CN100380796C - 切换式电源转换电路 - Google Patents

Abstract

一种切换式电源转换电路，当切换供应电力时通过可饱和式电抗器的饱和效应使得切换开关导通前的端点电位为零电位。该切换式电源转换电路包括：一可饱和式负载组件，其由一负载与一可饱和式电抗器组成；一第一切换式电感线圈组件，其连接于该可饱和式负载组件与一第一电位；一与该第一切换式电感线圈组件磁力耦合的第二切换式电感线圈组件，其连接于该第一切换式电感线圈组件与一第二电位；其中，以该第一切换式电感线圈组件与该第二切换式电感线圈组件作电力供应的切换，通过该可饱和式电抗器的饱和效应，使得切换前该可饱和式电抗器端点电位回落，致使切换开关端点电位归零。

Description

切换式电源转换电路

技术领域

本发明涉及一种切换式电源转换电路及变压器，特别是涉及一种通过开关作电力供应切换时，其开关的交越电位为零电位的切换式电源转换电路及可饱和式变压器。

背景技术

对于高效率的切换式电源转换器来说，零电压切换是很重要的一环技术，由于切换式电源转换器，其开关切换时需要流通整个负载电流，因此开关将承受很高的切换应力(switching stress)及与切换频率成正比的高切换损耗。

此外高速切换所引起的di/dt(电流变化率)及dv/dt(电压变化率)会造成严重的电磁干扰(EMI)。

为了降低转换器的体积及重量以提高其功率密度，必须提高其切换频率，这将使得切换式转换器的缺点更加恶化。因此若能使开关切换瞬间开关的电压为零便可改善上述缺点。因此，如何降低切换式转换器的切换损耗、切换应力及电磁干扰(EMI)实为使用者所关切。

已知的零电压切换有使用软切换技术(soft-switching techniques)，如共振式转换器或半共振式转换器，通常通过共振电感与共振电容所组成的振荡电路，来产生一零电位在切换开关的两端点，使得切换开关在投入负载电力前的切换开关端电压为零电位。

请参阅图1A，该图为已知的零电压切换的降压式共振转换器，此类转换器利用与开关并联的共振电容，产生零电位使开关可以作零电压切换。

上述的软切换技术虽可因为零电压切换而降低切换开关在切换时所产生的切换损耗，但是震荡电路却带来大量的槽路电流(tank current)，这些槽路电流将会在电路中产生传导损耗，且该传导损耗将严重影响电力的供应及传送，使得电源的转换效率降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种切换式电源转换电路，其不仅可以简化电路来产生零电压切换降低切换损耗，还可以减少槽路电流的产生，大大的降低传导损失。

为达到上述目的，本发明提供一种切换式电源转换电路，包括：

一可饱和式负载组件，其由一负载与一可饱和式电抗器组成；

一第一切换式电感线圈组件，由一第一开关串接一第一线圈组成，其连接于该可饱和式负载组件与一第一电位；

一第二切换式电感线圈组件，由一第二开关串接一第二线圈组成，其连接于该第一切换式电感线圈组件与一第二电位；

其中，该第一线圈与第二线圈相互磁力耦合，该第一电位与第二电位在该第一开关与第二开关共同导通时对该第一线圈与该第二线圈充磁，该第一线圈与该第二线圈的磁能量在该第一开关与该第二开关交替开路时传输至该可饱和式负载组件，且在一定时间后，该可饱和式电抗器通过其饱和效应使得该开路的开关端点电位为零，该开路的开关在此时导通。

为达到上述目的，本发明还提供一种切换式电源转换电路，包括：

一变压器，包括一第一初级线圈、一第二初级线圈及一次级线圈，且该次级线圈并接一负载；

一可饱和式电抗器，其并联于该变压器的任一线圈或所述线圈的串联组合；

一第一切换式初级线圈组合，由一第一开关串接该第一初级线圈组成；

一第二切换式初级线圈组合，由一第二开关串接该第二初级线圈组成；

其中，该第一切换式初级线圈组合与该第二切换式初级线圈组合串联，且其接点连接至一电抗器而该电抗器的另一接点连接于一第一电位，该第一切换式初级线圈组合与该第一切换式初级线圈组合串联的另一端点则连接于一参考电位；该第一初级线圈与该第二初级线圈在第一开关与第二开关共同导通时因互感而构成等效短路，该第一电位因而得以对该电抗器充磁，该电抗器的磁能量在该第一开关与该第二开关交替开路时传输至该第一初级线圈与该第二初级线圈，且在一定时间后，该可饱和式电抗器通过其饱和效应使得该开路开关的端点电位为零，该开路开关在此时导通。

