專利名稱：半橋共振轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)一種電壓轉(zhuǎn)換器，尤指一種可達(dá)到零電壓轉(zhuǎn)換以及低電能損耗的同步半波整流轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上半橋式轉(zhuǎn)換器為使用二個功率開關(guān)并做正向功率轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器，可適用于較小的變壓器，而高效率電源轉(zhuǎn)換供電器為其開發(fā)追求目標(biāo)，以LLC諧振電路可降低功率切換損失，提升電源轉(zhuǎn)換效率減少能源損失，為目前相關(guān)電源業(yè)界所開發(fā)的產(chǎn)品。
傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器以二極管為二次側(cè)電路電子開關(guān)的組件，由于二極管會產(chǎn)生一可觀的電能損耗，使得轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率無法提升，因此改善二次側(cè)電路的電子開關(guān)，避免大量的電能損耗成為轉(zhuǎn)換器的技術(shù)開發(fā)目標(biāo)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一電壓轉(zhuǎn)換器，利用以晶體管代替二極管組成二次側(cè)的電子開關(guān)，以降低電壓轉(zhuǎn)換的電能損耗。
達(dá)到本發(fā)明目的，本發(fā)明一種半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包含 一次側(cè)繞組； 二次側(cè)繞組，具有第一與第二端點(diǎn)以及一中央端點(diǎn)； 一第一電子開關(guān)，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)連接； 一第二電子開關(guān)，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的第二端點(diǎn)連接； 一第一儲能組件，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述第一電子開關(guān)的第二端點(diǎn)連接； 一第二儲能組件，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述第二電子開關(guān)的第二端點(diǎn)連接；以及 一負(fù)載端，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)同時與前述第一儲能組件的第二端點(diǎn)及第二儲能組件的第二端點(diǎn)連接，前述第二端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的中央端點(diǎn)連接。
其中前述第一電子開關(guān)與前述第二電子開關(guān)的作動關(guān)系為反向，致使前述二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)或第二端點(diǎn)與前述負(fù)載端導(dǎo)通。
其中前述第一電子開關(guān)包含一MOSFET功率晶體管以及一跨接于前述MOSFET功率晶體管的柵極(G)及源極(S)的第三繞組，并且第一電子開關(guān)的第一端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的源極(S)，以及第二端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的漏極(D)。
其中前述第二電子開關(guān)包含一MOSFET功率晶體管以及一跨接于前述MOSFET功率晶體管的柵極(G)及源極(S)的第三繞組，并且第二電子開關(guān)的第一端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的源極(S)，以及第二端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的漏極(D)。
其中前述第一電子開關(guān)的第三繞組與前述第二電子開關(guān)的第三繞組為具有相同圈數(shù)的相同繞組。
其中前述第一儲能組件由一電感并聯(lián)一二極管與一電阻串聯(lián)的組合，使前述電感可經(jīng)由前述二極管與電阻串聯(lián)的組合進(jìn)行釋能，并且第一儲能組件的第一端點(diǎn)是為前述二極管的正極端，第一儲能組件的第二端點(diǎn)是為前述電阻與前述電感結(jié)合的端點(diǎn)。
其中前述第二儲能組件由一電感并聯(lián)一二極管與一電阻串聯(lián)的組合，使前述電感可經(jīng)由前述二極管與電阻串聯(lián)的組合進(jìn)行釋能，并且第二儲能組件的第一端點(diǎn)是為前述二極管的正極端，第二儲能組件的第二端點(diǎn)是為前述電阻與前述電感結(jié)合的端點(diǎn)。
由設(shè)置儲能組件可避免電子開關(guān)因逆向偏壓造成過大的能量損耗，因此可使本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器達(dá)到最低能量損耗的目的。



