具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器及其控制方法与流程

1.本发明是关于一种转换器及其控制方法，特别是关于一种自次级侧整流器回收主动箝位开关的能量的具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器及其控制方法。


背景技术：

2.多数电子设备需透过直流电压进行操作，因此，交流-直流电源供应器或直流-直流电源供应器皆具备输出经整流后的直流电压的功能。交流-直流(或直流-直流)电源供应器常使用转换器转换电压。顺向拓扑、飞越拓扑、邱克拓扑、全桥拓扑、半桥拓扑及推挽拓扑等多种电路拓扑被使用于转换器，在传统的电力电子领域中，转换器可包含具有初级侧开关的初级侧整流器及具有调变输出电压的次级侧开关的次级侧整流器。
3.使用前述转换器的交换式电源供应器中，由于电压较高的初级侧开关具有启动损失，因此零电压切换(zero voltage switching；zvs)被视为初级侧开关的理想状态。
4.已知的主动箝位控制在非连续电流模式(discontinuous current mode；dcm)时具有一个重大的问题，在转换器的能量被充电至输出后初级侧开关不会导通，因此主动箝位晶体管在非连续周期(初级侧开关及次级侧整流器皆断开)中将持续导通。当主动箝位晶体管导通时，震荡来自缓冲电容，缓冲电容的电容值比初级侧开关的杂散电容大一个数量级，因此主动箝位开关的导通损耗致使缓冲器再次造成损耗。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的在于提供一种具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器及其控制方法，其透过侦测次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关。
6.依据本发明的方法态样的一实施方式提供一种具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法，其包含状态侦测步骤及开关控制步骤。状态侦测步骤是侦测次级侧整流器的工作状态。开关控制步骤是依据次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关。
7.借此，本发明的具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法透过次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关取代转移主动箝位开关的启动时间，以有效改善能量转换效率。
8.前述实施方式的其他实施例如下：前述具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法还包含状态判断步骤。状态判断步骤是判断次级侧整流器的工作状态是否为导通状态，导通状态表示次级侧整流器被导通。
9.前述实施方式的其他实施例如下：当前述次级侧整流器的工作状态为导通状态时，主动箝位开关被导通。当次级侧整流器的工作状态为截止状态时，主动箝位开关被断开。
10.前述实施方式的其他实施例如下：前述具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法还包含状态判断步骤。状态判断步骤是判断次级侧整流器的工作状态是否为转态状态，转态状态表示次级侧整流器自导通状态转换至截止状态。
11.前述实施方式的其他实施例如下：当前述次级侧整流器的工作状态为转态状态时，主动箝位开关被导通后断开，以激发初级侧开关操作的初级侧震荡。
12.前述实施方式的其他实施例如下：前述具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法还包含单侧电路提供步骤。单侧电路提供步骤包含电源变压器提供步骤及初级侧开关提供步骤。电源变压器提供步骤是提供耦接主动箝位开关及次级侧整流器之间的电源变压器，以传递能量。初级侧开关提供步骤是提供耦接主动箝位开关及电源变压器的初级侧开关。
13.前述实施方式的其他实施例如下：前述主动箝位开关为第一晶体管，次级侧整流器为二极管或第二晶体管。
14.前述实施方式的其他实施例如下：前述状态侦测步骤包含侦测器提供步骤。侦测器提供步骤是提供耦接于主动箝位开关及次级侧整流器之间的侦测器，以侦测次级侧整流器并产生次级侧整流器的工作状态。工作状态为导通状态、截止状态及转态状态的其中一者。
15.前述实施方式的其他实施例如下：前述开关控制步骤包含变压器提供步骤。变压器提供步骤是提供耦接于主动箝位开关及侦测器之间的变压器，以依据次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关。
