TW201709656A - 返馳式轉換器 - Google Patents

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許圢墿
林正宏
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Abstract

一種返馳式轉換器包含：一變壓器，包括一初級繞組及一次級繞組，該等初級及次級繞組中的每一者具有一第一端及一第二端，該等初級及次級繞組的該等第一端具有相同的電壓極性；一第一開關，電連接該初級繞組之該第一端；一第一控制模組，電連接該第一開關，並控制該第一開關；一第二開關，電連接該次級繞組；及一第二控制模組，電連接該第二開關，並控制該第二開關，使該第二開關於一第一時段期間及一緊接在該第一時段之後的第二時段期間操作在一導通狀態，並使流經該次級繞組的一電流在該第二時段期間的方向與在該第一時段期間的方向相反。

Description

返馳式轉換器
本發明是有關於一種電源轉換，特別是指一種返馳式轉換器。
習知返馳式轉換器不利地具有相對高的切換損耗，導致其具有相對低的轉換效率。因此，習知返馳式轉換器仍有改進的空間。
因此，本發明的第一目的，即在提供一種具有相對低的切換損耗及相對高的轉換效率的返馳式轉換器。
於是，本發明返馳式轉換器包含一變壓器、一第一開關、一第一控制模組、一第二開關及一第二控制模組。
該變壓器包括一初級繞組及一次級繞組，該等初級及次級繞組中的每一者具有一第一端及一第二端，該等初級及次級繞組的該等第一端具有相同的電壓極性。
該第一開關電連接該初級繞組之該第一端。
該第一控制模組電連接該第一開關，並控制該第一開關。
該第二開關電連接該次級繞組。
該第二控制模組電連接該第二開關，並控制該第二開關，使該第二開關於一第一時段期間及一緊接在該第一時段之後的第二時段期間操作在一導通狀態，並使流經該次級繞組的一電流在該第二時段期間的方向與在該第一時段期間的方向相反。
本發明之第二目的，即在提供一種具有相對低的切換損耗及相對高的轉換效率的返馳式轉換器。
該返馳式轉換器包含一變壓器、一第一開關、一第一控制模組、一第二開關及一第二控制模組。
該變壓器包括一初級繞組及一次級繞組，該等初級及次級繞組中的每一者具有一第一端及一第二端，該等初級及次級繞組的該等第一端具有相同的電壓極性。
該第一開關電連接該初級繞組之該第一端。
該第一控制模組電連接該第一開關，並控制該第一開關。
該第二開關電連接該次級繞組。
該第二控制模組電連接該第二開關，並控制該第二開關，使該第二開關於一第一時段期間及一在該第一時段之後的第二時段期間操作在一導通狀態，並使流經該次級繞組的一電流在該第二時段期間的方向與在該第一時段期間的方向相反。
本發明的功效在於：藉由該第二控制模組控制該第二開關，使該第二開關於該第一時段期間及該第二時段期間操作在該導通狀態，該第一開關可以具有相對低的切換損耗，因此，本發明的該返馳式轉換器具有相對高的轉換效率。
參閱圖1至圖3，本發明返馳式轉換器的一實施例適用於將一輸入電壓Vi轉換成一輸出電壓Vo，且該返馳式轉換器包含一變壓器1、一第一開關2、一第一控制模組3、一第二開關4、一輸出電容器5及一第二控制模組6。
該變壓器1包括一初級繞組11、一次級繞組12及一輔助繞組13。該等初級、次級及輔助繞組11、12、13中的每一者具有一第一端(例如，圖1所示一具有黑圓點的打點端)及一第二端(例如，圖1所示一不具有黑圓點的非打點端)。該等初級、次級及輔助繞組11、12、13的該等第一端具有相同的電壓極性。該初級繞組11的匝數為該次級繞組12的N倍(即，該初級繞組11與該次級繞組12的一匝數比為N)，且該初級繞組11在其該第二端接收該輸入電壓Vi。
該第一開關2具有一電連接該初級繞組11之該第一端的第一端、一接地的第二端及一控制端。在此實施例中，該第一開關2為，例如，一N型金氧半場效電晶體，且該第一開關2的該第一端、該第二端及該控制端分別為該N型金氧半場效電晶體的汲極、源極及閘極。
