TWI577124B - 多輸出電源轉換器 - Google Patents

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蔡政道
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國立勤益科技大學
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02B70/00Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Description

多輸出電源轉換器
本發明相關於一種切換式電源轉換器,特別是相關於一種多輸出電源轉換器。
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。而習知的多輸出之切換式電源轉換器於開關切換時,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多輸出電源轉換器,具有良好的效率與動態輸出響應。
本創作為解決習知技術之問題所採用之技術手段係提供一種多輸出電源轉換器,連接於一輸入電源,該多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;一主動緩衝電路,具有一第一變壓器及一輔助開關,該第一變壓器的一個一次側第一端電性連接於該儲能電感的該第二端,該第一變壓器的一個二次側第二端電性連接於該輸入電源的該負電端,該輔助開關電性連接於該第一變壓器的一個一次側第二端與該輸入電源的該負電端之間;一第一輸出單元,電性並聯於該第一變壓器的一個二次側第一端與該二次側第二端之間,用以輸出至一第一輸出負載;一能量轉移電容器,其一第一端電性連接於該第一變壓器的該一次側第一端;一第二變壓器,其一個一次側第一端電性連接於該能量轉移電容器的一第二端,其一個一次側第二端電性連接於該輸入電源的該負電端;一第二輸出單元,電性連接於該第二變壓器的一個二次側第一端與該輸入電源的該負電端之間,用以輸出至一第二輸出負載;以及一第三輸出單元,電性連接於該能量轉移電容器的該第二端與該輸入電源的該負電端之間,用以輸出至一第三輸出負載。
在本發明的一實施例中係提供一種多輸出電源轉換器,該第一輸出單元具有一第一整流二極體以及一第一濾波電容器,該第一整流二極體的一陽極端電性連接於該第一變壓器的該二次側第一端,該第一濾波電容器電性連接於該第一整流二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間,並且供該第一輸出負載並聯。
在本發明的一實施例中係提供一種多輸出電源轉換器,該第二輸出單元具有一第二整流二極體以及一第二濾波電容器,該第二整流二極體的一陽極端電性連接於該第二變壓器的該二次側第一端,該第二濾波電容器電性連接於該第二整流二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間,並且供該第二輸出負載並聯。
在本發明的一實施例中係提供一種多輸出電源轉換器,該第三輸出單元具有一第三整流二極體以及一第三濾波電容器,該第三整流二極體的一陽極端電性連接於該能量轉移電容器的該第二端,該第三濾波電容器電性連接於該第三整流二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間,並且供該第三輸出負載並聯。
在本發明的一實施例中係提供一種多輸出電源轉換器,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多輸出電源轉換器,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第一變壓器的該第二端,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。
經由本發明的多輸出電源轉換器所採用之電路架構,主要以單端初級電感轉換器(single-ended primary inductance converter,SEPIC)為主體,藉由設置第一變壓器以及第二變壓器,能以單一個輸入電源來提供多組輸出電壓,而有較廣泛的使用範圍。此外,利用第一變壓器與輔助開關組成主動式緩衝器,使主開關在高頻切換暫態導通時,具有零電壓切換的特性;同時使輔助開關在高頻切換暫態導通時,亦具有零電壓切換的特性,因此能降低主開關與輔助開關在高頻切換下所產生的切換損失與電磁干擾的影響,且使本發明的多輸出電源轉換器具有良好的電源轉換效率與動態輸出響應。
100‧‧‧多輸出電源轉換器
1‧‧‧主動緩衝電路
2‧‧‧第一輸出單元
3‧‧‧第二輸出單元
