CN113078815B - 电源转换系统 - Google Patents

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Abstract

本公开为一种电源转换系统，包含：电源转换电路，包含第一端、第二端、输出电容、第一开关单元、第二开关单元、飞跨电容及磁性组件，其中，第一开关单元包含串联的第一开关组和第二开关组，第二开关单元包含第三开关组和第四开关组，飞跨电容串联于第一端和第二端之间，磁性组件包含电磁耦合的两个第一绕组，其中的一第一绕组串联于第三开关组与第二端之间，另一第一绕组串联于第四开关组与第二端之间，且两个第一绕组互为异名端的端子电连接于第二端；以及启动电路，用以控制电源转换电路实现启动，包含：第三绕组，与第一绕组电磁耦合；以及电感，与第三绕组串联并构成串联支路，其中串联支路两端电压为交变电压。

Description

电源转换系统
技术领域
本公开涉及一种电源转换系统，特别涉及一种可对飞跨电容及输出电容同时进行预充电，以进行软启动的电源转换系统。
背景技术
在现有非隔离型的大电流的电源转换电路应用中，可采用谐振型可扩展占空比的电路拓扑，其中谐振型可扩展占空比的电源转换电路还可存在对称型及不对称型。然目前无论是对称型或不对称型的谐振型可扩展占空比的电源转换电路，其输入与输出的电压增益比可以设计为固定，亦可以应实际需求而对电压增益比进行设计与调整。
另外，采用谐振型可扩展占空比电路拓扑的电源转换电路通常存在飞跨电容及输出电容，然当电源转换电路在启动时，由于飞跨电容及输出电容的端电压较低，在电源转换电路切入工作时，会在电路中产生大电流，从而对电源转换电路内的元器件造成大电流冲击，导致电源转换电路内元器件容易损坏，或是电源转换电路需选用较耐流，但成本也相对较高的元器件。
发明内容
本公开的目的在于提供一种启动电路及其所适用的电源转换电路与电源转换器，其是利用启动电路对电源转换电路中的飞跨电容及输出电容进行预充电，将飞跨电容及输出电容的端电压充高至预设电压后，再将电源转换电路切入工作而开始运行，以降低电源转换电路中所产生的大电流，从而减小开关及其它元器件所承受的电流应力，同时可选用低耐流的元件，有效降低电源转换电路的成本。
为达上述目的，本公开提供第一种电源转换系统，包含：电源转换电路，包含第一端、第二端、输出电容、至少一开关单元、至少一飞跨电容以及磁性组件，其中，开关单元包含至少一开关组，至少一飞跨电容串联连接于第一端和第二端之间，磁性组件包含相互电磁耦合的两个第一绕组，其中的一第一绕组串联电连接于至少一开关组中其中一开关组与第二端之间，另一第一绕组串联电连接于至少一开关组中另外一开关组与第二端之间，且两个第一绕组互为异名端的端子相互电连接，且电连接于第二端；以及启动电路，用以控制电源转换电路实现启动，启动电路包含：第三绕组，与第一绕组相互电磁耦合；以及电感，电感与第三绕组串联并构成串联支路，其中串联支路两端电压为交变电压；其中于电源转换电路启动过程中，交变电压通过第三绕组向至少一飞跨电容以及输出电容进行预充电，使至少一飞跨电容以及输出电容的电压分别到达对应的预设电压。
为达上述目的，本公开提供第二种电源转换系统，包含：电源转换电路，包含第一端、第二端、输出电容、至少一第一开关单元、第二开关单元、至少一飞跨电容以及磁性组件，其中，第一开关单元包含串联电连接的第一开关组和第二开关组，第二开关单元包含第三开关组和第四开关组，至少一飞跨电容串联连接于第一端和第二端之间，磁性组件包含相互电磁耦合的两个第一绕组，其中的一第一绕组串联电连接于第三开关组与第二端之间，另一第一绕组串联电连接于第四开关组与第二端之间，且两个第一绕组互为异名端的端子相互电连接，且电连接于第二端，其中磁性组件存在等效漏感，等效漏感与至少一飞跨电容谐振，产生谐振电流，谐振电流传递能量给第一端或第二端；以及，启动电路，于电源转换电路启动过程中，对至少一飞跨电容和输出电容进行预充电，使得输出电容两端电压大于等于其稳态输出电压的70％，且至少一飞跨电容两端端电压大于等于飞跨电容的稳态电压的70％。
为达上述目的，本公开还提供第三种电源转换系统，包含﹕至少两个如前所述的第一种电源转换系统的电源转换电路或第二种电源转换系统的电源转换电路，其中所有电源转换电路的第一端并联电连接，所有电源转换电路的第二端并联电连接；如前所述的第一种电源转换系统的启动电路，其中启动电路还包含至少一另一第三绕组，所有第三绕组并联耦接，且每一第三绕组分别与对应的电源转换电路的磁性组件磁耦合。
附图说明
图1a为N：1不对称型谐振可扩展占空比的电源转换电路；
图1b为4：1不对称型谐振可扩展占空比的电源转换电路；
图2a为N：1对称型谐振可扩展占空比的电源转换电路；
图2b为4：1对称型谐振可扩展占空比的电源转换电路；
图2c为另一4：1对称型谐振可扩展占空比的电源转换电路；
图2d为另一N：1对称型谐振可扩展占空比的电源转换电路；
图3a为本公开第一优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图；图3b为图3a所示的电源转换系统在启动电路对飞跨电容和第二电容进行预充电时的电路运行示意图；
图3c为图3a所示的电源转换系统在启动电路对第二电容进行预充电时的电路运行示意图；
图3d为图3a、3b所示的启动电路的上开关、下开关及电流的运行波形图；
图4a为本公开第二优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图；图4b为图4a所示的电源转换系统在启动电路对飞跨电容和第二电容进行预充电时的电路运行示意图；
图4c为图4a所示的电源转换系统在启动电路对飞跨电容和第二电容进行预充电时的电路运行示意图；
图5a为本公开第三优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图；图5b为图5a所示的控制器所设定的参考电压信号的波形示意图；
图6a为本公开第四优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图；图6b为图6a所示的电源转换系统的上开关、下开关及电流的运行波形图；
图6c为图6a所示的电源转换系统在另一情况下的上开关、下开关及电流的运行波形图；
图7a为本公开第五优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图；图7b为图7a所示的启动电路的开关及电流的运行波形图；
图7c为图7a所示的启动电路在另一情况下的开关及电流的运行波形图；
图8a为本公开第六优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图；图8b及图8c分别为图8a所示的电源转换系统的电路运行示意图；
图9a为本公开第七优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图；图9b及图9c分别为图9a所示的电源转换系统的电路运行示意图；
图10为本公开第八优选实施例的电源转换器的电路结构示意图；
图11为本公开第九优选实施例的电源转换器的电路结构示意图。
附图标记说明：
1a、1b、2a、2b、2c、2d：电源转换电路
3、4、5、6、7、8、9﹕电源转换系统
V1+﹕第一正极
V1-﹕第一负极
V2+﹕第二正极
V2-﹕第二负极
C1﹕第一电容
C2﹕第二电容
Cb11﹕飞跨电容
T-1a、T-1b、T-2a、T-2b、T-2c、T-2d﹕磁性组件
S11、S21﹕第一开关
S12、S24﹕第二开关
Sr11、Sr22﹕第三开关
Sr12、S23﹕第四开关
T11、T12、T21、T22﹕第一绕组
T13、T23、T24﹕第二绕组
Ts﹕开关周期
Vc11﹕飞跨电容Cb11的电压
io﹕输出电流
Cb21﹕第一飞跨电容
Cb22﹕第二飞跨电容
S22﹕第五开关
Sr21﹕第六开关
Vc22﹕第二飞跨电容Cb22的电压
Vc21﹕第一飞跨电容Cb21的电压
31、41、71、121、131﹕启动电路﹕
T31、T31a、T31b﹕第三绕组
L31﹕电感
S31、S71﹕上开关
S32、S72﹕下开关
C31﹕上电容
C32﹕下电容
i31﹕电流
Dr11、D12、Dr12、Dr21、D24、Dr22、D22、D11、D21﹕寄生二极管
