TWI309498B - Resonant converter and voltage stabilizing method thereof - Google Patents

Description

1309498 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係指一種諧振轉換器及實現其輕載以及空 載壓的方法，尤^曰應用於電源供應器（p〇WeII SUpply) 的諧振直流-直流轉換器。 【先前技術】 直流-直流轉換器的發展趨勢如同大部分的電源 產mi —樣’朝著南效率（High Efficiency)、高功率密度 (High Power Density)、南可靠性（High Reliability)以及 低成本(Low Cost)的方向發展。請參閱第一圖，其為習 用直流-直流轉換器的方塊圖，在第一圖中，直流_直 流轉換器10係由轉換電路級11、二極體整流電路級 12、以及濾波及負載電路級13所構成；其工作原理 為，直流電壓Vin先經過轉換電路級u接受高頻截 波，再經過二極體整流電路級12接受整流，最後被送 至濾波及負載電路級13接受濾波後至負載。 在這種直流_直流轉換器當中，由於能量從轉換電 路級11傳送至濾波及負载電路級13，是一種單向的 傳送途徑’因此在電路工作在輕載或空載時，會出現 輸出電壓不穩定的情形，具體參照第二圖（a)為例。 第二圖（a)係為典型的習用全橋式LLC(電感-電感 -電容）轉換器的電路圖，其一般採用脈波頻率調變 (Pulse Frequency Modulation, PFM) 技術。在第二圖 (a)中，全橋式LLC轉換器20主要包括由開關Q1〜Q4 1309498 和，振電容ci和諧振電感L1和激磁電感L2以及變 壓器T1構成的轉換電路級、二極體D1〜D2構成的二 =體整流電路級、以及電容Com構成的濾、波及負 載電路級等三個部份。其中，Q1與Q2、Q3與Q4分 別構成了兩個橋臂，Q1與Q4、Q3與Q2的驅動信號 各乂接近的占空比進行開關動作。在兩橋臂的中 著彼此串聯的諧振電容C1、諧振電感L1以 二[器丁1的一次側，而激磁電感L2則與變壓器T1 的-次側並聯。另—方面，變壓器τι的二次侧採 „Center、)的架構’係利用兩個二極體m、 用^整流模式，而輸出端則直接採用電容C_ 以進仃濾波穩壓。 對於採用二極體整流的諧振型轉換 存在著一個最小伽^ 二；,2〇在工作頻率最高時可獲得的最小 般轉換器在其工作範園内的增 換器理論上是可以實規—入^曰皿攻個時候的轉 於,丄 實現元全空載的穩定運作。铁而每 "’由於凡件的寄生參數（例如：變愿器―、 :寄生電容等）所引起之寄生振Μ的存在，如果 所如用的是單向導電性 轉換為 :那麼過多的能量便會注：:而;：= 穩定的狀;;為在輕載或空載時，系統常會出現不 針對上述問題，習用技術中至少 J Λ下四種 1309498 解决方案試圖加以解決之。 第—種方法係將注入至 掉，實際的作法是在輪出端加夕^量消耗 耗辦加j存在會使得系統的效率降低，空载損 耗曰加，成本和體積亦會隨之加大。 戟抽 什ft種方法係添加—個獨立的輔助電路，在办巷 或輕載時關閉主要電路，而採 ：在工載 出電壓。這種方、+雜# τ^辅助電路來维持輸 制上n 會增加額外的損耗’但是γ 制上而要進仃負载電壓大小 工 要電路之門^ 日7句斫以及輔助電路與主 . 勺刀換，不但增加了控制的難声， 態性能亦會因此而大幅下降，同本：、 第三種方法係採用間歇式工作桓^也曰i曰加。 來控制輸入至輸出的能量大小。—tM*) 端 現 =四種方法係阻止過多的能量在空㈣注入 其可以猎由改變諧振參數或是諧振阻抗等來實 已知的解決方案有下列三種： 、 (1)US5,388,040 號案件 請參閱第二圖（b)，其為US5,388,〇4〇號 露之習用全橋式LLC轉換器的電路圖，全橋式^ 2換匕2:中與刖述第二圖⑷相同的元件係標；相同 的圖不符號。 、US5，=88,04(M虎案件所採用的是改變譜振參數的 方法]如第二_所示，其係在主要電路中添加—個 與激磁電感L2串聯的開關Sa。透過控制該開關％ 調整等效激磁電感的大小，在輕載或是空載的情況 1309498 下，開通該開關Sa後，整個主要電路的等效激磁電感 便會減小，於是在一定的工作頻率範圍内，整個主要 * 電路的最小電壓增益會減小，整個主要電路便能穩定 地工作。 ' (2)JP8,033,329 號案件 請參閱第二圖（c)，其為JP8,033,329號案件所揭露 之習用全橋式LLC轉換器的電路圖，全橋式LLC轉換 器22中與前述第二圖（a)相同的元件係標示相同的圖 鲁示符號。 JP8,033,329號案件所採用的是改變諧振阻抗的方 法，如第二圖（c)所示。其係在諧振電容C1、諧振電感 L1及變壓器T1 一次侧所構成的諧振回路上增加一個 由電感L2及電容C2所構成的並聯諧振單元，以增加 轉換器22在空載或輕載時該諧振回路的阻抗，從而達 到使系統穩定的作用。但其缺點在於，主要電路在工 作於輕載或空載時，該並聯諧振單元會承受很大的電 φ 壓電流應力。 (3)JP2，106,164 號案件 請參閱第二圖（d)，其為JP2，106,164號案件所揭露 之習用全橋式LLC轉換器的電路圖，全橋式LLC轉換 器23中與前述第二圖（a)相同的元件係標示相同的圖 示符號。 JP2，106，164號案件所採用的方法如第二圖（d)所 示。其係在諧振電容C1處並聯一個由輔助開關S及電 阻R所構成的串聯電路，藉由該串聯電路可以在空載 1309498 上的能量消耗掉，以避免過多的能量 心試=1=::請=習知技術之缺失，乃經悉 案，以下為本案不捨之精神，終構思出本 【發明内容】 輕載提出-種譜振轉換器及實現其 载時由於寄生參數的影響所產生 ^^ 的問題。 王觉個電路工作不穩定 4t之主要構想為提出—種 習知技術，額外地具有一種台门蚀得換15相車乂於 透過整流二極體注乂;二=路’能將過多 至轉換哭鈐入π 、上级、°π輪出為的迠量重新回饋 γ轉換輪人h，这種電路結構所帶來 ， 採用較簡單的控制即可實現。 、… 本案之次要構想為提出一種 以及空載穩虔的方法，係將轉 :白x轉換器輕載 實體電路路徑或减岸電路路/讀出端的能量透過 乂攻應冤路路徑以回饋至 端，實現轉換器之完全空载的穩定營運。 了解本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得更深入之 【實施方式】 請參閱第 圖 〃、為本案—較佳實施例的方塊 1309498 圖。此外在第三圖中，與前述第一圖相同的方塊 示相同的圖示符號。其中’轉換器3G係由—轉換電^ 級u、—二極體整流電路級12、—㈣及負载電路級 、-邏輯電路31、一驅動器％以及一能 路33所構成。 貝电

