CN106887959A - 电源转换器及其中的开关控制模块 - Google Patents

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Abstract

一种电源转换器包含：一变压器，具有一一次侧绕组以接收一整流后的电压与一二次侧绕组以产生一直流输出电压；一氮化镓晶体管开关，耦接于一次侧绕组，以控制通过一次侧绕组的电流；一感测电阻，耦接至氮化镓晶体管开关，以感测流过氮化镓晶体管开关的电流而产生一电流感测讯号；以及一开关控制单元，根据电流感测讯号而控制氮化镓晶体管开关；其中，感测电阻以及氮化镓晶体管开关耦接于一节点，节点电位为变压器的一次侧的地。另外，本发明还提出一种电源转换器中的开关控制模块。

Description

电源转换器及其中的开关控制模块
技术领域
本发明涉及一种可降低振荡效应(Ringing effect)的电源转换器及其中的开关控制模块，其中一氮化镓晶体管开关经由对应一次侧接地的一节点，再耦接至一感测电阻，以降低线路中的寄生电感对快速开关元件的影响。
背景技术
参照图1，其中显示一现有技术的电源转换器10，包含：一变压器11，具有一一次侧绕组111以接收一整流后的电压Vp与一二次侧绕组112以产生一直流输出电压Vo；一开关M0，耦接于一次侧绕组111，以控制通过一次侧绕组111的电流Ip；以及一开关控制单元12，具有一开关控制接脚Gate、一电流感测接脚CS、以及一接地接脚GND。电流感测接脚CS耦接于开关M0，也经由一电阻R、一节点N1以耦接于一次侧的地Gp，电流感测接脚CS根据电阻R上的跨压，来感测通过一次侧绕组111的电流Ip。开关控制单元12也通过接地接脚GND，经由节点N1而耦接于一次侧的地Gp。
当开关M以高频于导通与不导通状态间切换时，电流感测接脚CS耦接至一次侧的地Gp的线路，和接地接脚GND耦接至一次侧的地Gp的线路，都会有明显的寄生电感效应，造成开关M0的控制讯号(即开关控制接脚Gate输出的电压讯号)出现振荡效应(Ringing effect)，此振荡效应可能造成开关M0失去控制，而电流Ip也会随之失控。在失控状态下，除了不能有效进行电源转换之外，还可能损害电路。
本发明提出一种电源转换器及其中的开关控制模块，以解决前述的振荡效应所造成的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种电源转换器及其中的开关控制模块，以解决前述的振荡效应所造成的问题。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种电源转换器，包含：一变压器，具有一一次侧绕组以接收一整流后的电压与一二次侧绕组以产生一直流输出电压；一氮化镓晶体管开关，耦接于一次侧绕组，以控制通过一次侧绕组的电流；一感测电阻，耦接至氮化镓晶体管开关，以感测流过氮化镓晶体管开关的电流而产生一电流感测讯号；以及一开关控制单元，根据电流感测讯号而控制氮化镓晶体管开关；其中，感测电阻以及氮化镓晶体管开关耦接于一节点，节点电位为变压器的一次侧的地。
一实施例中，电流感测讯号为一负电压差，且开关控制单元包含一反相器以及一脉冲宽度调变器，反相器用以转换负电压差为正电压差，并将转换结果传送至脉冲宽度调变器，以产生一控制讯号控制氮化镓晶体管开关的导通状态。
一实施例中，开关控制单元包含一电流感测接脚与一接地接脚，接地接脚经由节点耦接于变压器的一次侧的地，感测电阻耦接于接地接脚和电流感测接脚之间。