50﹕控制器
PWM1、PWM2﹕控制信号
Vref(t)﹕参考电压信号
Voset﹕预设参考电压
D41﹕第一钳位二极管
D42﹕第二钳位二极管
120、130﹕电源转换系统
具体实施方式
体现本公开特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本公开能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本公开的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非架构于限制本公开。
图1a为第一电源转换电路的电路结构示意图，图1b为第二电源转换电路的电路结构示意图，图2a为第三电源转换电路的电路结构示意图，图2b为第四电源转换电路的电路结构示意图，图2c为第五电源转换电路的电路结构示意图，图2d为第六电源转换电路的电路结构示意图。以上所述的电源转换电路皆可进行双向电能转换，且为谐振型电路拓扑，且上述电源转换电路中皆包含第一端(包含第一正极V1+与第一负极V1-)、第二端(包含第二正极V2+与第二负极V2-)、至少一第一开关单元、第二开关单元、第一电容、第二电容、至少一飞跨电容及一磁性组件，其中第一负极V1-与第二负极V2-共同接地。
具体而言，图1a中的第一电源转换电路1a为输入输出电压增益比(后续均称为电压增益比)为N：1的不对称型的电路拓扑，其中该第一开关单元包含串联电连接的第一开关组及第二开关组，第一开关组包含第一开关S11，第二开关组包含第二开关S12。第二开关单元包含第三开关组及第四开关组，第三开关组包含第三开关Sr11，第四开关组包含第四开关Sr12，第三开关Sr11与第一开关S11串联电连接，第四开关Sr12与第二开关S12串联电连接。此外，第一开关S11的切换状态与第四开关Sr12的切换状态相同，第二开关S12的切换状态与第三开关Sr11的切换状态相同，而第一开关S11的切换状态与第二开关S12的切换状态错相180度。第一电容C1电连接于第一正极V1+与第一负极V1-之间，第二电容C2电连接于第二正极V2+与第二负极V2-之间，飞跨电容Cb11电连接于第一开关S11与第二正极V2+之间，且与第二开关S12为并联电连接。磁性组件T-1a包含两个第一绕组T11、T12及一第二绕组T13，该两个第一绕组T11、T12和该第二绕组T13通过同一磁芯组件(未图示)电磁耦合，其中第一绕组T11串联电连接于飞跨电容Cb11与第二正极V2+之间，第一绕组T12串联电连接于第二开关S12与第二正极V2+之间，第二绕组T13与飞跨电容Cb11串联于第一开关S11和第一绕组T11之间，且与第一绕组T11串联电连接，此外，两个第一绕组T11、T12互为异名端的一端相互电连接，且电连接于第二正极V2+。另外，第二绕组T13和两个第一绕组T11及T12的匝比为N﹕1﹕1，其中N为正数，优选为正整数,通过第二绕组T13的加入，以灵活设计电源转换电路的输入输出电压增益比，扩大电源转换电路的应用范围。其中随着第一电源转换电路1a中开关的开通和关断，飞跨电容Cb11与磁性组件T-1a的等效漏感发生谐振，以产生一谐振电流，该谐振具有一谐振周期和谐振频率，且该谐振电流传递能量第一电源转换电路1a的第一端或第二端。
图1b中的第二电源转换电路1b与图1a不同之处在于磁性组件T-1b包含两个第一绕组T11及T12，该两个第一绕组T11及T12通过同一磁芯组件(未图示)电磁耦合，其中第一绕组T11串联电连接于飞跨电容Cb11与第二正极V2+之间，第一绕组T12串联电连接于第二开关S12与第二正极V2+之间，此外，两个第一绕组T11、T12互为异名端的一端相互电连接，且电连接于第二正极V2+。另外，两个第一绕组T11及T12的匝比为1﹕1，该第二电源转换电路1b的输入输出电压增益比为4：1。其中随着第二电源转换电路1b中的开关开通和关断，飞跨电容Cb11与磁性组件T-1b的等效漏感发生谐振，以产生一谐振电流，该谐振具有一谐振周期和谐振频率，且该谐振电流传递能量给第二电源转换电路1b的第一端或第二端。
图2a的第三电源转换电路2a为输入输出电压增益比(后续均称为电压增益比)为N：1的对称型的电路拓扑，其中第三电源转换电路2a包含两个第一开关单元和一个第二开关单元。其中之一的第一开关单元包含串联电连接的第一开关组及第二开关组，第一开关组包含第一开关S21，第二开关组包含第五开关S22。其中的另一第一开关单元包含串联电连接的第一开关组及第二开关组，另一第一开关单元的第一开关组包含第四开关S23，另一第一开关单元的第二开关组包含第二开关S24。第二开关单元包含第三开关组及第四开关组，第三开关组包含第三开关Sr22，第四开关组包含第六开关Sr21。第一开关S21的第一端电连接于第一正极V1+，第一开关S21的第二端电连接于第五开关S22的第一端，第五开关S22的第二端电连接第六开关Sr21的第一端，第六开关Sr21的第二电连接第二负极V2-；第四开关S23的第一端电连接于第一正极V1+，且与第一开关S21并联电连接，第四开关S23的第二端电连接第二开关S24的第一端，第二开关S24的第二端电连接于第三开关Sr22的第一端，第三开关Sr22的第二端电连接第二负极V2-。第一飞跨电容Cb21电连接于第一开关S21的第二端及第三开关Sr22的第一端之间。第二飞跨电容Cb22电连接于第四开关S23的第二端及第六开关Sr21的第一端之间。
此外，第一开关S21的切换状态、第二开关S24的切换状态与第六开关Sr21的切换状态相同，第四开关S23的切换状态、第五开关S22的切换状态与第三开关Sr22的切换状态相同，且第一开关S21的切换状态与第四开关S23的切换状态错相180度。第一电容C1电连接于第一正极V1+与第一负极V1-之间，第二电容C2电连接于第二正极V2+与第二负极V2-之间。
磁性组件T-2a包含两个第一绕组T21、T22及两个第二绕组T23、T24，两个第一绕组T21、T22及两个第二绕组T23、T24通过同一磁芯组件(未图示)电磁耦合，且绕制在同一磁柱上，两个第一绕组T21、T22互为异名端的第二端电连接于第二正极V2+。其中第一绕组T21的第一端电连接第五开关S22的第二端及第六开关Sr21的第一端，第一绕组T22的第一端电连接第二开关S24的第二端及第三开关Sr22的第一端。第二绕组T23与第二飞跨电容Cb22串联电连接后并电连接于第四开关S23的第二端与第五开关S22的第二端之间。第二绕组T24与第一飞跨电容Cb21串联电连接后并电连接于第一开关S21的第二端与第二开关S24的第二端之间。更甚者，两个第二绕组T23、T24和两个第一绕组T21及T22的匝比为N﹕N﹕1﹕1，其中N为正数，优选为正整数。该第三电源转换电路2a的输入输出电压增益比为N：1。其中随着第三电源转换电路2a中的开关开通和关断，第一飞跨电容Cb21及第二飞跨电容Cb22与磁性组件T-2a的等效漏感谐振，以产生一谐振电流，该谐振具有一谐振周期和谐振频率，且该谐振电流传递能量给第三电源转换电路2a的第一端或第二端。
图2b中的第四电源转换电路2b与图2a不同之处在于磁性组件T-2b包含两个第一绕组T11及T12，该两个第一绕组T11及T12通过同一磁芯组件(未图示)电磁耦合，其中第一绕组T22串联电连接于第二开关S24与第二正极V2+之间，第一绕组T21串联电连接于第五开关S22与第二正极V2+之间，此外，两个第一绕组T21、T22互为异名端的一端相互电连接，且电连接于第二正极V2+。另外，两个第一绕组T11及T12的匝比为1﹕1，该第四电源转换电路2b的输入输出电压增益比为4：1。该第四电源转换电路2b的输入输出电压增益比为4：1。其中随着第四电源转换电路2b中的开关开通和关断，第一飞跨电容Cb21及第二飞跨电容Cb22与磁性组件T-2b的等效漏感谐振，以产生一谐振电流，该谐振具有一谐振周期和谐振频率，且该谐振电流传递能量给第四电源转换电路2b的第一端或第二端。
