TWI301352B - Full-bridge soft switching inverter and driving method thereof - Google Patents

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TWI301352B
TWI301352B TW094134907A TW94134907A TWI301352B TW I301352 B TWI301352 B TW I301352B TW 094134907 A TW094134907 A TW 094134907A TW 94134907 A TW94134907 A TW 94134907A TW I301352 B TWI301352 B TW I301352B
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Description

Ί301352 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 • 本發明係有關於一種全橋式柔性切換（soft switching)轉換器及其驅動方法，特別是有關於一種使用 零電壓切換（zero-voltage switching)技術並且使循環 、 電流（circular current)導通於兩n通道金氧半場效電 晶體（n-channel M0SFET)所形成之迴路之全橋式柔性切 換轉換器及其驅動方法，以驅動諸如冷陰極燈管（c〇ld cathode fluorescent lamp, CCFL)或訊號輸出裝置等負 • 載。 【先前技術】 為了滿足電子產品在高頻操作時能夠兼顧低切換損失 與局效率的需求，柔性切換技術已然成為功率控制晶片產 業之主流。' 習知的全橋式柔性切換轉換器係如圖一所示。該全橋 式柔性切換轉換器包括四個η通道金氧半場效電晶體Qm、 鲁 Qbn、Qcn、QDN、以及一變壓器Τχ。其中，電晶體QAN、Qcn分別 連接至一輸入電壓源Vln;電晶體QAN、如之間的節點VAB以 及電晶體QcN、Qdn之間的節點Vcd連接到變壓器Tx之一次侧’ 而變壓器τχ之二次側耦接到負載L。該負載L同時連接炱 第一一極體Di之負端以及一第二二極體{)2之正端。該第 一二極體Di之正端接地。該第二二極體D2之負端則透過〆 - 回授電阻Rs而接地。 圖二提供了另一種全橋式柔性切換轉換器，其除了 1301352
Qap、Qcp與採用P通道金氧半場效電晶體之外，其餘部分與 圖一皆相同。 圖二也顯示了用以驅動電晶體Qap、Qbn、Qcp、Qdn之閘極 驅動訊號。在圖二中，第一閘極驅動訊號Drive_A與第二 閘極驅動訊號Drive__B係為同相位且其工作週期（duty ’ cycle)均大約為50%。為了確保零電壓切換，第二閘極驅 動訊號Drive_B之工作週期略小於該第一閘極驅動訊號之 工作週期，使得該兩閘極驅動訊號之間存在有一段導通死 寂聘間（turn-on dead time)。另外，第三閘極驅動訊號 • Drive_C與該第四閘極驅動訊號Drive_D係為同相位且其 工作週期均大約為50%。為了確保零電壓切換，第四閘極 驅動訊號Drive_D之工作週期略小於該第三閘極驅動訊號 Drive_C之工作週期，使得該兩閘極驅動訊號之間存在有 一段導通死寂時間。 圖二之電路會使得零電壓之循環電流產生於電晶體 Qap、Qcp之間以及電晶體Qbn、Qdn之間。然而’ p通道電晶體 較η通道電晶體之導通特性為差，包括遷移率 籲 （mobility)、導通電阻與反應時間，影響到功率損耗與操 作速度。 因此，亟需一種全橋式柔性切換轉換器及其驅動方 法，以驅動諸如冷陰極燈管或訊號輸出裝置等負載，並且 兼顧低切換損失與高效率的需求。 _ 【發明内容】 本發明的主要目的在於提供一種全橋式柔性切換轉換 1301352 、 器及其驅動方法，其使用零電壓切換技術並且使循環電流 導通於兩η通道金氧半場效電晶體所形成之迴路，以兼顧 低切換損失與高效率的需求。 