TWI748868B - 直流電壓轉換裝置 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種直流電壓轉換裝置，其包含一能量供應電路、一第一電晶體開關、一第二電晶體開關、一第三電晶體開關、一第四電晶體開關與一輸出電容，第一電晶體開關呈現導通狀態。第二電晶體開關與第四電晶體開關呈現關斷狀態，能量供應電路向第二電晶體開關之寄生電容充電。在第三電晶體開關導通時，寄生電容向輸出電容放電，並在寄生電容與輸出電容上建立相同跨壓。在寄生電容與輸出電容上建立相同跨壓後，第二電晶體開關之寄生電容向第四電晶體開關之寄生電容充電，以於第四電晶體開關上建立零電壓降，達到零電壓切換。

Description

直流電壓轉換裝置

本發明係關於一種電壓轉換裝置，且特別關於一種直流電壓轉換裝置。

直流-直流轉換器（DC-to-DC converter）也稱為DC-DC轉換器或直流變壓器，是電能轉換的電路或是機電設備，可以將直流（DC）電源轉換為不同電壓的直流（或近似直流）電源。其功率範圍可以從很小（小的電池）到非常大（高壓電源轉換）。有些直流-直流轉換器的輸出電壓和輸入電壓有相同的參考點，而有些直流-直流轉換器的輸出電壓是和輸入電壓隔離。

第1(a)圖至第1(d)圖為先前技術之直流電壓轉換裝置之整流過程之各步驟示意圖。如第1(a)圖所示，直流電壓轉換裝置1包含一切換電路10、一變壓器11、一諧振電感12、一第一電晶體開關13、一第二電晶體開關14、一第三電晶體開關15、一第四電晶體開關16與一輸出電容17。變壓器11透過切換電路10接收一輸入直流電壓Vdc，以儲存能量，進而對第二電晶體開關14之寄生電容進行充電。當第一電晶體開關13與第三電晶體開關15導通，且第二電晶體開關14與第四電晶體開關16關斷時，第二電晶體開關14之寄生電容向輸出電容17放電，使第二電晶體開關14之寄生電容與輸出電容17之跨壓皆為輸出電壓Vout，其中虛線代表放電路徑。如第1(b)圖所示，當第一電晶體開關13與第三電晶體開關15關斷，且第二電晶體開關14與第四電晶體開關16關斷時，第二電晶體開關14之寄生電容持續向輸出電容17放電，其中放電路徑通過第一電晶體開關13與第三電晶體開關15之寄生二極體。如第1(c)圖所示，當第二電晶體開關14之寄生電容不再向輸出電容17放電時，第二電晶體開關14之寄生電容透過變壓器11之二次側之繞組與諧振電感12向第三電晶體開關15之寄生電容放電，直到第二電晶體開關14之寄生電容之跨壓為零，且第三電晶體開關15之寄生電容之跨壓為輸出電壓Vout為止。如第1(d)圖所示，第二電晶體開關14與第三電晶體開關15之寄生電容、變壓器11之二次側之繞組及諧振電感12發生諧振，使第二電晶體開關14之寄生電容之跨壓為輸出電壓Vout，且第三電晶體開關15之寄生電容之跨壓為零。因為第四電晶體開關16之跨壓為輸出電壓Vout，故當第四電晶體開關16導通時，會發生硬切換(hard switching)，導致轉換效率下降及並增加輸出電壓之漣波。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種直流電壓轉換裝置，以解決習知所產生的問題。

