CN105337503B - 直流电压转换装置及适用于直流电压转换装置的箝位电路 - Google Patents

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Abstract

一种直流电压转换装置，用于将一直流电源电压转换为一直流输出电压至一负载，并包含一直交流转换器、一变压器、一第一开关、一第二开关、及一箝位电路，该箝位电路电连接该第二开关及该负载间，并包括一箝位电容、一第一二极管、一箝位电感、一第二二极管、及一第三开关，该第三开关接收一箝位控制信号，并受控制于导通与不导通间切换，以将该第二开关所产生的电压尖峰箝制至一预期值，并将该电压尖峰的能量储存至该箝位电容中，再经由该箝位电感而释放至该负载。

Description

直流电压转换装置及适用于直流电压转换装置的箝位电路
技术领域
本发明涉及一种直流电压转换装置，特别是涉及一种有效管理电压尖峰的直流电压转换装置及一种适用于直流电压转换装置的箝位电路。
背景技术
直流电压转换装置的二次侧整流器的电压尖峰(voltage peak)一直是影响直流电压转换装置的转换效率及可靠性的重要因素。该电压尖峰的能量主要来自整流器的寄生电容于充电时的能量，及整流器的反向恢复能量(reverse recovery energy)。以往应用于直流电压转换装置(converter)的箝位电路(clamp circuit)，如RC缓冲(吸收)电路、RCD缓冲(吸收)电路，无法将二次侧(secondary side)的整流器(rectifier)的电压尖峰箝位至一理想值，且可靠性不佳，导致该直流电压转换装置必须选择电压等级较高，也就是耐电压较高的整流器。如此一来，因为整流器的电压等级较高，使得整流器的成本提高，也因为电压等级越高的整流器的导通电阻越大，使得功率损耗较大，进而影响直流电压转换装置的整体转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流电压转换装置及适用于直流电压转换装置的箝位电路，该箝位电路能有效抑制电压尖峰，并将该电压尖峰的能量馈送至输出。
本发明直流电压转换装置，包含一直交流转换器、一变压器、一第一开关、一第二开关、及一箝位电路。
该直交流转换器接收一直流电源电压，并将该直流电源电压进行直交流转换以产生一呈交流的电压信号。
该变压器包括一第一绕组、一第二绕组、及一第三绕组，该第一绕组电连接该直交流转换器以接收该电压信号，该第二绕组及第三绕组分别具有一第一端及一第二端，且该第二绕组的第二端电连接该第三绕组的第一端。
该第一开关具有一电连接该第三绕组的第二端的第一端、一第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且受该第一控制信号的控制于导通与不导通间切换。
该第二开关具有一电连接该第二绕组的第一端的第一端、一电连接该第一开关的第二端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且受该第二控制信号的控制于导通与不导通间切换。
该箝位电路电连接该第二开关的第一端及第二端，以箝制该第二开关的第一端及第二端间的跨压于一默认值，并储存该第二开关所产生的电压尖峰的能量。
本发明适用于直流电压转换装置的箝位电路，该直流电压转换装置用于将一直流电源电压转换为一直流输出电压，并包含一直交流转换器、一变压器、一第一开关、及一第二开关，该变压器具有一接收来自该直交流转换器的电压信号的一次侧，及一电连接该第一开关及该第二开关的二次侧。该箝位电路包含：
一箝位电容，具有一电连接该第二开关的第一端的第一端，及一第二端。
一第一二极管，具有一电连接该箝位电容的第二端的阳极端，及一电连接该第二开关的第二端的阴极端。
一箝位电感，具有一第一端，及一电连接该第二开关的第二端的第二端。
一第二二极管，具有一电连接该箝位电感的第一端的阳极端，及一阴极端。
