CN105375740B - 功率转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率转换电路，其包含转换器。转换器用以接收并转换输入电源以供电予负载，转换器包含储能单元、开关单元、电容单元及电流采样单元。储能单元包含输入端及输出端。开关单元包含第一开关及第二开关，此第二开关与第一开关串联于公共端，公共端则耦接于储能单元的输出端。电容单元包含第一电容及第二电容，所述第一电容与开关单元并联以形成电容‑开关并联结构，所述第二电容的容值至少大于第一电容的容值的十倍。电流采样单元与电容‑开关并联结构串联以形成电容‑采样单元串联结构，所述电容‑采样单元串联结构与第二电容并联。本发明能改善电流采样电路与开关串联导致的电压尖峰所衍生出的相关问题。

Description

功率转换电路
技术领域
本发明涉及一种电力转换技术，且特别涉及一种功率转换电路。
背景技术
一般而言，在开关电源中的电流采样电路是直接与开关(如：金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET))串联。然而，此电流采样电路会增加MOSFET的引线电感，从而导致MOSFET在开关过程中产生很高的电压尖峰。此电压尖峰不仅会产生高频噪声，并且会降低开关电源的效率，更甚者，若电压过高，此高电压更可能对MOSFET造成永久性损坏。
现行比较常见的做法是：1、增加MOSFET的栅极驱动电阻、或者在MOSFET两端并联高频电容，以降低MOSFET的开关速度；2、采用缓冲器(snubber)电路以吸收此电压尖峰的部分能量。然而，所述两种做法虽然能够降低电压尖峰的峰值，但是开关速度的降低会增加开关电源的开关损耗，进而导致电源转换效率的降低。
由此可见，所述现有的方式，显然仍存在不便与缺陷，而有待改进。为了解决所述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来仍未发展出适当的解决方案。
发明内容
发明内容旨在提供本公开内容的简化摘要，以使阅读者对本公开内容具备基本的理解。此发明内容并非本公开内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键元件或界定本发明的范围。
本发明内容的一目的是在提供一种功率转换电路，藉以改善现有技术的缺陷。
为达所述目的，本发明内容的一实施例是关于一种功率转换电路，其包含转换器。所述转换器用以接收并转换输入电源以供电予负载，转换器包含储能单元、开关单元及电流采样单元。储能单元包含输入端及输出端。开关单元包含第一开关及第二开关，此第二开关与第一开关串联于公共端，公共端则耦接于储能单元的输出端。电容单元包含第一电容及第二电容，所述第一电容与开关单元并联以形成电容-开关并联结构，所述第二电容的容值至少大于第一电容的容值的十倍。电流采样单元用以检测第一开关与第二开关的其中至少一者的电流，且电流采样单元与电容-开关并联结构串联以形成电容-采样单元串联结构，所述电容-采样单元串联结构与第二电容并联。
因此，根据本发明的技术内容，本发明实施例通过提供一种功率转换电路，藉以改善电流采样电路与开关串联导致的电压尖峰所衍生出的相关问题。
在参阅下文实施方式后，本发明所属技术领域中的技术人员当可轻易了解本发明的基本精神及其他发明目的，以及本发明所采用的技术手段与实施态样。
附图说明
为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1A绘示依照本发明一实施例的一种功率转换电路的示意图。
图1B绘示依照本发明又一实施例的一种功率转换电路的示意图。
图2绘示现有技术的一种开关元件两端的电压波形示意图。
图3绘示依照本发明一实施例的一种功率转换电路的开关元件两端的电压波形示意图。
图4绘示依照本发明一实施例的一种功率转换电路的电流采样信号及开关元件的电流的对照图。
图5绘示依照本发明又一实施例的一种功率转换电路的示意图。
图6绘示依照本发明另一实施例的一种功率转换电路的示意图。
图7绘示依照本发明一实施例的一种升压转换电路的示意图。
图8绘示依照本发明一实施例的一种降压型转换器的示意图。
图9绘示依照本发明一实施例的一种半桥型转换器的示意图。
图10绘示依照本发明一实施例的一种图腾柱(Totem-Pole)型转换器的示意图。
图11绘示依照本发明一实施例的一种全桥型转换器的示意图。
图12绘示依照本发明一实施例的一种T型三电平电路型转换器的示意图。