图2c中的第五电源转换电路2c为输入输出电压增益比(后续均称为电压增益比)为4：1的对称型的电路拓扑，其中第五电源转换电路2c包含两个第一开关单元和一个第二开关单元。其中之一的第一开关单元包含串联电连接的第一开关组及第二开关组，第一开关组包含开关S21，第二开关组包含开关S22a及S22b。其中的另一第一开关单元包含串联电连接的第一开关组及第二开关组，另一第一开关单元的第一开关组包含开关S23，另一第一开关单元的第二开关组包含开关S24a及开关S24b。第二开关单元包含第三开关组及第四开关组，第三开关组包含开关Sr22，第四开关组包含开关Sr21。开关S21的第一端电连接于第一正极V1+，开关S21的第二端电连接于开关S22a的第一端，开关S22a的第二端电连接于开关S24b的第一端，开关S24b的第二端电连接于开关Sr22的第一端，开关Sr22的第二端电连接第二负极V2-。开关S23的第一端电连接于第一正极V1+，且与开关S21并联电连接，开关S23的第二端电连接开关S24a的第一端，开关S24a的第二端电连接于开关S22b的第一端，开关S22b的第二端电连接于开关Sr21的第一端，开关Sr21的第二端电连接第二负极V2-。第一飞跨电容Cb21电连接于开关S21的第二端及开关Sr22的第一端之间。第二飞跨电容Cb22电连接于开关S23的第二端及开关Sr21的第一端之间。并且，在该第五电源转换电路2c中，开关S22a的第二端电连接开关S24a的第二端。
此外，开关S21的切换状态、开关S24a的切换状态、开关S24b的切换状态与开关Sr21的切换状态相同，开关S23的切换状态、开关S22a的切换状态、开关S22b的切换状态与开关Sr22的切换状态相同，且开关S21的切换状态与开关S23的切换状态错相180度。第一电容C1电连接于第一正极V1+与第一负极V1-之间，第二电容C2电连接于第二正极V2+与第二负极V2-之间。
磁性组件T-2c包含两个第一绕组T21、T22，两个第一绕组T21、T22通过同一磁芯组件(未图示)电磁耦合，且绕制在同一磁柱上，两个第一绕组T21、T22互为异名端的第二端电连接于第二正极V2+。其中第一绕组T21的第一端电连接开关S22b的第二端及开关Sr21的第一端，第一绕组T22的第一端电连接开关S24b的第二端及开关Sr22的第一端。更甚者，两个第一绕组T21及T22的匝比为1﹕1，其中N为正数，优选为正整数。该第五电源转换电路2c的输入输出电压增益比为4：1。其中随着第五电源转换电路2c中的开关开通和关断，第一飞跨电容Cb21及第二飞跨电容Cb22与磁性组件T-2c的等效漏感谐振，以产生一谐振电流，该谐振具有一谐振周期和谐振频率，且该谐振电流传递能量给第五电源转换电路2c的第一端或第二端。
图2d中的第六电源转换电路2d与图2c不同之处在于磁性组件T-2d包含两个第一绕组T21、T22及两个第二绕组T23、T24，两个第一绕组T21、T22及两个第二绕组T23、T24通过同一磁芯组件(未图示)电磁耦合，且绕制在同一磁柱上，两个第一绕组T21、T22互为异名端的第二端电连接于第二正极V2+。其中第一绕组T21的第一端电连接开关S22b的第二端及开关Sr21的第一端，第一绕组T22的第一端电连接开关S24b的第二端及开关Sr22的第一端。第二绕组T23与第二飞跨电容Cb22串联电连接后并电连接于开关S23的第二端与开关S22b的第二端之间。第二绕组T24与第一飞跨电容Cb21串联电连接后并电连接于开关S21的第二端与开关S24b的第二端之间。更甚者，两个第二绕组T23、T24和两个第一绕组T21及T22的匝比为N﹕N﹕1﹕1，其中N为正数，优选为正整数。该第六电源转换电路2d的输入输出电压增益比为N：1。其中随着第六电源转换电路2d中的开关开通和关断，第一飞跨电容Cb21及第二飞跨电容Cb22与磁性组件T-2d的等效漏感谐振，以产生一谐振电流，该谐振具有一谐振周期和谐振频率，且该谐振电流传递能量第六电源转换电路2d的第一端或第二端。
为了解决谐振型可扩展占空比的电源转换电路的启动和飞跨电容的预充电问题，本公开提出一启动电路，可给第一电源转换电路1a、第二电源转换电路1b、第三电源转换电路2a、第四电源转换电路2b、第五电源转换电路2c及第六电源转换电路2d提供相对应的启动方案及控制。以图1a所示的第一电源转换电路1a为例，来说明该启动电路的工作原理。图3a为本公开第一优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图，图3b为图3a所示的电源转换系统在启动电路对飞跨电容进行预充电时的电路运行示意图，图3c为图3a所示的电源转换系统在启动电路对第二电容进行预充电时的电路运行示意图，图3d为图3b及图3c所示的启动电路的上开关、下开关及电流的运行波形图。本实施例的电源转换系统3的电源转换电路相似于图1a所示的第一电源转换电路1a，故于此仅以相同符号来代表组件相同，不再赘述。而本实施例的电源转换系统3还包含启动电路31，其中启动电路31包括第三绕组T31、电感L31、开关桥臂和电容桥臂。开关桥臂包括串联电连接的上开关S31和下开关S32，且上开关S31和下开关S32所接受的控制信号的占空比相等而错相180度，但不以此为限，上开关S31和下开关S32所接受的控制信号亦可为互补。更甚者，两个控制信号占空比分别由零逐渐增大至50％。电容桥臂包含串联电连接的上电容C31和下电容C32，且电容桥臂和开关桥臂并联电连接，并构成启动电路31的输入端，以与电源转换系统3的输入电压端电连接。其中如图3a所示，当例如电源转换系统3的第一端为输入电压端，电源转换系统3的第二端为输出电压端时，启动电路31的输入端电连接于电源转换系统3的第一端的第一正极V1+及第一负极V1-。第三绕组T31与第一绕组T12、T11及第二绕组T13电磁耦合，且第三绕组T31串联电连接电感L31构成一串联支路，该串联支路的一端电连接于开关桥臂的中点，即分别与上开关S31和下开关S32电连接，串联支路的另一端电连接于电容桥臂的中点，即分别与上电容C31和下电容C32电连接，而第三绕组T31串联电连接电感L31所构成的串联支路的一端和另一端之间的电压为交变电压。
于一些实施例中，电感L31可为外加电感或，但不以此为限，电感L31亦可为第一绕组T12、T11、第二绕组T13及第三绕组T31电磁耦合所产生的漏感。另外，第一电容C1或第二电容C2构成电源转换系统3的输出电容，故输出电容电源转换系统3的输出电容架构于电连接电源转换电路的第一端或第二端。
以下将说明图3a所示的启动电路31的运行。如图3b、3d所示，当上开关S31开通(on)时，例如图3d所示的时间t0时刻，下开关S32关断(off)，启动电路31内的电流i31流经上开关S31、电感L31、第三绕组T31和下电容C32，该电流i31并在时间t0-t1区间内线性上升。此时电源转换系统3的第三开关Sr11的寄生二极管Dr11导通，第一绕组T11的端电压通过寄生二极管Dr11的导通被钳位为电源转换系统3的第二端的电压，假设为V2，同时通过第一绕组T11和第三绕组T31的电磁耦合而对第二电容C2充电。同时，因为第一绕组T11及T12与第二绕组T13相互电磁耦合，故第一绕组T12两端的端电压亦为V2，第二绕组T13两端的端电压为N*V2，又第一绕组T11及T12和第二绕组T13通过第二开关S12的寄生二极管D12给飞跨电容Cb11进行预充电，此时飞跨电容Cb11两端的端电压为(2+N)*V2。当例如图3d所示的t1时刻时，上开关S31关断，电流i31通过下开关S32的寄生二极管(未图示)、下电容C32及第三绕组T31续流，此时电源转换系统3中的第一绕组T11、T12和第二绕组T13依然通过第二开关S12的寄生二极管D12给飞跨电容Cb11进行预充电。
如图3c所示，并参照图3d，当下开关S32开通时，例如图3d所示的t3时刻，启动电路31内的电流i31流经上电容C31、第三绕组T31、电感L31和下开关S32，该电流i31并在时间t3-t4区间内反向线性上升。此时，电源转换系统3的第四开关Sr12的寄生二极管Dr12导通，第一绕组T12的端电压通过寄生二极管Dr12的导通被钳位为V2，通过第一绕组T12和第三绕组T31的电磁耦合而对第二电容C2充电。当例如图3d所示的时间t4时刻，下开关S32关断，电流i31通过上开关S31的寄生二极管(未图示)、上电容C31及第三绕组T31续流，此时电源转换系统3依然通过第一绕组T12和第三绕组T31的电磁耦合为第二电容C2充电。
