CN1447504A - 具有集成磁元件与同步整流的直流－直流转换器 - Google Patents

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Abstract

一种具有集成磁元件与同步整流的直流－直流转换器，包含：分别电连接直流电压和负载的一输入端和输出端；一集成磁元件，具有构成一变压器的一次侧线圈、二次侧线圈及作为滤波电感的辅助线圈；一电连接输入端的切换电路，将直流电压切换输出，周期性地分别提供一正电压与一负电压的脉波至一次侧线圈，以在切换周期的第一时区提供正电压的脉波储能于一次侧线圈，而在第二时区，切换电路提供负电压的脉波，释放一次侧线圈的储能，切换电路还包含一箝位电路，以限制在第二时区在变压器上的跨压大小；以及一电连接二次侧线圈的同步整流电路，将电能输出至输出端，辅助线圈耦合在同步整流电路与输出端之间，对同步整流电路的一输出讯号进行滤波。

Description

具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器
(1)技术领域
本发明有关一种直流-直流转换器，尤指应用一具有集成磁元件与同步整流电路的直流-直流转换器。
(2)背景技术
随着半导体工业的进步，微细线宽(fine pitch)芯片制程技术日渐成熟，已可符合目前现有市场的需求，因此芯片的集成度可大幅增加，且可获得较佳的电子特性。当线宽十分微小时(亦即该线宽小于或等于0.25μm)，则集成电路(IC)的工作电压会由2.5V，1.8V，或是1.5V减少至低于1V。当更多晶体管被整合至一集成电路(IC)中时，则该集成电路本身需要较高的操作电流。当切换式功率转换器传送电能以驱动该集成电路，由于整流电路需要高导通电流以及连接线的长度皆会降低功率转换的效率。其中在功率转换器实现中有一项很重要的关键因素为单位体积的功率密度大小。
在习知技术中可利用一同步整流电路以改善低电压、高电流功率转换器的输出效率。然而，现今功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘闸双极性晶体管(IGBT)已完全可代替功率晶体管中小电流的二极管，使开关电源工作频率可达到400kHz(AC-DC转换器)和1MHZ(DC-DC)转换器，因此可以达到切换电源高频化的实现。另外，超快恢复功率二极管和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)同步整流技术的开发，也为研制高效低电压输出(≤3V)的切换电源提高了可行性。因此，该同步整流电路中所使用的主动元件已可使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)取代传统使用的萧特基二极管(Schottky diode)。同时，由于该同步整流电路导通时的电压降远低于二极管导通时的电压降，因此可减少整流电路的导通损失。
在习知技术中另一种减少功率转换器导通损失并提高功率转换器效率的实现方式已揭示于美国专利号4,803,609中，在该专利中是揭示-″直流-直流转换器″(DC-to-DC converter)，该直流-直流转换器是整合一变压器与一电感器以降低储能元件的大小、减少二次侧的导通损失与连接线的长度。
另一习知技术也已揭示于美国专利号4,441,146中，该专利是揭示一″最佳化重组的单端前向式转换器变压器铁心结构″，藉由在每个切换周期中达到切换装置与变压器的最大能量转换，以改善功率转换器能量转换的特性并提高功率转换器的效率。该技术是利用箝位模式技术以减少主要开关元件的功率损失以及回收变压器的漏感电能，以提高功率转换器的效率。同时，在美国专利号5,303,138中亦揭示一″低功率损失的同步整流箝位模式功率转换器″，该技术是结合同步整流技术以及箝位控制技术以提供高功率转换效率。
然而上述技术，虽皆可提高功率转换效率，但并无任何一种技术能够涵盖上述技术能达到的所有优点。另外，随着切换频率的增加，变压器铁心的功率损失将会成为功率转换器功率损失十分明显重要的因素。因此为达到高功率、高功率密度的目的，主要切换开关功率损失、同步整流功率损失、变压器绕组功率损失以及变压器铁心的功率损失都必须得以降低。
鉴于习知技术的缺失，需要有一种『具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器』，以实现一最佳化的低电压、高电流输出的直流-直流转换器。
(3)发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器，是利用一集成磁元件包含一铁心，将一变压器以及该直流-直流转换器所需的滤波电感集成于该铁心上以构成该集成磁元件，以提高功率转换器的效率以及在相同的功率密度(power density)下缩小该功率转换器的体积。