4‧‧‧第三輸出單元
Ca‧‧‧能量轉移電容器
CO1‧‧‧第一濾波電容器
CO2‧‧‧第二濾波電容器
CO3‧‧‧第三濾波電容器
CS1‧‧‧寄生電容
CS2‧‧‧寄生電容
D1‧‧‧第一整流二極體
D2‧‧‧第二整流二極體
D3‧‧‧第三整流二極體
DS1‧‧‧寄生二極體
DS2‧‧‧寄生二極體
I1‧‧‧電流
I2‧‧‧電流
IS2‧‧‧電流
La‧‧‧儲能電感
Lm1‧‧‧磁化電感
Lm2‧‧‧磁化電感
O1‧‧‧第一輸出負載
O2‧‧‧第二輸出負載
O3‧‧‧第三輸出負載
S1‧‧‧主開關
S2‧‧‧輔助開關
Tr1‧‧‧第一變壓器
Tr2‧‧‧第二變壓器
Vs‧‧‧輸入電源
〔第1圖〕為顯示根據本發明的一實施例的多輸出電源轉換器的電路架構圖;〔第2圖〕為顯示根據本發明的實施例的多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多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多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多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多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多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多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多輸出電源轉換器於工作模式七的電路示意圖。
以下根據第1圖至第9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圖所示,依據本發明的一實施例的一多輸出電源轉換器100,連接於一輸入電源Vs,多輸出電源轉換器100包含:一儲能電感La,其一第一端 電性連接於輸入電源Vs的一正電端;一主開關S1,電性連接於儲能電感La的一第二端與輸入電源Vs的一負電端之間;一主動緩衝電路1,具有一第一變壓器Tr1及一輔助開關S2,第一變壓器Tr1的一個一次側第一端電性連接於儲能電感La的第二端,第一變壓器Tr1的一個二次側第二端電性連接於輸入電源Vs的負電端,輔助開關S2電性連接於第一變壓器Tr1的一個一次側第二端與輸入電源Vs的負電端之間;一第一輸出單元2,電性並聯於第一變壓器Tr1的一個二次側第一端與二次側第二端之間,用以輸出至一第一輸出負載O1;一能量轉移電容器Ca,其一第一端電性連接於第一變壓器Tr1的一次側第一端;一第二變壓器Tr2,其一個一次側第一端電性連接於能量轉移電容器Ca的一第二端,其一個一次側第二端電性連接於輸入電源Vs的負電端;一第二輸出單元3,電性連接於第二變壓器Tr2的一個二次側第一端與輸入電源Vs的負電端之間,用以輸出至一第二輸出負載O2;以及一第三輸出單元4,電性連接於能量轉移電容器Ca的第二端與輸入電源Vs的負電端之間,用以輸出至一第三輸出負載O3
其中,第一變壓器Tr1與輔助開關S2構成的主動緩衝電路1使主開關S1在高頻切換暫態導通時,具有零電壓切換(zero-voltage switching,ZVS)的特性,也使輔助開關S2在高頻切換暫態導通時,具有零電壓切換的特性。因此可以有效降低主開關S1與輔助開關S2在高頻切換下所產生的切換損失與EMI的影響,使所使用的元件壽命延長,且使本發明的多輸出電源轉換器具有良好的效率與動態輸出響應。
在本電路架構中,輸入電源Vs為單一個電源供應器,第一輸出單元2、第二輸出單元3及第三輸出單元4個別具有一二極體以及一濾波電容,用於整流以及濾波。當然,濾波電容可以替還換成其他用於濾波的濾波電路。藉由上 述結構,藉由設置第一變壓器Tr1以及第二變壓器Tr2,能以單一個輸入電源Vs來提供多組輸出電壓,而有較廣泛的使用範圍。
第2圖為第1圖的等效電路圖,如第2圖所示,依據本發明的實施例的多輸出電源轉換器100,第一輸出單元2的二極體與濾波電容分別為第一整流二極體D1以及第一濾波電容器CO1,第一整流二極體D1的一陽極端電性連接於第一變壓器Tr1的二次側第一端,第一濾波電容器CO1電性連接於第一整流二極體D1的一陰極端與輸入電源Vs的負電端之間,並且供第一輸出負載O1並聯。第二輸出單元3的二極體與濾波電容分別為第二整流二極體D2以及第二濾波電容器CO2,第二整流二極體D2的一陽極端電性連接於第二變壓器Tr2的二次側第一端,第二濾波電容器CO2電性連接於第二整流二極體D2的一陰極端與輸入電源Vs的負電端之間,並且供第二輸出負載O2並聯。第三輸出單元4的二極體與濾波電容分別為第三整流二極體D3以及第三濾波電容器CO3,第三整流二極體D3的一陽極端電性連接於第二變壓器Tr2的二次側第一端,第三濾波電容器CO3電性連接於第三整流二極體D3的一陰極端與輸入電源Vs的負電端之間,並且供第三輸出負載O3並聯。