一第三开关，具有一第一端、一第二端、及一控制端，该第一端电连接该箝位电感的第一端，该第二端电连接该箝位电容的第二端，该控制端接收一箝位控制信号，并受该箝位控制信号控制于导通或不导通间切换，以将该直流电压转换装置的第二开关所产生的电压尖峰的能量，储存至该箝位电容中，再释放至一负载。
本发明的有益的效果在于：通过该箝位电路箝制该第二开关的第一端及第二端的跨压，并吸收该第二开关的电压尖峰的能量，馈送至一负载，以实现无损失(lossless)的箝位机制，使作为整流器的第一开关及第二开关能选用如耐压较低及损耗较小的元件，以达到可靠性较佳、成本较低且转换效率较高的优点。
附图说明
图1是一电路图，说明本发明直流电压转换装置的一较佳实施例；及
图2是一时序图，说明本发明直流电压转换装置的较佳实施例的多个信号间的关系。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1，本发明直流电压转换装置1的较佳实施例适用于接收一直流电源电压，且电连接一具有一第一端及一第二端的负载5，并包含一直交流转换器2、一变压器3、一第一开关SR1、一第二开关SR2、一个二次侧电感Lf、一个二次侧电容Cf、一箝位电路4、及一控制单元6。
该直交流转换器2接收该直流电源电压，并将该直流电源电压进行直交流转换以产生一呈交流的电压信号VSW。该直流电源电压的电压值为Vi。再参阅图2，该电压信号VSW于正半周期及负半周期时，具有相等的振幅Vi及相反的极性。
该变压器3为一中心抽头式，并包括一第一绕组L1、一第二绕组L2、及一第三绕组L3，且该第一绕组L1、第二绕组L2、及第三绕组L3的匝数比为K：1：1。该第一绕组L1电连接该直交流转换器2以接收该电压信号VSW，并具有一极性端。该第二绕组L2及第三绕组L3分别具有一第一端及一第二端，且该第二绕组L2及第三绕组L3的第一端为极性端，该第二绕组L2的第二端电连接该第三绕组L3的第一端。特别值得一提的是：图1中的变压器3为考虑非理想因素下的等效电路，因此，该变压器3在一次侧的等效电路还包括一寄生漏感Lr及一励磁电感Lm。
该第一开关SR1具有一电连接该第三绕组L3的第二端的第一端、一电连接该负载5的第二端的第二端、一接收一第一控制信号S1的控制端、及一并联于该第一端与第二端间的基体二极管D1(body diode)，且受该第一控制信号S1的控制于导通与不导通间切换。
该第二开关SR2具有一电连接该第二绕组L2的第一端的第一端、一电连接该第一开关SR1的第二端的第二端、一接收一第二控制信号S2的控制端、及一并联于该第一端与第二端间的基体二极管D2，且受该第二控制信号S2的控制于导通与不导通间切换。特别值得一提的是：该第一开关SR1及第二开关SR2可以是该技术领域中所指的整流器或二次侧整流器。
该二次侧电感Lf包括一第一端及一第二端，该第一端电连接该变压器3的第二绕组L2的第二端，该第二端电连接该负载5的第一端。
该二次侧电容Cf包括一电连接该二次侧电感Lf的第二端的第一端，及一电连接该第一开关SR1的第二端的第二端。
该箝位电路4包括一箝位电容C1、一第一二极管DC1、一箝位电感LC、一第二二极管DC2、及一第三开关SR3。
该箝位电容C1具有一电连接该第二开关SR2的第一端的第一端，及一第二端。
该第一二极管DC1具有一电连接该箝位电容C1的第二端的阳极端，及一电连接该第二开关SR2的第二端的阴极端。
该箝位电感LC具有一第一端，及一电连接该第二开关SR2的第二端的第二端。
该第二二极管DC2具有一电连接该箝位电感LC的第一端的阳极端，及一电连接该二次侧电感Lf的第二端的阴极端。
该第三开关SR3具有一第一端、一第二端、一控制端、及一并联于第三开关SR3的第一端与第二端间的基体二极管DC。该第一端电连接该箝位电感LC的第一端，该第二端电连接该箝位电容C1的第二端，该控制端接收一箝位控制信号S3，并受该箝位控制信号S3控制于导通或不导通间切换，以将该直流电压转换装置1的第二开关SR2所产生的电压尖峰的能量，储存至该箝位电容C1中，再释放至该负载5，使该第二开关SR2的第一端及第二端的跨压，即Vds_SR2的电压峰值能有效降低至一预期值。