本發明提供一種直流電壓轉換裝置，其係降低輸出電壓之漣波與雜訊干擾、提升滿載效率約1%並降低功率電晶體之耐壓性。

本發明提供一種直流電壓轉換裝置，其包含一能量供應電路、一第一電晶體開關、一第二電晶體開關、一第三電晶體開關、一第四電晶體開關與一輸出電容。能量供應電路具有一第一端與一第二端，其中能量供應電路用以接收一輸入直流電壓，以儲存能量。第一電晶體開關耦接於第二端與一第一輸出端之間，其中第一電晶體開關呈現導通狀態。第二電晶體開關耦接於第二端與一第二輸出端之間，其中第二電晶體開關呈現關斷狀態，能量供應電路利用能量向第二電晶體開關之寄生電容充電。第三電晶體開關耦接於第一端與第二輸出端之間。第四電晶體開關耦接於第一端與第一輸出端之間，第四電晶體開關耦接第一端之節點耦接第三電晶體開關，其中第四電晶體開關呈現關斷狀態。輸出電容耦接於第一輸出端與第二輸出端之間。在第三電晶體開關導通時，寄生電容向輸出電容放電，以產生一放電電流，能量供應電路透過第一電晶體開關、輸出電容與第三電晶體開關接收放電電流，以儲存能量，並在寄生電容與輸出電容上建立相同跨壓。在寄生電容與輸出電容上建立相同跨壓後，第三電晶體開關關斷，以驅動第二電晶體開關之寄生電容透過能量供應電路向第四電晶體開關之寄生電容充電，進而於第四電晶體開關上建立零電壓降。

在本發明之一實施例中，能量供應電路包含一電流切換電路與一變壓器。電流切換電路用以接收輸入直流電壓，並將其轉換為一輸入直流電流。變壓器之一次側耦接電流切換電路，變壓器之二次側具有第一端與第二端。變壓器之一次側用以接收輸入直流電流，以儲存能量，並藉此向第二電晶體開關之寄生電容充電。二次側之繞組用以透過第一電晶體開關、輸出電容與第三電晶體開關接收放電電流，以儲存能量。第三電晶體開關關斷，以驅動第二電晶體開關之寄生電容透過二次側之繞組向第四電晶體開關之寄生電容充電。

在本發明之一實施例中，變壓器之一次側具有一第三端與一第四端，電流切換電路包含一第五電晶體開關、一第六電晶體開關、一第七電晶體開關與一第八電晶體開關。第五電晶體開關耦接於一第一輸入端與第三端之間，第六電晶體開關耦接於一第二輸入端與第三端之間，第七電晶體開關耦接於第二輸入端與第四端之間，第八電晶體開關耦接於第一輸入端與第四端之間。第五電晶體開關、第六電晶體開關、第七電晶體開關與第八電晶體開關用以透過第一輸入端與第二輸入端接收輸入直流電壓，並將其轉換為輸入直流電流。

在本發明之一實施例中，第五電晶體開關、第六電晶體開關、第七電晶體開關與第八電晶體開關皆為N通道金氧半場效電晶體。

在本發明之一實施例中，電流切換電路更包含一輸入電容，其係耦接於第一輸入端與第二輸入端之間，並用以穩定輸入直流電壓。

在本發明之一實施例中，電流切換電路更包含一主動箝位(active clamped)電路，其係耦接於第一輸入端與第二輸入端之間，並用於箝位輸入直流電壓。

在本發明之一實施例中，主動箝位電路包含互相串聯耦接之一箝位電容與一第九電晶體開關。

在本發明之一實施例中，電流切換電路更包含一輸入電感，其一端耦接第一輸入端，另一端耦接主動箝位電路、第五電晶體開關與第八電晶體開關，第五電晶體開關、第六電晶體開關、第七電晶體開關與第八電晶體開關用以透過輸入電感接收輸入直流電壓。

在本發明之一實施例中，直流電壓轉換裝置更包含一諧振電感，其係耦接於第一端與節點之間，諧振電感用以透過第一電晶體開關、輸出電容與第三電晶體開關接收放電電流，以儲存能量。第三電晶體開關關斷，以驅動第二電晶體開關之寄生電容透過諧振電感向第四電晶體開關之寄生電容充電。

