专利名称：具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器的制作方法
技术领域：
本发明有关一种脉宽调变升压式转换器，尤指应用一主动能源泄放槽电路的脉宽调变升压式转换器。
(2)背景技术图1为习知的脉宽调变(PWM)升压式转换器(Boost Converter)100。当一主开关101导通(on)时，一全波整流器102输出的一直流电源在一主电感103上累积能量，此时一主二极管104反向偏压。当该主开关101截止(off)时，负载吸收输入及储存于该主电感103的电能，假设该主电容105非常大，理论上，该主开关101会快速且周期性地导通与关闭(on-off)，使该主电感103累积能量，随时对该主电容105补充能量，则该主电容105即可维持一固定电压，不受负载变化的影响。
然而，这种升压式转换器(Boost Converter)在该主开关101切换时，该主二极管104的逆回复电流(reverse recovery current)，使得该主开关101及该主二极管104产生严重的切换损失，以致无法提高切换频率来降低此种升压式转换器的电感器的尺寸。请参阅图2，图2为针对上述缺点而提出的另一习用技术，该脉宽调变升压式转换器200基本上是在一主二极管204与一主开关201的一连接点上另加一支路，该支路具有一辅助电感206及一辅助开关207可以消除该主二极管204的逆向回复电流。当该辅助开关207导通时，将一主电源Vs的电能储存于该辅助电感206，并促使该主开关201的一并联电容208的电能完全放电而储存于该辅助电感206，并使该主开关201可以在零电压时导通(turn on)。然而，当该辅助开关207关闭时，该辅助电感206的电能再经由一二极管209对一电容205放电。因此可以解决图1中该主开关101及该主二极管104的切换损失，但该辅助开关207本身的切换损失(off时)却仍然存在，且会产生电磁干扰(EMI)及射频干扰(RFI)等问题的发生。其中，该脉宽调变升压式转换器200还包括一全波整流器202，利用该全波整流器202将一交流电波整流而得一直流电压，作为该脉宽调变升压式转换器200的一主电源，使该主电源能在一主电感203上累积能量。
(3)发明内容本发明的主要目的在于提供一种具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器，利用一共振电路使该直流-直流转换器的一主开关可于一近似零电压时导通，以及利用一主动能源泄放槽电路使该共振电路的一单向开关可于一近似零电流时关闭，以减少该直流-直流转换器的切换损失。
根据本发明的第一构想，该直流-直流转换器包括一升压转换电路，包括一主开关，该升压转换电路电连接一第一直流电压，利用该主开关的切换导通与关闭，而将该第一直流电压升压产生一第二直流电压；一共振电路，该共振电路包括一单向开关、一共振电容以及一变压器的一第一线圈，该共振电路使该升压转换电路的该主开关可于一近似零电压时导通；以及一主动能源泄放槽电路，它与该变压器的该第一线圈具有磁通连接，将该共振电路的该变压器的电感能量泄放近似于零，使该共振电路的该单向开关可于一近似零电流时关闭。
根据上述的构想，其中该升压转换电路还包括一主电感、一主二极管以及一主电容，当该主开关导通时，该第一直流电压对该主电感充电，此时，该主二极管截止；当该主开关截止时，此时，该主二极管导通，该第一直流电压以及该主电感的电压对该主电容充电，产生该第二直流电压。
根据上述的构想，其中该主电感是与该主开关的一第一导电端以及该主二极管的正极端电连接于一第一节点，该主电感的另一端电连接该第一直流电压。
根据上述的构想，其中该主二极管的一负极端与该主电容的正极端电连接于一第二节点，且该第二节点为该第二直流电压的一输出端。
根据上述的构想，其中该主开关的一第二导电端与该主电容的负极端电连接于一第三节点。
根据上述的构想，其中该主动能源泄放槽电路为一推挽式直流-直流转换器，它包括一第一开关，具有一第一导电端，它串联连接该变压器的一第二线圈的一端，该变压器的该第二线圈的另一端电连接该第二节点，以及一第二导电端电连接该第三节点；一第二开关，具有一第一导电端，它串联连接该变压器的一第三线圈的一端，该变压器的该第三线圈的另一端电连接该第二节点，以及一第二导电端电连接该第三节点；以及一整流电路，它包括该变压器的一二次侧线圈，具有一第一端、一第二端以及一中间抽头；一第一二极管，其一正极电连接该二次侧线圈的该第一端；一第二二极管，其一正极电连接该二次侧线圈的该第二端，其负极电连接该第一二极管的该一负极；以及一第一电容，其正端电连接该第一二极管以及该第二二极管的共负极端，其负端电连接该二次侧线圈的该中间抽头。
根据上述的构想，其中该共振电路还包括一第三二极管。