图13绘示依照本发明一实施例的一种I型三电平电路型转换器的示意图。
其中附图标记说明如下:
100：转换器
100A～100I：转换器
110：储能单元
120：开关单元
121：电容-开关并联结构
122：第一开关
123：电容-采样单元串联结构
124：第二开关
126：第一公共端
130：开关单元
131：第二电容-开关并联结构
132：第三开关
133：第二电容-采样单元串联结构
根据惯常的作业方式，图中各种特征与元件并未依比例绘制，其绘制方式是为了以最佳的方式呈现与本发明相关的具体特征与元件。此外，在不同附图间，以相同或相似的元件符号来指称相似的元件/部件。
具体实施方式
为了使本公开内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其他具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
除非本说明书另有定义，此处所用的科学与技术词汇的含义与本发明所属技术领域中的技术人员所理解与惯用的意义相同。此外，在不和上下文冲突的情形下，本说明书所用的单数名词涵盖该名词的复数型；而所用的复数名词时亦涵盖该名词的单数型。
另外，关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指二或多个元件相互操作或动作。
图1A绘示依照本发明一实施例的一种功率转换电路的示意图。如图1A所示，功率转换电路包含转换器100。所述转换器100用以接收并转换输入电源以供电予负载。转换器100包含储能单元110、开关单元120、第一电容单元(如电容C1、C2的组合)及第一电流采样单元(如电流采样元件T1)。储能单元110包含输入端及输出端，此储能单元110的输入端可视电路配置状况而耦接于电源或负载。开关单元120包含第一开关122及第二开关124，此第二开关124与第一开关122串联于第一公共端126，第一公共端126则耦接于储能单元110的输出端。
此外，第一电容单元包含第一电容C1及第二电容C2，所述第一电容C1与开关单元120并联以形成电容-开关并联结构121，第二电容C2可视电路配置状况而耦接于电源或负载。另一方面，第一电流采样单元(如电流采样元件T1)用以检测第一开关122与第二开关124的其中至少一者的电流。再者，所述第二电容C2的容值至少大于第一电容C1的容值的十倍，如此，由于第一电容C1的容值远小于第二电容C2的容值，因此基本上第一电容C1不会影响第一电流采样单元(如电流采样元件T1)的采样结果。此外，所述第一电流采样单元与电容-开关并联结构121串联以形成电容-采样单元串联结构123，此电容-采样单元串联结构123进一步与第二电容C2并联。
请参阅图1A所示的转换器100，由于转换器100具备第一电容C1，因此，在开关过程中，电流采样元件T1的寄生电感内的能量突变将得以有效地被第一电容C1所抑制，从而避免了在开关单元120两端产生过高的电压尖峰。然而，本发明并不以图1A为限，其仅用以例示性地绘制本发明的实现方式之一，在其它实施例中，第一电流采样单元(如电流采样元件T1)除可耦接于节点N1及节点N5以外，第一电流采样单元(如电流采样元件T1)亦可耦接于节点N2及节点N6。因此，本发明可视实际需求而选择性地配置第一电流采样单元(如电流采样元件T1)的位置以检测第一开关122的电流或第二开关124的电流。
为进一步证实本发明实施例的转换器100的功效，请一并参阅图2与图3，上述图2绘示现有技术的一种开关元件两端的电压波形示意图，而上述图3绘示依照本发明一实施例的一种功率转换电路的开关元件两端的电压波形示意图。请先参阅图2，由图2中得以看出，现有技术的开关元件的两端产生了很高的电压尖峰(如标号A及B处所示)。其次，请参阅图3，于图3中可以清楚地得知本发明实施例的转换器100有效地消除了现有技术的开关元件的两端所产生的电压尖峰(如标号A及B处所示)。据此，本发明实施例的转换器100能够抑制现有技术的电路所致的高频噪声，并提高转换器100的效率。再者，本发明实施例的转换器100有效地消除了现有技术的开关元件的两端所产生的电压尖峰，因此，本发明实施例的转换器100能够避免电压尖峰对开关元件造成永久性损坏。
