TW201338386A - 交錯式零電壓切換ｄｃ－ｄｃ轉換器 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，其主要係由下、上側主動箝位順向式轉換器經輸入串聯及輸出並聯的架構所組成，能降低開關電壓應力，適合於高輸入電壓應用，兩個主開關以工作相位差１８０度之交錯式信號驅動，利用主動箝位電路作為上、下側的變壓器重置電路及共振電路的設計，使得主開關及輔助開關均能達到零電壓切換的性能，減少切換損失，提升轉換效率，同時主動箝位電路作為回收儲存於漏電感之能量，消除開關切換時變壓器產生的電壓突波，且主開關導通比沒有小於０﹒５的限制，而交錯式操作使得輸出電感的電流漣波可互相抵消，可降低輸出電容電流的漣波，因此可使用較小的輸出電感及濾波電容，減少濾波元件體積，而能在其整體施行使用上更增實用便利性者。

Description

交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器

　　本發明係有關於一種交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，尤其是指一種能降低開關電壓應力，減少切換損失，提升轉換效率，同時消除開關切換時變壓器產生的電壓突波，且輸出電感的電流漣波可互相抵消，可降低輸出電容電流的漣波，減少濾波元件的體積，增加功率密度，而在其整體施行使用上更增實用功效特性之交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器創新設計者。

　　按，近年來許多電子產品的電源轉換器往往都要求大電流供電且高功率密度，在大電流輸出的規格需求下，電源轉換器將面對磁性元件與半導體元件之功率損失及熱應力的問題，以及輸出電壓漣波增大等缺點，另外，由於節能意識高漲，未來的電源轉換器勢必具有高轉換效率，才可滿足日趨嚴苛的國際電源規範。

　　其中，請參閱第十三圖現有之電路架構圖所示，提出一種雙重交錯式主動箝位順向式轉換器，其具有自動充電平衡調整的功能，其必須額外使用兩組額外繞組，與共用一個電容實現主動箝位功能，因此變壓器製作較為複雜，由於此轉換器欠缺共振電感的設計，因此無法保證零電壓切換〔ＺＶＳ〕，但是變壓器一次側的漏電感將造成開關上的電壓突波，導致開關的高電壓應力是一缺點，必須額外加上緩震器〔ｓｎｕｂｂｅｒ〕電路。

　　另，請參閱第十四圖現有之另一電路架構圖所示，亦提出一種具有倍流整流及柔性切換之交錯式順向式轉換器，利用箝位電路及變壓器之磁化電感及共振電感達成零電壓切換〔ＺＶＳ〕功能，提升效率，兩組主動箝位順向式轉換器是以並聯輸入並聯輸出的架構實現，交錯式的開關切換使得輸出電感電流能夠相消以降低輸出電容的電流，但是開關的電壓應力超過輸入電壓，不適於高輸入電壓應用為其缺點。

　　緣是，發明人秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構再予以研究改良，提供一種交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，以期達到更佳實用價值性之目的者。

　　本發明之交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，其主要係由下、上側主動箝位順向式轉換器經輸入串聯及輸出並聯的架構所組成，能降低開關電壓應力，適合於高輸入電壓應用，兩個主開關以工作相位差１８０度之交錯式信號驅動，利用主動箝位電路及共振電路的設計，使得主開關及輔助開關均能達到零電壓切換的性能，減少切換損失，提升轉換效率，同時主動箝位電路作為回收儲存於漏電感之能量，消除開關切換時變壓器產生的電壓突波，且主開關導通比沒有小於０﹒５的限制，而交錯式操作使得輸出電感的電流漣波可互相抵消，可降低輸出電容電流的漣波，因此可使用較小的輸出電感及濾波電容，減少濾波元件體積，增加功率密度，而能在其整體施行使用上更增實用便利性者。

