TW201345130A

TW201345130A - 單切換開關零電流切換串並聯共振式轉換器

Info

Publication number: TW201345130A
Application number: TW101114394A
Authority: TW
Inventors: Ying-Jun Zhuang; Ming-Fang Wu; yong-chang Zhang; You-Rui Guo
Original assignee: Univ Kun Shan
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2013-11-01
Also published as: TWI536726B

Abstract

本發明係在提供一種單切換開關零電流切換串並聯共振式轉換器，主要係設有輸入電源連接儲能電感串聯二極體及功率開關，再於二極體及功率開關上並聯一組共振槽，共振槽係由共振電容串聯共振電感後，再並聯另一共振電容所組成，該共振槽連接橋式整流器，最後並聯低通濾波器及負載；如此，利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。

Description

單切換開關零電流切換串並聯共振式轉換器

本發明係有關於一種單切換開關零電流切換串並聯共振式轉換器，特別係設有輸入電源連接儲能電感串聯二極體及功率開關，再於二極體及功率開關上並聯一組共振槽，共振槽係由共振電容串聯共振電感後，再並聯另一共振電容所組成，該共振槽連接橋式整流器，最後並聯低通濾波器及負載；如此，利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。

近幾年來有許多利用開關元件在切換之時，以弦波形式來產生共振，可以讓開關在換相時處於零電流或是零電壓狀態，也減少了共振式轉換器在開關上的損失，而且目前對於零電流切換(ZCS，Zero Current Switching)或零電壓切換(ZVS，Zero Voltage Switching)的報告發表也越來越多，對於以往傳統的PWM轉換器，當使用在高頻環境時，會產生切換上的損耗，造成在效率上的影響之問題，也都有明顯的改善，而共振式轉換器工作於高頻環境中有著轉換效率高和高穩定性的優點，已經被廣泛的應用在各類的電子儀器當中，譬如電腦、通訊產品或充電器等。本發明所使用的E類單切換開關零電流切換串並聯共振式轉換器，是將電路的共振槽中用電感、電容以串並聯的形式並聯於輸出的負載側，整體合併為一個E類直流對直流的轉換器，在開關使用方面，僅使用單一個開關來做切換動作，比起一般的共振式轉換器使用兩個開關上，體積相對的縮小，也少了一個開關的切換損失，在整體電路的效率上明顯的加以提升；緣此，本發明人有鑑於習知共振式轉換器存在有如上述之缺失，乃潛心研究、改良，遂得以首先發明本發明。

本發明之主要目的，係在提供一種利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率之單切換開關零電流切換串並聯共振式轉換器。

本發明之特徵係在：輸入電源連接儲能電感串聯二極體及功率開關，再於二極體及功率開關上並聯一組共振槽，共振槽係由共振電容串聯共振電感後，再並聯另一共振電容所組成，該共振槽連接橋式整流器，最後並聯低通濾波器及負載。

有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：本發明之實施例，請參閱第一、二圖所示，主要係設有輸入電源V _dc連接儲能電感L _f串聯二極體D _s及功率開關S _l，再於二極體D _s及功率開關S _l上並聯一組共振槽1，共振槽1係由共振電容C _l串聯共振電感L後，再並聯另一共振電容C _S所組成，該共振槽1連接橋式整流器2，橋式整流器2係設有數二極體(D1~D4)所連接組成，橋式整流器2之二極體(D1~D4)係為快速恢復二極體或蕭特基二極體，最後並聯低通濾波器3及負載R，低通濾波器3係設有濾波電感L _o與濾波電容C _O所連接組成。

