TW556395B - Resonant reset dual-switch forward DC-to-DC converter - Google Patents

Description

4 556395 五、發明說明（1) 本發明係有關於一種包括DC-1〇-DC轉換動作之電源供 應系統，特別有關於一種改良式之諧振重置（resonate reset)之正向（for ward)型式DC-to_DC轉換器的電路設計 及結構。 正向（forward)型之拓撲結構（topology)由於結構的 簡單，廣泛地被應用於DC-to-DC轉換器之中。於高輸出電 壓操作中，雙重開關正向拓撲結構被用以減少主開關的電 壓應力。由於磁性重置機制（magnetic reset mechisms) 的限制，雙重開關正向拓撲結構不適用於較寬之輸入電壓 操作。 第1 A圖及第1 B圖分別表示一習知雙垂開關正向 DC-to-DC轉器的結構及關鍵動作波形。使用兩個開關器於 一次側，當上述兩個開關器導通時，上述變壓器連接至上 述輸入端，且能量從電源端傳送至負截；於上述兩開關器 截止時，透過於第1A圖中標示為Dal及Da2的兩個鉗位二極 體通過磁化電流。上述輸入電壓被反相地供應至上述一次 側線圈’然後上述磁化電流被重置至零。由於上述開關器 之沒源極電壓被鉗位（Clamped)至上述輸入電壓，上述開 關器只確保上述輸入端的電壓應力。 然而，由於上述重置電壓會等於上述輸入電壓，為了 保持上述變壓器之二次電壓（v〇ltage_sec〇n(j)的平衡，上 述重置時間也會等於上述開關器的導通時間。因此，於低 輸入操作情形下，上述最大的開關通週期被限制小於5 0 0/〇 ’上述導通週期變小，因此上述轉換器的性能降低。 556395 五、發明說明（2) 心ί:減少上述一次側的傳導損失，以及降低上述二次 由於上述重置電壓可以$ Λ Λ 諧振重置機制， 導通週期超過上述輸入電壓。边輸入電壓，可以設計上述 ，2Α圖及第2Β圖分別說明一習知具有諧振重置之單端 =二=ΐ向DC_t〇 —DC轉換器的結構以及關鍵動作 ' '轉換态中，只使用一個開關器S1於上述變壓器 的-J側，以及一諧振重置電容Cr與上述開關器S1並聯。 2述開關器以導通時’上述變壓器一次侧線圈連接 至上述輸入電壓Vin ’然後透過變壓器耦合，能量由電源 端（source)傳送至負截。於上述開關器81截止時，上述磁 化電流對上述譜振電容器Cr充電，重置上述變壓器的Co” 。由於第二整流器的過渡狀態，於半個諧振週期後，上述 磁化電流t被重置至零，且一次側線圈的電壓保持為零。 上述諧振電容器以的電壓保持為輸入電壓Vin，直 上述開關器S1導通。於上述開關器31導時，上 犯會透過開關HS1放電，且儲存在電容阶的能量^ 散於上述開關器S1中。因此，開關器31的功率消耗會&大 ，特別是在高輸入電壓時，因為儲存於上述電容器Cr中 能量’隨著上述輸入電壓的方波增加，上述開關器S1 率消耗會明顯地增加。 另一缺點為上述開關器S1的電壓應力會是重置電壓之 最大量與輸入電壓的總和，大約為兩倍的輸入電壓。因為