一实施例中，该开关控制单元还包含一设定接脚，且该电源转换器还包含一设定电阻，该设定接脚经由该设定电阻耦接于该变压器的一次侧的地。其中，较佳地，该开关控制单元包含：一反相器，用以转换该负电压差为正电压差；一电流源，用以提供一电流流过该设定电阻，而产生一设定电压；一比较或运算电路，用以根据该正电压差和该设定电压进行比较或运算；以及一脉冲宽度调变器，根据该比较或运算电路的输出，产生一控制讯号控制该氮化镓晶体管开关。
为达上述目的，根据另一观点，本发明又提供了一种电源转换器，用以接收一整流后的电压，而产生一直流输出电压。此电源转换器包含：一变压器，具有一一次侧绕组以接收一整流后的电压与一二次侧绕组以产生一直流输出电压；一氮化镓晶体管开关，耦接于一次侧绕组，以控制通过一次侧绕组的电流；以及一开关控制模块，用以控制氮化镓晶体管开关。开关控制模块包含：一感测电阻，耦接至氮化镓晶体管开关，以感测流过氮化镓晶体管开关的电流而产生一电流感测讯号；以及一切换讯号产生器，根据电流感测讯号而控制氮化镓晶体管开关。感测电阻以及氮化镓晶体管开关耦接于一节点，节点电位为变压器的一次侧的地。
一实施例中，电流感测讯号为一负电压差，且切换讯号产生器包含一反相器以及一脉冲宽度调变器，反相器用以转换负电压差为正电压差，并将转换结果传送至脉冲宽度调变器，以产生一控制讯号控制氮化镓晶体管开关。
一实施例中，节点为开关控制模块的一接地节点，接地节点耦接于变压器的一次侧的地，开关控制模块又包含一电流感测节点，感测电阻耦接于接地节点和电流感测节点之间。
一实施例中，开关控制模块可还包含一电流感测接脚，用以将该电流感测节点与一外部设定电阻耦接，该外部设定电阻用以调整该电流感测讯号。
为达上述目的，根据另一观点，本发明又提供了一种开关控制模块，用于一种电源转换器，电源转换器以一变压器的一次侧绕组接收一整流后的电压，而在变压器的二次侧绕组产生一直流输出电压。此开关控制模块包含：一氮化镓晶体管开关，用以控制通过变压器的一次侧绕组的电流；一感测电阻，耦接至氮化镓晶体管开关，以感测流过氮化镓晶体管开关的电流而产生一电流感测讯号；以及一切换讯号产生器，根据电流感测讯号而控制氮化镓晶体管开关；其中，感测电阻以及氮化镓晶体管开关耦接于一节点，节点的电位为变压器的一次侧的地。
以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1显示根据现有技术的电源转换器的示意图；
图2显示根据本发明一实施例的电源转换器的示意图；
图3A、3B显示根据本发明两实施例的切换讯号产生器示意图；
图4显示根据本发明又一实施例的电源转换器以及其中开关控制模块的示意图；
图5显示根据本发明再一实施例的电源转换器以及其中开关控制模块的示意图；
图6显示根据本发明再一实施例的电源转换器以及其中开关控制模块的示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。
参照图2，其中显示根据本发明一实施例的电源转换器20，其包含：一变压器21，具有一一次侧绕组211以接收一整流后的电压Vp与一二次侧绕组212以产生一直流输出电压Vo；一氮化镓晶体管开关M，耦接于一次侧绕组221，以控制通过一次侧绕组221的电流Ip；一感测电阻Rs，耦接至氮化镓晶体管开关M，以感测流过氮化镓晶体管开关M的电流Ip而产生一电流感测讯号Ss；以及一开关控制单元22a，根据电流感测讯号Ss而控制氮化镓晶体管开关M；其中，感测电阻Rs以及氮化镓晶体管开关M耦接于一节点N2，节点N2的电位为变压器21的一次侧的地Gp。氮化镓晶体管开关为一种可以进行高频切换的开关，其切换速度高于硅晶体管开关。
