TWI724794B

TWI724794B - 電壓轉換裝置

Info

Publication number: TWI724794B
Application number: TW109105104A
Authority: TW
Inventors: 陳佐民
Original assignee: 力林科技股份有限公司
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-04-11
Also published as: TW202105896A

Abstract

一種電壓轉換裝置。漏感能量回收電路耦接一次側輔助線圈與控制電路，回收變壓器電路的漏感能量以供應控制電路操作電源，下一次主要開關導通前，利用先前回收之漏感能量使主要開關的跨壓降低，消除或降低其導通暫態損失，提升電路整體效率。

Description

電壓轉換裝置

本發明是有關於一種電子裝置，且特別是有關於一種電壓轉換裝置。

隨著社會對於節能減碳的共識，電源轉換裝置之轉換效率的提升已成為一重要指標。然而，在實際應用下，電源轉換裝置的漏能量往往會造成電源轉換裝置之轉換效率的降低。舉例來說，就反馳式電源轉換裝置而言，其主要是透過變壓器來達到能量的轉換。然而，變壓器本身存在著漏感的問題。因此，反馳式電源轉換裝置必須承受著漏感所產生的能量耗損，進而導致電源轉換裝置之轉換效率的降低與開關應力的增加。因此，如何改善漏感能量所引發的問題，例如，開關應力的增加、轉換效率的降低…等，已成電源轉換裝置在改良上的一重要課題。

本發明提供一種電壓轉換裝置，可有效地回收漏感能量，降低電壓轉換裝置的能量損耗。

本發明的電壓轉換裝置包括變壓器電路、主要開關、控制電路以及漏感能量回收電路。變壓器電路包括一次側線圈、一次側輔助線圈和二次側線圈，變壓器電路接收輸入電壓並輸出輸出電壓至負載。主要開關耦接於一次側線圈與接地之間。控制電路耦接主要開關，控制主要開關週期性地在導通狀態與斷開狀態間切換，以控制變壓器電路的輸出。漏感能量回收電路耦接一次側輔助線圈與控制電路，回收變壓器電路的漏感能量以供應控制電路操作電源，並於下一次主要開關導通前，利用漏感能量回收電路回收之漏感能量的能量轉換，來降低主要開關的跨壓。

在本發明的一實施例中，上述的主要開關處於進入導通狀態前的一段跨壓儲能回收期間提供跨壓儲能回收路徑，以對漏感能量回收電路儲存的漏感能量進行能量轉換，而使主要開關上的跨壓在主要開關由斷開狀態轉為導通狀態時低於預設電壓。

在本發明的一實施例中，上述的漏感能量回收電路包括第一電容、輔助開關、二極體以及第二電容。第一電容的第一端耦接一次側輔助線圈。輔助開關耦接於第一電容的第二端與接地之間，輔助開關的控制端耦接控制電路，控制電路於主要開關進入導通狀態前的一段跨壓儲能回收期間導通輔助開關以提供跨壓儲能回收路徑，而使主要開關上的跨壓在主要開關由斷開狀態轉為導通狀態時低於預設電壓。二極體的陽極與陰極分別耦接第一電容的第二端與控制電路。第二電容耦接於二極體的陰極與接地之間。

在本發明的一實施例中，上述的主要開關與輔助開關為電晶體。

在本發明的一實施例中，上述的電壓轉換裝置還包括緩衝電路，其耦接於一次側線圈的兩端之間。

在本發明的一實施例中，上述的緩衝電路包括電容、電阻以及二極體。電容的第一端耦接一次側線圈的第一端。電阻的第一端耦接一次側線圈的第一端。二極體的陰極耦接電容與電阻的第二端，二極體的陽極耦接一次側線圈的第二端。

