TWI600264B

TWI600264B - Single-switch double-group flyback converter with leakage inductance energy recovery function

Info

Publication number: TWI600264B
Application number: TW105128892A
Authority: TW
Inventors: Wei-Qiang Guo; long-sheng Yang
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2017-09-21
Also published as: TW201810898A

Description

具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置

本發明是有關於一種返馳式轉換裝置，特別是指一種具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置。

參閱圖1，習知返馳式轉換裝置1用來將一直流輸入電壓Vin轉換成一直流輸出電壓Vo。該返馳式轉換裝置1具有架構簡單、單一切換開關11及成本低的優點。但該返馳式轉換裝置1之一變壓器12所儲存的漏電感能量無法回收，因此，會造成該返馳式轉換裝置1的轉換效率較低及該切換開關11的電壓應力變大之缺點。

因此，本發明的目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置。

於是，本發明具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置用於產生一直流輸出電壓，該具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置包含一漏感能量回收電路、一第一變壓器、一第二變壓器、一開關及一輸出電路。

該漏感能量回收電路具有一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，並接收來自該等第一及第二變壓器的漏電感能量。

該第一變壓器具有一電連接在該漏感能量回收電路之該等第一及第二端間的初級側繞組及一輸出一第一輸出電流的次級側繞組，該第一輸出電流正相關於該第一變壓器之該初級側繞組的一第一跨壓。

該第二變壓器具有一電連接在該漏感能量回收電路之該等第三及第四端間的初級側繞組及一輸出一第二輸出電流的次級側繞組，該第二輸出電流正相關於該第二變壓器之該初級側繞組的一第二跨壓。

該開關具有一電連接該漏感能量回收電路之該第三端的第一端、一第二端，及一接收一控制信號的控制端，以致該開關根據該控制信號而導通或不導通。

該輸出電路電連接該等第一及第二變壓器的該等次級側繞組以分別接收該等第一及第二輸出電流，且根據該等第一及第二輸出電流產生該直流輸出電壓。

本發明之功效在於：藉由該開關的切換操作，使該等第一及第二變壓器的漏電感能量可回收至該漏感能量回收電路，進而達到漏感能量回收的功能。

參閱圖2，本發明具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置的實施例適用於從一電壓源3接收一直流輸入電壓V _in，並將該直流輸入電壓V _in轉換成一直流輸出電壓V _o，且適用於將該直流輸出電壓V _o輸出到一負載R。本實施例的具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置包含一漏感能量回收電路4、一第一變壓器T ₁、一第二變壓器T ₂、一開關S ₁、一輸出電路5及一控制電路6。

該漏感能量回收電路4具有一電連接該電壓源3的第一端41、一第二端42、一第三端43及一第四端44。在本實施例中，該漏感能量回收電路4包括一第一輸入電容C ₁、一輸入二極體D ₁及一第二輸入電容C ₂。

該第一輸入電容C ₁具有一電連接該漏感能量回收電路4之該第一端41的第一端，及一第二端。該輸入二極體D ₁具有一電連接該漏感能量回收電路4之該第二端42的陽極，及一電連接該第一輸入電容C ₁之該第二端的陰極。該第二輸入電容C ₂電連接在該漏感能量回收電路4之該等第二及第三端42、43間。

該第一變壓器T ₁具有一電連接在該漏感能量回收電路4之該等第一及第二端41、42間的初級側繞組N ₁₁，及一輸出一第一輸出電流i _N12的次級側繞組N ₁₂。該第二變壓器T ₂具有一電連接在該漏感能量回收電路4之該等第三及第四端43、44間的初級側繞組N ₂₁及一輸出一第二輸出電流i _N22的次級側繞組N ₂₂。

