TWI786845B - 返馳式功率轉換器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種返馳式功率轉換器包含控制器、高端驅動電路、主動鉗位開關元件、主開關元件及零電流檢知單元。高端驅動電路耦接控制器。主動鉗位開關元件耦接高端驅動電路，以驅動主動鉗位開關元件。主開關元件耦接控制器。零電流檢知單元耦接控制器。其中主開關元件與主動鉗位開關元件配置於一變壓器之原邊側，主動鉗位開關元件之閘極的導通週期與主開關元件之閘極的導通週期呈反相控制以達到零電壓或零電流轉換。

Description

返馳式功率轉換器及其控制方法
本發明涉及一種功率轉換器之技術領域，特別是一種具有主動鉗位之返馳式功率轉換器及其控制方法。
在功率轉換器的領域之中，返馳式功率轉換器已廣泛地用於提供電源至電子產品，例如：家電產品、電腦、電池充電器。然而，傳統的主動箝位電路僅能於重載下達到高效能，且主動箝位電路因高循環電流關係，而造成其於輕載下會具有較高功率損耗的缺點。
因此，如何提供一種新穎的返馳式功率轉換器以解決上述缺點已成為了一個重要的議題。
本發明之一實施例提供一種返馳式功率轉換器及其控制方法，以解決高頻操作下，高密度小型化的返馳式功率轉換器之中所產生的較高RCD(電阻、電容、二極體)鉗位與開關切換損失的問題。
根據本發明之一實施例的返馳式功率轉換器，基於零電壓或零電流開關切換動作，有利於將產品小型化並提高電源供應的整體效率。本發明的返馳式功率轉換器可以降低小型化的成本與提高效率。
本發明之一實施例之返馳式功率轉換器，包括控制器、高端驅動電路、主動鉗位開關元件、主開關元件及零電流檢知單元。高端驅動電路耦接控制器。主動鉗位開關元件耦接高端驅動電路，以驅動主動鉗位開關元件。主開關元件耦接控制器。零電流檢知單元耦接控制器。其中主動鉗位開關元件之閘極的導通週期與主開關元件之閘極的導通週期呈反相控制。
在一實施例中，零電流檢知單元包含二極體、電容和第一比較器。第一比較器之輸出端電性耦接控制器。
在一實施例中，控制器可以是一個數位訊號處理器積體電路，包括：微處理器、微控制器單元、或是其他類似的積體電路。
本發明之一實施例之返馳式功率轉換器更包含第二比較器、隔離單元及回授單元。第二比較器之輸出端耦接第一比較器之輸入端。隔離單元電性耦接控制器之回授端。回授單元電性耦接隔離單元。
本發明之一實施例之返馳式功率轉換器之控制方法，包括：透過控制器產生第一控制訊號以導通主開關元件；當檢測輸出二極體有電流產生時，啟動零電流檢知單元之二極體以產生相對電流以對一電容充電；透過零電流檢知單元之第一比較器之輸出端以發出第二控制訊號，以控制控制器之消磁偵測端電壓為低電位，並使高端驅動器之輸出端同為低電位，以使初級側主動鉗位開關元件關閉；以及，使控制器之輸出端為高電位，致使主開關元件導通。
此處將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。
本發明之一實施例提出一種返馳式功率轉換器及其控制方法，其中透過準諧振模式控制器(QR mode IC)的控制方式，增加零電流檢測單元的作用，而轉換為主動鉗位返馳式(Active Clamp Flyback：ACF)控制；同時在低輸出功率時保有準諧振模式控制器之原有的控制機制，以達到全輸出功率皆能達高效率化之表現。ACF控制方法係採二極體兩端零電流檢知的方式做控制，其他專門的控制器(IC)則透過電壓與時間連續修正控制以獲取最終控制。
在操作上而言，於輕載狀態下運作時，利用主動鉗位致能單元輸入係連回授端，檢測回授端的電壓，以作為主動鉗位功能是否開啟的控制訊號；主動鉗位致能單元之輸出端產生主動鉗位致能訊號，具有輸入電壓前饋補償供能，而使得輸入高、低電壓皆可得到穩定的負載切換點，兼顧高、低輸入電壓條件下的最佳效率表現。
根據本發明的一實施例的返馳式功率轉換器，初級側零電流檢知單元具有二極體、電容及第一比較器。零電流檢知單元之輸出端產生零電流致能訊號，來控制準諧振模式的高端驅動器之輸出端，以控制高壓端主動鉗位開關元件的導通週期。主動鉗位開關元件之閘極的導通週期與初級側主開關元件之閘極的導通週期呈反相控制，以達到零電壓或零電流轉換之目的。
