TWI692189B - 電源轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電源轉換裝置。電源轉換裝置包括主變壓電路、功率開關、輔助變壓器、諧振電路以及開關電路。當功率開關被導通時，開關電路依據主變壓電路的輸出電容所儲存的能量被致能，使得關聯於在主變壓器的二次側的能量經由輔助變壓器被耦合到諧振電路，使諧振電路獲得耦合能量。當功率開關被斷開時，諧振電路與功率開關的寄生電容依據耦合能量形成耦接到電源測的接地端的諧振迴路。

Description

電源轉換裝置
本發明是有關於一種電源轉換裝置，且特別是有關於一種防止在功率開關上產生電壓突波的電源轉換裝置。
常見的電壓轉換電路，例如返馳式(flyback)電壓轉換電路的功率開關切換操作大多是以硬切模式來進行，如此會因為電壓轉換電路內部的變壓器的電感而使得在功率開關上產生高頻振鈴(Ring)的電壓突波(voltage spike)。電壓突波會提高功率開關的損壞機率。進一步來說，在發生電壓突波時，功率開關可能會被電壓突波的高電壓所擊穿。因此就必須選用更耐高壓的功率開關。此外，高頻振鈴還會造成電路雜訊、電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)等問題，甚至會發生電壓轉換電路或周邊電路的誤操作。
為了解決上述的問題，常見的作法是在開關或變壓器上額外增加緩振電路，例如是由電阻以及電容所構成的電阻-電容緩振電路(RC snubber)，或是由電阻、電容、二極體所構成的電阻-電容-二極體緩振電路(RCD snubber)，甚至是藉由主動箝位 (Active Clamping)的方式來抑制電壓突波。然而，上述的方法會降低電壓轉換效率或提高電路設計的困難度。
本發明提供一種可防止在功率開關上產生高頻振鈴的電壓突波的電源轉換裝置。
本發明的電源轉換裝置包括主變壓電路、功率開關、輔助變壓器、諧振電路以及開關電路。主變壓電路包括主變壓器、耦接於主變壓電路的一次側與電源測之間的主漏感、耦接於主變壓電路的二次側的輸出電容以及輸出二極體。輸出二極體的陽極耦接於主變壓電路的二次側，輸出二極體的陰極耦接於輸出電容。功率開關耦接於主變壓電路的一次側與電源測的接地端之間。功率開關用以藉由接收開關訊號而被導通或被斷開。輔助變壓器的二次側耦接於主變壓電路的二次側。諧振電路耦接於功率開關以及輔助變壓器的一次側。開關電路耦接於主變壓電路的二次側。當功率開關被導通時，輸出二極體被斷開，開關電路依據輸出電容所儲存的能量被致能，使得關聯於在主變壓器的二次側的電壓差的能量經由輔助變壓器被耦合到諧振電路，從而使諧振電路獲得耦合能量。當功率開關被斷開時，諧振電路與功率開關的第一端與功率開關第二端之間的寄生電容依據耦合能量形成耦接到電源測的接地端的諧振迴路。
基於上述，本發明的電源轉換裝置是當功率開關被導通 時，開關電路會依據主變壓電路的輸出電容所儲存的能量而被致能，使得關聯於在輸出二極體的陽極以及陰極之間的電壓差的能量經由輔助變壓器被耦合到諧振電路，使諧振電路獲得耦合能量。在當功率開關被斷開時，諧振電路與功率開關的寄生電容依據耦合能量形成耦接到電源測的接地端的諧振迴路。如此一來，電源轉換裝置可藉由諧振迴路將寄生電容的能量傳導到電源測的接地端，藉以防止在功率開關上產生高頻振鈴的電壓突波。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:電源轉換裝置
110:主變壓電路
120:功率開關
130:輔助變壓器
140:諧振電路
150:開關電路
Co:輸出電容
Coss:寄生電容
Cr:諧振電容
Daux:輔助二極體
Do:輸出二極體
GND1:電源測的接地端
GND2:輸出測的接地端
Ir:諧振電流
Laux_m:輔助激磁電感
Laux_r:輔助漏感
Lr:主漏感
n11、n12、n21、n22、na11、na12、na21、na22:節點
R:旁路電阻
SS:開關訊號
SW:電晶體開關
t:時間
T1、T2、T3:時間區間
TR:主變壓器
Vaux:電感電壓
VDS:功率開關的汲極與源極之間的電壓
VDO:輸出二極體兩端的電壓
