TWI399911B - 具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器 - Google Patents

Description

具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器

本發明是有關於一種具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器，特別是有關於一種應用於非接觸式電源供應器之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器。

隨著科技的進步與經濟的發展，人們對於電源轉換器的要求越來越高，因此許多新穎的電源轉換器陸續被開發出來，以滿足人類的需求，其中返馳型轉換器具有低成本和高切換頻率之優點，因此廣被工業界所使用。

然而，由於習知的返馳型轉換器具有高切換頻率，因此在每次開關切換都會產生高電壓突波，而導致高切換損失。

因此，需要一種新的返馳型電源轉換器，以降低開關的切換損失。

因此，本發明之一態樣是在提供一種具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器。

根據本發明之一實施例，此自激返馳型電源轉換器包含變壓器、整流二極體、功率開關、啟動電路、電流偵測電路、自激驅動電路、穩壓電路以及緩震電路。變壓器係用以根據直流電壓來提供電能至負載，其中變壓器包含一次側繞組和二次側繞組，此一次側繞組具有第一繞組端點和第二繞組端點。一功率開關具有第一輸入端、第一輸出端和第一控制端，其中此第一輸入端係電性連接至一次側繞組之第一繞組端點。整流二極體係電性連接於變壓器和負載之間。啟動電路係電性連接至功率開關之第一控制端，以根據直流電壓來開啟該功率開關。電流偵測電路係電性連接至功率開關之第一輸出端，以偵測流過功率開關之功率開關電流的電流值。自激驅動電路包含第一電壓偵測線圈，此第一電壓偵測線圈係用以偵測變壓器之一次側繞組上的電壓值，其中自激驅動電路係電性連接至電流偵測電路和功率開關之第一控制端，以根據功率開關電流的電流值來關閉功率開關，以及根據變壓器之一次側繞組上的電壓值來開啟功率開關。緩震電路包含第二電壓偵測線圈、第一電容、第一二極體以及第二二極體。第二電壓偵測線圈係用以偵測變壓器之二次側繞組上的電壓值，以及當功率開關開啟時，將第一電容所儲存之漏感能量回授至輸入電源端和變壓器，其中第二電壓偵測線圈具有第一線圈端點和第二線圈端點，第一線圈端點係電性接地。第一電容係用以儲存變壓器之漏感能量，其中第一電容具有第一電容端點和第二電容端點，第一電容端點係電性連接至該一次側繞組之第一繞組端點。第一二極體之正極係電性連接至該第二電壓偵測線圈，第一二極體之負極係電性連接至第一電容之第二電容端點。第二二極體之正極係電性連接至第一電容之該第二電容端點，第二二極體之負極係電性連接至一次側繞組之第二繞組端點。穩壓電路包含第二電壓偵測線圈、第三二極體、第一電阻以及第一齊納二極體。第三二極體之正極係電性連接至第二線圈端點。第一電阻具有第一電阻端點和第二電阻端點，其中第一電阻端點係電性連接至第三二極體之負極，第二電阻端點係電性接地。第一齊納二極體(Zener diode)，其中第一齊納二極體之負極係電性連接至第一二極體之負極，第一齊納二極體之正極係電性連接至自激驅動電路。

請參照第1圖，其係繪示根據本發明之一實施例之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器100的電路結構示意圖。自激返馳型電源轉換器100係用以接收輸入電壓源170所提供之電能並將其提供至負載電阻R_o 。自激返馳型電源轉換器100包含變壓器110、啟動電路120、自激驅動電路130、穩壓電路140、緩震電路150、功率開關S、電流偵測電路160以及整流二極體D₀ ，其中整流二極體D₀ 係電性連接於變壓器110和負載電阻R_o 之間，以對變壓器110所輸出之電壓進行半波整流。

變壓器110係用以接收輸入電壓源170所提供之直流電壓，並根據功率開關S的開關狀態，來提供電能至負載電阻R_o 。變壓器110包含一次側繞組N_p 和二次側繞組N_s1 ，一次側繞組N_p 係電性連接至輸入電壓源170，而二次側繞組N_s1 係電性連接至負載電阻R_o 。另外，變壓器110之等效激磁電感L_m 和漏感L_1k 亦繪示於第1圖中。

功率開關S係電性連接至變壓器110、啟動電路120、自激驅動電路130和電流偵測電路160。功率開關S具有輸入端、控制端和輸出端，其中控制端係電性連接至啟動電路120和自激驅動電路130；輸入端係電性連接至變壓器110；輸出端係電性連接至電流偵測電路160。在本實施例中，功率開關S為金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)，其閘極係電性連接至啟動電路120和自激驅動電路130，其汲極係電性連接至變壓器110，其源極係電性連接至電流偵測電路160。

