TWI511432B - 直流電壓轉換裝置及適用於直流電壓轉換裝置的箝位電路 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種直流電壓轉換裝置,特別是指一種有效管理電壓尖峰的直流電壓轉換裝置及一種適用於直流電壓轉換裝置的箝位電路。
直流電壓轉換裝置的二次側整流器的電壓尖峰(voltage peak)一直是影響直流電壓轉換裝置的轉換效率及可靠性的重要因素。該電壓尖峰的能量主要來自整流器的寄生電容於充電時的能量,及整流器的反向恢復能量(reverse recovery energy)。習知應用於直流電壓轉換裝置(converter)的箝位電路(clamp circuit),如RC緩衝(吸收)電路、RCD緩衝(吸收)電路,無法將二次側(secondary side)之整流器(rectifier)的電壓尖峰箝位至一理想值,且可靠性不佳,導致該直流電壓轉換裝置必須選擇電壓等級較高,也就是耐電壓較高的整流器。如此一來,因為整流器的電壓等級較高,使得整流器的成本提高,也因為電壓等級越高的整流器的導通電阻越大,使得功率損耗較大,進而影響直流電壓轉換裝置的整體轉換效率。
因此,本發明之目的,即在提供一種直流電壓轉換裝置及適用於直流電壓轉換裝置的箝位電路,該箝位電路能有效抑制電壓尖峰,並將該電壓尖峰的能量饋送至輸出。
於是,本發明直流電壓轉換裝置,包含一直交流轉換器、一變壓器、一第一開關、一第二開關、及一箝位電路。
該直交流轉換器接收一直流電源電壓,並將該直流電源電壓進行直交流轉換以產生一呈交流的電壓信號。
該變壓器包括一第一繞組、一第二繞組、及一第三繞組,該第一繞組電性連接該直交流轉換器以接收該電壓信號,該第二繞組及第三繞組分別具有一第一端及一第二端,且該第二繞組的第二端電性連接該第三繞組的第一端。
該第一開關具有一電性連接該第三繞組的第二端的第一端、一第二端及一接收一第一控制信號的控制端,且受該第一控制信號的控制於導通與不導通間切換。
該第二開關具有一電性連接該第二繞組的第一端的第一端、一電連接該第一開關的第二端的第二端及一接收一第二控制信號的控制端,且受該第二控制信號的控制於導通與不導通間切換。
該箝位電路電性連接該第二開關的第一端及第二端,以箝制該第二開關的第一端及第二端之間的跨壓於
一預設值,並儲存該第二開關所產生的電壓尖峰的能量。
本發明之功效是藉由該箝位電路箝制該第二開關的第一端及第二端的跨壓,並吸收該第二開關的電壓尖峰的能量,饋送至一負載,以實現無損失(lossless)的箝位機制,使作為整流器的第一開關及第二開關能選用如耐壓較低及損耗較小的元件,以達到可靠性較佳、成本較低且轉換效率較高的優點。
1‧‧‧直流電壓轉換裝置
2‧‧‧直交流轉換器
3‧‧‧變壓器
4‧‧‧箝位電路
5‧‧‧負載
6‧‧‧控制單元
SR1
‧‧‧第一開關
SR2
‧‧‧第二開關
SR3
‧‧‧第三開關
SR4
~SR7
‧‧‧開關
S1
‧‧‧第一控制信號
S2
‧‧‧第二控制信號
S4
~S7
‧‧‧控制信號
S3
‧‧‧箝位控制信號
DC1
‧‧‧第一二極體
DC2
‧‧‧第二二極體
D1
~D2
‧‧‧基體二極體
DC
‧‧‧基體二極體
Cf
‧‧‧二次側電容
C1
‧‧‧箝位電容
L1
‧‧‧第一繞組
L2
‧‧‧第二繞組
L3
‧‧‧第三繞組
Lf
‧‧‧二次側電感
LC
‧‧‧箝位電感
Lr
‧‧‧寄生漏感
Lm
‧‧‧勵磁電感
Vi
‧‧‧直流電源電壓
VSW
‧‧‧電壓信號
VC1
‧‧‧C1
的跨壓
VFD
‧‧‧DC1
跨壓
Vds
_SR2
‧‧‧SR2
的跨壓
本發明之其他的特徵及功效,將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現,其中:圖1是一電路圖,說明本發明直流電壓轉換裝置之一較佳實施例;及圖2是一時序圖,說明本發明直流電壓轉換裝置之較佳實施例的複數個信號之間的關係。
參閱圖1,本發明直流電壓轉換裝置1之較佳實施例適用於接收一直流電源電壓,且電性連接一具有一第一端及一第二端的負載5,並包含一直交流轉換器2、一變壓器3、一第一開關SR1