本發明的一實施例的返馳式功率轉換器至少包括底下元件：準諧振模式PWM控制器、初級側主開關元件、高端驅動器、初級側主動鉗位開關元件、變壓器、零電流檢知單元、主動鉗位致能單元、回授單元、隔離單元及一直流輸出電路。脈衝寬度調變(Pulse-width modulation：PWM)係一種將類比訊號轉換為脈波訊號的技術。
第一圖描繪了本發明的一實施例的返馳式功率轉換器之電路架構圖，其中返馳式功率轉換器包括：準諧振模式PWM控制器(電路)102(以下簡稱控制器102)、初級側主開關元件104(以下簡稱主開關元件104)、高端(壓側)驅動器112、初級側主動鉗位開關元件114(以下簡稱主動鉗位開關元件114)、變壓器118、初級側零電流檢知單元106(以下簡稱零電流檢知單元106)、主動鉗位致能單元188、回授單元(電路)136、隔離單元(電路)134及直流輸出電路120。主動鉗位致能單元188包含主動鉗位開關元件114和電容172。高端(壓側)驅動電路112用於驅動主動鉗位致能單元188之主動鉗位開關元件114。零電流檢知單元106包含二極體128、電容126、第一比較器110、電阻130和電阻132，其中第一比較器110之二個輸入分別電性連接電阻130之第一端與電阻132之第一端；電阻130之第二端連接二極體128與電容126，而電阻132連接之第二端連接二極體128。第一比較器110之輸出端電性連接控制器102之回授端。電阻162連接控制器102之回授端和第一比較器110之輸出端。直流輸出電路120包含輸出二極體108、電容122、和電阻124，而電容122並聯連接電阻124。回授單元136為一穩壓回授電路，包含齊納二極體142、分壓電阻146和148、電阻150與電容144。在電路結構上，齊納二極體142並聯連接電容144。分壓電阻148之一端接地，而另一端串聯分壓電組146；分壓電阻146耦接電壓輸出端。電阻150之一端電性耦接於隔離單元134之副邊側之第一輸入端，而齊納二極體142之一端電性耦接於隔離單元134之副邊側之第二輸入端。
參考第一圖，為了返馳式功率轉換器之操作實施，更包括底下元件及連接關係：於電源輸入的前端包含電容168、電阻166和電容182，電阻166電性耦接電容182；繞組176電性耦接二極體184，二極體184電性耦接高端驅動器112之輸入端(VDD)；電阻160電性耦接高端驅動器112之另一輸入端(HIN)與控制器102之輸入端；電阻164電性耦接第一比較器110之正輸入端(IN+)與控制器102之輸入端；控制器102之輸出端(VCC)電性耦接電阻140之第一端，電阻140之第一端電性耦接高端驅動器112之輸入端(VDD)，電阻140之第二端電性耦接齊納二極體138；於控制器102與隔離單元134之間配置有串接電阻152和電阻154；電阻152和電阻154之間連接電阻156；第二比較器116之反相輸入端(IN-)電性耦接齊納二極體138和電阻140之間，第二比較器116之正輸入端(IN+)電性耦接電阻156，第二比較器116之輸出端透過電阻158而電性耦接至第一比較器110之反相輸入端(IN-)；電容178電性耦接高端驅動器112；二極體180配置於第二比較器116之輸出端與高端驅動器112之輸入端(HIN)之間。
返馳式功率轉換器可以透過穩壓回授單元136以及隔離單元134的協同操作，確保輸出電壓不超過一上限值，並且將輸出電壓穩壓在目標的電壓準位。在電路結構上，穩壓回授單元136電性耦接功率轉換器的輸出端。隔離單元134電性耦接於穩壓回授單元136與控制器102之回授端之間。當輸出電壓大於上限值時，齊納二極體142逆向導通形成電氣迴路，使得電流流經隔離單元134的副邊側，進而導通隔離單元134的原邊側以提供回授訊號至控制器102之回授端。當輸出電壓大於上限值時，穩壓回授單元136便可以透過隔離單元134輸出回授訊號至控制器102，使得控制器102關斷主開關元件104。
