TWI271918B - Soft-switching DC/DC converter having relatively less components - Google Patents

Soft-switching DC/DC converter having relatively less components Download PDF

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Description

1271918____ 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明為一種具柔性切換之直流/直流轉換器，尤指 一種具相對較少元件之柔性切換直流/直流轉換器。 先前技術 有關本發明之習知技術一，請參看第一圖，該電路由 一個輸入電谷Ci、一個主電感（main ch〇ke)L·、一個開關 Sm、一個主二極體（main diode)Db及一個輸出電容Cb彼此 並聯電連接所構成。其係為一傳統之無隔離升壓式直流/ 直流轉換$ ( b ο 〇 s t D C / D C c ο n v e r t e r )，係屬硬性切換 (hard-switching )之架構。是以若想提高切換頻率將導 致切換損失大幅提升，也因而形成散熱片的尺寸（s i ze ) 需加大，另外電磁干擾（EM I )的問題將因切換頻率的提 局而血形加劇，為了解決此電磁干擾問題所須之電磁干擾 滤波為'也跟著加大。 有關習知技術二’請參看第二圖，即是為了解決習知 技術一的缺點所提出之解決方案，其在原架構上多加了三
個一極體Dc、Dal與Da2，一共振電感Lr，一變壓器Tr，一 共振電容Cr及一輔助開關Sa，藉由這些元件的運作，可以 獲致柔性切換（soft-switching)無切換損失的優點。此無 切換損失的優點不但使頻率提高變成可能，也具有降低電 磁干擾及射頻干擾（RFI )的效果。但其仍有缺點，因其 所追加的零件頗多，是以在某些場合的運用下其淨尺寸無 去小，若能再降低其零件的個數，將可以運用到更廣的
Γ771918 一 五、發明說明（2) 範圍並獲致更妤的成效。 職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良 發明之意念，終能發明出本案之「具相對較少元件之羊性 切換直流/直流轉換器」。其並可獲致如下之優點，即、： 降低轉換器之切換指4 .. L ^ 要的磁性元件而且包括2減轉換器之淨尺寸（不只是主 提高轉換器之致;寸）、降低轉換器之電磁干擾、 上述習知技術二降低轉換器之相對總成| (具有比 構）。 相對較低之製造與運輸等之總成本結 内容 切換ί L之直\要轉目換的/，於提供一種具相對較/元件之柔性 失、縮減轉換器之淨、可達成降低轉換器之切換損 轉換器之效率以及降艎：降低轉換器之電磁干擾、提高 *安夕S 及降低轉換器之相對總成本。 流/直流轉換器主勺要人目的在认於提供一種具柔性切換之直 關模組，包括：二二；"目電容；—主電感；一主開 端；以及一共振電 ^ 第一鳊與一控制 二端且其第二端^ 其弟一鳊係電連接該主開關之該第 切換之辅助開關槿:、丨：主開關之該第-端；-具柔性 第二端與一控輔助開關具-第-端、- 助開關之該第二媳·’、：振電感’其第—端係電連接該輔 ，以及一共振二極體，其陰極係電連接 1271918 五、發明說明（3)
