TW202343939A - 具電壓箝制之全橋相移轉換器 - Google Patents

具電壓箝制之全橋相移轉換器 Download PDF

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Abstract

一種具電壓箝制之全橋相移轉換器包括變壓器、初級側電路以及次級側電路。次級側電路包括第一同步整流開關、第二同步整流開關、輸出電感、複數二極體、電容、能量釋放單元以及輸出電容。電容提供箝制電壓。能量釋放單元並聯電容，轉換箝制電壓為輸出電壓。輸出電容並聯能量釋放單元，提供輸出電壓。

Description

具電壓箝制之全橋相移轉換器
本發明係有關一種全橋相移轉換器，尤指一種具電壓箝制之全橋相移轉換器。
請參見圖1所示，其係為相關技術之全橋相移轉換器的電路圖。全橋相移轉換器是由四個功率電晶體所形成的滯後橋臂與超前橋臂來完成切換，其中滯後橋臂包括第一開關Q 1與第二開關Q 2，超前橋臂包括第三開關Q 3與第四開關Q 4。再者，第一開關Q 1與第四開關Q 4共同完成一個半週(正半週)的操作，而第二開關Q 2與第三開關Q 3完成另一個半週(負半週)的操作。如圖1所示，變壓器的次級側(二次側)係為同步整流架構，在其他電路架構亦可為二極體整流架構。
附帶一提，每一個半橋，意即滯後橋臂或超前橋臂皆係以50%的工作週期(包括死區時間的考量)進行切換，因此全橋相移轉換器的輸出電壓係透過控制兩個半橋的相位差所決定。具體地，滯後橋臂的第一開關Q 1與第二開關Q 2操作於互補模式，超前橋臂的第三開關Q 3與第四開關Q 4操作於互補模式。
對於圖1所示之傳統全橋相移轉換器之架構，由於輸出電流高，通常會在變壓器的次級側使用同步整流，如第一同步整流開關Q S1與第二同步整流開關Q S2所構成的整流器，其中第一同步整流開關Q S1與第二同步整流開關Q S2操作於獨立模式。通常滯後橋臂與超前橋臂的開關(Q 1-Q 4)操作於切換頻率下，而第一同步整流開關Q S1與第二同步整流開關Q S2操作兩倍的切換頻率下。由於變壓器的次級側繞組Ws 的次級側電感N s1、N s2存在漏感(次級側漏感)L LkS1、L LkS2，因此當第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2關斷時，該漏感L LkS1、L LkS2會和第一同步整流開關Q S1與第二同步整流開關Q S2的寄生電容產生高電壓振盪(或稱突波電壓)，所述振盪電壓的大小如圖2所示，其係為相關技術之全橋相移轉換器之開關電壓的波形示意圖，所述開關電壓波形的最大電壓峰值甚至可超過180伏特，而超過元件的額定值，因此產生大量電磁干擾(EMI)雜訊。
為解決突波電壓所造成的影響，可使用更高電壓額定值的元件，以承受所產生的突波電壓，然而使用高電壓額定值的元件將造成電路成本的提高。再者，元件操作時產生發熱將累積在線路內部，除了電源轉換效率降低之外，造成散熱問題亦需要克服。
為此，如何設計出一種具電壓箝制之全橋相移轉換器，解決現有技術所存在的問題與技術瓶頸，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之目的在於提供一種具電壓箝制之全橋相移轉換器，包括變壓器、初級側電路以及次級側電路。初級側電路包括第一開關橋臂與第二開關橋臂。第二開關橋臂並聯第一開關橋臂。次級側電路包括第一同步整流開關、第二同步整流開關、輸出電感、第一二極體、第二二極體、第三二極體、電容、能量釋放單元以及輸出電容。第一同步整流開關耦接次級側繞組的第一端。第二同步整流開關耦接次級側繞組的第二端。輸出電感耦接次級側繞組的中心抽頭端。第一二極體的陽極端耦接第一端。第二二極體的陽極端耦接第二端。第三二極體的陽極端耦接中心抽頭端，且第一二極體的陰極端、第二二極體的陰極端以及第三二極體的陰極端共接於箝制節點。電容耦接箝制節點，提供箝制電壓。能量釋放單元並聯電容，轉換箝制電壓為輸出電壓。輸出電容並聯能量釋放單元，提供輸出電壓。
在一實施例中，次級側繞組包括漏感。次級側繞組的漏感所產生的能量儲存於電容。
