CN111614243B - 电源转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源转换装置。电源转换装置包括主变压电路、功率开关、辅助变压器、谐振电路以及开关电路。当功率开关被导通时，开关电路依据主变压电路的输出电容所存储的能量被致能，使得关联于在主变压器的二次侧的能量经由辅助变压器被耦合到谐振电路，使谐振电路获得耦合能量。当功率开关被断开时，谐振电路与功率开关的寄生电容依据耦合能量形成耦接到电源侧的接地端的谐振回路。

Description

电源转换装置
技术领域
本发明涉及一种电源转换装置，尤其涉及一种防止在功率开关上产生电压突波的电源转换装置。
背景技术
常见的电压转换电路，例如返驰式(flyback)电压转换电路的功率开关切换操作大多是以硬切模式来进行，如此会因为电压转换电路内部的变压器的电感而使得在功率开关上产生高频振铃(Ring)的电压突波(voltage spike)。电压突波会提高功率开关的损坏机率。进一步来说，在发生电压突波时，功率开关可能会被电压突波的高电压所击穿。因此就必须选用更耐高压的功率开关。此外，高频振铃还会造成电路噪声、电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)等问题，甚至会发生电压转换电路或周边电路的误操作。
为了解决上述的问题，常见的作法是在开关或变压器上额外增加缓振电路，例如是由电阻以及电容所构成的电阻-电容缓振电路(RC snubber)，或是由电阻、电容、二极管所构成的电阻-电容-二极管缓振电路(RCD snubber)，甚至是通过主动箝位(ActiveClamping)的方式来抑制电压突波。然而，上述的方法会降低电压转换效率或提高电路设计的困难度。
发明内容
本发明提供一种可防止在功率开关上产生高频振铃的电压突波的电源转换装置。
本发明的电源转换装置包括主变压电路、功率开关、辅助变压器、谐振电路以及开关电路。主变压电路包括主变压器、耦接于主变压电路的一次侧与电源侧之间的主漏感、耦接于主变压电路的二次侧的输出电容以及输出二极管。输出二极管的阳极耦接于主变压电路的二次侧，输出二极管的阴极耦接于输出电容。功率开关耦接于主变压电路的一次侧与电源侧的接地端之间。功率开关用以通过接收开关信号而被导通或被断开。辅助变压器的二次侧耦接于主变压电路的二次侧。谐振电路耦接于功率开关以及辅助变压器的一次侧。开关电路耦接于主变压电路的二次侧。当功率开关被导通时，输出二极管被断开，开关电路依据输出电容所存储的能量被致能，使得关联于在主变压器的二次侧的电压差的能量经由辅助变压器被耦合到谐振电路，从而使谐振电路获得耦合能量。当功率开关被断开时，谐振电路与功率开关的第一端与功率开关第二端之间的寄生电容依据耦合能量形成耦接到电源侧的接地端的谐振回路。
基于上述，本发明的电源转换装置是当功率开关被导通时，开关电路会依据主变压电路的输出电容所存储的能量而被致能，使得关联于在输出二极管的阳极以及阴极之间的电压差的能量经由辅助变压器被耦合到谐振电路，使谐振电路获得耦合能量。在当功率开关被断开时，谐振电路与功率开关的寄生电容依据耦合能量形成耦接到电源侧的接地端的谐振回路。如此一来，电源转换装置可通过谐振回路将寄生电容的能量传导到电源侧的接地端，藉以防止在功率开关上产生高频振铃的电压突波。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依据本发明一实施例所示出的电源转换装置的示意图。
图2是依据图1的实施例所示出的电源转换装置的示意图。
图3是依据本发明的一实施例所示出的电源转换装置的时序图。
图4是依据本发明的一实施例所示出的谐振回路的等效示意图。
【符号说明】
100：电源转换装置
110：主变压电路
120：功率开关
130：辅助变压器
140：谐振电路
150：开关电路
Co：输出电容
Coss：寄生电容
Cr：谐振电容
Daux：辅助二极管
Do：输出二极管
GND1：电源侧的接地端
GND2：输出侧的接地端
Ir：谐振电流
