TWI443956B - Zero Voltage Switching DC Power Supply - Google Patents
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- TWI443956B TWI443956B TW100145217A TW100145217A TWI443956B TW I443956 B TWI443956 B TW I443956B TW 100145217 A TW100145217 A TW 100145217A TW 100145217 A TW100145217 A TW 100145217A TW I443956 B TWI443956 B TW I443956B
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Description
本發明係有關於一種零電壓切換直流電源供應器，特別係設有輸入電源連接儲能電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及一組共振槽，共振槽係由共振電感串聯共振電容所組成，該共振槽連接耦合電容及橋式整流器，最後並聯低通濾波器及負載；如此，當功率開關切換時，可達到零電壓切換或零電流切換，同時減少功率開關的切換損失，具有柔性切換的特性及提高操作效率。
目前有許多關於柔性切換轉換器技術，如串聯共振式轉換器(Series-Resonant Converter)、並聯共振式轉換器(Parallel-Resonant Converter)、串並聯共振式轉換器(Series-Parallel Resonant Converter)、Class-E轉換器、半共振式轉換器(Quasi-Resonant Converter)、多共振式轉換器(Multi-Resonant Converter)以及柔式切換(Soft-Switching)轉換器等，都是為了改善傳統PWM轉換器的半導體元件在高頻環境操作下會產生損失的不良影響，以及得到更好的效率，以上各種轉換器都是利用開關元件在切換的時候，以正弦波或半正弦波形式來產生共振，使開關再換相的時候，處於零電流或零電壓的狀態，這樣可以使共振式轉換器在開關上的切換損失或是開關應力上，相較於傳統PWM的硬式轉換器而言，都可以得到明顯的改善。
而本專利所使用的單一開關零電壓切換直流電源供應器，已被成功的運用於直流電源供應器，由於共振式的電路可以使開關在切換的時候，達到零電壓切換或零電流切換，擁有柔性切換的特性，可以有效的降低切換時的損失，相較於傳統型的D類共振式轉換器電路使用兩個切換開關來做切換，更可以降低電路的切換損失，提高電源供應器的轉換效率，將是在直流對直流轉換器上的一個突破；因此，一般傳統需使用兩個開關的D類共振式轉換器來做頻率的切換，但無法達到減少功率開關的切換損失，亦不具有柔性切換的特性，導致轉換器的操作效率極低；緣此，本發明人有鑑於習知存在有如上述之缺失，乃潛心研究、改良，遂得以首先發明本發明。
本發明之主要目的，係在提供一種功率開關切換時，可達到零電壓切換或零電流切換，同時減少功率開關的切換損失，具有柔性切換的特性及提高操作效率之零電壓切換直流電源供應器。
本發明之特徵係在：輸入電源連接儲能電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及一組共振槽，共振槽係由共振電感串聯共振電容所組成，該共振槽連接耦合電容及橋式整流器，最後並聯低通濾波器及負載。
有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技
術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：本發明之實施例，請參閱第一、二圖所示，主要係設有輸入電源V dc
連接儲能電感L S
串聯功率開關S
，再於功率開關S
上並聯分流電容C 1
及一組共振槽1，共振槽1係由共振電感L P
串聯共振電容C 2
所組成，該共振槽1連接耦合電容C 3
及橋式整流器2，橋式整流器2係設有數二極體(D1~D4
)所連接組成，最後並聯低通濾波器3及負載R
，低通濾波器3係設有濾波電感L o
與濾波電容C O
所連接組成。
使用時，請參閱第一、二圖所示，首先在輸入電源V dc