　　為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

　　首先，請參閱第一圖本發明之電路示意圖所示，本發明之轉換器（１）是由下、上側主動箝位順向式轉換器（１１）、（１２），以串聯輸入及並聯輸出的連接方式所組成；其中：

　　該下側主動箝位順向式轉換器（１１）設有輸入電容Ｃ_ｉ１，於該輸入電容Ｃ_ｉ１之負極同時連接下側重置電路（１１１）之第一端點、主開關Ｓ_ｍ１之第一端點、本體二極體Ｄ_ｍ１之正極與共振電容Ｃ_ｒ１之負極，該主開關Ｓ_ｍ１之第二端點、本體二極體Ｄ_ｍ１之負極與共振電容Ｃ_ｒ１之正極則同時與下側重置電路（１１１）之第二端點、磁化電感Ｌ_ｍ１之第一端點及變壓器Ｔ_１之一次側負極相連接，而該輸入電容Ｃ_ｉ１之正極同時連接共振電感Ｌ_ｒ之第一端點及上側主動箝位順向式轉換器（１２）輸入電容Ｃ_ｉ２之負極，該共振電感Ｌ_ｒ之第二端點分別與漏電感Ｌ_ｌ１之第一端點及上側主動箝位順向式轉換器（１２）漏電感Ｌ_ｌ２之第一端點相連接，漏電感Ｌ_ｌ１之第二端點則與磁化電感Ｌ_ｍ１之第二端點及變壓器Ｔ_１之一次側正極相連接，另該變壓器Ｔ_１之二次側負極與正極連接至下側整流及濾波電路（１１２），該下側整流及濾波電路（１１２）之第一、二輸出端點則分別與輸出電容Ｃ_Ｏ之第一、二端點相連接。

　　而該上側主動箝位順向式轉換器（１２）則對應下側主動箝位順向式轉換器（１１）設有輸入電容Ｃ_ｉ２，於該輸入電容Ｃ_ｉ２之正極同時連接上側重置電路（１２１）之第一端點、主開關Ｓ_ｍ２之第一端點、本體二極體Ｄ_ｍ２之負極與共振電容Ｃ_ｒ２之正極，該主開關Ｓ_ｍ２之第二端點、本體二極體Ｄ_ｍ２之正極與共振電容Ｃ_ｒ２之負極則同時與上側重置電路（１２１）之第二端點、磁化電感Ｌ_ｍ２之第一端點及變壓器Ｔ_２之一次側正極相連接，而該輸入電容Ｃ_ｉ２之負極同時連接共振電感Ｌ_ｒ之第一端點及下側主動箝位順向式轉換器（１１）輸入電容Ｃ_ｉ１之正極，該共振電感Ｌ_ｒ之第二端點分別與漏電感Ｌ_ｌ２之第一端點及下側主動箝位順向式轉換器（１１）漏電感Ｌ_ｌ１之第一端點相連接，漏電感Ｌ_ｌ２之第二端點則與磁化電感Ｌ_ｍ２之第二端點及變壓器Ｔ_２之一次側負極相連接，另該變壓器Ｔ_２之二次側正極與負極連接至上側整流及濾波電路（１２２），該上側整流及濾波電路（１２２）之第一、二輸出端點則分別與輸出電容Ｃ_Ｏ之第二、一端點相連接。

　　其中，請再一併參閱第二圖本發明之重置電路示意圖所示，該下側主動箝位順向式轉換器（１１）之下側重置電路（１１１），其第一端點係分別連接有輔助開關Ｓ_ａ１之第一端點及本體二極體Ｄ_ａ１之負極，而輔助開關Ｓ_ａ１之第二端點及本體二極體Ｄ_ａ１之正極則與箝位電容Ｃ_１之負極相連接，該箝位電容Ｃ_１之正極則連接至下側重置電路（１１１）之第二端點；該上側主動箝位順向式轉換器（１２）之上側重置電路（１２１），其第一端點係分別連接有輔助開關Ｓ_ａ２之第一端點及本體二極體Ｄ_ａ２之正極，而輔助開關Ｓ_ａ２之第二端點及本體二極體Ｄ_ａ２之負極則與箝位電容Ｃ_２之正極相連接，該箝位電容Ｃ_２之負極則連接至上側重置電路（１２１）之第二端點。

　　請再一併參閱第三圖本發明之第一種整流及濾波電路示意圖〔半波整流〕所示，該下側主動箝位順向式轉換器（１１）之下側整流及濾波電路（１１２），其係令該變壓器Ｔ_１之二次側負極與飛輪二極體Ｄ_２之正極及下側主動箝位順向式轉換器（１１）之第一輸出端點連接，而該變壓器Ｔ_１之二次側正極與整流二極體Ｄ_１之正極連接，該飛輪二極體Ｄ_２之負極與整流二極體Ｄ_１之負極及輸出電感Ｌ_１之第一端點相連接，再令輸出電感Ｌ_１之第二端點連接至下側整流及濾波電路（１１２）之第二輸出端點；該上側主動箝位順向式轉換器（１２）之上側整流及濾波電路（１２２），其係令該變壓器Ｔ_２之二次側正極與整流二極體Ｄ_３之正極連接，變壓器Ｔ_２之二次側負極與飛輪二極體Ｄ_４之正極及上側整流及濾波電路（１２２）之第二輸出端點連接，該整流二極體Ｄ_３之負極與之飛輪二極體Ｄ_４負極及輸出電感Ｌ_２之第一端點相連接，再令輸出電感Ｌ_２之第二端點連接至上側整流及濾波電路（１２２）之第一輸出端點。

