TWI356574B - Forward converter with self-driven synchronous-rec - Google Patents

Description

1356574 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明揭示一種具自驅式同步整流倍流器之順向式轉換器。 【先前技術】 習知技術之電路圖及波形圖分別示於第丨圖與第2圖，其中Ns 為二次側電力線圈，_队分別為順向與飛輪二極體，分別 為順向與飛輪儲能電感且c。為濾波電容。在第a圖中，说Ό)、 、、(〇、认)及v。分別代表二次側電力線圈電壓、順向儲 月<=•電感電壓 '飛輪储能電感電壓、顺向儲能電感電流、飛輪儲能電感 電流、輸出電流與輸出電壓。 於開啟期間0，v⑻為正(電壓值=vs)〇Df受順向偏麗 開啟但队受逆向偏壓關閉。Lf經由c。、Df與關存電能但^經 由C。與Df釋放電能，向與飛輪儲能電感Lf、k之跨壓分別為〜(,卜 vs-v0 及 Ί·ν。。 f ;功間灯。"+ ’ ν,(ί)為負（電壓值=_Vs)。Df受逆 =7吨受順向偏壓開啟。Lf經由QDW釋放電能但Lw C° Dw與_存電能。順向與飛輪儲能電感Lf、Lwi跨壓分 別為 Ίν。及· Vs_v。。

於延遲期間7； <t<T ,t ( 為令山與！^之連續電流迫

Lf、、’二由C。與dw釋放電能且lw經由c。、Dw與Ns釋放電 5 1356574 此順向與飛輪儲能電紅f、“之跨壓皆為Vi，㈠=v』)=_v。。 員向-極體Df與飛輪二極體Dw於一週期内的開啟與關閉如表 一所列，財’響，表示開啟；"OFF"表示關閉。

Df 開啟期間 ON OFF 重置期間 OFF ON 延遲期間 OFF ON -- 因輸出電流/。(，)為頻向電感電流與飛輪電感電流…之和， 此習知轉換H具有倍流器之魏。惟，此習知轉㈣制二極體為整 μ 故導致較间的整流器導通損失。本發明以同步整流器取代二極 體整流器崎低整流H導失並揭示便宜有效之閘極驅動器。 【發明内容】 本發明之一目的係提供一種具倍流器之自驅動同步整 流器之順向式轉換器。變壓器之一次側線圈連接一外部電 源。變壓器之二次惻電力線圈的二端與電壓輸出端之間分別串接順 向儲此電感及飛輪健能電感，碰輸出端與接地端之間跨接一滤波電 谷。飛輪整流器與順向整流器之第二端連接於接地端，並跨接於變壓 器之二次侧電力線圈二端之間。 俏號分配器連接於變壓器二次側驅動線圈以接收驅動電壓信 號’將信號分配器之第-輸出端、第二輸出端及制連接端連接於飛 6 1356574 輪整流器的控制端、順向整流器之控制端以及接地端，藉以開啟或裁 止飛輪整流器與順向整流器。 轉換器之淨輸出電流為順向儲能電感與飛輪儲能電感 之儲能/釋能的電流總和，因而提高淨輸出電流。更進一步， 利用電位位移器或導通偵測控制器於延遲期間導通飛輪^流 器或順向整流器，可更進一步降低導通損失。 【實施方式】 請參考第3圖，其中一次側電力線圈Tp連接至輸入電壓源 '⑴， 其具有與在第2圖中之v4)相似之電壓波形，但其振幅或許不同。二 -人側電力線圈N2之二端分別連接順向儲能電感一與飛輪儲能電感 Lw，並將飛輪儲能電感]^與順向儲能電感^之另一端相連接於電壓 輸出端，電壓輸出端與接地端之間跨接一濾波電容C。。 飛輪整流器與順向整流器為順向整流器，其可採用p通道金屬氧 化半導體場效應電晶體(p-channel metal oxide semiconductor field effect tmnsistor，pM0S)、n通道金屬氧化半導體場效應電晶體 (n-channel metal oxide semiconductor field effect transistor, nMOS) > p t asa^(p-type junction field transistor, pJFET)^ n 面場效應電晶體(n-type junction fldd transist〇r, nJFET)實作。為使本 發明更肢理解，核明書以實作整流器，謂為順向電晶 體Mf與飛輪電晶體Mw。 飛輪電晶體Mw與順向電晶體岭採共源極(共第二端)之架構，並 將”源極連接接地端。飛輪電晶體W與順向電晶體之沒極分別 連接二次侧電力線圈N2之二端。 。。一次侧驅動線圈％之二端，其輸出電壓^⑴，連接一信號分配 盗2000之第-輸出端與第二輸出端，再由信號分配器2刪之第一 7 1356574 輸出端、第二輪出端與共同連接端分別連接二次側電力線圈n2上之 飛輪電晶體河〜、順向電晶體Mf以及接地端，因而形成具自驅式同 步整流倍流器順向轉換器（forward converter with self-driven synchronous-rectifying current doubler)。

