TW202322535A - 諧振轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種諧振轉換裝置。諧振轉換裝置包括LLC同步諧振轉換器、同步整流控制器以及死區時間調整電路。LLC同步諧振轉換器包括諧振槽以及多個同步整流開關。同步整流控制器控制所述多個同步整流開關。所述多個同步整流開關基於死區時間長度被延遲導通。死區時間調整電路將LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能感應耦合到諧振槽，並依據諧振槽的諧振電壓變化來提供死區時間控制訊號，使同步整流控制器依據死區時間控制訊號來調整死區時間長度。

Description

諧振轉換裝置
本發明是有關於一種諧振轉換裝置，且特別是有關於一種能夠在不同負載條件實現零電流截止的諧振轉換裝置。
LLC諧振轉換器具有柔性切換及高轉換效率等優點，並採用變頻式的操作來調整電壓增益。因此，LLC諧振轉換器能夠達到穩定電壓輸出的功能。針對其柔性切換的特性來分析，位於LLC諧振轉換器的次級側的同步整流開關被設計為零電流截止，以減少轉態時之切換損耗，提升轉換器之轉換效率。
如圖1所示，為了避免第一同步整流開關以及第二同步整流開關同時導通，導致次級側迴路發生短路等安全性上的疑慮，第一同步整流開關以及第二同步整流開關被設計以基於死區時間（Dead Time）長度DT被延遲導通。
然而，在較大的負載條件下，流經第一同步整流開關的電流IQ1的電流值以及流經第二同步整流開關的電流IQ2的電流值也越大。因此，流經第一同步整流開關的電流IQ1以及流經第二同步整流開關的電流IQ2會在死區時間（Dead Time）長度DT內放電到0安培。因此，流經第一同步整流開關的電流IQ1以及流經第二同步整流開關的電流IQ2在死區時間（Dead Time）長度DT內存在不等於0安培的電流差值ST1~ST4。第一同步整流開關以及第二同步整流開關無法達到零電流截止。電流差值ST1~ST4會增加切換損失，進而使轉換效率無法達到最佳化。
本發明提供一種能夠在不同負載條件實現零電流截止的諧振轉換裝置。
本發明的諧振轉換裝置包括LLC同步諧振轉換器、同步整流控制器以及死區時間調整電路。LLC同步諧振轉換器包括諧振槽、主變壓器以及多個同步整流開關。同步整流控制器耦接於LLC同步諧振轉換器。同步整流控制器控制所述多個同步整流開關。所述多個同步整流開關基於死區時間長度被延遲導通。死區時間調整電路耦接於LLC同步諧振轉換器以及同步整流控制器。死區時間調整電路將LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能感應耦合到諧振槽，並依據諧振槽的諧振電壓變化來提供死區時間控制訊號，使同步整流控制器依據死區時間控制訊號來調整死區時間長度。
基於上述，死區時間調整電路將LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能感應耦合到諧振槽，並依據諧振槽的諧振電壓變化來提供死區時間控制訊號，使得同步整流控制器依據死區時間控制訊號來調整死區時間長度。死區時間調整電路能夠依據不同的負載條件來提供對應的死區時間長度。因此，本發明能夠在不同的負載條件下都能實現零電流截止。如此一來，LLC同步諧振轉換器在不同的負載條件下的轉換效率都能達到最佳化。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。
請參考圖2，圖2是依據本發明第一實施例所繪示的諧振轉換裝置的裝置示意圖。在本實施例中，諧振轉換裝置100包括LLC同步諧振轉換器110、同步整流控制器120以及死區時間調整電路130。LLC同步諧振轉換器110包括功率開關Q1、Q2、諧振槽111、主變壓器TR1、同步整流開關Q3、Q4以及輸出電容器CO。功率開關Q1反應於控制訊號GD1來進行開關操作。功率開關Q2反應於控制訊號GD2來進行開關操作。同步整流控制器120耦接於LLC同步諧振轉換器110。同步整流控制器120控制同步整流開關Q3、Q4。在本實施例中，同步整流控制器120提供控制訊號GD3、GD4。同步整流開關Q3反應於控制訊號GD3來進行開關操作。同步整流開關Q4反應於控制訊號GD4來進行開關操作。此外，在同步整流控制器120的控制下，同步整流開關Q3、Q4基於死區時間長度DT被延遲導通。