为达到上述目的，本发明还提供一种可饱和式变压器，其磁心包括一磁通路径，其中一段的断面积小于其它部分的断面积，该段磁心因而得以比其它部分磁心在相当磁通量下提早进入磁饱和状态。

附图说明

图1A为已知的零电压切换的降压式共振转换器；

图1B为已知的变压器磁心立体图；

图2为本发明第一实施例的切换式电源转换电路图；

图3为本发明的操作波形示意图；

图4为本发明第一实施例的另一切换式电源转换电路图；

图5为本发明第一实施例的又一切换式电源转换电路图；

图6为本发明第一实施例的再一之切换式电源转换电路图；

图7为本发明第二实施例的切换式电源转换电路图；

图8为本发明第三实施例的切换式电源转换电路图；

图9为本发明第三实施例的另一切换式电源转换电路图；

图10为本发明的可饱和式变压器磁心立体图。

其中，附图标记说明如下：

11第一切换式电感线圈组件

13第二切换式电感线圈组件

15可饱和式负载组件

V1第一电位          V2第二电位

GND参考电位         S1第一开关

S2第二开关          L1主电感线圈

L1a第一线圈         L1b第二线圈

L2可饱和式电抗器    D1第一二极管

D2第二二极管        C3第三电容器

C4第四电容器        R1负载

I1第一电流          I2第二电流

I3第三电流              I4第四电流

I5第五电流              V3中间端点电压

12第一端点              14第二端点

16中间端点              18整流电路

T1第一变压器            I6次级电流

T2第一可饱和式变压器    17共接输出点

21第一端点              22第二端点

23第三端点              24第四端点

C1第一电容器            C2第二电容器

T3第二变压器            T4第二可饱和式变压器

32第一端点              34第二端点

36中间抽头端点          38切换电路

L3电抗器                C5第五电容器

R2交流负载              40侧柱对

42肩柱对                44磁通路径

45中柱                  A0中间断面积

Ae磁通路径的断面积

具体实施方式

请参阅图2，其为本发明第一实施例的切换式电源转换电路图。其中第一切换式电感线圈组件11由第一开关S1串接第一线圈L1a组成，第二切换式电感线圈组件13由第二开关S2串接第二线圈L1b组成，可饱和式负载组件15，由负载R1经由整流电路18与可饱和式电抗器L2组成，其中第一线圈L1a与第二线圈L1b磁力耦合，组成主电感线圈L1，且主电感线圈L1中间部位设有中间端点16，因此中间端点16将主电感线圈L1分为第一线圈L1a与第二线圈L1b，第一线圈L1a的另一端点为主电感线圈L1的第一端点12，第二线圈L1b的另一端点为主电感线圈L1的第二端点14，第一端点12连接于第一开关S1的一端而第二端点14连接于第二开关S2的一端，并且第一开关S1的另一端则连接到第一电位V1，第二开关S2的另一端则连接到第二电位V2，且主电感线圈L1的中间端点16连接到可饱和式电抗器L2的一端，可饱和式电抗器L2另一端则连接于参考电位GND，该整流电路18并接于可饱和式电抗器L2两端将电源转换供给负载R1所需的电力，其中该整流电路18由第一二极管D1、第二二极管D2、第三电容器C3及第四电容器C4所组成。

请参阅图3，该图为本发明的操作波形示意图，请再结合图2本发明第一实施例的切换式电源转换电路图，其中该纵轴为分别为S1、S2、I1、I2、I3、V3、I5、I6及I4的操作波形轴，横轴为时间轴，当时间从t1到t2时，第一开关S1为闭路状态(ON)且第二开关为开路状态(OFF)，此时第一线圈L1a承接来自第一电位V1所供应的电力，产生第一电流I1，由于第二开关S2为开路状态(OFF)所以第二电流I2为零，第一电流I1经由中间端点16流出，形成第三电流I3，由于可饱和式电抗器L2具有排斥电流突然增加的特性所以流经可饱和式电抗器L2的第五电流几乎为零，因此第三电流I3几乎全数流向整流电路18形成第四电流I4，经由整流电路18整流后，供给负载R1所需的电力，此时中间端点16的电压V3与第一电位V1及第一线圈L1a的返驰电压的和相等且第一电流I1、第三电流I3及第四电流I4也几乎相等。