0678-6445TWf(N) ； 00501-DPEC ； dennis.ptd 556395 五、發明說明（3) 上述理由上 應用。 有鑑於 向以及諧振 拓撲結構。 根據上 之諧振重置 案較佳實施 器，包括一 有--次側 述一次側線 上述一次側線圈、一 述拓撲結 此，本發 正向的優 述目的， 雙重開關正向 例中，一諧振重置雙重 輸入端， 線圈以及 圈串聯連 構不適用於低輸入電壓以及低功率的 =之目的係提供—個結合雙重開關正 ”，且克服了習知缺點之電源轉換器 本發明係提供一克服習知的前述缺點 載止時重置 開關器導通 接上述一次 用以連接上 由於上 位準側（1 〇w 情況下導通 因此， 器。 本發明 線圈或二次 上述變壓 時保持載 側線圈至 述二次側 述較大之 side)之 一個較大 之另一實 側線圈， 器得到一零電壓切換 用以接收一直 一二次側線圈 接，用以週期 諧振電容器， 器、一附屬開 止，且於上述 上述諧振電容 線圈至上述輸 反射（reflect 主要開關器及 轉換器拓撲結構。於本 開關正向DC-to-DC轉換 流電壓、一變壓器，具 、兩個主要開關器與上 性地連接上述輸入端至 用以於上述主要開關器 關器，用以於上述主要 主要開關器載止時，連 器，以及一整流電路， 出端。 e d)輸出電流，上述低 附屬開關器於一零電壓 的谐振電容器可用以重置上述變壓 施例中，一外加的電感與上述一次側 使上述高位準側（high side)的開關 狀態。

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於本發明之另一實施例中，使用一中心抽頭整流電 路，輸出電感可以明顯地減小，且上述輸出電壓的 以減到最小。 於本發明之另一實施例中，使用電流雙整流電路 (current double rectification Circuit)，上述輸出 感可以分割成兩小部份，且上述二次線圈不需要中心抽 (tapped) ’上述輸出電壓的漣波一樣可以減到最小。 於本發明之另一實施例中，使用一同步整流電路， 以減少整流損失，同時需要一控制電路，於上述主要開 器截止時，維持上述慣性整流器（freewheeUng rect i f i er )導通 〇 本發明之優點，係提供以擴大（enlarge)上述開關器 導通週期，以及減少上述一次側開關之傳導損失的能力。 ^發明之另一優點，係上述主要開關器可以得到軟關 斷（soft switching condition)，因此，它提供一且 功率效率的轉換器。 ’兩 本發明之另一優點，係為它要求較低的定額電壓切換 (rating v〇ltage switching)，因此，它可用於雷 壓轉換設計中。 门荆八電 此外’本發明的特色及優點將於以下描述中提出， 此’部分將出現於描述中’或透過實施本發明而學得。 發明的目的及其他優點，將透過其描述、專利申請範圍 所附圖示中所仔細指之的結構及方法而了解、二。& 及 實施例 Τ

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第3B圖’說明第3 A圖中上述諧振重置雙重開關正向 DC-to-DC轉換器的關鍵動作波形。 ^ 、為了說明本轉換器之動作特性，此動作分為兩個操作 模式’上述等效操作電路表示於第4A圖及第4B圖中。 A :正向模式 於上述要開關器S1及S2截止時，附屬開關器Sa導通，

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且上述變壓器_次 容器C r的譜振步驟 述變壓器Tr。 側線圈連接上述電容器Cr，透過上述電 以及上述變壓器Tr的磁化電感，重置上 μ β ί ί明上述仔細動作及本發明之特點，本轉換器之關 鍵波形表示於第5圖中，以下描述數位時間週期： [1] to < t <tl =此時間週期中，上述主要開關器S1及S2導通，附屬 開關器Sa截止。上述主要開關器S1及§2的汲源電壓丨及 Vds2會保持為零，且上述輸入電壓被提供至上述變壓器一 次側，所以上述變壓器的電壓為Vin，保持上述磁化電流 線性地增加。一次側電流IP會為上述磁化電流 (magnetizing current ,MC)及上述整流之輸出電流的總 和。提供至上述輸出濾波器的上述電壓，會為二次側中被 整流的輸入電壓。 [2] tl < t < t2 於時間tl時，上述主要開關器S1及32截止，於一短暫 空截時間（dead time)後，附屬開關器Sa導通，連接上述 開關器S2之上述一次側線圈，會連接至上述輸入電壓的低 位準。上述一次側電流I p對上述電容Cr器充電，上述電容 器Cr的電壓會增加，且一次側電流I p會減少。於時間12 時’儲存於變壓器漏電感（leakage inductance)中的能量 完全地轉換至上述電容器C r中，上述一次側電流會等於上 述磁化電流。 [3] t2 < t < t3

