CN1845437A - 反驰式功率转换器 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种反驰式功率转换器，其包含一变压器，其设置有一第一一次侧绕组与一第二一次侧绕组，两个一次侧绕组分别耦接正、负供电轨；一电晶体，其连接于第一一次侧绕组与第二一次侧绕组之间，用于切换变压器；一控制电路，其耦接电晶体与第二一次侧绕组，产生一切换讯号以切换电晶体与调整反驰式功率转换器的输出；一供应电容，其耦接控制电路而供应电源至控制电路；一二极体，其耦接负供电轨与供应电容。第二一次侧绕组具有一漏电感，其在电晶体导通时储存一储存能量，当电晶体截止时，漏电感经由二极体释放储存能量至供应电容。本发明的变压器的切割一次侧绕组与电晶体的设置方式可增进反驰式功率转换器的效能并可降低电磁干扰。

Description

反驰式功率转换器

技术领域：

本发明是有关于一种功率转换器，特别是指一种反驰式功率转换器。

背景技术：

按，现今功率转换器已被广泛运用于提供调整电压与电流，目前功率转换器的研究焦点是放在如何让功率转换器可更有效率的节省电源。反驰式功率转换器通常包含有一控制器、一电晶体与一变压器，控制器运用于感测反驰式功率转换器的输出电压及/或输出电流，且产生一控制讯号以控制电晶体的切换与调整反驰式功率转换器的输出电压及/或输出电流。

请参阅图1，其为习知反驰式功率转换器的电路图。如图所示，习知反驰式功率转换器包含有一变压器10，其包括有一一次侧绕组N_P、一二次侧绕组N_S与一辅助绕组N_A，一次侧绕组N_P的一端耦接一正供电轨V_1N；一电晶体11，其连接一次侧绕组N_P的另一端，并且经由一电阻12连接至一负供电轨，负供电轨为一接地端；一控制器25，其耦接电晶体11，用于控制电晶体11以切换变压器10与调整反驰式功率转换器的输出电压及/或输出电流；二次侧绕组N_S，其一端连接一整流器13；一滤波电容14，其两端分别耦接在整流器13与二次侧绕组N_S的另一端。当电晶体11导通时，能量将储存至变压器10，一旦电晶体11截止时，变压器10所储存的能量将经由二次侧绕组N_S释放至反驰式功率转换器的输出端，同时变压器10的辅助绕组N_A产生一反射电压V_AUX。

$V_O+V_F=N_{\mathrm{NS}}\×\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{AUX}}=N_{\mathrm{NA}}\×\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

依据方程式(1)及(2)，反射电压V_AUX可表示为如下：

$V_{\mathrm{AUX}}=\frac{N_{\mathrm{NA}}}{N_{\mathrm{NS}}}\×(V_O+V_F)---\left(3\right)$

其中，N_NA与N_NS分别表示变压器10的辅助绕组N_A与二次侧绕组N_S的绕组匝数；V_O为反驰式功率转换器的输出电压；V_F为整流器13的顺向偏压的压降；Ф为磁通量，Ф＝B×A_e(B为磁通量密度，Ae为变压器10的轴心截面积)。

控制器25，其设置有一供应端VDD与一接地端GND，以用于接收电源；一电压侦测端VS，其耦接在一分压电路的两电阻15、16之间，分压电路连接在变压器10的辅助绕组N_A与负供电轨之间，电压侦测端VS产生一侦测电压V_DET1，其可表示为如下：

$V_{\mathrm{DET}1}=\frac{R_{16}}{R_{15}+R_{16}}\×V_{\mathrm{AUX}}---\left(4\right)$

其中，R₁₅与R₁₆分别为电阻15与电阻16的电阻值。反射电压V_AUX更经由一二极体18对一供应电容17充电，以供应电源至控制器25。

前述的电阻12，其用于作为一电流感测装置，电阻12连接在电晶体11与负供电轨之间，以转换变压器10的一切换电流I_P为一电流讯号V_CS。控制器25的一电流感测端VI是连接电阻12，以用于侦测电流讯号V_CS，控制器25的一输出端VG产生一切换讯号V_PWM以切换变压器10。虽然习用的反驰式功率转换器可以调整输出电压及输出电流，但是其具有几个缺点。第一个缺点是变压器10的漏电感导致高功率消耗，此外由于漏电感会储存能量而容易形成高电压突波，如此容易破坏电晶体11，所以习用的反驰式功率转换器为了保护电晶体11是设有一缓冲电路，其包含有一缓冲二极体19、一缓冲电容20与一缓冲电阻21，用于消耗变压器10的漏电感所储存的能量，避免形成高电压突波以保护电晶体11。

