CN110912414B - 一种双模式主动钳制返驰式转换器 - Google Patents

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Abstract

一种双模式主动钳制返驰式转换器，尤指一种可对应重载或轻载而自动切换最佳化效率之操作模式的双模式主动钳制返驰式转换器。它包括变压器电路、钳位储能电路以及主开关电路。变压器电路耦接负载，且变压器电路包括辅助绕组。钳位储能电路耦接变压器电路，当负载为重载时，钳位储能电路导通；当负载为轻载时，钳位储能电路关断。主开关电路耦接变压器电路，当主开关电路导通时，辅助绕组释能至变压器电路的初级侧绕组。本发明所述的双模式主动钳制返驰式转换器可对应重载或轻载而自动切换最佳化效率之操作模式以解决转换效率难以提升的技术问题，达到方便操作、提升转换效率以及节约功耗成本之目的。

Description

一种双模式主动钳制返驰式转换器
技术领域：
本发明涉及一种双模式主动钳制返驰式转换器，尤指一种可对应重载或轻载而自动切换最佳化效率之操作模式的双模式主动钳制返驰式转换器。
背景技术
传统的返驰式转换器因电路架构简单，因此广泛地应用在中低功率的电源转换***，且具有电气隔离与可借由匝数比调整输出升降压等优点。但因有变压器漏感的存在，当开关导通初级磁化电感储能时，漏感也会随之储能，开关截止磁化电感开始对次级释能时，漏感的能量若无释放的路径，将会对功率开关电容释放能量，使得输出电压急遽上升而出现一个相当高的电压突波(spike)，造成功率开关的损坏。近年来，为了改善上述的问题，主动钳制(active clamping)技术已相继提出。
然而，传统主动钳制返驰式转换器操作在低压重载条件下，具有较高转换效率，但是操作在高压轻载时，其转换效率明显远逊于被动式无损失减震器返驰式转换器。进一步而言，传统的具漏感能量回收绕组之返驰式转换器虽然在高压轻载条件下，具有较高转换效率，但是操作在低压重载时，其转换效率明显远逊于主动钳制返驰式转换器。
为此，如何设计出一种双模式主动钳制返驰式转换器，特别是解决转换效率难以提升的技术问题，乃为本案发明人所研究的重要课题。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种双模式主动钳制返驰式转换器，可对应重载或轻载而自动切换最佳化效率的操作模式以解决转换效率难以提升的技术问题，达到方便操作、提升转换效率以及节约功耗成本的目的。
为达成上述目的，本发明所采用的技术方案是：双模式主动钳制返驰式转换器包括：变压器电路，耦接负载，且包括辅助绕组；
钳位储能电路，耦接该变压器电路，当负载为重载时，该钳位储能电路导通后关断；当该负载为轻载时，该钳位储能电路保持关断；以及
主开关电路，耦接该变压器电路，当该主开关电路导通时，该辅助绕组释能至该变压器电路的初级侧绕组；
其中，当该钳位储能电路导通后关断之后，该主开关电路进入零电压切换。
进一步的，该变压器电路输入定电压的条件下，依据该负载于该变压器电路的转换效率比例获得转换效率转折点；当实际输出功率的数值小于该转换效率转折点对应的输出功率的数值时，该负载为轻载；当实际转换效率比例的数值大于该转换效率转折点对应的输出功率的数值时，该负载为重载。
进一步的，该变压器电路更包括耦接该负载的初级侧绕组；该初级侧绕组并联耦接该变压器电路的激磁电感，且通过该变压器电路的漏电感耦接输入电压。
进一步的，该钳位储能电路包括彼此耦接的辅助开关、钳位电容以及二极管；该辅助开关耦接该输入电压以及该漏电感；该钳位电容耦接该激磁电感、该初级侧绕组以及该主开关电路；该二极管耦接该辅助绕组。
进一步的，该主开关电路包括主开关，该主开关的一端耦接该初级侧绕组、该激磁电感以及该钳位电容，该主开关的另一端耦接该辅助绕组以及该输入电压。
进一步的，当该辅助开关关断且该主开关导通时，该输入电压、该漏电感、该初级侧绕组以及该主开关构成第一回路；该输入电压、该漏电感、该初级侧绕组、该钳位电容、该二极管以及该辅助绕组构成第二回路；若该钳位电容已暂存来自该漏电感的能量，则该钳位电容、该主开关、该辅助绕组以及该二极管构成第三回路；在该第一回路中，该漏电感进行储能，且该激磁电感进行激磁；在该第二回路中，该激磁电感进行激磁；在该第三回路中，该钳位电容通过该辅助绕组释能至该初级侧绕组；
当该辅助开关关断且该主开关关断时，该漏电感、该初级侧绕组、该钳位电容以及寄生于该辅助开关的背接二极管构成第四回路，在该第四回路中，该漏电感进行释能，且该激磁电感进行去磁。
进一步的，若该负载为重载，在构成该第四回路之后，该辅助开关导通且该主开关关断，该漏电感、该初级侧绕组、该钳位电容以及该辅助开关构成第五回路，在该第五回路中，该漏电感储能，且该激磁电感去磁。