如第2圖所示,在第一變壓器Tr1與第二變壓器Tr2的等效電路中,於一次側分別具有一磁化電感Lm1、Lm2。第一變壓器Tr1與第二變壓器Tr2的極性可為加極性或減極性,在本實施例中,第一變壓器Tr1為加極性,第二變壓器Tr2為減極性。藉由改變第一變壓器Tr1與第二變壓器Tr2各自的一次側與二次側的電壓比,能改變於第一輸出負載O1、第二輸出負載O2及第三輸出負載O3之間的輸出電壓比例,以提供多組輸出電壓,並使本發明的多輸出電源轉換器100能有升/降壓的輸出特性,而有較廣泛的使用範圍。
如第1圖及第2圖所示,依據本發明的實施例的多輸出電源轉換器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DS1以及一寄生電容CS1,主開關S1的寄生二極體DS1以及寄生電容CS1互為並聯,金氧半場效電晶體的汲極電性連接於儲能電感La的第二端,金氧半場效電晶體的源極電性連接於輸入電源Vs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DS2以及一寄生電容CS2,輔助開關S2的寄生二極體DS2以及寄生電容CS2互為並聯,金氧半場效電晶體的汲極電性連接於第一變壓器Tr1的第二端,金氧半場效電晶體的源極電性連接於輸入電源Vs的負電端。
一控制器(圖未示)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的導通或切斷。在本實施例中,控制器是電性連接主開關S1的閘極以及輔助開關S2的閘極。
如第3圖至第9圖為本發明的實施例的多輸出電源轉換器100的一個完整切換週期,依據各元件的狀態而區分成七個連續的工作模式。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。各個工作模式分析如下:第3圖所示,在工作模式一期間,主開關S1為導通且輔助開關S2為切斷;電流I1從輸入電源Vs的正電端流經儲能電感La與主開關S1而流回輸入電源Vs的負電端;能量轉移電容器Ca開始放電,放電電流I2流經主開關S1、能量轉移電容器Ca與第二變壓器Tr2的磁化電感Lm2,第二變壓器Tr2之磁化電感Lm2開始儲 能;儲存於第一變壓器Tr1之磁化電感Lm1能量被耦合至二次側使第二整流二極體D2被順向導通,而將能量釋放到第二輸出負載O2,第一濾波電容器CO1的能量開始釋放至第一輸出負載O1,第三輸出負載O3所需的功率則由第三濾波電容器CO3來提供。
如第4圖所示,在工作模式二期間,主開關S1為切斷且輔助開關S2持續為切斷,電流I1開始對能量轉移電容器Ca充電,並經由第三整流二極體D3導通提供功率至第三輸出負載O3。第二變壓器Tr2將停止能量繼續轉移從一次側繞組至二次側繞組;而第二變壓器Tr2的磁化電感Lm2開始釋放能量經由一次側繞組轉移至二次側繞組,並經由第二整流二極體D2傳送至第二輸出負載O2。另外,儲存於第一變壓器Tr1之磁化電感Lm1能量繼續經由一次側繞組轉移至二次側繞組,並經由第一整流二極體D1傳送至第一輸出負載O1
如第5圖所示,在工作模式三期間,主開關S1持續為切斷且輔助開關S2為導通;因第一變壓器Tr1之磁化電感Lm1的作用,使流經磁化電感Lm1之電流上升率(di/dt)被限制,因此輔助開關S2被導通操作在零電壓切換的狀態。在此工作模式,電流I1被分成兩部分:一部分為電流IS2,經由輔助開關S2開始對第一變壓器Tr1之磁化電感Lm1儲能;另一部分為電流I2,繼續對能量轉移電容器Ca充電,並經由第三整流二極體D3提供功率至第三輸出負載O3。此時,第二變壓器Tr2的磁化電感Lm2繼續釋放能量經由一次側繞組轉移至二次側繞組,並經由第二整流二極體D2傳送至第二輸出負載O2,而第一輸出負載O1所需的功率則由第一濾波電容器CO1來提供。
當電流I1=電流IS2時,進入在工作模式四。如第6圖所示,在工作模式四期間,主開關S1持續為切斷且輔助開關S2持續為導通;此時,流經輔助開關 S2的電流IS2=電流I1+電流I2;能量轉移電容器Ca開始放電,放電電流I2路徑經由第一變壓器Tr1之磁化電感Lm1、輔助開關S2至第二變壓器Tr2之磁化電感Lm2。此時,第一輸出負載O1所需的功率則繼續由第一濾波電容器CO1來提供,第二輸出負載O2所需的功率則由第二濾波電容器CO2來提供,且第三輸出負載O3所需的功率則由第三濾波電容器CO3來提供。
