TWI832411B

TWI832411B - 自舉電容穩壓輔助電路及具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器

Info

Publication number: TWI832411B
Application number: TW111133419A
Authority: TW
Inventors: 劉明松; 林暐智; 戴君泰; 郭晉誠; 林裕勝
Original assignee: 康舒科技股份有限公司
Priority date: 2022-09-02
Filing date: 2022-09-02
Publication date: 2024-02-11
Also published as: TW202412448A

Abstract

本發明的自舉電容穩壓輔助電路用於具有上臂開關及下臂開關的電源轉換器，包含有驅動控制模組及自舉電容，一第一開關電連接於自舉電容的一端及一接地端之間，一第二開關則電連接於上、下臂開關的連接節點及自舉電容的一端，且其第二控制端與上臂開關接收同一控制訊號，而自舉電容的另一端則通過驅動控制模組電連接一輔助電源；第一開關能在任何上臂開關非導通期間內導通，使輔助電源對自舉電容充電，而第二開關提供連接節點至自舉電容的另一端的放電迴路；本發明使得自舉電容的充電不受限於下臂開關的導通，避免自舉電容充電不足的問題。

Description

自舉電容穩壓輔助電路及具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器

一種電源轉換器的輔助電路及電源轉換器，尤指一種電源轉換器的主動式自舉電容穩壓輔助電路，以及具有該自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器。

在主動式電源轉換器的設計中，通常使用串聯的上臂開關及下臂開關於控制輸入電源轉換器的電源。其中，又以NMOS(N-channel metal dioxide semiconductor)為常用的切換開關元件。其中，在較高電壓的應用中，上臂開關的驅動需要一較高的電壓差做為導通的驅動。在此應用情境中，常使用自舉電容建立該電壓差，再利用該電壓差驅動上臂開關的導通。

在電源轉換器的運作初期，需要建立自舉電容上的電壓差，在實務上，常將自舉電容連接至下臂開關的導通路徑上，利用下臂開關的導通時間形成自舉電容的充電迴路，在自舉電容中儲存能量。

請參閱圖6所示，在一種常見的電源轉換器的切換開關驅動電路中，包含該自舉電容C，以及一驅動控制模組20。該驅動控制模組20具有電源端VDD、電容供電端HB、上臂驅動輸出端HO、下臂驅動輸出端LO及導通控制端HS，上臂驅動輸出端HO電連接該上臂開關Qa的閘極、下臂驅動輸出端LO電連接該下臂開關Qb的閘極，該導通控制端HS連接該上臂開關Qa及下臂開關Qb之間的連接節點n1。該自舉電容C的其中一端通過該電容供電端HB及該電源端 VDD連接至一輔助電源V1，且另一端電連接該連接節點n1。當電源轉換器啟動時，該驅動控制模組20必須先在下臂驅動輸出端LO輸出一導通訊號，使得下臂開關Qb導通，該自舉電容C的充電迴路形成通路，該輔助電源V1對該自舉電容C進行充電。在電源轉換器運作期間，該自舉電容C也是利用下臂開關Qb的導通時間充電，維持電壓。

然而，在需要極短內時間啟動電源轉換器的應用中，例如備援電源供應裝置中，由於必須立即供應電源，上臂開關Qa導通之前，能夠允許下臂開關Qb導通的時間很短，導通時間不足以使自舉電容C建立足夠電位；在某些電路轉換器應用中，因電路拓樸緣故，下臂開關Qb無法先導通，使自舉電容C無法建立電位；在一些電路拓樸應用與切換區間，例如不連續導通模式，自舉電容C電壓將過低，甚至可能耗盡。如此一來，該自舉電容C恐無法有效達成驅動該上臂開關Qa的導通之功能。

綜上所述，現有的電源轉換器的切換開關驅動自舉電容輔助電路勢必須進一步改進。

有鑑於現有的電源轉換器自舉電容電路的充電受限於下臂開關的導通時間，本發明提供一種自舉電容穩壓輔助電路，電連接一上臂開關及一下臂開關，包含：一驅動控制模組，具有一電源端、一上臂驅動輸出端、一下臂驅動輸出端、一電容供電端及一導通控制端；其中，該電源端用以連接一輔助電源，該上臂驅動輸出端電連接一上臂開關的一控制端，該下臂驅動輸出端電連接一下臂開關的一控制端，該電容供電端電性連接該電源端；一第一開關，電連接於該導通控制端及一接地端之間；一第二開關，電連接於該導通控制端及該上臂開關與該下臂開關的一連接節點之間，且具有一第二控制端，該第二控制端電連接該上臂驅動輸出端；一自舉電容，電連接於該電容供電端及該導通控制端之間；其中，當該第一開關導通，該輔助電源通過該電容供電端對該自舉電容充電；當該驅動控制模組使得該電容供電端及該上臂驅動輸出端之間形成導通，該自舉電容通過該電容供電端、該上臂驅動輸出端對該上臂開關及該第二開關的控制端供電，該第二開關在該連接節點與該導通控制端之間形成導通，該上臂開關導通。

