专利名称：自振荡式电源转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自振荡式的电源转换器，尤指一种简单、低成本的电源转 换器，其可提供高效率的功率转换及较低的无载功率损耗。
背景技术：
随着绿色环保要求的与日倶增，诸如待机功率消耗及高应用效率等要求， 已使得电力电子工业面临挑战以求改善前述特性，如此一来却导致电源转换器 的体积越加庞大。针对复杂的共振式转换器而言，在大量生产方面仍是具有相 当的缺点，故电源供应器设计者会试图寻找改善之道以求控制转换器衍生的相 关问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种推挽型的自振荡式电源转换器，该电源转换器可 由本身的输出电流所驱动。
本发明的电源转换器包含有一主变压器及一 电流驱动变压器，各变压器具 有一次侧及二次侧，两变压器的 一次侧及二次侧分别对应串4妄而构成两 一次侧 分支路径及两二次侧分支路径，并使流经两二次侧的电流得以回授至该电流驱 动变压器的一次侧而产生一驱动电流以提供予两个串接在一次侧的切换开关， 其中，该驱动电流与该主变压器的二次侧的电流成比例。
本发明可自动决定死域时间(dead-time),使一次侧或二次侧分支路径不会 同时导通。
本发明参考电源转换器的输出电流而产生一驱动电流以控制两切换开关， 此方式可将驱动电路的损失降至最低，而使电源转换器具有较高的效率，特别 是应用于低负载状况。使用输出电流作为驱动电流的参考的另一优点为，输出 电流处于低电流或零电流时，电源转换器可自动停止切换工作而使无负载的功率消耗能更进一步改善。在正常负载情况下，电源转换器会根据设定的切换频率连续不断地进行切换动作，该切换频率的制定与主变压器的饱和(saturate)有关。当任一变压器饱 和时，会导致切换晶体管截止。
图1为本发明一实施例的电路图；图2A为本发明中第 一切换开关由 一 电流驱动变压器控制而导通的电路动 作图；图2B为本发明中第一切换开关关闭的电路动作图；图2C为本发明中第二切换开关其射极电流产生时的电路动作图；图2D为本发明中第二切换开关由电流驱动变压器控制而关闭的电路动作图；图3为本发明中另一实施例的电路图。图中，Tl 主变压器T2 电流驱动变压器Ql Q2 切换开关D1D2 输出二极管NP NP2 NE1 NE2 输入绕阻NS1 NS2 NC1 NC2 二次侧绕阻Rl R2 电阻11 12 —次侧分支路径13 14 二次侧分支i 各径具体实施方式
本发明为 一种构造简单且低成本的电源转换器，将一输入电压(Vin)转换为 与其成比例、且与其隔离的输出电压(Vout)，具有高效率的能源转换及低功率 消耗。请参考图l所示，本发明自振荡式电源转换器包含一主变压器(mainpOWer transformer)(Tl)、 一电流马区动变压器(current drive transformer) (T2)、两个以 NPN型功率双极性接面晶体管(BJT)构成的切换开关(Q1)(Q2)、两个作为整流 组件的输出二极管(D1 )(D2)。每一变压器(T1 )(T2)的 一次侧均具有两输入绕阻 (NP1,NP2)(NE1,NE2)及二次侧绕组(NS1，NS2)(NC1,NC2)。主变压器(T1)的两输 入绕阻(NP1，NP2)分别通过前述切换开关(Q1)(Q2)与电流驱动变压器(T2)的两 输入绕阻(NE1)(NE2)各自串联，借此形成两一次侧分支路径11和12。再者， 主变压器(Tl)的两二次侧绕阻(NS 1,NS2)则是分别通过前述两输出二极管 (D1)(D2)与电流驱动变压器(T2)的两二次侧绕阻(NC1)(NC2)各自串联，借此形 成两二次侧分支3各径13和14。当前述任一切换开关(Q1)(Q2)导通后，会有二次侧电流经过前述二次侧绕 阻(NS 1 ，NS2)(NC 1 ，NC2)而送至输出端，该电流驱动变压器(T2)会将此电流转换 为一次侧电流而驱动该切换开关(Q1)(Q2)。