在本發明之一實施例中，第一電晶體開關、第二電晶體開關、第三電晶體開關與第四電晶體開關皆為N通道金氧半場效電晶體，且第二電晶體開關之寄生電容與第四電晶體開關之寄生電容皆為寄生汲源電容。

基於上述，直流電壓轉換裝置保持導通第一電晶體開關，使在第三電晶體開關關斷時，第四電晶體開關之跨壓為零電壓降，進而達到零電壓切換(zero voltage switching)、降低輸出電壓之漣波與雜訊干擾、提升滿載效率約1%並降低功率電晶體之耐壓性。

茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現之“一個實施例”或 “一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。

揭露特別以下述例子加以描述，這些例子僅係用以舉例說明而已，因為對於熟習此技藝者而言，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。在通篇說明書與申請專利範圍中，除非內容清楚指定，否則「一」以及「該」的意義包含這一類敘述包括「一或至少一」該元件或成分。此外，如本揭露所用，除非從特定上下文明顯可見將複數個排除在外，否則單數冠詞亦包括複數個元件或成分的敘述。而且，應用在此描述中與下述之全部申請專利範圍中時，除非內容清楚指定，否則「在其中」的意思可包含「在其中」與「在其上」。在通篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供從業人員(practitioner)在有關本揭露之描述上額外的引導。在通篇說明書之任何地方之例子，包含在此所討論之任何用詞之例子的使用，僅係用以舉例說明，當然不限制本揭露或任何例示用詞之範圍與意義。同樣地，本揭露並不限於此說明書中所提出之各種實施例。

此外，若使用「電(性)耦接」或「電(性)連接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。舉例而言，若文中描述一第一裝置電性耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地連接至該第二裝置。另外，若描述關於電訊號之傳輸、提供，熟習此技藝者應該可了解電訊號之傳遞過程中可能伴隨衰減或其他非理想性之變化，但電訊號傳輸或提供之來源與接收端若無特別敘明，實質上應視為同一訊號。舉例而言，若由電子電路之端點A傳輸(或提供)電訊號S給電子電路之端點B，其中可能經過一電晶體開關之源汲極兩端及/或可能之雜散電容而產生電壓降，但此設計之目的若非刻意使用傳輸(或提供)時產生之衰減或其他非理想性之變化而達到某些特定的技術效果，電訊號S在電子電路之端點A與端點B應可視為實質上為同一訊號。

可了解如在此所使用的用詞「包含(comprising)」、「包含(including)」、「具有(having)」、「含有(containing)」、「包含(involving)」等等，為開放性的(open-ended)，即意指包含但不限於。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制發明作之申請專利範圍。

第2(a)圖至第2(d)圖為本發明之一實施例之直流電壓轉換裝置之整流過程之各步驟示意圖。首先，如第2(a)圖所示，直流電壓轉換裝置2包含一能量供應電路20、一第一電晶體開關21、一第二電晶體開關22、一第三電晶體開關23、一第四電晶體開關24與一輸出電容25，其中第一電晶體開關21、第二電晶體開關22、第三電晶體開關23與第四電晶體開關24皆為N通道金氧半場效電晶體。但本發明並不以此為限。能量供應電路20具有一第一端與一第二端，其中第一端不同於第二端。第一電晶體開關21耦接於能量供應電路20之第二端與一第一輸出端26之間。第二電晶體開關22耦接於能量供應電路20之第二端與一第二輸出端27之間，第二電晶體開關22耦接於能量供應電路20之第二端的節點耦接第一電晶體開關21。第一輸出端26不同於第二輸出端27。第三電晶體開關23耦接於能量供應電路20之第一端與第二輸出端27之間。第四電晶體開關24耦接於能量供應電路20之第一端與第一輸出端26之間，第四電晶體開關24耦接能量供應電路20之第一端之節點耦接第三電晶體開關23。輸出電容25耦接於第一輸出端26與第二輸出端27之間。

