專利名稱：諧振重置雙重開關(guān)正向DC－to－DC轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電源供應(yīng)系統(tǒng)，特別有關(guān)于一種諧振重置(resonatereset)雙重開關(guān)正向(forward)DC-to-DC轉(zhuǎn)換器。


圖1A及圖1B分別表示一習(xí)知雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵動作波形。使用兩個(gè)開關(guān)器于一次側(cè)，當(dāng)上述兩個(gè)開關(guān)器導(dǎo)通時(shí)，上述變壓器連接至上述輸入端，且能量從電源端傳送至負(fù)載；于上述兩開關(guān)器截止時(shí)，通過于圖1A中標(biāo)示為Da1及Da2的兩個(gè)鉗位二極管通過磁化電流。上述輸入電壓被反相地供應(yīng)至上述一次側(cè)線圈，然后上述磁化電流被重置至零。由于上述開關(guān)器的汲源極電壓被鉗位(clamped)至上述輸入電壓，上述開關(guān)器只確保上述輸入端的電壓應(yīng)力。
然而，由于上述重置電壓會等于上述輸入電壓，為了保持上述變壓器的二次電壓(voltage-second)的平衡，上述重置時(shí)間也會等于上述開關(guān)器的導(dǎo)通時(shí)間。因此，于低輸入操作情形下，上述最大的開關(guān)導(dǎo)通周期被限制小于50％，上述導(dǎo)通周期變小，因此上述轉(zhuǎn)換器的性能降低。
為了減少上述一次側(cè)的傳導(dǎo)損失，以及降低上述二次側(cè)的電壓應(yīng)力，最好是增加上述正向轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通周期大于50％。假如于上述正向轉(zhuǎn)換器中提供一諧振重置機(jī)制，由于上述重置電壓可以高于上述輸入電壓，可以設(shè)計(jì)上述導(dǎo)通周期超過上述輸入電壓。
圖2A及圖2B分別說明一習(xí)知具有諧振重置的單端(single-ended)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵動作波形。于此轉(zhuǎn)換器中，只使用一個(gè)開關(guān)器S1于上述變壓器的一次側(cè)，以及一諧振重置電容Cr與上述開關(guān)器S1并聯(lián)。
當(dāng)上述開關(guān)器S1導(dǎo)通時(shí)，上述變壓器一次側(cè)線圈連接至上述輸入電壓Vin，然后通過變壓器耦合，能量由電源端(source)傳送至負(fù)載。于上述開關(guān)器S1截止時(shí)，上述磁化電流對上述諧振電容器Cr充電，重置上述變壓器的core。由于第二整流器的過渡狀態(tài)，于半個(gè)諧振周期后，上述磁化電流t被重置至零，且一次側(cè)線圈的電壓保持為零。
上述諧振電容器Cr的電壓保持為輸入電壓Vin，直到上述開關(guān)器S1導(dǎo)通。于開關(guān)器S1導(dǎo)通時(shí)，上述諧振電容器Cr會通過開關(guān)器S1放電，且儲存在電容器Cr的能量會消散于上述開關(guān)器S1中。因此，開關(guān)器S1的功率消耗會變大，特別是在高輸入電壓時(shí)，因?yàn)閮Υ嬗谏鲜鲭娙萜鰿r中的能量，隨著上述輸入電壓的方波增加，上述開關(guān)器S1的功率消耗會明顯地增加。
另一缺點(diǎn)為上述開關(guān)器S1的電壓應(yīng)力會是重置電壓的最大量與輸入電壓的總和，大約為兩倍的輸入電壓。因?yàn)樯鲜隼碛缮鲜鐾負(fù)浣Y(jié)構(gòu)不適用于低輸入電壓以及低功率的應(yīng)用。
依據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一克服習(xí)知的前述缺點(diǎn)的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器。于本案較佳實(shí)施例中，一諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，包括一輸入端，接收具有一低位準(zhǔn)及一高位準(zhǔn)的一直流電壓；一輸出端；一變壓器，具有一一次側(cè)線圈及一二次側(cè)線圈；一第一及第二開關(guān)器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側(cè)線圈，周期性地連接上述輸入端與上述一次側(cè)線圈；一于上述第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí)重置上述變壓器的諧振電容器；一附屬開關(guān)器，于上述第一及第二開關(guān)器的導(dǎo)通周期時(shí)保持截止，且于上述第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí)，連接上述一次側(cè)線圈至上述諧振電容器；以及一整流電路，連接上述二次側(cè)線圈至上述輸出端。