16.前述实施方式的其他实施例如下：前述开关控制步骤还包含控制器提供步骤。控制器提供步骤是提供耦接于变压器及初级侧开关之间的控制器，以依据次级侧整流器的工作状态控制初级侧开关。
17.依据本发明的方法态样的另一实施方式提供一种具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法，其包含单侧电路提供步骤、状态侦测步骤及开关控制步骤。单侧电路提供步骤是于初级侧电路及次级侧电路中分别提供主动箝位开关及次级侧整流器。状态侦测步骤是侦测次级侧整流器的工作状态。开关控制步骤是依据次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关。
18.借此，本发明的具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法透过次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关取代转移主动箝位开关的启动时间，以有效改善能量转换效率。
19.前述实施方式的其他实施例如下：前述具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法还包含状态判断步骤。状态判断步骤是判断次级侧整流器的工作状态是否为导通状态，导通状态表示次级侧整流器被导通。
20.前述实施方式的其他实施例如下：当前述次级侧整流器的工作状态为导通状态时，主动箝位开关被导通。当次级侧整流器的工作状态为截止状态时，主动箝位开关被断开。
21.前述实施方式的其他实施例如下：前述具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法还包含状态判断步骤。状态判断步骤是判断次级侧整流器的工作状态是否为转态状态，转态状态表示次级侧整流器自导通状态转换至截止状态。
22.前述实施方式的其他实施例如下：当前述次级侧整流器的工作状态为转态状态时，主动箝位开关被导通后断开，以激发初级侧开关操作的初级侧震荡。
23.前述实施方式的其他实施例如下：前述单侧电路提供步骤还包含电源变压器提供
步骤及初级侧开关提供步骤。电源变压器提供步骤是提供耦接主动箝位开关及次级侧整流器之间的电源变压器，以传递能量。初级侧开关提供步骤是提供耦接主动箝位开关及位于初级侧电路的电源变压器的初级侧开关。
24.前述实施方式的其他实施例如下：前述主动箝位开关为第一晶体管，次级侧整流器为二极管或第二晶体管。
25.前述实施方式的其他实施例如下：前述状态侦测步骤包含侦测器提供步骤。侦测器提供步骤是提供耦接于主动箝位开关及次级侧整流器之间的侦测器，以侦测次级侧整流器并产生次级侧整流器的工作状态。工作状态为导通状态、截止状态及转态状态的其中一者。
26.前述实施方式的其他实施例如下：前述开关控制步骤包含变压器提供步骤。变压器提供步骤是提供耦接于主动箝位开关及侦测器之间的变压器，以依据次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关。
27.前述实施方式的其他实施例如下：前述开关控制步骤还包含控制器提供步骤。控制器提供步骤是提供耦接于变压器及初级侧开关之间的控制器，以依据次级侧整流器的工作状态控制初级侧开关。
28.依据本发明的结构态样的一实施方式提供一种具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器，其包含初级侧电路以及次级侧电路。初级侧电路包含主动箝位开关。次级侧电路包含次级侧整流器，其中次级侧整流器具有工作状态。次级侧电路的次级侧整流器的工作状态被侦测以控制初级侧电路的主动箝位开关。
29.借此，本发明的具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法透过次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关取代转移主动箝位开关的启动时间，以有效改善能量转换效率。
30.前述实施方式的其他实施例如下：前述初级侧电路还包含耦接主动箝位开关的初级侧线圈。次级侧电路还包含耦接次级侧整流器的次级侧线圈。初级侧线圈及次级侧线圈用以形成电源变压器，电源变压器将能量自初级侧电路传送至次级侧电路。初级侧电路还包含耦接主动箝位开关及初级侧线圈的初级侧开关。
31.前述实施方式的其他实施例如下：前述具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器还包含控制单元。控制单元耦接于主动箝位开关及次级侧整流器之间，并经配置以实施状态侦测步骤及开关控制步骤。状态侦测步骤是侦测次级侧整流器的工作状态。开关控制步骤是依据次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关，其中工作状态为导通状态、截止状态及转态状态的其中一者。
