專利名稱：諧振重置雙重開關正向DC－to－DC轉換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電源供應系統(tǒng)，特別有關于一種諧振重置(resonatereset)雙重開關正向(forward)DC-to-DC轉換器。


圖1A及圖1B分別表示一習知雙重開關正向DC-to-DC轉換器的結構及關鍵動作波形。使用兩個開關器于一次側，當上述兩個開關器導通時，上述變壓器連接至上述輸入端，且能量從電源端傳送至負載；于上述兩開關器截止時，通過于圖1A中標示為Da1及Da2的兩個鉗位二極管通過磁化電流。上述輸入電壓被反相地供應至上述一次側線圈，然后上述磁化電流被重置至零。由于上述開關器的汲源極電壓被鉗位(clamped)至上述輸入電壓，上述開關器只確保上述輸入端的電壓應力。
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，上述重置時間也會等于上述開關器的導通時間。因此，于低輸入操作情形下，上述最大的開關導通周期被限制小于50％，上述導通周期變小，因此上述轉換器的性能降低。
為了減少上述一次側的傳導損失，以及降低上述二次側的電壓應力，最好是增加上述正向轉換器的導通周期大于50％。假如于上述正向轉換器中提供一諧振重置機制，由于上述重置電壓可以高于上述輸入電壓，可以設計上述導通周期超過上述輸入電壓。
圖2A及圖2B分別說明一習知具有諧振重置的單端(single-ended)正向DC-to-DC轉換器的結構以及關鍵動作波形。于此轉換器中，只使用一個開關器S1于上述變壓器的一次側，以及一諧振重置電容Cr與上述開關器S1并聯(lián)。
當上述開關器S1導通時，上述變壓器一次側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)傳送至負載。于上述開關器S1截止時，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)，于半個諧振周期后，上述磁化電流t被重置至零，且一次側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，直到上述開關器S1導通。于開關器S1導通時，上述諧振電容器Cr會通過開關器S1放電，且儲存在電容器Cr的能量會消散于上述開關器S1中。因此，開關器S1的功率消耗會變大，特別是在高輸入電壓時，因為儲存于上述電容器Cr中的能量，隨著上述輸入電壓的方波增加，上述開關器S1的功率消耗會明顯地增加。
另一缺點為上述開關器S1的電壓應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。因為上述理由上述拓撲結構不適用于低輸入電壓以及低功率的應用。
依據上述目的，本發(fā)明提供一克服習知的前述缺點的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器。于本案較佳實施例中，一諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，包括一輸入端，接收具有一低位準及一高位準的一直流電壓；一輸出端；一變壓器，具有一一次側線圈及一二次側線圈；一第一及第二開關器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側線圈，周期性地連接上述輸入端與上述一次側線圈；一于上述第一及第二開關器的截止周期時重置上述變壓器的諧振電容器；一附屬開關器，于上述第一及第二開關器的導通周期時保持截止，且于上述第一及第二開關器的截止周期時，連接上述一次側線圈至上述諧振電容器；以及一整流電路，連接上述二次側線圈至上述輸出端。
由于上述較大的反射(reflected)輸出電流，上述低位準側(lowside)的主要開關器及附屬開關器于一零電壓情況下導通，因此，一個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器以及附屬開關器，都具有一本體二極管(body diode)。
本發(fā)明的另一實施例中，一外加的電感與上述一次側線圈或二次側線圈串聯(lián)連接，使上述高位準側(high side)的開關器得到一零電壓切換狀態(tài)。
于本發(fā)明的另一實施例中，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)明的另一實施例中，使用一同步整流電路，用以減少整流損失，同時需要一控制電路，于上述主要開關器截止時，維持上述慣性整流器(freewheeling rectifier)導通。
本發(fā)明的優(yōu)點，是提供以擴大(enlarge)上述開關器導通周期，以及減少上述一次側開關的傳導損失的能力。
本發(fā)明的另一優(yōu)點，是上述主要開關器可以得到軟關斷(softswltchlng condltlon)，因此，它提供一具有高功率效率的轉換器。
本發(fā)明的另一優(yōu)點，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換設計中。
圖8，說明圖7A及圖7B的主要開關器的上述零電壓切換的波形；圖9，為本發(fā)明又一實施例，具有中心抽頭整流器的一諧振重置雙重開關正向電路的示意圖；圖10，為本發(fā)明又一實施例，具有電流雙體整流(current doublerectifying)的一諧振重置雙重開關正向電路的示意圖；圖11，為本發(fā)明又一實施例，具有同步整流器的一諧振重置雙重開關正向電路的示意圖。
于二次側中，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。于上述主要開關器S1及S2導通時，整流器D1由二次側傳導電流至電感L1，然后提供至負載；于上述主要開關器S1及S2截止時，整流器D1保持截止，且整流器D2傳導上述輸出電流。
上述每一第一及第二開關器S1及S2以及附屬開關器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正向DC-to-DC轉換器的關鍵動作波形；為了說明本轉換器的動作特性，此動作分為兩個操作模式，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器S1及S2截止時，附屬開關器Sa導通，且上述變壓器一次側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。
