TWI474594B - 以順向式架構為基礎的電源轉換裝置 - Google Patents

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Description

以順向式架構為基礎的電源轉換裝置
本發明是有關於一種電源轉換技術，且特別是有關於一種以順向式架構為基礎的電源轉換裝置。
現今比較常見的電源轉換裝置之架構有一類為順向式(forward)。一般而言，以順向式架構為基礎的電源轉換裝置(forward-based power conversion apparatus)在供應輸出電壓給負載(load)時，變壓器(transformer)之二次側繞組(secondary winding)的反向電壓(reverse voltage)都是浪費未使用的。在此條件下，電源轉換裝置整體的功率損耗(power loss)將會增加，從而降低了電源轉換裝置的轉換效率(conversion efficiency)。
有鑒於此，本發明提供一種以順向式架構為基礎的電源轉換裝置，其可以有效地解決先前技術所述及的問題。
基於上述，本發明之一示範性實施例提供一種電源轉換裝置，其包括：變壓器、功率開關、第一電源轉換線路、第二電源轉換線路，以及輸出輔助單元。變壓器具有一次側繞組、第一二次側繞組與第二二次側繞組，其中變壓器之一次側繞組的異名端用以接收一輸入電壓。功率開關的第一端耦接變壓器之一次側繞組的同名端，功率開關的第 二端耦接至一接地電位，而功率開關的控制端則用以接收一脈寬調變訊號。
第一電源轉換線路耦接變壓器的第一二次側繞組，用以對變壓器之第一二次側繞組的第一感應電壓進行轉換，藉以供應一第一輸出電壓。第二電源轉換線路耦接變壓器之第二二次側繞組，用以對變壓器之第二二次側繞組的第二感應電壓進行轉換，藉以供應一第二輸出電壓。其中，所述第一輸出電壓大於所述第二輸出電壓。輸出輔助單元耦接於變壓器的第二二次側繞組與第一電源轉換線路之間，用以於第一與第二電源轉換線路各別供應所述第一與所述第二輸出電壓時，擷取變壓器之第二二次側繞組的反向電壓以輔助第一電源轉換線路的輸出。
於本發明的一示範性實施例中，第一與第二電源轉換線路皆可以為順向式電源轉換線路。
於本發明的一示範性實施例中，第一電源轉換線路可以包括：第一二極體、第二二極體、第一電感，以及第一電容。第一二極體的陽極耦接變壓器之第一二次側繞組的異名端。第二二極體的陽極耦接變壓器之第一二次側繞組的同名端，而第二二極體的陰極則耦接第一二極體的陰極。第一電感的第一端耦接第一與第二二極體的陰極，而第一電感的第二端則用以供應所述第一輸出電壓。第一電容的第一端耦接第一電感的第二端，而第一電容的第二端則耦接第二二極體的陽極。
於本發明的一示範性實施例中，第二電源轉換線路可 以包括：第三二極體、第四二極體、第二電感，以及第二電容。第三二極體的陽極耦接變壓器之第二二次側繞組的異名端。第四二極體的陽極耦接變壓器之第二二次側繞組的同名端，而第四二極體的陰極則耦接第三二極體的陰極。第二電感的第一端耦接第三與第四二極體的陰極，而第二電感的第二端則用以供應所述第二輸出電壓。第二電容的第一端耦接第二電感的第二端，而第二電容的第二端則耦接第四二極體的陽極。
於本發明的一示範性實施例中，輸出輔助單元可以包括：第五二極體，其陽極耦接變壓器之第二二次側繞組的異名端，而其陰極則耦接第一電感的第一端。
本發明之另一示範性實施例提供一種電源轉換裝置，其包括：變壓器、功率開關、多個電源轉換線路，以及多個輸出輔助單元。變壓器具有一次側繞組與多個二次側繞組，其中變壓器之一次側繞組的異名端用以接收一輸入電壓。功率開關的第一端耦接變壓器之一次側繞組的同名端，功率開關的第二端耦接至一接地電位，而功率開關的控制端則用以接收一脈寬調變訊號。
所述多個電源轉換線路分別耦接所述多個二次側繞組，用以各別對所述多個二次側繞組的感應電壓進行轉換，藉以供應多組輸出電壓。所述多個輸出輔助單元分別耦接於對應的二次側繞組與對應的電源轉換線路之間，用以於所述多個電源轉換線路各別供應所述多組輸出電壓時，擷取對應的二次側繞組的一反向電壓以輔助對應的電 源轉換線路的輸出。
於本發明的一示範性實施例中，所述多個電源轉換線路皆可以為順向式電源轉換線路。
於本發明的一示範性實施例中，每一輸出輔助單元至少由一二極體所組成。