在本實施例中，死區時間調整電路130耦接於LLC同步諧振轉換器110以及同步整流控制器120。死區時間調整電路130將LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能（即，輸出電源VO）感應耦合到諧振槽111，並依據諧振槽111的諧振電壓變化來提供死區時間控制訊號SS。因此，同步整流控制器120依據死區時間控制訊號SS來調整死區時間長度DT。LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能、諧振槽111的電壓以及死區時間長度DT呈現正相關。以本實施為例，當LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能越大時，諧振槽111的電壓越大。死區時間調整電路130提供用以延長死區時間長度DT的死區時間控制訊號SS。因此，死區時間長度DT被延長。在另一方面，當LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能越小時，諧振槽111的電壓越小。死區時間調整電路130提供用以縮短死區時間長度DT的死區時間控制訊號SS。因此，死區時間長度DT被縮短。
在此值得一提的是，LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能關聯於LLC同步諧振轉換器110的負載。死區時間調整電路130將LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能感應耦合到諧振槽111，並依據諧振槽111的諧振電壓變化來調整死區時間長度DT。死區時間調整電路130能夠依據不同的負載條件來控制同步整流控制器120提供對應的死區時間長度DT。因此，同步整流開關Q3、Q4能夠在不同的負載條件下都能實現零電流截止。如此一來，LLC同步諧振轉換器110在不同的負載條件下的轉換效率都能達到最佳化。
請同時參考圖2以及圖3，圖3是依據本發明一實施例所繪示的實現零電流截止的示意圖。在本實施例中，當LLC同步諧振轉換器110的負載增加時，LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能越大。流經同步整流開關Q3的電流IQ1的電流值以及流經同步整流開關Q4的電流IQ2的電流值也越大。因此，相較於圖1，圖3所示的死區時間長度DT被延長。基於死區時間長度DT的延長，流經同步整流開關Q3的電流IQ1以及流經同步整流開關Q4的電流IQ2能夠在足夠的死區時間長度DT內諧振至0安培。如此一來，在較大的負載條件下，同步整流開關Q3、Q4能夠實現零電流截止。在另一方面，當LLC同步諧振轉換器110的降低時，圖3所示的死區時間長度DT會被縮短。
請回到圖1的實施例，在本實施例中，功率開關Q1的第一端耦接於輸入電源VIN。功率開關Q1的第二端耦接於連接節點ND。功率開關Q1的控制端接收控制訊號GD1。功率開關Q2的第一端耦接於連接節點ND。功率開關Q2的第二端耦接於接地端GND1。功率開關Q2的控制端接收控制訊號GD2。諧振槽111耦接於連接節點ND與接地端GND1之間。諧振槽111包括諧振電感器LR、激磁電感器LM以及諧振電容器CR。諧振電感器LR、激磁電感器LM以及諧振電容器CR彼此串聯耦接。進一步來說，諧振電感器LR耦接於連接節點ND與激磁電感器LM的第一端之間。諧振電容器CR耦接於激磁電感器LM的第二端與接地端GND1之間。