為達到上述目的，本發明提出一種全橋式柔性切換轉 換器，包括： ^ 一全橋式電路組態，包括： 一第一 Ρ通道金氧半場效電晶體（p-channel M0SFET)’具有一第一閘極、一第一^及極與一第一 源極，其中該第一閘極接收一第一閘極驅動訊 • 號，以及該第一源極連接至一輸入電壓源； 一第一 η通道金氧半場效電晶體（n-channel M0SFET)，具有一第二閘極、一第二汲極與一第二 源極，其中該第二閘極接收一第二閘極驅動訊 號，該第二汲極連接至該第一汲極，以及該第二 源極接地； 一第二P通道金氧半場效電晶體，具有一第三閘 極、一第三、;及極與一第三源極，其中該第三閘極 • 接收一第三閘極驅動訊號，該第三源極連接至該 輸入電壓源； 一第二η通道金氧半場效電晶體，具有一第四閘 極、一第四汲極與一第四源極，其中該第四閘極 接收一第四閘極驅動訊號，該第四汲極連接至該 第三沒極，以及該第四源極接地； • 其中，該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號係 為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期大於 1301352 50%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週期，以確 保零電壓切換；以及該第三閘極驅動訊號與該第四閘 * 極驅動訊號係為同相位而且該第四閘極驅動訊號之 工作週期大於50%且略小於該第三閘極驅動訊號之 ^ 工作週期，以確保零電壓切換。 ^ 本發明更提出一種全橋式柔性切換驅動方法，包括以 下步驟： 提供一第一閘極驅動訊號至一第一 Ρ通道金氧半場效 電晶體之一第一閘極； • 提供一第二閘極驅動訊號至一第一 η通道金氧半場效 電晶體之一第二閘極； 提供一第三閘極驅動訊號至一第二ρ通道金氧半場效 電晶體之一第三閘極；以及 提供一第四閘極驅動訊號至一第二η通道金氧半場效 電晶體之一第四閘極； 其中，該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號係 實質為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期 φ 大於50%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週 期，以確保零電壓切換；以及該第三閘極驅動訊號與 該第四閘極驅動訊號係實質為同相位而且該第四閘 極驅動訊號之工作週期大於50%且略小於該第三閘 極驅動訊號之工作週期，以確保零電壓切換。 【實施方式】 為使能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認 8 !3〇1352 知與瞭解，兹配合圖式詳細說明如後： 請參閱圖三，其係為本發明之一具體實施例之全橋式 柔性切換轉換器以及其驅動訊號。該全橋式柔性切換轉換 器主要包括一全橋式電路組態。其中該全橋式電路組態包 括· 一第一 Ρ通道金氧半場效電晶體qap，其具有一第一閘 極、一第一汲極與一第一源極，其中該第〆閘極接收一第 。，極驅動訊號Drive〜A，以及該第一源極連接至一輸入 電壓源νιη; —第一 11通道金氧半場效電晶體Qbn，具有一第 :閘極、-第二汲極與—第二源極，其中該第二閘極接收 、第一閘極驅動訊號Drive—β，該第二汲極連接至該第一 t ’以及該第二源極接地；—第二P通道金氧半場效電 ΪΪ具有一第三閘極、一第三汲極與，第三源極，其 ^ —閘極接收一第二閘極驅動訊號c 2連接至該輪入電壓源;一第二n通道金氧半二 μ具有-第四開極、—第叫極與_第四源極，宜中 μ第四閘極接收一第四閉極 極遠拄5蟑筮_ %動讯號Dl*ive_D，該第四汲 連接至該第一沒極，以及該第四源極接地。 變屬ίΓ月“列之全橋式柔性切換轉換器更包括-支屋态Τχ。該變壓器Τχ具有—— 文包括 該-次側仙接至該第__與 2—次側’其中