、一第二開關SR2
、一個二次側電感Lf
、一個二次側電容Cf
、一箝位電路4、及一控制單元6。
該直交流轉換器2接收該直流電源電壓,並將該直流電源電壓進行直交流轉換以產生一呈交流的電壓信
號VSW
。該直流電源電壓的電壓值為Vi
。再參閱圖2,該電壓信號VSW
於正半周期及負半周期時,具有相等的振幅Vi
及相反的極性。
該變壓器3為一中心抽頭式,並包括一第一繞組L1
、一第二繞組L2
、及一第三繞組L3
,且該第一繞組L1
、第二繞組L2
、及第三繞組L3
的匝數比為K:1:1。該第一繞組L1
電性連接該直交流轉換器2以接收該電壓信號VSW
,並具有一極性端。該第二繞組L2
及第三繞組L3
分別具有一第一端及一第二端,且該第二繞組L2
及第三繞組L3
的第一端為極性端,該第二繞組L2
的第二端電性連接該第三繞組L3
的第一端。特別值得一提的是:圖1中的變壓器3為考慮非理想因素下的等效電路,因此,該變壓器3在一次側的等效電路還包括一寄生漏感Lr
及一勵磁電感Lm
。
該第一開關SR1
具有一電性連接該第三繞組L3
的第二端的第一端、一電性連接該負載5的第二端的第二端、一接收一第一控制信號S1
的控制端、及一並聯於該第一端與第二端之間的基體二極體D1
(body diode),且受該第一控制信號S1
的控制於導通與不導通間切換。
該第二開關SR2
具有一電性連接該第二繞組L2
的第一端的第一端、一電連接該第一開關SR1
的第二端的第二端、一接收一第二控制信號S2
的控制端、及一並聯於該第一端與第二端之間的基體二極體D2
,且受該第二控制信號S2
的控制於導通與不導通間切換。特別值得一提的是:該第一開關SR1
及第二開關SR2
可以是該技術領域中所
指的整流器或二次側整流器。
該二次側電感Lf
包括一第一端及一第二端,該第一端電性連接該變壓器3的第二繞組L2
的第二端,該第二端電性連接該負載5的第一端。
該二次側電容Cf
包括一電性連接該二次側電感Lf
的第二端的第一端,及一電性連接該第一開關SR1
的第二端的第二端。
該箝位電路4包括一箝位電容C1
、一第一二極體DC1
、一箝位電感LC
、一第二二極體DC2
、及一第三開關SR3
。
該箝位電容C1
具有一電性連接該第二開關SR2
的第一端的第一端,及一第二端。
該第一二極體DC1
具有一電性連接該箝位電容C1
的第二端的陽極端,及一電性連接該第二開關SR2
的第二端的陰極端。
該箝位電感LC
具有一第一端,及一電性連接該第二開關SR2
的第二端的第二端。
該第二二極體DC2
具有一電性連接該箝位電感LC
的第一端的陽極端,及一電性連接該二次側電感Lf
的第二端的陰極端。
該第三開關SR3
具有一第一端、一第二端、一控制端、及一並聯於該第一端與第二端之間的基體二極體DC
。該第一端電性連接該箝位電感LC
的第一端,該第二端電性連接該箝位電容C1
的第二端,該控制端接收一箝位控
制信號S3
,並受該箝位控制信號S3
控制於導通或不導通間切換,以將該直流電壓轉換裝置1的第二開關SR2
所產生的電壓尖峰的能量,儲存至該箝位電容C1
中,再釋放至該負載5,使該第二開關SR2
的第一端及第二端的跨壓,即Vds
_SR2
的電壓峰值能有效降低至一預期值。
該控制單元6根據該箝位電路4的箝位電容C1
的第一端及第二端的跨壓的大小,以產生該箝位控制信號S3
來控制該第三開關SR3
導通或不導通。
在本實施例中,該直交流轉換器2為一全波整流電路,在其他實施例中,該直交流轉換器2可為一全橋整流電路、一半波整流電路、或一倍流整流電路。該直交流轉換器2包括四個開關SR4
~SR7
,每一開關SR4
~SR7
具有一第一端、一第二端、及一控制端。該開關SR5
的第一端電性連接該開關SR4
的第一端,該開關SR7
的第一端電性連接該開關SR6
的第二端,該二開關SR6
、SR7
的第一端分別電性連接該二開關SR4
、SR5
的第二端。該四個開關SR4
~SR7
的控制端分別接收四個控制信號S4
~S7
,以分別控制該四個開關SR4