在本實施例中，主變壓器TR1包括初級側繞組NP以及次級側繞組NS1、NS2。初級側繞組NP並聯耦接於激磁電感器LM。次級側繞組NS1的第一端耦接於同步整流開關Q3的第一端。次級側繞組NS1的第二端耦接於次級側繞組NS2的第一端以及接地端GND2。同步整流開關Q3的第二端被作為LLC同步諧振轉換器110的輸出端。輸出端用以提供輸出電源VO。功率開關Q3的控制端接收控制訊號GD3。次級側繞組NS2的第二端耦接於同步整流開關Q4的第一端。同步整流開關Q4的第二端耦接於同步整流開關Q3的第二端。功率開關Q4的控制端接收控制訊號GD4。輸出電容器CO耦接於LLC同步諧振轉換器110的輸出端與接地端GND2之間。控制訊號GD1、GD2可以是由功率開關控制器（未示出）來提供。在一些實施例中，功率開關控制器可以與同步整流控制器120被整合在一控制器內。
在本實施例中，LLC同步諧振轉換器110以半橋式LLC同步諧振轉換器為示例。本發明並不以此為限。在一些實施例中，LLC同步諧振轉換器110可以是具有4個功率開關的全橋式LLC同步諧振轉換器。
請參考圖4，圖4是依據本發明第二實施例所繪示的諧振轉換裝置的裝置示意圖。在本實施例中，諧振轉換裝置200包括LLC同步諧振轉換器110、同步整流控制器120以及死區時間調整電路230。LLC同步諧振轉換器110以及同步整流控制器120的實施方式已經在圖2的實施例中充份說明，因此不再重述。在本實施例中，死區時間調整電路230包括耦合電感器231、輔助電路232、偵測電路233以及死區時間控制器234。耦合電感器231耦接於LLC同步諧振轉換器110的輸出端。耦合電感器231利用感應耦合方式提供對應於LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能的感應電能PC。輔助電路232耦接於耦合電感器231以及諧振槽111。輔助電路232將所接收到的感應電能PC感應耦合到諧振槽111。
在本實施例中，偵測電路233耦接於諧振槽111。進一步來說，激磁電感器LM以及諧振電容器CR形成串聯元件組。偵測電路233會與串聯元件組並聯耦接。偵測電路233提供串聯元件組的諧振電壓變化的偵測結果。死區時間控制器234耦接於偵測電路233以及同步整流控制器120。死區時間控制器234反應於偵測結果來對應地提供死區時間控制訊號SS。
請參考圖5，圖5是依據本發明一實施例所繪示的諧振轉換裝置的電路示意圖。在本實施例中，諧振轉換裝置300包括LLC同步諧振轉換器110、同步整流控制器120以及死區時間調整電路330。LLC同步諧振轉換器110以及同步整流控制器120的實施方式已經在圖2的實施例中充份說明，因此不再重述。在本實施例中，死區時間調整電路330包括耦合電感器331、輔助電路332、偵測電路333以及死區時間控制器334。
在本實施例中，耦合電感器331包括電感器L1、L2。電感器L1耦接於LLC同步諧振轉換器110的輸出端與接地端GND2之間。電感器L2耦接於輔助電路332。電感器L2提供感應電能。進一步來說，耦合電感器331透過第一電感器L1接收位於LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能，並將電感器L1上的能量以電壓同步感應之方式感應耦合至電感器L2上。因此，電感器L2提供感應電能。
在本實施例中，輔助電路332包括輔助電阻器RX以及輔助變壓器TR2。輔助電阻器RX耦接於耦合電感器331。輔助電阻器RX依據感應電能來建立第一感應電壓VX。具體來說，輔助電阻器RX並聯耦接於耦合電感器331的電感器L2。因此，輔助電阻器RX能夠吸收感應電能以建立第一感應電壓VX。
輔助變壓器TR2耦接於耦合電感器RX。輔助變壓器TR2對第一感應電壓VX進行變壓以產生第二感應電壓。輔助變壓器TR2包括輔助繞組N1、N2。輔助繞組N1可以被視為的輔助變壓器TR2的初級側繞組。輔助繞組N2可以被視為的輔助變壓器TR2的次級側繞組。輔助繞組N2並聯耦接於耦合電感器RX。輔助繞組N2接收第一感應電壓VX。輔助繞組N1產生第二感應電壓。輔助繞組N1與主變壓器TR1的初級側繞組NP串聯耦接以形成一繞組串。應注意的是，繞組串被設計以與諧振槽111的激磁電感器LM並聯耦接。繞組串兩端的電壓差會基於第二感應電壓的改變而改變。因此，輔助繞組N1所產生的第二感應電壓的變化會關聯於諧振電壓變化。