根据上述的构想，其中该第三二极管的一负极是串联连接该变压器的该第一线圈的一端，且该变压器的该第一线圈的另一端是串联连接该单向开关的一第一导电端，且该第三二极管的正极与该单向开关的一第二导电端并联连接该主开关以及该共振电容。
根据上述的构想，其中该变压器为一具有漏感的变压器。
根据上述的构想，其中该共振电路还包括一共振电感，它串联连接于该第一线圈以及该第三二极管之间。
根据上述的构想，其中该主动能源泄放槽电路为一推挽式直流-直流转换器。
根据上述的构想，其中该主动能源泄放槽电路为一全桥式直流-直流转换器。
根据本发明的第二构想，该直流-直流转换器包括一升压转换电路，它包括一主开关，该升压转换电路电连接一第一直流电压，利用该主开关的切换导通与关闭，而将该第一直流电压升压产生一第二直流电压；一共振电路，该共振电路包括一单向开关、一共振电容、一共振电感以及一变压器的一第一线圈，该共振电路是使该升压转换电路的该主开关可于一近似零电压时导通；以及一主动能源泄放槽电路，是与该变压器的该第一线圈具有磁通连接，将该共振电路的该变压器的电感能量泄放近似于零，使该共振电路的该单向开关可于一近似零电流时关闭。
为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)
图1是习知脉宽调变(PWM)升压式转换器(Boost Converter)；图2是习知改良式脉宽调变(PWM)升压式转换器(Boost Converter)；图3是本发明第一较佳实施例的具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器的电路示意图；图4a~4h是本发明第一较佳实施例的具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器的电路动作示意图；以及图5是本发明第二较佳实施例的具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器的电路示意图。
(5)具体实施方式
请参阅图3，它是本发明第一较佳实施例的具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器的电路示意图。如图3所示，一种直流-直流转换器300包括一升压转换电路、一共振电路306、一主动能源泄放槽电路307。该升压转换电路电连接一第一直流电压V1，利用一主开关301的切换导通与关闭，而将该第一直流电压V1升压产生一第二直流电压V2。其中，该第一直流电压V1是由一交流电经一全波整流器302与一电容整流滤波而得，就本发明而言，该第一直流电压V1可为一具有电压涟波的直流电压，或是一平滑无电压涟波的直流电压。
而该升压转换电路还包括一主电感303、一主二极管304以及一主电容305，当该主开关301导通时，该第一直流电压V1对该主电感303充电，此时，该主二极管304截止；当该主开关301截止时，此时，该主二极管304导通，该第一直流电压V1以及该主电感303的电压是对该主电容305充电，产生该第二直流电压V2。
其中，该主电感303是与该主开关301的一第一导电端以及该主二极管304的一正极端电连接于一第一节点N1，该主电感303的另一端电连接该第一直流电压V1。该主二极管304的一负极端与该主电容305的正极端电连接于一第二节点N2，且该第二节点N2为该第二直流电压V2的一输出端。该主开关301的一第二导电端与该主电容305的一负极端电连接于一第三节点N3。
另外，该共振电路306包括一单向开关3061、一共振电容3062、一变压器Tra的一第一线圈3063以及一第三二极管3065。该共振电路306是使该升压转换电路的该主开关301可于一近似零电压时导通。其中，该第三二极管3065的一负极是串联连接该变压器Tra的该第一线圈3063的一端，且该变压器Tra的该第一线圈3063的另一端是串联连接该单向开关3061的一第一导电端，且该第三二极管3065的正极与该单向开关3061的一第二导电端并联连接该主开关301以及该共振电容3062。该共振电路306还包括一共振电感3064，它串联连接于该第一线圈3063以及该第三二极管3065之间。然而，该变压器Tra可为一具有漏感的变压器，则无需使用该共振电感。且该变压器Tra可为一单一变压器，亦可为两个不同变压器所连接组成。该单向开关3061可为不同形式的组合，如一IGBT或是一MOSFET串接一二极管等方式。
然而，该主动能源泄放槽电路307，可为一推挽式直流-直流转换器，可作为一主电源或是一辅助电源。该主动能源泄放槽电路307使该升压式转换器的主开关与该变压器Tra的该第一线圈3063具有磁通连接，将该共振电路306的该变压器的电感能量泄放近似于零，使该共振电路306的该单向开关3061可于一近似零电流时关闭。
