專利名稱：電源供應器的軟式切換電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電源供應器的軟式切換電路，該電路是一種在無 橋式整流電路中連接一輔助電路的設計，令完成零電壓轉移的軟式切 換，減低切換損失，并同時具有低導通損與低切換損的特性，適用于 電源供應器或類似結構。
背景技術：
現今科技的發達，在有關電源的部分運用也越來越廣泛，越來越 多的產品都會使用到電源供應器，尤其是在個人計算機、工業用計算機、交換機、收款機、印表設備......等，需求AC/DC交/直流電源轉換，而通過開關式結構來啟閉電源。而目前電源供應器中大多采用如圖1中所示的升壓型結構的功率 因子校正的電源轉換器，其先通過橋式整流器將交流電源轉成直流，再將的操作在升壓型轉換器模式，其操作狀態為二其一，當開關導 通時，電感器儲存能量，其二，當開關導截止時，電感器經二極管釋 放能量至負載，并利用其輸入電流連續的特性，通過功率因子調控技 術使之輸入電流為弦波，而達到輸出電壓與入電流調控的目的。圖2部分為采用無橋式升壓型結構的功率因子校正的電源轉換器，可省去前端的橋式整流器，利用電流調控技術直接將交流轉成直 流并可得到良好的電壓調控特性，輸入電流也可調控近似弦波，由于 無橋式整流器，故有較少的元件導通損。然而，其上述圖1及圖2的兩種結構在高頻操作時，會導致較大 的切換損失及電磁干擾，乃為其最主要的缺陷。本發明人有鑒于上述缺陷，希望能提供一種利用在無橋式整流電 路中連接一輔助電路的設計，以達到低導通損及低切換損的效能，以 提供給消費大眾使用，為本發明所欲研發的創作動機。發明內容本發明的主要目的在于提供一種電源供應器的軟式切換電路，通 過無橋式整流電路中連接一輔助電路的設計，即可完成主開關零電壓 切換及輔助開關零電流切換的特性，使同時具有低導通損及低切換損。本發明的次一目的在于提供一種電源供應器的軟式切換電路，經 由無橋式整流電路在輸入端移除橋式整流器，以達到降低導通損失， 使電路具有低導通損。為達上述的目的，本發明其主要包括有一無橋式整流電路及一輔 助電路；該輔助電路連接于無橋式整流電路中，該無橋式整流電路包 含有至少一濾波電感、二個主開關、二個二極管及一電容，其中該濾 波電感連接第一個二極管，而第一個二極管再連接第二個二極管，該 第二個二極管連接第一個主開關，而第一主開關再連接第二個主開關，該二個二極管及二個主開關并聯一電容，以降低導通損失；而該輔助 電路包含至少一諧振電感、 一輔助開關、至少二個二極管及一電壓源 電路，其中該二個二極管連接諧振電感再與電壓源電路連接，而電壓 源電路再連接輔助開關；藉此，以軟式切換電路來完成主開關零電壓 切換及輔助開關零電流切換的特性，并同時具有低導通損與低切換損 的特性。通過上述技術特征，以本發明的電路，具有如下的優點 1、本發明的輔助電路即在每個切換周期時，將無橋式整流電路的 主開關控制信號的導通時刻給予延遲時間，并在延遲時間中安插輔助 開關的導通時間，使得諧振電感在延遲時間中完成諧振，即完成零電壓轉移的軟式切換，減低切換損失。2、本發明通過無橋式整流電路中連接一輔助電路的設計，即可完 成主開關零電壓切換及輔助開關零電流切換的特性，使同時具有低導通損及低切換損者。并能有效抑制電磁干擾(EMI)的功能。本發明的其它特點及具體實施例可于以下配合附圖的詳細說明 中，進一步了解。
圖1為現有技術的第一實施例示意圖。 圖2為現有技術的第二實施例示意圖。 圖3為本發明的電路方塊示意圖。 圖4為本發明的電路第一實施例圖。 圖5為本發明的電路第二實施例圖。 圖6為本發明的電路第三實施例圖。 圖7為本發明的電路第四實施例圖。 圖8為本發明的電路第五實施例圖。 圖9為本發明的電路第六實施例圖。 圖IO為本發明的動作操作模式電路圖。 圖11為本發明的動作操作模式的波形圖。圖中符號說明10無橋式整流電路11濾波電感12主開關13二極管14電20輔助電路21諧振電感22輔助開關23二極管24電壓源電路241加極性自耦全橋變壓器電路242減極性自耦全橋變壓器電路243加極性變壓器電路244減極性自耦變壓器電路245加極性自耦變壓器電路246中央抽頭變壓器電路25寄生電容具體實施方式
