CN113937991A - 具有半桥电路的转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有半桥电路的转换器。转换器包括一电压源、一第一开关、一第二开关、一第一谐振电容、一第二谐振电容、一谐振电感、一变压器及一控制单元。控制单元耦接至第一开关及第二开关，被配置以产生用以控制第一开关导通及关闭的一第一控制信号以及用以控制第二开关导通及关闭的一第二控制信号。于转换器启动或重启时，第一控制信号的第一个用以控制第一开关导通的一第一脉冲的一第一占空比小于50％，且在第一控制信号的第一个用以控制第一开关导通的第一脉冲结束后第二控制信号的第一个用以控制第二开关导通的一第二脉冲的一第二占空比大于50％。

Description

具有半桥电路的转换器
技术领域
本发明是有关于一种转换器，特别是关于一种具有半桥电路的转换器。
背景技术
应用LLC谐振的半桥转换器(half-bridge converter)广泛被运用在电源供应装置上。传统的半桥转换器于启动瞬间会产生逆向涌浪电流，一旦此逆向涌浪电流的值过大，将会导致电路元件的损坏。
有鉴于此，如何避免或抑制半桥转换器于启动瞬间产生的涌浪电流是一个重要的课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种避免或抑制于启动瞬间产生的涌浪电流的具有半桥电路的转换器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有半桥电路的转换器。具有半桥的转换器包括一一次侧电路。一次侧电路包括一电压源、一第一开关、一第二开关、一第一谐振电容、一第二谐振电容、一谐振电感、一变压器及一控制单元。第一开关的一第一端耦接至电压源的一第一端。第二开关的一第一端耦接至第一开关的一第二端。第二开关的一第二端耦接至电压源的一第二端。第一谐振电容的一第一端耦接至第一开关的第一端。第二谐振电容的一第一端耦接至第一谐振电容的一第二端。第二谐振电容的一第二端耦接至第二开关的第二端。谐振电感的一第一端耦接至第一开关的第二端及第二开关的第一端。变压器的一一次侧的一第一端耦接至谐振电感的一第二端。变压器的一次侧的一第二端耦接至第一谐振电容的第二端及第二谐振电容的第一端。控制单元耦接至第一开关及第二开关，被配置以产生用以控制第一开关导通及关闭的一第一控制信号以及用以控制第二开关导通及关闭的一第二控制信号。于转换器启动或重启时，第一控制信号的第一个用以控制第一开关导通的一第一脉冲的一第一占空比小于50％，且在第一控制信号的第一个用以控制第一开关导通的第一脉冲结束后第二控制信号的第一个用以控制第二开关导通的一第二脉冲的一第二占空比大于50％。
本发明的有益功效在于：该具有半桥电路的转换器可以避免或抑制于启动瞬间产生的涌浪电流。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为依据本发明一实施例的具有半桥电路的转换器的方块图。
图2为根据本发明一实施例的第一控制信号与第二控制信号的时序图。
图3为依据本发明一实施例的第一控制信号与谐振电感的电流变化示意图。
其中，附图标记：
10：转换器
Qa：第一开关
Qb：第二开关
Qc：第三开关
Qd：第四开关
Cr1：第一谐振电容
Cr2：第二谐振电容
Co1：第一输出电容
Co2：第二输出电容
Lr：谐振电感
Lo：输出电感
Tr：变压器
Vbulk：电压源
MCU：控制单元
Vo：输出电压
P1：第一脉冲
P2：第二脉冲
t：时间
t0，t1，t2，t3，t3’，t4，t4’，t5，t6，t7：时间点
ILr(t)：流过谐振电感的电流
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
