TWI462448B - 電源轉換器以及電源轉換器的控制方法 - Google Patents

Description

電源轉換器以及電源轉換器的控制方法

本發明係關於電源轉換，尤指一種可操作於連續導通模式並且實現零電壓切換的返馳式電源轉換器及其相關的控制方法。

由於返馳式電源轉換器(flyback power converter)具有較為簡單的電路架構以及較高的電源轉換效率，現今已廣泛應用於各式電路設計中，然而，返馳式電源轉換器所輸出的電壓具有較大的漣波，因此，其受限於輸出功率較小的應用範圍。請一併參閱第1圖及第2圖，第1圖係為傳統的返馳式電源轉換器100的示意圖，以及第2圖係為第1圖所示之返馳式電源轉換器100之訊號時序圖。如第1圖所示，一輸入電壓V_IN透過一變壓器130來產生一輸出電壓V_OUT，其中一控制單元150係控制一主切換開關元件(main switch element)110及一輔助切換開關元件(auxiliary switch element)120之切換，變壓器152則是用來在主切換開關元件110及輔助切換開關元件120之間進行隔離，以及二次側(secondary side)電流I_S會透過一二極體(diode)140及一電容器142來輸出。主切換開關元件110包含一電晶體(transistor)111，其中電晶體111具有耦接於電晶體111之汲極(drain)與源極(source)之間的一體二極體(body diode)112以及一雜散電容(stray capacitance)113，另外，做為主動箝制電路(active clamping circuit)之用的輔助切換開關元件120包含一電晶體121，其中電晶體121具有耦接於電晶體121之汲極與源極之間的一體二極體122以及一雜散電容123。由第2圖可知，在主切換開關元件110關閉時(亦即，電壓V_P為低電壓準位)，返馳式電源轉換器100藉由輔助切換開關元件120(由電壓V_A來控制)來吸收變壓器130之漏感(leakage inductance)的能量(儲存至電容器125)以降低電壓V_D之電壓突波(voltage spike)，進而使返馳式電源轉換器100於連續導通模式(continuous conduction mode，CCM)之操作下實現零電壓切換(zero voltage switching，ZVS)，以達成提高電源轉換效率的目的。

值得注意的是，由第2圖可知，在主切換開關元件110關閉的期間，電流I_A來回流過變壓器130兩次，並且電流I_A與時間軸所圍成的面積A1相當大，相較於主切換開關元件110開啟時，電流I_M與時間軸所圍成的面積A2還要大，因此，造成變壓器130之一次側線圈(primary winding)的負擔，此外，由電壓V_D的波形可知，變壓器130之一次側(primary side)電路於主切換開關元件110關閉的期間持續有電流流動，換言之，返馳式電源轉換器100會因為環流(circulating current)的關係而消耗能量，故即便實現零電壓切換以提升效率，所節省的能量仍可能因為產生環流而被抵消掉。再者，二次側電流(亦即，電流I_S)會出現相位移(phase shifting)，造成電流I_S於主切換開關元件110關閉的期間係逐漸增加，接著於輔助切換開關元件120關閉時突然下降，因此，電流I_S的有效值會增加，使得變壓器130之二次側同步整流電路(synchronous rectifier circuit)中電路元件的功率消耗隨之增加。

簡言之，傳統的返馳式電源轉換器100存在主動箝制電路之環流過大以及二次側電流相位移等問題，其中環流過大將造成導通損失過高，而二次側電流相位移則會造成二次側的開關元件產生較高的電壓突波，導致切換損失較大以及整體的轉換效率不佳，也就是說，並未達到提升效率最主要目的。

因此，需要一種創新的電源轉換器，其可於連續導通模式之操作下實現零電壓切換，並可解決上述能量損耗的問題。

有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種可操作於連續導通模式並且實現零電壓切換的返馳式電源轉換器及其相關的控制方法，以解決上述能量損耗的問題。

依據本發明之一實施例，其揭示一種電源轉換器。該電源轉換器包含一輸出單元、一第一變壓器、一開關單元以及一處理單元。該輸出單元係用以輸出一轉換電壓。該第一變壓器包含一一次側線圈以及一二次側線圈。該一次側線圈係耦接於一輸入電壓與一第一端點之間。該二次側線圈係耦接於該輸出單元。該開關單元係耦接於該第一端點及一第二端點之間，用以控制該一次側線圈之磁通量的方向。該處理單元係耦接於該輸入電壓及該第一端點之間，用以於該開關單元處於一關閉狀態時，經由一第一路徑來接收該第一端點之一第一感應電壓與儲存該第一感應電壓之一感應能量，並同時隔絕該第一感應電壓自不同於該第一路徑之一第二路徑饋入，接著經由該第二路徑來釋放所儲存之該感應能量，其中該第一感應電壓係因應該開關單元由一開啟狀態切換至該關閉狀態而產生。

依據本發明之一實施例，其揭示一種應用於一電源轉換器的控制方法。該電源轉換器包含一輸出單元、一第一變壓器、一開關單元以及一處理單元。該輸出單元係用以輸出一轉換電壓。該第一變壓器包含一一次側線圈以及一二次側線圈。該一次側線圈係耦接於一輸入電壓與一第一端點之間。該二次側線圈係耦接於該輸出單元。該開關單元係耦接於該第一端點及一第二端點之間，用以控制該一次側線圈之磁通量的方向。該控制方法包含：當該開關單元處於一關閉狀態時，經由一第一路徑來接收該第一端點之一第一感應電壓與儲存該第一感應電壓之一感應能量，並同時隔絕該第一感應電壓自不同於該第一路徑之一第二路徑饋入；以及經由該第二路徑來釋放所儲存之該感應能量至該第一端點。其中該第一感應電壓係因應該開關單元由一開啟狀態切換至該關閉狀態而產生。