0678-6445TWf(N) ； 00501-DPEC ； dennis.ptd 第11頁 556395 五、發明說明（7) 於此時間週期中，於上述電容器及上述漏電感 (leakage inductance)之間產生諧振，上述磁化電流…減 少至零’然後變成負的。上述電容器Cr的電壓一開始會增 加’由於負的磁化電流接著就開始減少。於時間t3時，電 容器C r的電壓下降至零，因此，磁化電流通過上述開關器 S1的本體二極體（body diode)。 [4] t3 < t < t4 於此時間週期中，上述開關器SI及S2的本體二極體以 及附屬開關器S a全部都導通’使得上述磁化電流μ c保持固 定，直到上述主要開關器S1及S2導通。於時間“時:開關 器S1於一零電壓狀態下導通，開始一個重新的切換週期。 本發明之諧振重置雙重開關正向轉換器，具有下列特 色： 首先，由於上述重置電壓為上述電容器Cr的諧振電壓 ，透過選擇較小的電容器Ct，它可以高於上述輸入電壓， 使得上述重置時間可以比上述導通時間短，且可以得到一 個大於50%的切換導通率，不只是減少一次側之均方根 (RMS)電流，也減少上述二次側整流器之電壓應力。 第二，於上述主要開關器S1&S2截止時，〜上 關器S1之汲源電壓，只為上述重置電壓，且透過上附^ 開關器鉗位之上述主要開關器32的汲源電壓會等於 入’上述主要開關S1及以的電壓應力會大約‘ 金述輸入電壓’而取代習知單端正向轉換器之兩倍輸入電

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第三，由於當上述電容器Cr諧振至 S1會導通，不會產生額外的功率消耗。‘時，上述開關器 關器S1與上述電容器cr的並聯連接，此外’由於上述開 損失也會明顯地減少，因此，本發明述開關器s 1的截止 會大大地下降。 轉換器的切換損失 如第6圖中所示之本發明之另一實 器Cr可以連接於與上述輸入電壓之：列中’上述電容 主要開關器S1連接之一次側線圈之間。’側:與上过 要開關器SI、S2以及附屬開關器Sa的 $變f fTr、主 例中相同，在此不再累述。 幻動作波形與前述實摊

第7圖表示本發明之另一電路結 電感器Lk或一外加電减盥上诚 ”中耠供一外加 聯連接，用以使上或二次側線圈串 要開關器82導通時，上述附屬開關器Sa =子於上述電感器Lk及Ls中的能量，將會對

Lk Ϊϊ主ί ?關器以中的輸出寄生電容充電，只要上述電感 8 ’上述主要開關器S2就可以於零電壓狀態下導 忒’波形如第8圖中所示。±述外加電感器可為一線性電

2或―可飽和1容器’且可以為外部U是積集於上述 變壓器史。 < _ 9 表示本發明之另一電路結構，其中上述整流電 $中心抽頭式連接。上述變壓器之二次側線圈具有一第 端、一第一端以及—分接點（^叩丨叩p〇int)。於上述 主要開關器S1及S2導通時，能量會由上述第一端及上述分

556395 五、發明說明（9) 接點（tapping point)通過上述第一整流器D1，傳送至上 述輸出電感器。於上述主要開關器“及“截止時，能量會 由上述第一 及上述分接點（tapping 通過上述第 二整流器D2，傳送至上述輸出電感器以。由於在主要開關 :SUS2截止和導通時，能量都傳送至上述輸出電感器， 要—個小小的電感，上述輸出電壓的漣波就可以 明顯地減少了。 電為發明之另一電路結構，其中上述整流路 = ::::(CUrrent d〇Uble)連接，電感器L1 及L2 用 备：：出濾波器。由於上述主要開關器。及52截止或導 皮^都傳送至上述輸出電感器UAL2，因 漣波也可以明顯地減少。 电至 第11圖表示本發明之另一電路 ^作上述整流電路。一般來說，需要=== ΐ通—導通時，保持上述整 器D2導通 開關器51及以載止時’保持上述整流 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，鈇龙 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離^ ς非用以 和範圍内’當可作些許之更動，：：：：：之精= 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者=本發明之保護 _ 第14頁 〇678-6445OVf(N) ； 00501-DPEC ； dennis.ptd 556395

