TWI616660B - 返馳式整流器之波谷偵測器 - Google Patents

Abstract

一種波谷偵測器包含一輔助繞組及一波谷偵測電路，該輔助繞組與一返馳式轉換器之一一次側繞組產生互感，且該輔助繞組產生一輔助電壓，該波谷偵測電路之一高壓電晶體在該輔助電壓振盪至波谷時導通而可測得該輔助電壓之波谷，而由於該輔助電壓之波谷與該返馳式轉換器之一控制開關之跨壓的波谷相同，因此藉由該輔助電壓之波谷可讓該返馳式轉換器達成谷值切換，以降低切換損耗。

Description

返馳式整流器之波谷偵測器

本發明之關於一種返馳式整流器，特別是關於一種返馳式整流器之波谷偵測器。

大型發電廠多設置於遠離都市之區域以避免發電產生的污染影響都市人口，而為了降低傳輸損耗，發電廠多以高壓電的形式進行電力傳輸，並在電力的傳輸過程中逐漸地以不同尺寸的變壓器降低電壓大小，最後再將合適家庭用電之電壓傳送至使用者端，此電壓一般稱之為市電，而為了傳輸過程中易於進行變壓，目前市電是採用交流電形式傳送至各個家庭，但由於家庭中許多電器是採用直流電，因此需藉由電源轉換器將市電轉換為穩定之直流電。

切換式電源轉換器是一種由功率電晶體、磁性電感元件及電容構成之轉換器，主要用途是將交流電源轉換為所需之直流電源，轉換器主要可區分為降壓式(Buck)、升壓式(Boost)、反相式(Inverter)之非隔離式電源轉換器及順向式(Forward)、推挽式(Push-Pull)、半橋式(Half-Bridge)、全橋式(Full-Bridge)、返馳式(Flyback)之隔離式電源轉換器，在某些應用中，為了避免電路之間的相互影響，須設置有隔離式電源轉換器才能達到安全規範，且其中，返馳式電源轉換器為隔離式電源中最簡單且成本最低之架構。

切換式電源轉換器之功率開關的控制可區分為硬性切換及柔性切換，硬性切換電源轉換器之功率開關於切換時並未考慮通過功率開關之電流及電壓的大小，導致功率開關於切換時產生了額外的切換損耗，且功率開關直接地硬性切換亦容易造成其電壓及電流的變化率較高，而導致了不必要的電磁干擾。相對地，柔性切換則在功率開關切換時考慮了通過之電流及電壓的大小，在電流或電壓較低時才進行該功率開關的切換，而能降低切換損耗的大小，但若切換的時間太慢也會造成能量的浪費。因此，如何準確地偵測通過功率開關之電流或電壓的波谷，以讓功率開關可在電流或電壓較低時切換，為切換式電源轉換器降低其切換損耗的重點之一。

本發明的主要目的在於提供一種波谷偵測器，用以偵測返馳式轉換器之控制開關之跨壓的波谷，以達成谷值電壓切換。

本發明之一種波谷偵測器用以偵測一返馳式轉換器之一控制開關之跨壓的波谷，該控制開關受一控制訊號控制，該波谷偵測器包含一輔助繞組及一波谷偵測電路，該輔助繞組與該返馳式轉換器之一一次側繞組產生互感，且該輔助繞組產生一輔助電壓，該波谷偵測電路具有一電壓偵測電路、一第一上緣偵測器及一第二上緣偵測器，該電壓偵測電路具有一高壓電晶體、一電流鏡、一取樣電阻及一比較器，該高壓電晶體根據一第一參考電壓及該輔助電壓決定是否導通並產生一第一電流，該電流鏡根據該第一電流產生一第二電流，該取樣電阻接收該第二電流以產生一取樣電壓，該比較器接收該取樣電壓及一第二參考電壓以產生一比較訊號，該第一上緣偵測器接收該比較訊號以輸出一第一上緣訊號，該第二上緣偵測器接收該控制訊號以輸出一第二上緣訊號，其中該波谷偵測電路根據該比較訊號、該第一上緣訊號、該第二上緣訊號及該控制訊號偵測該控制開關之跨壓的波谷。