本发明的另一目的在于提供一种具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器，该直流-直流转换器提供一低电压以及高电流输出，利用该集成磁元件与同步整流的整合装置以及一箝位电路以减少主切换电路的切换损失、同步整流电路的导通损失以及变压器线圈损失与铁心损失。
根据本发明的构想，一种直流-直流转换器，包含：一输入端，是电连接一直流电压；一输出端，是电连接一负载，输出一电能至该负载；一集成磁元件，具有一一次侧线圈、一二次侧线圈以及一辅助线圈，该一次侧线圈、该二次侧线圈是构成一变压器，该辅助线圈是作为一滤波电感；一切换电路，是电连接该输入端，将该直流电压切换输出，周期性提供一正电压与一负电压的脉波至该一次侧线圈，在该转换器的一切换周期的一第一时区，该切换电路提供该正电压的脉波储能于该一次侧线圈，在该转换器切换周期的一第二时区，该切换电路提供该负电压的脉波，重置(reset)该一次侧线圈；以及一同步整流电路，是电连接该二次侧线圈，利用该二次侧线圈的电能在该切换周期的该第一时区与第二时区，使该同步整流电路导通，将该电能输出至该输出端，其中该辅助线圈是耦合介于该同步整流电路与该输出端之间，作为该滤波电感，对该同步整流电路的输出讯号进行滤波。
根据上述的构想，其中该集成磁元件还包含一铁心，是将该变压器以及该滤波电感集成于该铁心上以构成该集成磁元件，且该集成磁元件具有一高磁阻磁路以及一低磁阻磁路共用一共有路径，在该切换周期的该第一时区，经由该低磁阻磁路将电能由该一次侧线圈传送至该二次侧线圈，且部分电能储存于该高磁阻磁路。
根据上述的构想，其中在该切换周期的该第二时区，藉由该辅助线圈将储存于该高磁阻磁路的电能由该集成磁元件传送至该同步整流电路。
根据上述的构想，其中该共有路径还包含一气隙以减少一输出电流涟波(current ripple)。
根据上述的构想，其中该切换电路还包含一箝位电路，以限制在该切换周期的该第二时区时该变压器上的跨压大小。
根据上述的构想，其中该同步整流电路包含：一第一同步整流电路，在该切换周期的该第一时区，因该二次侧线圈的能量而导通，将该电能传送至该输出端；以及一第二同步整流电路，在该切换周期的该第二时区，因该二次侧线圈的能量而导通，将该电能传送至该输出端。
根据上述的构想，其中该同步整流电路包含：一第一同步整流电路，具有一控制端，因该二次侧线圈的电压而周期性偏压导通，使该第一同步整流电路将一导通电流由二次侧线圈传送至该输出端；以及一第二同步整流电路，当该第一同步整流电路不导通时，因该二次侧线圈的电压而周期性偏压导通，使该第二同步整流电路将该导通电流由二次侧线圈传送至该输出端。
根据上述的构想，其中该第一同步整流电路是为一第一开关，该第二同步整流电路是为一第二开关，该第一开关以及该第二开关分别具有一控制端、一第一导电端以及一第二导电端，该第一开关的该控制端是电连接该第二开关的该第一导电端形成该同步整流电路的第一输入端，该第二开关的该控制端是电连接该第一开关的该第一导电端形成该同步整流电路的第二输入端，该输入端是与该二次侧电连接，又该开关的该第二导电端是电连接于一节点为该同步整流电路的一输出端。
根据上述的构想，其中该开关是为一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
本发明的另一构想在于提供一种直流-直流转换器，包含：一输入端，是电连接一直流电压；一输出端，是电连接一负载，输出电能至该负载；一集成磁元件，具有一一次侧线圈、一二次侧线圈以及一辅助线圈，该一次侧线圈、该二次侧线圈是构成一变压器，该辅助线圈是作为一滤波电感；一切换电路，是电连接该输入端，将该直流电压切换输出，周期性提供一正电压与一负电压的脉波至该一次侧线圈，在该转换器的一切换周期的一第一时区，该切换电路提供该正电压的脉波储能于该一次侧线圈，在该转换器切换周期的一第二时区，该切换电路提供该负电压的脉波，释放该一次侧线圈的储能，其中，该切换电路还包含一箝位电路，以限制在该切换周期的该第二时区在该变压器上的跨压大小；以及一同步整流电路，是电连接该二次侧线圈，利用该二次侧线圈的电能在该切换周期的该第一时区与第二时区，使该同步整流电路导通，将该电能输出至该输出端，其中该辅助线圈是耦合在该同步整流电路与该输出端之间，作为该滤波电感，对该同步整流电路的一输出讯号进行滤波。
为更清楚理解本发明的目的、特点和优点，下面将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。
(4)附图说明
图1是本发明较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路方块图；
图2是本发明第一较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图；