(電源側)輸入一個穩定的直流電壓，經過儲能電感L S
穩定電流後由功率開關S
來控制切換的模式，而分流電容C 1
則儲存能量以及釋放能量給共振槽1，該功率開關S
是採用MOSFET電晶體開關作為主動開關，MOSFET開關內的寄生二極體可以用來配合電路工作模式的動作，共振槽1由共振電感L P
與共振電容C 2
所組成，其輸入端是由分流電容C 1
提供能量，其輸出端是利用橋式整流器2並聯於共振槽1，將高頻交流電轉成直流電，負載R輸入端的低通濾波器3是由濾波電感L o
與濾波電容C o
組成，其低通濾波器3電路參數值的大小可經由電路計算出來，通常這兩個元件的值越大，電路的特性越明顯，經過低通濾波器3將高頻雜訊濾除後，可以得到更穩定的直流電流i O
與輸出電壓V o
給負載R
。
本發明之工作模式分別為：
一、工作模式一(ωt 0 ωt
<ωt 1
)，如第三圖所示：當驅動電壓V GS
從低電位轉成高電位的時候，功率開關S
導通，並聯於功率開關S
的分流電容電流為零，所以分流電容C 1
上並沒有電流流過，由於小於零，所以反向流經功率開關S
，這時候功率開關S
上的電流i S
也從負值開始上升，因共振電容電壓跨壓在橋式整流器2上的二極體D 2
、D 4
上，所以二極體D 2
、D 4
為截止狀態，另一組二極體D 1
、D 3
並沒有跨壓，這時候由於共振電容電流加上輸出電流I O
等於共振電感電流，所以輸出電流i O
經過二極體D 1
、D 3
形成順向偏壓而導通，當上升至零的時候進入工作模式二。
二、工作模式二(ωt 1 ωt
<ωt 2
)，如第四圖所示：當驅動電壓V GS
為高電位的時候，功率開關S
導通，分流電容電流i C
1
為零，分流電容C 1
上並沒有電流，功率開關S
上的電流i S
從零開始上升，儲能電感電流經由功率開關S
流回輸入電源V dc
，由於共振電容電壓跨在橋式整流器2上的二極體D 2
、D 4
上，所以二極體D 2
、D 4
截止，而另一組二極體D 1
、D 3
並沒有跨壓，在這時候共振電容電流加上輸出電流i O
等於共振電感電流，所以輸出電流i O
流經二極體D 1
、D 3
，使得二極體D 1
、D 3
形成順向偏壓而導通，當共振槽1之共振電容電流共振至零的時候進入工作模式三。
三、工作模式三(ωt 2 ωt
<ωt 3
)，如第五圖所示：當驅動電壓V GS
維持在高電位時，功率開關S
導通，電流值大於零，所以電流流經功率開關S
，而並聯於功率開關S
上的分流電容電流為零，所以分流電容C 1
上並無電流流過，由於共振電容電壓跨壓在橋式整流器2上的二極體D 2
、D 4
上，所以二極體D 2
、D 4
呈截止狀態，另一組二極體D 1
、D 3
並沒有跨壓，這時候由於共振電容電流加上輸出電流i O
等於共振電感電流，所以輸出電流i O
流經二極體D 1
、D 3
，使得二極體D 1
、D 3
形成順向偏壓而導通，而共振電容C 2
經過功率開關S
上的寄生二極體流回共振槽1形成迴路，當共振槽1之共振電感電流共振至零的時候進入工作模式四。
四、工作模式四(ωt 3 ωt
<ωt 4
)，如第六圖所示：當驅動電壓V GS
維持在高電位時，功率開關S
導通，電流值大於零，所以電流流經功率開關S
，而並聯於功率開關S
上的分流電容電流為零，所以分流電容C 1
上並無電流流過，由於共振電容電壓跨在橋式整流器2上的二極體D 2
、D 4
，所以二極體D 2
、D 4
呈現截止狀態，另一組二極體D 1
、D 3
並沒有跨壓，這時候共振電感電流為共振電容電流加上輸出電流i O
，電流流過二極體D 1
、D 3
形成順向偏壓而導通流回共振槽1，共振電感電流為反向流經過功率開關S
流回共振電容C 2
，當耦合電容電流下降至負
的時候進入工作模式五。
五、工作模式五(ωt 4 ωt
<ωt 5
)，如第七圖所示：當驅動電壓V GS
維持在高電位時，功率開關S
導通，流經功率開關S
，分流電容C 1
上並沒有電流，由於共振電容電壓小於零，所以二極體D 1
、D 3
呈現截止狀態，另一組二極體D 2
、D 4
呈現導通狀態，這時候共振電感電流為共振電容電流減輸出電流i O
，電流流過二極體D 2
、D 4
形成順向偏壓而導通流回共振槽1，共振電感電流反向流經過功率開關S
流回共振電容C 2
，當驅動電壓V GS
從高電位轉換成低電位的時候進入工作模式六。