如第7圖所示,在工作模式五期間,主開關S1持續為切斷且輔助開關S2持續為導通,當電流I1<電流IS2時,主開關S1的寄生電容CS1開始被放電。此時,第一輸出負載O1所需的功率則繼續由第一濾波電容器CO1來提供,第二輸出負載O2所需的功率則繼續由第二濾波電容器CO2來提供,且第三輸出負載O3所需的功率則繼續由第三濾波電容器CO3來提供。
如第8圖所示,在工作模式六期間,主開關S1持續為切斷且輔助開關S2持續為導通;當主開關S1的寄生電容CS1電壓被放電至零,主開關S1的寄生二極體DS1開始導通,使主開關S1在開關導通時具有零電壓切換的特性。此時,第一輸出負載O1所需的功率則繼續由第一濾波電容器CO1來提供,第二輸出負載O2所需的功率則繼續由第二濾波電容器CO2來提供,且第三輸出負載O3所需的功率則繼續由第三濾波電容器CO3來提供。
如第9圖所示,在工作模式七期間,主開關S1為導通且輔助開關S2持續為導通;第一輸出負載O1所需的功率則繼續由第一濾波電容器CO1來提供,第二輸出負載O2所需的功率則繼續由第二濾波電容器CO2來提供,且第三輸出負載O3所需的功率則繼續由第三濾波電容器CO3來提供。當輔助開關S2的被截止,電源轉換器的一個完整切換週期的工作模式被完成。當輔助開關S2被切斷時,完成一個完整的切換週期。
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‧‧‧多輸出電源轉換器
1‧‧‧主動緩衝電路
2‧‧‧第一輸出單元
3‧‧‧第二輸出單元
4‧‧‧第三輸出單元
Ca‧‧‧能量轉移電容器
La‧‧‧儲能電感
O1‧‧‧第一輸出負載
O2‧‧‧第二輸出負載
O3‧‧‧第三輸出負載
S1‧‧‧主開關
S2‧‧‧輔助開關
Tr1‧‧‧第一變壓器
Tr2‧‧‧第二變壓器
Vs‧‧‧輸入電源

Claims (6)

  1. 一種多輸出電源轉換器,連接於一輸入電源,該多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;一主動緩衝電路,具有一第一變壓器及一輔助開關,該第一變壓器的一個一次側第一端電性連接於該儲能電感的該第二端,該第一變壓器的一個二次側第二端電性連接於該輸入電源的該負電端,該輔助開關電性連接於該第一變壓器的一個一次側第二端與該輸入電源的該負電端之間;一第一輸出單元,電性並聯於該第一變壓器的一個二次側第一端與該二次側第二端之間,用以輸出至一第一輸出負載O1;一能量轉移電容器,其一第一端電性連接於該第一變壓器的該一次側第一端;一第二變壓器,其一個一次側第一端電性連接於該能量轉移電容器的一第二端,其一個一次側第二端電性連接於該輸入電源的該負電端;一第二輸出單元,電性連接於該第二變壓器的一個二次側第一端與該輸入電源的該負電端之間,用以輸出至一第二輸出負載;以及一第三輸出單元,電性連接於該能量轉移電容器的該第二端與該輸入電源的該負電端之間,用以輸出至一第三輸出負載。
  2. 如申請專利範圍第1項之多輸出電源轉換器,其中該第一輸出單元具有一第一整流二極體以及一第一濾波電容器,該第一整流二極體的一陽極端電性連接於該第一變壓器的該二次側第一端,該第一濾波電容器電性連接於該 第一整流二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間,並且供該第一輸出負載並聯。
  3. 如申請專利範圍第1項之多輸出電源轉換器,其中該第二輸出單元具有一第二整流二極體以及一第二濾波電容器,該第二整流二極體的一陽極端電性連接於該第二變壓器的該二次側第一端,該第二濾波電容器電性連接於該第二整流二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間,並且供該第二輸出負載並聯。
  4. 如申請專利範圍第1項之多輸出電源轉換器,其中該第三輸出單元具有一第三整流二極體以及一第三濾波電容器,該第三整流二極體的一陽極端電性連接於該能量轉移電容器的該第二端,該第三濾波電容器電性連接於該第三整流二極體的一陰極端與該輸入電源的該負電端之間,並且供該第三輸出負載並聯。
  5. 如申請專利範圍第1項之多輸出電源轉換器,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。
  6. 如申請專利範圍第1項之多輸出電源轉換器,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第一變壓器的該第二端,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。
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