TW201817146A - 具有降低的切換損耗的低壓降轉換率的切換式功率供應器 - Google Patents

具有降低的切換損耗的低壓降轉換率的切換式功率供應器 Download PDF

Info

Publication number
TW201817146A
TW201817146A TW106134436A TW106134436A TW201817146A TW 201817146 A TW201817146 A TW 201817146A TW 106134436 A TW106134436 A TW 106134436A TW 106134436 A TW106134436 A TW 106134436A TW 201817146 A TW201817146 A TW 201817146A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
inductor
switch
voltage
power converter
pulse
Prior art date
Application number
TW106134436A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI763720B (zh
Inventor
習提彭 安格凱提特拉古
健 印
Original Assignee
美商英特矽爾美國有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 美商英特矽爾美國有限公司 filed Critical 美商英特矽爾美國有限公司
Publication of TW201817146A publication Critical patent/TW201817146A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI763720B publication Critical patent/TWI763720B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1588—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load comprising at least one synchronous rectifier element
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/083—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the ignition at the zero crossing of the voltage or the current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本文揭示一種具有低壓降轉換率且具有改善的功率轉換效率的功率轉換器。功率轉換器包括用於接收輸入電壓的第一電感器以及用於將輸出電壓供應至負載的第二電感器。第一電感器與第二電感器彼此電磁耦接。功率轉換器進一步包括耦接於第一電感器與第二電感器之間的第一切換器。第一切換器係根據具有對應於（i）第一電感器與第二電感器之間的串聯電感以及（ii）第一切換器的並聯電容的諧振頻率的頻率的脈衝進行切換。功率轉換器進一步包括耦接到第一切換器與第二電感器的第二切換器，以根據具有該頻率的另一脈衝將參考電壓供應至第二電感器。

Description

具有降低的切換損耗的低壓降轉換率的切換式功率供應器
本申請案主張2016年10月13日提交的美國臨時申請案第62/407,970號的優先權，其藉由引用整體併入本文。
本揭示的實施例一般係關於功率轉換器，且更特定為利用實現低壓降轉換率的分接（耦接）電感器以及利用用於降低切換損耗的寄生電感與電容的切換式功率轉換器，而因此改善功率轉換效率。
功率轉換器係為從功率源向負載供應電功率的電路部件。一些功率轉換器將來自功率源的直流（DC）電壓轉換成較低的DC電壓，以向負載提供較低的DC電壓。舉例而言，功率轉換器從功率源接收高直流（DC）電壓（例如，50V），並將高DC電壓轉換成較低的DC電壓（例如，1V），以用於對消費電子產品（例如筆記型電腦、平板電腦、手機、或任何電子電路）供電。
一些功率轉換器實現變壓器或分接電感器，以改善從DC輸入電壓到DC輸出電壓的壓降轉換率能力。更特定言之，透過切換式功率轉換器中的兩個電感器之間的電磁耦接傳輸的能量允許DC輸入電壓與DC輸出電壓之間的大的電壓差。然而，分接電感器的洩漏電感（此處亦稱為寄生電感）可能導致切換式裝置的高電壓尖峰或振盪。這種電壓尖峰或振盪可能導致功率損耗，並降低功率轉換效率。此外，這種電壓尖峰或振盪可能會增加輻射電磁干擾（EMI）雜訊。
本案實施例一般係關於具有低壓降率能力的切換式功率轉換器。在一或更多個實施例中，切換式功率轉換器實現電磁耦接電感器，用於改善（或降低）輸入電壓與輸出電壓之間的壓降轉換率，其中電磁耦接電感器的寄生電感係與電容諧振，而使得在切換式裝置的電壓大約為零電壓時，切換式裝置可以開啟。
根據這些與其他態樣，本文揭示的實施例包括將輸入電壓轉換成輸出電壓的功率轉換器。在一或更多個實施例中，功率轉換器包括：第一電感器，用於接收輸入電壓；第二電感器，電磁耦接到第一電感器，第二電感器用於將輸出電壓供應至負載；第一切換器，耦接於第一電感器與第二電感器之間，第一切換器係根據具有對應於（i）第一電感器與第二電感器之間的串聯電感以及（ii）第一切換器的並聯電容的諧振頻率的頻率的脈衝進行切換；以及第二切換器，耦接至第一切換器與第二電感器，以根據具有該頻率的另一脈衝將參考電壓供應至第二電感器。