根据图2，氮化镓晶体管开关M经由对应一次侧的地Gp的节点N2，以耦接一感测电阻Rs。经由感测电阻Rs所感测的电流感测讯号Ss，为电流Ip经过节点N2(电位对应一次侧的地Gp)，再经过感测电阻Rs所产生的电压差，对开关控制单元22a而言是一个负电压差。由于氮化镓晶体管开关M先连接至一次侧的地Gp、在连接至感测电阻Rs，因此降低了寄生电感效应，故可减低现有技术中振荡效应所造成的的困扰。
一实施例中，电源转换器20可为一驰返式电源转换器(Flybackpower convertor)，其中的变压器21为一隔离式变压单元。
开关控制单元22a，根据电流感测讯号Ss而控制氮化镓晶体管开关M。参照图2，一实施例中，开关控制单元22a可包含一切换讯号产生器22a1，用以产生控制讯号Sc控制氮化镓晶体管开关M。参照图3A所显示切换讯号产生器的一实施例，其中切换讯号产生器22a1可包含一反相器Inv以及一脉冲宽度调变器PWM。反相器Inv用于转换经过一次侧的地Gp与感测电阻Rs的负电压差，以产生一正电压差。而脉冲宽度调变器PWM为根据前述感测电流Ip所得的正电压差，以产生一控制讯号Sc，控制氮化镓晶体管开关M的导通状态。
参照图3B所显示切换讯号产生器的另一实施例，与图3A相比较，图3B的切换讯号产生器22a1增加一放大电路Buff。当脉冲宽度调变器PWM的输出讯号需要调整位准，以产生足够的驱动力来控制氮化镓晶体管开关M时，可加入此放大电路。
一实施例中，开关控制单元22a(图2)包含一电流感测接脚CS、一接地接脚GND、以及一开关控制接脚Gate。接地接脚GND经由节点N2耦接于变压器21的一次侧的地Gp。感测电阻Rs耦接于接地接脚GND和电流感测接脚CS之间，感测电阻Rs亦耦接于节点N2和电流感测接脚CS之间。开关控制接脚Gate耦接于氮化镓晶体管开关M，以传送控制讯号Sc至氮化镓晶体管开关M的栅极。
图4显示根据另一实施例，本发明所提供的另一种电源转换器30，用以接收一整流后的电压Vp，而产生一直流输出电压Vo。电源转换器30包含：一变压器21，具有一一次侧绕组211以接收一整流后的电压Vp与一二次侧绕组212以产生一直流输出电压Vo；一氮化镓晶体管开关M，耦接于一次侧绕组211，以控制通过一次侧绕组211的电流Ip；以及一开关控制模块22b，用以控制氮化镓晶体管开关M。根据图4，开关控制模块22b包含：一感测电阻Rs，耦接至氮化镓晶体管开关M，以感测流过氮化镓晶体管开关M的电流Ip，而产生一电流感测讯号Ss；以及一切换讯号产生器22a1，根据电流感测讯号Ss而控制氮化镓晶体管开关M。其中，感测电阻Rs以及氮化镓晶体管开关M皆分别耦接于一节点N3，节点N3电位为变压器的一次侧的地Gp。
本实施例与前一实施例的差异是：本实施例将前一实施例中的切换讯号产生器22a1和感测电阻Rs整合在一个开关控制模块22b之内。
一实施例中，开关控制模块22b包含一电流感测节点Ncs与一接地节点N3，接地节点N3耦接变压器的一次侧的地。感测电阻Rs耦接于接地节点N3与电流感测节点Ncs间。开关控制模块22b通过电流感测节点Ncs以感测通过感测电阻Rs的一负电压差，此负电压差为电流感测讯号Ss，并根据电流感测讯号Ss以产生一控制讯号Sc控制氮化镓晶体管开关M。产生控制讯号Sc的相关细节，请参照图3A、3B实施例的说明，于此不赘述。
图5显示根据另一实施例，本发明所提供的另一种电源转换器40，用以接收一整流后的电压Vp，而产生一直流输出电压Vo。类似于电源转换器30，电源转换器40包含：一变压器21、一氮化镓晶体管开关M、以及一开关控制模块22c。本实施例与前一实施例的差异是：电源转换器40的实施例中，开关控制模块22c包含氮化镓晶体管开关M于其内，而电源转换器30的开关控制模块22b不包含氮化镓晶体管开关M。
