CN104980025B - 电源转换装置 - Google Patents

Abstract

一种电源转换装置，包含一全桥开关电路，接收一第一至第四控制信号及一直流输入电压，并将该直流输入电压转换成一转换电压；一转换电路，接收该转换电压并将该转换电压转换成一直流输出电压，且包括一谐振电感、一变压器、一第一与第二转换开关、一输出电感及一输出电容，该第一与第二转换开关分别受一第五及第六控制信号控制而在导通与不导通状态间切换，该输出电容的两端提供该直流输出电压；及一控制电路，接收该直流输出电压及一默认参考电压，并据以产生该第一至第六控制信号给各自所对应的该全桥开关电路及该第一与第二转换开关。

Description

电源转换装置

技术领域

本发明涉及一种转换装置，特别是涉及一种电源转换装置。

背景技术

以往电源转换装置中，为了具有较大负载范围内的零电压切换(Zero VoltageSwitching，ZVS)，导致该电源转换装置除了本身所包含的一谐振电感外，还包含一额外设置的谐振电感。但随着电源管理的重要性提高，对于使用此种电源转换装置的电源供应装置在电源管理上会造成不便。以往电源转换装置具有以下缺点：

1.高成本。该电源转换装置需要具有额外设置的谐振电感，导致增加装置的元件成本。

2.降低转换功率的变换效能。该电源转换装置在电源转换的过程中除了通过本身的一谐振电感，还需再经过额外设置的谐振电感，才能进行功率转换，大幅降低转换功率的变换效能，同时该电源转换装置具有较大的谐振电感而使整体有效占空比变大，不仅增加损耗量，也导致该电源转换装置内的一变压器匝比选择受限。

3.该电源转换装置即使包含额外的谐振电感仍无法获得全负载范围的ZVS。

4.使用此种电源转换装置的电源供应结构，因额外增设谐振电感，相对地，在生产组配的过程中，需要针对额外增设的谐振电感进行对应的检测、调整作业，才能确保整机的运作效率。

5.因额外增设一谐振电感，进而需在本身的谐振电感与额外设置的谐振电感间增加一电性控制电路，如此一来，会增加该电源转换装置整体设计的复杂度。此外，因对电源供应装置规格需求不同，当同时需要多个不同规格的电源供应装置时，更会造成电源管理间的电性电路的设计相当复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以降低成本及减少损耗，同时提高转换功率的变换效能的电源转换装置。

本发明电源转换装置，包含一全桥开关电路、一转换电路及一控制电路。

该全桥开关电路接收一第一至第四控制信号及一直流输入电压，并将该直流输入电压转换成一呈方波的转换电压。

该转换电路电连接该全桥开关电路以接收该转换电压，并将该转换电压转换成一直流输出电压，且该转换电路包括一谐振电感、一变压器、一第一转换开关、一第二转换开关、一输出电感及一输出电容。

该谐振电感具有一电连接该全桥开关电路的第一端，及一第二端。

该变压器具有一个一次侧绕组及一个二次侧绕组，该一次侧绕组具有一电连接该谐振电感的第二端的第一端，及一电连接该全桥开关电路的第二端，该二次侧绕组具有一第一端、一第二端及一位于该第一、第二端间的中间抽头。

该第一转换开关具有一电连接该二次侧绕组的第二端的第一端、一第二端，及一接收一第五控制信号的控制端，该第一转换开关受该第五控制信号控制而在导通与不导通状态间切换。

该第二转换开关具有一电连接该二次侧绕组的第一端的第一端、一电连接该第一转换开关的第二端的第二端，及一接收一第六控制信号的控制端，该第二转换开关受该第六控制信号控制而在导通与不导通状态间切换。

串联连接的该输出电感及该输出电容，电连接于该二次侧绕组的该中间抽头与该第二转换开关的第二端间，该输出电容的两端提供该直流输出电压。

该控制电路电连接该全桥开关电路及该转换电路，且接收该直流输出电压及一默认参考电压，并根据该直流输出电压及该默认参考电压产生该第一至第四控制信号至该全桥开关电路，及产生该第五及第六控制信号给各自所对应的该第一及第二转换开关。

本发明所述电源转换装置，该控制电路包括：一脉宽调变信号产生器，接收该直流输出电压及该默认参考电压，并据以产生一第一至第四脉宽调变信号，该第一至第四脉宽调变信号相关于各自所对应的该第一至第四控制信号；一第一运算单元，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第二及第三脉宽调变信号，并据以产生该第五控制信号；及一第二运算单元，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第一及第四脉宽调变信号，并据以产生该第六控制信号。

本发明所述电源转换装置，该第一运算单元包括：一与非门，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第二及第三脉宽调变信号，并据以产生一第一输出信号；及一第一延迟器，电连接该与非门以接收该第一输出信号，并据以产生该第五控制信号。

