TW201328149A - 具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器 - Google Patents

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Abstract

一種具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，透過回復變壓器、緩震二極體、第一回復二極體、第二回復二極體、回復電感及緩震電容形成無損耗緩震電路，並且將無損耗緩震電路電性連接至返馳式轉換器，以便恢復主變壓器的漏電感之能量，以及減輕由二極體的寄生電容與主變壓器的漏電感所引起的震盪，用以達成降低開關損耗及提升轉換效率之技術功效。

Description

具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器
本發明為有關於一種返馳式電源供應器，特別是指作為輔助電源及具有無損耗緩震電路且便於增加多組電源輸出之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器。
近年來，隨著電子科技的普及與蓬勃發展，各種可攜性電子裝置如雨後春筍般的出現。然而，電源供應器做為電子裝置不可或缺的元件卻相當笨重且不易安裝於電路板。因此，在重量、體積及效率方面皆有傑出表現的開關式電源供應器(Switch Mode Power Supplies,SMPS)便成為各家廠商在電源供應器上的首選之一。
一般而言，各類轉換器皆可用於實現開關式電源供應器，如：半橋式轉換器(half-bridge converter)、全橋式轉換器(full-bridge converter)、推挽式轉換器(push-pull converter)、返馳式轉換器(flyback converter)或順向式轉換器(forward converter)......等等。而在將電源供應器作為輔助電源時，為了與電源線進行電氣隔離，以及可便於提供多組輸出，返馳式轉換器與順向式轉換器皆比其他轉換器適合應用在輔助電源。不過，由於無論如何安排內部變壓器的繞組結構皆會帶來漏電感，因此，返馳式轉換器會具有轉換效率低落及電壓突波(voltage surge)穿過功率電晶體開關的問題。
有鑑於此，便有廠商提出利用RC箝位電路來吸收漏電感儲存的能量及抑制尖波(spike)，並且利用LC箝位電路提高轉換效率。不過，以此方式並未考量二極體的逆向恢復(reverse recovery)效應，導致在切換期間產生突波電壓的震盪。另外，亦有人提出以RCD緩震電路來恢復漏電感中的能量來減少開關損耗(或稱為切換損耗)，如「第1圖」所示意，「第1圖」為習知具有與開關相互並聯的RCD緩震電路的返馳式轉換器之示意圖，其中RCD緩震電路10與功率電晶體開關20相互並聯，用以將開關損耗轉移至RCD緩震電路10，且由於電路皆為被動元件所組成，故成本較為低廉。不過以「第1圖」的方式仍然會因電阻而造成損耗。
綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在具有開關損耗及轉換效率低落之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。
有鑒於先前技術存在的問題，本發明遂揭露一種具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器。
本發明所揭露之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其包含：返馳式轉換器、無損耗緩震電路及多個電源輸出端。其中，返馳式轉換器包含主變壓器、功率電晶體開關、第一輸出二極體、第一輸出電容及第一負載，所述主變壓器的一次側之迴路包含輸入電源及功率電晶體開關，以及主變壓器的二次側之迴路包含第一輸出二極體、第一輸出電容及第一負載形成第一電源輸出端。
接著，無損耗緩震電路用以電性連接所述返馳式轉換器，此無損耗緩震電路包含回復變壓器，且回復變壓器的一次側透過緩震二極體、第一回復二極體及緩震電容電性連接功率電晶體開關，以及回復變壓器的二次側透過多個第二回復二極體及回復電感電性連接第一電源輸出端。
本發明所揭露之電源供應器如上，與先前技術之間的差異在於本發明是透過回復變壓器、緩震二極體、第一回復二極體、第二回復二極體、回復電感及緩震電容形成無損耗緩震電路，並且將無損耗緩震電路電性連接至返馳式轉換器，以便恢復主變壓器的漏電感之能量，以及減輕由二極體的寄生電容與主變壓器的漏電感所引起的震盪。
透過上述的技術手段，本發明可以達成降低開關損耗及提高轉換效率之技術功效。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
在說明本發明所揭露之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器之前，先對本發明所自行定義的名詞作說明，本發明所述的回復變壓器、回復二極體及回復電感分別是指耦合輸出能量回復電路的變壓器、以及輸出能量回復電路中的二極體與電感，此輸出能量回復電路能夠恢復主變壓器的漏電感之能量，稍後將配合圖式對其電性連接方式作詳細說明。
