第二电源转换线路分别供应该第一与该第二输出电压时,撷取该第二二次侧绕组的一反向电压以辅助该第一电源转换线路的输出。
2.如权利要求1所述之电源转换装置,其特征在于,该第一与该第二电源转换线路皆为顺向式电源转换线路。
3.如权利要求2所述之电源转换装置,其特征在于,该第一电源转换线路包括:
一第一二极体,其阳极耦接该第一二次侧绕组的异名端;
一第二二极体,其阳极耦接该第一二次侧绕组的同名端,而其阴极则耦接该第一二极体的阴极;
一第一电感,其第一端耦接该第一与该第二二极体的阴极,而其第二端则用以供应该第一输出电压;以及
一第一电容,其第一端耦接该第一电感的第二端,而其第二端则耦接该第二二极体的阳极。
4.如权利要求3所述之电源转换装置,其特征在于,该第二电源转换线路包括:
一第三二极体,其阳极耦接该第二二次侧绕组的异名端;
一第四二极体,其阳极耦接该第二二次侧绕组的同名端,而其阴极则耦接该第三二极体的阴极;
一第二电感,其第一端耦接该第三与该第四二极体的阴极,而其第二端则用以供应该第二输出电压;以及
一第二电容,其第一端耦接该第二电感的第二端,而其第二端则耦接该第四二极体的阳极。
5.如权利要求4所述之电源转换装置,其特征在于,该输出辅助单元包括:
一第五二极体,其阳极耦接该第二二次侧绕组的异名端,而其阴极则耦接该第一电感的第一端。
6.如权利要求1所述之电源转换装置,其特征在于,该功率开关系利用一N型功率电晶体来实施。
7.如权利要求6所述之电源转换装置,其特征在于,该功率开关反应于该脉宽调变讯号的致能而导通,并且反应于该脉宽调变讯号的禁能而关闭。
8.一种电源转换装置,其特征在于,包括:
一变压器,具有一一次侧绕组与多个二次侧绕组,其中该一次侧绕组的异名端用以接收一输入电压;
一功率开关,其第一端耦接该一次侧绕组的同名端,其第二端耦接至一接地电位,而其控制端则用以接收一脉宽调变讯号;
多个电源转换线路,分别耦接该些二次侧绕组,用以分别对该些二次侧绕组的感应电压进行转换,藉以供应多组输出电压;以及
多个输出辅助单元,分别耦接于对应的二次侧绕组与对应的电源转换线路之间,用以于该些电源转换线路分别供应该些输出电压时,撷取对应的二次侧绕组的一反向电压以辅助对应的电源转换线路的输出。
9.如权利要求8所述之电源转换装置,其特征在于,该些电源转换线路皆为顺向式电源转换线路。
10.如权利要求9所述之电源转换装置,其特征在于,每一输出辅助单元至少由一二极体所组成。
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