TWI221351B - Symmetrical duty-cycle control device of current-mode controlled half-bridge DC/DC converter - Google Patents

Description

1221351 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 :發明是有關於一種電流模式控制之半橋式直流-直 w轉換器的控制裝置，特別是指—種可使該半橋式直流· :轉換器之開關信號責任週期對稱的電流模式控制之半橋 式直流-直流轉換器之對稱責彳壬週期的控制裝置。 【先前技術】 10 15 20 目前大多數的轉換式電源供應器都是脈波寬度調變 PWM)的型式’此種方式乃藉由改變開關的導通時間，使 ::通期間裡控制及調整輸出電壓至一預定值，亦即在脈 =度調變系統中會產p方形脈波來推動開關至導通或 :::狀態，ϋ藉由改變脈波的寬度，適當增加或減少開 關的導通時間，使輸出電壓達到穩壓狀態。且一般依回授 :號的不_，電源供應器的控制模式主要可分為兩種：電 壓模式控制及峰值電流模式控制。 如圖1所示，是以往的半橋式直流_直流轉換器i， 二大都採用電壓模式控制’且如圖2所示，其控制電路 之特點在於其載波產生器u產生固定大小的三角波， :半：式直流_直流轉換器1之輪出電路12的輸出電壓 %輸入其誤差放大器13❺負端’並與_由誤差放大器 ^的正端輸入之參考電壓I)相比較，以產生一誤差訊 唬14輸入一比較器15中，與載波產生器11輸出之三角 波比較，而產生-控制信號16控制由τ型正反器17輸 出之脈波寬度調變信號15、15，的責任週期(脈波寬度）。 4 但在現今，對於直流-直六抑 嚴苛，因此電漭槿弋批在I冷、^ 、裔的要求比過去更加 最大的差別在二厂：1 /斤漸被採用，其與電壓模式控制 調變的載波不再是固定大小的三 ，m ^ 电略所侍到的電流回授信號 h尺 u lx ^ 竿又陕因為電流模式控制 =…側電流㈣，可預先將系統對於輪入電壓的變化 :入控制電路中M吏改變輸出信號責任週期的大小，達到 刖饋補償的功能，此外，當輪出 田铷出側短路時，一次側電流回 授信號將同時間偵測到，並使控 10 文7工f j笔路控制開關瞬間不導 通，而達到短路保護的作用。 然而，雖然峰值電流模式控制在其它種類架構下，如 推挽式架構下的動作是無誤的，但是若把電流模式控制運 用到：橋式架構時’卻會產生一次側開關信號(即脈波寬 15 度凋蚤l號）貝任週期不對稱（即脈寬度調變信號的電壓準 位不對稱）的問題。 20 為此，如圖3所示，Unitr〇de公司在1988年曾經提 出在半橋式直流-直流轉換器2的主變壓器2 1上多繞一組 輔助繞組22，並搭配兩顆蕭特基二極體SD1、SD2，藉以 促使整個半橋式系統在電流模式控制下，達到輸入側的兩 個分壓電容Cinl、Cin2電壓均衡（平均）的狀態，進而使一 次側開關之控制信號（即脈波寬度調變信號）責任週期對稱 (即電壓準位對稱）。此一方式理論上雖然可行，但在實做 上卻會產生下列問題： 1 ·因為辅助繞組22與主變壓器2 1繞在同一鐵心上， 5 1221351 5 10 且輔助繞組22實際上類似比壓器（PT)的功能，其阻 數比為1:1，理論上應可工作，但是實際上要產生充 電電流路徑’辅助繞組2 2上的輸出電壓必須大於兩 分壓電容Cinl、Ciu中具有較大電壓者之電壓再加上 兩開關7G件其中之一的順向導通壓降（亦即辅助繞組 22上之輸出電壓必須大於主變壓器21上的壓降）， · 藉此才能克服蕭特基二極體SD1及SD2其中之一的 順向壓降（一般約0.2V〜0.5V)，所以辅助繞組22的 E數必須略高於主變壓器21的匝數，且如果主變壓春 器21的阻數並非遠大於丨匝，則輔助繞組22之阻 數必須為非整數，方能夠得到正確之電壓，但是一 般變壓器之框架通常為整數匝設計，以致辅助繞組 2 2無法發揮預期的效果。 15 20 2 ·另一問題是電流回授的取入點有問題，如圖3所 ’電流回授信號If為主變壓器21二次側之輪出電 25(其詳細電路如圖2之輸出電路16所示）的輪出 流1〇經過匝數比映射回來的電流，並經過—比流 (CT)23後由一電流感測器24輸入控制電路^(詳 電路如圖2所示）中，但是由圖3可以看出，電流 測器24所取到的電流回授信號If中亦包含了補助 組22映射回來的電流量，因此，其所取得之電流 授信號If並不正確，以致於系統無法達到預期的 能。 '

