TW202329597A - 自激式主動箝位電路 - Google Patents

Abstract

本發明為一種自激式主動箝位電路，應用於一電流臨界模式(BCM)下，返馳式電源轉換裝置之變壓器的一次側，該自激式主動箝位電路包含一箝位開關，串聯在一第一電容與一第二電容之間，該第一電容的另一端連接電源轉換裝置之變壓器的一次側繞阻，該第二電容的另一端連接該電源轉換裝置之切换開關，該箝位開關的一控制端透過一電阻連接該切换開關；藉此，本發明可根據該變壓器其一次側繞阻的電壓極性自動決定該箝位開關的導通／關閉，該第一電容及第二電容不僅具可吸收突波，該第二電容上的分壓值可使該箝位開關的閘極獲得一理想的驅動電壓，在箝位開關導通時具有較小的導通電阻而使損耗降低。

Description

自激式主動箝位電路

本發明關於一種自激式主動箝位電路(self-driven active clamp)，特別是指一種應用於返馳式(flyback)電源轉換裝置在電流臨界模式(BCM)下的主動箝位電路。

在多種電源轉換裝置中，返馳式電源轉換裝置是一種相當常見的設備，可應用於交流—直流轉換，或是應用於直流—直流轉換。由於返馳式電源轉換裝置中應用了變壓器在輸入以及輸出之間，因此返馳式電源轉換裝置具有電路隔離的優點。其中，返馳式電源轉換裝置又可進一步細分為一般返馳式電源轉換裝置(Standard flyback converter)以及主動箝位返馳式(Active Clamp Flyback，ACF)電源轉換裝置。

主動箝位返馳式電源轉換裝置中，在變壓器的一次側使用由場效電晶體(MOSFET)構成的箝位開關(clamp switch)取代一般返馳式電源轉換裝置中的緩衝(Snubber)二極體，達到吸收突波、回收能量、提升轉換效率的目的。

該箝位開關的導通／關閉若使用一獨立的驅動電路加以控制，將因為額外加入該驅動電路及其控制所需的電源電路而提高電路的複雜程度，且不利於縮減電源轉換裝置的體積。除此之外，在控制該箝位開關時，還需要考慮如何適當地驅動該箝位開關，才能令該箝位開關的導通損耗及切換損耗不致於過高而影響整體電源轉換裝置的轉換效率。

有鑑於此，本發明的主要目的係提供一種「自激式主動箝位電路」，應用於一返馳式電源轉換裝置中，在不需要加入額外驅動電路的前提下可控制其中一箝位開關的導通／關閉操作，並使得該箝位開關在導通時具有較低的導通損耗及達到箝位開關本身的零電壓切換，降低切換損耗。

本發明的自激式主動箝位電路主要應用於一返馳式電源轉換裝置中，該電源轉換裝具有一變壓器及一切換開關，該自激式主動箝位電路包含： 一箝位開關，串聯在一第一電容與一第二電容之間，其中，該第一電容的另一端連接該變壓器其一次側繞阻的第一端，該第二電容的另一端連接在該變壓器其一次側繞阻的第二端與該切換開關； 一電阻，其一端連接該箝位開關的一控制端，另一端連接該變壓器其一次側繞阻的第二端與該切換開關。

較佳的，本發明的自激式主動箝位電路還包含一個二極體，該二極體的正極連接在該箝位開關的該控制端，該二極體的負極連接在該變壓器其一次側繞阻的第二端與該切換開關。

較佳的，該箝位開關為一金氧半場效電晶體(MOSFET)，其閘極為該控制端，其汲極連接該第一電容，其源極連接該第二電容。

本發明自激式主動箝位電路可根據該變壓器其一次側繞阻的電壓V _P極性自己控制該箝位開關的導通／關閉，其中的第一電容及第二電容不僅可以達到吸收突波的功能，也可藉由適當挑選的第二電容的大小而使該箝位開關的閘極獲得一理想的驅動電壓，在箝位開關導通時具有較小的導通電阻而使損耗降低。

本發明「自激式主動箝位電路」係應用於返馳式電源轉換裝置，其中，該返馳式電源轉換裝置的整體電路架構如圖1所示，惟其工作原理並非本發明特徵所在，故有關返馳式電源轉換裝置的電源轉換動作僅概略敘述。

首先，返馳式電源轉裝置的基本元件包含有一變壓器20、一切換開關Q1、一輸出電路30。該變壓器20的一次側繞阻21串聯該切換開關Q1，該切換開關Q1可由金氧半場效電晶體(MOSFET)構成，其閘極連接一PWM控制器40，該PWM控制器40輸出一PWM信號控制該切換開關Q1的導通／關閉，該切換開關Q1的汲極連接該一次側繞阻21，源極接地。該變壓器20之一次側繞阻21的一端連接一輸入電源50，在此該輸入電源50以一直流電源為例說明。

