TWI552494B - 搭配高頻切換電路之具倍流效應與高降壓比例之整流電路 - Google Patents

Description

搭配高頻切換電路之具倍流效應與高降壓比例之整流 電路

本發明是一種整流電路，尤其是一種搭配高頻切換電路之具倍流效應與高降壓比例之整流電路。

近年來由於電子工業的迅速發展，各式各樣的電子產品也逐漸在人們生活中的扮演不可或缺的地位，而這眾多的電子產品絕大部分在使用時所需求的電力模式皆為直流電，但在發電單位所產出的電力模式皆為交流電，因此將發電單位產出的交流電轉換成直流電的整流電路就成為電子產品中不可或缺的一部分。而在目前市面上常見的整流電路有以下幾種，例如，中心抽頭整流電路(第六A圖)、倍流電路(第六B圖)、同步整流電路(第六C圖)或電壓型半波整流電路(第六D圖)，然前述之各種整流電路各有其缺點無法提供較佳的電力品質。舉例而言，參考第六A圖中心抽頭整流電路為常見的大電流整流電路，此電路之電流只需通過一只二極體，但變壓器與電感須承受負載所需的大電流源I_o，且電路中的二極體也須承受兩倍的輸出電壓V_o，此外空載與滿載時的降壓比例偏低，為π/2。又例如，參考第六B圖，此倍 流電路雖可降低電感與變壓器間之電流為輸出電流I_o的一半，但此電路的電感在未達到CCM連續道通模式(Continuous Conduction Mode)的情況下，會與一次側的電感、電容產生共振，因此導致可調整之功率範圍有限。又例如，參考第六C，此同步整流電路常見於提升大電流電路的輸出效率，但因此控制電路複雜而導致使用上的成本大幅提升。又例如，參考第六D圖，此半波整流電路中之二極體只需承受一倍的輸入電壓，因此可選擇切入電壓較低的二極體來減少電路的損失，但電路中之變壓器及電感卻必須承受較大之電流，且電路整流輸出結果的漣波電壓過高。

市面上電源供應器使用硬性切換的方式，容易造成功率開關切換時，功率開關的跨壓與通過功率開關的電流兩者之乘積會造成功率開關的切換損失，並且切換損失將會隨著功率開關切換頻率提高而增加，而導致整體電路效率降低、散熱不易、電磁干擾...等缺點。

為解決整流電路效率不佳及目前眾多型式的整流器電路的使用缺點，以及在前級之電源供應器在硬性切換上造成的損失，本發明提供一種搭配高頻切換電路之具倍流效應與高降壓比例之整流電路，包含一交流整流電路、一高頻切換電路、一交錯式半波整流電路及一三繞組變壓器， 該交流整流電路並聯一交流電源，將該交流電源整流為一直流電源，該交流整流電路輸出的該直流電源輸入該高頻切換電路後輸出一交流弦波，該高頻切換電路輸出之該交流弦波藉由該三繞組變壓器傳遞至該交錯式半波整流電路，該交流弦波經由該交錯式半波整流電路輸出一整流完成的直流電源至該負載。

該交錯式半波整流電路包含兩組電壓相位不同之一半波整流電路，該高頻切換電路為一半橋式LCC諧振電路，該交流整流電路為一橋式全波整流電路。

藉此，本發明具備下列優點：

1.高電壓增益比率：該交錯式半波電路30由兩組半波整流電路組成，負載滿載時，每一組半波整流電路皆只導通一半的輸入週期，使額定工作電壓為每一組半波整流電路的輸入峰值的1/π，而在空載時，該輸入電容Co會充電至輸入峰值。因此該交錯式半波電路30可提供π倍的降壓比率。

2.倍流效應：該交錯式半波整流電路30在其中一組半波整流電路之整流電感電流上升時，會有相對的一組半波整流電路之整流電感電流下降，在兩整流電感電流合成後，抵銷輸出電流之漣波因數，且整流電路因整流電感與整流二極體的飛輪效果而有倍流之功能，即當其中一組半波整流電路 通過電感對負載供電時，另一組半波整流電路之整流電感將藉由飛輪二極體持續放電，因而變壓器只需輸出一半之電流且電感也只需承受輸出電流之一半。

3.元件耐壓低：該交錯式半波整流電路中，二極體承受一倍逆向電壓，因此可挑選切入電壓較低的二極體，使導通損失降低以及成本降低。

4.電路線路損失降低：該交錯式半波整流電路使兩整流電感電流I_Lo1、I_Lo2皆為輸出電流I_O之一半，相較其他非交錯式半波整流電路，例如中心抽頭整流電路，本發明之電感銅損失降低一半而變壓器銅損失為中間抽頭整流電路之1/4。

