CN105099195B - 混合模式主动箝位电源转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合模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。输入电感具有边界电感值，其中输入电压源操作于第一电压与第二电压之间，并且边界电感值为根据第一电压与重载来进行设定以作为混合模式主动箝位电源转换器之初始条件，进而使得输入电感被操作于边界导通模式。本发明提高混合模式主动箝位电源转换器的电源转换效率。

Description

混合模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，特别涉及一种混合模式主动箝位电源转换器。
背景技术
随着现代科技的进步与可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纳米科技的发展，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回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，以回应该被关闭的第一电控开关，以及被传送至一负载，以回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，以回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，以回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系与该电线圈串联。一返驰式转换器(flybackconverter)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拓扑的说明，但是绝不表示限定用。
在小功率的应用上，返驰式(Flyback)转换器是目前广泛应用的电源电路，但返驰式转换器会有输入电流脉冲遭受电磁干扰的问题以及漏感所导致的电压突波。再者，传统主动式箝位单端初级电感转换器(Single-ended Primary Industry Converter，SEPIC)在全负载范围较难达到零电压切换，使得在效率上无法得到较大的提升。
发明内容
本发明实施例提供一种混合模式主动箝位电源转换器，混合模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端其中输入电压源操作于第一电压与第二电压之间。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端。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。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。变压器具有一次侧电感与二次侧电感，所述一次侧电感并联连接激磁电感，其中一次侧电感与二次侧电感具有互感效应。输出二极管的阳极连接二次侧电感的第一端。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电感的第二端。输入电感具有边界电感值并且边界电感值为根据第一电压与重载来进行设定以作为混合模式主动箝位电源转换器的初始条件，以使得当下桥开关导通时，输入电感电流会对输入电感进行充电，并且流经下桥开关的第一开关电流会等于输入电感电流与激磁电感电流的总和，以便实现零电压切换。当输入电压源操作在第一电压时，输入电感操作于边界导通模式且使得混合模式主动箝位电源转换器实现零电压切换。
在本发明其中一个实施例中，当输入电压源操作在大于第一电压时，输入电感电流操作于不连续导通模式且产生负电流，以使得下桥开关的本体二极管易于导通且使得混合模式主动箝位电源转换器以便实现零电压切换。
在本发明其中一个实施例中，混合模式主动箝位电源转换器藉由将输入电感电流操作于边界导通模式或不连续导通模式，来实现零电压切换以提高电源转换效率。
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为零时，所述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，所述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之和。
在本发明其中一个实施例中，当上桥开关导通时，第一开关电流会缓慢地下降为零，以便实现零电压切换。
在本发明其中一个实施例中，箝位电容的电容电压使得混合模式主动箝位电源转换器的二次侧的输出二极管顺向导通，然而二次侧的输出电压会因变压器而映射回一次侧。
在本发明其中一个实施例中，该第一电压的电压值为90伏特，并且该第二电压的电压值为264伏特。
综上所述，本发明实施例所提出的混合模式主动箝位电源转换器，透过根据边界条件来设定输入电感的边界电感值，以将输入电感操作在混合模式下以使得混合模式主动箝位电源转换器在全负载范围内实现零电压切换，进而提高混合模式主动箝位电源转换器的电源转换效率。
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，但是此等说明与附图仅用来说明本发明，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混合模式主动箝位电源转换器的细部电路示意图。
图2为根据本发明例示性实施例所绘示的混合模式主动箝位电源转换器的信号波形图。
其中，附图标记说明如下：
100：混合模式主动箝位电源转换器
Cb：第一储能电容
Cc：箝位电容
Ce：寄生电容
