CN109873557B - 具有低损耗减振器的电源转换器 - Google Patents

Abstract

本发明是一具有低损耗减振器的电源转换器，包含一变压器及一减振器，该减振器包括一钳位绕组、一第一电容、一第二电容。该钳位绕组与该变压器的一次侧绕组耦合。经由将该变压器的一次侧绕组至一二次侧绕组的漏电感电能储存于该第二电容，可以回收该电能。当该第二电容放电时，该第二电容内的电能将被传送到该第一电容。当该第一电容放电时，该第一电容的电能将被送回该电源。因此，该第一电容及该第二电容的电能将不会被一电阻消耗，该低损耗减振器的损耗的电能也因此被降低。

Description

具有低损耗减振器的电源转换器

技术领域

本发明是一种电源转换器，尤指一种具有低损耗减振器的电源转换器。

背景技术

请参阅图13所示，一传统的电源转换器，例如一返驰式电源转换器，包含有一输入端I/P、一包含有一一次侧绕组Wp及一二次侧绕组Ws的变压器、一开关21、一减振器22、一输出二极管Dout、一输出电容Cout及二输出端O/P。该开关21与该一次侧绕组Wp串联，并且电连接于该输入端I/P与地之间；该减振器22包含一电阻R、一电容C、一二极管D。该电阻R与该电容C并联，且连接于该二极管D的阴极与该输入端I/P之间。该二极管D的阳极与该一次侧绕组Wp及该开关21间的连接点电连接。

该二次侧绕组Ws与该一次侧绕组Wp耦合，且该二次侧绕组Ws电连接于该其中一输出端O/P其该输出二极管Dout的阳极之间；该输出二极管Dout的阴极与另一输出端O/P连接；该输出电容Cout电连接于该二输出端O/P间。

该输入端I/P进一步电连接一电源23以接收电能。该二输出端O/P进一步电连接一负载24以将电能传送至该负载24。

当该开关21不导通而形成一开路时，通过该一次侧绕组Wp的一一次侧电流Ip以及由该一次侧绕组Wp因该一次侧电流Ip所产生磁场的磁通量会随时间下降。该二次侧绕组Ws感应产生的电压令该输出二极管Dout处于顺向偏压，使得一输出电流Iout得以由该变压器的二次侧绕组Ws通过，并供应电能给该负载24且对该输出电容Cout充电。

由于该一次侧绕组Wp可能含有电感性阻抗，流通于该一次侧绕组Wp的电流必须渐进式的改变，否则可能会产生一异常电压突波。

因此，该一次侧绕组Wp与该减振器22提供以电流回路以维持该一次侧电流Ip的流通路径以避免异常电压突波。也就是说，该减振器22能保护该电源转换器，避免该电源转换器遭到异常电压突波而损坏。同时该一次侧电流Ip对该电容C充电。

请参阅图14所示，当该开关21导通而形成一闭路时，该一次侧绕组Wp直接连接该电源23，因此，流经该一次侧绕组Wp的一次侧电流Ip增加，且该一次侧电流Ip产生磁场的磁通量增加，使得该电源23的能量储存于该一次侧绕组Wp中。此时，该二次侧绕组Ws中感应产生的电压令该输出二极管Dout处于逆向偏压，该负载24所需的电能由该输出电容Cout供给。

进一步来说，该电容C放电时会产生一放电电流Idis。由于该放电电流Idis流过该电阻R，该电阻R会产生电能消耗导致电能浪费。因此，此先前技术的电源转换器势必需要进一步进行改良。