在一實施例中，能量釋放單元包括直流降壓轉換器。直流降壓轉換器具有輸入側，輸入側偵測箝制電壓的大小。
在一實施例中，直流降壓轉換器根據箝制電壓的大小，轉換箝制電壓至輸出電壓。
在一實施例中，直流降壓轉換器偵測箝制電壓大於設定電壓時，直流降壓轉換器將儲存於電容的能量釋放至輸出電容，以降低箝制電壓。
在一實施例中，直流降壓轉換器係為切換式轉換器或線性穩壓器。能量釋放單元更包括第一電阻與第二電阻。第二電阻串聯第一電阻。第一電阻與第二電阻連接切換式轉換器或線性穩壓器的輸入側。在第一電阻與第二電阻的串聯支路上得到箝制電壓為第一電壓；在第二電阻上得到箝制電壓的分壓為第二電壓。
在一實施例中，切換式轉換器或線性穩壓器接收第一電壓或第二電壓。切換式轉換器或線性穩壓器根據第一電壓或第二電壓的大小，轉換箝制電壓至輸出電壓。
在一實施例中，切換式轉換器或線性穩壓器偵測第一電壓大於第一設定電壓或第二電壓大於第二設定電壓時，切換式轉換器或線性穩壓器將儲存於電容的能量釋放至輸出電容，以降低箝制電壓。
在一實施例中，第一開關橋臂具有串聯的第一開關與第二開關，且第一開關與第二開關耦接初級側繞組的一端；第一開關橋臂具有串聯的第三開關與第四開關，且第三開關與第四開關耦接初級側繞組的另一端。
藉此，本發明所提出的具電壓箝制之全橋相移轉換器具有以下之特徵與優點：當突波電壓大於預設的設定電壓時，可透過直流降壓轉換器(包括但不限定為，切換式轉換器或線性穩壓器)將儲存於電容的能量釋放至輸出電容(可避免突波電壓產生的能量持續且大量地累積於電容內)，以降低箝制電壓的大小，藉此可使得所產生的突波電壓透過能量釋放的方式，而達到抑制的效果，因此無須選用更高電壓額定值的元件，仍可實現突波電壓的抑制，並且維持線路的電源轉換效率。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖3所示，其係為本發明具電壓箝制之全橋相移轉換器的電路方塊圖。所述具電壓箝制之全橋相移轉換器包括變壓器TR、初級側電路(意即一次側電路)以及次級側電路(意即二次側電路)。
變壓器TR具有初級側繞組Wp與次級側繞組Ws。初級側電路第一開關橋臂Lg1與第二開關橋臂Lg2，其中第二開關橋臂Lg2並聯第一開關橋臂Lg1。第一開關橋臂Lg1具有串聯的第一開關Q 1與第二開關Q 2，且第一開關Q 1與第二開關Q 2耦接初級側繞組Wp的一端(如圖3所示的打點端)。第一開關橋臂Lg2具有串聯的第三開關Q 3與第四開關Q 4，且第三開關Q 3與第四開關Q 4耦接初級側繞組Wp的另一端(如圖3所示的非打點端)。
次級側電路包括第一同步整流開關Q S1、第二同步整流開關Q S2、輸出電感L O、第一二極體D S1、第二二極體D S2、第三二極體D S3、電容C b、能量釋放單元10以及輸出電容C O。
次級側繞組Ws具有次級側電感N s1、N s2，並且其存在漏感(次級側漏感)L LkS1、L LkS2，在圖3係以對應地串聯次級側電感N s1、N s2為示意，意即漏感L LkS1串聯次級側電感N s1以及漏感L LkS2串聯次級側電感N s2。
第一同步整流開關Q S1耦接次級側繞組Ws的第一端N 1(即耦接次級側電感N s1)。第二同步整流開關Q S2耦接次級側繞組Ws的第二端N 2(即耦接次級側電感N s2)。輸出電感L O耦接次級側繞組Ws的中心抽頭端N C。第一二極體D S1的陽極端耦接第一端N 1。第二二極體D S2的陽極端耦接第二端N 2。第三二極體D S3的陽極端耦接中心抽頭端N C，且第一二極體D S1的陰極端、第二二極體D S2的陰極端以及第三二極體D S3的陰極端共接於箝制節點N b。
電容C b耦接箝制節點N b，提供箝制電壓V b。次級側繞組Ws的漏感L LkS1、L LkS2所產生的能量儲存於電容C b。能量釋放單元10具有一輸入側，輸入側並聯電容C b，輸入側偵測箝制節點N b上的箝制電壓V b的大小，並且能量釋放單元10用以轉換箝制電壓V b為輸出電壓V O。輸出電容C O並聯能量釋放單元10，用以提供輸出電壓V O。