本文揭示的一或更多個實施例係關於將輸入電壓轉換成輸出電壓的方法。在一或更多個實施例中，該方法包括以下步驟：控制用於週期性地將輸入電壓耦接到輸出電壓的切換式裝置。該方法進一步包括以下步驟：插入電磁耦接電感器，用於改善輸入電壓與輸出電壓之間的壓降轉換率。該方法進一步包括以下步驟：配置電磁耦接電感器的寄生電感，以與電容諧振，而使得在切換式裝置的電壓大約為零電壓時，切換式裝置可以開啟。
現在將參照圖式詳細描述本案實施例，圖式係提供為實施例的說明性實例，以讓該領域具有通常知識者能夠實施該領域具有通常知識者顯而易見的實施例及替代方案。應注意，下面的圖式及實施例並不意味著將本案實施例的範圍限制於單一實施例，而是藉由交換所描述或所圖示元件中的一些或全部而可以實現其他實施例。此外，在可以使用已知部件部分或完全實現本案實施例的某些元件的情況下，將僅描述針對本案實施例的理解所必需的這些已知部件的那些部分，並且將省略這些已知部件的其他部分的詳細描述，以避免模糊本案實施例。在本案說明書中，顯示單個部件的實施例不應視為限制性；反之，除非另有明確說明，本揭示意欲涵蓋包括複數個相同部件的其他實施例，反之亦然。此外，除非明確闡述，申請人並非意欲將說明書或申請專利範圍中的任何術語歸類為不常見或特殊的含義。此外，本案實施例藉由圖示之方式涵蓋本文參照的已知部件的當前及將來已知的等同方式。概要
根據某些一般態樣，描述具有低壓降率能力的切換式功率轉換器。更特定言之，切換式功率轉換器實現電磁耦接電感器，用於改善（或降低）輸入電壓與輸出電壓之間的壓降轉換率，其中電磁耦接電感器的寄生電感係與電容諧振，而使得在切換式裝置的電壓大約為零電壓時，切換式裝置可以開啟。
在一或更多個實施例中，切換式功率轉換器包括彼此電磁耦接的第一電感器與第二電感器、耦接於第一電感器與第二電感器之間的第一切換器、及耦接至第一切換器與第二電感器的第二切換器。根據由反饋電路控制的脈衝來切換第一切換器，以將輸出電壓調節到期望的等級。第二切換器可以與第一切換器互補地切換。因此，所揭示的切換式功率轉換器透過兩個電感器之間的電磁耦接實現輸入電壓與輸出電壓之間的大的電壓差。
在一個態樣中，串聯電感至少包括第一電感器的寄生電感。因此，可以選擇寄生電感，以與電容（例如，寄生電容、電容器的有意電容、或其組合）諧振。寄生電感與電容的諧振造成切換式裝置的電壓具有正弦波形，而有助於降低電壓尖峰。電容的正弦波形允許在切換式裝置具有低電壓（例如，0-1.0V）時開啟切換式裝置，而藉此避免功率損耗。因此，所揭示的切換式功率轉換器透過兩個電感器之間的電磁耦接實現輸入電壓與輸出電壓之間的大的電壓差，而具有改善的功率轉換效率。示例性切換式功率轉換器
第1圖係為根據一或更多個實施例的示例性切換式功率轉換器100的方塊圖。舉例而言，切換式功率轉換器100透過導線或軌跡線耦接到功率源110與負載120。功率源110可以是電池、功率插座、功率轉接器、或供應輸入電壓至切換式功率轉換器100的任何電路。負載120可以是膝上型電腦、平板電腦、手機、或接收來自切換式功率轉換器100的輸出電壓的任何電子電路。切換式功率轉換器100接收DC輸入電壓，將DC輸入電壓轉換成DC輸出電壓，以及將輸出電壓供應至負載120。在一個態樣中，切換式功率轉換器100在輸入電壓與輸出電壓之間利用小的壓降率（例如，小於1/50至1/5）進行電壓轉換，而具有改善的功率轉換效率。此處的壓降率係指稱DC輸出電壓與DC輸入電壓之間的比率（亦即，Vout/Vin）。
在一或更多個實施例中，切換式功率轉換器100包括第一電感器L1、第二電感器L2、串聯電感Lp、並聯電容Cp、第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、驅動器130、及輸出電容器Cout。這些部件可以實現為積體電路、印刷電路板上的分離部件、或其任何組合。這些部件一起操作以將來自功率源110的DC輸入電壓轉換成DC輸出電壓，並將DC輸出電壓供應至負載120。在一些實施例中，切換式功率轉換器100包括不同於第1圖所示的不同、較少、或附加部件，或者具有不同佈置。舉例而言，驅動器130、輸出電容器Cout、或兩者可以實現為與切換式功率轉換器100的其他部件分離的外部部件。
在一個態樣中，切換式功率轉換器100的部件係配置為零電壓切換式分接電感器降壓轉換器。在一個實施方案中，第一電感器L1可以在節點n1處耦接到功率源110，並在節點n2處耦接到串聯電感Lp。串聯電感Lp係在節點n3處耦接到第一電晶體Q1與並聯電容Cp。第一電晶體Q1與並聯電容Cp在節點n4處耦接到第二電感器L2與第二電晶體Q2。第二電感器L2在節點n5處耦接到輸出電容器Cout，並且可以耦接到負載120。第二電晶體Q2與輸出電容器Cout耦接到供應參考電壓（例如，接地電壓）處的參考終端150。第一電晶體Q1與第二電晶體Q2分別在節點n6、n7處耦接到驅動器130。