【發明内容】 6 因此，本發日月之目 器將電、义妒4、“ 、，在於提供一種藉由辅助變壓 壓電〜I果工制之半橋式直流·直流轉換器輸入側之分 責:：的電塵箱制在1定值，使脈波寬度調變電路之 5 對稱之電流模式控制之半橋式直流-直流轉換器 對％貝任週期的控制裝置。 10 器之對本毛明电流拉式控制之半橋式直流-直流轉換 轉換2貝任週期的控制裝置，丨中該半橋式直流·直流 、為C括-輸人電路與_主變壓器，其中該輸入電路 ::串聯之一上臂電容及一下臂電容、兩串聯後再與 :容並聯之一第一開關元件及-第二開關元件，且 /變壓為之一次側打點端連接於該等開目元件之間， 而其非打點端則經由一電流感測電路連接於該等電容之 ，。該控制裝置包括兩順向串聯後與該等電容並聯之一 15 t、一極體及一第二二極體以及一辅助變壓器。該輔助 變壓器之一次側與該主變壓器之一次側並聯，且其一次 側之非打點端連接在該電流感測電路與該等電容連接之 一端，而其二次侧的一端連接於該等電容之間，另一端 連接於該等二極體之間。藉此，將該等電容電壓箝制在 20 一預定值，使該等開關元件之開關信號具有對稱責任週 期0 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清 楚的明白。 7 流-直t:轉:二r是本發明電流模式控制之半橋式直 細例，且半柊 心季父佳實 橋式直^ -直流轉換器4與 同，其包括_ η Μ φ /、圚3及圖2所示相 …其二：、一主變壓器42及-輪出電路 中開關電路41包含兩串聯之 下或稱上臂電容ri β φ 刀壓電谷C1、C2(以 等分漫電容二 C2)，以及兩串聯後與該 电谷c 1、C2並聯之一箆一門 關元件Q2,且，莖、關7"件Q1及第二開 Q 亥4为壓電容Cl、C2並聯一翰人雷颅v ° Ml 42 4?1 , ^ 輸入電壓 Vin 10

QiK間，㈣Γ 打點端連接於該等開關元件 ，、打點端則經由一比流器44的一次側 連接於该等分壓電容 接輸出電路43。且半样犬亩士 其二次側422則連 +橋式直^ 直流轉換H 4之電流模式 15 控制方式如前述習知所示（圖3)，是在比流器44之二次 ’連接f /瓜感/則盗45，用以感測主變壓器42二次側 422之電流回授信號’並將該電流回授信號輸入一控制電 。、詳細電路如圖2所示)中，使改變控制電路“中 之載波產生器產生不固定之三角&，藉以控制開關信號（ 即脈波寬度调變k號）之責任週期（即脈波寬度）。 20 本實細例之控制裝置3包括兩順向串聯後與該等分壓 電容C1、C2並聯之一第-二㈣sm及-第二二極體 SD2(在本實施例中其皆為蕭特基二極體），以及一輔助變 壓31，其一-人側3 11與主變壓器42之一次側42 i並聯 且其一次側3 11之非打點端是連接在比流器44之與該 等分壓…i、C2連接的—端，而其二次側312的一端 8 1221351 是連接於該等分壓電容 笙 C1、C2之間，另一端則連接於古玄 荨二極體SD1及SD2夕 ^ ^ 〇j ,, B 〈間。如此，辅助變壓器3 1之繞組 匝數即可以調整至非暫 ^ ^ ., 歎比，例如6:7，使得辅助變壓5§ 31之二次側312上 艾蛩态 ^ e 别出電壓大於其一次側3 1 1的壓降（ 亦即兩分壓電容Ci、r

