TW465168B - Synchronous rectification in a flyback converter - Google Patents

Description

4 65 1 6 P 五、發明說明（1) 技術領域 本發明關於一直流對直流轉換電路，及特指一在連續模 式作動的同步驰返轉換器電路。 本發明及先前技藝之背景 在不同種類電氣裝置的直流對直流電源供給，電源整流 器被使用以獲致一正確的整流輸出電壓。典型地，一二極 體將被使用在次要側以獲致整流輸出電壓。 一直流對直流轉換則描述於夏等人的美國專利案號 5，8 8 6，8 8 1號11單終端正向直流對直流轉換用以提供同步整 流強化重置"。一正向直流對直流轉換被描述其可被使用 執行同步整流及零電壓切換。此電路僅用以正向及正向所 源轉換器及並不可用於驰返轉換器。 另一直流對直流轉換則描述於Y a m a s h i ΐ a等人在美國專 利案號5 , 72 6，8 6 9號之”同步整流型式直流對直流轉換其中 一可飽和感應裝置與次要側切換電路串聯M ，其揭露的是 一同步整流器型式正向直流對直流轉換可防止當一同步整 流開關及一飛輪同步整流開關同步傳導時，或當同步整流 開關如一主要側開關同步傳導時之損失增加。 若次要側開關，其須用以整流變壓器的整流，則同步被 啟動，由於電流大而有F ET或繞組分解之可能。另種設計 適切整流器電路之方法則是使用驰返拓撲，一主要側儲存 磁能量於一磁核之空氣間隙内於一充電區間。該能量接著 在所謂返驰區間被傳送至一次要側。使用一相較於其他轉 換器電路之一驰返拓撲之一電源轉換器電路的主要優點是

O:\63\63213.ptd 苐6頁 五、發明說明（2) — '------- 其間單架構，其將是可以便宜製造的。 一傳統馳返轉換器包含，在該主要侧，—變屋器的—主 要繞组及一開關，及在該次要側上變壓器的次要繞組連 至一二極體及一負載連接之輸出電容器。 卷該一轉換器具有一大電壓降於二極體上。因此，在該 當輸出電容器的輸出電壓為低’二極體上電壓 口：重意部份.，其使得電源轉換器對低電麼應用：不 返规轉換器已有最小化尺寸之需求，而不論電源等級， 強化轉換器效率的需求。該效率設定電源可轉換之限制其 =熱必須保持在可容許位準。該蕭特基型式二極體的電^ ^約為0. 3伏特，或更高。此電壓降導致轉換器的之最大 損失之一。若該電壓降可經由使用一具有一非常小電壓降 之組件以最小化，該電源轉換器將具有非常高效率，例如 金屬氧化半導體場效電晶體將減小此電壓降。 在典專利應用例9 8 0 4 4 5 4 - 8號，一具有一同步開關的 持續模式馳返轉換器被描述。該次要側同步開關的驅動電 路之控制訊號係直接來自驰返變壓器.之一次要或輔助繞 組。該驅動脈衝向次要側的—次要開關，其係由一從輸出 電壓端子傳送之反向缓衝器電路所產生的。該脈衝產生電 路產生一驅動脈衝至同步開關’其是獨立於輸入電壓的。 本電路之一缺點是在特定狀況次要側開關的計時可能是非 適切。 發明之摘要