　　請再一併參閱第四圖本發明之第二種整流及濾波電路示意圖〔倍流整流〕所示，該下側主動箝位順向式轉換器（１１）之下側整流及濾波電路（１１２），其係令該變壓器Ｔ_１之二次側負極與二極體Ｄ_２之負極及輸出電感Ｌ_２之第一端點連接，而該變壓器Ｔ_１之二次側正極與二極體Ｄ_１之負極及輸出電感Ｌ_１之第一端點連接，令該二極體Ｄ_２之正極與二極體Ｄ_１之正極連接至下側整流及濾波電路（１１２）之第一輸出端點，再令該輸出電感Ｌ_２之第二端點與輸出電感Ｌ_１之第二端點連接至下側整流及濾波電路（１１２）之第二輸出端點；該上側主動箝位順向式轉換器（１２）之上側整流及濾波電路（１２２），其係令該變壓器Ｔ_２之二次側正極與二極體Ｄ_３之負極及輸出電感Ｌ_３之第一端點連接，而該變壓器Ｔ_１之二次側負極與二極體Ｄ_４之負極及輸出電感Ｌ_４之第一端點連接，令該二極體Ｄ_３之正極與二極體Ｄ_４之正極連接至上側整流及濾波電路（１２２）之第二輸出端點，再令該輸出電感Ｌ_３之第二端點與輸出電感Ｌ_４之第二端點連接至上側整流及濾波電路（１２２）之第一輸出端點。

　　如此一來，請參閱第五圖本發明主開關Ｓ_ｍ１之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖、第六圖本發明主開關Ｓ_ｍ２之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖、第七圖本發明輔助開關Ｓ_ａ１之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖及第八圖本發明輔助開關Ｓ_ａ２之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖所示，在Ｖ_ｉｎ＝４００Ｖ時，主開關Ｓ_ｍ１、Ｓ_ｍ２與輔助開關Ｓ_ａ１、Ｓ_ａ２之跨壓Ｓ_{ｍ１，ＶＤＳ}、Ｓ_{ｍ２，ＶＤＳ}與Ｓ_{ａ１，ＶＤＳ}、Ｓ_{ａ２，ＶＤＳ}都下降至零後，驅動信號Ｓ_{ｍ１，Ｖｇｓ}、Ｓ_{ｍ２，Ｖｇｓ}與Ｓ_{ａ１，Ｖｇｓ}、Ｓ_{ａ２，Ｖｇｓ}才切換為ｏｎ，達到零電壓切換〔ＺＶＳ〕性能，而開關跨壓小於Ｖ_ｉｎ，Ｖ_Ｏ＝４８Ｖ，Ｐ_Ｏ＝４８０Ｗ，具有高輸入電壓而開關元件具有低電壓應力。

　　另，請參閱第九圖本發明半波整流之輸出電感電流漣波相消性能圖所示，在Ｖ_ｉｎ＝４００Ｖ時，輸出電感電流Ｉ_Ｌ１、Ｉ_Ｌ２在交錯式操作下，漣波相差１８０度，確實使漣波降低，導通比越接近０﹒５，電感電流漣波相消效果越佳，且Ｉ_Ｌ１＝Ｉ_Ｌ２確實分擔輸出電流Ｉ_ＬＯ。

　　又，請參閱第十圖本發明倍流整流之輸出電感電流漣波相消性能圖〔下側整流及濾波電路〕及第十一圖本發明倍流整流之輸出電感電流漣波相消性能圖〔上側整流及濾波電路〕所示，因Ｉ_Ｌ１和Ｉ_Ｌ３及Ｉ_Ｌ２和Ｉ_Ｌ４的漣波皆相差１８０度，使得Ｉ_Ｏ１和Ｉ_Ｏ２漣波相消許多，當導通比越接近０﹒５，電感電流漣波相消效果越佳，且Ｉ_Ｌ１＋Ｉ_Ｌ３＝Ｉ_Ｏ１及Ｉ_Ｌ２＋Ｉ_Ｌ４＝Ｉ_Ｏ２，Ｉ_Ｌ１和Ｉ_Ｌ３及Ｉ_Ｌ２和Ｉ_Ｌ４確實分擔輸出電流Ｉ_Ｏ１和Ｉ_Ｏ２；再，請再參閱第十二圖本發明倍流整流之輸出電流漣波相消性能圖所示，由於採交錯式操作，使得Ｉ_Ｏ１和Ｉ_Ｏ２再次漣波相消，且Ｉ_Ｏ１＋Ｉ_Ｏ２＝Ｉ_Ｏ，Ｉ_Ｏ１和Ｉ_Ｏ２確實分擔輸出電流Ｉ_Ｏ。

