TWI837651B - 返馳式功率轉換器 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種返馳式功率轉換器。返馳式功率轉換器包括變壓器、次級側電路、二極體、功率電晶體以及諧振電路。變壓器包括初級側繞組、次級側繞組、激磁電感器以及漏電感器。二極體的陽極耦接於激磁電感器。功率電晶體的汲極耦接於二極體的陰極，功率電晶體的閘極接收開關訊號。開關訊號的頻率開關訊號的頻率大於65 kHz。當功率電晶體被斷開時，諧振電路與次級側電路建立諧振迴路以抑制發生於功率電晶體的電壓突波。

Description

返馳式功率轉換器

本發明是有關於一種功率轉換器，且特別是有關於一種能夠抑制電壓突波（voltage spike）的返馳式功率轉換器。

返馳式功率轉換器在輸出功率小於100W的外接式電源供應器中應用非常廣泛。相較於其他200W以下的中、低型功率轉換器來說，返馳式功率轉換器具有簡單、使用元件少、成本低等優點。

然而，如圖1所示，圖1是電壓突波（Voltage Spike）的發生時序圖。返馳式功率轉換器屬於硬切換模式，在功率電晶體自導通狀態轉變為斷開狀態時，返馳式功率轉換器內部的變壓器的漏電感器與功率電晶體的的寄生電容發生共振，進而在功率電晶體的汲極與源極之間的電壓Vds中產生電壓突波VSP。電壓突波VSP導致較高的開關切換損失、低轉換效率以及使功率電晶體的損壞等問題。因此，如何返馳式功率轉換器的抑制電壓突波VSP，是本領域技術人員的研究重點之一。

本發明提供一種能夠抑制電壓突波的返馳式功率轉換器。

本發明的返馳式功率轉換器包括變壓器、次級側電路、第一二極體、功率電晶體以及諧振電路。變壓器包括初級側繞組、次級側繞組、激磁電感器以及漏電感器。激磁電感器並聯於初級側繞組。漏電感器耦接於激磁電感器的第一端。次級側電路耦接於次級側繞組。第一二極體的陽極耦接於激磁電感器的第二端。功率電晶體的汲極耦接於第一二極體的陰極，功率電晶體的閘極接收開關訊號。開關訊號的頻率大於或等於150千赫茲（kHz）並小於或等於250 kHz。諧振電路耦接於功率電晶體的源極以及次級側電路。當功率電晶體被斷開時，諧振電路與次級側電路共同建立諧振迴路，從而對功率電晶體的第一寄生電容進行諧振以抑制發生於功率電晶體的電壓突波。

基於上述，當功率電晶體被斷開時，諧振電路與次級側電路共同建立諧振迴路。諧振迴路能夠對功率電晶體的第一寄生電容進行諧振以抑制發生於功率電晶體的電壓突波。如此一來，功率電晶體的開關切換損失能夠被降低。功率電晶體的損壞機率能夠被降低。此外，返馳式功率轉換器的轉換效率可以被提高。

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。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。

請參考圖2。圖2是依據本發明第一實施例所繪示的返馳式功率轉換器的示意圖。在本實施例中，返馳式功率轉換器100會基於輸入電壓VI來提供輸出電壓VO。輸入電壓VI可以是經整流的電壓訊號。返馳式功率轉換器100包括變壓器TR、次級側電路110、二極體DB1、功率電晶體Q1（或稱功率開關）以及諧振電路120。變壓器TR包括初級側繞組NP、次級側繞組NS、激磁電感器LM以及漏電感器LR。激磁電感器LM並聯於初級側繞組NP。漏電感器LR耦接於激磁電感器LM的第一端。次級側電路110耦接於次級側繞組NS。次級側繞組NS的第一端耦接於次級側電路110。次級側繞組NS的第二端耦接於接地端GND2。

