專利名稱：具有集成磁元件與同步整流的直流－直流轉換器的制作方法
技術領域：
本發明有關一種直流-直流轉換器，尤指應用一具有集成磁元件與同步整流電路的直流-直流轉換器。
(2)背景技術隨著半導體工業的進步，微細線寬(fine pitch)芯片制程技術日漸成熟，已可符合目前現有市場的需求，因此芯片的集成度可大幅增加，且可獲得較佳的電子特性。當線寬十分微小時(亦即該線寬小于或等于0.25μm)，則集成電路(IC)的工作電壓會由2.5V，1.8V，或是1.5V減少至低于1V。當更多晶體管被整合至一集成電路(IC)中時，則該集成電路本身需要較高的操作電流。當切換式功率轉換器傳送電能以驅動該集成電路，由于整流電路需要高導通電流以及連接線的長度皆會降低功率轉換的效率。其中在功率轉換器實現中有一項很重要的關鍵因素為單位體積的功率密度大小。
在習知技術中可利用一同步整流電路以改善低電壓、高電流功率轉換器的輸出效率。然而，現今功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和絕緣閘雙極性晶體管(IGBT)已完全可代替功率晶體管中小電流的二極管，使開關電源工作頻率可達到400kHz(AC-DC轉換器)和1MHZ(DC-DC)轉換器，因此可以達到切換電源高頻化的實現。另外，超快恢復功率二極管和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)同步整流技術的開發，也為研制高效低電壓輸出(≤3V)的切換電源提高了可行性。因此，該同步整流電路中所使用的主動元件已可使用金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)取代傳統使用的蕭特基二極管(Schottky diode)。同時，由于該同步整流電路導通時的電壓降遠低于二極管導通時的電壓降，因此可減少整流電路的導通損失。
在習知技術中另一種減少功率轉換器導通損失并提高功率轉換器效率的實現方式已揭示于美國專利號4,803,609中，在該專利中是揭示-″直流-直流轉換器″(DC-to-DC converter)，該直流-直流轉換器是整合一變壓器與一電感器以降低儲能元件的大小、減少二次側的導通損失與連接線的長度。
另一習知技術也已揭示于美國專利號4,441,146中，該專利是揭示一″最佳化重組的單端前向式轉換器變壓器鐵心結構″，藉由在每個切換周期中達到切換裝置與變壓器的最大能量轉換，以改善功率轉換器能量轉換的特性并提高功率轉換器的效率。該技術是利用箝位模式技術以減少主要開關元件的功率損失以及回收變壓器的漏感電能，以提高功率轉換器的效率。同時，在美國專利號5,303,138中亦揭示一″低功率損失的同步整流箝位模式功率轉換器″，該技術是結合同步整流技術以及箝位控制技術以提供高功率轉換效率。
然而上述技術，雖皆可提高功率轉換效率，但并無任何一種技術能夠涵蓋上述技術能達到的所有優點。另外，隨著切換頻率的增加，變壓器鐵心的功率損失將會成為功率轉換器功率損失十分明顯重要的因素。因此為達到高功率、高功率密度的目的，主要切換開關功率損失、同步整流功率損失、變壓器繞組功率損失以及變壓器鐵心的功率損失都必須得以降低。
鑒于習知技術的缺失，需要有一種『具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器』，以實現一最佳化的低電壓、高電流輸出的直流-直流轉換器。
(3)發明內容本發明的主要目的在于提供一種具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器，是利用一集成磁元件包含一鐵心，將一變壓器以及該直流-直流轉換器所需的濾波電感集成于該鐵心上以構成該集成磁元件，以提高功率轉換器的效率以及在相同的功率密度(power density)下縮小該功率轉換器的體積。
