全橋式軟切換轉換器及其驅動方法
2023-12-02 13:39:56 2
專利名稱：全橋式軟切換轉換器及其驅動方法
技術領域：
本發明公開了一種全橋式軟切換(soft switching)轉換器及其驅動方法，特別是涉及一種使用零電壓切換技術並且使循環電流導通於兩n通道金氧半場效電晶體所形成的迴路的全橋式軟切換轉換器及其驅動方法，以驅動諸如冷陰極燈管或信號輸出裝置等負載。
背景技術：
為了滿足電子產品在高頻操作時能夠兼顧低切換損失與高效率的需求，軟切換技術已經成為功率控制晶片產業的主流技術。
公知的全橋式軟切換轉換器如圖1所示。該全橋式軟切換轉換器包括四個n通道金氧半場效電晶體QAN、QBN、QCN、QDN、以及一變壓器TX。其中，電晶體QAN、QCN分別連接到一輸入電壓源Vin；電晶體QAN、QBN之間的節點VAB以及電晶體QCN、QDN之間的節點VCD連接到變壓器TX的一次側，而變壓器TX的二次側耦接到負載L。該負載L同時連接到一第一二極體D1的負端以及一第二二極體D2的正端。該第一二極體D1的正端接地。該第二二極體D2的負端則通過一反饋電阻RS接地。
圖2提供了另一種全橋式軟切換轉換器，其除了QAP、QCP與採用p通道金氧半場效電晶體(p-channel MOSFET)之外，其餘部分與圖一相同。
圖2也顯示了用以驅動電晶體QAP、QBN、QCP、QDN的柵極驅動信號。在圖2中，第一柵極驅動信號Drive_A與第二柵極驅動信號Drive_B為同相位且其工作周期(duty cycle)均大約為50％。為了確保零電壓切換，第二柵極驅動信號Drive_B的工作周期略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，使得該兩柵極驅動信號之間存在有一段導通死寂時間(turn-on dead time)。另外，第三柵極驅動信號Drive_C與該第四柵極驅動信號Drive_D為同相位且其工作周期均大約為50％。為了確保零電壓切換，第四柵極驅動信號Drive_D的工作周期略小於該第三柵極驅動信號Drive_C的工作周期，使得該兩柵極驅動信號之間存在有一段導通死寂時間。
圖2的電路會使得零電壓的循環電流產生在電晶體QAP、QCP之間以及電晶體QBN、QDN之間。然而，p信道電晶體比n信道電晶體的導通特性差，包括遷移率(mobility)、導通電阻與反應時間，影響到功率損耗與操作速度。
因此，需要一種全橋式軟切換轉換器及其驅動方法，以驅動如冷陰極燈管或信號輸出裝置等負載，併兼顧低切換損失與高效率的需求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種全橋式軟切換轉換器及其驅動方法，其使用零電壓切換技術並且使循環電流導通於兩n通道金氧半場效電晶體所形成的迴路，以兼顧低切換損失與高效率的需求。
為了實現上述目的，本發明公開了一種全橋式軟切換轉換器，包括一全橋式電路組態，包括一第一p通道金氧半場效電晶體，具有一第一柵極、一第一漏極與一第一源極，其中該第一柵極接收一第一柵極驅動信號，該第一源極連接到一輸入電壓源；一第一n通道金氧半場效電晶體，具有一第二柵極、一第二漏極與一第二源極，其中該第二柵極接收一第二柵極驅動信號，該第二漏極連接到該第一漏極，該第二源極接地；一第二p通道金氧半場效電晶體，具有一第三柵極、一第三漏極與一第三源極，其中該第三柵極接收一第三柵極驅動信號，該第三源極連接到該輸入電壓源；一第二n通道金氧半場效電晶體，具有一第四柵極、一第四漏極與一第四源極，其中該第四柵極接收一第四柵極驅動信號，該第四漏極連接到該第三漏極，該第四源極接地；其中，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換；以及該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
為了實現上述目的，本發明還公開一種全橋式軟切換驅動方法，包括以下步驟提供一第一柵極驅動信號至一第一p通道金氧半場效電晶體的一第一柵極；提供一第二柵極驅動信號至一第一n通道金氧半場效電晶體的一第二柵極；提供一第三柵極驅動信號至一第二p通道金氧半場效電晶體的一第三柵極；以及提供一第四柵極驅動信號至一第二n通道金氧半場效電晶體的一第四柵極；其中，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號實質為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換；以及該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號實質為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換下面配合附圖和具體實施例對本發明的特徵作詳細說明，但不作為對本發明的限定。
圖1為一公知全橋式軟切換轉換器示意圖；圖2為另一公知全橋式軟切換轉換器及其驅動信號示意圖；圖3為本發明的一具體實施例的全橋式軟切換轉換器及其驅動信號示意圖；以及圖4為本發明另一具體實施例的全橋式軟切換轉換器示意圖。
其中，附圖標記Vin輸入電壓源QANn通道金氧半場效電晶體QAPp通道金氧半場效電晶體QBNn通道金氧半場效電晶體QCNn通道金氧半場效電晶體