进一步的，该负载为重载，在构成该第五回路之后，该辅助开关关断且该主开关关断，该输入电压、该漏电感、该初级侧绕组以及寄生于该主开关的背接二极管构成第六回路，在该第六回路中，该漏电感释能。
进一步的，若该负载为重载，在构成该第六回路之后，该辅助开关关断且该主开关导通，继而构成该第二回路以及该第三回路。
进一步的，若该负载为轻载，在构成该第四回路之后，该辅助开关关断且该主开关关断，继而构成该第一回路以及该第三回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在使用本发明所述之双模式主动钳制返驰式转换器时，若负载为轻载，钳位储能电路保持关断，使轻载运作于单纯的能量回收动作，即辅助绕组释能至变压器电路的初级侧绕组，可降低主开关电路运作于谷值切换(valley voltage switching,VVS)时的切换频率(即固定频率调变模式,fixed frequency modulation mode,FFM mode)而获致轻载运作的最佳效率；若负载为重载，钳位储能电路进入顺向主动钳位(active clamp forward,ACF)模式，即钳位储能电路可导通后关断，使主开关电路运作于零电压切换(zero voltageswitching,ZVS)而获致重载运作的最佳效率。为此，本发明所述的双模式主动钳制返驰式转换器可对应重载或轻载而自动切换最佳化效率之操作模式以解决转换效率难以提升的技术问题，达到方便操作、提升转换效率以及节约功耗成本之目的。
附图说明
图1为本发明双模式主动钳制返驰式转换器的电路示意图；
图2为本发明双模式主动钳制返驰式转换器的转换效率示意图；
图3为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第一状态图；
图4为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第二状态图；
图5为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第三状态图；
图6为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第四状态图；
图7为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第五状态图；
图8为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第六状态图；
图9为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第七状态图；
图10为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于轻载的第一状态图；
图11为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于轻载的第二状态图；
图12为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于轻载的第三状态图；
图13为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于轻载的第四状态图；
图14为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于轻载的第五状态图。
其中变压器电路10、钳位储能电路20、主开关电路30、负载40、输入电压Vin、辅助开关Saux、主开关Smain、二极管Dreg、钳位电容Cclamp、漏电感Lk、激磁电感Lm、辅助绕组N1、初级侧绕组Np、次级侧绕组Ns、第一背接二极管Daux、第二背接二极管Dmain、第一寄生电容Caux、第二寄生电容Cmain、输出二极管Do、输出电容Co、第一曲线E1、第二曲线E2、转换效率转折点P、第一回路Ln1、第二回路Ln2、第三回路Ln3、第四回路Ln4。
具体实施方式：
以下是由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术之人士可由本说明书所揭示之内容轻易地了解本发明之其他优点及功效。本发明也可由其他不同的具体实例加以施行或应用，本发明说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用在不悖离本发明之精神下进行各种修饰与变更。
