CN103368401A

CN103368401A - 具控制开关的电源转换装置

Info

Publication number: CN103368401A
Application number: CN2012102620688A
Authority: CN
Inventors: 曾国境
Original assignee: Sinpro Electronics Co Ltd
Current assignee: Sinpro Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: TWI459694B; TW201342782A; CN103368401B

Abstract

本发明涉及一种具控制开关的电源转换装置，包含变压器模组、控制开关、电源输入单元、二极管电路、电容电路及电源输出单元。其中变压器模组包含两个独立铁芯的变压器，控制开关包含电性连接于变压器模组的一次侧的第一晶体管开关以及第二晶体管开关。本发明所提供的具控制开关的电源转换装置，当电源输入单元从一次侧提供电源时，可利用第一晶体管开关以及第二晶体管开关的交错或同时导通，使二极管电路以及电容电路随的作动，进而使电性连接在变压器模组的二次侧的电源输出单元获得高于电源输入单元的电压的输出电压，具有高电压增益、漏感能量回收以及低输入电流涟波。

Description

具控制开关的电源转换装置

技术领域

本发明涉及一种转换装置，特别涉及一种具控制开关的电源转换装置。

背景技术

传统升压(Boost)转换器是一种输出电压高于输入电压的电源转换器，当输出电压增益较低时，电路可以实现较高的转换效率；反之，在高电压增益输出时，电路上的寄生元件将会使得电路损失变大，造成转换效率降低。

返驰(Flyback)转换器通过一次侧与二次侧的圈数比，可得到高电压增益。因此为提高电压增益，必须增加次级侧绕组的圈数，使得变压器的漏感及铜损变大。当功率开关截止时，由于变压器的漏感会在功率开关泄极(汲极)(Drain)与源极(Source)间会产生电压突波(Spike)，而造成电路的损失，也必须选择高耐压的功率开关。为了克服漏感造成的电压突波，缓冲电路(Snubber Circuit)的设计将是返驰转换器的重点，而缓冲电路由于电阻的缘故将造成一些转换的损失。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具控制开关的电源转换装置。

为达到上述目的，本发明提供一种具控制开关的电源转换装置，所述具控制开关的电源转换装置包含：

一变压器模组，其具有一一次侧及对应所述一次侧的一二次侧，所述一次侧包含一第一绕组线圈及一第二绕组线圈，所述第一绕组线圈具有一第一端及一第二端，第二绕组线圈具有一第三端及一第四端，且所述二次侧包含一第三绕组线圈及一第四绕组线圈，所述第三绕组线圈具有一第五端及一第六端，所述第四绕组线圈具有一第七端及一第八端，其中所述第六端电性连接所述第七端，所述第一端与第二端之间还包含一第一激磁电感，所述第三端与第四端之间还包含第二激磁电感；

一控制开关，其包含一第一晶体管开关及一第二晶体管开关，所述第一晶体管开关的一泄极端电性连接至所述第二端，所述第一晶体管开关的一源极端电性连接至一接地，所述第二晶体管开关的一泄极端电性连接至所述第四端，所述第二晶体管开关的一源极端电性连接至所述接地；

一电源输入单元，其包含一第一电极端及一第二电极端，所述第一电极端电性连接至所述第一端及第三端，所述第二电极端电性连接至所述接地；

一二极管电路，其包含一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管及一第四二极管，所述第一二极管的一P型接合端电性连接至所述第二端，所述第一二极管的一N型接合端电性连接至所述第二二极管的一P型接合端，所述第三二极管的一N型接合端电性连接至所述第八端，所述第三二极管的一P型接合端电性连接至所述第二二极管的一N型接合端，所述第四二极管的一P型接合端电性连接至所述第三二极管的一N型接合端；

一电容电路，其包含一第一电容、一第二电容、一第三电容及一第四电容，其中，所述第一电容的一端电性连接至所述第二二极管的N型接合端，所述第一电容的另一端电性连接至所述接地，所述第二电容与第三电容的一端电性连接至所述第五端并在另一端分别连接于所述第三二极管的P型接合端与第四二极管的一N型接合端，所述第四电容的一端电性连接至所述第二二极管的P型接合端，所述第四电容的另一端电性连接至所述第二晶体管开关的泄极端；以及

