TW201541838A - 返馳式主動箝位電源轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種返馳式主動箝位電源轉換器，返馳式主動箝位電源轉換器包括輸入電感、下橋開關、上橋開關、第一儲能電容、箝位電容、諧振電感、激磁電感、變壓器、輸出二極體與輸出電容。當返馳式主動箝位電源轉換器內之箝位電容與諧振電感所產生之諧振頻率實質上等於開關切換頻率，進而在全負載範圍內使得輸出二極體進行零電流切換(Zero Current Switching,ZCS)。

Description

返馳式主動箝位電源轉換器
本發明乃是關於一種電源轉換器，特別是指一種能夠使二次側二極體實現零電流切換(Zero Current Switching,ZCS)之返馳式主動箝位電源轉換器，較佳是單端初級電感轉換器。
隨著現代科技的進步與可攜式電子產品的蓬勃發展，切換式轉換器的效能及各項應用亦越來越受到重視。近年來，由於電力電子技術的大幅進步及奈米科技的發展，電子器材日益趨向輕薄短小化，省能源，及降低成本的方向發展，其內部的電源轉換器亦需朝向輕薄短小，省能，提高功率及降低製作成本的趨勢設計。電源供應器為大多電子產品所必備的一種電子裝置，用來將電池或是市電的輸入電源，轉換成電子產品所需要的特別規格之輸出電源。而隨著科技技術的演進，電源供應器的轉換效率也不斷的被要求到更好的境界。轉換效率定義為輸出電源之輸出功率對輸入電源之輸入功率的比值。
一功率轉換系統接收一輸入直流(DC)或交流(AC)功率及將它轉換至一DC或AC輸出功率，其通常呈現一不同於該輸入功率之電壓。該輸出功率之控制可能回應該輸出電壓或該輸出電流。一升壓式轉換器(boost converter，亦稱為step-up converter)係一具有大於其輸入電壓之輸出電壓的功率轉換器。它是一種包含至少一第一電控開關(例如，電晶體)、至少一第一能量儲存元件(例如，一 電線圈)及一附加元件(例如，一二極體或一第二電控開關)之切換模式電源。通常，該等電控開關及二極體係配置在該電線圈與該輸出間，其中電流被交替地汲取來使該電線圈充能，以回應該被關閉之第一電控開關，以及被傳送至一負載，以回應該被打開之第一電控開關。當該電流被傳送至該負載時，該電流經過該二極體或該第二電控開關。一降壓式轉換器(buck converter，亦稱為step-down converter)係一具有小於其輸入電壓之輸出電壓的功率轉換器。它是一種包含至少一第三電控開關(例如，一電晶體)、至少一第二能量儲存元件(例如，一電線圈)及一附加元件(例如，一二極體或一第四電控開關)之切換模式電源。通常，該等電控開關及二極體係配置在該輸入電源與該電線圈間，其中電流被交替地汲取來經由一負載使該電線圈充能，以回應該被關閉之第三電控開關，以及持續使該電線圈朝該負載放能，以回應該被打開之第三電控開關。當使該電線圈朝該負載放能時，該二極體或第四電控開關係與該電線圈串聯。一返馳式轉換器(flyback converter)係一具有可大於或小於其輸入電壓之輸出電壓的轉換器。它是一種切換模式電源，其包含：至少一電控開關；一能量儲存元件，其包括至少一電線圈(特別是一變壓器)，藉此在具有隔離之附加優點下使電壓比增加；以及至少一附加元件(例如，一二極體及/或附加電控開關)。通常，該變壓器之一次電線圈係連接於該電控開關與該輸入電壓間及該變壓器之二次電線圈係連接於該附加元件與該輸出間。上面所列之功率轉換器表示一些拓撲之說明，但是絕不表示限定用。