该控制单元6根据该箝位电路4的箝位电容C1的第一端及第二端的跨压的大小，以产生该箝位控制信号S3来控制该第三开关SR3导通或不导通。
在本实施例中，该直交流转换器2为一全波整流电路，在其他实施例中，该直交流转换器2可为一全桥整流电路、一半波整流电路、或一倍流整流电路。该直交流转换器2包括四个开关SR4～SR7，每一开关SR4～SR7具有一第一端、一第二端、及一控制端。该开关SR5的第一端电连接该开关SR4的第二端，该开关SR7的第一端电连接该开关SR6的第二端，该开关SR6的第一端电连接该开关SR4的第一端、该开关SR7的第二端电连接该开关SR5的第二端。该四个开关SR4～SR7的控制端分别接收四个控制信号S4～S7，以分别控制该四个开关SR4～SR7导通或不导通。此外，在本实施例中，该第一开关SR1、第二开关SR2、第三开关SR3、及该四个开关SR4～SR7都分别为一功率晶体管。
参阅图1与图2，图2是一时序图，说明本发明直流电压转换装置1的较佳实施例的箝位控制信号S3如何控制该箝位电路4的第三开关SR3，其中，横轴为时间t，电流iLr为流经该变压器3的一次侧的寄生漏感Lr的电流，且正方向如箭号所示。iC1为流经该箝位电容C1的电流，且方向是由该箝位电容C1的第一端流向其第二端为正。VC1为该箝位电容C1的第一端及其第二端的跨压。iLc为流经该箝位电感LC的电流，且方向是由该箝位电感LC的第一端流向其第二端为正。Vds_SR2为该第二开关SR2的第一端及其第二端的跨压。
所述控制信号S1～S2、S4～S7来自一脉宽调变(Pulse Width Modulation,PWM)电路(图未示)，以控制该直交流转换器2的四个开关SR4～SR7、第一开关SR1、及第二开关SR2分别导通或不导通，使该直流电源电压经由该直交流转换器2、变压器3、第一开关SR1、第二开关SR2、二次侧电感Lf、及二次侧电容Cf，输出一直流输出电压Vout于该负载5。由于该脉宽调变电路产生所述控制信号S1～S2、S4～S7的方式为以往技术，因此，于图2仅列出该两个控制信号S1、S2随时间变化的态样。
于时刻t0～t1间：在时刻t0时，来自该直交流转换器2的电压信号VSW的振幅开始由零转为负值。由于该变压器3的等效电路具有该一次侧的寄生漏感Lr，且该第一控制信号S1及第二控制信号S2都为高电平，使该第一开关SR1及第二开关SR2都导通。此时，该变压器3的第二绕组L2及第三绕组L3处于短路的状态，且流经该第一开关SR1及第二开关SR2的电流处于一换流状态，也就是流经该第二开关SR2的电流渐渐减少，而流经该第一开关SR1的电流渐渐增加。在时刻t1时，该换流状态完成，也就是流经该第二开关SR2的电流为零。在该换流状态完成前，该第二控制信号S2变为低电平，使该第二开关SR2不导通，在该第二开关SR2不导通后，且时刻t1前，流经该第二开关SR2的电流是经由该第二开关SR2的基体二极管D2通过。
于时刻t1～t2间：在时刻t1时，Vds_SR2的大小等于该变压器3的二次侧绕组的电压差，也就是第二绕组L2的第一端及第三绕组L3的第二端间的电压差。此时，该第二开关SR2的基体二极管D2的反向恢复能量(reverse recovery energy)及其结电容(junctioncapacitance)(图未示)的能量都通过该变压器3耦合而储存于该一次侧的寄生漏感Lr中。由于在该变压器3的二次侧绕组会将该一次侧的寄生漏感Lr等效成一个二次侧漏感，该二次侧漏感及该第二开关SR2的结电容形成谐振。在时刻t1后，该箝位电路4的第一二极管DC1导通，使该箝位电路4的箝位电容C1参与该二次侧漏感及该第二开关SR2的结电容的谐振中。再由于该箝位电容C1的大小远大于该第二开关SR2的结电容，使VC1的大小缓慢增加，流经二次侧漏感的电流(图未示)缓慢下降。在时刻t2时，该流经二次侧漏感的电流降至零，此时，iC1也为零且VC1的大小达到一峰值，表示该第二开关SR2的基体二极管D2的反向恢复能量及其结电容的能量都转移至该箝位电容C1中。