QCPp通道金氧半場效電晶體QDNn通道金氧半場效電晶體VAB、VCD節點TX變壓器L 負載R5反饋電阻D1、D2二極體F 濾波電路S 喇叭具體實施方式
請參考圖3，為本發明的一具體實施例的全橋式軟切換轉換器及其驅動信號示意圖。該全橋式軟切換轉換器主要包括一全橋式電路組態。其中該全橋式電路組態包括一第一p通道金氧半場效電晶體QAP，其具有一第一柵極、一第一漏極與一第一源極，其中該第一柵極接收一第一柵極驅動信號Drive_A，該第一源極連接到一輸入電壓源Vin；一第一n通道金氧半場效電晶體QBN，具有一第二柵極、一第二漏極與一第二二源極，其中該第二柵極接收一第二柵極驅動信號Drive_B，該第二漏極連接到該第一漏極，該第二源極接地；一第二p通道金氧半場效電晶體QCP，具有一第三柵極、一第三漏極與一第三源極，其中該第三柵極接收一第三柵極驅動信號Drive_C，該第三源極連接到該輸入電壓源；一第二n通道金氧半場效電晶體QDN，具有一第四柵極、一第四漏極與一第四源極，其中該第四柵極接收一第四柵極驅動信號Drive_D，該第四漏極連接至該第二漏極，該第四源極接地。
本發明具體實施例的全橋式軟切換轉換器還包括一變壓器TX。該變壓器TX具有一一次側以及一二次側，其中該一次側耦接到該第一漏極與該第二漏極之間的一第一節點VAB以及該第三漏極與該第四漏極之間的一第二節點VCD，該二次側耦接到至少一負載L。
第一柵極驅動信號Drive_A與第二柵極驅動信號Drive_B為同相位，第二柵極驅動信號Drive_B的工作周期大於50％且略小於第一柵極驅動信號Drive_A的工作周期，以確保零電壓切換。第三柵極驅動信號Drive_C與第四柵極驅動信號Drive_D為同相位，第四柵極驅動信號Drive_D的工作周期大於50％且略小於第三柵極驅動信號Drive_C的工作周期，以確保零電壓切換。
詳細的說，當第一柵極驅動信號Drive_A與第二柵極驅動信號Drive_B均為低電位時，電晶體QAP導通而電晶體QBN截止；反之，當第一柵極驅動信號Drive_A與第二柵極驅動信號Drive_B均為高電位時，電晶體QAP截止而電晶體QBN導通。同理，當第三柵極驅動信號Drive_C與第四柵極驅動信號Drive_D均為低電位時，電晶體QCP導通而電晶體QDN截止；反之，當第三柵極驅動信號Drive_C與第四柵極驅動信號Drive_D均為高電位時，電晶體QCP截止而電晶體QDN導通。在變壓器TX一次側得到導通於n通道電晶體QBN與QDN所形成迴路的零電壓時的循環電流，且電晶體QAP、QBN、QCP、QDN可降低輸入電壓源Vin的直流電壓需求。
較佳的，該負載L可連接到一反饋電阻Rs，以輸出一反饋電流。圖4為本發明另一具體實施例的全橋式軟切換轉換器示意圖。在圖4中，該全橋式軟切換轉換器主要包括一全橋式電路組態，其通過一濾波電路F而耦接到一信號輸出裝置，如喇叭S。
一般來說，本發明的全橋式軟切換轉換器以及其驅動方法可以用來驅動顯示器產業中常用的背光光源——冷陰極燈管或是喇叭等信號輸出裝置，但並不受限於此。
在本發明的較佳具體實施例中，第一柵極驅動信號Drive_A與第二柵極驅動信號Drive_B為同相位而且該第二柵極驅動信號Drive_B的工作周期大約為75％且略小於第一柵極驅動信號Drive_A的工作周期，使得在兩柵極驅動信號之間存在有一段導通死寂時間，以確保零電壓切換。同理，第三柵極驅動信號Drive_C與第四柵極驅動信號Drive_D為同相位而且該第四柵極驅動信號Drive_D的工作周期大約為75％且略小於第三柵極驅動信號Drive_C的工作周期，使得在兩柵極驅動信號之間存在有一段導通死寂時間，以確保零電壓切換。
此外，在本較佳具體實施例中，第一柵極驅動信號Drive_A與該第三柵極驅動信號Drive_C的相位差為半個周期。
綜上所述，本發明公開了一種全橋式軟切換轉換器及其驅動方法，使用零電壓切換技術並且使循環電流導通於兩n通道金氧半場效電晶體所形成的迴路，可以巧妙利用電子遷移率較大的優點，例如純矽在溫度300K的環境中，電子遷移率μn為1500cm2/V-sec，而空穴的遷移率μp僅為475cm2/V-sec；因此本發明大幅降低電晶體的導通電阻、並且提升電晶體的操作速度，來作為諸冷陰極燈管或信號輸出裝置等負載的驅動電路，兼顧了低切換損失與高效率的需求。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，包括一全橋式電路組態，包括一第一p通道金氧半場效電晶體，具有一第一柵極、一第一漏極與一第一源極，其中該第一柵極接收一第一柵極驅動信號，該第一源極連接到一輸入電壓源；一第一n通道金氧半場效電晶體，具有一第二柵極、一第二漏極與一第二源極，其中該第二柵極接收一第二柵極驅動信號，該第二漏極連接到該第一漏極，該第二源極接地；一第二p通道金氧半場效電晶體，具有一第三柵極、一第三漏極與一第三源極，其中該第三柵極接收一第三柵極驅動信號，該第三源極連接到該輸入電壓源；一第二n通道金氧半場效電晶體，具有一第四柵極、一第四漏極與一第四源極，其中該第四柵極接收一第四柵極驅動信號，該第四漏極連接到該第三漏極，該第四源極接地；其中，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號實質為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換；該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號實質為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