须知，本说明书所附图式绘示之结构、比例、大小、元件数量等，均仅用以配合说明书所揭示之内容，以供熟悉此技术之人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施之限定条件，故不具技术上之实质意义，任何结构之修饰、比例关系之改变或大小之调整，在不影响本发明所能产生之功效及所能达成之目的下，均应落在本发明所揭示之技术内容得能涵盖之范围内。
具体实施方式一：请参阅图1所示，为本发明双模式主动钳制返驰式转换器的电路图。所述的双模式主动钳制返驰式转换器包括变压器电路10、钳位储能电路20以及主开关电路30。其中，变压器电路10耦接负载40，且包括辅助绕组N1以及耦接负载40的次级侧绕组Ns。初级侧绕组Np并联耦接变压器电路10的激磁电感Lm，且通过变压器电路10的漏电感Lk耦接输入电压Vin。在本发明中，负载40耦接输出二极管Do以及输出电容Co。
钳位储能电路20耦接变压器电路10，当负载40为重载时，钳位储能电路20导通后关断，当负载40为轻载时，钳位储能电路20保持关断。
进一步而言，钳位储能电路20包括彼此耦接的辅助开关Saux、钳位电容Cclamp以及二极管Dreg。其中，辅助开关Saux耦接输入电压Vin以及漏电感Lk。钳位电容Cclamp耦接激磁电感Lm、初级侧绕组Np以及主开关电路30。二极管Dreg耦接辅助绕组N1。
主开关电路30耦接变压器电路10，当主开关电路30导通时，辅助绕组N1释能至变压器电路10的初级侧绕组Np。其中，在钳位储能电路20导通后关断之后，主开关电路30进入零电压切换(ZVS)模式。其中，主开关电路30包括主开关Smain，主开关Smain的一端耦接初级侧绕组Np、激磁电感Lm以及钳位电容Cclamp，主开关Smain的另一端耦接辅助绕组N1以及输入电压Vin。
具体实施方式二：请参阅图1及图2所示，图2为本发明双模式主动钳制返驰式转换器的转换效率示意图。所述变压器电路10在输入定电压(例如Vin)的条件下，依据负载40于变压器电路10的转换效率比例获得转换效率转折点P，即是，负载40运行于轻载模式所获转换效率与输出功率(单位为瓦特，watt)的关系第一曲线E1，负载40运行于重载模式所获转换效率与输出功率的关系第二曲线E2，将第一曲线E1与第二曲线E2彼此交叠产生的交越点为转换效率转折点P。当实际输出功率的数值小于转换效率转折点P对应的输出功率的数值时，定义负载40为轻载，本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于轻载。当实际转换效率比例的数值大于转换效率转折点P对应的输出功率的数值时，定义负载40为重载，本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载。本发明双模式主动钳制返驰式转换器切换重载或轻载时，仅操作于如图2所示之第一曲线E1与第二曲线E2的实线部分。
具体实施方式三：请参阅图3至图9所示，为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于重载的第一状态图至第七状态图。
如图3所示，双模式主动钳制返驰式转换器于重载的第一状态时，辅助开关Saux关断且主开关Smain导通。输入电压Vin、漏电感Lk、初级侧绕组Np以及主开关Smain构成第一回路Ln1。在第一回路Ln1中，随着流经初级侧绕组Np的电流增加，漏电感Lk进行储能，且激磁电感Lm进行激磁。
如图4所示，双模式主动钳制返驰式转换器于重载的第二状态时，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断。漏电感Lk、初级侧绕组Np、钳位电容Cclamp以及寄生于辅助开关Saux的第一背接二极管Daux构成第四回路Ln4。在第四回路Ln4中，随着漏电感Lk的电流流经钳位电容Cclamp以及第一背接二极管Daux，漏电感Lk进行释能，且激磁电感Lm进行去磁。由于辅助开关Saux的第一背接二极管Daux已导通，寄生于辅助开关Saux的第一寄生电容Caux放电，此时若将辅助开关Saux导通，可实现辅助开关Saux的零电压切换(ZVS)。
如图5所示，双模式主动钳制返驰式转换器于重载的第三状态时，与前述重载的第二状态大致相同，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断。漏电感Lk、初级侧绕组Np、钳位电容Cclamp以及寄生于辅助开关Saux的第一背接二极管Daux构成第四回路Ln4。激磁电感Lm的能量开始释能至次级侧绕组Ns。此时，因能量已转移至次级侧绕组Ns，使得输出二极管Do导通，且输出电容Co储能。