第一電感器L1與第二電感器L2係為耦接於切換式功率轉換器100的輸入與輸出之間的電路部件。在一個配置中，第一電感器L1包括耦接到節點n1的一端以及耦接到節點n2的另一端，而第二電感器L2包括耦接到節點n5的一端以及耦接到節點n4的另一端。第一電感器L1可以在節點n1處接收用於切換式功率轉換器100的DC輸入電壓，而第二電感器L2可以在節點n5處供應用於切換式功率轉換器100的DC輸出電壓。電感器L1、L2可以實現為耦接或分接電感器，因此電感器L1、L2係為彼此電磁耦接。在一個態樣中，如下面的等式（1）所示，第一電感器L1的匝數與第二電感器L2的匝數決定壓降率（Step Down Ratio）：等式（1） 其中N1係為第一電感器L1的匝（或繞組）數，而N2係為第二電感器L2的匝（或繞組）數，Ton係為電晶體Q1的導通時間的持續時間，Toff係為電晶體Q1的截止時間的持續時間。
串聯電感Lp係為耦接於電感器L1、L2之間的電路模型。串聯電感Lp包括耦接到節點n2的一端以及耦接到節點n3的另一端。串聯電感Lp至少包括分接（耦接）電感器的寄生電感（此處亦稱為「洩漏電感」）。可附加地，串聯電感Lp可包括物理耦接於節點n2、n3之間並與洩漏電感串聯的分離電感器的電感。在實現附加分離電感器的情況下，串聯電感Lp表示寄生電感與分離電感器的電感之和。
第一電晶體Q1係為耦接於串聯電感Lp與電感器L2之間的電路部件。在一個方式中，第一電晶體Q1係實現為n型或p型場效電晶體（亦即MOSFET）。第一電晶體Q1可以實現為另一類型的切換式功率電晶體。第一電晶體Q1包括耦接到節點n3的第一端（例如，汲極）、耦接到節點n4的第二端（例如，源極）、及耦接到節點n6的第三端（例如，閘極）。在一個態樣中，根據在節點n6處施加的控制訊號，第一電晶體Q1係操作為電耦接或電解耦節點n3與節點n4的切換器。具體而言，回應於節點n6處的電壓係為第一電壓，第一電晶體Q1將節點n3電耦接到節點n4。類似地，回應於節點n6處的電壓係為第二電壓，第一電晶體Q1電解耦節點n3與節點n4。藉由實現在節點n3、n4之間的第一電晶體Q1，可以簡化驅動器130的實施方案。
並聯電容Cp係為在第一電晶體Q1的兩個端（例如汲極與源極）上並聯耦接的電路模型。並聯電容Cp包括耦接到節點n3的一端以及耦接到節點n4的另一端。並聯電容Cp至少包括第一電晶體Q1的寄生電容。可附加地，並聯電容Cp可以包括物理耦接於節點n3，n4之間並與並聯電容Cp並聯的分離電容器的電容。在實現附加分離電容器的情況下，並聯電容Cp表示寄生電容與分離電容器的電容之和。在一個態樣中，並聯電容Cp係在並聯電容Cp與串聯電感Lp的諧振頻率下與串聯電感Lp諧振，而有助於降低第一電晶體Q1的開啟過渡損耗，而因此改善下面參照第2圖至第4圖詳細描述的功率轉換效率。
第二電晶體Q2係為耦接至第一電晶體Q1與第二電感器L2的電路部件。在一個方式中，第二電晶體Q2係實現為n型或p型場效電晶體（亦即MOSFET）。第二電晶體Q2可以實現為另一類型的切換式功率電晶體。第二電晶體Q2包括耦接到節點n4的第一端（例如，汲極）以及耦接到參考終端150的第二端（例如，源極）。在一個態樣中，根據在節點n7處施加的另一控制訊號，第二電晶體Q2係操作為電耦接或電解耦節點n4與參考終端150的切換器。具體而言，回應於節點n7處的電壓係為第一電壓，第二電晶體Q2將節點n4電耦接到參考終端150。類似地，回應於節點n7處的電壓係為第二電壓，第二電晶體Q2電解耦節點n4與參考終端150。
驅動器130係為產生用於操作第一電晶體Q1與第二電晶體Q2的訊號的電路部件。驅動器130包括耦接到節點n6的第一輸出以及耦接到節點n6的第二輸出。在一個態樣中，驅動器130係在特定頻率下產生脈衝，並將脈衝施加到節點n6、n7（例如，每一者具有對應的脈衝寬度）。在一個方式中，驅動器130產生脈衝，以在第一時間週期期間開啟第一電晶體Q1並關斷第二電晶體Q2，以及在第二時間週期期間關斷第一電晶體Q1並開啟第二電晶體Q2。在第一電晶體Q1實現為n型電晶體以及第二電晶體Q2實現為p型電晶體的情況下，或者在第一電晶體Q1實現為p型電晶體以及第二電晶體Q2實現為n型電晶體的情況下，節點n6、n7可以彼此耦接，而驅動器130可以輸出單一脈衝。在下面參照第2圖與第3圖提供由驅動器130所產生的示例性脈衝以及切換式功率轉換器100的操作。
參照第2A圖，圖示根據一或更多個實施例的用於操作切換式功率供應器100的脈衝Vn6、Vn7的示例性時序圖。在第一電晶體Q1與第二電晶體Q2實現為n型電晶體的實施例中，驅動器130產生施加到節點n7處的第二電晶體Q2的第一脈衝Vn7以及施加到節點n6處的第一電晶體Q1的第二脈衝Vn6。脈衝Vn6、Vn7係與時間T0與T2之間的頻率或時間週期T_SW同步。在時間週期T_SW中，在T0與T1之間的時間週期期間，脈衝Vn6具有高電壓，而脈衝Vn7具有低電壓。此外，在T1與T2之間的時間週期期間，脈衝Vn6具有低電壓，而脈衝Vn7具有高電壓。因此，在T0和與T1之間的時間週期（亦即Q1的Ton）期間，第一電晶體Q1開啟，第二電晶體Q2關斷，而T1與T2之間的時間週期（亦即Q1的Toff）期間，第一電晶體Q1關斷，第二電晶體Q2開啟。
在T0與T1之間的時間週期期間，流過第一與第二電感L1、L2的電流增加，而允許能量儲存在第二電感器L2與洩漏電感Lp處。在T1與T2之間的時間週期期間，第二電感器L2中儲存的能量係傳輸到負載。同時，洩漏電感器Lp中儲存的能量在洩漏電感器Lp與並聯電容Cp之間引發諧振。假設省略第一電感器L1與串聯電感Lp，則輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差或壓降率係與脈衝Vn6、Vn7的工作循環成比例。舉例而言，T0與T1之間的較窄時間週期（亦即較小的脈衝寬度）允許較小的壓降轉換率。
