隔離式無電感電源轉換系統及其方法與流程

2023-06-25 22:14:41 2

本發明涉及一種電源轉換系統，特別是一種同步驅動器及一種具有二次側中央抽頭線圈的等效隔離式無電感高帶寬變壓器。本發明還涉及此系統的電源轉換方法。

背景技術：

很多電源轉換系統包含直流/交流及直流/直流隔離式電荷轉換。在直流燈絲驅動應用上，如此的電源轉換電路被稱為轉換器，而在交流燈絲驅動應用上，則被稱為逆變器，其具有連接至二次側中央抽頭線圈的截止偏壓。在此應用中，此截止偏壓可以減少真空顯示設備的噪聲。

圖1為傳統的電源轉換系統的一個例子，在此例子中，有一個變壓器位於一次側供應區及二次側供應區的間，以達到電壓轉換及隔離。在一用於燈絲驅動的簡單轉換電路中，截止偏壓電壓104通過二次側線圈的中央抽頭連接至變壓器。至少一開關102在振蕩器101的控制下快速的切換，使電流通過二個交替的路徑由變壓器103的一端流回直流源，一次側線圈電流交替方向的切換在二次側電路產生交流電(ac)；在某些真空顯示器應用中，齊納(zenor)二極體被連接至中央抽頭線圈以形成直流偏壓。

圖2為圖1的直流輸出簡化版本，在此版本中，一個額外的二極體橋201及一大電容202連接至變壓器的二次側線圈，以對交流電進行整流及過濾。

本發明可以克服現有技術中的缺點並且能提供額外的附加價值，本發明可以避免使用體積大、昂貴且低帶寬的變壓器、低壓降的蕭特基(shottky) 二極體及不環保的電解電容。

技術實現要素：

有鑑於上述現有技術中的問題，本發明的其中一個目的就是提供一種新型電路，其使用多個電晶體，且可避免使用蕭特基二極體及大型的變壓器，可以隔離一次側及二次側電路，並由一次側電路傳輸電力至二次側電路，以降低功率損耗以及元件尺寸。

根據本發明的其中一目的提出一種隔離式無電感電源轉換系統，用於將無電感的電源轉換成交流/直流隔離式電源，此系統可包含隔離式電源總線、電荷傳輸系統及包含多個金氧半場效電晶體的集成電路，其中電荷傳輸系統包含隔離式電源總線控制器；振蕩器，其可提供時序信號至隔離式電源總線控制器；延遲時間總線，其可提供延遲時間信號至隔離式電源總線控制器，以延遲多個二次側開關由隔離式電源總線控制器控制的開啟時間，其中，在多個一次側開關被關閉後，多個二次側開關的開啟時間被延遲一預設時間區間；偏壓總線，其可提供直流偏壓至負載，其與施加於變壓器的中央抽頭線圈的直流偏壓等效；一次側控制總線，其可產生一次側控制信號至多個一次側開關；二次側控制總線，其可產生二次側控制信號至多個二次側開關；至少一開關電路，其可與隔離式電源總線耦合；至少一開關控制總線，其可控制至少一開關電路的切換及傳輸電荷至隔離式電源總線的電荷傳輸系統；以及至少一開關總線，其可包含至少一位準偏移器，以調整控制二次側開關的信號。

根據本發明的其中一目的，再提出一種隔離式無電感電源轉換系統，包含：外循環的上開關電路及外循環的下開關電路，外循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，外循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，其中，外循環的上開關電路及外循環的下開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；內循環的上開關電 路及內循環的下開關電路，電源逆變應用中內循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，內循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，其中，內循環的上開關電路及內循環的下開關電路包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；內循環的上開關電路於電源轉換及隔離式數據傳輸應用中可耦合至隔離式電源總線的上側，內循環的下開關電路於電源轉換及隔離式數據傳輸應用中可耦合至隔離式電源總線的下側，其中，內循環的上開關電路及內循環的下開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；其中，當上開關電路與下開關電路關閉時，施加於上開關電路的上電壓及施加於下開關電路的下電壓是隔離的，二次側控制總線電路用於控制上開關電路及下開關電路。

其中，施加於上開關電路的上電壓及施加於下開關電路的下電壓是同步的；此電路可包含至少一自舉位準變換器，其偏移邏輯位準至二次側控制總線位準，以控制上開關電路及下開關電路的切換。

