用于直流/直流转换器的主动式共振缓冲电路.pdf

本发明系指一种用于直流/直流转换器的主动式共振缓冲电路，并联连接于一直流/直流转换器的一变压器的一一次侧线圈用以重置该变压器，其中该主动式共振缓冲电路包括一共振电容、串联连接于该共振电容的一主动式开关、并联跨接于该主动式开关的一辅助二极管、以及耦接于该变压器的一辅助线圈，当该直流/直流转换器的一主要开关关闭时，该辅助线圈开启该主动式开关，并且该变压器通过该变压器的一磁化电感与该共振电容之间所产生的一共振而重置。

1.  一种主动式共振缓冲电路，并联连接于一直流/直流转换器的一变压器的一一次侧线圈，用以重置该变压器，该主动式共振缓冲电路包括：
一共振电容；
一主动式开关，串联连接于该共振电容；
一辅助二极管，并联连接于该主动式开关；以及
一辅助线圈，耦合于该变压器；
其中，当该直流/直流转换器的一主开关关闭时，该辅助线圈开启该主动式开关，且该变压器通过该变压器的一磁化电感与该共振电容之间所产生的一共振而重置。

2.  根据权利要求1所述的主动式共振缓冲电路，其特征在于，该辅助二极管为该主动式开关的一寄生电容。

3.  根据权利要求1所述的主动式共振缓冲电路，其特征在于，该主开关为一寄生电容。

4.  一种主动式共振缓冲电路，其系串联连接于一直流/直流转换器的一变压器的一一次侧线圈，且并联连接于该直流/直流转换器的一主开关，用以重置该变压器，该主动式共振缓冲电路包括：
一共振电容；
一主动式开关，串联连接于该共振电容；
一辅助二极管，并联连接于该主动式开关；以及
一辅助线圈，耦合于该变压器；
其中，当该直流/直流转换器的一主开关关闭时，该辅助线圈开启该主动式开关，且该变压器通过该变压器的一磁化电感与该共振电容之间所产生的一共振而重置。

5.  根据权利要求4所述的主动式共振缓冲电路，其特征在于，该辅助二极管为该主动式开关的一寄生电容。

6.  根据权利要求4所述的主动式共振缓冲电路，其特征在于，该主开关为一寄生电容。

7.  一种主动式共振缓冲电路，其系并联连接于一直流/直流转换器的一变压器的一二次侧线圈，用以重置该变压器，该主动式共振缓冲电路包括：
一共振电容；
一主动式开关，串联连接于该共振电容；
一辅助二极管，并联连接于该主动式开关；以及
一辅助线圈，耦合于该变压器；
其中，当该直流/直流转换器的一主开关关闭时，该辅助线圈开启该主动式开关，且该变压器通过该变压器的一磁化电感与该共振电容之间所产生的一共振而重置。

