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CN103701326A - 直流-直流转换器及其驱动方法 - Google Patents

直流-直流转换器及其驱动方法 Download PDF

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CN103701326A
CN103701326A CN201210473763.9A CN201210473763A CN103701326A CN 103701326 A CN103701326 A CN 103701326A CN 201210473763 A CN201210473763 A CN 201210473763A CN 103701326 A CN103701326 A CN 103701326A
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electrically connected
switching element
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Abstract

本发明公开了一种直流-直流转换器及其驱动方法，该直流-直流转换器包括电能转换电路，用于将一直流输入电压转换为一直流输出电压；以及主动箝位电路，用于柔性切换该电能转换电路的第一主动开关元件及用于回收该电能转换电路的主变压器漏感能量。据此，本发明提供一种能够降低开关元件的切换损耗，并有效地回收漏感能量的直流-直流转换器，能有效提高转换器的转换效率。

Description

直流-直流转换器及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种直流-直流转换器，尤其涉及一种具有主动箝位电路的直流-直流转换器。
背景技术
随着地球上的不可再生能源日益短缺，发展例如太阳能发电系统的可再生的绿色能源刻不容缓，其中，对电能的有效利用更是推动太阳能发电进步的重要关键。隔离式直流-直流转换器因具有升降压调节、电器隔离且可靠度高等特性，广泛地应用于太阳能发电系统等中、低功率转换的场合。
传统功率转换器的功率开关在切换时，使用硬性切换(HardSwitching)，由于变压器的漏电感及线路杂散电容的影响，硬性切换易产生交换损失、噪声、及开关应力等问题。以金氧半场效晶体管(MOSFET)而言，若使用硬性切换方式，在开关元件截止时，漏极-源极(Drain-Source)两端电压会快速窜升而产生一个电压突波，而使该MOFET承受超过正常输入的电压，增加开关元件的电压应力，而在开关元件导通时，开关元件受到MOSFET本身旁路电容影响，因此瞬间导通时会产生比正常电流大的电流突波，而增加功率元件的电流应力。
为了改善硬性切换所带来的问题，发展出利用箝位电路以降低功率开关的电压和电流应力，然而，传统箝位电路的三种实现方式中，RCD箝位电路的回收能量均被其电阻器所吸收，因而降低整体电路的效率；LCD箝位电路虽可达成零电压的柔性切换且具有能量回收效果，然设计上须考虑电感器与电容器的谐振时机，因此不易实现，且在高频、大电流的环境下，其谐振电流将造成电路极高的导通损失；主动箝位电路由主动开关元件与电容器所组成，其设计较为简单，并能达成开关元件的零电压切换、漏感能量回收及抑制开关突波等作用，然而其主动开关元件于每一个切换周期均与转换电路中的主动开关元件互补导通，致使该主动箝位电路的主动开关元件具有较高的切换损失且回收能量的效果不佳，对于中、低容量的转换器，其转换效率无法有效提升。
因此，如何提供一种能够柔性切换且能降低主动箝位电路中主动开关元件的切换损失，并进一步提升能量回收效率的直流-直流转换器，遂成为目前本领域技术人员亟待解决的课题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种直流-直流转换器及其驱动方法，能够降低开关元件的切换损耗，并有效地回收漏感能量的直流-直流转换器，能有效提高转换器的转换效率。