h中具有較大電壓者之電壓再加上 兩開關元件Ql、Q2 I 丄 ，、中之一的順向導通壓降）。而且， 由於辅助變壓器31之 l ^ ~次側3 1 1非打點端是連接在比流 裔44之後，而非主蠻 w 文壓态42與比流器44之間，故可確 保回授電流信號是由 10 15 主嫒壓器42之二次侧422經匝數比 映射回來的里’而不致受辅助變壓器η繞組的影響。 精此’當輸入電壓vin開始對該等分壓電容C1、C2 充電時，當上臂電容C1之電壓ν_高於"I時，因 為辅助變壓器3 1之_次側3丨丨繞組與主變壓器42之一次 側421繞組並聯，戶斤以辅助變壓器31的二次側312繞組 上將隨即感應其一次側311的壓降（即上臂電容Ci的電壓 VcirU加上第一開關元件Q1的順向導通壓降），且由於此 時下臂電容C2之電壓Vein2將小於1/2Vin和辅助變壓器 3 1之二次侧3 11繞組的電壓（即上臂電容C1的電壓J 加上第一開關元件q丨之順向導通壓降），因此，輔助變 壓器3 1之二次側3 11繞組上的電壓將克服第二二極體 SD2上的順向壓降（一般約0·2ν〜0.5V)並經由第二二極體 SD2對下臂電容C2充電，藉此，使上臂電容C1與下臂 電容C2達到電壓均等，而促使第一開關元件q 1與第二 開關元件Q 2之開關訊號（即脈波寬度調變信號）具有對稱 20 1221351 責任週期（即電壓準位對稱）。 由上述說明可知，本發明藉由將輔助繞組由主變壓器 42中獨立出來，另外設置輔助變壓器3 1，使辅助變壓器 3 1之繞組匝數可以調整至非整數比，而使得輔助變壓器 5 3 1之二次側3 1 2上的輸出電壓得以大於其一次側3 11的 壓降（亦即兩分壓電容Cl、e2中具有較大電壓者之電壓再 加上兩開關元件q丨、q2其中之一的順向導通壓降），並 且藉此克服兩二極體SD1及SD2其中之一的順向電壓。 而且藉由將辅助變壓器3 1之一次側3 11與主變壓器42之 1 〇 —次側42 1並聯，並使其一次側3丨丨之非打點端連接在比 流器44之後’而非主變壓器42與比流器44之間，使主 壓為42之電流回授信號不致受辅助變壓器3丨影響，而 可確保該電流回授信號確實是由主變壓器42之二次側 422經阻數比所映射回來的量。再者，藉由將辅助變壓器 15 31之二次側312的兩端分別連接於該等電容C1、c2之間 及該等開關元件Q1、Q2之間，可將上臂電容ci與下; 電容C2之電壓箝制在一預定值，而達到使開關元件⑴ 、Q2之開關信號的責任週期對稱（電壓準位對稱）的功效 20 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，去 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發 : 範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化盘^ 應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 ~ >哪， 10 1221351 【囷式簡單說明】 圖1是習知半橋式直流-直流轉換器之電路圖； 圖2是圖1顯示之半橋式直流_直流轉換器的控制電 5 圖3 之電路圖 是習知電流模式控制之半橋式直流_直流轉換器 :及 圖 器之對 ^是本發明電流模式控制之半橋式直流-直流轉換 %責任週期的控制裴置之一較佳實施例的電路圖。 1〇

11 1221351 囷式之主要元件代表符號說明】 控制裝置 4 半橋式直流-直流轉換器 31輔助變壓器 4 1開關電路 42主變壓器 43輸出電路 44比流器 45電流感測器 46控制電路 311、421 —次側 312、422 二次側 SD1第一二極體 C 1上臂電容 Q1第一開關元件 Vo輸出電壓 vin輸入電壓 SD2第二二極體 C2下臂電容 Q2第二開關元件 12

Claims (1)

1221351 93.〇5.〇7第92 1 2 08 3 3號申請案修正頁 拾、申請專利範圍： 1 · 一種電流模式控制之车 4 U +橋式直流-直流轉換器之對 任週期的控制裝置， ^ ^ ^ °亥+橋式直流-直流轉換器包 輸入電路及一主變壓哭 口口 ’ /、中該輸入電路包括兩串 再與一輸入電壓並聯之-上臂電容及一下臂電容， 兩串聯後再與該等電交廿磁 一 哥冤奋並聯之—第一開關元件及一 開關元件’且該主變壓哭 又I οσ之一次側打點端連接於u 關元件之間’而其非打赴山 打點鳊則經由一電流感測電路 於該等電容之間；該控制裝置包括： 兩順向串聯後盘兮笙φ h 叉一 4寺電容並聯之一第一二極 一第二二極體；及 一輔助變壓器，1一 + /、 _人側與該主變壓器之一 並聯，且該一次側之非打 F打點^係連接在該電流感 路之與該等電容連接的一端， J 而而其二次側的一端 於該等電容之間，另一诚洁拉从A 为螭連接於該等二極體之間； 藉此’當該輸人電壓對該等電容充電，而使 臂電容電壓大於1/2輸入電壓時， 土吋下臂電容電壓將 W2輸入電壓’且該輔助變壓器之二次側繞組上所 的電壓將大於其一次側繞組上的電壓，使得該輔 壓器之二次側繞組經由該第二二極體對“Μ 電’使上臂電容與下臂電容達到電壓均等，而促 等開關元件之開關訊號產生對稱責任週期。 2.依申請專利範圍第1項所述電流模 呀八控制之半橋 流-直流轉換器之對稱責任週期的控制裝、置 其中 年 S3：i 稱責 括一 聯後 以及 第二 等開 連接

體及 次側 測電 連接 該上 小於 產生 助變 容充 使該 式直 該輔

13 1221351 93.05.07第92120833號申請案修正頁 助變壓器之一次側繞組上的電壓係該上臂電容與下臂電 容其中之一具有較大電壓者的電壓加上該等開關元件其 中之一的順向導通電壓。 3 .依申請專利範圍第1項所述電流模式控制之半橋式直 流-直流轉換器之對稱責任週期的控制裝置，其中該等 二極體為蕭特基二極體。

14 1221351

93. 05. 07第92120833號申請案修正頁 拾壹、圖式

L J

1221351 93. 05. 07第92120833號申請案修正頁