TWI472131B - 準諧振返馳式功率轉換器之主動箝位電路 - Google Patents

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Chao Chih Lin
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Description

準諧振返馳式功率轉換器之主動箝位電路
本發明係有關於一種功率轉換器，尤其是指柔性切換式功率轉換器。
返馳式功率轉換器已被廣泛應用於提供電源至電子產品，例如：家電產品、電腦、電池充電器等等...。為了達到更高效率與降低功率損失，功率轉換器可設計運作於高輸入電壓與高切換頻率時，係運作在準諧振(Quasi-Resonant；QR)切換。準諧振切換係較佳地用於降低切換損失與電磁干擾(EMI)。本發明為一種準諧振(QR)返馳式功率轉換器的主動箝位電路。本發明之目的係藉由回收準諧振返馳式功率轉換器之功率變壓器之漏電感的儲存能量，以改善準諧振返馳式功率轉換器的效率，並實現準諧振柔性切換運作。因此，準諧振返馳式功率轉換器可操作於高切換頻率，以降低功率變壓器之尺寸大小。相關之先前技術可參考美國專利第5,570,278號“Clamped Continuous Flyback Power Converter”與美國專利第6,069,803號“Offset Resonance Zero Voltage Switching Flyback Converter”。
本發明之目的之一，係提供一準諧振返馳式功率轉換器之一主動箝位電路，其可回收準諧振返馳式功率轉換器之功率變壓器之漏電感的儲存能量，並達成準諧振柔性切換運作，以改進準諧振返馳式功率轉換器之效率。
本發明之目的之一，係提供一準諧振返馳式功率轉換器之一主動箝位電路，其可使準諧振返馳式功率轉換器運作於高切換頻率，以減少功率變壓器之尺寸大小。
本發明準諧振返馳式功率轉換器之主動箝位電路包含一主動箝位器、一高壓側電晶體驅動器、一充電幫浦電路與一控制電路。該主動箝位器並聯於該準諧振返馳式功率轉換器之一功率電晶體的一一次側繞組，該高壓側電晶體驅動器用於驅動該主動箝位器，該充電幫浦電路耦接該高壓側電晶體驅動器，以依據一電壓源供應一電源至該高壓側電晶體驅動器，該控制電路產生一控制訊號以控制該高壓側電晶體驅動器。該控制訊號係依據一脈寬調變訊號與該準諧振返馳式功率轉換器之一輸入電壓所產生。
茲為使　貴審查委員對本發明之技術特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：請參閱第一圖，其為本發明之一準諧振返馳式功率轉換器之一較佳實施例的電路圖。準諧振返馳式功率轉換器包含一功率變壓器10，其具有位於一次側的一一次側繞組NP 與位於二次側的一二次側繞組NS 。一次側繞組NP 之一第一端耦接一輸入電容CIN 之一端，並接收一輸入電壓VIN 。輸入電容CIN 之另一端更耦接一接地端。一主功率電晶體20用於切換功率變壓器10之一次側繞組NP ，以經由一整流器40與一輸出電容45而穩定調整位於準諧振返馳式功率轉換器之輸出端的一輸出電壓VO 。主功率電晶體20之一汲極耦接功率變壓器10之一次側繞組NP 之一第二端。主功率電晶體20之一源極耦接至接地端。整流器40之一陽極耦接二次側繞組NS 之一端。輸出電容45耦接於整流器40之一陰極與二次側繞組NS 之另一端之間，輸出電容45更並聯於準諧振返馳式功率轉換器之輸出。
一寄生二極體25為一本體二極體(body diode)，其並聯於主功率電晶體20。一脈寬調變(PWM)控制器100產生一脈寬調變(PWM)訊號S1 ，脈寬調變訊號S1 耦接主功率電晶體20之一閘極，以驅動主功率電晶體20。也就是說，脈寬調變訊號S1 用於控制準諧振返馳式功率轉換器之主功率電晶體20，以穩定調整準諧振返馳式功率轉換器之輸出。脈寬調變控制器100是依據一回授訊號VFB 產生脈寬調變訊號S1 。回授訊號VFB 耦接準諧振返馳式功率轉換器之輸出，並關聯於輸出電壓VO 。功率變壓器10更包含一輔助繞組NA ，並經由一整流器60與一電容65產生一電壓源VCC 。整流器60之一陽極耦接輔助繞組NA 之一第一端，輔助繞組NA 之一第二端耦接於接地端。電容65之一端耦接於整流器60之一陰極與脈寬調變控制器100。電容65之另一端耦接於接地端。電壓源VCC 更供應電源至脈寬調變控制器100。