本發明之電源轉換器可應用於電源供應器的電源電路，其係利用局部箝制的概念，可抑制電源轉換器之中產生的電壓突波、實現出零電壓切換之高轉換效率的特性，以及克服傳統的返馳式電源轉換器僅應用於小功率電源電路的限制。

本發明電源轉換器的概念在於利用局部箝制的方式，透過不同的電路傳輸路徑來同時隔絕及迅速地儲存該電源轉換器所產生之電壓突波，接著再將所儲存的能量釋放，不僅抑制電壓突波對轉換效率的影響，進而回收所儲存的能量，故大幅提升該電源轉換器的效率。進一步的說明如下。

請參閱第3圖，第3圖係為本發明一廣義電源轉換器之功能方塊的示意圖。電源轉換器300包含一輸出單元310、一第一變壓器TX1、一開關單元(switch unit)320以及一處理單元330，其中第一變壓器TX1包含一一次側線圈L1以及一二次側線圈(secondary winding)L2。一次側線圈L1係耦接於一輸入電壓V_IN與一第一端點N1之間，以及二次側線圈L2係耦接於輸出單元310。開關單元320係耦接於第一端點N1及一第二端點N2之間，用以控制一次側線圈L1之磁通量的方向，也就是說，藉由開關單元320的切換，輸入電壓V_IN可透過第一變壓器TX1來將相對應的一轉換電壓V_OUT於輸出單元310輸出。由於當開關單元320由一開啟狀態(ON state)切換至一關閉狀態(OFF state)時，會隨之產生一第一感應電壓V_D，因此，處理單元330係耦接於輸入電壓V_IN及第一端點N1之間，用以於開關單元320處於該關閉狀態時，經由一第一路徑PA1(位於處理單元330之中)來接收第一端點N1之第一感應電壓V_D與儲存第一感應電壓V_D之一感應能量，並同時隔絕第一感應電壓V_D自不同於第一路徑PA1之一第二路徑PA2(位於處理單元330之中)饋入，接著經由第二路徑PA2來釋放所儲存之該感應能量，此外，上述之該感應能量係得自於第一變壓器TX1內部線圈之漏感能量，可產生一電壓突波於第一端點N1。處理單元330的電路細節將於後詳述。

請注意，在處理單元330可於第一路徑PA1迅速地接收第一感應電壓V_D並儲存該感應能量，以及第一感應電壓V_D可持續被隔絕於第二路徑PA2的情形下，由於在該感應能量被釋放之前，流經第一變壓器TX1之一次側電路的電流大致為零，故大幅減少電源轉換器300之能量損耗。於一實作範例中，一旦開關單元320由該開啟狀態切換至該關閉狀態時，處理單元330係立即儲存該感應能量，以及在處理單元330釋放該感應能量之後，處理單元330係於開關單元320即將由該關閉狀態切換至該開啟狀態時關閉，因此，可實作出零電壓切換。簡言之，處理單元330接收第一感應電壓V_D並儲存該感應能量之時間與處理單元330釋放該感應能量之時間的一總和係小於開關單元320處於該關閉狀態的時間；開關單元320即將由該關閉狀態切換至該開啟狀態時，第一端點N1及第二端點N2之間的一電壓差大致為零；以及處理單元330釋放該感應能量的時間與開關單元320處於該開啟狀態的時間互不重疊。

請參閱第4圖，第4圖係為第3圖所示之電源轉換器300的一實作範例的示意圖。輸出單元310包含(但並不侷限於)一二極體D1以及一電容器C1。二極體D1係耦接於第一變壓器TX1之二次側線圈L2與轉換電壓V_OUT之間，以及電容器C1係耦接於轉換電壓V_OUT，其中二極體D1及電容器C1係以串聯方式跨接於二次側線圈L2。開關單元320包含(但並不侷限於)一電晶體M1，其中一次側線圈L1之磁通量的方向可利用對電晶體M1進行切換來控制。處理單元330包含(但並不侷限於)一電容器C2、一輔助開關432、一二極體D2以及一齊納二極體(Zener diode)ZD1。電容器C2係耦接於輸入電壓V_IN與一第三端點N3之間；輔助開關432係耦接於第三端點N3與一第四端點N4之間；二極體D2係耦接於第一端點N1與第三端點N3之間；以及齊納二極體ZD1係耦接於第一端點N1與第四端點N4之間。於此實作範例中，二極體D2設置於上述之第一路徑PA1，用以於開關單元320(例如，電晶體M1)由該開啟狀態切換至該關閉狀態時，接收第一感應電壓V_D並將該感應能量儲存至電容器C2，此外，齊納二極體ZD1設置於上述之第二路徑PA2，用以於開關單元320(例如，電晶體M1)切換為該關閉狀態時，隔絕第一感應電壓V_D。請注意，於此實作範例中，輔助開關432係於開關單元320(例如，電晶體M1)關閉之後開啟、輔助開關432係於開關單元320(例如，電晶體M1)開啟之前關閉，以及處理單元330係於輔助開關432開啟的期間，釋放該感應能量；此外，輔助開關432可藉由一電晶體M2來加以實作(但本發明並不侷限於此)。具體來說，第一路徑PA1可視為由第一端點N1、二極體D2與第三端點N3所構成，以及第二路徑PA2可視為由第一端點N1、齊納二極體ZD1、第四端點N4、電晶體M2與第三端點N3所構成。此外，由上述可知，開關單元320(例如，電晶體M1)處於該關閉狀態的一特定期間(例如，二極體D2將該感應能量儲存至電容器C2之後以及電晶體M2導通以釋放該感應能量至第一端點N1之前的某個時段)內，輔助開關432(例如，電晶體M2)、二極體D2及齊納二極體ZD1均未有電流係經其中，也就是說，第一路徑PA1及第二路徑PA2在該特定期間內不會有電流流過，故可解決傳統電源轉換器會因為環流而造成能量損耗的問題。