本发明所述电源转换装置，该第二运算单元包括：一与非门，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第一及第四脉宽调变信号，并据以产生一第二输出信号；及一第二延迟器，电连接该与非门以接收该第二输出信号，并据以产生该第六控制信号。

本发明所述电源转换装置，当该第一转换开关处于导通状态时，于该转换电压等于零前，将该第二转换开关导通。

本发明的有益的效果在于：通过该第一及二转换开关的切换变化，可使该电源转换装置具有全负载范围的零电压切换，致使该电源转换装置除了本身所包含的一个谐振电感外，不需再额外设置谐振电感，有效降低装置的成本，同时少了额外设置的谐振电感所造成的功耗，可大幅提高转换功率的变换效能。

附图说明

图1是一电路图，说明本发明电源转换装置的一较佳实施例；

图2是一电路图，说明该较佳实施例的一控制电路；

图3是一时序图，说明该较佳实施例于流经一负载的电流等于零时的变化；及

图4是一时序图，说明该较佳实施例于流经该负载的电流不等于零时的变化。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1与图2，本发明电源转换装置的较佳实施例适用于电连接一直流电源10以接收一由该直流电源10所提供的直流输入电压Vin，并据以转换成一直流输出电压Vout，以供电给一负载100，且该电源转换装置包含一全桥开关电路1、一转换电路2，及一控制电路3。

该全桥开关电路1电连接该直流电源10以接收来自该直流电源10的该直流输入电压Vin，并将该直流输入电压Vin转换成一呈方波的转换电压，且该全桥开关电路1包括四个开关11～14。

该开关11具有一电连接该直流电源10的正极以接收该直流输入电压Vin的第一端、一第二端(即，图中标示为A点)，及一接收一第一控制信号V1的控制端，该开关11受该第一控制信号V1控制而在导通与不导通状态间切换。该开关13具有一电连接该开关11的第二端的第一端、一电连接该直流电源10的负极的第二端，及一接收一第三控制信号V3的控制端，该开关13受该第三控制信号V3控制而在导通与不导通状态间切换。该开关12具有一电连接该开关11的第一端的第一端、一第二端(即，图中标示为B点)，及一接收一第二控制信号V2的控制端，该开关12受该第二控制信号V2控制而在导通与不导通状态间切换。该开关14具有一电连接该开关12的第二端的第一端、一电连接该开关13的第二端的第二端，及一接收一第四控制信号V4的控制端，该开关14受该第四控制信号V4控制而在导通与不导通状态间切换。在此实施例中，所述开关11、12的第二端间的电压(即，A点和B点间的电压)作为该转换电压。

该转换电路2电连接该全桥开关电路1以接收该转换电压，并将该转换电压转换成该直流输出电压Vout，且该转换电路2包括一谐振电感21、一变压器22、一第一与第二转换开关23、24、一输出电感25，及一输出电容26。

该谐振电感21具有一电连接该全桥开关电路1的该开关11的第二端的第一端，及一第二端。该变压器22具有一个一次侧绕组n1及一个二次侧绕组n2，该一次侧绕组n1具有一电连接该谐振电感21的第二端的第一端，及一电连接该开关14的第一端的第二端，该二次侧绕组n2具有一第一端、一第二端及一位于该第一、第二端间的中间抽头。该第一转换开关23具有一电连接该二次侧绕组n2的第二端的第一端、一第二端，及一接收一第五控制信号V5的控制端，该第一转换开关23受该第五控制信号V5控制而在导通与不导通状态间切换。该第二转换开关24具有一电连接该二次侧绕组n2的第一端的第一端、一电连接该第一转换开关23的第二端的第二端，及一接收一第六控制信号V6的控制端，该第二转换开关24受该第六控制信号V6控制而在导通与不导通状态间切换。串联连接的该输出电感25及该输出电容26电连接于该二次侧绕组n2的该中间抽头与该第二转换开关24的第二端间。在此实施例中，该一次及二次侧绕组n1、n2的第一、二端分别是极性点端和非极性点端，且该输出电容26的两端提供该直流输出电压Vout给该负载100。

该控制电路3电连接该全桥开关电路1及该转换电路2，且接收该直流输出电压Vout及一默认参考电压Vref，并根据该直流输出电压Vout及该默认参考电压Vref产生该第一至第四控制信号V1～V4至该全桥开关电路1，及产生该第五及第六控制信号V5、V6给各自所对应的该第一及第二转换开关23、24。参阅图2，该控制电路3包括一脉宽调变信号产生器31、一包括一与非门321及一第一延迟器322的第一运算单元32、一包括一与非门331及一第二延迟器332的第二运算单元33，及一第三与第四延迟器34、35。