在本實施例中，該等第一及第二變壓器T ₁、T ₂之該等初級側繞組N ₁₁、N ₂₁及該等次級側繞組N ₁₂、N ₂₂中的每一者具有一第一端及一第二端。該第一變壓器T ₁之該初級側繞組N ₁₁之該等第一及第二端分別電連接該漏感能量回收電路4之該等第一及第二端41、42。該第二變壓器T ₂之該初級側繞組N ₂₁之該等第一及第二端分別電連接該漏感能量回收電路4之該等第四及第三端44、43。該等次級側繞組N ₁₂、N ₂₂之該等第一端分別輸出該等第一及第二輸出電流i _N12、 i _N22。該第一輸出電流i _N12正相關於該第一變壓器T ₁之該初級側繞組N ₁₁的一第一跨壓，該第二輸出電流i _N22正相關於該第二變壓器T ₂之該初級側繞組N ₂₁的一第二跨壓。需說明的是，於該等第一及第二變壓器T ₁、T ₂的每一者中，該初級側繞組的該第一端及該次級側繞組的該第二端為極性點端，該初級側繞組的該第二端及該次級側繞組的該第一端為非極性點端。該第一變壓器T ₁的一匝數比n1等於該第二變壓器T ₂的一匝數比n2(即，n1=n2)。其中，該匝數比n1為該次級側繞組N ₁₂的一匝數N12除以該初級側繞組N ₁₁的一匝數N11(即，n1=N12/N11)。該匝數比n2為該次級側繞組N ₂₂的一匝數N22除以該初級側繞組N ₂₁的一匝數N21(即，n2=N22/N21)。

該開關S ₁具有一電連接該漏感能量回收電路4之該第三端43的第一端、一第二端，及一接收一控制信號V _gs1的控制端，以致該開關S ₁根據該控制信號V _gs1而導通或不導通。在本實施例中，該開關S ₁為一N型金氧半場效電晶體，且該N型金氧半場效電晶體的汲極、源極及閘極分別為該開關S ₁該第一端、該第二端及該控制端。

該輸出電路5電連接該等第一及第二變壓器T ₁、T ₂的該等次級側繞組N ₁₂、N ₂₂的該等第一端及該等第二端，接收分別來自該等次級側繞組N ₁₂、N ₂₂的該等第一端的該等第一及第二輸出電流i _N12、 i _N22，且適用於電連接該負載R。該輸出電路5根據該等第一及第二輸出電流i _N12、i _N22產生給該負載R的該直流輸出電壓V _o。在本實施例中，該輸出電路5包括一第一輸出二極體D _o1、一第二輸出二極體D _o2及一輸出電容C _o。

該第一輸出二極體D _o1具有一電連接該次級側繞組N ₁₂的該第一端以接收該第一輸出電流i _N12的陽極，及一陰極。該第二輸出二極體D _o2具有一電連接該次級側繞組N ₂₂的該第一端以接收該第二輸出電流i _N2的陽極，及一電連接該第一輸出二極體D _o1之該陰極的陰極。該輸出電容C _o具有一電連接該第二輸出二極體D _o2之該陰極的第一端，及一電連接該等次級側繞組之該等第二端的第二端。該輸出電容C _o的跨壓作為該直流輸出電壓V _o。

該控制電路6產生該控制信號V _gs1，並將該控制信號V _gs1輸出至該開關S ₁的該控制端。在本實施例中，該控制電路6係利用一脈波寬度調變技術來產生該控制信號V _gs1。

參閱圖3，為本實施例的一等效電路圖，用於模擬該第一變壓器T ₁的非理想特性之該初級側繞組N ₁₁之一假想的第一磁化電感L _m1及一假想的第一漏電感L _k1被畫出，用於模擬第二變壓器T ₂的非理想特性之該初級側繞組N ₂₁之一假想的第二磁化電感L _m2及一假想的第二漏電感L _k2被畫出，該控制電路6(見圖2)沒被畫出。其中，參數V _c1、V _c2分別為該等第一及第二輸入電容C ₁、C ₂二端的跨壓，參數i _S1為流經該開關S ₁的電流，參數i _Lm1、i _Lm2分別為流經該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2的電流，參數i _Lk1、i _Lk2分別為流經該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的電流，參數i _N11、i _N21分別為流經該等初級側繞組N ₁₁、N ₂₁的電流，參數i _D1為流經該輸入二極體D ₁的電流。