於一實施例中，第3圖所示之電源轉換器300另可包含一控制單元，其中該控制單元可用來控制處理單元330對第一感應電壓V_D及該感應能量進行處理的時機。請參閱第5A圖，第5A圖係為本發明電源轉換器之一實施例的示意圖，其中電源轉換器500係基於第3圖所示之電源轉換器300之架構，而主要的差別在於：電源轉換器500另包含一控制單元540，其中控制單元540係耦接處理單元330。由於電源轉換器500係利用儲存及釋放該感應能量來減少能量損耗以達到提升效率的目的，因此，釋放該感應能量的時間長短可由該感應能量的大小來決定，其中該感應能量的大小係對應於轉換電壓V_OUT以及第一感應電壓V_D。於此實施例中，控制單元540係用以依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來決定處理單元330釋放所儲存之該感應能量的時間長短。於一設計變化中，控制單元540亦可依據第一感應電壓V_D來決定處理單元330釋放該感應能量的時間長短。

於另一實施例中，第3圖所示之電源轉換器300另可包含一控制單元，其中該控制單元可依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來控制開關單元320的切換。請參閱第5B圖，第5B圖係為本發明電源轉換器之另一實施例的示意圖，其中電源轉換器502係基於第3圖所示之電源轉換器300之架構，主要的差別在於電源轉換器502另包含一控制單元542，其中控制單元542係耦接開關單元320，以及控制單元540係依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來控制開關單元320的開啟及關閉。一般來說，控制一切換開關的訊號可為一脈波訊號，因此，於此實施例中，控制單元542可包含一脈衝寬度調變控制器(pulse width modulation controller，PWM controller)543，其係用以依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來產生一第一控制訊號S_C1，以控制開關單元310的開啟及關閉。

請參閱第6圖，第6圖係為本發明另一廣義的電源轉換器的示意圖，其中電源轉換器600係基於第4圖、第5A圖及第5B圖所示之電源轉換器的架構。電源轉換器600包含第4圖所示之輸出單元310、第一變壓器TX1、處理單元330及開關單元320，並另包含一控制單元640以及一回授單元650。值得注意的是，於此實施例中，開關單元320及處理單元330均可由控制單元640來控制，此外，控制單元640透過回授單元650來取得對應轉換電壓V_OUT的訊號。控制單元640包含一脈衝寬度調變控制器643以及一脈衝寬度調變產生器(pulse width modulation generator，PWM generator)646。回授單元650係耦接於輸出單元310與脈衝寬度調變控制器643之間，用以依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來產生一回授訊號S_F，因此，脈衝寬度調變控制器643可依據回授訊號S_F來產生一第一控制訊號S_C1，並據以控制開關單元310的開啟及關閉。脈衝寬度調變產生器646係耦接於脈衝寬度調變控制器643以及處理單元330，用以依據第一控制訊號S_C1及第一感應電壓V_D來產生一第二控制訊號S_C2，以控制處理單元330對第一感應電壓V_D進行處理。如上所述，處理單元330釋放該感應能量的時間長短可由該感應能量的大小來決定，其中該感應能量的大小係對應於轉換電壓V_OUT以及第一感應電壓V_D，因此，於一設計變化中，脈衝寬度調變產生器646亦可依據轉換電壓V_OUT來控制處理單元330對第一感應電壓V_D進行處理。值得注意的是，回授單元650係為選擇性的(optional)元件，換言之，控制單元640亦可直接依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來進行控制操作。

簡言之，當電晶體M1截止時，第一變壓器TX1內部線圈之漏感所儲存的該感應能量，會立即經由二極體D2釋放到電容器C2儲存，藉此消除因為該感應能量(亦即，漏感能量)而產生的電壓突波，此外，在電晶體M1截止的期間，齊納二極體ZD1係用來隔絕第一感應電壓V_D由第一端點N1饋入至電晶體M2。接下來，控制單元640可依據輸出單元310所輸出的功率高低(例如，轉換電壓V_OUT的高低及/或該感應能量的大小)而產生相對應時間長度的脈波(pulse)來驅動電晶體M1，將該感應能量釋放回第一變壓器TX1，並傳遞至二次側之輸出單元310以供輸出，也同時產生零電壓切換現象以提高轉換效率，此外，電晶體M1導通時間短，故電源轉換器600所損失的能量也會比較少。

請參閱第7圖，第7圖係為本發明電源轉換器之另一實施例的示意圖。於此實施例中，電源轉換器700包含第4圖所示之第一變壓器TX1、輸出單元310、開關單元320以及處理單元330之中的複數個電路元件，此外，電源轉換器700另包含第6圖所示之控制單元640及回授單元650，其中控制單元640包含脈衝寬度調變控制器643及脈衝寬度調變產生器646。本實施例中，脈衝寬度調變控制器643包含一延遲電路(delay circuit)744以及一脈衝寬度調變控制電路(pulse width modulation control circuit，PWM control circuit)745。延遲電路744係耦接於開關單元320(亦即，電晶體M1)，脈衝寬度調變控制電路745則耦接於延遲電路744，用以依據回授單元650所輸出之回授訊號S_F來產生第一控制訊號S_C1予延遲電路744，其中延遲電路744係依據第一控制訊號S_C1來產生一延遲控制訊號S_D以控制開關單元320(亦即，電晶體M1)的開啟及關閉，此外，於一設計變化中，脈衝寬度調變控制電路745亦可直接依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來產生第一控制訊號S_C1予延遲電路744。於此實作範例中，回授單元650可包含一光耦合電路752(photo-coupler circuit)，用來提升回授訊號S_F的訊號品質。