其中，该主动能源泄放槽电路307包括一第一开关3071、一第二开关3072以及一二极管整流电路。该第一开关，具有一第一导电端，它串联连接该变压器的一第二线圈3073的一端，该变压器的该第二线圈3073的另一端是电连接该第二节点N2，以及一第二导电端是电连接该第三节点N3。该第二开关3072，具有一第一导电端，它串联连接该变压器的一第三线圈3074的一端，该变压器的该第三线圈3074的另一端是电连接该第二节点N2，以及一第二导电端是电连接该第三节点N3。以及，该二极管整流电路，包括该变压器Tra的一二次侧线圈3075、一第一二极管3076、一第二二极管3077以及一第一电容3078。该变压器Tra的该二次侧线圈3075，具有一第一端、一第二端以及一中间抽头。该第一二极管3076，其一正极是电连接该二次侧线圈3075的该第一端。该第二二极管3077，其正极是电连接该二次侧线圈3075的该第二端，其负极是电连接该第一二极管3077的该负极。以及，该第一电容3078，其一正端是电连接该第一二极管3076以及该第二二极管3077的共负极端，其一负端是电连接该二次侧线圈3075的该中间抽头。
请参阅图4a~4h是本发明第一较佳实施例的具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器的电路动作示意图。其主要工作原理叙述如下如图4a所示，模式0(Mode 0)，此模式与传统PWM升压式转换器操作于放电模式(discharge mode)相同，储存于该升压式转换电路的该主电感303能量，会经由该主二极管304，放电至该主电容305上，而该主动能源泄放槽电路307的线路则因为该第二开关3072的导通，而经由该变压器Tra而将电能传递至该第一电容3078，如图所示的该第一电容3078上的输出可用以提供监控、保护及风扇所需电源。
如图4b所示，模式一(Mode 1)，该第二开关3072截止 (turn off)时，则该变压器Tra的激磁能量将促使该第一开关3071的主二极管(bodydiode)导通而使该激磁能量可以经由该变压器Tra放电至该第一电容3078，当该第一开关3071的body diode导通后再将该第一开关3071导通(turn on)即可以获致该第一开关3071零电压导通。(在此假设辅助变压器的激磁电感非常大，且第一开关3071，第二开关3072上的等效输出电容可以忽略)如图4c所示，模式二(Mode 2)，使该单向开关3061导通于零电流(ZCS)，该共振电感3064的电流则以线性的方式增加，当该共振电感3064的电流增加至使该主二极管304的电流为0时，则该主二极管304截止，且为零电流截止，此模式于此时结束。
如图4d所示，模式三(Mode 3)，当主二极管304开始关闭后，该共振电容3062经过该变压器Tra与该共振电感3064产生共振，此共振将使该共振电容3062的能量泄放至0且有部份的能量经由该变压器Tra放电至该第一电容3078与该主电容305。此Mode终结于该共振电容3062的电压放电至0V时。
如图4e所示，模式四(Mode 4)，当该共振电容3062电压到达零电压时，驱动该主开关301导通，所以该主开关301于零电压时导通，该共振电感3064的能量经由该变压器Tra线性地放电至该第一电容3078与该主电容305，而当该共振电感3064能量泄放完毕，亦即是此模式结束时。由于该开关3061为一单向开关，所以即使该单向开关3061的驱动信号仍保持一高电压时，该单向开关3061会自然地关闭，且关闭于零电流的情况下。
如图4f所示，模式五(Mode 5)，此Mode始于该共振电感3064能量放电至0，此Mode与传统PWM脉宽调变式升压转换器操作于充电模式是相同的。
如图4g所示，模式六(Mode 6)，该主开关301仍然处于导通状态，而该第一开关3071关闭，该第二开关3072因激磁能量而导通于零电压，此Mode结束于该主开关301关闭时。
如图4h所示，模式七(Mode 7)，当主开关301关闭时，该升压式转换电路的该主电感303向该共振电容3062进行充电，此该共振电容3062的电压会线性上升，当该共振电容3062的电压等于该第二直流电压V2时，此模式即结束。
另外，该第一开关3071以及该第二开关3072是分别以50％的忙闲度(dutycycle)导通。
请参阅图5，图5是本发明第二较佳实施例的具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器的电路示意图。其中最大的差别在于该主动能源泄放槽电路是为一全桥式直流-直流转换器。