為了進一步改善使用較小的脈衝寬度的壓降率，可以實現與第二電感器L2電磁耦接的第一電感器L1。電感器繞組N1/N2的匝數比允許電感器L1與L2的電壓耦接在一起，並分佈在電感器L1與L2之間。更特定言之，相較於第二電感器L2的繞組數N2，第一電感器L1的較大繞組數N1允許決定Ton與Toff的給定脈衝寬度的較低壓降率，如上述等式（1）所示。因此，相較於省略第一電感器L1，藉由實現與第二電感器L2電磁耦接的第一電感器L1，可以取得較小的壓降率。
本案申請人亦理解，儘管與第二電感器L2磁耦接的第一電感器L1允許從輸入電壓到輸出電壓的較小的壓降轉換率，但是分接（耦接）電感器的寄生電感可能引入電壓尖峰或振盪。舉例而言，第2B圖圖示在並聯電容Cp太小（例如，幾個fF）的情況下在節點n3處的電壓的曲線圖。如第2B圖所示，由於第一電感器L1的寄生電感，電壓峰值210可能如第2B圖所示發生在T1與T2之間的時間週期期間。這些電壓峰值210導致功率損耗，而因此降低功率轉換效率。此外，電壓峰值210可能增加輻射電磁干擾（EMI）雜訊。
在一或更多個實施例中，將並聯電容Cp決定為與寄生電感或包括寄生電感的串聯電感Lp諧振。如上面參照第1圖所述，並聯電容Cp可以是第一電晶體Q1的寄生電容，或是耦接於第一電晶體Q1的節點n3、n4之間的寄生電容與分離電容器的電容的組合。可以選擇並聯電容Cp以與串聯電感Lp諧振，而使得來自等式（1）的電晶體Q1的截止時間Toff基本上等於諧振週期（亦即，並聯電容Cp與串聯電感Lp的諧振頻率的倒數）的一半，或者如下面的等式（2）所示：等式（2） 因此，並聯電容器Cp（電晶體Q1）的電壓具有正弦波形。電壓尖峰可以受到抑制。可以利用電晶體Q1的汲極與源極的低電壓（例如，0-1.0V）開啟電晶體Q1，而因此可以降低功率損耗。此外，可以減少由於電壓尖峰或振盪而引起的電磁干擾（EMI）雜訊。
參照第3圖，圖示根據一或更多個實施例的展示第1圖的切換式功率轉換器100的操作條件的示例性時序圖。在第3圖中，圖示回應於從驅動器130施加的脈衝Vn6、Vn7的在節點n4處的電壓曲線圖Vn4、第一電晶體Q1（或並聯電容Cp）的電壓曲線圖VCp、及通過串聯電感Lp的電流曲線圖ILp。藉由實施並聯電容Cp並如第3圖所示施加脈衝Vn6、Vn7，可以利用電晶體Q1的低電壓開啟電晶體Q1，而藉此減少功率損耗。
在一或更多個實施例中，根據並聯電容Cp與串聯電感Lp的諧振頻率來施加脈衝Vn6、Vn7。在一個方式中，如電壓曲線圖VCp與電流曲線圖ILp所示，並聯電容Cp與串聯電感Lp在諧振頻率下彼此諧振。在T0與T1之間的時間週期期間，當VCp基本上等於0V或在特定範圍內（例如，0-0.5V）時，或者當節點n3處的電壓與節點n4處的電壓基本上彼此相等時，可以開啟第一電晶體Q1，且可以關斷第二電晶體Q2。因此，在T0與T1之間的時間週期期間，啟動從功率源110通過第一電晶體Q1到負載120的電流路徑，而第一電晶體Q1具有降低的電壓下降。利用節點n3、n4上的降低的電壓來開啟第一電晶體Q1，以降低與電晶體Q1的開啟相關聯的損耗。在一個態樣中，節點n3處的電壓係對應於節點n4處的電壓與並聯電容Cp的電壓之和。串聯電感Lp與並聯電容Cp可以在T1與T2之間的時間週期期間彼此諧振。在T1與T2之間的時間週期期間，可以關斷第一電晶體Q1，且可以開啟第二電晶體Q2。在時間T1處，當關斷第一電晶體Q1時，儲存在串聯電感Lp中的能量平滑地傳輸到並聯電容Cp。因此，如第1圖與第3圖所示，藉由實現並聯電容Cp、串聯電感Lp、及切換式電晶體Q1、Q2來降低第2B圖所示的電壓尖峰或振盪。
有利地，相較於使用習知分接電感器的零電壓切換的習知分接電感器功率轉換器，所揭示的切換式功率轉換器可以實現高3-4％的功率轉換效率。此外，相較於習知降壓功率轉換器，所揭示的切換式功率轉換器可以實現高7-8％的功率轉換效率。因此，所揭示的切換式功率轉換器100可以利用較小的壓降率（例如小於10）以及利用由於L1的第一電感器的寄生電感而降低的能量損耗來改善功率轉換效率。
各種示例性實施例中所示的系統與方法的構造與佈置僅為說明性。儘管在本揭示中僅詳細描述幾個實施例，但是許多修改是可能的（例如，各種元件的大小、尺寸、結構、形狀、及比例的變化、參數值、安裝佈置、材料的使用、顏色、定向等）。舉例而言，元件的位置可以顛倒或以其他方式變化，而分離元件的性質或數量或位置可以替換或變化。因此，所有這些修改意欲包括在本揭示的範圍內。根據替代實施例，任何處理或方法步驟的順序或序列可以變化或重新排序。在不悖離本揭示的範圍的情況下，可以在示例性實施例的設計、操作條件、及佈置中進行其他替換、修改、改變、及省略。
100‧‧‧切換式功率轉換器
110‧‧‧功率源
120‧‧‧負載
130‧‧‧驅動器
150‧‧‧參考終端
210‧‧‧電壓峰值
結合隨附圖式檢視以下具體實施例的描述，本案實施例的這些與其他態樣與特徵對於該領域具有通常知識者將變得顯而易見，其中：
第1圖係為根據一或更多個實施例的示例性切換式功率轉換器的方塊圖；
第2A圖圖示根據一或更多個實施例的用於操作切換式功率供應器的脈衝的示例性時序圖；
第2B圖係為圖示根據一或更多個實施例的由寄生電感引起的電壓尖峰的示例曲線圖。
第3圖圖示根據一或更多個實施例的展示第1圖的切換式功率轉換器的操作條件的示例性時序圖。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (20)