因此，在第一电源转换电路1a启动过程中，第一开关单元的第一开关S11处于关断状态，利用启动电路31的第三绕组T3上的交变电压，并利用该电源转换电路中对应开关的寄生二极管，让飞跨电容Cb11和第二电容C2两端端电压充高至预设电压，例如至该第一电源转换电路1a的稳态电压后，该电源转换系统3退出启动工作状态，同时使得第一电源转换电路1a中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态，如此一来，可避免电源转换系统3内的元器件，例如开关等，遭受大电流冲击，使得电源转换系统3内元器件等，不易损坏，同时可选用成本较低的元器件。在另一实施例中，在第一电源转换电路1a启动过程中，第一开关单元的第一开关S11处于关断状态，利用启动电路31的第三绕组T3上的交变电压，并利用该电源转换电路中对应开关的开通和关断，让飞跨电容Cb11和第二电容C2两端端电压充高至预设电压。于另一实施例中，亦可充电使得该飞跨电容Cb11两端端电压大于等于该飞跨电容Cb11的稳态电压的70％时,以及充电使得输出电容两端端电压大于等于其稳态输出电压的70％，该电源转换系统3退出启动工作状态，同时使得第一电源转换电路1a中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态。
该启动电路31亦适用于如图1b所示的第二电源转换电路1b，图1b所示的第二电源转换电路1b与图1a所示的第一电源转换电路1a的区别在于缺少第二绕组T13，故该第二电源转换电路1b的输入输出电压增益比为固定值4：1，启动电路31对第二电源转换电路1b中的飞跨电容Cb11及第二电容C2的充电原理与前述相同，此处不再赘述。
图4a为本公开第二优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图，图4b为图4a所示的电源转换系统在启动电路对飞跨电容进行预充电时的电路运行示意图，图4c为图4a所示的电源转换系统在启动电路对第二电容进行预充电时的电路运行示意图。本实施例的电源转换系统4的第四电源转换电路2b相似于图2a所示的第三电源转换电路2a，而本实施例的电源转换系统4还包含启动电路31，且启动电路31与图3a所示的启动电路31相同，且启动电路31的控制方案亦相同，参照图3d，故于此仅以相同符号来代表组件相同，不再赘述。另外，在本实施例的电源转换系统4中，第三绕组T31与两个第一绕组T21、T22及两个第二绕组T23、T24电磁耦合。更甚者，在例如电源转换系统4的第一端为输入电压端，电源转换系统4的第二端为输出电压端时，图4a所示的启动电路31的输入端电连接于电源转换系统4的第一端的第一正极V1+及第一负极V1-。此外，于一些实施例中，电感L31可为两个第一绕组T21、T22、两个第二绕组T23、T24及第三绕组T31电磁耦合所产生的漏感。
以下将说明图4a所示的启动电路31的运行。如图4b所示，并参照图3d，当上开关S31开通时，例如图4b及3d所示的时间t0时刻，下开关S32关断，启动电路31内的电流i31流经上开关S31、电感L31、第三绕组T31和下电容C32，该电流i31并在时间t0-t1区间内线性上升。此时电源转换系统4的第六开关Sr21的寄生二极管Dr21导通，第一绕组T21的端电压通过寄生二极管Dr21的导通被钳位为电源转换系统4的第二端的电压，假设为V2，同时通过第一绕组T21和第三绕组T31的电磁耦合而对第二电容C2充电。同时，因为第一绕组T21及T22与第二绕组T23及T24相互电磁耦合，故第一绕组T22两端的端电压亦为V2，第二绕组T23两端的端电压为N*V2，第一绕组T21及T22和第二绕组T23及T24通过第二开关S24的寄生二极管D24给第二飞跨电容Cb22进行预充电，第一飞跨电容Cb21两端的端电压为(2+N)*V2。当例如图3d所示的时间t1时刻时，上开关S31关断，电流i31通过下开关S32的寄生二极管(未图示)、下电容C32及第三绕组T31续流。
如图4c及图3d所示，当下开关S32开通，例如图3d所示的在时间t3时刻，启动电路31内的电流i31流经上电容C31、第三绕组T31、电感L31和下开关S32，该电流i31在时间t3-t4区间内反向线性上升。此时，电源转换系统4的第三开关Sr22的寄生二极管Dr22导通，第一绕组T22的端电压通过寄生二极管Dr22的导通被钳位为V2，通过第一绕组T22和第三绕组T23及T24的电磁耦合而对第二电容C2充电。同时，因为第一绕组T21及T22与第二绕组T23及T24相互电磁耦合，故第一绕组T21两端的端电压亦为V2，第二绕组T24两端的端电压为N*V2，第一绕组T21及T22和第二绕组T23及T24通过第五开关S22的寄生二极管D22给第一飞跨电容Cb21进行预充电。当例如图3d所示的时间t4时刻，下开关S32关断，电流i31通过上开关S31的寄生二极管(未图示)、上电容C31，第三绕组T31续流。
因此，在第三电源转换电路1b启动过程中，第一开关S21及第四开关S23处于关断状态，利用启动电路31的第三绕组T3上的交变电压，并利用该电源转换电路中对应开关的寄生二极管，让第一飞跨电容Cb21、第二飞跨电容Cb22和第二电容C2两端端电压充高至该电源转换电路的稳态电压后，该电源转换系统4退出启动工作状态，同时使得第三电源转换电路1b中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态，如此一来，可避免电源转换系统4内的元器件，例如开关等，遭受大电流冲击，使得电源转换电路内元器件不易损坏，同时可选用成本较低的元器件。在另一实施例中，在第三电源转换电路1b启动过程中，第一开关S21及第四开关S23处于关断状态，利用启动电路31的第三绕组T3上的交变电压，并利用该电源转换电路中对应开关的开通和关断，让第一飞跨电容Cb21、第二飞跨电容Cb22和第二电容C2两端端电压充高至预设电压。于另一实施例中，亦可充电使得该两个飞跨电容两端端电压大于等于对应的飞跨电容的稳态电压的70％时,且充电使得输出电容两端端电压大于等于其稳态输出电压的70％，该电源转换系统4退出启动工作状态，同时使得第三电源转换电路1b中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态。
该启动电路31亦适用于如图2b所示的第四电源转换电路2b，图2b所示的第四电源转换电路2b与图2a所示的第三电源转换电路2a的区别在于缺少第二绕组T23及T24，故该第四电源转换电路2b的输入输出电压增益比为固定值4：1，启动电路31对第四电源转换电路2b中的第一飞跨电容Cb21、第二飞跨电容Cb22及第二电容C2的充电原理与前述相同，此处不再赘述。
于一些实施例中，如图3a所示的电源转换系统3及图4a所示的电源转换系统4可还分别包含一控制器，以下将以图4a所示的电源转换系统4还包含控制器来示范性说明。请参阅图5a及图5b，其中图5a为本公开第三优选实施例的电源转换电路的电路结构示意图，图5b为图5a所示的控制器所设定的参考电压信号的波形示意图。本实施例的电源转换系统5相似于图4a所示的电源转换系统4，故于此仅以相同符号来代表组件相同，不再赘述。而本实施例的电源转换系统5还包含控制器50，控制器50输出两个控制信号PWM1及PWM2，其中控制信号PWM1控制启动电路31的上开关S31，控制信号PWM2控制启动电路31的下开关S32，使得电感L31和第三绕组T31的串联支路两端的端电压为一交变电压。在一实施例中，该两个控制信号PWM1及PWM2的占空比相同，错相180度。在另一实施例中，该控制器50输出的两个控制信号PWM1及PWM2，该两个控制信号亦可以采用小于50％，且不相等的占空比，该两个控制信号PWM1及PWM2之间的错相角度亦可依据实际设计需求而变动，同样使得电感L31和第三绕组T31的串联支路两端的端电压为一交变电压。当然，开关S31和下开关S32所接受的控制信号PWM1及PWM2亦可为互补。更甚者，两个控制信号PWM1及PWM2的占空比可分别由零逐渐增大至50％。
