TW201336218A - 電源轉換裝置 - Google Patents

Abstract

一種電源轉換裝置，包含變壓器、一次側電路、二次側電路以及電源輸出單元。一次側電路位於變壓器的一次側，一次側電路包含電源輸入單元、電晶體開關、第一二極體、第二二極體、第一電容與第二電容；二次側電路位於變壓器的二次側，二次側電路包含第三二極體、第四二極體、第三電容與第四電容。其中利用電晶體開關的控制，使得電連接在第二電容與第四電容兩者之間的電源輸出單元的電壓可高於電源輸入單元的電壓；且利用此電路結構，二次側的漏感能量能夠被回收。

Description

電源轉換裝置

本發明是有關於一種轉換裝置，且特別是有關於一種電源轉換裝置。

傳統昇壓(Boost)轉換器是一種輸出電壓高於輸入電壓之電源轉換器，當輸出電壓增益較低時，電路可以實現較高的轉換效率；反之，在高電壓增益輸出時，電路上的寄生元件將會使得電路損失變大，造成轉換效率降低。其中傳統昇壓轉換器為了得到高電壓增益比，使得工作週期必須超過50%，而過大的工作週期會使得電源轉換效率愈來愈低。

返馳(Flyback)轉換器透過一次側(初級側)與二次側(次級側)之圈數比，可得到高電壓增益。因此為提高電壓增益，必須增加次級側繞組之圈數，使得變壓器的漏感及銅損變大。當功率開關截止時，由於變壓器的漏感會在功率開關洩極(Drain)與源極(Source)間會產生電壓突波(Spike)，而造成電路的損失，亦必須選擇高耐壓之功率開關。為了克服漏感造成的電壓突波，緩衝電路(Snubber Circuit)的設計將是返馳轉換器的重點，而緩衝電路由於電阻的緣故將造成一些轉換的損失。

有鑑於此，本發明提供一種電源轉換裝置。

依據上述之目的，本發明提供一種電源轉換裝置，包含變壓器、一次側電路、二次側電路以及電源輸出單元。變壓器具有一次側與對應此一次側之二次側，一次側具有第一端與第二端，二次側具有第三端與第四端。一次側電路包含電源輸入單元、電晶體開關、第一電容、第二電容、第一二極體以及第二二極體。電源輸入單元包含第一電極端與第二電極端，第一電極端電連接第一端，電晶體開關包含洩極端(汲極端)(Drain)與源極端，洩極端電連接第二端，源極端電連接第二電極端，第一電容的一端電連接洩極端，第一電容的另一端電連接第二二極體的P型接合端，第一二極體的P型接合端電連接第一端，第一二極體的N型接合端電連接第二二極體的P型接合端，第二電容的一端電連接源極端，第二電容的另一端電連接第二二極體的N型接合端。二次側電路包含第三電容、第四電容、第三二極體以及第四二極體。第三電容的一端電連接第三端，第三電容的另一端電連接第四二極體的P型接合端，第三二極體的P型接合端電連接第四端，第三二極體的N型接合端電連接第四二極體的P型接合端，第四電容的一端電連接第四二極體的N型接合端，第四電容的另一端電連接第四端與第二二極體的N型接合端；電源輸出單元電連接在第二電極端與第四二極體的N型接合端。

由此可知，本發明所提供之電源轉換裝置包含以下之特點：具有高電壓增益、漏感能量回收、電路設計簡易以及高轉換效率。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

請參閱圖1，圖1為本發明一實施例電源轉換裝置的電路圖。

由圖1可知，電源轉換裝置1包含變壓器Tr、一次側電路11、二次側電路12以及電源輸出單元Vo。

變壓器Tr具有一次側與對應此一次側之二次側，其中二次側之電壓由一次側所感應獲得。一次側具有第一端E1與第二端E2；二次側具有第三端E3與第四端E4。

一次側電路11包含電源輸入單元V _I 、電晶體開關S1(功率開關)、第一電容C1、第二電容C2、第一二極體D1以及第二二極體D2。

電源輸入單元V _I 包含第一電極端與第二電極端，第一電極端電連接第一端E1。電晶體開關S1包含洩極端(汲極端，Drain)D與源極端S，其中洩極端D電連接第二端E2；源極端S電連接電源輸入單元V _I 的第二電極端。

