TWI696336B

TWI696336B - 無橋式整流器之返馳式電源開關架構

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Publication number: TWI696336B
Application number: TW108112815A
Authority: TW
Inventors: 周重甫
Original assignee: 周重甫
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-06-11
Also published as: TW202038545A

Abstract

本發明係一種無橋式整流器之返馳式電源開關架構，包括一主變壓器、一一次側電路、一二次側電路、一回授控制電路，該主變壓器具初級線圈及次級線圈；又該一次側電路連接輸入交流電源及主變壓器之初級線圈，具一第一開關元件、一第二開關元件、一第三開關元件、一第四開關元件；又該二次側電路連接主變壓器之次級線圈，並產生輸出電壓；又該回授控制電路連接二次側電路及一次側電路之第一、二、三、四開關元件，並根據回授信號及輸入交流電源第一、二端電壓比較相位信號控制第一、二、三、四開關元件動作；藉此本發明可具提升效率及易小型化功效。

Description

無橋式整流器之返馳式電源開關架構

本發明關於一種無橋式整流器之返馳式電源開關架構，主要指一種可提升效率及可小型化之電源架構。

交換式電源轉換器被廣泛應用在多種電子裝置中，為了提升適用性目前電源轉換器設計具有小型化趨勢，如圖九為習知一之返馳式開關電源轉換器，主要具一主變壓器T1’、一一次側電路1’、一二次側電路2’，該一次側電路1’主要具由四個二極體D1’~D4’組成之橋式整流器、一濾波器11'及一開關元件SW1’，其優點為結構簡單，PWM控制器(圖中未顯示)只須驅動一開關元件SW1’即可達成轉換工作，且該開關元件SW1’為對地電位開關，驅動線路設計容易，並可整合至PWM控制器中，然而該四個二極體D1’~D4’組成之橋式整流器及濾波器11’損耗大，具效率降低缺失。

請參閱圖十係習知二之初級雙繞組之無橋式整流返馳式開關電路，該電路之主變壓器T2’初級側增加一繞組，又設置二個PWM信號控制之開關元件SW2’、SW3’及二個整流二極體D5’、D6’，前述架構可較習知一之架構減少二個二極體能量損耗，但因二開關元件SW2’、SW3’非對地電位，驅動線路設計必須為隔離式設計，不容易整合至PWM控制器中，又該架構增加一初級繞組及一開關元件，將增加減震器(Sunbber)設計難度，同時該主變壓器T2’有增大趨勢，不符合小型化要求。

請參閱圖十一係習知三之次級雙繞組之無橋式整流反馳式開關電源電路，該主變壓器T3’具二次級繞組分別連接二整流二極體D7’、D8’，又設置二反向串接之開關元件SW4’、SW5’，然而該二開關元件SW4’、SW5’非對地電位開關、驅動線路必須為隔離式設計不容易整合至PWM控制器中，又因AC相位限制須增加一次級線圈及二次側整流元件D7’、D8’將降低效能，又該增加二開關元件SW4’、SW5’須具再增加雙向減震器(Sunbber)(圖中未顯示)，且該主變壓器T3’須具二次級繞組，其體積有增大趨勢，不符合小型化要求。

請參閱圖十二係習知四之具雙變壓器之無橋式整流反馳式開關電源電路，主要具二主變壓器T4’、T5’、二開關元件SW6’、SW7’、二二極體D9’、D10’組成二組返馳式轉換器，該架構可較習知一可減小二個二極體能量損耗，然而該架構仍須具二個二極體能量損耗，且必須具二個主變壓器T4’、T5’，具體積大不符合小型化要求缺失。

本發明之目的在提供一種可提升效率及可小型化之電源架構。

本發明之無橋式整流器之返馳式電源開關架構包括一主變壓器、一一次側電路、一二次側電路、一回授控制電路，該主變壓器具初級線圈及次級線圈；又該一次側電路連接輸入交流電源及主變壓器之初級線圈，具與輸入交流電源第一端、第二端及主變壓器初級線圈電性連接之一第一開關元件、一第二開關元件、一第三開關元件、一第四開關元件；又該二次側電路連接主變壓器之次級線圈，並產生輸出電壓；又該回授控制電路連接二次側電路及一次側電路之第一、二、三、四開關元件，並根據回授信號及輸入交流電源第一、二端電壓比較相位信號控制第一、二、三、四開關元件動作，並產生第一、二迴路。

進一步，該第一、二開關元件一端與主變壓器之初級線圈一端連接，該初級線圈另一端接地；又該第一開關另一端與第四開關元件一端連接具第一連接點，該第一連接點連接輸入交流電源第一端；又該第二開關元件之另一端與第三開關元件一端連接具第二連接點，該第二連接點連接輸入交流電源之第二端，該第三、四開關元件之另一端接地。

