CN105024553B - 回扫式主动箝位电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种回扫式主动箝位电源转换器，回扫式主动箝位电源转换器包括输入电感、下桥开关、上桥开关、第一储能电容、箝位电容、谐振电感、激磁电感、变压器、输出二极管与输出电容。使回扫式主动箝位电源转换器内的箝位电容与谐振电感所产生的谐振频率实质上等于开关切换频率，进而在全负载范围内使得输出二极管进行零电流切换(Zero Current Switching,ZCS)。

Description

回扫式主动箝位电源转换器
技术领域
本发明涉及一种电源转换器，特别涉及一种能够使二次侧二极管实现零电流切换(Zero Current Switching,ZCS)的回扫式主动箝位电源转换器。
背景技术
随着现代科技的进步与便携式电子产品的蓬勃发展，切换式转换器的效能及各项应用亦越来越受到重视。近年来，由于电力电子技术的大幅进步及奈米科技的发展，电子器材日益趋向轻薄短小化，省能源，及降低成本的方向发展，其内部的电源转换器亦需朝向轻薄短小，省能，提高功率及降低制作成本的趋势设计。电源供应器为大多电子产品所必备的一种电子装置，用来将电池或是市电的输入电源，转换成电子产品所需要的特别规格的输出电源。而随着科技技术的演进，电源供应器的转换效率也不断的被要求到更好的境界。转换效率定义为输出电源的输出功率对输入电源的输入功率的比值。
一功率转换系统接收一输入直流(DC)或交流(AC)功率及将它转换至一DC或AC输出功率，其通常呈现一不同于该输入功率的电压。该输出功率的控制可能响应该输出电压或该输出电流。一升压式转换器(boost converter，亦称为step-up converter)是一具有大于其输入电压的输出电压的功率转换器。它是一种包含至少一第一电控开关(例如，晶体管)、至少一第一能量储存元件(例如，一电线圈)及一附加元件(例如，一二极管或一第二电控开关)的切换模式电源。通常，该等电控开关及二极管是配置在该电线圈与该输出间，其中电流被交替地汲取来使该电线圈充能，以响应该被关闭的第一电控开关，以及被传送至一负载，以响应该被打开的第一电控开关。当该电流被传送至该负载时，该电流经过该二极管或该第二电控开关。一降压式转换器(buck converter，亦称为step-down converter)是一具有小于其输入电压的输出电压的功率转换器。它是一种包含至少一第三电控开关(例如，一晶体管)、至少一第二能量储存元件(例如，一电线圈)及一附加元件(例如，一二极管或一第四电控开关)的切换模式电源。通常，该等电控开关及二极管是配置在该输入电源与该电线圈间，其中电流被交替地汲取来经由一负载使该电线圈充能，以响应该被关闭的第三电控开关，以及持续使该电线圈朝该负载放能，以响应该被打开的第三电控开关。当使该电线圈朝该负载放能时，该二极管或第四电控开关是与该电线圈串联。一回扫式转换器(flyback converter)是一具有可大于或小于其输入电压的输出电压的转换器。它是一种切换模式电源，其包含：至少一电控开关；一能量储存元件，其包括至少一电线圈(特别是一变压器)，藉此在具有隔离的附加优点下使电压比增加；以及至少一附加元件(例如，一二极管及/或附加电控开关)。通常，该变压器的一次电线圈是连接于该电控开关与该输入电压间及该变压器的二次电线圈是连接于该附加元件与该输出间。上面所列的功率转换器表示一些解释性的说明，但是绝不用于表示限定。
在小功率的应用上，回扫式(Flyback)转换器是目前广泛应用的电源电路，但回扫式转换器会有输入电流脉冲遭受电磁干扰(EMI)的问题以及漏感所导致的电压突波，所以在现有技术下已使用单端初级电感转换器(Single-ended Primary Inductor Converter,SEPIC)来减少电磁干扰的问题。然而，传统主动式箝位SEPIC由于次级侧二极管会有较高的突波电压(spike voltage)，使得效率上无法得到较大的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出一种回扫式主动箝位电源转换器，能够在全负载范围内使得输出二极管进行零电流切换，以减少功率转换的切换损失。
