TWI787097B

TWI787097B - 隔離型轉換器

Info

Publication number: TWI787097B
Application number: TW111108854A
Authority: TW
Inventors: 黃文育; 王世勳; 林鴻銓
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2022-12-11
Also published as: TW202312641A; CN115800751A

Abstract

一種隔離型轉換器，包含輸入電路、變壓器、第一開關、第二開關及緩衝電路。輸入電路包含至少二輸入電容，用以提供輸入電壓。該些輸入電容之間具有分壓節點。變壓器包含初級繞組及次級繞組，用以根據輸入電壓，於次級繞組上產生輸出電壓。變壓器之初級繞組電性連接於第一開關及第二開關之間。緩衝電路電性連接於第一開關及第二開關之間，且與初級繞組形成放電路徑。緩衝電路用以接收次級繞組反射回初級繞組的反射電壓，且分壓節點係連接於放電路徑。

Description

隔離型轉換器

本揭示內容係關於一種隔離型轉換器，特別是能將輸入電壓轉換為輸出電壓的電路結構。

隨著科技的快速進展，電壓轉換器已廣泛地使用在各式電子產品中。電壓轉換器可將輸入端上具有一電壓準位的輸入電壓轉換為輸出端上具有另一電壓準位的輸出電壓。然而，在運轉過程中，電壓轉換器內的各個電子元件必須能夠承受電路中的電壓變化，方能穩定提供輸出電壓。

本揭示內容之一態樣為一種隔離型轉換器，包含輸入電路、變壓器、第一開關、第二開關及緩衝電路。輸入電路包含至少二輸入電容，用以提供輸入電壓。該些輸入電容之間具有分壓節點。變壓器包含初級繞組及次級繞組，用以根據輸入電壓，於次級繞組上產生輸出電壓。變壓器之初級繞組電性連接於第一開關及第二開關之間。緩衝電路電性連接於第一開關及第二開關之間，且與初級繞組形成放電路徑。緩衝電路用以接收次級繞組反射回初級繞組的反射電壓，且分壓節點係連接於放電路徑。

本揭示內容之另一態樣為一種隔離型轉換器，包含輸入電路、變壓器、第一開關、第二開關及緩衝電路。輸入電路包含至少二輸入電容，用以提供輸入電壓。該些輸入電容之間具有分壓節點。變壓器包含初級繞組及次級繞組，用以根據輸入電壓，於次級繞組上產生輸出電壓。變壓器之初級繞組電性連接於第一開關及第二開關之間。緩衝電路，電性連接於第一開關及第二開關之間，且與初級繞組形成放電路徑，以接收次級繞組反射回初級繞組的反射電壓，其中放電路徑上之節點將被固定於分壓電壓。

本揭示內容透過將分壓節點連接至放電路徑，使得第一開關及第二開關的跨壓能由分壓節點上的電壓及次級繞組反射回初級繞組的一部分反射電壓來決定。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

第1圖為根據本揭示內容之部份實施例所述之隔離型轉換器100之示意圖。隔離型轉換器100包含輸入電路110、變壓器120、第一開關S1、第二開關S2、輸出電路140及緩衝電路130。輸入電路110用以透過至少二個輸入電容C1、C2接收輸入電源Vin提供之輸入電壓。為便於說明，在此將第一電容C1及該第二電容C2相連接之節點稱為「分壓節點Na」。

在一實施例中，第一電容C1及第二電容C2之電容大小相同，因此，當輸入電路110儲存輸入電壓時，分壓節點的電壓將會是「輸入電壓的一半」。然而，本揭示內容並不以此為限，在其他實施例中，第一電容C1及第二電容C2的電容值可互不相同。

在一實施例中，輸入電路110係連接至直流之輸入電源Vin。在部份實施例中，輸入電路110可包含整流電路（如：橋式整流電路），用以接收交流電源，並將整流後的輸入電壓儲存至輸入電容C1、C2。

變壓器120包含初級繞組Np及次級繞組Ns。在一實施例中，初級繞組Np及次級繞組Ns的極性位置互為相反。初級繞組Np電性連接於輸入電路110，用以接收輸入電路110傳來之輸入電壓，且次級繞組Ns將根據輸入電壓，感應生成輸出電壓。此外，變壓器120還包含激磁電感Lm及漏感Lk。在部份實施例中，隔離型轉換器100可為升壓轉換器或降壓轉換器。