基於上述，本發明實施例的漏感能量回收電路回收變壓器電路的漏感能量以供應控制電路操作電源，並於主要開關處於斷開狀態的期間，利用先前回收之漏感能量的能量轉換在主要開關進入導通狀態前進行主要開關的跨壓能量回收，而實現零電壓切換，並可使變壓器電路的漏感能量在下一次主要開關轉為斷開狀態時傾向優先被儲存至漏感能量回收電路，而減少緩衝電路的損耗。

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。

圖1是依照本發明實施例的一種電壓轉換裝置的示意圖，請參照圖1。電壓轉換裝置包括變壓器電路102、控制電路104、漏感能量回收電路106、緩衝電路108(snubber circuit)以及主要開關SW1，變壓器電路102包括一次側線圈W1、二次側線圈W2以及一次側輔助線圈W3。一次側線圈W1的第一端接收輸入電壓Vin，主要開關SW1耦接於一次側線圈W1的第二端與接地之間，主要開關SW1的控制端耦接控制電路104，在本實施例中主要開關SW1以電晶體來實施，然不以此為限。緩衝電路耦接於一次側線圈W1的兩端之間，漏感能量回收電路106耦接一次側輔助線圈W3與控制電路104。另外，二次側線圈W2的一端耦接二極體D1的陽極，二次側線圈W2的另一端耦接接地，電容C1耦接於二極體D1的陰極與接地之間。二極體D1的陰極與電容C1的共同接點用以產生輸出電壓Vout給負載RL。

控制電路104可控主要開關SW1週期性地在導通狀態與斷開狀態間切換，以控制變壓器電路102的輸出。漏感能量回收電路106可於主要開關SW1處於斷開狀態時回收並儲存變壓器電路102的漏感能量，所儲存的漏感能量可做為操作電源Vcc提供給控制電路104使用。此外，漏感能量回收電路106還可在主要開關SW1處於斷開狀態的期間提供跨壓儲能回收路徑，以對漏感能量回收電路106所儲存的漏感能量進行再轉換利用，例如在主要開關SW1快進入導通狀態前的一段跨壓儲能回收期間內，利用先前儲存的漏感能量進行能量轉換，以回收主要開關SW1上的跨壓能量，使主要開關SW1上的跨壓在主要開關SW1由斷開狀態轉為導通狀態時低於預設電壓，而實現零電壓切換。且由於漏感能量回收電路106儲存的電能在被轉移用作主要開關SW1的跨壓能量回收而被釋放，因此在下一次主要開關SW1轉為斷開狀態時，漏感能量回收電路106將處於重載的狀態，而使得變壓器電路102的漏感能量優先被儲存至漏感能量回收電路106，而後才可能被引導至緩衝電路108，進而可有效地減少緩衝電路108的損耗。

圖2是依照本發明另一實施例的一種電壓轉換裝置的示意圖，請參照圖2。進一步來說，電壓轉換裝置的實施方式可如圖2所示，在本實施例中漏感能量回收電路106可包括電容Cs、Cv、輔助開關SW2以及二極體D2，電容Cs的第一端耦接一次側輔助線圈W3的第一端，一次側輔助線圈W3的第二端耦接接地，輔助開關SW2耦接於電容Cs的第二端與接地之間，輔助開關SW2的控制端耦接控制電路104，在本實施例中輔助開關SW2為以電晶體來實施，然不以此為限。二極體D2的陽極與陰極分別耦接電容Cs的第二端與控制電路104，電容Cv耦接於二極體D2的陰極與接地之間。此外，緩衝電路108包括電阻R1、電容C2以及二極體D3，電阻R1以及電容C2的第一端耦接一次側線圈W1的第一端，電阻R1以及電容C2的第二端耦接二極體D2的陰極，二極體D2的陽極耦接一次側線圈W1的第二端。

如圖3所示，在時間點t0~t1的期間，控制電路104輸出至主要開關SW1的控制信號Vs1轉為高電壓準位而使主要開關SW1進入導通狀態，另一方面，控制電路104輸出至輔助開關SW2的控制信號Vs2為低電壓準位，如此將使得一次側線圈W1的電流Is1線性增加。