基於上述，本發明所提的電源轉換裝置係以順向式架構為基礎，且其在供應多組(至少兩組)輸出電壓給負載時，將透過所設置的輸出輔助單元擷取對應於較低輸出電壓之變壓器二次側繞組的反向電壓以輔助較高輸出電壓的輸出。如此一來，相較於以往，本發明可將變壓器之二次側繞組的反向電壓轉化為有效的功率輸出(power output)，藉以降低電源轉換裝置整體的功率損耗(power loss)，從而增加電源轉換裝置的轉換效率。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張之範圍。
現將詳細參考本發明之示範性實施例，在附圖中說明所述示範性實施例之實例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件代表相同或類似部分。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換裝置(power conversion apparatus)10的示意圖。請參照圖1，電源轉換裝置10可以包括：變壓器(transformer)T、功 率開關(power switch)Q、電源轉換線路(power conversion circuit)101與103，以及輸出輔助單元(output auxiliary unit)105。於本示範性實施例中，變壓器T具有一次側繞組(primary winding)NP、第一二次側繞組(secondary winding)NS1與第二二次側繞組NS2。其中，變壓器T之一次側繞組NP的異名端(opposite-polarity terminal，即未打點端)用以接收(直流)輸入電壓(input voltage)VIN。
功率開關Q的第一端耦接變壓器T之一次側繞組NP的同名端(common-polarity terminal，即打點端)，功率開關Q的第二端耦接至接地電位(ground potential)GND，而功率開關Q的控制端則用以接收脈寬調變訊號(pulse width modulation signal,PWM signal)PW。於本示範性實施例中，功率開關Q可以利用N型功率電晶體(N-type power transistor)來實施，但並不限制於此。在此條件下，功率開關Q會反應於脈寬調變訊號PW的致能(enable)而導通(turned-on)，並且反應於脈寬調變訊號PW的禁能(disable)而關閉(turned-off)。
電源轉換線路101耦接變壓器T的第一二次側繞組NS1，用以對變壓器T之第一二次側繞組NS1的第一感應電壓VNS1進行轉換(即交直流轉換(AC-to-DC conversion))，藉以供應第一輸出電壓Vout1給負載(load，未繪示)。電源轉換線路103耦接變壓器T之第二二次側繞組NS2，用以對變壓器T之第二二次側繞組NS2的第二感應電壓VNS2進行轉換(即交直流轉換)，藉以供應第 二輸出電壓Vout2給負載。於本示範性實施例中，電源轉換線路101所供應的第一輸出電壓Vout1可以大於電源轉換線路103所供應的第二輸出電壓Vout2。
輸出輔助單元105耦接於變壓器T的第二二次側繞組NS2與電源轉換線路101之間，用以於電源轉換線路101與103各別供應第一與第二輸出電壓Vout1與Vout2時，擷取變壓器T之第二二次側繞組NS2的反向電壓(reverse voltage)，藉以輔助電源轉換線路101的輸出。
更清楚來說，圖2繪示為圖1之電源轉換線路101與103以及輸出輔助單元105的實施示意圖。請合併參照圖1與圖2，於本示範性實施例中，電源轉換線路101與103皆可以為順向式電源轉換線路(forward power conversion circuit)。在此條件下，電源轉換線路101可以包括：二極體(diode)D1與D2、電感(inductor)L1，以及電容(capacitor)C1。
二極體D1的陽極(anode)耦接變壓器T之第一二次側繞組NS1的異名端。二極體D2的陽極耦接變壓器T之第一二次側繞組NS1的同名端，而二極體D2的陰極(cathode)則耦接二極體D1的陰極。電感L1的第一端耦接二極體D1與D2的陰極，而電感L1的第二端則用以供應第一輸出電壓Vout1。電容C1的第一端耦接電感L1的第二端，而電容C1的第二端則耦接二極體D2的陽極。
相似地，電源轉換線路103可以包括：二極體D3與D4、電感L2，以及電容C2。二極體D3的陽極耦接變壓 器T之第二二次側繞組NS2的異名端。二極體D4的陽極耦接變壓器T之第二二次側繞組NS2的同名端，而二極體D4的陰極則耦接二極體D3的陰極。電感L2的第一端耦接二極體D3與D4的陰極，而電感L2的第二端則用以供應第二輸出電壓Vout2。電容C2的第一端耦接電感L2的第二端，而電容C2的第二端則耦接二極體D4的陽極。