該共振電感之一第二端；一主二極體；以及一輸出電容， 其中’該轉換器係運用一柔性切換之方法，自一驅動電路 为別輸入驅動訊號至遠主開關與該辅助開關之該等控制 端，以驅動該主開關與該輔助開關分別於零電壓與零電流 時切換，俾使該轉換器不具切換損失。 1 " /；，L 根據上述之構想’該主開關與該辅助開關係為一金氧 半場效電晶體（MOSFET)、一具高逆偏電壓之絕緣閘雙極 性電晶體（IGBT )以及一二極體與一絕緣閘雙極性電晶體 串聯電連接之組合三者其中之一。 根據上述之構想，該共振電容係為該主一 電容及一外加電容二者之一。 思 根據上述之構想，該驅動電路係包含一驅動積體電 (drivmg 1C )與一單穩態電路。 首、”根Λ上Λ之構想，該直流7直流轉換器可為-升壓式 直流/直流轉換器。 ^ 根據上述之構想，該升壓式直流/直流 電感之該j 一端其係電連接該輸入電容之一轉第換二之該〜 開關之該弟一端其係電連接該輸入電容 ^ =之該第二端其係電連接該主電感之該第：：=主 電連接該=電：：連；電感之該第二端且其陰極係 端其係電連2;;;!一端，以及該輪出電容之-第二 安；輸入電谷之該第二端。 直流/直t棘述拖之構想，該直流/直流轉換器可為一降壓式 置"L/直机轉換器（DC/DC converter)。 勹哗&式
1271918
五、發明說明（4) 根據上述之構想，該 開關之該第二端其係電連 ^直〜/直流轉換器之該主 電感之該第-端其係電連接容之-第-端，該主 感之該第二端其係電連接該： -：且該主電 主二極體之一陰極其係電連 弟二化，以及該 極係電連接該輸入電容 〜電感之該第一端且其陽 端。 电合之一弟二端與該輸出電容之一第二 根據上述之構相，封古 ^ M ^ i liquet b0；!f c#' ^ ^ ^ ^
converter) 。 t/DC 根據上述之構相，枯卩 欠同、 之該主開關之該第：端：係J ^直流/直流轉換器' 端，該主電感之該第：：端以輪入電容之-第- 且該主電减之爷第W 電連接該主關之該第一端 /工电U <泛弟一端其係電連 — 端，該主二極體之一陰極係電連二:電谷，二弟二 其陽極係電連接該輪出電容之一第二山電感之該第一端且 弟知其係電連接該輸入電容之該第二端。 實施方式 ΰ月荟看弟二圖，其為木於明笛 架構與運作原理分述如下 to1之電路示意圖，現將其 μ，第/Λ中Λ具「柔性切換之（升壓式）直流/直流轉換 其包含則述具柔性切換之直流/直流轉換器」之基
1271918 五、發明說明（5) 本組件·· 一輸入電容Ci ; 一主電感L，· 一主開關模組u， ，括^ 一主開關Sm (—MOSFET )具一第一端（源極）、一 第二端j汲極）與一控制端（閘極）；以及一共振電容 ^其第一端係電連接該主開關Sm之該第二端且其第二端 係=連接該主開關Sm之該第一端；一具柔性切換之輔助 關杈組12，包括··一輔助開關Sa (—MOSFET )具一第一端 (源極）其係電連接該主電感L之一第一端、一第二端 总i Ϊ )與一控制端（閘極）；一共振電感Lr，其第一端 接該輔助開關Sa之該第二端；以及一共振二極體 ^匕陰極係電連接該共振電感L之且其 電連接該主電感L之一箓-# n 出電容Cb。其ΐ，%主弟電一；；；一主二極體Db;以及一輸 入電容第―端，第一端其係電連接該輪 連接該輸入電如之一 °第=關模組Sm之該第一端其係電 端其係電連接該主電紅之誃該主開關杈組Sm之該第二 陽極其係電連接該主電感^二：：端，該，二極體此之一 該輸出電容Cb之一第一端，該弟二端且其陰極係電連接 其係電連接該輸人電容Ci t該輸出電容Cb之一第二端 係運用-柔性切換之方法f弟二端。此外’該轉換器1 調變積體電路PWMIC，未-、驅動電路（可為一脈波寬 顯示）至該主開關Sm與該輔助刀別輸入> 一々驅動訊號（未 動該主開關Sm與該輔助開關s I嶋之該等控制端，以驅 換，俾使該轉換器丨不具切失別於零電壓與零電流時切 該主開關Sm與該辅助μ M 0 助開關Sa係可為一金氧半場效電晶