请参照图1，图1为依据本发明一实施例的具有半桥电路的转换器的方块图。转换器10包括一电压源Vbulk、一第一开关Qa、一第二开关Qb、一第一谐振电容Cr1、一第二谐振电容Cr2、一谐振电感Lr、一变压器Tr、一第三开关Qc、一第四开关Qd、一输出电感Lo、一第一输出电容Co1、一第二输出电容Co2以及一控制单元MCU。
第一开关Qa的一第一端耦接至电压源Vbulk的一第一端。第二开关Qb的一第一端耦接至第一开关Qa的一第二端。第二开关Qb的一第二端耦接至电压源Vbulk的一第二端。第一谐振电容Cr1的一第一端耦接至第一开关Qa的第一端。第二谐振电容Cr2的一第一端耦接至第一谐振电容Cr1的一第二端。第二谐振电容Cr2的一第二端耦接至第二开关Qb的第二端。谐振电感Lr的一第一端耦接至第一开关Qa的第二端及第二开关Qb的第一端。变压器Tr的一一次侧的一第一端耦接至谐振电感Lr的一第二端。变压器Tr的一次侧的一第二端耦接至第一谐振电容Cr1的第二端及第二谐振电容Cr2的第一端。第三开关Qc的一第一端耦接至变压器Tr的一二次侧的一第一端。第四开关Qd的一第一端耦接至变压器Tr的一二次侧的一第二端。第四开关Qd的一第二端耦接至第三开关Qc的一第二端。第一输出电容Co1的一第一端耦接至变压器Tr的二次侧的一第三端。输出电感Lo的一第一端耦接至第一输出电容Co1的一第二端。第二输出电容Co2的一第一端耦接至输出电感Lo的一第二端，并做为转换器10的一第一输出端。第二输出电容Co2的一第二端耦接至第四开关Qd的第二端，并做为转换器10的一第二输出端。亦即，第一输出端与第二输出端之间的电压即为输出电压Vo。
在一实施例中，第一开关Qa、第二开关Qb、第三开关Qc与第四开关Qd可为金属氧化物晶体管(MOSFET)。第一开关Qa、第二开关Qb、第三开关Qc与第四开关Qd的内部都具有一寄生二极管及一寄生电容。
控制单元MCU用以产生一第一控制信号Sc-a及一第二控制信号Sc-b。此外，控制单元MCU可进一步调整第一控制信号Sc-a及第二控制信号Sc-b中部分的脉冲的占空比、频率以及死区时间。第一开关Qa受控于第一控制信号Sc-a而导通或关闭。第二开关Qb受控于第二控制信号Sc-b而导通或关闭。
请参照图2，图2是根据本发明一实施例的控制第一开关Qa的第一控制信号Sc-a与用以控制第二开关Qb的第二控制信号Sc-b的时序图。现有技术中，第一控制信号Sc-a与第二控制信号Sc-b是具有相等的占空比的脉宽调变信号，且控制单元只会调整信号频率或是同步增减占空比。以下针对本发明做说明。
在t0～t1期间(即转换器10刚启动的准备阶段)，第一开关Qa与第二开关Qb关闭，不论第一谐振电容Cr1的电压Vcr1与第二谐振电容Cr2的电压Vcr2是否平衡(即不论是否第一谐振电容Cr1的电压Vcr1＝第二谐振电容Cr2的电压Vcr2)，第一谐振电容Cr1的电压Vcr1与第二谐振电容Cr2的电压Vcr2的和等于电压源Vbulk的电压。
在t1～t2的期间，第一开关Qa关闭，第二开关Qb受第二控制信号Sc-b的控制周期性导通，电压源Vbulk对第一谐振电容Cr1充电，而第二谐振电容Cr2则进行放电。
在t2～t3’期间，第一开关Qa导通，第二开关Qb关闭，电压源Vbulk对第二谐振电容Cr2充电。在一实施例中，控制单元MCU借由调整转换器10启动或重启之后的第一控制信号Sc-a的第一脉冲P1的占空比(相当于将第一脉冲P1的脉冲宽度由t2～t3调整为t2～t3’)，来缩短谐振电感Lr的充电时间。借以让实际情况更接近理想状态，即使得第一谐振电容Cr1的电压与第二谐振电容Cr2的电压更接近理想状态下等于二分之一的电压源Vbulk的电压。
在t3’～t4’期间，第一开关Qa及第二开关Qb皆关闭，谐振电感Lr的电流会继续流通，使得第二开关Qb内部的寄生电容释放能量，并使得第二开关Qb内部的寄生二极管导通。
在t4’～t5期间，第一开关Qa关闭，第二开关Qb导通。在一实施例中，控制单元MCU借由调整转换器10于第一控制信号Sc-a的第一脉冲P1结束后的第二控制信号Sc-b的第二脉冲P2的占空比(相当于将第二脉冲P2的脉冲宽度由t4～t5调整为t4’～t5)，以延长谐振电感Lr的放电时间，借以减少第一谐振电容Cr1的电压与第二谐振电容Cr2的电压于t2～t3’期间未能达到平衡所造成的影响，进而减少甚至避免现有技术中转换器无法完成换向的情况。
