TW201342782A - 具控制開關的電源轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

一種具控制開關的電源轉換裝置，包含變壓器模組、控制開關、電源輸入單元、二極體電路、電容電路以及電源輸出單元。其中變壓器模組包含兩個獨立鐵芯之變壓器，控制開關包含電性連接在變壓器模組之一次側的第一電晶體開關以及第二電晶體開關，當電源輸入單元從一次側提供電源時，可利用第一電晶體開關以及第二電晶體開關的交錯或同時導通，使二極體電路以及電容電路隨之作動，進而使電性連接在變壓器模組之二次側的電源輸出單元獲得高於電源輸入單元之電壓的輸出電壓。

Description

具控制開關的電源轉換裝置
本發明是有關於一種轉換裝置，且特別是有關於一種具控制開關的電源轉換裝置。
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。
返馳(Flyback)轉換器透過一次側與二次側之圈數比，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(汲極)(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，本發明提供一種具控制開關的電源轉換裝置。
依據上述之目的，本發明提供一種具控制開關的電源轉換裝置，包含變壓器模組、控制開關、電源輸入單元、二極體電路、電容電路以及電源輸出單元。變壓器模組可包含兩個獨立鐵芯之變壓器，每個變壓器具有一次側與對應其之二次側。詳言之，第一變壓器的一次側包含第一繞組線圈；第二變壓器的一次側包含第二繞組線圈。第一繞組線圈具有第一端與第二端，第二繞組線圈具有第三端與第四端，且第一變壓器的二次側包含第三繞組線圈；第二變壓器的二次側包含第四繞組線圈。第三繞組線圈具有第五端與第六端，第四繞組線圈具有第七端與第八端。其中第六端電性連接第七端，第一端與第二端之間更包含第一激磁電感，第三端與第四端之間更包含第二激磁電感。控制開關包含第一電晶體開關以及第二電晶體開關。第一電晶體開關的洩極端電性連接至第二端，第一電晶體開關的源極端電性連接至接地，第二電晶體開關的洩極端電性連接至第四端，第二電晶體開關的源極端電性連接至接地。
電源輸入單元包含第一電極端與第二電極端。第一電極端電性連接至第一端與第三端，第二電極端電性連接至接地。二極體電路包含第一二極體、第二二極體、第三二極體以及第四二極體。第一二極體的P型接合端電性連接至第二端，第一二極體的N型接合端電性連接至第二二極體的P型接合端，第三二極體的N型接合端電性連接至第八端，第三二極體的P型接合端電性連接至第二二極體的N型接合端，第四二極體的P型接合端電性連接至第三二極體的N型接合端。
電容電路包含第一電容、第二電容、第三電容以及第四電容。其中第一電容的一端電性連接至第二二極體的N型接合端，第一電容的另一端電性連接至接地，第二電容與第三電容的一端電性連接至第五端並於另一端分別連接在第三二極體的P型接合端與第四二極體的N型接合端，第四電容的一端電性連接至第二二極體的P型接合端，第四電容的另一端電性連接至第二電晶體開關的洩極端。電源輸出單元具有一端電性連接在第四二極體的N型接合端以及另一端電性連接在接地。
由此可知，本發明所提供之具控制開關的電源轉換裝置至少包含以下之特點：具有高電壓增益、漏感能量回收以及低輸入電流漣波。
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為本發明一實施例具控制開關的電源轉換裝置的電路圖。
由圖1可知，具控制開關的電源轉換裝置1包含變壓器模組10、控制開關、電源輸入單元V in 、二極體電路、電容電路以及電源輸出單元V O 。
變壓器模組10可包含兩個獨立鐵芯之變壓器，每個變壓器具有一次側與對應此一次側的二次側。詳言之，第一變壓器的一次側包含第一繞組線圈101；第二變壓器的一次側包含第二繞組線圈102。第一繞組線圈101具有第一端101a與第二端101b，第二繞組線圈102具有第三端102a與第四端102b，且第一變壓器的二次側包含第三繞組線圈103；第二變壓器的二次側包含第四繞組線圈104。第三繞組線圈103具有第五端103a與第六端103b，第四繞組線圈104具有第七端104a與第八端104b。其中第六端103b電性連接第七端104a，第一端101a與第二端101b之間更包含第一激磁電感L m 1，第三端102a與第四端102b之間更包含第二激磁電感L m 2。
控制開關可包含第一電晶體開關S1以及第二電晶體開關S2以作為功率開關。第一電晶體開關S1的洩極端(汲極端(Drain))D電性連接至第二端101b，第一電晶體開關S1的源極端S電性連接至接地(ground)，第二電晶體開關S2的洩極端(汲極端(Drain))D電性連接至第四端102b，第二電晶體開關S2的源極端S電性連接至接地。
詳言之，第一電晶體開關S1及/或第二電晶體開關S2可為金氧半場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,MOSFET)或雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)，但不限定於此。其中，如此實施例中，當第一電晶體開關S1與第二電晶體開關S2皆為金氧半場效電晶體時，第一電晶體開關S1與第二電晶體開關S2包含用以輸入控制訊號的閘極端G。
電源輸入單元V in 包含第一電極端與第二電極端。電源輸入單元V in 的第一電極端電性連接至第一端101a與第三端102a，電源輸入單元V in 的第二電極端電性連接至接地。其中，電源輸入單元V in 的第一電極端可為正電極端；電源輸入單元V in 的第二電極端可為負電極端，但不限定於此。
二極體電路包含第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3以及第四二極體D4。第一二極體D1的P型接合端電性連接至第二端101b，第一二極體D1的N型接合端電性連接至第二二極體D2的P型接合端，第三二極體D3的N型接合端電性連接至第八端104b，第三二極體D3的P型接合端電性連接至第二二極體D2的N型接合端，第四二極體D4的P型接合端電性連接至第三二極體D3的N型接合端。