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
iin：输入电感电流
iS1：第一开关电流
iS2：第二开关电流
iLr：谐振电感电流
iLm：激磁电感电流
L11：一次侧电感
L12：二次侧电感
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
t0～t8：时间
Ro：负载
Vo：输出电压
VCb、VCc：电容电压
VDS1：跨压
Vg：输入电压源
ip、iDo、iim、ip：电流
HT：变压器
Vg、Vgs1、Vgs2、VDo：电压
具体实施方式
在下文将参看随附附图更充分地描述各种例示性实施例，在随附附图中展示一些例示性实施例。然而，本发明概念可能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，且将向本领域的技术人员充分传达本发明概念的范畴。在诸附图中，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附图来说明所述混合模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。
〔混合模式主动箝位电源转换器的实施例〕
本揭露内容提供一种输入电感可操作于连续导通模式(Continuous ConductionMode,CCM)与边界导通模式(Boundary Conduction Mode，BCM)的混合模式主动箝位电源转换器，亦即单端初级电感转换器(Single-ended Primary Industry Converter,SPEIC)，进而使得混合模式主动箝位电源转换器的一次侧开关能够具有零电压切换的效应，以提高移动装置(如笔记型电脑)的电源效率且透过高频化的操作来大幅缩小体积，其中零电压切换(ZVS)被界定为：当横跨该开关的电压为零或接近零时，将该开关的状态从截止状态改变至导通状态。请参照图1，图1为根据本发明例示性实施例所绘示的混合模式主动箝位电源转换器的细部电路示意图。如图1所示，混合模式主动箝位电源转换器100藉由将输入电感电流iin操作于边界导通模式(BCM)或不连续导通模式(DCM)，以使得混合模式主动箝位电源转换器在全负载范围内实现零电压切换，进而提高混合模式主动箝位电源转换器的电源转换效率。
混合模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110、输出二极管Do与输出电容Co，其中混合模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的正端，其中输入电压源Vg操作于第一电压与第二电压之间。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的负端。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。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，激磁电感Lm的第二端连接箝位电容Cc的第二端。变压器110具有一次侧电感L11与二次侧电感L12，所述一次侧电感L11并联连接激磁电感Lm，其中一次侧电感L11与二次侧电感L12具有互感效应。
输出二极管Do的阳极连接二次侧电感L12的第一端(具有一打点)。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电感L12的第二端。值得注意的是，输入电感Lin具有边界电感值(Boundary Inductance Value,BIV)并且该边界电感值为根据该第一电压与一重载(边界条件)来进行设定以作为混合模式主动箝位电源转换器100的初始条件，以使得当下桥开关S1导通时，输入电感电流iin会对输入电感Lin进行充电，并且流经下桥开关S1的第一开关电流iS1会等于输入电感电流iin与激磁电感电流iLm的总和，以便实现零电压切换(ZVS)。当输入电压源Vg操作在第一电压时，输入电感Lin会操作于边界导通模式(BCM)且使得混合模式主动箝位电源转换器100实现零电压切换。当输入电压源Vg操作在大于第一电压时，输入电感电流iin操作于不连续导通模式(CCM)且产生负电流，以使得下桥开关S1的本体二极管易于导通且使得混合模式主动箝位电源转换器以便实现零电压切换。
进一步来说，在本实施例中，第一电压的电压值为90伏特，并且第二电压的电压值为264伏特。输入电感Lin的边界电感值是根据90伏特与重载(亦即满载的负载Ro)来进行设定以作为初始条件，以使得弦波波形的输入电感电流iin的波谷接触到零电流电平，因此输入电感Lin会被操作于边界导通模式(BCM)以使得下桥开关S1能够进行零电压切换。再者，当输入电压源Vg被操作在90伏特至264伏特之间时，弦波波形的输入电感电流iin会往下移而产生负电流，以使得输入电感Lin会被操作于不连续导通模式(DCM)并且使得下桥开关S1的本体二极管易于导通，其中输入电感电流iin会对输入电感Lin进行充电。此外，当下桥开关S1导通时，流经下桥开关S1的第一开关电流iS1会等于输入电感电流iin与激磁电感电流iLm的总和，以便使得下桥开关S1实现零电压切换。
接下来要教示的，是进一步说明混合模式主动箝位电源转换器100的工作原理。