此外，第一變壓器TX1另包含一輔助線圈LA，其位於第一變壓器TX1之中與一次側線圈L1相同的一側，以及脈衝寬度調變產生器646包含一感應電路(sensing circuit)747、一同步電路(synchronization circuit)748以及一脈衝寬度調變產生電路(pulse width modulation generation circuit，PWM generation circuit)749。感應電路747係用以透過輔助線圈LA來感應第一感應電壓V_D，並據以產生一第二感應電壓V_P；同步電路748係耦接於脈衝寬度調變控制器643，用以依據第一控制訊號S_C1來產生一同步訊號S_S；以及脈衝寬度調變產生電路749係耦接於處理單元330、感應電路747及同步電路748，用以依據第二感應電壓V_P及同步訊號S_S來產生第二控制訊號S_C2，以控制處理單元330隔絕第一感應電壓V_D的時間及釋放所儲存之該感應能量的時間。當第二感應電壓V_P降低至一預定電壓值時(其意味著轉換電壓V_OUT已持續下降，電源轉換器700準備進入下一驅動週期(drive cycle))，脈衝寬度調變產生電路749會控制處理單元330開始釋放所儲存之該感應能量至一次側線圈L1，以及當該感應能量釋放完畢時，脈衝寬度調變產生電路749依據同步訊號S_S來停止處理單元330處理第一感應電壓V_D，以及開關單元320依據第一控制訊號S_C1來由該關閉狀態切換至該開啟狀態。

請參閱第8圖，第8圖係為第7圖所示之電源轉換器700之一實作範例的示意圖。由第8圖可知，感應電路747包含(但本發明並不侷限於此)一雙載子電晶體(bipolar junction transistor，BJT)Q1、一電阻性元件R1、一電阻性元件R2、一齊納二極體ZD2以及一電容器C3。雙載子電晶體Q1，具有一集極(collector)、一基極(base)及一射極(emitter)；電阻性元件R1係耦接於雙載子電晶體Q1之該射極；電阻性元件R2係耦接於雙載子電晶體Q1之該基極；齊納二極體ZD2係耦接於雙載子電晶體Q1之該基極，用以箝制第二感應電壓V_P；以及電容器C3係耦接於齊納二極體ZD2，用以儲存第二感應電壓V_P。

於此實施例中，同步電路748包含(但本發明並不侷限於此)一電阻性元件R3、一電容器C4、一第二變壓器TX2、一二極體D3以及一電阻性元件R4。電阻性元件R3係耦接於脈衝寬度調變控制器643，用以接收第一控制訊號S_C1；電容器C4係耦接於電阻性元件R3；第二變壓器TX2具有一第一線圈L21以及一第二線圈L22，其中第一線圈L21耦接於電容器C4，以及第一線圈L21依據第一控制訊號S_C1來於第二線圈L22產生一同步感應電壓V_S；二極體D3係耦接於第二線圈L22，用以接收同步感應電壓V_S；以及電阻性元件R4係耦接於二極體D3，用以依據同步感應電壓V_S來產生同步訊號S_S。

此外，脈衝寬度調變產生電路749包含(但本發明並不侷限於此)一電容器C5、複數個雙載子電晶體Q2～Q5，以及複數個電阻性元件R5～R8，其中雙載子電晶體Q2～Q5係分別具有一集極、一基極及一射極。上述之複數個電路元件的耦接關係如下：電容器C5係耦接於第二感應電壓V_P、雙載子電晶體Q3之集極係耦接於雙載子電晶體Q2之基極、雙載子電晶體Q3之射極係耦接於處理單元330、雙載子電晶體Q4之射極係耦接於雙載子電晶體Q3之射極、雙載子電晶體Q4之基極係耦接於雙載子電晶體Q3之基極、雙載子電晶體Q5之集極係耦接於雙載子電晶體Q4之基極、雙載子電晶體Q5之基極係耦接於雙載子電晶體Q2之集極、電阻性元件R5係耦接於第二感應電壓V_P與雙載子電晶體Q4之基極之間、電阻性元件R6係耦接於雙載子電晶體Q5之基極與雙載子電晶體Q5之射極之間、電阻性元件R7係耦接於雙載子電晶體Q2之射極，以及電阻性元件R8係耦接於電阻性元件R7與電容器C5之間，此外，雙載子電晶體Q3之射極係用以輸出第二控制訊號S_C2，以及雙載子電晶體Q5之基極係用以接收同步訊號S_S。

於此實施例中，回授單元650除了包含第7圖所示之光耦合電路752之外，另包含(但本發明並不侷限於此)一回授電路754，其中回授電路754包含一電阻性元件R9、一電阻性元件R10、一齊納二極體ZD3、一電容器C6以及一第三電阻性元件R11。電阻性元件R9係耦接於光耦合電路752與一端點NA之間、電阻性元件R10係耦接於光耦合電路752與一端點NB之間、齊納二極體ZD3係耦接於端點NA與一接地端之間、電容器C6係耦接於端點NA與端點NB之間，以及電阻性元件R11係耦接於端點NB與該接地端之間。另外，電源轉換器800另包含複數個二極體D4及D5，其中二極體D4係耦接於輔助線圈LA與雙載子電晶體Q5之射極之 間，以及二極體D5係耦接於輔助線圈LA與電阻性元件R7之間。

請連同第9圖來參閱第8圖。第9圖係為第8圖所示之電源轉換器800之訊號時序圖。在時間T1與時間T2之間，電源轉換器800係操作於一驅動週期，換言之，電晶體M1係處於導通狀態(亦即，開關單元320處於該開啟狀態)，以及第一端點N1與第二端點N2之間的一電壓差V_DS及二次側電流I_OUT均為零，此外，第二感應電壓V_P會被齊納二極體ZD2箝制住，其相對應的能量也會被儲存在電容器C3。