如图6所示，双模式主动钳制返驰式转换器于重载的第四状态时，与前述重载的第三状态大致相同，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断。惟，漏电感Lk释能完毕，激磁电感Lm的能量继续释能至次级侧绕组Ns。
如图7所示，双模式主动钳制返驰式转换器于重载的第五状态时，是在构成第四回路Ln4之后，辅助开关Saux导通且主开关Smain关断。漏电感Lk、初级侧绕组Np、钳位电容Cclamp以及辅助开关Saux构成第五回路Ln5，在第五回路Ln5中，漏电感Lk储能，且激磁电感Lm去磁。此时，钳位电容Cclamp将能量传回漏电感Lk，且流经漏电感Lk的电流为负值。
如图8所示，双模式主动钳制返驰式转换器于重载的第六状态时，是在构成第五回路Ln5之后，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断。输入电压Vin、漏电感Lk、初级侧绕组Np以及寄生于主开关Smain的第二背接二极管Dmain构成第六回路Ln6。在第六回路Ln6中，漏电感Lk释能。此时，漏电感Lk的电流为负值，漏电感Lk以串联谐振方式释能至寄生于主开关Smain的第二寄生电容Cmain，且第二寄生电容Cmain的电压开始下降，直到漏电感Lk的电流截止后，第二寄生电容Cmain以LC串联谐振方式释能至漏电感Lk以及激磁电感Lm，继而使第二寄生电容Cmain的电压下降至零为止，即达到可使主开关Smain进行零电压切换(ZVS)的条件。
如图9所示，双模式主动钳制返驰式转换器于重载的第七状态时，是在构成第六回路Ln6之后，辅助开关Saux关断且主开关Smain导通，输入电压Vin、漏电感Lk、初级侧绕组Np、钳位电容Cclamp、二极管Dreg以及辅助绕组N1构成第二回路Ln2。若钳位电容Cclamp已暂存来自漏电感Lk的能量，则钳位电容Cclamp、主开关Smain、辅助绕组N1以及二极管Dreg构成第三回路Ln3。在第二回路Ln2中，激磁电感Lm进行激磁。在第三回路Ln3中，钳位电容Cclamp通过辅助绕组N1释能至初级侧绕组Np，即是将暂存于钳位电容Cclamp内的漏电感Lk的能量传回到变压器电路10的输入端。
具体实施方式四：请参阅图10至图14所示，为本发明双模式主动钳制返驰式转换器运作于轻载的第一状态图至第五状态图。
如图10所示，双模式主动钳制返驰式转换器于轻载的第一状态时，辅助开关Saux关断且主开关Smain导通，输入电压Vin、漏电感Lk、初级侧绕组Np以及主开关Smain构成第一回路Ln1。在第一回路Ln1中，随着流经初级侧绕组Np的电流增加，漏电感Lk进行储能，且激磁电感Lm进行激磁。
如图11所示，双模式主动钳制返驰式转换器于轻载的第二状态时，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断，漏电感Lk、初级侧绕组Np、钳位电容Cclamp以及寄生于辅助开关Saux的第一背接二极管Daux构成第四回路Ln4。在第四回路Ln4中，随着漏电感Lk的电流流经钳位电容Cclamp以及第一背接二极管Daux，漏电感Lk进行释能，且激磁电感Lm进行去磁。由于辅助开关Saux的第一背接二极管Daux已导通，寄生于辅助开关Saux的第一寄生电容Caux放电，此时若将辅助开关Saux导通，可实现辅助开关Saux的零电压切换(ZVS)。
如图12所示，双模式主动钳制返驰式转换器于轻载的第三状态时，与前述轻载的第二状态大致相同，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断，漏电感Lk、初级侧绕组Np、钳位电容Cclamp以及寄生于辅助开关Saux的第一背接二极管Daux构成第四回路Ln4。惟，激磁电感Lm的能量开始释能至次级侧绕组Ns。此时，因能量已转移至次级侧绕组Ns，使得输出二极管Do导通，且输出电容Co储能。
如图13所示，双模式主动钳制返驰式转换器于轻载的第四状态时，与前述轻载的第三状态大致相同，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断。惟，漏电感Lk释能完毕，激磁电感Lm的能量继续释能至次级侧绕组Ns。
如图14所示，双模式主动钳制返驰式转换器于轻载的第五状态时，是在构成第四回路Ln4之后，辅助开关Saux关断且主开关Smain关断，继而构成第一回路Ln1以及第三回路Ln3。输入电压Vin、漏电感Lk、初级侧绕组Np以及主开关Smain构成第一回路Ln1。若钳位电容Cclamp已暂存来自漏电感Lk的能量，则钳位电容Cclamp、主开关Smain、辅助绕组N1以及二极管Dreg构成第三回路Ln3。在第一回路Ln1中，激磁电感Lm进行激磁。在第三回路Ln3中，钳位电容Cclamp通过辅助绕组N1释能至初级侧绕组Np，即是将暂存于钳位电容Cclamp内的漏电感Lk的能量传回到变压器电路10的输入端。