為說明上述仔細動作及本發(fā)明的特點，本轉換器的關鍵波形表示于圖5中，以下描述數(shù)字時間周期[1] t0＜t＜t1于此時間周期中，上述主要開關器S1及S2導通，附屬開關器Sa截止。上述主要開關器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，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，會為二次側中被整流的輸入電壓。
t1＜t＜t2于時間t1時，上述主要開關器S1及S2截止，于一短暫空截時間(deadtime)后，附屬開關器Sa導通，連接上述開關器S2的上述一次側線圈，會連接至上述輸入電壓的低位準。上述一次側電流Ip對上述電容Cr器充電，上述電容器Cr的電壓會增加，且一次側電流Ip會減少。于時間t2時，儲存于變壓器漏電感(leakage inductance)中的能量完全地轉換至上述電容器Cr中，上述一次側電流會等于上述磁化電流。
t2＜t＜t3于此時間周期中，于上述電容器及上述漏電感(leakage inductance)之間產生諧振，上述磁化電流MC減少至零，然后變成負的。上述電容器Cr的電壓一開始會增加，由于負的磁化電流接著就開始減少。于時間t3時，電容器Cr的電壓下降至零，因此，磁化電流通過上述開關器S1的本體二極管(body diode)。
t3＜t＜t4于此時間周期中，上述開關器S1及S2的本體二極管以及附屬開關器Sa全部都導通，使得上述磁化電流MC保持固定，直到上述主要開關器S1及S2導通。于時間t4時，開關器S1于一零電壓狀態(tài)下導通，開始一個重新的切換周期。
本發(fā)明的諧振重置雙重開關正向轉換器，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，使得上述重置時間可以比上述導通時間短，且可以得到一個大于50％的切換導通率，不只是減少一次側的均方根(RMS)電流，也減少上述二次側整流器的電壓應力。
第二，于上述主要開關器S1及S2截止時，上述主要開關器S1的汲源電壓，只為上述重置電壓，且通過上述附屬開關器鉗位的上述主要開關器S2的汲源電壓會等于上述輸入電壓。因此，上述主要開關S1及S2的電壓應力會大約為上述輸入電壓，而取代習知單端正向轉換器的兩倍輸入電壓。
第三，由于當上述電容器Cr諧振至零時，上述開關器S1會導通，不會產生額外的功率消耗。此外，由于上述開關器S1與上述電容器Cr的并聯(lián)連接，上述開關器S1的截止損失也會明顯地減少，因此，本發(fā)明的轉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側，以及與上述主要開關器S1連接的一次側線圈之間。上述變壓器Tr、主要開關器S1、S2以及附屬開關器Sa的動作波形與前述實施例中相同，在此不再累述。
圖7A與7B表示本發(fā)明的另一電路結構，其中提供一外加電感器Lk或一外加電感器Ls與上述一次側或二次側線圈串聯(lián)連接，用以使上述高位準側的主要開關器S2，達到零電壓切換。于上述主要開關器S2導通時，上述附屬開關器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，上述主要開關器S2就可以于零電壓狀態(tài)下導通，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)明的另一電路結構，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線圈具有一第一端、一第二端以及一分接點(tapping point)。于上述主要開關器S1及S2導通時，能量會由上述第一端及上述分接點(tapping point)通過上述第一整流器D1，傳送至上述輸出電感器。對于上述主要開關器S1及S2截止時，能量會由上述第二端及上述分接點(tapping point)通過上述第二整流器D2，傳送至上述輸出電感器L1。由于在主要開關器S1及S2截止和導通時，能量都傳送至上述輸出電感器，所以只需要一個小小的電感，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)明的另一電路結構，其中上述整流路電為電流倍流(current double)連接，電感器L1及L2用以當作輸出濾波器。由于上述主要開關器S1及S2截止或導通，能量都傳送至上述輸出電感器L1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)明的另一電路結構，其中使用同步整流器來作上述整流電路。一般來說，需要一個驅動控制電路，于上述主要開關器S1及S2導通時，保持上述整流器D1導通，且于上述主要開關器S1及S2截止時，保持上述整流器D2導通。
以上所述實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝的人士能夠了解本發(fā)明的內容并據以實施，當不能以其限定本發(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，仍應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍內。
權利要求
1.一種諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是包括一輸入端，接收具有一低位準及一高位準的一直流電壓；一輸出端；一變壓器，具有一一次側線圈及一二次側線圈；一第一及第二開關器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側線圈，周期性地連接上述輸入端與上述一次側線圈；一于上述第一及第二開關器的截止周期時重置上述變壓器的諧振電容器；一開關裝置，于上述第一及第二開關器的導通周期時保持截止，且于上述第一及第二開關器的截止周期時，連接上述一次側線圈至上述諧振電容器；以及一整流電路，連接上述二次側線圈至上述輸出端。
2.如權利要求1所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述開關裝置連接至上述一次側線圈具有上述輸入端中低位準側的一端。
3.如權利要求2所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側線圈具有上述輸入端中低位準側的另一端。