　　藉由以上所述，本發明結構之組成與使用實施說明可知，本發明與現有結構相較之下，本發明主要係利用輸入串聯架構降低開關電壓應力，主動箝位電路及共振電路的設計，使得主開關及輔助開關均能達到零電壓切換的性能，減少切換損失，提升轉換效率，同時主動箝位電路作為變壓器重置和回收儲存於漏電感之能量，消除開關切換時變壓器產生的電壓突波，且主開關導通比沒有小於０﹒５的限制，而輸出並聯架構及交錯式操作使得輸出電感的電流漣波可互相抵消，可降低輸出電容電流的漣波，因此可使用較小的輸出電感及濾波電容，減少濾波元件體積，增加功率密度，而能在其整體施行使用上更增實用便利性者。

　　然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

　　綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

(1)．．．轉換器

(11)．．．下側主動箝位順向式轉換器

(111)．．．下側重置電路

(112)．．．下側整流及濾波電路

(12)．．．上側主動箝位順向式轉換器

(121)．．．上側重置電路

(122)．．．上側整流及濾波電路

第一圖：本發明之電路示意圖

第二圖：本發明之重置電路示意圖

第三圖：本發明之第一種整流及濾波電路示意圖〔半波整流〕

第四圖：本發明之第二種整流及濾波電路示意圖〔倍流整流〕

第五圖：本發明主開關Ｓ_ｍ１之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖

第六圖：本發明主開關Ｓ_ｍ２之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖

第七圖：本發明輔助開關Ｓ_ａ１之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖

第八圖：本發明輔助開關Ｓ_ａ２之零電壓切換〔ＺＶＳ〕波形圖

第九圖：本發明半波整流之輸出電感電流漣波相消性能圖

第十圖：本發明倍流整流之輸出電感電流漣波相消性能圖〔下側整流及濾波電路〕

第十一圖：本發明倍流整流之輸出電感電流漣波相消性能圖〔上側整流及濾波電路〕

第十二圖：本發明倍流整流之輸出電流漣波相消性能圖

第十三圖：現有之電路架構圖

第十四圖：現有之另一電路架構圖

(1)．．．轉換器

(11)．．．下側主動箝位順向式轉換器

(111)．．．下側重置電路

(112)．．．下側整流及濾波電路

(12)．．．上側主動箝位順向式轉換器

(121)．．．上側重置電路

(122)．．．上側整流及濾波電路

Claims (4)