在時間T2與時間T3之間，電晶體M1係由導通狀態切換至截止狀態時，第一變壓器TX1內部線圈之漏感所儲存的該感應能量，會立即經由二極體D2釋放到電容器C2來儲存之，因此，流經二極體D2之電流I_D2會大致呈現出三角波形，而流經電晶體M2之電流I_M2幾乎是零，此外，第二感應電壓V_P開始下降，換言之，電流I_OUT開始下降，儲存於電容器C3之能量亦開始釋放。請注意，電壓差V_DS之斜線面積A1係對應於電容器C2所儲存之該感應能量，以及時間T2與時間T3之間的時間差是相當短的。

在時間T3與時間T4之間，電流I_D2及電流I_M2均為零，表示並沒有環流產生於此時段中。在時間T4與時間T5之間，於第二感應電壓V_P下降至一預定電壓值之後(亦即，電容器C2釋放足夠的能量至雙載子電晶體Q3之基極)，電晶體M2會開始導通以釋 放儲存於電容器C2之該感應能量，因此，流經電晶體M2之電流I_M2會大致呈現出三角波形。請注意，電壓差V_DS之斜線面積A2係對應於電容器C2所釋放之該感應能量，以及時間T4與時間T5之間的時間差是相當短的。

在時間點T6前後，當脈衝寬度控制電路745依據所接收之回授訊號S_F產生第一控制訊號S_C1以準備驅動電晶體M1時，同步電路747會先接收到第一控制訊號S_C1以輸出一電流I_S以導通雙載子電晶體Q4及Q5，使電晶體M2進入截止狀態，電晶體M1內部之寄生電容(並未繪示於圖中)向一次側線圈L1進行放電，電晶體M1緊接著透過延遲電路744接收到一延遲訊號S_D(對應於第一控制訊號S_C1)來切換至導通狀態，進而實現零電壓切換。值得注意的是，電流I_OUT接近於方波波形，因此，解決了在傳統電源轉換器之中，電流I_OUT因為相位移而大幅增加其有效值的問題。

由上述可知，電源轉換器800不僅可於連續導通模式中實現零電壓切換，亦解決環流及二次側電流相位移的問題。請注意，以上僅供說明之需，並非用來做為本發明之限制，舉例來說，回授單元650係為一選擇性元件，以及脈衝寬度調變產生器643亦可併入處理單元330之中(如第5B圖所示)。

如上所述，釋放感應能量的時間長短亦可依據轉換電壓來決 定。請參閱第10圖，第10圖係為本發明電源轉換器之另一實施例的示意圖。於此實施例中，電源轉換器1000包含第4圖所示之第一變壓器TX1、輸出單元310、開關單元320以及處理單元330之中的複數個電路元件，此外，電源轉換器1000另包含第6圖所示之控制單元640及回授單元650，其中控制單元640包含脈衝寬度調變控制器643及脈衝寬度調變產生器646。於此實施例中，脈衝寬度調變控制器643係耦接於開關單元320(亦即，電晶體M1)，用以依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來產生第一控制訊號S_C1，以控制開關單元320(亦即，電晶體M1)的開啟及關閉，其中脈衝寬度調變控制器643另輸出一第二控制訊號S_C2。脈衝寬度調變產生器646係耦接於脈衝寬度調變控制器643以及處理單元330，用以依據第二控制訊號S_C2及輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來產生一第三控制訊號S_C3，以控制處理單元330對第一感應電壓V_D進行處理。於此實作範例中，電源轉換器1000另可包含一回授單元650，耦接於輸出單元310與控制單元640之間，用以依據輸出單元310所輸出之轉換電壓V_OUT來產生回授訊號S_F，其中脈衝寬度調變控制器643依據回授訊號S_F來產生第一控制訊號S_C1，以及脈衝寬度調變產生器646依據第二控制訊號S_C2及回授訊號S_F來產生第三控制訊號S_C3，此外，回授單元650亦可包含(但本發明並不侷限於此)第7圖所示之光耦合電路752，用來提升回授訊號S_F的訊號品質。

於此實作範例中，當第二控制訊號S_C2之電壓準位高於回授 訊號S_F之電壓準位時(其意味著轉換電壓V_OUT已持續下降，電源轉換器1000準備進入下一驅動週期)，脈衝寬度調變產生器646可控制處理單元330釋放所儲存之該感應能量至一次側線圈L1。

請參閱第11圖，第11圖係為第10圖所示之電源轉換器1000之一實作範例的示意圖。由第11圖可知，脈衝寬度調變產生器646包含(但本發明並不侷限於此)一雙載子電晶體Q1、電阻性元件R1~R3、一比較元件CMP(例如，一比較器(comparator))以及一緩衝元件BUF(例如，一緩衝器(buffer))。雙載子電晶體Q1係具有一集極、一基極及一射極，其中該射極係耦接於一接地端；電阻性元件R1係耦接於回授單元650與雙載子電晶體Q1之該基極之間，用以接收回授訊號S_F；電阻性元件R2係耦接於雙載子電晶體Q1之該集極與該基極之間；電阻性元件R3係耦接於雙載子電晶體Q1之該集極；比較元件CMP係具有一第一輸入埠P_1、一第二輸入埠P_2以及一輸出埠P_3，其中第一輸入埠P_1係用以接收第二控制訊號S_C2、第二輸入埠P_2係耦接於雙載子電晶體Q1之該集極，以及輸出埠P_3係用以依據第二控制訊號S_C2及雙載子電晶體Q1之該集極的電壓來產生一比較電壓V_C；以及緩衝元件BUF係耦接於輸出埠P_3，用以接收比較電壓V_C來產生一緩衝電壓V_B。