一电源输出单元，其具有一端电性连接于所述第四二极管的N型接合端以及另一端电性连接于所述接地。

作为优选方案，其中所述第一晶体管开关还包含一闸极端。

作为优选方案，其中所述第二晶体管开关还包含一闸极端。

作为优选方案，其中所述第一晶体管开关或第二晶体管开关为一金氧半场效晶体管。

作为优选方案，其中所述第一电极端为一正电极端。

作为优选方案，其中所述第二电极端为一负电极端。

作为优选方案，其中所述电源输出单元还包含一负载。

本发明所提供的具控制开关的电源转换装置至少包含以下优点：具有高电压增益、漏感能量回收以及低输入电流涟波。

附图说明

图1为本发明一实施例具控制开关的电源转换装置的电路图；

图2为图1具控制开关的电源转换装置的动作波形图；

图3为图1具控制开关的电源转换装置的电路动作原理图之一；

图4为图1具控制开关的电源转换装置的电路动作原理图之二；

图5为图1具控制开关的电源转换装置的电路动作原理图之三。

【主要元件符号说明】

具控制开关的电源转换装置-1；变压器模组-10；第一绕组线圈-101；第一端-101a；第二端-101b；第二绕组线圈-102；第三端-102a；第四端-102b；第三绕组线圈-103；第五端-103a；第六端-103b；第四绕组线圈-104；第七端-104a；第八端-104b；第一电容-C₁；第二电容-C₂；第三电容-C₃；第四电容-C_b；泄极端-D；第一二极管-D₁；第二二极管-D₂；第三二极管-D₃；第四二极管-D₄；闸极端-G；第一激磁电感-L_m1；第二激磁电感-L_m2；负载-R_o；源极端-S；第一晶体管开关-S₁；第二晶体管开关-S₂；电源输入单元-V_in；电源输出单元-V_o；流经负载R_o的电流-I_o；流经第一晶体管开关S₁的电流-i_S1；流经第二晶体管开关S₂的电流-i_S2；流经第一电容C₁的电流-i_C1；流经第二电容C₂的电流- i_C2；流经第三电容C₃的电流-i_C3；流经第一二极管D₁的电流-i_D1；流经第二二极管D₂的电流-i_D2；流经第三二极管D₃的电流-i_D3；流经第四二极管D₄的电流-i_D4；第三绕组线圈103的电流-i_LS；第一激磁电感L_m1的电流-i_Lm1；第二激磁电感L_m2的电流-i_Lm2；流入第一变压器的一次侧的电流-i_LK1；流入第二变压器的一次侧的电流-i_LK2；第一电容C₁的电压-V_C1；第二电容C₂的电压-V_C2；第三电容C₃的电压-V_C3；第四电容C_b的电压V_Cb；第三绕组线圈103的电压-V_LS1；第四绕组线圈104的电压-V_LS2；第一晶体管开关S₁的泄极端D的电压-V_DS1；第二晶体管开关S₂的泄极端D的电压-V_DS2；第一晶体管开关S₁的闸极端G的控制信号-V_GS1；第二晶体管开关S₂的闸极端G的控制信号-V_GS2；第一激磁电感L_m1的电压-V_Lm1；第二激磁电感L_m2的电压-V_Lm2。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和特点更明显易懂，下文配合附图将本发明相关实施例详细说明如下。

请参阅图1，图1为本发明一实施例具控制开关的电源转换装置的电路图。

由图1可知，具控制开关的电源转换装置1包含变压器模组10、控制开关、电源输入单元V_in、二极管电路、电容电路以及电源输出单元V_o。

变压器模组10可包含两个独立铁芯的变压器，每个变压器具有一次侧与对应此一次侧的二次侧。详言之，第一变压器的一次侧包含第一绕组线圈101；第二变压器的一次侧包含第二绕组线圈102。第一绕组线圈101具有第一端101a与第二端101b，第二绕组线圈102具有第三端102a与第四端102b，且第一变压器的二次侧包含第三绕组线圈103；第二变压器的二次侧包含第四绕组线圈104。第三绕组线圈103具有第五端103a与第六端103b，第四绕组线圈104具有第七端104a与第八端104b。其中第六端103b电性连接第七端104a，第一端101a与第二端101b之间还包含第一激磁电感L_m1，第三端102a与第四端102b之间还包含第二激磁电感L_m2。

控制开关可包含第一晶体管开关S₁以及第二晶体管开关S₂，以作为功率开关。第一晶体管开关S₁的泄极端(汲极端(Drain))D电性连接至第二端101b，第一晶体管开关S₁的源极端S电性连接至接地(ground)，第二晶体管开关S₂的泄极端(汲极端(Drain))D电性连接至第四端102b，第二晶体管开关S₂的源极端S电性连接至接地。