  1. 一種將一輸入電壓轉換成一輸出電壓的功率轉換器，該功率轉換器包含： 一第一電感器，包含該第一電感器的一端，以接收該輸入電壓； 一第二電感器，電磁耦接到該第一電感器，該第二電感器包含耦接到一負載的該第二電感器的一端，該第二電感器的該一端將該輸出電壓供應至該負載； 一第一切換器，耦接於該第一電感器的另一端與該第二電感器的另一端之間，該第一切換器根據具有對應於（i）該第一電感器的該另一端與該第二電感器的該另一端之間的一串聯電感以及（ii）該第一切換器的一端與該第一切換器的另一端的一並聯電容的一諧振頻率的一頻率的一脈衝進行切換；以及 一第二切換器，包含該第二切換器的一端，該第二切換器的該一端耦接到該第一切換器的該另一端與該第二電感器的該另一端，該第二切換器根據具有該頻率的另一脈衝將一參考電壓供應至該第二電感器的該另一端。
  2. 如請求項1所述之功率轉換器，進一步包含： 一驅動器，經配置以將該脈衝施加到該第一切換器，並將該另一脈衝施加到該第二切換器，該第一切換器根據該脈衝在一第一時間週期期間開啟，並在一第二時間週期期間關斷，而第二切換器根據該另一脈衝在該第一時間週期期間關斷，並在該第二時間週期期間開啟。
  3. 如請求項2所述之功率轉換器，其中該驅動器經配置以在該第一時間週期期間開啟該第一切換器並關斷該第二切換器，而該第一切換器的該一端處的一電壓基本上等於該第一切換器的該另一端處的一電壓。
  4. 如請求項3所述之功率轉換器，其中該第一時間週期基本上等於一諧振週期的一半，該諧振週期係為該諧振頻率的一倒數。
  5. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該串聯電感係為該第一電感器的一寄生電感。
  6. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該串聯電感係為該第一電感器的一寄生電感與串聯耦接於該第一電感器與該第一切換器之間的一分離電感器的一電感的一組合。
  7. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該並聯電容係為該第一切換器的一寄生電容。
  8. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該並聯電容係為該第一切換器的一寄生電容與在該第一切換器的該一端與該第一切換器的該另一端之間並聯於該第一切換器的一分離電容器的一電容的一組合。
  9. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該輸入電壓係為一第一直流電壓，而該輸出電壓係為低於該第一直流電壓的一第二直流電壓。
  10. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該第一電感器與該第二電感器的一匝數比係對應於該輸入電壓與該輸出電壓之間的一比率。
  11. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該第一切換器與該第二切換器係為n型電晶體。
  12. 如請求項1所述之功率轉換器，其中該參考電壓係為一接地電壓。
  13. 一種將一輸入電壓轉換成一輸出電壓的功率轉換器，該功率轉換器包含： 切換式裝置，用於週期性地將該輸入電壓耦接到該輸出電壓；以及 電磁耦接電感器，用於改善該輸入電壓與該輸出電壓之間的一壓降轉換率，其中該等電磁耦接電感器的一寄生電感係與一電容諧振，而使得在該等切換式裝置的電壓大約為零電壓時，該等切換式裝置可以開啟。
  14. 如請求項13所述之功率轉換器，其中該等電磁耦接電感器包括： 一第一電感器，用於接收該輸入電壓；以及 一第二電感器，電磁耦接到該第一電感器，該第二電感器用於將該輸出電壓供應至一負載； 且其中該等切換式裝置包括： 一第一切換器，耦接於該第一電感器與該第二電感器之間，該第一切換器根據具有對應於（i）該第一電感器與該第二電感器之間的一串聯電感以及（ii）該第一切換器的一並聯電容的一諧振頻率的一頻率的一脈衝進行切換；以及 一第二切換器，耦接到該第一切換器與該第二電感器，以根據具有該頻率的另一脈衝將一參考電壓供應至該第二電感器。
  15. 如請求項14所述之功率轉換器，進一步包含： 一驅動器，經配置以將該脈衝施加到該第一切換器，並將該另一脈衝施加到該第二切換器，該第一切換器根據該脈衝在一第一時間週期期間開啟，並在一第二時間週期期間關斷，而第二切換器根據該另一脈衝在該第一時間週期期間關斷，並在該第二時間週期期間開啟。
  16. 如請求項15所述之功率轉換器，其中該驅動器經配置以在該第一時間週期期間開啟該第一切換器並關斷該第二切換器，而該第一切換器的一端處的一電壓基本上等於該第一切換器的另一端處的一電壓。
  17. 如請求項16所述之功率轉換器，其中該第一時間週期基本上等於一諧振週期的一半，該諧振週期係為該諧振頻率的一倒數。
  18. 如請求項14所述之功率轉換器，其中該串聯電感係為該第一電感器的該寄生電感或是該寄生電感與串聯耦接於該第一電感器與該第一切換器之間的一分離電感器的一電感的一組合。
  19. 如請求項14所述之功率轉換器，其中該並聯電容係為該第一切換器的一寄生電容或是該寄生電容與在該第一電感器與該第二電感器之間並與該第一切換器並聯的一分離電容器的一電容的一組合。
  20. 一種將一輸入電壓轉換成一輸出電壓的方法，包含以下步驟： 控制用於週期性地將該輸入電壓耦接到該輸出電壓的切換式裝置； 插入電磁耦接電感器，用於改善該輸入電壓與該輸出電壓之間的一壓降轉換率；以及 配置該等電磁耦接電感器的一寄生電感，以與一電容諧振，而使得在該等切換式裝置的電壓大約為零電壓時，該等切換式裝置可以開啟。