本發明的另一目的在于提供一種具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器，該直流-直流轉換器提供一低電壓以及高電流輸出，利用該集成磁元件與同步整流的整合裝置以及一箝位電路以減少主切換電路的切換損失、同步整流電路的導通損失以及變壓器線圈損失與鐵心損失。
根據本發明的構想，一種直流-直流轉換器，包含一輸入端，是電連接一直流電壓；一輸出端，是電連接一負載，輸出一電能至該負載；一集成磁元件，具有一一次側線圈、一二次側線圈以及一輔助線圈，該一次側線圈、該二次側線圈是構成一變壓器，該輔助線圈是作為一濾波電感；一切換電路，是電連接該輸入端，將該直流電壓切換輸出，周期性提供一正電壓與一負電壓的脈波至該一次側線圈，在該轉換器的一切換周期的一第一時區，該切換電路提供該正電壓的脈波儲能于該一次側線圈，在該轉換器切換周期的一第二時區，該切換電路提供該負電壓的脈波，重置(reset)該一次側線圈；以及一同步整流電路，是電連接該二次側線圈，利用該二次側線圈的電能在該切換周期的該第一時區與第二時區，使該同步整流電路導通，將該電能輸出至該輸出端，其中該輔助線圈是耦合介于該同步整流電路與該輸出端之間，作為該濾波電感，對該同步整流電路的輸出訊號進行濾波。
根據上述的構想，其中該集成磁元件還包含一鐵心，是將該變壓器以及該濾波電感集成于該鐵心上以構成該集成磁元件，且該集成磁元件具有一高磁阻磁路以及一低磁阻磁路共用一共有路徑，在該切換周期的該第一時區，經由該低磁阻磁路將電能由該一次側線圈傳送至該二次側線圈，且部分電能儲存于該高磁阻磁路。
根據上述的構想，其中在該切換周期的該第二時區，藉由該輔助線圈將儲存于該高磁阻磁路的電能由該集成磁元件傳送至該同步整流電路。
根據上述的構想，其中該共有路徑還包含一氣隙以減少一輸出電流漣波(current ripple)。
根據上述的構想，其中該切換電路還包含一箝位電路，以限制在該切換周期的該第二時區時該變壓器上的跨壓大小。
根據上述的構想，其中該同步整流電路包含一第一同步整流電路，在該切換周期的該第一時區，因該二次側線圈的能量而導通，將該電能傳送至該輸出端；以及一第二同步整流電路，在該切換周期的該第二時區，因該二次側線圈的能量而導通，將該電能傳送至該輸出端。
根據上述的構想，其中該同步整流電路包含一第一同步整流電路，具有一控制端，因該二次側線圈的電壓而周期性偏壓導通，使該第一同步整流電路將一導通電流由二次側線圈傳送至該輸出端；以及一第二同步整流電路，當該第一同步整流電路不導通時，因該二次側線圈的電壓而周期性偏壓導通，使該第二同步整流電路將該導通電流由二次側線圈傳送至該輸出端。
根據上述的構想，其中該第一同步整流電路是為一第一開關，該第二同步整流電路是為一第二開關，該第一開關以及該第二開關分別具有一控制端、一第一導電端以及一第二導電端，該第一開關的該控制端是電連接該第二開關的該第一導電端形成該同步整流電路的第一輸入端，該第二開關的該控制端是電連接該第一開關的該第一導電端形成該同步整流電路的第二輸入端，該輸入端是與該二次側電連接，又該開關的該第二導電端是電連接于一節點為該同步整流電路的一輸出端。
根據上述的構想，其中該開關是為一金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。
本發明的另一構想在于提供一種直流-直流轉換器，包含一輸入端，是電連接一直流電壓；一輸出端，是電連接一負載，輸出電能至該負載；一集成磁元件，具有一一次側線圈、一二次側線圈以及一輔助線圈，該一次側線圈、該二次側線圈是構成一變壓器，該輔助線圈是作為一濾波電感；一切換電路，是電連接該輸入端，將該直流電壓切換輸出，周期性提供一正電壓與一負電壓的脈波至該一次側線圈，在該轉換器的一切換周期的一第一時區，該切換電路提供該正電壓的脈波儲能于該一次側線圈，在該轉換器切換周期的一第二時區，該切換電路提供該負電壓的脈波，釋放該一次側線圈的儲能，其中，該切換電路還包含一箝位電路，以限制在該切換周期的該第二時區在該變壓器上的跨壓大小；以及一同步整流電路，是電連接該二次側線圈，利用該二次側線圈的電能在該切換周期的該第一時區與第二時區，使該同步整流電路導通，將該電能輸出至該輸出端，其中該輔助線圈是耦合在該同步整流電路與該輸出端之間，作為該濾波電感，對該同步整流電路的一輸出訊號進行濾波。