另外，控制器50可以采样电源转换系统5的输出电压端的电压，并通过采样结果调节两个控制信号PWM1及PWM2的占空比，或者通过采样结果使得电源转换系统5退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中至少一开关进入开通和关断状态。其中，控制器50通过内部预设的参考电压信号Vref(t)，来与控制器50采样到的输出电压端的电压做比较，以调节控制信号PWM1及PWM2，使得控制信号PWM1及PWM2的占空比从零开始逐渐增大至50％，其最大占空比为50％，以对电源转换系统5的输出电压端的电压、第一飞跨电容Cb21及第二飞跨电容Cb22进行预充电，并使得电源转换系统5的输出电压沿预设的参考电压信号Vref(t)上升，以实现电源转换系统5的输出电压的软启动。另外，当电源转换系统5的输出电压端的电压基本等于稳态工作电压时，即图5b所示的预设参考电压Voset时，该电源转换系统5退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中至少一开关进入开通和关断状态。
当然，控制器50亦可以不采样电源转换系统5的输出电压，而是输出两个固定占空比的控制信号PWM1及PWM2控制上开关S31与下开关S32开通和关断，该两个固定占空比最大可至50％。以对电源转换系统5的输出电压端的电压、第一飞跨电容Cb21及第二飞跨电容Cb22进行预充电，并使得电源转换系统5的输出电压升高，当电源转换系统5的输出电压端的电压基本等于稳态工作电压时，即预设参考电压Voset时，该电源转换系统5退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中至少一开关进入开通和关断状态。
以图2a所示的第三电源转换电路2a为例，当第二电容C2的端电压充高至Vin/(4+2N)，且第一飞跨电容Cb21的端电压充高至Vin*(2+2N)/(4+2N)时，第一开关S21的寄生二极管导通并利用输入电压Vin钳位第二电容C2、第一飞跨电容Cb21的端电压，使其端电压不再继续上升；当第二电容C2的端电压充高至Vin/(4+2N)，且第二飞跨电容Cb22的端电压充高至Vin*(2+2N)/(4+2N)时，第四开关S23的寄生二极管导通并利用输入电压Vin钳位第二电容C2、第二飞跨电容Cb22的端电压，使其端电压不再继续上升，此时可以使得该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中至少一开关进入开通和关断状态。
以图2b所示的第四电源转换电路2b为例，当第二电容C2的端电压充高至Vin/4，且第一飞跨电容Cb21的端电压充高至Vin/2时，第一开关S21的寄生二极管导通并利用输入电压Vin钳位第二电容C2、第一飞跨电容Cb21的端电压，当第二电容C2的端电压充高至Vin/4，且第二飞跨电容Cb22的端电压充高至Vin/2时，第三开关S23的寄生二极管导通并利用输入电压Vin钳位第二电容C2、第二飞跨电容Cb22的端电压，使其端电压不再继续上升，此时可以使得该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中至少一开关进入开通和关断状态。同样，采用固定占空比的启动电路31亦可应用于如图1a和图1b所示的电源转换电路1a和1b，其工作原理与电源转换电路2a和2b相类似，此处不再赘述。
在另一实施例中，亦可设置预设参考电压Voset为该电源转换系统5的稳态工作电压的70％，或者为稳态工作电压的70％到稳态工作电压中的任一数值，充电使得该两个飞跨电容两端端电压大于等于对应的飞跨电容的稳态电压的70％时,且充电使得输出电容两端端电压大于等于其稳态输出电压的70％，该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中至少一开关进入开通和关断状态。
在其它实施例中，通过设置启动电路31所接收的控制信号(即控制器50输出的控制信号PWM1及PWM2)的开关频率和启动电路31中电感L31的感量和上电容C31、下电容C32的容值，使得电感L31和上电容C31、下电容C32谐振，其谐振频率与开关频率可以大致相同，亦可以远远大于开关频率。
请参阅图6a、6b及6c，其中图6a为本公开第四优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图，图6b为图6a所示的电源转换系统的上开关、下开关及电流的运行波形图，图6c为图6a所示的电源转换系统在另一情况下的上开关、下开关及电流的运行波形图。本实施例的电源转换系统6相似于图4a所示的电源转换系统4，故仅以相同符号代表组件相同，不再赘述，而本实施例的电源转换系统6的启动电路41还包含至少第一钳位二极管D41及第二钳位二极管D42。第一钳位二极管D41与上电容C31并联电连接，即第一钳位二极管D41的阴极与上电容C31的第一端及启动电路41的正输入端电连接，第一钳位二极管D41的阳极与上电容C31的第二端及下电容C32的第一端电连接。第二钳位二极管D42与下电容C32并联电连接，即第二钳位二极管D42的阴极与下电容C32的第一端及上电容C31的第二端电连接，第二钳位二极管D42的阳极与启动电路31的负输入端电连接。
而如图6b所示，在时间t0-t1和时间t2-t3区间内，电感L31和上电容C31及下电容C32产生谐振电流i31，为电源转换系统6中的第二电容C2、第一飞跨电容C21及第二飞跨电容C22进行充电，其中谐振电流i31的谐振频率与启动电路41所接收的控制信号的开关频率相接近。同时第一钳位二极管D41及第二钳位二极管D42分别钳位上电容C31及下电容C32的电压，以对上电容C31及下电容C32提供保护。
在一些实施例中，可通过减小图6a所示的启动电路41中的电感L31的感量或者上电容C31及下电容C32的容值，借此增大电感L31和上电容C31及下电容C32所产生的谐振电流i31的谐振频率，使得该谐振频率远大于启动电路41的开关频率，例如谐振频率可以大于启动电路41的开关频率的10倍，其中该谐振电流i31的波形则如图6c所示。在该些实施例中，电感L31和第三绕组T31的串联支路两端的端电压皆为一交变电压，并通过第三绕组与第一绕组及第二绕组之间的电磁耦合对飞跨电容和输出电容进行预充电。
于其它实施例中，可利用另一开关桥臂来代替前述启动电路31(如图3a、4a、5a所示)中的电容桥臂，请参阅图7a、7b、7c，其中图7a为本公开第五优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图，图7b为图7a所示的启动电路的开关及电流的运行波形图，图7c为图7a所示的启动电路在另一情况下的开关及电流的运行波形图。本实施例的电源转换系统7相似于图4a所示的电源转换系统4，而本实施例的启动电路71包含第三绕组T31、电感L31、第一开关桥臂、第二开关桥臂与第三电容C71。第一开关桥臂包括串联电连接的上开关S31和下开关S32，且上开关S31和下开关S32所接受的控制信号的占空比相等而错相180度或上开关S31和下开关S32所接受的控制信号互补。第二开关桥臂包含串联电连接的上开关S71和下开关S72，且第一开关桥臂和第二开关桥臂并联电连接，并构成启动电路71的输入端，以与电源转换系统7的输入电压端电连接。其中如图7a所示，当例如电源转换系统7的第一端为输入电压端，电源转换系统7的第二端为输出电压端时，启动电路71的输入端电连接于电源转换系统7的第一端的第一正极V1+及第一负极V1-。第三绕组T31与第一绕组T21、T22及第二绕组T23、T24电磁耦合，且第三绕组T31串联电连接于电感L31构成一串联支路，该串联支路的一端电连接于第一开关桥臂的中点，即分别与上开关S31和下开关S32电连接。该串联支路的另一端电连接于第二开关桥臂的中点，即分别与上开关S71和下开关S72电连接，该串联支路两端端电压为一交变电压。第三电容C71与第一开关桥臂和第二开关桥臂并联电连接，且同样构成启动电路71的输入端，以与电源转换系统7的输入电压端电连接。
如图7b所示，于本实施例中，第二桥臂的上开关S71及下开关S72的开通时间可为零，即上开关S71及下开关S72不开通(故图7b并未显示上开关S71及下开关S72的运行波形)。利用上开关S71的寄生电容及下开关S72的寄生电容与电感L31产生谐振，同时上开关S71的寄生二极管(未图示)及下开关S72的寄生二极管(未图示)为上开关S71及下开关S72提供钳位保护。
