CN101414785A - 电源转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电源转换器，包括控制器、变压器、第一晶体管、第一电容、主动钳位电路、低通滤波器与整流电路。控制器用以产生切换信号与时脉信号。第一晶体管的导通状态会随着切换信号的电位不断地切换。主动钳位电路依据时脉信号的电位来决定是否启动，以降低第一晶体管的切换损失。随着第一晶体管的切换，第一电容将透过变压器的一次侧所形成的电流路径进行充放电。相对地，电源转换器会透过变压器的二次侧产生输出信号。整流电路用以对输出信号进行整流。低通滤波器用以滤除输出信号的高频成份。

Description

电源转换器

技术领域

本发明是有关于一种电源转换器，且特别是有关于一种利用主动钳位电路来降低晶体管的切换损失的电源转换器。

背景技术

随着人们对生活品质的不断地要求，单一功能性的电子产品已不能满足人们的需求。因此，现今的电子产品大多采用数种不同规格的集成电路(integratedcircuit)，来达到集多功能于一机的特色。此种多功能性的电子产品往往必须搭配一电源转换器(power converter)，以将一固定电位的电压转换为各个集成电路所需的操作电压。

电源转换器是一种利用电感与电容交互充放电的电压转换电路。一般来说，电感与电容在交互充放电的过程中，用以控制电感与电容进行充放电的开关，往往必须搭配一被动钳位电路，来确保开关的正常操作。然而，被动钳位电路在对开关进行钳位保护时，却会增加开关的切换损失(switching loss)，进而提升电源转换器的功率消耗。

此外，电源转换器往往必须使用萧特基二极管来作为整流电路的元件。然而，萧特基二极管的导通电阻与反向恢复损耗非常大，往往会使得电源转换器产生较多的功率耗损。因此，如何有效减少电路的功率消耗，以提升电源转换器的使用效率，将成为未来研发的趋势。

发明内容

本发明提供一种电源转换器，利用主动钳位电路来降低晶体管的切换损失，进而提高电源转换器的使用效率。

本发明提出一种电源转换器。此电源转换器包括变压器、低通滤波器、整流电路、控制器、第一晶体管、第一电容与主动钳位电路。变压器具有一次侧与二次侧，而变压器的一次侧的第一端用以接收输入信号。其中，变压器依据一绕线比将输入信号耦合至其二次侧，以产生输出信号。低通滤波器耦接在变压器的二次侧的第一端与地端之间，用以滤除输出信号中的高频成份。整流电路耦接在变压器的二次侧的第一端与第二端之间，用以对输出信号进行整流。

此外，控制器用以产生切换信号与时脉信号。其中，时脉信号的高转态点在切换信号的高转态点之前，且时脉信号的低转态点在切换信号的低转态点之后。第一晶体管之漏极端耦接至变压器的一次侧的第二端，且其源极端耦接至地端，其栅极端则用以接收上述切换信号。第一电容的第一端耦接至第一晶体管的漏极端，且其第二端耦接至地端。主动钳位电路耦接在变压器的一次侧的第二端与控制器之间，用以依据时脉信号的电位而决定是否启动。

在本发明一实施例中，上述主动钳位电路包括第三电容、第四晶体管、第二二极管以及第四电容。其中，第三电容的第一端耦接至变压器的一次侧的第二端。第四晶体管之漏极端耦接至第三电容的第二端，且其源极端耦接至地端。第二二极管的阳极端耦接至第四晶体管的栅极端，且其阴极端耦接至地端。第四电容的第一端耦接至第二二极管的阳极端，且其第二端耦接至所述控制器。

本发明是通过主动钳位电路所形成的反馈路径，来降低第一晶体管的切换损失，并藉此提升电源转换器的整体使用效率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的电源转换器的电路图。

图2绘示为被动钳位电路与主动钳位电路应用在电源转换器的实际量测波形图。

具体实施方式

图1绘示为依照本发明一实施例的电源转换器的电路图。请参照图1，电源转换器100包括变压器110、低通滤波器120、整流电路130、控制器140、晶体管M1、电容C1与主动钳位电路150。变压器110具有一次侧与二次侧，且其一次侧的第一端用以接收输入信号Vin。此外，变压器100会依据一绕线比将输入信号Vin耦合至其二次侧，以产生输出信号Vout。

