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TW200803141A - Half-bridge resonant converter - Google Patents

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TW200803141A
TW200803141A TW095121870A TW95121870A TW200803141A TW 200803141 A TW200803141 A TW 200803141A TW 095121870 A TW095121870 A TW 095121870A TW 95121870 A TW95121870 A TW 95121870A TW 200803141 A TW200803141 A TW 200803141A
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Description

200803141 九、發明說明： f發明所屬之技術領域】 本發明係有關〜種 壓轉換以及低電能損耗 轉換器，尤指一種可達到零電 同步:半波整流轉換器。 v 【先前技術】 傳統上半橋式轉換界 功率轉換之轉換器，可肩用、、、吏用二個功率開關並做正向 源轉換供電器為其開發^4、於較小之變壓器，而高效率電 功率切換損失，提升‘艟目標’以以諧振電路可降低 相關電源業界所開發之產、^換效率減少能源損失’為目前 傳統的轉換器以二榀 件，由於二極體會產生體為二:人侧電路電子開關之元 轉換效率無法提升耗’使得轉換器之 免大量之電能損耗成==善二次侧電路之電子開關，避 此損粍成為轉換器之技術開發目標。 【發明内容】 我扶本1發明之目的在於提供—電壓轉換器，利用以電晶體 二次側之電子_，科低轉換之電 達到本發明目的之半橋共振轉換器，包含：一次相 :第2:、=，具有第-與第二端點以及-中央端點τ 第-及第m ί 連接，電子開關，具有 端點連接第:端點;;述二次側繞組之第二 弟—端點與前述第-電子開關之第二端點玆1第3 200803141 能元件，呈古楚 ^ 電子Μ _ 一及第二端點，前述第一端點與前述第二 二端：：前端連接；，及一負載端’具有第-及第 點及第端點同時與前述第—儲能元件之第二端 - 丨二儲肊70件之第二端點連接，前述第二端點鱼前辻 -次側繞組之中央端點連接。 ，述 藉由5置儲能元件可避免電子開關因逆向偏壓 匕大之能量損耗，因此可使本發明半橋共振轉換 低能量損耗之目的。 罨幻取
、本發明之前述目的或特徵，將依據後附圖式加以 說明，惟需明瞭的是，後附圖式及所舉之例，祇是兔= 明而非在限制或縮限本發明。 馬說 【實施方式】 雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附 予以充分描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行技蓺 士可修改本文中所描述之創作，同時獲致本創作之二=人 因此，需瞭解以下之描述對熟悉本行技藝之人士而言 廣泛之揭示，且其内容不在於限制本創作。 。-一 • 參考第一圖為本發明半橋共振轉換器之電路圖，診恭 路包含包含：一次侧繞組；二次侧繞組N2，具有第〜^ $ 二端點以及一中央端點；一第一電子開關，具有第〜 二端點，前述第〆端點與前述二次侧繞組之第一端點^ 接；一第二電子開關具有弟一及弟一端點，前述第〜& 點與前述二次側繞組之第二端點連接；一第一儲能元件螭 具有第一及第二端點，前述第一端點與前述第一電子門s 之第二端點連接；〆第^儲能元件，具有第一及第二嶠 前述第一端點與前述第二電子開關之第二端點連接；以及 200803141 一負載端，具有第一及第-嫂赴此^ — 述第-儲能元件之第二端 鞏雷^俨Ο盥結έ第一電子開關係為一 M0SFET功 率電曰曰體Q+與一繞組①之結合， MOSFET功率電晶體— 二，子開關係為一 整流之目的，且兮笛一 ♦、 、"°、、且^之結合，以達到同步 關传為反Θ%子開關與該第二電子開關之作動 負載端導it，、、"° 弟一褴點或第二端點與 負餘W Μ達到+波整流之 =3。與第二電子開關一係為具;相= 在，第-電子開關與第二電子 η’以對從第-電子開關與第二電子開：輸^ 繞組之第-端點電壓出電壓〜與二次侧 本發明孫托装 提供濾波電感ζ+、乙之釋能路徑。 效率，^考第-二一傳統半橋式轉換器之電能損耗及轉換 該轉換i包含二傳統半橋式轉換11之電路架構圖， 入電壓，K則為=電路及一二次側電路，以匕為輸 侧”'之圏數，二=壓’-次側繞…二次 正半半橋式轉換器運作之波形圖，由於其 式轉換器以正丰=為對稱之運作模式，因此可將該半橋 週分為以下幾個作業模式： 7 200803141 模組l: (t〇〜t〇 在模組1的狀態，電晶體&及皆不導通，令共振 電感4及磁化電感之初始電流為&，共振電容&之初 始電壓為，由於小於〇，因此其電流導通波形如第四 圖所示，由於磁化電感乙之跨壓固定為因此該磁化 電感込可視為-穩定直流電壓源，並該共振電流L與共 振電谷CV電流為相等，因此可得：
