CN106329928B - 谐振转换器 - Google Patents

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Abstract

一种谐振转换器，包含一个变压器、一个第一开关、一个谐振电感、一个谐振电容、一个第二开关及一个第三开关。该变压器包括一个第一初级绕组、一个第二初级绕组及一个次级绕组。每一个初级绕组具有一个第一终端及一个第二终端。该第一开关耦接到该第一初级绕组的该第一终端。该谐振电感与该谐振电容在该第一初级绕组的该第二终端与该第二初级绕组的该第一终端间串联。该第二开关耦接在该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第一终端间。该第三开关耦接在该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第二终端间。

Description

谐振转换器
技术领域
本发明涉及电源转换技术，特别是涉及一种谐振转换器。
背景技术
现有的谐振转换器通常采用半桥架构(也就是使用两个开关)或全桥架构(也就是使用四个开关)来进行电源转换。现有的半桥式谐振转换器虽然有成本相对较低的优点，但是却有转换效率相对较低的缺点。现有的全桥式谐振转换器虽然有转换效率相对较高的优点，但是却有成本相对较高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本适中且转换效率适中的谐振转换器。
本发明谐振转换器包含一个变压器、一个第一开关、一个谐振电感、一个谐振电容、一个第二开关及一个第三开关。该变压器包括一个第一初级绕组、一个第二初级绕组及一个次级绕组。该第一初级绕组及该第二初级绕组的每一个具有一个第一终端及一个第二终端。该第一开关耦接到该变压器的该第一初级绕组的该第一终端。该谐振电感与该谐振电容在该变压器的该第一初级绕组的该第二终端与该变压器的该第二初级绕组的该第一终端间串联。该第二开关耦接在该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第一终端间。该第三开关耦接在该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第二终端间。
本发明谐振转换器中，该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第一终端具有相同的电压极性。
本发明谐振转换器中，该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组具有相同的匝数。
本发明谐振转换器中，该谐振电感耦接到该变压器的该第一初级绕组的该第二终端，且该谐振电容耦接到该变压器的该第二初级绕组的该第一终端。
本发明谐振转换器，还包含一个耦接到该变压器的该次级绕组的整流滤波电路。
本发明谐振转换器中，该变压器的该次级绕组具有一个第一终端、一个第二终端及一个中间端；该整流滤波电路包括一个第一二极管、一个第二二极管及一个输出电容，该第一二极管具有一个耦接到该变压器的该次级绕组的该第一终端的阳极，及一个阴极，该第二二极管具有一个耦接到该变压器的该次级绕组的该第二终端的阳极，及一个耦接到该第一二极管的该阴极的阴极，该输出电容耦接在该第一二极管的该阴极与该变压器的该次级绕组的该中间端间。
本发明谐振转换器中，该变压器的该次级绕组是一个中心抽头的绕组。
本发明谐振转换器中，该第一开关至该第三开关的每一个交替地在导通与不导通间切换，当该第一开关导通时，该第二开关及该第三开关都不导通，当该第二开关及该第三开关都导通时，该第一开关不导通。
本发明谐振转换器中，该第一开关至该第三开关的每一个是一个N型金氧半场效电晶体。
本发明的有益效果在于：由于只需要三个开关，因此该谐振转换器具有适中的转换效率及适中的成本。
附图说明
图1是一个示意电路方块图，说明本发明谐振转换器的实施例；
图2是一个时序图，说明实施例的操作；
图3至图8是示意等效电路图，说明实施例分别操作在第一模式至第六模式时的情况。
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，本发明谐振转换器的实施例是一个串联谐振转换器，适用于将一个直流输入电压Vin转换成一个被供应到一个负载9的直流输出电压Vo，且包括一个变压器1、一个第一开关2、一个谐振电感3、一个谐振电容4、一个第二开关5、一个第三开关6及一个整流滤波电路7。
变压器1包括一个第一初级绕组11、一个第二初级绕组12及一个次级绕组13。第一初级绕组11、第二初级绕组12及次级绕组13的每一个具有一个第一终端及一个第二终端。次级绕组13还具有一个中间端。在本实施例中，第一初级绕组11及第二初级绕组12具有相同的匝数；第一初级绕组11及第二初级绕组12的第一终端具有相同的电压极性；且次级绕组13是一个中心抽头的绕组。
第一开关2耦接到变压器1的第一初级绕组11的第一终端。在本实施例中，第一开关2是一个N型金氧半场效电晶体，且具有一个漏极端(drain)、一个耦接到变压器1的第一初级绕组11的第一终端的源极端(source)，及一个接收一个第一控制信号Vgs1的栅极端(gate)。
谐振电感3及谐振电容4在变压器1的第一初级绕组11的第二终端与变压器1的第二初级绕组12的第一终端间串联。在本实施例中，谐振电感3耦接到变压器1的第一初级绕组11的第二终端；且谐振电容4耦接到变压器1的第二初级绕组12的第一终端。
第二开关5耦接在变压器1的第一初级绕组11及第二初级绕组12的第一终端间。在本实施例中，第二开关5是一个N型金氧半场效电晶体，且具有一个耦接到变压器1的第一初级绕组11的第一终端的漏极端、一个耦接到变压器1的第二初级绕组12的第一终端的源极端，及一个接收一个第二控制信号Vgs2的栅极端。
第三开关6耦接在变压器1的第一初级绕组11及第二初级绕组12的第二终端间。在本实施例中，第三开关6是一个N型金氧半场效电晶体，且具有一个耦接到变压器1的第一初级绕组11的第二终端的漏极端、一个耦接到变压器1的第二初级绕组12的第二终端的源极端，及一个接收一个第三控制信号Vgs3的栅极端。