第一開關S1及第二開關S2分別電性連接於初級繞組Np之兩端。換言之，變壓器120之初級繞組Np電性連接於第一開關S1及第二開關S2之間。為便於說明，在此將初級繞組Np之兩端稱為第一節點N1及第二節點N2。

在第1圖的實施例中，第一開關S1及第二開關S2係由N型的金屬氧化物半導體場效電晶體（N-Type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，N-Type MOSFET）實現，但本揭示內容並不以此為限。在其他部分實施例中，第一開關S1及第二開關S2亦可由P型的金屬氧化物半導體場效電晶體（P-Type Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，P-Type MOSFET）或者其他類型的開關元件實現。

輸出電路140電性連接於次級繞組Ns，且包含二極體Do及輸出電容Co。輸出電路140用以在初級繞組Np停止接收輸入電壓時（即，第一開關S1及第二開關S2被關斷時），從二次側繞組接收輸出電源，並輸出至負載RL。換言之，隔離型轉換器100為一種馳返式轉換器（Flyback）。在其他實施例中，隔離型轉換器亦可被設計為一種順向式轉換器（Forward），結構將於後續段落說明。

緩衝電路130電性連接於第一開關S1及第二開關S2之間（即，第一節點N1與第二節點N2之間，且與初級繞組Np並聯）。緩衝電路130與變壓器120之初級繞組Np可形成放電路徑，用以吸收漏感Lk及/或次級繞組Ns反射回初級繞組Np的能量。換言之，當第一開關S1及第二開關S2關斷時，漏感Lk及/或次級繞組Ns反射回初級繞組Np的能量將可放電至緩衝電路130。此外，分壓節點Na電性連接於放電路徑，以使放電路徑上之其中一個節點的電壓被固定於分壓節點Na之分壓電壓。

在部份實施例中，緩衝電路130包含多個緩衝電容Ca、Cb（snubber capacitor）及至少一個阻抗元件Ra。分壓節點Na電性連接於緩衝電容Ca與緩衝電容Cb間的一個節點Nb。具體而言，第一緩衝電容Ca電性連接於第一開關S1及分壓節點Na，第二緩衝電容Cb電性連接於第二開關S2及分壓節點Na。阻抗元件Ra則電性連接於第一開關S1及第二開關S2之間。然而，分壓節點Na連接於放電路徑的位置並不以第1圖所示之結構為限，其餘連接方式將於後續段落中說明。

在本揭示內容中，分壓節點Na連接於放電路徑，以使隔離型轉換器100根據分壓節點Na之分壓電壓與一部分的放電能量決定第一開關S1及第二開關S2的跨壓。舉例而言，若輸入電容C1、C2之電容值相等、緩衝電容Ca、Cb的電容值相等、且忽略漏感能量，則每個輸入電容C1、C2儲存的能量為輸入電壓的一半，且每個緩衝電容Ca、Cb儲存的能量即為反射電壓的一半。據此，第一開關S1及第二開關S2所需承受的跨壓將能被控制地較小。

第2A～2C圖為根據本揭示內容之部份實施例所述之隔離型轉換器100之運作方式示意圖。如第2A圖所示，當第一開關S1及第二開關S2被導通時，初級繞組Np接收輸入電壓。此時，由於輸出電路140之二極體並未導通，因此次級繞組Ns並不會產生輸出電壓或電流。

第2B及2C圖所示為第一開關S1及第二開關S2被關斷後的電流變化（為避免圖式過於複雜，因此分成兩張圖說明）。在第一開關S1及第二開關S2被關斷後，次級繞組Ns將提供輸出電壓至負載RL。同時，初級繞組Np之漏感Lk以及次級繞組Ns反射至初級繞組Np上的反射電壓將會透過放電路徑（如第2B圖所示之箭號），將能量釋放至緩衝電路130，使緩衝電容Ca、Cb吸收能量。接著，如第2C圖所示，緩衝電容Ca、Cb會將吸收之能量釋放至阻抗元件Ra。