本發明藉由該高壓電晶體可耐高壓的特性，讓該高壓電晶體直接接收該輔助電壓並偵測該輔助電壓的波谷，而能準確的測得該控制開關之跨壓的波谷，進而讓該返馳式轉換器達到谷值切換，以降低其切換損失。

請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一返馳式轉換器100、一波谷偵測器200及一控制電路300之功能方塊圖，該波谷偵測器200及該控制電路300耦接至該返馳式轉換器100，該波谷偵測器200用以測得一波谷訊號S _v，該波谷訊號S _v傳送至該控制電路300，讓該控制電路300可根據該波谷訊號S _v產生一控制訊號S _w，該控制訊號S _w用以控制該返馳式轉換器100之開關切換。

請參閱第1圖，該返馳式轉換器100具有一電源S、一EMI濾波器101、一橋式整流器102、一輸入電容103、一一次側繞組104、一控制開關105、一感測電阻106、一二次側繞組107、一整流二極體108、一輸出電容109、一濾波電路110及一負載111。在本實施例中，該電源S為交流市電，該EMI濾波器101電性連接該電源S，以濾除該電源S與後端電路之間的電磁干擾，該橋式整流器102電性連接該EMI濾波器101，以將電源S進行整流，在本實施例中，該橋式整流器102為一全橋整流電路，該一次側繞組104電性連接該橋式整流器102及該輸入電容103，以將電源耦合至該二次側繞組107，該控制開關105與該一次側繞組104串聯，以開啟或關閉該一次側繞組104之迴路，該感測電阻106與該一次側繞組104及該控制開關105串聯，以形成一感測電壓V _sen予該控制電路300。

該二次側繞組107與該一次側繞組104互感而產生電流，該整流二極體108電性連接該該二次側繞組107，該輸出電容109及該濾波電路110電性連接該整流二極體108，該負載111電性連接該濾波電路110，在本實施例中，該負載111為一LED發光二極體。

請參閱第1圖，該波谷偵測器200具有一輔助繞組210及一波谷偵測電路220，其中該輔助繞組210與該返馳式轉換器100之該一次側繞組104產生互感，而產生一電壓，該電壓經由分壓後形成一輔助電壓V _aux並傳送至該波谷偵測電路220。請參閱第2圖之波形圖，其中V _pri為該一次側繞組104之跨壓，V _coss為該控制開關105之跨壓，其中該二次側繞組107放電完畢後，該一次側繞組104與該控制開關105之寄生電容會產生振盪，在該控制開關105之跨壓V _coss振盪至波谷時進行該控制開關105之切換，可讓該返馳式轉換器100之切換損耗降至最低，此切換稱為谷值切換(Valley voltage switching, VVS)。其中，當跨壓V _coss振盪至波谷時，該一次側繞組104之跨壓V _pri為峰值，而由於該一次側電感104與該輔助繞組210的極性相反，故輔助繞組210之該輔助電壓V _aux亦為波谷，因此可利用偵測輔助繞組210之該輔助電壓V _aux的波谷來替代直接偵測該控制開關105之跨壓V _coss。

請參閱第3圖，為該波谷偵測器200之該波谷偵測電路220的電路圖，該波谷偵測電路220具有一電壓偵測電路230、一第一上緣偵測器240、一第二上緣偵測器250、一閂鎖器260及一反或閘270。

該電壓偵測電路230具有一高壓電晶體231、一電流鏡232、一取樣電阻233及一比較器234。該高壓電晶體231根據一第一參考電壓V _ref1及該輔助電壓V _aux決定是否導通並產生一第一電流i ₁，在本實施例中，該高壓電晶體231之一耐壓大於20 V，因此，該高壓電晶體231可直接由源極接收該輔助電壓V _aux，以直接測得該輔助電壓V _aux之波谷，另外，該高壓電晶體231之一閘極接收該第一參考電壓V _ref1，該高壓電晶體231之一汲極231c耦接該電流鏡232，以經由該電流鏡232接收一電壓源VCC，所以當該輔助電壓V _aux振盪至波谷時，該高壓電晶體231之閘-源極電壓會高於門檻電壓(Threshold voltage)，讓該高壓電晶體231進入飽和區而產生該第一電流i ₁。