在t5～t6期间，第一开关Qa及第二开关Qb皆关闭。在现有技术中，由于t4～t5期间无法完成换向，造成第一开关Qa内部的寄生电容无法进行放电且电流会通过第二开关Qb内部的寄生二极管继续流通。而在本实施例中，则可借由控制单元MCU调整第一脉冲P1及第二脉冲P2的占空比(或脉冲宽度)来减少或避免上述情况的发生。
在t6～t7期间，第一开关Qa导通，第二开关Qb关闭。现有技术中，由于第二开关Qb内部的寄生电容的电压趋近于零，且第二开关Qb内部的寄生二极管仍然导通，于是在第一开关Qa导通的瞬间(时间点t6)会产生一逆向电流通过第一开关Qa与第二开关Qb，此逆向电流会持续流通直到第二开关Qb内部的寄生电容充电充饱为止。而在本实施例中，则可借由控制单元MCU调整第一脉冲P1及第二脉冲P2的占空比(或脉冲宽度)来抑制逆向电流的大小或避免逆向电流的产生。
在一实施例中，借由设置一感测单元(图未示)于谐振电感Lr，以取得谐振电感Lr的电流并反馈至控制单元MCU。控制单元MCU可根据谐振电感Lr的电流产生(或调整)第一控制信号Sc-a及第二控制信号Sc-b。具体的数学推导如下。
首先，谐振电容Lr的电压可表示为：
Figure BDA0002581373860000051
Lr为谐振电感的电感值，ILr(t)为流过谐振电感的电流，iL_max为一电流参数，fs为由控制单元决定的一切换频率，Duty为一第一占空比，VL(t)为谐振电感的电压。
流过谐振电容Lr的电流可表示为：
Figure BDA0002581373860000052
Vcr2(t)为第二谐振电容的电压，RDSon_Qb为第二开关的源极与漏极导通时的等效电阻值，Zrs_tank为从第一开关的第二端及第一谐振电容的第二端往中心抽头方向看去的等效电阻值，ESRcr2为第二谐振电容的等效电阻值。
第二谐振电容Cr2的电压可表示为：
Figure BDA0002581373860000061
于是可以得到：
Figure BDA0002581373860000062
借由上述计算得到的第一控制信号Sc-a的第一个用以控制第一开关Qa导通的一第一脉冲P1的第一占空比Duty为小于0.5且大于0的实数。当转换器设计固定后，谐振电感Lr的电感值将会固定，切换频率fs不论在第二脉冲P2后变化与否，第一脉冲P1的切换频率fs依然是固定的，因此应用上可以根据iL(t)或Vcr2(t)的回授值得出满足避免或抑制逆向电流的第一脉冲P1的占空比来即时控制或调整第一控制信号Sc-a及第二控制信号Sc-b。在另外的应用中，电流参数iL_max可根据第一开关Qa及第二开关Qb所能容忍的最大电流值来决定，例如将电流参数设为所选的开关元件所能容忍的最大电流值乘以一个大于0且小于1的系数，也就是说在选定开关元件(第一开关Qa及第二开关Qb)及电流应力后电流参数iL_max将会固定，当固定第一脉冲P1前的Vcr2(t)，例如已知完全充电或完全放电，则在转换器10设计后，能避免或抑制逆向电流的第一脉冲P1占空比即可被计算出后决定。
换言之，在一实施例中，控制单元MCU可以在转换器10启动或重启时根据谐振电感Lr的电感值、电流参数、对应于电流参数的第二谐振电容Cr2的电压值以及决定的切换频率fs进行计算以决定第一占空比及第二占空比，并根据第一占空比及第二占空比调整第一控制信号Sc-a及第二控制信号Sc-b。