該第一控制模組3電連接該輔助繞組13的該第一端及該第一開關2的該控制端。該第一控制模組3根據該輔助繞組13之該第一端的一電壓Vaux及一預定時間閾值Tth，產生一第一控制信號Vgs1，並將該第一控制信號Vgs1輸出至該第一開關2之該控制端，以控制該第一開關2操作在一導通狀態及一不導通狀態之間。該第一控制信號Vgs1在一第一狀態(例如，邏輯高準位，且對應到該第一開關2的該導通狀態)及一第二狀態(例如，邏輯低準位，且對應到該第一開關2的該不導通狀態)之間切換。在該第一控制模組3的控制下，該第一開關2操作在該不導通狀態至少持續該預定時間閾值Tth，且當該第一控制模組3根據該輔助繞組13之該第一端的該電壓Vaux決定出該第一開關2的一跨壓Vds1到達其波谷時，該第一開關2從該不導通狀態切換至該導通狀態。
需注意的是，本實施例該返馳式轉換器還包括用於提供複數個信號以協助該第一控制模組3決定何時使該第一開關2從該導通狀態切換至該不導通狀態的複數個組件(圖未示)。該等組件的配置與操作及該第一控制模組3如何做出決定，此為熟悉本技術領域之通常知識者所熟知，為求簡潔起見，於此不贅述。
串聯連接的該第二開關4及該輸出電容器5跨接該次級繞組12。該第二開關4具有一電連接該次級繞組12之該第二端的第一端、一第二端及一控制端。該輸出電容器5電連接在該次級繞組12之該第一端與該第二開關4之該第二端之間，且該輸出電容器5的一跨壓作為該輸出電壓Vo。在此實施例中，該第二開關4為，例如，一N型金氧半場效電晶體，且該第二開關4的該第一端、該第二端及該控制端分別為該N型金氧半場效電晶體的汲極、源極及閘極。
該第二控制模組6電連接該第二開關4的該第一端、該第二端及該控制端。該第二控制模組6根據該第二開關4的一跨壓Vds2產生一指示該輸入電壓Vi的電壓偵測信號，並根據該第二開關4的該跨壓Vds2、該預定時間閾值Tth及該電壓偵測信號，產生一第二控制信號Vgs2。該第二控制模組6將該第二控制信號Vgs2輸出至該第二開關4之該控制端，以控制該第二開關4操作在一導通狀態及一不導通狀態之間。該第二控制信號Vgs2在一第一狀態(例如，邏輯高準位，且對應到該第二開關4的該導通狀態)及一第二狀態(例如，邏輯低準位，且對應到該第二開關4的該不導通狀態)之間切換。在該第二控制模組6的控制下，該第二開關4於一第一時段 (其一持續時間為t1)期間及一在該第一時段之後的第二時段(其一持續時間為t2)期間操作在該導通狀態，除此以外操作在該不導通狀態。在該第一時段中，根據該第二開關4的該跨壓Vds2決定流經該次級繞組12的一電流Is的大小非零，且其方向為從該次級繞組12之該第二端至該次級繞組12之該第一端。如圖2所示，當決定出該第一時段的該持續時間t1大於該預定時間閾值Tth(即，t1＞Tth)時，該第二時段從該第一時段的一終點開始(即，該第二時段緊接在該第一時段之後)。如圖3所示，當決定出該第一時段的該持續時間t1小於該預定時間閾值Tth(即，t1＜Tth)時，該第二時段從一時間點開始，該時間點落後該第一時段的一起點至少該預定時間閾值Tth，且在該時間點決定出該第二開關4的該跨壓Vds2到達其波谷。在此實施例中，該第二時段的該持續時間t2是該輸入電壓Vi的一函數，即，t2=f(Vi) 。
如此一來，在該第二時段期間，流經該次級繞組12的該電流Is的大小非零，且該電流Is在該第二時段期間的方向與在該第一時段期間的方向相反。在一第三時段(其一持續時間為t3，且其從該第二時段的一終點開始)期間，流經該初級繞組11的一電流Ip的大小非零，且其方向為從該初級繞組11之該第一端至該初級繞組11之該第二端。該第一開關2的該跨壓Vds1從一初始值Vinit(其為Vi+N´Vo)逐漸下降到一波谷值Vval，該波谷值Vval小於該初始值Vinit且大於或等於零(即，0£Vval＜Vinit)。