使用時，請參閱第一、二圖所示，首先在輸入電源V _dc(電源側)輸入一直流電壓，經過儲能電感L _f後將直流電壓轉換成電流源，再驅動功率開關S _l切換導通，功率開關S _l係選擇MOSFET電晶體開關，其內寄生之反向二極體可配合電路動作時流經功率開關S _l之逆向電流，而共振槽1係由共振電容C _l串聯共振電感L後，再並聯另一共振電容C _S所組成，其輸出端並聯於橋式整流器2，以將高頻交流電壓轉為直流電壓，另負載端係由濾波電感L _o與濾波電容C _o所組成的低通濾波器3，經由低通濾波器3將高頻雜訊濾除後，可得到一穩定的直流電壓提供給負載R；因電路是操作在高頻的環境，所以輸出端橋式整流器2之整流二極體(D1~D4)所需的逆向恢復時間需很快的恢復，才能配合高頻的操作模式，故採用快速恢復二極體(Fast Recovery)或是蕭特基二極體(Schottky)二極體。

本發明相關元件之波形，如第三圖所示，依其工作模式一～六可得第四～九圖，而此六個工作模式分別為：

一、工作模式一(ωt ₀ ωt<ωt ₁)，如第四圖所示：

驅動電壓V _gs由低電位轉為高電位時，功率開關S _l導通，功率開關S _l上的電流i _sl從零開始上升，且-i _L電流值也從零開始上升，所以電流流經功率開關S _l，因共振電容電壓V _cs跨壓在橋式整流器2之二極體D ₂和D ₄上，使得二極體D ₂與D ₄呈截止狀態，另一組二極體D ₁與D ₃並無跨壓，所以電流流經二極體D ₁與D ₃，使得二極體D ₁與D ₃形成順向偏壓而導通，當共振電容電流i _cl之電流值下降至零時，進入工作模式二。

二、工作模式二(ωt ₁ ωt<ωt ₂)，如第五圖所示：

驅動電壓V _gs為高電位，功率開關S ₁導通，且-i _L電流值大於零，所以電流流經功率開關S _l，因共振電容電壓V _cs跨壓橋式整流器2之二極體D ₂和D ₄上，使得二極體D ₂與D ₄呈現截止狀態，另一組二極體D ₁與D ₃並無跨壓，所以電流流經二極體D ₁與D ₃，使得二極體D ₁與D ₃形成順向偏壓而導通，當共振槽1之共振電容電壓V _Cs由正值下降為零時，進入工作模式三。

三、工作模式三(ωt ₂ ωt<ωt ₃)，如第六圖所示：

驅動電壓V _gs為高電位，功率開關S _l導通，且-i _L電流值大於零，所以電流流經功率開關S _l，因共振槽1之共振電容電壓V _Cs為負值，故橋式整流器2之二極體D ₁與D ₃呈現截止狀態，共振電感電流i _L為共振電容電流i _Cs減掉共振槽輸出電流i _b，電流流經二極體D ₂與D ₄，使得二極體D ₂和D ₄形成順向偏壓而導通，共振電感電流i _L逆向流回功率開關S _l，當並聯共振電容上的電流i _Cs由負值上升至零時，進入工作模式四。

四、工作模式四(ωt ₃ ωt<ωt ₄)，如第七圖所示：

驅動電壓V _gs為高電位，功率開關S _l導通，且-i _L電流值大於零，所以電流流經功率開關S _l，因共振槽1之共振電容電壓V _Cs為負值，故橋式整流器2之二極體D ₁與D ₃呈現截止狀態，共振電感電流i _L流經二極體D ₂與D ₄，使得二極體D ₂和D ₄形成順向偏壓而導通，當共振電容電流i _Cl上升至零時，進入工作模式五。

五、工作模式五(ωt ₄ ωt<ωt ₅)，如第八圖所示：

驅動電壓V _gs為高電位，功率開關S _l導通，且-i _L電流值大於零，因共振槽1之共振電容電壓V _Cs為負值，故橋式整流器2之二極體D ₁與D ₃呈現截止狀態，共振電感電流i _L為共振電容電流i _Cs減掉共振槽輸出電流i _b，電流流經二極體D ₂與D ₄，使得二極體D ₂和D ₄形成順向偏壓而導通，共振電感電流i _L逆向流回功率開關S _l，當開關電流i _Sl下降至零時，進入工作模式六。