在本實施例中，LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能、第二感應電壓與激磁電感器LM兩端的電壓差呈現正相關。舉例來說，當LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能被增加時，第二感應電壓被對應地抬升。因此，激磁電感器LM兩端的電壓差被對應地增加。在另一方面，當LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能被降低時，第二感應電壓被對應地降低。因此，激磁電感器LM兩端的電壓差被對應地降低。
在本實施例中，偵測電路333包括偵測電阻器RR以及偵測單元3331。偵測電阻器RR與激磁電感器LM以及諧振電容器CR所形成的串聯元件組並聯耦接。偵測電阻器RR提供一諧振電壓值。偵測單元3331耦接於偵測電阻器RR。偵測單元3331提供諧振電壓值的變化來提供偵測結果。
在本實施例中，死區時間控制器334接收偵測單元3331所提供的偵測結果，並反應於偵測結果來提供對應於偵測結果的死區時間控制訊號SS。如果偵測結果表徵出諧振電壓值被上升，死區時間控制器334會提供用以延長死區時間長度DT的死區時間控制訊號SS。如果偵測結果表徵出諧振電壓值被下降，死區時間控制器334會提供用以縮短死區時間長度DT的死區時間控制訊號SS。
應注意的是，在本實施例中，耦合電感器331被設置於諧振轉換裝置300的次級側。因此，死區時間調整電路330能夠接收到LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能。此外，輔助電路332將LLC同步諧振轉換器110的輸出端的電能耦合到諧振槽111。因此，偵測電路333以及死區時間控制器334可以被設置在諧振轉換裝置300的初級側。如此一來，諧振轉換裝置300的次級側的體積得以被縮小。在本實施例中，輔助繞組N1、N2的圈數分別具有較低的圈數，例如是低於5圈。因此，輔助電路332本身也具有較小的體積。
綜上所述，死區時間調整電路將LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能感應耦合到諧振槽，並依據諧振槽的諧振電壓變化來提供死區時間控制訊號。同步整流控制器依據死區時間控制訊號來調整死區時間長度。死區時間調整電路能夠依據不同的負載條件來提供對應的死區時間長度。因此，本發明能夠在不同的負載條件下都能實現零電流截止。如此一來，LLC同步諧振轉換器在不同的負載條件下的轉換效率都能達到最佳化。此外，死區時間調整電路是在諧振轉換裝置的初級側判斷諧振電壓變化，並據以提供死區時間控制訊號。因此，諧振轉換裝置的次級側的體積得以被縮小。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300:諧振轉換裝置 110:LLC同步諧振轉換器 111:諧振槽 120:同步整流控制器 130、230、330:死區時間調整電路 231、331:耦合電感器 232、332:輔助電路 233、333:偵測電路 234、334:死區時間控制器 3331:偵測單元 CO:輸出電容器 CR:諧振電容器 DT:死區時間長度 GD1~GD4:控制訊號 GND1、GND2:接地端 IQ1、IQ2:流經同步整流開關的電流 L1、L2:電感器 LM:激磁電感器 LR:諧振電感器 N1、N2:輔助繞組 ND:連接節點 NP:初級側繞組 NS1、NS2:次級側繞組 PC:感應電能 Q1、Q2:功率開關 Q3、Q4:同步整流開關 RR:偵測電阻器 RX:輔助電阻器 SS:死區時間控制訊號 ST1~ST4:電流差值 t:時間 TR1:主變壓器 TR2:輔助變壓器 VIN:輸入電源 VO:輸出電源 VX:第一感應電壓
圖1是第一同步整流開關以及第二同步整流開關無法達到零電流截止的示意圖。 圖2是依據本發明第一實施例所繪示的諧振轉換裝置的裝置示意圖。 圖3是依據本發明一實施例所繪示的實現零電流截止的示意圖。 圖4是依據本發明第二實施例所繪示的諧振轉換裝置的裝置示意圖。 圖5是依據本發明一實施例所繪示的諧振轉換裝置的電路示意圖。
100:諧振轉換裝置
110:LLC同步諧振轉換器
111:諧振槽
