具有相對較少組件的軟切換直流/直流轉換器的製作方法
2023-04-27 13:59:06 2
專利名稱：具有相對較少組件的軟切換直流/直流轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具軟切換的直流/直流轉換器，特別是涉及一種具有相對較少組件的軟切換直流/直流轉換器。
背景技術：
有關本發明的公知技術一，請參看圖1，該電路由一個輸入電容Ci、一個主電感(main choke)L、一個開關Sm、一個主二極體(main diode)Db及一個輸出電容Cb彼此並聯電連接所構成。其為一傳統的無隔離升壓式直流/直流轉換器(boost DC/DC converter)，屬硬切換(hard-switching)的架構。因此若想提高切換頻率將導致切換損失大幅提升，也因而形成散熱片的尺寸(size)需加大，另外電磁幹擾(EMI)的問題將因切換頻率的提高而日益加劇，為了解決此電磁幹擾問題所須的電磁幹擾濾波器也跟著加大。
有關公知技術二，請參看圖2，即是為了解決公知技術一的缺點所提出的解決方案，其在原架構上多加了三個二極體Dc、Da1與Da2，一共振電感Lr，一變壓器Tr，一共振電容Cr及一輔助開關Sa，通過這些組件的運作，可以獲得軟切換(soft-switching)無切換損失的優點。此無切換損失的優點不但使頻率提高變成可能，也具有降低電磁幹擾及射頻幹擾(RFI)的效果。但其仍有缺點，因其所追加的零件頗多，因此在某些場合的運用下其淨尺寸無法縮小，若能再降低其零件的個數，將可以運用到更廣的範圍並獲得更好的成效。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種具有相對較少組件的軟切換直流/直流轉換器，並可達成降低轉換器的切換損失、縮減轉換器的淨尺寸、降低轉換器的電磁幹擾、提高轉換器的效率以及降低轉換器的相對總成本。
本發明的另一主要目的在於提供一種具有軟切換的直流/直流轉換器，包含一輸入電容；一主電感；一主開關模塊，包括一主開關，具有一第一端、一第二端與一控制端；以及一共振電容，其第一端電連接該主開關的該第二端且其第二端電連接該主開關的該第一端；一具有軟切換的輔助開關模塊，包括一輔助開關，具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端電連接該主電感的一第一端；一共振電感，其第一端電連接該輔助開關的該第二端；以及一共振二極體，其陰極電連接該共振電感的一第二端；一主二極體；以及一輸出電容，其中，該轉換器運用一軟切換方法，自一驅動電路分別輸入一驅動信號至該主開關與該輔助開關的所述控制端，以驅動該主開關與該輔助開關分別於零電壓與零電流時切換，從而使該轉換器不具有切換損失。
根據上述構想，該主開關與該輔助開關為一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、一具有高逆偏電壓的絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)以及一二極體與一絕緣柵雙極性電晶體串聯電連接的組合三者其中之一。
根據上述構想，該共振電容為該主開關的一內建電容及一外加電容二者之一。
根據上述構想，該驅動電路包含一驅動集成電路(driving IC)與一單穩態電路。
根據上述構想，該直流/直流轉換器可為一升壓式直流/直流轉換器(boosting DC/DC converter)。
根據上述構想，該升壓式直流/直流轉換器的該主電感的該第一端電連接該輸入電容的一第一端，該主開關的該第一端電連接該輸入電容的一第二端且該主開關的該第二端電連接該主電感的該第二端，該主二極體的一陽極電連接該主電感的該第二端且其陰極電連接該輸出電容的一第一端，以及該輸出電容的一第二端電連接該輸入電容的該第二端。
