TW201817145A - 高輕載效率返馳式電源轉換器 - Google Patents

高輕載效率返馳式電源轉換器 Download PDF

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丁彥翔
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Abstract

一種高輕載效率返馳式電源轉換器，主要包含一開關電路，具有一輸入電壓跨接於一功率開關，該功率開關為用以控制輸入電壓與電流；一變壓器，該變壓器一次側繞組耦接該開關電路，其中於變壓器鐵芯中芯柱上形成一不等寬氣隙，而鐵芯中芯柱氣隙較窄部份為鐵芯可飽和區，藉此利用改變變壓器不等寬氣隙為一可變磁阻之變壓器，其中該鐵芯中心柱之最小氣隙處磁通密度高，當工作於輕載時，線圈電流較小，鐵芯之磁路以最小氣隙處為主，此時磁路總磁阻最小，藉此使本發明輕載時有較高的激磁感值而得到高輕載效率。

Description

高輕載效率返馳式電源轉換器
本發明係關於返馳式電源轉換器，特別是指一種高輕載效率返馳式電源轉換器。
早期的電源電源轉換器主要以線性式電源轉換器 (Linear Power Supply)為主，隨著電力電子產業與半導體技術的進步，現今市場以體積小、高轉換效率的切換式電源轉換器為主要發展目標，其較常用之專換器架構有返馳式(Flyback)、順向式(Forward)、推挽式(Push-pull)、半橋式(Half-Bridge)及全橋式(Full-Bridge)等；在中小功率切換式電源轉換器中，仍以返馳式電源轉換器為主流，主要返馳式電源轉換器具有電路架構簡單、成本低廉、輸入輸出端隔離且具有多組輸出等優點，因此為市場常見的應用架構。
傳統的返馳式電源轉換器須貼氣隙把能量儲存於氣隙中，如此會大幅降低激磁感值，使輕載效率低，因此本發明針對返馳式電源轉換器於輕載效率做改善，利用可變磁阻之變壓器之技術，大幅提高輕載時激磁感值來改善返馳式電源轉換器於輕載之效率。
本發明與傳統的返馳式電源轉換器，主要技術為將不等寬氣隙用於主變壓器上，其目的為輕載時磁阻小，電感值最大，轉換變壓器在電流連續(CCM)模式或接近電流連續(CCM)模式下工作，有效提高輕載時效率；
其主要元件包含；
一輸入電壓跨接於一功率開關與耦接一可變磁阻之變壓器之一次側繞組，該變壓器二次側繞組耦接一二極體、輸出電容與負載，其特徵在於該變壓器在於鐵芯柱上製造一不等寬氣隙，而鐵芯中芯柱所保留的部份為鐵芯可飽和區，藉此利用負載電流改變變壓器不等寬氣隙為可變磁阻之變壓器，使輕載時有較最小之磁阻來得到最大電感量。
其中，開關電路更包括設有一定頻脈衝寬度調變電路耦接該功率開關上，用於調整工作週期（Duty cycle）來控制輸出電壓。
請參閱第一圖，本發明一種高輕載效率返馳式電源轉換器，主要包含：
一開關電路10，具有一輸入電壓Vin跨接於一功率開關Q1，該功率開關Q1為用以控制輸入電壓Vin與電流；
一變壓器20，該變壓器20一次側繞組N1耦接該開關電路10，其中於變壓器20鐵芯中芯柱上形成一不等寬氣隙21，而鐵芯中芯柱所保留的部份為鐵芯可飽和區，藉此利用改變變壓器20不等寬氣隙21為一可變磁阻之變壓器，使輕載時有較高的導磁率來得到最大電感量；
一整流電路30，為該變壓器二次側繞組N2耦接一二極體D1、輸出電容Co與負載RL。
請參閱第­二圖，為了使可變磁阻之變壓器Lm在輕載時有較大的電感值，本發明實施例範例為在變壓器20鐵芯中芯柱上製造一個三角型之氣隙空間，其中該不等寬氣隙21的體積為，其中A為鐵芯柱E不等寬氣隙21體積的長，D為不等寬氣隙21的體積的寬，E為鐵芯柱體積的厚，其中不等寬氣隙可磨除不特定形狀，若磨除為矩形狀，則不等寬氣隙的體積則以計算，不等寬氣隙的體積為略大於傳統的返馳式電源轉換器的氣隙體積；
具有不等寬氣隙21之變壓器20，由於空氣相對導磁率為1，鐵芯高於空氣數千倍，鐵芯磁通主要分佈於高導磁率之路徑，因此鐵芯中心柱之最小氣隙處磁阻最小，此時電感器之電感值為最大，其中，可由下列式子了解：
L=，R=
其中L為感值、N為線圈匝數、l 為磁通路徑之平均長度、R為磁阻、μ為導磁率、A為截面積；
因此，本發明利用磁性材料之磁飽和特性設計一可變磁阻之變壓器Lm，當電源轉換器操作於輕載低電流時，鐵芯中心柱部份未飽和，磁通量從鐵芯導磁率較高地方通過，此時電感值最高，藉此來提高輕載時之效率。
其中該開關電路更包括設有一定頻脈衝寬度調變電路耦接該功率開關上，用於調整工作週期（Duty cycle）來控制輸出電壓。
為使貴 審查委員能對本發明之特徵與其特點有更進一步之了解與認同，茲列舉以下較佳之實施例並配合圖式說明如下：
為了驗證提高輕載效率之可行性，故製作返馳式電源轉換器最後進行實測結果分析與比較，證實有效提高輕載效率之目的，本發明實測電路為輸入電壓Vin155V，輸出電壓Vo12V，輸出功率48W，開關頻率70KHz，而實測元件功率開關Q1為IRF840(500V/8A/0.85Ω)，二極體D1為FCNS10A12(12V/10A)，PWM IC為UC3843，變壓器為EI-30(PC40)；