第一電容C1的一端電連接洩極端D；第一電容C1的另一端電連接第二二極體D2的P型接合端。第一二極體D1的P型接合端電連接第一端E1；第一二極體D1的N型接合端電連接第二二極體D2的P型接合端。第二電容C2的一端電連接源極端S；第二電容C2的另一端電連接第二二極體D2的N型接合端。

二次側電路12包含第三電容C3、第四電容C4、第三二極體D3以及第四二極體D4。

第三電容C3的一端電連接第三端E3；第三電容C3的另一端電連接第四二極體D4的P型接合端。第三二極體D3的P型接合端電連接第四端E4；第三二極體D3的N型接合端電連接第四二極體D4的P型接合端。

第四電容C4的一端電連接第四二極體D4的N型接合端；第四電容C4的另一端電連接在第四端E4與第二二極體D2的N型接合端。電源輸出單元Vo電連接在電源輸入單元V _I 的第二電極端與第四二極體D4的N型接合端。

詳言之，電晶體開關S1為更包含閘極端G的金氧半場效電晶體(例如：MOS FET)，但不限定於此。

且電源輸入單元V _I 的第一電極端可為正電極端；電源輸入單元V _I 的第二電極端可為負電極端。以及，電源輸出單元Vo更包含負載R _L 。

請同時參閱圖1與圖2，圖2為圖1之電路其電晶體開關被導通時的電路動作原理圖。

由圖1與圖2可知，電源轉換裝置1的高電壓增益原理如下：

當電晶體開關S1被導通(ON)時(第二二極體D2與第四二極體D4為不導通的狀態)。變壓器Tr一次側的第一二極體D1開始導通，第一電容C1開始充電、一激磁電感Lm開始儲能。其中，第一電容C1的充電電壓及激磁電感Lm的儲能電壓為輸入電源V _I 。

以及，當電晶體開關S1被導通(ON)時，變壓器Tr二次側的電壓是由一次側感應至二次側，並經由第三二極體D3導通路徑對第三電容C3充電。變壓器Tr二次側的電壓及第三電容C3充電電壓為n倍的輸入電壓。(n：匝數比=N2/N1)。

請同時參閱圖3，圖3為圖1之電路其電晶體開關被截止時的電路動作原理圖。

當電晶體開關S1被截止(OFF)時(第一二極體D1與第三二極體D3為截止的狀態)，變壓器Tr一次側的第一二極體D1為截止；第二二極體D2開始導通。此時，第二電容C2的充電電壓等於第一電容C1的充電電壓、激磁電感Lm的儲能電壓以及電源輸入單元V _I 之和(亦即Vc2=Vc1+Lm的儲能電壓+V _I )。

以及，當電晶體開關S1被截止(OFF)時，第三二極體D3為截止的狀態；第四二極體D4開始導通。此時，第四電容C4的充電電壓等於第三電容C3的充電電壓以及變壓器Tr二次側的電壓之和(亦即Vc4=Vc3+變壓器Tr二次側的電壓)。

因此，負載R _L 所跨之電壓(亦即電源輸出單元Vo的電壓)為變壓器Tr一次側的第二電容C2與變壓器Tr二次側的第四電容C4兩者之電壓和。

請同時參閱圖4與圖5，圖4為圖1電路的動作波形圖；圖5為圖1的細部電路動作原理圖(一)。

詳言之，當處於一工作模式一(例如圖4的時間t₀~t₁，其中Vgs為電晶體開關S1的輸入訊號)時，電晶體開關S1開始導通，第一二極體D1亦開始順向導通而第二二極體D2則為逆向截止，第一電容C1經由第一二極體D1順向導通開始充電，而激磁電感Lm及洩漏電感Lk1亦開始儲能，二次側儲存於氣隙的剩餘漏感能量，仍經由第四二極體D4順向導通將能量送至負載R _L 與二次側的第四電容C4。

