TWI572132B - 雙輸出電源轉換器 - Google Patents

Description

雙輸出電源轉換器

本發明相關於一種切換式電源轉換器，特別是相關於一種雙輸出電源轉換器。

切換式電源轉換器是一種電子裝置，藉由切換電源轉換器中的開關以將輸入電源轉換器的電源轉換成所需的輸出電源。常見的切換式電源轉換器有升壓轉換器(boost converter)、降壓轉換器(buck converter)、返馳式轉換器(flyback converter)等等。而習知的切換式電源轉換器的開關於切換時，除了會產生切換損失，還會因突波而造成的電磁干擾(EMI)的問題，導致電源轉換效率以及動態輸出響應不佳。

因此，本發明的目的即在提供一種雙輸出電源轉換器，可以解決習知技術的問題。

本發明為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種雙輸出電源轉換器，連接於一輸入電源、一第一輸出負載及一第二輸出負載，該雙輸出電源轉換器包含：一儲能電感，其一第一端電性連接於該輸入電源的一正 電端；一主開關，電性連接於該儲能電感的一第二端與該輸入電源的一負電端之間；一變壓器型緩衝電路，具有一變壓器及一第一二極體，該變壓器的一次側具有一第一端及一第二端，該變壓器的該第一端電性連接於該儲能電感的該第二端及該主開關的該第一端，該第一二極體的一陽極端電性連接於該儲能電感的該第二端；一輔助開關，電性連接於該變壓器的該第二端與該輸入電源的該負電端之間；一第一電容器，電性連接於該第一二極體的陰極端與該輸入電源的該負電端之間，並且與該第一輸出負載並聯；一第二二極體，其一陽極端電性連接於該變壓器的二次側；以及一第二電容器，電性連接於該第二二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間，並且與該第二輸出負載並聯。

在本發明的一實施例中係提供一種雙輸出電源轉換器，該該變壓器型緩衝電路更包括一第三二極體、一第三電容器及一第四二極體，該第三二極體的一陽極端電性連接於該變壓器的該第二端，該第四二極體的一陽極端電性連接於該第三二極體的一陰極端，該第三電容器的一第一端電性連接於該儲能電感的該第二端及該變壓器的該第一端，該第三電容器的一第二端電性連接於該第三二極體的該陰極端，該第四二極體的一陽極端電性連接於該第三電容器的該第二端，且該第一電容器電性連接於該第四二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間。

在本發明的一實施例中係提供一種雙輸出電源轉換器，該主開關為一金氧半場效電晶體，該金氧半場效電晶體的汲極電性連接於該儲能電感的該第二端，該金氧半場效電晶體的源極電性連接於該輸入電源的該負電端。

在本發明的一實施例中係提供一種雙輸出電源轉換器，該輔助開關為一金氧半場效電晶體，該金氧半場效電晶體的汲極電性連接於該變壓器的該第二端，該金氧半場效電晶體的源極電性連接於該輸入電源的該負電端。

在本發明的一實施例中係提供一種雙輸出電源轉換器，更包括一總開關，串聯於該輸入電源，該儲能電感的該第一端係經由該總開關而電性連接於該輸入電源的該正電端。

在本發明的一實施例中係提供一種雙輸出電源轉換器，更包括一保護電路及一控制器，該保護電路經設置而分別偵測輸出至該第一輸出負載的第一輸出電力及該第二輸出負載的第二輸出電力而產生一電力狀態資訊，該控制器連接該保護電路，而接收該電力狀態資訊並據以控制該總開關的導通或切斷。

在本發明的一實施例中係提供一種雙輸出電源轉換器，該保護電路包括一比較器電路，經設置而比較所偵測到的該第一輸出電力與該第二輸出電力，而產生一比較資訊，該保護電路係根據該比較資訊而產生該電力狀態資訊。

經由本發明的雙輸出電源轉換器所採用之技術手段，以升壓型轉換器為主體，結合為變壓器型緩衝電路與輔助開關構成的主動式緩衝電路，使主開關具有零電壓切換(zero-voltage switching，ZVS)特性，透過此柔性切換技術，能降低切換損失以及突波造成的電磁干擾，進而達到高的電源轉換效率以及良好的動態輸出響應。此外，藉由變更變壓器型緩衝電路之變壓器一次側與二次側的電壓比，使本發明的雙輸出電源轉換器具有升/降壓的雙輸出特性，而有較廣泛的使用範圍。