在使用本发明所述之双模式主动钳制返驰式转换器时，若负载40为轻载，钳位储能电路20的辅助开关Saux保持关断，使轻载运作于单纯的能量回收动作，即钳位电容Cclamp内的漏电感Lk的能量通过辅助绕组N1释能至变压器电路10的初级侧绕组Np，可降低主开关电路运作于谷值切换(VVS)时的切换频率(即固定频率调变模式FFM mode)而获致轻载运作的最佳效率。若负载40为重载，钳位储能电路20进入顺向主动钳位(ACF)模式，即钳位储能电路20的辅助开关Saux可导通后关断，使主开关电路30的主开关Smain运作于零电压切换(ZVS)而获致重载运作的最佳效率。为此，本发明所述之双模式主动钳制返驰式转换器可对应重载或轻载而自动切换最佳化效率之操作模式以解决转换效率难以提升的技术问题，达到方便操作、提升转换效率以及节约功耗成本之目的。
除此之外，本发明所述备援电池12可采用传统的铅酸电池，或是采用锂电池。
以上所述，仅为本发明较佳具体实施例之详细说明与图式，惟本发明之特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明之所有范围应以下述之申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围之精神与其类似变化之实施例，皆应包括于本发明之范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明之领域内，可轻易思及之变化或修饰皆可涵盖在以下本案之专利范围。

Claims (5)

1.一种双模式主动钳制返驰式转换器，包括：
变压器电路，耦接负载，且包括辅助绕组；
钳位储能电路，耦接该变压器电路，当负载为重载时，该钳位储能电路导通后关断；当该负载为轻载时，该钳位储能电路保持关断；以及
主开关电路，耦接该变压器电路，当该主开关电路导通时，该辅助绕组释能至该变压器电路的初级侧绕组；
其中，当该钳位储能电路导通后关断之后，该主开关电路进入零电压切换；
该变压器电路输入定电压的条件下，依据该负载于该变压器电路的转换效率比例获得转换效率转折点；当实际输出功率的数值小于该转换效率转折点对应的输出功率的数值时，该负载为轻载；当实际转换效率比例的数值大于该转换效率转折点对应的输出功率的数值时，该负载为重载；
该变压器电路更包括耦接该负载的初级侧绕组；该初级侧绕组并联耦接该变压器电路的激磁电感，且通过该变压器电路的漏电感耦接输入电压；
该钳位储能电路包括彼此耦接的辅助开关、钳位电容以及二极管；该辅助开关耦接该输入电压以及该漏电感；该钳位电容耦接该激磁电感、该初级侧绕组以及该主开关电路；该二极管耦接该辅助绕组；
该主开关电路包括主开关，该主开关的一端耦接该初级侧绕组、该激磁电感以及该钳位电容，该主开关的另一端耦接该辅助绕组以及该输入电压；
当该辅助开关关断且该主开关导通时，该输入电压、该漏电感、该初级侧绕组以及该主开关构成第一回路；该输入电压、该漏电感、该初级侧绕组、该钳位电容、该二极管以及该辅助绕组构成第二回路；若该钳位电容已暂存来自该漏电感的能量，则该钳位电容、该主开关、该辅助绕组以及该二极管构成第三回路；在该第一回路中，该漏电感进行储能，且该激磁电感进行激磁；在该第二回路中，该激磁电感进行激磁；在该第三回路中，该钳位电容通过该辅助绕组释能至该初级侧绕组；
当该辅助开关关断且该主开关关断时，该漏电感、该初级侧绕组、该钳位电容以及寄生于该辅助开关的背接二极管构成第四回路，在该第四回路中，该漏电感进行释能，且该激磁电感进行去磁。
2.根据权利要求1所述的一种双模式主动钳制返驰式转换器，其特征在于：若该负载为重载，在构成该第四回路之后，该辅助开关导通且该主开关关断，该漏电感、该初级侧绕组、该钳位电容以及该辅助开关构成第五回路，在该第五回路中，该漏电感储能，且该激磁电感去磁。
3.根据权利要求2所述的一种双模式主动钳制返驰式转换器，其特征在于：该负载为重载，在构成该第五回路之后，该辅助开关关断且该主开关关断，该输入电压、该漏电感、该初级侧绕组以及寄生于该主开关的背接二极管构成第六回路，在该第六回路中，该漏电感释能。
4.根据权利要求3所述的一种双模式主动钳制返驰式转换器，其特征在于：若该负载为重载，在构成该第六回路之后，该辅助开关关断且该主开关导通，继而构成该第二回路以及该第三回路。
5.根据权利要求4所述的一种双模式主动钳制返驰式转换器，其特征在于：若该负载为轻载，在构成该第四回路之后，该辅助开关关断且该主开关关断，继而构成该第一回路以及该第三回路。
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