需說明的是，當該開關S ₁不導通時，該初級側繞組N ₁₁之該第一漏電感L _k1及該初級側繞組N ₂₁之該第二漏電感L _k2將其在該開關S ₁導通時所儲存的漏電感能量分別釋放給該漏感能量回收電路4之該等第一及第二輸入電容C ₁、C ₂，且該初級側繞組N ₁₁之該第一磁化電感L _m1及該初級側繞組N ₂₁之該第二磁化電感L _m2將其在該開關S ₁導通時所儲存的磁化電感能量釋放給該輸出電容C _o及該負載R。

參閱圖4，為本實施例的操作時序圖，參數V _gs1為該控制信號，參數Ts為該控制信號V _gs1的一切換週期的長度，參數D為該開關S ₁(見圖3)的責任導通週期，參數t為時間，參數i _N12、i _N22分別為流經該等初級側繞組N ₁₂、N ₂₂的電流(即，分別為該等第一及第二輸出電流)，參數i _Lm1、i _Lm2、i _Lk1、i _Lk2、i _N11、i _N21、i _S1、i _D1各自的定義與圖3中相對應的參數相同，故於此不贅述。

參閱圖4至圖8，本實施例的具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置循環地操作在第一模式至第四模式。圖5至圖8的電路圖與圖3相似，主要差異在於圖5至圖8中，導通的元件以實線畫出，而不導通的元件以虛線畫出，且更以帶有箭頭的虛線說明電路中實際電流流向。以下分別針對每一模式進行說明。

第一模式(時間點：t ₀~t ₁)：

參閱圖4與圖5，該開關S ₁導通。儲存於該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2及該輸出電容C _o的能量並聯釋放給該負載R。該電壓源3、該第一輸入電容C ₁及該第二磁化電感L _m2串接釋放能量給該第二漏電感L _k2。同樣地，該電壓源3、該第一磁化電感L _m1及該第二輸入電容C ₂串接釋放能量給該第一漏電感L _k1。因此流經該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2的電流i _Lm1、i _Lm2呈線性下降，而流經該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的電流i _Lk1、i _Lk2呈線性上升。當t=t ₁時，該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2的電流i _Lm1、i _Lm2分別等於該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的電流i _Lk1、i _Lk2。接著，進入第二模式。

第二模式(時間點：t ₁~t ₂)：

參閱圖4與圖6，該開關S ₁持續導通。該電壓源3與該第一輸入電容C ₁串接並釋放能量給該第二漏電感L _k2及該第二磁化電感L _m2。同樣地，該電壓源3與該第二輸入電容C ₂串接並釋放能量給該第一磁化電感L _m1及該第一漏電感L _k1。該輸出電容C _o則釋放其能量給該負載R。因此，該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2的電流i _Lm1、i _Lm2及該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的電流i _Lk1、i _Lk2呈線性上升。當t=t ₂時，該開關S ₁切換為不導通。接著，進入第三模式。

第三模式(時間點：t ₂~t ₃)：

參閱圖4與圖7，該開關S ₁切換為不導通。該第二磁化電感L _m2及該第二漏電感L _k2串聯並釋放能量給該第二輸入電容C ₂。同樣地，該第一磁化電感L _m1及該第一漏電感L _{k1串接並釋放}能量給該第一輸入電容C ₁。因此，該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的能量可分別回收至該等第一及第二輸入電容C ₁、C ₂。同時，儲存於該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2及該輸出電容C _o的能量並聯釋放給該負載R。因此，該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2的電流i _Lm1、i _Lm2及該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的電流i _Lk1、i _Lk2呈線性下降。當t=t ₃時，該第一漏電感L _k1的電流i _Lk1及該第二漏電感L _k2的電流i _Lk2等於零(即，該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的能量回收完畢) 。接著，進入第四模式。