根據上述構想，該直流/直流轉換器可為一降壓式直流/直流轉換器(buckDC/DC converter)。
根據上述構想，該降壓式直流/直流轉換器的該主開關的該第二端電連接該輸入電容的一第一端，該主電感的該第一端電連接該主開關的該第一端且該主電感的該第二端電連接該輸出電容的一第一端，以及該主二極體的一陰極電連接該主電感的該第一端且其陽極電連接該輸入電容的一第二端與該輸出電容的一第二端。
根據上述構想，該直流/直流轉換器為一降壓及升壓式直流/直流轉換器(buck-boost DC/DC converter)。
根據上述構想，該降壓及升壓式直流/直流轉換器的該主開關的該第二端電連接該輸入電容的一第一端，該主電感的該第一端電連接該主開關的該第一端且該主電感的該第二端電連接該輸入電容的一第二端，該主二極體的一陰極電連接該主電感的該第一端且其陽極電連接該輸出電容的一第二端，以及該輸出電容的一第一端電連接該輸入電容的該第二端。
本發明提供的具有相對較少組件的軟切換直流/直流轉換器，可獲得如下優點，即降低轉換器的切換損失、縮減轉換器的淨尺寸(不只是主要的磁性組件而且包括散熱片及為了達成軟切換所須追加的所有組件均能減少尺寸)、降低轉換器的電磁幹擾、提高轉換器的效率以及降低轉換器的相對總成本(具有比上述公知技術二相對較低的製造與運輸等的總成本結構)。
本發明的前述及其它優點與特徵，通過下面的實施例配合下列附圖的詳細說明，將得以更深入的了解。
圖1顯示傳統的無隔離升壓式直流/直流轉換器的電路示意圖；圖3顯示常用的另一種升壓式直流/直流轉換器的電路示意圖；圖3顯示本發明第一較佳實施例具有軟切換的升壓式直流/直流轉換器的電路示意圖；圖4顯示本發明第一較佳實施例的脈寬調變集成電路的輸出信號以及升壓式直流/直流轉換器的輔助開關與主開關的驅動信號、共振電容電壓波形與共振電感電流波形的示意圖；圖5至圖10顯示本發明第一較佳實施例具有軟切換的升壓式直流/直流轉換器各電路運作模式的等效電路圖；圖11顯示本發明第二較佳實施例具有軟切換的降壓式直流/直流轉換器的電路示意圖；以及圖12顯示本發明第三較佳實施例具有軟切換的降壓及升壓式直流/直流轉換器的電路示意圖。
圖中1具有軟切換的直流/直流轉換器11主開關模塊12具有軟切換的輔助開關模塊具體實施方式
請參看圖3，其為本發明第一較佳實施例具有軟切換的(升壓式)直流/直流轉換器1的電路示意圖，現將其架構與運作原理分述如下。
圖3中該具有軟切換的(升壓式)直流/直流轉換器1，其包含前述具有軟切換的直流/直流轉換器的基本組件一輸入電容Ci；一主電感L；一主開關模塊11，包括一主開關Sm(一MOSFET)，具有一第一端(源極)、一第二端(漏極)與一控制端(柵極)；以及一共振電容Cr，其第一端電連接該主開關Sm的該第二端且其第二端電連接該主開關Sm的該第一端；一具有軟切換的輔助開關模塊12，包括一輔助開關Sa(一MOSFET)，具有一第一端(源極)其電連接該主電感L的一第一端、一第二端(漏極)與一控制端(柵極)；一共振電感Lr，其第一端電連接該輔助開關Sa的該第二端；以及一共振二極體Dr，其陰極電連接該共振電感L的一第二端且其陽極電連接該主電感L的一第二端；一主二極體Db；以及一輸出電容Cb。其中，該主電感L的該第一端電連接該輸入電容Ci的一第一端，該主開關模塊Sm的該第一端電連接該輸入電容Ci的一第二端且該主開關模塊Sm的該第二端電連接該主電感L的該第二端，該主二極體Db的一陽極電連接該主電感L的該第二端且其陰極電連接該輸出電容Cb的一第一端，以及該輸出電容Cb的一第二端電連接該輸入電容Ci的該第二端。此外，該轉換器1運用一軟切換方法，自一驅動電路(可為一脈寬調變集成電路PWMIC，圖中未顯示)分別輸入一驅動信號(圖中未顯示)至該主開關Sm與該輔助開關Sa的所述控制端，以驅動該主開關Sm與該輔助開關Sa分別於零電壓與零電流時切換，從而使該轉換器1不具有切換損失。