在本實施例中，二極體DB1的陽極耦接於激磁電感器LM的第二端。功率電晶體Q1的汲極耦接於二極體DB1的陰極。功率電晶體Q1的閘極接收開關訊號SW。在本實施例中，開關訊號SW的頻率大於或等於150千赫茲（kHz），並且小於或等於250 kHz。一般來說，現行返馳式功率轉換器的功率電晶體的開關訊號的頻率約為65 kHz。也就是說，開關訊號SW的頻率明顯高於現行返馳式功率轉換器的功率電晶體的開關頻率。如此一來，基於開關訊號SW，返馳式功率轉換器100能夠避免電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）的發生。開關訊號SW可以是由一控制器來提供。

在本實施例中，諧振電路120耦接於功率電晶體Q1的源極以及次級側電路110。功率電晶體Q1具有寄生二極體D1以及寄生電容CP1。當功率電晶體Q1被導通時，二極體DB1會允許操作電流流經功率電晶體Q1。因此，功率電晶體Q1的寄生電容CP1被充電。此外，操作電流會經由諧振電路120流到接地端GND1。

在另一方面，當功率電晶體Q1被斷開時，二極體DB1會斷開功率電晶體Q1的寄生電容CP1與漏電感器LR之間的連接。儲存於功率電晶體Q1的寄生電容CP1的能量並無法流到漏電感器LR。因此，二極體DB1避免了寄生電容CP1與漏電感器LR之間的共振。此外，當功率電晶體Q1被斷開時，諧振電路120與次級側電路110共同建立諧振迴路RT。諧振迴路RT對功率電晶體Q1的寄生電容CP1進行諧振，以抑制發生於功率電晶體Q1的電壓突波。如此一來，功率電晶體Q1的開關切換損失能夠被降低。功率電晶體Q1的損壞機率能夠被降低。此外，返馳式功率轉換器100的轉換效率可以被提高。

此外，返馳式功率轉換器100還包括放電電路130。放電電路130耦接於漏電感器LR與接地端GND1之間。換言之，漏電感器LR耦接於激磁電感器LM的第一端與放電電路130之間。在本實施例中，當功率電晶體Q1被導通時。放電電路130被斷開。在另一方面，當功率電晶體Q1被斷開時。放電電路130被導通以洩漏漏電感器LR所儲存的能量。

請同時參考圖2以及圖3，圖3是依據第一實施例所繪示的功率電晶體的汲極與源極之間的電壓時序圖。在本實施例中，當功率電晶體Q1被斷開時，二極體DB1避免了寄生電容CP1與漏電感器LR之間的共振。除此之外，諧振迴路RT被建立。諧振迴路RT對功率電晶體Q1的寄生電容CP1進行諧振。功率電晶體Q1的汲極與源極之間的電壓Vds產生了諧振波形RWF。因此，發生於功率電晶體Q1的汲極與源極之間的電壓突波能夠被抑制。

請參考圖4，圖4是依據本發明第二實施例所繪示的返馳式功率轉換器的示意圖。在本實施例中，返馳式功率轉換器200包括變壓器TR、次級側電路210、二極體DB1、功率電晶體Q1、諧振電路220以及放電電路230。次級側電路210包括輸出二極體DO以及輸出電容器CO。輸出二極體DO的陽極耦接於次級側繞組NS的第一端。輸出電容器CO耦接於輸出二極體DO的陰極與第二接地端GND2之間。

在本實施例中，諧振電路220包括耦合電感器LT、輔助電晶體Q2以及阻尼電路221。耦合電感器LT包括電感器L1、L2。電感器L1、L2彼此進行電感耦合。應注意的是，電感器L1的異名端（opposite-polarity terminal）耦接於接地端GND1。電感器L2的同名端（common-polarity terminal，或稱打點處）耦接於接地端GND2。