详言之，第一晶体管开关S₁及/或第二晶体管开关S₂可为金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET)或双极性接面晶体管(bipolar junction transistor, BJT)，但不限定于此。其中，如此实施例中，当第一晶体管开关S₁与第二晶体管开关S₂都为金氧半场效晶体管时，第一晶体管开关S₁与第二晶体管开关S₂包含用以输入控制信号的闸极端G。

电源输入单元V_in包含第一电极端与第二电极端。电源输入单元V_in的第一电极端电性连接至第一端101a与第三端102a，电源输入单元V_in的第二电极端电性连接至接地。其中，电源输入单元V_in的第一电极端可为正电极端；电源输入单元V_in的第二电极端可为负电极端，但不限定于此。

二极管电路包含第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃以及第四二极管D₄。第一二极管D₁的P型接合端电性连接至第二端101b，第一二极管D₁的N型接合端电性连接至第二二极管D₂的P型接合端，第三二极管D₃的N型接合端电性连接至第八端104b，第三二极管D₃的P型接合端电性连接至第二二极管D₂的N型接合端，第四二极管D₄的P型接合端电性连接至第三二极管D₃的N型接合端。

电容电路包含第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃以及第四电容C_b。其中第一电容C₁的一端电性连接至第二二极管D₂的N型接合端，第一电容C₁的另一端电性连接至接地，第二电容C₂与第三电容C₃的一端电性连接至第五端103a，且第二电容的另一端连接在第三二极管D₃的P型接合端，第三电容C₃的另一端连接在第四二极管D₄的N型接合端，第四电容C_b的一端电性连接至第二二极管D₂的P型接合端，第四电容C_b的另一端电性连接至第二晶体管开关S₂的泄极端D。

电源输出单元V_o具有一端电性连接在第四二极管D₄的N型接合端以及另一端电性连接至接地。详言之，电源输出单元V_o处还包含负载R_o。

如图2-图5所示，各电路图中的符号分别表示如下：I_o：流经负载R_o的电流； i_S1：流经第一晶体管开关S₁的电流；i_S2：流经第二晶体管开关S₂的电流；i_C1：流经第一电容C₁的电流；i_C2：流经第二电容C₂的电流；i_C3：流经第三电容C₃的电流； i_D1：流经第一二极管D₁的电流；i_D2：流经第二二极管D₂的电流； i_D3：流经第三二极管D₃的电流；i_D4：流经第四二极管D₄的电流；i_LS：第三绕组线圈103的电流；i_Lm1：第一激磁电感L_m1的电流；i_Lm2：第二激磁电感L_m2的电流；i_LK1：流入第一变压器的一次侧的电流；i_LK2：流入第二变压器的一次侧的电流；V_C1：第一电容C₁的电压；V_C2：第二电容C₂的电压；V_C3：第三电容C₃的电压；V_Cb：第四电容C_b的电压；V_LS1：第三绕组线圈103的电压；V_LS2：第四绕组线圈104的电压； V_DS1：第一晶体管开关S₁的泄极端D的电压；V_DS2：第二晶体管开关S₂的泄极端D的电压；V_GS1：第一晶体管开关S₁的闸极端G的控制信号；V_GS2：第二晶体管开关S₂的闸极端G的控制信号；V_Lm1：第一激磁电感L_m1的电压；V_Lm2：第二激磁电感L_m2的电压。

请同时参阅图1、图2与图3，图2为图1具控制开关的电源转换装置的动作波形图；图3为图1具控制开关的电源转换装置的电路动作原理图之一。

由图2可知，具控制开关的电源转换装置1的电路动作至少包含四种操作模式。例如：模式一为0

t

(D-0.5)T(例如，t₀~t₁)；模式二为(D-0.5)Tt

0.5T(例如，t₁~t₂)；模式三为0.5T

t

DT(例如，t₂~t₃)；模式四为DT

t

T(例如，t₃~ t₀)。其中，图2中的V_GS1与V_GS2分别为第一晶体管开关S₁与第二晶体管开关S₂的闸极端G的控制信号。

请参阅图1、图2与图3，当具控制开关的电源转换装置1操作在模式一(t₀~ t₁)时，具控制开关的电源转换装置1其电路动作原理(等效电路)如图3所示：第一晶体管开关S₁以及第二晶体管开关S₂为导通；第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃以及第四二极管D₄为逆偏截止；第一激磁电感L_m1与第二激磁电感L_m2进行储能。