在其它实施例中，亦可以通过开通第二开关桥臂来增大在启动过程中的电源转换系统7的带载能力，如图7b所示，在时间t0时刻，同时开通第一开关桥臂的上开关S31和第二开关桥臂的下开关S72，因此在时间t0-t1区间内，电感L31和启动电路71的第三电容C71产生谐振。同理在时间t3-t4区间内，第一开关桥臂的下开关S32和第二开关桥臂的上开关S71同时开通，因此在时间t3-t4区间内，电感L31和启动电路71的第三电容C71同样产生谐振。其中第二开关桥臂的下开关S72与第一开关桥臂的上开关S31同步开通，且第二开关桥臂的下开关S72的导通时间小于第一开关桥臂的上开关S31的导通时间，第二开关桥臂的上开关S71与第一开关桥臂的下开关S32同步开通，第二开关桥臂的上开关S71的导通时间小于第一开关桥臂的下开关S32的导通时间。通过此控制方式，使得电感L31和第三绕组T31的串联支路两端的端电压为一交变电压，并通过第三绕组与第一绕组及第二绕组之间的电磁耦合对飞跨电容和输出电容进行预充电。
当然，图5a所示的控制器50、图6a所示的启动电路41及图7所示的启动电路71不仅适用于图2a及图2b所示的对称型的电源转换电路，同样适用于图1a及图1b所示电路拓扑为非对称型的电源转换电路及图2c及图2d所示的对称型的电源转换电路，然工作原理与前述内容相似，于此不再赘述。
由于本公开的电源转换电路为双向，故以下将再示范性说明当电源转换电路的第一端为输出电压端而第二端为输入电压端时，启动电路的运行。图8a为本公开第六优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图，图8b及图8c分别为图8a所示的电源转换系统的电路运行示意图。本实施例的电源转换系统8实际上类似于图3a所的电源转换系统3，故于此仅以相同符号代表组件相同，不再赘述。而本实施例的电源转换系统8的第一端(包含第一正极V1+与第一负极V1-)为输出电压端，电源转换系统8的第二端(包含第二正极V2+与第二负极V2-)为输入电压端。由于启动电路31的输入端是与电源转换系统8的输入电压端电连接，故本实施例的电源转换系统8的启动电路31的输入端接于电源转换系统8的第二端的第二正极V2+及第二负极V2-。
而类似于图3d及图3c所示的启动电路31的控制方式，当上开关S31开通时，例如图3d所示的时间t0时刻，下开关S32关断，则如图8b所示，启动电路31内的电流i31流经上开关S31及电感L31。此时电源转换系统8的第二开关S12的寄生二极管D12导通，第一绕组T11及T12和第二绕组T13电磁耦合为电源转换系统8的飞跨电容Cb11充电，此时第一绕组T11及T12两端的端电压假设为Vt，第二绕组T13两端的端电压为N*Vt，飞跨电容Cb11被充电至端电压为(2+N)*Vt。当例如图3d所示的时间t1时刻时，上开关S31关断，电流i31通过下开关S32的寄生二极管(未图示)、下电容C32及第三绕组T31续流，此时电源转换系统8中第一绕组T11及T12和第二绕组T13依然通过寄生二极管D12为飞跨电容Cb11充电。当例如图3d所示的时间t3时刻而下开关S32开通时，则如图8c所示，启动电路31内的电流i31流经上电容C31、第三绕组T31、电感L31和下开关S32。此时，电源转换系统8的第一开关S11的寄生二极管D11导通，相互电磁耦合的第一绕组T11及第二绕组T13和飞跨电容Cb11一起为电源转换系统8的输出电容，即第一电容C1进行充电，此时第一绕组T11两端的端电压为Vt，第二绕组T13两端的端电压为N*Vt，飞跨电容Cb11两端的端电压为(2+N)*Vt，故电源转换系统8的输出电压为V1＝V2+Vt(3+2N)，其中V1为电源转换系统8的第一端的电压，V2为电源转换系统8的第二端的电压。当例如图3d所示的时间t4时刻时，下开关S32关断，电流i31通过上开关S31的寄生二极管(未图示)、上电容C31及第三绕组T31续流，此时电源转换系统8依然通过相互电磁耦合的第一绕组T11及第二绕组T13和飞跨电容Cb11为电源转换系统8的第一电容C1进行充电。而随着启动电路31工作时长，绕组端上的电压Vt慢慢增大，直到控制器检测到电源转换系统8的输出电压V1到达电源转换系统8输出预设电压时，该电源转换系统8退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态。
图9a为本公开第七优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图，图9b及图9c分别为图9a所示的电源转换系统的电路运行示意图。本实施例的电源转换系统9实际上类似于图4a所的电源转换系统4，故于此仅以相同符号代表组件相同，不再赘述。而本实施例的电源转换系统9的第一端(包含第一正极V1+与第一负极V1-)为输出电压端，电源转换系统9的第二端(包含第二正极V2+与第二负极V2-)为输入电压端。由于启动电路31的输入端是与电源转换系统9的输入电压端电连接，故本实施例的电源转换系统9的启动电路31的输入端接于电源转换系统9的第二端的第二正极V2+及第二负极V2-。
而类似于图3d所示的启动电路31的控制方式，当上开关S31开通时，例如图3d所示的时间t0时刻，则下开关S32关断，此时如图9b所示，启动电路31内的电流i31流经上开关S31、电感L31、第三绕组T31和下电容C32，该电流i31在时间t0-t1区间内线性上升。此时电源转换系统9的第二开关S24的寄生二极管D24导通，第一绕组T21及T22和第二绕组T23电磁耦合为电源转换系统9的第二飞跨电容Cb22充电，此时第一绕组T21及T22两端的端电压为Vt，第二绕组T23两端的端电压为N*Vt，第二飞跨电容Cb22被充电至端电压为(2+N)*Vt。同时，相互电磁耦合的第一绕组T22及第二绕组T24和第一飞跨电容Cb21通过第一开关S21的寄生二极管D21为电源转换系统9的输出电容，即第一电容C1充电，此时电源转换系统9的输出电压为V1＝V2+Vt(3+2N)，其中V1为电源转换系统9的第一端的电压，V2为电源转换系统9的第二端的电压。当例如图3d所示的时间t1时刻时，上开关S31关断，电流i31通过下开关S32的寄生二极管(未图示)、下电容C32及第三绕组T31续流，此时电源转换系统9中第一绕组T21及T22和第二绕组T23依然通过寄生二极管D22为第二飞跨电容Cb22充电，相互电磁耦合的第一绕组T22及第二绕组T24和第一飞跨电容Cb21依然通过第一开关S21的寄生二极管D21为电源转换系统9的第一电容C1充电。当例如图3d所示的时间t3时刻而下开关S32开通时，则如图9c所示，下开关S32开通，启动电路31内的电流i31流经上电容C31、第三绕组T31、电感L31和下开关S32，该电流i31在时间t3-t4区间内反向线性上升。此时，电源转换系统9的第五开关S22的寄生二极管D22导通，第一绕组T21及T22和第二绕组T24电磁耦合为电源转换系统9的第一飞跨电容Cb21充电，此时第一绕组T21及T22两端的端电压假设为Vt，第二绕组T24两端的端电压为N*Vt，第一飞跨电容Cb21被充电至端电压为(2+N)*Vt。同时相互电磁耦合的第一绕组T21及第二绕组T23和第二飞跨电容Cb22通过第四开关S23的寄生二极管D23为电源转换系统9的第一电容C1充电，此时电源转换系统9的输出电压为V1＝V2+Vt(3+2N)。当例如图3d所示的t4时刻，下开关S32关断，电流i31通过上开关S31的寄生二极管(未图示)、上电容C31及第三绕组T31续流，此时电源转换系统9中第一绕组T21及T22和第二绕组T24依然通过寄生二极管D22为第一飞跨电容Cb21充电，相互电磁耦合的第一绕组T21及第二绕组T23和第二飞跨电容Cb22依然通过第四开关S23的寄生二极管D23为电源转换系统9的第一电容C1充电。随着启动电路31的工作时长，绕组端上的电压Vt慢慢增大，直到控制器检测到电源转换系统9的输出电压V1到达电源转换系统9输出预设电压时，该电源转换系统9退出启动工作状态，同时使得该电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态。
如图8a所示的电源转换系统8和图9a所示的电源转换系统9中所述的预设电压，可以为该电源转换系统的稳态工作电压，亦可设置预设电压为该电源转换系统8和9的稳态工作电压的70％，或者为稳态工作电压的70％到稳态工作电压中的任一数值，充电使得该飞跨电容两端端电压大于等于对应的飞跨电容的稳态电压的70％时,充电使得输出电容两端端电压大于等于其稳态输出电压的70％，该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得该电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态。