於此實施例中，(但本發明並不侷限於此)，電源轉換器1100另可包含一電容器C3以及一第二變壓器TX2。電容器C3係耦接於 緩衝元件BUF，用以接收緩衝電壓V_B，以及第二變壓器TX2係具有一第一線圈L21以及一第二線圈L22，其中第一線圈L21係耦接於電容器C3、第二線圈L22係耦接於處理單元330，以及第一線圈L21係依據緩衝電壓V_B來於第二線圈L22產生第三控制訊號S_C3。一般來說，由於電源轉換器會應用於高壓側以及低壓側，以及做為開關之功率電晶體電晶體(例如，電晶體M1及M2)會需要較大的驅動電壓，因此，當電源轉換器1100係應用於低壓側時，可藉由第二變壓器TX2來提升電壓以驅動電晶體M2。

請連同第12圖來參閱第11圖。第12圖係為第11圖所示之電源轉換器1100之訊號時序圖。在時間T1與時間T2之間，電源轉換器1100係操作於一驅動週期，換言之，電晶體M1係處於導通狀態(亦即，開關單元320處於該開啟狀態)，以及第一端點N1與第二端點N2之間的一電壓差V_DS及二次側電流I_OUT均為零，此外，第二控制訊號S_C2之電壓準位持續上升。

在時間T2與時間T3之間，電晶體M1係由導通狀態切換至截止狀態時，第一變壓器TX1內部線圈之漏感所儲存的該感應能量，會立即經由二極體D2釋放到電容器C2來儲存之，因此，流經二極體D2之電流I_D2會大致呈現出三角波形，而流經電晶體M2之電流I_M2幾乎是零。請注意，電壓差V_DS之斜線面積A1係對應於電容器C2所儲存之該感應能量，以及時間T2與時間T3之間的時間差是相當短的。

在時間T3與時間T4之間，電流I_D2及電流I_M2均為零，表示並沒有環流產生於此時段。在時間T4與時間T5之間，於第二控制訊號S_C2之電壓準位高於回授訊號S_F之電壓準位之後，比較元件CMP會輸出具有高電壓準位的比較電壓V_C，因此，電晶體M2會開始導通以釋放儲存於電容器C2之該感應能量，此外，流經電晶體M2之電流I_M2會大致呈現出三角波形。請注意，電壓差V_DS之斜線面積A2係對應於電容器C2所釋放之該感應能量，以及時間T4與時間T5之間的時間差是相當短的。

在時間點T6前後，第二控制訊號S_C之電壓準位會下降至低於回授訊號S_F之電壓準位，因此，比較電壓V_C將具有低電壓準為，使電晶體M2進入截止狀態。接下來，電晶體M1內部之寄生電容(並未繪示於圖中)向一次側線圈L1進行放電，電晶體M1緊接著透過脈衝寬度控制器643接收到第一控制訊號S_C1來切換至導通狀態，進而實現零電壓切換。值得注意的是，電流I_OUT接近於方波波形，因此，解決了在傳統電源轉換器之中，電流I_OUT因為相位移而大幅增加其有效值的問題。

綜合上述，本發明提供一種可於連續導通模式中實現零電壓切換的電壓轉換器，其得以儲存並回收於切換操作中所產生的感應能量，並可解決於傳統電壓轉換器之中所產生的環流及二次側電流相位移的問題。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、300、400、500、502、600、700、800、1000、1100‧‧‧電源轉換器

110、120‧‧‧開關元件

111、121、M1、M2‧‧‧電晶體

112、122‧‧‧體二極體

113、123‧‧‧雜散電容

125、142、C1、C2、C3、C4、C5、C6‧‧‧電容器

130、152、TX1、TX2‧‧‧變壓器

140、D1、D2、D3、D4、D5‧‧‧二極體

150、540、542、640‧‧‧控制單元

310‧‧‧輸出單元

320‧‧‧開關單元

330‧‧‧處理單元

L1、L2、LA、L21、L22‧‧‧線圈

ZD1、ZD2、ZD3‧‧‧齊納二極體

N1、N2、N3、N4、NA、NB‧‧‧端點

543、643‧‧‧脈衝寬度調變控制器

646‧‧‧脈衝寬度調變產生器

650‧‧‧回授單元

744‧‧‧延遲電路

745‧‧‧脈衝寬度調變控制電路

747‧‧‧感應電路

748‧‧‧同步電路

749‧‧‧脈衝寬度調變產生電路

752‧‧‧光耦合電路

Q1~Q5‧‧‧雙載子電晶體

R1~R11‧‧‧電阻性元件

CMP‧‧‧比較元件

BUF‧‧‧緩衝元件

P_1、P_2‧‧‧輸入埠

P_3‧‧‧輸出埠

754‧‧‧回授電路

第1圖為傳統的返馳式電源轉換器的示意圖。

第2圖為第1圖所示之返馳式電源轉換器之訊號時序圖。

第3圖為本發明一廣義電源轉換器之功能方塊的示意圖。

第4圖為第3圖所示之電源轉換器的一實作範例的示意圖。

第5A圖為本發明電源轉換器之一實施例的示意圖。

第5B圖為本發明電源轉換器之另一實施例的示意圖。

第6圖為本發明另一廣義的電源轉換器的示意圖。

第7圖為本發明電源轉換器之另一實施例的示意圖。

第8圖為第7圖所示之電源轉換器之一實作範例的示意圖。

第9圖為第8圖所示之電源轉換器之訊號時序圖。

第10圖為本發明電源轉換器之另一實施例的示意圖。

第11圖為第10圖所示之電源轉換器之一實作範例的示意圖。

第12圖為第11圖所示之電源轉換器之訊號時序圖。

310．．．輸出單元

320．．．開關單元

330．．．處理單元

600．．．電源轉換器

640．．．控制單元

643．．．脈衝寬度調變控制器

646．．．脈衝寬度調變產生器

650．．．回授單元

M1、M2．．．電晶體

C1、C2．．．電容器

TX1．．．變壓器

D1、D2．．．二極體

L1、L2．．．線圈

ZD1．．．齊納二極體

N1、N2．．．端點

Claims (25)

