TW201605158A - 變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器包含一電源模組、一第一降壓模組、一高頻開關模組、一第二降壓模組，及一負載模組。該電源模組包括一具有一穩定輸出直流電的電源。該第一降壓模組電連接該電源，並將該電源的電壓降壓及漏電感回收。該高頻開關模組電連接該第一降壓模組，其包括一可控制輸出電壓的高頻開關。該第二降壓模組電連接該第一降壓模組，用以降低該第一降壓模組的電壓。該負載模組電連接該第二降壓模組並取得兩次降壓的電壓。

Description

變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉 換器
本發明是有關於一種直流電子轉換器，特別是指一種具有能量回收及高降壓功能之變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器。
傳統變壓器用於直流變壓之處理需要許多交直流轉換之電路，並且，傳統之變壓器因體積過於龐大，已漸漸被電子式變壓轉換器所取代。目前電子式變壓轉換器控制電壓之方法，就是透過脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)轉換器將類比訊號轉換為脈波的一種技術，一般轉換後脈波的週期固定，但脈波的占空比會依類比訊號的大小而改變。
PWM的使用隨著數位控制邏輯電路的增加而普及，該技術提供簡單的方法，可讓數位控制邏輯電路建立相當於類比的功能。許多微控制器都內建PWM功能。PWM同時也可用於通訊系統，因為數位訊號比較穩定，也比較不容易受到雜訊干擾。
參閱圖1，為反激式變換器的Clamp電路。反激式變壓器主要由理想變壓器、激磁電感與漏電感組成。隔離直流降壓轉換器1使用一反激式變壓器11將電路輸入側及輸出側隔離，於二次側的耦合線圈後使用降壓電路以取得輸出電壓Vo。其中，於一次側前使用了電壓開關型緩衝器12(RCD sunbber)，用以消除漏電感電流避免PWM開關的寄生電容Coss產生突波傷害PWM開關。
如果電路參數選擇適當，RCD Clamp電路兩端的電壓尖峰將通過消耗電容Cc來吸收，並且需要達到能量平衡，而且漏電感而產生的能量將完全消耗在消耗電阻Rc上。由此可知，欲避免PWM開關的寄生電容Coss產生突波的方式為將漏電感能源消耗於電阻Rc上。
經由以上說明可知，現有直流轉換器誠具有以下缺點：
一、降壓效能有限：目前所使用的隔離直流降壓轉換器1只有在該變壓器的二次側線圈後使用降壓電路以取得輸出電壓Vo，只有一次降壓電路取得的電壓降有限，如欲取得更低的電壓，傳統直流降壓轉換器將無法達成動作。
二、成本增加：傳統轉換器為了避免漏電感Lm造成PWM開關的寄生電容Coss產生突波以傷害PWM開關，會增加緩衝器(RCD sunbber)針對漏電感電流予以消除，然而增加了緩衝器(RCD sunbber)的電路元件的增設，就提高成本上的壓力。
三、能源浪費：傳統轉換器增加緩衝器(RCD sunbber)用以消除漏電感電流，是於該PWM開關截止時，該變壓器的漏電感電流會經過該緩衝器上的電阻Rc而損耗掉，該電阻Rc全然就是以消耗漏電感電流而存在，而沒有做其他用途，在目前綠能設計觀念的基礎上是非常浪費的。
由上述所言可知，目前之降壓轉換器雖然可以達到降壓的功能，但是降壓的能力卻無法達到更大的範圍，並且為了避免轉換器中高頻開關的傷害，設置緩衝器(RCD sunbber)用以消除漏電感電流，不僅增加元件的購置成本，無形中也損耗了漏電感電流而浪費能源。
有鑑於此，本發明之目的，是提供一種變 壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器。
