具有零电位切换控制功能的交换式电源供应器制造技术

一种具有零电位切换控制功能的交换式电源供应器，是利用一具有零电位切换的控制电路，使其输出侧的电容器上先前储存的能量，能通过其变压器（或储能电感器）局部反馈至其输入侧，再通过判断其输出侧及输入侧上分别与该变压器（或储能电感器）相连接的电力开关，是否达到可进行零电位切换的条件，并在达到该条件时，分别提供这些开关一互补的驱动信号，控制这些开关的截止或导通时间点，使这些电力开关可周而复始地在零电位状态下完成切换动作，降低功率损失，减少热能和散热片。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有零电位切换控制功能的交换式电源供应器，尤指一种可自动使其上的各电力开关在零电位的状态下，顺利完成切换动作，以有效降低上述各个开关在高频切换作业下的功率损失的电源供应器。近年来，由于半导体产业的制造技术进步神速，所生产的半导体元件日趋小型化，此一发展趋势，使各种电子产品的制造业可以研究开发设计出更轻薄短小的产品。然而，在传统硬式切换模式的电源供应器设计中，其电力开关在高频操作环境下，将消耗大量功率，产生高热，故需通过加装散热片及风扇进行冷却，否则，极易发生故障，所以，这种传统电源供应器不仅制造成本及故障率较高，其体积较大及散热不良等缺点，也使其成为这些电子产品在小型化过程中的致命伤。自1980年开始，随着微电脑时代的来临，电子产品的小型化变得更加迫切，从业人员为适应此一需求，研究设计出下列各种传统切换模式的电源供应器(1)传统返驰式电源供应器在一般返驰式电源供应器(f1ybackconverter)中，参阅附图说明图1所示，该电源供应器的一输入电压滤波电容器C1，是跨接在一输入电源Vin的两端，以提供一稳定的输入电压给一后级转换器使用，该后级转换器包括一变压器，该变压器上设有一初级绕组Lp及一次级绕组Ls，该初级绕组Lp，与一开关元件S1形成一串联回路，跨接在该滤波电容器C1的两侧。该次级绕组则与一二极管D1形成另一串联回路，跨接在一输出电压滤波电容器C2的两侧，将经该开关元件S1调制后的高频切换波形欲给以平滑，提供一直流输出电压V0给输出端上跨接的一负载使用。在该电源供应器中，当该开关元件S1闭合时，输入电源Vin将对该初级绕组Lp进行充电，而将能量储存其中，此时，由于该变压器的初级绕组Lp及次级绕组Ls的极性相反，该二极管D1将被反向偏压，因此，由该输出电压滤波电容器C2提供负载所需能量。然后，当该开关元件S1断开时，由于该变压器上的磁通量开始收缩，导致该次级绕组Ls的电压极性反转，产生一感应电流，使该二极管D1被导通，并对该滤波电容器C2进行充电，且输出至该输出端所连接的负载上。由于，此种电源供应器在该开关元件S1断开时，该开关元件S1上将存在一相当高的电压，该电压会在其寄生电容上蓄积一电位能量(CV2/2)，此能量会在该开关元件S1后续的闭合瞬间，在其上转变成热能消耗掉，故在高频的切换环境下，该开关元件S1上将产生高热，极易故障。为改善此一缺点，一专利编号第5,057,986号的美国专利技术专利，参阅图2所示，即通过在前述电源供应器的初级电路上加设另一开关元件S2及一储能电容器Cp，利用该电源供应器上的激磁电感Lp、储能电容Cp及这些开关元件S1、S2上的寄生电容所形成的共振，使其达成零电位切换的机制(zero-voltage control scheme)。但是，在该专利技术中，由于此一机制必须通过该激磁电感Lp提供达成零电位切换条件所需的能量，因此，当负载愈大时，零电位切换条件就愈难达成。另一专利编号第5,402,329号的美国专利技术专利，参阅图3所示，是在电源供应器中通过增加一小电感L1，利用该电感提供达成零电位切换所需的能量，该电感可为一外加电感或该变压器本身的漏感，其作法虽可解决第5,057,986号美国专利所存在的缺陷，怛由于其零电位切换条件太过于依赖电路上的杂散电容(straycapacitance)及漏电感(leakage inductance)，造成在设计及制造该电源供应器时，不易掌握其设计规格。(2)传统升压式电源供应器一般来说，传统升压式电源供应器(Boostconverter)，参阅图4所示，主要是被用来提升功率因数修正(power factorcorrection)上，由于功率因数修正电路(power factor correctioncircuit)均是在高压环境下运行，故该电源供应器的开关元件S1在断开时，其上将存在一约400伏的电压，其所蓄积的电能，相对地变得非常大，并在后续的闭合瞬间，将全部转变成该开关元件S1上的热能，大大地折损了该开关元件S1的正常使用寿命。