TW201325056A - 一種具有輸入電壓平衡電路的轉換器電路及其調節方法 - Google Patents

Abstract

一種具有輸入電壓平衡電路的轉換器電路及其調節方法，轉換器電路包括複數個輸入端彼此電性串聯連接、輸出端彼此電性並聯連接的模組；更包括複數個開關電路，每個開關電路電性連接至對應模組與緊鄰的下一個模組的輸入端之間的連接節點，通過調節對應模組或與對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓使其在預設範圍內；當對應模組或與對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓在從第一預設值到大於其的第二預設值之間的預設範圍內時，開關電路運行在斷開狀態；當對應模組或與其緊鄰的下一個模組的輸入電壓超出了預設範圍時，開關電路運行在導通狀態。

Description

一種具有輸入電壓平衡電路的轉換器電路及其調節方法

本發明涉及一種轉換器，更具體地，涉及一種利用一個或複數個開關電路來平衡或調節交錯模組或諧振轉換器的輸入電壓的轉換器電路及其調節方法。

DC/DC（直流/直流）轉換器是一種將直流電源從一個電壓值轉換到另一個電壓值的電子裝置。

由複數個交錯的LLC電路組成的諧振轉換器，由於能夠提高電源轉換效率並减少轉換器輸出電流的雜波，而被廣泛應用。一個示例性的具有交錯的LLC電路的諧振轉換器在本申請要求優先權的美國專利申請13/090,925和12/394,571中被公開，包括具有相同結構的兩個LLC諧振轉換器，這兩個LLC諧振轉換器的輸入端電性串聯、輸出端電性並聯以使它們共享同一個輸入電壓源，共同爲同一個負載供電。對於這樣一個轉換器，複數個LLC電路之間的電流平衡，是通過自動調節LLC諧振轉換器的輸入電壓、同時保持LLC諧振轉換器的開關頻率一致來實現的。然而，在特定的操作條件下，可能出現兩個LLC諧振轉換器的輸入電壓不平衡的情况，例如，一個輸入電壓非常高而另一個非常低，這會使得一個LLC諧振轉換器的組件的額定電壓過高，進而影響LLC諧振轉換器的正常運行。

因此，需要解决這個在本技術領域迄今爲止沒有解决的技術問題，以克服其缺陷和不足。

本發明的目的在於提供一種轉換器電路及方法，其有效地解決了現有技術中由於兩個諧振轉換器之間的輸入電壓不平衡而影響諧振轉換器正常運行的問題。

本發明一方面提供了一種轉換器電路。在一個實施例中，該轉換器電路包括複數個模組，複數個電壓源和複數個開關電路。

每個模組都具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端。除了最後一個模組以外的其他任何一個模組的第二輸入端電性連接至與其緊鄰的下一個模組的第一輸出端，複數個模組的所有第一輸出端和所有第二輸出端電性並聯連接。

在一個實施例中，每個模組包括一個諧振轉換器，該諧振轉換器包括串聯諧振DC/DC轉換器或一個LLC並聯DC/DC轉換器。

在一個實施例中，複數個模組運行在大致相同的頻率。

每個電壓源具有第一電源終端和第二電源終端。複數個電壓源彼此電性串聯連接，也就是說，除了最後一個電壓源以外的其他任何一個電壓源的第二電源終端電性連接至與該電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端，第一個電壓源的第一電源終端電性連接至該複數個模組的第一個模組的第一輸入端，該最後一個電壓源的第二電源終端電性連接至該複數個模組的最後一個模組的第二輸入端。

作爲一個實施例，每個電壓源包括極性電容。

每個開關電路具有第一開關終端和第二開關終端，在不允許有電流從該第一開關終端和該第二開關終端之間通過時，該開關電路處於斷開狀態；當允許有電流從該第一開關終端和該第二開關終端之間通過時，該開關電路處於導通狀態。每個開關電路的第一開關終端電性連接至對應模組的第二輸入端和與該對應模組緊鄰的下一個模組的第一輸入端之間的連接節點；每個開關電路的第二開關終端電性連接至對應電壓源的第二電源終端和與該對應電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端之間的連接節點。

在操作過程中，當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓在從第一預設值到大於第一預設值的第二預設值之間的預設範圍內時，該開關電路運行在斷開狀態；當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓超出了該預設範圍內時，該開關電路運行在導通狀態，從而，通過對應電壓源或與該對應電壓源緊鄰的下一個電壓源，調節對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓使其在該預設範圍內。