該電流鏡232具有一第一電晶體232a及一第二電晶體232b，該第一電晶體232a之一汲極及閘極耦接該高壓電晶體231之該汲極，該第一電晶體232a之一源極接收該電壓源VCC，該第二電晶體232b之一閘極耦接該第一電晶體232a之該閘極，該第二電晶體232b之該源極耦接該電壓源VCC，該第二電晶體232b之一汲極耦接該取樣電阻233之一端，該取樣電阻233之另一端接地。當該高壓電晶體231導通而產生該第一電流i ₁時，該第一電流i ₁流經該第一電晶體232a，該電流鏡232根據該第一電流i ₁而於該第二電晶體232b產生一第二電流i ₂，該第二電流i ₂之大小實質上等於該第一電流i ₁之大小，且該第二電流i ₂通過該取樣電阻233而產生一取樣電壓V _s。

該比較器234具有一正極端及一負極端，該負極端接收該取樣電壓V _s，該正極端接收該第二參考電壓V _ref2，該比較器234藉由比較該取樣電壓V _s及該第二參考電壓V _ref2的電位大小以產生一比較訊號S _com，其中當該取樣電壓V _s小於該第二參考電壓V _ref2時，該比較訊號S _com為高電位，反之該取樣電壓V _s大於該第二參考電壓V _ref2時該比較訊號S _com則為低電位。

該第一上緣偵測器240接收該比較訊號S _com以偵測該比較訊號S _com之電位是否上升，且該第一上緣偵測器240輸出一第一上緣訊號S _R1，該第二上緣偵測器250接收該控制訊號S _w以偵測該控制訊號S _w之電位是否上升，且該第二上緣偵測器250輸出一第二上緣訊號S _R2。

請參閱第4圖，該第一上緣偵測器240由一反相器串241及一邏輯元件242電性連接而成，該反相器串241接收該比較訊號S _com並輸出反向之該比較訊號S _{com_i}，該邏輯元件242藉由該比較訊號S _com及反向之該比較訊號S _{com_i}判斷該比較訊號S _com是否上升。其中該邏輯元件242為一及閘，由於該比較訊號S _com在通過該反相器串241中各個反相器時會產生延遲，當該比較訊號S _com為低電位時，反向之該比較訊號S _{com_i}為高電位，該邏輯元件242輸出之該第一上緣訊號S _R1為低電位，而當該比較訊號S _com由低電位上升至高電位時，由於該反相器串241之各個反相器的延遲，反向之該比較訊號S _{com_i}尚未下降至低電位，因此該邏輯元件242之該第一上緣訊號S _R1會上升至高電位，並在該比較訊號S _{com_i}下降至低電位後才下降至低電位，而可測得該比較訊號S _com是否上升。相同地，請參閱第5圖，該第二上緣偵測器250由一反相器串251及一邏輯元件252電性連接而成，該反相器串251接收該控制訊號S _w並輸出反向之該控制訊號S _{w_i}，該邏輯元件252藉由該控制訊號S _w及反向之該控制訊號S _{w_i}判斷該控制訊號S _w是否上升。

請參閱第3圖，該閂鎖器260之一設定端S接收該第一上緣訊號S _R1，該閂鎖器260之一重置端R接收該第二上緣訊號S _R2，在本實施例中，該閂鎖器260為一SR閂鎖器，當該第一上緣訊號S _R1上升至高電位時，該閂鎖器260之一反相輸出端 輸出之一反相訊號為低電位，而當該第二上緣訊號S _R2上升至高電位時，將該閂鎖器260重置。其中該第一上緣訊號S _R1用以確保該輔助電壓V _aux已上升至高電位後再進行波谷的偵測，該第二上緣訊號S _R2則用以在該控制開關105重新開啟後重置該閂鎖器260，讓該閂鎖器260重新藉由該第一上緣訊號S _R1確保該輔助電壓V _aux是否已上升。