以下為各載實際波形圖，本小節將以實測結果驗證本發明所提輕載高效率電源轉換器之可行性；
請參閱第三圖，為一般氣隙返馳式電源轉換器極輕載之實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
請參閱第四圖，為不等寬氣隙21返馳式電源轉換器極輕載之實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
請參閱第五圖，為一般氣隙返馳式電源轉換器於輕載之實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
請參閱第六圖，為具不等寬氣隙21返馳式電源轉換器的實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
當輸出功率在4W時，由第五圖波形得知還在DCM模式，而從第六圖的波形來看已進入CCM模式；
請參閱第七圖，為一般返馳式電源轉換器半載之實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
請參閱第八圖，則為輕載高效率返馳式電源轉換器半載之實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
由第七圖波形看來到達半載時才進入CCM模式，第八圖波形已進入CCM模式；
此時電路到達滿載，請參閱第九圖為一般返馳式電源轉換器半載之實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
第十圖則為輕載高效率返馳式電源轉換器半載之實作電路的驅動信號 、功率開關Q1上電壓 與功率開關Q1上電流 之波形圖；
第十一圖為一般氣隙與不等寬氣隙21返馳式電源轉換器兩者於輕載之效率比較圖。由輕載來看輕載高效率返馳式電源轉換器效率都高於一般返馳式電源轉換器，在輸出功率2W時，不等寬氣隙21返馳式電源轉換器效率78.7%高於一般氣隙返馳式電源轉換器效率75.5%。
請參閱第十二圖具不等寬氣隙21返馳式電源轉換器較早進入CCM最高效率達87.7%較高於一般氣隙馳式電源轉換器效率的85.8%，最後經由實驗證明有效提高返馳式電源轉換器於輕載之效率。
本發明利用改變變壓器20不等寬氣隙21為可變磁阻之變壓器Lm使輕載時有較高的導磁率來得到最大電感量，最後實際製作一輸入電壓Vin為155V，輸出12 V/48 W之電路。
最後由結果驗證，本發明提出於輕載高效率返馳式電源轉換器，在不增加電路成本與使工作效率有明顯的提升，經實作量測在負載RL2W時輕載高效率電源轉換器效率為78.7%，與一般返馳式電源轉換器效率75.6%，兩者相比確實有效提高返馳式電源轉換器輕載之效率。
以上所揭，僅為本發明所提供之較佳實施例而已，並非用以限制本創作之實施範圍，凡本技術領域內之相關技藝者根據本創作所為之均等變化，皆應屬本創作所涵蓋之範圍。
10‧‧‧開關電路
20‧‧‧變壓器
21‧‧‧不等寬氣隙
30‧‧‧整流電路
Vin‧‧‧輸入電壓
Q1‧‧‧功率開關
Lm‧‧‧可變磁阻之變壓器
N1‧‧‧一次側繞組
N2‧‧‧二次側繞組
D1‧‧‧二極體
Co‧‧‧輸出電容
RL‧‧‧負載
Vo‧‧‧輸出電壓
第一圖係本發明之可變磁阻之變壓器返馳式電源轉換器之電路架構圖； 第二圖係本發明之鐵芯柱上不等寬氣隙示意圖； 第三圖係本發明之一般氣隙返馳式電源轉換器在極輕載 2W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第四圖係本發明之不等寬氣隙返馳式電源轉換器在極輕載 2W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第五圖係本發明之一般氣隙返馳式電源轉換器在輕載 4W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第六圖係本發明之不等寬氣隙返馳式電源轉換器在輕載 4W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第七圖係本發明之一般氣隙返馳式電源轉換器在中載 24W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第八圖係本發明之不等寬氣隙返馳式電源轉換器在中載 24W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第九圖係本發明之一般氣隙返馳式電源轉換器在滿載 48W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第十圖係本發明之不等寬氣隙返馳式電源轉換器在滿載 48W下VGS與VDS和iDS波形圖； 第十一圖係本發明之一般氣隙與不等寬氣隙返馳式電源轉換器兩者於經載之效率比較圖； 第十二圖係本發明之一般氣隙與不等寬氣隙返馳式電源轉換器之效率比較圖；