如圖4所示，其係為本發明能量釋放單元之第一實施例的電路方塊圖。具體地，能量釋放單元10包括第一電阻R up、第二電阻R dn以及直流降壓轉換器，其中直流降壓轉換器係為切換式轉換器12A。第二電阻R dn串聯第一電阻R up。切換式轉換器12A連接第一電阻R up與第二電阻R dn。在第一電阻R up與第二電阻R dn的串聯支路上得到箝制電壓V b為第一電壓，意即第一電壓為第一電阻R up與第二電阻R dn兩者之間的跨壓大小。在第二電阻R dn上得到箝制電壓V b的分壓為第二電壓，意即第二電壓為第二電阻R dn的跨壓大小。附帶一提，在不同的實施例中，第一電阻R up與第二電阻R dn亦可整合設計於切換式轉換器12A內部，同樣能夠達到電壓偵測與對箝制電壓V b分壓的操作。再者，由於第一電阻R up與第二電阻R dn主要目的作為偵測電壓與電壓分壓之用，因此在本發明中第一電阻R up與第二電阻R dn的阻值將設計很大，使得流經其路徑的電流非常小，而使其產生損耗可以為忽略不計的程度。
具體地，切換式轉換器12A接收第一電壓或第二電壓。切換式轉換器12A根據第一電壓或第二電壓的大小，轉換箝制電壓V b(例如對箝制電壓V b降壓轉換)至輸出電壓V O。切換式轉換器12A偵測第一電壓大於第一設定值或第二電壓大於第二設定電壓時，切換式轉換器12A將儲存於電容C b的能量釋放至輸出電容C O，以降低箝制電壓V b。舉例來說，可預設第一設定電壓為90伏特。當第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2關斷時，漏感L LkS1或L LkS2和第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2的寄生電容發生振盪而產生的突波電壓(在箝制節點N b形成的箝制電壓V b為第一電壓)，其大於預設的第一設定電壓(90伏特)時，則透過切換式轉換器12A將儲存於電容C b的能量釋放至輸出電容C O(可避免突波電壓產生的能量持續且大量地累積於電容C b內)，以降低箝制電壓V b，藉此可使得所產生的突波電壓透過能量釋放的方式，而達到抑制的效果，因此無須選用更高電壓額定值的元件，仍可實現突波電壓的抑制，並且維持線路的電源轉換效率。
或者，可預設第二設定電壓為30伏特。當第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2關斷時，漏感L LkS1或L LkS2和第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2的寄生電容發生振盪而產生的突波電壓(在箝制節點N b形成的箝制電壓V b透過第一電阻R up與第二電阻R dn阻值的設計，將箝制電壓V b分壓為第二電壓)，其大於預設的第二設定電壓(30伏特)時，同樣可透過切換式轉換器12A將儲存於電容C b的能量釋放至輸出電容C O(可避免突波電壓產生的能量持續且大量地累積於電容C b內)，以降低箝制電壓V b，藉此可使得所產生的突波電壓透過能量釋放的方式，而達到抑制的效果，因此無須選用更高電壓額定值的元件，仍可實現突波電壓的抑制，並且維持線路的電源轉換效率。
如圖6所示，其係為本發明具電壓箝制之全橋相移轉換器之開關電壓的波形示意圖。因此所述開關電壓波形的最大電壓峰值可以抑制在80伏特以下，不僅低於元件的額定值，也可防止電磁干擾(EMI)雜訊的產生。
如圖5所示，其係為本發明能量釋放單元之第二實施例的電路方塊圖。具體地，能量釋放單元10包括第一電阻R up、第二電阻R dn以及直流降壓轉換器，其中直流降壓轉換器係為線性穩壓器(low-dropout regulator, LDO)12B。第二電阻R dn串聯第一電阻R up。線性穩壓器12B連接第一電阻R up與第二電阻R dn。在第一電阻R up與第二電阻R dn的串聯支路上得到箝制電壓V b為第一電壓，意即第一電壓為第一電阻R up與第二電阻R dn兩者之間的跨壓大小。在第二電阻R dn上得到箝制電壓V b的分壓為第二電壓，意即第二電壓為第二電阻R dn的跨壓大小。
