一种具有电压钳制之全桥相移转换器的制作方法

1.本发明涉及全桥相移转换器，尤指一种具有电压钳制之全桥相移转换器。


背景技术：

2.现有技术中，请参见图1所示，全桥相移转换器是由四个功率晶体管所形成的滞后桥臂与超前桥臂来完成切换，其中滞后桥臂包括第一开关q1与第二开关q2，超前桥臂包括第三开关q3与第四开关q4。再者，第一开关q1与第四开关q4共同完成一个半周（正半周）的操作，而第二开关q2与第三开关q3完成另一个半周（负半周）的操作。如图1所示，变压器的次级侧（二次侧）系为同步整流构架，在其他电路构架亦可为二极管整流构架。
3.附带一提，每一个半桥，意即滞后桥臂或超前桥臂皆系以50%的工作周期（包括死区时间的考察）进行切换，因此全桥相移转换器的输出电压系透过控制两个半桥的相位差所决定。具体地，滞后桥臂的第一开关q1与第二开关q2操作于互补模式，超前桥臂的第三开关q3与第四开关q4操作于互补模式。
4.对于图1所示的传统全桥相移转换器之构架，由于输出电流高，通常会在变压器的次级侧使用同步整流，如第一同步整流开关qs1与第二同步整流开关qs2所构成的整流器，其中第一同步整流开关qs1与第二同步整流开关qs2操作于独立模式。通常滞后桥臂与超前桥臂的开关（q1-q4）操作于切换频率下，而第一同步整流开关qs1与第二同步整流开关qs2操作两倍的切换频率下。由于变压器的次级侧绕组ws的次级侧电感ns1、ns2存在漏感（次级侧漏感）llks1、llks2，因此当第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2关断时，该漏感llks1、llks2会和第一同步整流开关qs1与第二同步整流开关qs2的寄生电容产生高电压振荡（或称突波电压），所述振荡电压的大小如图2所示，所述开关电压波形的最大电压峰值甚至可超过180伏特，而超过元件的额定值，因此产生大量电磁干扰（emi）噪声。
5.为解决突波电压所造成的影响，可使用更高电压额定值的元件，以承受所产生的突波电压，然而使用高电压额定值的元件将造成电路成本的提高。再者，元件操作时产生发热将累积在线路内部，除了电源转换效率降低之外，造成散热问题亦需要克服。