直流输入电压Vin从第一开关2的漏极端及变压器1的第二初级绕组12的第二终端被接收。如图2所示，第一开关2、第二开关5及第三开关6的每一个根据相对应的控制信号Vgs1、Vgs2、Vgs3交替地在导通与不导通间切换，且当第一开关2导通时，第二开关5及第三开关6都不导通，而当第二开关5及第三开关6都导通时，第一开关2不导通，使得直流输入电压Vin被转换成一个从变压器1的次级绕组13的第一终端及第二终端被输出的交流电压。
整流滤波电路7耦接到变压器1的次级绕组13以接收交流电压，且对交流电压整流及滤波以产生直流输出电压Vo。在本实施例中，整流器7包括用于整流的一个第一二极管71与一个第二二极管72，及一个用于滤波的输出电容73。第一二极管71具有一个耦接到变压器1的次级绕组13的第一终端的阳极，及一个阴极。第二二极管72具有一个耦接到变压器1的次级绕组13的第二终端的阳极，及一个耦接到第一二极管71的阴极的阴极。输出电容73耦接在第一二极管71的阴极与变压器1的次级绕组13的中间端间，且其跨压充当直流输出电压Vo。
参阅图2至图8，本实施例的谐振转换器在每一个从时间t0到时间t6的切换周期中依序操作在第一模式至第六模式。图2画出第一控制信号Vgs1、第二控制信号Vgs2、第三控制信号Vgs3、第一开关2的跨压Vds1、第二开关5的跨压Vds2、第三开关6的跨压Vds3、流经谐振电感3的电流iLr、流经第一二极管71的电流iD1及流经第二二极管72的电流iD2。需注意的是，在图2中，电流iLr、iD1、iD2的每一个的波形同时传达了此电流的大小及方向资讯(也就是正值及负值指示相反的方向)，而在图3至图8中，电流iLr、iD1、iD2的每一个的方向及大小分别由相对应的箭头及相对应的标号表示。此外，在图3至图8中，第一开关2、第二开关5及第三开关6的本质二极管21、51、61及寄生电容22、52、62被画出，且导通的元件以实线画出，而不导通的元件以虚线画出。
参阅图2与图3，本实施例的谐振转换器在时间t0到时间t1期间操作在第一模式。在第一模式中，第一开关2以零电压切换方式切换为导通，且第二开关5及第三开关6都不导通。流经谐振电感3的电流iLr的大小从零逐渐上升到最大值，然后逐渐下降。能量经由变压器1及第一二极管71传递到负载9。
参阅图2与图4，本实施例的谐振转换器在时间t1到时间t2期间操作在第二模式。在第二模式中，第一开关2切换为不导通，且第二开关5及第三开关6都维持在不导通。流经谐振电感3的电流iLr的大小逐渐下降。能量经由变压器1及第一二极管71传递到负载9。第一开关2的寄生电容22被充电，使得第一开关2的跨压Vds1上升到(4/3)×Vin。第二开关5及第三开关6的寄生电容52、62都被放电，使得第二开关5及第三开关6的跨压Vds2、Vds3都下降到零，以达到第二开关5及第三开关6的零电压切换条件。
参阅图2与图5，本实施例的谐振转换器在时间t2到时间t3期间操作在第三模式。在第三模式中，第一开关2、第二开关5及第三开关6都维持在不导通。流经谐振电感3的电流iLr的大小逐渐下降到零。能量经由变压器1及第一二极管71传递到负载9。第二开关5及第三开关6的本质二极管51、61都导通，使得第二开关5及第三开关6的跨压Vds2、Vds3都维持在零。
参阅图2与图6，本实施例的谐振转换器在时间t3到时间t4期间操作在第四模式。在第四模式中，第一开关2维持在不导通，且第二开关5及第三开关6都以零电压切换方式切换为导通。流经谐振电感3的电流iLr的大小从零逐渐上升到最大值，然后逐渐下降。能量经由变压器1及第二二极管72传递到负载9。
参阅图2与图7，本实施例的谐振转换器在时间t4到时间t5期间操作在第五模式。在第五模式中，第一开关2维持在不导通，且第二开关5及第三开关6都切换为不导通。流经谐振电感3的电流iLr的大小逐渐下降。能量经由变压器1及第二二极管72传递到负载9。第一开关2的寄生电容22被放电，使得第一开关2的跨压Vds1下降到零，以达到第一开关2的零电压切换条件。第二开关5及第三开关6的寄生电容52、62都被充电，使得第二开关5及第三开关6的跨压Vds2、Vds3都上升到(2/3)×Vin。
参阅图2与图8，本实施例的谐振转换器在时间t5到时间t6期间操作在第六模式。在第六模式中，第一开关2、第二开关5及第三开关6都维持在不导通。流经谐振电感3的电流iLr的大小逐渐下降到零。能量经由变压器1及第二二极管72传递到负载9。第一开关2的本质二极管21导通，使得第一开关2的跨压Vds1维持在零。
参阅图1，在应用上，第一开关2、第二开关5及第三开关6的切换频率可以相同于或接近一个谐振频率，谐振频率取决于：(1)谐振电感3的电感值、变压器1的第一初级绕组11的漏电感值与变压器1的第二初级绕组12的漏电感值的总合；及(2)谐振电容4的电容值。此外，为了使直流输出电压Vo稳定在一个目标值，可以是切换频率为可变的，且根据负载9的条件来被调整，或者可以是切换频率为固定的，且输入电压Vin根据负载9的条件来被调整。
综上所述，本实施例的谐振转换器具有以下优点：
1.由于只需要三个开关2、5、6，因此本实施例的谐振转换器具有适中的转换效率(也就是高于现有的半桥式谐振转换器的转换效率，但是低于现有的全桥式谐振转换器的转换效率)及适中的成本(也就是高于现有的半桥式谐振转换器的成本，但是低于现有的全桥式谐振转换器的成本)。
2.由于第二开关5及第三开关6的跨压的最大值都约为(2/3)×Vin，因此与现有的半桥式谐振转换器及现有的全桥式谐振转换器的每一个所使用的开关相比，第二开关5及第三开关6都承受相对较低的电压应力。
3.变压器1的第一初级绕组11及第二初级绕组12的跨压的振幅都约为(1/3)×Vin。因此，与现有的半桥式谐振转换器所使用的变压器相比，变压器1的第一初级绕组11对次级绕组13的匝数比及变压器1的第二初级绕组12对次级绕组13的匝数比相对较小，且变压器1的第一初级绕组11及第二初级绕组12都承受相对较低的电流应力。此外，与现有的半桥式谐振转换器所使用的开关相比，第二开关5及第三开关6都承受相对较低的电流应力，且造成相对较低的导通损失。
4.可以达到零电压切换。
所以，本实施例的谐振转换器确实能达成本发明的目的。