復參閱第一圖，一電阻80耦接於功率變壓器10之輔助繞組NA 之第一端與脈寬調變控制器100之間，以產生一感測訊號VS 至脈寬調變控制器100。一主動箝位電路包含一主動箝位器、一高壓側電晶體驅動器50、一充電幫浦電路與脈寬調變控制器100之一控制電路(LPC)200(如第四圖所示)。一功率電晶體30串聯一電容15以形成主動箝位器。主動箝位器並聯於功率變壓器10之一次側繞組NP 。電容15之一端耦接一次側繞組NP 之第一端，且電容15之另一端耦接功率電晶體30之一汲極。功率電晶體30之一源極耦接一次側繞組NP 之第二端與主功率電晶體20之汲極。
一寄生二極體35為一本體二極體(body diode)，其並聯於功率電晶體30。高壓側電晶體驅動器50耦接功率電晶體30之一閘極，以驅動主動箝位器之功率電晶體30。因此，高壓側電晶體驅動器50用於驅動主動箝位器。充電幫浦電路耦接高壓側電晶體驅動器50，以依據電壓源VCC 而提供一電源至高壓側電晶體驅動器50。充電幫浦電路是由耦接電壓源VCC 之一二極體70與串聯於二極體70之一充電幫浦電容75所形成。充電幫浦電容75更並聯高壓側電晶體驅動器50。脈寬調變控制器100產生一控制訊號S2 ，其控制高壓側電晶體驅動器50。脈寬調變控制器100依據脈寬調變訊號S1 與感測訊號VS 產生控制訊號S2 。一旦脈寬調變訊號S1 截止時，控制訊號S2 則可被導通。感測訊號VS 關聯於功率轉換器之輸入電壓VIN 。控制訊號S2 之脈波寬度係依據脈寬調變訊號S1 之脈波寬度與輸入電壓VIN 之振幅而產生。
第二A圖到第二E圖為本發明之一較佳實施例之準諧振返馳式功率轉換器的電路運作。第二A圖顯示主功率電晶體20導通及功率電晶體30截止時之電路狀態。也就是說，控制訊號S2 為截止狀態且脈寬調變訊號S1 為導通狀態。當主功率電晶體20導通時，輸入電壓VIN 將被增加跨於功率變壓器10之一次側繞組NP ，且一切換電流IP 將流經主功率電晶體20。一電壓VNA 產生於功率變壓器10之輔助繞組NA ，且經由電阻80耦接於脈寬調變控制器100以產生感測訊號VS 。電壓VNA 之振幅關聯於輸入電壓VIN 之振幅與功率變壓器10之匝數比NA /NP 。此外，電壓源VCC 經由二極體70對充電幫浦電容75進行充電。
第二B圖係顯示主功率電晶體20被截止且脈寬調變訊號S1 為截止時之電路狀態。當主功率電晶體20被截止且脈寬調變訊號S1 為截止狀態時，功率變壓器10所儲存之能量將被轉換至功率變壓器10之二次側繞組NS ，以在準諧振返馳式功率轉換器之輸出產生輸出電壓VO ，且其亦將被轉換至輔助繞組NA ，以經由整流器60充電該電容65而產生電壓源VCC 。同時，儲存於一次側繞組NP 之激磁電感與漏電感之能量將被傳輸至主功率電晶體20之一寄生電容CJ ，並經由功率電晶體30之寄生二極體35傳輸至電容15。寄生電容CJ 並聯於主功率電晶體20。
第二C圖顯示寄生二極體35為正向偏壓時，控制訊號S2 將被致能而經由高壓側電晶體驅動器50導通功率電晶體30。儲存於電容15之能量因此能夠經過功率變壓器10而被傳輸至輸出電壓VO 。第二D圖與第二E圖顯示功率電晶體30被截止且控制訊號S2 為截止時之電路狀態。第二D圖與第二E圖亦顯示準諧振運作之電路狀態。儲存於主功率電晶體20之寄生電容CJ 的能量將被充電於功率變壓器10之一次側繞組NP 的激磁電感。之後，儲存於功率變壓器10之一次側繞組NP 之激磁電感的能量將被釋放而對主功率電晶體20之寄生電容CJ 進行放電。一旦主功率電晶體20之寄生電容CJ 被放電至一低電壓時，脈寬調變訊號S1 則會被致能而導通主功率電晶體20，以達到柔性切換運作。詳細描述可參考美國專利第7,466,569號“Power converter having phase lock circuit for quasi-resonant soft switching”。
第三圖為本發明之準諧振返馳式功率轉換器之主要波形，其包含脈寬調變訊號S1 、控制訊號S2 與一高電壓訊號VP (如第二B圖所示)。感測訊號VS 之波形關聯於位在主功率電晶體20之汲極之高電壓訊號VP 的波形。脈寬調變訊號S1 用於控制準諧振返馳式功率轉換器之主功率電晶體20(如第一圖所示)，以穩定調整準諧振返馳式功率轉換器。主功率電晶體20用於切換功率變壓器10之一次側繞組NP 。脈寬調變訊號S1 之脈波寬度為一導通時間TON 。當脈寬調變訊號S1 截止時，控制訊號S2 產生於一延遲時間TD 之後。控制訊號S2 之脈波寬度短於功率變壓器10之消磁時間TDS 。因此，控制訊號S2 截止於功率變壓器10完全被消磁之前。準諧振時間TQR 顯示高電壓訊號VP 之準諧振週期。脈寬調變訊號S1 導通於高電壓訊號VP 之一波谷電壓的期間，以減少主功率電晶體20之切換損失。