以下配合圖式對本發明具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器作進一步說明，請同時參閱「第2A圖」及「第2B圖」，「第2A圖」及「第2B圖」為本發明具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器之電路示意圖，其中「第2A圖」為具無損耗緩震電路200之返馳式轉換器100的電路示意，其包含：主變壓器110(T r 1)、功率電晶體開關120(M 1 )、第一輸出二極體130(D o )、第一輸出電容140(C o )及第一負載150(R 1 )。其主變壓器110的一次側之迴路包含輸出電源160(V i )及功率電晶體開關120，而主變壓器110的二次側之迴路則包含第一輸出二極體130、第一輸出電容140及第一負載150以形成第一電源輸出端170，所述第一輸出電容140(C o )與第一負載150(R 1 )相互並聯。至此，各元件及其組成電路即為習知的不具有無損耗緩震電路200的返馳式轉換器，由於此為習知技術，故在此不再多作說明。
接著，在無損耗緩震電路200的部份，其包含：回復變壓器210(T r 2)、緩震二極體220(D 1 )、第一回復二極體230(D 2 )、緩震電容240(C 1 )、多個第二回復二極體250(D 3 、D 4 )及回復電感260(L o )。所述緩震二極體220(D 1 )與緩震電容240(C 1 )相互串聯，且相互串聯的緩震二極體220(D 1 )與緩震電容240(C 1 )並聯功率電晶體開關120(M 1 )，此功率電晶體開關120(M 1 )內部並聯有飛輪二極體121及等效電容122。此無損耗緩震電路200電性連接於主變壓器110一次側及二次側繞組即形成具無損耗緩震電路200之返馳式轉換器100。特別要說明的是，主變壓器110的一次側具有等效激磁電感111(L m 11)及等效漏電感112(L K 11)，而其電性連接方式可視為將主變壓器110的一次側與等效激磁電感111(L m 11)相互並聯後，再電性連接至所述等效漏電感112(L K 11)。另外，回復變壓器210的一次側同樣具有等效激磁電感211(L m 21)及等效漏電感212(L K 21)，而其電性連接方式可視為將回復變壓器210的一次側與等效激磁電感211(L m 21)相互並聯後，再電性連接至所述等效漏電感212(L K 21)。
承上所述，倘若要使具無損耗緩震電路之返馳式轉換器100具有多個輸出，可如「第2B圖」所示意，利用第二輸出二極體271、第二輸出電容272及第二負載273組成第二電源輸出端270，此第二電源輸出端270電性連接至主變壓器110的二次側。特別要說明的是，本發明並未限定第二電源輸出端270的數量，換而言之，可同時存在多個第二電源輸出端270，其每一第二電源輸出端270皆包含第二輸出二極體271及相互並聯的第二輸出電容272與第二負載273用以電性連接主變壓器110的二次側。當具有一個第二電源輸出端270時，本發明具無損耗緩震電路200之返馳式電源供應器即具有兩個電源輸出(即第一電源輸出端170與第二電源輸出端270)；當具有二個第二電源輸出端270時，本發明具無損耗緩震電路200之返馳式電源供應器即具有三個電源輸出(即第一電源輸出端170與兩個第二電源輸出端270)並以此類推。在實際實施上，倘若僅具有第一電源輸出端170而無第二電源輸出端270，則為如「第2A圖」所示意之單一輸出的電源供應器。
至於無損耗緩震電路200則包含回復變壓器210，此回復變壓器210的一次側透過緩震二極體220、回復二極體230及緩震電容240電性連接功率電晶體開關120，而回復變壓器210的二次側則透過多個第二回復二極體及回復電感電性連接第一電源輸出端160。
以下配合「第3圖」以實施例的方式進行如下說明，如「第3圖」所示意，「第3圖」為本發明具無損耗緩震電路之返馳式五輸出電源供應器之電路示意圖，前面提到，本發明並未限定第二電源輸出端270的數量，以五個輸出為例，即如「第3圖」所示意以第一電源輸出端170搭配四個第二電源輸出端270來實現具無損耗緩震電路之返馳式五輸出電源供應器100a。其中，與第一電源輸出端170相鄰的第二電源輸出端270可基於電路佈線方便而調整成「第3圖」所示意的電路連接方式。
接著，為了方便說明，以「第2A圖」的電路為例，配合「第4A圖」至「第4G圖」對此電路的七個運作模式(模式一至模式七)進行如下說明，並且搭配「第5圖」(即應用本發明的電源供應器於各模式之波形示意圖)對各模式中關鍵元件的電流與電壓之波形變化進行示意。請先參閱「第4A圖」，「第4A圖」為應用本發明的電源供應器於模式一(t 0 t<t 1)之運作示意圖。當t=t 0 時，功率電晶體開關120(M 1 )打開(turned on)，此時主變壓器110(T r 1)的漏電感電流I L K 11小於激磁電流I Lm 11，主變壓器110(T r 1)持續經由第一輸出二極體130(D o )轉送能量至第一負載150(R o )。在此時間間隔中，等效漏電感112(L K 11)的端電壓會升至“(V i +V o /N)”導致電流I LK 11迅速增加，但此時，電流I Lm 11卻是線性下降。此外，一旦功率電晶體開關120(M 1 )為導通(ON)，緩震電容240(C 1)端電壓V C 1會直接加在回復變壓器210(T r 2)的一次側繞組，使第一回復二極體230(D 2)及第二回復二極體250(D 3)順向偏壓，因此儲存在緩震電容240(C 1)的能量會經由回復電感260(L o )轉送至輸出端。