1. 一種電源轉換器，包含：一輸出單元，用以輸出一轉換電壓；一第一變壓器，包含：一一次側線圈，耦接於一輸入電壓與一第一端點之間；以及一二次側線圈，耦接於該輸出單元；一開關單元，耦接於該第一端點及一第二端點之間，用以控制該一次側線圈之磁通量的方向；以及一處理單元，耦接於該輸入電壓及該第一端點之間，用以於該開關單元處於一關閉狀態時，經由一第一路徑來接收該第一端點之一第一感應電壓與儲存該第一感應電壓之一感應能量，並同時隔絕該第一感應電壓自不同於該第一路徑之一第二路徑饋入，接著經由該第二路徑來釋放所儲存之該感應能量，其中該第一感應電壓係因應該開關單元由一開啟狀態切換至該關閉狀態而產生；以及該處理單元包含：一電容器，耦接於該輸入電壓與一第三端點之間；一輔助開關，耦接於該第三端點與一第四端點之間；一二極體，耦接於該第一端點與該第三端點之間，該二極體設置於該第一路徑，用以於該開關單元由該開啟狀態切換至該關閉狀態時，接收該第一感應電壓並將該感應能量儲存至該電容器；以及一齊納二極體，耦接於該第一端點與該第四端點之間，該齊納 二極體設置於該第二路徑，用以於該開關單元切換為該關閉狀態時，隔絕該第一感應電壓；其中該輔助開關係於該開關單元關閉之後開啟、該輔助開關係於該開關單元開啟之前關閉，以及該處理單元係於該輔助開關開啟的期間，釋放該感應能量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該感應能量係產生一電壓突波。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該處理單元接收該第一感應電壓並儲存該感應能量之時間與該處理單元釋放該感應能量之時間的一總和係小於該開關單元處於該關閉狀態的時間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，另包含：一控制單元，耦接該處理單元，用以依據該輸出單元所輸出之該轉換電壓，來決定該處理單元釋放該感應能量的時間長短。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，另包含：一控制單元，耦接該處理單元，用以依據該第一感應電壓，來決定該處理單元釋放該感應能量的時間長短。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該開關單元即將 由該關閉狀態切換至該開啟狀態時，該第一端點及該第二端點之間的一電壓差為零。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該處理單元釋放該感應能量的時間與該開關單元處於該開啟狀態的時間互不重疊。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中於該開關單元處於該關閉狀態的一特定期間內，該輔助開關、該二極體及該齊納二極體均未有電流係經其中。
9. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，另包含：一控制單元，包含：一脈衝寬度調變控制器，用以依據該輸出單元所輸出之該轉換電壓來產生一第一控制訊號，以控制該開關單元的開啟及關閉。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電源轉換器，其中該脈衝寬度調變控制器包含：一延遲電路，耦接於該開關單元；以及一脈衝寬度調變控制電路，耦接於該延遲電路，用以依據該輸出單元所輸出之該轉換電壓來產生該第一控制訊號予該延遲電路，其中該延遲電路係依據該第一控制訊號來產生一延遲控 制訊號以控制該開關單元的開啟及關閉。
11. 如申請專利範圍第9項所述之電源轉換器，另包含：一回授單元，耦接於該輸出單元與該脈衝寬度調變控制器之間，用以依據該輸出單元所輸出之該轉換電壓來產生一回授訊號；其中該脈衝寬度調變控制器依據該回授訊號來產生該第一控制訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電源轉換器，其中該回授單元包含：一光耦合電路；以及一回授電路，包含：一第一電阻性元件，耦接於該光耦合電路與一第三端點之間；一第二電阻性元件，耦接於該光耦合電路與一第四端點之間；一齊納二極體，耦接於該第三端點與一接地端之間；一電容器，該第三端點與該第四端點之間；以及一第三電阻性元件，耦接於該第四端點與該接地端之間。
13. 如申請專利範圍第9項所述之電源轉換器，其中該控制單元另包含：一脈衝寬度調變產生器，耦接於該脈衝寬度調變控制器以及該處理單元，用以依據該第一控制訊號及該第一感應電壓 來產生一第二控制訊號，以控制該處理單元對該第一感應電壓進行處理。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電源轉換器，其中該第一變壓器另包含一輔助線圈，該輔助線圈係位於該第一變壓器之中與該一次側線圈相同的一側，以及該脈衝寬度調變產生器包含：一感應電路，用以透過該輔助線圈來感應該第一感應電壓，並據以產生一第二感應電壓；一同步電路，耦接於該脈衝寬度調變控制器，用以依據該第一控制訊號來產生一同步訊號；以及一脈衝寬度調變產生電路，耦接於該處理單元、該感應電路及該同步電路，用以依據該第二感應電壓及該同步訊號來產生該第二控制訊號，以控制該處理單元隔絕該第一感應電壓的時間及釋放所儲存之該感應能量的時間。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電源轉換器，其中當該第二感應電壓降低至一預定電壓值時，該脈衝寬度調變產生電路控制該處理單元開始釋放所儲存之該感應能量至該一次側線圈；以及當該感應能量釋放完畢時，該脈衝寬度調變產生電路依據該同步訊號來停止該處理單元處理該第一感應電壓，以及該開關單元依據該第一控制訊號來由該關閉狀態切換至該開啟狀態。
