CN102403908A - 能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器 - Google Patents

能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器，包括一变压器，其初级侧设有一初级绕组，用以接收一直流输入电压，其次级侧设有二个次级绕组，用以提供一直流输出电压；二初级侧功率开关，连接在初级侧，包括一第一功率开关及一第二功率开关，第一功率开关及第二功率开关相互串接；一谐振控制芯片，其上的二控制接脚分别与第一功率开关与第二功率开关的栅极相连接；一谐振电容，其正极与初级绕组的一端相连接，其负极连接至第二功率开关的源极；一谐振电感，其一端与初级绕组的另一端相连接，其另端连接至第一功率开关与第二功率开关间的线路；及至少一泄放电阻，与所述谐振电容相并联，且与一接地端相连接。

Description

能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器
技术领域
本发明涉及一种串联谐振转换器，尤指一种能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器，该串联谐振转换器能利用至少一泄放电阻，在关机时，将谐振电容上累积的高电压迅速释放至接地端，以使谐振电容的电压瞬间归零，使得在该串联谐振转换器关机再开机的瞬间，能降低谐振电容上的涌出电流，以有效降低第二功率开关切换时产生的峰值电压及初次级侧的峰值电流。
背景技术
近年来，由于电脑、周边设备及许多电子仪器的操作频率及效能(operatingfrequency and efficiency)不断提升，为了使该等电子设备或仪器均能获得高效率、高可靠度及较高弹性范围的直流输入电压，业者在设计直流对直流转换器(DC to DC Converter)时，尽可能将功率损失降到最低。因此，利用柔性切换技术所设计的谐振转换器(Resonant Converter)乃应运而生，谐振转换器的主要原理是在变压器的初级侧，以串联、并联或串并联方式，设置谐振电感及谐振电容等元件，并透过一谐振控制芯片，根据谐振原理，使其上的功率元件达到零电压或零电流切换(zero voltage switch or zero current switch)，以有效降低功率元件的切换损失，进而提高整体转换效率。另，由于谐振控制芯片及功率元件制作技术日益进步，且价格亦日趋便宜，故具有高效能、高操作频率及结构简单的谐振转换器乃日渐受到业界喜爱，而广泛地被应用至各式电子设备或仪器上，其中尤以串联谐振转换器(Series Resonant Converter)，因其在高输入电压下具备高效率且宽广的输出电压范围等特性，特别受到业界欢迎。
一般言，业界经常使用的串联谐振转换器，参阅图1所示，包括一输入电压滤波电容Cin、一谐振控制芯片IC、一第一功率开关Q1、一第二功率开关Q2、一谐振电感Lr、一谐振电容Cr、一变压器T1、二个次级整流二极管D1、D2及一输出电压滤波电容Cout，其中该输入电压滤波电容Cin的正负极跨接在一直流输入电压Vin的正负极上，其上并联有一组串接的该第一功率开关Q1及第二功率开关Q2，该第一功率开关Q1及第二功率开关Q2的栅极分别与该谐振控制芯片IC上对应的控制接脚相连接，若该谐振控制芯片IC以知名芯片制造商STMicroelectronics公司生产的型号为ST L6599A的高电压谐振控制器(high-voltage resonant controller)为例说明，该谐振控制芯片IC与该第一功率开关Q1的栅极相连接的控制接脚的编号为HVG，该谐振控制芯片IC与该第二功率开关Q2的栅极相连接的控制接脚的编号则为LVG，该第一功率开关Q1的漏极是与该输入电压滤波电容Cin的正极相连接，其源极与该第二功率开关Q2的漏极相连接，该第二功率开关Q2的源极则连接至该输入电压滤波电容Cin的负极，使得该输入电压滤波电容Cin可提供一稳定的输入电压给该变压器T1使用，该变压器T1主要用以隔离，其上设有一初级绕组NP及二个次级绕组NS1、NS2，该初级绕组NP的一端与该谐振电容Cr的正极相连接，其另端透过一谐振电感Lr连接至该二功率开关Q1、Q2间的线路，该谐振电容Cr的负极则与该第二功率开关Q2的源极相连接，该二个次级绕组NS1、NS2的一端分别连接至一输出电压滤波电容Cout的正极，其另端则分别与各该次级整流二极管D1、D2的负端相连接，各该次级整流二极管D1、D2的正端则分别连接至该输出电压滤波电容Cout的负极，使得该输出电压滤波电容Cout能提供一稳定的直流输出电压Vout给输出端上所跨接的负载。此种现有的串联谐振转换器的工作原理，是利用该谐振控制芯片IC，根据串联在初级侧的该谐振电感Lr及谐振电容Cr的阻抗特性，控制该二功率开关Q1、Q2的切换频率，使得该串联谐振转换器能依据输出端上所跨接的负载大小，提供一稳定的输出电压。