在一個實施例中，每個開關電路包括開關。

在另一個實施例中，每個開關電路還包括電阻，該電阻電性連接至該開關。

在一個實施例中，該開關包括雙向瞬態電壓抑制器、壓敏電阻、氣體管、繼電器、一個或複數個晶體管、或其組合。

在一個實施例中，該轉換器電路包括複數個輸入電容，每個輸入電容具有第一電容終端和第二電容終端，每個電容的第一電容終端電性連接至對應模組的第一輸入端，每個電容的第二電容終端電性連接至對應模組的第二輸入端。

該轉換器電路還包括一個輸出電容，該輸出電容具有第一終端，電性連接至每個模組的第一輸出端；該輸出電容還具有第二終端，電性連接至每個模組的第二輸出端。

該轉換器電路還包括一個控制器，該控制器用於通過檢測每個模組的輸入電壓來控制對應的開關電路。

在一個實施例中，該轉換器電路還包括功率因數校正電路，該功率因數校正電路電性連接於該複數個電壓源與外部電源之間。

此外，該轉換器電路還可包括電磁干擾濾波器，該電磁干擾濾波器電性連接與該功率因數校正電路和該外部電源之間。

從本發明還提供另一種轉換器電路，包括複數個模組，每個模組具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端、第二輸出端；除了最後一個模組以外的其他任何一個模組的第二輸入端都電性連接至與該模組緊鄰的下一個模組的第一輸入端；該複數個模組的所有第一輸出端和所有第二輸出端電性並聯。

該轉換器電路還包括複數個開關電路，每個開關電路具有第一開關終端、第二開關終端；在不允許有電流從該第一開關終端和該第二開關終端之間通過時，該開關電路處於斷開狀態；當允許有電流從該第一開關終端和該第二開關終端之間通過時，該開關電路處於導通狀態；每個開關電路的第一開關終端電性連接至對應模組的第二輸入端和與該對應模組緊鄰的下一個模組的第一輸入端之間的連接節點；當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓在從第一預設值到大於第一預設值的第二預設值之間的預設範圍內時，該開關電路運行在斷開狀態；當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓超出了該預設範圍內時，該開關電路運行在導通狀態，從而，調節對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓使其在該預設範圍內。

進一步地，該轉換器電路還包括複數個電壓源，每個電壓源具有第一電源終端和第二電源終端；除了最後一個電壓源以外的其他任何一個電壓源的第二電源終端電性連接至與該電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端；第一電壓源的第一電源終端電性連接至該複數個模組的第一個模組的第一輸入端，該最後一個電壓源的第二電源終端電性連接至該複數個模組的最後一個模組的第二輸入端；每個開關電路的第二開關終端電性連接至對應電壓源的第二電源終端和與該電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端之間的連接節點。

更進一步地，該轉換器電路還包括控制器，該控制器用於通過檢測每個模組的輸入電壓來控制對應的開關電路。

在一個實施例中，每個模組包括諧振轉換器，該諧振轉換器包括LLC串聯諧振 DC/DC轉換器或者並聯諧振DC/DC轉換器。

在一個實施例中，該每個開關電路包括開關。

在另一個實施例中，該每個開關電路還包括電阻，該電阻電性連接至該開關。

在一個實施例中，該開關包括雙向瞬態電壓抑制器、壓敏電阻、氣體管、繼電器、一個或複數個晶體管、或其組合。

從本發明還提供一種調節具有複數個模組的轉換器電路的輸入電壓的方法，其中，每個模組具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，該複數個模組的所有的第一輸入端和第二輸入端電性串聯連接，該複數個模組的所有的第一輸出端和第二輸出端電性並聯連接。在一個實施例中，每個模組包括諧振轉換器，該諧振轉換器包括LLC串聯諧振 DC/DC轉換器或者並聯諧振DC/DC轉換器。

在一個實施例中，該方法包括以下步驟：

設置複數個開關電路，每個開關電路具有第一開關終端、第二開關終端；當不允許有電流從第一開關終端和第二開關終端之間通過時，該開關電路處於斷開狀態；當允許有電流從第一開關終端和第二開關終端之間通過時，該開關電路處於導通狀態；其中每個開關電路的第一開關終端電性連接至對應模組的第二輸入端與緊鄰的下一個模組的第一輸入端之間的連接節點；