~SR7
導通或不導通。此外,在本實施例中,該第一開關SR1
、第二開關SR2
、第三開關SR3
、及該四個開關SR4
~SR7
都分別為一功率電晶體。
參閱圖1與圖2,圖2是一時序圖,說明本發明直流電壓轉換裝置1之較佳實施例的箝位控制信號S3
如何控制該箝位電路4的第三開關SR3
,其中,橫軸為時間t,電流iLr
為流經該變壓器3的一次側的寄生漏感Lr
的電流,
且正方向如箭號所示。iC1
為流經該箝位電容C1
的電流,且方向是由該箝位電容C1
的第一端流向其第二端為正。VC1
為該箝位電容C1
的第一端及其第二端的跨壓。iLc
為流經該箝位電感LC
的電流,且方向是由該箝位電感LC
的第一端流向其第二端為正。Vds
_SR2
為該第二開關SR2
的第一端及其第二端的跨壓。
該等控制信號S1
~S2
、S4
~S7
來自一脈寬調變(Pulse Width Modulation,PWM)電路(圖未示),以控制該直交流轉換器2的四個開關SR4
~SR7
、第一開關SR1
、及第二開關SR2
分別導通或不導通,使該直流電源電壓經由該直交流轉換器2、變壓器3、第一開關SR1
、第二開關SR2
、二次側電感Lf
、及二次側電容Cf
,輸出一直流輸出電壓Vout
於該負載5。由於該脈寬調變電路產生該等控制信號S1
~S2
、S4
~S7
的方式為習知技術,因此,於圖2僅列出該二個控制信號S1
、S2
隨時間變化的態樣。
於時刻t0
~t1
之間:在時刻t0
時,來自該直交流轉換器2的電壓信號VSW
的振幅開始由零轉為負值。由於該變壓器3的等效電路具有該一次測的寄生漏感Lr
,且該第一控制信號S1
及第二控制信號S2
都為高準位,使該第一開關SR1
及第二開關SR2
都導通。此時,該變壓器3的第二繞組L2
及第三繞組L3
處於短路的狀態,且流經該第一開關SR1
及第二開關SR2
的電流處於一換流狀態,也就是流經該第二開關SR2
的電流漸漸減少,而流經該第一開關SR1
的電流漸漸增加。在時刻t1
時,該換流狀態完成,也就是流經
該第二開關SR2
的電流為零。在該換流狀態完成前,該第二控制信號S2
變為低準位,使該第二開關SR2
不導通,在該第二開關SR2
不導通之後,且時刻t1
之前,流經該第二開關SR2
的電流是經由該第二開關SR2
的基體二極體D2
通過。
於時刻t1
~t2
之間:在時刻t1
時,Vds
_SR2
的大小等於該變壓器3的二次側繞組的電壓差,也就是第二繞組L2
的第一端及第三繞組L3
的第二端之間的電壓差。此時,該第二開關SR2
的基體二極體D2
的反向恢復能量(reverse recovery energy)及其接面電容(junction capacitance)(圖未示)的能量都透過該變壓器3耦合而儲存於該一次側的寄生漏感Lr
中。由於在該變壓器3的二次側繞組會將該一次側的寄生漏感Lr
等效成一個二次側漏感,該二次側漏感及該第二開關SR2
的接面電容形成諧振。在時刻t1
之後,該箝位電路4的第一二極體DC1
導通,使該箝位電路4的箝位電容C1
參與該二次側漏感及該第二開關SR2
的接面電容的諧振中。再由於該箝位電容C1
的大小遠大於該第二開關SR2
的接面電容,使VC1
的大小緩慢增加,流經二次側漏感的電流(圖未示)緩慢下降。在時刻t2
時,該流經二次側漏感的電流降至零,此時,iC1
也為零且VC1
的大小達到一峰值,表示該第二開關SR2
的基體二極體D2
的反向恢復能量及其接面電容的能量都轉移至該箝位電容C1
中。
於時刻t2
~t3
之間:在時刻t2
時,該控制單元6偵測該箝位電路4的箝位電容C1
的第一端及第二端的跨
壓,根據該跨壓VC1
的大小,在VC1
達到該峰值時,切換該箝位控制信號S3
為高準位,使該箝位電路4的第三開關SR3
導通,進而使該箝位電容C1
、箝位電感LC
、及二次側漏感形成諧振,且此時該第一二極體DC1
由導通變為不導通。又因為該箝位電感LC
的大小遠大於該二次側漏感,使該二次側漏感可以被忽略,VC1
的大小緩慢下降,iLc