為更清楚理解本發明的目的、特點和優點，下面將結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細說明。
(4)
圖1是本發明較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路方塊圖；圖2是本發明第一較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖；圖3是本發明第二較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖；圖4是圖2與圖3的等效電路圖；圖5是本發明第三較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖；圖6是圖5的等效電路圖；圖7是本發明第四較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖；圖8是圖7的等效電路圖；圖9是本發明第五較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖；圖10是本發明第六較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖；圖11是本發明第七較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖；以及圖12是圖11的等效電路圖。
(5)具體實施方式
請參閱圖1，圖1是本發明的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路方塊圖。如圖1所示，一直流電壓，例如220伏特(volts)，是通過二導線104，105電連接一箝位控制模式功率轉換器(power converter)101。該直流電壓經切換輸出一脈波訊號，該脈波訊號經由該導線106，107傳送至一集成磁元件102。該集成磁元件102將該脈波訊號轉換輸出產生一低電壓、高電流的一電訊號，并將該低電壓、高電流的電訊號經由該導線108，109傳送至該同步整流電路103。由該同步整流電路將該電訊號整流，經由該導線110，111輸出并經由一濾波電容112濾波，提供一無漣波(ripple)的直流輸出電壓。該集成磁元件102還包含該直流一直流轉換器所需的一濾波電感用以濾波該變壓器二次側所送出該電訊號。
本發明是為一切換式電源供應器。該切換式電源供應器可為一單一切換開關的主動箝位控制電源供應器，如圖9以及圖10所示。或是為一雙切換開關的主動箝位控制電源供應器，如圖2~圖3、圖5、圖7以及圖11所示。
請參閱圖2，圖2是本發明第一較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖。如圖2所示，一直流電壓經由導線204，205跨壓在一全橋切換電路201，其中開關213，214在電力轉換器的一切換周期的一第一時區是同時導通，并經由導線206，207提供一正電壓至一集成磁元件202的一一次側線圈218。開關215，216在電力轉換器的該切換周期的一第二時區是同時導通，并經由導線206，207提供一負電壓以重置(reset)該集成磁元件202的該一次側線圈218。該開關213，214與該開關215，216的導通是為互補導通，亦即不同時導通，以避免該切換電路的短路。該全橋切換電路201還包含一箝位電容217是與該開關215串聯連接，在該開關213，214不導通時，限制一重置(reset)電壓在該集成磁元件202的跨壓大小為一定值。