32.前述实施方式的其他实施例如下：前述控制单元还包含侦测器、变压器及控制器。侦测器耦接主动箝位开关及次级侧整流器，侦测器侦测次级侧整流器并生成次级侧整流器的工作状态。变压器耦接主动箝位开关及侦测器，变压器依据次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关。控制器耦接变压器及初级侧开关，控制器依据次级侧整流器的工作状态控制初级侧开关。
附图说明
33.图1是绘示本发明第一实施例的具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控
制方法的流程示意图；
34.图2是绘示本发明第二实施例的转换器的方块示意图；
35.图3是绘示本发明第三实施例的转换器的控制方法的流程示意图；
36.图4是绘示本发明第四实施例的转换器的方块示意图；
37.图5绘示图4的转换器的第一时序图；
38.图6绘示图4的转换器的第二时序图；
39.图7绘示图4的转换器的第三时序图；以及
40.图8绘示图4的转换器的第四时序图。
41.【符号说明】
42.100,100a:控制方法
43.200,200a:转换器
44.300,300a:初级侧电路
45.310:主动箝位开关
46.320:初级侧电容
47.330:初级侧开关
48.340:初级侧线圈
49.400:次级侧电路
50.410:次级侧整流器
51.420:次级侧线圈
52.430:次级侧电容
53.500,500a:控制单元
54.510:侦测器
55.512:第一侦测开关
56.514:第二侦测开关
57.522:第一线圈
58.524:第二线圈
59.526:第三线圈
60.520:变压器
61.530:控制器
62.s02,s14:状态侦测步骤
63.s04,s18:开关控制步骤
64.s12:单侧电路提供步骤
65.s122:电源变压器提供步骤
66.s124:初级侧开关提供步骤
67.s142:侦测器提供步骤
68.s16:状态判断步骤
69.s182:变压器提供步骤
70.s184:控制器提供步骤
71.c1:第一电容
72.c2:第二电容
73.d1:二极管
74.l1:控制线圈
75.r1:第一电阻
76.r2:第二电阻
77.r3:第三电阻
78.r4:第四电阻
79.rp:电阻
80.vin:输入电压
81.vout:输出电压
[0082]vd
:反映电压
[0083]
vgs:栅极-源极电压
具体实施方式
[0084]
以下将参照附图说明本发明的多个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示；并且重复的元件将可能使用相同的编号表示。
[0085]
此外，本文中当某一元件(或单元或模块等)“连接”于另一元件，可指所述元件是直接连接于另一元件，亦可指某一元件是间接连接于另一元件，意即，有其他元件介于所述元件及另一元件之间。而当有明示某一元件是“直接连接”于另一元件时，才表示没有其他元件介于所述元件及另一元件之间。而第一、第二、第三等用语只是用来描述不同元件，而对元件本身并无限制，因此，第一元件亦可改称为第二元件。且本文中的元件/单元/电路的组合非此领域中的一般周知、常规或已知的组合，不能以元件/单元/电路本身是否为已知，来判定其组合关系是否容易被技术领域中的通常知识者轻易完成。
[0086]
请参阅图1，图1是绘示本发明第一实施例的具有主动箝位开关及次级侧整流器的转换器的控制方法100的流程示意图。转换器包含主动箝位开关及次级侧整流器。转换器的控制方法100包含状态侦测步骤s02及开关控制步骤s04。状态侦测步骤s02侦测次级侧整流器的工作状态，开关控制步骤s04依据次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关。因此，本发明的转换器的控制方法100透过次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关而非根据初级侧开关的时序转移主动箝位开关的启动时间，可有效改善能量转换效率。
[0087]
请参阅图2，图2是绘示本发明第二实施例的转换器200的方块示意图。转换器200包含初级侧电路300、次级侧电路400及控制单元500。
[0088]
初级侧电路300包含主动箝位开关310、初级侧电容320、初级侧开关330及初级侧线圈340。主动箝位开关310可为n型金氧半场效(n-metal oxide semiconductor；nmos)晶体管，但本发明不以此为限。初级侧电容320耦接于输入电源及主动箝位开关310之间。输入电源产生输入电压vin，且输入电源可为包含交流电力及全桥整流器的传统交流输入电源。初级侧开关330其上具有反映电压vd。初级侧开关330耦接主动箝位开关310、初级侧线圈
340、接地点及控制单元500。初级侧开关330可为nmos晶体管，但本发明不以此为限。初级侧线圈340具有二线圈端点，初级侧线圈340的一线圈端点耦接输入电源及初级侧电容320。初级侧线圈340的另一线圈端点耦接主动箝位开关310及初级侧开关330。