16. 如申請專利範圍第14項所述之電源轉換器，其中該感應電路包 含：一雙載子電晶體，具有一集極、一基極及一射極；一第一電阻性元件，耦接於該射極；一第二電阻性元件，耦接於該基極；一齊納二極體，耦接於該基極，用以箝制該第二感應電壓；以及一電容器，耦接於該齊納二極體，用以儲存該第二感應電壓。
17. 如申請專利範圍第14項所述之電源轉換器，其中該同步電路包含：一第一電阻性元件，耦接於該脈衝寬度調變控制器，用以接收該第一控制訊號；一電容器，耦接於該第一電阻性元件；一第二變壓器，具有一第一線圈以及一第二線圈，其中該第一線圈耦接於該電容器，以及該第一線圈依據該第一控制訊號來於該第二線圈產生一同步感應電壓；一二極體，耦接於該第二線圈，用以接收該同步感應電壓；以及一第二電阻性元件，耦接於該二極體，用以依據該同步感應電壓來產生該同步訊號。
18. 如申請專利範圍第14項所述之電源轉換器，其中該脈衝寬度調變產生電路包含：一電容器，耦接於該第二感應電壓；一第一雙載子電晶體，具有一第一集極、一第一基極及一第一射 極，其中該第一射極耦接於該第二感應電壓；一第二雙載子電晶體，具有一第二集極、一第二基極及一第二射極，其中該第二集極耦接於該第一基極、該第二射極耦接於該處理單元，以及該第二射極係用以輸出該第二控制訊號；一第三雙載子電晶體，具有一第三集極、一第三基極及一第三射極，其中該第三射極耦接於該第二射極，以及該第三基極耦接於該第二基極；一第四雙載子電晶體，具有一第四集極、一第四基極及一第四射極，其中該第四集極耦接於該第三基極、該第四基極耦接於該第一集極，以及該第四基極係用以接收該同步訊號；一第一電阻性元件，耦接於該第二感應電壓與該第三基極之間；一第二電阻性元件，耦接於該第四基極與該第四射極之間；一第三電阻性元件，耦接於該第二感應電壓；以及一第四電阻性元件，耦接於該第三電阻性元件與該電容器之間。
19. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，另包含：一控制單元，包含：一脈衝寬度調變控制器，耦接於該開關單元，用以依據該輸出單元所輸出之該轉換電壓來產生一第一控制訊號，以控制該開關單元的開啟及關閉，其中該脈衝寬度調變控制器另輸出一第二控制訊號；以及一脈衝寬度調變產生器，耦接於該脈衝寬度調變控制器以及該處理單元，用以依據該第二控制訊號及該輸出單元所輸 出之該轉換電壓來產生一第三控制訊號，以控制該處理單元對該第一感應電壓進行處理。
20. 如申請專利範圍第19項所述之電源轉換器，另包含：一回授單元，耦接於該輸出單元與該控制單元之間，用以依據該輸出單元所輸出之該轉換電壓來產生一回授訊號；其中該脈衝寬度調變控制器依據該回授訊號來產生該第一控制訊號，以及該脈衝寬度調變產生器依據該第二控制訊號及該回授訊號來產生該第三控制訊號。
21. 如申請專利範圍第20項所述之電源轉換器，其中該回授單元包含：一光耦合電路；一回授電路，包含：一第一電阻性元件，耦接於該光耦合電路與一第三端點之間；一第二電阻性元件，耦接於該光耦合電路與一第四端點之間；一齊納二極體，耦接於該第三端點與一接地端之間；一電容器，該第三端點與該第四端點之間；以及一第三電阻性元件，耦接於該第四端點與該接地端之間。
22. 如申請專利範圍第20項所述之電源轉換器，其中當該第二控制訊號之電壓準位高於該回授訊號之電壓準位時，該脈衝寬度調變產生電路控制該處理單元釋放所儲存之該感應能量至該一次側 線圈。
23. 如申請專利範圍第20項所述之電源轉換器，其中該脈衝寬度調變產生器包含：一雙載子電晶體，具有一集極、一基極及一射極，其中該射極係耦接於一接地端；一第一電阻性元件，耦接於該回授單元與該基極之間，用以接收該回授訊號；一第二電阻性元件，耦接於該集極與該基極之間；一第三電阻性元件，耦接於該集極；一比較元件，具有一第一輸入埠、一第二輸入埠以及一輸出埠，其中該第一輸入埠係用以接收該第二控制訊號、該第二輸入埠係耦接於該集極，以及該輸出埠係用以依據該第二控制訊號及該集極之電壓來產生一比較電壓；以及一緩衝元件，耦接於該輸出埠，用以接收該比較電壓來產生一緩衝電壓。
24. 如申請專利範圍第23項所述之電源轉換器，另包含：一電容器，耦接於該緩衝元件，用以接收該緩衝電壓；以及一第二變壓器，具有一第一線圈以及一第二線圈，其中該第一線圈耦接於該電容器、該第二線圈耦接於該處理單元，以及該第一線圈依據該緩衝電壓來於該第二線圈產生該第三控制訊號。
25. 一種應用於一電源轉換器的控制方法，該電源轉換器包含：一輸出單元，用以輸出一轉換電壓；一第一變壓器，包含：一一次側線圈，耦接於一輸入電壓與一第一端點之間；以及一二次側線圈，耦接於該輸出單元；以及一開關單元，耦接於該第一端點及一第二端點之間，用以控制該一次側線圈之磁通量的方向；以及該控制方法包含：將一電容器耦接於該輸入電壓與一第三端點之間；將一輔助開關耦接於該第三端點與一第四端點之間；將一二極體耦接於該第一端點與該第三端點之間，其中該二極體設置於一第一路徑；將一齊納二極體耦接於該第一端點與該第四端點之間，其中該齊納二極體設置於不同於該第一路徑之一第二路徑；當該開關單元由一開啟狀態切換至一關閉狀態時，經由該第一路徑來接收該第一端點之一感應電壓且將該感應電壓之一感應能量儲存至該電容器，並同時隔絕該感應電壓自該第二路徑饋入；以及於該輔助開關開啟的期間，經由該第二路徑來釋放所儲存之該感應能量至該第一端點；其中該輔助開關係於該開關單元關閉之後開啟、該輔助開關係於該開關單元開放之前關閉，以及該第一感應電壓係因應該開關單 元由該開啟狀態切換至該關閉狀態而產生。