如圖所示，緩衝電容Ca、Cb用以接收漏感Lk以及反射電壓。因此，第一開關S1的跨壓約等同於第一輸入電容C1及緩衝電容Ca儲存之電壓的總和。同理，第二開關S2之跨壓約等同於第二輸入電容C2及緩衝電容Cb儲存之電壓的總和。

舉例而言，輸入電源提供之輸入電壓為1500V，則每個輸入電容C1、C2分別儲存750V，且分壓節點Na之分壓電壓為750V。此外，若次級繞組Ns反射回初級繞組Np的反射電壓為120V，則緩衝電容Ca、Cb分別儲存的電壓為60V。因此，第一開關S1的跨壓將會是「750V+60V」。同理，第二開關S2的跨壓亦為「750V+60V」。由於緩衝電容Ca、Cb分別儲存的能量通常不會大於輸入電容C1、C2所儲存的能量，因此，透過將分壓節點Na連接至放電路徑，第一開關S1或第二開關S2之跨壓將會被控制於小於輸入電壓。換言之，將可降低第一開關S1或第二開關S2所需的耐壓值。

此外，在部份實施例中，緩衝電路130還包含至少一個二極體D1、D2，二極體D1、D2之導通方向與放電路徑之電流方向相同。

第3圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器之示意圖。在該實施例中，緩衝電路130包含多個阻抗元件R1、R2。具體而言，第一阻抗元件R1並聯於第一緩衝電容Ca、第二阻抗元件R2並聯於第二緩衝電容Cb。據此，當緩衝電路130放電時，第一緩衝電容Ca將放電至第一阻抗元件R1、第二緩衝電容Cb則放電至第二阻抗元件R2。

第4圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器200之示意圖。於第4圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第4圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。

在該實施例中，分壓節點Na連接於初級繞組Np的中心抽頭Ct（center tap）。中心抽頭Ct將初級繞組Np分成兩個繞組Np1、Np2，繞組Np1、Np2的圈數相同，但本揭示內容並不以此為限。分壓節點Na電性連接於中心抽頭Ct。在第4圖所示之實施例中，第一開關S1及第二開關S2係交錯地導通、關斷，以與次級繞組Ns上產生輸出電壓。在次級繞組Ns輸出輸出電壓時，次級繞組Ns反射至初級繞組Np的反射電壓將會被分配至繞組Np1、Np2。因此，第一開關S1的跨壓將會由第一輸入電容C1及繞組Np1所儲存的能量決定；第二開關S2的跨壓將會由第二輸入電容C2及繞組Np2所儲存的能量決定。據此，同樣能控制第一開關S1及第二開關S2之跨壓。

承上，在該實施例中，緩衝電路140包含一個緩衝電容Cc及阻抗元件R3。緩衝電容Cc及阻抗元件R3電性連接於第一開關S1及第二開關S2之間，且緩衝電容Cc及阻抗元件R3互為並聯。

在前述實施例中，分壓節點Na係連接至節點Nb或中心抽頭Ct，但在其他實施例中，分壓節點Na亦可同時連接至節點Nb及中心抽頭Ct。第5A～5F圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器400之示意圖。於第5A～5F圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第5A～5F圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。

在該實施例中，分壓節點Na同時連接至節點Nb及中心抽頭Ct，此外，第一開關S1及第二開關S2係交錯地導通、關斷，以與次級繞組上產生輸出電壓。換言之，隔離型轉換器400為一種交錯式（interleaving）轉換器。

如第5A圖所示，當第一開關S1導通、第二開關S2關斷時，第一輸入電容C1提供部份之輸入電壓至繞組Np1。如第5B及5C圖所示（為避免圖式過於複雜，在此將開關S1、S2關斷後的狀態分成兩張圖表示），當第一開關S1關斷時，繞組Np1及第一緩衝電容Ca之間形成第一放電路徑（如第5B圖所示之箭號）。此時，第一緩衝電容Ca接收漏感Lk及次級繞組Ns反射至繞組Np1之反射電壓。接著，第一緩衝電容Ca會將接收到的能量釋放至緩衝電路130內之阻抗元件Ra。