当时间从t2到t2+时，第一开关S1仍为闭路状态(ON)，此时第一电流I1、第二电流I2及第三电流I3仍保持不变，由于此时可饱和式电抗器L2已进入饱和状态，因此第三电流I3将几乎全数流向可饱和式电抗器L2，所以此时第五电流I5几乎等于第三电流I3，且第四电流I4为零，因为可饱和式电抗器L2进入饱和状态，所以其两端电位，即中间端点16的电压V3往参考电位GND回落，因主电感线圈L1的第一端点12仍处于第一电位V1，第二端点14将感应一反向电压，其值随中间端点16电压的回落而趋向第二电位V2。第二开关S2的端点电压在时间t2+时归零，第二开关S2在此时导通，达到零电位切换的目的。当时间从t3到t4时，第一开关S1为开路状态(OFF)且第二开关为闭路状态(ON)，此时第二线圈L1b承接来自第二电位V2所供应的电力，产生第二电流I2，由于第一开关S1为开路状态(OFF)所以第一电流I1为零，第二电流I2流过中间端点16形成第三电流I3，且与第三电流I3的电流流通方向相反，此时可饱和式电抗器L2将迅速的恢复原状，并且排斥电流突然增加，使得第五电流降下为零，因此第三电流I3几乎全数流经整流电路18形成第四电流I4，经由整流电路18整流后，供给负载R1所需的电力，此时中间端点16的电压V3与第二电位V2及第二线圈L2b的返驰电压之和相等，且第二电流I2、第三电流I3及第四电流I4也几乎相等。

当时间从t4到t4+时，第二开关S2仍为闭路状态(ON)，此时第一电流I1、第二电流I2及第三电流I3仍保持不变，由于此时可饱和式电抗器L2已再度进入饱和状态，因此第三电流I3将几乎全数流经可饱和式电抗器L2，所以此时第五电流I5几乎等于第三电流I3，且第四电流I4为零，因为可饱和式电抗器L2进入饱和状态，所以其两端电位，即中间端点16的电压V3往参考电位GND回落，因主电感线圈L1的第二端点14仍处于第二电位V2，第一端点12将感应一反向电压，其值随中间端点16电压的回落而趋向第一电位V1。第一开关S1的端点电压在时间t4+时归零，第一开关S1在此时导通，达到零电位切换的目的。

根据上述，当第一开关S1闭路(ON)且第二开关S2开路(OFF)时，负载R1所需的电力由第一电位V1及第一线圈L1a的返驰能量供应，当第一开关S1开路(OFF)且第二开关S2闭路(ON)时，负载R1所需的电力由第二电位V2及第二线圈L1b之返驰能量供应，当可饱和式电抗器L2进入饱和时其两端为零电位，控制第一开关S1与第二开关S2同时闭路(ON)，主电感线圈L1得以自第一电位V1及第二电位V2补充能量，直到切换动作完成，且每当中间端点16的电压V3因可饱和式电抗器L2的饱和而往参考电位GND回落时，开路的开关端点电压得以回归到零电位，以完成开关的零电压切换，由于开关的零电压切换，进而减少开关切换时的切换损耗。

请参阅图4，该图为本发明第一实施例的另一切换式电源转换电路图，根据图2，在可饱和式电抗器L2与整流电路18之间并接第一变压器T1，通过第一变压器T1初级线圈与次级线圈的绝缘特性可提供电路的安全绝缘性，此时第四电流I4流经第一变压器T1的初级线圈同时在次级线圈感应次级电流I6，该次级电流I6与第四电流I4其比值为线圈匝数比值N，且流经整流器18供应负载R1所需的电力，其操作波形示意图图3所示。

请参阅图5，该图为本发明第一实施例的又一切换式电源转换电路图，配合图4，其中可饱和式电抗器L2与第一变压器T1的连接可由第一可饱和式变压器T2取代，其操作波形示意图如图3所示。

请参阅图6，该图为本发明第一实施例的再一切换式电源转换电路图，配合图2，通过互换第一及第二切换式电感线圈组件内开关与线圈的位置而得，其中第一线圈L1a的端点为第一端点21与第二端点22，第二线圈L1b的端点为第三端点23与第四端点24，且第一端点21连接于第一电位V1，第三端点23连接于第二电位V2，第二端点22连接到第一开关S1的一端，第四端点24连接到第二开关S2的一端，且第一开关S1与第二开关S2的另一端相连接形成共接输出点17并与可饱和式电抗器L2的一端连接。