第7頁 4 65 1 6 8 五、 發明說明 〔3) 本發 明 的 W g 的 克 服 上 述 之 問 題 Q 本發 明 的 — 百 的 係 增 加 一 驰 返 拓 撲 内 電 氣 直 流 轉 換 器 的 效 率。 本發 明 的 g 的 係 經 由 _ * 電 路 及 方 法 以 獲 致 返 驰 轉 換 器 的同 步 整 流 t 該 轉 換 器 則 獨 立 於 主 要 側 上 一 入 電 壓 J 及 不需 一 辅 助 繞 組 於 變 壓 器 上 〇 本發 明 使 闬 之 拓 撲 驰返 變 壓 器 * 一 扼 流 圈 一 1 動 變 壓 器 或 — 全 變 壓 器 〇 V 1 ' 馳返 變 壓 器 之 主 要 繞 組 參 閱 如 轉 換 器 正 向 相 位 時 之 繞 組 電 流流 動 及 次 要 繞 組 參 閱 如 驰 返 相 位 時 之 繞 組 電 流 流 動 馳返 相 位 在 —. 驰 返 轉 換 器 該 驰 返 相 位 當 主 要 側 開 關 (主要） 是 關 (非傳導） 及 次 要 侧 開 關 (整流器） 為 開（傳導） 〇 在一 特 別 例 —— 非 持 續 模 式 當 流 經 開 關 之 電 流 等 於 零 > 次 要侧 開 關 可 以 以 關 閉 0 正向 相 位 ; 在 '— 驰 返 轉 換 器 該 正 向 相 位 田 主 要 側 開 關 為 開， 及 該 次 要 侧 開 關 為 關 〇 非持 續 模 式 * 一 馳 返 轉 換 器 之 模 式 其 中 驰 返 變 壓 器 的 磁 化能 量 在 開 關 週 期 之 部 份 時 間 係 等 於 零 〇 持續 模 式 * 一 驰 返 轉 換 器 之 模 式 > 其 中 驰 返 變 壓 器 的 磁 化 能量 在 開 關 週 期 之 部 份 時 間 從 不 降 至 零 〇 開： 傳 導（對- _開關而言） 關： 非 傳 導（對- _開關而言） 開關 _ 具 有 兩 個 清 楚 界 定 狀 態 開 及 關 > 之 元 件 〇

五、發明說明（4) 充電控制開關：一裝置，其是決定於控制端子之充電的 。（如一金屬&氧化半導體場效電晶體，該閘體端子）^充電 控制裝置之範例是金屬氧化半導體場效電晶體及IGBT, s。 該馳返轉換器具有一主要铡包含一控制裝置及—主要元 件作動如一主要開關。該轉換器也具有一次要侧，包含— 驅動電路，及一次要元件作動如一整流開關。該驅動電路 具有一啟動組件包含一第一電晶體，一第一二極體於—第 一電晶體之一基極和一射極間，及一連接至控制裝置的 動電容器。該驅動電路也具有一關閉組件，包含一第二 晶體，一第二二極體於一第二電晶體之一基極和一射極 ’及一連接至控制裝置的第二驅動電容器。 主要控制該馳返轉換器處該控制裝置的驅動脈衝如下： -在一關閉訊[如一驅動脈衝之負側面，主要開關被關 閉。該關閉訊號也啟動驅動電路之啟動組件以使得該整流 開關傳導" 在啟動^號，如一驅動脈衝之正侧面，主要開關被啟 動。該啟動訊號也啟動驅動電路之關閉組件以使得該整流 開關非傳導。 本發明的一優點是該馳返轉換器包含較少組件。 本發明的另一優點是次要側的第一和第二電晶體不能立 即傳導，雖然它們係從相同控制裝置觸發。此係由於第一 電晶體僅在控制訊號的關閉訊號時啟動，及關閉電晶體則 僅在啟動訊號時啟動。第一和第二電晶體的剩餘時間為關 閉。

4 65/6 t 五 '發明說明（5) 又一優點是傳送至整流開關和驅動電路之電壓不隨輸入 電壓或輸出電流改變。 有一優點是轉換器也防止主要開關免於與整流開關同時 傳導。 本發明之另一優點是將適切延遲施於啟動訊號之簡單方 法及特別是在整流開關之關閉訊號。 附圖之簡單說明 本發明將經由非限制性之範例及參考附圖予以描述，其 中： 圖1是一直流對直流轉換器的電路圖； 圖2a-2d是時圖。 較佳具體例之說明 在圖1，一馳返轉換器1 0 0如示。在一主要側1 1 2，轉換 器1 0 0包含一主要繞組W 1 ，一主要開關Q 1 ，一控制裝置1 1 6 及一延遲電路110 ^主要側112的一第一輸入端子104被連 接至主要繞組W 1的一側及被連接至一直流電壓源（未示）的 —端子。主要繞组W 1的其他側被連接至主要開關Q 1的一汲 極端子dl(或相似的），如一η通道金屬氧化半導體場效電 晶體。一源極端子s 1或主要開關Q 1的相似者被連接至主要 側1 1 2的一第二輸入端子1 〇 2，其結果是連接至直流電壓源 之其他端子。控制裝置1 1 6的一輸出端子則連接至一第一 驅動電容器C 1的第一電容器端子。該控制裝置1 1 6也連接 至時間延遲電路1 1 0，其依序連接至主要開關Q 1的一閘極 端子gl。