虽然本发明实施例的转换器100对现有技术的电流采样电路的连接方式进行重新配置，但是所述重新配置并不影响转换器100中第一电流采样单元的采样精确度，此部分可由图4的实验结果来加以证实。请参阅图4，其绘示依照本发明一实施例的一种功率转换电路的电流采样信号V1及开关元件的实际电流V2的对照图。如图4所示，电流采样信号V1精确地重现了开关元件的实际电流V2，因此，图4的实验结果得以佐证本发明实施例的转换器100确实能够精准地检测出开关元件的实际电流。
请参阅图1B，在另一实施例中，电容-开关并联结构121包含第一端N1以及第二端N2，第二电容C2包含第一端N5以及第二端N6。第一电流采样单元包含第一电流采样元件T1及第二电流采样元件T2。于连接关系上，第一电流采样元件T1耦接于第一电容-开关并联结构121的第一端N1与第二电容C2的第一端N5之间，而第二电流采样元件T2耦接于第一电容-开关并联结构121的第二端N2与第二电容C2的第二端N6之间。在另一实施例中，储能单元110的输出端包含第一端子O1及第二端子O2。于连接关系上，第一端子O1耦接于第一公共端126，第二端子O2耦接于第二电容C2。相较于图1A，第一电流采样单元的第一电流采样元件T1及第二电流采样元件T2可分别用以检测第一开关122与第二开关124的电流，例如第一电流采样元件T1可检测第一开关122的电流，第二电流采样元件T2可检测第二开关124的电流。
图5绘示依照本发明又一实施例的一种功率转换电路的转换器100A的示意图。相较于图1B所示的转换器100，在此的转换器100A还包含第二开关单元130，第二开关单元130包含第三开关132及第四开关134。于连接关系上，第三开关132耦接于第二电容C2，第四开关134与第三开关132串联于第二公共端136，第四开关134耦接于第二电容C2，第二公共端136耦接于储能单元110的输出端。在另一实施例中，储能单元110的第一端子O1耦接于第一公共端126，而第二端子O2耦接于第二公共端136。
图6绘示依照本发明另一实施例的一种功率转换电路的转换器100B的示意图。相较于图5所示的转换器100A，在此的转换器100B还包含第二电容单元(如电容C3、C4的组合)及第二电流采样单元(如电流采样元件T3、T4的组合)。第二电容单元包含第三电容C3及第四电容C4。第三电容C3与第二开关单元130并联以形成一第二电容-开关并联结构131，第四电容C4的容值至少大于第三电容C3的容值的十倍。第二电流采样单元与第二电容-开关并联结构131串联以形成第二电容-采样单元串联结构133，第二电容-采样单元串联结构133与第四电容C4并联。所述第二电流采样单元(如电流采样元件T3、T4的组合)用以检测第三开关132与第四开关134的其中至少一者的电流。
请参阅图6，在另一实施例中，第二电容-开关并联结构131包含第一端N3以及第二端N4，第四电容C4包含第一端N7以及第二端N8。第二电流采样单元包含第三电流采样元件T3及第四电流采样元件T4。于连接关系上，第三电流采样元件T3耦接于第二电容-开关并联结构131的第一端N3与第四电容C4的第一端N7之间，而第四电流采样元件T4耦接于第二电容-开关并联结构131的第二端N4与第四电容C2的第二端N8之间。
于实现本发明时，所述第一开关至第四开关122、124、132、134各自包含二极管(Diode)、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET)及绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)的其中至少一者。然本发明并不以所述实施例为限，本领域中的技术人员当可选择性地采用适当的元件来实现第一开关至第四开关。此外，于实现本发明时，所述第一电容C1及第三电容C3各自包含薄膜电容及陶瓷电容的其中至少一者，而第二电容C2及第四电容C4各自包含电解电容。然本发明并不以所述实施例为限，本领域中的技术人员当可选择性地采用适当的元件来实现第一电容至第四电容C1～C4。再者，于实现本发明时，第一电流采样元件至第四电流采样元件T1～T4包含电流互感器及采样电阻的其中至少一者。然本发明并不以所述实施例为限，本领域中的技术人员当可选择性地采用适当的元件来实现第一电流采样元件至第四电流采样元件T1～T4。
图7绘示依照本发明再一实施例的一种升压转换电路的示意图。图7所示的转换器100C为图1A所示的转换器100的具体实施例。在图7的实施例中，储能单元110以电感L1来实现，第一开关122以二极管Q2来实现，第二开关124以晶体管Q1来实现。此外，电感L1可用以耦接于电源500，此电源500可提供输入电源。再者，第二电容C2可用以耦接于负载600。再者，第一电流采样单元包含电流采样元件T1，电流采样元件T1耦接于第一电容-开关并联结构121的第二端N2与第二电容C2的第二端N6之间。