每一切换开关(Ql)(Q2)的基极-射极 接面会在电流驱动变压器(T2)的一次侧构成一整流组件。在各切换开关 (Q1)(Q2)与电流驱动变压器(T2)之间串接有一电阻(R1)(R2),如此一来可确保 此驱动变压器作为一电流驱动变压器使用。在此架构之下，用以驱动前述切换 开关(Q1)(Q2)的电流是以晶体管(Q1)(Q2)本身的集极电流配合相互串联的变压 器(T1)(T2)所組成的放大关系所决定，但其电流大小是与输出电流的大小有关。 在晶体管的集极电流经由变压器(T1)(T2)所组成的放大关系所产生的射极电流 的转换过程中，从任一变压器(T1 )(T2)的磁化电流(magnetization current)是会减 少部分的转换电流。举例而言，请参考图2A所示，第一切换开关(Q1)为导通 状态，且有一电流经过该第一二次侧分支路径13而至输出端。该电流驱动变 压器(T2)则是将流经第一二次侧分支路径13电流转换为一次侧电流而驱动该 第一切换开关(Q1)。请参考图2B所示，前述电流减少的动作，由于渐渐的会使得电流不足以 维持驱动该第一切换开关(Q1)，故最终会导致该第一切换开关(Q1)的关闭。该 第一切换开关(Q1 )上的电压会因此升高，而在电流驱动变压器(T2)的二次侧电 压会有下降的趋势。由于电流驱动变压器(T2)的二次侧几乎直接连接一输出电 容(C2)，故二次侧电流会因而停止。由于电压器的电压会低于电容电压，故输出二极管(D1)会停止导通。当没有二次侧电流时，则也无电流会流过该电流驱 动变压器(T2)来驱动该第一切换开关(Q1),使得第一切换开关(Q1)转变为截止 状态。请参考图2C所示，在第一切换开关(Q1)关闭后，储存于主变压器(T1)内 的能量会被释放出来，而产生一重置(reset)的动作。该主变压器(T1)上的电 压会自动转为反相，其转变的速率会根据4诸存的能量多寡与寄生电容的大小而 决定。主变压器(Tl)的二次侧会开始如同一次侧般开始产生摆动(swing)，直到 该输出二极管(D2)转为导通而有一小电流开始流经该第二切换开关的第二二 次侧分支路径14。此一小电流会引起一射极电流而流过该电流驱动变压器 (T2)。请参阅图2D所示，该射极电流最终会令第二切换开关(Q2)转为导通状态， 而使得电路本身不断地循环如图2A 2D所示的电路动作。在某些特定情况下，电源转换器的输出电压(Vout)会到达一设定点(根据主 变压器的匝数比而决定)，而前述输出二极管(D1)(D2)的接面电容会使得输出电 压(Vout)再略微升高一些，如此会产生一种情形，即纵使切换开关(Q1)(Q2)完 全导通了，在二次侧分支路径13和14上任是没有任何电流。由于无二次电流， 因此亦没有一次侧电流可驱动切换开关(Q1)(Q2)，电源转换器因此停止振荡。 故要让电源转换器再度工作，必须要有重置动作。由于主变压器(Tl)在第一切换开关(Ql)截止后会开始摆动(swing)，随后令 第二切换开关(Q2)转为导通，故毋须刻意去控制防止两晶体管动作重迭的死域 时间(dead-time),换言之，无发生重迭现象的可能性。于启动阶段，若是输入电压(Vin)瞬间提高或是输出电压(Vout)突然下降， 有可能会发生近似短路或是过载(overload)的现象。为避免两切换开关(Q1)(Q2) 的切换电流过大，其驱动电流必须适时地加以限制。如图3所示，限制方式可 在电流变压器(T2)的二次侧绕阻(NC1)(NC2)上并联一箝位装置，例如二极管， 或是利用像齐纳二极管之类的箝位装置而并联于电流变压器(T2)的 一次侧。如 此一来，射极电流将^皮大幅度减少而使得晶体管能被关闭。将晶体管(Ql )(Q2)连接成共基极组态(common-base)可使电路更为稳定可 靠，在此种组态下，可允许的最大集极电压几乎为两倍的Vceo。在本发明当6中，由于切换开关(Q1)(Q2)为驱动推挽架构的变压器，此意谓着集极电压会是 输入电压(Vin)的两倍。