請參考圖3，本發明的電源供應器的軟式切換電路主要包括有一 無橋式整流電路10及一輔助電路20;該輔助電路20連接于無橋式整 流電路10中，而該無橋式整流電路IO包含有至少一濾波電感11、 二 個主開關12、 二個二極管13及一電容14，其中該濾波電感ll連接第 一個二極管13，該濾波電感11為耦合式濾波電感或非耦合式濾波電感， 而第一個二極管13再連接第二個二極管13，而第二個二極管13連接 第一個主開關12，而第一主開關12再連接第二個主開關12,該二極 管13及主開關12中并聯一電容14，以供在輸入端移除橋式整流器， 以降低導通損失；而該輔助電路20包含至少一諧振電感21、 一輔助開 關22、至少二個二極管23及一電壓源電路24，其中該至少二個二極 管23連接諧振電感21再與電壓源電路24連接，而電壓源電路24再 連接輔助開關22，另該輔助電路20中進一步設有諧振電容(或可利用 主開關或輔助開關本身的寄生電容25)供于諧振電感21在此時間內完 成諧振，其中該無橋式整流電路10的主開關12及輔助電路20的輔助 開關22為金屬氧化層半導體元件(Metal-Oxide- Semiconductor)并聯 電容及二極管而成(也可利用開關自身的寄生電容與二極管)，或絕緣柵 雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor)并聯電容及二極管而成 (也可利用開關自身的寄生電容與二極管)，除上述的元件外也可為用其 它的開辟元件來取代，即在每個切換周期時，將無橋式整流電路10的主開關12控制信號的導通時刻給予延遲時間，并在延遲時間中安插輔助開關22的導通時間，使得諧振電感21在延遲時間中完成諧振，即完成零電壓轉移的軟式切換，減低切換損失。請參考圖3 圖9，為本發明的實施例的開關電源電路，在軟式切 換電路中，由于輸入電流為交流，有正半周與負半周的分，但其操作 可分成兩個大模式，而于實施例中主要在討論軟式切換操作，故其在 兩大模式中的運轉原理相同，然將先假設其輸入電源為正半周，再分 析軟性切換工作，由于切換周期極短，故可假設升壓電感L足夠大， 而可視其電流為定電流源，輸出濾波電容C足夠大，視其電壓為定電 壓源，即f,:/,.及v。-F。，其中為方便分析，諧振電容C,。與二極管A仍保留，在實際應用時，諧振電容c;可用&的寄生電容替代，二極管化可用S,的背接二極管替代。該電源電路通過在外加的輔助電路20上的 輔助開關22即可完成零電流切換，其概念為串聯一等效電壓源電路24， 其電壓源電路24以變壓器并接于輸出方式實現，而利用輸出為定電壓 源感應一定電壓于輔助電路上，用以幫助輔助開關22可完成零電流切 換，而變壓器并可采用加極性與減極性的方式實現，如同圖4所示為 減極性自耦全橋變壓器電路241，該減極性自耦全橋變壓器電路241由 四個二極管及一減極性變壓器所組成，而圖5所示為加極性自耦全橋 變壓器電路242，該加極性自耦全橋變壓器電路242由四個二極管及一 加極性變壓器所組成，而圖6所示為加極性變壓器243，該加極性變壓 器243由二個二極管及一加極性變壓器所組成，而圖7所示為減極性 自耦變壓器244，該減極性自耦變壓器244由一個二極管、 一電阻、一 電容及一減極性變壓器所組成，而圖8所示為加極性自耦變壓器245, 該加極性自耦變壓器245由一個二極管、 一電阻、 一電容及一加極性 變壓器所組成，而圖9所示為中央抽頭變壓器246，該中央抽頭變壓器 246由二個二極管及一中央抽頭變壓器所組成，為本發明的各型不同態 樣的實施方式。請參考圖IO,為本發明的操作模式電路圖，其操作可分為十個模式予以分析，而各關鍵變量的波形草繪于圖11。在各模式下的電路操 作情況簡述如下模式0(^ O:在^^^。期間，主開關S和輔助開關S,.皆截止，輸 入電流/,經由二極管化流至負載，并經由&的背接二極管回至輸入， 二極管D。電流/。。-Z,，此時跨于主開關的電壓(即共振電容電壓)^=^。。 模式1 (" M:在z^。