附帶一提，在不同的實施例中，第一電阻R up與第二電阻R dn亦可整合設計於線性穩壓器12B內部，同樣能夠達到電壓偵測與對箝制電壓V b分壓的操作。再者，由於第一電阻R up與第二電阻R dn主要目的作為偵測電壓與電壓分壓之用，因此在本發明中第一電阻R up與第二電阻R dn的阻值將設計很大，使得流經其路徑的電流非常小，而使其產生損耗可以為忽略不計的程度。
具體地，線性穩壓器12B接收第一電壓或第二電壓。線性穩壓器12B根據第一電壓或第二電壓的大小，轉換箝制電壓V b(例如對箝制電壓V b降壓轉換)至輸出電壓V O。線性穩壓器12B偵測第一電壓大於第一設定值或第二電壓大於第二設定電壓時，線性穩壓器12B將儲存於電容C b的能量釋放至輸出電容C O，以降低箝制電壓V b。舉例來說，可預設第一設定電壓為90伏特。當第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2關斷時，漏感L LkS1或L LkS2和第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2的寄生電容發生振盪而產生的突波電壓(在箝制節點N b形成的箝制電壓V b為第一電壓)，其大於預設的第一設定電壓(90伏特)時，則透過線性穩壓器12B將儲存於電容C b的能量釋放至輸出電容C O(可避免突波電壓產生的能量持續且大量地累積於電容C b內)，以降低箝制電壓V b，藉此可使得所產生的突波電壓透過能量釋放的方式，而達到抑制的效果，因此無須選用更高電壓額定值的元件，仍可實現突波電壓的抑制，並且維持線路的電源轉換效率。
或者，可預設第二設定電壓為30伏特。當第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2關斷時，漏感L LkS1或L LkS2和第一同步整流開關Q S1或第二同步整流開關Q S2的寄生電容發生振盪而產生的突波電壓(在箝制節點N b形成的箝制電壓V b透過第一電阻R up與第二電阻R dn阻值的設計，將箝制電壓V b分壓為第二電壓)，其大於預設的第二設定電壓(30伏特)時，同樣可透過線性穩壓器12B將儲存於電容C b的能量釋放至輸出電容C O(可避免突波電壓產生的能量持續且大量地累積於電容C b內)，以降低箝制電壓V b，藉此可使得所產生的突波電壓透過能量釋放的方式，而達到抑制的效果，因此無須選用更高電壓額定值的元件，仍可實現突波電壓的抑制，並且維持線路的電源轉換效率。
綜上所述，本發明具有以下之特徵與優點：當突波電壓大於預設的設定電壓時，可透過直流降壓轉換器(包括但不限定為，切換式轉換器12A或線性穩壓器12B)將儲存於電容C b的能量釋放至輸出電容C O(可避免突波電壓產生的能量持續且大量地累積於電容C b內)，以降低箝制電壓V b的大小，藉此可使得所產生的突波電壓透過能量釋放的方式，而達到抑制的效果，因此無須選用更高電壓額定值的元件，仍可實現突波電壓的抑制，並且維持線路的電源轉換效率。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
Q 1:第一開關 Q 2:第二開關 Q 3:第三開關 Q 4:第四開關 Q S1:第一同步整流開關 Q S2:第二同步整流開關 N s1、N s2:次級側電感 L LkS1、L LkS2:次級側漏感 TR:變壓器 Wp:初級側繞組 Ws:次級側繞組 Lg1:第一開關橋臂 Lg2:第二開關橋臂 L O:輸出電感 C O:輸出電容 D S1:第一二極體 D S2:第二二極體 D S3:第三二極體 C b:電容 10:能量釋放單元 N 1:第一端 N 2:第二端 N C:中心抽頭端 N b:箝制節點 R up:第一電阻 R dn:第二電阻 12A:切換式轉換器 12B:線性穩壓器 V b:箝制電壓 V O:輸出電壓
圖1：係為相關技術之全橋相移轉換器的電路圖。
圖2：係為相關技術之全橋相移轉換器之開關電壓的波形示意圖。
圖3：係為本發明具電壓箝制之全橋相移轉換器的電路方塊圖。
圖4：係為本發明能量釋放單元之第一實施例的電路方塊圖。
圖5：係為本發明能量釋放單元之第二實施例的電路方塊圖。
圖6：係為本發明具電壓箝制之全橋相移轉換器之開關電壓的波形示意圖。
Q1:第一開關