於此值得一提的是，在本發明的其它示範性實施例中，可以採用由功率電晶體所組成的同步整流器(synchronous rectifier,SR)來各別取代二極體D1~D4，藉以形成具有自激式或者它激式同步整流電路的順向式電源轉換線路。一切端視實際設計/應用需求而論。
另一方面，輸出輔助單元105可以包括：二極體D5，其陽極耦接變壓器T之第二二次側繞組NS2的異名端，而其陰極則耦接電感L1的第一端。於此值得一提的是，在本發明的其它示範性實施例中，可以採用其它的單向導通元件來取代二極體D5，一切端視實際設計/應用需求而論。
基於上述，當功率開關Q反應於脈寬調變訊號PW的致能而導通時，二極體D2與D4會處於逆向偏壓(reverse bias)而截止，而二極體D1與D3會處於順向偏壓而導通。如此一來，先前儲存於電感L1、L2的能量就會各別對電容C1、C2進行充電，藉以供應第一與第二輸出電壓Vout1、Vout2給負載。
再加上，由於第一輸出電壓Vout1大於第二輸出電壓Vout2，所以變壓器T之第二二次側繞組NS2的反向電壓 (即第二二次側繞組NS2之異名端的電壓)會大於變壓器T之第一二次側繞組NS1的反向電壓。在此條件下，二極體D5會處於順向偏壓而導通，以至於變壓器T之第二二次側繞組NS2的反向電壓會經由二極體D5來輔助電源轉換線路101的輸出。在實際應用上，變壓器T之第二二次側繞組NS2的反向電壓最好可以設計在經由二極體D5後等於原先電感L1之第一端的電壓，但並不限制於此。基此，可以選擇具有適當順向偏壓(forward bias)的二極體，或者調整一次側繞組NP與第二二次側繞組NS2之間的圈數比(turn ratio)。
另一方面，當功率開關Q反應於脈寬調變訊號PW的禁能而關閉時，二極體D2與D4會處於順向偏壓而導通，而二極體D1與D3會處於逆向偏壓而截止。如此一來，電感L1、L2就會各別反應於第一與第二二次側繞組NS1、NS2的感應電壓VNS1、VNS2而進行儲能。與此同時，由於第一輸出電壓Vout1大於第二輸出電壓Vout2，所以二極體D5會處於逆向偏壓而截止。
據此可知，本發明所提的電源轉換裝置10係以順向式架構為基礎，且其在供應多組(至少兩組)輸出電壓Vout1、Vout2給負載時，將透過所設置的輸出輔助單元105擷取對應於較低輸出電壓Vout2之變壓器T二次側繞組NS2的反向電壓以輔助較高輸出電壓Vout1的輸出。如此一來，相較於以往，本發明可將變壓器T之二次側繞組NS2的反向電壓轉化為有效的功率輸出(power output)， 藉以降低電源轉換裝置10整體的功率損耗(power loss)，從而增加電源轉換裝置10的轉換效率。
在此值得一提的是，雖然上述示範性實施例係以供應兩組輸出電壓Vout1、Vout2給負載為例來進行說明，但是本發明並不限制於此。更清楚來說，因應負載的供電需求，可以藉由增加變壓器T之二次側繞組的數量以及相對應的順向式電源轉換線路後，就可實現供應兩組以上之輸出電壓給負載的目的。而且，藉由上述示範性實施例的教示內容，亦可額外增設類似於輸出輔助單元105的單向導通元件(即二極體D5)在相應的二次側繞組與電源轉換線路之間，藉以利用二次側繞組的反向電壓來輔助電源轉換線路的輸出。如此一來，亦可達到與上述示範性實施例相似的技術功效。
由此可知，只要是利用二次側繞組的反向電壓來輔助電源轉換線路之輸出的任何技術手段/方案/概念，就屬於本發明所欲保護的範疇，無關乎上述示範性實施例的具體實施方式。換言之，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，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
10‧‧‧電源轉換裝置
101、103‧‧‧電源轉換線路
105‧‧‧輸出輔助單元
T‧‧‧變壓器
Q‧‧‧功率開關
D1~D5‧‧‧二極體
L1、L2‧‧‧電感
C1、C2‧‧‧電容
VIN‧‧‧輸入電壓
Vout1‧‧‧第一輸出電壓
Vout2‧‧‧第二輸出電壓
NP‧‧‧一次側繞組
NS1‧‧‧第一二次側繞組
NS2‧‧‧第二二次側繞組
VNS1‧‧‧第一感應電壓
VNS2‧‧‧第二感應電壓
PW‧‧‧脈寬調變訊號
GND‧‧‧接地電位
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1繪示為本發明一示範性實施例之電源轉換裝置(power conversion apparatus)10的示意圖。
