TWI220084B - Synchronous rectifying power converter controlled by current transformer - Google Patents

Description

1220084 (Q3)第三電晶體 （Q4)NPN電晶體 (Q 5 ) P N P電晶體（Q 6 )開關晶體 (Q 7 )同步整流開關 柒、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 捌、聲明事項二 玖;:、<發明韻明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種同步整流電源轉換器，尤指電源轉 換器之二次側串接一電流變壓器，該電流變壓器可控制二 次側之同步整流開關的導通/截止，而可避免交越（crossover) 現象發生者。 【先前技術】 近年來訴求高效率、低能源消耗及等需求的電子產品 越來越多，如何提供這些產品一穩定的電源供應裝置並維 持最低能源消耗等，便成爲一考量重點。隨著半導體技術 的提升，半導體元件（如Μ〇S F E T )應用於同步整流 電源裝置也更加普遍。就目前市面上產品來看，有許多同 步整流驅動I C可作爲現成元件，以直接應用於供電裝置 ，但因爲價格昂貴，且控制方式複雜，較難獲得市場的認 同0 請參考第八圖所示，係美國公告第6,442,048號專利案 1220084 所揭示的一種習用同步整流電源裝置，其係令一變壓器（ 5 1 )的二次側具有一比較器（5 2 )，該比較器（5 2 )的輸出5而控制一同步整流器（5 3 )的導通/截止，該 變壓益（5 1 )的一^次側问時亦額外親接一組感應線圏（ 5 4) ’該感應線圈（5 4)係透過一*開關（5 5)連接 到該比較器（5 2 )。 於前述電路中，主要是利用該組感應線圈（5 4 )得 知變壓器（5 1 )的電流變化，再根據感應得到的信號控 制前述比較器（5 2 )直接控制同步整流器（5 3 )的導 通/截止，惟此種作法的缺點在於當電路是操作於連續電 流模式時，在電流換相的瞬間，因同步整流器（5 3 )無 法提前反應，故極容易有交越損失的狀況產生。 【發明內容】 有鑑於此，本發明之主要目的係提供一種以電流變壓 器（Current transformer)控制之同步整流電源轉換器，當工作 於連續電流模式下係可確保無交越損失問題者。 爲完成前述目的，本發明之同步整流電源轉換器係包 括有： 一馳返變壓器，其一次側係連接有一開關晶體，二次 側係連接一電流變壓器之一次側； 一開關驅動單元，係根據前述電流變壓器之二次側所 感應到的信號，加以控制一同步整流開關的導通/截止， 又該同步整流開關之一端係連接前述電流變壓器之一次側 ，而另端係連接至接地。 4 1220084 當前述馳返變壓器之二次側具有電流時，該電流變壓 器之二次側係感應出一正相電壓，令前述開關驅動單元控 制同步整流開關導通；反之，馳返變壓器之二次側無電流 時，令該同步整流開關截止。 又，前述電流變壓器係具有另組一次側線圈，連接於 該開關晶體的驅動電路，當工作於連續電流模式下，該一 次側線圈可感應出控制該開關晶體的截止訊號，令前述同 步整流開關提早截止。 【實施方式】 請參閱第一圖所示，係本發明之結構方塊圖，包含有 一馳返變壓器（1 0 )，其一次係連接有一開關晶體 (Q 6 )，其二次側的一端係連接一開關驅動單元（2 0 )，該開關驅動單元（2 0 )係控制一同步整流開關（Q 7 )本實施例中同步整流開關（Q 7 )爲一 Μ〇S F E T ， 一電流變壓器（Current transformer，CT) ( 3 0 )，其 一次側之兩端係分別連接於前述馳返變壓器（1 0 )二次 側的一端及該同步整流開關（Q 7 )，該電流變壓器（3 〇 )的二次側的兩端係分別連接兩電晶體（Q 1 ) ( Q 2 )之基極端，兩電晶體（Q 1 ) ( Q 2,)之射極係互相連 接。 前述開關驅動單元（2 0 )係由一 N P N電晶體（Q 4 )及一 P N P電晶體（Q 5 )之基極端互相連接組成， 5 1220084 兩電晶體（Q 4 ) ( Q 5 )之射極之間復串接有一二極體 (D 3 )。 