图4、5的实施例，通过整合成模块，可减少氮化镓晶体管开关M的控制回路走线长度，因此可进一步降低寄生电感效应。如果未整合成模块，亦即氮化镓晶体管开关与开关控制单元分开各自封装后再安装在电路板上，则控制回路会有一部分走线在电路板上，而电路板的走线会远较模块内的走线为长，较易导致寄生电感效应。
参照图5，因制作成模块之故，感测电阻Rs成为内部零件而非外部零件，因此，无法通过安装不同阻值的感测电阻Rs，来调整电流感测讯号Ss(例如但不限于，调整电流感测讯号Ss和流过该氮化镓晶体管开关的电流Ip间的转换比例、或是其他用途)。根据本发明，可为电流感测节点Ncs设置一个对外接脚P1，而将此接脚P1经由一设定电阻Rset再连接至一次侧的地，就可以使设定电阻Rset和感测电阻Rs构成并联，亦即，可以通过安装不同阻值的设定电阻Rset，而调整电流感测讯号Ss和电流Ip间的转换比例。此安排也可以适用于图4的实施例。需说明的是：设置设定电阻Rset仅为一种可能而非必须的实施型态，并不绝对必须设置设定电阻Rset。
参照图6，在本实施例中，开关控制模块22d未将感测电阻Rs包含在内，但可能由于种种原因(例如但不限于因为回路补偿或内部参数已定等原因)，使用者并不能或不便更动感测电阻Rs的数值，但又希望能在电流感测讯号Ss输入电路后做一些数值调整，则可依照本实施例的方式，设置设定电阻Rset，耦接于设定接脚SET。开关控制模块22d中，电流源223对外流出电流，通过设定电阻Rset产生压降，此压降可经过比较或运算电路224(视电路设计而定，此电路224可是数字比较电路或模拟运算电路)，而与电流感测讯号Ss的相关讯号进行比较或运算，如此，就可通过调整设定电阻Rset的数值，来调整电流感测讯号Ss输入电路后的数值。
本实施例中，另也举例示出了脉冲宽度调变器PWM的其中一种实施型态，但需说明的是：所示仅为一种可能的实施型态，脉冲宽度调变器PWM有各种实施方式，例如，除了图示的定频并根据电流峰值来决定功率开关工作周期的方式之外，亦可为固定工作周期的变频方式、或依其他方式来决定频率与工作周期，本发明并不受限于其中任何一种方式。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。各实施例中图标直接连接的两电路或元件间，可插置不影响主要功能的其他电路或元件，仅需对应修改相关电路或是讯号的意义即可。又例如，在本发明所公开的基本电路结构之外，可以(但非必须)外加其他电路，举例而言，图6实施例中举例示出了可以(但非必须)外加设置回授补偿电路，这是举例显示本发明可以有各种变化，回授补偿电路仅是其中之一。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。前述的各个实施例，并不限于单独应用，亦可以组合应用，例如但不限于将两实施例并用，或是以其中一个实施例的局部电路代换另一实施例的对应电路。

Claims (13)

1.一种电源转换器，其特征在于，包含：
一变压器，具有一一次侧绕组以接收一整流后的电压与一二次侧绕组以产生一直流输出电压；
一氮化镓晶体管开关，耦接于该一次侧绕组，以控制通过该一次侧绕组的电流；
一感测电阻，耦接至该氮化镓晶体管开关，以感测流过该氮化镓晶体管开关的电流而产生一电流感测讯号；以及
一开关控制单元，根据该电流感测讯号而控制该氮化镓晶体管开关；
其中，该感测电阻以及该氮化镓晶体管开关耦接于一节点，该节点电位为该变压器的一次侧的地。
2.如权利要求1所述的电源转换器，其中，该电流感测讯号为一负电压差，且该开关控制单元包含一反相器以及一脉冲宽度调变器，该反相器用以转换该负电压差为正电压差，并将转换结果传送至该脉冲宽度调变器，以产生一控制讯号控制该氮化镓晶体管开关。