在此實施例中，為了使該第一開關2的該跨壓Vds1在該第三時段的一終點下降到一預定目標波谷值，根據下述公式(1)決定該第二時段的該持續時間t2為：公式(1)， 且使該第一開關2的該跨壓Vds1到達該預定目標波谷值的該第三時段的該持續時間t3滿足以下公式(2)：
公式(2)，其中，參數Lm為該初級繞組11的一激磁電感，參數C為跨於該第一開關2所看到的一寄生電容，參數Vval_t為該預定目標波谷值。當決定出該預定目標波谷值為零且根據公式(1)決定出該第二時段的該持續時間t2時，該第一開關2以零電壓切換方式從該不導通狀態切換為該導通狀態。
該第二時段通常包括一0.1ms至3ms的持續時間範圍，該第三時段通常包括一0.1ms至0.7ms的持續時間範圍。舉例來說，當Vi=380V、Vo=20V、N=6、Lm=600mH、C=60pF、 Vinit=500V及Vval_t=0V時，該第二時段的該持續時間t2為0.57ms，該第三時段的該持續時間t3為0.359ms。
綜上所述，本實施例的該返馳式轉換器具有以下優點：
1.藉由該第二開關2於該第一時段期間及經適當決定出的該第二時段期間操作在該導通狀態，該第一開關2的該跨壓Vds1可下降到一足夠低的波谷值Vval，如此一來，該第一開關2具有相對低的切換損耗，因此本實施例的該返馳式轉換器具有相對高的轉換效率。
2.藉由該預定時間閾值Tth，該等第一及第二開關2、4中的每一者操作在一切換頻率(其被限制為低於某一頻率)，如此一來，該等第一及第二開關2、4中的每一者具有相對低的切換損耗，因此本實施例的該返馳式轉換器具有相對高的轉換效率。
3.由於該第二時段的該持續時間t2是該輸入電壓Vi的函數，該波谷值Vval在相對寬範圍的輸入電壓Vi可保持不變。
值得注意的是，在其它實施例中，可以對本實施例做出以下修改：
1.該第二開關4的該第二端可電連接該次級繞組12的該第一端，且該輸出電容器5可電連接在該第二開關4的該第一端及該次級繞組12的該第二端之間。
2.可省略該預定時間閾值Tth。在此情況下，當根據該輔助繞組13之該第一端的該電壓Vaux決定出該第一開關2的該跨壓Vds1到達其波谷時，該第一開關2可從該不導通狀態切換至該導通狀態，且該第二時段可總是緊接在該第一時段之後。
3.可省略該電壓偵測信號。在此情況下，於該返馳式轉換器的設計階段中，可根據公式(1)預先決定該第二時段的該持續時間t2。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
1‧‧‧變壓器
11‧‧‧初級繞組
12‧‧‧次級繞組
13‧‧‧輔助繞組
2‧‧‧第一開關
3‧‧‧第一控制模組
4‧‧‧第二開關
5‧‧‧輸出電容器
6‧‧‧第二控制模組
Vi‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Vaux‧‧‧電壓
Vds1‧‧‧跨壓
Vds2‧‧‧跨壓
Vgs1‧‧‧第一控制信號
Vgs2‧‧‧第二控制信號
Vinit‧‧‧初始值
Vval‧‧‧波谷值
Is‧‧‧電流
Ip‧‧‧電流
Tth‧‧‧預定時間閾值
t1‧‧‧持續時間
t2‧‧‧持續時間
t3‧‧‧持續時間
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一電路方塊圖，說明本發明返馳式轉換器之一實施例；及 圖2與圖3是時序圖，說明在不同條件下該實施例的操作。
1‧‧‧變壓器
11‧‧‧初級繞組
12‧‧‧次級繞組
13‧‧‧輔助繞組
2‧‧‧第一開關
3‧‧‧第一控制模組
4‧‧‧第二開關
5‧‧‧輸出電容器
6‧‧‧第二控制模組
Vi‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Vaux‧‧‧電壓
Vds1‧‧‧跨壓
Vds2‧‧‧跨壓
Vgs1‧‧‧第一控制信號
Vgs2‧‧‧第二控制信號
Is‧‧‧電流
Ip‧‧‧電流