10‧‧‧交流整流電路

11‧‧‧橋式全波整流電路

12‧‧‧濾波電容

20‧‧‧高頻切換電路

21‧‧‧半橋式LCC諧振電路

211‧‧‧上、下橋開關

212‧‧‧諧振電路

30‧‧‧交錯式半波整流電路

31‧‧‧半波整流電路

40‧‧‧三繞組變壓器

50‧‧‧交流電源

60‧‧‧負載

S₁‧‧‧開關

S₂‧‧‧開關

L_r‧‧‧諧振電感

C_r‧‧‧諧振串聯電容

C_p‧‧‧諧振並聯電容

N₁‧‧‧一次側

N₂‧‧‧二次側

N₃‧‧‧三次側

C_O‧‧‧輸出電容

(D_1、D₃)‧‧‧整流二極體

(D₂、D₄)‧‧‧飛輪二極體

(L_o1、L_o2)‧‧‧整流電感

I_o‧‧‧輸出電流

第一圖為本發明較佳實施例之電路方塊圖。

第二圖為本發明較佳實施例之實際電路圖。

第三A~D圖為本發明較佳實施例之交錯式半波整流電路工作階段動作圖。

第四圖為本發明較佳實施例之電流時序圖。

第五圖為本發明較佳實施例之交錯式半波整流電路電流時序圖。

第六A~D圖為既有之整流電路範例示意圖。

請參考第一圖，本發明提供一種搭配高頻切換電路之具 倍流效應與高降壓比例之整流電路，其中包含一交流整流電路10、一高頻切換電路20、一交錯式半波整流電路30及一三繞組變壓器40。該交流整流電路10連接一交流電源50，將該交流電源50之交流輸出整流為一直流電源，該直流電源輸入該高頻切換電路20後輸出一交流弦波。該高頻切換電路20連接該交流整流電路10，其藉由開關操作on/off的切換方式達成升、降壓的目的以配合不同一負載60的需求。該高頻切換電路20與該三繞組變壓器40連接，其輸出之該交流弦波藉由該三繞組變壓器40傳遞至該交錯式半波整流電路30，經由該交錯式半波整流電路30輸出一整流完成的直流電源至該負載60。

參考第二圖，該交流整流電路10，可為全波整流電路、半波整流電路或可搭配一功率修正電路提高輸出電源之功率因數，在此並不設限。在本實施例中，該交流整流電路10為一橋式全波整流電路11，該交流電源50與該橋式全波整流電路11及一濾波電容12並聯，該交流電源50所提供的交流電在經過該橋式全波整流電路11之整流後形成該直流電源，該直流電源由該濾波電容12降低其電壓峰值變化之幅度，其中該橋式全波整流電路11包含四個二極體，對應輸入之交流弦波，該二極體有相對的導通順序，使輸出形成該直流電源。

在本實施例中，該高頻切換電路20為一半橋式LCC諧振電路21，該橋式全波整流電路11與該半橋式LCC諧振電 路21並聯，該直流電源經由該濾波電容12濾波後輸入該半橋式LCC諧振電路21，其中該半橋式LCC諧振電路21包含一上、下橋開關211及一諧振電路212，該上、下橋開關211由一S₁及S₂開關串聯組成，該S₁及S₂開關皆為N通道型金屬氧化物半導體場效應電晶體(NMOS FET)，其串聯方式為S₁之源極連接S₂之汲極，而在S₁及S₂之汲、源極間皆各並聯一二極體。

該諧振電路212包含一諧振電感L_r、一諧振串聯電容C_r及一諧振並聯電容C_p，其連接方式為該諧振電感L_r串聯該諧振串聯電容C_r後並聯該諧振並聯電容C_p。該諧振電路21之諧振電感L_r與該上、下橋開關211之S₁之源極(或S₂之汲極)相接形成該諧振電路21，該諧振電路21可因該諧振電感L_r、該諧振串聯電容C_r及該諧振並聯電容C_p形成一震盪週期。

該上、下橋開關211藉由控制該S₁及S₂開關之交錯導通時間使輸入之直流電源轉為一交流方波，其中，為防止該S₁及S₂開關同時導通而導致的短路現象，因此該S₁及S₂開關之導通時間內設有一無開關元件導通區間(dead time)，使該S₁及S₂開關之導通率為45%。該直流電源經由該上、下橋開關211交錯導通形成該交流方波，該交流方波輸入該諧振電路212後藉由和該諧振電路212形成的震盪週期合成後輸出一升壓或降壓的交流弦波。