接着，请参阅图1、图2与图4，图4为图1具控制开关的电源转换装置的电路动作原理图之二。

当具控制开关的电源转换装置1操作在模式二(t₁~t₂)时，具控制开关的电源转换装置1的电路动作原理(等效电路)如图4所示：第一晶体管开关S₁与第二二极管D₂、第四二极管D₄为导通；第二晶体管开关S₂与第一二极管D₁、第三二极管D₃为截止。

接着，请参阅图1、图2与图3。当具控制开关的电源转换装置1操作在模式三(t₂~ t₃)时，其电路的动作原理与模式一相同，具控制开关的电源转换装置1的电路动作原理(等效电路)如图3所示：第一晶体管开关S₁以及第二晶体管开关S₂为导通；第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃以及第四二极管D₄为逆偏截止；第一激磁电感L_m1与第二激磁电感L_m2进行储能。

之后，请参阅图1、图2与图5，图5为图1具控制开关的电源转换装置的电路动作原理图之三。

当具控制开关的电源转换装置1操作在模式四(t₃~t₀)时，具控制开关的电源转换装置1的电路动作原理(等效电路)如图5所示：第二晶体管开关S₂与第一二极管D₁、第三二极管D₃为导通；第一晶体管开关S₁与第二二极管D₂、第四二极管D₄为截止。

承上述，经由激磁电感的伏-秒平衡可得到理想电压增益为：V_o / V_in =

；其中，V_o为电源输出单元；V_in为电源输入单元；n为变压器模组10的线圈匝数比(例如:二次侧的线圈匝数/一次侧的线圈匝数)；D为工作周期。

由上述可知，本发明所述具控制开关的电源转换装置包含以下的特点：

1.通过耦合电感匝比与整流倍压电路使输出端(如电源输出单元的负载处)可获得高电压增益；

2.利用两组功率开关(如第一晶体管开关S₁与第二晶体管开关S₂)错相导通，使输入大电流可平均分流，进而降低元件导通损耗，也有低输入电流涟波的特点；

3.具有类似主动箝位的功能，能将漏感能量回收至输出端，有效抑制开关突波电压，进而使转换效率更加提升；并且，两组功率开关都被设计于低压侧(例如，一次侧)，开关电压应力低于输出电压，零件选用可选择低耐压值设计。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的专利保护范围，任何本领域的普通技术人员在不脱离本发明专利精神所作的均等变化与修饰等，均同理属于本发明的专利保护范围。

Claims

1.一种具控制开关的电源转换装置，其特征在于，所述具控制开关的电源转换装置包含：

一变压器模组，其具有一一次侧及对应所述一次侧的一二次侧，所述一次侧包含一第一绕组线圈及一第二绕组线圈，所述第一绕组线圈具有一第一端及一第二端，第二绕组线圈具有一第三端及一第四端，且所述二次侧包含一第三绕组线圈及一第四绕组线圈，所述第三绕组线圈具有一第五端及一第六端，所述第四绕组线圈具有一第七端及一第八端，其中所述第六端电性连接所述第七端，所述第一端与第二端之间还包含一第一激磁电感，所述第三端与第四端之间还包含一第二激磁电感；

一二极管电路，其包含一第一二极管、一第二二极管、一第三二极管及一第四二极管，所述第一二极管的一P型接合端电性连接至所述第二端，所述第一二极管的一N型接合端电性连接至所述第二二极管的一P型接合端，所述第三二极管的一N型接合端电性连接至所述第八端，所述第三二极管的一P型接合端电性连接至所述第二二极管的一N型接合端，所述第四二极管的一P型接合端电性连接至所述第三二极管的N型接合端；

2.如权利要求1所述具控制开关的电源转换装置，其特征在于，所述第一晶体管开关还包含一闸极端。

3.如权利要求1所述具控制开关的电源转换装置，其特征在于，所述第二晶体管开关还包含一闸极端。

4.如权利要求1所述具控制开关的电源转换装置，其特征在于，所述第一晶体管开关或第二晶体管开关为一金氧半场效晶体管。

5.如权利要求1所述具控制开关的电源转换装置，其特征在于，所述第一电极端为一正电极端。

6.如权利要求1所述具控制开关的电源转换装置，其特征在于，所述第二电极端为一负电极端。

7.如权利要求1所述具控制开关的电源转换装置，其特征在于，所述电源输出单元还包含一负载。