于时刻t2～t3间：在时刻t2时，该控制单元6侦测该箝位电路4的箝位电容C1的第一端及第二端的跨压，根据该跨压VC1的大小，在VC1达到该峰值时，切换该箝位控制信号S3为高电平，使该箝位电路4的第三开关SR3导通，进而使该箝位电容C1、箝位电感LC、及二次侧漏感形成谐振，且此时该第一二极管DC1由导通变为不导通。又因为该箝位电感LC的大小远大于该二次侧漏感，使该二次侧漏感可以被忽略，VC1的大小缓慢下降，iLc的大小缓慢增加(指电流的绝对值大小缓慢增加)。在时刻t3时，iLc的大小达到一峰值，VC1的大小下降至2Vi/K-VFD，VFD为该第一二极管DC1的导通电压。
于时刻t3～t4间：在时刻t3时，该第一二极管DC1导通，使得该箝位电容C1及箝位电感LC所形成的谐振终止，且iLc的大小能保持在该峰值。在时刻t4时，该控制单元6根据VC1的大小，在VC1降至最小值时，切换该箝位控制信号S3为低电平，使该箝位电路4的第三开关SR3不导通。
于时刻t4～t5间：在时刻t4时，若不考虑该第二二极管DC2的导通电压，该箝位电感LC的第一端及第二端的跨压与该直流输出电压的大小相同，iLc开始通过该第二二极管DC2向该负载5提供能量，使iLc的大小慢慢下降(指电流的绝对值大小缓慢减小)。在时刻t5时，该电压信号VSW为零，该第一控制信号S1及第二控制信号S2为高电平，分别使该第一开关SR1及第二开关SR2导通，此时，经过该第一开关SR1及第二开关SR2的电流继续流过。
于时刻t5～t6间：在时刻t5时，iLc的大小继续下降(指电流的绝对值大小缓慢减小)。直到时刻t6时，iLc的大小降为零，该箝位电感LC中的能量都馈送至该负载5，也就是将该第二开关SR2的基体二极管D2的反向恢复能量及其结电容的能量都馈送至该负载5。
于时刻t6～t7间：在时刻t7时，该电压信号VSW开始变为正，而进入下个半周期。在该下个半周期和时间t0～t7间的半周期相较，因为该电压信号VSW的正负对称，所以该直流电压转换装置1的运作原理也就类似，就不再重复说明。
在本实施例中，通过该箝位电路4将能量转移至该负载5，能使图2中，该第二开关SR2的第一端及第二端间的跨压Vds_SR2于时刻t1～t3间的电压涟波(ripple)的大小，由未使用该箝位电路4时的2Vi/K*100％降至2Vi/K*10％，也就是使得Vds_SR2的振幅能够小于2Vi/K*110％，而达成有效地吸收该第二开关SR2的电压尖峰，并在不考虑该第一二极管DC1及第二二极管DC2的导通电压的条件下，而达成无损失的能量转换至该负载5。
特别值得一提的是：该直流电压转换装置1还可以包含另一个相同的箝位电路4，且该另一箝位电路4电连接于该第一开关SR1的第一端、该负载5的第一端及第二端，以吸收该第一开关SR1的基体二极管D1所产生的反向恢复能量及其结电容所产生的能量，并转移该能量至该负载5。
综上所述，根据该箝位电路4的箝位电容C1的跨压，以控制该箝位电路4的第三开关SR3导通或不导通，以吸收该第二开关SR2的电压尖峰并无损失地转移能量至负载5，使作为整流器的第一开关及第二开关能选用如耐压较低及损耗较小的元件，以达到可靠性较佳、成本较低且转换效率较高的优点，所以确实能达成本发明的目的。
惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明权利要求书及专利说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种直流电压转换装置，其特征在于：其包含：
一直交流转换器，接收一直流电源电压，并将该直流电源电压进行直交流转换以产生一呈交流的电压信号；