请继续参阅图6，其开关的切换动作，与电路的操作波形与图2本发明第一实施例的切换式电源转换电路相同。

请参阅图7，该图为本发明第二实施例的切换式电源转换电路图，其根据图4本发明第一实施例的另一切换式电源转换电路图改动而成，其中第一切换式电感线圈组件11由第一开关S1串接第一线圈L1a组成，第二切换式电感线圈组件13由第二开关S2串接第二线圈L1b组成，可饱和式负载组件15由负载R1与整流电路18、变压器T1及可饱和式电抗器L2组成，其中第一线圈L1a与第二线圈L1b组成主电感线圈L1，其中间端点16将主电感线圈L1分为第一线圈L1a与第二线圈L1b，第一线圈L1a的另一端点为主电感线圈L1的第一端点12，第二线圈L1b的另一端点为主电感线圈L1的第二端点14，第一端点12连接于第一开关S1的一端而第二端点14连接于第二开关S2的一端，并且第一开关S1的另一端则连接到第一电位V1，第二开关S2的另一端则连接到参考电位GND，且主电感线圈L1的中间端点16连接到可饱和式电抗器L2的一端点，且电路只需要一个第一电位V1并增加了第一电容器C1与第二电容器C2，第一电容器C1其一端连接于第一电位V1，另一端连接于第二电容器C2与可饱和式电抗器L2的另一端点，第二电容器C2的另一端连接于参考电位GND与第二开关S2，上述中，以该第一切换式电感线圈组件11与该第二切换式电感线圈组件13作电力供应的切换，通过该可饱和式电抗器L2的饱和效应，使得切换开关导通前其端点电位归零。

请继续参阅图7，通过第一电位V1先对第一电容C1与第二电容C2进行充电，再经由第一开关S1与第二开关S2的切换，使得第一电容C1与第二电容C2所储存的电压能量，分别经由第一变压器T1与整流器18对负载R1提供所需的电力，其中当可饱和式电抗器L2达到饱和时其两端电位趋零，此时控制第一开关S1与第二开关S2同时闭路(ON)，因为可饱和式电抗器L2产生饱和效应，因此在开关切换以前，会因为可饱和式电抗器L2两端电位趋零，使得其两端形成零电位，达到零电位交越，因为开关的零电压切换，进而减少开关切换时的切换损耗，其中可饱和式电抗器L2与第一变压器T1的连接可由第一可饱和式变压器T2取代。其操作波形示意图如图3所示。

请参阅图8，该图为本发明第三实施例的切换式电源转换电路图，其中第二变压器T3包括第一初级线圈及第二初级线圈，并通过第一端点32、第二端点34及中间抽头端点36与外界连接，且其次级线圈并接于整流电路18；可饱和式电抗器L2，连接于第一端点32与第二端点34；负载R1，连接于该整流电路18；切换电路38，连接于第一端点32与第二端点34，其中第一开关S1串接第一初级线圈组成一第一切换式初级线圈组合，第二开关S2串接第二初级线圈组成一第二切换式初级线圈组合；电抗器L3，其一端连接于中间抽头端点36，另一端连接于第一电位V1；及一参考电位GND，为一零电位。

上述中，以该切换电路38作电力供应的切换，通过可饱和式电抗器L2的饱和效应使其两端形成零电位，使得切换时该第一端点32与该第二端点34为零电位，其中切换电路38由第一开关S1与第二开关S2组成，其一端分别与该第一端点32、该第二端点34串接，其另一端则共同连接于该参考电位GND。

请继续参阅图8，当第一开关S1闭路(ON)时，第一电位V1会提供电力，经过第二变压器T3传送到整流器18再到负载R1，当可饱和式电抗器L2饱和时其两端电位回落，进而使得第二开关S2的端点电位为零电位，此时可令第二开关S2闭路(ON)以形成开关的零电压切换，因为开关的零电压切换，进而减少开关切换时的切换损耗。其中可饱和式电抗器L2与第二变压器T3的连接可由第二可饱和式变压器T4取代，其操作波形示意图如图3所示。

请参阅图9，该图为本发明第三实施例的另一切换式电源转换电路图，可根据图8本发明第三实施例的切换式电源转换电路图改动而得，其中在第二变压器T3的任一线圈或所述线圈串联组合之间并接第五电容器C5，且在图8中第二变压器T3的次级线圈连接的整流电路省略，改变成并接交流负载R2，其中该第五电容器C5可为寄生电容，由其它外围电路或第二变压器T3内的绕线电容所产生，第五电容器C5可与第二变压器T3的磁感谐振，以调谐转换电路的切换周期，该电路通过第一电位V1经由第二变压器T3提供交流电力给交流负载R2使用，且由于可饱和式电抗器L2的饱和效应，使得开关切换时第一端点32与第二端点34产生零电位交越，进而减少开关切换时的切换损耗，并在开关切换时，由于饱和效应此时谐振槽路的电流流经C5的电流，可以大幅度的被可饱和电抗器L2内的饱和电流所取代，而减少流经变压器感应线圈的槽路电流，因而可以有效减少开关在切换周期间所产生的传导损耗。其操作波形示意图如图3所示。