k號分配斋2000可由共陽極二極體所構成，其連接點作為共同 連接端，共陽極連接接地端，二二極體Dl、Da之陰極分別為信號分 配器2000之第一輸出端與第二輸出端。第4圖畫出在第3圖中I: Mf與Mw之閘極電壓波形圖’圖中V3⑴、Vm办）與v_(t)分別表示n、 的閘極電壓函數，vD表示％⑴的電壓值《此實施例之動^ 原理已於發明人之另一台灣發明申請號96135431詳述，故此 再贅述。之開啟與關閉如表二所列。 不

Mf Mw 開啟期間 ON OFF 重置期間 OFF ON 延遲期間 OFF OFF 表二

此-架構之缺點為電感電流Μί)與⑶於延遲期間流 流器Mw之本體二極體，故導致較高的整流器導通損失。然而，""文 流器導通相失可利用一電位位移器(level shifter示於第5圖）或 偵測器(conduction detector示於第7圖)被降低。 田三 導通 第5圖係利用電位位移器3_之第—輪入端盥第 入端連接於二次側驅動線圈N3,再將第一輸出端與第二^輸 端分別連接於信號分配器2 0 〇 〇之第二輸出端與第L輸' *出 >而0 本實施例之電位位移器3000係由電容C4串接_ d4,再串接齊納二極體zd4所構成。其中’雷心4 〜極體 為電位位移器3000之第一輸入端，電容q之另一端作為^ 8 一輸出端，以齊納二極體叫之陽極同時作為 第二輸出端。為簡化分析，假設二極體d4之順向 = 齊納二極體m之崩潰電壓為Vz且驅動電壓VD高於 2、 當二次側驅動線圈n3之電壓· ％時，二極C。 齊納二極體ZD4崩潰且電容（：4之跨壓被箝位在H4通、 即為電位位移器3000所提供之電位位移量v_v其 6圖畫出在第5圖中之岭與仏之間極電壓波形圖。此4 作原理已於發明人之另-台灣發明申請號9⑽431^ = 不再贅述。 敌此處 順向電晶體Mf與飛輪電晶體 三所列。 的開啟與關閉於一週期内如表

Mf ----- Mw 開啟期間 ON OFF 重置期間 OFF ON 延遲期間 OFF ON

值得注意的是，飛輪電晶體1於延遲期間仍然受電位 位移器3_所提供之電位位移量％開啟；因此降低整流器 第7圖係利用一導通偵測控制器4〇〇〇於延遲期間内開 員向電邮體Mf與飛輪電晶體。導通偵測控制器4_ =3 -導通偵測器41〇〇，其債測飛輪電晶體I之導通情況 、’輪出-導通控制電M以岐或截止導通控制器 4200，導通 工制器4200控制器之待機端輸入待機電壓Vsb，導通控制器 2〇〇控制态之導通端連接於信號分配器2〇〇〇之第一輸出端。 1356574 . .· 本實施例之導通偵測器4100包含二串連之電阻Rd|、 Rd2 ’二電阻Rdl、Rd2之二端連接飛輪電晶體之汲極（整流器 之第一端）與源極（整流器之第二端），而連接點之分壓為導通 控制電壓。導通控制器4200包含PNP雙極電晶體(pnp bip〇lar junction transistor，pnp_BJT)Qd 與二極體 Dd，pNp 雙極電晶體 Qd之集極連接二極體Dd之陽極，二極體Dd之陰極作為其導 通端，PNP雙極電晶體Qd之射極作為待機端，而基極作為控 制端連接二電阻Rdl、Rd2之連接點。第8圖畫出在第7圖中之 Mf與Mw之閘極電壓波形圖。此實施例之動作原理已於發明人之另 • 一台灣發明申請號96139272詳述，故此處不再贅述。 導通偵侧器4000之Qd與Dd、順向電晶體吣與飛輪電晶體 之開啟與關閉如表四所列。