1271918 五、發明說明（6) 體（MOSFET )、—具高逆偏電壓之絕緣閘雙極性 (I GBT )以及一二極體與一絕緣閘雙極性 =+ 接之組合三者其中之一。該共振電容以可為^ =聯電連 散電容，亦即一内建電容，或可為一外加電容。雜 電路係包含一驅動積體電路（driving 1C)與一 | = 動 路。 /、 早稳悲電 ...........二-.二 、.1、 » 耩者上述弟一較佳實施例中這些元件的運作，五 以獲致如前述之諸多優點；即：轉換器切換損 ς 2可 轉換1§淨尺寸之小型化、轉換器電磁干擾之降低、轉換二 效率=提高以及轉換器總成本之相對降低等。 w換益 、第二圖所不第一較佳實施例之具柔性切換之（升芦 轉換器1 ’其與第一圖所示傳統無隔離；壓 式之直&/直k轉換器的主要差異在於其多增加了一個 向開關Sa，一共振電感Lr及一個共振電容Cr。 在就本發明所提出第一較佳實施例 所 工：：換（升屢式）直流/直流轉換器… 仃刀析；丨釔珂，吾人作了以下幾個假設： 1 態每個開關（Sni與Sa)及二極體〇b與Dr)皆為理想狀 2上ί 之電感值甚大’在一個切換週期内可視流經其 上之電kiL為一定值（a c〇nstan1:)。 電ί f Vl〈七(1/2)輸出電壓¥〇，所以主開關Sm須於零 電麼日才切換之要求可以確保達成。 有關上述第三項假設，若在理想狀態下則π = 第10頁 1271918
五、發明說明（7) (l/^)Vo，而VCr可被釋放到零，惟因有其他線阻致 成此理想狀態，故僅能做到Vi〈（1/2)V(^ 違 以下則係針對上述第三圖中所示本發明第一較佳實施 ，之錢，依各開關切換之動作原為 幻至模式6 (在模式6之後又回到模幻，重新 刀為核 ^ ^另㈤循ί衣），並按第四圖至第十圖之順序說 明各電路運作模式之動作原理。 本^ 弟四圖為本發明中笛_ /X u , ^ h ^ 甲弟一較佳貫施例之脈波寬調變積I# 訊號（mnCQUtput)以及（升壓式）直^體 =換器之輔助開關（Sa)與主開關（SM) ，容電壓(Vcr)與共振電感電流(心)之波形示意圖。；振 :攸SM與Sa等兩開關的驅動訊號，可以由脈 m—些電路’如驅動積體電路及單穩態電路=體 n本炎弟四圖中，按橫軸所標示之時間區隔，在T1-T2之 2者^式1(M〇de υ，在T2-T3之間者為模式2(M〇de 模"UiM 間者為模式3(M〇de 3),在T4 —T5之間者為 ϋ Mode 4)，在Τ5_Τ6之間者為模式5(_ 5)，在冗 之Γ者為模式6(Μ— 6)，在T1-T2之間者又回 復至才果式l(M〇de 1)，亦g卩s占伊斗、1 士 « 環。 J亦即疋自杈式1起又開始一個新的循 :看第五圖其為模式l(Mode 1)之動作原理之等 圖。此模幻始於輔助開關Sa導通（turn 〇n)之專
第11頁 1 β於f助開關Sa串接共振電感Lr的關係，是以輔助開 關S…在導通之時，處於零電流的狀態。在這模^助期開 1271918 五、發明說明（8) 間5流經共振電咸μ七+、士 · 了 方程式可以描述之電&iLr ’係呈線性方式上升，其 iLr (Vo -— " 7 式中，為輸出電愿值，以為輪入.電壓值， 訐為共振電感值，亡為時間值。 ： 电I值， 請參看第六圖，其為模式2(M〇de 2)之動作原理之等 路圖0此模式始於當土 L r 一 u r士 iu -v , 、 ^ 、。么田iLr - iL·日守，此時主二極體灿平穩 地關斷（smoothly turn off)於零電流狀態。