的大小緩慢增加(指電流的絕對值大小緩慢增加)。在時刻t3
時,iLc
的大小達到一峰值,VCc
的大小下降至2Vi
/K-VFD
,VFD
為該第一二極體DC1
的導通電壓。
於時刻t3
~t4
之間:在時刻t3
時,該第一二極體DC1
導通,使得該箝位電容C1
及箝位電感LC
所形成的諧振終止,且iLc
的大小能保持在該峰值。在時刻t4
時,該控制單元6根據VC1
的大小,在VC1
降至最小值時,切換該箝位控制信號S3為低準位,使該箝位電路4的第三開關SR3
不導通。
於時刻t4
~t5
之間:在時刻t4
時,若不考慮該第二二極體DC2
的導通電壓,該箝位電感LC
的第一端及第二端的跨壓與該直流輸出電壓的大小相同,iLc
開始通過該第二二極體DC2
向該負載5提供能量,使iLc
的大小慢慢下降(指電流的絕對值大小緩慢減小)。在時刻t5
時,該電壓信號VSW
為零,該第一控制信號S1
及第二控制信號S2
為高準位,分別使該第一開關SR1
及第二開關SR2
導通,此時,經過該第一開關SR1
及第二開關SR2
的電流繼續流過。
於時刻t5
~t6
之間:在時刻t5
時,iLc
的大小繼續
下降(指電流的絕對值大小緩慢減小)。直到時刻t6
時,iLc
的大小降為零,該箝位電感LC
中的能量都饋送至該負載5,也就是將該第二開關SR2
的基體二極體D2
的反向恢復能量及其接面電容的能量都饋送至該負載5。
於時刻t6
~t7
之間:在時刻t7
時,該電壓信號VSW
開始變為正,而進入下個半周期。在該下個半周期和時間t0
~t7
之間的半周期相較,因為該電壓信號VSW
的正負對稱,所以該直流電壓轉換裝置1的運作原理也就類似,就不再重複說明。
在本實施例中,藉由該箝位電路4將能量轉移至該負載5,能使圖2中,該第二開關SR2
的第一端及第二端之間的跨壓Vds
_SR2
於時刻t1
~t3
之間的電壓漣波(ripple)的大小,由未使用該箝位電路4時的2Vi
/K*100%降至2Vi
/K*10%,也就是使得Vds
_SR2
的振幅能夠小於2Vi
/K*110%,而達成有效地吸收該第二開關SR2
的電壓尖峰,並在不考慮該第一二極體DC1
及第二二極體DC2
的導通電壓的條件下,而達成無損失的能量轉換至該負載5。
特別值得一提的是:該直流電壓轉換裝置1還可以包含另一個相同的箝位電路4,且該另一箝位電路4電性連接於該第一開關SR1
的第一端、該負載5的第一端及第二端,以吸收該第一開關SR1
的基體二極體D1
所產生的反向恢復能量及其接面電容所產生的能量,並轉移該能量至該負載5。
綜上所述,根據該箝位電路4的箝位電容C1
的
跨壓,以控制該箝位電路4的第三開關SR3
導通或不導通,以吸收該第二開關SR2
的電壓尖峰並無損失地轉移能量至負載5,使作為整流器的第一開關及第二開關能選用如耐壓較低及損耗較小的元件,以達到可靠性較佳、成本較低且轉換效率較高的優點,故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧直流電壓轉換裝置
2‧‧‧直交流轉換器
3‧‧‧變壓器
4‧‧‧箝位電路
5‧‧‧負載
6‧‧‧控制單元
SR1
‧‧‧第一開關
SR2
‧‧‧第二開關
SR3
‧‧‧第三開關
SR4
~SR7
‧‧‧開關
S1
‧‧‧第一控制信號
S2
‧‧‧第二控制信號
S3
‧‧‧箝位控制信號
S4
~S7
‧‧‧控制信號
DC1
‧‧‧第一二極體
DC2
‧‧‧第二二極體
D1
~D2
‧‧‧基體二極體
DC
‧‧‧基體二極體
Cf
‧‧‧二次側電容
C1
‧‧‧箝位電容
L1
‧‧‧第一繞組
L2
‧‧‧第二繞組
L3
‧‧‧第三繞組
Lf
‧‧‧二次側電感
LC
‧‧‧箝位電感
Lr
‧‧‧寄生漏感
Lm
‧‧‧勵磁電感
Vi
‧‧‧直流電源電壓
VSW
‧‧‧電壓信號
VC1
‧‧‧C1
的跨壓
Claims (8)