請參考第一圖，返馳式功率轉換器更包括變壓器118，包含一次側繞組以及二次側繞組。在變壓器118的原邊側、一次側繞組之第一端電性耦接繞組174。變壓器118之一次側繞組之第二端電性耦接主動鉗位開關元件114以及主開關元件104之第一端。主開關元件104之第二端電性耦接於電阻186，而電阻186之另一端連接接地端。高端驅動器112之輸出端電性耦接於主動鉗位開關元件114之控制端，用以輸出控制訊號以選擇性地導通或關斷主動鉗位開關元件114。控制器102電性耦接於主開關元件104之控制端，用以輸出第一控制訊號以選擇性地導通或關斷主開關元件104。變壓器118之副邊側、二次側繞組電性耦接輸出二極體108，將直流電壓轉換為輸出電壓。另一方面，變壓器118之一次側繞組依序並聯連接電容172與電阻170，而二次側繞組依序並聯連接電容122與電阻124。
當主開關元件104導通時，原邊電流會流經變壓器118之一次側繞組，使得能量被儲存在一次側繞組當中。由於一次側繞組與二次側繞組極性相反，此時副邊電路中的二極體108處於逆向偏壓，沒有能量轉移至負載。功率轉換器由副邊電路中的輸出電容122中所儲存的能量提供後級電路所需要的輸出電壓。而當主開關元件104關斷時，一次側繞組、二次側繞組上的極性反轉，使得二極體108導通，儲存於變壓器118中的能量轉移至副邊側並輸出至後級電路以及輸出電容122。由於功率轉換的比值與變壓器118的匝數比以及責任週期(duty cycle)相關，控制器102便可透過調整控制訊號的責任週期控制輸出電壓的大小。另外，主動鉗位開關元件114之導通或關斷則由高端驅動器112來控制。
由上述可知，零電流檢知單元106之二極體128和電阻130電性連接第一比較器110之反相輸入端(IN-)，而電阻132電性連接第一比較器110之正輸入端(IN+)。在一實施例之中，返馳式功率轉換器之控制方法包含底下之操作。當電源達啟動門閘電壓(gate voltage)之後，控制器102開始產生一導通訊號以控制主開關元件104以導通。當輸出二極體108有電流產生時，零電流檢知單元106之二極體128同時產生相對電流以對電容126充電。相反地，輸出二極體108無電流產生(零電流)時，零電流檢知單元106之二極體128同時也零電流；此同步訊號剛好符合主動鉗位控制所需檢測訊號。零電流檢知單元106之第一比較器110之輸出端(OUT)發出第二控制訊號，以控制控制器102之消磁偵測端(DEM)電壓為低電位，而使高端驅動器112之輸出端(HO)同為低電位，以使主動鉗位開關元件114關閉，同時控制器102之輸出端(GATE)為高電位，致使主開關元件104導通。主開關元件104閘極導通週期可以依據回授而控制其長短。當主開關元件104關閉(截止)時，又重複輸出二極體108與零電流檢知單元106之二極體128的導通動作，維持週而復始的動作。
請參考第二圖，其為本發明之一實施例之主動鉗位動作波形圖。其中由上而下分別表示底下之電流波形：第一比較器110之正輸入端(IN+)/第一比較器110之反相輸入端(IN-)、第一比較器110之輸出端(OUT)、輸出二極體108、主開關元件104之閘極電壓(VG1/VG2)、初級側繞組174/主開關元件104(ILr/IQ1)、主開關元件104之洩極電壓(VDS-Q1)。其中標號202表示第一比較器110之正輸入端(IN+)之電流波形，標號204表示第一比較器110之反相輸入端(IN-)之電流波形；標號206表示主開關元件104之閘極電壓(VG2_ON)之電流波形，標號208表示主開關元件104之閘極電壓(VG1_ON)之電流波形，標號210表示主開關元件104之閘極電壓(VG2_ON)之電流波形；標號212表示初級側繞組174之電流波形，標號214表示主開關元件104之電流波形；標號216表示主開關元件104之洩極電壓(VDS-Q1)之電流波形。從第二圖之電流波形圖可以看出，次級側輸出二極體108之電流波形顯示其導通與關閉皆發生在零電流位置，而主開關元件104之閘極電壓(VG1)高電位，在主開關元件104之洩極電壓(VDS-Q1)為低電位之後，使主開關元件104在零電壓下導通，則上述零電流、零電壓之主動鉗位功能使主開關元件104的切換損失大幅降低。從波形圖可以看出，主開關元件104之洩極電壓沒有傳統的返馳式高頻振鈴波，而電磁干擾(EMI)相對輕微。由於主開關元件104在零電壓時導通，因此主開關元件104無習知返馳式啟動瞬間尖波(spike)電流發生，除了可以減低耗損提高效率之外，也大大有助於降低電磁干擾(EMI)。