Q2:第二開關
Q3:第三開關
Q4:第四開關
QS1:第一同步整流開關
QS2:第二同步整流開關
Ns1、Ns2:次級側電感
LLkS1、LLkS2:次級側漏感
TR:變壓器
Wp:初級側繞組
Ws:次級側繞組
Lg1:第一開關橋臂
Lg2:第二開關橋臂
LO:輸出電感
CO:輸出電容
DS1:第一二極體
DS2:第二二極體
DS3:第三二極體
Cb:電容
10:能量釋放單元
N1:第一端
N2:第二端
NC:中心抽頭端
Nb:箝制節點
Vb:箝制電壓
VO:輸出電壓

Claims (9)

  1. 一種具電壓箝制之全橋相移轉換器，包括： 一變壓器，具有一初級側繞組與一次級側繞組； 一初級側電路，包括： 一第一開關橋臂；及 一第二開關橋臂，並聯該第一開關橋臂； 一次級側電路，包括： 一第一同步整流開關，耦接該次級側繞組的一第一端； 一第二同步整流開關，耦接該次級側繞組的一第二端； 一輸出電感，耦接該次級側繞組的一中心抽頭端； 一第一二極體，該第一二極體的一陽極端耦接該第一端； 一第二二極體，該第二二極體的一陽極端耦接該第二端； 一第三二極體，該第三二極體的一陽極端耦接該中心抽頭端，且該第一二極體的一陰極端、該第二二極體的一陰極端以及該第三二極體的一陰極端共接於一箝制節點； 一電容，耦接該箝制節點，提供一箝制電壓； 一能量釋放單元，並聯該電容，轉換該箝制電壓為一輸出電壓；及 一輸出電容，並聯該能量釋放單元，提供該輸出電壓。
  2. 如請求項1所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該次級側繞組包括一漏感； 其中，該次級側繞組的該漏感所產生的能量儲存於該電容。
  3. 如請求項2所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該能量釋放單元包括： 一直流降壓轉換器，具有一輸入側； 其中，該輸入側偵測該箝制電壓的大小。
  4. 如請求項3所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該直流降壓轉換器根據該箝制電壓的大小，轉換該箝制電壓至該輸出電壓。
  5. 如請求項4所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該直流降壓轉換器偵測該箝制電壓大於一設定電壓時，該直流降壓轉換器將儲存於該電容的能量釋放至該輸出電容，以降低該箝制電壓的大小。
  6. 如請求項3所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該直流降壓轉換器係為一切換式轉換器或一線性穩壓器，該能量釋放單元更包括： 一第一電阻；及 一第二電阻，串聯該第一電阻； 其中，該第一電阻與該第二電阻連接該切換式轉換器或該線性穩壓器的該輸入側； 其中，在該第一電阻與該第二電阻的串聯支路上得到該箝制電壓為一第一電壓；在該第二電阻上得到該箝制電壓的分壓為一第二電壓。
  7. 如請求項6所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該切換式轉換器或該線性穩壓器接收該第一電壓或該第二電壓； 其中，該切換式轉換器或該線性穩壓器根據該第一電壓或該第二電壓的大小，轉換該箝制電壓至該輸出電壓。
  8. 如請求項7所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該切換式轉換器或該線性穩壓器偵測該第一電壓大於一第一設定電壓或該第二電壓大於一第二設定電壓時，該切換式轉換器或該線性穩壓器將儲存於該電容的能量釋放至該輸出電容，以降低該箝制電壓的大小。
  9. 如請求項1所述之具電壓箝制之全橋相移轉換器，其中該第一開關橋臂具有串聯的一第一開關與一第二開關，且該第一開關與該第二開關耦接該初級側繞組的一端；該第二開關橋臂具有串聯的一第三開關與一第四開關，且該第三開關與該第四開關耦接該初級側繞組的另一端。
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