Laux_m：辅助激磁电感
Laux_r：辅助漏感
Lr：主漏感
n11、n12、n21、n22、na11、na12、na21、na22：节点
R：旁路电阻
SS：开关信号
SW：晶体管开关
t：时间
T1、T2、T3：时间区间
TR：主变压器
Vaux：电感电压
VDS：功率开关的漏极与源极之间的电压
VDO：输出二极管两端的电压
VGS：功率开关的栅极与源极之间的电压
Vin：电源侧
Vout：输出侧
具体实施方式
请参考图1，图1是依据本发明的第一实施例所示出的电源转换装置的示意图。在本实施例中，本发明的电源转换装置100包括主变压电路110、功率开关120、辅助变压器130、谐振电路140以及开关电路150。主变压电路110包括主变压器TR、耦接于主变压器TR的一次侧与电源侧Vin之间的主漏感Lr、耦接于主变压器TR的二次侧的输出电容Co以及输出二极管Do。电源转换装置100可适用于适配器(Adapter)。输出二极管Do的阳极耦接于主变压器TR的二次侧，输出二极管Do的阴极耦接于输出电容Co。详细来说，主变压器TR的一次侧具有主变压器TR的节点n11、n12。主变压器TR的二次侧具有主变压器TR的节点n21、n22。主漏感Lr耦接于电源侧Vin与主变压器TR的节点n11之间。输出二极管Do的阳极耦接于主变压器TR的节点n21。输出二极管Do的阴极耦接于输出电容Co的第一端。输出电容Co的第二端耦接于输出侧Vout的接地端GND2。
功率开关120耦接于主变压器TR的一次侧与电源侧Vin的接地端GND1之间。也就是说，功率开关120的第一端耦接于主变压器TR的节点n12。功率开关120的第二端耦接于电源侧Vin的接地端GND1。功率开关120用以通过接收开关信号SS而被导通或被断开。举例来说，功率开关120可以是N型金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)。功率开关120的第一端是漏极。功率开关120的第二端是源极。而功率开关120的控制端是栅极。当功率开关120的控制端接收高电压电平的开关信号SS时，功率开关120被导通。在另一方面，当功率开关120的控制端接收低电压电平的开关信号SS时，功率开关120则被断开。本发明的功率开关可以是由任何形式的晶体管开关来实现，并不以本实施例为限。
在本实施例中，辅助变压器130的二次侧耦接于主变压器TR的二次侧。谐振电路140耦接于功率开关120以及辅助变压器130的一次侧之间。开关电路150耦接于主变压器TR的二次侧。详细来说，辅助变压器130的一次侧具有节点na11、na12。辅助变压器130的二次侧具有节点na21、na22。辅助变压器130的节点na21耦接于主变压器TR的节点n21。辅助变压器130的节点na22耦接于开关电路150。辅助变压器130的节点na11、na12耦接于谐振电路140。
在本实施例中，当功率开关120被导通时，输出二极管Do被断开。此时，开关电路150依据输出电容Co所存储的能量被致能。也就是说，开关电路150会依据输出电容Co在前一状态(即，功率开关120被断开时的状态)所存储的高电平电压被致能。在开关电路150被致能时，辅助变压器130的二次侧会接收到关联于在主变压器TR的二次侧的能量，并且将上述的能量耦合到谐振电路140，从而使谐振电路140获得耦合能量。详细来说，辅助变压器130的二次侧进一步耦接于输出二极管Do的阳极与开关电路150之间。因此当功率开关120被导通时，辅助变压器130会从辅助变压器130本身的二次侧将输出电容Co所存储的电压与输出二极管Do的阳极处的电压的电压差耦合到辅助变压器130的一次侧，使谐振电路140获得耦合能量。接下来，当功率开关120被断开时，谐振电路140与耦接于功率开关120的第一端、第二端之间的寄生电容Coss会依据耦合能量形成耦接到电源侧Vin的接地端GND1的谐振回路。