本发明的直流-直流转换器，包括：电能转换电路，用于将一直流输入电压转换为一直流输出电压；以及主动箝位电路，用于柔性切换该第一主动开关元件及回收该电能转换电路的主变压器漏感能量，其中，该电能转换电路包括：主变压器，其具有一次侧绕组与二次侧绕组；及第一主动开关元件，其具有第一源极端点与第一漏极端点，且该第一漏极端点电性连接至该主变压器的一次侧绕组，该主动箝位电路包括：第二被动开关元件，其具有阳极端点与阴极端点，其中，该阳极端点电性连接至该第一主动开关元件的第一漏极端点及该主变压器的一次侧绕组；辅助变压器，其具有一次侧绕组与二次侧绕组，其中，该辅助变压器的一次侧绕组与该第二被动开关元件的阴极端点电性连接；第三被动开关元件，其串联于辅助变压器的二次侧绕组；箝位电容器，其一端点与该辅助变压器的一次侧绕组及该第二被动开关元件的阴极端点电性连接，另一端点与该主变压器的一次侧绕组电性连接；及第二主动开关元件，其具有第二源极端点与第二漏极端点，其中，该第二源极端点与该主变压器的一次侧绕组及该箝位电容器电性连接，该第二漏极端点与该辅助变压器的一次侧绕组电性连接。
本发明还提供一种直流-直流转换器，包括：电能转换电路，用于将一直流输入电压转换为一直流输出电压；以及主动箝位电路，用于于该第一主动开关元件导通时进行柔性切换及回收该电能转换电路的主变压器漏感能量，其中，该电能转换电路包括：主变压器，其具有一次侧绕组、二次侧绕组及三次侧绕组；及第一主动开关元件，其具有第一源极端点与第一漏极端点，且该第一漏极端点电性连接至该主变压器的一次侧绕组，该主动箝位电路包括：第二被动开关元件，其具有阳极端点与阴极端点，其中，该阳极端点电性连接至该第一主动开关元件的第一漏极端点及该主变压器的一次侧绕组，且该阴极端点电性连接至该主变压器的三次侧绕组；箝位电容器，其一端点与该主变压器的三次侧绕组及该第二被动开关元件的阴极端点电性连接，另一端点与该主变压器的一次侧绕组电性连接；及第二主动开关元件，其具有第二源极端点与第二漏极端点，其中，该第二源极端点与该主变压器的一次侧绕组及该箝位电容器电性连接，该第二漏极端点与该主变压器的三次侧绕组电性连接。
本发明又提供一种上述的直流-直流转换器的驱动方法，包括：于该电能转换电路运作期间，检测该箝位电容器与该第二开关元件的阴极端点的交接点与接地点之间的电压差，当该电压差高于预先设定的限定值时，进行第二主动开关的PWM切换，将该箝位电容能量通过该辅助变压器进行能量回收，并将箝位电容能量对应地传送至辅助变压器二次侧绕组。
本发明再提供一种上述的直流-直流转换器的驱动方法，包括：于该电能转换电路运作期间，检测该箝位电容器与该第二开关元件的阴极端点的交接点与接地点之间的电压差，当该电压差高于预先设定的限定值时，进行第二主动开关的PWM切换，将该箝位电容能量通过该主变压器的三次侧绕组进行能量回收，并将箝位电容能量对应地传送至主变压器二次侧绕组。
相较于现有技术，本发明的直流-直流转换器，借由主动箝位电路配合柔性切换的驱动方法，降低开关元件的切换损耗，使转换器在高频切换模式下有效提升其功率密度并缩小磁性元件的体积，并有效地回收漏感能量，因此，能有效地提高转换效率。
附图说明
图1为本发明的直流-直流转换器的一实施例的架构示意图；
图2为本发明的直流-直流转换器的另一实施例的架构示意图；
图3A为本发明的直流-直流转换器的驱动方法的流程图；以及
图3B为本发明的直流-直流转换器的波形图。主要元件符号说明
1，2          直流-直流转换器
10            电能转换电路
11             主动箝位电路
13            低频直流转交流电路Ca            箝位电容器
Caa，Cab       端点
Co            滤波电容器
Coa，Cob       端点
D1            第一被动开关元件
D2            第二被动开关元件
D2a            阳极端点