使得，當一個模組的輸入電壓在一個從第一預設值到一個大於第一預設值的第二預設值之間的預設範圍內時，對應的開關電路運行在斷開狀態，而當一個模組的輸入電壓超出了預設範圍時，對應的開關電路運行在導通狀態，從而調節該模組的輸入電壓使其在該預設範圍內。

該方法還可包括檢測每個模組的輸入電壓的步驟。

此外，該方法還包括設置複數個電壓源的步驟，其中每個電壓源具有第一電源終端和第二電源終端；除最後一個電壓源以外的其他任何一個電壓源的第二電源終端電性連接至與其緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端，第一個電壓源的第一電源終端電性連接至該複數個模組的第一個模組的第一輸入端，最後一個電壓源的第二電源終端電性連接至該複數個模組的最後一個模組的第二輸入端；每個開關電路的第二開關終端電性連接至對應的電壓源的第二電源終端和緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端之間的連接節點。

本發明的有益效果是：本發明提供的一種轉換器電路及其調節方法，能夠有效地實現複數個模組的輸入電壓之間的平衡。

下面參考附圖，通過展示幾個示例性的實施例對本發明進行更爲充分的描述。本發明能夠通過多種形式實施，不應該理解爲僅限於下面所列舉的幾種實施例。提供這些實施例是爲了使本發明公開徹底和完整，充分地向本領域技術人員傳達本發明的保護範圍。其中，相同的標號表示相同的元件。

本申請文件所使用技術用語的目的僅在於描述特定的實施例，並非想要限定本發明。正如下面使用的，除非文中清楚指明，否則單數形式也意圖包括複數形式。還應理解，本申請文件所使用的術語“包括”、“具有”和/或“有”，用於指定所述特徵、部位、整體、步驟、操作、元件、和/或組件的存在，但是不排除一個或複數個其他特徵、部位、整體、步驟、操作、元件、組件、和/或其他一類事物。

除非特別限定，本申請文件所使用的所有術語（包括科技和自然術語），和本領域技術人員通常理解的釋義相同。還應理解，如通常使用的字典所定義的，解釋時應當與相關文獻和現有公開技術中的釋義一致，不應該解釋得隨意或過於正式，除非本申請文件有明確定義。

本申請文件中所使用的“約”、“ 大約”或“大致”所修飾的數值的誤差範圍一般是容許在百分之二十以內，較佳地是於百分之十以內，而更佳地是於百分五之以內。此處給出的數值爲近似值，即術語“約”“大約”或“大致”如果沒有明確說明可對所修飾的數值進行適當推斷。

100．．．轉換器

110、111、112．．．諧振電路

400、500、600、700、800、900、1000．．．轉換器電路

411．．．第一諧振轉換器電路模組

412．．．第二諧振轉換器電路模組

421、422、V1、V2、Vn．．．電壓源

431、830．．．開關電路

1050．．．控制器

A．．．節點

A1、A2、An-1．．．連接節點

B1、B2、Bn-1．．．連接節點

C_in1、C_in2．．．輸入電容

C_{in_1}，C_{in_2}，…,C_{in_n}．．．輸入電容

C_f．．．輸出電容

C_p1、C_p2．．．極性電容

D11、D12、D21、D22．．．二極管

EMI．．．電磁干擾濾波器

Q11、Q12、Q21、Q22、Q31、Q32、Q41、Q42、S1、S2、Sn-1．．．開關

V_in、V_in1、V_in2．．．輸入電壓

R、S、T．．．外部電源

S1_driver、S2_driver、Sn_1_driver．．．開關驅動信號

T1、T2．．．變壓器

Z1、Z2、Zn-1．．．阻抗

圖1爲本發明一個實施例的轉換器電路的示意圖。

圖2爲圖1所示的轉換器電路的一種具體實現方式的電路圖。

圖3爲圖2所示的轉換器電路的輸入電壓與輸出電壓的關係示意圖。

圖4爲本發明一個實施例的轉換器電路的示意圖。

圖5爲本發明一個實施例的轉換器電路的一種具體實現方式的電路圖。

圖6爲本發明另一個實施例的轉換器電路的一種具體實現方式的電路圖。

圖7爲本發明再一個實施例的轉換器電路的一種具體實現方式的電路圖。

圖8爲本發明一個實施例的轉換器電路的示意圖。

圖9爲本發明另一個實施例的轉換器電路的示意圖。

圖10爲本發明再一個實施例的轉換器電路的示意圖。

圖11（A）至（E）示出在本發明的轉換器電路中所使用的不同類型的開關。

400．．．轉換器電路

411．．．第一諧振轉換器電路模組

412．．．第二諧振轉換器電路模組

421、422．．．電壓源

431．．．開關電路

A1．．．連接節點

B1．．．連接節點

C_f．．．輸出電容

C_in1．．．輸入電容

C_in2．．．輸入電容

V1．．．電壓

V2．．．電壓

V_in1．．．輸入電壓

V_in2．．．輸入電壓

S1．．．開關

Z1．．．阻抗

Claims (25)