該三繞組變壓器40之一次側N₁和該諧振並聯電容C_p並聯，而二次側N₂及三次側N₃和該交錯式半波整流電路電性連接，使該交流弦波可經由該三繞組變壓器40傳送至該交錯式半波整流器30。

該交錯式半波整流電路30可分為兩組電壓相位不同之一半波整流電路31，該半波整流電路31包含兩整流二極體(D_1、D₃)、兩飛輪二極體(D₂、D₄)，兩整流電感(L_o1、L_o2)，其中，該三繞組變壓器40之二次側及三次側分別與一半波整流電路31電性相連，該負載60及一輸出電容C_O與該交錯式半波整流電路30並聯，而在當其中一組半波整流電路31藉由該三組繞變壓器40所傳導之電壓對該整流電感(L_o1/L_o2)充電並供應電力至該負載60時，另一組的該整流電感(L_o1/L_o2)則經由對應的該飛輪二極體(D₂/D₄)進行放電。其中，該交錯式半波整流電路30以交錯導通的方式進行整流，使兩流經該整流電感(L_o1、L_o2)的整流電感電流(I_Lo1、I_Lo2)在同一時間內同時產生上升及下降，在兩該整流電感電流(I_Lo、I_Lo2)合成後，可降低輸出電流I_o的漣波因數。其中，由於該交錯式半波整流電路30，採用兩組該半波整流電路31，使電路中之二極體須承受之逆向偏壓為輸入的一倍耐壓，因此可挑選切入電壓較低之二極體，使二極體之導通損失降低及降低二極體本身之成本。

參考第三A~D圖之及第四圖，該第三A~D圖為該交錯 式半波整流電路30之工作階段時序圖，該第四圖為該交錯式半波整流電路30之時序動作流程圖，兩圖之電路動作流程可相互對照，其中，第三A~D圖及第四圖之電路狀態皆以穩態考量。

參考第三A圖之(a)及第四圖之工作階段I，於工作階段I時，開關S₁之閘極和源極間之電壓V_gs1為一高電位，開關S₁導通；開關S₂之閘極源極間之電電位壓V_gs2為一低電位，開關S₂關閉，使開關S₁及S₂達到零電壓切換。其中，流過該開關S₁之電流I_S1及該諧振電感L_r之電流I_r皆自負半週上升。該諧振電路212所輸出之交流弦波對該諧振並聯電容C_P兩端儲存一負半週電壓。同時該諧振並聯電容C_P所儲存之該負半週電壓，藉由並聯之該三繞組變壓器一次側N₁將電壓傳導，該負半週電壓使該整流二極體D₁逆向截止而整流二極體D₃順向導通，因此該三繞組變壓器一次側N₁之電壓傳導至該三繞組變壓器三次側N₃。其中，流過順向導通之整流二極體D₃之電流I_D3對整流電感L_o2進行充電；同時，與該三繞組變壓器之二次側N₂電路連接之半波整流電路中，該飛輪二極體D₂導通，使該整流電感L_o1進入飛輪狀態放電。

參考第三A圖之(b)及第四圖之工作階段II，於工作階段II時，開關S₁之閘極和源極間之電壓V_gs1保持與工作階段I相同電位，其中，流過該開關S₁之電流I_S1及諧振電感 L_r之電流I_r皆自零點往正半週上升，同時該交錯式半波整流電路30之導通狀態保持與工作階段I相同。

參考第三B圖之(c)及第四圖之工作階段III，於工作階段III時，開關S₁、S₂之閘極和源極間之電壓V_gs1保持與工作階段I相同電位，其中，流過該開關S₁之電流I_S1及諧振電感L_r之電流I_r皆持續往正半週上升。

該諧振電路212所輸出之交流弦波對該諧振並聯電容C_P兩端儲存一正半週電壓。同時該諧振並聯電容C_p所儲存之該正半週電壓，藉由所並聯之該三繞組變壓器一次側N₁將電壓傳導，該正半週電壓使該整流二極體D3逆向截止而該整流二極體D₁順向導通，因此該三繞組變壓器一次側N₁之電壓傳導至該三繞組變壓器二次側N₂。其中，流過順向導通之整流二極體D₁之電流I_D1對整流電感L_o1充電；同時，與該三繞組變壓器之三次側N₃電路連接之半波整流電路中，該飛輪二極體D₄導通，使該整流電感L_o2進入飛輪狀態放電。

參考第三B圖之(d)及第四圖之工作階段IV，於工作階段IV時，開關S₁、S₂之閘極和源極間之電壓皆因一無開關元件導通區間(dead time)而同時關閉，此時流過該諧振整流電L_r之電流I_r會使並聯於該S₂開關汲、源極間之二極體順向導通，同時該交錯式半波整流電路30之導通狀態保持與工作階段III相同。