D2b            阴极端点
D3            第三被动开关元件
Is1             一次侧电流
S1             第一主动开关元件
S1a            第一源极端点
S1b            第一漏极端点
S2            第二主动开关元件
S2a            第二源极端点
S2b            第二漏极端点
S31～S35     步骤
T1             主变压器
T1a            三次侧绕组
T1p            一次侧绕组
T1s            二次侧绕组
T2         辅助变压器
T2p            一次侧绕组
T2s            二次侧绕组
Vca         电压差
VGs1        脉冲频率调变信号
Vsa        脉宽调变信号
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的直流-直流转换器的一实施例的架构示意图。如图所示，本发明的直流-直流转换器1主要包括电能转换电路10以及主动箝位电路11。
该电能转换电路10用于将一直流输入电压转换为一直流输出电压，该电能转换电路10包含具有一次侧绕组T1p与二次侧绕组T1s的主变压器T1、具有第一源极端点S1a与第一漏极端点S1b的第一主动开关元件S1及第一被动开关元件D1。
该第一主动开关元件S1以该第一漏极端点S1b电性连接至该主变压器T1的一次侧绕组T1p，且该第一被动开关元件D1串联于主变压器T1的二次侧绕组T1s，但该二次侧绕组的连接方式并不以此为限。
该主动箝位电路11用于于该第一主动开关元件S1导通时进行柔性切换及用于回收该电能转换电路10的主变压器T1漏感能量，该主动箝位电路11包含具有阳极端点D2a与阴极端点D2b的第二被动开关元件D2、具有一次侧绕组T2p与二次侧绕组T2s的辅助变压器T2、第三被动开关元件D3、具有相对的二端点Caa及Cab的箝位电容器Ca以及具有第二源极端点S2a与第二漏极端点S2b的第二主动开关元件S2。
于该主动箝位电路11中，该第二被动开关元件D2电性连接至该第一主动开关元件S1的第一漏极端点S1b及该主变压器T1的一次侧绕组T1p，该辅助变压器T2的一次侧绕组T2p与该第二被动开关元件D2的阴极端点D2b及该箝位电容器Ca的一端点Caa电性连接，该第二主动开关元件S2的第二源极端点S2a与该主变压器T1的一次侧绕组T1p及该箝位电容器Ca的另一端点Cab电性连接，该第二漏极端点S2b与该辅助变压器T2的一次侧绕组T2p电性连接，且该第三被动开关元件D3串联于辅助变压器T2的二次侧绕组T2s。
于一实施例中，本发明的直流-直流转换器1还包括滤波电容器Co，具有相对的二端点Coa及Cob，其中，一端点Coa与该第一被动开关元件D1及该第三被动开关元件D3电性连接，另一端点Cob与该主变压器T1的二次侧绕组T1s及该辅助变压器T2的二次侧绕组T2s电性连接，以对该直流-直流转换器1的输出讯号进行滤波。
于另一实施例中，直流-直流转换器1还包括控制元件(未图标)，与该第一主动开关元件S1电性连接，并与该第二主动开关元件S2通过例如光耦合器、或隔离变压器等的讯号隔离元件电性连接，以控制该第一主动开关元件S1及该第二主动开关元件S2导通或截止，其中，该控制元件为模拟集成电路或数字集成电路。
于又一实施例中，直流-直流转换器1还包括低频直流转交流电路13，与该主变压器T1的二次侧绕组T1s电性连接，以将该电能转换电路10的输出电压转换为与市电同步的交流输出电压，使太阳能发电系统所产生的直流电能整合至市电的交流电网中，其中，该低频直流转交流电路13为四主动开关元件所组成的桥式电路。
于上述实施例中，该第一及第二主动开关元件S1及S2为功率级金氧半场效晶体管，且该第一至第三被动开关元件D1、D2及D3为二极管。