六、工作模式六(ωt ₅ ωt<ωt ₆)，如第九圖所示：

驅動電壓V _gs由高電位轉為低電位，功率開關S _l截止，開關電流i _Sl為零，且-i _L電流值也為零，共振電容電壓V _Cs由零開始上升，因共振電容電壓V _Cs跨壓橋式整流器2之二極體D ₂和D ₄上，所以二極體D ₂與D ₄呈現截止狀態，另一組二極體D ₁與D ₃並無跨壓，所以電流流經二極體D ₁與D ₃，使得二極體D ₁與D ₃形成順向偏壓而導通，當-i _L電流值由零開始上升時，驅動電壓V _gs由低電位轉為高電位，此時功率開關S _l切換導通後回到工作模式一，完成一個週期的循環。

而驅動電壓V _gs與開關電壓V _ds實測波形圖，如第十圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：10V/div；

CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：100V/div。

而儲能電感電壓V _Lf與儲能電感電流i _Lf實測波形圖，如第十一圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：100V/div；

CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：200mA/div。

而驅動電壓V _gs與開關電流i _sl實測波形圖，如第十二圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：10V/div；

CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：500mA/div。

而共振電容電壓V _cl與共振電容電流i _cl實測波形圖，如第十三圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：100V/div；

CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：500mA/div。

而共振電感電壓V _L與共振電感電流i _L實測波形圖，如第十四圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：500A/div。

而共振電容電壓V _cs與共振電容電流i _cs實測波形圖，如第十五圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：500mA/div。

而共振槽輸出電壓V _b與共振槽輸出電流i _b實測波形圖，如第十六圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：10V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：200mA/div。

而二極體電壓V _D1、D3與二極體電流i _D1、D3實測波形圖，如第十七圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：200mA/div。

而二極體電壓V _D2、D4與二極體電流i _D2、D4實測波形圖，如第十八圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：20V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：200mA/div。

而濾波電感電壓V _Lo與濾波電感電流i _Lo實測波形圖，如第十九圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：20V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：200mA/div。

而濾波電容電壓V _co與濾波電容電流i _co實測波形圖，如第二十圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：20V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：200mA/div。

而輸出電壓V _o與輸出電流i _o實測波形圖，如第二十一圖所示，其CH1：X軸：2.5μs/div、Y軸：20V/div；CH2：X軸：2.5μs/div、Y軸：200m A/div。

本發明經由選擇適當的元件參數、切換頻率以及共振頻率，使功率開關S _l可以操作於零電壓或零電流的狀態，以降低功率開關S _l在高頻切換時的功率損失，亦可改善功率開關S _l的散熱問題，同時提升直流轉換直流的效率。

本發明採用單開關E類共振式的轉換器，係由於共振式轉換器工作於高的操作頻率時，具有轉換效率高及穩定性佳等優點，在現今的使用上常被使用在直流對交流的換流器中，因為E類共振式的電路只有單一個開關，所以切換損失減少，還有其電路的元件也很少，所以E類共振電路可以比一般的共振電路還要有更高的效率，而且此類電路具有零電壓切換(Zero Voltage Switching)的特性，可以讓開關在切換損失降到最低，達到柔性切換(Soft-Switching)的特性，而柔性切換技術是指減少開關切換的過程中電壓和電流面積重疊的大小，而零電壓切換就是指當開關在導通之前開關上的跨壓就降為零，使開關在導通的時候不會與開關上的電流重疊而產生導通的損失，而零電流切換為開關上的導通電流必須在開關截止前維持為零，這樣才不會和開關上的跨壓產生重疊導致截止損失。