前述第一電晶體（Q 1 )之集極復連接至一第三電晶 體（Q 3 )之基極，而第二電晶體（Q 2 )之集極係連接 至第三電晶體（Q 3 )之集極，該第三電晶體（Q 3 )之 射極復連接於開關驅動單元（20)當中NPN電晶體（ Q 4 )的集極。 以上所述係爲本發明電路之詳細構造，而該電路動作 則如下所述： 請參閱第二圖所示，係爲前述連接馳返變壓器（1 0 )之開關晶體（Q 6 )的閘極波形、該電流變壓器（3 0 )二次側的電壓波形、及前述同步整流開關（Q 7 )閘極 等各點的波形圖，而電路動作可依馳返變壓器（1 〇 )二 次側電流型態區分爲非連續電流工作模式及連續電流工作 模式兩種，分別說明如下： 當本發明工作於非連續電流工作模式時，可分別以下 列時段區分說明： 一：時段T 0〜T 0 + T 0 +當中的上標正號“ ”係表示時間自T 〇此點起 算而經過一短暫時間之後，反之上標若爲負號“-，，表示 時間於T 0此點之前一短暫時間，以下各時段之記載標號 亦是如此。當馳返變壓器（1 0 )之二次側具有輸出電流 (ISEC)時，該輸出電流（ISEC)亦通過電流變壓器（3 〇 )之一次側，故電流變壓器（3 0 )於其二次側係會感應 6 1220084 出一電壓，該電壓値可由下式表示： y = /secx~x^l+0F^ +^3x/a + FD1 其中上式的N爲該電流變壓器（3 0 )其一次側與二 次側的線圈匝數比。 前述第一電晶體（Q 1 )的基極可獲得一驅動電流（ la)而成爲導通狀態，當第一電晶體（Q 1 )導通時，第 三電晶體（Q 3 )亦同時導通，令開關驅動單元（2 0 ) 中的N P N電晶體（Q 4 )轉爲導通狀態，另一P N P電 晶體（Q 5 )即成截止，同步整流開關（Q 7 )之閘極獲 得高電壓後，便轉爲導通。此時，儲存在馳返變壓器（1 0 )空隙（G A P E )間的能量轉移至二次側線圏上，再 供應予後端的負載（圖中未示）。 二：時段T0+〜T1— 該同步整流開關（Q 7 )閘極恆保持在穩定的高電位 。其中在變壓器（1 0 )線圈上的電流呈遞減的方式。 又請參閱第三圖所示，當輸出端處於無載狀態下， 輸出電流（ISEC)幾乎爲零，此時可經由調整連接在該第一 電晶體（Q 1 )上兩電阻（R 2 ) ( R 3 )的比値，令第 一電晶體（Q 1 )不致導通，如此前述同步整流開關（Q 7 )即無法導通，以減少能源消耗。 三·時段T1—〜T1+: 請參閱第二圖所示，當輸出電流（ IsEC )爲零時，將令 第一電晶體（Q 1 )由導通轉爲截止，根據法拉第定律， 在第一電晶體（Q 1 )由導通轉爲截止的瞬間，磁通量不 7 1220084 變，但在截止時該電流變壓器（3 0 )二次側產生的負電 壓將令第二電晶體（Q 2 )轉爲導通狀態，於開關驅動單 元（2 0 )當中PNP電晶體（Q 5 )的基極端爲低電壓 ，進而令同步整流開關（Q 7 )由導通轉爲截止。 四·時段T 1〜T 2 : 請參閱第二、四圖所示，因輸出電流（ISEC)持續爲零 ，故第二電晶體（Q 2 )與開關驅動單元（2 0 )當中的 P N P電晶體（Q 5 )爲導通，此時同步整流開關（Q 7 )的閘極波形仍保持在低電位。 又，請參閱第五圖所示，當本發明工作於連續電流模 式下時，電路的基本結構與前述實施例相同，差異點在於 電流變壓器（3 0 )係額外提供一組一次側的線圏，此組 一次側線圈係連接到該開關晶體（Q 6 )的驅動電路（4 0 ) ° 請參考第六、七圖所示，前述開關晶體（Q 6 )的閘 極連接有一驅動電路（4 0 )，驅動電路（4 0 )包括有 電阻（R 1 4 )、電容（C 6 ) ( C 7 )等元件。 在時間to〜tl之間，開關晶體（Q 6 )的閘極驅動信號 由低電位轉爲高電位，經過電阻（R 1 4 )及電容（C 6 )兩者的時間延遲，開關晶體（Q 6 )的閘極在時間點tl 才成爲高電壓準位。 然而在時間點t0同時，驅動信號的正緣經由電容（C 7 )耦合到電流變壓器（3 0 )的一次側線圈，並於電流 變壓器（3 0 )的二次側線圈上感應出一負脈衝信號（如 8 1220084 第圖所示），此負脈衝信號將使得同步整流開關（Q7) 成爲截止狀態。 如此一來，因同步整流開關（Q 7 )的截止動作是提 早於時間點tl之前，故可避免馳返變壓器（1 〇 ) —次側 電流與電流變壓器（3 0 )二次側電流產生交越現象。 在時間tl〜t2之間，因前述負脈衝信號的產生，使第