O:\63\63213.ptd 第10頁 465168 五、發明說明（6) 在一次要側1 1 4，該馳返轉換器1 0 〇包含一次要繞組W 2， 電晶體Q 2及Q 3，一充電控制整流開關Q 4，及兩個二極體D 2 和D 3。該二側，主要和次要側1 1 2，1 1 4，經由一變壓器T 和兩個驅動電容器C 1，C 2彼此耦合。次要繞組W 2的一終端 則連接至第一輸出端子1 0 8。第一輸出端子1 0 8也連接至一 啟動電晶體Q2(PNP)的一射極端子e2，及一放電二極體D2 的陰極端子k 2。二極體D 2的陽極端子a 2則連接至啟動電晶 體Q2的一基極端子b 2，其是依序連接至啟動端子D_ ON。啟 動電晶體Q2的一集極端子c2則連接至一關電晶體Q3(NPN) 的一集極端子c 3，及至充電控制整流間關Q 4的一閘極端子 g4。次要繞组W2的另一終端連接至整流開關Q4的汲極端子 d,4。整流開關Q 4的一源極端子s 4則連接至一第二輸出端子 1 0 6。該關閉電晶體Q 3的射極端_子e 3則連接至一第二輸出 端子106。二極體D3的一陽極端子a3也連接至一第二輸出 端子1 0 6。一陰極端子k 3則連接至關閉電晶體Q 3的一基極 端子b3，及依許連接至一關閉端子D_0FF。 控制裝置1 1 6控制主要開關Q 1在期望時間開及關，及經 由兩個驅動電容器C 1和C 2關閉次要側1 1 4上整流開關Q 4。 該關閉端子D _ 0 F F則連接至第一驅動電容器C 1及該啟動端 子D — 0N貝|J連接至第二驅動電容器C2 。第二驅動電容器C2則 連接至第一驅動電容器C 1 ，其依序連接至控制裝置1 1 6。 控制裝置1 1 6也可例如從轉換器1 0 0的次要侧1 1 4的輸出端 子收集資料。該直流電壓源可由一由一交流源及一整流電 路之交流供給替換。主要側1 1 2導引電壓經由變壓器T至次

O:\63\63213.ptd 第11頁 465168 五、發明說明（7) 要側U 4。 充電控制整流開關Q4則位於次要側1 1 4。該整流開關Q4 則經由一驅動電路傳送，其從主要側1 1 2接收資訊，更特 定地係從控制裝置1 1 6的驅_動脈衝。該驅動電路包含兩個 分離組件，一啟動組件，及一關閉組件。該資訊經由驅動 電容器C 1和C 2被傳送至次要側1 1 4。控制裝置1 1 6的脈衝負 側或正側致動兩個組件。 該啟動組件包含啟動電晶體Q 2，及啟動電晶體Q 2的基極 b 2和射極e 2間之放電二極體D 2。當控制裝置1 1 6傳送一關 閉訊號，負脈衝波前，至主要開關Q 1及致能之時，此組件 被啟動。該負脈衝波前也啟動驅動電路以使得整流開關Q 4 為傳導。 該關閉組件包括關閉電晶體Q 3及位於關閉電晶體Q 3的基 極b 3和射極e 3間的放電二極體D 3。當控制裝置1 1 6傳送一 開啟訊號，正脈衝波前，至主要開關Q 1及致能之時，此組 件被啟動。該正脈衝波前也啟動驅動器電路以使得整流開 關Q 4再為非傳導。當控制裝置傳送一關閉訊號，負脈衝波 前，主要開關Q 1將再次失能，且因此該程序被重複。 為了防止兩個開關Q 1和Q 4在相同時間傳導，時間延遲電 路1 1 0係位於主要開關Q 1和控制裝置1 1 6間。時間延遲電路 1 I 0在正和負側可具有不同延遲。該延遲電路1 1 〇可以如串 聯電阻般簡單，其與主要開關Q 1的閘極（控制）端子作動如 一延遲電路。該延遲電路1 1 0也可更複雜，以使得一可調 整該延遲與啟動予與關閉。