针对低输出电压/高输出电流的需求，该电流驱动变压器(T2)是可用来驱 动取代输出二极管(Dl)(D2)的金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)，若采 用金属氧化物半导体场效晶体管时，当经过切换开关(Q1)(Q2)的电流到达一设 定值时，便可导通金属氧化物半导体场效晶体管。此种作法可改善效率与输出 电压的调节。在低载情况下，金属氧化物半导体场效晶体管的本体(body)二极 管或是一外部二极管将会先行导通，直到电流提高至足够金属氧化物半导体场 效晶体管开始导通，如此一来会使输出电压提高，并使整体的负载调节(load regulation)与平均主动模式效率(average active mode efficiency)都获得改善。本发明的电源转换器虽然可维持自我振荡(sdf-osciUating),该电源转换器 本身并不会自行启动，因此可利用一启动脉波产生电路来提供一所需的启动脉 波，该启动脉波可施加于电流驱动变压器(T2)的二次侧或任一切换开关 (Q1)(Q2)的射极。为使输出的电压涟波不致过大，该启动脉波的频率必须足够 高，而使输出的电压涟波仍在要求的范围之内。当电源转换器处于正常运作， 该启动必须自动地停止脉波产生电路，以防止误触发开关晶体管。自我振荡的现象是因为该主变压器(T1)有储存能量，其工作周期(Duty cyde)约为50%。高工作周期(Duty cycle)可确保效率尽可能地提高，并在连续 输出电流的情况下，是可以允许使用较小的输出电容。而输出电压(Vout)几乎 是正比自输入电压(Vin),故输出电压(Vout)的品质可说是直接与输入电压(Vin) 的品质成正比，故本发明又可称之为直流变压器(DC transformer^再者，当发明的架构配合二极管桥式电路及输入滤波电容(bulk capacitor) 而构成一 AC/DC转换器时，由于具有直流变压器的特性，故必须根据所要求 的输出电压品质谨慎选择输入滤波电容的尺寸及特性。
权利要求
1. 一种自振荡式电源转换器，其包含一主变压器，具有一次侧及二次侧；一电流驱动变压器，具有一次侧及二次侧，其二次侧与主变压器的二次侧串接而令一流经两二次侧的电流得以回授至该电流驱动变压器的一次侧而产生一驱动电流以提供给两切换开关，其中，该驱动电流与该主变压器的二次侧的电流成比例。
2. 如权利要求1所述的自振荡式电源转换器，该主变压器及电流驱动变 压器的一次侧各具有两一次侧绕阻，该主变压器的两一次侧绕阻各自通过该切 换开关分別串连该电流驱动变压器的两一次侧绕阻，以形成两一次侧分支路 径。
3. 如权利要求2所述的自振荡式电源转换器，该主变压器及电流驱动变 压器的二次侧各具有两二次侧绕阻，该主变压器的两二次侧绕阻各自通过二输 出二极管分别串连该电流驱动变压器的两二次侧绕阻，以形成两二次侧分支路 径。
4. 如权利要求3所述的自振荡式电源转换器，该切换开关为NPN型的双 极性接面晶体管。
5. 如权利要求4所述的自振荡式电源转换器，该电流驱动变压器的二次 侧绕阻并连有一箝位装置。
6. 如权利要求5所述的自振荡式电源转换器，该箝位装置为一二极管。
7. 如权利要求4所述的自振荡式电源转换器，该电流驱动变压器的一次 侧并连有一箝位装置。
8. 如权利要求7所述的自振荡式电源转换器，该箝位装置为一齐纳二极管。
9. 如权利要求4所述的自振荡式电源转换器，各切换开关的射极及其对 应的电流驱动器一次侧绕阻之间连接一电阻。
全文摘要
本发明提供一种推挽型的自振荡式电源转换器，包含有一主变压器及一电流驱动变压器，两变压器的一次侧及二次侧分别对应串接，并使流经两二次侧的电流得以回授至该电流驱动变压器的一次侧而产生一驱动电流以提供给两位于一次侧的切换开关，其中，该驱动电流与该主变压器的二次侧的电流成比例。
文档编号H02M3/24GK101252317SQ20071014189
公开日2008年8月27日 申请日期2007年8月16日 优先权日2007年2月22日
发明者芮妮·弗雷德利克·寇禾 申请人:立德电子股份有限公司