該主開關Sm與該輔助開關Sa可為一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、一具有高逆偏電壓的絕緣柵雙極性電晶體(IGBT)以及一二極體與一絕緣柵雙極性電晶體串聯電連接的組合三者其中之一。該共振電容Cr可為主開關Sm的雜散電容，即一內建電容，或可為一外加電容。而該驅動電路包含一驅動集成電路(driving IC)與一單穩態電路。
通過上述第一較佳實施例中這些組件的運作，可以獲得如前述的諸多優點；即轉換器切換損失的降低、轉換器淨尺寸的小型化、轉換器電磁幹擾的降低、轉換器效率的提高以及轉換器總成本的相對降低等。
圖3所示第一較佳實施例的具有軟切換的(升壓式)直流/直流轉換器1，其與圖1所示傳統無隔離升壓式的直流/直流轉換器的主要差異在於其多增加了一個單向開關Sa，一共振電感Lr及一個共振電容Cr。
在就本發明所提出第一較佳實施例(如圖3所示)的具有軟切換(升壓式)直流/直流轉換器1的工作原理進行分析介紹前，作以下幾個假設1.每個開關(Sm與Sa)及二極體(Db與Dr)均為理想狀態。
2.主電感L的電感值甚大，在一個切換周期內可視流經其上的電流iL為一定值(a constant)。
3.輸入電壓Vi＜(1/2)輸出電壓Vo，所以主開關Sm須在零電壓時切換的要求可以確保達成。
有關上述第三項假設，若在理想狀態下則Vi＝(1/2)Vo，而VCr可被釋放到零，但是因有其它線阻致無法達成此理想狀態，因此僅能做到Vi＜(1/2)Vo。
以下則針對上述圖3中所示本發明第一較佳實施例的架構，依各開關切換的動作原理與順序將其區分為模式1至模式6(在模式6之後又回到模式1，重新開始另一個循環)，並按圖4至圖10的順序說明本發明各電路運作模式的動作原理。
圖4為本發明中第一較佳實施例的脈寬調變集成電路輸出信號(PWMICoutput)以及(升壓式)直流/直流轉換器的輔助開關(Sa)與主開關(SM)的驅動信號、共振電容電壓(Vcr)與共振電感電流(iLr)的波形示意圖。其中，SM與Sa等兩開關的驅動信號，可以由脈寬調變集成電路附加一些電路，如驅動集成電路及單穩態電路而獲得。在圖4中，按橫軸所標示的時間區隔，在T1-T2之間為模式1(Mode 1)，在T2-T3之間為模式2(Mode 2)，在T3-T4之間為模式3(Mode 3)，在T4-T5之間為模式4(Mode 4)，在T5-T6之間為模式5(Mode5)，在T6(即T0)與T1之間為模式6(Mode 6)，在T1-T2之間又回復到模式1(Mode 1)，即自模式1起又開始一個新的循環。
請參看圖5，其為模式1(Mode 1)的動作原理的等效電路圖。此模式1始於輔助開關Sa導通(turn on)時，由於輔助開關Sa串接共振電感Lr的關係，因此輔助開關Sa得以在導通之時，處於零電流的狀態。在這模式1期間，流經共振電感上的電流iLr，呈線性方式上升，其方程式可以描述如下iLr=(V0-Vi)Lrt]]>上述方程式中，Vo為輸出電壓值，Vi為輸入電壓值，Lr為共振電感值，t為時間值。
請參看圖6，其為模式2(Mode 2)的動作原理的等效電路圖。此模式始於當iLr＝iL時，此時主二極體Db平穩地關斷(smoothly turn off)於零電流狀態。當主二極體Db平穩地關斷時，共振電容Cr的電壓值VCr(初始值V0)通過共振電感Lr開始產生共振，此模式2止於共振電容Cr的能量共振至零時。