第四圖為本發明之脈寬調變控制器100之一較佳實施例的電路圖。脈寬調變控制器100包含一脈寬調變(PWM)電路150與控制電路(LPC)200。控制電路200為一線性預測(linear-predict)電路，其接收脈寬調變訊號S1 與感測訊號VS ，並依據脈寬調變訊號S1 之脈波寬度與感測訊號VS 之振幅而產生控制訊號S2 。控制訊號S2 控制高壓側電晶體驅動器50以導通/截止功率電晶體30(如第一圖所示)。感測訊號VS 關聯於功率轉換器之輸入電壓VIN (如第一圖所示)。控制訊號S2 之脈波寬度與脈寬調變訊號S1 之脈波寬度和輸入電壓VIN 之振幅成比例。換言之，控制訊號S2 之脈波寬度係依據脈寬調變訊號S1 之脈波寬度與輸入電壓VIN 之振幅所產生。脈寬調變電路150接收回授訊號VFB 與感測訊號VS ，且依據回授訊號VFB 與感測訊號VS 產生脈寬調變訊號S1 。脈寬調變電路150之詳細內容可參考先前技術美國專利第7,362,592號“Switching control circuit for primary-side controlled power converters”，所以於此不再詳述。
第五圖為本發明之控制電路200之一較佳實施例的電路圖。控制電路200包含一輸入電壓偵測電路(VIN_ DET)210，其接收感測訊號VS 以產生一電壓訊號VA 。關於輸入電壓偵測電路210之詳細描述與運作可參考先前技術美國專利第7,671,578號“Detection circuit for sensing the input voltage of transformer”。一電壓對電流轉換器(V/A)215接收電壓訊號VA 以產生一充電電流IC 。當脈寬調變訊號S1 為導通狀態時，充電電流IC 用於經由一開關230對一電容250充電，而產生一充電訊號VC 。開關230耦接於電壓對電流轉換器215與電容250之間，電容更耦接於接地端。
當脈寬調變訊號S1 為截止狀態時，一放電電流ID 經由一開關235對電容250進行放電。開關235耦接於放電電流ID 與電容250之間，放電電流ID 更耦接於接地端。脈寬調變訊號S1 控制開關230之導通/截止狀態，且脈寬調變訊號S1 經由一反相器225而控制開關235之導通/截止狀態。經由反相器225與一時間延遲電路(DLY)270，脈寬調變訊號S1 耦接一正反器290之一時脈輸入端CK。因此，當脈寬調變訊號S1 為截止狀態時，正反器290在延遲時間TD 後(如第三圖所示)將產生控制訊號S2 於正反器290之一輸出端Q。反相器225之一輸出端耦接時間延遲電路270。時間延遲電路270耦接正反器290之時脈輸入端CK。正反器290之一輸入端D接收電壓源VCC 。
比較器260之一正輸入端接收一門檻電壓VT ，比較器260之一負輸入端耦接開關230、235與電容250，以接收位於電容250之充電訊號VC 並比較門檻電壓VT 。一反及閘265之一第一輸入端耦接比較器260之一輸出端。反及閘265之一第二輸入端耦接時間延遲電路270與反相器225之輸出端。反及閘265之一輸出端連接正反器290之一重置輸入R，以在充電訊號VC 低於門檻電壓VT 時重置正反器290而截止控制訊號S2 。也就是說，控制訊號S2 被截止在功率變壓器10(如第一圖所示)完全消磁之前。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈　鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．功率變壓器
15．．．電容
20．．．主功率電晶體
25．．．寄生二極體
30．．．功率電晶體
35．．．寄生二極體
40．．．整流器
45．．．輸出電容
50．．．高壓側電晶體驅動器
60．．．整流器
65．．．電容
70．．．二極體
75．．．充電幫浦電容
80．．．電阻
100．．．脈寬調變控制器
150．．．脈寬調變電路
200．．．控制電路
210．．．輸入電壓偵測電路
215．．．電壓對電流轉換器
225．．．反相器
230．．．開關
235．．．開關
250．．．電容
TON ．．．導通時間
260．．．比較器
265．．．反及閘
270．．．時間延遲電路
CIN ．．．輸入電容
CJ ．．．寄生電容
IC ．．．充電電流
IP ．．．切換電流
NA ．．．輔助繞組
NP ．．．一次側繞組
NS ．．．二次側繞組
S1 ．．．脈寬調變訊號
S2 ．．．控制訊號
VA ．．．電壓訊號
VCC ．．．電壓源
VFB ．．．回授訊號
VIN ．．．輸入電壓
VNA ．．．電壓
VO ．．．輸出電壓
VP ．．．高電壓訊號
VS ．．．感測訊號
VT ．．．門檻電壓
TD ．．．延遲時間
TDS ．．．消磁時間