在該自舉電容穩壓輔助電路中，該第一開關用於提供該自舉電容的充電路徑，該第二開關提供該自舉電容對該上臂開關的控制端提供導通電壓的放電路徑。當該第一開關形成導通時，由輔助電源、該自舉電容至該接地端形成充電迴路，該輔助電源對該自舉電容充電，該自舉電容上建立上臂開關導通所需之電壓差。當該驅動控制模組使得該電容供電端及該上臂驅動輸出端之間形成導通時，該自舉電容的第一端與該上臂開關的控制端之間形成供電路徑，而該第二開關使得上臂開關由該連接節點與該自舉電容的第二端之間形成導通路徑，完成自舉電容的放電路徑。

本發明藉由該第一開關及該第二開關分別形成自舉電容的充電及放電路徑，使得自舉電容的充電無須通過下臂開關，能夠在上臂開關的導通時間之外的任意時間進行充電。即使在電源轉換器啟動初期，亦只須控制該第一開關導通一短暫時間即可為該自舉電容充電，避免該下臂開關在電源轉換器的原設計中無法在初始期間先提供足夠的導通時間，或者在電源轉換器運作為非連續導通模式導致無法提供足夠的導通時間，自舉電容上無法建立足夠電壓之問題。此外，由於該第一開關及該第二開關僅作為導通開關，無須額外驅動器，故自舉電容穩壓輔助電路的整體電路結構簡單，穩定性高且整體成本低。

本發明還提供一種具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器，包含：一上臂開關及一下臂開關，串接於第一連接端及一接地端之間，該上臂開關及該下臂開關之間有一連接節點；一第一電容，電連接於該第一連接端及該接地端之間；一電感，電連接於該連接節點及一第二電源端之間；一第二電容，電連接於該第二電源端及該接地端之間；以及前述的自舉電容穩壓輔助電路，電連接該上臂開關及該下臂開關。

該具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器為一非隔離式的升降壓電源轉換器，且是一雙向電源轉換器，該第一連接端及該第二電源端分別可做為電源輸入端，而另一端為電源輸出端，該自舉電容穩壓輔助電路則驅動其中的該上臂開關及該下臂開關。本發明的具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器之技術特點及功效與前述自舉電容穩壓輔助電路相同。

本發明還提供另一種具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器，包含：一隔離式變壓器，具有一一次側線圈及一二次側線圈；一一次側線路，電連接該一次側線圈，包含有：一上臂開關及一下臂開關，串接於第一連接端及一接地端之間，該上臂開關及該下臂開關之間的一連接節點連接該一次側線圈的一端；以及前述的自舉電容穩壓輔助電路，電連接該上臂開關及該下臂開關。

本發明的該具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器為一隔離式的升降壓電源轉換器，該上臂開關及該下臂開關控制輸入至隔離式變壓器的一次側線圈的電源，而該自舉電容穩壓輔助電路則驅動其中的該上臂開關及該下臂開關。本發明的具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器之技術特點及功效與前述自舉電容穩壓輔助電路相同。