請參看圖7，其為模式3(Mode 3)的動作原理的等效電路圖。此模式3始於該主開關Sm(即該金屬氧化物半導體場效應電晶體)的體二極體(bodydiode)導通時，儲存於共振電感Lr的能量將線性地回送電流至輸入端。在此模式3期間導通(turn on)主開關Sm(該金屬氧化物半導體場效應電晶體)，即可獲得使該主開關Sm在零電壓狀態下導通而無切換損失之優點。在此模式3中，流經共振電感Lr上的電流可以下列方程式表達iLr=ViLrt]]>其中，Vi為輸入電壓值，Lr為共振電感值，t為時間值。
請參看圖8，其為模式4(Mode 4)的動作原理的等效電路圖。此模式4始於共振電感Lr的能量釋放至零時，在此模式4期間，主電感L處於充電狀態，這一階段與傳統硬切換的脈寬調變升壓式轉換器(PWM boost converter)均相同地處於充電狀態。
當流經共振電感Lri的電流釋放至0時，其自然地被二極體Dr給鎖住(blocking)，因二極體Dr正處於逆偏，而此模式便於此時結束。
請參看圖9，其為模式5(Mode 5)的動作原理的等效電路圖。此模式5始於主開關Sm關斷(turn off)時，此期間流經主電感L上的電流iLr會對共振電容Cr作線性充電，此時共振電容Cr上電壓Vcr的方程式如下Vcr=iLCrt]]>其中，iL為流經主電感L上的電流，Cr為共振電容值，t為時間值。
請參看圖10，其為模式6(Mode 6)的動作原理的等效電路圖。在此模式6的動作模式，主電感L的電流iL流向輸出電容Cb，因而將主電感L及輸入的能量引導放至輸出電容Cb及負載RL。這一階段模式6與傳統的脈寬調變升壓式轉換器(PWM boost converter)均處於放電模式，屬相同的動作原理。
至於模式6之後，因其同於模式1，因此自模式6之後起又開始一個新的循環。
本發明所揭示的具有軟切換的直流/直流轉換器，除了應用於升壓式直流/直流轉換器之外，也可應用於降壓式直流/直流轉換器。請參看圖11，其為本發明應用於降壓式直流/直流轉換器的第二較佳實施例的電路架構圖。該具有軟切換的(降壓式)直流/直流轉換器1也包含有前述具有軟切換的直流/直流轉換器的基本組件，但是其各組件如主開關模塊11與具有軟切換的輔助開關模塊12等的連接方式與圖3中第一較佳實施例具有軟切換的(升壓式)直流/直流轉換器1不同。在圖11中，該主開關Sm(一MOSFET)的該漏極端電連接該輸入電容Ci的一第一端，該主電感L的該第一端電連接該主開關Sm的該源極端且該主電感L的該第二端電連接該輸出電容Cb的一第一端，該主二極體Db的一陰極電連接該主電感L的該第一端且其陽極電連接該輸入電容Ci的一第二端以及該輸出電容Cb的一第二端。因為這一第二較佳實施例的電路結構為一降壓式直流/直流轉換器，因此前述有關本發明第一較佳實施例動作原理分析的第三項假設必須更改為(1/2)Vi＜Vo。
此外，本發明所揭示的具有軟切換的直流/直流轉換器也可應用於降壓及升壓式直流/直流轉換器。請參看圖12，其為本發明應用於降壓及升壓式直流/直流轉換器的第三較佳實施例的電路架構圖。該具有軟切換的(降壓及升壓式)直流/直流轉換器1也包含有前述具有軟切換的直流/直流轉換器的基本組件，但是其各組件如主開關模塊11與具有軟切換的輔助開關模塊12等的連接方式與圖3及圖11中第一與第二較佳實施例的該升壓式與該降壓式直流/直流轉換器不同。請參看圖12，其中該主開關Sm(一MOSFET)的該漏極端電連接該輸入電容Ci的一第一端，該主電感L的該第一端電連接該主開關Sm的該源極端且該主電感L的該第二端電連接該輸入電容Ci的一第二端，該主二極體Db的一陰極電連接該主電感L的該第一端且該主二極體Db的陽極電連接該輸出電容Cb的一第二端以及該輸出電容Cb的一第一端電連接該輸入電容Ci的該第二端。因為圖12中的電路結構為一降壓及升壓式直流/直流轉換器，因此前述有關本發明第一較佳實施例動作原理分析的第三項假設也必須更改為Vi＜Vo。