请同时参照图1与图2，在时间t0～t1期间(输入电压源Vg为零)，当混合模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Ce(Parasitic capacitance)进行充电。在时间t1～t2期间(输入电压源Vg为零)，当混合模式主动箝位电源转换器100的下桥开关S1的第一端与第二端之间的跨压VDS1为零电压时，激磁电感电流iLm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。在时间t2～t3期间(输入电压源Vg等于电压Vgs1)，下桥开关S1会因为ZVS而开始导通，所以输入电感电流iin会开始进行充电，并且流经下桥开关S1的第一开关电流iS1等于输入电感电流iin与激磁电感电流iLm的总和。在时间t3～t4期间(输入电压源Vg等于零电压)，当混合模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Ce进行充电。
在时间t4～t5期间(输入电压源Vg等于零电压)，当混合模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之和。在时间t5～t6期间(输入电压源Vg等于零电压)，当混合模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iS1会缓慢地下降为零，以便实现零电压切换。在时间t6～t7期间(输入电压源Vg等于电压Vgs2)，箝位电容Cc的电容电压VCc足够让混合模式主动箝位电源转换器100的二次侧的输出二极管Do顺向导通，然而二次侧的输出电压Vo会因变压器n倍(一次侧电感与二次侧电感的绕阻比为n：1)映射回一次侧，其中n为正整数。在时间t7～t8期间(输入电压源Vg等于零电压)，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 CurrentSwitch,ZCS)方式来关闭。
〔实施例的可能功效〕
综上所述，本发明实施例所提出的混合模式主动箝位电源转换器，透过根据边界条件来设定输入电感的边界电感值，以将输入电感操作在混合模式下以使得混合模式主动箝位电源转换器在全负载范围内实现零电压切换，进而提高混合模式主动箝位电源转换器的电源转换效率。
本发明可在任何适合的形式中实施，包括硬件、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数据处理器及/或数字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、多个单元、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 (10)

1.一种混合模式主动箝位电源转换器，其特征在于，包括：
一输入电感，其第一端连接一输入电压源的正端，其中该输入电压源操作于一第一电压与一第二电压之间；
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端；
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，以及连接该输入电感的一第二端；
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一第二端，其第二端连接该箝位电容的第二端；
一变压器，具有一一次侧电感与一二次侧电感，该一次侧电感并联连接该激磁电感，其中该一次侧电感与该二次侧电感具有互感效应；
一输出二极管，其阳极连接该二次侧电感的第一端；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电感的第二端，
其中该输入电感具有一边界电感值并且该边界电感值为根据该第一电压与一重载来进行设定以作为该混合模式主动箝位电源转换器的初始条件，以使得当该下桥开关导通时，一输入电感电流会对该输入电感进行充电，并且流经该下桥开关的一第一开关电流会等于该输入电感电流与一激磁电感电流的总和，以便实现零电压切换，
其中当输入电压源操作在该第一电压时，该输入电感操作于该边界导通模式且使得该混合模式主动箝位电源转换器实现零电压切换。
2.如权利要求1所述的混合模式主动箝位电源转换器，其中当该输入电压源操作在大于该第一电压时，该输入电感电流操作于一不连续导通模式且产生负电流，以使得该下桥开关的本体二极管易于导通且使得该混合模式主动箝位电源转换器以便实现零电压切换。
3.如权利要求2所述的混合模式主动箝位电源转换器，其中该混合模式主动箝位电源转换器藉由将该输入电感电流操作于该边界导通模式或该不连续导通模式，来实现零电压切换以提高电源转换效率。
4.如权利要求1所述的混合模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为零时，该激磁电感电流对该下桥开关的寄生电容进行充电。
5.如权利要求1所述的混合模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之间的跨压为零时，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。
6.如权利要求1所述的混合模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。
7.如权利要求1所述的混合模式主动箝位电源转换器，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之和。
8.如权利要求1所述的混合模式主动箝位电源转换器，当该上桥开关导通时，该第一开关电流会缓慢地下降为零，以便实现零电压切换。
9.如权利要求1所述的混合模式主动箝位电源转换器，该箝位电容的电容电压使得该混合模式主动箝位电源转换器的二次侧的该输出二极管顺向导通，然而二次侧的一输出电压会因该变压器而映射回一次侧。
10.如权利要求1所述的混合模式主动箝位电源转换器，其中该第一电压的电压值为90伏特，并且该第二电压的电压值为264伏特。
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