VGS:功率開關的閘極與源極之間的電壓
Vin:電源測
Vout:輸出測
圖1是依據本發明一實施例所繪示的電源轉換裝置的示意圖。
圖2是依據圖1的實施例所繪示的電源轉換裝置的示意圖。
圖3是依據本發明的一實施例所繪示的電源轉換裝置的時序圖。
圖4是依據本發明的一實施例所繪示的諧振迴路的等效示意圖。
請參考圖1，圖1是依據本發明的第一實施例所繪示的電 源轉換裝置的示意圖。在本實施例中，本發明的電源轉換裝置100包括主變壓電路110、功率開關120、輔助變壓器130、諧振電路140以及開關電路150。主變壓電路110包括主變壓器TR、耦接於主變壓器TR的一次側與電源測Vin之間的主漏感Lr、耦接於主變壓器TR的二次側的輸出電容Co以及輸出二極體Do。電源轉換裝置100可適用於適配器(Adapter)。輸出二極體Do的陽極耦接於主變壓器TR的二次側，輸出二極體Do的陰極耦接於輸出電容Co。詳細來說，主變壓器TR的一次側具有主變壓器TR的節點n11、n12。主變壓器TR的二次側具有主變壓器TR的節點n21、n22。主漏感Lr耦接於電源測Vin與主變壓器TR的節點n11之間。輸出二極體Do的陽極耦接於主變壓器TR的節點n21。輸出二極體Do的陰極耦接於輸出電容Co的第一端。輸出電容Co的第二端耦接於輸出測Vout的接地端GND2。
功率開關120耦接於主變壓器TR的一次側與電源測Vin的接地端GND1之間。也就是說，功率開關120的第一端耦接於主變壓器TR的節點n12。功率開關120的第二端耦接於電源測Vin的接地端GND1。功率開關120用以藉由接收開關訊號SS而被導通或被斷開。舉例來說，功率開關120可以是N型金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)。功率開關120的第一端是汲極。功率開關120的第二端源極。而功率開關120的控制端是閘極。當功率開關120的控制端接收高電壓準位的開關訊號SS時，功率開關120被 導通。在另一方面，當功率開關120的控制端接收低電壓準位的開關訊號SS時，功率開關120則被斷開。本發明的功率開關可以是由任何形式的電晶體開關來實現，並不以本實施例為限。
在本實施例中，輔助變壓器130的二次側耦接於主變壓器TR的二次側。諧振電路140耦接於功率開關120以及輔助變壓器130的一次側之間。開關電路150耦接於主變壓器TR的二次側。詳細來說，輔助變壓器130的一次側具有節點na11、na12。輔助變壓器130的二次側具有節點na21、na22。輔助變壓器130的節點na21耦接於主變壓器TR的節點n21。輔助變壓器130的節點na22耦接於開關電路150。輔助變壓器130的節點na11、na12耦接於諧振電路140。
在本實施例中，當功率開關120被導通時，輸出二極體Do被斷開。此時，開關電路150依據輸出電容Co所儲存的能量被致能。也就是說，開關電路150會依據輸出電容Co在前一狀態(即，功率開關120被斷開時的狀態)所儲存的高準位電壓被致能。在開關電路150被致能時，輔助變壓器130的二次側會接收到關聯於在主變壓器TR的二次側的能量，並且將上述的能量耦合到諧振電路140，從而使諧振電路140獲得耦合能量。詳細來說，輔助變壓器130的二次側進一步耦接於輸出二極體Do的陽極與開關電路150之間。因此當功率開關120被導通時，輸出二極體Do被斷開。輔助變壓器130會從輔助變壓器130本身的二次側將輸出電容Co所儲存的電壓與輸出二極體Do的陽極處的電壓的電壓 差耦合到輔助變壓器130的一次側，使諧振電路140獲得耦合能量。接下來，當功率開關120被斷開時，諧振電路140與耦接於功率開關120的第一端、第二端之間的寄生電容Coss會依據耦合能量形成耦接到電源測Vin的接地端GND1的諧振迴路。
在此值得一提的是，電源轉換裝置100是當功率開關120被導通時，開關電路150會依據輸出電容Co所儲存的能量而被致能，使關聯於在輸出二極體Do的陽極以及陰極之間的電壓差的能量經由輔助變壓器130被耦合到諧振電路140，使諧振電路140獲得耦合能量。在當功率開關120被斷開時，諧振電路140與寄生電容Coss依據耦合能量形成耦接到電源測Vin的接地端GND1的諧振迴路。如此一來，電源轉換裝置100可藉由諧振迴路將寄生電容Coss的能量傳導到電源測Vin的接地端GND1，從而防止在功率開關120上產生高頻振鈴的電壓突波，藉以降低電路雜訊、電磁干擾發生的機會，並降低功率開關120被電壓突波破壞的風險。