当然，图3a、4a所示的启动电路31、图6a所示的启动电路41及图7a所示的启动电路71亦可应用于具固定电压增益比的电源转换电路中，而在图3a至图9a中，只要去除磁性组件的第二绕组，图3a至图9a所分别图示的电源转换电路即为固定电压增益比的电源转换电路。其工作原理与以上实施例的工作原理类似，故不再赘述。
当然，为了应大电流的实施场合，可将上述所提及的电源转换电路交错并联，且启动电路用于控制交错并联的电源转换电路的软启动。以下将以2个第一电源转换电路1a交错并联或2个第三电源转换电路2a交错并联为例进行示范性说明。
图10为本公开第八优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图。本实施例的电源转换系统120包含两个第一电源转换电路1a，其中两个第一电源转换电路1a的第一端并联电连接，两个第一电源转换电路1的第二端亦并联电连接。电源转换系统120的两个第一电源转换电路1a各自包含第一电容C1及第二电容C2。然而在其它实施例中，两个第一电源转换电路1a的第一端可共享单一的第一电容C1，两个第一电源转换电路1a的第二端则共享单一的第二电容C2。
电源转换系统120还包含启动电路121，其中启动电路121包括两个第三绕组T31a、T31b、电感L31、开关桥臂和电容桥臂。开关桥臂包括串联电连接的上开关S31和下开关S32，且上开关S31和下开关S32所接受的控制信号与前述实施例中的控制信号相同。电容桥臂包含串联电连接的上电容C31和下电容C32，且电容桥臂和开关桥臂并联电连接，并构成启动电路121的输入端，以与启动电路121内的两个电源转换电路1a的输入电压端电连接。其中如图10所示，当例如两个电源转换电路1a的第一端为输入电压端，两个电源转换电路1a的第二端为输出电压端时，启动电路121的输入端电连接于两个电源转换电路1的第一端的第一正极V1+及第一负极V1-。第三绕组T31a、T31b为并联电连接，且第三绕组T31a、T31b分别与两个电源转换电路1a的第一绕组T12、T11及两个电源转换电路1a的第二绕组T13电磁耦合，其中第三绕组T31a与第三绕组T31b并联电连接后，与电感L31串联电连接构成一串联支路，该串联支路的一端电连接于电容桥臂的中点，即分别与上电容C31和下电容C32电连接，该串联支路的另一端电连接于开关桥臂的中点，即分别与上开关S31和下开关S32电连接，该串联支路两端端电压为一交变电压。通过第三绕组和第一绕组及第二绕组的电磁耦合，将输出电容及飞跨电容两端电压充电到输出预设电压时，该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态。
图11为本公开第九优选实施例的电源转换系统的电路结构示意图。本实施例的电源转换系统130包含两个如图2a所示的第三电源转换电路2a，其中两个第三电源转换电路2a的第一端并联电连接，两个第三电源转换电路2a的第二端亦并联电连接。电源转换系统130的两个第三电源转换电路2a各自包含第一电容C1及第二电容C2。然而在其它实施例中，两个第三电源转换电路2a的第一端可共享单一的第一电容C1，两个第三电源转换电路2a的第二端则共享单一的第二电容C2.
电源转换系统130还包含启动电路131，其中启动电路131包括两个第三绕组T31a、T31b、电感L31、开关桥臂和电容桥臂。开关桥臂包括串联电连接的上开关S31和下开关S32，且上开关S31和下开关S32所接受的控制信号与前述实施例中的控制信号相同。电容桥臂包含串联电连接的上电容C31和下电容C32，且电容桥臂和开关桥臂并联电连接，并构成启动电路131的输入端，以与启动电路131内的两个电源转换电路2a的输入电压端电连接。其中如图11所示，当例如两个电源转换电路2a的第一端为输入电压端，两个电源转换电路2a的第二端为输出电压端时，启动电路131的输入端电连接于两个电源转换电路2a的第一端的第一正极V1+及第一负极V1-。第三绕组T31a、T31b为并联电连接，且第三绕组T31a、T31b与两个电源转换电路2a的第一绕组T21、T22及两个电源转换电路2a的第二绕组T23、T24电磁耦合，其中第三绕组T31a与第三绕组T31b并联电连接后，与电感L31串联电连接构成一串联支路，该串联支路的一端电连接于电容桥臂的中点，即分别与上电容C31和下电容C32电连接，该串联支路的另一端电连接于开关桥臂的中点，即分别与上开关S31和下开关S32电连接，该串联支路两端端电压为一交变电压。通过第三绕组和第一绕组及第二绕组的电磁耦合，将输出电容及第一飞跨电容和第二飞跨电容两端电压充电到输出预设电压时，该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中第一开关单元和第二开关单元中的至少一开关进入开通和关断状态。
综上所述，本公开提供一种电源转换系统，本公开利用启动电路让飞跨电容和输出电容两端端电压充高至预设电压，使得电源转换电路切入工作而开始运行时，避免电源转换电路内的元器件，例如开关等，遭受大电流冲击，使得电源转换电路内元器件等，不易损坏，同时可选用成本较低的元器件。
须注意，上述仅是为说明本公开而提出的优选实施例，本公开不限于所述的实施例，本公开的范围由权利要求决定。且本公开得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰，然皆不脱权利要求所欲保护者。

Claims (25)

1.一种电源转换系统，包含：
一电源转换电路，包含一第一端、一第二端、一输出电容、至少一开关单元、至少一飞跨电容以及一磁性组件，其中，该开关单元包含至少一开关组，该至少一飞跨电容串联连接于该第一端和该第二端之间，该磁性组件包含相互电磁耦合的两个第一绕组，其中的一该第一绕组串联电连接于该至少一开关组中其中一该开关组与该第二端之间，另一该第一绕组串联电连接于该至少一开关组中另外一开关组与该第二端之间，且两个该第一绕组互为异名端的端子相互电连接，且电连接于该第二端；以及
一启动电路，用以控制该电源转换电路实现启动，该启动电路包含：一第三绕组，与该第一绕组相互电磁耦合；以及
一电感，该电感与该第三绕组串联并构成一串联支路，其中该串联支路两端电压为一交变电压；
其中于该电源转换电路启动过程中，该交变电压通过该第三绕组向该至少一飞跨电容以及该输出电容进行预充电，使该至少一飞跨电容以及该输出电容的电压分别到达对应的一预设电压。
2.如权利要求1所述的电源转换系统，其中于该至少一飞跨电容以及该输出电容的电压分别到达对应的该预设电压后，该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中至少一开关进入开通和关断状态。
3.如权利要求1所述的电源转换系统，其中该启动电路还包括第一开关桥臂和一电容桥臂，该电容桥臂与该第一开关桥臂并联电连接，并构成该启动电路的一输入端，以与由该第一端或该第二端所构成的该电源转换系统的一输入电压端电连接，其中该第一开关桥臂包含串联电连接的一上开关和一下开关，该电容桥臂包含串联电连接的一上电容和一下电容，其中该串联支路的一端电连接于该上开关与该下开关之间，且该串联支路的另一端电连接于该上电容与该下电容之间，通过控制该第一开关桥臂的该上开关和该下开关的开通和关断，产生该交变电压，其中该第一开关桥臂的该上开关所接受的一控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一控制信号的占空比相等而错相180度，或者该第一开关桥臂的该上开关所接受的一控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一控制信号互补。