該輸出電路30連接在該變壓器20的二次側繞阻22，包含用以連接負載的二輸出端31、32，其中，該變壓器20的一次側繞阻21及二次側繞阻22並未共地。

本發明的自激式主動箝位電路10則是連接該變壓器20及該切換開關Q1，包含有一箝位開關Q2、一第一電容C1、一第二電容C2、一電阻R，也可以進一步包含一個二極體D。其中，該箝位開關Q2的一端連接該第一電容C1，另一端連接該第二電容C2，使得該箝位開關Q2串聯在該第一電容C1及該第二電容C2之間；該箝位開關Q2的一控制端連接該電阻R以及該二極體D。

在本實施例中，該箝位開關Q2由一金氧半場效電晶體(MOSFET)構成。在其閘極-源極之間存在有一寄生電容C3，其閘極作為該控制端，其汲極與源極分別連接該第一電容C1與該第二電容C2。

該第一電容C1的一端連接該變壓器20的一次側繞阻21與該輸入電源50，另一端連接該箝位開關Q2的汲極。

該第二電容C2的一端連接該箝位開關Q2的源極，另一端連接該切換開關Q1的汲極。

該二極體D的正極連接該箝位開關Q2的閘極，負極同樣連接該切換開關Q1的汲極，該電阻R則是跨接在該二極體D的兩端。

請參考圖2A~2G所示的電壓波形圖，各波形圖的縱軸標示電壓值(V)，橫軸則表示時間；以下進一步說明本發明的電路動作方式。

t0時段：在BCM模式下，該變壓器20一次側繞阻21的電壓V _P逐漸下降為0V，該第二電容C2兩端的電壓V _C2也降至0V，寄生電容C3的電壓經由二極體D快速放電至0V，使箝位開關Q2的閘極電壓低於導通臨界電壓(Vgs-th)，該箝位開關Q2即轉為關閉狀態，此時，切換開關Q1的汲極-源極電壓V _Q1-DS隨同Vp由原本的高準位逐漸降至0V，在切換開關Q1的閘極電壓V _Q1-G開始送出一高準位訊號，切換開關Q1的控制模式亦達到零電壓切換(ZVS)。

t1時段：切換開關Q1導通，該切換開關Q1即將由原本的關閉(OFF)狀態轉換至導通(ON)狀態，一次側繞阻21的電壓Vp由0V上升至Vin。

t2時段：當切換開關Q1的閘極電壓V _Q1-G降低至低準位時(即PWM信號的低準位)，該切換開關Q1成為關閉狀態。因為該切換開關Q1從導通狀態轉為關閉狀態，因此在該變壓器20的一次側繞阻21會產生一反向電壓，因此圖2H所示的一次側繞阻電壓V _P顯示負值。如圖3所示，該電壓V _P經由該箝位開關Q2的本體二極體(body diode)往該第二電容C2及該第一電容C1充電，該第二電容C2及該第一電容C1充電在充電期間同時也會吸收變壓器20漏感所產生的突波(spike)，此時該第二電容C2及該第一電容C1會漸漸充電至穩態，箝位開關Q2的汲極-源極電壓V _Q2-DS也因為本體二極體先導通，而在給驅動訊號前先降下來至約本體二極體的順向電壓(VF)，如波形圖上標示S的位置。該第二電容C2在充電過程中亦會經由電阻R對寄生電容C3充電，當寄生電容C3的電壓達到該箝位開關Q2的導通臨界電壓(Vgs-th)，該箝位開關Q2即轉為導通狀態，實現零電壓切換(ZVS)以及吸收突波。電阻R作為一延遲(delay)元件，在充電時透過電阻R以及寄生電容C3決定的延遲時間，讓箝位開關Q2的閘極電壓V _Q2-G在箝位開關Q2的汲極-源極電壓V _Q2-DS降至約為本體二極體(body diode)的順向電壓(VF)時，才達到導通臨界電壓(Vgs-th)，可讓箝位開關Q2的驅動控制符合零電壓切換的要求。

t3時段：在BCM模式下，該變壓器20一次側繞阻21的電壓V _P會  漸漸降為零，該第二電容C2兩端的電壓V _C2也降至0V，寄生電容C3的電壓經由二極體D快速放電至0V，使箝位開關Q2的閘極電壓低於導通臨界電壓(Vgs-th)，該箝位開關Q2即轉為關閉狀態，因為該箝位開關Q2可快速關閉，可降少該箝位開關Q2的切換損失，切換開關Q1的汲極-源極電壓V _Q1-DS由原本的高準位漸降至0V，重複t0時段的動作。