100‧‧‧雙輸出電源轉換器

1‧‧‧變壓器型緩衝電路

2‧‧‧控制器

3‧‧‧保護電路

31‧‧‧比較器電路

C₁‧‧‧第一電容器

C₂‧‧‧第二電容器

C₃‧‧‧第三電容器

C_S1、C_S2‧‧‧寄生電容

D₁‧‧‧第一二極體

D₂‧‧‧第二二極體

D₃‧‧‧第三二極體

D₄‧‧‧第四二極體

D_S1、D_S2‧‧‧寄生二極體

E‧‧‧電力狀態資訊

i_Lf‧‧‧電感電流

i_Lm‧‧‧磁化電感電流

L₁‧‧‧一次側

L₂‧‧‧二次側

L_f‧‧‧儲能電感

L_k‧‧‧漏感

L_m‧‧‧磁化電感

R₁‧‧‧第一輸出負載

R₂‧‧‧第二輸出負載

S₁‧‧‧主開關

S₂‧‧‧輔助開關

S₃‧‧‧總開關

T_r‧‧‧變壓器

V_S‧‧‧輸入電源

第1圖為顯示根據本發明的一實施例的雙輸出電源轉換器的完整電路圖；第2圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器的電路示意圖；第3圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式一的電路示意圖；第4圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式二的電路示意圖；第5圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式三的電路示意圖；第6圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式四的電路示意圖；第7圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式五的電路示意圖；第8圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式六的電路示意圖；第9圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式七的電路示意圖；第10圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式八的電路示意圖；第11圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器於工作模式九的電路示意圖； 第12圖為顯示根據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器之部分元件的電流/電壓訊號的波形圖。

以下根據第1圖至第12圖，而說明本發明的實施方式。該說明並非為限制本發明的實施方式，而為本發明之實施例的一種。

如第1圖至第2圖所示，依據本發明的一實施例的一雙輸出電源轉換器100，連接於一輸入電源V_S、一第一輸出負載R₁及一第二輸出負載R₂，雙輸出電源轉換器包含：一儲能電感L_f，其一第一端電性連接於輸入電源V_S的一正電端；一主開關S₁，電性連接於儲能電感L_f的一第二端與輸入電源V_S的一負電端之間；一變壓器型緩衝電路1，具有一變壓器T_r及一第一二極體D₁，變壓器T_r的一次側L₁具有一第一端及一第二端，變壓器T_r的第一端電性連接於儲能電感L_f的第二端及主開關S₁的第一端，第一二極體D₁的一陽極端電性連接於儲能電感L_f的第二端；一輔助開關S₂，電性連接於變壓器T_r的第二端與輸入電源V_S的負電端之間；一第一電容器C₁，電性連接於第一二極體D₁的陰極端與輸入電源V_S的負電端之間，並且與第一輸出負載R₁並聯；一第二二極體D₂，其一陽極端電性連接於變壓器T_r的二次側L₂；以及一第二電容器C₂，電性連接於第二二極體D₂的一陰極端與輸入電源V_S的負電端之間，並且與第二輸出負載R₂並聯。

如第1圖所示，依據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器100，變壓器型緩衝電路1與輔助開關S₂構成一主動式緩衝電路，包括一第三二極體D₃、一第三電容器C₃及一第四二極體D₄，第三二極體D₃的一陽極端電性連接於變壓器T_r的第二端，第四二極體D₄的一陽極端電性連接於第三二極體D₃的一陰極端，第 三電容器C₃的一第一端電性連接於儲能電感L_f的第二端及變壓器T_r的第一端，第三電容器C₃的一第二端電性連接於第三二極體D₃的陰極端，第四二極體D₄的一陽極端電性連接於第三電容器C₃的第二端，且第一電容器C₁電性連接於第四二極體D₄的一陰極端與輸入電源V_S的負電端之間。