⑶VAB以及該第三祕與該第四沒極之間之 J ^，以及該二次側係耦接至至 第一即點 ^ / 貝戰L·。
Dn ve—B 係為 ^^ ^ ^ 9 1301352 週期，以確保零電壓切換。第三閘極驅動訊號Drive_C與 第四閘極驅動訊號Drive_D係為同相位，第四閘極驅動訊 ‘ 號Drive_D之工作週期大於50%且略小於第三閘極驅動訊 號Dr i ve_C之工作週期，以確保零電壓切換。 * 詳而言之，當第一閘極驅動訊號Drive_A與第二閘極 驅動訊號Dr i ve_B均為低電位時’電晶體Qap導通而電晶體 Qbn截止；反之，當第一閘極驅動訊號Drive j與第二閘極 驅動訊號Drive_B均為高電位時，電晶體.截止而電晶體 Qbn導通。同理，當第三閘極驅動訊號Drive_C與第四閘極 鲁 驅動訊號Dr i ve_D均為低電位時’電晶體Qcp導通而電晶體 Qdn截止；反之，當第三閘極驅動訊號Drive_C與第四閘極 驅動訊號Dr i ve_D均為南電位時’電晶體Qcp截止而電晶體 Qdn導通。在變壓器T;(一次側得到導通於η通道電晶體Qbn 與Qdn所形成迴路之零電壓時之循環電流，且電晶體Qap、 Qm、Qcp、Qm可降低輸入電壓源Vin之直流電壓需求。 較佳者，該負載L可連接至一回授電阻Rs，以輸出一 回授電流。圖四係顯示本發明另一具體實施例之全橋式柔 • 性切換轉換器。在圖四中，該全橋式柔性切換轉換器主要 包括一全橋式電路組態，其透過一濾波電路F而耦接至一 諸如喇队S之訊號輸出裝置。 就一般應用而言，本發明之全橋式柔性切換轉換器以 及其驅動方法可以用來驅動顯示器產業中常用之背光光源 * —冷陰極燈管或是喇队等訊號輸出裝置。然而，本技術領 • 域中之一般技術者當可明白，本發明之應用領域並不侷限 於此，基於本發明之精神所以引申、修飾、應用之其他實 1301352 施例，均不脫離本發明之精神和範圍。 在本發明之較佳具體實施例中，第一閘極驅動訊號 Drive一A與第二閘極驅動訊號Drive_B係為同相位而且該 第二閘極驅動訊號Drive一B之工作週期大約為π%且略小 於第一閘極驅動訊號Drive—A之工作週期，使得在兩閘極 • 驅動訊號之間存在有一段導通死寂時間（turn-on dead time)，以確保零電壓切換。同理’第三閘極驅動訊號 Drive一C與第四閘極驅動訊號DriveJ)係為同相位而且該 第四閘極驅動訊號DriveJ)之工作週期大約為且略小 •於第三閘極驅動訊號Drive-C之工作週期，使得在兩閘極 驅動訊號之間存在有一段導通死寂時間，以確保零電壓切 換。 此外’在本較佳具體實施例中，第一閘極驅動訊號 Drivej與該第三閘極驅動訊號Drive—C之相位差為半個 週期。 綜合上述’本發明提出一種全橋式柔性切換轉換器及 其驅動方法’其使用零電壓切換技術並且使循環電流&通 # 於兩η通道金氧半場效電晶體所形成之迴路，可以盖用電 子遷移率較大之優點，例如純矽於溫度300Κ之環境中，電 子遷移率為1500 cm2/V-sec，而電洞之遷移率…僅為475 cm2/V-sec ;因此本發明大幅降低電晶體之導通電阻、並且 提升電晶體之操作速度，以作為諸如冷陰極燈管或訊號輸 =裝置等貞载之驅動電路，兼顧低切換損失與高效率的需 唯从上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以 1301352 之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做 之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫 ' 離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施 狀況。 • 【圖式簡單說明】 圖一係顯示一習知全橋式柔性切換轉換器； 圖二係顯示另一習知全橋式柔性切換轉換器以及其驅動 訊號； φ 圖三係顯示本發明之一具體實施例之全橋式柔性切換轉 換器以及其驅動訊號；以及 圖四係顯示本發明另一具體實施例之全橋式柔性切換轉 換器。 圖號說明：