低通滤波器120耦接在变压器110的二次侧的第一端与地端GND之间，用以滤除输出信号Vout中的高频成份。整流电路130耦接在变压器110的二次侧的第一端与第二端之间，用以对输出信号Vout进行整流。此外，控制器140用以产生切换信号Vs与时脉信号Vt，并将其所产生的信号分别输入至晶体管M1的栅极端与主动钳位电路150。值得一提的是，时脉信号Vt的高转态点在切换信号Vs的高转态点之前，且时脉信号Vt的低转态点在切换信号Vs的低转态点之后。

承上述，晶体管M1之漏极端与源极端分别耦接至变压器110一次侧的第二端与地端GND。晶体管M1的栅极端用以接收切换信号Vs，以依据该切换信号Vs的电位来决定晶体管M1是否导通。其中，晶体管M1为一N型晶体管。另外，电容C1的第一端与第二端分别耦接至晶体管M1的漏极端与地端GND。此外，主动钳位电路150耦接在变压器110的一次侧的第二端与控制器140之间，用以依据时脉信号Vt的电位而决定是否启动。

另外，电源转换器100还包括二极管D1。其中，二极管D1的阳极端耦接至晶体管M1的源极端，且其阴极端耦接至晶体管M1的漏极端。二极管D1主要是用以箝制压降在晶体管M1的两端点的电压。

在整体作动上，当切换信号Vs的电位切换至高电位时，晶体管M1的两端点会处在导通的状态下。此时，电容C1将透过变压器110的一次侧所提供的电流路径来进行充电。相对地，当切换信号Vs的电位切换至低电位时，晶体管M1的漏极端与源极端将维持在断路的状态下。此时，电容C1将透过变压器110的一次侧所提供的电流路径来进行放电。

换而言之，随着切换信号Vs的电位变动，流经变压器110的一次侧的电流，其电流方向将随之不断地变更。因此，压降在变压器110的一次侧的电压，其电压极性也将随着时间不断地变动。藉此，变压器110的二次侧将感应流经其一次侧的电流，并相对应地产生输出信号Vout。

然而，值得注意的是，控制器140在切换晶体管M1的导通状态的同时，主动钳位电路150也会依据时脉信号Vt的电位而决定是否启动。且知，时脉信号Vt的高转态点在切换信号Vs的高转态点之前，且时脉信号Vt的低转态点在切换信号Vs的低转态点之后。故晶体管M1会在主动钳位电路处在启动的状态下进行导通。藉此，本实施例将可有效地降低晶体管M1的切换损失，进而提高电源转换器的使用效率。

接下来，为了致使本领域具有通常知识者能更了解本实施例的精神，以下将对变压器110、低通滤波器120、整流电路130与主动钳位电路150的内部结构做进一步进行的说明。

请继续参照图1，变压器110包括线圈111～114。其中，线圈111的第一端为变压器110的一次侧的第一端。线圈112与111相互并联。线圈113的第一端耦接至线圈111的第二端，而线圈113的第二端为变压器110的一次侧的第二端。线圈114的第一端与第二端分别为变压器110的二次侧的第一端与第二端。变压器110是利用线圈111～114的相互配置关系来形成其所需的绕线比。

低通滤波器120包括电感L与电容C2。电感L的第一端耦接至变压器110的二次侧的第一端。电容C2的第一端耦接至电感L的第二端，且其第二端耦接至地端。低通滤波器120是透过电感L与电容C2所形成的电路架构，来滤除输出信号Vout的高频部份。

整流电路130包括晶体管M2～M3与同步时脉控制器131。晶体管M2的漏极端耦接至变压器110的二次侧的第一端，且其源极端耦接至地端。晶体管M3的漏极端耦接至变压器110的二次侧的第二端，且其与源极端耦接至地端。同步时脉控制器131耦接至晶体管M2与M3的栅极端，以控制晶体管M2与M3的导通状态。藉此，整流电路130可以对输出信号Vout进行整流。且知，整流电路130中晶体管M2与M3的导通电阻，要比传统电源转换器所使用的萧特基二极管的导通电阻来得小。因此，与传统技术相较之下，电源转换器100将可大大地降低其功率消耗。在本实施例中，晶体管M2与M3分别为一N型晶体管。