該反或閘270接收該比較訊號S _com、該控制訊號S _w及該閂鎖器260輸出之該反相訊號，其中該閂鎖器260之該反相訊號是用以確保該輔助電壓V _aux已上升，二次側正在放電，該控制訊號S _w是用以確保該控制開關105已關閉，該比較訊號S _com則用以表示該輔助電壓V _aux之波谷位置，而由於該輔助電壓V _aux之波谷位置與該控制開關105之跨壓的波谷位置相同，因此該波谷偵測器200可根據該比較訊號S _com、該第一上緣訊號S _R1、該第二上緣訊號S _R2及該控制訊號S _w偵測該控制開關105之跨壓V _coss的波谷而輸出該波谷訊號S _v。

請參閱第2及3圖，該電壓偵測器220的作動為：該控制訊號S _w上升至高電位切換該控制開關105為開啟時，該第二上緣偵測訊號S _R2偵測到上緣而將該閂鎖器260重置，且該控制開關105開啟的期間中，該輔助電壓V _aux為低電位，該高壓電晶體231導通讓該電流鏡232產生該第二電流i ₂，因此，該取樣電壓V _s大於該第二參考電壓V _ref2，該比較訊號S _com為低電位，該第一上緣偵測訊號S _R1還未偵測到該比較訊號S _com之上緣而保持低電位，該閂鎖器260輸出之該反相訊號為高電位，因此，該波谷訊號S _v為低電位。接著，該控制訊號S _w下降至低電位切換該控制開關105為關閉時，該第二上緣偵測訊號S _R2為低電位，該輔助電壓V _aux上升至高電位，該高壓電晶體231截止而讓該取樣電壓V _s降至低電位，該比較訊號S _com上升至高電位，該第一上緣偵測訊號S _R1偵測到該比較訊號S _com之上緣而產生高電位，該閂鎖器260輸出之該反相訊號為低電位，雖然該反或閘270接收之該控制訊號S _w及該反相訊號均為低電位，但由於該比較訊號S _com為高電位，因此，該波谷訊號S _v仍為低電位。當該二次側繞組107放電完畢、該控制開關105還未開啟且該輔助電壓V _aux振盪至波谷時，該高壓電晶體231導通讓該電流鏡232產生該第二電流i ₂，該取樣電壓V _s大於該第二參考電壓V _ref2，該比較訊號S _com為低電位，此時，該閂鎖器260輸出之該反相訊號及該控制訊號S _w亦保持為低電位，因此，該波谷訊號S _v上升之高電位，而可準確地測得該輔助電壓V _aux之波谷。

請參閱第1圖，該控制電路300接收該波谷偵測器200之該波谷訊號S _v，並根據該波谷訊號S _v產生該控制訊號S _w，以藉由該波谷訊號S _v決定重新開啟該控制開關105之時機。由於該波谷偵測器200是直接地偵測該輔助電壓V _aux的波谷，因此可準確地測得該控制開關105之跨壓V _coss的波谷，而能讓該返馳式轉換器100達成谷值電壓切換，以降低該返馳式轉換器100的切換損失。

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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

100‧‧‧返馳式轉換器
101‧‧‧EMI濾波器
102‧‧‧橋式整流器
103‧‧‧輸入電容
104‧‧‧一次側繞組
105‧‧‧控制開關
106‧‧‧感測電阻
107‧‧‧二次側繞組
108‧‧‧整流二極體
109‧‧‧輸出電容
110‧‧‧濾波電路
111‧‧‧負載
200‧‧‧波谷偵測器
210‧‧‧輔助繞組
220‧‧‧波谷偵測電路
230‧‧‧電壓偵測電路
231‧‧‧高壓電晶體
232‧‧‧電流鏡
232a‧‧‧第一電晶體
232b‧‧‧第二電晶體
233‧‧‧取樣電阻
234‧‧‧比較器
240‧‧‧第一上緣偵測器
241‧‧‧反相器串
242‧‧‧邏輯元件
250‧‧‧第二上緣偵測器
251‧‧‧反相器串
252‧‧‧邏輯元件
260‧‧‧閂鎖器
270‧‧‧反或閘
300‧‧‧控制電路
V_aux‧‧‧輔助電壓
V_ref1‧‧‧第一參考電壓
V_ref2‧‧‧第二參考電壓
i₁‧‧‧第一電流
i₂‧‧‧第二電流
V_s‧‧‧取樣電壓
S_com‧‧‧比較訊號
S_{com_i}‧‧‧反相之比較訊號
S_R1‧‧‧第一上緣訊號
S_R2‧‧‧第二上緣訊號
S_w‧‧‧控制訊號
S_{w_i}‧‧‧反相之控制訊號
V_sen‧‧‧感測電壓
S‧‧‧電源
VCC‧‧‧電壓源
S_v‧‧‧波谷訊號

