TWI309914B - - Google Patents

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Description

1309914 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種電壓轉換器，尤指一種可達到零電 . 壓轉換以及低電能損耗之同步半波整流轉換器。 【先前技術】 傳統上半橋式轉換器為使用二個功率開關並做正向 功率轉換之轉換器，可適用於較小之變壓器，而高效率電 源轉換供電器為其開發追求目標，以LLC諧振電路可降低 _ 功率切換損失，提升電源轉換效率減少能源損失，為目前 相關電源業界所開發之產品。 傳統的轉換器以二極體為二次側電路電子開關之元 件，由於二極體會產生一可觀之電能損耗，使得轉換器之 轉換效率無法提升，因此改善二次側電路之電子開關，避 免大量之電能損耗成為轉換器之技術開發目標。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一電壓轉換器，利用以電晶體 Φ 代替二極體組成二次側之電子開關，以降低電壓轉換之電 ' 能損耗。 - 達到本發明目的之半橋共振轉換器，包含：一次側繞 組；二次侧繞組，具有第一與第二端點以及一中央端點； 一第一電子開關，具有第一及第二端點，前述第一端點與 前述二次側繞組之第一端點連接；一第二電子開關，具有 第一及第二端點，前述第一端點與前述二次側繞組之第二 端點連接；一第一儲能元件，具有第一及第二端點，前述 第一端點與前述第一電子開關之第二端點連接；一第二儲 5 1309914 月匕元件A有第及第二端點’前述第一端點與前述第二 電子開關之第二端點連接；以及一負載端，具有第一及第 二端點，前述第1點同時與前述第—儲能元件之第二端 點及第二儲能元件之第二端點連接，前述第二端點與前述 二次側繞組之中央端點連接。 、藉由設。置儲能元件可避免電子開關因逆向偏壓造成 過大之能量損耗’因此可使本發明半橋共振轉換器達到最 低能量損耗之目的。 、本發明之前述目的或特徵，將依據後附圖式加以詳細 說明’惟需明瞭的是，後附圖式及 明而非在限制或縮限本發明。 職马况 【實施方式】 剌冑錢含彳本㈣較佳施例 但在此描述之前應瞭解熟悉本行技藝C 士可修改本文中所描述之創作， 人 Ξ此，；瞭解以下之描述對熟悉本行技藝 廣泛之揭不，且其内容不在於限制本創作。 。為 路包ίίΓ圖ίίΓ半橋共振轉換器之電路圖，該電 一端點以及一中央端點；一第一 ^第與第 二端點，前述第一端點盎二’具有第一及第 接；，二電子開關，具有第一及第二端之^-端點連 點與琢述二次側繞組之第二端點連接；一贫’别述第-端 具J第7及第二端點，前述第-端點與前元件， 之第二端點連接；-第二錯能元件，且有/第—電子開關 前述第一端點與前述第二電子開關之第二；及第二端點， ^點連接；以及 6 1309914 一負载端，具有第一及第二端點，前述第一端點同時與前 述第一儲能元件之第二端點及第二儲能元件之第二端點連 接，前述第二端點與前述二次側繞組之中央端點連接。 • 其中，二次侧繞組之第一電子開關係為一 MOSFET功 . 率電晶體Q+與一繞組N3之結合，而第二電子開關係為一 MOSFET功率電晶體Q_與一繞組N3之結合，以達到同步 整流之目的，且該第一電子開關與該第二電子開關之作動 關係為反向，致使該二次側繞組之第一端點或第二端點與 負載端導通，以達到半波整流之目的，並第一電子開關之 φ 繞組N3與第二電子開關之繞組N3係為具有相同圈數之相 同繞組。 在該第一電子開關與第二電子開關分別連接一濾波電 感、Z_，以對從第一電子開關與第二電子開關輸出之電 流進行整流，且為了克服在負載端之輸出電壓與二次侧 繞組之第一端點電壓广之間的壓降，在濾波電感L+並聯一 二極體與電阻及+之串聯組合以形成第一儲能元件，及 在濾波電感L_並聯一二極體Ζλ與電阻足之串聯組合以形 成第二儲能元件，用以提供濾波電感、Ζ_之釋能路徑。 • 本發明係改善一傳統半橋式轉換器之電能損耗及轉換 ' 效率，參考第二圖為一傳統半橋式轉換器之電路架構圖， - 該轉換器包含一一次側電路及一二次側電路，其中6為輸 入電壓，R則為輸出之待測電壓，一次側繞組TV;與二次 ’ 側繞組鸠之圈數比為。 參考第三圖為該半橋式轉換器運作之波形圖，由於其 正半週期及負半週期為對稱之運作模式，因此可將該半橋 式轉換器以正半週期分為以下幾個作業模式： 7 1309914 模組1 : (t〇〜tl) 在模組1的狀態，電晶體及么皆不導通，令共振 電感I,及磁化電感之初始電流為/0，共振電容cr之初 始電壓為，由於/0小於0，因此其電流導通波形如第四 圖所示，由於磁化電感4之跨壓固定為，因此該磁化 電感4可視為一穩定直流電壓源，並該共振電流心^與共 振電容cr電流為相等，因此可得：