當主二^ Db平穩地關斷時，共振電容^之電壓值VCr(初始值μ)、秀 過共振電感Lr開始產生共振，此模式2止於共振電容c = 能量共振至零時。 、 請參看第七圖，其為模式3 (M〇de 3)之動作原理之等 效電路圖。此模式3始於該主開關Sm (亦即該金氧半場效 電晶體）之體二極體（body diode)導通時，儲存於共振電 感Lr之能量將呈線性式地回送電流至輸入端。在此模式f 期間導通（turn Qn)主開關Sm (該金氧半場效電晶體、)^， 即可獲致使該主開關Sm於零電壓狀態下導通而無切換損失 之優點。在此模式3中，流經共振電感Lr上之電流可以貝 列方程式表達：
Vi_ Tr iLr 其中，為輸入電壓值.，為i振電感值，t為時間 值。 請參看第八圖，其為模式4 (Mode 4)之動作原理之等 效電路圖。此模式4始於共振電感l r之能量釋放至愛時、，
1271918 五、發明說明（9) 在此挺式4期間，主電感L處於充電狀態，此一階段其與傳 統硬性切換之脈波寬調變升壓式轉換器（PWM b〇ost converter)均相同地處於充電狀態。 當流經共振電感Lri之電流釋放至〇時，其自然地被二 極體Dr給鎖住（blocking)，因二極體Dr正處於逆偏，而此 模式便於此時結束。 明參看弟九圖，其為模式5(Mode 5)之動作原理之等效電 路圖。此模式5始於主開關S m關斷（t u r η 〇 f f )時，此期間 流級主電感L上之電流iLr會對共振電容cr作線性充電，此 時共振電容Cr上電壓Vcr之方程式如下：
Vcr 、其中，為流經主電感L上之電流，.Cr為共振電容 值，ί為時間值。 請參看第十圖，其為模式6 (Mode 6)之動作原理之等 效電路圖。在此模式6的動作模式，主電感L之電流i L流向 輸出電容Cb，因而將主電感l及輪入的能量引導放至輸出 ，谷Cb及負載rl。此一階段模式6與傳統之脈波寬調變升 壓式轉換器（PWM boost converter)皆處於放電模式，係 屬相同之動作原理。
至於模式6之後，因其同於模式1，故自模式6之後起 又開始一個新的循環。 本發明所揭露之具柔性切換之直流/直流轉換器，除 了應用於升壓式直流/直流轉換器之外，亦可應用於降壓 式直流/直流轉換器。請參看第十一圖，其為本發明應用
1271918 五、發明說明（10) 於降壓式直流/古+ 圖。該具柔性切換W轉換為之第一較佳實施例之電路架構 有前述「具柔性切F =式）直流/直流轉換器1亦包含 惟其各組件：如奐之直",l/直流轉換器」之基本組件， 組1 2等之連接方★，，模組11與具柔性切換之輔助開關模 之（升壓式）直；;、第圖中…第-較佳實施例具柔性切換 主開關Sm( 抓、為1不同。在第十一圖中，該 之一第一端，ET)之該汲極端其係電連接該輪入電容Ci Sm ^ ^ ^ ^ ^ '〇電感L之该第一端其係電連接該主開關 = 主電感[之該第二端其係電連接該輸】 主電感L之該第—V且該Λ二二體二之一陰極其係電^ 第-减^ ^碥且％極係電連接該輸入電容0 i之一 弟一、以及该輸出電容Cb之一第二 為一降壓式直流/直流轉換器= 哭亦ii，本發明所揭露之具柔性切換之直流/直流轉換 2σ μ用於降壓及升壓式直流/直流轉換器。請參看第 =二，丄其為本發明應用於降壓及升壓式直流/直流轉換 ;弟—較佳貫施例之電路架構圖。該具柔性切換之（降 =及升壓式）直流/直流轉換器1亦包含有前述「具柔性切 、之直流/直流轉換器」之基本組件，惟其各組件：如主 開關模組1丨與具柔性切換之輔助開關模組12等之連接方式 ΐίΐ與第十一圖中第一與第二較佳實施例之該升壓式與 該降壓式直流/直流轉換器不同。請參看第十二圖，其中
1271918 五、發明說明（11) 該主開關Sm(—MOSFET) 4 4