在另一实施例中，控制单元MCU在出厂时可基于谐振电感Lr的电感值、电流参数、对应于电流参数的第二谐振电容Cr2的电压值并对应于多个切换频率fs预先决定多组第一占空比与第二占空比，并将此些对应于不同的切换频率fs的第一占空比与第二占空比(或者第一占空比所对应的脉冲宽度与第二占空比所对应的脉冲宽度)例如以切换频率对切换频率fs的第一占空比与第二占空比(或者第一占空比所对应的脉冲宽度与第二占空比所对应的脉冲宽度)对照表的形式储存于控制单元MCU的一存储器内。当转换器10启动或重启时，控制单元MCU根据所决定的切换频率查询对照表选择对应的第一占空比与第二占空比(或者第一占空比所对应的脉冲宽度与第二占空比所对应的脉冲宽度)来调整第一控制信号Sc-a及第二控制信号Sc-b。
在又一实施例中，控制单元MCU可预设对应于谐振电感Lr的电流的一电流上限值，并借由一电流感测元件取得谐振电感Lr的电流值做为电流参数。当电流参数与电流上限值的差值小于一阀值时，控制单元MCU根据谐振电感Lr的电感值、电流参数、对应于电流参数的第二谐振电容Cr2的电压值及当前的切换频率即时计算出第一占空比与第二占空比，并根据第一占空比及第二占空比调整第一控制信号Sc-a及第二控制信号Sc-b。控制单元MCU借由检测谐振电感Lr的电流值，并根据检测到的谐振电感Lr的电流值与预设的电流上限值决定是否关闭第一开关Qa。
值得一提的是，在计算第一占空比的算式中，谐振电感Lr的电感值为已知，切换频率fs为控制单元MCU所决定亦为已知，因此第二谐振电容Cr2的电压值与谐振电感Lr的电流值为主要的两个变数。第二谐振电容Cr2的电压值与谐振电感Lr的电流值具有相关性，在转换器10的电路结构为已知的情况下，设定一个特定的电流参数即可计算出对应于该特定的电流参数的第二谐振电容Cr2的电压值。反过来说，若因Cr2完全放电而得到跨在谐振电感Lr上的跨压等于被电压源Vbulk充饱的Cr1电压，亦能根据期望的电流参数iL_max决定出第一占空比和第二占空比。
再次回到图2，控制单元MCU可借由上述计算得到第一占空比，用以调整第一控制信号Sc-a的第一脉冲P1的占空比。也就是说，于转换器10启动或重启时，第一控制信号Sc-a的第一个用以控制第一开关Qa导通的第一脉冲P1的第一占空比会被调整为小于50％。此外，在第一控制信号Sc-a的第一个用以控制第一开关Qa导通的第一脉冲P1结束后第二控制信号Sc-b的第一个用以控制第二开关Qb导通的一第二脉冲P2的一第二占空比会被调整为大于50％。在一实施例中，第一占空比与第二占空比的和为100％。也就是说，第一占空比的调整量可相同于第二占空比的调整量。
需要注意的是，第一占空比对应到的脉冲宽度可借由根据第一占空比与切换频率fs进行计算得到。更详细而言，将第一占空比乘以切换频率fs的倒数即可得到第一控制信号Sc-a的第一个用以控制第一开关Qa导通的第一脉冲P1的脉冲宽度。相似地，将第二占空比乘以切换频率fs的倒数即可得到在第一控制信号Sc-a的第一个用以控制第一开关Qa导通的第一脉冲P1结束后第二控制信号Sc-b的第一个用以控制第二开关Qb导通的第二脉冲P2的脉冲宽度。
在一实施例中，控制单元MCU可仅调整第一脉冲P1与第二脉冲P2的占空比，而不改变第一控制信号Sc-a及第二控制信号Sc-b的其他脉冲的占空比。也就是说，第一控制信号Sc-a的第一脉冲P1以外的其他脉冲可具有不同于第一占空比的一第三占空比，而第二控制信号Sc-b的第二脉冲P2以外的其他脉冲可具有不同于第二占空比的一第四占空比。第三占空比及第四占空比例如为50％。
请参照图3，图3为依据本发明一实施例的第一控制信号与谐振电感的电流变化示意图。当第一控制信号Sc-a的第一个用以控制第一开关Qa导通的第一脉冲P1的第一占空比降低时，谐振电感Lr的电流上升斜率不变，但充电的时间缩短。另一方面，在第一控制信号Sc-a的第一个用以控制第一开关Qa导通的第一脉冲P1结束后，第二控制信号Sc-b的第一个用以控制第二开关Qb导通的第二脉冲P2的第二占空比增加，使得谐振电感Lr的放电时间延长。如此调整之后，若转换器10可以在t5～t6期间完成换向，能够避免在t6～t7期间产生逆向电流；即使控制单元MCU受限于效能，缩小的第一占空比虽无法令转换器10在t5～t6期间完成换向，仍能够降低在t6～t7期间产生逆向电流的大小。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有半桥电路的转换器，其特征在于，包括：