Claims (20)

  1. 一種返馳式轉換器，包含： 一變壓器，包括一初級繞組及一次級繞組，該等初級及次級繞組中的每一者具有一第一端及一第二端，該等初級及次級繞組的該等第一端具有相同的電壓極性； 一第一開關，電連接該初級繞組之該第一端； 一第一控制模組，電連接該第一開關，並控制該第一開關； 一第二開關，電連接該次級繞組；及 一第二控制模組，電連接該第二開關，並控制該第二開關，使該第二開關於一第一時段期間及一緊接在該第一時段之後的第二時段期間操作在一導通狀態，並使流經該次級繞組的一電流在該第二時段期間的方向與在該第一時段期間的方向相反。
  2. 如請求項1所述的返馳式轉換器，其中，該第二控制模組根據該第二開關的一跨壓控制該第二開關。
  3. 如請求項2所述的返馳式轉換器，其中，在該第一時段中，根據該第二開關的該跨壓決定流經該次級繞組的該電流的方向為從該次級繞組之該第二端至該次級繞組之該第一端。
  4. 如請求項1所述的返馳式轉換器，其中： 該變壓器還包括一輔助繞組，該輔助繞組具有一第一端及一第二端；及 該第一控制模組還電連接該輔助繞組之該第一端，並根據該輔助繞組之該第一端的一電壓控制該第一開關。
  5. 如請求項4所述的返馳式轉換器，其中，當根據該輔助繞組之該第一端的該電壓決定出該第一開關的一跨壓到達其波谷時，該第一開關從一不導通狀態切換至一導通狀態。
  6. 如請求項1所述的返馳式轉換器，其中： 該初級繞組在其該第二端接收一輸入電壓；及 該第二控制模組還根據該第二開關的一跨壓產生一指示該輸入電壓的電壓偵測信號，且還根據該電壓偵測信號控制該第二開關。
  7. 如請求項6所述的返馳式轉換器，其中，該第二時段的一持續時間是該輸入電壓的一函數。
  8. 如請求項1所述的返馳式轉換器，其中，該第二時段包括一0.1ms至3ms的持續時間範圍。
  9. 一種返馳式轉換器，包含： 一變壓器，包括一初級繞組及一次級繞組，該等初級及次級繞組中的每一者具有一第一端及一第二端，該等初級及次級繞組的該等第一端具有相同的電壓極性； 一第一開關，電連接該初級繞組之該第一端； 一第一控制模組，電連接該第一開關，並控制該第一開關； 一第二開關，電連接該次級繞組；及 一第二控制模組，電連接該第二開關，並控制該第二開關，使該第二開關於一第一時段期間及一在該第一時段之後的第二時段期間操作在一導通狀態，並使流經該次級繞組的一電流在該第二時段期間的方向與在該第一時段期間的方向相反。
  10. 如請求項9所述的返馳式轉換器，其中，該第二控制模組根據該第二開關的一跨壓控制該第二開關。
  11. 如請求項10所述的返馳式轉換器，其中，在該第一時段中，根據該第二開關的該跨壓決定流經該次級繞組的該電流的方向為從該次級繞組之該第二端至該次級繞組之該第一端。
  12. 如請求項9所述的返馳式轉換器，其中，該第二控制模組根據一預定時間閾值控制該第二開關。
  13. 如請求項12所述的返馳式轉換器，其中，當決定出該第一時段的一持續時間大於該預定時間閾值時，該第二時段從該第一時段的一終點開始。
  14. 如請求項13所述的返馳式轉換器，其中，該第二控制模組還根據該第二開關的一跨壓控制該第二開關。
  15. 如請求項14所述的返馳式轉換器，其中，當決定出該第一時段的該持續時間小於該預定時間閾值時，該第二時段從一時間點開始，該時間點落後該第一時段的一起點至少該預定時間閾值，且在該時間點決定出該第二開關的該跨壓到達其波谷。
  16. 如請求項15所述的返馳式轉換器，其中： 該變壓器還包括一輔助繞組，該輔助繞組具有一第一端及一第二端；及 該第一控制模組還電連接該輔助繞組之該第一端，並根據該輔助繞組之該第一端的一電壓及該預定時間閾值控制該第一開關。
  17. 如請求項16所述的返馳式轉換器，其中，該第一開關操作在一不導通狀態至少持續該預定時間閾值，且當根據該輔助繞組之該第一端的該電壓決定出該第一開關的一跨壓到達其波谷時，該第一開關從該不導通狀態切換至一導通狀態。
  18. 如請求項9所述的返馳式轉換器，其中： 該初級繞組在其該第二端接收一輸入電壓；及 該第二控制模組還根據該第二開關的一跨壓產生一指示該輸入電壓的電壓偵測信號，且還根據該電壓偵測信號控制該第二開關。
  19. 如請求項18所述的返馳式轉換器，其中，該第二時段的一持續時間是該輸入電壓的一函數。
  20. 如請求項9所述的返馳式轉換器，其中，該第二時段包括一0.1ms至3ms的持續時間範圍。
TW105122856A 2015-08-31 2016-07-20 返馳式轉換器 TW201709656A (zh)

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