然而，該該集成磁元件202具有該一次側線圈218、一二次側線圈219以及一輔助線圈220，該一次側線圈218、該二次側線圈219是構成一變壓器，該輔助線圈220是作為一濾波電感。
該集成磁元件202還包含一鐵心，是將該變壓器以及該濾波電感集成于該鐵心上以構成該集成磁元件202，且該集成磁元件202具有一高磁阻磁路B以及一低磁阻磁路A共用一共有路徑225，在該切換周期的該第一時區，經由該低磁阻磁路A將電能由該一次側線圈218傳送至該二次側線圈219，且部分電能儲存于該高磁阻磁路B。
其中，在該切換周期的該第二時區，藉由該輔助線圈220將儲存于該高磁阻磁路B的電能由該集成磁元件202傳送至該同步整流電路203。因此，該該輔助線圈220可提供該電力轉換器部分或是所有的輸出濾波電感。
另外，一氣隙221是設置于該集成磁元件202的一中間腳(center leg)222以及該集成磁元件202的底部構件之間。該氣隙221的位置可另有不同的設計，無須局限設置于中間腳，在后續實施例將有更進一步的說明。該一次側線圈218與該二次側線圈219是繞組在一該鐵心的外邊腳(outside leg)上。由法拉第電壓感應定律，因該一次側線圈218的交流電流而產生激磁能量，根據磁路路徑的不同，而分別產生該高磁阻磁路B以及該低磁阻磁路A，其中該高磁阻磁路B是通過該氣隙221。因此，該高磁阻磁路B與該輔助線圈220是構成該輸出濾波電感，而該低磁阻磁路A與該一次側線圈218、該二次側線圈219構成該變壓器。
該二次側線圈219的輸出電訊號是經由導線208，209傳送至一同步整流電路203。該同步整流電路203包含一第一同步整流器223以及一第二同步整流器224。該第一同步整流器223是電連接該二次側線圈219，于該切換周期的該第一時區時因該二次側線圈219的電壓觸發導通。且，該第二同步整流器224是電連接該二次側線圈219，于該切換周期的該第二時區時因該二次側線圈219的電壓觸發導通。因此，該二次側線圈219的電壓是用以驅動該同步整流電路203，使得該同步整流電路203的驅動能量能夠被再生回復，減小驅動能量的損失，并且該同步整流電路203的驅動訊號的停滯時間(deadtime)可被減小。自該同步整流電路203輸出的電訊號經導線210，211傳送至該濾波電容212進行濾波，提供一無漣波的直流輸出電壓。
請參閱圖3，圖3是本發明第二較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖。該氣隙221是設置于集成磁元件202的外邊腳以及該集成磁元件202的底部構件之間，藉以形成高磁阻磁路B。該一次側線圈218與該二次側線圈219是繞組在該鐵心的中間腳上。圖4是圖2與圖3的等效電路圖。此為一具有同步整流電路與集成磁元件的雙開關主動箝位式的前向式轉換器(forward converter)。
請參閱圖5，圖5是本發明第三較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖。該一次側線圈218與該二次側線圈219是繞組在該鐵心的該中心腳以構成該變壓器。該氣隙是設置于該鐵心的任一外邊腳，藉以形成高磁阻磁路B。該高磁阻磁路B與該輔助線圈220是構成該輸出濾波電感的功能。另一氣隙是設置于另一外邊腳，使得該變壓器與該電感器可相互耦合成該集成磁元件。所以能夠因為該氣隙的調整而減少該輸出電流漣波。但是其缺點是該一次側線圈的磁化電流將會增加且造成更多導通損失。
請參閱圖6，圖6是圖5的等效電路圖。該電力轉換器的輸出電路是為一倍流整流器(current doublers type rectifier)。
對于許多設備，該變壓器的該二次側線圈需要應用較多的線圈。在此實施例，可以通過二次側線圈的抽頭來獲得輸出濾波電感。