本發(fā)明的前述目的或特征，將依據(jù)后附的附圖加以詳細(xì)說明，惟需明了的是，后附的附圖及所舉之例，只是做為說明而非在限制或縮限本發(fā)明，其中 圖1為本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器的電路圖； 圖2為已知半橋共振轉(zhuǎn)換器的電路圖； 圖3為已知半橋共振轉(zhuǎn)換器的電流波形圖； 圖4為已知半橋共振轉(zhuǎn)換器于模組1的電流導(dǎo)通路徑圖； 圖5為已知半橋共振轉(zhuǎn)換器于模組2的電流導(dǎo)通路徑圖； 圖6為已知半橋共振轉(zhuǎn)換器于模組3的電流導(dǎo)通路徑圖； 圖7為本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器與已知半橋共振轉(zhuǎn)換器組件導(dǎo)通波形圖； 圖8為使用蕭特基二極管作為電子開關(guān)二極管D+及D-的損耗電流波形圖； 圖9為使用MOSFET功率二極管作為電子開關(guān)二極管D+及D-的損耗電流波形圖； 圖10為本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器的損耗電流波形圖。
實(shí)施方式 雖然本發(fā)明將參閱含有本發(fā)明較佳實(shí)施例的所附圖標(biāo)予以充分描述，但在此描述的前應(yīng)了解熟悉本行技藝的人士可修改本文中所描述的創(chuàng)作，同時獲致本創(chuàng)作的功效。因此，需了解以下的描述對熟悉本行技術(shù)的人士而言為一廣泛的揭示，且其內(nèi)容不在于限制本創(chuàng)作。
參考圖1為本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器的電路圖，該電路包含包含一次側(cè)繞組；二次側(cè)繞組N2，具有第一與第二端點(diǎn)以及一中央端點(diǎn)；一第一電子開關(guān)，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)連接；一第二電子開關(guān)，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的第二端點(diǎn)連接；一第一儲能組件，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述第一電子開關(guān)的第二端點(diǎn)連接；一第二儲能組件，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述第二電子開關(guān)的第二端點(diǎn)連接；以及一負(fù)載端，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)同時與前述第一儲能組件的第二端點(diǎn)及第二儲能組件的第二端點(diǎn)連接，前述第二端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的中央端點(diǎn)連接。
其中，二次側(cè)繞組的第一電子開關(guān)系為一MOSFET功率晶體管Q+與一繞組N3的結(jié)合，而第二電子開關(guān)是為一MOSFET功率晶體管Q-與一繞組N3的結(jié)合，以達(dá)到同步整流的目的，且該第一電子開關(guān)與該第二電子開關(guān)的作動關(guān)系為反向，致使該二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)或第二端點(diǎn)與負(fù)載端導(dǎo)通，以達(dá)到半波整流的目的，并第一電子開關(guān)的繞組N3與第二電子開關(guān)的繞組N3是為具有相同圈數(shù)的相同繞組。
在該第一電子開關(guān)與第二電子開關(guān)分別連接一濾波電感L+、L-，以對從第一電子開關(guān)與第二電子開關(guān)輸出的電流進(jìn)行整流，且為了克服在負(fù)載端的輸出電壓V0與二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)電壓V’之間的壓降，在濾波電感L+并聯(lián)一二極管D+與電阻R+的串聯(lián)組合以形成第一儲能組件，及在濾波電感L-并聯(lián)一二極管D-與電阻R-的串聯(lián)組合以形成第二儲能組件，用以提供濾波電感L+、L-的釋能路徑。
本發(fā)明是改善一傳統(tǒng)半橋式轉(zhuǎn)換器的電能損耗及轉(zhuǎn)換效率，參考圖2為一傳統(tǒng)半橋式轉(zhuǎn)換器的電路架構(gòu)圖，該轉(zhuǎn)換器包含一一次側(cè)電路及一二次側(cè)電路，其中Vd為輸入電壓，V0則為輸出的待測電壓，一次側(cè)繞組N1與二次側(cè)繞組N2的圈數(shù)比為N＝N1/N2。
參考圖3為該半橋式轉(zhuǎn)換器運(yùn)作的波形圖，由于其正半周期及負(fù)半周期為對稱的運(yùn)作模式，因此可將該半橋式轉(zhuǎn)換器以正半周期分為以下幾個作業(yè)模式 模組1(t0-t1) 在模組1的狀態(tài)，晶體管QH及QL皆不導(dǎo)通，令共振電感Lr及磁化電感Lm的初始電流為I0，共振電容Cr的初始電壓為V0，由于I0小于0，因此其電流導(dǎo)通波形如圖4所示，由于磁化電感Lm的跨壓固定為nV0，因此該磁化電感Lm可視為一穩(wěn)定直流電壓源，并該共振電流ILr與共振電容Cr電流為相等，因此可得 且可進(jìn)一步求得共振電感Lr及共振電容Cr的電流及電壓方程式 并根據(jù)該方程式可得圖3時間t0至t1的共振電感Lr及共振電容Cr的電流及電壓波形圖。