請參考第三圖，其顯示本發明的一實施例於輕載關閉主動鉗位動作之波形圖。其中由上而下分別表示底下之電流波形：第二比較器116之正輸入端(IN+)之電流波形202/第二比較器116之反相輸入端(IN-)之電流波形204、第二比較器116之輸出端(OUT)、輸出二極體108、主開關元件104之閘極電壓(VG1/VG2)、初級側繞組174/主開關元件104(ILr/IQ1)、主開關元件104之洩極電壓(VDS-Q1)。其中標號302表示第二比較器116之正輸入端(IN+)之電流波形，標號304表示第二比較器116之反相輸入端(IN-)之電流波形；標號306表示主開關元件104之閘極電壓(VG1_ON)之電流波形；標號308表示初級側繞組174之電流波形(ILr=IQ1)。從第三圖之電流波形圖可以看出，第二比較器116之反相輸入端(IN-)的電壓高於正相輸入端(IN+)，此時第二比較器116之輸出端(OUT)為低準位而使主動鉗位功能關閉，使返馳式功率轉換器回復到準諧振工作模式以降低勵磁電流的損失。
請參考第四圖，其顯示習知的準諧振動作波形。其中由上而下分別表示底下之電流波形：輸出二極體、主開關元件之閘極電壓(VG1)、主開關元件(IQ1)、主開關元件之洩極電壓(VDS-Q1)。標號402表示主開關元件之閘極電壓(VG1_ON)之電流波形。從第四圖之電流波形圖可以看出，輸出二極體與主開關元件電流、電壓波形顯示其導通在非零電流、非零電壓狀態；另外，主開關元件之洩極電壓(VDS_Q1)與輸出二極體電流(IDO)波形上有高頻振鈴波，因此會產生電磁干擾(EMI)，對於輸出效率會有影響。此正顯示本發明的實施例揭示的返馳式功率轉換器優於習知的返馳式功率轉換器之處。
請參考第五圖，其為本發明之一實施例多模控制工作頻率與輸出功率之關係圖。其中縱軸Fs表示工作頻率，橫軸PO(Power Output)表示輸出功率；QR(Quasi-Resanent)表示準諧振模式，DCM(Discontinuous Conduction Mode)表示非連續電流模式，VCO(Voltage-Control Oscillator)表示電壓控制降頻模式，而ACF(Active Clamp Flyback)表示主動鉗位返馳模式。相較於習知的準諧振模式，本發明的一實施例提出主動鉗位模式。在本發明的一實施例中更增加了ACF模式(主動鉗位返馳模式)，對於電源效率大大地得到提升。
請參考第六圖，其為本發明之一實施例的返馳式功率轉換器之控制方法之流程圖。本實施例的返馳式功率轉換器之控制方法包含下列步驟：
步驟S61：透過控制器產生第一控制訊號以導通主開關元件。
步驟S62：當檢測輸出二極體有電流產生時，啟動零電流檢知單元之二極體以產生相對電流以對電容充電。
步驟S63：透過零電流檢知單元之第一比較器之輸出端以發出第二控制訊號，以控制控制器之消磁偵測端電壓為低電位，並使高端驅動器之輸出端同為低電位，以使初級側主動鉗位開關元件關閉。
步驟S64：使控制器之輸出端為高電位，致使主開關元件導通。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。
102:準諧振模式PWM控制器(電路) 104:初級側主開關元件 106:初級側零電流檢知單元 108:輸出二極體 110:第一比較器 112:高端驅動器 114:初級側主動鉗位開關元件 116:第二比較器 118:變壓器 120:直流輸出電路 122, 126, 144, 168, 172, 178, 182:電容 124, 130, 132, 140, 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 166, 170, 186:電阻 128, 180, 184:二極體 134:隔離單元(電路) 136:回授單元(電路) 138, 142:齊納二極體 146, 148:分壓電組 174, 176:初級側繞組 188:主動鉗位致能單元 202:第一比較器110之正輸入端(IN+)之電流波形 204:第一比較器110之反相輸入端(IN-)之電流波形 