该脉宽调变信号产生器31接收该直流输出电压Vout及该默认参考电压Vref，并据以产生一第一至第四脉宽调变信号S1～S4，该第一至第四脉宽调变信号S1～S4相关于各自所对应的该第一至第四控制信号V1～V4。该第一运算单元32的该与非门321电连接该脉宽调变信号产生器31以接收该第二及第三脉宽调变信号S2、S3，并据以产生一第一输出信号Vo1，该第一延迟器322电连接该与非门321以接收该第一输出信号Vo1，并据以产生该第五控制信号V5。该第二运算单元33的该与非门331电连接该脉宽调变信号产生器31以接收该第一及第四脉宽调变信号S1、S4，并据以产生一第二输出信号Vo2，该第二延迟器332电连接该与非门331以接收该第二输出信号Vo2，并据以产生该第六控制信号V6。该第三延迟器34电连接该脉宽调变信号产生器31以接收该第一及第三脉宽调变信号S1、S3，并据以分别产生该第一及第三控制信号V1、V3。该第四延迟器35电连接该脉宽调变信号产生器31以接收该第二及第四脉宽调变信号S2、S4，并据以分别产生该第二及第四控制信号V2、V4。

参阅图3，参数V1～V6分别表示该控制电路3所产生的该第一至第六控制信号，参数iLr1表示流经该谐振电感21的电流，参数VAB表示所述开关11、12的第二端间的电压(即，图1中A点和B点间的电压)。

参阅图1与图3，以下就流经该负载100的电流等于零时，该电源转换装置的操作以十二个模式讨论。

模式一(t0～t1)：

所述开关11、14及该第一转换开关23导通，且该电压VAB对该谐振电感21进行储能，使该谐振电感21的电流iLr1呈线性上升。

模式二(t1～t2)：

该开关11切换至不导通，该开关14及该第一转换开关23持续导通，该谐振电感21与所述开关11、13的寄生电容C1、C3开始进行谐振，且流经该谐振电感21的电流iLr1为一激磁电流。此外，于时间t2时，由于该开关11的第二端的电压(即，A点的电压)下降幅度小，导致该电压VAB的大小实质上等于该直流输入电压Vin。

模式三(t2～t3)：

该开关11持续不导通，该开关14及该第一转换开关23持续导通，且该第二转换开关24导通，导致该变压器22的二次侧绕组n2被强制短路，以致该变压器22的一次侧绕组n1也短路。该谐振电感21与所述开关11、13的寄生电容C1、C3进行谐振，该寄生电容C3释放能量至该谐振电感21，且由于谐振时间常数(即，，其中lr为该谐振电感21的电感值，c1、c3为所述寄生电容C1、C3的电容值)较小，导致该谐振电感21的电流iLr1迅速上升。于时间t3时，该开关11的第二端的电压等于零，且该谐振电感21的电流iLr1为一峰值电流，此时将该开关13导通而具有零电压切换(Zero Voltage Switching，ZVS)。

模式四(t3～t4)：

该开关13导通，该开关11持续不导通，该开关14及该第一与第二转换开关23、24持续导通，该变压器22持续短路，以致该谐振电感21的电流iLr1维持不变。

模式五(t4～t5)：

该开关14切换至不导通，该开关11持续不导通，该开关13及该第一与第二转换开关23、24持续导通。该谐振电感21与所述开关12、14的寄生电容C2、C4开始进行谐振，该谐振电感21的电流iLr1由该峰值电流下降至很小，该开关12的第二端的电压(即，B点的电压)等于该直流输入电压Vin，此时将该开关12导通而具有ZVS。

模式六(t5～t6)：

该开关12导通，该开关11、14持续不导通，该开关13及该第一与第二转换开关23、24持续导通。该变压器22持续短路，此时该第一与第二转换开关23、24换流，即该第一转换开关23的电流下降，该第二转换开关24的电流上升。

模式七(t6～t7)～模式十二(t11～t12)的工作原理及操作分别相似于模式一～模式六，模式七～模式十二与模式一～模式六的差异在于：模式七～模式十二的该谐振电感的电流iLr1及该电压VAB分别与模式一～模式六的该谐振电感21的电流iLr1及该电压VAB相反，所以不再赘述。

参阅图4，参数iLr2表示该负载100的电流不等于零时，流经该谐振电感21的电流。

参阅图1与图4，以下就流经该负载100的电流不等于零时，该电源转换装置的操作以十二个模式讨论。

模式一～模式十二与上述(即，图3的说明)模式一～模式十二相似，二者不同处在于：当流经该负载100的电流不等于零时，该谐振电感21的能量是来自该负载100的电流及该开关13的寄生电容C3。