啟動電路120係用以根據輸入電壓源170所提供之電壓來開啟功率開關S。在本實施例中，當輸入電壓源170開始提供提供直流電壓時，啟動電路120會根據輸入電壓源170所提供之直流電壓來開啟功率開關S，以啟動自激返馳型電源轉換器100。當自激返馳型電源轉換器100被啟動後，功率開關S功率開關的開啟或關閉便由自激驅動電路130所控制。

電流偵測電路160係用以偵測流過功率開關S的電流，並將偵測結果輸出至自激驅動電路130，使自激驅動電路130根據電流偵測電路160所測得的電流值來決定是否關閉功率開關S。

自激驅動電路130係用以控制功率開關S之啟閉。自激驅動電路130包含有電壓偵測線圈N_s2 ，此電壓偵測線圈N_s2 係用以偵測一次側繞組N_p 上的電壓值，以使自激驅動電路130根據一次側繞組N_p 上的電壓值來決定是否開啟(導通)功率開關S。另外，自激驅動電路130亦根據電流偵測電路160所測得的電流值和穩壓電路140所傳送之控制訊號來決定是否關閉(截止)功率開關S。

緩震電路150係用以改善功率開關S動作時所產生的突波(spike)。緩震電路150包含電壓偵測線圈N_s3 、電容C_s 、二極體D₁ 和D₂ 。電容C_s 係用以儲存變壓器之漏感能量，而二極體D₁ 和D₂ 則用以引導漏感能量。當功率開關S關閉時，漏感能量會儲存於電容C_s 中，以降低功率開關關閉時之瞬間電壓峰值和切換損失。而當功率開關S打開時，電容C_s 便會流出電流，此電流依序流經功率開關S、電流偵測電路160、接地層、電壓偵測線圈N_s3 以及二極體D₂ 後流回電容C_s ，如此漏感能量便可透過電壓偵測線圈N_s3 來傳送至輸入電壓端及變壓器110，以有效地提高轉換器之轉換效率。

穩壓電路140係用以穩定自激返馳型電源轉換器100的輸出電壓。穩壓電路140包含有電阻R₁ 和R₂ 、二極體D₃ 、電容C₃ 以及齊納二極體(Zener diode)D_z2 。穩壓電路140係電性連接至電壓偵測線圈N_s3 ，而電壓偵測線圈N_s3 可偵測二次側繞組N_s1 上的電壓，如此便可透過二極體D₃ 、電阻R₁ 和R₂ 將此電壓施加於齊納二極體D_z2 之負極上。當二次側繞組N_s1 上的電壓大於預設之齊納電壓值時，齊納二極體D_z2 負極上的電壓會將齊納二極體D_z2 打通，以傳送齊納電流至自激驅動電路130。另外，電阻R₁ 和R₂ 係以分壓的方式來調整電壓偵測線圈N_s3 所測得之電壓的電壓值，之後再將調整後的電壓施加於齊納二極體D_z2 之負極上。

由以上說明可知，電壓偵測線圈N_s 可偵測二次側繞組N_s1 上的電壓，避免返馳型電源轉換器100輸出過大的電壓，亦可將變壓器的漏感能量回送至輸入電壓端及變壓器，以減少返馳型電源轉換器100運作時的能量損失。因此返馳型電源轉換器100不但可提供穩定的輸出電壓，更可節省電能的消耗。

請同時參照第2圖和第3圖，第2圖係繪示習知返馳型電源轉換器之功率開關上的跨壓對時間的曲線關係圖，第3圖係繪示返馳型電源轉換器100之功率開關S上的跨壓對時間的曲線關係圖。由第2圖和第3圖可明顯看出，當功率開關關閉時，返馳型電源轉換器100之功率開關S上的跨壓比習知返馳型電源轉換器之功率開關上的跨壓小，因此返馳型電源轉換器100之功率開關S所承受之電壓應力也相對降低。

請參照第4圖，其係繪示根據本發明一實施例之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器200的電路結構示意圖。自激返馳型電源轉換器200係類似於自激返馳型電源轉換器100。在本實施例中，輸入電壓源270係供應交流流電壓至全波整流器280，此交流電壓經過全波整流器280處理後，再供給至自激返馳型電源轉換器200。另外，為了使返馳型電源轉換器200的輸入電壓穩定，可於輸入電壓源270和返馳型電源轉換器200間並聯電容C_dc 。