图3是本发明第二较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图；
图4是图2与图3的等效电路图；
图5是本发明第三较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图；
图6是图5的等效电路图；
图7是本发明第四较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图；
图8是图7的等效电路图；
图9是本发明第五较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图；
图10是本发明第六较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图；
图11是本发明第七较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图；以及
图12是图11的等效电路图。
(5)具体实施方式
请参阅图1，图1是本发明的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路方块图。如图1所示，一直流电压，例如220伏特(volts)，是通过二导线104，105电连接一箝位控制模式功率转换器(power converter)101。该直流电压经切换输出一脉波讯号，该脉波讯号经由该导线106，107传送至一集成磁元件102。该集成磁元件102将该脉波讯号转换输出产生一低电压、高电流的一电讯号，并将该低电压、高电流的电讯号经由该导线108，109传送至该同步整流电路103。由该同步整流电路将该电讯号整流，经由该导线110，111输出并经由一滤波电容112滤波，提供一无涟波(ripple)的直流输出电压。该集成磁元件102还包含该直流一直流转换器所需的一滤波电感用以滤波该变压器二次侧所送出该电讯号。
本发明是为一切换式电源供应器。该切换式电源供应器可为一单一切换开关的主动箝位控制电源供应器，如图9以及图10所示。或是为一双切换开关的主动箝位控制电源供应器，如图2~图3、图5、图7以及图11所示。
请参阅图2，图2是本发明第一较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图。如图2所示，一直流电压经由导线204，205跨压在一全桥切换电路201，其中开关213，214在电力转换器的一切换周期的一第一时区是同时导通，并经由导线206，207提供一正电压至一集成磁元件202的一一次侧线圈218。开关215，216在电力转换器的该切换周期的一第二时区是同时导通，并经由导线206，207提供一负电压以重置(reset)该集成磁元件202的该一次侧线圈218。该开关213，214与该开关215，216的导通是为互补导通，亦即不同时导通，以避免该切换电路的短路。该全桥切换电路201还包含一箝位电容217是与该开关215串联连接，在该开关213，214不导通时，限制一重置(reset)电压在该集成磁元件202的跨压大小为一定值。
然而，该该集成磁元件202具有该一次侧线圈218、一二次侧线圈219以及一辅助线圈220，该一次侧线圈218、该二次侧线圈219是构成一变压器，该辅助线圈220是作为一滤波电感。
该集成磁元件202还包含一铁心，是将该变压器以及该滤波电感集成于该铁心上以构成该集成磁元件202，且该集成磁元件202具有一高磁阻磁路B以及一低磁阻磁路A共用一共有路径225，在该切换周期的该第一时区，经由该低磁阻磁路A将电能由该一次侧线圈218传送至该二次侧线圈219，且部分电能储存于该高磁阻磁路B。
其中，在该切换周期的该第二时区，藉由该辅助线圈220将储存于该高磁阻磁路B的电能由该集成磁元件202传送至该同步整流电路203。因此，该该辅助线圈220可提供该电力转换器部分或是所有的输出滤波电感。
另外，一气隙221是设置于该集成磁元件202的一中间脚(center leg)222以及该集成磁元件202的底部构件之间。该气隙221的位置可另有不同的设计，无须局限设置于中间脚，在后续实施例将有更进一步的说明。该一次侧线圈218与该二次侧线圈219是绕组在一该铁心的外边脚(outside leg)上。由法拉第电压感应定律，因该一次侧线圈218的交流电流而产生激磁能量，根据磁路路径的不同，而分别产生该高磁阻磁路B以及该低磁阻磁路A，其中该高磁阻磁路B是通过该气隙221。因此，该高磁阻磁路B与该辅助线圈220是构成该输出滤波电感，而该低磁阻磁路A与该一次侧线圈218、该二次侧线圈219构成该变压器。