diL{t) yd hr (^0 ) =KM-K ηνο i可Ϊ一步求得共振_ &及共振電容α之錢及電m 方程式： hM)1 VC, (，μ伶一叱一[令· { 2 nV〇~V^c〇s[®H(i-i〇)]+/〇Z01 sin[i»rl(i-/〇)]|M(f-i〇) 並根據該方程式可得第三圖時心至〇之共振電狀及共 振電容（^之電流及電壓波形圖。f中’因該磁化電感4可視為—歡直流電 :頻=之共振電以與共振電容㈣為共振，其共 ωΓΐ 4lrCr 並得一特性阻抗z07為 8 200803141
而磁化電感之電流方程式並可推導如下： diL (ί) τ, 个a(0=u)+ο-，。） c m 且該磁化電感之電流的斜率可表示為： n.Vo
Sloped — 根據該方程式可得第三圖時間ί0至之磁化電感電流 波形圖。 當共振電流心大於〇，該共振電流L之電流方向反 向，因此一極體被終止，並該半橋式轉換器之工作模 式進入模式2。
dhM) dt 在核組2的狀態，由於共振電流心反向，因此電晶體 2好導通，其電流導通波形如第五圖所示，雨模組〗相同， 該磁化電感尤⑺可視為一穩定直流電壓源，並該共振電流 與共振電各Cr電流為相等，因此可得：
L ^vcM)-~nV0 < Κ’ι)= 〇 且可進一步求得共振電感4及共振電容G之電流及電壓 方程式· 9 200803141 hr(0=—— -sin[0)rl (卜 C A ) jo\ f :..jL —. ytV — —___ 2
<-F； C0S[6>U[U 並根據該方程式可得第三圖中時間至（2之共振電感厶， 及共振電容C；之電流及電壓波形圖。 且其共振頻率及特性阻抗皆與模組1相同： Ζ( οι Μ ^f=
4LrCr 而磁化電感4之電流方程式並可推導如下： W nV0 h
L
L SI〇pe(ILm) 且該磁化電感之電流的斜率可表示為： η · Vo
Lm 根據該方程式可得第三圖時間G至6之磁化電感電流 波形圖。 由於二次侧電路之電晶體極性，使得二次侧之電流/2 • 不得反向，因此相對之一次側電流乃不得小於〇，因此當 共振電流/ir與磁化電流相等時’該半橋式轉換器即進 入模組3。 模組3 : (t2〜t3) 在模組3的狀態5由於共振電流與磁化電流相 等，此時一次侧電流//為0，其電流波形圖如第六圖所示， 共振電感4與磁化電感串聯並與共振電容CV共振’並 可得一電流關係式： 200803141 八)学+ (ί)=句 dt CrW 2 K(t2)-v2 且可進一步求得共振電感4及共振電容cr之電流及電壓 方程式：
W: 72咖[〇^2(卜，2)]_ 2 v2 Ό2
sinkUlU 2 (vd 2 V2 cos^r2(i-iJ]+/2Z〇2si^ 並根據該方程式可得第三圖時間~至〇之共振電感心及共 振電容（^之電流及電壓波形圖。 —其中，因為共振電感心與磁化電感串聯並與共振 電容Cr共振，因此可得一共振頻率： _ 1 ω”2 一
並得一特性阻抗z02為： [Lr + Lm z〇2 叫—ττ~ 之電流方程式並可推導如下: 方程式可得第三圖時間~至^之磁化電感込電流 =雪” ：ί侧電流/;為0 ’而由於二次側電_ 一次侧電流/;係為正比，因此可 L = 0 h n2 11 200803141 因此可知， ’於模組3,
Lc 共振電感4與磁化電感4之電 也1與模組2為小： 當一次侧電晶體&關閉， ，模組3即結束。
波心圖’其巾若是傳統蕭特基二極體，因其順向壓降約為 0.5V，因此其功率損失約為：
Pd = VFxI〇 ^ 0.5x16 = 若是使用低壓降型蕭特基二極體，因其順向壓降約為 0.3V，因此其功率損失約為： =0·3χ16 = 4麗 而以MOSFET場效電晶體及2代替二極體乃+及 φ 乃-可大幅降低其電能損耗，參考第九圖為使用MOSFET功 率二極體作為電子開關二極體D+及从之損耗電流波形 圖，其中MOSFET功率電晶體導通之順向壓降約為 0.07V，Body Diode導通時之壓降約為0.6V，而MOSFET 功率電晶體導通時間約為Body Diode導通時間2倍，因此 其功率損失約為： ^ =〇.〇7xl6x| + 〇.6xl6x| = 3.9r 但由於利用MOSFET場效電晶體取代二極體成為電 12 200803141 子開關將面臨一逆向低厭 “ ㈣之問題，在模組3的狀態下，二 ❿κ’與κ。存在—塵差，使得該腸聊11 能導致逆偏，此逆向偏壓會造成琴心 後ί聯-儲耗大幅上升，因此本發明於電子開關之 間所存在之ϋ 用紐電感ζ+及以肖除广與匕之 继—Κ -Ρ