8.  根据权利要求7所述的主动式共振缓冲电路，其特征在于，该辅助二极管为该主动式开关的一寄生电容。

9.  根据权利要求7所述的主动式共振缓冲电路，其特征在于，该主开关为一寄生电容。

用于直流/直流转换器的主动式共振缓冲电路
技术领域
本申请系指一种用于直流/直流转换器的主动式共振缓冲电路，尤指一种用于使用共振重置法的直流/直流转换器的主动式共振缓冲电路。
背景技术
单开关前馈式的直流/直流转换器由于结构简单，因此被广泛使用于中、低功率转换的场合中。对于前馈式直流/直流转换器所包含的变压器来说，其具有多种磁重置方法，例如RCD重置法、三级绕组重置法、LCD重置法、共振重置法以及主动式箝位重置法等，其中共振重置法和主动式箝位重置法是最常被使用的方法，因为它们能够双向磁化变压器的磁心，并且获得超过0.5的工作周期(Duty Cycle)。双向磁化电流可用于改善变压器磁心的并减小变压器的体积，而超过0.5的工作周期能够减少次级侧整流器的电压、减小滤波器的体积以及改善转换器的动态表现。
请参阅图1(A)及图1(B)，其系分别为现有技术中使用共振重置法的前馈式直流/直流转换器的电路结构图及波形图。图中使用共振重置法的前馈式直流/直流转换器具有一简单的电路结构，变压器Tr的初级侧连接于一主开关S，且变压器Tr的初级绕组与一共振重置电容Cr并联。当主开关S开启时，变压器Tr的初级绕组便连接至输入电压Vin，变压器磁心被正向磁化且将能量耦合至负载；而当主开关S关闭时，变压器Tr的磁化电流即对共振电容Cr充电，以提升共振电容Cr的电压并重置变压器磁心。在经过一半的重置期之后，磁化电流便由最大正值重置为最大负值，且初级绕组的电压亦因次级侧整流器的交互传导而保持于0，而共振电容Cr的电压仍然维持与Vin相同直到主开关S再次被开启为止。而当主开关S被开启时，共振电容Cr便通过主开关S而放电，此时储存于共振电容Cr中的能量即发散至主开关S，因此主开关S的功率损耗会变大；特别是在高频和/或高输入电压的应用场合中，随着切换频率和输出电压Vin的增加而产生的储存于共振电容Cr中能量的增加，更会造成主开关S的功率损耗的情况趋于严重。
请参阅图2(A)及图2(B)，其系分别为现有技术中使用主动式箝位重置法的前馈式直流/直流转换器的电路结构图及波形图。图中变压器Tr的初级侧连接于一主开关S，并且由主动式开关Sa、辅助二极管Da以及箝位电容Ca所构成的主动式箝位电路亦并联于变压器Tr的初级绕组，其中辅助二极管Da系以并联的方式耦合于主动式开关Sa，且辅助二极管Da亦可为主动式开关Sa的寄生电容，此外更包括一额外的驱动器用以使得主开关S及主动式开关Sa在操作上互补。当主开关S开启而主动式开关Sa关闭时，变压器Tr的初级绕组便连接至输出电压Vin，变压器磁心被正向磁化且将能量耦合至负载；而当主开关S关闭且主动式开关Sa开启时，变压器Tr的磁化电流即对箝位电容Ca充电，箝位电容Ca的电压即被耦合于变压器Tr的初级绕组并且重置变压器Tr；而当主动式开关Sa关闭时，磁化电流便由最大正值重置为最大负值，且箝位电容Ca即与主开关S之间形成断路，于是储存于箝位电容Ca中的能量当主开关S开启的时便不会发散。由此可知，主动式箝位重置法和共振重置法比较起来，确实是一种功率损耗较小的磁化重置方法，然而，却因为主动式开关Sa需要一额外的浮动式高压驱动器，而使得电路结构较为复杂，这种高压驱动器必须浮接于数百伏特的电压，因此大量增加转换器的使用成本。
因此，有必要提供一种新式的、经改善的功率转换器架构，其系结合共振重置前馈式转换器以及主动式箝位前馈式转换器的优点，但却能克服前述
现有技术的缺失。
发明内容
本申请的主要目的为提出一种新颖的、经改善的主动式共振重置直流/直流转换器，其中主动式共振重置分路系用于重置变压器。
本申请的另一目的为提出一种新颖的、经改善的主动式共振重置直流/直流转换器，其中变压器系被双向磁化且直流/直流转换器的工作周期大于0.5。
本申请的另一目的为提出一种新颖的、经改善的主动式共振重置直流/直流转换器，其中主动式开关的驱动可通过简易且低成本的驱动电路而实现。
本申请得通过下列图式及详细说明，才能一更深入的了解：
附图说明
图1(A)：现有地共振重置前馈式直流/直流转换器电路图；
图1(B)：图1(A)的共振重置前馈式直流/直流转换器的主要操作波形图；
图2(A)：现有的主动式箝位前馈式直流/直流转换器电路图；
图2(B)：图2(A)的主动式箝位前馈式直流/直流转换器的主要操作波形图；
图3(A)：本申请一第一较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图；
图3(B)：图3(A)的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器的主要操作波形图；
图4：本申请一第二较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图；
图5：本申请一第三较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图；