图2为本发明的直流-直流转换器的另一实施例的架构示意图。如图所示，其与第一实施例的差异在于该直流-直流转换器2中，以主变压器T1的三次侧绕组T1a作为回收及传送该电能转换电路10的主变压器T1漏感能量的线圈，以省略辅助变压器T2及第三被动开关元件D3，能进一步缩小该主动箝位电路11的体积。此外，其它结构大致与第一实施例的直流-直流转换器1相同，故于此不再赘述。
图3A为本发明的直流-直流转换器的驱动方法的流程图及图3B为本发明的直流-直流转换器的波形图。
如图3A所示，本发明的直流-直流转换器的驱动方法的一实施例，如下列步骤S31至S35所示：
于步骤S31中，令该第一主动开关元件S1导通，以令一次侧电流Is1线性上升，将能量储存于该主变压器T1的一次侧绕组T1p中；
于步骤S32中，令该第一主动开关元件S1截止，以令该一次侧电流Is1线性下降，将储存于该主变压器T1的一次侧绕组T1p中的能量传送至该主变压器T1的二次侧绕组T1s，同时该第二被动开关元件D2导通，以将主变压器T1的漏感能量储存于该箝位电容器Ca；
于步骤S33中，待该一次侧电流Is1下降至零时，令该第一主动开关元件S1再导通，以进行柔性切换，重复步骤S31及步骤S32；于步骤S34中，在该电能转换电路10运作期间，检测该箝位电容Ca与该第二被动开关元件D2的阴极端点D2b的交接点与接地点之间的电压差Vca，当该电压差Vca高于预先设定的限定值时，令该第二主动开关元件S2导通，以将该漏感能量储存于该辅助变压器T2的一次侧绕组T2p(若并无辅助变压器T2，则将该漏感能量储存于该主变压器T1的三次侧绕组T1a中)；
于步骤S35中，令该第二主动开关元件S2截止，以将储存于该辅助变压器T2的一次侧绕组T2p的能量(若并无辅助变压器T2，则是将储存于该主变压器T1的三次侧绕组T1a中的能量)对应地传送至该辅助变压器T2的二次侧绕组T2s或(该主变压器T1的二次侧绕组T1s)。
于一实施例中，步骤S34及S35即是于该电能转换电路10运作期间，进行检测该箝位电容器Ca与该第二被动开关元件D2的阴极端点D2b的交接点与接地点之间的电压差Vca，当该电压差Vca高于预先设定的限定值时，进行第二主动开关S2的PWM切换，将该箝位电容能量通过该辅助变压器T2(无辅助变压器T2时即改为通过主变压器T1的三次侧绕组T1a)进行能量回收，并将箝位电容能量对应地传送至辅助变压器T2的二次侧绕组T2s(无辅助变压器T2的二次侧绕组T2s时即改为传送至主变压器T1二次侧绕组T1s)。其限定值电压的检测方式，则可通过电阻分压得到较低电压准位，并经过比较器来判断是否达到限定电压。
于本实施例中，该第一主动开关元件S1及第二主动开关元件S2受到该控制元件(未图标)所发出的脉冲频率调变信号VGs1及脉宽调变信号Vsa控制而导通或截止。
于本实施例中，该限定值依据该第一主动开关的额定耐压裕度来设定，且该第二主动开关元件S2由导通至截止为预先设定的固定时间，但并不以此为限，例如也可持续检测该该第二被动开关元件D2的阴极端点D2b的交接点与接地点之间的电压差Vca，当Vca等于或大于限定电压的磁滞上限值时，导通该第二主动开关元件S2，当该箝位电容器Ca放电完毕而使该电压差Vca等于或小于限定电压的磁滞下限值时，截止该第二主动开关元件S2。
此外，在不同输入电压条件底下，上述直流-直流转换器的驱动方法中，该一次侧电流Is1、脉冲频率调变信号VGs1及脉宽调变信号Vsa与电压差Vca的波形如图3B所示。
综上所述，本发明的直流-直流转换器及其驱动方法利用箝位电容器先回收该主变压器的漏感能量，待到达预先设定的限定值后，再将能量于一次震荡周期中直接由变压器的一次侧绕组传送至二次侧绕组，避免回收能量先寄存于变压器的一次侧绕组振荡，再转换至二次侧绕组的额外损耗，并减少该主动箝位电路中的第二主动开关元件的切换损失，从而提供一种具有高转换效率的直流-直流转换器。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流-直流转换器，包括：
电能转换电路，用于将一直流输入电压转换为一直流输出电压，包括：