TW106134436A 2016-10-13 2017-10-06 用於將輸入電壓轉換成輸出電壓的功率轉換器及方法 TWI763720B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662407970P 2016-10-13 2016-10-13
US62/407,970 2016-10-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201817146A true TW201817146A (zh) 2018-05-01
TWI763720B TWI763720B (zh) 2022-05-11

Family

ID=61904782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW106134436A TWI763720B (zh) 2016-10-13 2017-10-06 用於將輸入電壓轉換成輸出電壓的功率轉換器及方法

Country Status (3)

Country Link
US (2) US10298132B2 (zh)
CN (1) CN107947576B (zh)
TW (1) TWI763720B (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102569566B1 (ko) * 2018-07-18 2023-08-23 현대모비스 주식회사 저전압 직류변환장치 및 그 구동방법
CN108879904A (zh) * 2018-08-22 2018-11-23 成都信息工程大学 一种车载充电机变流电路
IT201900007974A1 (it) * 2019-06-04 2020-12-04 Eggtronic Eng S P A Convertitore per trasferire potenza elettrica ad un carico elettrico
TWI742851B (zh) * 2020-04-20 2021-10-11 立錡科技股份有限公司 電源轉換器
TWI742852B (zh) * 2020-05-07 2021-10-11 立錡科技股份有限公司 諧振切換式電源轉換器
TWI767346B (zh) * 2020-05-20 2022-06-11 立錡科技股份有限公司 諧振切換式電源轉換器
TWI746163B (zh) * 2020-05-26 2021-11-11 立錡科技股份有限公司 諧振切換式電源轉換器
TWI742914B (zh) * 2020-06-08 2021-10-11 立錡科技股份有限公司 兩級電源轉換器
TWI755143B (zh) * 2020-06-19 2022-02-11 立錡科技股份有限公司 諧振切換式電源轉換器
TWI755144B (zh) * 2020-07-24 2022-02-11 立錡科技股份有限公司 諧振切換式電源轉換器

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4931716A (en) * 1989-05-05 1990-06-05 Milan Jovanovic Constant frequency zero-voltage-switching multi-resonant converter
FR2655786B1 (fr) * 1989-12-12 1993-11-12 Sextant Avionique Alimentation du type convertisseur alternatif-continu a decoupage.
US5642267A (en) * 1996-01-16 1997-06-24 California Institute Of Technology Single-stage, unity power factor switching converter with voltage bidirectional switch and fast output regulation
US5736842A (en) * 1996-07-11 1998-04-07 Delta Electronics, Inc. Technique for reducing rectifier reverse-recovery-related losses in high-voltage high power converters
US5774346A (en) * 1997-01-24 1998-06-30 Poon; Franki Ngai Kit Family of zero voltage switching DC to DC converters with coupled output inductor
FR2777715B1 (fr) * 1998-04-15 2000-06-09 Agence Spatiale Europeenne Module convertisseur d'alimentation electrique et systeme le comprenant
DE60030424D1 (de) * 1999-03-23 2006-10-12 Advanced Energy Ind Inc Gleichstromgespeistes rechnersystem mit einem hochfrequenzschaltnetzteil