能量供應電路20接收一輸入直流電壓Vdc，以儲存能量。第二電晶體開關22與第四電晶體開關24皆呈現關斷狀態，第一電晶體開關21呈現導通狀態。能量供應電路20利用所儲存的能量向第二電晶體開關22之寄生電容充電。當第二電晶體開關22為N通道金氧半場效電晶體時，此其寄生電容為寄生汲源電容。在第三電晶體開關23導通時，第二電晶體開關22之寄生電容向輸出電容25放電，以產生一放電電流I。能量供應電路20透過第一電晶體開關21、輸出電容25與第三電晶體開關23接收放電電流I，以儲存能量，並在第二電晶體開關22之寄生電容與輸出電容25上建立相同跨壓，即輸出電壓Vout。直流電壓轉換裝置2可更包含一諧振電感28，其係耦接於能量供應電路20之第一端與第四電晶體開關24耦接能量供應電路20之第一端及第三電晶體開關23之節點之間。諧振電感28透過第一電晶體開關21、輸出電容25與第三電晶體開關23接收放電電流I，以儲存能量。

如第2(b)圖所示，在第二電晶體開關22之寄生電容與輸出電容25上建立相同跨壓後，第三電晶體開關23關斷。由於放電電流I需要保持原來的狀態，故能量供應電路20與諧振電感28持續透過第一電晶體開關21、輸出電容25與第三電晶體開關23之寄生二極體接收放電電流I，直到放電電流I消失為止。當第三電晶體開關23為N通道金氧半場效電晶體時，其寄生二極體為寄生汲源二極體。

如第2(c)圖所示，在放電電流I消失後，能量供應電路20之第一端與第二端上的電壓降驅動第二電晶體開關22之寄生電容透過能量供應電路20與諧振電感28向第四電晶體開關24之寄生電容充電，直到第二電晶體開關22與第四電晶體開關24之寄生電容建立相同跨壓，即輸出電壓Vout為止。當第四電晶體開關24為N通道金氧半場效電晶體時，其寄生電容為寄生汲源電容。

如第2(d)圖所示，當第二電晶體開關22與第四電晶體開關24之寄生電容建立相同跨壓時，表示第四電晶體開關24上建立零電壓降，以降低功率電晶體之耐壓性。因此，當第四電晶體開關24導通時，達到零電壓切換(zero voltage switching)、降低輸出電壓Vout之漣波與雜訊干擾與提升滿載效率約1%。

請參閱第2(a)圖至第2(d)圖，以下介紹能量供應電路20。在本發明之某些實施例中，能量供應電路20包含一變壓器201、一電流切換電路202、一第一輸入端203、一第二輸入端204、一主動箝位(active clamped)電路205、一輸入電容206與一輸入電感207。變壓器201之一次側耦接電流切換電路202，變壓器201之二次側具有第一端與第二端，變壓器201之一次側具有一第三端與一第四端，第三端不同於第四端。電流切換電路202接收輸入直流電壓Vdc，並將其轉換為一輸入直流電流。如第2(a)圖所示，變壓器201之一次側接收輸入直流電流，以儲存能量，並藉此向第二電晶體開關22之寄生電容充電。二次側之繞組透過第一電晶體開關21、輸出電容25與第三電晶體開關23接收放電電流I，以儲存能量。如第2(c)圖與第2(d)圖所示，第三電晶體開關23關斷，以驅動第二電晶體開關22之寄生電容透過二次側之繞組向第四電晶體開關24之寄生電容充電。主動箝位電路205耦接於第一輸入端203與第二輸入端204之間，並用於箝位輸入直流電壓Vdc。輸入電容206耦接於第一輸入端203與第二輸入端204之間，並用以穩定輸入直流電壓Vdc。