[0089]
次级侧电路400包含次级侧整流器410、次级侧线圈420及次级侧电容430。次级侧整流器410具有工作状态。其中工作状态包含导通状态、截止状态及转态状态。导通状态表示次级侧整流器410被导通；截止状态表示次级侧整流器410被断开；转态状态表示次级侧整流器410自导通状态转换至截止状态。次级侧整流器410可为二极管或nmos晶体管，但本发明不以此为限。次级侧线圈420耦接次级侧整流器410。次级侧线圈420及初级侧线圈340用以形成电源变压器，以将能量自初级侧电路300传送至次级侧电路400。次级侧电容430耦接次级侧整流器410及次级侧线圈420。次级侧电容430产生输出电压vout。
[0090]
控制单元500耦接于主动箝位开关310及次级侧整流器410之间。换句话说，控制单元500耦接于初级侧电路300及次级侧电路400之间。控制单元500经配置以实施图1的控制方法100。次级侧电路400的次级侧整流器410的工作状态被侦测以控制初级侧电路300的主动箝位开关310。借此，转换器200透过次级侧整流器410的工作状态控制主动箝位开关310而非根据初级侧开关330的时序转移主动箝位开关310的启动时间，可有效改善能量转换效率。
[0091]
请参阅图3及图4，图3是绘示本发明第三实施例的转换器200a的控制方法100a的流程示意图；及图4是绘示本发明第四实施例的转换器200a的方块示意图。转换器200a包含主动箝位开关310及次级侧整流器410。转换器200a的控制方法100a包含单侧电路提供步骤s12、状态侦测步骤s14、状态判断步骤s16及开关控制步骤s18。
[0092]
单侧电路提供步骤s12于初级侧电路300a及次级侧电路400中分别提供主动箝位开关310及次级侧整流器410。此外，单侧电路提供步骤s12包含电源变压器提供步骤s122及初级侧开关提供步骤s124。电源变压器提供步骤s122提供耦接主动箝位开关310及次级侧整流器410之间的电源变压器，以传递能量。初级侧开关提供步骤s124提供耦接主动箝位开关310及电源变压器的初级侧开关330。
[0093]
状态侦测步骤s14侦测次级侧整流器410的工作状态。状态侦测步骤s14包含侦测器提供步骤s142。侦测器提供步骤s142提供耦接于主动箝位开关310及次级侧整流器410之间的侦测器510，以侦测次级侧整流器410而产生次级侧整流器410的工作状态。
[0094]
状态判断步骤s16判断次级侧整流器410的工作状态是否为导通状态、截止状态或转态状态。
[0095]
开关控制步骤s18依据次级侧整流器410的工作状态控制主动箝位开关310。当状态判断步骤s16判断次级侧整流器410的工作状态为导通状态时，开关控制步骤s18驱动控制单元500a导通主动箝位开关310。当次级侧整流器410的工作状态为截止状态时，开关控制步骤s18驱动控制单元500a断开主动箝位开关310。当次级侧整流器410的工作状态为转态状态时，主动箝位开关310被导通后断开，以激发初级侧开关330操作的初级侧震荡。此外，开关控制步骤s18包含变压器提供步骤s182及控制器提供步骤s184。变压器提供步骤s182提供耦接于主动箝位开关310及侦测器510之间的变压器520，以依据次级侧整流器410的工作状态控制主动箝位开关310。控制器提供步骤s184提供耦接于变压器520及初级侧开关330之间的控制器530，以依据次级侧整流器410的工作状态控制初级侧开关330。
[0096]
借此，转换器200a的控制方法100a透过次级侧整流器410的工作状态控制主动箝位开关310，而非根据初级侧开关330的时序转移主动箝位开关310的启动时间，可有效改善能量转换效率。
[0097]
请参照图4，转换器200a包含初级侧电路300a、次级侧电路400及控制单元500a。次级侧电路400的结构与图2的次级侧电路400相同，在此不再详述。初级侧电路300a包含主动箝位开关310、初级侧电容320、初级侧开关330、初级侧线圈340及电阻rp。主动箝位开关310、初级侧电容320、初级侧开关330及初级侧线圈340的细节与图2的主动箝位开关310、初级侧电容320、初级侧开关330及初级侧线圈340相同。电阻rp耦接于初级侧开关330及接地点之间。
[0098]