第四模式(時間點：t ₃~t ₄)：

參閱圖4與圖8，該開關S ₁持續不導通。儲存於該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2的能量並聯釋放給該輸出電容C _o及該負載R。因此，該等第一及第二磁化電感L _m1、L _m2的電流i _Lm1、i _Lm2呈線性下降。當t=t ₄時，該開關S ₁由不導通切換為導通，並回到第一模式。

需說明的是，忽略該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的影響，本實施例的具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置之一電壓增益M如下述公式1所示： M=nD/(1-2D) 公式1 ，其中參數n為一匝數比，該匝數比n等於該等第一及第二變壓器T ₁、T ₂的該等匝數比n1、n2(即，n=n1=n2)，參數D為該責任導通週期。在本實施例中，該責任導通週期D必須小於0.5。此外，該開關S ₁、該輸入二極體D ₁與該等第一及第二輸出二極體D _o1、D _o2等功率切換元件之電壓應力為：V _S1=V _d1=V _in+2V _o/n，及V _do1=V _do2=nV _in+2V _o，其中，參數V _S1、V _d1、V _do1及V _do2分別為該開關S ₁、該輸入二極體D ₁與該等第一及第二輸出二極體D _o1、D _o2之電壓應力。

參閱圖9至圖13，為本實施例的具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置操作在該直流輸入電壓V _in等於100V、該直流輸出電壓V _o等於48V、滿載輸出功率等於250W及該等第一及第二變壓器T ₁、T ₂的該等匝數比n1、n2等於0.75時的模擬結果。

參閱圖9，為該第一輸入電容C ₁的該跨壓V _c1及該直流輸出電壓V _o之波形圖。此波形圖之刻度數值為縱軸電壓刻度20V/div，橫軸時間刻度10ms/div。由圖9可知，該第一輸入電容C ₁的該跨壓V _c1約為V _o/n。

參閱圖10，為流經該第一漏電感L _k1的電流i _Lk1及流經該第一輸入電容C ₁的電流i _c1之波形圖。此波形圖之刻度數值為縱軸電流刻度5A/div，橫軸時間刻度20μs/div。由圖10可知，當該開關S ₁不導通時，該電流i _Lk1等於該電流i _c1，表示該第一漏電感L _k1的能量回收至該第一輸入電容C ₁。

參閱圖11，為該開關S ₁的汲源極間的一跨壓V _ds1及流經該開關S ₁的電流i _S1之波形圖。此波形圖之刻度數值為縱軸電壓刻度50V/div，縱軸電流刻度2.5A/div，橫軸時間刻度20μs/div。該開關S ₁的該電壓應力V _S1是箝位在：V _S1=V _ds1=V _in+2V _o/n=228V，與圖形稍為誤差之原因為該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的影響。

參閱圖12，為該輸入二極體D ₁之一跨壓V _D1及流經該輸入二極體D ₁的電流i _D1之波形圖。此波形圖之刻度數值為縱軸電壓刻度50V/div，縱軸電流刻度2.5A/div，橫軸時間刻度20μs/div。該輸入二極體D ₁之該電壓應力V _d1約為V _d1=V _D1=V _in+2V _o/n=228V，與圖形稍為誤差之原因為該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的影響。

參閱圖13，為該第一輸出二極體D _o1之一跨壓V _Do1及流經該第一輸出二極體D _o1的電流i _Do1之波形圖。此波形圖之刻度數值為縱軸電壓刻度50V/div，縱軸電流刻度2.5A/div，橫軸時間刻度20μs/div。該第一輸出二極體D _o1之該電壓應力V _do1約為V _do1=V _Do1=nVin+2V _o=171V。

綜上所述，上述本實施例具有以下優點：

1. 由前述第三模式的操作可知，當該開關S ₁不導通時，該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2將其在該開關S ₁導通時所儲存的能量分別釋放給該等第一及第二輸入電容C ₁、C ₂，達到該等第一及第二漏電感L _k1、L _k2的能量可回收的功能，進而提高本實施具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置的轉換效率。