請同時參閱圖4與圖6，圖6為圖1的細部電路動作原理圖(二)。

當處於一工作模式二(例如圖4的時間t₁~t₂)時，電晶體開關S1仍然為導通狀態。此時，二次側儲存於氣隙的剩餘漏感能量釋放完後，第四二極體D4便開始為截止狀態，而第三二極體D3開始順向導通，激磁電感Lm的跨壓V _{L m}經由理想變壓器Tr將能量感應至二次側，並利用第三二極體D3順向導通對第三電容C3充電。而第一電容C1仍經由第一二極體D1順向導通為充電狀態，激磁電感Lm及洩漏電感Lk1仍為儲能狀態。

請同時參閱圖4與圖7，圖7為圖1的細部電路動作原理圖(三)。

當處於一工作模式三(例如圖4的時間t₂~t₃)時，電晶體開關S1開始截止，第一二極體D1亦為逆向截止。當電源輸入單元V _I 、激磁電感Lm的跨壓V _Lm 、洩漏電感Lk1的跨壓V _{Lk 1}與第一電容C1的電壓Vc1之電壓和大於箝位第二電容C2的電壓Vc2時，此時第二二極體D2開始順向導通，對箝位第二電容C2充電而部份之電流對負載R _L 放電；而二次側漏感的能量，仍經由第三二極體D3順向導通對倍壓第三電容C3充電。

請同時參閱圖4與圖8，圖8為圖1的細部電路動作原理圖(四)。

當處於一工作模式四(例如圖4的時間t₃~t₄)時，電晶體開關S1仍處於截止狀態。當二次側倍壓第三電容C3之電壓Vc3、洩漏電感Lk2之跨壓V _{LK 2}與理想變壓器Tr二次側感應之電壓V _{N 2}之電壓和大於輸出第四電容C4之電壓Vc4時，第三二極體D3開始逆向截止而第四二極體D4便開始順向導通，則二次側之能量開始經由第四二極體D4順向導通之路徑對負載R _L 釋放能量，二次側輸出第四電容C4仍持續對負載R _L 放電；而一次側之能量仍經由第二二極體D2順向導通持續向箝位第二電容C2充電，而部份電流對負載R _L 提供能量。

請同時參閱圖4與圖9，圖9為圖1的細部電路動作原理圖(五)。

當處於一工作模式五(例如圖4的時間t₄~t₅)時，電晶體開關S1仍處於截止狀態。而一次側之能量則持續經由第二二極體D2順向導通向箝位第二電容C2充電，而部份電流向負載R _L 提供能量；而二次側之能量則經由第四二極體D4順向導通開始向二次側輸出第四電容C4充電，而部份電流則向負載R _L 提供能量。因此，在此工作區間負載R _L 所需之能量全由主電路提供。

請同時參閱圖4與圖10，圖10為圖1的細部電路動作原理圖(六)。

當處於一工作模式六(例如圖4的時間t₅~t₆)時，電晶體開關S1仍處於截止狀態。此時，一次側之能量與箝位第二電容C2開始向負載R _L 放電；而二次側之能量則經由第四二極體D4順向導通持續向二次側輸出第四電容C4充電，而部分電流則向負載R _L 提供能量。

請同時參閱圖4與圖11，圖11為圖1的細部電路動作原理圖(七)。

當處於一工作模式七(例如圖4的時間t₆~t₀)時，電晶體開關S1仍處於截止狀態。當一次側之能量釋放至小於箝位第二電容C2之電壓Vc2時，第二二極體D2便開始截止，此時能量由箝位第二電容C2提供給負載R _L ；而二次側之能量仍經由第四二極體D4順向導通持續向二次側輸出第四電容C4充電，而部份電流則向負載R _L 提供能量。