由于上述較大的反射(reflected)輸出電流，上述低位準(zhǔn)側(cè)(lowside)的主要開關(guān)器及附屬開關(guān)器于一零電壓情況下導(dǎo)通，因此，一個(gè)較大的諧振電容器可用以重置上述變壓器。
上述每一第一及第二開關(guān)器以及附屬開關(guān)器，都具有一本體二極管(body diode)。
本發(fā)明的另一實(shí)施例中，一外加的電感與上述一次側(cè)線圈或二次側(cè)線圈串聯(lián)連接，使上述高位準(zhǔn)側(cè)(high side)的開關(guān)器得到一零電壓切換狀態(tài)。
于本發(fā)明的另一實(shí)施例中，使用一中心抽頭整流電路，輸出電感可以明顯地減小，且上述輸出電壓的漣波可以減至最小。
于本發(fā)明的另一實(shí)施例中，利用電流雙整流電路(current doublerectification circuit)，上述輸出電感可以分割成兩小部份，且上述二次線圈不需要中心抽頭(tapped)，上述輸出電壓的漣波一樣可以減到最小。
于本發(fā)明的另一實(shí)施例中，使用一同步整流電路，用以減少整流損失，同時(shí)需要一控制電路，于上述主要開關(guān)器截止時(shí)，維持上述慣性整流器(freewheeling rectifier)導(dǎo)通。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，是提供以擴(kuò)大(enlarge)上述開關(guān)器導(dǎo)通周期，以及減少上述一次側(cè)開關(guān)的傳導(dǎo)損失的能力。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)，是上述主要開關(guān)器可以得到軟關(guān)斷(softswltchlng condltlon)，因此，它提供一具有高功率效率的轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)，為它要求較低的定額電壓切換(ratlng voltageswltchlng)，因此，它可用于高輸入電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中。
圖8，說明圖7A及圖7B的主要開關(guān)器的上述零電壓切換的波形；圖9，為本發(fā)明又一實(shí)施例，具有中心抽頭整流器的一諧振重置雙重開關(guān)正向電路的示意圖；圖10，為本發(fā)明又一實(shí)施例，具有電流雙體整流(current doublerectifying)的一諧振重置雙重開關(guān)正向電路的示意圖；圖11，為本發(fā)明又一實(shí)施例，具有同步整流器的一諧振重置雙重開關(guān)正向電路的示意圖。
于二次側(cè)中，一整流電路包括整流器D1、D2以及一濾波電路包括一電感L1及一電容C2，如圖3A中所示。于上述主要開關(guān)器S1及S2導(dǎo)通時(shí)，整流器D1由二次側(cè)傳導(dǎo)電流至電感L1，然后提供至負(fù)載；于上述主要開關(guān)器S1及S2截止時(shí)，整流器D1保持截止，且整流器D2傳導(dǎo)上述輸出電流。
上述每一第一及第二開關(guān)器S1及S2以及附屬開關(guān)器Sa，都具有一本體二極管(body diode)。
圖3B，說明圖3A中上述諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵動作波形；為了說明本轉(zhuǎn)換器的動作特性，此動作分為兩個(gè)操作模式，上述等效操作電路表示于圖4A及圖4B中。
A正向模式于上述主要開關(guān)器S1及S2截止時(shí)，附屬開關(guān)器Sa導(dǎo)通，且上述變壓器一次側(cè)線圈連接上述電容器Cr，通過上述電容器Cr的諧振步驟以及上述變壓器Tr的磁化電感，重置上述變壓器Tr。
為說明上述仔細(xì)動作及本發(fā)明的特點(diǎn)，本轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵波形表示于圖5中，以下描述數(shù)字時(shí)間周期[1] t0＜t＜t1于此時(shí)間周期中，上述主要開關(guān)器S1及S2導(dǎo)通，附屬開關(guān)器Sa截止。上述主要開關(guān)器S1及S2的汲源電壓Vds1及Vds2會保持為零，且上述輸入電壓被提供至上述變壓器一次側(cè)，所以上述變壓器的電壓為Vin，保持上述磁化電流線性地增加。一次側(cè)電流Ip會為上述磁化電流(magnetizingcurrent，MC)及上述整流的輸出電流的總和。提供至上述輸出濾波器的上述電壓，會為二次側(cè)中被整流的輸入電壓。
t1＜t＜t2于時(shí)間t1時(shí)，上述主要開關(guān)器S1及S2截止，于一短暫空截時(shí)間(deadtime)后，附屬開關(guān)器Sa導(dǎo)通，連接上述開關(guān)器S2的上述一次側(cè)線圈，會連接至上述輸入電壓的低位準(zhǔn)。上述一次側(cè)電流Ip對上述電容Cr器充電，上述電容器Cr的電壓會增加，且一次側(cè)電流Ip會減少。于時(shí)間t2時(shí)，儲存于變壓器漏電感(leakage inductance)中的能量完全地轉(zhuǎn)換至上述電容器Cr中，上述一次側(cè)電流會等于上述磁化電流。