h-DC轉換 圖式簡單說明

第1 A圖，為習知普通雙重開關正向DC〜 示意圖。 器 第1B圖’說明第1A圖中雙重開關正向 的關鍵動作波形。 #換 向 第2 A圖’為另一習知具有諧振重置之單端開 DC-to-DC轉換器的示意圖。 $旬正 第2B圖，說明第2A圖中具有諧振重置之單 DC-to-DC轉換器的關鍵重作波形。 ”關正向 第3 A圖’為本發明一較佳實施例之譜振 正向DC-to-DC轉換器的示意圖。 重開關 第3B圖，說明第3A圖中上述諧振重置雙重 DC-to-DC轉換器的關鍵動作波形。 汗S正向 第4A圖以及4B圖，為第3A圖之等效動作電路。 第5圖，說明本發明之上述諧振重置雙 換器之關鍵波形。 董開關正向轉 第6圖，為本發明另一較佳實施例之諧振重 關正向DC-to-DC轉換器的示意圖。 開 第7A及7B圖，說明本發明獲得零電壓切換之結 第8圖，說明第7A及7B圖的主要開關器之上述零 切換之波形。 第9圖’為本發明又一實施例，具有中心抽頭整流器 之一譜振重置雙重開關正向電路之示意圖。 第1 0圖，為本發明又一實施例，具有電流雙體整流 (current double rectifying)之一諧振重置雙重開關正

0678-6445THVf(N) ; 00501-DPEC ; dennis.ptd 556395 圖式簡單說明 向電路之示意圖。 第11圖，為本發明又一實施例，具有同步整流器之一 諧振重置雙重開關正向電路之示意圖。 [符號說明]

Dal及Da2〜鉗位 SI、S2〜主要開 Sa〜附屬開關器 L1〜電感； 二極體； Tr 關器； Cr 9 D1 C2 〜變壓器； 〜諧振重置電容； 、D2〜整流器； 〜電容。

0678-6445rDVf(N) ； 00501-DPEC ； dennis.ptd 第16頁

Claims (1)

1. 556395 修正- 六、申請 I:種諧振重置雙重開關正向轉換器，包括： 流電壓^入端，用以接收具有一低位準及一高位準之-直 一輪出端； 二壓器，具有一一次侧線圈及一二次側線圈； 次側缘圈ί第二開關器，串聯連接上述變麼器之上述 ;择^性地連接上述輸入端與上述-次側線Ϊ: η白振電容器，用以於 m , 週期時重置上述變壓器；以&第一開關益之截止 期時：:ίϊ“ ’用以於上述第一及第二開關器之導通消 ，連接上ί止’且於上述第一及第二開關器之截止週期時 要上逑一次側線圈至上述諧振電容器；以及 f 整流電路，連接上述二次側線圈至上述輸出端。 向轉2換申ΐ ΐ利範圍第1項所述之譜振重置雙重開關正 、° ，、中上述開關裝置連接至上述一次側線圈且+ 上述輸入端中低位準^。 、固，、有 3·如申請專利範圍第2項所述之諧振重置雙重開關正 :3 : ’其中上述玉⑽容器連接至上述-次側線圈具 有上述輸入端中低位準側之另一端。 /、 4·如申請專利範圍第2項所述之諧振重置雙重開關正 向轉換器，其中上述諧振電容器連接至上述一次側線圈具 有上述輸入端中高位準侧之另一端。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之諧振重置雙重開關正 向轉換器’其中上述每一第一及第二開關器以及上述開關