2.該開關S ₁的該電壓應力V _S1被箝位在V _S1= V _in+2V _o/n，因此，可降低該開關S ₁的電壓應力。

3. 藉由該等第一及第二變壓器T ₁、T ₂使本實施具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置具有電氣隔離的功能。

4. 藉由雙組獨立的該等第一及第二變壓器T ₁、T ₂可提高本實施具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置的輸出功率，適用於高功率輸出應用。此外，該等次級側繞組N ₁₂、N ₂₂彼此互相獨立，以致該等次級側繞組N ₁₂、N ₂₂中的每一者所需承受的電流較小。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

3‧‧‧電壓源

4‧‧‧漏感能量回收電路

41‧‧‧第一端

42‧‧‧第二端

43‧‧‧第三端

44‧‧‧第四端

5‧‧‧輸出電路

6‧‧‧控制電路

C₁‧‧‧第一輸入電容

C₂‧‧‧第二輸入電容

C_o‧‧‧輸出電容

D‧‧‧開關的責任導通週期

D₁‧‧‧輸入二極體

D_o1‧‧‧第一輸出二極體

D_o2‧‧‧第二輸出二極體

i_N12‧‧‧第一輸出電流

i_N22‧‧‧第二輸出電流

i_S1‧‧‧流經開關的電流

i_Lm1‧‧‧流經第一磁化電感的電流

i_Lm2‧‧‧流經第二磁化電感的電流

i_Lk1‧‧‧流經第一漏電感的電流

i_Lk2‧‧‧流經第二漏電感的電流

i_N11‧‧‧流經第一變壓器的電流

i_N21‧‧‧流經第二變壓器的電流

i_D1‧‧‧流經輸入二極體的電流

i_c1‧‧‧流經第一輸入電容的電流

i_Do1‧‧‧流經第一輸出二極體的電流

L_m1‧‧‧第一磁化電感

L_k1‧‧‧第一漏電感

L_m2‧‧‧第二磁化電感

L_k2‧‧‧第二漏電感

N₁₁‧‧‧第一變壓器初級側繞組

N₁₂‧‧‧第一變壓器次級側繞組

N₂₁‧‧‧第二變壓器初級側繞組

N₂₂‧‧‧第二變壓器次級側繞組

R‧‧‧負載

S₁‧‧‧開關

t‧‧‧時間

t₀~t₄‧‧‧時間點

T₁‧‧‧第一變壓器

T₂‧‧‧第二變壓器

T_s‧‧‧切換週期的長度

V_in‧‧‧直流輸入電壓

V_o‧‧‧直流輸出電壓

V_c1‧‧‧第一輸入電容的跨壓

V_c2‧‧‧第二輸入電容的跨壓

V_ds1‧‧‧開關的跨壓

V_gs1‧‧‧控制信號

V_Do1‧‧‧第一輸出二極體的跨壓

V_D1‧‧‧輸入二極體的跨壓

本發明的其他的特徵及功效，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，說明習知一返馳式轉換裝置；圖2是一電路圖，本發明具漏感能量回收功能之單開關雙組返馳式轉換裝置之一實施例；圖3是一等效電路圖，說明該實施例；圖4是一時序圖，說明該實施例於單一切換週期的操作；圖5至圖8是等效電路圖，分別說明該實施例操作在第一模式至第四模式的情況；圖9是一波形圖，說明該實施例的一第一輸入電容的一跨壓及一直流輸出電壓；圖10是一波形圖，說明該實施例流經一第一漏電感的電流及流經該第一輸入電容的電流；圖11是一波形圖，說明該實施例的一開關的汲源極間的一跨壓及流經該開關的電流；圖12是一波形圖，說明該實施例的一輸入二極體的一跨壓及流經該輸入二極體的電流；及圖13是一波形圖，說明該實施例的一第一輸出二極體的一跨壓及流經該第一輸出二極體的電流。