本發明係由E類換流器電路的負載R端增加一組橋式整流器2，當電流由共振槽1的輸出端經過橋式整流器2將會被整流成直流電，再經過一組由濾波電感L _o和濾波電容C _o所組成的低通濾波器3，過濾成一個穩定的直流電給負載R，並且可以藉由調整切換頻率來控制輸出電流與輸出電壓，此電路不僅電路構造簡單且控制電路設計容易，由於電路僅須單一個功率開關S _l，有別於一般傳統的D類共振式轉換器的雙開關，所以可以降低開關的切換損失，並且有柔性切換的特性，因此可以有效的降低切換損失以及提高轉換器操作效率。

綜上所述，本發明實施例確實已能達到所預期之目的及使用功效，且未見有相同結構特徵公知、公用在先者，故本發明當能符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，懇請早日審結，並核賜專利，實深任感荷。

1．．．共振槽

2．．．橋式整流器

3．．．低通濾波器

V _dc．．．輸入電源

V _Lf．．．儲能電感電壓

D _s．．．二極體

V _ds．．．開關電壓

V _gs．．．驅動電壓

V _cl．．．共振電容電壓

L．．．共振電感

i _L．．．共振電感電流

V _cs．．．共振電容電壓

V _b．．．共振槽輸出電壓

D1~D4．．．二極體

i _D1 ~i _D4．．．二極體電流

V _Lo．．．濾波電感電壓

C _O．．．濾波電容

i _co．．．濾波電容電流

V _o．．．輸出電壓

L _f．．．儲能電感

i _Lf．．．儲能電感電流

S _l．．．功率開關

i _sl．．．開關電流

C _l．．．共振電容

i _cl．．．共振電容電流

V _L．．．共振電感電壓

C _S．．．共振電容

i _cs．．．共振電容電流

i _b．．．共振槽輸出電流

V_D1~V_D4．．．二極體電壓

L _o．．．濾波電感

i _Lo．．．濾波電感電流

V _co．．．濾波電容電壓

R．．．負載

i _o．．．輸出電流

第一圖所示係為本發明實施例之電路圖。

第二圖所示係為本發明實施例之方塊圖。

第三圖所示係為本發明實施例之波形圖。

第四圖所示係為本發明實施例工作模式一之等效電路圖。

第五圖所示係為本發明實施例工作模式二之等效電路圖。

第六圖所示係為本發明實施例工作模式三之等效電路圖。

第七圖所示係為本發明實施例工作模式四之等效電路圖。

第八圖所示係為本發明實施例工作模式五之等效電路圖。

第九圖所示係為本發明實施例工作模式六之等效電路圖。

第十圖所示係為本發明實施例驅動電壓V _gs與開關電壓V _ds實測波形圖。

第十一圖所示係為本發明實施例儲能電感電壓V _Lf與儲能電感電流i _Lf實測波形圖。

第十二圖所示係為本發明實施例驅動電壓V _gs與開關電流i _sl實測波形圖。

第十三圖所示係為本發明實施例共振電容電壓V _cl與共振電容電流i _cl實測波形圖。

第十四圖所示係為本發明實施例共振電感電壓V _L與共振電感電流i _L實測波形圖。

第十五圖所示係為本發明實施例共振電容電壓V _cs與共振電容電流i _cs實測波形圖。

第十六圖所示係為本發明實施例共振槽輸出電壓V _b與共振槽輸出電流i _b實測波形圖。

第十七圖所示係為本發明實施例二極體電壓V _D1、D3與二極體電流i _D1、D3實測波形圖。

第十八圖所示係為本發明實施例二極體電壓V _D2、D4與二極體電流i _D2、D4實測波形圖。

第十九圖所示係為本發明實施例濾波電感電壓V _Lo與濾波電感電流i _Lo實測波形圖。

第二十圖所示係為本發明實施例濾波電容電壓V _co與濾波電容電流i _co實測波形圖。

第二十一圖所示係為本發明實施例輸出電壓V _o與輸出電流i _o實測波形圖。