在時間點t1~t2的期間，控制電路104輸出至主要開關SW1的控制信號Vs1轉為低電壓準位而使主要開關SW1進入斷開狀態，儲存在變壓器電路102的磁性電感(magnetizing inductance)中的能量被傳遞到二次側線圈W2，而使得二極體D1導通，輸出電流Iout迅速地被抬高而後成線性下降。此外主要開關SW1(在本實施例中其為以電晶體來實施)上的跨壓Vds也由低電壓準位轉換為高電壓準位。另外，變壓器電路102的漏感能量也在時間點t1~t2的期間傳遞到漏感能量回收電路106，由於在時間點t1~t2的期間輔助開關SW2為斷開狀態，傳遞到漏感能量回收電路106的漏感能量在一次側輔助線圈W3、輔助開關SW2的寄生二極體(未繪示)以及電容Cs構成的迴路中形成循環電流，而將漏感能量儲存在電容Cs中。其中電容Cs所儲存的漏感能量可在下一次主要開關SW1導通時(時間點t4)，透過二極體D1被傳送給控制電路104使用。當輸出電流Iout線性地下降至0時，二極體D1關閉，變壓器電路102的磁性電感與主要開關SW1的寄生電容產生諧振，而使得主要開關SW1上的跨壓Vds相應地出現振盪的情形。

此外，漏感能量除了被漏感能量回收電路106所回收外，少部份的漏感能量也可能會被傳遞至緩衝電路108而被緩衝電路108所吸收。進一步來說，當主要開關SW1進入斷開狀態時，二極體D3導通，漏感能量對電容C2進行充電，而後二極體D3進入截止狀態，儲存在電容C2中的電能通過電阻R1進行放電，損耗部分電容C2儲能，以維持下一次主要開關SW1斷開期間的緩衝效果。

在時間點t2~t3的期間，控制電路104可控制輔助開關SW2進入導通狀態，以利用漏感能量回收電路106中儲存的漏感能量的能量轉換來回收主要開關SW1上的跨壓儲能，如圖3所示，此時主要開關SW1上的跨壓Vds也將對應地被提高並迅速地下降至低於預設電壓(例如下降至0V，然不以此為限，使用者可依實際需求改變輔助開關SW2的導通時間而進行調整)，而可達到回收主要開關SW1的跨壓儲能的效果，如此當主要開關SW1在時間點t4被切換至導通狀態時，主要開關SW1可進行零電壓切換。其中，在時間點t4主要開關SW1導通時，漏感能量回收電路106可進一步將儲存在電容Cs中的漏感能量透過二極體D1傳送給控制電路104使用。

值得注意的是，由於在時間點t2~t3的期間漏感能量回收電路106中儲存的漏感能量可被轉移用作主要開關SW1跨壓能量回收而被釋放，因此當主要開關SW1在時間點t5進入斷開狀態時，電壓器電路102的漏感能量將優先被傳遞至成為重載的漏感能量回收電路106儲存，如此將僅有少部份的漏感能量被緩衝電路108所吸收，因此可有效降低緩衝電路108的損耗，在理想的情形下，甚至可藉由漏感能量回收電路106回收所有的漏感能量，而不會有漏感能量被緩衝電路108吸收。此外，本實施例的輔助開關SW2可以低壓開關來實施，並可被整合至積體電路中，相較於先前技術需使用高壓開關來實現漏感能量回收的電路，本實施例的電壓轉換裝置可有效地降低製作成本。