在小功率的應用上，返馳式(Flyback)轉換器是目前廣泛應用的電源電路，但返馳式轉換器會有輸入電流脈衝遭受電磁干擾(EMI)的問題以及漏感所導致的電壓突波，所以在先前技術下已使用單端初級電感轉換器(Single-ended Primary Inductor Converter,SEPIC)來減少電磁干擾的問題。然而，傳統主動式箝位SEPIC在於 次級側二極體會有較高的突波電壓(spike voltage)，使得效率上無法得到較大的提升。
有鑑於此，本發明實施例提出一種返馳式主動箝位電源轉換器，能夠在全負載範圍內使得輸出二極體進行零電流切換，以減少功率轉換之切換損失。
本發明實施例提供一種返馳式主動箝位電源轉換器，返馳式主動箝位電源轉換器包括輸入電感、下橋開關、上橋開關、第一儲能電容、箝位電容、諧振電感、激磁電感、變壓器、輸出二極體與輸出電容。輸入電感之第一端連接輸入電壓源之正端，其中流經輸入電感之輸入電感電流運作於邊界導通模式。下橋開關之控制端接收第一控制訊號，下橋開關之第一端連接輸入電壓源之負端，其中下橋開關根據第一控制訊號之準位來決定導通或截止。上橋開關之控制端接收第二控制訊號，上橋開關之第一端連接下橋開關之第二端，其中上橋開關根據第二控制訊號之準位來決定導通或截止，並且下橋開關與上橋開關具有開關切換頻率。第一儲能電容之第一端連接下橋開關之第一端。箝位電容之第一端連接上橋開關之第二端，箝位電容之第二端連接第一儲能電容之第二端。諧振電感之第一端連接下橋開關之第二端。激磁電感之第一端連接諧振電感，激磁電感之第二端連接箝位電容之第二端，其中流經激磁電感之電流為激磁電感電流。變壓器具有一次側繞組與二次側繞組，一次側繞組並聯連接激磁電感，其中一次側繞組與二次側繞組具有互感效應。輸出二極體之陽極連接二次側繞組之第一端。輸出電容之第一端連接輸出二極體之陰極，輸出電容之第二端連接二次側繞組之第二端。返馳式主動箝位電源轉換器內之箝位電容與諧振電感所產生之諧振頻率實質上等於開關切換頻率，進而使得輸出二極體進行零電流切換。
在本發明其中一個實施例中，當箝位電容與諧振電感之諧振頻率等於開關切換頻率，則流經一次側繞組之一次側電流之電流值逐漸下降至零，進而使得流經二次側繞組之二次側電流之電流值為零，以便輸出二極體進行零電流切換。
在本發明其中一個實施例中，當激磁電感電流之電流值實質上等於諧振電流之電流值時，一次側電流之電流值實質上等於零電流值，其中諧振電流為流經諧振電感之電流。
在本發明其中一個實施例中，當下橋開關導通時，輸入電感電流對輸入電感進行充電。
在本發明其中一個實施例中，當上橋開關不導通且輸入電感電流之電流值為零時，則激磁電感電流對下橋開關之寄生電容進行充電。
在本發明其中一個實施例中，當下橋電晶體之第一端與第二端之間的跨壓為零時，激磁電感電流流經下橋開關的本體二極體，進而使得第一儲能電容之電容電壓隨著激磁電感電流之上升而線性增加。
在本發明其中一個實施例中，當下橋開關不導通時，輸入電感電流與激磁電感電流對下橋開關之寄生電容進行充電。
在本發明其中一個實施例中，當上橋開關之本體二極體開始導通時，導通電流對箝位電容進行充電，其中導通電流為輸入電感電流與激磁電感電流之總和。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100‧‧‧返馳式主動箝位電源轉換器
Cb‧‧‧第一儲能電容
Cc‧‧‧箝位電容
Co‧‧‧輸出電容
CS1‧‧‧第一控制訊號
CS2‧‧‧第二控制訊號
Do‧‧‧輸出二極體
HT‧‧‧變壓器
iin‧‧‧輸入電感電流
iLr‧‧‧諧振電感電流
iLm‧‧‧激磁電感電流
ip‧‧‧一次側電流
is‧‧‧二次側電流