- 一種直流電壓轉換裝置,包含:一直交流轉換器,接收一直流電源電壓,並將該直流電源電壓進行直交流轉換以產生一呈交流的電壓信號;一變壓器,包括一第一繞組、一第二繞組、及一第三繞組,該第一繞組電性連接該直交流轉換器以接收該電壓信號,該第二繞組及第三繞組分別具有一第一端及一第二端,且該第二繞組的第二端電性連接該第三繞組的第一端;一第一開關,具有一電性連接該第三繞組的第二端的第一端、一第二端及一接收一第一控制信號的控制端,且受該第一控制信號的控制於導通與不導通間切換;一第二開關,具有一電性連接該第二繞組的第一端的第一端、一電連接該第一開關的第二端的第二端及一接收一第二控制信號的控制端,且受該第二控制信號的控制於導通與不導通間切換;及一箝位電路,電性連接該第二開關的第一端及第二端,以箝制該第二開關的第一端及第二端之間的跨壓於一預設值,並儲存該第二開關所產生的電壓尖峰的能量。
- 如請求項1所述的直流電壓轉換裝置,還包含:一個二次側電感,包括一電性連接該變壓器的第 二繞組的第二端的第一端,及一電性連接一負載的第二端;及一個二次側電容,包括一電性連接該二次側電感的第二端的第一端,及一電性連接該第一開關的第二端的第二端。
- 如請求項2所述的直流電壓轉換裝置,其中,該箝位電路包括:一箝位電容,具有一電性連接該第二開關的第一端的第一端,及一第二端;一第一二極體,具有一電性連接該箝位電容的第二端的陽極端,及一電性連接該第二開關的第二端的陰極端;一箝位電感,具有一第一端,及一電性連接該第二開關的第二端的第二端;一第二二極體,具有一電性連接該箝位電感的第一端的陽極端,及一電性連接該二次側電感的第二端的陰極端;及一第三開關,具有一第一端、一第二端、及一控制端,該第一端電性連接該箝位電感的第一端,該第二端電性連接該箝位電容的第二端,該控制端接收一箝位控制信號,並受該箝位控制信號控制於導通或不導通間切換,以將該直流電壓轉換裝置的第二開關所產生的電壓尖峰的能量,儲存至該箝位電容中,再釋放至該負載。
- 如請求項3所述的直流電壓轉換裝置,還包含一控制單元,該控制單元根據該箝位電路的箝位電容的第一端及第二端的跨壓的大小,以產生該箝位控制信號來控制該第三開關導通或不導通。
- 如請求項4所述的直流電壓轉換裝置,其中,該直流電源電壓的電壓值為Vi ,該變壓器的第一繞組、第二繞組、及第三繞組的匝數比為K:1:1,該直流電壓轉換裝置經由該二次側電感輸出一直流輸出電壓至該負載,該箝位電容所電性連接的第二開關的第一端及第二端的跨壓的電壓峰值能有效降低至該預期值,該預期值小於2Vi /K*110%。
- 一種適用於直流電壓轉換裝置的箝位電路,該直流電壓轉換裝置用於將一直流電源電壓轉換為一直流輸出電壓,並包含一直交流轉換器、一變壓器、一第一開關、及一第二開關,該變壓器具有一接收來自該直交流轉換器的電壓信號的一次側,及一電性連接該第一開關及該第二開關的二次側,該箝位電路包含:一箝位電容,具有一電性連接該第二開關的第一端的第一端,及一第二端;一第一二極體,具有一電性連接該箝位電容的第二端的陽極端,及一電性連接該第二開關的第二端的陰極端;一箝位電感,具有一第一端,及一電性連接該第二開關的第二端的第二端; 一第二二極體,具有一電性連接該箝位電感的第一端的陽極端,及一陰極端;及一第三開關,具有一第一端、一第二端、及一控制端,該第一端電性連接該箝位電感的第一端,該第二端電性連接該箝位電容的第二端,該控制端接收一箝位控制信號,並受該箝位控制信號控制於導通或不導通間切換,以將該直流電壓轉換裝置的第二開關所產生的電壓尖峰的能量,儲存至該箝位電容中,再釋放至一負載。
- 如請求項6所述的適用於直流電壓轉換裝置的箝位電路,還包含一控制單元,該控制單元根據該箝位電路的箝位電容的第一端及第二端的跨壓的大小,以產生該箝位控制信號來控制該第三開關導通或不導通。
- 如請求項7所述的適用於直流電壓轉換裝置的箝位電路,該直流電源電壓的電壓值為Vi ,該變壓器具有一第一繞組、一第二繞組、及一第三繞組,且其匝數比為K:1:1,其中,該箝位電容所電性連接的直流電壓轉換裝置的第二開關的第一端及第二端的跨壓的電壓峰值能有效降低至該預期值,該預期值小於2Vi /K*110%。
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