Qd 〇d Mf Mw 開啟期間 OFF OFF ON OFF 重置期間 ON OFF OFF ON 延遲期間 ON ON ON ON 表四 • 值得注意的是，順向電晶體與飛輪電晶體Mw於延遲 期間仍然受導通偵測器4000所提供之待機電壓Vsb開啟，因 此降低整流器導通損失。 須特別強調本發明之倍流器電路亦可被用作主要電路以 驅動發明人之另二台灣發明巾請號96胸i及％139272所揭露 之從屬電路且亦可被應帛於任何順向式轉換器，其可在二次側產生 與本發明相似之電壓波形。 以上所述之Λ施例僅係為說明本發明之技術思相及特 點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明:内容 10 1356574 . * I · 並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依 本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本 發明之專利範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖示習知具二極體整流倍流器之順向式轉換器之電路圖。 第2圖示第1圖之電壓與電流波形圖。 ▲ 第3圖、第5圖與第7圖分別表示本發明之各種實施例之電路圖。 第4圖、第6圖與第8圖分別表示第3圖 電壓波形圖。 、第5圖與第7圖之閘極 【主要元件符號說明】 Vi(t)、vLf(t)、vLw⑴、V0、vs(t) ' Vs ' Vsb、v3⑴ 、VD 電壓 iLf(t) ' iLw(t) ' i〇(t) 電流 L f、Lw 電感 C〇、C4 電容 Np ' Ns、N2、N3 線圈 Mf' Mw 電晶體 Qd 雙極電晶體 Rdl ' R<i2 電阻 D1 ' D2 ' D4 ' Dd ' Df' Dw 二極體 zd4 齊納二極體 1356574 Τ〇η 開啟時間 Treset 重置時間 Ts 切換週期 1000 變壓器 2000 信號分配器 3000 電位位移器 4000 導通偵測控制器 4100 導通偵測器 4200 導通控制器 12

Claims (1)

1356574 十、申請專利範園： L 一種自驅式同步整流倍流器之順向式轉換器，包含： -賴器，具有一次側線圈、—二次側驅動賴以及一二次側 電力線圈，其中該一次側線圈連接—外部電源； -電力跳，包含i向整流器、—飛輪整流器一順向儲能電 感及-飛輪儲能電感，其中該電力魏具有―電廢輪出端及接地端， 且該電驗出端與接地端之間跨接一遽波電容，該懸器之該二次側 電力線圈之二端分別連接該飛輪儲能電感與該順向錯能電感之一端， 該飛輪儲能電感與該順向儲能電感之另1連接於該賴輸出端該 3整流器之第二端與該順向整流器之第二端連接於接地端該順向 仏器與該飛輪整流器之第—端連接該籠器之該二次側電力線圈之 二端；以及 多山配器’包含一第—輸出端、—第二輸出端及一共同連接 二出端與該第二輪出端分別連接該 飛’該共同連接端連接於該順向整流器之第二端與該 也輪正伽_态之第二端的連接點。 2. 述之自驅式同步整流倍流器之順向式轉，其中該二 動«之二端分別連接該信號分配器之該第二輸出端與該第一 3. 4. =:二之_自二：=倍流二之順向式_ ’請信 連接點作之陽極連接該第二二極體之陽極並將 如請求項丨财夕6 4——減之陰轉_第二輸出端。 電位位移器，整流織之順向式_ ’更包含- 二次側驅出:雷娜:移器，該第-輸入端侧 側驅動線圈之第 ’位^移玄第二輸入端連接該二次 ^電位位移器之該第—輪出端連該信號分配器 13 1356574 • . · 5· 刪鄕^輪贿號分配器之 驅式同步整流倍流器之順向式轉換器，其令該電 該電位 ==:該二極體之陽極，該二極體之^ _以納二極體之陽極同時作為該電位位移器之該第二輪 6· =所述之自驅式同步整流倍流11之順向式轉換11，更包含-器’該導通_控制器包含—導通侧轉 !導輪整流器之二端，並輪出-導通控制電壓 戈導诵^:鮮％連接该導通偵測器以接收該導通控制龍， =控制盗之-待機端接收一待機電壓 連接該信號分配器之第-輸出端。 _之導通％ 7. 自糊舰繊·編^其愤導 ，流器之第-端，該第二電阻連接該飛輪整流器:第=連： 8. 阻與该第一電阻之連接點輸出該導通控制電麼。 魄幌細㈣㈣獅，其中該導 3 PNP雙極電晶體與一二極體，該PNP雙極電晶體之基 搞财為^導通控制11之該控制端，該PNP雙極電晶體之集極連接該二 為該導通痛之該導通端，該脈 9 Ιΐί^,1㈣之自驅式同步整流倍流器之順向式轉換器，其中該順 二主A料道金屬氧化半導體場效應電晶體、一P通道金屬氧 應電晶Γ纽應電晶體、—N型接面場效應電晶體或―P雜面場效 10. L月求項1所述之自驅式同步整流倍流器之順向式轉換器，其中該飛 14 1356574 輪整流器為一 N通道金屬氧化半導體場效應電晶體、一 P通道金屬氧 化半導體場效應電晶體、一 N型接面場效應電晶體或一 P型接面場效 應電晶體。