在此值得一提的是，电源转换装置100是当功率开关120被导通时，开关电路150会依据输出电容Co所存储的能量而被致能，使关联于在输出二极管Do的阳极以及阴极之间的电压差的能量经由辅助变压器130被耦合到谐振电路140，使谐振电路140获得耦合能量。在当功率开关120被断开时，谐振电路140与寄生电容Coss依据耦合能量形成耦接到电源侧Vin的接地端GND1的谐振回路。如此一来，电源转换装置100可通过谐振回路将寄生电容Coss的能量传导到电源侧Vin的接地端GND1，从而防止在功率开关120上产生高频振铃的电压突波，藉以降低电路噪声、电磁干扰发生的机会，并降低功率开关120被电压突波破坏的风险。
进一步来说明，请同时参考图2以及图3，图2是依据图1的实施例所示出的电源转换装置的示意图。图3是依据本发明的一实施例所示出的电源转换装置的时序图。在本实施例中，开关电路150包括晶体管开关SW。晶体管开关SW的第一端耦接于输出二极管Do的阴极，晶体管开关SW的第二端耦接于辅助变压器130的二次侧，晶体管开关SW的控制端用以接收输出电容Co所存储的能量。举例来说，晶体管开关SW可以是N型金属氧化物半导体场效晶体管。晶体管开关SW的第一端是漏极。晶体管开关SW的第二端是源极。而晶体管开关SW的控制端是栅极。晶体管开关SW可依据输出电容Co所存储的高电压电平被导通。在另一方面，晶体管开关SW可依据输出电容Co所存储的低电压电平被断开。本发明的晶体管开关可以是由任何形式的晶体管开关来实现，并不以本实施例为限。
在本实施例中，谐振电路140包括辅助二极管Daux、辅助漏感Laux_r、辅助激磁电感Laux_m以及谐振电容Cr。辅助二极管Daux的阳极耦接于功率开关120的第一端。辅助漏感Laux_r的第一端耦接于辅助二极管Daux的阴极。辅助激磁电感Laux_m的第一端耦接于辅助漏感Laux_r的第一端，并且辅助激磁电感Laux_m并联于辅助变压器130的一次侧。也就是说，辅助激磁电感Laux_m的第一端还耦接于辅助变压器130的节点na11，并且辅助激磁电感Laux_m的第二端还耦接于辅助变压器130的节点na12。谐振电容Cr的第一端耦接于辅助激磁电感Laux_m的第二端，谐振电容Cr的第二端耦接于功率开关120的第二端以及电源侧Vin的接地端GND1。也就是说，辅助二极管Daux、辅助漏感Laux_r、辅助激磁电感Laux_m以及谐振电容Cr是彼此串联耦接。
在本实施例中，在时间区间T1，功率开关120接收到高电压电平的开关信号SS，功率开关120的栅极与源极之间的电压VGS的电压值呈现高电平状态，这使得功率开关120被导通。功率开关120的漏极与源极之间的电压VDS的电压值呈现低电平状态。同时输出二极管Do的阳极呈现低电平状态。由于输出电容Co存储在时间区间T1之前所接收到的能量，因此在输出二极管Do的阴极会有较高的电压电平，如此位于输出二极管Do两端的电压VDO的电压值会小于0并且二极管Do被截止。此时开关电路150会依据输出电容Co存储在时间区间T1之前所接收到的能量而被致能。辅助变压器130的二次侧会接收到关联于在主变压器TR的二次侧的能量，使谐振电路140获得对应于主变压器TR的二次侧的能量的耦合能量。因此，辅助激磁电感Laux_m能够获得耦合能量，并且在辅助激磁电感Laux_m的第一端与第二端之间产生电感电压Vaux。辅助二极管Daux依据辅助激磁电感Laux_m所接收到的耦合能量而被截止，使得谐振电流Ir不会被产生。也就是说，辅助二极管Daux会因为辅助激磁电感Laux_m所接收到的耦合能量大于寄生电容Coss所存储的能量而被截止，这使得谐振电流Ir不会被产生。
在时间区间T2，功率开关120接收到低电压电平的开关信号SS，功率开关120的栅极与源极之间的电压VGS的电压值呈现低电平状态，这使得功率开关120被断开。功率开关120的漏极与源极之间的电压VDS的电压值呈现高电平状态。输出二极管Do被导通使得输出二极管Do两端的电压VDO的电压值会等于输出二极管Do本身的阈值电压。由于输出二极管Do本身的阈值电压较小，因此在时间区间T2开始时，辅助变压器130不动作。这使得在辅助激磁电感Laux_m的第一端与第二端之间的能量(即，电感电压Vaux)会因为感应电流的产生而使辅助二极管Daux被导通，藉以形成耦接到电源侧Vin的接地端GND1的谐振回路。此外，谐振电流Ir也被产生。