其中，因該磁化電感Lm可視為一穩(wěn)定直流電壓源，因此一次側(cè)的共振電感Lr與共振電容Cr可視為共振，其共振頻率為 并得一特性阻抗Z01為 而磁化電感Lm的電流方程式并可推導(dǎo)如下 且該磁化電感Lm的電流的斜率可表示為 根據(jù)該方程式可得圖3時間t0至t1的磁化電感Lm電流波形圖。
當(dāng)共振電流ILr大于0，該共振電流ILr的電流方向反向，因此二極管DH被終止，并該半橋式轉(zhuǎn)換器的工作模式進(jìn)入模式2。
模組2(t1-t2) 在模組2的狀態(tài)，由于共振電流ILr反向，因此晶體管QH導(dǎo)通，其電流導(dǎo)通波形如圖5所示，而模組1相同，該磁化電感Lm可視為一穩(wěn)定直流電壓源，并該共振電流ILr與共振電容Cr電流為相等，因此可得 且可進(jìn)一步求得共振電感Lr及共振電容Cr的電流及電壓方程式 并根據(jù)該方程式可得圖3中時間t1至t2的共振電感Lr及共振電容Cr的電流及電壓波形圖。
且其共振頻率及特性阻抗皆與模組1相同 而磁化電感Lm的電流方程式并可推導(dǎo)如下 且該磁化電感Lm的電流的斜率可表示為 根據(jù)該方程式可得圖3時間t1至t2的磁化電感Lm電流波形圖。
由于二次側(cè)電路的晶體管極性，使得二次側(cè)的電流I2不得反向，因此相對的一次側(cè)電流I1不得小于0，因此當(dāng)共振電流ILr與磁化電流ILm相等時，該半橋式轉(zhuǎn)換器即進(jìn)入模組3。
模組3(t2-t3) 在模組3的狀態(tài)，由于共振電流ILr與磁化電流ILm相等，此時一次側(cè)電流I1為0，其電流波形圖如第六圖所示，共振電感Lr與磁化電感Lm串聯(lián)并與共振電容Cr共振，并可得一電流關(guān)系式 且可進(jìn)一步求得共振電感Lr及共振電容Cr的電流及電壓方程式 并根據(jù)該方程式可得圖3時間t0至t1的共振電感Lr及共振電容Cr的電流及電壓波形圖。
其中，因?yàn)楣舱耠姼蠰r與磁化電感Lm串聯(lián)并與共振電容Cr共振，因此可得一共振頻率 并得一特性阻抗Z02為 而磁化電感Lm的電流方程式并可推導(dǎo)如下 iLm(t)＝iLr(t) 根據(jù)該方程式可得圖3時間t2至t3的磁化電感Lm電流波形圖，且得一次側(cè)電流I1為0，而由于二次側(cè)電流I2與一次側(cè)電流I1是為正比，因此可得 因此可知，于模組3，共振電感Lr與磁化電感Lm的電流皆相等，且其斜率較模組1與模組2為小 當(dāng)一次側(cè)晶體管QH關(guān)閉，模組3即結(jié)束。
參考圖7為本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器與已知半橋共振轉(zhuǎn)換器組件導(dǎo)通情形，在已知半橋共振轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)繞組的電路，由于以二極管D+及D-為電子開關(guān)，因此產(chǎn)生一可觀的電能損耗，以16A的電流為例，參考圖8為使用蕭特基二極管作為電子開關(guān)二極管D+及D-的損耗電流波形圖，其中若是傳統(tǒng)蕭特基二極管，因其順向壓降約為0.5V，因此其功率損失約為 Pd＝VF×IO＝0.5×16＝8W 若是使用低壓降型蕭特基二極管，因其順向壓降約為0.3V，因此其功率損失約為 Pd＝VF×IO＝0.3×16＝4.8W 而以MOSFET場效晶體管Q+及Q-代替二極管D+及D-可大幅降低其電能損耗，參考第九圖為使用MOSFET功率二極管作為電子開關(guān)二極管D+及D-的損耗電流波形圖，其中MOSFET功率晶體管導(dǎo)通的順向壓降約為0.07V，Body Diode導(dǎo)通時的壓降約為0.6V，而MOSFET功率晶體管導(dǎo)通時間約為Body Diode導(dǎo)通時間2倍，因此其功率損失約為 但由于利用MOSFET場效晶體管取代二極管成為電子開關(guān)將面臨一逆向偏壓的問題，在模組3的狀態(tài)下，二次側(cè)電流I2為0，而V’與Vo存在一壓差，使得該MOSFET場效晶體管可能導(dǎo)致逆偏，此逆向偏壓會造成Body Diode導(dǎo)通，致使電能損耗大幅上升，因此本發(fā)明于電子開關(guān)的后串聯(lián)一儲能組件，利用濾波電感L+及L-消除V’與Vo之間所存在的壓差 于該儲能組件利用一電阻串聯(lián)一二極管，D+串聯(lián)R+以及D-串聯(lián)R-，以形成濾波電感L+及L-的釋能路徑，當(dāng)模組3結(jié)束時，濾波電感L+及L-便依D+串聯(lián)R+以及D-串聯(lián)R-的釋能路徑將該電感內(nèi)所儲存的電能釋放，因此本發(fā)明的半橋共振轉(zhuǎn)換器便可克服逆向偏壓造成Body Diode導(dǎo)通的問題，參考圖10為本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器的損耗電流波形圖，其中MOSFET功率晶體管導(dǎo)通的順向壓降約為0.07V，因此其功率損失約為 Pd＝VF×IO＝0.07×16＝1.12W 因此由以上功率損失的數(shù)值比較可知，本發(fā)明半橋共振轉(zhuǎn)換器可達(dá)到最低功率損耗的目的。
在詳細(xì)說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例之后，熟悉該項(xiàng)技術(shù)人士可清楚的了解，在不脫離下述申請專利范圍與精神下進(jìn)行各種變化與改變，且本發(fā)明亦不受限于說明書中所舉實(shí)施例的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包含