O:\63\632I3.prd 第12頁 465168 五、發明說明（8) 電晶體Q 2和Q 3可以由其他組件替換，以執行相同功能。 圖2a-2d展示時圖及因此如上述之馳返轉換器100。圖2a 展示訊號Ql/Vg及圖2d —轉換訊號Q4/Vg。圖2b及圖2c展示 兩個電晶體Q 2和Q 3的集極電流Q 2 / I c，Q 3 / I c。 一個.週期可區分成四個部份。 第一部份是，驰返相位，當主要開關Q 1閘極g 1的電壓為 低，主要開關Q 1為關閉，及轉換器1 〇 〇被轉入驰返相位。 該驅動脈衝的負側經由開始傳導一小段時間之電容器C 1和 C 2影響啟動電晶體Q 2。其需在閘極g 4充電及啟動整流開關 Q 4時間傳導。該整流開關Q 4將在整個驰返期間傳導。 第二部份是，也是驰返相位，當主要開關Q1為關閉，整 流開關Q4為啟動，及電晶體Q2和Q3為關閉及非作動。 第三部份是，也是正向相位，當控制裝置1 1 6傳送正侧 至主要開關Q 1的閘極g 1及轉換器1 0 0轉入正向相位。驅動 脈衝的正側經由開始傳導一小段時間的電容器C 1影響關閉 電晶體Q3。其在足夠使閘極g4放電及關閉之時間傳導以整 流開關Q 4。 第四部份是*也是正向相位，當主要開關Q1為啟動，整 流開關Q4為關閉，及電晶體Q2和Q3為關閉。 在一第二較佳具體例，第一驅動電容器C 1係相互連接於 控制裝置11 6及啟動端子D„ Ο N間以及第二驅動電容器C 2連 接在啟動端子D_ON和關閉端子D„OFF間。該兩個電容器的 組件值較佳與第一具體例不同。 在一第三具體例第一驅動電容器C 1係相互連接於控制裝

O:\63\63213,ptd 苐13頁 465168 案號 89104375 90. la Ο 4 ^ 崎月年仏一g 曰 修正 々吊nj 五、發明說明（Π) 置1 1 6及關閉端子D_OFF間以及第二驅動電容器C2連接在控 —制裝置1 1 6及啟動端子D_ON間。該兩個電容器的組件值較 佳與第一和第二具體例不同。 在第二和第三具體例，驰返轉換器1 0 0的功能是相似於 第一具體例的。 本發明不受限於相連圖1，2 a，2 b，2 c ' 明且在不背離申請專利範圍下可簡單地改 圖式元件符號說明 和2 d之執行說 良 100 返 馳 轉 換 器 D_ON 啟 動 端 子 102 第 —— 輸 入 端 子 D_OFF 關 閉 端 子 108 第 *— 輸 出 端 子 e2 , E2, e 3 射 極 端 子 110 延 遲 電 路 gl, G1 閘 極 端 子 1 12 主 要 側 g4, G4 閘 極 端 子 1 14 次 要 側 k2, k3 陰 極 端 子 116 控 制 裝 置 Q1 主 要 開 關 a 2，a 3 陽 極 端 子 Q2 第 -— 電 晶 b2, b3 基 極 端 子 Q3 第 二 電 晶 c 2 集 極 端 子 Q4 整 流 開 關 Cl, C2 動 電 容 器 s 1, s 4 源 極 端 子 dl 汲 極 裝 置 T 變 壓 器 D2 第 -— 放 電 二 極體 W1 主 要 繞 組 D3 第 二 放 電 二 極體 W2 次 要 繞 組 d4 汲 極 端 子 體

O:\63\63213.ptc 第U頁 2001.10.04.014

Claims (1)