1. 一種轉換器電路，其特徵在於，包括：
   　　（a）複數個模組，每個模組包括具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；其中，除了最後一個模組的其他任何一個模組的第二輸入端電性連接至與該模組緊鄰的下一個模組的第一輸入端；該模組的所有的第一輸出端和所有的第二輸出端電性並聯連接；
   　　（b）複數個電壓源，每個電壓源具有第一電源終端和第二電源終端；其中，除了最後一個電壓源以外的其他任何一個電壓源的第二電源終端電性連接至與該電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端；第一個電壓源的第一電源終端電性連接至該複數個模組中的第一個模組的第一輸入端；該最後一個電壓源的第二電源終端電性連接至該複數個模組中的最後一個模組的第二輸入端；以及
   　　（c）複數個開關電路，每個開關電路具有第一開關終端和第二開關終端；在不允許有電流從該第一開關終端和該第二開關終端之間通過時，該開關電路處於斷開狀態；當允許有電流從該第一終端和該第二終端之間通過時，該開關電路處於導通狀態；每個開關電路的第一開關終端電性連接至對應模組的第二輸入端和與該對應模組緊鄰的下一個模組的第一輸入端之間的連接節點；每個開關電路的第二開關終端電性連接至對應電壓源的第二電源終端和與該對應電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電壓終端之間的連接節點；
   　　使得，當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓在從第一預設值到大於第一預設值的第二預設值的預設範圍內時，該開關電路運行在斷開狀態；當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓超出了該預設範圍內時，該開關電路運行在導通狀態；從而，通過對應電壓源或與該對應電壓源緊鄰的下一個電壓源，調節對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓使其在該預設範圍內。
2. 如申請專利範圍第1項所述之轉換器電路，其特徵在於，還包括：
   　　（a）複數個輸入電容，每個輸入電容具有第一電容終端和第二電容終端；其中，每個電容的第一電容終端電性連接至對應模組的第一輸入端，每個電容的第二電容終端電性連接至對應模組的第二輸入端；以及
   　　（b）輸出電容，該輸出電容具有電性連接至每個模組的第一輸出端的第一終端，和電性連接至每個模組的第二輸出端的第二終端。
3. 如申請專利範圍第1項所述之轉換器電路，其特徵在於，還包括控制器，該控制器用於通過檢測每個模組的輸入電壓來控制對應的開關電路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之轉換器電路，其特徵在於，該每個開關電路包括開關。
5. 如申請專利範圍第4項所述之轉換器電路，其特徵在於，該每個開關電路還包括電性連接至該開關的電阻。
6. 如申請專利範圍第4項所述之轉換器電路，其特徵在於，該開關包括雙向瞬態電壓抑制器、壓敏電阻、氣體管、繼電器、一個或複數個晶體管，或其組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述之轉換器電路，其特徵在於，每個模組包括諧振轉換器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之轉換器電路，其特徵在於，該諧振轉換器包括LLC串聯諧振 DC/DC轉換器或者並聯諧振DC/DC轉換器。
9. 如申請專利範圍第8項所述之轉換器電路，其特徵在於，該複數個模組運行在大致相同的頻率。
10. 如申請專利範圍第1項所述之轉換器電路，其特徵在於，每個該電壓源包括極性電容。
11. 如申請專利範圍第10項所述之轉換器電路，其特徵在於，還包括功率因數校正電路，該功率因數校正電路電性連接於該複數個電壓源與外部電源之間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之轉換器電路，其特徵在於，還包括電磁干擾濾波器，該電磁干擾濾波器電性連接與該功率因數校正電路和該外部電源之間。
13. 一種轉換器電路，其特徵在於，包括：
    　　（a）複數個模組，每個模組具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端；其中，除了最後一個模組以外的其他任何一個模組的第二輸入端都電性連接至與該模組緊鄰的下一個模組的第一輸入端；該模組的所有第一輸出端和所有第二輸出端電性並聯；以及