圖2繪示為圖1之電源轉換線路101與103以及輸出輔助單元105的實施示意圖。
10‧‧‧電源轉換裝置
101、103‧‧‧電源轉換線路
105‧‧‧輸出輔助單元
T‧‧‧變壓器
Q‧‧‧功率開關
D1~D5‧‧‧二極體
L1、L2‧‧‧電感
C1、C2‧‧‧電容
VIN‧‧‧輸入電壓
Vout1‧‧‧第一輸出電壓
Vout2‧‧‧第二輸出電壓
NP‧‧‧一次側繞組
NS1‧‧‧第一二次側繞組
NS2‧‧‧第二二次側繞組
PW‧‧‧脈寬調變訊號
GND‧‧‧接地電位

Claims (10)

  1. 一種電源轉換裝置，包括：一變壓器，具有一一次側繞組、一第一二次側繞組與一第二二次側繞組，其中該一次側繞組的異名端用以接收一輸入電壓；一功率開關，其第一端耦接該一次側繞組的同名端，其第二端耦接至一接地電位，而其控制端則用以接收一脈寬調變訊號；一第一電源轉換線路，耦接該第一二次側繞組，用以對該第一二次側繞組的一第一感應電壓進行轉換，藉以供應一第一輸出電壓；一第二電源轉換線路，耦接該第二二次側繞組，用以對該第二二次側繞組的一第二感應電壓進行轉換，藉以供應一第二輸出電壓，其中該第一輸出電壓大於該第二輸出電壓；以及一輸出輔助單元，耦接於該第二二次側繞組與該第一電源轉換線路之間，用以於該第一與該第二電源轉換線路各別供應該第一與該第二輸出電壓時，擷取該第二二次側繞組的一反向電壓以輔助該第一電源轉換線路的輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該第一與該第二電源轉換線路皆為順向式電源轉換線路。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電源轉換裝置，其中該第一電源轉換線路包括：一第一二極體，其陽極耦接該第一二次側繞組的異名 端；一第二二極體，其陽極耦接該第一二次側繞組的同名端，而其陰極則耦接該第一二極體的陰極；一第一電感，其第一端耦接該第一與該第二二極體的陰極，而其第二端則用以供應該第一輸出電壓；以及一第一電容，其第一端耦接該第一電感的第二端，而其第二端則耦接該第二二極體的陽極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置，其中該第二電源轉換線路包括：一第三二極體，其陽極耦接該第二二次側繞組的異名端；一第四二極體，其陽極耦接該第二二次側繞組的同名端，而其陰極則耦接該第三二極體的陰極；一第二電感，其第一端耦接該第三與該第四二極體的陰極，而其第二端則用以供應該第二輸出電壓；以及一第二電容，其第一端耦接該第二電感的第二端，而其第二端則耦接該第四二極體的陽極。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電源轉換裝置，其中該輸出輔助單元包括：一第五二極體，其陽極耦接該第二二次側繞組的異名端，而其陰極則耦接該第一電感的第一端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該功率開關係利用一N型功率電晶體來實施。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電源轉換裝置，其中 該功率開關反應於該脈寬調變訊號的致能而導通，並且反應於該脈寬調變訊號的禁能而關閉。
  8. 一種電源轉換裝置，包括：一變壓器，具有一一次側繞組與多個二次側繞組，其中該一次側繞組的異名端用以接收一輸入電壓；一功率開關，其第一端耦接該一次側繞組的同名端，其第二端耦接至一接地電位，而其控制端則用以接收一脈寬調變訊號；多個電源轉換線路，分別耦接該些二次側繞組，用以各別對該些二次側繞組的感應電壓進行轉換，藉以供應多組輸出電壓；以及多個輸出輔助單元，分別耦接於對應的二次側繞組與對應的電源轉換線路之間，用以於該些電源轉換線路各別供應該些輸出電壓時，擷取對應的二次側繞組的一反向電壓以輔助對應的電源轉換線路的輸出。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電源轉換裝置，其中該些電源轉換線路皆為順向式電源轉換線路。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源轉換裝置，其中每一輸出輔助單元至少由一二極體所組成。
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