進一步，該第一~四開關元件為mosfet，第一開關元件由第一、二mosfet反向串接，該第一、二mosfet之S極連接、G極連接，並可同步開、關動作；又該第二開關元件由第三、四mosfet反向串接，該第三、四mosfet之S極連接、G極連接，並可同步開關動作。

本發明回授控制電路具一比較器、一隔離式訊號傳感電路、一控制器，該比較器輸入該輸入交流電源之第一端及第二端，並將其比較信號輸出至控制器；又該隔離式訊號傳感電路感測二次側電路之輸出電壓信息，並產生PWM信號至控制器；又該控制器針對比較器輸出信號及PWM信號輸出第一、二、三、四控制信號並分別控制第一、二、三、四開關元件動作。

本發明之控制器具一邏輯電路，該邏輯電路當輸入交流電源第一端電壓大於第二端電壓形成第一相位信號及PWM信號為高電位時該第一、三控制信號令第一、三開關元件同步開啟以形成第一迴路，且第二、四開關元件保持關閉；又當PWM信號為低電位時該第一、三控制信號令第一、三開關元件同步關閉；又當輸入交流電源之第二端電壓大於第一端電壓形成第二相位信號PWM信號為高電位時該第二、四控制信號令第二、四開關元件同步開啟以形成第二迴路，且第一、三開關元件保持關閉，又當PWM信號為低電位時該第二、四控制信號令第二、四開關元件同步關閉。

本發明之控制器具一邏輯電路，該邏輯電路當輸入交流電源第一端電壓大於第二端電壓形成第一相位信號及PWM信號為高電位時該第一控制信號令第一開關元件開啟，該第三控制信號對應第一相位信號同步動作令第三開關元件開啟形成第一迴路，又該PWM信號為低電位時該第一控制信號令第一開關元件關閉，且在此相位下第二、四開關元件保持關閉；又當輸入交流電源之第二端電壓大於第一端電壓形成第二相位信號及PWM信號為高電位時該第二控制信號令第二開關元件開啟，又該第四控制信號對應第二相位信號同步動作令第四開關元件開啟形成第二迴路，又當PWM信號為低電位時該第二控制信號令第二開關元件關閉，且在此相位下第一、三開關元件保持關閉。

本發明可減少整流二極體之能量損耗，並可具較佳動作穩定性及體積輕巧功效，可提升電源轉換器效率及適用性。

請參閱圖一、二，本發明包括一主變壓器T1、一一次側電路1、一二次側電路2、一回授控制電路3，該一次側電路1電性連接輸入交流電源Vin及主變壓器T1之初級線圈，主要具一由第一mosfet Q1、第二mosfet Q2反向串接之第一開關元件S1；一由第三mosfet Q3、第四mosfet Q4反向串接之第二開關元件S2、一第六mosfet Q6形成之第三開關元件S3、一由第五mosfet Q5形成之第四開關元件S4，該前述第一、二mosfet之Q1、Q2之S極連接，該第三、四mosfet Q3、Q4之S極連接，並使該第一、二mosfet Q1、Q2及第三、四mosfet Q3、Q4之內部寄生二極體可反向串聯以確保當第一、二mosfet Q1、Q2及第三、四mosfet Q3、Q4關閉時該內部寄生二極體可雙向截止不會導通以提升作動穩定性，又該第一、二mosfet Q1、Q2之G極連接，該第三、四mosfet Q3、Q4之G極連接，並使第一、二mosfet Q1、Q2可同時開、關動作，該第三、四mosfet Q3、Q4之G極連接，並使第三、四mosfet Q3、Q4可同時開關動作。

又該第一、二開關元件S1、S2之第一、三mosfet Q1、Q3之D極與主變壓器T1之初級線圈一端連接，該主變壓器T1之初級線圈另一端接地；又該第一開關元件S1之第二mosfet Q2之D極與第四開關元件S4之第五mosfet Q5之D極連接具第一連接點，該第一連接點連接輸入交流電源Vin之第一端AC1；又該第二開關元件S2之第四mosfet Q4之D極與第三開關元件S3之第六mosfet Q6之D極連接具第二連接點，該第二連接點連接輸入交流電源Vin之第二端AC2，該第三開關元件S3之第六mosfet Q6之S極接地，該第四開關元件S4之第五mosfet Q5之S極接地；又該第一開關元件S1之第一、二mosfet Q1、Q2之G極輸入一第一控制信號CT1；該第二開關元件S2之第三、四mosfet Q3、Q4之G極輸入一第二控制信號CT2；該第三開關元件S3之第六mosfet G極輸入一第三控制信號CT3；該第四開關元件S4之第五mosfet G極輸入一第四控制信號CT4。