    　　（b）複數個開關電路，每個開關電路具有第一開關終端、第二開關終端；在不允許有電流從該第一開關終端和該第二開關終端之間通過時，該開關電路處於斷開狀態；當允許有電流從該第一開關終端和該第二開關終端之間通過時，該開關電路處於導通狀態；每個開關電路的第一開關終端電性連接至對應模組的第二輸入端和與該對應模組緊鄰的下一個模組的第一輸入端之間的連接節點；
    　　使得，當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓在從第一預設值到大於第一預設值的第二預設值之間的預設範圍內時，該開關電路運行在斷開狀態，當對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓超出了該預設範圍內時，該開關電路運行在導通狀態；從而，調節對應模組或與該對應模組緊鄰的下一個模組的輸入電壓使其在該預設範圍內。
14. 如申請專利範圍第13項所述之轉換器電路，其特徵在於，還包括複數個電壓源，每個電壓源具有第一電源終端和第二電源終端；其中，除了最後一個電壓源以外的其他任何一個電壓源的第二電源終端電性連接至與該電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端；第一個電壓源的第一電源終端電性連接至該複數個模組中的第一個模組的第一輸入端；該最後一個電壓源的第二電源終端電性連接至該複數個模組的最後一個模組的第二輸入端；並且，每個開關電路的第二開關終端電性連接至對應電壓源的第二電源終端和與該電壓源緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端之間的連接節點。
15. 如申請專利範圍第13項所述之轉換器電路，其特徵在於，還包括控制器，該控制器用於通過檢測每個模組的輸入電壓來控制對應的開關電路。
16. 如申請專利範圍第13項所述之轉換器電路，其特徵在於，該每個開關電路包括開關。
17. 如申請專利範圍第13項所述之轉換器電路，其特徵在於，該每個開關電路還包括電性連接至該開關的電阻。
18. 如申請專利範圍第16項所述之轉換器電路，其特徵在於，該開關包括雙向瞬態電壓抑制器、壓敏電阻、氣體管、繼電器、一個或複數個晶體管、或其組合。
19. 如申請專利範圍第13項所述之轉換器電路，其特徵在於，每個模組包括諧振轉換器。
20. 如申請專利範圍第19項所述之轉換器電路，其特徵在於，該諧振轉換器包括LLC串聯諧振 DC/DC轉換器或者並聯諧振DC/DC轉換器。
21. 一種調節具有複數個模組的轉換器電路的輸入電壓的方法，其中，每個模組具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，該複數個模組的所有的第一輸入端和第二輸入端電性串聯連接，該複數個模組的所有的第一輸出端和第二輸出端電性並聯連接；該方法包括以下步驟：
    　　（a）設置複數個開關電路，每個開關電路具有第一開關終端、第二開關終端; 當不允許有電流從第一開關終端和第二開關終端之間通過時，該開關電路處於斷開狀態；當允許有電流從第一開關終端和第二開關終端之間個通過時，該開關電路處於導通狀態；其中每個開關電路的第一開關終端電性連接至對應模組的第二輸入端與緊鄰的下一個模組的第一輸入端之間的連接節點；以及
    　　（b）根據每個模組的輸入電壓控制每個開關電路處於斷開或導通狀態，使得，當一個模組的輸入電壓在從第一預設值到一個大於第一預設值的第二預設值之間的預設範圍內時，對應的開關電路運行在斷開狀態，而當該模組的輸入電壓超出了該預設範圍時，對應的開關電路運行在導通狀態，從而調節該模組的輸入電壓使其在預設範圍內。
22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其特徵在於，還包括檢測每個模組的輸入電壓的步驟。
23. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其特徵在於，還包括設置複數個電壓源的步驟，其中每個電壓源具有第一電源終端和第二電源終端；除最後一個電壓源以外的其他任何一個電壓源的第二電源終端電性連接至與其緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端；第一個電壓源的第一電源終端電性連接至該複數個模組的第一個模組的第一輸入端；最後一個電壓源的第二電源終端電性連接至該複數個模組的最後一個模組的第二輸入端；每個開關電路的第二開關終端電性連接至對應的電壓源的第二電源終端端和緊鄰的下一個電壓源的第一電源終端之間的連接節點。
24. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其特徵在於，每個模組包括諧振轉換器。
25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其特徵在於，該諧振轉換器包括LLC串聯諧振 DC/DC轉換器或者並聯諧振DC/DC轉換器。