主动钳位电路150包括电容C3～C4、晶体管M4与二极管D2。电容C3的第一端耦接至变压器110的一次侧的第二端。晶体管M4的漏极端耦接至电容C3的第二端，且其源极端耦接至地端。二极管D2的阳极端耦接至晶体管M4的栅极端，且其阴极端耦接至地端。电容C4的第一端耦接至二极管D2的阳极端，且其第二端耦接至控制器140。其中，晶体管M4的栅极端会依据其所接收的信号的电位，而决定其是否导通。电容C3用以依据晶体管M4的导通与否来进行充放电。二极管D2用以稳压与整流。在本实施例中，晶体管M4为一P型晶体管。

图2绘示为被动钳位电路与主动钳位电路应用在电源转换器的实际量测波形图。请同时参照图1与图2，其中，

曲线201为图1实施例的主动钳位电路150以被动钳位电路取代之下，于晶体管M1之漏极端所量测到的电压波形。而曲线202则为图1实施例利用主动钳位电路150，于晶体管M1的漏极端所量测到的电压波形。从曲线201与202的变化趋势来看，可以得知，被动钳位电路在对晶体管M1进行钳位保护时，变压器110会在较高的电压和较短的时间中进行重置。相对地，图1实施例的主动钳位电路150在对晶体管M1进行钳位保护时，变压器110可以在较低的电压与较长的时间中进行重置。因此，图1实施例的主动钳位电路150将能有效地降低晶体管M1的切换损失，进而降低电源转换器100的功率损耗。

综上所述，本发明是通过主动钳位电路所形成的反馈路径，来降低用以控制电容充放电的晶体管，其所形成的切换损失。此外，本发明利用晶体管作为整流电路的整流元件，以降低整流电路的功率损耗。藉此，本发明的电源转换器的整体使用效率将可有效地被提升。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种电源转换器，包括：

一变压器，具有一一次侧与一二次侧，该一次侧的第一端用以接收一输入信号，其中，该变压器依据一绕线比将该输入信号耦合至该二次侧，以产生一输出信号；

一低通滤波器，耦接在该二次侧的第一端与地端之间，用以滤除该输出信号中的高频成份；

一整流电路，耦接在该二次侧的第一端与第二端之间，用以对该输出信号进行整流；

一控制器，用以产生一切换信号与一时脉信号，其中，该时脉信号的高转态点在该切换信号的高转态点之前，且该时脉信号的低转态点在该切换信号的低转态点之后；

一第一晶体管，其漏极端耦接至该一次侧的第二端，该第一晶体管的源极端耦接至地端，该第一晶体管的栅极端用以接收该切换信号；

一第一电容，其第一端耦接至该第一晶体管的漏极端，该第一电容的第二端耦接至地端；以及

一主动钳位电路，耦接在该一次侧的第二端与该控制器之间，用以依据该时脉信号的电位而决定是否启动。

2.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，还包括：

一第一二极管，其阳极端耦接至该第一晶体管的源极端，该第一二极管的阴极端耦接至该第一晶体管的漏极端。

3.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该变压器包括：

一第一线圈，其第一端为该一次侧的第一端；

一第二线圈，与该第一线圈相互并联；

一第三线圈，其第一端耦接至该第一线圈的第二端，该第三线圈的第二端为该一次侧的第二端；以及

一第四线圈，其第一端为该二次侧的第一端，该第四线圈的第二端为该二次侧的第二端。

4.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该低通滤波器包括：

一电感，其第一端耦接至该二次侧的第一端；以及

一第二电容，其第一端耦接至该电感的第二端，该第二电容的第二端耦接至地端。

5.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该整流电路包括：

一第二晶体管，其漏极端耦接至该二次侧的第一端，该第二晶体管的源极端耦接至地端；

一第三晶体管，其漏极端耦接至该二次侧的第二端，该第三晶体管的源极端耦接至地端；以及

一同步时脉控制器，耦接至该第二晶体管与该第三晶体管的栅极端，用以控制该第二晶体管与该第三晶体管是否导通。

6.如权利要求5所述的电源转换器，其特征在于，该第二晶体管与该第三晶体管分别为一N型晶体管。

7.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该主动钳位电路包括：

一第三电容，其第一端耦接至该一次侧的第二端；

一第四晶体管，其漏极端耦接至该第三电容的第二端，该第四晶体管的源极端耦接至地端；

一第二二极管，其阳极端耦接至该第四晶体管的栅极端，该第二二极管的阴极端耦接至地端；以及

一第四电容，其第一端耦接至该第二二极管的阳极端，该第四电容的第二端耦接至该控制器。

8.如权利要求7所述的电源转换器，其特征在于，该第四晶体管为一P型晶体管。

9.如权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，该第一晶体管为一N型晶体管。

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