電容電路包含第一電容C1、第二電容C2、第三電容C3以及第四電容Cb。其中第一電容C1的一端電性連接至第二二極體D2的N型接合端，第一電容C1的另一端電性連接至接地，第二電容C2與第三電容C3的一端電性連接至第五端103a，且第二電容C2的另一端連接在第三二極體D3的P型接合端，第三電容C3的另一端連接在第四二極體D4的N型接合端，第四電容Cb的一端電性連接至第二二極體D2的P型接合端，第四電容Cb的另一端電性連接至第二電晶體開關S2的洩極端D。
電源輸出單元V O 具有一端電性連接在第四二極體D4的N型接合端以及另一端電性連接在接地。詳言之，電源輸出單元V O 處更包含負載R O 。
請同時參閱圖1、圖2與圖3，圖2為圖1具控制開關的電源轉換裝置的動作波形圖；圖3為圖1具控制開關的電源轉換裝置的電路動作原理圖(一)。
由圖2可知，具控制開關的電源轉換裝置1的電路動作至少包含四種操作模式。例如：模式一為0t(D-0.5)T(例如，t0~t1)；模式二為(D-0.5)Tt0.5T(例如，t1~t2)；模式三為0.5TtDT(例如，t2~t3)；模式四為DTtT(例如，t3~t0)。其中，圖2中的VGS1與VGS2分別為第一電晶體開關S1與第二電晶體開關S2之閘極端G的控制訊號。
請參閱圖1、圖2與圖3，當具控制開關的電源轉換裝置1操作在模式一(t0~t1)時，具控制開關的電源轉換裝置1其電路動作原理(等效電路)如圖3所示：第一電晶體開關S1以及第二電晶體開關S2為導通；第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3以及第四二極體D4為逆偏截止；第一激磁電感L m 1與第二激磁電感L m 2進行儲能。
接著，請參閱圖1、圖2與圖4，圖4為圖1具控制開關的電源轉換裝置的電路動作原理圖(二)。
當具控制開關的電源轉換裝置1操作在模式二(t1~t2)時，具控制開關的電源轉換裝置1其電路動作原理(等效電路)如圖4所示：第一電晶體開關S1與第二二極體D2、第四二極體D4為導通；第二電晶體開關S2與第一二極體D1、第三二極體D3為截止。
接著，請參閱圖1、圖2與圖3。當具控制開關的電源轉換裝置1操作在模式三(t2~t3)時，其電路的動作原理與模式一相同，具控制開關的電源轉換裝置1其電路動作原理(等效電路)如圖3所示：第一電晶體開關S1以及第二電晶體開關S2為導通；第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3以及第四二極體D4為逆偏截止；第一激磁電感L m 1與第二激磁電感L m 2進行儲能。
之後，請參閱圖1、圖2與圖5，圖5為圖1具控制開關的電源轉換裝置的電路動作原理圖(三)。
當具控制開關的電源轉換裝置1操作在模式四(t3~t0)時，具控制開關的電源轉換裝置1其電路動作原理(等效電路)如圖5所示：第二電晶體開關S2與第一二極體D1、第三二極體D3為導通；第一電晶體開關S1與第二二極體D2、第四二極體D4為截止。
承上述，經由激磁電感之伏-秒平衡可得到理想電壓增益為：；其中，V O 為電源輸出單元；V in 為電源輸入單元；n為變壓器模組10的線圈匝數比(例如：二次側的線圈匝數/一次側的線圈匝數)；D為工作週期。
由上述可知，本發明所述具控制開關的電源轉換裝置包含以下之特點：
1.藉由耦合電感匝比與整流倍壓電路使輸出端(如電源輸出單元的負載處)可獲得高電壓增益。
2.利用兩組功率開關(如第一電晶體開關S1與第二電晶體開關S2)錯相導通，使輸入大電流可平均分流，進而降低元件導通損耗，亦有低輸入電流漣波的特點。
3.具有類似主動箝位的功能，能將漏感能量回收至輸出端，有效抑制開關突波電壓，進而使轉換效率更加提升。並且，兩組功率開關皆被設計於低壓側(例如，一次側)，開關電壓應力低於輸出電壓，零件選用可選擇低耐壓值設計。
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．．．具控制開關的電源轉換裝置
10．．．變壓器模組
101．．．第一繞組線圈
101a．．．第一端
101b．．．第二端
102．．．第二繞組線圈
102a．．．第三端
102b．．．第四端
103．．．第三繞組線圈
103a．．．第五端
103b．．．第六端
104．．．第四繞組線圈
104a．．．第七端
104b．．．第八端
C1．．．第一電容
C2．．．第二電容
C3．．．第三電容
Cb．．．第四電容
D．．．洩極端
D1．．．第一二極體
D2．．．第二二極體
D3．．．第三二極體
D4．．．第四二極體
G．．．閘極端
L m 1．．．第一激磁電感
L m 2．．．第二激磁電感
R O ．．．負載
S．．．源極端
S1．．．第一電晶體開關
S2．．．第二電晶體開關
V in ．．．電源輸入單元
V O ．．．電源輸出單元
圖1為本發明一實施例具控制開關的電源轉換裝置的電路圖；
圖2為圖1具控制開關的電源轉換裝置的動作波形圖；
圖3為圖1具控制開關的電源轉換裝置的電路動作原理圖(一)；
圖4為圖1具控制開關的電源轉換裝置的電路動作原理圖(二)；以及
圖5為圖1具控制開關的電源轉換裝置的電路動作原理圖(三)。
1．．．具控制開關的電源轉換裝置
10．．．變壓器模組
101．．．第一繞組線圈
101a．．．第一端
101b．．．第二端
102．．．第二繞組線圈
102a．．．第三端
102b．．．第四端
103．．．第三繞組線圈
103a．．．第五端
103b．．．第六端
104．．．第四繞組線圈
104a．．．第七端
104b．．．第八端
C1．．．第一電容
C2．．．第二電容
C3．．．第三電容
Cb．．．第四電容
D．．．洩極端
D1．．．第一二極體
D2．．．第二二極體
D3．．．第三二極體
D4．．．第四二極體
G．．．閘極端
L m 1．．．第一激磁電感
L m 2．．．第二激磁電感
R O ．．．負載
S．．．源極端
S1．．．第一電晶體開關
S2．．．第二電晶體開關
V in ．．．電源輸入單元
V O ．．．電源輸出單元