J diLrit) r~dT+ hr (^〇) = -^0 K(f〇) = K (& nV0 % 2 步求得共振電以及共振電容。之電流及電壓 J0l \ ' nV〇 ~MF〇~K〇Jcos[^i(i~io)]+V〇,sin[®rXi-/0)]L(i-/〇) 2 並根據該方程式可得第三圖時間~料之共振電感以共 振電容&之電流及電壓波形圖。 士一^中ί目該磁化電感&可視為—穩^直流電壓源’因 振;之共振電感4與共振電容。可視為共振，其共 ^itcr 並得一特性阻抗心7為： 8 1309914
n. Vo Lm
Lr
< K’l) = 〇 VC{U) = VX 而磁化電感之電流方程式並可推導如下： * Lm dt ~ nV〇 => hm= fc)+ f =I〇 + ^{t-10) h(t〇) = h 〇L- L-且該磁化電感心之電流的斜率可表示為：
Slope(ILm) = 根據該方程式可得第三圖時間~至G之磁化電感電流 波形圖。 當共振電流/i；·大於0 ’該共振電流之電流方向反 向，因此二極體/½被終止，並該半橋式轉換器之工作模 式進入模式2。 模組 2 : (tck) 在模組2的狀態，由於共振電流反向，因此電晶體 δ//導通，其電流導通波形如第五圖所示，雨模組1相同， 該磁化電感可視為·~~稳定直流電壓源*並該共振電流 /ir與共振電容G電流為相等，因此可得： ~nV0 且可進一步求得共振電感及共振電容cr之電流及電壓 方程式： 9
sink丨(㈠丨 並根據該方程式可得第三圖中時間1 及共振電容c,之電流及電壓a U G之共振電感八 厂·、 VlrCr 且f共振頻率及特性阻抗皆與圖根 - 1 [27 、、'且1 相同： Ία 而磁化電感£w之電流方程式 並可推導如下:J~'nV〇^ ^ ^ nv r )=/1 J〇I« ι+7^(“0 且該磁化電感之電流的斜率可表示cv—、η·ν〇 , ·、、、*
L sloP<hm) η Ύο Lm 方程式可得第三圖時^至R錢電感‘電痛 由於二次側電路之電晶體極性 不得反向，因此相狀—⑽電^ —侧之電% 電流&相等時，該半橋式轉換器即進 模組3 ·· (t2〜t3) 在模組3的㈣，由於共振錢[肩魏電流^相 寻，此時一次側電流心為〇,其電流波形圖如第六圖所示， 共振電感Zr與磁化電感串聯並與共振電容〔共 可得一電流關係式： 1309914 dt
(Lr +^w)—T~+ VC K(t2) = v2 了步求得共振電感4及共振電容&之電流及電壓 hr (0:
L·—
/2c〇SK2(卜i2)]+^_sinkU Z〇2 c〇sK2 (’ - ί2)]+J2Z02 sin[〇)r2 (ί - ί2)] 心以之共㈣仏及共 電容共振因為因=電得感4=電仏串聯並與*振 >j{Lr + Lm)Cr 並得一特性阻抗ZG2為：
Zn \Lr + Lm ~~~Cr~ 電財料並可轉如下： 根據該方程式可得第三圖時間 波形圖，且得-次側電流心為〇 3 :化電⑤Z^電流 一次側電流/;係為正比，因此可得二由於二次侧電流心與 /2 = —-/j = 0 N2 11 ’模組3即結束。
1309914 -比Γ ί可組3，共振電感4與磁化電感4之電 仙·白相等，且其斜率較模組i與模組2為小： C7 /r X ^'V〇 si〇zt^ 當一次側電晶體•關閉 鐘始f"考圖為本發明半橋共振轉換器與習知半橋共振 ，換裔70件V通情形，在習知半橋共振轉換器之二次側繞 、'且之電路，由於以二極體乃+及^為電子開關，因此產生 一可觀之電能損耗，以16A的電流為例，參考第八圖為使 用蕭特基二滅作為電子_二極體队及狀損耗電流
波形圖，其中若是傳統蕭特基二極體，因其順向壓降約為 0-5V ’因此其功率損失約為： pd =yFxI〇 = 0.5x16 = SW 若是使用低壓降型蕭特基二極體，因其順向壓降約為 0.3V ’因此其功率損失約為： pd = ^κχί〇= 03x16 = 4.W 而以MOSFET場效電晶體ρ+及&代替二極體及 乃-可大幅降低其電能損耗，參考第九圖為使用MOSFET功 率二極體作為電子開關二極體乃+及之損耗電流波形 圖，其中M0SFET功率電晶體導通之順向壓降約為 0.07V，Body Diode導通時之壓降約為0.6V，而M0SFET 功率電晶體導通時間約為Body Diode導通時間2倍，因此 其功率損失約為：
Pd =VFxI0 =〇.〇7xl6x- + 〇.6xl6x^- = 3.9fF 3 3 但由於利用M0SFET場效電晶體取代二極體成為電 12 1309914 子開關將面臨一逆向偏壓之問題，在模組3的狀態下，二 次侧電流h為0 ’而F’與κ存在一壓差，使得該m〇SfeT 場效電晶體可能導致逆偏，此逆向偏壓會造成B〇dyDi〇de 導通，致使電能損耗大幅上升，因此本發明於電子開關之 後串聯一儲能元件’利用濾波電感及乙消除P與K之 間所存在之壓差： di2(〇 _ V〇~V' dt L+ 於該儲能元件利用一電阻串聯一二極體，串聯R+以及 φ 从串聯及_，以形成濾波電感及之釋能路徑，當模組3 結束時’濾波電感1+及乙便依队串聯R+以及2)串聯只 之釋能路徑將該電感内所儲存之電能釋放，因此本發明之 半橋共振轉換器便可克服逆向偏壓造成Body Diode導通 之問題’參考第十圖為本發明半橋共振轉換器之損耗電流 波形圖’其中MOSFET功率電晶體導通之順向壓降約為 0.07V，因此其功率損失約為：