图6：本申请一第四较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中配置输出线圈中点有接线的变压器；
图7：本申请一第五较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中配置双重电流整流器；
图8：本申请一第六较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中配置同步整流器；以及
图9：本申请一第七较佳实施例的主动式共振重置返驰式直流/直流转换器电路图。
具体实施方式
请参阅图3(A)，其为本申请一第一较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图。在该主动式共振重置前馈式直流/直流转换器当中，功率变压器Tr系以一次侧线圈N1以及二次侧线圈N2分别将一次侧电路以及二次侧电路隔离开来。在一次侧电路方面，一次侧线圈系通过一主开关S而耦合至一直流输入电压源Vin，一主动式共振缓冲电路系并联于该变压器的一次侧，用以重置该变压器Tr，这个主动式共振单元系由一主动式开关Sa、一辅助二极管Da、以以及一辅助线圈Na以耦合于该变压器及一共振电容Cr的方式所构成。主动式开关Sa系串联于共振电容Cr，并且辅助二极管Da系并联地跨接耦合于该主动式开关，其中辅助二极管Da亦可为主动式开关Sa的寄生电容，辅助线圈Na系用以驱动该主动式开关Sa，辅助线圈Na相对于一次侧线圈的相反极性端连接于该主动式开关Sa的栅极端，而辅助线圈Na相对于一次侧线圈的相同极性端连接于该主动式开关Sa的源极端。当主开关S关闭时，该辅助线圈Na便会开启该主动式开关Sa，因此一次侧线圈N1系并联于该共振电容Cr，是故，变压器磁心便会被变压器的磁化电感以及共振电容Cr之间的共振所重置，在经过一半的共振周期之后，该辅助线圈Na便会关闭该主动式开关Sa，而共振电容Cr亦与一次侧线圈N1之间形成断路，通过这种方式，当主开关S开启的瞬间，共振电容的能量便不会损耗。
在二次侧电路方面，二次侧线圈N2系连接于一半波二极管整流器，其中该半波二极管整流器包括一前馈式二极管D1、一飞轮二极管D2、一输出扼流线圈L1、以及一输出电容Co。
请参阅图3(B)，其为图3(A)的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器的主要操作波形图，其可表现出该转换器的详细运作模式以及特征，以下将以分段的时间点做陈述。
(1)t0＜t＜t1
在这段时间中，主开关S开启，正输入电压Vin施加于变压器一次侧线圈N1，接着辅助线圈Na感应一施加于该主动式开关Sa的栅极端的负电压、并关闭该主动式开关Sa，所以，共振电容Cr与一次侧电路之间形成断路，且电压仍保持不变，输入电压Vin使得磁化电流i_m线性上升，并为二次侧电路提供一负载电流。在二次侧电路中，负载电流经由该前馈式整流二极管D1以及该输出扼流线圈L1流至该负载。
(2)t1＜t＜t2
当时间点为t1时，主开关S关闭，磁化电流i_m对寄生电容充电，以耦合一负电压于一次侧线圈N1的两端，同时，辅助线圈Na感应一施加于该主动式开关Sa的栅极端的正电压，而当时间处于t1与t2之间时，主动式开关Sa的栅极电压值-低于其门槛值Vg，因此该主动式开关Sa仍会保持关闭状态，在二次侧电路方面，前馈式二极管D1因为反向偏压而关闭，而输出扼流线圈电流流进该飞轮二极管D2。
(3)t2＜t＜t3
当时间点为t2时，一次侧线圈电压值增加至高于N1*Vg/Na，该主动式开关Sa的栅极电压值亦相应地高于其门槛值Vg，该主动式开关Sa开启且共振电容Cr亦并联地耦接于一次侧线圈的两端，于是共振电容Cr和主开关的寄生电容Cs开始与磁化电感一起产生共振，磁化电流会对共振电容Cr开始充电并重置便压器的磁心，磁化电流会渐渐减少至0并变为负值，而由于负磁化电流的因素，共振电容Cr的电压会先增加再减少，由于变压器Tr的一次侧线圈的电压为负，负载电流便会继续流进飞轮二极管D2。
(4)t3＜t＜t4
当时间点为t3时，共振电容Cr和一次侧线圈的电压同样地降至低于N1*Vg/Na，于是，该主动式开关Sa的栅极电压值低于其门槛值Vg，并且主动式开关Sa关闭，共振电容Cr与一次侧电路之间形成断路、且其电压值保持为N1*Vg/Na，惟独主开关S的寄生电容Cs仍继续保持与磁化电感产生共振，磁化电流会对寄生电容Cs放电使得寄生电容Cs的电压渐渐减少，在时间点为t4时，寄生电容Cs的电压值达到Vin，代表一次侧线圈的电压变为0。
(5)t4＜t＜t5
在这段时间间隔中，主开关S继续保持关闭状态，一次侧线圈的电压保持为0且输出扼流线圈电流流进前馈式二极管D1以及飞轮二极管D2，由于变压器Tr的零电压使得主动式开关Sa继续保持关闭状态，且磁化电流保持恒定直到下一个时间点主开关S的开启，在时间点为t5时，下一个新的转换循环则再次展开，由于共振电容Cr与一次侧电路之间保持断路，因此不会有额外的共振电容的损耗。
由此可知，本申请的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器具有简单且低成本的电路架构，其不只能够达成变压器磁心的双向磁化和主开关大于0.5的工作周期，并且不具有额外的电容损耗。