2.根據權利要求1所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，還包括一變壓器，具有一一次側以及一二次側，其中該一次側耦接到該第一漏極與該第二漏極之間的一第一節點以及該第三漏極與該第四漏極之間的一第二節點，該二次側耦接一負載。
3.根據權利要求2所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，該負載系連接至一反饋電阻，以輸出一反饋電流。
4.根據權利要求2所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，該負載為一冷陰極燈管。
5.根據權利要求1所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，還包括一濾波電路，具有一輸入側以及一輸出側，其中該輸入側耦接到該第一漏極與該第二漏極之間的一第一節點以及該第三漏極與該第四漏極之間的一第二節點，該輸出側耦接一信號輸出裝置。
6.根據權利要求5所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，該信號輸出裝置為一喇叭。
7.根據權利要求1所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號實質為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
8.根據權利要求1所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號實質為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
9.根據權利要求1所述的全橋式軟切換轉換器，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第三柵極驅動信號的相位差為半個周期。
10.一種全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，包括以下步驟提供一第一柵極驅動信號至一第一p通道金氧半場效電晶體的一第一柵極；提供一第二柵極驅動信號至一第一n通道金氧半場效電晶體的一第二柵極；提供一第三柵極驅動信號至一第二p通道金氧半場效電晶體的一第三柵極；以及提供一第四柵極驅動信號至一第二n通道金氧半場效電晶體的一第四柵極；其中，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號實質為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換；該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號實質為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
11.根據權利要求10所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，還包括以下步驟提供一具有一一次側以及一二次側的變壓器，該一次側耦接於該第一p通道金氧半場效電晶體與該第一n通道金氧半場效電晶體之間的一第一節點以及該第二p通道金氧半場效電晶體與該第二n通道金氧半場效電晶體之間的一第二節點，而該二次側耦接於一負載。
12.根據權利要求11所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，該負載連接一反饋電阻，以輸出一反饋電流。
13.根據權利要求11所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，該負載為一冷陰極燈管。
14.根據權利要求10所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，還包括以下步驟提供一具有一輸入側以及一輸出側的濾波電路，該輸入側分別耦接於該第一p通道金氧半場效電晶體與該第一n通道金氧半場效電晶體之間的一第一節點以及該第二p通道金氧半場效電晶體與該第二n通道金氧半場效電晶體之間的一第二節點，該輸出側耦接於一信號輸出裝置。
15.根據權利要求14所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，該信號輸出裝置為一喇叭。
16.根據權利要求10所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
17.根據權利要求10所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
18.根據權利要求10所述的全橋式軟切換驅動方法，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第三柵極驅動信號的相位差為半個周期。