一次側(cè)繞組；
二次側(cè)繞組，具有第一與第二端點(diǎn)以及一中央端點(diǎn)；
一第一電子開關(guān)，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)連接；
一第二電子開關(guān)，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的第二端點(diǎn)連接；
一第一儲能組件，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述第一電子開關(guān)的第二端點(diǎn)連接；
一第二儲能組件，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)與前述第二電子開關(guān)的第二端點(diǎn)連接；以及
一負(fù)載端，具有第一及第二端點(diǎn)，前述第一端點(diǎn)同時與前述第一儲能組件的第二端點(diǎn)及第二儲能組件的第二端點(diǎn)連接，前述第二端點(diǎn)與前述二次側(cè)繞組的中央端點(diǎn)連接。
2.如權(quán)利要求1項(xiàng)的半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中前述第一電子開關(guān)與前述第二電子開關(guān)的作動關(guān)系為反向，致使前述二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)或第二端點(diǎn)與前述負(fù)載端導(dǎo)通。
3.如權(quán)利要求1項(xiàng)的半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中前述第一電子開關(guān)包含一MOSFET功率晶體管以及一跨接于前述MOSFET功率晶體管的柵極(G)及源極(S)的第三繞組，并且第一電子開關(guān)的第一端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的源極(S)，以及第二端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的漏極(D)。
4.如權(quán)利要求1項(xiàng)的半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中前述第二電子開關(guān)包含一MOSFET功率晶體管以及一跨接于前述MOSFET功率晶體管的柵極(G)及源極(S)的第三繞組，并且第二電子開關(guān)的第一端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的源極(S)，以及第二端點(diǎn)是為MOSFET功率晶體管的漏極(D)。
5.如權(quán)利要求3項(xiàng)或第4項(xiàng)的半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中前述第一電子開關(guān)的第三繞組與前述第二電子開關(guān)的第三繞組為具有相同圈數(shù)的相同繞組。
6.如權(quán)利要求1項(xiàng)的半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中前述第一儲能組件由一電感并聯(lián)一二極管與一電阻串聯(lián)的組合，使前述電感可經(jīng)由前述二極管與電阻串聯(lián)的組合進(jìn)行釋能，并且第一儲能組件的第一端點(diǎn)是為前述二極管的正極端，第一儲能組件的第二端點(diǎn)是為前述電阻與前述電感結(jié)合的端點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求1項(xiàng)的半橋共振轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中前述第二儲能組件由一電感并聯(lián)一二極管與一電阻串聯(lián)的組合，使前述電感可經(jīng)由前述二極管與電阻串聯(lián)的組合進(jìn)行釋能，并且第二儲能組件的第一端點(diǎn)是為前述二極管的正極端，第二儲能組件的第二端點(diǎn)是為前述電阻與前述電感結(jié)合的端點(diǎn)。
全文摘要
一種半橋共振轉(zhuǎn)換器，包含一次側(cè)繞組；二次側(cè)繞組，具有第一與第二端點(diǎn)以及一中央端點(diǎn)；一第一電子開關(guān)；一第二電子開關(guān)；一第一儲能組件；一第二儲能組件；以及一負(fù)載端，具有第一及第二端點(diǎn)。其中，前述二次側(cè)繞組的第一端點(diǎn)是串聯(lián)前述第一電子開關(guān)及第一儲能組件，而前述二次側(cè)繞組的第二端點(diǎn)是串聯(lián)前述第二電子開關(guān)及第二儲能組件，而前述負(fù)載端的第一端點(diǎn)是同時連接前述第一儲能組件及第二儲能組件，而第二端點(diǎn)是連接前述二次側(cè)繞組的中央端點(diǎn)。
文檔編號H02M3/24GK101174795SQ20061013790
公開日2008年5月7日 申請日期2006年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月30日
發(fā)明者黃明和 申請人:高效電子股份有限公司