t4時段：此時切換開關Q1導通，如圖4所示，重複t1時段的動作。

在一較佳實施例中，為了使該箝位開關Q2導通時的導通電阻(R _DS)最小、損耗最低，該箝位開關Q2的閘極應維持在一較理想的驅動電壓值，約為10V左右。一般該第一電容C1及第二電容C2的電壓總和(V _C1+V _C2)約等於一次側繞阻21在釋能時的電壓(即V _P為反向電壓)，此時的V _P電壓值與變壓器20的一次側繞阻21的匝數N _P、二次側繞阻22的匝數N _S有關，即V _P=[(N _S/N _P)×V _O]。在實際設計電源轉換裝置時，因為有不同的輸入／輸出需求，該V _P反向電壓受限於匝數比而無法接近該較佳值10V，本發明便可選用適當的第二電容C2值，令第一電容C1與第二電容C2分壓後，在該第二電容C2上得到接近10V的電壓，即可使該箝位開關Q2的閘極具有較佳的驅動電壓值，達到較理想的驅動效果。

綜上所述，本發明自激式主動箝位電路不需要額外增設驅動電路，可根據該一次側繞阻的電壓V _P極性自己控制該箝位開關Q2的導通／關閉。該自激式主動箝位電路不僅可以達到吸收突波的功能，也可藉由適當挑選的第二電容C2而使該箝位開關Q2的閘極獲得一理想的驅動電壓，在箝位開關Q2導通時呈現較小的導通電阻(R _DS)並使損耗降低。

10:自激式主動箝位電路 20:變壓器 21:一次側繞阻 22:二次側繞阻 30:輸出電路 31,32:輸出端 40:PWM控制器 50:輸入電源 Q1:切換開關 Q2:箝位開關 C1:第一電容 C2:第二電容 C3:寄生電容 D:二極體 R:電阻

圖1：本發明自激式主動箝位電路應用於一返馳式電源轉換裝置的電路圖。 圖2A：圖1中輸出電壓V _O的波形圖。 圖2B：圖1中第二電容(C2)兩端的電壓V _C2波形圖。 圖2C：圖1中第一電容(C1)兩端的電壓V _C1波形圖。 圖2D：圖1中箝位開關(Q2)其汲極-源極之間的電壓V _Q2-DS波形圖。 圖2E：圖1中箝位開關(Q2)其閘極-源極之間的電壓V _Q2-G波形圖。 圖2F：圖1中切換開關(Q1)其汲極-源極之間的電壓V _Q1-DS波形圖。 圖2G：圖1中切換開關(Q1)其閘極端的電壓V _Q1-G波形圖。 圖2H：圖1中變壓器其一次側繞組兩端之間的電壓V _P波形圖。 圖3：圖1中該切換開關(Q1)關閉、箝位開關(Q2)導通時的電路動作圖。 圖4：圖1中該切換開關(Q1)導通、箝位開關(Q2)關閉時的電路動作圖。

10:自激式主動箝位電路

20:變壓器

21:一次側繞阻

22:二次側繞阻

30:輸出電路

31,32:輸出端

40:PWM控制器

50:輸入電源

Q1:切換開關

Q2:箝位開關

C1:第一電容

C2:第二電容

C3:寄生電容

D:二極體

R:電阻

Claims (5)

1. 一種自激式主動箝位電路，係應用於一返馳式電源轉換裝置，該電源轉換裝具有一變壓器及一切換開關，該自激式主動箝位電路包含： 一箝位開關，串聯在一第一電容與一第二電容之間，其中，該第一電容的另一端連接該變壓器其一次側繞阻的第一端，該第二電容的另一端連接在該變壓器其一次側繞阻的第二端與該切換開關； 一電阻，其一端連接該箝位開關的一控制端，另一端連接該變壓器其一次側繞阻的第二端與該切換開關。
2. 如請求項1所述自激式主動箝位電路，進一步包含： 一個二極體，其正極連接在該箝位開關的該控制端，其負極連接在該變壓器其一次側繞阻的第二端與該切換開關。
3. 如請求項1或2所述自激式主動箝位電路，其中，該箝位開關為一金氧半場效電晶體(MOSFET)，其閘極為該控制端，其汲極連接該第一電容，其源極連接該第二電容。
4. 如請求項3所述自激式主動箝位電路，其中，當該箝位開關的汲極與源極之間的電壓降為0V時，該箝位開關的閘極電壓才提升至使該箝位開關導通，令該箝位開關操作於零電壓切換(ZVS)。
5. 如請求項4所述自激式主動箝位電路，當該箝位開關導通時，該變壓器其一次側繞組產生一反向電壓，該反向電壓對該第一電容及該第二電容充電。

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