在第三圖中，該二極體整流電路級12係串聯耦接 於該轉換電路、級η以對該轉換電路級η之輸出進^ 整流’該濾波及負載電路級13係串聯祕於該二極^ 整流電路級以對該二極體整流電路級12之輸 行濾波，該邏輯電路31係耦接於該轉換電路級u以 因應該轉換電路級11產生—邏輯信號，該驅動器32 係串聯耦接於該邏輯電路31以因應該邏輯信號產生 -驅動信號，該能量回饋電路33則係祕於該轉 路級11、該濾波及負載電路級13以及該驅動器而 當該濾、波及負載電路級13輕載或空載時，該能量回 電路33因應該驅動㈣將—能量自波及 路級13回饋至該轉換電路級u。 、 以實際的電路配置圖來看，請參閱第四圖，並 本案-較佳實施例的電路圖。在第四圖中，盥前述第 二圖相同的方塊係標示相同的圖示符號。盆 ΐ:器40, 一串聯諧振轉換器’其係由習用的直V-流轉換器10、邏輯電路31、驅動器 饋電路33所構成。 乂及月匕里回 由電晶體開關 '諧振電容C1、 在第四圖中’轉換電路級包括: Q1〜Q4所構成的一輸入電壓產生電路 10 1309498 谐振電感Ll、一激磁電感L2以及變壓器T1。該激磁 電感L2係並聯於該變壓器τΐ —次側之後再與該諧振 電路串聯，雖然此實施例係以四個電晶體開關Q1〜Q4 所構成的全橋電路作為該輸入電壓產生電路，但亦可 利用兩個電晶體開關所構成的半橋電路作為該輸入電 壓產生電路。 在第四圖中’耦接於變壓器T1二次側的依序是二