Lin‧‧‧輸入電感
Llk‧‧‧諧振電感
Lm‧‧‧激磁電感
S1‧‧‧下橋開關
S2‧‧‧上橋開關
Ro‧‧‧負載
Vg‧‧‧輸入電壓源
Vo‧‧‧輸出電壓
VCb、VCc‧‧‧電容電壓
圖1為根據本發明例示性實施例所繪示之返馳式主動箝位電源轉換器之細部電路示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
以下將以多種實施例配合圖式來說明所述返馳式主動箝位電源轉換器，然而，下述實施例並非用以限制本發明。
〔返馳式主動箝位電源轉換器的實施例〕
由於傳統主動式箝位SEPIC在於次級側二極體會有較高的突波電壓(spike voltage)，使得效率上無法得到較大的提升，所以本揭露內容提供一種能夠使得次級側二極體實現零電流切換進而提升效率的返馳式主動箝位電源轉換器，來減少功率轉換之柔性切換損失並且解決次級側二極體之逆向恢復電流之問題，以提高行動裝置(如筆記型電腦)之電源效率且透過高頻化之操作來大幅縮小體積。
請參照圖1，圖1為根據本發明例示性實施例所繪示之返馳式主動箝位電源轉換器之細部電路示意圖。如圖1所示，返馳式主動箝位電源轉換器100包括輸入電感Lin、下橋開關S1、上橋開關S2、第一儲能電容Cb、箝位電容Cc、諧振電感Llk、激磁電感Lm、變壓器HT、輸出二極體Do與輸出電容Ro，其中返馳式主動箝位電源轉 換器100連接至一負載Ro且輸出一輸出電壓Vo。
輸入電感Lin之第一端連接輸入電壓源Vg之正端，其中流經輸入電感Lin之輸入電感電流iin運作於邊界導通模式。下橋開關S1之控制端接收第一控制訊號CS1，下橋開關S1之第一端連接輸入電壓源Vg之負端，其中下橋開關S1根據第一控制訊號CS1之準位來決定導通或截止。上橋開關S2之控制端接收第二控制訊號CS2，上橋開關S2之第一端連接下橋開關S1之第二端，其中上橋開關S2根據第二控制訊號CS2之準位來決定導通或截止，並且下橋開關S1與上橋開關S2具有開關切換頻率(switch switching frequency)。第一儲能電容Cb之第一端連接下橋開關S1之第一端。箝位電容Cc之第一端連接上橋開關S2之第二端，箝位電容Cc之第二端連接第一儲能電容Cb之第二端。諧振電感Llk之第一端連接下橋開關S1之第二端。激磁電感Lm之第一端連接諧振電感Llk，激磁電感Lm之第二端連接箝位電容Cc之第二端，其中流經激磁電感Lm之電流為激磁電感電流iLm。變壓器HT具有一次側繞組與二次側繞組，一次側繞組並聯連接激磁電感Lm，其中一次側繞組與二次側繞組具有互感效應。輸出二極體Do之陽極連接二次側繞組之第一端。輸出電容Co之第一端連接輸出二極體Do之陰極，輸出電容Co之第二端連接二次側繞組之第二端。在本實施例中，一次側繞組與二次側繞組之間的比例為N1：N2，其中N1與N2為大於1的正整數。
為了更詳細地說明本發明所述之返馳式主動箝位電源轉換器100的運作流程，以下將舉多個實施例中至少之一來作更進一步的說明。
本揭露內容主要透過將返馳式主動箝位電源轉換器100內之箝位電容Cc與諧振電感Llk所產生之諧振頻率實質上等於該開關切換頻率，來使得輸出二極體Do進行零電流切換。進一步來說，當返馳式主動箝位電源轉換器100內之箝位電容Cc與諧振電感Llk之諧振頻率等於開關切換頻率時，則流經該一次側繞組之一次側電 流ip之電流值會逐漸下降至零，進而使得流經二次側繞組之二次側電流is之電流值為零，以便輸出二極體Do進行零電流切換。值得一提的是，當激磁電感電流iLm之電流值實質上等於諧振電流iLr之電流值時，一次側電流ip之電流值實質上等於零電流值，因此透過一次側繞組與二次側繞組之間的互感效應會使得二次側電流is之電流值為零，其中諧振電流iLr為流經諧振電感Llk之電流。