Viri〜輸入電壓源
Qan〜η通道金氧半場效電晶體 • Qap〜Ρ通道金氧半場效電晶體 Qbn〜η通道金氧半場效電晶體 Qcn〜η通道金氧半場效電晶體 QCP〜ρ通道金氧半場效電晶體 Qdn〜η通道金氧半場效電晶體 VaB、VcD〜節點 • T X〜變壓器 L〜負載 1301352
Rs〜回授電阻 Dl、D2〜二極體 F〜濾波電路

Claims (1)

1301352 十、申請專利範圍： … 1. 一種全橋式柔性切換轉換器，包括： ， 一全橋式電路組態，包括： 一第一 P通道金氧半場效電晶體（p-channel Λ MOSFET)’具有一第一閘極、一第一沒極與一第一 • 源極，其中該第一閘極接收一第一閘極驅動訊 號，以及該第一源極連接至一輸入電壓源； 一第一 η通道金氧半場效電晶體（n-channel M0SFET) ’具有一第二閘極、一第二、;及極與一第二 φ 源極，其中該第二閘極接收一第二閘極驅動訊 號，該第二汲極連接至該第一汲極，以及該第二 源極接地； 一第二P通道金氧半場效電晶體，具有一第三閘 極、一第三没極與一第三源極，其中該第三閘極 接收一第三閘極驅動訊號，該第三源極連接至該 輸入電壓源； 一第二η通道金氧半場效電晶體，具有一第四閘 • 極、一第四没極與一第四源極，其中該第四閘極 接收一第四閘極驅動訊號，該第四汲極連接至該 第三汲極，以及該第四源極接地； 其中，該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號係 實質為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期 Λ ( duty cycle)大於50%且略小於該第一閘極驅動訊 • 號之工作週期，以確保零電壓切換（zero-voltage switching);以及該第三閘極驅動訊號與該第四閘極 14 !3〇1352 驅動訊號係實質為同相位而且該第四閘極驅動訊號 之工作週期大於5Q%且略小於該第三閘極驅動訊號 之工作週期，以確保零電壓切換。 2·如中請專利範圍第丨項所述之全橋式祕切 器，更包括： -畏壓器’具有次側以及—二次侧，其中該一次 ，係耦接至該第一汲極與該第二汲極之間之一第一 即點以及該第三汲極與該第四汲極之間之一第二節 點，以及該二次側係耦接一負載。 ^申，專利範圍第2項所述之全橋式柔性切換轉換 :、、中該負載係連接至—回授電阻，以輪出一回授電 流。 4·=申，專利範圍第2項所述之全橋式柔性切換轉換 器，其中該負載係為一冷陰極燈管。 5.=申請專利範圍第i項所述之全橋式柔性切換轉換 态，更包括： n電路’具有一輸入側以及一輸出側，其中該輸 侧係耦接至該第一沒極與該第二汲極之間之一第 ^點以及該第三沒極與該第四祕之間之一第二 節點，以及該輸出侧係轉接一訊號輸出裝置。 .範圍第5項所述之全橋式柔性切換轉換 口口，其中该訊號輸出裝置係為一喇口八。 ㈣1項所狀全橋式柔性切換轉換 ^所為二 動訊號與該第二閘極驅動訊號係 、二5目立而且該第二閘極驅動訊號之工作週期大 15 1301352 約為75%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週期，以 確保零電壓切換。 8·如申請專利範圍第1項所述之全橋式柔性切換轉換 器’其中该第二閘極驅動訊號與該第四閘極驅動訊號係 實質為同相位而且該第四閘極驅動訊號之工作週期大 約為75%且略小於該第三閘極驅動訊號之工作週期，以 確保零電壓切換。 9.=申請專利範圍第1項所述之全橋式柔性切換轉換 益’其中該第一閘極驅動訊號與該第三閘極驅動訊號之 相位差為半個週期。 