參考第三C圖之(e)及第四圖之工作階段V，於工作階段V時，開關S₂之閘極和源極間之電壓V_gs2為一高電位，開關S₂導通；開關S₁之閘極源極間之電壓V_gs1為一低電位，開關S₁關閉，使開關S₁及S₂達到零電壓切換。其中，流過該開關S₂之電流I_S2自負半週上升而諧振電感L_r之電流I_r自正半週下降，同時該交錯式半波整流電路30之導通狀態保持與工作階段IV相同。

參考第三C圖之(f)及第四圖之工作階段VI，於工作階段VI時，開關S₁之閘極和源極間之電壓V_gs1、V_gs2保持與工作階段V相同電位，其中，流過該開關S₂之電流I_S2自零點往正半週上升而諧振電感L_r之電流I_r自零點往負半週下降。同時該交錯式半波整流電路30之導通狀態保持與工作階段V相同。

參考第三D圖之(g)及第四圖之工作階段VII，於工作階段VII時，開關S₁、S₂之閘極和源極間之電壓V_gs1保持與工作階段VI相同電位，其中，流過該開關S₂之電流I_S2自正半週持續上升而諧振電感L_r之電流I_r自往負半週持續下降。該諧振電路212所輸出之交流弦波對該諧振並聯電容C_P兩端之電壓V_CP，儲存一負半週電壓。同時該諧振並聯電容C_P所儲存之該負半週電壓，藉由所並聯之該三繞組變壓器一次側N₁將電壓傳導，該負半週電壓使該整流二極體D₁逆向截止而D₃順向導通，因此該三繞組變壓器一次側N₁之 電壓傳導至該三繞組變壓器三次側N₃。其中，流過順向導通之整流二極體D₃之電流I_D3對整流電感L_o2充電；同時，與該三繞組變壓器之一次側N₁電路連接之半波整流電路中，該飛輪二極體D₂導通，使該整流電感L_o1進入飛輪狀態放電。

參考第三D圖之(h)及第四圖之工作階段VIII，於工作階段VIII時，開關S₁、S₂之閘極和源極間之電壓皆因一無開關元件導通區間(dead time)而同時關閉，此時流過該諧振整流電L_r之電流I_r會使並聯於該S₁開關汲、源極間之二極體順向導通。同時該交錯式半波整流電路30之導通狀態保持與工作階段VII相同。

本實施例中，該交錯式半波電路30由兩組半波整流電路組成，因此在該負載60滿載時，每一組半波整流電路皆只導通一半的輸入週期，使額定工作電壓為每一組半波整流電路輸入峰值的1/π，而在負載60空載時，該輸入電容Co會充電至輸入峰值。因此該交錯式半波電路30可提供π倍的降壓比率。

參考第五圖，由於該交錯式半波整流電路30之兩組半波整流電路分別為交錯導通，其中一組半波整流電路之整流電感(L_o1/L_o2)充電時則另一組半波整流電路則藉由飛輪二極體使該整流電感(L_o1/L_o2)進入飛輪狀態放電。參考第一圖，根據克希荷夫電流定律可知，該負載60之輸出電流I_O為兩整流 電感電流I_Lo1、I_Lo2之和，且兩整流電感電流I_Lo1、I_Lo2皆為輸出電流I_O之一半，因此該交錯式半波整流電路30在其中一組半波整流電路之整流電感電流上升時，會有相對的一組半波整流電路之整流電感電流下降，在兩整流電感電流合成後，抵銷輸出電流之漣波因數，且整流電路因整流電感與整流二極體的飛輪效果而有倍流之功能，即當其中一組半波整流電路通過電感對負載供電時，另一組半波整流電路之整流電感將藉由飛輪二極體持續放電，因而變壓器只需輸出一半電流且電感也只需承受輸出電流之一半。