综上所述，上述实施例具有以下优点：

1.低成本。通过将该第二转换开关24导通，可使该电源转换装置具有全负载范围的ZVS，致使该电源转换装置除了本身所包含的一个谐振电感21外，不需再额外设置谐振电感，有效降低装置的元件成本。

2.提高转换功率的变换效能。通过该第一及二转换开关23、24的切换变化，可使该变压器22短路，使该电源转换装置具有全负载范围的ZVS，因此该电源转换装置除了所包含的该谐振电感21外，不需再额外设置谐振电感就能进行功率转换，少了额外设置的谐振电感所造成的功耗，可大幅提高转换功率的变换效能，同时该电源转换装置具有较小的谐振电感而使整体有效占空比变小，不仅降低损耗量，也使该电源转换装置内的该变压器22匝比选择较不受限。

3.可获得全负载范围的零电压切换(Zero Voltage Switching，ZVS)。于电压VAB未下降至零前，将该第二转换开关24导通，使该变压器22短路，该开关13的寄生电容C3释放能量至该谐振电感21，并使该电源转换装置具有全负载范围的ZVS。是以，本案电源转换装置除了简化整体结构设计，降低装置的元件成本，并可获得全负载范围的ZVS，提高转换功率的变换效能，进而提升整体的使用性能。

4.有效地简化生产组配的流程。由于本案电源转换装置不需额外设置谐振电感，在生产组配的过程，仅需针对本案电源转换装置进行检测、调整即可确保整机的运作效率，能够有效地简化生产组配的流程，进而能降低成本及提高生产效率。

5.有效地降低电路设计的复杂度。当本案电源转换装置不需额外设置谐振电感，在电路设计上则不需要增加电性控制电路，同时，也因不需针对额外设置的谐振电感，本案能提供不同规格的电源供应装置，能够有效地降低电路设计上的复杂度，进而降低生产成本及提供优良的电源管理。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利的范围。

Claims (4)

1.一种电源转换装置，其特征在于，该电源转换装置包含：

一全桥开关电路，接收一第一控制信号至第四控制信号及一直流输入电压，并将该直流输入电压转换成一呈方波的转换电压；

一转换电路，电连接该全桥开关电路以接收该转换电压，并将该转换电压转换成一直流输出电压，且该转换电路包括

一谐振电感，具有一电连接该全桥开关电路的第一端，及一第二端，

一变压器，具有一个一次侧绕组及一个二次侧绕组，该一次侧绕组具有一电连接该谐振电感的第二端的第一端，及一电连接该全桥开关电路的第二端，该二次侧绕组具有一第一端、一第二端及一位于该第一端、第二端间的中间抽头，

一第一转换开关，具有一电连接该二次侧绕组的第二端的第一端、一第二端，及一接收一第五控制信号的控制端，该第一转换开关受该第五控制信号控制而在导通与不导通状态间切换，

一第二转换开关，具有一电连接该二次侧绕组的第一端的第一端、一电连接该第一转换开关的第二端的第二端，及一接收一第六控制信号的控制端，该第二转换开关受该第六控制信号控制而在导通与不导通状态间切换，及

串联连接的一输出电感及一输出电容，电连接于该二次侧绕组的该中间抽头与该第二转换开关的第二端间，该输出电容的两端提供该直流输出电压；及

一控制电路，电连接该全桥开关电路及该转换电路，且接收该直流输出电压及一默认参考电压，并根据该直流输出电压及该默认参考电压产生该第一控制信号至第四控制信号至该全桥开关电路，及产生该第五控制信号及第六控制信号给各自所对应的该第一转换开关及第二转换开关，且该控制电路包括：

一脉宽调变信号产生器，接收该直流输出电压及该默认参考电压，并据以产生一第一脉宽调变信号至第四脉宽调变信号，该第一脉宽调变信号至第四脉宽调变信号相关于各自所对应的该第一控制信号至第四控制信号，

一第一运算单元，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第二脉宽调变信号及第三脉宽调变信号，并据以产生该第五控制信号，及

一第二运算单元，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第一脉宽调变信号及第四脉宽调变信号，并据以产生该第六控制信号。

2.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该第一运算单元包括：

一与非门，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第二脉宽调变信号及第三脉宽调变信号，并据以产生一第一输出信号；及

一第一延迟器，电连接该与非门以接收该第一输出信号，并据以产生该第五控制信号。

3.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于，该第二运算单元包括：

一与非门，电连接该脉宽调变信号产生器以接收该第一脉宽调变信号及第四脉宽调变信号，并据以产生一第二输出信号；及

一第二延迟器，电连接该与非门以接收该第二输出信号，并据以产生该第六控制信号。

4.根据权利要求1所述的电源转换装置，其特征在于：

当该第一转换开关处于导通状态时，于该转换电压等于零前，将该第二转换开关导通。