在本實施例中，輔助電晶體Q2的源極耦接於功率電晶體Q1的源極以及電感器L1的同名端。輔助電晶體Q2的汲極耦接於接地端GND1。輔助電晶體Q2的閘極接收控制訊號SC。輔助電晶體Q2的開關狀態相反於功率電晶體Q1的開關狀態。因此，在本實施例中，控制訊號SC反相於開關訊號SW。控制訊號SC的頻率相同於開關訊號SW的頻率。

應注意的是，輔助電晶體Q2的源極耦接於功率電晶體Q1的源極。輔助電晶體Q2的汲極耦接於接地端GND1。因此，輔助電晶體Q2的寄生二極體D2的陽極耦接於寄生二極體D1陽極。寄生二極體D2的陰極耦接於接地端GND1。

在本實施例中，阻尼電路221耦接於電感器L2與次級側電路210之間。阻尼電路221包括放電電阻器R1、二極體DB2以及電容器C1、C2。放電電阻器R1並聯於電感器L2。二極體DB2的陽極耦接於第二電感器的異名端。電容器C1耦接於輸出二極體DO的陰極與二極體DB2的陰極之間。電容器C2耦接於二極體DB2的陰極與接地端GND2之間。

在本實施例中，當功率電晶體Q1被斷開時，輔助電晶體Q2被導通。因此，功率電晶體Q1的寄生電容CP1、輔助電晶體的寄生電容CP2、耦合電感器LT、阻尼電路221以及輸出電容器CO共同形成諧振迴路。

在本實施例中，放電電路230包括放電電阻器R2以及放電開關Q3。放電電阻器R2的第一端耦接於漏電感器LR。放電開關Q3耦接於放電電阻器R2的第二端與接地端GND1之間。當功率電晶體Q1被斷開時，放電開關Q3會被導通。當功率電晶體Q1被導通時，放電開關Q3則會被斷開。放電開關Q3的開關操作相同於輔助電晶體Q2的開關操作。因此，放電開關Q3能夠反應於控制訊號SC進行開關操作。在本實施例中，放電開關Q3是由NMOS來實施。然本發並不以此為限。在一些實施例中，放電開關Q3可以是由本領域所熟知的電晶體開關來實現。

下文將說明本發明第二實施例的高頻開關操作的實施細節。

首先，請同時參考圖4以及圖5，圖5是依據第二實施例的高頻開關操作的第一操作示意圖。在第一操作中，功率電晶體Q1被導通，使得輸出二極體DO被截止。放電開關Q3在第一操作中被斷開。因此，放電電路230在第一操作中不會對漏電感器LR所儲存的能量進行放電。

在第一操作中，輔助電晶體Q2被斷開。這使得流經功率電晶體Q1的操作電流IOP經由輔助電晶體Q2的寄生二極體D2以及電感器L1流到接地端GND1。操作電流IOP還對功率電晶體Q1的寄生電容CP1以及輔助電晶體Q2的寄生電容CP2進行充電。此外，電感器L1的同名端為正電壓。電感器L2的異名端則為負電壓。因此，二極體DB2被截止。放電電阻器R1對電感器L2所儲存的能量進行放電。也就是說，放電電阻器R1與電感器L2共同形成一放電迴路。

請同時參考圖4、圖6以及圖7，圖6是依據第二實施例的高頻開關操作的第二操作示意圖。圖7是依據第二實施例所繪示的諧振迴路的示意圖。在本實施例中，在第二操作中，功率電晶體Q1被斷開，使得輸出二極體DO被導通。二極體DB1被截止。因此，儲存於寄生電容CP1的能量並無法流到漏電感器LR。如此一來，寄生電容CP1與漏電感器LR並不會發生諧振。

放電開關Q3在第二操作中被導通。因此，放電電路230在第二操作中會對漏電感器LR所儲存的能量進行放電。

在第二操作中，輔助電晶體Q2被導通。輔助電晶體Q2在以高頻條件下被導通時，流經電感器L1的電流會發生變化。為了使流經電感器L1的電流維持同相且連續。電感器L1的極性會基於楞次定律（Lenz's law）而被反轉。電感器L2的極性也會基於楞次定律而被反轉。因此，在第二操作中，電感器L2的異名端被轉換為正電壓。