t2＜t＜t3于此時(shí)間周期中，于上述電容器及上述漏電感(leakage inductance)之間產(chǎn)生諧振，上述磁化電流MC減少至零，然后變成負(fù)的。上述電容器Cr的電壓一開始會增加，由于負(fù)的磁化電流接著就開始減少。于時(shí)間t3時(shí)，電容器Cr的電壓下降至零，因此，磁化電流通過上述開關(guān)器S1的本體二極管(body diode)。
t3＜t＜t4于此時(shí)間周期中，上述開關(guān)器S1及S2的本體二極管以及附屬開關(guān)器Sa全部都導(dǎo)通，使得上述磁化電流MC保持固定，直到上述主要開關(guān)器S1及S2導(dǎo)通。于時(shí)間t4時(shí)，開關(guān)器S1于一零電壓狀態(tài)下導(dǎo)通，開始一個(gè)重新的切換周期。
本發(fā)明的諧振重置雙重開關(guān)正向轉(zhuǎn)換器，具有下列特色首先，由于上述重置電壓為上述電容器Cr的諧振電壓，通過選擇較小的電容器Cr，它可以高于上述輸入電壓，使得上述重置時(shí)間可以比上述導(dǎo)通時(shí)間短，且可以得到一個(gè)大于50％的切換導(dǎo)通率，不只是減少一次側(cè)的均方根(RMS)電流，也減少上述二次側(cè)整流器的電壓應(yīng)力。
第二，于上述主要開關(guān)器S1及S2截止時(shí)，上述主要開關(guān)器S1的汲源電壓，只為上述重置電壓，且通過上述附屬開關(guān)器鉗位的上述主要開關(guān)器S2的汲源電壓會等于上述輸入電壓。因此，上述主要開關(guān)S1及S2的電壓應(yīng)力會大約為上述輸入電壓，而取代習(xí)知單端正向轉(zhuǎn)換器的兩倍輸入電壓。
第三，由于當(dāng)上述電容器Cr諧振至零時(shí)，上述開關(guān)器S1會導(dǎo)通，不會產(chǎn)生額外的功率消耗。此外，由于上述開關(guān)器S1與上述電容器Cr的并聯(lián)連接，上述開關(guān)器S1的截止損失也會明顯地減少，因此，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的切換損失會大大地下降。
如圖6所示的本發(fā)明的另一實(shí)施例中，上述電容器Cr可以連接于與上述輸入電壓的高位準(zhǔn)側(cè)，以及與上述主要開關(guān)器S1連接的一次側(cè)線圈之間。上述變壓器Tr、主要開關(guān)器S1、S2以及附屬開關(guān)器Sa的動作波形與前述實(shí)施例中相同，在此不再累述。
圖7A與7B表示本發(fā)明的另一電路結(jié)構(gòu)，其中提供一外加電感器Lk或一外加電感器Ls與上述一次側(cè)或二次側(cè)線圈串聯(lián)連接，用以使上述高位準(zhǔn)側(cè)的主要開關(guān)器S2，達(dá)到零電壓切換。于上述主要開關(guān)器S2導(dǎo)通時(shí)，上述附屬開關(guān)器Sa會首先截止，儲存于上述電感器Lk及Ls中的能量，將會對上述主要開關(guān)器S2中的輸出寄生電容充電，只要上述電感Lk或Ls夠大，上述主要開關(guān)器S2就可以于零電壓狀態(tài)下導(dǎo)通，波形如圖8中所示。上述外加電感器可為一線性電感器或一可飽和電容器，且可以為外部的或是積集于上述變壓器中。
圖9表示本發(fā)明的另一電路結(jié)構(gòu)，其中上述整流電路為中心抽頭式連接。上述變壓器的二次側(cè)線圈具有一第一端、一第二端以及一分接點(diǎn)(tapping point)。于上述主要開關(guān)器S1及S2導(dǎo)通時(shí)，能量會由上述第一端及上述分接點(diǎn)(tapping point)通過上述第一整流器D1，傳送至上述輸出電感器。對于上述主要開關(guān)器S1及S2截止時(shí)，能量會由上述第二端及上述分接點(diǎn)(tapping point)通過上述第二整流器D2，傳送至上述輸出電感器L1。由于在主要開關(guān)器S1及S2截止和導(dǎo)通時(shí)，能量都傳送至上述輸出電感器，所以只需要一個(gè)小小的電感，上述輸出電壓的漣波就可以明顯地減少了。
圖10表示本發(fā)明的另一電路結(jié)構(gòu)，其中上述整流路電為電流倍流(current double)連接，電感器L1及L2用以當(dāng)作輸出濾波器。由于上述主要開關(guān)器S1及S2截止或?qū)ǎ芰慷紓魉椭辽鲜鲚敵鲭姼衅鱈1及L2，因此輸出電壓漣波也可以明顯地減少。
圖11表示本發(fā)明的另一電路結(jié)構(gòu)，其中使用同步整流器來作上述整流電路。一般來說，需要一個(gè)驅(qū)動控制電路，于上述主要開關(guān)器S1及S2導(dǎo)通時(shí)，保持上述整流器D1導(dǎo)通，且于上述主要開關(guān)器S1及S2截止時(shí)，保持上述整流器D2導(dǎo)通。