惟，在此种现有的串联谐振转换器关机时，参阅图2所示，若使用内电阻为100MΩ的一探针(probe)，量测该谐振电容Cr上的电压，实务上，由于量测时会有该探针的负载效应，虽能使该谐振电容Cr上累积的高电压Vcr缓慢放电，但仍无法令该谐振电容Cr的电压Vcr瞬间归零，而至少约需7秒以上(如图2所示的＞7S)，至于图2上所示的一水平虚线，则表示无探针负载效应时该谐振电容Cr上的电压波形，此时，由于该谐振电容Cr上累积的高电压Vcr无路径可以放电，故关机时该谐振电容Cr上的电压仍会停留在0.5Vbus以上，若Vbus＝400伏特，则该谐振电容Cr上的电压将高达200伏特以上，因此，在该串联谐振转换器关机再开机的瞬间，参阅图3所示，会因该谐振电容Cr上仍储存该高压而产生比较大的涌出电流(Inrush Current)，而使该第二功率开关Q2切换时，在漏极(drain)至源极(source)间的电压Vds上产生高达540V(伏特)的峰值电压(peak voltage)Vpk(如图3上箭头所示)，且在初级侧产生高达20A(安培)的峰值电流(peak current)Ippk(如图3所示初级侧电流Ip上的箭头)，及在次级侧产生高达280A(安培)的峰值电流(peak current)Ispk(如图3所示次级侧电流Is上的箭头)，故无论初级侧或次级侧均必须采用较高额定电压及较高额定电流的功率开关。因此，如何透过简单的电路设计及低成本的电子元件，使得所设计及制造出的串联谐振转换器能在关机时，使该谐振电容Cr的电压能瞬间归零，使得在关机再开机的瞬间，能降低该谐振电容Cr上的涌出电流，以有效降低该第二功率开关Q2上产生的峰值电压Vpk及初次级侧上产生的峰值电流Ippk及Ispk，即成为本发明的重点。
发明内容
有鉴于前述现有串联谐振转换器的问题与缺点，发明人根据多年实务经验及研究实验，终于开发设计出本发明的一种能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器。
本发明的主要目的，是该串联谐振转换器包括一变压器、一第一功率开关、一第二功率开关、一谐振控制芯片、一谐振电容、一谐振电感及至少一泄放电阻(bypass resistor)，其中该变压器的初级侧设有一初级绕组，用以接收一直流输入电压，其次级侧设有二个次级绕组，用以提供一直流输出电压；该等功率开关连接在该初级侧，且该第一功率开关及第二功率开关相互串接；该谐振控制芯片上的二控制接脚分别与该第一功率开关与第二功率开关的栅极相连接；该谐振电容的一端与该初级绕组的一端相连接，其另端连接至该第二功率开关的源极；该谐振电感的一端与该初级绕组的另一端相连接，其另端连接至第一功率开关与第二功率开关间的线路；该泄放电阻与该谐振电容相并联，且与一接地端相连接，用以将该谐振电容上累积的高电压在关机时迅速释放至该接地端。如此，在该串联谐振转换器关机时，该泄放电阻即能使该谐振电容的电压瞬间归零，使得在该串联谐振转换器关机再开机的瞬间，能降低该谐振电容上的涌出电流，进而有效降低该第二功率开关上所产生的峰值电压及初次级侧上产生的峰值电流，而能采用较低额定电压及较低额定电流的功率开关，以降低成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为现有串联谐振转换器的电路示意图；
图2为针对图1所示现有串联谐振转换器进行实测，在关机时，谐振电容Cr上的电压Vcr波形示意图；
图3为针对图1所示现有串联谐振转换器进行实测，在关机再开机的瞬间，第二功率开关Q2在漏极至源极间的电压Vds及初次级侧的电流波形示意图；
图4为本发明的一较佳实施例的电路示意图；
图5为针对图4所示本发明的串联谐振转换器进行实测，在关机时，谐振电容Cr上的电压Vcr波形示意图；及
图6为针对图4所示本发明的串联谐振转换器进行实测，在关机再开机的瞬间，第二功率开关Q2在漏极至源极间的电压Vds及初次级侧的电流波形示意图。
附图标号：
直流输入电压                        ......    Vin
输入电压滤波电容                    ......    Cin
谐振控制芯片                        ......    IC
