無損箝位電路的製作方法
2023-05-25 22:16:06 4
專利名稱：無損箝位電路的製作方法
技術領域：
本發明為一種無損箝位電路，尤指一種對功率元件兩端的反向電壓尖峰進行箝位控制的無損箝位電路。
背景技術：
請參閱圖1，圖1為二極體的反向電流恢復示意圖。二極體在關斷瞬間因為儲存電荷的緣故不具備反向阻斷能力，因而產生一反向電流If。由於二極體的迴路中存在電感，當二極體在t1時刻具備反向阻斷能力，電流絕對值迅速減小，產生很高的電壓峰值。其中，ID1為二極體導通電流值，VD1為二極體兩端電壓值。
圖2為一典型的全波整流電路示意圖。假設其整流電壓為一正負方波電壓，其工作過程可分為以下幾個階段整流階段，續流階段，恢復階段。
整流階段如圖3所示，電壓V1為正，二極體D1導通，其電流大小為IL1，二極體D2截止。電感Ls1與Ls2是變壓器漏感與引線電感。
續流階段如圖4所示，電壓V1為零，二極體D1，D2都導通，其電流之和為IL1。
恢復階段如圖5所示，電壓V1由零變為負，二極體D1進入反向恢復階段，其電流大小為If，D2導通，其電流為IL1與If之和。當二極體D1恢復到t1時刻，二極體D1具備反向阻斷能力，表現為高的阻抗，漏感Ls1，Ls2中的電流跳變在二極體D1兩端產生很高的電壓尖峰。由於電路的對稱性，二極體D2同樣具有反向恢復的問題。
如果對該尖峰不加抑制，其值為二極體額定反向耐壓的數倍。因此必須選用高壓二極體，而高壓二極體的正向壓降一般高於低壓二極體，所以功率損耗將大為增加。
請參閱圖6，為第一個現有的解決二極體反向恢復問題的箝位電路示意圖。該電路的工作原理是當二極體DR1或DR2進入反向恢復t1時刻，呈現為高阻抗，漏感中的能量通過二極體DS1或DS2儲存於電容CS1或CS2中。兩電容中的能量通過開關SA，SB流入負載。其優點是箝位效果較好，無損耗。其缺點為控制複雜。
請參閱圖7，圖7為第二個現有的解決二極體反向恢復問題的箝位電路示意圖。圖7的工作原理如下當二二極體D1或D2進入反向恢復的t1時刻，呈現為高阻抗，漏感中的能量通過二極體DS1或DS2儲存於電容CS1或CS2中，之後兩電容中的能量通過開關Sx，流入高壓變壓器T之一次側Np。其優點是變壓器原邊箝位效果較好，無損耗。其缺點為高壓變壓器T2存在安規問題，效率較低。
請參閱圖8，為第三個現有的解決二極體反向恢復問題的箝位電路示意圖。圖8的工作原理如下當二極體VD1或VD2進入反向恢復的t1時刻，呈現為高阻抗，漏感中的能量通過一正激變換器流入一次側。其優點是簡單。其缺點為箝位效果不好，高壓變壓器存在安規問題，效率較低。
發明內容
本發明在於提供一種無損箝位電路，是對功率元件兩端的反向電壓尖峰進行箝位控制，並將箝位能量充分利用，提高變換器的效率。
本發明的第一目的在於提供一種無損箝位電路，是應用在一功率變換器之中，對該功率變換器的功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該全波整流電路包含一第一整流二極體、一第二整流二極體，一輸出濾波電感以及一輸出濾波電容，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的正極端相互連接形成一共陽極端，負極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一第一箝位電容，其一端電連接於該第一整流二極體的負極端，另一端電連接於該共陽極端；一第二箝位電容，其一端電連接於該輸出濾波電感與該輸出濾波電容的一節點，另一端電連接於該共陽極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該第二箝位電容，其輸出端提供一電源。
根據上述構想，其中該電源將能量回饋至該變壓器的一次側以及二次側之一。
根據上述構想，其中該電源做為一輔助電源。
根據上述構想，其中該變換器電路為一升壓電路。
根據上述構想，其中該升壓電路包含一電感，其一端電連接該節點；一開關元件，其第一端電連接該電感的另一端，第二端電連接該共陽極端；一二極體，其正極端電連接該電感的另一端，其負端電連接該第一整流二極體的負極端。
根據上述構想，其中該電感為一能量回饋電感，該二極體為一能量回饋二極體以及該開關元件為一能量回饋開關元件。
本發明的第二目的在於提供一種無損箝位電路。應用在一功率變換器之中，對該功率變換器的功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該全波整流電路包含一第一整流二極體、一第二整流二極體，一輸出濾波電感以及一輸出濾波電容，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的正極端相互連接形成一共陽極端，負極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一箝位電容，其一端電連接於該第一整流二極體的負極端，另一端電連接於該共陽極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
根據上述構想，其中該電源將能量回饋至該變壓器的一次側以及二次側之一。
根據上述構想，其中該電源做為一輔助電源。