如第2圖所示，在變壓器T_r的等效電路中，變壓器T_r於一次側L₁具有一漏感L_k及一磁化電感L_m。變壓器T_r的極性可為加極性或減極性，在本實施例中為加極性。藉由改變變壓器T_r的一次側L₁與二次側L₂的電壓比，能改變於第二輸出負載R₂的第二輸出電壓，第二輸出電壓可以超過或低於在第一輸出負載R₁的第一輸出電壓，使本發明的雙輸出電源轉換器100具有升/降壓的雙輸出特性，而有較廣泛的使用範圍。

第三電容器C₃能儲存變壓器T_r的漏感L_k的能量。儲存於第三電容器C₃的能量能限制第一二極體D₁的反向電流的上升率，以降低第一二極體D₁於截止時的反向回復損失，並且使主開關S₁的切換零電流切換(zero-current switching，ZCS)的特性。藉此延長第一二極體D₁使用壽命以及提升本發明的雙輸出電源轉換器100的轉換效率。

如第1圖及第2圖所示，依據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器100，主開關S₁可以是一金氧半場效電晶體(MOSFET)、雙極性接面電晶體(BJT)或是絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。在本實施例中，主開關S₁為一N型MOSFET，於汲極與源極之間形成有一寄生二極體D_S1以及一寄生電容C_S1，主開關S₁的寄生二極體D_S1以及寄生電容C_S1互為並聯，金氧半場效電晶體的汲極電性連接於儲能電感L_f的第二端，金氧半場效電晶體的源極電性連接於輸入電源V_S的負電端。

同樣地，輔助開關S₂可以是一金氧半場效電晶體、雙極性接面電晶體或是絕緣閘雙極電晶體。在本實施例中，輔助開關S₂為一N型MOSFET，於汲極與源極之間形成有一寄生二極體D_S2以及一寄生電容C_S2，輔助開關S₂的寄生二極體D_S2以及寄生電容C_S2互為並聯，金氧半場效電晶體的汲極電性連接於變壓器T_r的第二端，金氧半場效電晶體的源極電性連接於輸入電源V_S的負電端。

如第1圖所示，依據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器100，一總開關S₃串聯於輸入電源V_S，用以中斷或繼續輸入電源V_S的轉換，儲能電感L_f的第一端係經由總開關S₃而電性連接於輸入電源V_S的正電端。一控制器2電性連接於主開關S₁以及輔助開關S₂，以控制主開關S₁以及輔助開關S₂的切換。在本實施例中，控制器2電性連接主開關S₁的閘極以及輔助開關S₂的閘極。除此之外，還連接於總開關S₃，以控制總開關S₃的導通或切斷。

在本實施例中，還包括一保護電路3，保護電路3經設置而分別偵測輸出至第一輸出負載R₁的第一輸出電力及第二輸出負載R₂的第二輸出電力而產生一電力狀態資訊E，控制器2連接保護電路3，而接收電力狀態資訊E並據以控制總開關S₃的導通或切斷。在第一輸出電力或第二輸出電力超出安全範圍時，控制器2依據保護電路3產生電力狀態資訊E而切斷總開關S₃。

如第1圖所示，依據本發明的實施例的雙輸出電源轉換器100，保護電路3包括一比較器電路31，經設置而比較所偵測到的第一輸出電力與第二輸出電力，而產生一比較資訊，保護電路3係根據比較資訊而產生電力狀態資訊E。

如第3圖至第11圖為本發明的實施例的雙輸出電源轉換器100的一個完整切換週期，依據各元件的狀態而區分成九個連續的工作模式。其中，實 線電路表示通路，虛線電路表示斷路，虛線箭頭表示電流方向。第12圖為顯示重要元件在各個工作模式下的電流/電壓訊號的波形圖。各個工作模式分析如下： 第3圖所示，當t=t₀時，輔助開關S₂被切斷。在工作模式一(t₀≦t<t₁)期間，主開關S₁為導通且輔助開關S₂為切斷；流經儲能電感L_f的電感電流i_Lf從輸入電源V_S的正電端流經儲能電感L_f與主開關S₁而流回輸入電源V_S的負電端；儲存於變壓器T_r之漏感L_k的能量開始釋放至第三電容器C₃；儲存於變壓器T_r之磁化電感L_m的能量被耦合至二次側L₂使第二二極體D₂被順向導通，而將能量釋放到第二輸出負載R₂；第一電容器C₁的能量開始釋放至第一輸出負載R₁。