技术实现要素：

6.为解决现有的技术问题，本发明提供一种具有电压钳制之全桥相移转换器。
7.它包括：变压器，具有初级侧绕组与一次级侧绕组；初级侧电路，包括：第一开关桥臂；及第二开关桥臂，并联该第一开关桥臂；次级侧电路，包括：第一同步整流开关，耦接该次级侧绕组的第一端；第二同步整流开关，耦接该次级侧绕组的第二端；输出电感，耦接该次级侧绕组的中心抽头端；第一二极管，该第一二极管的阳极端耦接该第一端；第二二极体，该第二二极体的阳极端耦接该第二端；第三二极体，该第三二极体的阳极端耦接该中心抽头端，且该第一二极管的阴极
端、该第二二极体的阴极端以及该第三二极体的阴极端共接于钳制节点；电容，耦接该钳制节点，提供钳制电压；能量释放单元，并联该电容，转换该钳制电压为输出电压；及输出电容，并联该能量释放单元，提供该输出电压。
8.进一步的，该次级侧绕组包括漏感；其中，该次级侧绕组的该漏感所产生的能量储存于该电容。
9.进一步的，该能量释放单元包括：直流降压转换器，具有输入侧；其中，该输入侧侦测该钳制电压的大小。
10.进一步的，该直流降压转换器根据该钳制电压的大小，转换该钳制电压至该输出电压。
11.进一步的，该直流降压转换器侦测该钳制电压大于设定电压时，该直流降压转换器将储存于该电容的能量释放至该输出电容，以降低该钳制电压的大小。
12.进一步的，该直流降压转换器系为切换式转换器或线性稳压器，该能量释放单元还包括：第一电阻；及第二电阻，串联该第一电阻；其中，该第一电阻与该第二电阻连接该切换式转换器或该线性稳压器的该输入侧；其中，在该第一电阻与该第二电阻的串联支路上得到该钳制电压为第一电压；在该第二电阻上得到该钳制电压的分压为第二电压。
13.进一步的，该切换式转换器或该线性稳压器接收该第一电压或该第二电压；其中，该切换式转换器或该线性稳压器根据该第一电压或该第二电压的大小，转换该钳制电压至该输出电压。
14.进一步的，该切换式转换器或该线性稳压器侦测该第一电压大于第一设定电压或该第二电压大于第二设定电压时，该切换式转换器或该线性稳压器将储存于该电容的能量释放至该输出电容，以降低该钳制电压的大小。
15.进一步的，该第一开关桥臂具有串联的第一开关与第二开关，且该第一开关与该第二开关耦接该初级侧绕组的一端；该第二开关桥臂具有串联的第三开关与第四开关，且该第三开关与该第四开关耦接该初级侧绕组的另一端。
16.本发明的有益效果为：当突波电压大于预设的设定电压时，可透过直流降压转换器（包括但不限定为，切换式转换器或线性稳压器）将储存于电容的能量释放至输出电容（可避免突波电压产生的能量持续且大量地累积于电容内），以降低钳制电压的大小，借此可使得所产生的突波电压透过能量释放的方式，而达到抑制的效果，因此无须选用更高电压额定值的元件，仍可实现突波电压的抑制，并且维持线路的电源转换效率。
17.附图说明：为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
18.图1为相关技术之全桥相移转换器的电路图；图2为相关技术之全桥相移转换器之开关电压的波形示意图；图3为本发明具电压钳制之全桥相移转换器的电路方框图；
图4为本发明能量释放单元之第一实施例的电路方框图；图5为本发明能量释放单元之第二实施例的电路方框图；图6为本发明具电压钳制之全桥相移转换器之开关电压的波形示意图。
19.具体实施方式：请参见图3所示，其为本发明具电压钳制之全桥相移转换器的电路方框图。所述具电压钳制之全桥相移转换器包括变压器tr、初级侧电路（意即一次侧电路）以及次级侧电路（意即二次侧电路）。
20.变压器tr具有初级侧绕组wp与次级侧绕组ws。初级侧电路第一开关桥臂lg1与第二开关桥臂lg2，其中第二开关桥臂lg2并联第一开关桥臂lg1。第一开关桥臂lg1具有串联的第一开关q1与第二开关q2，且第一开关q1与第二开关q2耦接初级侧绕组wp的一端（如图3所示的打点端）。第一开关桥臂lg2具有串联的第三开关q3与第四开关q4，且第三开关q3与第四开关q4耦接初级侧绕组wp的另一端（如图3所示的非打点端）。
21.次级侧电路包括第一同步整流开关qs1、第二同步整流开关qs2、输出电感lo、第一二极管ds1、第二二极体ds2、第三二极体ds3、电容cb、能量释放单元10以及输出电容co。
22.次级侧绕组ws具有次级侧电感ns1、ns2，并且其存在漏感（次级侧漏感）llks1、llks2，在图3以对应地串联次级侧电感ns1、ns2为示意，意即漏感llks1串联次级侧电感ns1以及漏感llks2串联次级侧电感ns2。
23.第一同步整流开关qs1耦接次级侧绕组ws的第一端n1（即耦接次级侧电感ns1）。第二同步整流开关qs2耦接次级侧绕组ws的第二端n2（即耦接次级侧电感ns2）。输出电感lo耦接次级侧绕组ws的中心抽头端nc。第一二极管ds1的阳极端耦接第一端n1。第二二极体ds2的阳极端耦接第二端n2。第三二极体ds3的阳极端耦接中心抽头端nc，且第一二极管ds1的阴极端、第二二极体ds2的阴极端以及第三二极体ds3的阴极端共接于钳制节点nb。
24.电容cb耦接钳制节点nb，提供钳制电压vb。次级侧绕组ws的漏感llks1、llks2所产生的能量储存于电容cb。能量释放单元10具有一输入侧，输入侧并联电容cb，输入侧侦测钳制节点nb上的钳制电压vb的大小，并且能量释放单元10用以转换钳制电压vb为输出电压vo。输出电容co并联能量释放单元10，用以提供输出电压vo。
25.如图4所示，其为本发明能量释放单元之第一实施例的电路方框图。具体地，能量释放单元10包括第一电阻rup、第二电阻rdn以及直流降压转换器，其中直流降压转换器系为切换式转换器12a。第二电阻rdn串联第一电阻rup。切换式转换器12a连接第一电阻rup与第二电阻rdn。在第一电阻rup与第二电阻rdn的串联支路上得到钳制电压vb为第一电压，即第一电压为第一电阻rup与第二电阻rdn两者之间的跨压大小。在第二电阻rdn上得到钳制电压vb的分压为第二电压，意即第二电压为第二电阻rdn的跨压大小。附带一提，在不同的实施例中，第一电阻rup与第二电阻rdn亦可整合设计于切换式转换器12a内部，同样能够达到电压侦测与对钳制电压vb分压的操作。再者，由于第一电阻rup与第二电阻rdn主要目的作为侦测电压与电压分压之用，因此在本发明中第一电阻rup与第二电阻rdn的阻值将设计很大，使得流经其路径的电流非常小，而使其产生损耗可以为忽略不计的程度。