以上所述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在使熟習(xí)此項(xiàng)技藝的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，當(dāng)不能以其限定本發(fā)明的專利范圍，即大凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是包括一輸入端，接收具有一低位準(zhǔn)及一高位準(zhǔn)的一直流電壓；一輸出端；一變壓器，具有一一次側(cè)線圈及一二次側(cè)線圈；一第一及第二開關(guān)器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側(cè)線圈，周期性地連接上述輸入端與上述一次側(cè)線圈；一于上述第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí)重置上述變壓器的諧振電容器；一開關(guān)裝置，于上述第一及第二開關(guān)器的導(dǎo)通周期時(shí)保持截止，且于上述第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí)，連接上述一次側(cè)線圈至上述諧振電容器；以及一整流電路，連接上述二次側(cè)線圈至上述輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述開關(guān)裝置連接至上述一次側(cè)線圈具有上述輸入端中低位準(zhǔn)側(cè)的一端。
3.如權(quán)利要求2所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側(cè)線圈具有上述輸入端中低位準(zhǔn)側(cè)的另一端。
4.如權(quán)利要求2所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側(cè)線圈具有上述輸入端中高位準(zhǔn)側(cè)的另一端。
5.如權(quán)利要求1所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述每一第一及第二開關(guān)器以及上述開關(guān)裝置，都具有一本體二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是一外加電感器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側(cè)線圈。
7.如權(quán)利要求1所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是一外加電感器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述二次側(cè)線圈。
8.如權(quán)利要求1所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述變壓器的二次側(cè)線圈具有一第一端、一第二端以及一抽頭位置；其中于上述第一及第二開關(guān)器導(dǎo)通時(shí)，能量由上述第一端以及抽頭位置，轉(zhuǎn)換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關(guān)器截止時(shí)，能量由上述第二端及上述抽頭位置，轉(zhuǎn)換至上述輸出端。
9.如權(quán)利要求1所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述整流裝置包括一第一及第二整流器以及一第一及第二電感器；其中于上述第一及第二開關(guān)器導(dǎo)通時(shí)，能量由上述第一整流器及上述第一電感器轉(zhuǎn)換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關(guān)器截止時(shí)，能量由上述第二整流器及第二電感器轉(zhuǎn)換至上述輸出端。
10.如權(quán)利要求1所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述整流器為同步整流開關(guān)。
11.一種諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是包括一輸入端，接收具有一低位準(zhǔn)及一高位準(zhǔn)的一直流電壓；一輸出端；一變壓器，具有一一次側(cè)線圈以及一二次側(cè)線圈；一第一及第二開關(guān)器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側(cè)線圈，周期性地連接上述輸入端至上述一次側(cè)線圈；一于上述第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí)重置上述變壓器的重置電路；以及一整流電路，連接上述二次側(cè)線圈至上述輸出端。