由於電感器L2的異名端被轉換為正電壓，二極體DB2被導通。因此，諧振迴路RT被形成，如圖7所示。諧振迴路RT能夠有效抑制功率電晶體Q的汲極與源極之間的電壓突波。在本實施例中，圖7所示的諧振迴路RT是寄生電容CP1、CP2、耦合電感器LT、放電電阻器R1、電容器C1、C2以及輸出電容器CO所共同形成的高頻等效電路。寄生電容CP1的第一端耦接於寄生電容CP2的第一端以及電感器L1的同名端。寄生電容CP1的第二端耦接於寄生電容CP2的第二端、電感器L1的異名端以及接地端GND1。電感器L2的異名端耦接於放電電阻器R1的第一端以及電容器C2的第一端。電感器L2的同名端耦接於放電電阻器R1的第二端、電容器C2的第二端以及接地端GND2。電容器C1與輸出電容器CO串聯耦接於電感器L2的異名端與同名端之間。

應注意的是，諧振迴路RT中的放電電阻器R1能夠使諧振迴路RT抑制欠阻尼（Underdamping）響應的發生。

綜上所述，返馳式功率轉換器包括諧振電路以及二極體。當功率電晶體被斷開時，二極體能夠防止功率電晶體的寄生電容與漏電感器之間的諧振。諧振電路與次級側電路共同建立諧振迴路。諧振迴路能夠對功率電晶體的寄生電容進行諧振以抑制發生於功率電晶體的電壓突波。如此一來，功率電晶體的開關切換損失能夠被降低。功率電晶體的損壞機率能夠被降低。返馳式功率轉換器的轉換效率可以被提高。此外，返馳式功率轉換器還包括放電電路。當功率電晶體被斷開時，放電電路洩漏漏電感器所儲存的能量。

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。

100、200:返馳式功率轉換器 110、210:次級側電路 120、220:諧振電路 130、230:放電電路 221:阻尼電路 C1、C2:電容器 CO:輸出電容器 CP1、CP2:寄生電容 D1、D2:寄生二極體 DB1、DB2:二極體 DO:輸出二極體 GND1、GND2:接地端 IOP:操作電流 L1、L2:電感器 LM:激磁電感器 LR:漏電感器 LT:耦合電感器 NP:初級側繞組 NS:次級側繞組 Q1:功率電晶體 Q2:輔助電晶體 Q3:放電開關 R1:放電電阻器 R2:放電電阻器 RT:諧振迴路 RWF:諧振波形 SC:控制訊號 SW:開關訊號 t:時間 TR:變壓器 Vds:功率電晶體的汲極與源極之間的電壓 VI:輸入電壓 VO:輸出電壓 VSP:電壓突波

圖1是電壓突波的發生時序圖。 圖2是依據本發明第一實施例所繪示的返馳式功率轉換器的示意圖。 圖3是依據第一實施例所繪示的功率電晶體的汲極與源極之間的電壓時序圖。 圖4是依據本發明第二實施例所繪示的返馳式功率轉換器的示意圖。 圖5是依據第二實施例的高頻開關操作的第一操作示意圖。 圖6是依據第二實施例的高頻開關操作的第二操作示意圖。 圖7是依據第二實施例所繪示的諧振迴路的示意圖。

100:返馳式功率轉換器

110:次級側電路

120:諧振電路

130:放電電路

CP1:寄生電容

D1:寄生二極體

DB1:二極體

GND1、GND2:接地端

LM:激磁電感器

LR:漏電感器

NP:初級側繞組

NS:次級側繞組

Q1:功率電晶體

RT:諧振迴路

SW:開關訊號

TR:變壓器

VI:輸入電壓

VO:輸出電壓

Claims (10)