根據本發明的又一目的再提出一種隔離式無電感電源轉換方法，其可用於隔離式無電感電源轉換系統。此方法可包含下列步驟：利用雙循環實現交流及直流電荷傳輸系統，其中外循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，外循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，其中，外循環的上開關電路及外循環的下開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；於電源逆變應用中，內循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，而內循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，其中，內循環的下開關電路及內循環的上開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；單一循環則可輸出脈動直流；於電源轉換及隔離式數據傳輸應用中，內循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，而內循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，其中，內循環的下開關電路及內循環的上開關電路可包含同步開關電路，可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；施加於上開關電路 的上電壓與施加於下開關電路的下電壓與一次側隔離；提供至少一開關控制總線，其可包含位準偏移電路以根據偏移電壓總線電位來偏移一次側地參考開關控制總線至二次側開關控制總線的位準；以及提供至少一電阻排連接至一次側循環電源，其包含至少一開關控制總線，用於接收i2c解碼器的指令來改變整體分壓阻值，進而改變一次側和二次側的電壓值。

額外的特徵及優點可通過本發明的技術來實現，而本發明這裡描述的其它實施例及觀點均應涵蓋在主張的發明中。

通過本發明後續的敘述及相關的圖式，本發明其它的特徵及優點將變的更為清楚明了。

附圖說明

圖1為傳統的電源轉換裝置的一實施例的示意圖；

圖2為傳統的電源轉換裝置的另一實施例的示意圖；

圖3為本發明提供的隔離式無電感電源轉換系統的一實施例的示意圖，其可提供交流輸出及脈動直流輸出；

圖4為圖6的電路的波型圖；

圖5為本發明提供的隔離式無電感電源轉換系統的另一實施例的示意圖，其可提供同步直流輸出；

圖6為本發明提供的隔離式無電感電源轉換系統的另一實施例的數字隔離器示意圖，其可提供同步直流輸出及數據傳輸；

圖7為本發明提供的隔離式無電感電源轉換系統的另一實施例的數字隔離器示意圖，其可變更循環電源的值作為動態控制補償輸出。

附圖標記說明：102-開關；103-變壓器；104-截止偏壓電壓；201-二極體橋；202-大電容；30、50、60、70-隔離式無電感電源轉換系統；301、302-隔離式電源總線；311、511、611-振蕩器及邏輯電路；312、512、612- 隔離式電源總線控制器；321、322、323、324、521、522、523、524、621、622、623、624-一次側開關；326、327、328、329、526、527、528、529、626、627、628、629-二次側開關；351、352、551、552、592、651、652-波形因素控制電容；371、571-循環電源；381、581、681-二次側控制總線；382、582、682-延遲時間總線；383、583、683-偏壓總線；384、584、684-一次側控制總線；391、591、601-負載；602-隔離式位準偏移器；701、702-電阻；703-i2c解碼器；704-電源；s-源極；d-汲極；g-閘極；d1、d2-二極體。

具體實施方式

以下將參照相關圖式，說明依本發明提供的隔離式無電感電源轉換系統及其方法的實施例，為使便於理解，下述實施例中的相同元件以相同的符號標示來說明。

圖3舉例說明了本發明提供的的隔離式無電感電源轉換系統的一實施例的示意圖，其可提供交流輸出。此隔離式無電感電源轉換系統30可包含隔離式電源總線301及302、電荷傳輸系統及包含多個金氧半場效電晶體的集成電路，其中電荷傳輸系統可包含隔離式電源總線控制器312、振蕩器及邏輯電路311、延遲時間總線382、偏壓總線383、一次側控制總線384、二次側控制總線381、至少一開關電路、至少一開關控制總線及至少一開關總線。振蕩器及邏輯電路311可提供時序信號至隔離式電源總線控制器312。延遲時間總線382可提供延遲時間信號至隔離式電源總線控制器312，以延遲多個二次側開關326、327、328、329由隔離式電源總線控制器312控制的開啟時間，其中，在多個一次側開關321、322、323、324被關閉後，多個二次側開關326、327、328、329的開啟時間可被延遲一預設時間區間。偏壓總線可提供直流偏壓至負載391。一次側控制總線384可產生一次側控制信號至該多個一次側開關321、322、323、324。二次側控制總線381可產生二次側控制信號至該多個二次側開關326、327、328、329。開關控 制總線可控制至少一開關電路的切換及傳輸電荷至隔離式電源總線301、302的電荷傳輸系統。至少一開關總線可包含至少一位準偏移器，其可調整信號以利該多個二次側開關326、327、328、329的操作。