進一步來說明，請同時參考圖2以及圖3，圖2是依據圖1的實施例所繪示的電源轉換裝置的示意圖。圖3是依據本發明的一實施例所繪示的電源轉換裝置的時序圖。在本實施例中，開關電路150包括電晶體開關SW。電晶體開關SW的第一端耦接於輸出二極體Do的陰極，電晶體開關SW的第二端耦接於輔助變壓器130的二次側，電晶體開關SW的控制端用以接收輸出電容Co所儲存的能量。舉例來說，電晶體開關SW可以是N型金屬氧化物 半導體場效電晶體。電晶體開關SW的第一端是汲極。電晶體開關SW的第二端是源極。而電晶體開關SW的控制端是閘極。電晶體開關SW可依據輸出電容Co所儲存的高電壓準位被導通。在另一方面，電晶體開關SW可依據輸出電容Co所儲存的高電壓準位被斷開。本發明的電晶體開關可以是由任何形式的電晶體開關來實現，並不以本實施例為限。
在本實施例中，諧振電路140包括輔助二極體Daux、輔助漏感Laux_r、輔助激磁電感Laux_m以及諧振電容Cr。輔助二極體Daux的陽極耦接於功率開關120的第一端。輔助漏感Laux_r的第一端耦接於輔助二極體Daux的陰極。輔助激磁電感Laux_m的第一端耦接於輔助漏感Laux_r的第二端，並且輔助激磁電感Laux_m並聯於輔助變壓器130的一次側。也就是說，輔助激磁電感Laux_m的第一端還耦接於輔助變壓器130的節點na11，並且輔助激磁電感Laux_m的第二端還耦接於輔助變壓器130的節點na12。諧振電容Cr的第一端耦接於輔助激磁電感Laux_m的第二端，諧振電容Cr的第二端耦接於功率開關120的第二端以及電源測Vin的接地端GND1。也就是說，輔助二極體Daux、輔助漏感Laux_r、輔助激磁電感Laux_m以及諧振電容Cr是彼此串聯耦接。
在本實施例中，在時間區間T1，功率開關120接收到高電壓準位的開關訊號SS，功率開關120的閘極與源極之間的電壓VGS的電壓值呈現高準位狀態，這使得功率開關120被導通。功率開關120的汲極與源極之間的電壓VDS的電壓值呈現低準位狀 態。同時輸出二極體Do的陽極呈現低準位狀態。由於輸出電容Co儲存在時間點T1之前所接收到的能量，因此在輸出二極體Do的陰極會有較高的電壓準位，如此位於輸出二極體Do兩端的電壓VDO的電壓值會小於0並且被截止。此時開關電路150會依據輸出電容Co儲存在時間點T1之前所接收到的能量而被致能。輔助變壓器130的二次側會接收到關聯於在主變壓器TR的二次側的能量，使諧振電路140獲得對應於主變壓器TR的二次側的能量的耦合能量。因此，輔助激磁電感Laux_m能夠獲得耦合能量，並且在輔助激磁電感Laux_m的第一端與第二端之間產生電感電壓Vaux。輔助二極體Daux依據輔助激磁電感Laux_m所接收到的耦合能量而被截止，使得諧振電流Ir不會被產生。也就是說，輔助二極體Daux會因為輔助激磁電感Laux_m所接收到的耦合能量大於寄生電容Coss所儲存的能量而被截止，這使得諧振電流Ir不會被產生。
在時間區間T2，功率開關120接收到低電壓準位的開關訊號SS，功率開關120的閘極與源極之間的電壓VGS的電壓值呈現低準位狀態，這使得功率開關120被斷開。功率開關120的汲極與源極之間的電壓VDS的電壓值呈現高準位狀態。輸出二極體Do被導通使得輸出二極體Do兩端的電壓VDO的電壓值會等於輸出二極體Do本身的閥值電壓。由於輸出二極體Do本身的閥值電壓較小，因此在時間區間T2開始時，輔助變壓器130不動作。這使得在輔助激磁電感Laux_m的第一端與第二端之間的能量(即， 電感電壓Vaux)會因為感應電流的產生而使輔助二極體Daux被導通，藉以形成耦接到電源測Vin的接地端GND1的諧振迴路。此外，諧振電流Ir也被產生。
此外，視設計的需要，開關電路150可進一步包括旁路電阻R。本實施例可藉由旁路電阻R更能確保輔助變壓器130在時間區間T1動作並且在時間區間T2不動作。