由上述可知，本發明所述電源轉換裝置包含以下之特點：具有高電壓增益、主動式箝位、低開關電壓應力、漏感能量回收、電路設計簡易以及高轉換效率。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1．．．電源轉換裝置

11．．．一次側電路

12．．．二次側電路

C1．．．第一電容

C2．．．第二電容

C3．．．第三電容

C4．．．第四電容

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

D4．．．第四二極體

E1．．．第一端

E2．．．第二端

E3．．．第三端

E4．．．第四端

Lm．．．激磁電感

Lk1,Lk2．．．洩漏電感

S1．．．電晶體開關

D．．．洩極端

G．．．閘極端

RL．．．負載

S．．．源極端

Tr．．．變壓器

Vc1．．．第一電容的充電電壓

Vc2．．．第二電容的充電電壓

Vc3．．．第三電容的充電電壓

Vc4．．．第四電容的充電電壓

V _I ．．．電源輸入單元

Vo．．．電源輸出單元

圖1為本發明一實施例電源轉換裝置的電路圖；

圖2為圖1之電路其電晶體開關被導通時的電路動作原理圖；

圖3為圖1之電路其電晶體開關被截止時的電路動作原理圖；

圖4為圖1電路的動作波形圖；

圖5為圖1的細部電路動作原理圖(一)；

圖6為圖1的細部電路動作原理圖(二)；

圖7為圖1的細部電路動作原理圖(三)；

圖8為圖1的細部電路動作原理圖(四)；

圖9為圖1的細部電路動作原理圖(五)；

圖10為圖1的細部電路動作原理圖(六)；以及

圖11為圖1的細部電路動作原理圖(七)。

1．．．電源轉換裝置

11．．．一次側電路

12．．．二次側電路

C1．．．第一電容

C2．．．第二電容

C3．．．第三電容

C4．．．第四電容

D1．．．第一二極體

D2．．．第二二極體

D3．．．第三二極體

D4．．．第四二極體

E1．．．第一端

E2．．．第二端

E3．．．第三端

E4．．．第四端

S1．．．電晶體開關

D．．．洩極端

G．．．閘極端

RL．．．負載

S．．．源極端

Tr．．．變壓器

Vc1．．．第一電容的充電電壓

Vc2．．．第二電容的充電電壓

Vc3．．．第三電容的充電電壓

Vc4．．．第四電容的充電電壓

V ^I ．．．電源輸入單元

Vo．．．電源輸出單元

Claims (6)

1. 一種電源轉換裝置，包含：一變壓器，具有一一次側與對應其之一二次側，該一次側具有一第一端與一第二端，該二次側具有一第三端與一第四端；一一次側電路，包含一電源輸入單元、一電晶體開關、一第一電容、一第二電容、一第一二極體以及一第二二極體，該電源輸入單元包含一第一電極端與一第二電極端，該第一電極端電連接該第一端，該電晶體開關包含一洩極端與一源極端，該洩極端電連接該第二端，該源極端電連接該第二電極端，該第一電容的一端電連接該洩極端，該第一電容的另一端電連接該第二二極體的一P型接合端，該第一二極體的一P型接合端電連接該第一端，該第一二極體的一N型接合端電連接該第二二極體的該P型接合端，該第二電容的一端電連接該源極端，該第二電容的另一端電連接該第二二極體的一N型接合端；一二次側電路，包含一第三電容、一第四電容、一第三二極體以及一第四二極體，該第三電容的一端電連接該第三端，該第三電容的另一端電連接該第四二極體的一P型接合端，該第三二極體的一P型接合端電連接該第四端，該第三二極體的一N型接合端電連接該第四二極體的該P型接合端，該第四電容的一端電連接該第四二極體的一N型接合端，該第四電容的另一端電連接該第四端與該第二二極體的該N型接合端；以及一電源輸出單元，電連接在該第二電極端與該第四二極體的該N型接合端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該電晶體開關更包含一閘極端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電源轉換裝置，其中該電晶體開關為一金氧半場效電晶體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該第一電極端為一正電極端。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該第二電極端為一負電極端。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該電源輸出單元更包含一負載。