一变压器，包括一第一绕组、一第二绕组、及一第三绕组，该第一绕组电连接该直交流转换器以接收该电压信号，该第二绕组及第三绕组分别具有一第一端及一第二端，且该第二绕组的第二端电连接该第三绕组的第一端；
一第一开关，具有一电连接该第三绕组的第二端的第一端、一第二端及一接收一第一控制信号的控制端，且受该第一控制信号的控制于导通与不导通间切换；
一第二开关，具有一电连接该第二绕组的第一端的第一端、一电连接该第一开关的第二端的第二端及一接收一第二控制信号的控制端，且受该第二控制信号的控制于导通与不导通间切换；
一个二次侧电感，包括一电连接该变压器的第二绕组的第二端的第一端，及一电连接一负载的第二端；
一个二次侧电容，包括一电连接该二次侧电感的第二端的第一端，及一电连接该第一开关的第二端的第二端；及
一箝位电路，电连接该第二开关的第一端及第二端，以箝制该第二开关的第一端及第二端间的跨压于一默认值，并储存该第二开关所产生的电压尖峰的能量，该箝位电路包括：
一箝位电容，具有一电连接该第二开关的第一端的第一端，及一第二端；
一第一二极管，具有一电连接该箝位电容的第二端的阳极端，及一电连接该第二开关的第二端的阴极端；
一箝位电感，具有一第一端，及一电连接该第二开关的第二端的第二端；
一第二二极管，具有一电连接该箝位电感的第一端的阳极端，及一电连接该二次侧电感的第二端的阴极端；及
一第三开关，具有一第一端、一第二端、及一控制端，该第一端电连接该箝位电感的第一端，该第二端电连接该箝位电容的第二端，该控制端接收一箝位控制信号，并受该箝位控制信号控制于导通或不导通间切换，以将该直流电压转换装置的第二开关所产生的电压尖峰的能量，储存至该箝位电容中，再释放至该负载。
2.根据权利要求1所述的直流电压转换装置，其特征在于：其还包含一控制单元，该控制单元根据该箝位电路的箝位电容的第一端及第二端的跨压的大小，以产生该箝位控制信号来控制该第三开关导通或不导通。
3.根据权利要求2所述的直流电压转换装置，其特征在于：该直流电源电压的电压值为Vi，该变压器的第一绕组、第二绕组、及第三绕组的匝数比为K：1：1，该直流电压转换装置经由该二次侧电感输出一直流输出电压至该负载，该箝位电容所电连接的第二开关的第一端及第二端的跨压的电压峰值能降低至一预期值，该预期值小于2Vi/K*110％。
4.一种适用于直流电压转换装置的箝位电路，该直流电压转换装置用于将一直流电源电压转换为一直流输出电压，并包含一直交流转换器、一变压器、一第一开关、及一第二开关，该变压器具有一接收来自该直交流转换器的电压信号的一次侧，及一电连接该第一开关及该第二开关的二次侧，其特征在于：该箝位电路包含：
一箝位电容，具有一电连接该第二开关的第一端的第一端，及一第二端；
一第一二极管，具有一电连接该箝位电容的第二端的阳极端，及一电连接该第二开关的第二端的阴极端；
一箝位电感，具有一第一端，及一电连接该第二开关的第二端的第二端；
一第二二极管，具有一电连接该箝位电感的第一端的阳极端，及一阴极端；及
一第三开关，具有一第一端、一第二端、及一控制端，该第一端电连接该箝位电感的第一端，该第二端电连接该箝位电容的第二端，该控制端接收一箝位控制信号，并受该箝位控制信号控制于导通或不导通间切换，以将该直流电压转换装置的第二开关所产生的电压尖峰的能量，储存至该箝位电容中，再释放至一负载。
5.根据权利要求4所述的适用于直流电压转换装置的箝位电路，其特征在于：其还包含一控制单元，该控制单元根据该箝位电路的箝位电容的第一端及第二端的跨压的大小，以产生该箝位控制信号来控制该第三开关导通或不导通。
6.根据权利要求5所述的适用于直流电压转换装置的箝位电路，其特征在于：该直流电源电压的电压值为Vi，该变压器具有一第一绕组、一第二绕组、及一第三绕组，且其匝数比为K：1：1，该箝位电容所电连接的直流电压转换装置的第二开关的第一端及第二端的跨压的电压峰值能降低至一预期值，该预期值小于2Vi/K*110％。
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