1. 465168 修正 ---i 補无 六、申請專利範圍 1. 一種具有_ ± ^1 主要開關（cm 主要側（112)之返軸轉換器（1〇0) ’包含一 轉換器也具有il控制裝置（U6)及一延遲電路（110)，該 開關（Q4)，其特‘ ==(^14)包含一驅動電路，及一整流 器(Cl ’ C2」連接至驅動=制裝置係經由至少-驅動電容 驅2動Ϊ I ί :利範圍第1項之返驰轉換器，其特徵在於該 流開關被ί二：導當主要開關關閉時其被作動，由是該整 一 一關閉組伴，木+ & π 流開關被認為非傳$ f要開關啟動時其被作動，由是該整 啟動組件‘ f=圍第2項之返馳轉換器，其特徵在於該 相互連接在第_ 電晶體（Q2)，一第一放電二極體（D2) 驅動電容器連$ ^晶體的一基極（b2)和一射極（e2)間且該 4.該啟動端子D-0N。 - $電晶體是—PN广電圍晶第體3 (二返馳轉換器，其特徵在於第 在於該ί 3 ί : f f第2、3或4項之返馳轉換器’其特徵 體（D3)相互連接》===二電晶體（Q3)，一第二放電二極 間，且該驅動電办m 了，晶體的一基極（b3)和一射極（63) 6如申請^令益連接至該關閉端子0_0?[。 二電晶體是圍曰第5 =返馳轉換器，其特徵在於第 7.如申嗜奎…日日遐㈧d )。 |範圍第2、3或4項之返馳轉換器，其特徵

   0:\63\63213.ptc 第I頁 2001.10. 04. 〇16 465168 _案號 89104375 修正 六、申請專利範圍 _ 在於主要開關是一金屬氧化半導體場效電晶體。 8.如申請專利範圍第2、3或4項之返馳轉換器，其特徵 在於整流開關是一充電控制組件β 9，如申請專利範圍第2、3或4項之返驰轉換器，其特徵 在於該整流元件是一金屬氧化半導體場效電晶體或一 I GBT。 1 0 .如申請專利範圍第2、3或4項之馳轉換器，其特徵 在於該延遲電路係相互連接在主要開關與控制裝置間且該 驅動電容器是連接至控制裝置。 1 1 . 一種用以控制一具有一主要側（1 1 2 )之返馳轉換器 (1 0 0 )之方法，該驅動轉換器包含一主要開關（Q 1 )，一控 制裝置（116)及一延遲電路（Π0)，該轉換器也具有一次要 侧（1 1 4)包含一驅動電路，及一整流開關（Q4 )，且該控制 裝置係經由至少一驅動電容器（C1 ，C 2 )連接至驅動電路， 其特徵在於傳送驅動脈衝，係經由控制裝置的至少一驅動 電容器（Cl ，C2)控制驅動電路之步驟。 1 2.如申請專利範圍第1 1項之用以控制一返驰轉換器 (1 0 0 )之方法，其特徵在於下列步驟： 4 - 當主要開關關閉時觸發該驅動電路，由是該整流開關 被認為是傳導，及 - 當主要開關啟動時觸發該驅動電路，由是該整流開關 被認為是非傳導。 1 3.如申請專利範圍第1 1或1 2項之用以控制一返馳轉換 器之方法，該驅動電路包含一啟動組件及一關閉組件，其

   O:\63\63213.ptc 第2頁 2001.10.04.017 4 65168 修正 案號 89104375 六、申請專利範圍 特徵在於下列步驟： - 經由一關閉訊號啟動主要開關及整流開嘣，及 - 經由一啟動訊號啟動主要開關及整流開關。 1 4.如申請專利範圍第1 3項之用以控制一返驰轉換器 (1 0 0 )之方法，其特徵在於下列步驟： - 傳送關閉訊號為一負側，及 -傳送啟動訊號為.一正侧。 1 5 .如申請專利範圍第1 1或1 2項之用以控制一返馳轉換 器（1 0 0 )之方法，該延遲電路係相互連接在主要開關及控 制裝置間且驅動電容器係連接至控制裝置，其特徵在於經 由使用一延遲電路（Π0)之步驟用以分離馳返相位及正向 相位。

   O:\63\63213.ptc 第3頁 2001.10.04.018