本發明的第三目的在於提供一種無損箝位電路，應用在一功率變換器的全橋整流電路中，對該全橋整流電路的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接該全橋整流電路，該無損箝位電路包含一箝位電容，電連接該全橋整流電路的輸出端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
根據上述構想，其中該電源將能量回饋至該變壓器的一次側以及二次側之一。
根據上述構想，其中該電源做為一輔助電源。
本發明的第四目的在於提供一種無損箝位電路，應用在一功率變換器的倍流電路之中，對該倍流電路之功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該倍流電路包含一第一倍流二極體、一第二倍流二極體，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的正極端相互連接形成一共陽極端，負極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一箝位電容，其一端電連接於該第一倍流二極體與該第二倍流二極體的一節點，另一端電連接於該共陽極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
根據上述構想，其中該電源將能量回饋至該變壓器的一次側以及二次側之一。
根據上述構想，其中該電源做為一輔助電源。
本發明的第五目的在於提供一種無損箝位電路，應用在一功率變換器的倍流電路之中，對該倍流電路的功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該倍流電路包含一第一倍流二極體、一第二倍流二極體，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的負極端相互連接形成一共陰極端，正極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一箝位電容，其一端電連接於該第一倍流二極體與該第二倍流二極體的一節點，另一端電連接於該共陰極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
圖1為二極體的反向電流恢復示意2為一典型的全波整流電路示意3為一典型的全波整流電路整流階段電路示意4為一典型的全波整流電路續流階段電路示意5為一典型的全波整流電路恢復階段電路示意6為第一個現有的解決二極體反向恢復問題的箝位電路示意7為第二個現有的解決二極體反向恢復問題的箝位電路示意8為第三個現有的解決二極體反向恢復問題的箝位電路示意9為本案第一較佳實施例的利用一升壓(BOOST)變換器對二極體的反向電壓進行箝位控制之電路示意10、11為本案第一較佳實施例的升壓(BOOST)變換器對二極體的反向電壓進行箝位控制時恢復階段的電路示意12為本案第二較佳實施例的利用一變換器對二極體的反向電壓進行箝位控制的電路示意13為本案第三較佳實施例的利用一變換器對二極體的反向電壓進行箝位控制的電路示意14為本案第四較佳實施例的利用一變換器對全橋整流電路的反向電壓進行箝位控制的電路示意15、16為本案第五較佳實施例的利用一變換器對倍流整流電路的反向電壓進行箝位控制的電路示意圖具體實施方式
為了解決上面所面臨的問題，本發明是利用一升壓(BOOST)變換器(如圖9所示的L2、Dr3、Q1、C2、Cout組成的電路)對二極體的反向電壓進行箝位控制。工作原理分析如下圖9的工作過程同樣分為以下幾個階段整流階段，續流階段，恢復階段。其整流階段和續流階段與以上圖2分析的工作過程相似，而恢復階段則不同。
如圖10所示，反向恢復開始時，二極體D2中流過的電流為電感L1與Ls1中的電流之和。當反向恢復進入到t1時，二極體D1具備阻斷能力，電感Ls1與Ls2中的電流不能突變，二極體Dr1導通，其路徑如圖11所示Dr1-Ls1-Ls2-D2-C1-Dr1。把電感Ls1與Ls2中的能量儲存在電容C1中，從而避免了在二極體D1上產生反向電壓尖峰。
電容C1中的能量通過附加的升壓電路(如圖9中的L2、Dr3、Q1、C2、Cout組成的電路)流回輸出電容Cout，進而流向負載。
本案的發明除使用升壓變換器之外，也可經由其它變換器將電容中的能量流回變壓器的二次側，或一次側，或被風扇、輔助電源利用。因而本發明等效結構可如圖12所示。
另外，還可將電容C2去掉，經由變換器將電容C1中的能量流回變壓器的一次側，或被風扇、輔助電源等利用。因而本發明等效結構可如圖13所示。
再者，在全橋整流電路中，同樣存在反向恢復問題，可應用本發明的原理。本發明應用於全橋整流電路中的等效結構如圖14所示。
又，在倍流整流電路中，同樣也存在反向恢復問題，亦可應用本發明的原理。本發明應用於倍流整流電路中的等效結構如圖15，16所示。
本發明的技術還可應用在同步整流電路中，功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)開關元件同樣存在反向恢復問題，也可應用本發明的原理。其應用實施例是將圖12、13、14、15、16中的二極體D1，D2變為功率MOSFET開關元件。