此外，视设计的需要，开关电路150可进一步包括旁路电阻R。本实施例可通过旁路电阻R更能确保辅助变压器130在时间区间T1动作并且在时间区间T2不动作。
请参考图4，图4是依据本发明的一实施例所示出的谐振回路的等效示意图。谐振回路是通过寄生电容Coss、被导通的辅助二极管(图4未示出)、辅助漏感Laux_r、辅助激磁电感Laux_m以及谐振电容Cr所产生的回路。在此值得一提的是，寄生电容Coss因为谐振回路中的谐振而无法与主变压电路110的主漏感Lr进行谐振。因此存储在寄生电容Coss的能量能够经由被导通的辅助二极管、辅助漏感Laux_r、辅助激磁电感Laux_m以及谐振电容Cr的传导路径被快速地传导到电源侧Vin的接地端GND1，藉以防止在功率开关120上产生高频振铃的电压突波。
请再回到图2以及图3的实施例，由于谐振回路形成在时间区间T2开始时产生，因此功率开关120被断开时不会产生高频振铃的电压突波。
接下来说明谐振电路140的设计，请再同时参考图2以及图3的实施例，在本实施例中，辅助漏感Laux_r的电感值、辅助激磁电感Laux_m的电感值以及谐振电容Cr的电容值会被设计，藉以在谐振回路被产生后，使得辅助漏感Laux_r以及辅助激磁电感Laux_m所消耗的能量能够大于寄生电容Coss以及谐振电容Cr所存储的能量。
进一步来说，为了达到在谐振回路被产生后，使得辅助漏感Laux_r以及辅助激磁电感Laux_m所消耗的能量能够大于寄生电容Coss以及谐振电容Cr所存储的能量，可依据公式(1)、公式(2)以及公式(3)来获知辅助漏感Laux_r的电感值、辅助激磁电感Laux_m的电感值以及谐振电容Cr的电容值的设计关系。
Lm＝l_Laux_r+l_Laux_m 公式(1)
Figure BDA0001977111100000081
Figure BDA0001977111100000082
其中Lm被表示为谐振回路的总电感值，l_Laux_r被表示为辅助漏感Laux_r的电感值，l_Laux_m被表示为辅助激磁电感Laux_m的电感值，Cm被表示为谐振回路的总电容值，c_Cr被表示为谐振电容Cr的电容值，c_Coss被表示为寄生电容Coss的电容值，i_Ir被表示为谐振电流Ir的电流值，v_Coss被表示为寄生电容Coss两端之间的电压值。
如公式(3)所示，公式(3)说明了在谐振回路中的总电感消耗能量必须大于总电容存储能量。由此可知，在依据公式(1)、公式(2)以及公式(3)获知辅助漏感Laux_r的电感值、辅助激磁电感Laux_m的电感值以及谐振电容Cr的电容值的设计关系后，谐振回路电感消耗能量会大于总电容存储能量。因此，功率开关120的漏极与源极之间的电压VDS能够在时间区间T2结束前被下拉到零电位。因此，谐振回路能够使存储在寄生电容Coss中的能量能通过谐振电流Ir完全被释放。如此一来，在进入时间区间T3时，功率开关120具有零电压切换(Zero Voltage Switching，ZVS)的特性，进而提升电压转换效率。
除此之外，在本实施例中，在时间区间T2，如公式(4)所示，谐振回路的谐振电流Ir的谐振频率可通过谐振回路的总电感值以及总电容值来获知。
Figure BDA0001977111100000091
其中fr被表示为谐振频率。谐振周期是谐振频率的倒数，因此时间区间T2的时间长度可以由谐振周期来决定。
综上所述，本发明的电源转换装置在当功率开关被导通时，开关电路会依据主变压电路的输出电容所存储的能量而被致能，使关联于在输出二极管的阳极以及阴极之间的电压差的能量经由辅助变压器被耦合到谐振电路，使谐振电路获得耦合能量。在当功率开关被断开时，谐振电路与功率开关的寄生电容依据耦合能量形成耦接到电源侧的接地端的谐振回路。如此一来，电源转换装置可通过谐振回路将寄生电容的能量传导到电源侧的接地端，从而防止在功率开关上产生高频振铃的电压突波，藉以降低电路噪声、电磁干扰发生的机会，并降低功率开关被电压突波破坏的风险。除此之外，在谐振回路被形成时，谐振回路能够使存储在寄生电容中的能量能通过谐振电流完全被释放。如此一来，功率开关具有零电压切换的特性，进而提升电压转换效率。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (8)