該變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器包含一電源模組、一第一降壓模組、一高頻開關模組、一第二降壓模組，及一負載模組。該電源模組包括一具有一穩定輸出直流電的電源。
該第一降壓模組包括一與該電源電連接的第一二極體、一與該電源及該第一二極體電連接的第一電感、一與該第一二極體及該第一電感電連接的第一電容、一與該第一二極體及該第一電容電連接的第二二極體，及一與該第二二極體及該電源電連接的第一耦合線圈。
該高頻開關模組包括一電連接該第一降壓模組的高頻開關。
該第二降壓模組包括一耦合該第一耦合線圈電壓的第二耦合線圈、一電連接該第二耦合線圈的第三二極體、一與該第三二極體及該第二耦合線圈電連接的第四二極體、一與該第三二極體及該第四二極體電連接的第二電感，及一與該第二電感及該第二耦合線圈電連接的第二電容。
該負載模組包括一並聯第二電容的負載阻抗，該負載阻抗取得一該第一降壓模組及第二降壓模組降壓的輸出電壓。
本發明的另一技術手段，是在於該高頻開關產生脈衝寬度調變用以控制輸出於該負載阻抗上的輸出電壓。
本發明的又一技術手段，是在於該第一耦合線圈取得該電源經由該第一降壓模組所降低的電壓，並且耦合至該第二耦合線圈。
本發明的再一技術手段，是在於該負載阻抗上的輸出電壓是由該第二耦合線圈上的電壓，經由該第二降壓模組降壓後輸出。
本發明的另一技術手段，是在於該第一耦合線圈的漏電感於該高頻開關截止時，經由該第一二極體及第二二極體迴路回收至該電源模組的電源。
本發明的又一技術手段，是在於該第一耦合線圈的激磁感於該高頻開關截止時，經由該第一二極體及第二二極體迴路回收至該電源模組的電源。
本發明的再一技術手段，是在於當該高頻開關導通時，該負載阻抗電源來自該電源，且該電源對該第二電感及該第二電容充電，當該高頻開關截止時，該負載阻抗電源來自該第二電感及該第二電容，且該第二電感及該第二電容對該負載阻抗放電。
本發明之有益功效在於，藉由該高頻開關產生脈衝寬度調變，以控制經由該第一降壓模組及該第二降壓模組兩次降低該電源之電壓值，並利用該第一降壓模組之電路設計以回收該第一耦合線圈的漏電感與激磁感，進而達到高比例的降壓值及回收能源之目的。
1‧‧‧隔離直流降壓轉換器
11‧‧‧反激式變壓器
12‧‧‧電壓開關型緩衝器
Coss‧‧‧寄生電容
Cc‧‧‧消耗電容
Rc‧‧‧消耗電阻
3‧‧‧電源模組
Vin‧‧‧電源
4‧‧‧第一降壓模組
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
N1‧‧‧第一耦合線圈
Lk1‧‧‧第一耦合線圈漏電感
Lm1‧‧‧第一耦合線圈激磁感
L1‧‧‧第一電感
C1‧‧‧第一電容
5‧‧‧高頻開關模組
S1‧‧‧高頻開關
6‧‧‧第二降壓模組
N2‧‧‧第二耦合線圈
D3‧‧‧第三二極體
D4‧‧‧第四二極體
L2‧‧‧第二電感
C2‧‧‧第二電容
7‧‧‧負載模組
Ro‧‧‧負載阻抗
Vo‧‧‧輸出電壓
Iin‧‧‧電源電流
iD3‧‧‧第三二極體電流
iD4‧‧‧第四二極體電流
圖1是一電路圖，說明習知之降壓式電源轉換器；圖2是一電路圖，說明本發明變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器之較佳實施例的電路圖；圖3是一電流示意圖，說明該較佳實施例之高頻開關單元導通時的電流方向；圖4是一電流示意圖，說明該較佳實施例之高頻開關單元截止瞬間的電流方向；圖5是一電流示意圖，說明該較佳實施例之漏電感回收時的電流方向；圖6是一電流示意圖，說明該較佳實施例之完成漏電感回收的電流方向； 圖7是一電流示意圖，說明該較佳實施例之高頻開關單元導通瞬間的電流方向；及圖8是一電路時序圖，說明該較佳實施例之電壓及電流的變化。