19.一種冷陰極燈管的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，包括一全橋式電路組態，包括一第一p通道金氧半場效電晶體，具有一第一柵極、一第一漏極與一第一源極，其中該第一柵極接收一第一柵極驅動信號，該第一源極連接到一輸入電壓源；一第一n通道金氧半場效電晶體，具有一第二柵極、一第二漏極與一第二源極，其中該第二柵極接收一第二柵極驅動信號，該第二漏極連接到該第一漏極，該第二源極接地；一第二p通道金氧半場效電晶體，具有一第三柵極、一第三漏極與一第三源極，其中該第三柵極接收一第三柵極驅動信號，該第三源極連接到該輸入電壓源；一第二n通道金氧半場效電晶體，具有一第四柵極、一第四漏極與一第四源極，其中該第四柵極接收一第四柵極驅動信號，該第四漏極連接到該第三漏極，該第四源極接地；以及一變壓器，具有一一次側以及一二次側，其中該一次側耦接於該第一漏極與該第二漏極之間的一第一節點以及該第三漏極與該第四漏極之間的一第二節點，該二次側耦接於該冷陰極燈管；其中，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換；該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
20.根據權利要求19所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該冷陰極燈管連接到一反饋電阻，以輸出一反饋電流。
21.根據權利要求19所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
22.根據權利要求19所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
23.根據權利要求19所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第三柵極驅動信號的相位差為半個周期。
24.一種信號輸出裝置的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，包括一全橋式電路組態，包括一第一p通道金氧半場效電晶體，具有一第一柵極、一第一漏極與一第一源極，其中該第一柵極接收一第一柵極驅動信號，該第一源極連接到一輸入電壓源；一第一n通道金氧半場效電晶體，具有一第二柵極、一第二漏極與一第二源極，其中該第二柵極接收一第二柵極驅動信號，該第二漏極連接到該第一漏極，該第二源極接地；一第二p通道金氧半場效電晶體，具有一第三柵極、一第三漏極與一第三源極，其中該第三柵極接收一第三柵極驅動信號，該第三源極連接到該輸入電壓源；一第二n通道金氧半場效電晶體，具有一第四柵極、一第四漏極與一第四源極，其中該第四柵極接收一第四柵極驅動信號，該第四漏極連接到該第三漏極，該第四源極接地；以及一濾波電路，具有一輸入側以及一輸出側，其中該輸入側耦接於該第一漏極與該第二漏極之間的一第一節點以及該第三漏極與該第四漏極之間的一第二節點，該輸出側耦接於該信號輸出裝置；其中，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換；該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大於50％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
25.根據權利要求24所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該信號輸出裝置為一喇叭。
26.根據權利要求24所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第二柵極驅動信號為同相位而且該第二柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第一柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
27.根據權利要求24所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該第三柵極驅動信號與該第四柵極驅動信號為同相位而且該第四柵極驅動信號的工作周期大約為75％且略小於該第三柵極驅動信號的工作周期，以確保零電壓切換。
28.根據權利要求24所述的全橋式軟碟機動電路，其特徵在於，該第一柵極驅動信號與該第三柵極驅動信號的相位差為半個周期。
全文摘要
本發明公開了一種全橋式軟切換轉換器及其驅動方法，使用零電壓切換(zero－voltage switching)技術並且使循環電流(circular current)導通於兩n通道金氧半場效電晶體(n－channel MOSFET)所形成的迴路，以驅動如冷陰極燈管(cold cathode fluorescent lamp，CCFL)或信號輸出裝置等負載，併兼顧低切換損失與高效率的需求。
文檔編號H02M7/5387GK1866718SQ200510112578
公開日2006年11月22日 申請日期2005年10月11日 優先權日2005年5月19日
發明者林宋宜 申請人:晨星半導體股份有限公司