如第4圖所示，當t=t₁時，變壓器T_r之漏感L_k的能量釋放到零。在工作模式二(t₁≦t<t₂)期間，主開關S₁持續為導通且輔助開關S₂持續為切斷；儲存於磁化電感L_m的能量持續被耦合至二次側L₂而將能量釋放到第二輸出負載R₂；第一電容器C₁的能量持續釋放至第一輸出負載R₁。

如第5圖所示，當t=t₂時，主開關S₁被切斷。在工作模式三(t₂≦t<t₃)期間，主開關S₁為切斷且輔助開關S₂持續為切斷；電感電流i_Lf開始流經第三電容器C₃、第四二極體D₄以及第一輸出負載R₁；第三電容器C₃開始放電；儲存於磁化電感L_m的能量持續被耦合至二次側L₂而將能量釋放到第二輸出負載R₂。

如第6圖所示，當t=t₃時，第三電容器C₃兩端的電壓減少到零。在工作模式四(t₃≦t<t₄)期間，主開關S₁持續為切斷且輔助開關S₂持續為切斷；第一二極體D₁被導通；電感電流i_Lf開始流經第一二極體D₁以及第一輸出負載R₁；儲存於磁化電感L_m的能量持續被耦合至二次側L₂而將能量釋放到第二輸出負載R₂。

如第7圖所示，當t=t₄時，輔助開關S₂被導通。在工作模式五(t₄≦t<t₅)期間，主開關S₁持續為切斷且輔助開關S₂為導通；電感電流i_Lf持續流經第一二極體D₁以及第一輸出負載R₁；變壓器T_r的磁化電感L_m與漏感L_k開始儲能並磁化電感L_m的能量停止被耦合二次側L₂；第二電容器C₂的能量開始釋放至第二輸出負載R₂。

如第8圖所示，當t=t₅時，電感電流i_Lf等於流經磁化電感L_m的磁化電感電流i_Lm，第一二極體D₁被截止。在工作模式六(t₅≦t<t₆)期間，主開關S₁持續為切斷且輔助開關S₂持續為導通；第一電容器C₁的能量開始釋放至第一輸出負載R₁；第二電容器C₂的能量持續釋放至第二輸出負載R₂。

如第9圖所示，當t=t₆時，主開關S₁的寄生電容C_S1開始放電。在工作模式七(t₆≦t<t₇)期間，主開關S₁持續為切斷且輔助開關S₂持續為導通；第一電容器C₁的能量持續釋放至第一輸出負載R₁；第二電容器C₂的能量持續釋放至第二輸出負載R₂。

如第10圖所示，當t=t₇時，主開關S₁的寄生電容C_S1放電到零，主開關S₁的寄生二極體D_S1被導通。在工作模式八(t₇≦t<t₈)期間，輔助開關S₂持續為導通；第一電容器C₁的能量持續釋放至第一輸出負載R₁；第二電容器C₂的能量持續釋放至第二輸出負載R₂。因主開關S₁的汲級與源極之間的電壓為零，在此狀態下具有零電壓切換的特性而為柔性切換。

如第11圖所示，當t=t₈時，主開關S₁以零電壓切換的方式進行切換。在工作模式九(t₈≦t<t₉)期間，主開關S₁的導通暫態具有零電壓切換的特性；輔助開關S₂持續為導通；第一電容器C₁的能量持續釋放至第一輸出負載R₁；第二電 容器C₂的能量持續釋放至第二輸出負載R₂。當t=t₉=t₀時，輔助開關S₂被切斷，而完成一個完整的切換週期。

藉由上述結構，本發明的雙輸出電源轉換器100藉由變壓器型緩衝電路1，使主開關S₁具有零電壓切換及零電流切換特性，能降低切換損失以及突波造成的電磁干擾，進而達到高的電源轉換效率以及良好的動態輸出響應。此外，藉由變更變壓器T_r之一次側L₁與二次側L₂的電壓比，使本發明的雙輸出電源轉換器100具有升/降壓的雙輸出特性，而有較廣泛的使用範圍。