請參考圖4，圖4是依據本發明的一實施例所繪示的諧振迴路的等效示意圖。諧振迴路是藉由寄生電容Coss、被導通的輔助二極體(圖4未示出)、輔助漏感Laux_r、輔助激磁電感Laux_m以及諧振電容Cr所產生的迴路。在此值得一提的是，寄生電容Coss因為諧振迴路中的諧振而無法與主變壓電路110的主漏感Lr進行諧振。因此儲存在寄生電容Coss的能量能夠經由被導通的輔助二極體、輔助漏感Laux_r、輔助激磁電感Laux_m以及諧振電容Cr的傳導路徑被快速地被傳導到電源測Vin的接地端GND1，藉以防止在功率開關120上產生高頻振鈴的電壓突波。
請再回到圖2以及圖3的實施例，由於諧振迴路形成在時間區間T2開始時產生，因此功率開關120被斷開時不會產生高頻振鈴的電壓突波。
接下來說明諧振電路140的設計，請再同時參考圖2以及圖3的實施例，在本實施例中，輔助漏感Laux_r的電感值、輔助激磁電感Laux_m的電感值以及諧振電容Cr的電容值會被設計，藉以在諧振迴路被產生後，使得輔助漏感Laux_r以及輔助激 磁電感Laux_m所消耗的能量能夠大於寄生電容Coss以及諧振電容Cr所儲存的能量。
進一步來說，為了達到在諧振迴路被產生後，使得輔助漏感Laux_r以及輔助激磁電感Laux_m所消耗的能量能夠大於寄生電容Coss以及諧振電容Cr所儲存的能量，可依據公式(1)、公式(2)以及公式(3)來獲知輔助漏感Laux_r的電感值、輔助激磁電感Laux_m的電感值以及諧振電容Cr的電容值的設計關係。
Lm=l_Laux_r+l_Laux_m 公式(1)
Figure 108103814-A0305-02-0013-1
Figure 108103814-A0305-02-0013-2
其中Lm被表示為諧振迴路的總電感值，l_Laux_r被表示為輔助漏感Laux_r的電感值，l_Laux_m被表示為輔助激磁電感Laux_m的電感值，Cm被表示為諧振迴路的總電容值，c_Cr被表示為諧振電容Cr的電容值，c_Coss被表示為寄生電容Coss的電容值，i_Ir被表示為諧振電流Ir的電流值，v_Coss被表示為寄生電容Coss兩端之間的電壓值。
如公式(3)所示，公式(3)說明了在諧振迴路中的總電感消耗能量必須大於總電容儲存能量。由此可知，在依據公式(1)、公式(2)以及公式(3)獲知輔助漏感Laux_r的電感值、輔助激磁電感Laux_m的電感值以及諧振電容Cr的電容值的設計關係後，諧振迴路電感消耗能量會大於總電容儲存能量。因此，功率開關120 的汲極與源極之間的電壓VDS能夠在時間區間T2結束前被下拉到零電位。因此，諧振迴路能夠使儲存在寄生電容Coss中的能量能透過諧振電流Ir完全被釋放。如此一來，在進入T3時，功率開關120具有零電壓切換(Zero Voltage Switching，ZVS)的特性，進而提升電壓轉換效率。
除此之外，在本實施例中，在時間區間T2，如公式(4)所示，諧振迴路的諧振電流Ir的諧振頻率可藉由諧振迴路的總電感值以及總電容值來獲知。
Figure 108103814-A0305-02-0014-3
其中fr被表示為諧振頻率。諧振週期是諧振頻率的倒數，因此時間區間T2的時間長度可以由諧振週期來決定。
綜上所述，本發明的電源轉換裝置在當功率開關被導通時，開關電路會依據主變壓電路的輸出電容所儲存的能量而被致能，使關聯於在輸出二極體的陽極以及陰極之間的電壓差的能量經由輔助變壓器被耦合到諧振電路，使諧振電路獲得耦合能量。在當功率開關被斷開時，諧振電路與功率開關的寄生電容依據耦合能量形成耦接到電源測的接地端的諧振迴路。如此一來，電源轉換裝置可藉由諧振迴路將寄生電容的能量傳導到電源測的接地端，從而防止在功率開關上產生高頻振鈴的電壓突波，藉以降低電路雜訊、電磁干擾發生的機會，並降低功率開關被電壓突波破壞的風險。除此之外，在諧振迴路被形成時，諧振迴路能夠使儲 存在寄生電容中的能量能透過諧振電流完全被釋放。如此一來，功率開關具有零電壓切換的特性，進而提升電壓轉換效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:電源轉換裝置
110:主變壓電路
120:功率開關
130:輔助變壓器
140:諧振電路
150:開關電路
Co:輸出電容