本发明实施例提供一种回扫式主动箝位电源转换器，回扫式主动箝位电源转换器包括输入电感、下桥开关、上桥开关、第一储能电容、箝位电容、谐振电感、激磁电感、变压器、输出二极管与输出电容。输入电感的第一端连接输入电压源的正极，其中流经输入电感的输入电感电流运作于边界导通模式。下桥开关的控制端接收第一控制信号，下桥开关的第一端连接输入电压源的负极，其中下桥开关根据第一控制信号的电平来决定导通或截止。上桥开关的控制端接收第二控制信号，上桥开关的第一端连接下桥开关的第二端，其中上桥开关根据第二控制信号的电平来决定导通或截止，并且下桥开关与上桥开关具有开关切换频率。第一储能电容的第一端连接下桥开关的第一端。箝位电容的第一端连接上桥开关的第二端，箝位电容的第二端连接第一储能电容的第二端。谐振电感的第一端连接下桥开关的第二端。激磁电感的第一端连接谐振电感，激磁电感的第二端连接箝位电容的第二端，其中流经激磁电感的电流为激磁电感电流。变压器具有一次侧绕组与二次侧绕组，一次侧绕组并联连接激磁电感，其中一次侧绕组与二次侧绕组具有互感效应。输出二极管的阳极连接二次侧绕组的第一端。输出电容的第一端连接输出二极管的阴极，输出电容的第二端连接二次侧绕组的第二端。回扫式主动箝位电源转换器内的箝位电容与谐振电感所产生的谐振频率实质上等于开关切换频率，进而使得输出二极管进行零电流切换。
在本发明其中一个实施例中，当箝位电容与谐振电感的谐振频率等于开关切换频率，则流经一次侧绕组的一次侧电流的电流值逐渐下降至零，进而使得流经二次侧绕组的二次侧电流的电流值为零，以便输出二极管进行零电流切换。
在本发明其中一个实施例中，当激磁电感电流的电流值实质上等于谐振电流的电流值时，一次侧电流的电流值实质上等于零电流值，其中谐振电流为流经谐振电感的电流。
在本发明其中一个实施例中，当下桥开关导通时，输入电感电流对输入电感进行充电。
在本发明其中一个实施例中，当上桥开关不导通且输入电感电流的电流值为零时，则激磁电感电流对下桥开关的寄生电容进行充电。
在本发明其中一个实施例中，当下桥开关的第一端与第二端的间的跨压为零时，激磁电感电流流经下桥开关的本体二极管，进而使得第一储能电容的电容电压随着激磁电感电流的上升而线性增加。
在本发明其中一个实施例中，当下桥开关不导通时，输入电感电流与激磁电感电流对下桥开关的寄生电容进行充电。
在本发明其中一个实施例中，当上桥开关的本体二极管开始导通时，导通电流对箝位电容进行充电，其中导通电流为输入电感电流与激磁电感电流的总和。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
图1为根据本发明例示性实施例所绘示的回扫式主动箝位电源转换器的细部电路示意图。
附图标记说明：
100：回扫式主动箝位电源转换器
Cb：第一储能电容
Cc：箝位电容
Co：输出电容
CS1：第一控制信号
CS2：第二控制信号
Do：输出二极管
HT：变压器
iin：输入电感电流
iLr：谐振电感电流
iLm：激磁电感电流
ip：一次侧电流
is：二次侧电流
Lin：输入电感
Llk：谐振电感
Lm：激磁电感
S1：下桥开关
S2：上桥开关
Ro：负载
Vg：输入电压源
Vo：输出电压
VCb、VCc：电容电压
具体实施方式
在下文将参看说明书附图更充分地描述各种例示性实施例，在说明书附图中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可以许多不同形式来体现，且不应解释为限于本文中所阐述的例示性实施例。确切而言，提供此等例示性实施例使得本发明将为详尽且完整，且将向熟习此项技术者充分传达本发明概念的范畴。在诸图式中，可为了清楚而夸示层及区的大小及相对大小。类似数字始终指示类似元件。
应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但此等元件不应受此等术语限制。此等术语乃用以区分一元件与另一元件。因此，下文论述的第一元件可称为第二元件而不偏离本发明概念的教示。如本文中所使用，术语「及/或」包括相关联的列出项目中的任一者及一或多者的所有组合。
以下将以多种实施例配合图式来说明所述回扫式主动箝位电源转换器，然而，下述实施例并非用以限制本发明。
〔回扫式主动箝位电源转换器的实施例〕
由于传统主动式箝位SEPIC由于次级侧二极管会有较高的突波电压(spikevoltage)，使得效率上无法得到较大的提升，所以本公开提供了一种能够使得次级侧二极管实现零电流切换进而提升效率的回扫式主动箝位电源转换器，来减少功率转换的柔性切换损失并且解决次级侧二极管的反向恢复电流的问题，以提高便携装置(如笔记型电脑)的电源效率且通过高频化的操作来大幅缩小体积。