第二个缺点是反驰式功率转换器在轻负载与无负载的状态下缺少调整性。习用的反驰式功率转换器是藉由变压器10的辅助绕组N_A供应电源至控制器25，所以控制器25的工作电流即表示辅助绕组N_A的负载。若反驰式功率转换器的输出负载低于辅助绕组N_A的负载时，变压器10所储存的能量将仅能经由二极体18与辅助绕组N_A释放至供应电容17，如此当电晶体11截止时，整流器13将仍保持为关闭状态，所以反驰式功率转换器的输出电压V_O无法从辅助绕组N_A回授至控制器25，所以在轻负载与无负载的状态下，电压侦测端VS所产生的侦测电压V_DET1仅与供应端VDD的电压有关，所以习用的反驰式功率转换器缺乏调整性。

另一习知技术是由杨先生等人所提出的美国专利第6,853,563号的“一次侧控制的返驰式功率转换器(Primary-side controlled flyback power converter)”，此习知技术的一主要缺点为电磁干扰(Electric and MagneticInterference，EMI)，其产生的原因是电晶体的汲极直接连接至正供电轨，所以电晶体的一寄生电容与一寄生电感相耦接，因而形成一高频共振槽，如此将会产生较高的电磁干扰。

因此，本发明提出一种反驰式功率转换器，其具有高效能以及低电磁干扰的特性。此外，本发明的反驰式功率转换器可于轻负载与无负载的状态下精确地调整输出电压。

发明内容：

本发明的主要目的，在于提供一种反驰式功率转换器，其包含一变压器，变压器设置有第一一次侧绕组与第二一次侧绕组，第一一次侧绕组与第二一次侧绕组之间设有电晶体，如此可提升反驰式功率转换器的效能与降低电磁干扰。

本发明的另一目的，在于提供一种反驰式功率转换器，其变压器的漏电感可让供应电容的电压高于变压器的二次侧绕组所反射的电压，使得反驰式功率转换器的输出电压可经由变压器的第二一次侧绕组回授至控制电路，如此可增进反驰式功率转换器在轻负载与无负载的状态下的负载调整性。

本发明反驰式功率转换器，其包含有一变压器，变压器设置有一第一一次侧绕组以及一第二一次侧绕组，两绕组分别耦接一正供电轨与一负供电轨；一电晶体，其连接于第一一次侧绕组与第二一次侧绕组之间，用于切换变压器；一电流感测装置，其耦接电晶体与第二一次侧绕组，用于依据变压器的一切换电流产生一电流讯号；一控制电路，其耦接电晶体与变压器的第二一次侧绕组，以依据电流讯号产生一切换讯号，切换讯号用于切换电晶体与调整反驰式功率转换器的输出；一供应电容，其连接控制电路以供应电源至控制电路；一二极体，其耦接负供电轨与供应电容以对供应电容充电。其中，上述的第二一次侧绕组具有一漏电感，其在电晶体导通时，储存一储存能量，且在电晶体截止时，经由二极体释放储存能量至供应电容。如此藉由上述的变压器的切割一次侧绕组与电晶体的设置方式，可增进反驰式功率转换器的效能与降低电磁干扰，且可增进反驰式功率转换器在轻负载与无负载的状态下的负载调整性。

附图说明：

图1是习知反驰式功率转换器的电路图；

图2是本发明的一较佳实施例的反驰式功率转换器的电路图；

图3是图2的反驰式功率转换器的等效电路图；

图4是本发明的一较佳实施例的控制电路的电路图。

图号说明：

10   变压器           11   电晶体

12   电阻             13   整流器

14   滤波电容         15   电阻

16   电阻             17   供应电容

18   二极体           19   缓冲二极体

20   缓冲电容         21   缓冲电阻

25   控制器           30   变压器

35   电晶体           37   电流感测电阻

40   缓冲二极体       41   缓冲电容

42   缓冲电阻         45   缓冲电路

50   分压电路         52   电阻

55   电阻             60   二极体

70   供应电容         80   整流器

90   滤波电容         100  控制电路

110  取样保留电路     120  误差放大器

125  比较器           150  振荡器

160  正反器           GND  接地端

I_P   切换电流        L_I1  漏电感

L_I2  漏电感          N_A   辅助绕组

N_P   一次侧绕组      N_P1  第一一次侧绕组

N_P2  第二一次侧绕组  N_S   二次侧绕组

V_AUX   反射电压         V_CS    电流讯号

V_DET1  侦测电压         V_DET2  侦测电压

V_FB    回授讯号        V_IN    正供电轨

V_NP2   电压            V_O     输出电压

V_PWM   切换讯号        V_R     参考电压

V_RST   重置讯号        V_S     取样讯号

VDD    供应端           VG     输出端

VI     电流感测端       VS     电压侦测端

具体实施方式：

为使审查员对本发明的结构特征及所达成的功效更有进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例图及配合详细的说明，说明如后：