Claims (9)

1.一种谐振转换器，其特征在于其包含：
一个变压器，包括一个第一初级绕组、一个第二初级绕组及一个次级绕组，该第一初级绕组及该第二初级绕组的每一个具有一个第一终端及一个第二终端；
一个第一开关，耦接到该变压器的该第一初级绕组的该第一终端；
一个谐振电感与一个谐振电容，在该变压器的该第一初级绕组的该第二终端与该变压器的该第二初级绕组的该第一终端间串联；
一个第二开关，耦接在该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第一终端间；及
一个第三开关，耦接在该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第二终端间,
其中该第一开关至该第三开关的每一个交替地在导通与不导通间切换，当该第一开关导通时，该第二开关及该第三开关都不导通。
2.根据权利要求1所述的谐振转换器，其特征在于：该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组的所述第一终端具有相同的电压极性。
3.根据权利要求1所述的谐振转换器，其特征在于：该变压器的该第一初级绕组及该第二初级绕组具有相同的匝数。
4.根据权利要求1所述的谐振转换器，其特征在于：该谐振电感耦接到该变压器的该第一初级绕组的该第二终端，且该谐振电容耦接到该变压器的该第二初级绕组的该第一终端。
5.根据权利要求1所述的谐振转换器，其特征在于：该谐振转换器还包含一个耦接到该变压器的该次级绕组的整流滤波电路。
6.根据权利要求5所述的谐振转换器，其特征在于：
该变压器的该次级绕组具有一个第一终端、一个第二终端及一个中间端；
该整流滤波电路包括一个第一二极管、一个第二二极管及一个输出电容，该第一二极管具有一个耦接到该变压器的该次级绕组的该第一终端的阳极，及一个阴极，该第二二极管具有一个耦接到该变压器的该次级绕组的该第二终端的阳极，及一个耦接到该第一二极管的该阴极的阴极，该输出电容耦接在该第一二极管的该阴极与该变压器的该次级绕组的该中间端间。
7.根据权利要求6所述的谐振转换器，其特征在于：该变压器的该次级绕组是一个中心抽头的绕组。
8.根据权利要求1所述的谐振转换器，其特征在于：当该第二开关及该第三开关都导通时，该第一开关不导通。
9.根据权利要求1所述的谐振转换器，其特征在于：该第一开关至该第三开关的每一个是一个N型金氧半场效电晶体。
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