第一功率开关                        ......    Q1
第二功率开关                        ......    Q2
谐振电感                            ......    Lr
谐振电容                            ......    Cr
变压器                              ......    T1
次级整流二极管                      ......    D1、D2
输出电压滤波电容                    ......    Cout
控制接脚                            ......    HVG、LVG
初级绕组                            ......    NP
次级绕组                            ......    NS1、NS2
直流输出电压                        ......    Vout
泄放电阻                            ......    R1、R2
第二功率开关的漏极至源极间的电压    ......    Vds
峰值电压                            ......    Vpk
初级侧电流                          ......    Ip
次级侧电流                          ......    Is
初级侧的峰值电流                    ......    Ippk
次级侧的峰值电流                    ......    Ispk
谐振电容上的电压                ......    Vcr
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明提供一种能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器，参阅图4所示的一较佳实施例，该串联谐振转换器(Series ResonantConverter)包括一输入电压滤波电容Cin、一谐振控制芯片IC、二初级侧功率开关(包括一第一功率开关Q1及一第二功率开关Q2)、一谐振电感Lr、一谐振电容Cr、一变压器T1、二个次级整流二极管D1、D2、一输出电压滤波电容Cout及至少一泄放电阻(bypass resistor)R1(及R2)；其中该输入电压滤波电容Cin的正负极跨接在一直流输入电压Vin的正负极上，其上并联有一组串接的该第一功率开关Q1及第二功率开关Q2，该第一功率开关Q1及第二功率开关Q2的栅极分别与该谐振控制芯片IC上对应的控制接脚HVG、LVG相连接(该谐振控制芯片IC以知名芯片制造商STMicroelectronics公司生产的型号为STL6599A的高电压谐振控制器为例说明)，该第一功率开关Q1的漏极与该输入电压滤波电容Cin的正极相连接，其源极与该第二功率开关Q2的漏极相连接，该第二功率开关Q2的源极则连接至该输入电压滤波电容Cin的负极，使得该输入电压滤波电容Cin可提供一稳定的输入电压给该变压器T1使用；该变压器T1主要用以隔离，其上设有一初级绕组NP及二个次级绕组NS1、NS2，该初级绕组NP的一端与该谐振电容Cr的正极相连接，其另端透过该谐振电感Lr，而连接至该二功率开关Q1、Q2间的线路，该谐振电容Cr的负极则与该第二功率开关Q2的源极相连接；该泄放电阻R1(及R2)与该谐振电容Cr相并联，且与一接地端相连接，用以将该谐振电容Cr上累积的高电压在关机时迅速释放至该接地端。在该实施例中，复参阅图4所示，该二个次级绕组NS1、NS2的一端分别连接至一输出电压滤波电容Cout的正极，其另端则分别与各该次级整流二极管D1、D2的负端相连接，各该次级整流二极管D1、D2的正端则分别连接至该输出电压滤波电容Cout的负极，使得该输出电压滤波电容Cout能提供一稳定的直流输出电压Vout给输出端上所跨接的一负载。在此需特别一提的是，该实施例中所述及的该次级整流二极管D1、D2亦可为其它等同于整流二极管的同步整流器。