   0678-6445TWFl(N);〇〇5〇1-DPEC;denni s.ptc 第17頁 556395 09 9ίΙ

   ......... •補无 修正 y ~3Tode)。 6· ί申請專利範圍第1項所述之諧振重置雙重開關正 向轉換器，其中-外加電感ϋ，串聯連接上述變壓器之卜 述一次側線圈。 7· t申請專利範圍第1項所述之諧振重置雙重開關正 向轉換器其中一外加電感器，串聯連接上述變壓琴之μ 述二次側線圈。 ρ 上 置 時 端 8·如申請專利範圍第丨項所述之諧振重置雙重開關正 j轉換=，其中上述變壓器之二次側線圈具有一第一端、 一第二端以及一抽頭位置（tapping point);其中於上 第-及第二開關器導通時，&量由上述第一端以及抽頭位 ，，至上述輸出端，且於上述第一及第二開關器載止 能置由上述第二端及上述抽頭位置，轉換至上述輸出 及 9 ·如申请專利範圍第丨項所述之諧振重置雙重開關正 J器，J中上述整流電路包括一第一及第二整流器以 、甬味=二電感器；其中於上述第-及第二開關器導 =/1由±述第-*流器&上述第一電感器轉換至上 述輸出端，且於上述第一及第二開關器戴止時，能 述第二整流器及第二電感器轉換至上述輸出端。 10·如申請專利範圍第丨項所述之諧振重置雙重開關正 向轉換器，其中上述整流器為同步整流開關。 Π· —種諧振重置雙重開關正向轉換器，包括： 一輸入端，用以接收具有一低位準及一高位準之一直

   0678-6445TWl(N); 00501 -DPEC;denni s .ptc 第18頁 556395

   一輸出端； 一筮一 η始 …、、个叫…一 一久惻線 及第一開關器，串聯連接上述變壓5| Μ μ ^週期性地連接上述輸入端至上述一次侧綠^ 期日士舌^ 於上述第一及第二開關器之戴止、月 期日守重置上述變壓器；以及 m止週 一整流電路，連接上述二次側線圈至上述輸出端。 12·如申請專利範圍第丨丨項所述之諧振重置。 正向轉換器，其中上述重置電路包括： 雙重開關 一諧振電容器；以及 一開關裝置，用以於上述第一及第二開關器之 =時保持截止，且於上述第—及第二開關器之截止週期時 連接上述一次侧線圈至上述諧振電容器。 / 1 3·如申請專利範圍第1 2項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器，其中上述開關裝置連接至上述一次側線圈具 有上述輸入端中低位準側之一端。 1 4·如申請專利範圍第1 3項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器，其中上述諧振電容器連接至上述一次側線圈 具有上述輸入端中低位準側之另一端。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器，其中上述諧振電容器連接至上述一次側線圈 具有上述輸入端中高位準側之男/端。 1 6·如申請專利範圍第丨丨項所述之譜振重置雙重開關

   0678-6445TWFl(N);00501-DPBC;denni s.ptc 第19貢 556395

   1 7·如申請專利範圍第11項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器，其中一外加電感器，串聯連接上述 上述一次側線圈。 1 8 ·如申請專利範圍第丨丨項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器’其中一外加電感器，串聯連接上述變壓器之 上述二次側線圈。 1 9 ·如申請專利範圍第i丨項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器，其中上述變壓器之二次側線圈具有一第一 &、一第二端以及一抽頭位置（tapping point);其中於 上述第一及第二開關器導通時，能量由上述第一端以及抽 頭位置’轉換至上述輸出端，且於上述第一及第二開關器 截止時，能量由上述第二端及上述抽頭位置，轉換至上述 輸出端。

   2〇·如申請專利範圍第11項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器’其中上述整流電路包括一第一及第二整流器 以及一第一及第二電感器；其中於上述第一及第二開關器 導通時，能量由上述第一整流器及上述第一電感器轉換至 上述輸出端，且於上述第一及第二開關器截止時，能量由 上述第二整流器及第二電感器轉換至上述輸出端。 21 ·如申請專利範圍第11項所述之諧振重置雙重開關 正向轉換器，其中上述整流器為同步整流開關。

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