此外，在輸入電壓源Vg為零電壓準位的期間，當返馳式主動箝位電源轉換器100之上橋開關S2不導通並且輸入電感電流iin為零時，激磁電感電流iLm會對下橋開關S1之寄生電容(Parasitic capacitance)進行充電。接下來，同樣在輸入電壓源Vg為零準位的期間，當返馳式主動箝位電源轉換器100之下橋電晶體S1之第一端與第二端之間的跨壓為零電壓時，激磁電感電流iLm會流經下橋開關S1的本體二極體，進而使得第一儲能電容Cb之電容電壓VCb會隨著激磁電感電流iLm之上升而線性增加。在輸入電壓源Vg等於一固定電壓值(如120伏特)時，下橋開關S1會開始導通，所以輸入電感電流iin會對輸入電感Lin開始進行充電，並且流經下橋開關S1的第一開關電流等於輸入電感電流iin與激磁電感電流iLm之總和。之後，在輸入電壓源Vg等於零電壓準位的期間，當返馳式主動箝位電源轉換器100之下橋開關S1不導通時，輸入電感電流iin與激磁電感電流iLn會對下橋開關S1之寄生電容進行充電。
接下來，同樣在輸入電壓源Vg等於零電壓準位的期間，當返馳式主動箝位電源轉換器100之上橋開關S2之本體二極體開始導通時，導通電流對箝位電容Cc進行充電，其中導通電流為輸入電感電流iin與激磁電感電流iLm。之後，同樣在輸入電壓源Vg等於零電壓準位的期間，當返馳式主動箝位電源轉換器100之上橋開關S2導通時，第一開關電流會緩慢地下降為零。之後，在輸入電壓源Vg從零電壓準位轉態至於一固定電壓值(如120伏特)之期間，箝位電容Cc的電容電壓VCc足夠讓返馳式主動箝位電源轉換器100之二 次側之輸出二極體Do順向導通，然而二次側之輸出電壓Vo會因變壓器n倍(一次側繞阻與二次側繞阻之繞阻比為N1：N2)映射回一次側。最後，在輸入電壓源Vg從固定電壓值(如120伏特)轉態至零電壓準位之期間，諧振電感電流iLr會小於激磁電感電流iLm，因此二次側之輸出二極體會以零電流切換(Zero Current Switch,ZCS)方式來關閉。
值得一提的是，在電源轉換效率方面，傳統主動式箝位SEPIC之轉換效率往往都不佳，約為88~89%。然而，本揭露內容所提出之返馳式主動箝位電源轉換器100透過將箝位電容Cc與諧振電感Llk所產生之諧振頻率實質上等於開關切換頻率，來降低電路之能量損失並進而提升整體轉換效率，約為91.47%。
綜上所述，本發明實施例所提出之返馳式主動箝位電源轉換器，當返馳式主動箝位電源轉換器內之箝位電容與諧振電感所產生之諧振頻率實質上等於開關切換頻率，進而在全負載範圍內使得輸出二極體進行零電流切換(Zero Current Switching,ZCS)。據此，返馳式主動箝位電源轉換器能夠減少功率轉換之切換損失並且輸出二極體上沒有逆向恢復電流(Reverse-Recovery Current)，所以輸出二極體不會有突波電壓。在輸出二極體元件應力的選擇上可以選用較低壓的二極體，並且不需要額外的緩震電路(snubber)。
本發明可在任何適合的形式中實施，包括硬體、軟體、韌體或以上這些的任意結合。本發明也可部分地以在一或多個資料處理器及/或數位信號處理器上執行的電腦軟體實施。本發明實施例的單元及組件，可以實體地、功能地及邏輯地以任何適合的方式實施。事實上，某功能可在單一的單元、複數個單元、或其它功能單元的一部分內實施。就本發明本身而論，可在單一的單元上實施，或實體地及功能地分布於不同單元及處理器間。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