有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖2，為變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器之較佳實施例包含一電源模組3、一第一降壓模組4、一高頻開關模組5、一第二降壓模組6，及一負載模組7。該電源模組3包括一具有一穩定輸出直流電的電源Vin。
該第一降壓模組4包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第一耦合線圈N1、一第一電感L1，及一第一電容C1。該第一電感L1的一端與該電源Vin的正極端及該第一二極體D1的負極端電連接，該第一電感L1的一另端與該第一電容C1的正極端電連接，該第一二極體D1的正極端與該第二二極體D2的負極端及該第一電容C1的負極端電連接，該第二二極體D2的正極端與該第一耦合線圈N1的非極性點端電連接，該第一耦合線圈N1的極性點端與該電源Vin的負極端電連接。
該第二降壓模組6包括一第二耦合線圈N2、一第三二極體D3、一第四二極體D4、一第二電感L2，及一第二電容C2。該第一耦合線圈N1與該第二耦合線圈N2是共鐵芯變壓器所耦合的線圈，該第二耦合線圈N2的極性點端與該第三二極體D3的正極端電連接，該第三二極體D3的負極端與該第三二極體D3的負極端及該第二電感L2的一端電連接，該第二電感L2的另一端與該第二電容C2的正極端電連接，該第二耦合線圈N2的非極性點端與該第四二極體 D4的正極端及該第二電容C2的負極端電連接。
該負載模組7包括一負載阻抗Ro，該負載阻抗Ro與該第二電容C2並聯。該高頻開關模組5包括一高頻開關S1，該高頻開關S1的一端與該第一電容C1的正極端電連接，該高頻開關S1的另一端與該電源Vin的負極端電連接。
該高頻開關S1產生脈衝寬度調變(PWM)用以控制輸出電壓Vo，該高頻開關S1通常使用MOSFET來做為高頻切換的元件，但是實際實施時，不能以此為限。本發明工作時，該高頻開關S1所產生脈衝寬度調變將會控制該第一電感L1及該第二電感L2的輸出電流不歸零，使電路處於連續導通模式(CCM)，該輸出電壓Vo才有降壓之功效。
該第一耦合線圈N1取得該電源Vin經由該第一降壓模組4所降低的電壓，並且耦合至該第二耦合線圈N2。該負載阻抗Ro上的輸出電壓Vo由該第二耦合線圈N2上的電壓經由該第二降壓模組6所降低的電壓。
參閱圖1、2，現有降壓轉換器之該高頻開關M所產生的脈衝寬度調變(PWM)使該電源Vcc+的電壓(Vs)產生電壓增益(D)，而傳統轉換器處於CCM降壓電路所以D>1，該變壓器的匝比為n，則習知電路的輸出電壓Vo=Vs．nD。
而本較佳實施例之該第一降壓模組4由脈衝寬度調變(PWM)使該電源Vin的電壓(Vs)產生電壓增益(D)，該變壓器上取得第一次的降壓值Vs．D/(1-D)，其變壓器的匝數比為n，此時於變壓器上取得第一次的降壓值，再經由第二降壓模組6的降壓值為Vs．(nD)/(1-D)，取得最後輸出電壓Vo=Vs．(nD2)/(1-D)，上述之輸出電壓Vo與傳統轉換器比較之下，電壓增益的差異有平方倍，確實提高了降壓的比例。
參閱圖3、8，當該高頻開關S1導通時為時序圖Mode1狀態，該負載阻抗Ro直接取得該電源Vin的轉換 電源，此時，該電源Vin對該第一電感L1儲存電流，並且對該第二電感L2儲存電流及該第二電容C2儲存電壓，且變壓器的第一耦合線圈N1的極性端點流入電流並耦合該第二耦合線圈N2產生壓降，而該一第一耦合線圈漏電感Lk1與一第一耦合線圈激磁感Lm1儲存電流能量。
參閱圖4、8，當該高頻開關S1截止的瞬間為時序圖Mode2狀態，該高頻開關S1由導通狀態轉換成截止狀態，該第一二極體D1由截止狀態轉換成導通狀態，該第二二極體D2保持在導通狀態，該第三二極體D3由導通狀態轉換成截止狀態，該第四二極體D2由截止狀態轉換成導通狀態，當高頻開關S1為斷路時結束Mode2。