10:一次側線路

11:驅動控制模組

111:上臂驅動器

112:下臂驅動器

113:控制器

VDD:電源端

HO:上臂驅動輸出端

LO:下臂驅動輸出端

HB:電容供電端

HS:導通控制端

HI:上臂控制輸入端

LI:下臂控制輸入端

D:二極體

12:自舉控制單元

Qa:上臂開關

ga:控制端

Qb:下臂開關

gb:控制端

Q1:第一開關

g1:第一控制端

Q2:第二開關

g2:第二控制端

GND:接地端

C:自舉電容

C1:第一電容

C2:第二電容

L:電桿

T:隔離式變壓器

L1:一次側線圈

L2:二次側線圈

V1:輔助電源

Vin:輸入電源

I/O1:第一連接端

I/O2:第二連接端

圖1係本發明第一實施例的自舉電容穩壓輔助電路的一電路示意圖。

圖2係本發明自舉電容穩壓輔助電路一較佳實施例的一電路示意圖。

圖3A及3B係本發明自舉電容穩壓輔助電路的一電路動作示意圖。

圖4係本發明第二實施例的具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器的一電路示意圖。

圖5係本發明第三實施例的另一具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器的一電路示意圖。

圖6係現有電源轉換器的切換開關驅動電路。

請參閱圖1所式，本發明的電源轉換器的自舉電容C穩壓輔助電路(下簡稱穩壓輔助電路)用以電連接一上臂開關Qa及一下臂開關Qb，該上臂開關Qa及該下臂開關Qb係串接於一輸入電源Vin及一接地端GND之間，且上臂開關Qa及該下臂開關Qb之間有一連接節點n1。一般而言，該上臂開關Qa及該下臂開關Qb分別是N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOS)

在本發明的一第一實施例中，該穩壓輔助電路包含一驅動控制模組11、一第一開關Q1、一第二開關Q2及一自舉電容C。該驅動控制模組11具有一電源端VDD、一上臂驅動輸出端HO、一下臂驅動輸出端LO、一電容供電端HB及一導通控制端HS。其中，該電源端VDD用以連接一輔助電源V1，該上臂驅動輸出端HO電連接該上臂開關Qa的控制端，該下臂驅動輸出端LO電連接該下臂開關Qb的控制端，該電容供電端HB電性連接該電源端VDD。該第一開關Q1電連接於該導通控制端HS及一接地端GND之間，該第二開關Q2電連接於該驅動控制模組11的導通控制端HS及該上臂開關Qa與該下臂開關Qb的一連接節點n1之間，且具有一第二控制端g2，該第二控制端g2電連接該上臂驅動輸出端HO。該自舉電容C電連接於該電容供電端HB及該導通控制端HS之間。較佳的。該第一開關Q1及該第二開關Q2分別是N通道金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOS)

較佳的，該穩壓輔助電路還進一步包含一自舉控制單元12，電連接該第一開關Q1的一第一控制端g1，用以對該第一開關Q1的第一控制端g1輸出一控制訊號，控制該第一開關Q1在該驅動控制模組11由該上臂驅動輸出端HO輸出一非導通訊號的期間內導通。當該第一開關Q1導通時，該輔助電源V1通過該驅動控制模組11的電源端VDD、電容供電端HB、自舉電容C、該第一開關Q1至該接地端GND形成該自舉電容C的充電迴路，對該自舉電容C充電，以在該自舉電容C上建立電壓差。該自舉控制單元12例如是電連接該驅動控制模組11，或整合設置於該驅動控制模組11內，以獲取該驅動控制模組11由上臂驅動輸出端HO輸出該非導通訊號之時間區間。該自舉控制單元12例如為一數位控制電路，或者是由複數邏輯閘組成之類比控制電路。

請參閱圖2所示，在一較佳實施例中，該穩壓輔助電路進一步包含一脈寬調變單元13，電連接該驅動控制模組11。該脈寬調變單元13產生一上臂控制訊號及一下臂控制訊號，使得該驅動控制模組11據以控制該上臂驅動輸出端HO及該下臂驅動輸出端LO之輸出訊號。上臂控制訊號及該下臂控制訊號中分別會有導通期間及非導通期間，使得該驅動控制模組11分別據以控制該上臂驅動輸出端HO及該下臂動輸出端LO輸出導通訊號或非導通訊號。須說明的是，該脈寬調變單元13決定該上臂控制訊號及該下臂控制訊號之方法係根據該穩壓輔助電路所應用的電源轉換器之設計決定，可以是操作在連續導通模式或非連續導通模式，亦可使用任何已知的脈寬調變技術，此並非本發明之技術重點，故在此不詳加敘述。

較佳的，該驅動控制模組11包含一二極體D、一上臂驅動器111、一下臂驅動器112及一控制器113、。該二極體D電連接於該電源端VDD及該電容供電端HB之間，以確定該電源端VDD至該電容供電端HB的電流方向。該上臂驅動器111電連接該控制器113、電容供電端HB、上臂驅動輸出端HO、導通控制端HS之間，該下臂驅動器112電連接控制器113及該下臂驅動輸出端LO。該控制器113例如是通過一上臂控制輸入端HI及一下臂控制輸入端LI電連接該脈寬調變單元12，接收該上臂控制訊號及該下臂控制訊號，以根據該上臂控制訊號控制該上臂驅動器111，並根據該下臂控制訊號控制該下臂驅動器112。在一實施例中，該驅動控制模組11係設置於一晶片封裝內。

更詳細的說，當該上臂控制訊號是一導通控制訊號時，該控制器113控制該上臂驅動器111在該電容供電端HB及該上臂驅動輸出端HO之間形成導通，該上臂開關Qa在導通期間。