于操作上，电流采样元件T1测量到的电流将是晶体管Q1与第一电容C1的电流之和。在晶体管Q1开通，且二极管Q2关断时，第一电容C1上的电流为0，因此，电流采样元件T1所测到的电流就等于晶体管Q1上的电流。在晶体管Q1关断，且二极管Q2开通时，第一电容C1上的电流与第二电容C2上的电流于电容容值呈反比，由于第一电容C1的容值远小于第二电容C2的容值(C1<C2*10％)，因此基本不会影响被采样信号。同时由于第一电容C1的高频滤波作用，晶体管Q1内的高频电流被分离出去，可以使电流采样元件T1的采样信号更加平滑、准确。然本发明并不以所述实施例为限，其仅用以例示性地说明本发明的实现方式之一，以使本发明的概念易于理解。
图8绘示依照本发明一实施例的一种降压型转换器100D的示意图。图8所示的转换器100D为图1A所示的转换器100的另一具体实施例。在图8的实施例中，储能单元110以电感L1来实现，第一开关122以晶体管Q1来实现，第二开关124以二极管Q2来实现。此外，电感L1可用以耦接于负载600，再者，第二电容C2可用以耦接于电源500，此电源500可提供输入电源。另外，电流采样单元包含电流采样元件T1，电流采样元件T1耦接于第一电容-开关并联结构121的第一端N1与第二电容C2的第一端N5之间。然本发明并不以此实施例为限，其仅用以例示性地说明本发明的实现方式之一，以使本发明的概念易于理解。
本发明图1B所示的转换器100可应用于各式转换器中，且均可达到避免于开关元件两端产生过高的电压尖峰的目的。如图9所示，其绘示依照本发明另一实施例的一种半桥型转换器100E的示意图。在图9的实施例中，储能单元110以电感L1来实现，第一开关122以晶体管Q1来实现，第二开关124以晶体管Q2来实现。此外，电感L1可用以耦接于负载600，再者，第二电容C2于此可适应性地依照半桥型转换器100E的结构，而配置为电容C3及电容C4。再者，电容C3及电容C4可采用串联的方式来配置，两者串联于节点N9，此节点N9可用以耦接于负载600。另外，电容C3及电容C4的整体串联结构则可耦接于电源500，此电源500可提供电源给半桥型转换器100E。
再者，第一电流采样元件T1可耦接于电容C1及电容C3，而第二电流采样元件T2可耦接于电容C1及电容C4，所述第一电流采样元件T1可检测晶体管Q1的电流，而第二电流采样元件T2可检测晶体管Q2的电流。然本发明并不以此实施例为限，其仅用以例示性地说明本发明的实现方式之一，以使本发明的概念易于理解。
本发明的转换器100能应用的转换器类型举例如后。如图10所示，其绘示依照本发明一实施例的一种图腾柱(Totem-Pole)型转换器100F的示意图。如图11所示，其绘示依照本发明又一实施例的一种全桥型转换器100G的示意图。如图12所示，其绘示依照本发明一实施例的一种T型三电平电路型转换器100H的示意图。如图13所示，其绘示依照本发明一实施例的一种I型三电平电路型转换器100I的示意图。然本发明并不以所述实施例为限，其仅用以例示性地说明本发明的部分实现方式，在不脱离本发明的精神的状况下，本发明的转换器100当可应用于各式转换器中，并达到避免于开关元件两端产生过高的电压尖峰的目的。
由上述本发明实施方式可知，应用本发明具有下列优点。本发明实施例通过提供一种功率转换电路，藉以改善电流采样电路与开关串联导致的电压尖峰所衍生出的相关问题。
虽然上文实施方式中揭露了本发明的具体实施例，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中的技术人员，在不悖离本发明的原理与精神的情形下，当可对其进行各种更动与修饰，因此本发明的保护范围当以随附权利要求所界定者为准。

Claims (17)

1.一种功率转换电路，包含一转换器，其中该转换器用以接收并转换一输入电源以供电予一负载，该转换器包含：
一储能单元，包含：
一输入端；以及
一输出端；
一第一开关单元，包含：
一第一开关；以及
一第二开关，与该第一开关串联于一第一公共端，其中该第一公共端耦接于该储能单元的该输出端；
一第一电容单元，包含：
一第一电容，与该第一开关单元并联以形成一第一电容-开关并联结构；以及
一第二电容，其中该第二电容的容值至少大于该第一电容的容值的十倍；以及