发明内容

本发明提供一具有低损耗减振器的电源转换器。该具有低损耗减振器的电源转换器可降低电能的消耗。

为达上述目的，该具有低损耗减振器的电源转换器包含一输入端、一低损耗减振器、一变压器、一开关及二输出端。

该变压器包含有一一次侧绕组及一二次侧绕组，该二次侧绕组与该一次侧绕组耦合，且该二次侧绕组电连接于该二输出端之间。

该开关与该一次侧绕组串联，且电连接于该输入端及一接地端之间。该开关与该一次侧绕组的连接点为一第一节点。

该低损耗减振器包含有：一钳位绕组、一第一电感、一第一电容和一第二电容；其中，该钳位绕组与该一次侧绕组耦合且分别连接该接地端和一第二二极管的一端；该第一电感的一端分别和该第二二极管的另端、该第二电容的一端连接，该第一电感的另端和一第三二极管的一端连接；该第三二极管的另端分别和一第一二极管的一端、该第一电容的一端连接；该第一二极管另端和该输入端连接，该第一电容的另端和该第一节点连接。

该输入端进一步电连接一电源以接收电能。该二输出端进一步电连接一负载以将电能传送至该负载。

当该开关导通而形成闭路时，该电源提供一一次侧电流，该一次侧电流流过该一次侧绕组、该开关并流进该接地端。该第二电容进一步经由该第一电感及该第三二极管对该第一电容充电。

当该开关不导通而形成开路时，该第一电容会进行放电。进一步来说，由于该钳位绕组与该二次侧绕组耦合，该钳位绕组产生一相对该接地端的偏移电压，以对该第二电容充电。

由于该一次侧绕组具有电感性阻抗，一流经该一次侧绕组的电流必须渐进式的改变，否则将产生一异常电压突波。

因此，当该开关刚开始不导通转为开路的时候，该第一二极管因为顺向偏压而导通开启，且该第一电容提供一电流回路以维持该流经一次侧绕组的电流持续流通，避免产生一异常电压突波。

综上所述，经由将该一次侧绕组至该二次侧绕组的漏电感能量储存至该第二电容以回收该漏电感能量。当该第二电容放电时，第二电容内的电能进一步被转移至第一电容，而后当该第一电容放电时，能再被传回电源。如此一来，该第一电容及该第二电容内的电能不会被一电阻消耗，该低损耗减振器的电能消耗因此可以被降低。

附图说明

图1是本发明具有低损耗减振器的电源转换器的电路图。

图2是本发明具有低损耗减振器的电源转换器的一次侧绕组、二次侧绕组、钳位绕组的外观示意图。

图3是本发明具有低损耗减振器的电源转换器的第二实施例电路图。

图4是本发明具有低损耗减振器的电源转换器第三实施例电路图。

图5是本发明具有低损耗减振器的电源转换器第四实施例电路图。

图6是本发明具有低损耗减振器的电源转换器第五实施例电路图。

图7是本发明具有低损耗减振器的电源转换器第六实施例电路图。

图8至图11是本发明具有低损耗减振器的电源转换器的电流方向示意图。

图12是本发明具有低损耗减振器的电源转换器中第一节点及第二节点的电压波形示意图。

图13、图14是一具有现有减振器的现有反驰式电源转换器的电路及其电流方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

请参阅图1所示，本发明是一具有低损耗减振器的电源转换器。该电源转换器包含有一输入端I/P、一低损耗减振器11、一开关12、二输出端O/P及一变压器，该变压器包含一一次侧绕组Wp及一二次侧绕组Ws，该一次侧绕组Wp与该二次侧绕组Ws耦合。

该开关12与该一次侧绕组Wp串联，且电连接于该输入端I/P及一接地端之间；该开关12与该一次侧绕组Wp的连接点为一第一节点n1。

该输入端I/P进一步电连接一电源13以由该电源13接收电能，该二输出端O/P分别连接该二次测绕组的两端，且该二输出端O/P进一步电连接一负载14以将电能传送至该负载14。

该低损耗减振器11包含一钳位绕组Wc、一第一电容C1、一第二电容C2及一第一电感L1；其中，该钳位绕组Wc与该一次侧绕组Wc耦合且分别连接该接地端和一第二二极管D2的一端；该第一电感L1的一端分别和该第二二极管D2的另端、该第二电容C2的一端连接，该第一电感L1的另端和一第三二极管D3的一端连接；该第三二极管D3的另端分别和一第一二极管D1的一端、该第一电容C1的一端连接；该第一二极管D1另端和该输入端连接，该第一电容C1的另端和该第一节点n1连接。