10· 1種全橋式紐城軸方法，包括以下步驟： 提么、第一閘極驅動訊號至一第一 p通道金氧半場效 電晶體之一第一閘極； 提供一第二閘極驅動訊號至一第一 n通道金氧半場效 電晶體之一第二閘極； 提供一第三閘極驅動訊號至-第二P通道金氧半場效 口電晶體之一第三閘極；以及 錢至—第二n通道金氧半場效 冤日日體之一第四閘極； '、眚暂炎帛㈤極驅動矾號與該第二閘極驅動訊號係 實質為同相位而g 4 Μ 且該弟二閘極驅動訊號之工作週期 大於50%且略小於兮 期，以霉絲電跑 一閘極驅動訊號之工作週 該第四閘極驅動及該第二閉極驅動訊號與 極驅動訊號之工作二=為:相位而且該第四間 週功大於5(U且略小於該第三閘 16 •，3S2 # U.如^動訊號之工作週期，以確保零電壓切換。 方法清專利範圍第10項所述之全橋式柔性切換驅動 提供二更包括步驟： 、〜具有一一次側以及一二次側之變壓器，該一次 侧輕接於該第一 p通道金氧半場效電晶體與該第一 n 通道金氧半場效電晶體之間之一第一節點以及該第 通道金氧半場效電晶體與該第二η通道金氧半場 蛑银晶體之間之一第二節點，而該二次側耦接於一負 ° 妒中讀專利範圍第11項所述之全橋式柔性切換驅動 ，其中該負載係連接至〆回授電阻，以輸出一回授 € 中讀專利範圍第u項所述之全橋式柔性切換驅動 其中該負載係為一冷陰極燈管 听漆 卜 ▼，、… 中讀專利範圍第ίο項所述之全橋式柔性切換 f ¥ 驅動 更包括步驟 # 设供/具有一輸入側以及〆輸出侧之濾波電路，該輸 ^/供彳分別耦接於該第一 P通道金氧半場效電晶體與 誃第〆η通道金氧半場效電晶體之間之一第一節點 ^戽该第二15通道金氧半場效電晶體與該第二η通道 籴氡半場效電晶體之間之〆第二節點，而該輸出側耦 訊號輸出裝置。 命讀專利範圍第項所述之全橋式柔性切換驅動 % ，其中該吼號輪出裝置係為一喇口八 方命讀專利範圍第項所述之全橋式柔性切換驅動 ¥ 17 !6 1301352 方法，其中該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號 係為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期大約 為75%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週期，以確 保零電壓切換。 17. • 18. 19. 如申請專利範圍第1〇項所述之全橋式柔性切換驅動 方法，其中該第三閘極驅動訊號與該第四閘極驅動訊號 係為同相位而且該第四閘極驅動訊號之工作週期大約 為75%且略小於該第三閘極驅動訊號之工作週期，以確 保零電壓切換。 如申請專利範圍第10項所述之全橋式柔性切換驅動 方法，其中該第一閘極驅動訊號與該第三閘極驅動訊號 之相位差為半個週期。 一種冷陰極燈管之全橋式柔性驅動電路，包括： 一全橋式電路組態，包括： 一第一 P通道金氧半場效電晶體，具有一第一閘 極、一第一没極與一第一源極，其中該第一閘極 接收一第一閘極驅動訊號，以及該第一源極連接 至一輸入電壓源； 一第一 η通道金氧半場效電晶體，具有一第二閘 極、一第二没極與一第二源極，其中該第二閘極 接收一第二閘極驅動訊號，該第二汲極連接至該 第一汲極，以及該第二源極接地； 一第二Ρ通道金氧半場效電晶體，具有一第三閘 極、一第三没極與一第三源極，其中該第三閘極 接收一第三閘極驅動訊號，該第三源極連接至該 18 1301352 輸入電壓源； 一第二η通道金氧半場效電晶體，具有一第四閘 ' 極、一第四汲極與一第四源極，其中該第四閘極 接收一第四閘極驅動訊號，該第四汲極連接至該 ‘ 第三汲極，以及該第四源極接地；以及 • 一變壓器，具有一 一次側以及一二次側，其中該一次 側係耦接至該第一汲極與該第二汲極之間之一第一 節點以及該第三汲極與該第四汲極之間之一第二節 點，以及該二次側係耦接至該冷陰極燈管； • 其中，該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號係 為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期大於 50%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週期，以確 保零電壓切換；以及該第三閘極驅動訊號與該第四閘 極驅動訊號係為同相位而且該第四閘極驅動訊號之 工作週期大於50%且略小於該第三閘極驅動訊號之 工作週期，以確保零電壓切換。 