4.如權利要求2所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側線圈具有上述輸入端中高位準側的另一端。
5.如權利要求1所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述每一第一及第二開關器以及上述開關裝置，都具有一本體二極管。
6.如權利要求1所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，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線圈。
7.如權利要求1所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，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線圈。
8.如權利要求1所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述變壓器的二次側線圈具有一第一端、一第二端以及一抽頭位置；其中于上述第一及第二開關器導通時，能量由上述第一端以及抽頭位置，轉換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關器截止時，能量由上述第二端及上述抽頭位置，轉換至上述輸出端。
9.如權利要求1所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，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器導通時，能量由上述第一整流器及上述第一電感器轉換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關器截止時，能量由上述第二整流器及第二電感器轉換至上述輸出端。
10.如權利要求1所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述整流器為同步整流開關。
11.一種諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是包括一輸入端，接收具有一低位準及一高位準的一直流電壓；一輸出端；一變壓器，具有一一次側線圈以及一二次側線圈；一第一及第二開關器，串聯(lián)連接上述變壓器的上述一次側線圈，周期性地連接上述輸入端至上述一次側線圈；一于上述第一及第二開關器的截止周期時重置上述變壓器的重置電路；以及一整流電路，連接上述二次側線圈至上述輸出端。
12.如權利要求11所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述重置電路包括一諧振電容器；以及一開關裝置，于上述第一及第二開關器的導通周期時保持截止，且于上述第一及第二開關器的截止周期時連接上述一次側線圈至上述諧振電容器。
13.如權利要求12所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述開關裝置連接至上述一次側線圈具有上述輸入端中低位準側的一端。
14.如權利要求13所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側線圈具有上述輸入端中低位準側的另一端。
15.如權利要求13所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述諧振電容器連接至上述一次側線圈具有上述輸入端中高位準側的另一端。
16.如權利要求11所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述每一第一及第二開關器以及上述開關裝置，都具有一本體二極管。
17.如權利要求11所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，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線圈。
18.如權利要求11所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，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線圈。
19.如權利要求11所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述變壓器的二次側線圈具有一第一端、一第二端及一抽頭位置；其中于上述第一及第二開關器導通時，能量由上述第一端以及抽頭位置，轉換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關器截止時，能量由上述第二端及上述抽頭位置，轉換至上述輸出端。
20.如權利要求11所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，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器導通時，能量由上述第一整流器及上述第一電感器轉換至上述輸出端，且于上述第一及第二開關器截止時，能量由上述第二整流器及第二電感器轉換至上述輸出端。
21.如權利要求11所述的諧振重置雙重開關正向DC-to-DC轉換器，其特征是上述整流器為同步整流開關。
全文摘要
一種諧振重置雙重開關正向DC－to－DC轉換器,包括:一輸入端,接收具有一低位準及一高位準的一直流電壓;一輸出端;一變壓器,具有一一次側線圈及一二次側線圈;一第一及第二開關器,串聯(lián)連接變壓器的一次側線圈,周期性地連接輸入端與上述一次側線圈;一于第一及第二開關器的截止周期時重置上述變壓器的諧振電容器;一附屬開關器,于第一及第二開關器的導通周期時保持截止,且于第一及第二開關器的截止周期時,連接一次側線圈至上述諧振電容器;以及一整流電路,連接二次側線圈至輸出端;本發(fā)明擴大開關器導通周期,并減少一次側開關的傳導損失,使主要開關器可以得到軟關斷;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換設計中。
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)先權日2001年4月30日
發(fā)明者黃貴松, 顧亦磊, 劉志政, 章進法 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司