请参阅图1B，该图为已知的变压器磁心立体图，其中磁通路径44的断面积为Ae，当变压器通电时磁通会通过磁通路径44，而产生电磁效应而输出电压，当磁通过高时，磁通路径44会发生饱和效应，此饱和效应可在磁通路径44上任何部分随机发生，使得变压器产生动作失常故障。

请参阅图10，该图为本发明的可饱和式变压器磁心立体图，包括：侧柱对40；肩柱对42，其两端分别连结于该侧柱对40两端；中柱45，其两端经由肩柱对42连结于该侧柱对40。其中减少中柱45中央处的断面积Ae形成一长度为1g的中间断面积A0，且中间断面积A0小于两端断面积，当变压器通电时磁通会通过磁通路径44，而产生电磁效应而输出电压，当磁通过高时，中间断面积A0部分会先发生饱和效应，而形成一可饱和式电抗的特性，因为中间断面积A0部分会先发生饱和效应，因此磁通路径44的两端并没有饱和所以可以继续正常工作而不会产生动作失常故障，因此可饱和式变压器磁心可作为上述的可饱和式变压器。

综上所述，本发明的切换式电源转换电路可以通过可饱和式电抗器的饱和效应，使得切换时开关端点为零电位，进而减少开关切换时的切换损耗，且由于可饱和式电抗器的饱和效应，可以有效减少开关在切换周期间所产生的传导损耗。

但是以上所述，仅为本发明最佳之一的具体实施例的详细说明与图式，凡合于本发明权利要求书精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技术的普通技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本发明的权利要求书要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种切换式电源转换电路，包括：

一可饱和式负载组件，其由一负载与一可饱和式电抗器组成；

一第一切换式电感线圈组件，由一第一开关串接一第一线圈组成，其连接于该可饱和式负载组件与一第一电位；

一第二切换式电感线圈组件，由一第二开关串接一第二线圈组成，其连接于该第一切换式电感线圈组件与一第二电位；

其中，该第一线圈与第二线圈相互磁力耦合，该第一电位与第二电位在该第一开关与第二开关共同导通时对该第一线圈与该第二线圈充磁，该第一线圈与该第二线圈的磁能量在该第一开关与该第二开关交替开路时传输至该可饱和式负载组件，且在一定时间后，该可饱和式电抗器通过其饱和效应使得该开路的开关端点电位为零，该开路的开关在此时导通。

2.如权利要求1所述的切换式电源转换电路，其中该第一线圈与该第二线圈由一主电感线圈组成。

3.如权利要求1所述的切换式电源转换电路，其中该负载经一整流电路连接。

4.如权利要求1所述的切换式电源转换电路，其中该负载或该可饱和式负载组件经一变压器连接。

5.如权利要求4所述的切换式电源转换电路，其中该可饱和式电抗器与该变压器可由一可饱和式变压器替换取代。

6.一种切换式电源转换电路，包括：

一变压器，包括一第一初级线圈、一第二初级线圈及一次级线圈，且该次级线圈并接一负载；

一可饱和式电抗器，其并联于该变压器的任一线圈或该变压器的多个任一线圈之间的串联组合；

一第一切换式初级线圈组合，由一第一开关串接该第一初级线圈组成；

一第二切换式初级线圈组合，由一第二开关串接该第二初级线圈组成；

其中，该第一切换式初级线圈组合与该第二切换式初级线圈组合串联，且其接点连接至一电抗器而该电抗器的另一接点连接于一第一电位，该第一切换式初级线圈组合和该第二切换式初级线圈组合串联的另一端点则连接于一参考电位；该第一初级线圈与该第二初级线圈在第一开关与第二开关共同导通时因互感而构成等效短路，该第一电位因而得以对该电抗器充磁，该电抗器的磁能量在该第一开关与该第二开关交替开路时传输至该第一初级线圈与该第二初级线圈，且在一定时间后，该可饱和式电抗器通过其饱和效应使得该开路开关的端点电位为零，该开路开关在此时导通。

7.如权利要求6所述的切换式电源转换电路，其中该变压器的次级线圈与该负载间连接一整流电路。

8.如权利要求6所述的切换式电源转换电路，其中还有一电容器并接于该变压器的任一线圈或该变压器的多个任一线圈之间的串联组合。

9.如权利要求6所述的切换式电源转换电路，其中该可饱和式电抗器与该变压器可由一可饱和式变压器替换取代。

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