请参阅图2，是本发明的一较佳实施例的反驰式功率转换器的电路图。如图所示，本发明的反驰式功率转换器包含有一变压器30，用于储存能量并从变压器30的一一次侧转移储存能量至变压器30的一二次侧。其中，变压器30的一次侧设置有切割的一第一一次侧绕组N_P1与一第二一次侧绕组N_P2，而变压器30的二次侧则设置有一二次侧绕组N_S。第一一次侧绕组N_P1与第二一次侧绕组N_P2耦接反驰式功率转换器的供电轨，即一次侧绕组N_P1耦接变压器30的正供电轨V_IN，而第二一次侧绕组N_P2则耦接变压器30的负供电轨，亦即耦接至接地端。一电晶体35，其连接于第一一次侧绕组N_P1与第二一次侧绕组N_P2之间，用于切换变压器30，其中电晶体35可为一功率电晶体或为一功率金属氧化半导体场效电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)。由于本发明的电晶体35连接于第一一次侧绕组N_P1与第二一次侧绕组N_P2之间，因此可消除寄生装置所引起的高频共振槽，进而降低电磁干扰。

一电流感测装置，例如图式的一电流感测电阻37，其两端分别连接电晶体35与第二一次侧绕组N_P2，以依据变压器30的切换电流I_P产生一电流讯号V_CS。为了调整反驰式功率转换器的一输出电压V_O，一控制电路100耦接电晶体35与变压器30的第二一次侧绕组N_P2，以产生一切换讯号V_PWM，切换讯号V_PWM用于切换电晶体35与调整反驰式功率转换器的输出电压V_O。一供应电容70，其连接控制电路100，以供应电源至控制电路100，供应电容70与变压器30的负供电轨之间设有一二极体60。

一缓冲电路45，其耦接于第一一次侧绕组N_P1与正供电轨V_IN之间，缓冲电路45包含有一缓冲二极体40、一缓冲电容41与一缓冲电阻42。缓冲二极体40的一端耦接第一一次侧绕组N_P1与电晶体35，缓冲电容41耦接于缓冲二极体40的另一端与正供电轨V_IN之间，而缓冲电阻42则与缓冲电容41相并联。一分压电路50，其耦接于第二一次侧绕组N_P2与负供电轨之间，分压电路50包含有电阻52、55，电阻52耦接于控制电路100与负供电轨之间，而电阻55则耦接于电阻52与第二一次侧绕组N_P2之间。一整流器80，其一端耦接二次侧绕组N_S的一端，而一滤波电容90的两端是分别耦接于二次侧绕组N_S的另一端与整流器80的另一端。

请参阅图3，是图2的反驰式功率转换器的等效电路图。如图所示，第一一次侧绕组N_P1与第二一次侧绕组N_P2分别有漏电感L_I1、L_I2。由于变压器的几何构造因素，导致变压器的一次侧绕组的储存能量不能完全转移至变压器的其他绕组，漏电感L_I1、L_I2即表示储存能量无法完全被转移。当电晶体35导通时，切换电流I_P将流入变压器30中，能量即储存至变压器30与漏电感L_I1、L_I2中，而当电晶体35截止时，变压器30所储存的储存能量会释放至二次侧绕组N_S，同时漏电感L_I1、L_I2所储存的储存能量会在回路内循环传递，若回路被阻挡时，则会产生一电压突波，其可表示为如下：

$V=L\×\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

基于上述原因，缓冲电路45即运用于消耗漏电感L_I1的储存能量，以避免产生一高电压突波而保护电晶体35。缓冲电路45的缓冲电阻42所消耗的功率P_R可表示为如下：

$P_R=\frac{{V_{R42}}^2}{R_{42}}=\frac{1}{2}\×L_I{\×I_P}^{2\×}\mathrm{fsw}---\left(6\right)$

其中，R₄₂为缓冲电阻42的电阻值；V_R42为缓冲电阻42的两端电压；L_I为漏电感L_I1的电感值；f_SW为电晶体35的切换频率。

由上述的方程式(6)可知，降低变压器30的漏电感的电感值将提升反驰式功率转换器的效能，然而为了让反驰式功率转换器符合安全条件，变压器30的绕组总是会产生一显著的漏电感值，因此降低漏电感值的简易方法即减少绕组的绕组匝数。电感值与绕组匝数的关系如下列方程式所示：