在本發明之某些實施例中，電流切換電路202包含一第五電晶體開關QA、一第六電晶體開關QB、一第七電晶體開關QC與一第八電晶體開關QD。第五電晶體開關QA、第六電晶體開關QB、第七電晶體開關QC與第八電晶體開關QD可皆為N通道金氧半場效電晶體，但本發明並不以此為限。第五電晶體開關QA耦接於第一輸入端203與變壓器201之第三端之間，第六電晶體開關QB耦接於第二輸入端204與變壓器201之第三端之間，第七電晶體開關QC耦接於第二輸入端204與變壓器201之第四端之間，第八電晶體開關QD耦接於第一輸入端203與變壓器201之第四端之間。輸入電感207之一端耦接第一輸入端203，另一端耦接主動箝位電路205、第五電晶體開關QA與第八電晶體開關QD。主動箝位電路205可包含互相串聯耦接之一第九電晶體開關2051與一箝位電容2052。第五電晶體開關QA、第六電晶體開關QB、第七電晶體開關QC與第八電晶體開關QD透過第一輸入端203、第二輸入端204與輸入電感207接收輸入直流電壓Vdc，並將其轉換為輸入直流電流。

根據上述實施例，直流電壓轉換裝置保持導通第一電晶體開關，使在第三電晶體開關關斷時，第四電晶體開關之跨壓為零電壓降，進而達到零電壓切換、降低輸出電壓之漣波與雜訊干擾、提升滿載效率約1%並降低功率電晶體之耐壓性。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1:直流電壓轉換裝置 10:切換電路 11:變壓器 12:諧振電感 13:第一電晶體開關 14:第二電晶體開關 15:第三電晶體開關 16:第四電晶體開關 17:輸出電容 2:直流電壓轉換裝置 20:能量供應電路 201:變壓器 202:電流切換電路 203:第一輸入端 204:第二輸入端 205:主動箝位電路 2051:第九電晶體開關 2052:箝位電容 206:輸入電容 207:輸入電感 21:第一電晶體開關 22:第二電晶體開關 23:第三電晶體開關 24:第四電晶體開關 25:輸出電容 26:第一輸出端 27:第二輸出端 28:諧振電感 Vdc:輸入直流電壓 I:放電電流 Vout:輸出電壓 QA:第五電晶體開關 QB:第六電晶體開關 QC:第七電晶體開關 QD:第八電晶體開關

第1(a)圖至第1(d)圖為先前技術之直流電壓轉換裝置之整流過程之各步驟示意圖。 第2(a)圖至第2(d)圖為本發明之一實施例之直流電壓轉換裝置之整流過程之各步驟示意圖。

2:直流電壓轉換裝置

20:能量供應電路

201:變壓器

202:電流切換電路

203:第一輸入端

204:第二輸入端

205:主動箝位電路

2051:第九電晶體開關

2052:箝位電容

206:輸入電容

207:輸入電感

21:第一電晶體開關

22:第二電晶體開關

23:第三電晶體開關

24:第四電晶體開關

25:輸出電容

26:第一輸出端

27:第二輸出端

28:諧振電感

Vdc:輸入直流電壓

I:放電電流

Vout:輸出電壓

QA:第五電晶體開關

QB:第六電晶體開關

QC:第七電晶體開關

QD:第八電晶體開關

Claims (10)