以上之敘述以及說明僅為本發明之較佳實施例之說明，對於此項技術具有通常知識者當可依據以下所界定申請專利範圍以及上述之說明而作其他之修改，惟此些修改仍應是為本發明之發明精神而在本發明之權利範圍中。

100‧‧‧雙輸出電源轉換器

1‧‧‧變壓器型緩衝電路

2‧‧‧控制器

3‧‧‧保護電路

31‧‧‧比較器電路

C₁‧‧‧第一電容器

C₂‧‧‧第二電容器

C₃‧‧‧第三電容器

D₁‧‧‧第一二極體

D₂‧‧‧第二二極體

D₃‧‧‧第三二極體

D₄‧‧‧第四二極體

E‧‧‧電力狀態資訊

L₁‧‧‧一次側

L₂‧‧‧二次側

L_f‧‧‧儲能電感

R₁‧‧‧第一輸出負載

R₂‧‧‧第二輸出負載

S₁‧‧‧主開關

S₂‧‧‧輔助開關

S₃‧‧‧總開關

T_r‧‧‧變壓器

V_S‧‧‧輸入電源

Claims (7)

1. 一種雙輸出電源轉換器，連接於一輸入電源、一第一輸出負載及一第二輸出負載，該雙輸出電源轉換器包含：一儲能電感，其一第一端電性連接於該輸入電源的一正電端；一主開關，電性連接於該儲能電感的一第二端與該輸入電源的一負電端之間；一變壓器型緩衝電路，具有一變壓器及一第一二極體，該變壓器的一次側具有一第一端及一第二端，該變壓器的該第一端電性連接於該儲能電感的該第二端及該主開關的該第一端，該第一二極體的一陽極端電性連接於該儲能電感的該第二端；一輔助開關，電性連接於該變壓器的該第二端與該輸入電源的該負電端之間；一第一電容器，電性連接於該第一二極體的陰極端與該輸入電源的該負電端之間，並且與該第一輸出負載並聯；一第二二極體，其一陽極端電性連接於該變壓器的二次側；以及一第二電容器，電性連接於該第二二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間，並且與該第二輸出負載並聯。
2. 如申請專利範圍第1項之雙輸出電源轉換器，其中該變壓器型緩衝電路更包括一第三二極體、一第三電容器及一第四二極體，該第三二極體的一陽極端電性連接於該變壓器的該第二端，該第四二極體的一陽極端電性連接於該第三二極體的一陰極端，該第三電容器的一第一端電性連接於該儲能電感的該第二端及該變壓器的該第一端，該第三電容器的一第二端電性連接於該第三二極體的該陰極端，該第四二極體的一陽極端電性連接於該第三電容器的該第 二端，且該第一電容器電性連接於該第四二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間。
3. 如申請專利範圍第1項之雙輸出電源轉換器，其中該主開關為一金氧半場效電晶體，該金氧半場效電晶體的汲極電性連接於該儲能電感的該第二端，該金氧半場效電晶體的源極電性連接於該輸入電源的該負電端。
4. 如申請專利範圍第1項之雙輸出電源轉換器，其中該輔助開關為一金氧半場效電晶體，該金氧半場效電晶體的汲極電性連接於該變壓器的該第二端，該金氧半場效電晶體的源極電性連接於該輸入電源的該負電端。
5. 如申請專利範圍第1項之雙輸出電源轉換器，更包括一總開關，串聯於該輸入電源，該儲能電感的該第一端係經由該總開關而電性連接於該輸入電源的該正電端。
6. 如申請專利範圍第5項之雙輸出電源轉換器，更包括一保護電路及一控制器，該保護電路經設置而分別偵測輸出至該第一輸出負載的第一輸出電力及該第二輸出負載的第二輸出電力而產生一電力狀態資訊，該控制器連接該保護電路，而接收該電力狀態資訊並據以控制該總開關的導通或切斷。
7. 如申請專利範圍第6項之雙輸出電源轉換器，其中該保護電路包括一比較器電路，經設置而比較所偵測到的該第一輸出電力與該第二輸出電力，而產生一比較資訊，該保護電路係根據該比較資訊而產生該電力狀態資訊。