主变压器，其具有一次侧绕组与二次侧绕组；及
第一主动开关元件，其具有第一源极端点与第一漏极端点，且该第一漏极端点电性连接至该主变压器的一次侧绕组；以及
主动箝位电路，用于柔性切换该第一主动开关元件及回收该电能转换电路的主变压器漏感能量，包括：
第二被动开关元件，其具有阳极端点与阴极端点，其中，该阳极端点电性连接至该第一主动开关元件的第一漏极端点及该主变压器的一次侧绕组；
辅助变压器，其具有一次侧绕组与二次侧绕组，其中，该辅助变压器的一次侧绕组与该第二被动开关元件的阴极端点电性连接；
第三被动开关元件，其串联于该辅助变压器的二次侧绕组；
箝位电容器，其一端点与该辅助变压器的一次侧绕组及该第二被动开关元件的阴极端点电性连接，另一端点与该主变压器的一次侧绕组电性连接；及
第二主动开关元件，其具有第二源极端点与第二漏极端点，其中，该第二源极端点与该主变压器的一次侧绕组及该箝位电容器电性连接，该第二漏极端点与该辅助变压器的一次侧绕组电性连接。
2.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该转换器还包括低频直流转交流电路，其与该主变压器的二次侧绕组电性连接，用于将该电能转换电路的输出电压转换为与市电同步的交流输出电压。
3.根据权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于，该低频直流转交流电路为四主动开关元件所组成的桥式电路。
4.根据权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该第一及第二主动开关元件为功率级金氧半场效晶体管。
5.一种直流-直流转换器，包括：
电能转换电路，用于将一直流输入电压转换为一直流输出电压，包括：
主变压器，其具有一次侧绕组、二次侧绕组及三次侧绕组；及
第一主动开关元件，其具有第一源极端点与第一漏极端点，且该第一漏极端点电性连接至该主变压器的一次侧绕组；以及
主动箝位电路，用于于该第一主动开关元件导通时进行柔性切换及回收该电能转换电路的主变压器漏感能量，包括：
第二被动开关元件，其具有阳极端点与阴极端点，其中，该阳极端点电性连接至该第一主动开关元件的第一漏极端点及该主变压器的一次侧绕组，且该阴极端点电性连接至该主变压器的三次侧绕组；
箝位电容器，其一端点与该主变压器的三次侧绕组及该第二被动开关元件的阴极端点电性连接，另一端点与该主变压器的一次侧绕组电性连接；及
第二主动开关元件，其具有第二源极端点与第二漏极端点，其中，该第二源极端点与该主变压器的一次侧绕组及该箝位电容器电性连接，该第二漏极端点与该主变压器的三次侧绕组电性连接。
6.根据权利要求5所述的直流-直流转换器，其特征在于，该转换器还包括低频直流转交流电路，其与该主变压器的二次侧绕组电性连接，用于将该电能转换电路的输出电压转换为与市电同步的交流输出电压。
7.根据权利要求6所述的直流-直流转换器，其特征在于，该低频直流转交流电路为四主动开关元件所组成的桥式电路。
8.根据权利要求5所述的直流-直流转换器，其特征在于，该第一及第二主动开关元件为功率级金氧半场效晶体管。
9.一种根据权利要求1所述的直流-直流转换器的驱动方法，包括：
于该电能转换电路运作期间，检测该箝位电容器与该第二开关元件的阴极端点的交接点与接地点之间的电压差，当该电压差高于预先设定的限定值时，进行第二主动开关的PWM切换，将该箝位电容能量通过该辅助变压器进行能量回收，并将箝位电容能量对应地传送至辅助变压器二次侧绕组。
10.一种根据权利要求5所述的直流-直流转换器的驱动方法，包括：
于该电能转换电路运作期间，检测该箝位电容器与该第二开关元件的阴极端点的交接点与接地点之间的电压差，当该电压差高于预先设定的限定值时，进行第二主动开关的PWM切换，将该箝位电容能量通过该主变压器的三次侧绕组进行能量回收，并将箝位电容能量对应地传送至主变压器二次侧绕组。
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