当该开关12导通形成闭路时，该电源13提供一一次侧电流，该一次侧电流通过该一次侧绕组Wp及该开关12流入该接地端，同时该第二电容C2放电产生一电流Ic2通过该第一电感L1、该第三二极管D3对该第一电容C1充电。

当该开关12不导通而形成开路时，该第一电容C1进行放电产生一电流Ic1通过该第一二极管D1将电能送回该电源13。由于该钳位绕组Wc与该一次测绕组Wp耦合，该钳位绕组Wc感应产生一电流Iclamp通过该第二二极管D2对该第二电容C2充电。

由于该一次侧绕组Wp具有一电感性阻抗，流经该一次侧绕组Wp的电流必须渐进性的改变以避免产生一异常突波电压，因此，当该开关12不导通而形成开路时，该第一电容C1提供一电流回路以维持流经该一次侧绕组Wp的电流持续流通，避免产生该异常电压突波。

综上所述，经由将该一次侧绕组Wp至该二次侧绕组Ws的漏电感能量储存至该第二电容C2以回收该漏电感能量。当该第二电容C2放电时，该第二电容C2内的电能被转移至该第一电容C1；当该第一电容C1进行放电时，该第一电容内C1的电能被进一步传送回该电源13。如此一来，该第一电容C1及该第二电容C2内的电能不会被一电阻消耗，该低损耗减振器的电能消耗因此可以被降低。

该第一电容C1电连接于该第一二极管D1的阳极及该第一节点n1之间。该第一二极管D1的阴极电连接该输入端I/P，该第三二极管D3的阴极电连接该第一二极管D1的阳极，该第一电感L1电连接于该第三二极管D3的阳极及该第二二极管D2的阴极之间。该第二电容C2电连接于该第二二极管D2的阴极及该接地端之间。该钳位绕组Wc与该一次侧绕组Wp耦合，且该钳位绕组Wc电连接于该第二二极管D2的阳极与该接地端之间。

当该开关12不导通形成开路时，该第一二极管D1因顺向偏压形成导通，提供该第一电容C1及该一次侧绕组Wp一电流回路以维持流经该一次侧绕组Wp的电流流通，且该第三二极管D3为一逆向偏压，避免该一次侧绕组Wp的电流通过该第一电感L1对该第二电容C2充电；同时，该第二二极管D2为一顺向偏压，提供该钳位电感Wc一通路对该第二电容C2充电。当该开关12导通形成闭路时，该钳位电组Wc感应产生的电压令该第二二极管D2为一逆向偏压而不导通，避免该第二电容C2放电导致电能通过该钳位电组Wc流入该接地端。

该二次侧绕组Ws与该一次侧绕组Wp及该钳位绕组Wc耦合，且该二次侧绕组Ws电连接于该二输出端O/P之间。在本发明的一实施例中，该钳位绕组Wc的极性与该一次侧绕组Wp的极性相反。

请进一步参阅图1及图2所示，该钳位绕组Wc的匝数与该一次侧绕组Wp的匝数相同，且该钳位绕组Wc与该一次侧绕组Wp以双股线绕法缠绕而形成一双股绕线。也就是说，该钳位绕组Wc与该一次侧绕组Wp具有相同圈数，且该钳位绕组Wc与该一次侧绕组Wp形成一双股绕线结构。该钳位绕组Wc与该一次侧绕组Wp的双股绕线结构为将漏电感降到最低，以提供较佳的该第一节点n1的电压突波一电压转换的磁场耦合环境。

请参阅图3所示，在本发明的第二实施例中，该低损耗减振器11进一步包含一第三电容C3，该第三电容C3电连接于该第二二极管D2的阳极及该第一节点n1之间。由于该一次侧绕组Wp至该钳位绕组Wc的并非完全耦合，漏电感为非零，该第三电容C3钳制该未耦合的漏电感能量。