綜上所述，本發明可提供一種無損箝位電路，對功率元件兩端的反向電壓尖峰進行箝位控制，並將箝位能量充分利用，大大提高功率變換器的效率。凡本領域的技術人員根據本發明所做的各種等效變化，皆應屬於本發明的權利要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種無損箝位電路，其特徵在於，應用在一功率變換器之中，對該功率變換器的功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該全波整流電路包含一第一整流二極體、一第二整流二極體，一輸出濾波電感以及一輸出濾波電容，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的正極端相互連接形成一共陽極端，負極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一第一箝位電容，其一端電連接於該第一整流二極體的負極端，另一端電連接於該共陽極端；一第二箝位電容，其一端電連接於該輸出濾波電感與該輸出濾波電容的一節點，另一端電連接於該共陽極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該第二箝位電容，其輸出端提供一電源。
2.如權利要求1所述的無損箝位電路，其特徵在於，其中該電源將能量回饋至該變壓器的一次側以及二次側之一。
3.如權利要求1所述的無損箝位電路，其特徵在於，其中該電源做為一輔助電源。
4.如權利要求1所述的無損箝位電路，其特徵在於，其中該變換器電路為一升壓電路。
5.如權利要求4所述的無損箝位電路，其特徵在於，其中該升壓電路包含一電感，其一端電連接該節點；一開關元件，其第一端電連接該電感的另一端，第二端電連接該共陽極端；以及一二極體，其正極端電連接該電感的另一端，其負端電連接該第一整流二極體的負極端。
6.如權利要求5所述的無損箝位電路，其特徵在於，其中該電感為一能量回饋電感，該二極體為一能量回饋二極體以及該開關元件為一能量回饋開關元件。
7.一種無損箝位電路，其特徵在於，應用在一功率變換器之中，對該功率變換器的功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該全波整流電路包含一第一整流二極體、一第二整流二極體，一輸出濾波電感以及一輸出濾波電容，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的正極端相互連接形成一共陽極端，負極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一箝位電容，其一端電連接於該第一整流二極體的負極端，另一端電連接於該共陽極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
8.一種無損箝位電路，其特徵在於，應用在一功率變換器的全橋整流電路中，對該全橋整流電路的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接該全橋整流電路，該無損箝位電路包含一箝位電容，電連接該全橋整流電路的輸出端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
9.一種無損箝位電路，其特徵在於，應用在一功率變換器的倍流電路之中，對該倍流電路的功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該倍流電路包含一第一倍流二極體、一第二倍流二極體，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的正極端相互連接形成一共陽極端，負極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一箝位電容，其一端電連接於該第一倍流二極體與該第二倍流二極體的一節點，另一端電連接於該共陽極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
10.一種無損箝位電路，其特徵在於，應用在一功率變換器的倍流電路之中，對該倍流電路的功率元件兩端的反向電壓進行箝位控制，該功率變換器包含一變壓器，該變壓器的二次側輸出端電連接一全波整流電路，該倍流電路包含一第一倍流二極體、一第二倍流二極體，該無損箝位電路包含兩個箝位二極體，該箝位二極體的負極端相互連接形成一共陰極端，正極端分別與該變壓器的二次側兩端連接；一箝位電容，其一端電連接於該第一倍流二極體與該第二倍流二極體的一節點，另一端電連接於該共陰極端；以及一變換器電路，其輸入端電連接該箝位電容，其輸出端提供一電源。
全文摘要
在功率變換器中，功率元件在開關切換時，電路中的寄生參數會使功率元件兩端的反向電壓出現尖峰，因而必須選擇額定參數高的功率元件，從而造成效率的降低。本發明提供了一種簡單的輔助電路，對功率元件兩端的反向電壓尖峰進行箝位控制，並將箝位能量充分利用，大大提高功率變換器的效率。
文檔編號H02M7/06GK1592066SQ0315555
公開日2005年3月9日 申請日期2003年8月28日 優先權日2003年8月28日
發明者應建平, 劉騰, 郭興寬, 曾劍鴻, 傅玥 申請人:臺達電子工業股份有限公司