由上述的說明可知，本發明的具有軟切換的直流/直流轉換器的特點為其自一驅動電路輸入一驅動信號以控制該主開關與該輔助開關做軟切換，且在該主開關處於零電壓與該輔助開關處於零電流的狀態時予以啟閉，並因降低切換損失而可採用較小的磁性組件。因此，本發明提供一種具有相對較少組件的軟切換直流/直流轉換器，並可獲得降低轉換器的切換損失、縮減轉換器的淨尺寸、降低轉換器的電磁幹擾、提高轉換器的效率以及降低轉換器的相對總成本等優點。。
因此，由本發明的上述實施例的詳細描述可由本領域技術人員獲得各種修飾及改型，然而這些修飾與改型均應包含於本發明所申請的專利範圍之內。
權利要求
1.一種具有軟切換的直流/直流轉換器，包含一輸入電容；一主電感；一主開關模塊，包括一主開關，具有一第一端、一第二端與一控制端；以及一共振電容，其第一端電連接該主開關的該第二端且其第二端電連接該主開關的該第一端；一具有軟切換的輔助開關模塊，包括一輔助開關，具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端電連接該主電感的一第一端；一共振電感，其第一端電連接該輔助開關的該第二端；以及一共振二極體，其陰極電連接該共振電感的一第二端且其陽極電連接該主電感的一第二端；一主二極體；以及一輸出電容，其中，該轉換器運用一軟切換方式，自一驅動電路分別輸入一驅動信號至該主開關與該輔助開關的所述控制端，以驅動該主開關與該輔助開關分別於零電壓與零電流時切換。
2.如權利要求1所述的轉換器，其中該主開關與該輔助開關為金屬氧化物半導體場效應電晶體、一具有高逆偏電壓的絕緣柵雙極性電晶體及一二極體與一絕緣柵雙極性電晶體串聯電連接的組合三者其中之一。
3.如權利要求1所述的轉換器，其中該共振電容為該主開關的一內建電容及一外加電容二者之一。
4.如權利要求1所述的轉換器，其中該驅動電路包含一驅動集成電路與一單穩態電路。
5.如權利要求1所述的轉換器，其中該直流/直流轉換器為一升壓式直流/直流轉換器。
6.如權利要求5所述的轉換器，其中該主電感的該第一端電連接該輸入電容的一第一端，該主開關的該第一端電連接該輸入電容的一第二端且該主開關的該第二端電連接該主電感的該第二端，該主二極體的一陽極電連接該主電感的該第二端且其陰極電連接該輸出電容的一第一端，以及該輸出電容的一第二端電連接該輸入電容的該第二端。
7.如權利要求1所述的轉換器，其中該直流/直流轉換器為一降壓式直流/直流轉換器。
8.如權利要求1所述的轉換器，其中該主開關的該第二端電連接該輸入電容的一第一端，該主電感的該第一端電連接該主開關的該第一端且該主電感的該第二端電連接該輸出電容的一第一端，以及該主二極體的一陰極電連接該主電感的該第一端且其陽極電連接該輸入電容的一第二端與該輸出電容的一第二端。
9.如權利要求1所述的轉換器，其中該直流/直流轉換器為一降壓及升壓式直流/直流轉換器。
10.如權利要求7所述的轉換器，其中該主開關的該第二端電連接該輸入電容的一第一端，該主電感的該第一端電連接該主開關的該第一端且該主電感的該第二端電連接該輸入電容的一第二端，該主二極體的一陰極電連接該主電感的該第一端且其陽極電連接該輸出電容的一第二端，以及該輸出電容的一第一端電連接該輸入電容的該第二端。
全文摘要
本發明公開一種具有相對較少組件的軟切換直流/直流轉換器，其包含一輸入電容；一主電感；一主開關模塊，包括一主開關以及一共振電容並聯電連接該主開關；一輔助開關模塊，並聯電連接該主電感，包括一輔助開關、一共振電感，串聯電連接該輔助開關、與一共振二極體，其陰極串連電連接該主開關；一主二極體；以及一輸出電容。其中，該轉換器自一驅動電路輸入一驅動信號以控制該主開關與該輔助開關做軟切換，使該轉換器不具有切換損失。
文檔編號H02M3/06GK1713497SQ20041006184
公開日2005年12月28日 申請日期2004年6月25日 優先權日2004年6月25日
發明者張育銘 申請人:臺達電子工業股份有限公司