请参阅图4所示，在本发明的第三实施例中，该低损耗减振器11进一步包含一第一电阻R1，且该第一电阻R1与该第一电感L1并联。该并联的第一电阻R1在每一开关周期间泄流部分该第一电容C1的电荷，以进一步降低该异常电压突波。

请参阅图5所示，在本发明的第四实施例中，该开关12是一金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。该开关12的一漏极为该第一节点n1，且该开关12的一源极电连接该接地端。

该低损耗减振器11进一步包含一npn型双极性接面晶体管(npn-type BJT,npn-type bipolar junction transistor)Q1、一pnp型双极性接面晶体管(pnp-typeBJT,pnp-type bipolar junction transistor)Q2、一第三电阻R3、一驱动电路15。该npn-type BJTQ1的一集极电连接一集极电源Vcc。该集极电源Vcc提供一集极电压至该npn-type BJT Q1的集极，例如一12伏特的电压。

该npn-type BJT Q1的射极电连接至该pnp-type BJT Q2的射极，且该pnp-typeBJT Q2的集极电连接该接地端。该npn-type BJT Q1的基极电连接该pnp-type BJT Q2的基极。该第二电阻R2电连接于该pnp-type BJT Q2的射极及该开关12的栅极。

该驱动电路15包含一输出端，该输出端输出一驱动信号。该第三电阻R3电连接于该驱动电路15的输出端及该pnp-type BJT Q2的基极之间。该驱动电路15输出的驱动信号须经放大后再输出至该开关12的栅极以明确地控制该开关12，在本实施例中，该驱动信号为一脉宽调变(PWM,Pulse Width Modulation)信号。

请参阅图6所示，在本发明的第五实施例中，该电源转换器为一顺向式转换器(Forward Converter)，且该电源转换器进一步包含一第一输出二极管Dout1、一第二输出二极管Dout2、一输出电容Cout、一输出电感Lout。该第一输出二极管Dout1的阳极电连接该二次侧绕组Ws的其中一端，该第二输出二极管Dout2的阳极电连接该二次侧绕组Ws的另外一端，且该第二输出二极管Dout2的阴极电连接该第一输出二极管Dout1的阴极。该输出电容Cout电连接于该二输出端O/P之间，该输出电感L1电连接于该第一输出二极管Dout1的阴极及其中一输出端O/P之间。在本实施例中，该二次侧绕组Ws的极性与该一次侧绕组Wp的极性相同。

请参阅图7所示，在本发明的第六实施例中，该电源转换器是一反驰式电源转换器(Flyback Converter)，且该电源转换器进一步包含一输出二极管Dout及一输出电容Cout。该输出二极管Dout电连接于该二次侧绕组Ws及该二枢出端O/P之间；该输出二极管Dout的阳极电连接该二次侧绕组Ws的一端，且该输出二极管Dout的阴极电连接其中一输出端O/P。该输出电容Cout电连接于该二输出端O/P之间，在本实施例中该二次侧绕组Ws的极性与该一次侧绕组Wp的极性相反。

为详细解释本发明的电源转换器，此处采用一反驰式电源转换器为例。请参阅图8所示，该第三二极管D3与该第一电容C1的连接点为一第二节点n2，该第二二极管D2的阴极与该第二电容C2的连接点为一第三节点n3。当该返驰式转换器处于一稳态时，该电源13提供一电源，该电源的电压值为Vsource，该第二节点n2的电压值为VLC，该第三节点n3的电压值为一Vclamp，且该第一节点n1的电压值为V1。

当该返驰式电源转换器处于一稳态且该开关12不导通而形成开路时，该第二节点n2的电压与该第三节点n3电压相同，或者说，VLC等于Vclamp；且该第一节点n1的电压与输入端I/P的电压相同，或者说，V1等于Vsource。该第一电容C1的跨压为Vc1，其中，Vc1为Vsource与Vclamp的差值。