請參閱「第4B圖」，「第4B圖」為應用本發明的電源供應器於模式二(t 1 t<t 2)之運作示意圖。在t 1 的時候，當I LK 11等於I Lm 11時，第一輸出二極體130(D o )為逆向偏壓。在此時間間隔中，I Lm 11線性增加且主變壓器110(T r 1)儲存能量，而緩震電容240(C 1)保持釋放其能量，此能量將經由第一回復二極體230(D 2)、回復變壓器210(T r 2)、第二回復二極體250(D 3)及回復電感260(L o )至第一負載150(R o )。
請參閱「第4C圖」，「第4C圖」為應用本發明的電源供應器於模式三(t 2 t<t 3)之運作示意圖。當儲存在緩震電容240(C 1)的能量完全地釋放後開始此模式，緩震二極體220(D 1)及第二回復二極體250(D 4)將變成順向偏壓而第二回復二極體250(D 3)為逆向偏壓，在此情況，儲存在回復變壓器210(T r 2)的磁化能量經由緩震二極體220(D 1)及第一回復二極體230(D 2)為飛輪(freewheeling)狀態，而儲存於回復電感260(L o )的能量則經由第二回復二極體250(D 4)傳送到第一負載150(R o )。在此模式中，主變壓器110(T r 1)是在能量儲存階段且激磁電流I Lm 11線性上升。
請參閱「第4D圖」，「第4D圖」為應用本發明的電源供應器於模式四(t 3 t<t 4)之運作示意圖。當t=t 3 時，功率電晶體開關120(M 1 )關閉，此時電感電流I Lm 11則經由等效電容122(C M 1)及緩震電容240(C 1)保持其連續。由於緩震電容240(C 1)大於等效電容122(C M 1)，功率電晶體開關120(M 1 )端電壓會平滑地從“0”增加至“(V i +V o /N)”。因此，功率電晶體開關120(M 1 )操作於零電壓轉換(Zero-Voltage Transition,ZVT)。緩震二極體220(D 1)、第一回復二極體230(D 2)及第二回復二極體250(D 4)持續經由等效激磁電感211(L m21)及回復電感260(L o )維持在飛輪(freewheeling)狀態。
請參閱「第4E圖」，「第4E圖」為應用本發明的電源供應器於模式五(t 4 t<t 5)之運作示意圖。在t 4時，緩震電容240(C 1)端電壓達到“(V i +V o /N)”，其使第一輸出二極體130(D o )正向偏壓。因此，儲存在主變壓器110(T r 1)的能量能夠經由第一輸出二極體130(D o )釋放至第一負載150(R o )，同時電流I Lm 11也線性下降，同時等效激磁電感211(L m21)及回復電感260(L o )維持在飛輪狀態。
請參閱「第4F圖」，「第4F圖」為應用本發明的電源供應器於模式六(t 5 t<t 6)之運作示意圖。當儲存在回復電感260(L o )的能量完全釋放至第一負載150(R o )時此模式六啟動，第二回復二極體250(D 4)為逆向偏壓，而且此時只有主變壓器110(T r 1)經由第一輸出二極體130(D o )提供能量至第一負載150(R o )。
請參閱「第4G圖」，「第4G圖」為應用本發明電源供應器於模式七(t 6 t<t 7)之運作示意圖。在t 6時，儲存在等效激磁電感211(L m21)的能量重置為“0”且緩震二極體220(D 1)及第一回復二極體230(D 2)成為截止(off)。電流I Lm 11持續釋放能量至第一負載150(R o )而線性下降。當功率電晶體開關120(M 1 )在模式七結束時開啟，將開始一個新的開關週期。
綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過回復變壓器210、緩震二極體220、第一回復二極體230、第二回復二極體250、回復電感260及緩震電容240形成無損耗緩震電路200，並且將無損耗緩震電路200電性連接至返馳式轉換器，以便恢復主變壓器110的漏電感之能量，以及減輕由二極體的寄生電容與主變壓器110的漏電感所引起的震盪，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題，進而達成降低開關損耗及提高轉換效率之技術功效。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．RCD緩震電路
20．．．功率電晶體開關
100．．．具無損耗緩震電路之返馳式轉換器
110．．．主變壓器
111．．．等效激磁電感
112．．．等效漏電感