之后，在1992年，为改善此一发热的问题，李哲元博士等人提出一电路设计，参阅图5所示，该电路是在前述电路中加入一辅助开关S2、一电感L2及一二极管D2等三元件，且在该电路运行时，先通过短暂导通该辅助开关S2，直到该开关元件S1上的电压被抽离，并已具备零电位切换的条件时，再导通该开关元件S1，完成零电位的切换动作。但是，此一设计在实际制作上却存在不少困难，且成本也较高，故其应用情形并不普遍。而图6所示的电路为专利编号第5,402,329号的美国专利技术专利，其仅能减少整流二极管D1的淤积电荷，对该开关元件S1放电所造成的损失，但是，由于该开关元件S1仍是处于硬式切换模式，故其在高频的切换作业下，所造成的功率损失，自然不容忽视。(3)传统降压式电源供应器传统降压式电源供应器(Buckconverter)，参阅图7所示，主要是被使用在低电压大电流的场合，这种电源供应器在设计上，一般较偏向于降低开关元件S1及整流二极管D1的导通损失，而忽略其切换损失，故迄今未见该电路在软式切换方面的有关研究论文或应用实例。参阅图8所示的电路，主要是将前述电路中开关元件S1及整流二极管D1分别以一场效应功率晶体管(power MOSFET)Q1、Q2取代，该两个晶体管采用互补式切换，利用这些晶体管的超低阻抗的优点，来降低导通损失。然而，由于这些晶体管仍是处于硬式切换模式，故若该电路被应用于电压较高的场合，即不能忽视其开关元件在切换时的功率损失。本专利技术的目的是提供一种可以克服传统电源供应器在设计及生产上诸多缺点的具有零电位切换控制功能的交换式电源供应器。本专利技术的目的是这样实现的其包括有一输入电压滤波电容器，跨接在一输入电源的两端，以提供一稳定的输入电压；一变压器，用以储存及释放电能，其上设有一初级绕组及一次级绕组；一初级电力开关，与该初级绕组形成一串联回路，跨接在该输入电压滤波电容器的两侧；一次级电力开关，与该次级绕组形成另一串联回路，跨接在一输出电压滤波电容器的两侧，该输出电压滤波电容器可将经这些开关调制后的高频切换波形给以平滑，提供一稳定的直流输出电压给输出端上跨接的一负载使用；一具有零电位切换控制机制的控制电路，用以使该输出电压滤波电容器上先前储存的能量，能通过该变压器局部反馈至其输入侧，再判断这些电力开关是否达到可进行零电位切换的条件，并在达到该条件时，分别提供这些开关一互补的驱动信号，控制这些开关的截止时间点，使这些电力开关可周而复始地在零电位状态下完成切换动作。其中该控制电路可通过检测该电源供应器的输出电压，以调整其脉冲宽度。其中这些电力开关可为一场效应功率晶体管，其上分别设有一寄生二极管。其中该初级电力开关的漏极与该初级绕组相连接，而其源极则与该输入电压滤波电容器的负端相连接；该次级电力开关的漏极与该输出电压滤波电容器的正端相连接，而其源极则与该次级绕组相连接；该控制电路所提供的这些驱动信号是输出至这些电力开关的栅极。本专利技术的目的也可以是这样实现的其包括一输入电压滤波电容器，跨接在一输入电源的两端，以提供一稳定的输入电压；一储能电感器，与一充电电力开关形成一串联回路，跨接在该输入电压滤波电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有零电位切换控制功能的交换式电源供应器，其特征在于：包括有：一输入电压滤波电容器，跨接在一输入电源的两端，以提供一稳定的输入电压；一变压器，用以储存及释放电能，其上设有一初级绕组及一次级绕组；一初级电力开关，与该初级绕组形成一串联回路，跨接在该输入电压滤波电容器的两侧；一次级电力开关，与该次级绕组形成另一串联回路，跨接在一输出电压滤波电容器的两侧，该输出电压滤波电容器可将经这些开关调制后的高频切换波形给以平滑，提供一稳定的直流输出电压给输出端上跨接的一负载使用；一具有零电位切换控制机制的控制电路，用以使该输出电压滤波电容器上先前储存的能量，能通过该变压器局部反馈至其输入侧，再通过判断这些电力开关是否达到可进行零电位切换的条件，并在达到该条件时，分别提供这些开关一互补的驱动信号，控制这些开关的截止时间点，使这些电力开关可周而复始地在零电位状态下完成切换动作。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梁锦宏，
申请(专利权)人：天网电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]