26.具体地，切换式转换器12a接收第一电压或第二电压。切换式转换器12a根据第一电压或第二电压的大小，转换钳制电压vb（例如对钳制电压vb降压转换）至输出电压vo。切换式转换器12a侦测第一电压大于第一设定值或第二电压大于第二设定电压时，切换式转
换器12a将储存于电容cb的能量释放至输出电容co，以降低钳制电压vb。举例来说，可预设第一设定电压为90伏特。当第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2关断时，漏感llks1或llks2和第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2的寄生电容发生振荡而产生的突波电压（在钳制节点nb形成的钳制电压vb为第一电压），其大于预设的第一设定电压（90伏特）时，则透过切换式转换器12a将储存于电容cb的能量释放至输出电容co（可避免突波电压产生的能量持续且大量地累积于电容cb内），以降低钳制电压vb，借此可使得所产生的突波电压透过能量释放的方式，而达到抑制的效果，因此无须选用更高电压额定值的元件，仍可实现突波电压的抑制，并且维持线路的电源转换效率。
27.或者，可预设第二设定电压为30伏特。当第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2关断时，漏感llks1或llks2和第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2的寄生电容发生振荡而产生的突波电压（在钳制节点nb形成的钳制电压vb透过第一电阻rup与第二电阻rdn阻值的设计，将钳制电压vb分压为第二电压），其大于预设的第二设定电压（30伏特）时，同样可透过切换式转换器12a将储存于电容cb的能量释放至输出电容co（可避免突波电压产生的能量持续且大量地累积于电容cb内），以降低钳制电压vb，借此可使得所产生的突波电压透过能量释放的方式，而达到抑制的效果，因此无须选用更高电压额定值的元件，仍可实现突波电压的抑制，并且维持线路的电源转换效率。
28.如图6所示，其系为本发明具电压钳制之全桥相移转换器之开关电压的波形示意图。因此所述开关电压波形的最大电压峰值可以抑制在80伏特以下，不仅低于元件的额定值，也可防止电磁干扰（emi）噪声的产生。
29.如图5所示，其系为本发明能量释放单元之第二实施例的电路方框图。具体地，能量释放单元10包括第一电阻rup、第二电阻rdn以及直流降压转换器，其中直流降压转换器系为线性稳压器（low-dropout regulator，ldo）12b。第二电阻rdn串联第一电阻rup。线性稳压器12b连接第一电阻rup与第二电阻rdn。在第一电阻rup与第二电阻rdn的串联支路上得到钳制电压vb为第一电压，意即第一电压为第一电阻rup与第二电阻rdn两者之间的跨压大小。在第二电阻rdn上得到钳制电压vb的分压为第二电压，意即第二电压为第二电阻rdn的跨压大小。
30.附带一提，在不同的实施例中，第一电阻rup与第二电阻rdn亦可整合设计于线性稳压器12b内部，同样能够达到电压侦测与对钳制电压vb分压的操作。再者，由于第一电阻rup与第二电阻rdn主要目的作为侦测电压与电压分压之用，因此在本发明中第一电阻rup与第二电阻rdn的阻值将设计很大，使得流经其路径的电流非常小，而使其产生损耗可以为忽略不计的程度。
31.具体地，线性稳压器12b接收第一电压或第二电压。线性稳压器12b根据第一电压或第二电压的大小，转换钳制电压vb（例如对钳制电压vb降压转换）至输出电压vo。线性稳压器12b侦测第一电压大于第一设定值或第二电压大于第二设定电压时，线性稳压器12b将储存于电容cb的能量释放至输出电容co，以降低钳制电压vb。举例来说，可预设第一设定电压为90伏特。当第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2关断时，漏感llks1或llks2和第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2的寄生电容发生振荡而产生的突波电压（在钳制节点nb形成的钳制电压vb为第一电压），其大于预设的第一设定电压（90伏特）时，则透过线性稳压器12b将储存于电容cb的能量释放至输出电容co（可避免突波电压产生的
能量持续且大量地累积于电容cb内），以降低钳制电压vb，借此可使得所产生的突波电压透过能量释放的方式，而达到抑制的效果，因此无须选用更高电压额定值的元件，仍可实现突波电压的抑制，并且维持线路的电源转换效率。
32.或者，可预设第二设定电压为30伏特。当第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2关断时，漏感llks1或llks2和第一同步整流开关qs1或第二同步整流开关qs2的寄生电容发生振荡而产生的突波电压（在钳制节点nb形成的钳制电压vb透过第一电阻rup与第二电阻rdn阻值的设计，将钳制电压vb分压为第二电压），其大于预设的第二设定电压（30伏特）时，同样可透过线性稳压器12b将储存于电容cb的能量释放至输出电容co（可避免突波电压产生的能量持续且大量地累积于电容cb内），以降低钳制电压vb，借此可使得所产生的突波电压透过能量释放的方式，而达到抑制的效果，因此无须选用更高电压额定值的元件，仍可实现突波电压的抑制，并且维持线路的电源转换效率。
33.综上所述，本发明具有以下之特征与优点：当突波电压大于预设的设定电压时，可透过直流降压转换器（包括但不限定为，切换式转换器12a或线性稳压器12b）将储存于电容cb的能量释放至输出电容co（可避免突波电压产生的能量持续且大量地累积于电容cb内），以降低钳制电压vb的大小，借此可使得所产生的突波电压透过能量释放的方式，而达到抑制的效果，因此无须选用更高电压额定值的元件，仍可实现突波电压的抑制，并且维持线路的电源转换效率。
34.以上所述，仅为本发明较佳具体实施例之详细说明与图式，惟本发明之特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明之所有范围应以下述之申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围之精神与其类似变化之实施例，皆应包括于本发明之范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明之领域内，可轻易思及之变化或修饰皆可涵盖在以下本案之专利范围。