JP2002262551A (ja) * 2000-02-07 2002-09-13 Fiderikkusu:Kk ボルテージステップダウンｄｃ−ｄｃコンバータ
US6512352B2 (en) * 2001-06-07 2003-01-28 Koninklijke Philips Electronics N.V. Active clamp step-down converter with power switch voltage clamping function
US6486642B1 (en) * 2001-07-31 2002-11-26 Koninklijke Philips Electronics N.V. Tapped-inductor step-down converter and method for clamping the tapped-inductor step-down converter
US6507174B1 (en) * 2001-09-06 2003-01-14 Koninklijke Philips Electronics N.V. Voltage regulator with clamping circuit
GB2393336B (en) * 2002-09-20 2005-07-20 Coutant Lambda Ltd Multi-resonant power conversion apparatus and methods
US7062662B2 (en) * 2002-12-23 2006-06-13 Sun Microsystems, Inc. I/O resonance cancellation circuit based on charge-pumped capacitors
US6989997B2 (en) * 2003-06-25 2006-01-24 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Quasi-resonant DC-DC converters with reduced body diode loss
US7138789B2 (en) * 2004-01-21 2006-11-21 Intersil Corporation Multiphase converter with zero voltage switching
JP4639896B2 (ja) * 2005-03-29 2011-02-23 ブラザー工業株式会社 光走査装置及び光走査型表示装置
JP2008141801A (ja) * 2006-11-30 2008-06-19 Mitsumi Electric Co Ltd スイッチング電源回路
EP2019481A1 (en) * 2007-07-25 2009-01-28 Danmarks Tekniske Universitet Switch-mode DC-DC converter with multiple power transformers
US8704500B2 (en) * 2007-08-14 2014-04-22 Intersil Americas LLC Sensing a phase-path current in a multiphase power supply such as a coupled-inductor power supply
JP5130542B2 (ja) * 2008-03-13 2013-01-30 Ｎｅｃ東芝スペースシステム株式会社 降圧型スイッチングｄｃ／ｄｃコンバータ
JP5191042B2 (ja) * 2008-04-16 2013-04-24 サンケン電気株式会社 双方向ｄｃ−ｄｃコンバータ
US8000113B2 (en) * 2009-04-07 2011-08-16 Maxim Integrated Products, Inc. Efficient power regulation for class-E amplifiers
GB2508775B (en) * 2011-10-21 2018-09-19 Murata Manufacturing Co Switching power supply device
DE112011105947B4 (de) * 2011-12-15 2018-07-12 Intel Corporation Verfahren und Vorrichtung zum Präzisions-CPU-Überwachen
JP5934000B2 (ja) * 2012-03-16 2016-06-15 サンケン電気株式会社 双方向ｄｃ−ｄｃコンバータ
JP2013230068A (ja) * 2012-03-29 2013-11-07 Toshiba Lighting & Technology Corp スイッチング電源装置および照明装置
WO2013175477A1 (en) * 2012-05-25 2013-11-28 Audio Pixels Ltd. A system, a method and a computer program product for controlling a set of actuator elements
US9118241B2 (en) * 2012-06-13 2015-08-25 Intel Deutschland Gmbh Switched-mode power supply and a two-phase DC to DC converter having switches and a filter that deliver current from a node among converter stages