1.一种电源转换装置，包括主变压电路，其中所述主变压电路包括主变压器、耦接于所述主变压器的一次侧与电源侧之间的主漏感、耦接于所述主变压器的二次侧的输出电容以及输出二极管，其中所述输出二极管的阳极耦接于所述主变压器的二次侧，所述输出二极管的阴极耦接于所述输出电容，其特征在于，所述电源转换装置还包括：
功率开关，耦接于所述主变压器的一次侧与所述电源侧的接地端之间，用以通过接收开关信号而被导通或被断开；
辅助变压器，所述辅助变压器的二次侧耦接于所述主变压器的二次侧；
谐振电路，耦接于所述功率开关以及所述辅助变压器的一次侧；以及
开关电路，耦接于所述主变压器的二次侧，其中当所述功率开关被导通时，所述输出二极管被断开，所述开关电路依据所述输出电容所存储的能量被致能，使得关联于在所述主变压器的二次侧的能量经由所述辅助变压器被耦合到所述谐振电路，从而使所述谐振电路获得耦合能量，
其中当所述功率开关被断开时，所述谐振电路与所述功率开关的第一端与所述功率开关第二端之间的寄生电容依据所述耦合能量形成耦接到所述电源侧的接地端的谐振回路，
其中所述开关电路包括：
晶体管开关，所述晶体管开关的第一端耦接于所述输出二极管的阴极，所述晶体管开关的第二端耦接于所述辅助变压器的二次侧，所述晶体管开关的控制端用以接收所述输出电容所存储的能量，
其中所述谐振电路包括：
辅助二极管，所述辅助二极管的阳极耦接于所述功率开关的第一端；
辅助漏感，所述辅助漏感的第一端耦接于所述辅助二极管的阴极；
辅助激磁电感，所述辅助激磁电感的第一端耦接于所述辅助漏感的第一端，并且所述辅助激磁电感并联于所述辅助变压器的一次侧；以及
谐振电容，所述谐振电容的第一端耦接于所述辅助激磁电感的第二端，所述谐振电容的第二端耦接于所述功率开关的第二端以及所述电源侧的接地端。
2.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述谐振回路中的总电感消耗能量大于总电容存储能量。
3.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于：
所述辅助变压器的二次侧进一步耦接于所述输出二极管的阳极与所述开关电路之间，
当所述功率开关被导通时，所述辅助变压器从所述辅助变压器的二次侧将所述输出电容所存储的电压与所述输出二极管的阳极处的电压的电压差耦合到所述辅助变压器的一次侧，使所述谐振电路获得所述耦合能量。
4.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述晶体管开关依据所述输出电容所存储的高电压电平被导通以致能所述开关电路。
5.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，其中当所述功率开关被导通时，所述辅助二极管依据所述辅助激磁电感所接收到的所述耦合能量而被截止。
6.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，其中当所述功率开关被断开时，所述辅助二极管依据所述耦合能量以及感应电流的产生而被导通，藉以产生所述谐振回路。
7.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述谐振回路是通过所述寄生电容、被导通的所述辅助二极管、所述辅助漏感、所述辅助激磁电感以及所述谐振电容所产生的回路。
8.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，所述谐振回路被产生时，所述辅助漏感以及所述辅助激磁电感所消耗的能量大于所述寄生电容以及所述谐振电容所存储的能量。
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