4.如权利要求1所述的电源转换系统，其中该启动电路还包括第一开关桥臂和一第二开关桥臂，该第二开关桥臂与该第一开关桥臂并联电连接，并构成该启动电路的一输入端，以与由该第一端或该第二端所构成的该电源转换系统的一输入电压端电连接，其中该第一开关桥臂包含串联电连接的一上开关和一下开关，该第二开关桥臂包含串联电连接的一上开关和一下开关，其中该串联支路的一端电连接于该第一开关桥臂的该上开关与该下开关之间，且该串联支路的另一端电连接于该第二开关桥臂的该上开关与该下开关之间，通过控制该第一开关桥臂的该上开关和该下开关的开通和关断，产生该交变电压，其中该第一开关桥臂的该上开关所接受的一控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一控制信号的占空比相等而错相180度，或者该第一开关桥臂的该上开关所接受的一控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一控制信号互补。
5.如权利要求3或4所述的电源转换系统，其中该第一开关桥臂的该上开关所接受的该控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一该控制信号的占空比分别由零逐渐增大至50％。
6.如权利要求3或4所述的电源转换系统，其中该第一开关桥臂的该上开关所接受的该控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一该控制信号的占空比为固定。
7.如权利要求3所述的电源转换系统，其中该电感与该电容桥臂的该上电容和该下电容谐振。
8.如权利要求3所述的电源转换系统，其中该启动电路还包含：
一第一钳位二极管，该第一钳位二极管的一阴极与该上电容的一第一端电连接，该第一钳位二极管的一阳极与该上电容的一第二端电连接；以及
一第二钳位二极管，该第二钳位二极管的一阴极与该下电容的一第一端电连接，该第二钳位二极管的一阳极与该下电容的一第二端电连接。
9.如权利要求4所述的电源转换系统，其中该第二开关桥臂的该上开关及该第二开关桥臂的该下开关处于关断状态，且该电感与该第二开关桥臂的该上开关和该下开关的寄生电容谐振。
10.如权利要求4所述的电源转换系统，其中该第一开关桥臂的该上开关和该第二开关桥臂的该下开关同时开通，该第一开关桥臂的该下开关和该第二开关桥臂的该上开关同时开通，且该第二开关桥臂的该下开关的导通时间小于该第一开关桥臂的该上开关的导通时间，该第二开关桥臂的该上开关的导通时间小于该第一开关桥臂的该下开关的导通时间。
11.如权利要求1所述的电源转换系统，其中该电源转换电路的该第一端包含一第一正极及一第一负极；该电源转换电路的该第二端，包含一第二正极及一第二负极；该输出电容架构于电连接该第一端或第二端；该至少一开关组包含至少一第一开关单元和一第二开关单元，其中该第一开关单元包含串联电连接的一第一开关组和一第二开关组，该第二开关单元包含一第三开关组和一第四开关组，其中该第三开关组与该第一开关组串联电连接，该第四开关组与该第二开关组串联电连接，该第三开关组的一第一端和该第四开关组的一第一端电连接且连接于该第一负极，且其中的一该第一绕组串联电连接于该第三开关组与该第二端之间，另一该第一绕组串联电连接于该第四开关组与该第二端之间。
12.如权利要求11所述的电源转换系统，其中该磁性组件还包含至少一第二绕组，该第二绕组与两个该第一绕组磁耦合，且该第二绕组与该飞跨电容串联电连接于该第一开关组的一第一端和其中的一该第一绕组的一第一端之间，且该第二绕组的一端与其中的一该第一绕组的该第一端互为异名端且电连接，其中该第二绕组和两个该第一绕组的匝比为N﹕1﹕1，其中N为正数。
13.如权利要求1所述的电源转换系统，其中该磁性组件存在一等效漏感，该等效漏感与该至少一飞跨电容谐振，产生一谐振电流，该谐振电流传递能量给第一端或第二端。
14.如权利要求1所述的电源转换系统，其中该电感为外加电感或为该磁性组件内的所有绕组与该第三绕组电磁耦合所产生的漏感。
15.一种电源转换系统，包含：
一电源转换电路，包含一第一端、一第二端、一输出电容、至少一第一开关单元、一第二开关单元、至少一飞跨电容以及一磁性组件，其中，该第一开关单元包含串联电连接的一第一开关组和一第二开关组，该第二开关单元包含一第三开关组和一第四开关组，该至少一飞跨电容串联连接于该第一端和该第二端之间，该磁性组件包含相互电磁耦合的两个第一绕组，其中的一该第一绕组串联电连接于该第三开关组与该第二端之间，另一该第一绕组串联电连接于该第四开关组与该第二端之间，且两个该第一绕组互为异名端的端子相互电连接，且电连接于该第二端，其中该磁性组件存在一等效漏感，该等效漏感与该至少一飞跨电容谐振，产生一谐振电流，该谐振电流传递能量给该第一端或该第二端；以及，
一启动电路，于该电源转换电路启动过程中，对该至少一飞跨电容和该输出电容进行预充电，使得该输出电容两端电压大于等于其稳态输出电压的70％，且该至少一飞跨电容两端端电压大于等于该飞跨电容的稳态电压的70％。
16.如权利要求15所述的电源转换系统，其中该输出电容两端电压大于等于其稳态输出电压的70％，且该至少一飞跨电容两端端电压大于等于该飞跨电容的稳态电压的70％时，该电源转换系统退出启动工作状态，同时使得电源转换电路中至少一开关进入开通和关断状态。
17.如权利要求15所述的电源转换系统，该启动电路包括一第三绕组，与该第一绕组相互电磁耦合；一电感，与该第三绕组串联并构成一串联支路，以及一第一开关桥臂，该第一开关桥臂包含串联电连接的一上开关和一下开关，其中控制该第一开关桥臂的该上开关和下开关的开通和关断，通过该第三绕组向该至少一飞跨电容以及该输出电容进行预充电，其中该启动电路的该电感为一外加电感或该磁性组件内的所有绕组与该第三绕组电磁耦合所产生的漏感。
18.如权利要求17所述的电源转换系统，其中该启动电路还包括一电容桥臂，该电容桥臂与该第一开关桥臂并联电连接，并构成该启动电路的一输入端，以与由该第一端或该第二端所构成的该电源转换系统的一输入电压端电连接，其中该电容桥臂包含串联电连接的一上电容和一下电容，其中该串联支路的一端电连接于该上开关与该下开关之间，且该串联支路的另一端电连接于该上电容与该下电容之间，其中该电感与该电容桥臂的该上电容和该下电容谐振。
19.如权利要求17所述的电源转换系统，其中该启动电路还包括一第二开关桥臂，其中该第二开关桥臂与该第一开关桥臂并联电连接，并构成该启动电路的一输入端，以与由该第一端或该第二端所构成的该电源转换系统的一输入电压端电连接，其中该第二开关桥臂包含串联电连接的一上开关和一下开关，其中该串联支路的一端电连接于该第一开关桥臂的该上开关与该下开关之间，且该串联支路的另一端电连接于该第二开关桥臂的该上开关与该下开关之间。
20.如权利要求18或19所述的电源转换系统，其中该第一开关桥臂的该上开关所接受的一控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一控制信号的占空比分别由零逐渐增大至50％。
21.如权利要求18或19所述的电源转换系统，其中该第一开关桥臂的该上开关所接受的一控制信号和该第一开关桥臂的该下开关所接收的另一控制信号的占空比为固定。
22.如权利要求18所述的电源转换系统，其中该启动电路还包含：
一第一钳位二极管，该第一钳位二极管的一阴极与该上电容的一第一端电连接，第一钳位二极管的一阳极与该上电容的一第二端电连接；以及
一第二钳位二极管，该第二钳位二极管的一阴极与该下电容的一第一端电连接，第二钳位二极管的一阳极与该下电容的一第二端电连接。
23.如权利要求19所述的电源转换系统，其中该第二开关桥臂的该上开关及该第二开关桥臂的该下开关处于关断状态，且该电感与该第二开关桥臂的该上开关和该下开关的寄生电容谐振。
24.如权利要求19所述的电源转换系统，其中该第一开关桥臂的该上开关和该第二开关桥臂的该下开关同时开通，该第一开关桥臂的该下开关和该第二开关桥臂的该上开关同时开通，且该第二开关桥臂的该下开关的导通时间小于该第一开关桥臂的该上开关的导通时间，该第二开关桥臂的该上开关的导通时间小于该第一开关桥臂的该下开关的导通时间。
25.一种电源转换系统，包含﹕
至少两个如权利要求1-24中任一项所述的该电源转换电路，其中所有该电源转换电路的该第一端并联电连接，所有该电源转换电路的该第二端并联电连接；以及
如权利要求1-14中任一项所述的该启动电路，其中该启动电路还包含至少一另一第三绕组，所有该第三绕组并联耦接，且每一该第三绕组分别与对应的该电源转换电路的该磁性组件磁耦合。
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