相似地，如第5D圖所示，當第一開關S1關斷、第二開關S2導通時，第二輸入電容C2提供部份之輸入電壓至繞組Np2。如第5B及5C圖所示，當第二開關S2關斷時，繞組Np2及第二緩衝電容Cb之間形成第二放電路徑（如第5E圖所示之箭號）。此時，第二緩衝電容Cb接收次級繞組Ns反射至繞組Np2之反射電壓。接著，第二緩衝電容Cb會將接收到的能量釋放至緩衝電路130內之阻抗元件Ra。

如前所述，在部份實施例中，隔離型轉換器亦可被設計為一種順向式轉換器（Forward）。第6圖為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器500之示意圖。於6圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第6圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。在該實施例中，輸出電路540電性連接於次級繞組Ns。輸出電路540包含輸出電感Lo、二極體Do1、Do2及輸出電容Co，且用以在繞組Np1、Np2接收輸入電壓、次級繞組Ns產生輸出電壓時，提供輸出電源至負載。

第7圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器600之示意圖。於第7圖中，與第1及6圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第7圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。

在該實施例中，隔離型轉換器700還包含至少一個單向開關（如：單向開關701、702，可由二極體實現）。單向開關701、702電性連接於初級繞組Np。單向開關701、702的導通方向與緩衝電路130中之二極體之導通方向相反。當第一開關S1或第二開關S2關斷時，單向開關701、702用以防止電流流向第一開關S1或第二開關S2。舉例而言，當第一開關S1導通、第二開關S2關斷時，若繞組Np1、Np2的匝數不相等（如：繞組Np1匝數小於繞組Np2之匝數），則感應變壓的差異將會形成電流，而可能流過第二開關S2的寄生二極體。透過單向開關702，即可防止此一情況下的異常電流路徑。

前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:隔離型轉換器 110:輸入電路 120:變壓器 130:緩衝電路 140:輸出電路 200:隔離型轉換器 300:隔離型轉換器 400:隔離型轉換器 500:隔離型轉換器 540:輸出電路 600:隔離型轉換器 700:隔離型轉換器 701-702:單向開關 S1:第一開關 S2:第二開關 C1-C2:輸入電容 Ca-Cc:緩衝電容 Co:輸出電容 Ct:中心抽頭 Ra:阻抗元件 R1-R3:阻抗元件 N1:第一節點 N2:第二節點 Na:分壓節點 Nb:節點 RL:負載 Lk:漏感 Lm:激磁電感 Np1-Np2:繞組 Np:初級繞組 Ns:次級繞組 D1-D2:二極體 Do:二極體 Do1-Do2:二極體 Vin:輸入電源

第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之隔離型轉換器之示意圖。第2A～2C圖為根據本揭示內容之部份實施例所述之隔離型轉換器之運作方式示意圖。第3圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器之示意圖。第4圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器之示意圖。第5A～5F圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器之示意圖。第6圖為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器之示意圖。第7圖所示為根據本揭示內容之另一實施例所述之隔離型轉換器之示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:隔離型轉換器