100‧‧‧返馳式主動箝位電源轉換器
Cb‧‧‧第一儲能電容
Cc‧‧‧箝位電容
Co‧‧‧輸出電容
CS1‧‧‧第一控制訊號
CS2‧‧‧第二控制訊號
Do‧‧‧輸出二極體
HT‧‧‧變壓器
iin‧‧‧輸入電感電流
iLr‧‧‧諧振電感電流
iLm‧‧‧激磁電感電流
ip‧‧‧一次側電流
is‧‧‧二次側電流
Lin‧‧‧輸入電感
Llk‧‧‧諧振電感
Lm‧‧‧激磁電感
S1‧‧‧下橋開關
S2‧‧‧上橋開關
Ro‧‧‧負載
Vg‧‧‧輸入電壓源
Vo‧‧‧輸出電壓
VCb、VCc‧‧‧電容電壓

Claims (8)

  1. 一種返馳式主動箝位電源轉換器，包括：一輸入電感，其第一端連接一輸入電壓源之正端，其中流經該輸入電感之一輸入電感電流運作於一邊界導通模式；一下橋開關，其控制端接收一第一控制訊號，其第一端連接該輸入電壓源之負端，其中該下橋開關根據該第一控制訊號之準位來決定導通或截止；一上橋開關，其控制端接收一第二控制訊號，其第一端連接該下橋開關之第二端，其中該上橋開關根據該第二控制訊號之準位來決定導通或截止，並且該下橋開關與該上橋開關具有一開關切換頻率；一第一儲能電容，其第一端連接該下橋開關之第一端；一箝位電容，其第一端連接該上橋開關之第二端，其第二端連接該第一儲能電容之第二端；一諧振電感，其第一端連接該下橋開關之第二端；一激磁電感，其第一端連接該諧振電感，其第二端連接該箝位電容之第二端，其中流經該激磁電感之電流為一激磁電感電流；一變壓器，具有一一次側繞組與一二次側繞組，該一次側繞組並聯連接該激磁電感，其中該一次側繞組與該二次側繞組具有互感效應；一輸出二極體，其陽極連接該二次側繞組之第一端；以及一輸出電容，其第一端連接該輸出二極體之陰極，其第二端連接該二次側繞組之第二端，其中該返馳式主動箝位電源轉換器內之該箝位電容與該諧振電感所產生之一諧振頻率實質上等於該開關切換頻率，進而使得該輸出二極體進行一零電流切換。
  2. 如請求項1所述之返馳式主動箝位電源轉換器，其中當該箝位電容與該諧振電感之該諧振頻率等於該開關切換頻率，則流經該一次側繞組之一一次側電流之電流值逐漸下降至零，進而使得流經該二次側繞組之一二次側電流之電流值為零，以便該輸出二極體進行該零電流切換。
  3. 如請求項1所述之返馳式主動箝位電源轉換器，其中當該激磁電感電流之電流值實質上等於一諧振電流之電流值時，該一次側電流之電流值實質上等於零電流值，其中該諧振電流為流經該諧振電感之電流。
  4. 如請求項1所述之返馳式主動箝位電源轉換器，其中當該下橋開關導通時，該輸入電感電流對該輸入電感進行充電。
  5. 如請求項1所述之返馳式主動箝位電源轉換器，其中當該上橋開關不導通且該輸入電感電流之電流值為零時，則該激磁電感電流對該下橋開關之寄生電容進行充電。
  6. 如請求項1所述之返馳式主動箝位電源轉換器，其中當該下橋電晶體之第一端與第二端之間的跨壓為零時，該激磁電感電流流經該下橋開關的本體二極體，進而使得該第一儲能電容之電容電壓隨著該激磁電感電流之上升而線性增加。
  7. 如請求項1所述之返馳式主動箝位電源轉換器，其中當該下橋開關不導通時，該輸入電感電流與該激磁電感電流對該下橋開關之寄生電容進行充電。
  8. 如請求項1所述之返馳式主動箝位電源轉換器，其中當該上橋開關之本體二極體開始導通時，一導通電流對該箝位電容進行充電，其中該導通電流為該輸入電感電流與該激磁電感電流之總和。
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