TQR ．．．準諧振時間
第一圖為本發明之一準諧振返馳式功率轉換器之一較佳實施例的電路圖；
第二A圖到第二E圖為本發明之一較佳實施例之準諧振返馳式功率轉換器的電路運作；
第三圖為本發明之一較佳實施例之準諧振返馳式功率轉換器之脈寬調變訊號、控制訊號與高電壓訊號的波形；
第四圖為本發明之脈寬調變控制器之一較佳實施例的電路圖；以及
第五圖為本發明之控制電路之一較佳實施例的電路圖。
10．．．功率變壓器
15．．．電容
20．．．主功率電晶體
25．．．寄生二極體
30．．．功率電晶體
35．．．寄生二極體
40．．．整流器
45．．．輸出電容
50．．．高壓側電晶體驅動器
60．．．整流器
65．．．電容
70．．．二極體
75．．．充電幫浦電容
80．．．電阻
100．．．脈寬調變控制器
CIN ．．．輸入電容
NA ．．．輔助繞組
NP ．．．一次側繞組
NS ．．．二次側繞組
S1 ．．．脈寬調變訊號
S2 ．．．控制訊號
VO ．．．輸出電壓
VS ．．．感測訊號
VCC ．．．電壓源
VIN ．．．輸入電壓
VFB ．．．回授訊號

Claims (11)

  1. 一種準諧振返馳式功率轉換器之一主動箝位電路，其包含：一主動箝位器，並聯該準諧振返馳式功率轉換器之一功率變壓器之一一次側繞組；一高壓側電晶體驅動器，驅動該主動箝位器；一充電幫浦電路，耦接該高壓側電晶體驅動器，並依據一電壓源提供一電源至該高壓側電晶體驅動器；以及一控制電路，產生一控制訊號並控制該高壓側電晶體驅動器；其中，該控制訊號係依據一脈寬調變訊號與該準諧振返馳式功率轉換器之一輸入電壓所產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該主動箝位器包含：一電容，耦接該功率變壓器之該一次側繞組的一第一端；一功率電晶體，耦接該功率變壓器之該一次側繞組的一第二端，並串聯於該電容。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該脈寬調變訊號控制該準諧振返馳式功率轉換器之一主功率電晶體，以穩定調整該準諧振返馳式功率轉換器，該主功率電晶體用於切換該功率變壓器之該一次側繞組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該脈寬調變訊號截止時，該控制訊號導通。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該控制訊號之脈波寬度係依據該脈寬調變訊號之脈波寬度與該輸入電壓之振幅所產生。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該充電幫浦電路包含：一二極體，耦接該電壓源；以及一充電幫浦電容，串聯該二極體；其中，該充電幫浦電容連接該高壓側電晶體驅動器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該控制電路為一線性預測電路，其依據該脈寬調變訊號之脈波寬度與該輸入電壓之振幅產生該控制訊號，該控制訊號之脈波寬度與該脈寬調變訊號之脈波寬度和該輸入電壓之振幅成比例。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該控制訊號截止於該功率變壓器完全消磁之前。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該電壓源產生於該功率變壓器之一輔助繞組。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該脈寬調變訊號截止時，該控制訊號產生於一延遲時間之後。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之主動箝位電路，其中該控制電路包含：一輸入電壓偵測電路，接收一感測訊號以產生一電壓訊號，該感測訊號關聯於該準諧振返馳式功率轉換器之一主功率電晶體的一高電壓訊號，該主功率電晶體切換該功率變壓器之一次側繞組；一電壓對電流轉換器，接收該電壓訊號以產生一充電電流；一電容，當該脈寬調變訊號為導通狀態時，該充電電流充電該電容以產生一充電訊號；一放電電流，當該脈寬調變訊號為截止狀態時，該放電電流放電該電容；以及一比較器，接收該充電訊號以比較一門檻電壓，並在該充電訊號低於該門檻電壓時，而截止該控制訊號。
TW100115545A 2010-06-11 2011-05-04 準諧振返馳式功率轉換器之主動箝位電路 TWI472131B (zh)

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