110:輸入電路

120:變壓器

130:緩衝電路

140:輸出電路

S1:第一開關

S2:第二開關

C1-C2:輸入電容

Ca-Cb:緩衝電容

Co:輸出電容

Ra:阻抗元件

Na:分壓節點

Nb:節點

RL:負載

Lk:漏感

Lm:激磁電感

N1:第一節點

N2:第二節點

Np:初級繞組

Ns:次級繞組

D1-D2:二極體

Do:二極體

Vin:輸入電源

Claims

一種隔離型轉換器，包含：一輸入電路，包含至少二輸入電容，用以提供一輸入電壓，其中該些輸入電容之間具有一分壓節點；一變壓器，包含一初級繞組及一次級繞組，用以根據該輸入電壓，於該次級繞組上產生一輸出電壓；一第一開關及一第二開關，其中該變壓器之該初級繞組電性連接於該第一開關及該第二開關之間；以及一緩衝電路，電性連接於該第一開關及該第二開關之間，且與該初級繞組形成一放電路徑，其中該緩衝電路用以接收該次級繞組反射回該初級繞組的一反射電壓，且該分壓節點係連接於該放電路徑。
如請求項1所述之隔離型轉換器，其中該分壓節點連接於該緩衝電路中之複數個緩衝電容之間。
如請求項2所述之隔離型轉換器，其中該些緩衝電容包含一第一緩衝電容及一第二緩衝電容，該第一緩衝電容電性連接於該第一開關及該分壓節點，且該第二緩衝電容電性連接於該第二開關及該分壓節點；該緩衝電路還包含：至少一阻抗元件，電性連接於該第一開關及該第二開關之間。
如請求項3所述之隔離型轉換器，其中該至少一阻抗元件包含：一第一阻抗元件，並聯於該第一緩衝電容；以及一第二阻抗元件，並聯於該第二緩衝電容。
如請求項1所述之隔離型轉換器，其中該分壓節點連接於該初級繞組的一中心抽頭。
如請求項5所述之隔離型轉換器，其中該緩衝電路包含：一緩衝電容，電性連接於該第一開關及該第二開關之間；以及一阻抗元件，電性連接於該第一開關及該第二開關之間。
如請求項5所述之隔離型轉換器，其中該第一開關及該第二開關係交錯地導通，以於該次級繞組上產生該輸出電壓。
如請求項7所述之隔離型轉換器，還包含：至少一單向開關，電性連接於該初級繞組，其中當該第一開關或該第二開關關斷時，該至少一單向開關用以防止電流流向該第一開關或該第二開關。
如請求項8所述之隔離型轉換器，其中該緩衝電路還包含至少一二極體，該至少一二極體之導通方向與該至少一單向開關的導通方向相反。
如請求項1所述之隔離型轉換器，其中該分壓節點連接於複數個緩衝電容之間，以及連接於該初級繞組的一中心抽頭。
一種隔離型轉換器，包含：一輸入電路，包含至少二輸入電容，用以提供一輸入電壓，其中該些輸入電容間之一分壓節點具有一分壓電壓；一變壓器，包含一初級繞組及一次級繞組，用以根據該輸入電壓，於該次級繞組上產生一輸出電壓；一第一開關及一第二開關，其中該變壓器之該初級繞組電性連接於該第一開關及該第二開關之間；以及一緩衝電路，電性連接於該第一開關及該第二開關之間，且與該初級繞組形成一放電路徑，以接收該次級繞組反射回該初級繞組的一反射電壓，其中該放電路徑上之一節點將被固定於該分壓電壓。
如請求項11所述之隔離型轉換器，其中該分壓節點連接於該緩衝電路中之複數個緩衝電容之間。
如請求項12所述之隔離型轉換器，其中該些緩衝電容包含一第一緩衝電容及一第二緩衝電容，該第一緩衝電容電性連接於該第一開關及該分壓節點，且該第二緩衝電容電性連接於該第二開關及該分壓節點；該緩衝電路還包含：至少一阻抗元件，電性連接於該第一開關及該第二開關之間。
如請求項13所述之隔離型轉換器，其中該至少一阻抗元件包含：一第一阻抗元件，並聯於該第一緩衝電容；以及一第二阻抗元件，並聯於該第二緩衝電容。
如請求項11所述之隔離型轉換器，其中該分壓節點連接於該初級繞組的一中心抽頭。
如請求項15所述之隔離型轉換器，其中該緩衝電路包含：一緩衝電容，電性連接於該第一開關及該第二開關之間；以及一阻抗元件，電性連接於該第一開關及該第二開關之間。
如請求項15所述之隔離型轉換器，其中該第一開關及該第二開關係交錯地導通，以於該次級繞組上產生該輸出電壓。
如請求項17所述之隔離型轉換器，還包含：至少一單向開關，電性連接於該初級繞組，其中當該第一開關或該第二開關關斷時，該至少一單向開關用以防止電流流向該第一開關或該第二開關。
如請求項18所述之隔離型轉換器，其中該緩衝電路還包含至少一二極體，該至少一二極體之導通方向與該至少一單向開關的導通方向相反。
如請求項11所述之隔離型轉換器，其中該分壓節點連接於複數個緩衝電容之間，以及連接於該初級繞組的一中心抽頭。