该二次侧线圈219的输出电讯号是经由导线208，209传送至一同步整流电路203。该同步整流电路203包含一第一同步整流器223以及一第二同步整流器224。该第一同步整流器223是电连接该二次侧线圈219，于该切换周期的该第一时区时因该二次侧线圈219的电压触发导通。且，该第二同步整流器224是电连接该二次侧线圈219，于该切换周期的该第二时区时因该二次侧线圈219的电压触发导通。因此，该二次侧线圈219的电压是用以驱动该同步整流电路203，使得该同步整流电路203的驱动能量能够被再生回复，减小驱动能量的损失，并且该同步整流电路203的驱动讯号的停滞时间(deadtime)可被减小。自该同步整流电路203输出的电讯号经导线210，211传送至该滤波电容212进行滤波，提供一无涟波的直流输出电压。
请参阅图3，图3是本发明第二较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图。该气隙221是设置于集成磁元件202的外边脚以及该集成磁元件202的底部构件之间，藉以形成高磁阻磁路B。该一次侧线圈218与该二次侧线圈219是绕组在该铁心的中间脚上。图4是图2与图3的等效电路图。此为一具有同步整流电路与集成磁元件的双开关主动箝位式的前向式转换器(forward converter)。
请参阅图5，图5是本发明第三较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图。该一次侧线圈218与该二次侧线圈219是绕组在该铁心的该中心脚以构成该变压器。该气隙是设置于该铁心的任一外边脚，藉以形成高磁阻磁路B。该高磁阻磁路B与该辅助线圈220是构成该输出滤波电感的功能。另一气隙是设置于另一外边脚，使得该变压器与该电感器可相互耦合成该集成磁元件。所以能够因为该气隙的调整而减少该输出电流涟波。但是其缺点是该一次侧线圈的磁化电流将会增加且造成更多导通损失。
请参阅图6，图6是图5的等效电路图。该电力转换器的输出电路是为一倍流整流器(current doublers type rectifier)。
对于许多设备，该变压器的该二次侧线圈需要应用较多的线圈。在此实施例，可以通过二次侧线圈的抽头来获得输出滤波电感。
图7是本发明第四较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图。如图7所示，该二次侧线圈具有两个线圈，其中一线圈是作为该输出滤波电感的功能。图8是图7的等效电路图。既然该变压器的磁化电感可作为该输出滤波电感，则必需有一气隙设置于该低磁阻磁路A上，以避免该铁心饱和。
图9与图10是分别为本发明第五与第六较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图。如图9与图10所示，该电力转换气隙应用一单一开关的主动箝位电路，其功能与双开关的主动箝位电路相同。在该切换周期的第一时区，该开关227导通，且该开关226关闭，使得电能可以由该直流电压传送至该集成磁元件。在该切换周期的第二时区，该开关226导通，且该开关227关闭以重置(reset)该变压器。因此，产生一可调整空闲度(duty cycle)的方波讯号藉由该开关的导通传送至该变压器的该一次侧线圈。如图9所示，该气隙是设置于该集成磁元件的该中心脚。如图10所示，该气隙设置于该中心脚与该外边脚。
请参阅图11，图11是本发明第七较佳实施例的具有集成磁元件与同步整流的直流-直流转换器的电路示意图。在图11中，该电力变换器具有两个额外辅助线圈228，229，该辅助线圈228，229是绕组在低磁阻磁路上，用以提供一全方波讯号(full square wave signals)以驱动该同步整流电路。图12是图11的等效电路图。
根据上述的描述，本发明是提供一种具有集成磁元件与同步整流的主动箝位式直流-直流转换器。其优点分别陈述如下：
(1)一箝位控制模式切换电路提供一全方波讯号以驱动一集成磁元件，在高磁阻磁路与低磁阻磁路中线性增减交流磁通。加上高磁阻磁路与低磁阻磁路共用一共有路径，在该共有路径中磁通可相互抵销。因此，可降低铁心损失。
(2)一次侧线圈、二次侧线圈以及辅助线圈其相关位置可尽可能接近，减少因连接导线所形成杂散因素(stray parameters)的干扰。并且减少所需的滤波电容与滤波电感。该集成磁元件同时提供了变压器以及输出滤波电感的功能。所以二次侧线圈与辅助线圈的共有路径可减少。因此，绕组损失可降低。
(3)既然变压器与输出滤波电感的功能均被整合在一单一磁元件，因此本发明可提供一简单与紧密构造的电力转换器以提高电力转换器的功率密度(power density)与效率。
(4)另一方面，因本发明是整合应用具有集成磁元件、同步整流与主动箝位模式的直流-直流转换器，所以切换损失、同步整流损失以及变压器绕组损失与变压器铁心损失皆可降低。
综合上述，本发明可提供一种具有集成磁元件、同步整流与主动箝位模式的直流-直流转换器以减少该直流-直流转换器的切换损失、同步整流损失以及变压器绕组损失与变压器铁心损失，因此得以解决习知技术的缺点，进而实现本发明的研发目的。