Claims (3)

  1. 一種高輕載效率返馳式電源轉換器，包括： 一開關電路，具有一輸入電壓跨接於一功率開關，該功率開關為用以控制輸入電壓與電流； 一變壓器，該變壓器一次側繞組耦接該開關電路，其中於變壓器鐵芯中芯柱上形成一不等寬氣隙，而鐵芯中芯柱所保留的部份為鐵芯可飽和區，利用改變變壓器不等寬氣隙為一可變磁阻之變壓器，使輕載時有較小的磁阻來得到最大電感量，並轉換變壓器在電流連續(CCM)模式下工作，藉此有效提高輕載時效率； 一整流電路，為該變壓器二次側繞組耦接一二極體、輸出電容與負載。
  2. 如申請專利範圍第1項之提高輕載效率返馳式電源轉換器，其中該不等寬氣隙可磨除不特定形狀，不等寬氣隙的體積，為略大於傳統的返馳式電源轉換器的氣隙。
  3. 如申請專利範圍第1項之提高輕載效率返馳式電源轉換器，其中該開關電路更包括設有一定頻脈衝寬度調變電路耦接該功率開關上，用於調整工作週期（Duty cycle）來控制輸出電壓。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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TWI806715B (zh) * 2022-07-21 2023-06-21 通嘉科技股份有限公司 應用於返馳式電源轉換器的封裝結構
WO2023141976A1 (en) * 2022-01-28 2023-08-03 Innoscience (suzhou) Semiconductor Co., Ltd. GaN-BASED SWITCHED-MODE POWER SUPPLY WITH PLANAR TRANSFORMER

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