120．．．功率電晶體開關
121．．．飛輪二極體
122．．．等效電容
130．．．第一輸出二極體
140．．．第一輸出電容
150．．．第一負載
160．．．輸入電源
170．．．第一電源輸出
200．．．無損耗緩震電路
210．．．回復變壓器
211．．．等效激磁電感
212．．．等效漏電感
220．．．緩震二極體
230．．．第一回復二極體
240．．．緩震電容
250．．．第二回復二極體
260．．．回復電感
270．．．第二電源輸出端
271．．．第二輸出二極體
272．．．第二輸出電容
273．．．第二負載
第1圖為習知具有與開關相互並聯的RCD緩震電路的返馳式轉換器之示意圖。
第2A圖及第2B圖為本發明具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器之電路示意圖。
第3圖為本發明具無損耗緩震電路之返馳式五輸出電源供應器之電路示意圖。
第4A圖為應用本發明的電源供應器於模式一(t 0 t<t 1)之運作示意圖。
第4B圖為應用本發明的電源供應器於模式二(t 1 t<t 2)之運作示意圖。
第4C圖為應用本發明的電源供應器於模式三(t 2 t<t 3)之運作示意圖。
第4D圖為應用本發明的電源供應器於模式四(t 3 t<t 4)之運作示意圖。
第4E圖為應用本發明的電源供應器於模式五(t 4 t<t 5)之運作示意圖。
第4F圖為應用本發明的電源供應器於模式六(t 5 t<t 6)之運作示意圖。
第4G圖為應用本發明的電源供應器於模式七(t 6 t<t 7)之運作示意圖。
第5圖為應用本發明的電源供應器於各模式之波形示意圖。
100．．．具無損耗緩震電路之返馳式轉換器
110．．．主變壓器
111．．．等效激磁電感
112．．．等效漏電感
120．．．功率電晶體開關
121．．．飛輪二極體
122．．．等效電容
130．．．第一輸出二極體
140．．．第一輸出電容
150．．．第一負載
160．．．輸入電源
170．．．第一電源輸出
200．．．無損耗緩震電路
210．．．回復變壓器
211．．．等效激磁電感
212．．．等效漏電感
220．．．緩震二極體
230．．．第一回復二極體
240．．．緩震電容
250．．．第二回復二極體
260．．．回復電感

Claims (10)

  1. 一種具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其包含：一返馳式轉換器，該返馳式轉換器包含一主變壓器、一功率電晶體開關、一第一輸出二極體、一第一輸出電容及一第一負載，其中該主變壓器的一次側之迴路包含一輸入電源及該功率電晶體開關，以及該主變壓器的二次側之迴路包含該第一輸出二極體、該第一輸出電容及該第一負載形成一第一電源輸出端；及一無損耗緩震電路，用以電性連接該返馳式轉換器，該無損耗緩震電路包含一回復變壓器，該回復變壓器的一次側透過一緩震二極體、一第一回復二極體及一緩震電容電性連接該功率電晶體開關，以及該回復變壓器的二次側透過多個第二回復二極體及一回復電感電性連接該第一電源輸出端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該電源供應器更包含多個第二電源輸出端，每一第二電源輸出端皆包含一第二輸出二極體及相互並聯的一第二輸出電容與一第二負載，用以電性連接該主變壓器的二次側。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該主變壓器的一次側具有一等效激磁電感及一等效漏電感。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該主變壓器的一次側與該等效激磁電感相互並聯，並且電性連接至該等效漏電感。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該回復變壓器的一次側具有一等效激磁電感及一等效漏電感。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該回復變壓器的一次側與該等效激磁電感相互並聯，並且電性連接至該等效漏電感。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該等效漏電感與該第一回復二極體相互串聯，該等效激磁電感與該緩震二極體相互並聯。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該緩震二極體與該緩震電容相互串聯，且相互串聯的該緩震二極體與該緩震電容並聯該功率電晶體開關。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該功率電晶體開關內部並聯有一飛輪二極體及一等效電容。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之具無損耗緩震電路之返馳式電源供應器，其中該第一輸出電容與該第一負載相互並聯。
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