请参阅图9所示，当该开关12导通而形成闭路时，该第一节点n1与该接地端等电位，例如为0伏特，且该电源提供一一次侧电流Ip，该一次侧电流Ip流经该一次侧绕组Wp、该开关12，并流进该接地端。进一步而言，此时，该第二节点n2的电压值为-Vc1，但该第三节点n3的电压不产生变动。当该第三二极管D3的阳极电压大于阴极电压时，该第三二极管D3受一顺向偏压而导通。因此，该第二电容C2得以放电以产生一电流Ic2以通过导通的该第三二极管D3对该第一电容C1充电，且该第一电感L1与该第二电容C2共振。

当该第三二极管D3的阳极电压小于阴极电压时，该第三二极管D3受一逆向偏压而不导通，因此该第二节点n2的电压不会低于该第三节点n3的电压，也就是说，当该第一电容C1放电时，该第三二极管D3维持该第二节点n2的电压至少高于该第三节点n3的电压。

进一步来说，当该第一二极管D1的阳极电压大于阴极电压时，该第一二极管D1受一顺向偏压而导通，因此，该第二节点n2的电压不会高于该电源13提供之电压，也就是说，当该第一电容C1充电时，该第一二极管D1维持该第一节点n1的电压至多不高于该输入端I/P的电压。

换言之，该LC谐振槽谐振电压不高于Vsource，该第三二极管D3避免该第一电容C1放电至低于Vclamp，且该第一二极管D1确保该第二节点n2的VLC不会高于Vsource。

请参阅图10所示，当该开关12为闭路且该返驰式电源转换器维持一稳态时，该第二电容C2完成通过该第三二极管D3对该第一电容C1的充电，且该第一电容C1的跨压接近Vsource。

请参阅图11所示，当该开关12不导通而形成开路时，该第一节点n1的电压开始上升。当该第一节点n1的电压上升时，该第一电容C1的电能经由该第一二极管D1回到该电源13中。也就是说，该第一电容C1进行放电产生一电流Ic1，该电流Ic1流经该第一二极管D1并流入该输入端I/P以将电能送回该电源13。进一步而言，该一次侧电流Ip流经该第一电容C1，以避免产生一异常电压突波。也就是说，当该第一节点n1的电压上升时，储存于该第一电容C1的电能经由该第一二极管D1送回该电源13。由于该第一节点n1的电压上升被抑制，使得该开关12从导通的闭路状态进入不导通的开路状态时，流通于该开关12的电流降为零，因此降低开关损失并提升效率。

当该开关12不导通形成开路时，流经该一次侧绕组Wp的该一次侧电流Ip与该一次侧电流Ip产生磁场的磁通量开始下降，该二次侧绕组Ws产生的电位差对该输出二极管Dout为顺向偏压，使得一输出电流Iout得以流通于该二次侧绕组Ws，该二次侧绕组Ws的电压因此得以对该输出电容Cout重新充电并对该负载14供电。

进一步来说，由于该钳位绕组Wc与该二次侧绕组Ws耦合，该钳位绕组Wc产生一相对于该接地端的偏移电压，并输出一钳位电流Iclamp通过该第二二极管D2以对该第二电容C2充电。

请参阅图12所示，图12是该第一节点n1及该第二节点n2的电压波形图。当该开关12不导通而形成开路时，该第一二极管D1形成导通，该第一电容C1因此提供一电流回路以维持该一次侧绕组Wp的电流持续流通，以避免产生一异常电压突波。

综上所述，经由将该一次侧绕组Wp至该二次侧绕组Ws的漏电感能量储存至该第二电容C2以回收该漏电感能量，类似于一RCD钳位减振器。但不同之处在于，该钳位绕组Wc是一对该一次侧绕组Wp相对该接地端的电压转换。当该开关12导通而形成闭路且能量由该第一电感L1共振至该第一电容C1时，该能量能自该第二电容C2恢复。当该开关12不导通而形成开路时，该第一电容C1减缓该开关12的开关变换时间，以降低电磁脉冲形成与减少开关损失，并将该漏感电能经由该第一二极管D1送回该电源13。