一一次侧电路，包括：
一电压源；
一第一开关，该第一开关的一第一端耦接至该电压源的一第一端；
一第二开关，该第二开关的一第一端耦接至该第一开关的一第二端，该第二开关的一第二端耦接至该电压源的一第二端；
一第一谐振电容，该第一谐振电容的一第一端耦接至该第一开关的该第一端；
一第二谐振电容，该第二谐振电容的一第一端耦接至该第一谐振电容的一第二端，该第二谐振电容的一第二端耦接至该第二开关的该第二端；
一谐振电感，该谐振电感的一第一端耦接至该第一开关的该第二端及该第二开关的该第一端；
一变压器，该变压器的一一次侧的一第一端耦接至该谐振电感的一第二端，该变压器的该一次侧的一第二端耦接至该第一谐振电容的该第二端及该第二谐振电容的该第一端；以及
一控制单元，耦接至该第一开关及该第二开关，被配置以产生用以控制该第一开关导通及关闭的一第一控制信号以及用以控制该第二开关导通及关闭的一第二控制信号，
其中于该转换器启动或重启时，该第一控制信号的第一个用以控制该第一开关导通的一第一脉冲的一第一占空比小于50％，且在该第一控制信号的第一个用以控制该第一开关导通的该第一脉冲结束后该第二控制信号的第一个用以控制该第二开关导通的一第二脉冲的一第二占空比大于50％。
2.如权利要求1所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该第一占空比与该第二占空比的和为100％。
3.如权利要求1所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该第一占空比及该第二占空比根据该谐振电感的一电感值、一电流参数、该第二谐振电容的一电压值及该控制单元决定的一切换频率决定，该电流参数相关于该谐振电容可允许的一电流最大值。
4.如权利要求3所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该电流参数为该谐振电容可允许的该电流最大值乘以一系数，该系数为大于0且小于1的实数。
5.如权利要求1所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该控制单元储存有一对照表，该对照表记录对应于多个不同的切换频率的多组该第一占空比及该第二占空比，当该转换器启动或重启时，该控制单元根据所决定的该切换频率及该对照表选择对应的该第一占空比及该第二占空比。
6.如权利要求1所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该控制单元借由一电流感测元件取得该谐振电感的一电流值，且该控制单元根据该谐振电感的该电流值、该谐振电感可允许的一电流上限值决定该第一占空比及该第二占空比。
7.如权利要求1所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该控制单元储存有一对照表，该对照表记录有对应于该第一占空比的一脉冲宽度及对应于该第二占空比的一脉冲宽度，对应于该第一占空比的该脉冲宽度及对应于该第一占空比的该脉冲宽度根据该谐振电感的一电感值、一电流参数及对应于该电流参数的该第二谐振电容的一电压值决定，该电流参数相关于该谐振电容可允许的一电流最大值。
8.如权利要求7所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该电流参数为该谐振电容可允许的该电流最大值乘以一系数，该系数为大于0且小于1的实数。
9.如权利要求8所述的具有半桥电路的转换器，其特征在于，该第一控制信号的该第一脉冲以外的多个脉冲具有不同于该第一占空比的一第三占空比，且该第二控制信号的该第二脉冲以外的多个脉冲具有不同于该第二占空比的一第四占空比。
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