20. 如申請專利範圍第19項所述之全橋式柔性驅動電 φ 路，其中該冷陰極燈管係連接至一回授電阻，以輸出一 回授電流。 21. 如申請專利範圍第19項所述之全橋式柔性驅動電 路，其中該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號係 為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期大約為 ‘ 75%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週期，以確保 • 零電壓切換。 22. 如申請專利範圍第19項所述之全橋式柔性驅動電 19 1301352 路，其中該第三閘極驅動訊號與該第四閘極驅動訊號係 為同相位而且該第四閘極驅動訊號之工作週期大約為 ’ 75%且略小於該第三閘極驅動訊號之工作週期，以確保 零電壓切換。 ‘ 23.如申請專利範圍第19項所述之全橋式柔性驅動電 • 路，其中該第一閘極驅動訊號與該第三閘極驅動訊號之 相位差為半個週期。 24. —種訊號輸出裝置之全橋式柔性驅動電路，包括： 一全橋式電路組態，包括： • 一第一 p通道金氧半場效電晶體，具有一第一閘 極、一第一^及極與一第一源極，其中該第一閘極 接收一第一閘極驅動訊號，以及該第一源極連接 至一輸入電壓源； 一第一 η通道金氧半場效電晶體，具有一第二閘 極、一第二汲極與一第二源極，其中該第二閘極 接收一第二閘極驅動訊號，該第二汲極連接至該 第一汲極，以及該第二源極接地； φ 一第二Ρ通道金氧半場效電晶體，具有一第三閘 極、一第三汲極與一第三源極，其中該第三閘極 接收一第三閘極驅動訊號，該第三源極連接至該 輸入電壓源； 一第二η通道金氧半場效電晶體，具有一第四閘 ^ 極、一第四汲極與一第四源極，其中該第四閘極 • 接收一第四閘極驅動訊號，該第四汲極連接至該 第三汲極，以及該第四源極接地；以及 20 1301352 一濾波電路，具有一輸入侧以及一輸出側，其中該輸 入側係耦接至該第一汲極與該第二汲極之間之一第 ' 一節點以及該第三汲極與該第四汲極之間之一第二 節點，以及該輸出側係耦接至該訊號輸出裝置； 4 其中，該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號係 β 為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期大於 50%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週期，以確 保零電壓切換；以及該第三閘極驅動訊號與該第四閘 極驅動訊號係為同相位而且該第四閘極驅動訊號之 • 工作週期大於50%且略小於該第三閘極驅動訊號之 工作週期，以確保零電壓切換。 25. 如申請專利範圍第24項所述之全橋式柔性驅動電 路，其中該訊號輸出裝置係為一喇队。 26. 如申請專利範圍第24項所述之全橋式柔性驅動電 路，其中該第一閘極驅動訊號與該第二閘極驅動訊號係 為同相位而且該第二閘極驅動訊號之工作週期大約為 75%且略小於該第一閘極驅動訊號之工作週期，以確保 φ 零電壓切換。 27. 如申請專利範圍第24項所述之全橋式柔性驅動電 路，其中該第三閘極驅動訊號與該第四閘極驅動訊號係 為同相位而且該第四閘極驅動訊號之工作週期大約為 75%且略小於該第三閘極驅動訊號之工作週期，以確保 ‘ 零電壓切換。 • 28.如申請專利範圍第24項所述之全橋式柔性驅動電 路，其中該第一閘極驅動訊號與該第三閘極驅動訊號之 21 1301352 相位差為半個週期。
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