12.如權(quán)利要求11所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述重置電路包括一諧振電容器；以及一開關(guān)裝置，于上述第一及第二開關(guān)器的導(dǎo)通周期時(shí)保持截止，且于上述第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí)連接上述一次側(cè)線圈至上述諧振電容器。
13.如權(quán)利要求12所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述開關(guān)裝置連接至上述一次側(cè)線圈具有上述輸入端中低位準(zhǔn)側(cè)的一端。
14.如權(quán)利要求13所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側(cè)線圈具有上述輸入端中低位準(zhǔn)側(cè)的另一端。
15.如權(quán)利要求13所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側(cè)線圈具有上述輸入端中高位準(zhǔn)側(cè)的另一端。
16.如權(quán)利要求11所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述每一第一及第二開關(guān)器以及上述開關(guān)裝置，都具有一本體二極管。
17.如權(quán)利要求11所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是一外加電感器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側(cè)線圈。
18.如權(quán)利要求11所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是一外加電感器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述二次側(cè)線圈。
19.如權(quán)利要求11所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述變壓器的二次側(cè)線圈具有一第一端、一第二端及一抽頭位置；其中于上述第一及第二開關(guān)器導(dǎo)通時(shí)，能量由上述第一端以及抽頭位置，轉(zhuǎn)換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關(guān)器截止時(shí)，能量由上述第二端及上述抽頭位置，轉(zhuǎn)換至上述輸出端。
20.如權(quán)利要求11所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述整流裝置包括一第一及第二整流器以及一第一及第二電感器；其中于上述第一及第二開關(guān)器導(dǎo)通時(shí)，能量由上述第一整流器及上述第一電感器轉(zhuǎn)換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關(guān)器截止時(shí)，能量由上述第二整流器及第二電感器轉(zhuǎn)換至上述輸出端。
21.如權(quán)利要求11所述的諧振重置雙重開關(guān)正向DC-to-DC轉(zhuǎn)換器，其特征是上述整流器為同步整流開關(guān)。
全文摘要
一種諧振重置雙重開關(guān)正向DC－to－DC轉(zhuǎn)換器,包括:一輸入端,接收具有一低位準(zhǔn)及一高位準(zhǔn)的一直流電壓;一輸出端;一變壓器,具有一一次側(cè)線圈及一二次側(cè)線圈;一第一及第二開關(guān)器,串聯(lián)連接變壓器的一次側(cè)線圈,周期性地連接輸入端與上述一次側(cè)線圈;一于第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí)重置上述變壓器的諧振電容器;一附屬開關(guān)器,于第一及第二開關(guān)器的導(dǎo)通周期時(shí)保持截止,且于第一及第二開關(guān)器的截止周期時(shí),連接一次側(cè)線圈至上述諧振電容器;以及一整流電路,連接二次側(cè)線圈至輸出端;本發(fā)明擴(kuò)大開關(guān)器導(dǎo)通周期,并減少一次側(cè)開關(guān)的傳導(dǎo)損失,使主要開關(guān)器可以得到軟關(guān)斷;因要求較低的定額電壓切換,本發(fā)明可用于高輸入電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中。
文檔編號H02M3/28GK1384591SQ0210787
公開日2002年12月11日 申請日期2002年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月30日
發(fā)明者黃貴松, 顧亦磊, 劉志政, 章進(jìn)法 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司