參閱圖5、8，當該高頻開關S1截止成為斷路時，該第一電感L1所儲存之電流便經由該第一二極體D1及第一電容C1釋放電流，該第二電感L2所儲存之電流及該第二電容C2所儲存之電壓就對於該負載阻抗Ro供給能量。該第一耦合線圈N1的第一耦合線圈漏電感Lk1及該第一耦合線圈激磁感Lm1所儲存之電流，經由該第一二極體D1及第二二極體D2的電流正向導通特性對該電源Vin充電。
對照時序圖Mode3狀態，因為該電源Vin可以視為一個大容量的電容，此時，該第一耦合線圈漏電感Lk1及該第一耦合線圈激磁感Lm1所儲存的電流可經由該第一、二二極體D1、D2的順向導通的特性，對該電源Vin進行充電，達到能量回收的功能，使本較佳實施例具有節能之功效。
參閱圖6、8，當該第一耦合線圈漏電感Lk1及該第一耦合線圈激磁感Lm1所儲存的電流釋放完畢之後，本發明就處於Mode4狀態，其可以保護該高頻開關S1導通瞬間不會被電流攻擊而造成突波電壓而損壞。
參閱圖7、8，該高頻開關S1導通瞬間，時序圖中Mode5狀態，此時該第一二極體D1由導通狀態轉換 成截止狀態，該第二二極體D2由截止狀態轉換成導通狀態，該第三二極體D3處於導通狀態，該第四二極體D4由導通狀態轉換成截止狀態，該電源Vin經由該第一、二耦合線圈N1、N2將能量傳遞至該負載阻抗Ro，當該高頻開關S1完全導通時，結束Mode5狀態進入Mode1狀態。
本較佳實施例經由該高頻開關S1所發出的脈衝寬度調變(PWM)，該第一電感L1及該第二電感L2於該高頻開關S1截止前都一直釋放電流，而該高頻開關S1導通後儲存電流，令本發明處於CCM的狀態而達到降壓之功效。發明人使用380V為該電源Vin之電壓值，所得到之輸出電壓Vo為5V直流電，本發明確實具有高降壓之功效。
參閱圖8，由電腦模擬的時序圖中，Mode1為該高頻開關S1導通時，該電源Vin的電源電流Iin持續輸出，Mode2為高頻開關S1截止的瞬間，該電源Vin的電源電流Iin因不再供電而歸0，Mode3為高頻開關S1截止時，該電源Vin的電源電流Iin因為該第一耦合線圈漏電感Lk1及該第一耦合線圈激磁感Lm1釋放電流而對於該電源Vin進行充電，令該電源電流Iin為負值，Mode4為高頻開關S1截止時，該第一耦合線圈漏電感Lk1及該第一耦合線圈激磁感Lm1已將電流釋放完成，該電源電流Iin歸0，Mode5為高頻開關S1導通瞬間，該電源Vin的電源電流Iin開始提供電能。
由上述可知，該電源Vin於該高頻開關S1導通時，該電源Vin持續輸出電源電流Iin，而在該高頻開關S1截止時，該電源Vin的電源電流Iin接收該第一耦合線圈漏電感Lk1及該第一耦合線圈激磁感Lm1釋放電流而處於充電狀態，確實達到漏電感電流回收的功能。
該高頻開關S1所發出的脈衝寬度調變(PWM)，經過該第三、四二極體D3、D4的電流iD3、iD4持續供給能量給該負載阻抗Ro，令該第二電感L2處於連續導通(CCD)的狀態而降低該輸出電壓Vo。
經由以上實施例之敘述，可得知本案確實具有以下功效增進之處：
一、增加降壓比：本發明使用該高頻開關S1所產生的脈衝寬度調變PWM以控制該第一降壓模組4及該第二降壓模組6的雙重降壓功能，比以往的轉換器所能提供的壓降比幅度更大，以達到現有直流降壓電路平方倍數的高降壓比之功效。
二、降低成本：本發明取消了習知緩衝器(RCD sunbber)的電路設計，改以使用該第一降壓模組4與該電源Vin的並聯電路設計而達到變壓器漏電感及激磁感的電流進行充電，令該高頻開關S1不會產生突波而造成損害，確實降低元件的設置成本。
三、回收漏電感：本發明不使用消耗電組Rc來釋放儲存於變壓器的漏電感及激磁感之電流，而是利用該第一、二二極體D1、D2順向導通特性將電流導回至該電源Vin，其中並沒有使用電阻所以不會造成電流損耗，因此能夠成功回收能源不浪費。