120:同步整流控制器
130:死區時間調整電路
CO:輸出電容器
CR:諧振電容器
DT:死區時間長度
GD1~GD4:控制訊號
GND1、GND2:接地端
IQ1、IQ2:流經同步整流開關的電流
LM:激磁電感器
LR:諧振電感器
ND:連接節點
NP:初級側繞組
NS1、NS2:次級側繞組
Q1、Q2:功率開關
Q3、Q4:同步整流開關
SS:死區時間控制訊號
TR1:主變壓器
VIN:輸入電源
VO:輸出電源

Claims (10)

  1. 一種諧振轉換裝置，包括： 一LLC同步諧振轉換器，包括一諧振槽、一主變壓器以及多個同步整流開關； 一同步整流控制器，耦接於該LLC同步諧振轉換器，經配置以控制該些同步整流開關，其中該些同步整流開關基於一死區時間長度被延遲導通；以及 一死區時間調整電路，耦接於該LLC同步諧振轉換器以及該同步整流控制器，經配置以將該LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能感應耦合到該諧振槽，並依據該諧振槽的一諧振電壓變化來提供一死區時間控制訊號，使該同步整流控制器依據該死區時間控制訊號來調整該死區時間長度。
  2. 如請求項1所述的諧振轉換裝置，其中該LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能、該諧振槽的電壓以及該死區時間長度呈現正相關。
  3. 如請求項1所述的諧振轉換裝置，其中： 該諧振槽包括串聯耦接的一諧振電感器、一激磁電感器以及一諧振電容器，並且 該死區時間調整電路包括： 一偵測電路，與該激磁電感器以及該諧振電容器所形成的一串聯元件組並聯耦接，經配置以提供該串聯元件組的該諧振電壓變化的一偵測結果；以及 一死區時間控制器，耦接於該偵測電路以及該同步整流控制器，經配置以反應於該偵測結果來提供該死區時間控制訊號。
  4. 如請求項3所述的諧振轉換裝置，其中該偵測電路包括： 一偵測電阻器，與該激磁電感器以及該諧振電容器所形成的一串聯元件組並聯耦接，經配置以提供一諧振電壓值；以及 一偵測單元，耦接於該偵測電阻器，經配置以提供該諧振電壓值的變化來提供該偵測結果。
  5. 如請求項1所述的諧振轉換裝置，其中該死區時間調整電路包括： 一耦合電感器，耦接於該LLC同步諧振轉換器的輸出端，經配置以利用感應耦合方式提供對應於該LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能的一感應電能；以及 一輔助電路，耦接於該耦合電感器以及該諧振槽，經配置以將該感應電能感應耦合到該諧振槽。
  6. 如請求項5所述的諧振轉換裝置，其中該耦合電感器包括： 一第一電感器，耦接於該LLC同步諧振轉換器的輸出端與一次級側接地端之間；以及 一第二電感器，耦接於該輔助電路，經配置以提供該感應電能。
  7. 如請求項6所述的諧振轉換裝置，其中該耦合電感器透過該第一電感器接收該LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能，並將該第一電感器上的能量以電壓同步感應方式感應耦合至該第二電感器上，使得該第二電感器提供該感應電能。
  8. 如請求項5所述的諧振轉換裝置，其中該輔助電路包括： 一輔助電阻器，耦接於該耦合電感器，經配置以依據該感應電能來建立一第一感應電壓；以及 一輔助變壓器，耦接於該耦合電感器，經配置以對該第一感應電壓進行變壓以產生一第二感應電壓。
  9. 如請求項8所述的諧振轉換裝置，其中該輔助變壓器包括： 一第一輔助繞組，並聯耦接於該輔助電阻器，經配置以接收該第一感應電壓；以及 一第二輔助繞組，與該主變壓器的一初級側繞組串聯耦接以形成一繞組串，經配置以產生該第二感應電壓， 其中該繞組串與該諧振槽的一激磁電感器並聯耦接， 其中該第二感應電壓的變化關聯於該諧振電壓變化。
  10. 如請求項9所述的諧振轉換裝置，其中該LLC同步諧振轉換器的輸出端的電能、該第二感應電壓與該激磁電感器兩端的電壓差呈現正相關。
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