1. 一種直流電壓轉換裝置，包含： 一能量供應電路，具有一第一端與一第二端，其中該能量供應電路用以接收一輸入直流電壓，以儲存能量； 一第一電晶體開關，耦接於該第二端與一第一輸出端之間，其中該第一電晶體開關呈現導通狀態； 一第二電晶體開關，耦接於該第二端與一第二輸出端之間，其中該第二電晶體開關呈現關斷狀態，該能量供應電路用以利用該能量向該第二電晶體開關之寄生電容充電；以及 一第三電晶體開關，耦接於該第一端與該第二輸出端之間； 一第四電晶體開關，耦接於該第一端與該第一輸出端之間，該第四電晶體開關耦接該第一端之節點耦接該第三電晶體開關，其中該第四電晶體開關呈現關斷狀態；以及 一輸出電容，耦接於該第一輸出端與該第二輸出端之間，在該第三電晶體開關導通時，該寄生電容向該輸出電容放電，以產生一放電電流，該能量供應電路透過該第一電晶體開關、該輸出電容與該第三電晶體開關接收該放電電流，以儲存能量，並在該寄生電容與該輸出電容上建立相同跨壓； 其中在該寄生電容與該輸出電容上建立相同跨壓後，該第三電晶體開關關斷，以驅動該第二電晶體開關之該寄生電容透過該能量供應電路向該第四電晶體開關之寄生電容充電，進而於該第四電晶體開關上建立零電壓降。
2. 如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該能量供應電路包含： 一電流切換電路，用以接收該輸入直流電壓，並將其轉換為一輸入直流電流；以及 一變壓器，其一次側耦接該電流切換電路，該變壓器之二次側具有該第一端與該第二端，其中該變壓器之該一次側用以接收該輸入直流電流，以儲存能量，並藉此向該第二電晶體開關之該寄生電容充電，該二次側之繞組用以透過該第一電晶體開關、該輸出電容與該第三電晶體開關接收該放電電流，以儲存能量，且該第三電晶體開關關斷，以驅動該第二電晶體開關之該寄生電容透過該二次側之該繞組向該第四電晶體開關之該寄生電容充電。
3. 如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該變壓器之該一次側具有一第三端與一第四端，該電流切換電路包含： 一第五電晶體開關，耦接於一第一輸入端與該第三端之間； 一第六電晶體開關，耦接於一第二輸入端與該第三端之間； 一第七電晶體開關，耦接於該第二輸入端與該第四端之間；以及 一第八電晶體開關，耦接於該第一輸入端與該第四端之間，其中該第五電晶體開關、該第六電晶體開關、該第七電晶體開關與該第八電晶體開關用以透過該第一輸入端與該第二輸入端接收該輸入直流電壓，並將其轉換為該輸入直流電流。
4. 如請求項3所述之直流電壓轉換裝置，其中該第五電晶體開關、該第六電晶體開關、該第七電晶體開關與該第八電晶體開關皆為N通道金氧半場效電晶體。
5. 如請求項3所述之直流電壓轉換裝置，其中該電流切換電路更包含一輸入電容，其係耦接於該第一輸入端與該第二輸入端之間，並用以穩定該輸入直流電壓。
6. 如請求項3所述之直流電壓轉換裝置，其中該電流切換電路更包含一主動箝位(active clamped)電路，其係耦接於該第一輸入端與該第二輸入端之間，並用於箝位該輸入直流電壓。
7. 如請求項6所述之直流電壓轉換裝置，其中該主動箝位電路包含互相串聯耦接之一箝位電容與一第九電晶體開關。
8. 如請求項6所述之直流電壓轉換裝置，其中該電流切換電路更包含一輸入電感，其一端耦接該第一輸入端，另一端耦接該主動箝位電路、該第五電晶體開關與該第八電晶體開關，該第五電晶體開關、該第六電晶體開關、該第七電晶體開關與該第八電晶體開關用以透過該輸入電感接收該輸入直流電壓。
9. 如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，更包含一諧振電感，其係耦接於該第一端與該節點之間，該諧振電感用以透過該第一電晶體開關、該輸出電容與該第三電晶體開關接收該放電電流，以儲存能量，該第三電晶體開關關斷，以驅動該第二電晶體開關之該寄生電容透過該諧振電感向該第四電晶體開關之該寄生電容充電。
10. 如請求項1所述之直流電壓轉換裝置，其中該第一電晶體開關、該第二電晶體開關、該第三電晶體開關與該第四電晶體開關皆為N通道金氧半場效電晶體，且該第二電晶體開關之該寄生電容與該第四電晶體開關之該寄生電容皆為寄生汲源電容。

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