巧=❼ x t = 〇·〇7χ 16 = 1.12F 因此由以上功率損失之數值比較可知，本發明半橋典 φ 振轉換器可達到最低功率損耗之目的。 在詳細說明本發明的較佳實施例之後’熟悉該項技術 人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下 進行各種變化與改變，且本發明亦不受限於說明書中所舉 實施例的實施方式。 1309914 【圖式簡單說明】 第一圖為本發明半橋共振轉換器之電路圖； 第二圖為習知半橋共振轉換器之電路圖； • 第三圖為習知半橋共振轉換器之電流波形圖； 第四圖為習知半橋共振轉換器於模組1之電流導通 路徑圖； 第五圖為習知半橋共振轉換器於模組2之電流導通 路徑圖； 第六圖為習知半橋共振轉換器於模組3之電流導通 路徑圖； 第七圖為本發明半橋共振轉換器與習知半橋共振轉 換器元件導通波形圖； 第八圖為使用蕭特基二極體作為電子開關二極體乃+ 及Ζλ之損耗電流波形圖； 第九圖為使用MOSFET功率二極體作為電子開關二 極體乃+及·之相耗電流波形圖 第十圖為本發明半橋共振轉換器之損耗電流波形圖。 Φ 主要元件符號說明： 無 14

Claims (1)

1309914 十、申請專利範圍： 1. 一種半橋共振轉換器，包含： . 一次侧繞組； 二次側繞組，具有第一與第二端點以及一中央端點； 一第一電子開關，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述二次側繞組之第一端點連接； 一第二電子開關，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述二次側繞組之第二端點連接； g| —第一儲能元件，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述第一電子開關之第二端點連接； 一第二儲能元件，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述第二電子開關之第二端點連接；以及 一負載端，具有第一及第二端點，前述第一端點同 時與前述第一儲能元件之第二端點及第二儲能元件之 第二端點連接，前述第二端點與前述二次側繞組之中央 端點連接。 • 2.如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第一電 ' 子開關與前述第二電子開關之作動關係為反向，致使前 -述二次側繞組之第一端點或第二端點與前述負載端導 通。 3.如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第一電 子開關係包含一 MOSFET功率電晶體以及一跨接於前 述MOSFET功率電晶體之閘極(G)及源極（S)的第三繞 組，並且第一電子開關之第一端點係為MOSFET功率 15 1309914 電晶體之源極(S)，以及第二端點係為MOSFET功率電 晶體之沒極(D)。 • 4.如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第二電 子開關係包含一 MOSFET功率電晶體以及一跨接於前 述MOSFET功率電晶體之閘極(G)及源極(S)的第三繞 „ 組，並且第二電子開關之第一端點係為MOSFET功率 電晶體之源極(S)，以及第二端點係為MOSFET功率電 晶體之没極(D)。 5.如申請專利第3項或第4項之半橋共振轉換器，其中前 述第一電子開關之第三繞組與前述第二電子開關之第 三繞組係為具有相同圈數之相同繞組。 6·如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第一儲 能元件係由一電感並聯一二極體與一電阻串聯之組 合，使前述電感可經由前述二極體與電阻串聯之組合進 行釋能，並且第一儲能元件之第一端點係為前述二極體 Φ 之正極端，第一儲能元件之第二端點係為前述電阻與前 ' 述電感結合之端點。 7.如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第二儲 能元件係由一電感並聯一二極體與一電阻串聯之組 合，使前述電感可經由前述二極體與電阻串聯之組合進 行釋能，並且第二儲能元件之第一端點係為前述二極體 之正極端，第二儲能元件之第二端點係為前述電阻與前 述電感結合之端點。 16
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