dt 一 jL 於該儲能元件利用—電阻串聯—二極體，仏串聯 R+以及
姓1及·、’以形成濾波電感L及乙之釋能路徑，當模組3 、、口，= ’濾、波電感及Ζ·便依i^串聯&以及乃串聯及· 之釋l路梭將該電感内所儲存之電能釋放 ，因此本發明之 半橋f振，換器便可克服逆向偏壓造成Body Diode導通 之問題，參考第十圖為本發明半橋共振轉換器之損耗電流 波形圖，其中M0SFET功率電晶體導通之順向壓降約為 〇.〇7V’目此其功率損失約為： =^χ/〇 =0.07x16 = 1.12^ 因此由以上功率損失之數值比較可知，本發明半橋共 振轉換益可達到最低功率損耗之目的。 在詳細說明本發明的較佳實施例之後，熟悉該項技術 人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下 進行各種變化與改變，且本發明亦不受限於說明書中所舉 實施例的實施方式。 13 200803141 【圖式簡單說明】 第一圖為本發明半橋共振轉換器之電路圖； 第二圖為習知丰橋共振轉換器之電路圖； 第三圖為習知半橋共振轉換器之電流波形圖； 第四圖為習知半橋共振轉換器於模組1之電流導通 路徑圖； 第五圖為習知半橋共振轉換器於模組2之電流導通 路徑圖； 第六圖為習知半橋共振轉換器於模組3之電流導通 路徑圖； 第七圖為本發明半橋共振轉換器與習知半橋共振轉 換器元件導通波形圖； 第八圖為使用蕭特基二極體作為電子開關二極體D+ 及之損耗電流波形圖； 第九圖為使用MOSFET功率二極體作為電子開關二 極體及Ζλ之損耗電流波形圖 第十圖為本發明半橋共振轉換器之損耗電流波形圖。 Φ 主要元件符號說明： 無 14

Claims (1)

  1. 200803141 十、申請專利範圍： 1. 一種半橋共振轉換器，包含： 一次侧繞組； 二次側繞組，具有第一與第二端點以及一中央端點； 一第一電子開關，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述二次側繞組之第一端點連接； 一第二電子開關，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述二次侧繞組之第二端點連接； __ 一第一儲能元件，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述第一電子開關之第二端點連接； 一第二儲能元件，具有第一及第二端點，前述第一 端點與前述第二電子開關之第二端點連接；以及 一負載端，具有第一及第二端點，前述第一端點同 時與前述第一儲能元件之第二端點及第二儲能元件之 第二端點連接，前述第二端點與前述二次侧繞組之中央 端點連接。 Φ 2.如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第一電 子開關與前述第二電子開關之作動關係為反向，致使前 述二次侧繞組之第一端點或第二端點與前述負載端導 通。 3·如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第一電 子開關係包含一 MOSFET功率電晶體以及一跨接於前 述MOSFET功率電晶體之閘極(G)及源極（S)的第三繞 組，並且第一電子開關之第一端點係為MOSFET功率 15 200803141 電晶體之源極(S)，以及第二端點係為MOSFET功率電 晶體之汲極(D)。 4. 如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第二電 子開關係包含一 MOSFET功率電晶體以及一跨接於前 -述MOSFET功率電晶體之閘極(G)及源極(S)的第三繞 組，並且第二電子開關之第一端點係為MOSFET功率 電晶體之源極(S)，以及第二端點係為MOSFET功率電 晶體之汲極(D)。 _ 5. 如申請專利第3項或第4項之半橋共振轉換器，其中前 述第一電子開關之第三繞組與前述第二電子開關之第 三繞組係為具有相同圈數之相同繞組。
    6.如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第一儲 能元件係由一電感並聯一二極體與一電阻串聯之組 合，使前述電感可經由前述二極體與電阻串聯之組合進 行釋能，並且第一儲能元件之第一端點係為前述二極體 之正極端，第一儲能元件之第二端點係為前述電阻與前 述電感結合之端點。 7·如申請專利第1項之半橋共振轉換器，其中前述第二儲 能元件係由一電感並聯一二極體與一電阻串聯之組 合，使前述電感可經由前述二極體與電阻串聯之組合進 行釋能，並且第二儲能元件之第一端點係為前述二極體 之正極端，第二儲能元件之第二端點係為前述電阻與前 述電感結合之端點。
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