六、工作模式六(ωt 5 ωt
<ωt 6
)，如第八圖所示：當驅動電壓V GS
從高電位轉為低電位時，功率開關S
截止，功率開關電流i S
為零，因功率開關S
截止的時候，使功率開關電流i S
流經功率開關S
路徑形成斷路，電流值大於零，分流電容電壓由零開始上升，電流流經分流電容C 1
開始對分流電容C 1
充電，分流電容電壓從零開始上升，共振電容電壓小於零，所以二極體D 1
、D 3
呈截止狀態，另一組二極體D 2
、D 4
導通，這時候的共振電感電流為共振電容電流減輸出電流i O
，電流流經二極體D 2
、D 4
流回共振槽1，當共振電容電流由負值上升至零的時候進入工作模式七。
七、工作模式七(ωt 6 ωt
<ωt 7
)，如第九圖所示：
當驅動電壓V GS
維持在低電位時，功率開關S
截止，功率開關電流i S
為零，電流值大於零，分流電容電壓持續提升，電流流經分流電容C 1
繼續對分流電容C 1
充電，由於共振電容電壓小於零，所以二極體D 1
、D 3
呈截止狀態，這時候共振電感電流為共振電容電流減輸出電流i O
，電流流經二極體D 2
、D 4
流回共振槽1，當共振電感電流共振至零的時候，進入工作模式八。
八、工作模式八(ωt 7 ωt
<ωt 8
)，如第十圖所示：當驅動電壓V GS
為低電位時，功率開關S
截止，功率開關S
上並無電流，電流大於零，所以持續對分流電容C 1
充電，電壓跨在橋式整流器2的二極體D 1
、D 3
上，二極體D 1
、D 3
截止，另一組二極體D 2
、D 4
導通，這時候的共振電感電流大於零，電流經過二極體D 2
、D 4
流回共振槽1，加上共振電感電流等於共振電容電流，正向的流過共振槽1的共振電容C 2
，當分流電容電壓上升到最高值的時候，電流下降至零的時候進入工作模式九。
九、工作模式九(ωt 8 ωt
<ωt 9
)，如第十一圖所示：當驅動電壓V GS
為低電位時，功率開關S
截止，功率開關S
上並無電流，電流下降至小於零，電流反向流過共振槽1，分流電容電壓開始下降，開始對共振槽1放電，電壓跨在橋式整流器2的二極體D 1
、D 3
上，所以二極體D 1
、D 3
截止，電流經過二極體D 2
、D 4
流回共振槽1，當
耦合電容電流上升至正值的時候進入工作模式十。
十、工作模式十(ωt 9 ωt
<ωt 10
)，如第十二圖所示：當驅動電壓V GS
維持在低電位時，功率開關S
截止，功率開關電流i S
為零，電流值為負值，分流電容電壓維持下降狀態，共振電容電壓大於零，因共振電容電壓跨壓在橋式整流器2的二極體D 2
、D 4
上，所以二極體D 2
、D 4
呈截止狀態，另一組二極體D 1
、D 3
並無跨壓，所以電流流經二極體D 1
、D 3
，使得二極體D 1
、D 3
形成順向偏壓而導通，當分流電容電壓下降至零的時候，驅動電壓V GS
從低電位轉換成高電位，這時候的功率開關S
切換導通後回到工作模式一，完成一週工作週期的循環；此工作模式中只需要一個雙向的導通開關，在此電路中是使用MOSFET的電晶體開關作為切換開關，由於MOSFET內部就有一個寄生的二極體，所以不須要再另外並聯一個二極體，可以減少電路使用的元件，因為當開關在切換導通與截止時，分流電容電壓都是由零開始上升或是下降至零，都是在零的時候才做切換的動作，所以開關在截止與導通時並無跨有電壓，達到了零電壓切換，降低了開關在切換上的切換損失，具有柔性切換的特性。
而驅動電壓V GS
與分流電容電壓實測波形圖，如第十三圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：10V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；
而共振電容電壓與共振電感電流實測波形圖，如第十四圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而共振電容電壓與共振電容電流實測波形圖，如第十五圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而分流電容電壓與功率開關電流i S
實測波形圖，如第十六圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而分流電容電壓與分流電容電流實測波形圖，如第十七圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而共振槽1前端電壓v a