該二次側電路2電性連接主變壓器T1之次級線圈，並產生輸出電壓Vo。

該回授控制電路3連接二次側電路2及一次側電路1、具一比較器31、一隔離式訊號傳感電路32、一控制器33，該比較器31輸入該輸入交流電源Vin之第一、二端AC1、AC2信息，並輸出比較信號；又該隔離式訊號傳感電路32連接二次側電路2，可具如光耦元件加上放大驅動電路(習知電路圖中未顯示)，並感測輸出電壓Vo信息產生PWM信號輸入控制器33；又該控制器33具一邏輯電路331，該邏輯電路331輸入側與比較器31之輸出側連接，具一反相器U0、一第一AND閘U1、一第二AND閘U2，該反相器U0連接比較器31輸出側，並該比較器31輸出側輸入第一AND閘U1，該反相器U0輸出側輸入第二AND閘U2，該第一AND閘U1及第二AND閘U2輸入PWM信號，並使第一AND閘U1輸出產生第一控制信號CT1，該第二AND閘U2輸出產生第二控制信號CT2，該比較器31輸出產生第三控制信號CT3，該反相器U0輸出產生第四控制信號CT4。

請參閱圖三，本發明之主變壓器T1可設置減震器U4(Sunbber)以防止主變壓器T1之洩露電流損害第一~四開關元件S1~S4，又該第一、二開關元件S1、S2之G極可分別設置驅動器U5、U6，又該輸入交流電源Vin可設置啟動電路11以提升動作穩定性。

請參閱圖二、四、六、七，本發明當比較器31檢知輸入交流電源Vin第一端AC1之電壓大於第二端AC2電壓時定義為第一相位信號，反之為第二相位信號，當Vin相位為第一相位信號及PWM信號為高電位時該邏輯電路331輸出第一、三控制信號CT1、CT3為高電位令第一、三開關元件S1、S3同步開啟形成第一迴路，且第二、四開關元件S2、S4保持關閉；該Vin電源經第一端AC1、第一開關元件S1，主變壓器T1初級線圈、接地端PGND、第三開關元件S3、第二端AC2之第一迴路對主變壓器T1儲能，又當PWM信號為低電位時該第一、三開關元件S1、S3同步關閉，主變壓器T1之次級線圈能量輸出至二次側電路2產生輸出電壓Vo。

請參閱圖二、五、六、七，本發明當Vin為第二相位信號及PWM信號為高電位時該邏輯電路331輸出令第二、四控制信號CT2、CT4為高電位，並令第二、四開關元件S2、S4同步開啟形成第二迴路，且第一、三開關元件S1、S3保持關閉，Vin電源經第二端AC2、第二開關元件S2、主變壓器T1初級線圈、接地端PGND、第四開關元件S4、第一端AC1之第二迴路對主變壓器T1儲能，當PWM信號為低電位時第二、四開關元件S2、S4同步關閉，主變壓器T1初級線圈儲存能量經由次級線圈輸出至二次側電路2產生輸出電壓Vo。

此外如圖八所示，本發明第三開關元件S3之第三控制信號CT3可與第一相位信號同步，不一定須與第一開關元件S1及PWM信號同步；又該第四開關元件S4之第四控制信號CT4可與第二相位信號同步，不一定須與第二開關元件S2及PWM信號同步，並可達到本發明第一、二迴路動作，如此可減少第三、四開關元件S3、S4開關次數，並可更有效降低開關損耗。

是以由以上所述，本發明不須使用橋式整流之二極體元件，可減少損耗提升效率，且本發明可具良好作動穩定性及具體積易縮小功效，並前述實施例為本發明例示，並非本發明限制，凡依據本發明精神所為之等效改變亦應屬於本發明範疇內。

雖然具體的實施例已進行說明描述，在不超出本發明技術範疇的情況下許多修改及變動仍是有可能的，本發明範疇限定所附申請專利範圍。

T1:主變壓器

1:一次側電路

11:啟動電路

2:二次側電路

S1~S4:第一~四開關元件

Q1~Q6:第一~六mosfet

3:回授控制電路

31:比較器

32:隔離式訊號傳感電路

33:控制器

331:邏輯電路

U0:反相器

U1、U2:第一、二AND閘

Vin:輸入交流電源

Vo:輸出電壓

AC1:第一端

AC2:第二端

CT1~CT4:第一~四控制信號

PGND:接地端

U4:減震器

T1’~T5’:主變壓器

SW1’~SW7’:開關元件

D1’~D12’:二極體

1’:一次側電路

2’:二次側電路

圖一係本發明之電路架構圖。

圖二係本發明之開關驅動邏輯電路圖。

圖三係本發明之電路圖。

圖四係本發明產生之第一相位信號之動作示意圖。

圖五係本發明產生之第二相位信號之動作示意圖。

圖六係本發明之動作波形示意圖。

圖七係本發明之動作波形示意圖。

圖八係本發明之動作波形示意圖。

圖九係習知一電路架構圖。

圖十係習知二電路架構圖。

圖十一係習知三電路架構圖。

圖十二係習知四電路架構圖。