綜上所述，本發明實施例的漏感能量回收電路回收變壓器電路的漏感能量以供應控制電路操作電源，並利用漏感能量回收電路儲存的漏感能量的能量轉換於主要開關斷開期間中準備進入導通前的一段跨壓儲能回收期間，將主要開關的跨壓儲能回收，以使主要開關上的跨壓在主要開關由斷開狀態轉為導通狀態時低於預設電壓，而實現零電壓切換，並可使變壓器電路的漏感能量在下一次主要開關轉為斷開狀態時傾向優先被儲存至漏感能量回收電路，而減少緩衝電路的損耗。此外，由於本發明實施例的輔助開關可以低壓開關來實施，相較於先前技術需使用高壓開關來實現漏感能量回收的電路，本實施例的電壓轉換裝置可有效地降低製作成本。

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。

102:變壓器電路 104:控制電路 106:漏感能量回收電路 108:緩衝電路 SW1:主要開關 W1:一次側線圈 W2:二次側線圈 W3:一次側輔助線圈 Vin:輸入電壓 Vout:輸出電壓 Vcc操作電源 Vs1、Vs2:控制信號 Vds:跨壓 D1~D3:二極體 C1、C2、Cs、Cv:電容 RL:負載 R1:電阻 t0~t5:時間點 Is1:電流 Iout:輸出電流

圖1是依照本發明的實施例的一種電壓轉換裝置的示意圖。圖2是依照本發明另一實施例的一種電壓轉換裝置的示意圖。圖3是依照本發明的實施例主要開關的控制信號、一次側線圈的電流、輸出電流、主要開關上的跨壓以及輔助開關的控制信號的波形示意圖。

102:變壓器電路

104:控制電路

106:漏感能量回收電路

108:緩衝電路

SW1:主要開關

W1:一次側線圈

W2:二次側線圈

W3:一次側輔助線圈

Vin:輸入電壓

Vout:輸出電壓

Vcc:操作電源

D1:二極體

C1:電容

RL:負載

Claims

一種電壓轉換裝置，包括：一變壓器電路，包括一一次側線圈、一一次側輔助線圈和一二次側線圈，接收一輸入電壓並輸出一輸出電壓至一負載；一主要開關，耦接於該一次側線圈與接地之間；一控制電路，耦接該主要開關，控制該主要開關週期性地在導通狀態與斷開狀態間切換，以控制該變壓器電路的輸出；以及一漏感能量回收電路，耦接該一次側輔助線圈與該控制電路，回收該變壓器電路的漏感能量以供應該控制電路一操作電源，於下一次該主要開關導通前，利用該漏感能量回收電路回收之漏感能量的能量轉換，來降低該主要開關的跨壓，其中該漏感能量回收電路包括：一第一電容，其第一端耦接該一次側輔助線圈；一輔助開關，耦接於該第一電容的第二端與該接地之間，該輔助開關的控制端耦接該控制電路，該控制電路於該主要開關進入導通狀態前的一段跨壓儲能回收期間導通該輔助開關以提供一跨壓儲能回收路徑，而使該主要開關上的跨壓在該主要開關由斷開狀態轉為導通狀態時低於一預設電壓；一二極體，其陽極與陰極分別耦接該第一電容的第二端與該控制電路；以及一第二電容，耦接於該二極體的陰極與該接地之間。
如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換裝置，其中該主要開關於進入該導通狀態前的一段跨壓儲能回收期間提供一跨壓儲能回收路徑，以對該漏感能量回收電路儲存的漏感能量進行能量轉換操作，而使該主要開關上的跨壓在該主要開關由該斷開狀態轉變為該導通狀態時低於一預設電壓。
如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換裝置，其中該主要開關與該輔助開關為電晶體。
如申請專利範圍第1項所述的電壓轉換裝置，還包括：一緩衝電路，耦接於該一次側線圈的兩端之間。
如申請專利範圍第4項所述的電壓轉換裝置，其中該緩衝電路包括：一電容，其第一端耦接該一次側線圈的第一端；一電阻，其第一端耦接該一次側線圈的第一端；以及一二極體，其陰極耦接該電容與該電阻的第二端，該二極體的陽極耦接該一次側線圈的第二端。