$L=\mathrm{\μ}\×\frac{0.4\mathrm{\π}\×\mathrm{Ae}}{\mathrm{li}}\×N^2---\left(7\right)$

其中，L为电感值；μ为轴心导磁系数；li为磁路长度；N为绕组匝数；Ae为变压器30的轴心截面积。

本发明的变压器30的一次侧绕组切割为第一一次侧绕组N_P1与第二一次侧绕组N_P2是可以减少绕组匝数，如此即可降低第一一次侧绕组N_P1的漏电感值，以提高反驰式功率转换器的效能。此外，一旦电晶体35截止时，漏电感L_I2的储存能量将透过二极体60释放至供应电容70，所以储存于漏电感L_I2的储存能量将供应至控制电路100作为供应电源，供应电容70所产生的电压V_DD可表示为如下：

$V_{\mathrm{DD}}=[\frac{N_{\mathrm{NP}2}}{N_{\mathrm{NS}}}\×(V_O+V_F)]+V_{\mathrm{LI}2}---\left(8\right)$

其中，N_NP2与N_NS分别为变压器30的第二一次侧绕组N_P2与二次侧绕组N_S的绕组匝数；V_LI2为漏电感L_I2所产生的电压，其如下列方程式所示而求得：

$\frac{1}{2}{\×C}_{70}{{\×V}_{\mathrm{LI}2}}^2=\frac{1}{2}\×L_{I2}{{\×I}_P}^2---\left(9\right)$

$V_{\mathrm{LI}2}=\sqrt{\frac{L_{I2}}{C_{70}}}{\×I}_P---\left(10\right)$

其中，C₇₀为供应电容70的电容值；L_I2为漏电感L_I2的电感值。

因为漏电感L_I2所产生的电压V_I2让供应电容70的电压V_DD高于变压器30的二次侧绕组N_S所反射的电压，因此电晶体35截止时，整流器80将被开启，所以反驰式功率转换器的输出电压V_O可经由第二一次侧绕组N_P2提供至控制电路100，如此恰当的使用第二一次侧绕组N_P2的漏电感L_I2，将可提高反驰式功率转换器在轻负载与无负载的状态下的负载调整性。

请参阅图4，是本发明的一较佳实施例的控制电路的电路图。如图所示，本发明的控制电路100包含有一供应端VDD与一接地端GND，供应端VDD与接地端GND并联连接供应电容70以接收电源。供应端VDD更连接二极体60，而接地端GND更连接第二一次侧绕组N_P2。一电压侦测端VS，其经由分压电路50耦接第二一次侧绕组N_P2，以用于从变压器30的第二一次侧绕组N_P2侦侧一侦测电压V_DET2，侦测电压V_DET2可表示为如下：

$V_{\mathrm{DET}2}=\frac{R_{52}}{R_{52}+R_{55}}{\×V}_{\mathrm{NP}2}---\left(11\right)$

其中，R₅₂与R₅₅分别为电阻52、55的电阻值；V_NP2为第二一次侧绕组N_P2的电压。

一电流感测端VI，其耦接电流感测电阻37，用于接收电流讯号V_CS。一输出端VG，其耦接一正反器160的一输出端，用于产生切换讯号V_PWM以透过电晶体35切换变压器30。一振荡器150，其产生一周期性脉波讯号并传输至正反器160的一重置端，用于启动切换讯号V_PWM。一比较器125，其用于关闭切换讯号V_PWM，比较器25的一负输入端是连接电流感测端VI，用以接收电流讯号V_CS，而比较器125的一正输入端则连接一误差放大器120的一输出端，用以接收一回授讯号V_FB。

一旦电流讯号V_CS高于回授讯号V_FB时，切换讯号V_PWM将被截止。比较器125，其一输出端连接正反器160的一重置端，用以产生一重置讯号V_RST并传送至正反器160的重置端，以截止切换讯号。误差放大器120，其用于产生回授讯号V_FB，误差放大器120的一正输入端接收一参考电压V_R，误差放大器120的一负输入端则连接一取样保留电路110的一输出端，以接收一取样讯号V_S，用于产生回授讯号V_FB。取样保留电路110，其一输入端耦接电压侦测端VS，用以透过分压电路50从变压器30侦测该侦测电压V_DET2，以产生取样讯号V_S。

第二一次侧绕组N_P2的电压V_NP2与二次侧绕组N_S的电压(V_O+V_F)之间关系，可表示为如下：

$V_O+V_F=\frac{N_{\mathrm{NS}}}{N_{\mathrm{NP}2}}\×V_{\mathrm{NP}2}---\left(12\right)$