请参照图1，图1为根据本发明例示性实施例所绘示的回扫式主动箝位电源转换器的细部电路示意图。如图1所示，回扫式主动箝位电源转换器100包括输入电感Lin、下桥开关S1、上桥开关S2、第一储能电容Cb、箝位电容Cc、谐振电感Llk、激磁电感Lm、变压器HT、输出二极管Do与输出电容Ro，其中回扫式主动箝位电源转换器100连接至一负载Ro且输出一输出电压Vo。
输入电感Lin的第一端连接输入电压源Vg的正极，其中流经输入电感Lin的输入电感电流iin运作于边界导通模式。下桥开关S1的控制端接收第一控制信号CS1，下桥开关S1的第一端连接输入电压源Vg的负极，其中下桥开关S1根据第一控制信号CS1的电平来决定导通或截止。上桥开关S2的控制端接收第二控制信号CS2，上桥开关S2的第一端连接下桥开关S1的第二端以及输入电感Lin的第二端，其中上桥开关S2根据第二控制信号CS2的电平来决定导通或截止，并且下桥开关S1与上桥开关S2具有开关切换频率(switch switchingfrequency)。第一储能电容Cb的第一端连接下桥开关S1的第一端。箝位电容Cc的第一端连接上桥开关S2的第二端，箝位电容Cc的第二端连接第一储能电容Cb的第二端。谐振电感Llk的第一端连接下桥开关S1的第二端。激磁电感Lm的第一端连接谐振电感Llk的第二端，激磁电感Lm的第二端连接箝位电容Cc的第二端，其中流经激磁电感Lm的电流为激磁电感电流iLm。变压器HT具有一次侧绕组与二次侧绕组，一次侧绕组并联连接激磁电感Lm，其中一次侧绕组与二次侧绕组具有互感效应。输出二极管Do的阳极连接二次侧绕组的第一端。输出电容Co的第一端连接输出二极管Do的阴极，输出电容Co的第二端连接二次侧绕组的第二端。在本实施例中，一次侧绕组与二次侧绕组的间的比例为N1：N2，其中N1与N2为大于1的正整数。
为了更详细地说明本发明所述的回扫式主动箝位电源转换器100的运作流程，以下将举多个实施例中至少一个来作更进一步的说明。
本公开主要通过将回扫式主动箝位电源转换器100内的箝位电容Cc与谐振电感Llk所产生的谐振频率实质上等于该开关切换频率，来使得输出二极管Do进行零电流切换。进一步来说，当回扫式主动箝位电源转换器100内的箝位电容Cc与谐振电感Llk的谐振频率等于开关切换频率时，则流经该一次侧绕组的一次侧电流ip的电流值会逐渐下降至零，进而使得流经二次侧绕组的二次侧电流is的电流值为零，以便输出二极管Do进行零电流切换。值得一提的是，当激磁电感电流iLm的电流值实质上等于谐振电流iLr的电流值时，一次侧电流ip的电流值实质上等于零电流值，因此通过一次侧绕组与二次侧绕组的间的互感效应会使得二次侧电流is的电流值为零，其中谐振电流iLr为流经谐振电感Llk的电流。
此外，在输入电压源Vg为零电压电平的期间，当回扫式主动箝位电源转换器100的上桥开关S2不导通并且输入电感电流iin为零时，激磁电感电流iLm会对下桥开关S1的寄生电容(Parasitic capacitance)进行充电。接下来，同样在输入电压源Vg为零电平的期间，当回扫式主动箝位电源转换器100的下桥开关S1的第一端与第二端的间的跨压为零电压时，激磁电感电流iLm会流经下桥开关S1的本体二极管，进而使得第一储能电容Cb的电容电压VCb会随着激磁电感电流iLm的上升而线性增加。在输入电压源Vg等于一固定电压值(如120伏特)时，下桥开关S1会开始导通，所以输入电感电流iin会对输入电感Lin开始进行充电，并且流经下桥开关S1的第一开关电流等于输入电感电流iin与激磁电感电流iLm的总和。之后，在输入电压源Vg等于零电压电平的期间，当回扫式主动箝位电源转换器100的下桥开关S1不导通时，输入电感电流iin与激磁电感电流iLm会对下桥开关S1的寄生电容进行充电。
接下来，同样在输入电压源Vg等于零电压电平的期间，当回扫式主动箝位电源转换器100的上桥开关S2的本体二极管开始导通时，导通电流对箝位电容Cc进行充电，其中导通电流为输入电感电流iin与激磁电感电流iLm。之后，同样在输入电压源Vg等于零电压电平的期间，当回扫式主动箝位电源转换器100的上桥开关S2导通时，第一开关电流会缓慢地下降为零。之后，在输入电压源Vg从零电压电平转态至于一固定电压值(如120伏特)的期间，箝位电容Cc的电容电压VCc足够让回扫式主动箝位电源转换器100的二次侧的输出二极管Do正向导通，然而二次侧的输出电压Vo会因变压器n倍(一次侧绕阻与二次侧绕阻的绕阻比为N1：N2)映射回一次侧。最后，在输入电压源Vg从固定电压值(如120伏特)转态至零电压电平的期间，谐振电感电流iLr会小于激磁电感电流iLm，因此二次侧的输出二极管会以零电流切换(Zero Current Switch,ZCS)方式来关闭。