一第一电流采样单元，与该第一电容-开关并联结构串联以形成一第一电容-采样单元串联结构，该第一电容-采样单元串联结构与该第二电容并联，其中该第一电流采样单元用以检测该第一开关与该第二开关的其中至少一者的电流。
2.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该第一电容-开关并联结构包含一第一端以及一第二端，其中该第二电容包含一第一端以及一第二端；
其中该第一电流采样单元包含：
一第一电流采样元件，耦接于该第一电容-开关并联结构的该第一端与该第二电容的该第一端之间；以及
一第二电流采样元件，耦接于该第一电容-开关并联结构的该第二端与该第二电容的该第二端之间。
3.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该储能单元的该输出端包含：
一第一端子，耦接于该第一公共端；以及
一第二端子，耦接于该第二电容。
4.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该第一电容包含一薄膜电容及一陶瓷电容的其中至少一者。
5.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该第二电容包含一电解电容。
6.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该第一电流采样单元包含一电流互感器及一采样电阻的其中至少一者。
7.如权利要求1所述的功率转换电路，还包含：
一第二开关单元，包含：
一第三开关，耦接于该第二电容；以及
一第四开关，与该第三开关串联于一第二公共端，并耦接于该第二电容，其中该第二公共端耦接于该储能单元的该输出端。
8.如权利要求7所述的功率转换电路，其中该第一开关至该第四开关各自包含一二极管、一金属氧化物半导体场效应晶体管及一绝缘栅双极晶体管的其中至少一者。
9.如权利要求7所述的功率转换电路，其中该储能单元的该输出端包含：
一第一端子，耦接于该第一公共端；以及
一第二端子，耦接于该第二公共端。
10.如权利要求7所述的功率转换电路，还包含：
一第二电容单元，包含：
一第三电容，与该第二开关单元并联以形成一第二电容-开关并联结构；以及
一第四电容，其中该第四电容的容值至少大于该第三电容的容值的十倍；以及
一第二电流采样单元，与该第二电容-开关并联结构串联以形成一第二电容-采样单元串联结构，该第二电容-采样单元串联结构与该第四电容并联，其中该第二电流采样单元用以检测该第三开关与该第四开关的其中至少一者的电流。
11.如权利要求10所述的功率转换电路，其中该第一电容及该第三电容各自包含一薄膜电容及一陶瓷电容的其中至少一者。
12.如权利要求10所述的功率转换电路，其中该第二电容及该第四电容各自包含一电解电容。
13.如权利要求10所述的功率转换电路，其中该第二电容-开关并联结构包含一第一端以及一第二端，其中该第四电容包含一第一端以及一第二端；
其中该第二电流采样单元包含：
一第三电流采样元件，耦接于该第二电容-开关并联结构的该第一端与该第四电容的该第一端之间；以及
一第四电流采样元件，耦接于该第二电容-开关并联结构的该第二端与该第四电容的该第二端之间。
14.如权利要求13所述的功率转换电路，其中该第一电流采样元件至该第四电流采样元件包含一电流互感器及一采样电阻的其中至少一者。
15.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该第一电容-开关并联结构包含一第一端以及一第二端，其中该第二电容包含一第一端以及一第二端；其中该第一电流采样单元包含一电流采样元件，该电流采样元件耦接于该第一电容-开关并联结构的该第二端与该第二电容的该第二端之间，该储能单元的该输入端用以接收该输入电源，该第二电容耦接于该负载。
16.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该第一电容-开关并联结构包含一第一端以及一第二端，其中该第二电容包含一第一端以及一第二端；其中该第一电流采样单元包含一电流采样元件，该电流采样元件耦接于该第一电容-开关并联结构的该第一端与该第二电容的该第一端之间，该储能单元的该输入端耦接于该负载，该第二电容用以接收该输入电源。
17.如权利要求1所述的功率转换电路，其中该转换器包含一半桥电路、一图腾柱电路、一全桥电路、一T型三电平电路及一I型三电平电路的其中之一。
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