第1圖： 依據本發明之一實施例，一返馳式轉換器、一波谷偵測器及一控制電路的功能方塊圖。 第2圖： 依據本發明之一實施例，控制開關之跨壓、一次側繞組之跨壓及輔助電壓的波形圖。 第3圖： 依據本發明之一實施例，一波谷偵測電路的電路圖。 第4圖： 依據本發明之一實施例，一第一上緣偵測器的電路圖。 第5圖： 依據本發明之一實施例，一第二上緣偵測器的電路圖。

Claims (9)

1. 一種波谷偵測器，其用以偵測一返馳式轉換器之一控制開關之跨壓的波谷，該控制開關受一控制訊號控制，該波谷偵測器包含： 一輔助繞組，與該返馳式轉換器之一一次側繞組產生互感，且該輔助繞組產生一輔助電壓；以及 一波谷偵測電路，具有一電壓偵測電路、一反相器串及一第二上緣偵測器，該電壓偵測電路具有一高壓電晶體、一電流鏡、一取樣電阻及一比較器，該高壓電晶體根據一第一參考電壓及該輔助電壓決定是否導通並產生一第一電流，該電流鏡根據該第一電流產生一第二電流，該取樣電阻接收該第二電流以產生一取樣電壓，該比較器接收該取樣電壓及一第二參考電壓以產生一比較訊號，該第一上緣偵測器接收該比較訊號以輸出一第一上緣訊號，該第二上緣偵測器接收該控制訊號以輸出一第二上緣訊號，其中該波谷偵測電路根據該比較訊號、該第一上緣訊號、該第二上緣訊號及該控制訊號偵測該控制開關之跨壓的波谷。
2. 如申請專利範圍第1項所述之波谷偵測器，該高壓電晶體之一閘極接收該第一參考電壓，該高壓電晶體之一源極接收該輔助電壓，該高壓電晶體之一汲極耦接該電流鏡。
3. 如申請專利範圍第2項所述之波谷偵測器，其中該高壓電晶體之一耐壓大於20 V。
4. 如申請專利範圍第2或3項所述之波谷偵測器，其中該電流鏡具有一第一電晶體及一第二電晶體，該第一電晶體耦接該高壓電晶體，該第二電晶體耦接該取樣電阻。
5. 如申請專利範圍第4項所述之波谷偵測器，其中該第一電晶體之一汲極及閘極耦接該高壓電晶體之該汲極，該第一電晶體之一源極接收一電壓源，該第二電晶體之一閘極耦接該第一電晶體之該閘極，該第二電晶體之該源極耦接該電壓源，該第二電晶體之一汲極耦接該取樣電阻之一端，該取樣電阻之另一端接地。
6. 如申請專利範圍第1項所述之波谷偵測器，其中該比較器具有一正極端及一負極端，該正極端接收該第二參考電壓，該負極端接收該取樣電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之波谷偵測器，其中該波谷偵測電路具有一閂鎖器，該閂鎖器之一設定端接收該第一上緣訊號，該閂鎖器之一重置端接收該第二上緣訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之波谷偵測器，其中該波谷偵測電路具有一反或閘，該反或閘接收該比較訊號、該控制訊號及該閂鎖器輸出之一反相訊號。
9. 如申請專利範圍第1項所述之波谷偵測器，其中該第一上緣偵測器由一反相器串及一邏輯元件電性連接而成，該反相器串接收該比較訊號並輸出反向之該比較訊號，該邏輯元件藉由該比較訊號及反向之該比較訊號判斷該比較訊號是否上升。