時，主開關S被延遲而輔助開關S,先行導通，進 入模式l， A。導通，此時電流流經D,.。、 Zv與 ;的繞組^，并且在繞組氣產生感應電流"此感應電流f,經z),至p;，再由A回復，此時7;二次側跨定電壓源F。，激磁電流/ ,線性上升，故可在一次側感應一定電壓 源，又由于Z)。仍導通，因此電流^開始線性上升，則輔助開關s,.為軟 導通(softtumon)。在此模式下電路的導通情形，當電流；,上升至/,.時， 此模式終止，即/ = ~。模式2(/, 。:當電流L.上升至/,.時，二極管Z)。 截止，進入模式2，在此模式的下輔助開關持續導通，諧振電感與諧振 電容形成共振槽路，電感電流繼續上升，諧振電容電壓(即主開關電壓 (vj)下降，當v,由K。下降至零，此模式終止，即^-^。模式3(^ " 當諧振電容電壓(^)在？ = ^下降至零，進入模式3，諧振電容電壓(v,) 繼續下降，造成主開關的背接二極管A。導通，電流^開始線性下降， 電流f!。開始線性上升，此時主開關電壓為零，當^/2時，可觸發主開 關S。使的完成零電壓切換(ZVS)導通。當/,。由負上升至零時，此模式終 止，即？ = /3。模式4 (G 0:在r-^時，電流/,。由負上升至零，主開關 的背接二極管Z),。截止，進入模式4，此時^由零持續線性上升，電流^ 持續線性下降，儲存在諧振電感丄,的能量通過2;釋放于負載。當^下 降至激磁電流/,,,時，此模式終止，即^/4。模式5(" y在^q時，^下降至激磁電流、。此時 ;跨壓為零，二極管D,與A截止，￡>2導通，激磁電流由 一次側和二次側經&環流，但由于一般設計激磁電流皆遠小于負載電流，故可將流經輔助開關&的電流視為零電流。當Q"時，可關閉輔助開關s,.使的完成零電流切換(zcs)截止，令輔助開關截止，此模式終止，即/ = /5。模式6 (,5…6):在f-^時令輔助開關截止，進入 模式6，此時激磁電感電流! ,對5,.的寄生電容；充電，Av電壓上升， 當VV電壓上升至K。時，^與/)2導通，此模式終止，即；=/6。模式7(;6~/7):當VV電壓于^^上升至K時，進入模式7，此時A與A導通，激磁電 感￡,,,存在一跨壓^,使得激磁電感電流/,，,線性下降，當/,,,線性下降至零時，7;完成重置，此模式終止，即^G。模式8(~~0:當!', 于^^線 性下降至零時，進入模式8， 二極管A與A皆截止，此時主開關仍持續導通，電感丄儲存能量，即進入一般升壓式轉換器的主開關完全導通下的操作情況，當主開關截止時，此模式終止，即f-"。模式9(^ 0:當主開關于f-"截止時，進入模式9，此時定電流/,對共振電容C,。充電，使開關電壓線性上升，當電容電壓達到輸出電壓p;時，此模式終止， 二極管z)n導通，此時^ = ^;回到模式0，為另一切換周期的開始。根據上述的分析，本文所提的外加輔助電路，可使主開關在導通時完成零電壓切換(zvs)的特性，輔助開關在導通時為軟導通，截止時完成零電流切換(ZCS)的特性；同理，當輸入電流為負半周期時，輸入電流流經另一支路，利用相同的輔助電路使其達到零電壓、零電流切 換的特性，因此，所提的無橋式軟式切換電路，將可有效改善電路開 關的切換損失，進而提升轉換器的效率。通過以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明了本發明的確可達成 前述目的，已符合專利法的規定，提出專利申請。以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施的范圍；故，凡依本發明申請專利范圍及說明書內容所作的簡 單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋的范圍內。
權利要求
1. 一種電源供應器的軟式切換電路，包括一無橋式整流電路，該無橋式整流電路包含有至少一濾波電感、二個主開關、二個二極管及一電容，其中該濾波電感連接第一個二極管，而第一個二極管再連接第二個二極管，該第二個二極管連接第一個主開關，而第一主開關再連接第二個主開關，該二個二極管及二個主開關并聯一電容，以降低導通損失；一輔助電路，該輔助電路連接于無橋式整流電路中，而該輔助電路包含至少一諧振電感、一輔助開關、至少二個二極管及一電壓源電路，其中該二個二極管連接諧振電感再與電壓源電路連接，而電壓源電路再連接輔助開關。
2. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該無橋 式整流電路的濾波電感為耦合式濾波電感。
3. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該無橋 式整流電路的濾波電感為非耦合式濾波電感。
4. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該無橋 式整流電路的主開關及輔助電路的輔助開關為金屬氧化層半導體元件 并聯電容及二極管而成。
5. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該無橋 式整流電路的主開關及輔助電路的輔助開關中為絕緣柵雙極晶體管并 聯電容及二極管而成。
6. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該輔助 電路中進一步設有諧振電容。
7. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該無橋 式整流電路的主開關及輔助電路的輔助開關中進一步包含有寄生電容。
8. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該輔助 電路的電壓源電路為減極性自耦全橋變壓器電路，該減極性自耦全橋 變壓器電路由四個二極管及一減極性變壓器所組成。
9. 如權利要求l所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該輔助 電路的電壓源電路為加極性自耦全橋變壓器電路，該加極性自耦全橋 變壓器電路由四個二極管及一加極性變壓器所組成。
10. 如權利要求1所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該輔 助電路的電壓源電路為加極性變壓器電路，該加極性變壓器電路由二 個二極管及一加極性變壓器所組成。
11. 如權利要求1所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該輔 助電路的電壓源電路為減極性自耦變壓器電路，該減極性自耦變壓器 電路由一個二極管、一電阻、 一電容及一減極性變壓器所組成。
12. 如權利要求1所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該輔 助電路的電壓源電路為加極性自耦變壓器電路，該加極性自耦變壓器 電路由一個二極管、 一電阻、 一電容及一加極性變壓器所組成。
13. 如權利要求1所述的電源供應器的軟式切換電路，其中該輔 助電路的電壓源電路為中央抽頭變壓器電路，該中央抽頭變壓器電路 由二個二極管及一中央抽頭變壓器所組成。
全文摘要
一種電源供應器的軟式切換電路，包括一無橋式整流電路連接一輔助電路；該無橋式整流電路包含有至少一濾波電感、二個主開關、二個二極管及一電容，其中該濾波電感連接第一個二極管，而第一個二極管再連接第二個二極管，該第二個二極管連接第一個主開關，而第一主開關再連接第二個主開關，該二個二極管及二個主開關并聯一電容，以降低導通損失；而該輔助電路包含至少一諧振電感、一輔助開關、至少二個二極管及一電壓源電路，其中該二個二極管連接諧振電感再與電壓源電路連接，而電壓源電路再連接輔助開關；藉此，以這種軟式切換電路來完成主開關零電壓切換及輔助開關零電流切換的特性，并同時具有低導通損與低切換損的特性。
文檔編號H02M7/217GK101267165SQ20071008627
公開日2008年9月17日 申請日期2007年3月13日 優先權日2007年3月13日
發明者夏存孝, 蔡憲逸, 陳德玉 申請人:力億企業股份有限公司