啟動電路220包含電阻R_st 和齊納二極體D_z1 。當輸入電壓源270提供電能至啟動電路220時，電壓V_g 會被施加於齊納二極體D_z1 之負極，而當電壓V_g 之值超過功率開關S的導通電壓閥值，功率開關S便會開啟，使輸入電壓源270所提供之電流流過功率開關S。另外，齊納二極體D_z1 可避免輸入電壓源270施加太大的電壓至功率開關S，使功率開關燒毀。藉由適當地選擇齊納二極體D_z1 的崩潰電壓，可於電壓V_g 過大時，導通齊納二極體D_z1 ，以保護功率開關S。

自激驅動電路230包含控制開關Q、電阻R_zcd 和R_b 、電容C_zcd 以及電壓偵測線圈N_s2 。控制開關Q具有輸入端、輸出端和控制端。在本實施例中，控制開關Q為雙載子接面電晶體(BJT)，其集極為輸入端，電性連接至功率開關S之控制端；BJT之基極為控制端，電性連接至電阻R_b 和穩壓電路之齊納二極體D_z2 ；BJT之射極為輸出端，電性接地。電流偵測電阻260係電性連接至R_b ，以於功率開關S之電流超過預設閥值時，導通BJT。當BJT導通後，功率開關S的控制端的電壓值會下降，當控制端的電壓值低於功率開關S的導通電壓閥值時，功率開關S便會關閉。類似地，當電壓偵測線圈N_s3 所測得之電壓值過大而使得齊納二極體D_z2 崩潰時，BJT亦會導通，而使得功率開關S關閉。當功率開關S關閉後，N_s2 所測得之電壓值會越來越大，直到所測得之電壓值與C_zcd 之跨壓的和大於功率開關S的導通電壓閥值時，功率開關S開啟。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．電源轉換器

110．．．變壓器

120．．．啟動電路

130．．．自激驅動電路

140．．．穩壓電路

150．．．緩震電路

160．．．電流偵測電路

170．．．輸入電壓源

200．．．電源轉換器

220．．．啟動電路

230．．．自激驅動電路

260．．．電流偵測電阻

270．．．輸入電壓源

280．．．全波整流器

C3、C_dc 、C_zcd 、C_s ．．．電容

D_zl 、D_z2 ．．．齊納二極體

D₁ 、D₂ 、D₃ 、D_o ．．．二極體

L_m ．．．激磁電感

L_1k ．．．漏感

N_p ．．．一次側繞組

N_s2 ．．．電壓偵測線圈

N_s1 ．．．二次側繞組

N_s3 ．．．電壓偵測線圈

Q．．．控制開關

R_o ．．．負載電阻

R₁ 、R₂ 、R_zcd 、R_b ．．．電阻

R_st ．．．電阻

S．．．功率開關

V_g ．．．電壓

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，上文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖係繪示根據本發明之一實施例之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器的電路結構示意圖。

第2圖係繪示習知返馳型電源轉換器之功率開關上的跨壓對時間的曲線關係圖。

第3圖係繪示返馳型電源轉換器之功率開關上的跨壓對時間的曲線關係圖。

第4圖係繪示根據本發明一實施例之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器的電路結構示意圖。

200．．．電源轉換器

110．．．變壓器

220．．．啟動電路

230．．．自激驅動電路

140．．．穩壓電路

150．．．緩震電路

260．．．電流偵測電阻

270．．．輸入電壓源

280．．．全波整流器

C₃ 、C_dc 、C_zcd 、C_s ．．．電容

D₁ 、D₂ 、D₃ 、D₀ ．．．二極體

D_z1 、D_z2 ．．．齊納二極體

L_lk ．．．漏感

L_m ．．．激磁電感

N_s2 ．．．電壓偵測線圈

N_p ．．．一次側繞組

N_s3 ．．．電壓偵測線圈

N_s1 ．．．二次側繞組

Q．．．控制開關

R₁ 、R₂ 、R_zcd 、R_b ．．．電阻

R_o ．．．負載

R_st ．．．電阻

S．．．功率開關

V_g ．．．電壓

Claims (7)