控制单元500a包含侦测器510、变压器520、控制器530、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、二极管d1、第一电容c1及控制线圈l1。侦测器510耦接于主动箝位开关310及次级侧整流器410之间，以生成次级侧整流器410的工作状态。具体而言，侦测器510包含第一侦测开关512、第二侦测开关514、第二电容c2及第四电阻r4。第一侦测开关512耦接次级侧整流器410、第二侦测开关514、第二电容c2及变压器520。第二侦测开关514耦接第一侦测开关512、第二电容c2、变压器520及第四电阻r4。第二电容c2耦接第一侦测开关512、第二侦测开关514及变压器520。第四电阻r4耦接第二侦测开关514、变压器520及次级侧整流器410。此外，变压器520耦接于主动箝位开关310及侦测器510之间，变压器520依据次级侧整流器410的工作状态控制主动箝位开关310。详细来说，变压器520包含第一线圈522、第二线圈524及第三线圈526。第一线圈522耦接侦测器510。第二线圈524耦接初级侧开关330、第一电阻r1及二极管d1。第三线圈526耦接控制器530。此外，控制器530耦接于变压器520及初级侧开关330之间，以根据次级侧整流器410的工作状态控制初级侧开关330。控制器530耦接第三线圈526、初级侧开关330、第二电阻r2及第三电阻r3。第一电阻r1及二极管d1耦接于主动箝位开关310及第二线圈524之间。第一电容c1耦接第一电阻r1、二极管d1及主动箝位开关310。第三电阻r3耦接于第二电阻r2及控制线圈l1之间。控制线圈l1耦接电源变压器；亦即控制线圈l1耦接次级侧线圈420。
[0099]
借此，转换器200a透过次级侧电路400的次级侧整流器410的工作状态控制初级侧电路300a的主动箝位开关310，而非根据初级侧开关330的时序转移主动箝位开关310的启动时间，可有效改善能量转换效率。
[0100]
请参照图4至图8，其中图5绘示图4的转换器200a的第一时序图；图6绘示图4的转换器200a的第二时序图；图7绘示图4的转换器200a的第三时序图；及图8绘示图4的转换器200a的第四时序图。在图4至图8中，次级侧整流器410的工作状态用以控制主动箝位开关310，而非根据初级侧开关330的时序转移主动箝位开关310的启动时间。次级侧整流器410的工作状态被反映于初级侧开关节点。初级侧开关节点位于主动箝位开关310及初级侧开关330之间，且具有反映电压vd。当次级侧整流器410的工作状态为导通状态(即次级侧整流器410被导通)，初级侧开关节点的反映电压vd等于vin加上nvout(即vd＝vin nvout)，其中vin为转换器200a的输入电压，n为初级侧线圈340及次级侧线圈420的变压器线圈比，vout为转换器200a的输出电压。初级侧开关节点的反映电压vd用以控制主动箝位开关310，特别是主动箝位开关310关闭时。主动箝位开关310可以在反映电压vd下降前、下降时或下降后被断开(反映电压vd下降代表初级侧开关节点的反映电压vd不等于vin加上nvout)。
[0101]
请参照图5，第一时序图代表“prior”，即主动箝位开关310在反映电压vd下降前被断开。vgs代表晶体管的栅极-源极电压。初级侧电容320(即缓冲电容)不会成为非连续电流模式(discontinuous current mode；dcm)杂散震荡的一部分。借此，初级侧电容320的震荡将不会产生损耗，损耗只会自杂散电容的震荡产生。“along”的时序图(即主动箝位开关310在反映电压vd下降时被断开)与图5中“prior”的时序图相同。
[0102]
请参阅图6，第二时序图代表“after”，即主动箝位开关310在反映电压vd下降后被断开。当次级侧整流器410被断开，反映电压vd不会被限制在vin nvout，且主动箝位开关310仍然被导通。初级侧电容320通过电流回流至电源变压器而成为震荡的一部分。当主动箝位开关310被断开时，变压器电感/漏电感需要与杂散电容相同的电流，以使反映电压vd急遽地趋近于零并使初级侧开关330有机会在零电压切换(zero voltage switching；zvs)状态下导通。
[0103]
请参阅图7，zvs状态可在负载极小时被实现。主动箝位开关310可在反映电压vd下降之前及当下被断开。损耗只会在杂散电容震荡时产生。在初级侧开关330导通之前，主动箝位开关310被导通(即第二次导通)，并在震荡后快速地以图6相同的方式断开至zvs状态。
[0104]
请参阅图8，次级侧整流器410的转态状态用以控制主动箝位开关以达成zvs状态。当次级侧整流器410的工作状态为转态状态(自导通状态转换至截止状态)时，主动箝位开关310被导通后断开以激发初级侧开关操作的初级侧震荡。
[0105]
由上述实施方式可知，本发明具有下列优点：其一，本发明的控制方法透过次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关，而非根据初级侧开关的时序转移主动箝位开关的启动时间，可有效改善能量转换效率；其二，本发明的转换器透过次级侧整流器的工作状态控制主动箝位开关，而非根据初级侧开关转移主动箝位开关的启动时间，能有效改善能量转换效率。
[0106]
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。