值得一提的是，在电源转换效率方面，传统主动式箝位SEPIC的转换效率往往都不佳，约为88～89％。然而，本公开内容所提出的回扫式主动箝位电源转换器100通过将箝位电容Cc与谐振电感Llk所产生的谐振频率实质上等于开关切换频率，来降低电路的能量损失并进而提升整体转换效率，约为91.47％。
综上所述，本发明实施例所提出的回扫式主动箝位电源转换器，使回扫式主动箝位电源转换器内的箝位电容与谐振电感所产生的谐振频率实质上等于开关切换频率，进而在全负载范围内使得输出二极管进行零电流切换(Zero Current Switching,ZCS)。因此，回扫式主动箝位电源转换器能够减少功率转换的切换损失并且输出二极管上没有反向恢复电流(Reverse-Recovery Current)，所以输出二极管不会有突波电压。在输出二极管元件应力的选择上可以选用较低压的二极管，并且不需要额外的缓震电路(snubber)。
本发明可在任何适合的形式中实施，包括硬体、软件、固件或以上这些的任意结合。本发明也可部分地以在一或多个资料处理器及/或数位信号处理器上执行的电脑软件实施。本发明实施例的单元及组件，可以实体地、功能地及逻辑地以任何适合的方式实施。事实上，某功能可在单一的单元、复数个单元、或其它功能单元的一部分内实施。就本发明本身而论，可在单一的单元上实施，或实体地及功能地分布于不同单元及处理器间。
以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

Claims (8)

1.一种回扫式主动箝位电源转换器，其特征在于，该回扫式主动箝位电源转换器包括：
一输入电感，其第一端连接一输入电压源的正极，其中流经该输入电感的一输入电感电流运作于一边界导通模式；
一下桥开关，其控制端接收一第一控制信号，其第一端连接该输入电压源的负极，其中该下桥开关根据该第一控制信号的电平来决定导通或截止；
一上桥开关，其控制端接收一第二控制信号，其第一端连接该下桥开关的第二端以及该输入电感的第二端，其中该上桥开关根据该第二控制信号的电平来决定导通或截止，并且该下桥开关与该上桥开关具有一开关切换频率；
一第一储能电容，其第一端连接该下桥开关的第一端；
一箝位电容，其第一端连接该上桥开关的第二端，其第二端连接该第一储能电容的第二端；
一谐振电感，其第一端连接该下桥开关的第二端；
一激磁电感，其第一端连接该谐振电感的第二端，其第二端连接该箝位电容的第二端，其中流经该激磁电感的电流为一激磁电感电流；
一变压器，具有一一次侧绕组与一二次侧绕组，该一次侧绕组并联连接该激磁电感，其中该一次侧绕组与该二次侧绕组具有互感效应；
一输出二极管，其阳极连接该二次侧绕组的第一端；以及
一输出电容，其第一端连接该输出二极管的阴极，其第二端连接该二次侧绕组的第二端，
其中该回扫式主动箝位电源转换器内的该箝位电容与该谐振电感所产生的一谐振频率实质上等于该开关切换频率，进而使得该输出二极管进行一零电流切换。
2.如权利要求1所述的回扫式主动箝位电源转换器，其中当该箝位电容与该谐振电感的该谐振频率等于该开关切换频率，则流经该一次侧绕组的一一次侧电流的电流值逐渐下降至零，进而使得流经该二次侧绕组的一二次侧电流的电流值为零，以便该输出二极管进行该零电流切换。
3.如权利要求2所述的回扫式主动箝位电源转换器，其中当该激磁电感电流的电流值实质上等于一谐振电流的电流值时，该一次侧电流的电流值实质上等于零电流值，其中该谐振电流为流经该谐振电感的电流。
4.如权利要求1所述的回扫式主动箝位电源转换器，其中当该下桥开关导通时，该输入电感电流对该输入电感进行充电。
5.如权利要求1所述的回扫式主动箝位电源转换器，其中当该上桥开关不导通且该输入电感电流的电流值为零时，则该激磁电感电流对该下桥开关的寄生电容进行充电。
6.如权利要求1所述的回扫式主动箝位电源转换器，其中当该下桥开关的第一端与第二端的间的跨压为零时，该激磁电感电流流经该下桥开关的本体二极管，进而使得该第一储能电容的电容电压随着该激磁电感电流的上升而线性增加。
7.如权利要求1所述的回扫式主动箝位电源转换器，其中当该下桥开关不导通时，该输入电感电流与该激磁电感电流对该下桥开关的寄生电容进行充电。
8.如权利要求1所述的回扫式主动箝位电源转换器，其中当该上桥开关的本体二极管开始导通时，一导通电流对该箝位电容进行充电，其中该导通电流为该输入电感电流与该激磁电感电流的总和。
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