一電晶體（Q 1 )由導通成爲截止，反之第二電晶體（Q 2 )之基極端因獲得一高電位信號，故成爲導通狀態，進

而令該P N P電晶體（Q 5 )導通而使同步整流開關（Q 7)在此時段內皆保持關閉。 在時間t2〜t3之間，輸出電流（ISEC)再度恢復，故電 流變壓器（3 0 ) —次側有電流流經，並於二次側產生一 感應電勢，其値爲厂=/似><|>^1 + 0心+^?3></“ + )^1，而第一、第 三電晶體（Q 1 ) ( Q 3 )及開關驅動單元（2 0 )中的 NPN電晶體（Q4)亦成爲導通，使同步整流開關（Q 7 )亦再度導通，故儲存在馳返變壓器（1 〇 )空隙間的 能量釋放到二次側上，二次側上的電流成爲遞減狀態。 在前述實施例說明中，舉凡NPN電晶體及PNP電 晶體，皆可由N Μ〇S電晶體與P Μ〇S電晶體加以取代 ，仍具有相同作用。 綜上所述，當本發明應用於非連續電流的工作模式時 ’可利用電流變壓器偵測到馳返變壓器其二次側的電流轉 換’並立即同步的控制該同步整流開關導通/截止，再者 ’當輸出電流微弱時，亦令同步整流開關截止，使裝置整 9 1220084 體的功率消耗降至最低；另一方面，當操作於連續電流的 工作模式時，該同步整流開關係可於電流換相之前先提早 截止，藉此克服交越損失。 【圖式簡單說明】 (一）圖式部分 第一圖：係本發明之電路圖。 第二圖：係本發明驅動信號時序圖。 第三圖：係本發明當輸出電流（ISEC)較小時之驅動信號時 序圖。 第四圖：本發明當馳返變壓器工作於非連續電流時之電路 動作圖。 第五圖：係本發明工作在連續電流模式下之電路方塊圖。 第六圖：係本發明工作在連續電流模式下之驅動信號時序 圖0 苐七圖：係本發明工作在連續電流模式下之電路動作圖。 第AW:係一習用電源轉換器電路圖。 (二）元件代表符號 (1 0 )馳返變壓器 (3 0 )電流變壓器 (5 1 )變壓器 (5 3 )同步整流開關 (5 5 )開關 (Q 1 )第一電晶體 (Q 3 )第三電晶體 (2 0 )開關驅動單元 (4 0 )驅動電路 (5 2 )比較器 (5 4 )感應線圈 (D 3 )二極體 (Q 2 )第二電晶體 (Q 4 ) N P N電晶體 10 1220084 (Q 5 ) P N P電晶體 （Q 6 )開關晶體 (Q 7 )同步整流開關

Claims (1)

1220084 丨拾'申請專利範圍 1·一種以電流變壓器控制之同步整流電源轉換器， 包括有： 一馳返變壓器，其一次側係連接有一開關晶體，二次 側係連接一電流變壓器之一次側； 一開關驅動單元，係根據前述電流變壓器之二次側所 感應到的信號，加以控制一同步整流開關的導通/截止， 又該同步整流開關之一端係連接前述電流變壓器之一次側 ，而另端係連接至接地； 當前述馳返變壓器之二次側具有電流時，該電流變壓 器之二次側係感應出一正相電壓，令前述開關驅動單元控 制同步整流開關導通；反之馳返變壓器之二次側無電流時 ，令該同步整流開關截止。 2·如申請專利範圍第1項所述以電流變壓器控制之 同步整流電源轉換器，其中前述電流變壓器係具有另組一 次側線圈，連接於一控制前述開關晶體的驅動電路，當工 作於連續電流模式下，該一次側線圈可感應出控制該開關 晶體的截止訊號，令前述同步整流開關提早截止。 3 ·如申請專利範圍第1或2項所述以電流變壓器控 制之同步整流電源轉換器，前述開關驅動單元包含有： 一N P N電晶體及一P N P電晶體，兩電晶體之基極 端係互相連接組成，兩電晶體之射極之間復串接有一二極 體，其中該P N P電晶體之射極端連接前述同步整流開關 12 1220084 4 ·如申請專利範圍第3項所述以電流變壓器控制之 同步整流電源轉換器，該電流變壓器二次側的兩端係分別 連接一第一電晶體及一第二電晶體之基極端，又該第一、 第二電晶體之射極係互相連接； 前述第一電晶體之集極復連接至一第三電晶體之基極 ，而第二電晶體之集極係連接至第三電晶體之集極，該第 三電晶體之射極復連接於開關驅動單元當中N P N電晶體 的集極。 拾壹、圖式 如次頁 13