US9847718B2 (en) * 2014-08-04 2017-12-19 Ferric, Inc. Apparatus and methods for integrated power converter with high bandwidth
CA2889509A1 (en) * 2012-11-02 2014-05-08 Mickey P MADSEN Self-oscillating resonant power converter
CN103199702B (zh) * 2013-03-20 2016-03-23 惠州市博泰通讯设备有限公司 一种软开关准谐振电路及其控制策略
TWM485698U (zh) * 2013-12-24 2014-09-11 Ching-Cheng Huang 一種光導引可控式切割強度電燒刀
JP6473756B2 (ja) * 2014-01-22 2019-02-20 デンマークス テクニスク ユニヴェルジテイト 共振降圧ｄｃ−ｄｃ電力コンバータ
TWI578678B (zh) * 2015-06-02 2017-04-11 光寶電子（廣州）有限公司 降壓轉換器及降壓轉換裝置
US9859867B2 (en) * 2015-07-10 2018-01-02 Toshiba International Corporation Tunable LC filter

Also Published As

Publication number Publication date
US10298132B2 (en) 2019-05-21
CN107947576B (zh) 2023-09-01
CN107947576A (zh) 2018-04-20
US20190280597A1 (en) 2019-09-12
TWI763720B (zh) 2022-05-11
US20180109174A1 (en) 2018-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI763720B (zh) 用於將輸入電壓轉換成輸出電壓的功率轉換器及方法
US8638578B2 (en) Power converter including a charge pump employable in a power adapter
JP4975166B2 (ja) 多出力同期フライバック・コンバータ
US8674669B2 (en) Switching regulator with a single inductor in a multiple output power supply configuration
JP6367337B2 (ja) 単一の制御ループを有するマルチ出力昇圧レギュレータ
US7656143B2 (en) DC-DC converter
US9673722B2 (en) Quasi-resonant half-bridge converter and control method thereof
Lei et al. A GaN-based 97% efficient hybrid switched-capacitor converter with lossless regulation capability
TWI451679B (zh) 用於調節輸出電壓的方法
KR20040020862A (ko) 탭핑된-인덕터 점감 변환기
JP2007215259A (ja) 駆動回路及びそれを用いたスイッチングレギュレータ
CN108512538B (zh) 功率变换器及其控制电路和控制方法
US11018592B2 (en) Flyback converter controller, flyback converter and methods of operation
TWI513164B (zh) 返馳式主動箝位電源轉換器
KR101820232B1 (ko) 전력 변환기 회로를 동작시키기 위한 방법 및 전력 변환기 회로
TWI496400B (zh) 電壓轉換電路與使用其的電子系統
US20110140519A1 (en) Power supply with reduced power consumption and computer having such power supply
KR20190064963A (ko) Dc-dc 변환 시스템
US8269461B2 (en) Hybrid battery charger and control circuit and method thereof
US8912782B2 (en) DC-to-DC converter
Chen et al. A 2-MHz 9–45-V input high-efficiency three-switch ZVS step-up/-down hybrid converter
WO2019181082A1 (ja) 直流電圧変換回路および電源装置
US10164540B2 (en) Bi-directional feedback pin
US20140268910A1 (en) Coupled inductor dc step down converter
JP2019161853A (ja) コンバータ装置