1. 一種具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器，包含：一變壓器，用以根據一直流電壓來提供電能至一負載，其中該變壓器包含一一次側繞組和一二次側繞組，該一次側繞組具有一第一繞組端點和一第二繞組端點；一整流二極體，電性連接於該變壓器與該負載之間；一功率開關，具有一第一輸入端、一第一輸出端和一第一控制端，其中該第一輸入端係電性連接至該一次側繞組之該第一繞組端點；一啟動電路，電性連接至該功率開關之該第一控制端，用以根據該直流電壓來開啟該功率開關；一電流偵測電路，電性連接至該功率開關之該第一輸出端，用以偵測流過該功率開關之一功率開關電流的電流值；一自激驅動電路，包含一第一電壓偵測線圈，該第一電壓偵測線圈係用以偵測該變壓器之該一次側繞組上的電壓值，其中該自激驅動電路係電性連接至該電流偵測電路和該功率開關之該第一控制端，以根據該功率開關電流的電流值來關閉該功率開關，以及根據該變壓器之該一次側繞組上的電壓值來開啟該功率開關；一緩震電路，包含：一第一電容，用以儲存該變壓器之漏感能量，其中該第一電容具有一第一電容端點和一第二電容端點，該第一電容端點係電性連接至該一次側繞組之該第一繞組端點； 一第二電壓偵測線圈，用以偵測該變壓器之該二次側繞組上的電壓值，以及當該功率開關開啟時，將該第一電容所儲存之漏感能量回授至該直流電壓之一輸入電源和該變壓器，其中該第二電壓偵測線圈具有一第一線圈端點和一第二線圈端點，該第一線圈端點係電性接地；一第一二極體，其中該第一二極體之正極係電性連接至該第二線圈端點，該第一二極體之負極係電性連接至該第一電容之該第二電容端點；以及一第二二極體，其中該第二二極體之正極係電性連接至該第一電容之該第二電容端點，該第二二極體之負極係電性連接至該一次側繞組之該第二繞組端點；一穩壓電路，包含：一第三二極體，其中該第三二極體之正極係電性連接至該第二電壓偵測線圈之該第二線圈端點，以接收該變壓器之該二次側繞組上的電壓值；一第一電阻，具有一第一電阻端點和一第二電阻端點，其中該第一電阻端點係電性連接至該第三二極體之負極，該第二電阻端點係電性接地；以及一第一齊納二極體(Zener diode)，其中該第一齊納二極體之負極係電性連接至該第三二極體之負極，該第一齊納二極體之正極係電性連接至該自激驅動電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有緩震電路之自 激返馳型電源轉換器，其中該自激驅動電路更包含：一第二電容，具有一第三電容端點和一第四電容端點，其中該第三電容端點係電性連接至該第一電壓偵測線圈；一第二電阻，具有一第三電阻端點和一第四電阻端點，其中該第三電阻端點係電性連接至該第四電容端點，該第四電阻端點係電性連接至該功率開關之該第一控制端；一控制開關，具有一第二輸入端、一第二輸出端和一第二控制端，其中該第二控制端係電性連接至該電流偵測電路和該第二電壓偵測線圈，以根據該功率開關電流的電流值和該變壓器之該二次側線圈上的電壓值來開啟或關閉，該第二輸入端係電性連接至該功率開關之該第一控制端，該第二輸出端係電性接地；以及一第三電阻，具有一第五電阻端點和一第六電阻端點，其中該第五電阻端點係電性連接至該電流偵測電路，該第六電阻端點係電性連接至該第二控制端和該第一齊納二極體之正極。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器，其中該啟動電路包含：一第二齊納二極體，其中該第二齊納二極體之正極係電性接地，該第二齊納二極體之負極係電性連接至該功率開關之該第一控制端；以及一第二電阻，具有一第三電阻端點和一第四電阻端點，其中該第三電阻端點係用以接收該直流電壓，該第四 電阻端係電性連接至該第二齊納二極體之負極。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器，其中該穩壓電路更包含：一第二電容，具有一第三電容端點和一第四電容端點，其中該第三電容端點係電性連接至該第三二極體之正極，該第四電容端點係電性接地；以及一第二電阻，電性連接於該第一電阻和該第三二極體之間，其中該第二電阻具有一第三電阻端點和一第四電阻端點，該第三電阻端點係電性連接至該第三二極體之正極，該第四電阻端點係電性連接至該第一電阻之該第一電阻端點和該第一齊納二極體之負極。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器，更包含另一電容，電性並聯至該啟動電路。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器，其中該電流偵測電路包含一第二電阻，該第二電阻之一端係電性連接至該功率開關之該第一輸出端，該該第二電阻之另一端係電性接地。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具有緩震電路之自激返馳型電源轉換器，更包含另一二極體，電性連接於該變壓器之該二次側繞組與該負載之間。