與輸出電壓v b
實測波形圖，如第十八圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；而耦合電容電壓與耦合電容電流實測波形圖，如第十九圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：10V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而二極體D 1
、D 3
上之電壓與電流實測波形圖，如第二十圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而二極體D 2
、D 4
上之電壓與電流實測波形
圖，如第二十一圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而儲能電感電壓與儲能電感電流實測波形圖，如第二十二圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div；而共振電感電壓與共振電感電流實測波形圖，如第二十三圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div；而濾波電感電壓與濾波電感電流實測波形圖，如第二十四圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div；而負載R並聯濾波電容電壓與濾波電容電流實測波形圖，如第二十五圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div；而輸出電壓v O
與輸出電流i O
實測波形圖，如第二十六圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div；而整流器輸入電壓v C
與耦合電容電流實測波形圖，如第二十七圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：2A/div。
本發明的零電壓切換直流電源供應器常被使用在直流對直流轉換器的電路中，由於操作在高頻環境下，擁有電路體積小、低成本及重量輕等優點，有別於傳統的D類半橋式共振電路的兩顆開關，而本發明所提的零電壓切換直流電源供應器電路只需要單一顆開關，可以減少掉一顆開
關上的切換損失，控制電路在製作上相較容易得多，也可以節省成本，而電路具有柔性切換的特性，使切換的時候可以達到零電壓的切換狀態，也因為使用並聯負載，所以擁有特性阻抗及切換頻率可調整的特性，讓電路多了一些彈性調整空間，可以調整不同的元件參數與頻率達到不同的效果，所以本發明對傳統共振式轉換器加以改變，將輸出端增加一組橋式整流器2與低通濾波器3後，產生一個高效率的零電壓切換直流對直流轉換器，因為開關操作於零電壓切換，所以開關在做切換的時候損失減少，使直流電源供應器電路整體的效率大為提升。
綜上所述，本發明實施例確實已能達到所預期之目的及使用功效，且未見有相同結構特徵公知、公用在先者，故本發明當能符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，懇請早日審結，並核賜專利，實深任感荷。
1‧‧‧共振槽
2‧‧‧橋式整流器
3‧‧‧低通濾波器
V dc
‧‧‧輸入電源
L S
‧‧‧儲能電感
S
‧‧‧功率開關
C 1
‧‧‧分流電容
L P
‧‧‧共振電感
C 2
‧‧‧共振電容
C 3
‧‧‧耦合電容
D1、D2、D3、D4
‧‧‧二極體
L o
‧‧‧濾波電感
C O
‧‧‧濾波電容
R
‧‧‧負載
‧‧‧儲能電感電流
i S
‧‧‧功率開關電流
‧‧‧共振電感電流
‧‧‧分流電容電流
‧‧‧共振電容電流
‧‧‧耦合電容電流
‧‧‧二極體電流
‧‧‧濾波電感電流
‧‧‧濾波電容電流
i O
‧‧‧輸出電流
V GS
‧‧‧驅動電壓
‧‧‧分流電容電壓
‧‧‧共振電容電壓
‧‧‧耦合電容電壓
v a
‧‧‧共振槽前端電壓
v b
‧‧‧共振槽輸出電壓
‧‧‧二極體電壓
‧‧‧儲能電感電壓
‧‧‧共振電感電壓
‧‧‧濾波電感電壓
‧‧‧濾波電容電壓
v O