综合上述，本发明可提供一种具有主动能源泄放槽的柔性切换直流-直流转换器以减少该直流-直流转换器的切换损失，因此得以解决习知技术的失，进而达成本发明的研发目的。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种直流-直流转换器，其特征在于，包括一升压转换电路，它包括一主开关，该升压转换电路电连接一第一直流电压，利用该主开关的切换导通与关闭，而将该第一直流电压升压产生一第二直流电压；一共振电路，它包括一单向开关、一共振电容以及一变压器的一第一线圈，该共振电路是使该升压转换电路的该主开关可于一近似零电压时导通；以及一主动能源泄放槽电路，它与该变压器的该第一线圈磁通连接，将该共振电路的该变压器的电感能量泄放近似于零，使该共振电路的该单向开关可于一近似零电流时关闭。
2.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该升压转换电路还包括一主电感、一主二极管以及一主电容，当该主开关导通时，该第一直流电压对该主电感充电，此时，该主二极管截止；当该主开关截止时，此时，该主二极管导通，该第一直流电压以及该主电感的电压对该主电容充电，以产生该第二直流电压。
3.如权利要求2所述的直流-直流转换器，其特征在于，该主电感是与该主开关的一第一导电端以及该主二极管的一阳极端电连接于一第一节点，该主电感的另一端是电连接该第一直流电压。
4.如权利要求3所述的直流-直流转换器，其特征在于，该主二极管的一负极端与该主电容的正极端电连接于一第二节点，且该第二节点是为该第二直流电压的一输出端。
5.如权利要求4所述的直流-直流转换器，其特征在于，该主开关的一第二导电端与该主电容的一负极端电连接于一第三节点。
6.如权利要求5所述的直流-直流转换器，其特征在于，该主动能源泄放槽电路为一推挽式直流-直流转换器，它包括一第一开关，具有一第一导电端，它串联连接该变压器的一第二线圈的一端，该变压器的该第二线圈的另一端电连接该第二节点，以及一第二导电端电连接该第三节点；一第二开关，具有一第一导电端，它串联连接该变压器的一第三线圈的一端，该变压器的该第三线圈的另一端电连接该第二节点，以及一第二导电端是电连接该第三节点；以及一整流电路，它包括该变压器的一二次侧线圈，具有一第一端、一第二端以及一中间抽头；一第一二极管，其正极电连接该二次侧线圈的该第一端；一第二二极管，其正极电连接该二次侧线圈的该第二端，其一负极电连接该第一二极管的该负极；以及一第一电容，其一正端电连接该第一二极管以及该第二二极管的共负极端，其一负端电连接该二次侧线圈的该中间抽头。
7.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该共振电路还包括一第三二极管。
8.如权利要求7所述的直流-直流转换器，其特征在于，该第三二极管的负极是串联连接该变压器的该第一线圈的一端，且该变压器的该第一线圈的另一端串联连接该单向开关的一第一导电端，且该第三二极管的正极与该单向开关的一第二导电端并联连接该主开关以及该共振电容。
9.如权利要求8所述的直流-直流转换器，其特征在于，该变压器为一具有漏感的变压器。
10.如权利要求8所述的直流-直流转换器，其特征在于，该共振电路还包括一共振电感，它串联连接于该第一线圈以及该第三二极管之间。
11.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该主动能源泄放槽电路为一推挽式直流-直流转换器。
12.如权利要求1所述的直流-直流转换器，其特征在于，该主动能源泄放槽电路为一全桥式直流-直流转换器。
13.一种直流-直流转换器，其特征在于，包括一升压转换电路，它包括一主开关，该升压转换电路是电连接一第一直流电压，利用该主开关的切换导通与关闭，而将该第一直流电压升压产生一第二直流电压；一共振电路，它包括一单向开关、一共振电容、一共振电感以及一变压器的一第一线圈，该共振电路使该升压转换电路的该主开关可于一近似零电压时导通；以及一主动能源泄放槽电路，它与该变压器的该第一线圈具有磁通连接，将该共振电路的该变压器的电感能量泄放近似于零，使该共振电路的该单向开关可于一近似零电流时关闭。
全文摘要
本发明有关一种直流－直流转换器，包括一升压转换电路，它包括一主开关，该升压转换电路电连接一第一直流电压，利用该主开关的切换导通与关闭，而将该第一直流电压升压产生一第二直流电压；一共振电路，该共振电路包括一单向开关、一共振电容以及一变压器的一第一线圈，该共振电路使该升压转换电路的该主开关可于一近似零电压时导通；以及一主动能源泄放槽电路，它与该变压器的该第一线圈磁通连接，将该共振电路的该变压器的电感能量泄放近似于零，使该共振电路的该单向开关可于一近似零电流时关闭。
文档编号H02M3/28GK1469537SQ0212461
公开日2004年1月21日 申请日期2002年6月13日 优先权日2002年6月13日
发明者詹智强, 张育铭 申请人:台达电子工业股份有限公司