请参阅图4，其为本申请一第二较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中该主动式共振重置前馈式直流/直流转换器系由主动式开关Sa、辅助二极管Da、耦合于变压器Tr的辅助线圈Na、以及共振电容Cr，其中该主动式共振重置前馈式直流/直流转换器系耦接于该主开关S的两端，当主开关S关闭时，辅助线圈的耦合电压将主开关Sa开启，并且共振电容Cr系并联地连接于主开关S的寄生电容Cs，共振电容Cr连同主开关S的寄生电容Cs开始与变压器磁化电感产生共振，在经过一半的共振周期后，驱动线圈的电压减少至低于主动式开关Sa的电压门槛值并且将该主动式开关Sa关闭，共振重置电容Cr与一次侧电路之间形成断路，通过这种方式，当主开关S开启的瞬间，共振电容的能量便不会损耗。
请参阅图5，其为本申请一第三较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中该主动式共振重置前馈式直流/直流转换器系由主动式开关Sa、辅助二极管Da、耦合于变压器Tr的辅助线圈Na、以及共振电容Cr，其中该主动式共振重置前馈式直流/直流转换器系耦接于变压器Tr的二次侧线圈N2的两端，当主开关S关闭时，辅助线圈的耦合电压将该主动式开关Sa开启，并且共振电容Cr并联地连接于二次侧线圈、且于二次侧重置变压器的磁心。在经过共振电容和变压器磁化电感之间的一半共振周期之后，起动电压减少至低于该主动式开关Sa的电压门槛值、并且将该主动式开关Sa关闭，该共振重置电容系与一次侧电路之间形成断路。
请参阅图6，其为本申请一第四较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中配置输出线圈中点有接线的变压器，和前一种实施例相同，一次侧电路包括主开关S、变压器Tr、主动式共振缓冲电路，变压器Tr的二次侧线圈具有一第一及一第二端分别连接于整流二极管D1和D2、而线圈中点连接于一电容Co，当主开关S开启，正输入电压便耦于变压器Tr的一次侧，此正电压耦合于辅助线圈Na以保持该主动式开关Sa的关闭状态，并且此正电压亦耦合于二次侧线圈N2和N3以保持第一二极管D1和第二二极管D2分别位于顺向偏压及反向偏压。电能自二次侧线圈的第一端和中点接线端经由二极管D1传输至输出扼流线圈L1，当主开关S关闭时，一次侧会产生一负电压，该负电压会耦合于辅助线圈以开启该主动式开关Sa、亦耦合于二次侧线圈以保持第一二极管D1和第二二极管D2分别位于反向偏压及顺向偏压，如此则共振电容Cr会被耦合至变压器Tr一次侧线圈的两端以重置该变压器，此时电能自变压器Tr二次侧线圈的第二端及中点接线端经由二极管D2传输至输出扼流线圈L1，在经过共振电容和变压器磁化电感之间的一半共振周期之后，一次侧线圈的电压减少至接近0，而该主动式开关Sa亦被辅助线圈所关闭。再者，输出扼流线圈电流会流进第一二极管及第二二极管以确保一次侧线圈为零电压，由于电能在主开关开启或关闭时皆会传输至该输出扼流线圈，因此输出电压涟波可以被有效降低。
请参阅图7，其为本申请一第五较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中主动式共振重置前馈式直流/直流转换器配置双重电流整流器，该一次侧电路包括主开关S、变压器Tr、和该主动式共振缓冲电路，且与前一实施例具有相同的电路配置和操作方法，在二次侧电路方面，两个输出扼流线圈L1和L2系作为滤波器之用，电能在主开关开启或关闭时皆会传输至输出扼流线圈L1和L2，因此输出电压涟波可以被有效降低。
请参阅图8，其为本申请一第六较佳实施例的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器电路图，其中二次侧整流电路配置同步整流器，一般来说当主开关S1开启时，会使用一驱动控制电路以开启该前馈式同步金氧半场效电晶体D1，并在主开关S关闭期间使得飞轮式同步金氧半场效电晶体D2保持开启。
请参阅图9，其为本申请一第七较佳实施例的主动式共振重置返驰式直流/直流转换器电路图，与图3(A)的主动式共振重置前馈式直流/直流转换器比较起来，本图的主动式共振重置返驰式直流/直流转换器与其不同的处在于二次侧电路，该二次侧电路系由变压器Tr的二次侧线圈N2、二极管D1、和输出电容Co所构成，其中二次侧线圈N2的第一端连接于输出电容Co的第一端，二次侧线圈N2的第二端经由二极管D1连接于输出电容Co的第二端，该种动式共振缓冲电路系并联地连接于变压器Tr的一次侧线圈N1、用以重置该变压器。
综上所述，当知本申请所述之用于直流/直流转换器的主动式共振缓冲电路已具有产业利用性、新颖性以及进步性，符合发明专利要件。惟以上所述者，仅为本发明的一较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。即凡依本发明的申请专利范围由熟悉本技术领域的的技术人员的修改，都不脱权利要求书范围所欲保护，而为本发明专利范围所涵盖。