‧‧‧輸出電壓
v C
‧‧‧整流器輸入電壓
第一圖所示係為本發明實施例之電路圖。
第二圖所示係為本發明實施例之方塊圖。
第三圖所示係為本發明實施例工作模式一之等效電路圖。
第四圖所示係為本發明實施例工作模式二之等效電路圖。
第五圖所示係為本發明實施例工作模式三之等效電路圖。
第六圖所示係為本發明實施例工作模式四之等效電路圖。
第七圖所示係為本發明實施例工作模式五之等效電路圖。
第八圖所示係為本發明實施例工作模式六之等效電路圖。
第九圖所示係為本發明實施例工作模式七之等效電路圖。
第十圖所示係為本發明實施例工作模式八之等效電路圖。
第十一圖所示係為本發明實施例工作模式九之等效電路圖。
第十二圖所示係為本發明實施例工作模式十之等效電路圖。
第十三圖所示係為本發明實施例驅動電壓V GS
與分流電容電壓實測波形圖。
第十四圖所示係為本發明實施例共振電容電壓與共振電感電流實測波形圖。
第十五圖所示係為本發明實施例共振電容電壓與共振電容電流實測波形圖。
第十六圖所示係為本發明實施例分流電容電壓與功率開關電流i S
實測波形圖。
第十七圖所示係為本發明實施例分流電容電壓與分流電容電流實測波形圖。
第十八圖所示係為本發明實施例共振槽1前端電壓v a
與輸出電壓v b
實測波形圖。
第十九圖所示係為本發明實施例耦合電容電壓與耦合電容電流實測波形圖。
第二十圖所示係為本發明實施例二極體D 1
、D 3
上之電壓與電流實測波形圖。
第二十一圖所示係為本發明實施例二極體D 2
、D 4
上之電壓與電流實測波形圖。
第二十二圖所示係為本發明實施例儲能電感電壓與儲能電感電流實測波形圖。
第二十三圖所示係為本發明實施例共振電感電壓與共振電感電流實測波形圖。
第二十四圖所示係為本發明實施例濾波電感電壓與濾
波電感電流實測波形圖。
第二十五圖所示係為本發明實施例負載R
並聯濾波電容電壓與濾波電容電流實測波形圖。
第二十六圖所示係為本發明實施例輸出電壓v O
與輸出電流i O
實測波形圖。
第二十七圖所示係為本發明實施例整流器輸入電壓v C
與耦合電容電流實測波形圖。
1‧‧‧共振槽
2‧‧‧橋式整流器
3‧‧‧低通濾波器
V dc
‧‧‧輸入電源
L S
‧‧‧儲能電感
S
‧‧‧功率開關
C 1
‧‧‧分流電容
L P
‧‧‧共振電感
C 2
‧‧‧共振電容
C 3
‧‧‧耦合電容
D1、D2、D3、D4
‧‧‧二極體
L o
‧‧‧濾波電感
C O
‧‧‧濾波電容
R
‧‧‧負載
‧‧‧儲能電感電流
i S
‧‧‧功率開關電流
‧‧‧共振電感電流
‧‧‧分流電容電流
‧‧‧共振電容電流
‧‧‧耦合電容電流
‧‧‧二極體電流
‧‧‧濾波電感電流
‧‧‧濾波電容電流
i O
‧‧‧輸出電流
‧‧‧分流電容電壓
‧‧‧共振電容電壓
‧‧‧耦合電容電壓
v a
‧‧‧共振槽前端電壓
v b
‧‧‧共振槽輸出電壓
‧‧‧二極體電壓
‧‧‧儲能電感電壓
‧‧‧共振電感電壓
‧‧‧濾波電感電壓
‧‧‧濾波電容電壓
v O
‧‧‧輸出電壓
v C
‧‧‧整流器輸入電壓
Claims (1)
- 一種零電壓切換直流電源供應器，主要係設有輸入電源連接儲能電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及一組共振槽，共振槽係由共振電感串聯共振電容所組成，該共振槽連接耦合電容及橋式整流器，最後並聯低通濾波器及負載；如此，當功率開關切換時，可達到零電壓切換或零電流切換，同時減少功率開關的切換損失，具有柔性切換的特性及提高操作效率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100145217A TWI443956B (zh) | 2011-12-08 | 2011-12-08 | Zero Voltage Switching DC Power Supply |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100145217A TWI443956B (zh) | 2011-12-08 | 2011-12-08 | Zero Voltage Switching DC Power Supply |
Publications (2)
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