圖7是本發明第四較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖。如圖7所示，該二次側線圈具有兩個線圈，其中一線圈是作為該輸出濾波電感的功能。圖8是圖7的等效電路圖。既然該變壓器的磁化電感可作為該輸出濾波電感，則必需有一氣隙設置于該低磁阻磁路A上，以避免該鐵心飽和。
圖9與圖10是分別為本發明第五與第六較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖。如圖9與圖10所示，該電力轉換氣隙應用一單一開關的主動箝位電路，其功能與雙開關的主動箝位電路相同。在該切換周期的第一時區，該開關227導通，且該開關226關閉，使得電能可以由該直流電壓傳送至該集成磁元件。在該切換周期的第二時區，該開關226導通，且該開關227關閉以重置(reset)該變壓器。因此，產生一可調整空閑度(duty cycle)的方波訊號藉由該開關的導通傳送至該變壓器的該一次側線圈。如圖9所示，該氣隙是設置于該集成磁元件的該中心腳。如圖10所示，該氣隙設置于該中心腳與該外邊腳。
請參閱圖11，圖11是本發明第七較佳實施例的具有集成磁元件與同步整流的直流-直流轉換器的電路示意圖。在圖11中，該電力變換器具有兩個額外輔助線圈228，229，該輔助線圈228，229是繞組在低磁阻磁路上，用以提供一全方波訊號(full square wave signals)以驅動該同步整流電路。圖12是圖11的等效電路圖。
根據上述的描述，本發明是提供一種具有集成磁元件與同步整流的主動箝位式直流-直流轉換器。其優點分別陳述如下(1)一箝位控制模式切換電路提供一全方波訊號以驅動一集成磁元件，在高磁阻磁路與低磁阻磁路中線性增減交流磁通。加上高磁阻磁路與低磁阻磁路共用一共有路徑，在該共有路徑中磁通可相互抵銷。因此，可降低鐵心損失。
(2)一次側線圈、二次側線圈以及輔助線圈其相關位置可盡可能接近，減少因連接導線所形成雜散因素(stray parameters)的干擾。并且減少所需的濾波電容與濾波電感。該集成磁元件同時提供了變壓器以及輸出濾波電感的功能。所以二次側線圈與輔助線圈的共有路徑可減少。因此，繞組損失可降低。
(3)既然變壓器與輸出濾波電感的功能均被整合在一單一磁元件，因此本發明可提供一簡單與緊密構造的電力轉換器以提高電力轉換器的功率密度(power density)與效率。
(4)另一方面，因本發明是整合應用具有集成磁元件、同步整流與主動箝位模式的直流-直流轉換器，所以切換損失、同步整流損失以及變壓器繞組損失與變壓器鐵心損失皆可降低。
綜合上述，本發明可提供一種具有集成磁元件、同步整流與主動箝位模式的直流-直流轉換器以減少該直流-直流轉換器的切換損失、同步整流損失以及變壓器繞組損失與變壓器鐵心損失，因此得以解決習知技術的缺點，進而實現本發明的研發目的。
權利要求
1.一種直流-直流轉換器，其特征在于，包含一輸入端，是電連接一直流電壓；一輸出端，是電連接一負載，輸出一電能至該負載；一集成磁元件，具有一一次側線圈、一二次側線圈以及一輔助線圈，該一次側線圈、該二次側線圈是構成一變壓器，該輔助線圈是作為一濾波電感；一切換電路，是電連接該輸入端，將該直流電壓切換輸出，周期性提供一正電壓與一負電壓的脈波至該一次側線圈，在該轉換器的一切換周期的一第一時區，該切換電路提供該正電壓的脈波儲能于該一次側線圈，在該轉換器切換周期的一第二時區，該切換電路提供該負電壓的脈波，重置該一次側線圈；以及一同步整流電路，是電連接該二次側線圈，利用該二次側線圈的電能在該切換周期的該第一時區與第二時區使該同步整流電路導通，將該電能輸出至該輸出端，其中該輔助線圈是耦合介于該同步整流電路與該輸出端之間，作為該濾波電感，對該同步整流電路的輸出訊號進行濾波。
2.如權利要求1所述的直流-直流轉換器，其特征在于，該集成磁元件還包含一鐵心，是將該變壓器以及該濾波電感集成于該鐵心上以構成該集成磁元件，且該集成磁元件具有一高磁阻磁路以及一低磁阻磁路共用一共有路徑，在該切換周期的該第一時區，經由該低磁阻磁路將電能由該一次側線圈傳送至該二次側線圈，且部分電能儲存于該高磁阻磁路。