Claims (7)

  1. 一種具控制開關的電源轉換裝置，包含：一變壓器模組，具有一一次側與對應其之一二次側，該一次側包含一第一繞組線圈與一第二繞組線圈，該第一繞組線圈具有一第一端與一第二端，第二繞組線圈具有一第三端與一第四端，且該二次側包含一第三繞組線圈與一第四繞組線圈，該第三繞組線圈具有一第五端與一第六端，該第四繞組線圈具有一第七端與一第八端，其中該第六端電性連接該第七端，該第一端與該第二端之間更包含一第一激磁電感，該第三端與該第四端之間更包含一第二激磁電感；一控制開關，包含一第一電晶體開關以及一第二電晶體開關，該第一電晶體開關的一洩極端電性連接至該第二端，該第一電晶體開關的一源極端電性連接至一接地，該第二電晶體開關的一洩極端電性連接至該第四端，該第二電晶體開關的一源極端電性連接至該接地；一電源輸入單元，包含一第一電極端與一第二電極端，該第一電極端電性連接至該第一端與該第三端，該第二電極端電性連接至該接地；一二極體電路，包含一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體以及一第四二極體，該第一二極體的一P型接合端電性連接至該第二端，該第一二極體的一N型接合端電性連接至該第二二極體的一P型接合端，該第三二極體的一N型接合端電性連接至該第八端，該第三二極體的一P型接合端電性連接至該第二二極體的一N型接合端，該第四二極體的一P型接合端電性連接至該第三二極體的該N型接合端；一電容電路，包含一第一電容、一第二電容、一第三電容以及一第四電容，其中該第一電容的一端電性連接至該第二二極體的該N型接合端，該第一電容的另一端電性連接至該接地，該第二電容與該第三電容的一端電性連接至該第五端並於另一端分別連接在該第三二極體的該P型接合端與該第四二極體的一N型接合端，該第四電容的一端電性連接至該第二二極體的該P型接合端，該第四電容的另一端電性連接至該第二電晶體開關的該洩極端；以及一電源輸出單元，具有一端電性連接在該第四二極體的該N型接合端以及另一端電性連接在該接地。
  2. 如申請專利範圍第1項所述具控制開關的電源轉換裝置，其中該第一電晶體開關更包含一閘極端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述具控制開關的電源轉換裝置，其中該第二電晶體開關更包含一閘極端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述具控制開關的電源轉換裝置，其中該第一電晶體開關或該第二電晶體開關為一金氧半場效電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述具控制開關的電源轉換裝置，其中該第一電極端為一正電極端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述具控制開關的電源轉換裝置，其中該第二電極端為一負電極端。
  7. 如申請專利範圍第1項所述具控制開關的電源轉換裝置，其中該電源輸出單元更包含一負載。
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