206:主開關元件104之閘極電壓(VG2_ON)之電流波形 208:主開關元件104之閘極電壓(VG1_ON)之電流波形 210:主開關元件104之閘極電壓(VG2_ON)之電流波形 212:初級側繞組174之電流波形 214:主開關元件104之電流波形 216:主開關元件104之洩極電壓(VDS-Q1)之電流波形 302:第二比較器116之正輸入端(IN+)之電流波形 304:第二比較器116之反相輸入端(IN-)之電流波形 306:主開關元件104之閘極電壓(VG1_ON)之電流波形 308:初級側繞組174之電流波形(ILr=IQ1) 402:主開關元件之閘極電壓(VG1_ON)之電流波形 S61~S64:步驟流程
第一圖顯示本發明之一實施例之具有主動鉗位之返馳式功率轉換器之電路結構圖。 第二圖顯示本發明之一實施例之主動鉗位動作波形圖。 第三圖顯示本發明之一實施例之於輕載關閉主動鉗位動作波形圖。 第四圖顯示習知準諧振動作波形圖。 第五圖顯示本發明之一實施例之主動鉗位式工作頻率相對輸出功率之關係圖。 第六圖顯示本發明之一實施例的返馳式功率轉換器之控制方法之流程圖。
102:準諧振模式PWM控制器(電路)
104:初級側主開關元件
106:初級側零電流檢知單元
108:輸出二極體
110:第一比較器
112:高端驅動器
114:初級側主動鉗位開關元件
116:第二比較器
118:變壓器
120:直流輸出電路
122,126,144,168,172,178,182:電容
124,130,132,140,150,152,154,156,158,160,162,164,166,170,186:電阻
128,180,184:二極體
134:隔離單元(電路)
136:回授單元(電路)
138,142:齊納二極體
146,148:分壓電組
174,176:初級側繞組
188:主動鉗位致能單元

Claims (10)

  1. 一種返馳式功率轉換器，包括：一高端驅動電路；一主動鉗位開關元件，耦接該高端驅動電路，以驅動該主動鉗位開關元件；一主開關元件；以及一零電流檢知單元，包含一二極體、一電容和一第一比較器；以及一控制器，耦接該高端驅動電路、該主開關元件及該零電流檢知單元之該第一比較器之輸出端；其中該主動鉗位開關元件之閘極的導通週期與該主開關元件之閘極的導通週期呈反相控制。
  2. 如請求項1所述的返馳式功率轉換器，其中該主開關元件與該主動鉗位開關元件配置於一變壓器之原邊側。
  3. 如請求項1所述的返馳式功率轉換器，其中該第一比較器之輸出端電性耦接該控制器之回授端，當輸出二極體有電流產生時，該零電流檢知單元之該二極體同時產生相對電流以對該電容充電，而當該輸出二極體無電流產生時，該零電流檢知單元之該二極體同時也零電流。
  4. 如請求項3所述的返馳式功率轉換器，更包含一第二比較器，其中該第二比較器之輸出端耦接該第一比較器之輸入端。
  5. 如請求項1所述的返馳式功率轉換器，更包含一隔離單元，電性耦接該控制器之回授端。
  6. 如請求項5所述的返馳式功率轉換器，更包含一回授單元，電性耦接該隔離單元。
  7. 一種返馳式功率轉換器之控制方法，包括：透過一控制器產生一第一控制訊號以導通一主開關元件；當檢測一輸出二極體有電流產生時，啟動一零電流檢知單元之二極體以產生相對電流以對一電容充電；透過該零電流檢知單元之一第一比較器之輸出端以發出一第二控制訊號，以控制該控制器之消磁偵測端電壓為低電位，並使一高端驅動器之輸出端同為低電位，以使一主動鉗位開關元件關閉；以及使該控制器之輸出端為高電位，致使該主開關元件導通。
  8. 如請求項7所述的返馳式功率轉換器之控制方法，其中該零電流檢知單元包含一二極體、一電容和該第一比較器，該第一比較器之輸出端電性耦接該控制器。
  9. 如請求項8所述的返馳式功率轉換器之控制方法，更包含一第二比較器，其中該第二比較器之輸出端耦接該第一比較器之輸入端。
  10. 如請求項7所述的返馳式功率轉換器之控制方法，更包含一隔離單元及一回授單元，該隔離單元電性耦接該控制器之回授端，而該回授單元電性耦接該隔離單元。
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