如圖3所示，振蕩器及邏輯電路311產生兩個具延遲時間的相位頻率，其可減少貫穿失真，一次側開關及偏壓以等效中央抽頭線圈。在相位1中，循環電源371產生的電壓經由一次側開關321、322被導入波形因素控制電容351，而波形因素控制電容352則直接通過二次側控制總線381控制的二次側開關329、328注入隔離電荷至輸出負載391。

如圖3所示，在相位2中，直接於二次側控制總線381控制的交替路徑通過二次側開關326、327，波形因素控制電容351注入隔離電荷耦合至輸出負載391，而循環電源371產生的電荷經由一次側開關323、324被導入波形因素控制電容352。經由內循環及外循環電流方向的交替產生交流電至負載391。輸出均方根電壓是切換工作周期、電容、輸入電壓、負載及電晶體的導通電阻值的函數。

隔離電荷傳輸是由隔離波形因素控制電容351、352交替的傳輸耦合至負載，在一些實施例中是繞經保持電容。

在一實施例中，若電荷輸出極小，隔離式無電感電源轉換系統30可以利用高壓金氧半導體2m集成電路製程(hvmos2micfoundryprocess)製造而成，隔離式無電感電源轉換系統30包含波形因素控制電容。最大隔離輸出是被此製程的最大接面崩潰電壓所限制。p型金氧半電晶體用於一次側開關321、323和二次側開關326、328，若是利用其它的自舉方法，則可以利用n型金氧半電晶體取代。n型金氧半電晶體用於一次側開關322、324和二次側開關327、329。n型埋層(nbllayer)用於保持隔離。

於隔離的二次側控制總線381的二次側開關326、327、328、329需要由隔離式電源總線301、302的控制脈衝來驅動。一隔離式電源控制器312 可執行接地脈衝的位準偏移以控制二次側控制總線的脈衝。沒有電流流經一次側不平衡電路及二次側平衡電路之間。

本實施例包含下列步驟：

利用雙循環實現交流及直流電荷傳輸系統，其中，外循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，外循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，其中，外循環的上開關電路及外循環的下開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；於電源逆變應用中，內循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，而內循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，其中，內循環的下開關電路及內循環的上開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源總線；於電源轉換及隔離式數據傳輸應用中，內循環的上開關電路可耦合至隔離式電源總線的上側，而內循環的下開關電路可耦合至隔離式電源總線的下側，其中，內循環的下開關電路及內循環的上開關電路可包含同步開關電路，其可用於傳輸電荷至隔離式電源總線。

使施加於上開關電路的上電壓與施加於下開關電路的下電壓隔離。

提供至少一開關控制總線，其可包含位準偏移電路以根據偏移電壓總線電位，以偏移第一地參考開關控制總線至第二開關控制總線的位準。

圖4為圖3的電路的燈絲負載的位置電位的波形。負載中心點的電位與變壓器中央抽頭線圈的電位相等。為了舉例說明，隔離式無電感電源轉換系統30的電壓波形與具中央抽頭並與偏壓連結的變壓器等效。

圖5為本發明提供的隔離式無電感電源轉換系統的一實施例的示意圖，其由圖3延伸而來。如圖5所示，在相位1中，波形因素控制電容552經由二次側開關528、529並經由二次側控制總線581控制的內循環耦合注入隔離電荷至輸出負載591，而電路經由一次側開關521、522汲取循環電源571的產生的電荷至波形因素控制電容551。在相位2中，電路經由一 次側開關523、524汲取循環電源571產生的接地電荷至波形因素控制電容552，而波形因素控制電容552經由二次側控制總線581控制的二次側開關526、527耦合注入隔離電荷至輸出負載591。波形因素控制電容592用於過濾切換噪聲。經過內循環及外循環的電流的相同方向產生直流電至負載591，其用於同步直流轉換器應用。

如圖6所示，其在隔離式無電感電源轉換系統50的實施例中加入了額外的變化，其包含中斷電源電路所形成循環的隔離及相對於其它電路組件具有高阻抗的數據傳輸路徑。由於中斷了循環，噪聲電壓是橫跨隔離障壁，而非在接收端或更敏感的元件。

如圖7所示，其在隔離式無電感電源轉換系統30的實施例中加入了額外的變化，於高精度電源應用中如amvfd，由回授輸入電源704決定電荷傳輸有效值，並由內建i2c解碼器703等通訊協議改變電源回授電阻702以變更循環電源371的值，作為動態控制補償輸出。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性。其它任何未脫離本發明的精神與範疇，而對其進行的等效修改或變更，均應該包含於本案權利要求範圍內。