如此，在该串联谐振转换器关机时，由于该泄放电阻R1(及R2)能将该谐振电容Cr上的电压迅速释放至该接地端，故能使该谐振电容Cr的电压瞬间归零，使得在该串联谐振转换器关机再开机的瞬间，能降低该谐振电容Cr上的涌出电流，进而有效降低该第二功率开关Q2切换时在漏极至源极间的电压Vds上所产生的峰值电压，及降低该初次级侧上所产生的峰值电流，而能采用较低额定电压及较低额定电流的功率开关。
以上所述仅为本发明的一较佳实施例，在实施本发明时，并不局限于此，亦可依据实际需要，变更该串联谐振转换器的初级侧或次级侧的电路设计，或将该等次级整流二极管D1、D2分别以一等效的半导体开关(如：电源金属氧化物半导体场效晶体管(Power Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，简称Power MOSFET))或一等效的晶体管，予以替代，惟，无论如何变更该串联谐振转换器的初级侧或次级侧的电路设计，本发明在此欲主张保护的电路结构是专指应用至一串联谐振转换器的电路结构，故，凡熟悉该串联谐振转换器的设计领域的技术人士，根据本发明的设计理念，在一串联谐振转换器的一谐振电容上，并联至少一泄放电阻，且使该等泄放电阻连接至一接地端，以将该谐振电容上累积的高电压在关机时迅速释放至该接地端，即应属本发明在此欲主张保护的电路结构的范围。
为确认本发明的前述实施例，在该串联谐振转换器开关瞬间，该等泄放电阻所产生的前述效能，发明人根据图4所示设有该等泄放电阻R1(及R2)的电路架构，实际设计及制作一电子线路，且对其进行实测，在该串联谐振转换器关机时，由图5所示的测试结果可知，该谐振电容Cr上累积的高电压Vcr，会透过该等泄放电阻R1(及R2)，在关机时迅速释放至该接地端，使得该谐振电容Cr的电压Vcr能瞬间归零，仅需0.5秒，(如图5所示的0.5S)，此外，在该串联谐振转换器关机再开机的瞬间，由图6所示的测试结果可知，该第二功率开关Q2于开机切换时，能降低其漏极至源极间电压Vds上所产生的峰值电压Vpk至仅380V(伏特)(如图6上箭头所示，远较图3所示的540伏特的峰值电压Vpk为低)，另，由图6所示的测试结果，亦能清楚得知，在该串联谐振转换器关机再开机的瞬间，亦能有效降低其初级侧所产生的峰值电流Ippk至仅15A(安培)(如图6所示初级侧电流Ip上的箭头，亦较图3所示的20安培的初级侧峰值电流Ippk为低)，且能有效降低次级侧所产生的峰值电流Ispk至仅200A(安培)(如图6所示次级侧电流Is上的箭头，亦较图3所示的280安培的次级侧峰值电流Ispk为低)。因此，藉由本发明的设计，确实能使该串联谐振转换器使用较低额定电压及较低额定电流的功率开关，以降低成本。
以上所述，仅为本发明最佳具体实施例，本发明的构造特征并不局限于此，任何本领域技术人员可轻易思及的变化或修饰，皆可涵盖在本案的权利要求专利范围内。

Claims (6)

1.一种能减轻功率开关额定电压及额定电流的串联谐振转换器，其特征在于，包括：
一变压器，其初级侧设有一初级绕组，用以接收一直流输入电压，其次级侧设有二个次级绕组，用以提供一直流输出电压；
二初级侧功率开关，连接在所述初级侧，包括一第一功率开关及一第二功率开关，所述第一功率开关及第二功率开关相互串接；
一谐振控制芯片，其上的二控制接脚分别与所述第一功率开关与第二功率开关的栅极相连接；
一谐振电容，其正极与所述初级绕组的一端相连接，其负极连接至所述第二功率开关的源极；
一谐振电感，其一端与所述初级绕组的另一端相连接，其另端连接至所述第一功率开关与第二功率开关间的线路；及
至少一泄放电阻，所述泄放电阻与所述谐振电容相并联，且与一接地端相连接。
2.如权利要求1所述的串联谐振转换器，其特征在于，还包括一输入电压滤波电容，跨接在所述直流输入电压上，且与相互串接的所述第一功率开关及第二功率开相并联。
3.如权利要求2所述的串联谐振转换器，其特征在于，还包括：
一输出电压滤波电容，其一端分别连接至所述二个次级绕组的一端；及
二个次级整流元件，其一端分别连接至所述二个次级绕组的另端，其另一端则分别连接至所述输出电压滤波电容的另一端，使得所述输出电压滤波电容能提供所述直流输出电压。
4.如权利要求3所述的串联谐振转换器，其特征在于，各所述次级整流元件为一整流二极管，使得所述输出电压滤波电容能提供所述直流输出电压。
5.如权利要求3所述的串联谐振转换器，其特征在于，各所述次级整流元件为一电源金属氧化物半导体场效晶体管，使得所述输出电压滤波电容能提供所述直流输出电压。
6.如权利要求3所述的串联谐振转换器，其特征在于，各所述次级整流元件为一晶体管，使得所述输出电压滤波电容能提供所述直流输出电压。
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