1. 一種交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，轉換器是由下、上側主動箝位順向式轉換器，以串聯輸入及並聯輸出的連接方式所組成；其中：
   　　 該下側主動箝位順向式轉換器設有輸入電容Ｃ_ｉ１，於該輸入電容Ｃ_ｉ１之負極同時連接下側重置電路之第一端點、主開關Ｓ_ｍ１之第一端點、本體二極體Ｄ_ｍ１之正極與共振電容Ｃ_ｒ１之負極，該主開關Ｓ_ｍ１之第二端點、本體二極體Ｄ_ｍ１之負極與共振電容Ｃ_ｒ１之正極則同時與下側重置電路之第二端點、磁化電感Ｌ_ｍ１之第一端點及變壓器Ｔ_１之一次側負極相連接，而該輸入電容Ｃ_ｉ１之正極同時連接共振電感Ｌ_ｒ之第一端點及上側主動箝位順向式轉換器輸入電容Ｃ_ｉ２之負極，該共振電感Ｌ_ｒ之第二端點分別與漏電感Ｌ_ｌ１之第一端點及上側主動箝位順向式轉換器漏電感Ｌ_ｌ２之第一端點相連接，漏電感Ｌ_ｌ１之第二端點則與磁化電感Ｌ_ｍ１之第二端點及變壓器Ｔ_１之一次側正極相連接，另該變壓器Ｔ_１之二次側負極與正極連接至下側整流及濾波電路，該下側整流及濾波電路之第一、二輸出端點則分別與輸出電容Ｃ_Ｏ之第一、二端點相連接；
   　　而該上側 主動箝位順向式轉換器則對應下側主動箝位順向式轉換器設有輸入電容Ｃ_ｉ２，於該輸入電容Ｃ_ｉ２之正極同時連接上側重置電路之第一端點、主開關Ｓ_ｍ２之第一端點、本體二極體Ｄ_ｍ２之負極與共振電容Ｃ_ｒ２之正極，該主開關Ｓ_ｍ２之第二端點、本體二極體Ｄ_ｍ２之正極與共振電容Ｃ_ｒ２之負極則同時與上側重置電路之第二端點、磁化電感Ｌ_ｍ２之第一端點及變壓器Ｔ_２之一次側正極相連接，而該輸入電容Ｃ_ｉ２之負極同時連接共振電感Ｌ_ｒ之第一端點及下側主動箝位順向式轉換器輸入電容Ｃ_ｉ１之正極，該共振電感Ｌ_ｒ之第二端點分別與漏電感Ｌ_ｌ２之第一端點及下側主動箝位順向式轉換器漏電感Ｌ_ｌ１之第一端點相連接，漏電感Ｌ_ｌ２之第二端點則與磁化電感Ｌ_ｍ２之第二端點及變壓器Ｔ_２之一次側負極相連接，另該變壓器Ｔ_２之二次側正極與負極連接至上側整流及濾波電路，該上側整流及濾波電路之第一、二輸出端點則分別與輸出電容Ｃ_Ｏ之第二、一端點相連接。
2. 如申請專利範圍第１項所述交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，其中，該下側主動箝位順向式轉換器之下側重置電路，其第一端點係分別連接有輔助開關Ｓ_ａ１之第一端點及本體二極體Ｄ_ａ１之負極，而輔助開關Ｓ_ａ１之第二端點及本體二極體Ｄ_ａ１之正極則與箝位電容Ｃ_１之負極相連接，該箝位電容Ｃ_１之正極則連接至下側重置電路之第二端點；該上側主動箝位順向式轉換器之上側重置電路，其第一端點係分別連接有輔助開關Ｓ_ａ２之第一端點及本體二極體Ｄ_ａ２之正極，而輔助開關Ｓ_ａ２之第二端點及本體二極體Ｄ_ａ２之負極則與箝位電容Ｃ_２之正極相連接，該箝位電容Ｃ_２之負極則連接至上側重置電路之第二端點。
3. 如申請專利範圍第１項所述交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，其中，該下側主動箝位順向式轉換器之下側整流及濾波電路，其係令該變壓器Ｔ_１之二次側負極與飛輪二極體Ｄ_２之正極及下側主動箝位順向式轉換器之第一輸出端點連接，而該變壓器Ｔ_１之二次側正極與整流二極體Ｄ_１之正極連接，該飛輪二極體Ｄ_２之負極與整流二極體Ｄ_１之負極及輸出電感Ｌ_１之第一端點相連接，再令輸出電感Ｌ_１之第二端點連接至下側整流及濾波電路之第二輸出端點；該上側主動箝位順向式轉換器之上側整流及濾波電路，其係令該變壓器Ｔ_２之二次側正極與整流二極體Ｄ_３之正極連接，變壓器Ｔ_２之二次側負極與飛輪二極體Ｄ_４之正極及上側整流及濾波電路之第二輸出端點連接，該整流二極體Ｄ_３之負極與之飛輪二極體Ｄ_４負極及輸出電感Ｌ_２之第一端點相連接，再令輸出電感Ｌ_２之第二端點連接至上側整流及濾波電路之第一輸出端點。
4. 如申請專利範圍第１項所述交錯式零電壓切換ＤＣ－ＤＣ轉換器，其中，該下側主動箝位順向式轉換器之下側整流及濾波電路，其係令該變壓器Ｔ_１之二次側負極與二極體Ｄ_２之負極及輸出電感Ｌ_２之第一端點連接，而該變壓器Ｔ_１之二次側正極與二極體Ｄ_１之負極及輸出電感Ｌ_１之第一端點連接，令該二極體Ｄ_２之正極與二極體Ｄ_１之正極連接至下側整流及濾波電路之第一輸出端點，再令該輸出電感Ｌ_２之第二端點與輸出電感Ｌ_１之第二端點連接至下側整流及濾波電路之第二輸出端點；該上側主動箝位順向式轉換器之上側整流及濾波電路，其係令該變壓器Ｔ_２之二次側正極與二極體Ｄ_３之負極及輸出電感Ｌ_３之第一端點連接，而該變壓器Ｔ_１之二次側負極與二極體Ｄ_４之負極及輸出電感Ｌ_４之第一端點連接，令該二極體Ｄ_３之正極與二極體Ｄ_４之正極連接至上側整流及濾波電路之第二輸出端點，再令該輸出電感Ｌ_３之第二端點與輸出電感Ｌ_４之第二端點連接至上側整流及濾波電路之第一輸出端點。