3.如權利要求2所述的直流-直流轉換器，其特征在于，在該切換周期的該第二時區，藉由該輔助線圈將儲存于該高磁阻磁路的電能由該集成磁元件傳送至該同步整流電路。
4.如權利要求1所述的直流-直流轉換器，其特征在于，該共有路徑還包含一氣隙以減少一輸出電流漣波。
5.如權利要求1所述的直流-直流轉換器，其特征在于，該切換電路還包含一箝位電路，限制在該切換周期的該第二時區時該變壓器上的跨壓大小。
6.如權利要求1所述的直流-直流轉換器，其特征在于，該同步整流電路包含一第一同步整流電路，在該切換周期的該第一時區，因該二次側線圈的能量而導通，將該電能傳送至該輸出端；以及一第二同步整流電路，在該切換周期的該第二時區，因該二次側線圈的能量而導通，將該電能傳送至該輸出端。
7.如權利要求1所述的直流-直流轉換器，其特征在于，該同步整流電路包含一第一同步整流電路，具有一控制端，因該二次側線圈的電壓而周期性偏壓導通，使該第一同步整流電路將一導通電流由二次側線圈傳送至該輸出端；以及一第二同步整流電路，當該第一同步整流電路不導通時，因該二次側線圈的電壓而周期性偏壓導通，使該第二同步整流電路將該導通電流由二次側線圈傳送至該輸出端。
8.如權利要求6或7所述的直流-直流轉換器，其特征在于，該第一同步整流電路是為一第一開關，該第二同步整流電路是為一第二開關，該第一開關以及該第二開關分別具有一控制端、一第一導電端以及一第二導電端，該第一開關的該控制端是電連接該第二開關的該第一導電端以形成該同步整流電路的第一輸入端，該第二開關的該控制端是電連接該第一開關的該第一導電端以形成該同步整流電路的第二輸入端，該輸入端是與該二次側電連接，又該開關的該第二導電端是電連接于一節點為該同步整流電路的一輸出端。
9.如權利要求8所述的直流-直流轉換器，其特征在于，該開關是為一金屬氧化物半導體場效應晶體管。
10.一種直流-直流轉換器，其特征在于，包含一輸入端，是電連接一直流電壓；一輸出端，是電連接一負載，輸出電能至該負載；一集成磁元件，具有一一次側線圈、一二次側線圈以及一輔助線圈，該一次側線圈、該二次側線圈是構成一變壓器，該輔助線圈是作為一濾波電感；一切換電路，是電連接該輸入端，將該直流電壓切換輸出，周期性提供一正電壓與一負電壓的脈波至該一次側線圈，在該轉換器的一切換周期的一第一時區，該切換電路提供該正電壓的脈波儲能于該一次側線圈，在該轉換器切換周期的一第二時區，該切換電路提供該負電壓的脈波，釋放該一次側線圈的儲能，其中，該切換電路還包含一箝位電路，以限制在該切換周期的該第二時區在該變壓器上的跨壓大小；以及一同步整流電路，是電連接該二次側線圈，利用該二次側線圈的電能在該切換周期的該第一時區與第二時區使該同步整流電路導通，以將該電能輸出至該輸出端，其中該輔助線圈是耦合在該同步整流電路與該輸出端之間，作為該濾波電感，對該同步整流電路的一輸出訊號進行濾波。
全文摘要
一種具有集成磁元件與同步整流的直流－直流轉換器，包含分別電連接直流電壓和負載的一輸入端和輸出端；一集成磁元件，具有構成一變壓器的一次側線圈、二次側線圈及作為濾波電感的輔助線圈；一電連接輸入端的切換電路，將直流電壓切換輸出，周期性地分別提供一正電壓與一負電壓的脈波至一次側線圈，以在切換周期的第一時區提供正電壓的脈波儲能于一次側線圈，而在第二時區，切換電路提供負電壓的脈波，釋放一次側線圈的儲能，切換電路還包含一箝位電路，以限制在第二時區在變壓器上的跨壓大小；以及一電連接二次側線圈的同步整流電路，將電能輸出至輸出端，輔助線圈耦合在同步整流電路與輸出端之間，對同步整流電路的一輸出訊號進行濾波。
文檔編號H02M3/335GK1447504SQ0310416
公開日2003年10月8日 申請日期2003年2月12日 優先權日2002年3月26日
發明者黃貴松, 顧亦磊, 胡躍全, 章進法, 蕭克域 申請人:臺達電子工業股份有限公司