3.如权利要求1所述的电源转换器，其中，该开关控制单元包含一电流感测接脚与一接地接脚，该接地接脚经由该节点耦接于该变压器的一次侧的地，该感测电阻耦接于该接地接脚和该电流感测接脚之间。
4.如权利要求3所述的电源转换器，其中，该开关控制单元还包含一设定接脚，且该电源转换器还包含一设定电阻，该设定接脚经由该设定电阻耦接于该变压器的一次侧的地。
5.如权利要求4所述的电源转换器，其中，该电流感测讯号为一负电压差，且其中该开关控制单元包含：
一反相器，用以转换该负电压差为正电压差；
一电流源，用以提供一电流流过该设定电阻，而产生一设定电压；
一比较或运算电路，用以根据该正电压差和该设定电压进行比较或运算；以及
一脉冲宽度调变器，根据该比较或运算电路的输出，产生一控制讯号控制该氮化镓晶体管开关。
6.一种电源转换器，用以接收一整流后的电压，而产生一直流输出电压，其特征在于，其包含：
一变压器，具有一一次侧绕组以接收一整流后的电压与一二次侧绕组以产生一直流输出电压；
一氮化镓晶体管开关，耦接于该一次侧绕组，以控制通过该一次侧绕组的电流；以及
一开关控制模块，用以控制该氮化镓晶体管开关，该开关控制模块包含：
一感测电阻，耦接至该氮化镓晶体管开关，以感测流过该氮化镓晶体管开关的电流而产生一电流感测讯号；以及
一切换讯号产生器，根据该电流感测讯号而控制该氮化镓晶体管开关；
其中，该感测电阻以及该氮化镓晶体管开关耦接于一节点，该节点的电位为该变压器的一次侧的地。
7.如权利要求6所述的电源转换器，其中，该电流感测讯号为一负电压差，该切换讯号产生器包含一反相器以及一脉冲宽度调变器，该反相器用以转换该负电压差为正电压差，并将转换结果传送至该脉冲宽度调变器，以产生一控制讯号控制该氮化镓晶体管开关。
8.如权利要求6所述的电源转换器，其中，该节点为该开关控制模块的一接地节点，该接地节点耦接于该变压器的一次侧的地，该开关控制模块又包含一电流感测节点，该感测电阻耦接于该接地节点和该电流感测节点之间。
9.如权利要求8所述的电源转换器，其中，该开关控制模块还包含一电流感测接脚，用以将该电流感测节点与一外部设定电阻耦接，该外部设定电阻用以调整该电流感测讯号。
10.一种开关控制模块，用于一种电源转换器，该电源转换器以一变压器的一次侧绕组接收一整流后的电压，而在该变压器的二次侧绕组产生一直流输出电压，其特征在于，该开关控制模块包含：
一氮化镓晶体管开关，用以控制通过该变压器的一次侧绕组的电流；
一感测电阻，耦接至该氮化镓晶体管开关，以感测流过该氮化镓晶体管开关的电流而产生一电流感测讯号；以及
一切换讯号产生器，根据该电流感测讯号而控制该氮化镓晶体管开关；
其中，该感测电阻以及该氮化镓晶体管开关耦接于一节点，该节点的电位为该变压器的一次侧的地。
11.如权利要求10所述的开关控制模块，其中，该电流感测讯号为一负电压差，且该切换讯号产生器包含一反相器以及一脉冲宽度调变器，该反相器用以转换该负电压差为正电压差，并将转换结果传送至该脉冲宽度调变器，以产生一控制讯号控制该氮化镓晶体管开关。
12.如权利要求10所述的开关控制模块，其中，该节点为该开关控制模块的一接地节点，该接地节点耦接于该变压器的一次侧的地，该开关控制模块又包含一电流感测节点，该感测电阻耦接于该接地节点和该电流感测节点之间。
13.如权利要求12所述的开关控制模块，其中，还包含一电流感测接脚，用以将该电流感测节点与一外部设定电阻耦接，该外部设定电阻用以调整该电流感测讯号。
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