依据方程式(11)与(12)，输出电压V_O可表示为如下：

$V_O=(\frac{R_{52}+R_{55}}{R_{52}}\×\frac{N_{\mathrm{NS}}}{N_{\mathrm{NP}2}}\×V_{\mathrm{DET}2})-V_F---\left(13\right)$

由方程式(13)可得知，反驰式功率转换器的输出电压V_O是可被调整。

综上所述，本发明藉由切割变压器的一次侧绕组，是可降低漏电感的电感值，此外漏电感所储存的储存能量可用于供应电源至控制电路，如此可达到较佳的效能以及可增进反驰式功率转换器于轻负载与无负载状态下的负载调整性。另外，因为电晶体设置于变压器的两切割绕组之间，所以可降低电磁干扰。

以上所述，仅为本发明一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，故凡依本发明申请专利范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (9)

1、一种反驰式功率转换器，其特征在于，其包含有：

一变压器，从该变压器的一一次侧转移能量至该变压器的一二次侧，该变压器设有一第一一次侧绕组与一第二一次侧绕组，该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组分别耦接一正供电轨与一负供电轨；

一电晶体，连接于该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组之间，用于切换该变压器；

一控制电路，耦接该电晶体与该第二一次侧绕组，产生一切换讯号，用于切换该电晶体与调整该反驰式功率转换器的输出；

一供应电容，连接该控制电路，供应电源至该控制电路；

一二极体，耦接该负供电轨与该供应电容对该供应电容充电。

2、如权利要求1所述的反驰式功率转换器，其特征在于，更包含有一电流感测装置，其连接在该电晶体与该第二一次侧绕组之间，该电流感装置依据该变压器的一切换电流产生一电流讯号，该控制电路接收该电流讯号产生该切换讯号。

3、如权利要求1所述的反驰式功率转换器，其特征在于，该第二一次侧绕组具有一漏电感，当该电晶体导通时该漏电感储存一储存能量，该电晶体截止时，该漏电感释放该储存能量至该供应电容。

4、如权利要求1所述的反驰式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有：

一供应端，连接该供应电容与该二极体；

一接地端，连接该供应电容而接收电源，该接地端更连接该第二一次侧绕组；

一电压侦测端，耦接该第二一次侧绕组，侦测一电压；

一电流感测端，耦接该电晶体，接收一电流讯号；

一输出端，依据该电压与该电流讯号产生该切换讯号，切换该电晶体而切换该变压器。

5、如权利要求4所述的反驰式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有：

一取样保留电路，耦接该电压侦测端，侦测该电压，产生一取样讯号；

一误差放大器，耦接该取样保留电路，接收该取样讯号与一参考电压，产生一回授讯号；

一比较器，耦接该误差放大器与该电流感测端，接收该回投讯号与该电流讯号，产生一重置讯号；

一振荡器，产生一周期性脉波讯号；

一正反器，耦接该振荡器、该比较器与该输出端，产生该切换讯号，该周期性脉波讯号与该重置讯号分别启动与截止该切换讯号。

6、一种反驰式功率转换器，其特征在于，其包含有：

一变压器，设置一第一一次侧绕组与一第二一次侧绕组，该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组耦接该反驰式功率转换器的一供电轨；

一电晶体，连接于该第一一次侧绕组与该第二一次侧绕组之间，用于切换该变压器；

一控制电路，耦接该电晶体与该变压器，产生一切换讯号，用于切换该电晶体与调整该反驰式功率转换器的输出；

一供应电容，连接该控制电路；

一二极体，耦接该变压器与该供应电容对该供应电容充电。

7、如权利要求6所述的反驰式功率转换器，其特征在于，更包含有一电流感测装置，其连接在该电晶体，该电流感装置依据该变压器的一切换电流产生一电流讯号，该控制电路接收该电流讯号产生该切换讯号。

8、如权利要求6所述的反驰式功率转换器，其特征在于，该变压器具有至少一漏电感，当该电晶体导通时该漏电感储存一储存能量，该电晶体截止时，该漏电感释放该储存能量至该供应电容。

9、如权利要求6所述的反驰式功率转换器，其特征在于，该控制电路更包含有：

一供应端，连接该供应电容与该二极体；

一接地端，连接该供应电容与该变压器；

一电压侦测端，耦接该变压器，侦测一电压；

一电流感测端，耦接该电晶体，接收一电流讯号；

一输出端，依据该电压与该电流讯号产生该切换讯号，切换该电晶体而切换该变压器。

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