Claims (10)

1.一种直流-直流转换器，其特征在于，包含：
一输入端，是电连接一直流电压；
一输出端，是电连接一负载，输出一电能至该负载；
一集成磁元件，具有一一次侧线圈、一二次侧线圈以及一辅助线圈，该一次侧线圈、该二次侧线圈是构成一变压器，该辅助线圈是作为一滤波电感；
一切换电路，是电连接该输入端，将该直流电压切换输出，周期性提供一正电压与一负电压的脉波至该一次侧线圈，在该转换器的一切换周期的一第一时区，该切换电路提供该正电压的脉波储能于该一次侧线圈，在该转换器切换周期的一第二时区，该切换电路提供该负电压的脉波，重置该一次侧线圈；以及
一同步整流电路，是电连接该二次侧线圈，利用该二次侧线圈的电能在该切换周期的该第一时区与第二时区使该同步整流电路导通，将该电能输出至该输出端，其中该辅助线圈是耦合介于该同步整流电路与该输出端之间，作为该滤波电感，对该同步整流电路的输出讯号进行滤波。
2.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该集成磁元件还包含一铁心，是将该变压器以及该滤波电感集成于该铁心上以构成该集成磁元件，且该集成磁元件具有一高磁阻磁路以及一低磁阻磁路共用一共有路径，在该切换周期的该第一时区，经由该低磁阻磁路将电能由该一次侧线圈传送至该二次侧线圈，且部分电能储存于该高磁阻磁路。
3.如权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于，在该切换周期的该第二时区，藉由该辅助线圈将储存于该高磁阻磁路的电能由该集成磁元件传送至该同步整流电路。
4.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该共有路径还包含一气隙以减少一输出电流涟波。
5.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该切换电路还包含一箝位电路，限制在该切换周期的该第二时区时该变压器上的跨压大小。
6.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该同步整流电路包含：
一第一同步整流电路，在该切换周期的该第一时区，因该二次侧线圈的能量而导通，将该电能传送至该输出端；以及
一第二同步整流电路，在该切换周期的该第二时区，因该二次侧线圈的能量而导通，将该电能传送至该输出端。
7.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该同步整流电路包含：
一第一同步整流电路，具有一控制端，因该二次侧线圈的电压而周期性偏压导通，使该第一同步整流电路将一导通电流由二次侧线圈传送至该输出端；以及
一第二同步整流电路，当该第一同步整流电路不导通时，因该二次侧线圈的电压而周期性偏压导通，使该第二同步整流电路将该导通电流由二次侧线圈传送至该输出端。
8.如权利要求6或7所述的直流-直流转换器，其特征在于，该第一同步整流电路是为一第一开关，该第二同步整流电路是为一第二开关，该第一开关以及该第二开关分别具有一控制端、一第一导电端以及一第二导电端，该第一开关的该控制端是电连接该第二开关的该第一导电端以形成该同步整流电路的第一输入端，该第二开关的该控制端是电连接该第一开关的该第一导电端以形成该同步整流电路的第二输入端，该输入端是与该二次侧电连接，又该开关的该第二导电端是电连接于一节点为该同步整流电路的一输出端。
9.如权利要求8所述的直流-直流转换器，其特征在于，该开关是为一金属氧化物半导体场效应晶体管。
10.一种直流-直流转换器，其特征在于，包含：
一输入端，是电连接一直流电压；
一输出端，是电连接一负载，输出电能至该负载；
一集成磁元件，具有一一次侧线圈、一二次侧线圈以及一辅助线圈，该一次侧线圈、该二次侧线圈是构成一变压器，该辅助线圈是作为一滤波电感；
一切换电路，是电连接该输入端，将该直流电压切换输出，周期性提供一正电压与一负电压的脉波至该一次侧线圈，在该转换器的一切换周期的一第一时区，该切换电路提供该正电压的脉波储能于该一次侧线圈，在该转换器切换周期的一第二时区，该切换电路提供该负电压的脉波，释放该一次侧线圈的储能，其中，该切换电路还包含一箝位电路，以限制在该切换周期的该第二时区在该变压器上的跨压大小；以及
一同步整流电路，是电连接该二次侧线圈，利用该二次侧线圈的电能在该切换周期的该第一时区与第二时区使该同步整流电路导通，以将该电能输出至该输出端，其中该辅助线圈是耦合在该同步整流电路与该输出端之间，作为该滤波电感，对该同步整流电路的一输出讯号进行滤波。
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