1. 一種返馳式功率轉換器，包括： 一變壓器，包括一初級側繞組、一次級側繞組、一激磁電感器以及一漏電感器，其中該激磁電感器並聯於該初級側繞組，其中該漏電感器耦接於該激磁電感器的第一端； 一次級側電路，耦接於該次級側繞組； 一第一二極體，該第一二極體的陽極耦接於該激磁電感器的第二端； 一功率電晶體，該功率電晶體的汲極耦接於該第一二極體的陰極，該功率電晶體的閘極接收一開關訊號，其中該開關訊號的頻率大於或等於150千赫茲，並小於或等於250千赫茲；以及 一諧振電路，耦接於該功率電晶體的源極以及該次級側電路，經配置以當該功率電晶體被斷開時，與該次級側電路共同建立一諧振迴路，從而對該功率電晶體的一第一寄生電容進行諧振以抑制發生於該功率電晶體的電壓突波。
2. 如請求項1所述的返馳式功率轉換器，還包括： 一放電電路，耦接於該漏電感器與一第一接地端之間，經配置以當該功率電晶體被斷開時被導通以洩漏該漏電感器所儲存的能量。
3. 如請求項2所述的返馳式功率轉換器，其中該放電電路包括： 一第一放電電阻器，該第一放電電阻器的第一端耦接於該漏電感器；以及 一放電開關，耦接於該第一放電電阻器的第二端與該第一接地端之間，經配置以當該功率電晶體被斷開時被導通，並且當該功率電晶體被導通時被斷開。
4. 如請求項1所述的返馳式功率轉換器，其中該諧振電路包括： 一耦合電感器，包括一第一電感器以及一第二電感器，其中該第一電感器的異名端耦接於該第一接地端，其中該第二電感器的同名端耦接於一第二接地端； 一輔助電晶體，該輔助電晶體的源極耦接於該功率電晶體的源極以及該第一電感器的同名端，該輔助電晶體的汲極耦接於該第一接地端，該輔助電晶體的閘極接收一控制訊號；以及 一阻尼電路，耦接於該第二電感器與該次級側電路之間。
5. 如請求項4所述的返馳式功率轉換器，其中該控制訊號反相於該開關訊號。
6. 如請求項4所述的返馳式功率轉換器，其中當該功率電晶體被導通時，該輔助電晶體被斷開，使得流經該功率電晶體的一操作電流經由該輔助電晶體的寄生二極體以及該第一電感器流到該第一接地端，並且對該第一寄生電容以及該輔助電晶體的一第二寄生電容進行充電。
7. 如請求項4所述的返馳式功率轉換器，其中該阻尼電路包括： 一第二放電電阻器，並聯於該第二電感器， 其中當該功率電晶體被導通時，該第二放電電阻器對該第二電感器所儲存的能量進行放電。
8. 如請求項7所述的返馳式功率轉換器，其中： 該次級側電路包括： 一輸出二極體，該輸出二極體的陽極耦接於該次級側繞組的第一端；以及 一輸出電容器，耦接於該輸出二極體的陰極與該第二接地端之間，並且 當該功率電晶體被斷開時，該輔助電晶體被導通，使得該第一寄生電容、該第二寄生電容、該耦合電感器、該阻尼電路以及該輸出電容器共同形成該諧振迴路。
9. 如請求項8所述的返馳式功率轉換器，其中該阻尼電路還包括： 一第二二極體，該第二二極體的陽極耦接於該第二電感器的異名端； 一第一電容器，耦接於該輸出二極體的陰極與該第二二極體的陰極之間；以及 一第二電容器，耦接於該第二二極體的陰極與該第二接地端之間。
10. 如請求項9所述的返馳式功率轉換器，其中： 當該輔助電晶體被導通時，該第一電感器的極性以及該第二電感器的極性基於楞次定律被反轉，使得該第二二極體被導通，並且 該諧振迴路被形成以抑制該功率電晶體的汲極與源極之間的電壓突波。

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