綜上所述，本發明之轉換器使用變壓器隔離電源側及負載側以初步保護干擾電流(EMI)對電源端或負載端的影響，但使用變壓器就會產生漏電感及激磁感的問題，本較佳實施例不使用傳統緩衝器來消耗漏電感及激磁感，而是將漏電感及激磁感之電流回收至該電源Vin，並且使用脈衝寬度調變(PWM)來控制該第一降壓模組4及第二降壓模組6共同達到比以往更低的電壓值，故確實可以達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
3‧‧‧電源模組
Vin‧‧‧電源
4‧‧‧第一降壓模組
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
N1‧‧‧第一耦合線圈
L1‧‧‧第一電感
C1‧‧‧第一電容
5‧‧‧高頻開關模組
S1‧‧‧高頻開關
6‧‧‧第二降壓模組
N2‧‧‧第二耦合線圈
D3‧‧‧第三二極體
D4‧‧‧第四二極體
L2‧‧‧第二電感
C2‧‧‧第二電容
7‧‧‧負載模組
Ro‧‧‧負載阻抗
Vo‧‧‧輸出電壓

Claims (7)

  1. 一種變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器，並包含：一電源模組，其包括一穩定輸出直流電的電源；一第一降壓模組，其包括一與該電源電連接的第一二極體、一與該電源及該第一二極體電連接的第一電感、一與該第一二極體及該第一電感電連接的第一電容、一與該第一二極體及該第一電容電連接的第二二極體，及一與該第二二極體及該電源電連接的第一耦合線圈；一高頻開關模組，其包括一電連接該第一降壓模組的高頻開關；一第二降壓模組，其包括一耦合該第一耦合線圈電壓的第二耦合線圈、一電連接該第二耦合線圈的第三二極體、一與該第三二極體及該第二耦合線圈電連接的第四二極體、一與該第三二極體及該第四二極體電連接的第二電感，及一與該第二電感及該第二耦合線圈電連接的第二電容；及一負載模組，其包括一並聯第二電容的負載阻抗，該負載阻抗取得一該第一降壓模組及第二降壓模組降壓的輸出電壓。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器，其中，該高頻開關產生脈衝寬度調變用以控制輸出於該負載阻抗上的輸出電壓。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器，其中，該第一耦合線圈取得該電源經由該第一降壓模組所降低的電壓，並且耦合至該第二耦合線圈。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器，其中，該負載阻抗上的輸出電壓是由該第二耦合線圈上的電壓，經由該第二降壓模組降壓後輸出。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器，其中，該第一耦合線圈的漏電感於該高頻開關截止時，經由該第一二極體及該第二二極體迴路回收至該電源模組的電源。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器，其中，該第一耦合線圈的激磁感於該高頻開關截止時，是經由該第一二極體及該第二二極體迴路回收至該電源模組的電源。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述變壓器寄生元件能量可回收之隔離高降壓轉換器，其中，當該高頻開關導通時，該負載阻抗電源來自該電源，且該電源對該第二電感及該第二電容充電，當該高頻開關截止時，該負載阻抗電源來自該第二電感及該第二電容，且該第二電感及該第二電容對該負載阻抗放電。
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