Coss:寄生電容
Do:輸出二極體
GND1:電源測的接地端
GND2:輸出測的接地端
Lr:主漏感
n11、n12、n21、n22、na11、na12、na21、na22:節點
SS:開關訊號
TR:主變壓器
Vin:電源測
Vout:輸出測

Claims (10)

  1. 一種電源轉換裝置，包括一主變壓電路，其中該主變壓電路包括一主變壓器、耦接於該主變壓器的一次側與一電源測之間的一主漏感、耦接於該主變壓器的二次側的一輸出電容以及一輸出二極體，其中該輸出二極體的陽極耦接於該主變壓器的二次側，該輸出二極體的陰極耦接於該輸出電容，其特徵在於，該電源轉換裝置還包括：一功率開關，耦接於該主變壓器的一次側與該電源測的接地端之間，用以藉由接收一開關訊號而被導通或被斷開；一輔助變壓器，該輔助變壓器的二次側耦接於該主變壓器的二次側；一諧振電路，耦接於該功率開關以及該輔助變壓器的一次側；以及一開關電路，耦接於該主變壓器的二次側，其中當該功率開關被導通時，該輸出二極體被斷開，該開關電路依據該輸出電容所儲存的能量被致能，使得關聯於在該主變壓器的二次側的能量經由該輔助變壓器被耦合到該諧振電路，從而使該諧振電路獲得一耦合能量，其中當該功率開關被斷開時，該諧振電路與該功率開關的第一端與該功率開關第二端之間的一寄生電容依據該耦合能量形成耦接到該電源測的接地端的一諧振迴路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中該諧振迴路中的總電感消耗能量大於總電容儲存能量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中：該輔助變壓器的二次側進一步耦接於該輸出二極體的陽極與該開關電路之間，當該功率開關被導通時，該輔助變壓器從該輔助變壓器的二次側將該輸出電容所儲存的電壓與該輸出二極體的陽極處的電壓的電壓差耦合到該輔助變壓器的一次側，使該諧振電路獲得該耦合能量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中該開關電路包括：一電晶體開關，該電晶體開關的第一端耦接於該輸出二極體的陰極，該電晶體開關的第二端耦接於該輔助變壓器的二次側，該電晶體開關的控制端用以接收該輸出電容所儲存的能量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電源轉換裝置，其中該電晶體開關依據該輸出電容所儲存的高電壓準位被導通以致能該開關電路。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換裝置，其中該諧振電路包括：一輔助二極體，該輔助二極體的陽極耦接於該功率開關的第一端；一輔助漏感，該輔助漏感的第一端耦接於該輔助二極體的陰 極；一輔助激磁電感，該輔助激磁電感的第一端耦接於該輔助漏感的第二端，並且該輔助激磁電感並聯於該輔助變壓器的一次側；一諧振電容，該諧振電容的第一端耦接於該輔助激磁電感的第二端，該諧振電容的第二端耦接於該功率開關的第二端以及該電源測的接地端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置，其中當該功率開關被導通時，該輔助二極體依據該輔助激磁電感所接收到的該耦合能量而被截止。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置，其中當該功率開關被斷開時，該輔助二極體依據該耦合能量以及感應電流的產生而被導通，藉以產生該諧振迴路。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置，其中該諧振迴路是藉由該寄生電容、被導通的該輔助二極體、該輔助漏感、該輔助激磁電感以及該諧振電容所產生的迴路。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的電源轉換裝置，其中該諧振迴路被產生時，該輔助漏感以及該輔助激磁電感所消耗的能量大於該寄生電容以及該諧振電容所儲存的能量。
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