进一步来说，该第三电容C3是该一次侧绕组Wp及该钳位绕组Wc的耦合电容，目的在于由该一次侧绕组Wp取回该一次侧绕组Wp的漏感能量，且该第三电容的跨压一般来说与Vsource相同。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，包含有：

一输入端；

一变压器，包含有一一次侧绕组及一二次侧绕组，该一次侧绕组和该二次侧绕组耦合；

一开关，其中该开关与该一次侧绕组串联，且该开关与该一次侧绕组电连接于该输入端及一接地端之间；其中，该开关与该一次侧绕组的连接点为一第一节点；

二输出端，与该二次侧绕组电连接；

一低损耗减振器，包含有：一钳位绕组、一第一电感、一第一电容和一第二电容；其中，该钳位绕组与该一次侧绕组耦合且分别连接该接地端和一第二二极管的阳极；该第一电感的一端分别和该第二二极管的阴极、该第二电容的一端连接，该第一电感的另端和一第三二极管的阳极连接；该第三二极管的阴极分别和一第一二极管的一端、该第一电容的一端连接；该第一二极管另端和该输入端连接，该第一电容的另端和该第一节点连接；其中，

该第二电容电连接于该第二二极管的阴极与该接地端之间；

该第一电感电连接于该第三二极管的阳极及该第二二极管的阴极之间；

该钳位绕组电连接于该接地端及该第二二极管的阳极之间。

2.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于：

该第一二极管的阴极电连接于该输入端；

该第一电容电连接于该第一二极管的阳极及该第一节点之间；

该第三二极管的阴极与该第一二极管的阳极电连接。

3.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，该钳位绕组的极性与该一次侧绕组的极性相反。

4.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，该钳位绕组的圈数与该一次侧绕组的圈数相同，且该钳位绕组与该一次侧绕组为一双股绕线。

5.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，该低损耗减振器进一步包含：

一第三电容，电连接于该第二二极管的阳极与该第一节点之间。

6.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，该低损耗减振器进一步包含：

一第一电阻，与该第一电感并联。

7.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，该开关是一金属氧化物半导体场效应晶体管；

其中，该开关的漏极连接该第一节点，且该开关的源极该接地端。

8.如权利要求7所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，进一步包含：

一npn型双极性接面晶体管，其中，该npn型双极性接面晶体管的集极电连接一集极电源；

一pnp型双极性接面晶体管；

其中，该npn型双极性接面晶体管的射极电连接该pnp型双极性接面晶体管的射极；

其中，该pnp型双极性接面晶体管的集极电连接该接地端；

其中，该npn型双极性接面晶体管的基极电连接该pnp型双极性接面晶体管的基极；

一第二电阻，电连接于该pnp型双极性接面晶体管的射极及该金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极之间；

一驱动电路，包含一输出端，该输出端输出一驱动信号；

一第三电阻，电连接于该驱动电路的输出端及该pnp型双极性接面晶体管的基极之间。

9.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，进一步包含：

一第一输出二极管，其中该第一输出二极管的阳极与该二次侧绕组的一端电连接；

一第二输出二极管，其中该第二输出二极管的阳极与该二次侧绕组的另一端电连接，且该第二输出二极管的阴极与该第一输出二极管的阴极电连接；

一输出电容，电连接于该二输出端之间；

一输出电感，电连接于该第一输出二极管的阴极及其中一输出端之间；

其中，该二次侧绕组的极性与该一次侧绕组的极性相同。

10.如权利要求1所述的具有低损耗减振器的电源转换器，其特征在于，进一步包含：

一输出二极管，电连接于该二次侧绕组及该二输出端之间；其中该输出二极管的阳极与该二次侧绕组的一端电连接，且该输出二极管的阴极与该二输出端的其中一输出端电连接；

一输出电容，电连接于该二输出端之间；

其中，该二次侧绕组的极性与该一次侧绕组的极性相反。

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