當該上臂控制訊號是一非導通控制訊號時，該控制器113控制該上臂驅動器111在該電容供電端HB及該上臂驅動輸出端HO之間為斷路，該上臂開關Qa在非導通期間。

當該下臂控制訊號是一導通控制訊號時，該控制器113控制該下臂驅動器112由該下臂驅動輸出端LO輸出一導通訊號，使該下臂開關Qb導通，該下臂開關Qb在導通期間。

請參閱圖3A所示，在該上臂開關Qa的任何非導通期間，該自舉控制單元12均能控制該第一開關Q1導通，使該自舉電容C充電。當該自舉控制單元12對該第一開關Q1的第一控制端g1輸出導通訊號，該第一開關Q1導通，由輔助電源V1、電源端VDD、電容供電端HB、自舉電容C、第一開關Q1及該接地端GND形成充電迴路，輔助電源V1對該自舉電容C充電。

請參閱圖3B所示，在上臂開關Qa的導通期間，該驅動控制模組11使得該電容供電端HB與該上臂驅動輸出端HO之間形成導通，該自舉電容C由該電容供電端HB、該上臂驅動輸出端HO對該上臂開關Qa的控制端ga及該第二開關Q2的第二控制端g2放電，使得該第二開關Q2導通，在該連接節點n1與該導通控制端HS之間形成導通，該上臂開關Qa的控制端ga接收該自舉電容C提供的電壓，該上臂開關Qa導通。

前述的自舉電容穩壓輔助電路能夠通用於任何應用上、下切換開關的電源轉換器，例如是非隔離式電源轉換器或隔離室電源轉換器均可。以下分別列舉說明之。

請參閱圖4所示，在本發明的一第二實施例中，一具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器包含該上臂開關Qa及該下臂開關Qb、一第一電容C1、一電感L、一第二電容C2及前述第一實施例的穩壓輔助電路。該上臂開關Qa及該下臂開關Qb串接於第一連接端I/O1及一接地端GND之間，該上臂開關Qa及該下臂開關Qb之間有該連接節點n1。該第一電容C1電連接於該第一連接端I/O1及該接地端GND之間，該電感L電連接於該連接節點n1及一第二連接端I/O2之間，該第二電容C2電連接於該第二連接端I/O2及該接地端GND之間。

該穩壓輔助電路，與該第一實施例所述相符的，連接該上臂開關Qa及該下臂開關Qb，以驅動該上臂開關Qa及該下臂開關Qb的導通。本實施例中的電源轉換器例如是一半橋整流的升降壓轉換器(Buck-boost Converter)，可設定該第一連接端I/O1或該第二連接端I/O2為電源輸入端，而相對的另一端為電源輸出端，並通過該脈寬調變單元13產生的上臂控制訊號及下臂控制訊號控制該穩壓輔助電路驅動上臂開關Qa及下臂開關Qb，以及控制分別的導通區間。該穩壓輔助電路的詳細結構及作動方式如第一實施例所述，故在此不重複贅述。

請參閱圖5所示，在本發明的一第三實施例中，一具有自舉電容穩壓輔助電路的電源轉換器係包含一隔離式變壓器T及一一次側線路10。該隔離式變壓器T具有一一次側線圈L1及一二次側線圈L2，該一次側線路10電連接該一次側線圈L1，包含有一上臂開關Qa及一下臂開關Qb、及前述第一實施例中的穩壓輔助電路。該上臂開關Qa及該下臂開關Qb該串接於一電源輸入端Vin及一接地端GND之間，該上臂開關Qa及該下臂開關Qb之間的一連接節點n1連接該一次側線圈L1。

該穩壓輔助電路，與該第一實施例所述相符的，連接該上臂開關Qa及該下臂開關Qb，以驅動該上臂開關Qa及該下臂開關Qb的導通，使得該上臂開關Qa及該下臂開關Qb控制由該電源輸出端提供至一次側線圈L1之電源。該穩壓輔助電路之詳細結構及作動方式如第一實施例所述，故在此不重複贅述。

綜上所述，本發明的電源轉換器的舉電容穩壓輔助電路由於電路結構單純，操作彈性大。無論是隔離式、非隔離式的電源轉換器，全橋或者半橋整流電路中均可使用，適用於驅動任何需要自舉電容以提供驅動電壓的上臂開關的輔助電路中，解決現有切換開關驅動電路中自舉電容充電不易、容易掉電壓，或者自舉電容充電電路複雜的問題。

以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。