此外，所述之倍流電路之功能，同時也降低該交錯式半波整流電路30之電路銅損失，以第三C圖之(e)為例，已知該兩整流電感電流I_Lo1、I_Lo2為輸出電流I_O之一半，設該整流電感L_O1、L_O2之阻抗分別為R_L1及R_L2，其阻抗值R_L1及R_L2皆為R_L，如式(五)所表示；設該三組繞組電壓器之等效阻抗為R_T；設輸出電流I_O其值為20安培；設變壓器損失為P_T而線路損失為P_LO；設第六A圖之中心抽頭整流電路之輸入電流i_P無轉換損失的等於中心抽頭電感電流I_L及第三A~D圖之該三繞組變壓器40之I_P無轉換損失的等於整流電感電流I_Lo1、I_Lo2，其中該交錯式半波整流電路30之變壓器損失計算為下列式(一)而線路損失計算為下列式(二)；以第一圖之中心抽頭整流電路為例，其變壓器損失計算為下列式(三)而線路損失計算為下列式(四)。由式子(2)與式子(4)比較下，可得知，該交錯式半 波整流電路30之倍壓電路功能可使該整流電感之電感銅損失降低至中間抽頭整流電路之一半，而比較式(1)與式(3)，可得知，該交錯式半波整流電路30之倍壓電路功能可使該整流電感之變壓器銅損失為中間抽頭整流電路之1/4，因此倍流電路之效應使本實施例適用於大電流設備。

P_T=10²R_T=100R_T (一)

P_Lo(1,2)=10²R_Lo1+10²R_Lo2=200R_Lo (二)

P_T=400R_T (三)

P_Lo=20²R_Lo=400R_Lo (四)

R_L1=R_L2=R_L (五)

藉此，本實施例具備下列優點：

1.高電壓增益比率：該交錯式半波電路30由兩組半波整流電路組成，負載滿載時，每一組半波整流電路皆只導通一半的輸入週期，使額定工作電壓為每一組半波整流電路的輸入峰值的1/π，而在空載時，該輸入電容Co會充電至輸入峰值。因此該交錯式半波電路30可提供π倍的降壓比率。

2.倍流效應：該交錯式半波整流電路30在其中一組半波整流電路之整流電感電流上升時，會有相對的一組半波整流電路之整流電感電流下降，在兩整流電感電流合成後，抵銷輸出電流之漣波因數且因兩整流電感電流皆為輸出電流之 一半而有倍流電路之功能。

3.元件耐壓低：該交錯試半波整流電路中，二極體承受一倍逆向電壓，因此可挑選切入電壓較低的二極體，使導通損失降低以及成本降低。

4.電路線路損失降低：該交錯式半波整流電路使兩整流電感電流I_Lo1、I_Lo2皆為輸出電流I_O之一半，相較其他非交錯式半波整流電路，例如中心抽頭整流電路，本發明之電感銅損失降低一半而變壓器銅損失為中間抽頭整流電路之1/4。

10‧‧‧交流整流電路

50‧‧‧交流電源

20‧‧‧高頻切換電路

40‧‧‧三繞組變壓器

60‧‧‧負載

30‧‧‧交錯式半波整流電路

Claims (2)

1. 一種搭配高頻切換電路之具倍流效應與高降壓比例之整流電路，包含一交流整流電路、一高頻切換電路、一交錯式半波整流電路及一三繞組變壓器，其中：該交流整流電路連接一交流電源，將該交流電源之交流輸出整流為一直流電源；該交流整流電路輸出之該直流電源輸入該高頻切換電路後輸出一交流弦波；該高頻切換電路輸出之該交流弦波藉由該三繞組變壓器傳遞至該交錯式半波整流電路，而該高頻切換電路為一半橋式LCC諧振電路，該半橋式LCC諧振電路包含一上、下橋開關及一諧振電路，該上、下橋開關由一S₁及S₂開關串聯組成；及該交流弦波經由該交錯式半波整流電路輸出一整流完成的直流電源；該交錯式半波整流電路之兩分別流經兩整流電感的整流電感電流在同一時間內同時產生上升及下降，在兩該整流電感電流合成後，可降低輸出電流的漣波因數，而該交錯式半波整流電路包含兩組電壓相位不同之一半波整流電路，兩組該半波整流電路分別與該三繞組變壓器之二次側及三次側電性相連；該交錯式半波整流電路使電路中之一導通二極體及一飛輪二極體須承受之逆向偏壓為輸入的一倍耐壓，而每一組 該半波整流電路包含一整流二極體、該飛輪二極體及一整流電感，該飛輪二極體及該整流二極體為交錯導通，當該三繞組變壓器所傳遞之交流弦波使該整流二極體順向導通時，該飛輪二極體逆向截止且該整流電感經由該整流二極體進行充電；當該三繞組變壓器所傳遞之交流弦波使該整流二極體逆向截止時，該飛輪二極體順向導通且該整流電感經由該飛輪二極體進行放電；及該交錯式半波整流電路使該導通二極體及該飛輪二極體之導通損失降低。
2. 如申請範圍第1項所述的具倍流效應與高降壓比例之整流電路，該交流整流電路為一橋式全波整流電路，該橋式全波整流電路包含四個二極體，對應輸入之交流弦波，該二極體有相對的導通順序，使輸出形成該直流電源。