Ci之一第一端，該主 广汲極端其係電連接該輸入電容 關Smi該源極端且誃^^\之該第一端其係電連接該主開 入電容Ci之一第二端，:感L之該第二端其係電連接該輸 主電感L·之該第一端 /亥主一極體Db之一陰極係電連接該 輸出電容Cb之一第二忒主—極體Db之陽極其係電連接該 電連接該輸人電容該輸出電容⑶之一第一端其係 結構為一降壓及升爆^该第二端。因為第十二圖中之電路 發明第-較佳實施例直流轉換器」故前述有關本 改為Vi < ν〇。 原理分析之第三項假設亦必須更 ❿ 由上述的說明可4 流轉換器之特點為其係自：：：具柔性切換之直流/直 制該主開關與該輔助^ 傲矛=電路輸入—驅動訊號以控 裳電壓盥哕輔肋η Μ ^ f木性切換，且於該主開關處於 降=換;；==狀態時予以啟閉，並因 供一種具相對較少ί 磁性元件。因此’本案係提 可穫得降低轉換器之切換損失、纩直。机轉換益，亚 低轉換器之電磁干擾、提高轉:百減，”之甲尺寸、降 之相對滷成太聱# #挺轉換盗之效率以及降低轉換器 = ί 因此，本案具有新穎性、進步性盘 產業利用性，特為提出本發明之專利申請。 乂庄/、 1来ί :蓺Γ Γ ί案已由上述之實施例戶;詳細敘述而可由 專匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附 甲明寻利耗圍所欲保護者。 1271918 圖式簡單說明 第一圖顯示傳統之無隔離升壓式直流/直流轉換器之電路 示意圖； 第二圖顯示習用之另一種升壓式直流/直流轉換器之電路 不意圖， 第三圖顯示本發明第一較佳實施例具柔性切換之升壓式直 流/直流轉換器之電路示意圖； 第四圖顯示本發明第一較佳實施例之脈波寬調變積體電路 之輸出訊號以及升壓式直流/直流轉換器之輔助開關與主 開關之驅動訊號、共振電容電壓波形與共振電感電流波形 之不意圖， 第五圖至第十圖顯示本發明第一較佳實施例具柔性切換之 升壓式直流/直流轉換器各電路運作模式之等效電路圖； 第十一圖顯示本發明第二較佳實施例具柔性切換之降壓式 直流/直流轉換為之電路不意圖，以及 第十二圖顯示本發明第三較佳實施例具柔性切換之降壓及 升壓式直流/直流轉換器之電路示意圖。 元件符號說明 1具柔性切換之直流/直流轉換器 11主開關模組 1 2具柔性切換之輔助開關模組
第16頁

Claims (1)

1271918 六、申請專利範圍 1 · 一種具柔性切換（s 〇 f t - s w i t c h i n g )之直流/直流轉換 器（DC/DC converter)，包含： 一輸入電容； 一主電感； 一主開關模組，包括： 一主開關具一第一端、一第二端與一控制端；以及 一共振電容，其第一端係電連接該主開關之該第二端 且其第二端係電連接該主開關之該第一端； 一具柔性切換之輔助開關模組，包括： 一輔助開關具一第一端其係電連接該主電感之一第一 端、一第二端與一控制端； 一共振電感，其第一端係電連接該輔助開關之該第二 端；以及 一共振二極體，其陰極係電連接該共振電感之一第二 端且其陽極係電連接該主電感之一第二端； 一主二極體；以及 一輸出電容， 其中，該轉換器係運用一柔性切換之方法，自一驅動電路 分別輸入一驅動訊號至該主開關與該輔助開關之該等控制 端，以驅動該主開關與該輔助開關分別於零電壓與零電流 時切換，俾使該轉換器不具切換損失。 2.如申請專利範圍第1項所述之轉換器，其中該主開關與 該輔助開關係為金氧半場效電晶體（M0SFET )、一具高逆 偏電壓之絕緣閘雙極性電晶體（I GBT )及一二極體與一絕
第17頁
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