極體整流電路級、以及濾波及負載電路級。在此實施 例中，雖然二極體整流電路級係為由二極體Di、'D2 所構成的一二極體全波整流電路，使用但其亦可一二 極體半波整流電路或是一二極體全橋整流電路。而= 波及負載電路級則包括一電容c〇ut，至於負載則力= 以繪製。 、、口 在第四圖中，邏輯電路31的配置電路雖然係以電 阻Ra、二極體Dal、電容Ca以及AND閘等元件來製 =，但其配置方式並非僅限於此例，熟習本項技術者 得以在滿足相同功能的前提之下輕易構思出其他 的邏輯電路31。 … 在第四圖中，能量回饋電路33雖然係以電晶體 關Sa以及與二極體D1反向的二極體〇&來製作广^ 其配置方式並非僅限於此例，熟f本項技術者得以: 滿足相同舰的前提之下輕易#思出其他型態旦 回饋電路33。以本案的技術來說，能量回饋 '里 的配置係包括至少-開關，因此，能量回饋電路33 置方式可以是第五圖⑷所示的單—開關、第五圖（b) = 1309498 不的單一電晶體開關Sa'第五圖⑷所示的單一電 開體Da的串聯連接、第五_所示； =體=a與電阻Ra的串聯連接、第五圖‘ ㈣:上關Sa與電阻Ra與二極體Da的串 聯遠接、疋第，_所示的二個電晶體開關Sa的串 。只要能夠將能量從輸出端傳遞至輸入端，处 =電:33可以是單個開關也可以是 ： 且；可以是單向開關也可以是雙向開關，該 阻，也可以採用外部串聯電阻，㈣ 基本特徵疋能提供第五圖中從 能量通道。 點傳至Α點的可控的 ㈣！2提過’二極體整流電路級可以是二極體半 波整流電路’也可以是二極體全波整 ^

配置作為能量回饋電路並與三=第二圖⑷之 接的電路圖。如第六圖⑷〜電路級麵 電路皆係單一條實體電路路徑，：：：才铲旎1回饋 率最多等於轉換電路級的開關頻；：：饋：：的頻 j :夕實現一_人從輸出到輪入的能量 也可以多個開關週期實現—次能量回饋田= 及第六圖⑷則提供了二條實體電路路徑， 整流電路級的每個二極體上都並聯了"-二體 增加使用能量回饋單元（開關） ，猎由 可以回饋能量兩次； ）朿貫現一個開關週期内 以下配合第七圖之波形圖說明前述第四圖之運作 12 1309498 方式。 邏輯電路31的輸入信號即為電晶體開關Q1與Q4 的驅動信號gQ卜以及電晶體開關Q3與Q2的驅動信 號gQ2。驅動信號gQ2經由電阻Ra、二極體和電 容Ca網路後下降沿被延時而得到信號^，再與驅動 ，號gQ_l進行AND操作後得到—個上升沿與驅動信 同步、但是脈波寬度不大於驅動信號抑的邏 輯，，u2。邏輯信號…經過驅動器32放大後用來驅 ，月一匕量回饋電路33的電晶體開關Sa。電晶體開關％ …極體Da串聯後與主功率二極體m並聯，能提供 ”極體D1自反方向的單向能量傳遞，所以在整體 上二由電晶體開關Sa、二極體Da和二極體⑴所構成 的單元可以實現能量的雙向值、腾 ^ 罝旳雙向傳遞。當二極體D1所在的 變壓器T1二次側繞組電壓3 赍曰触电i ui上升為正時，此時開通 電曰曰體開關Sa。如果在空載時有過多能量傳遞至輸出 端，那麼此時輸出端電壓將大於 U3，因此有電流 從輸出端流向變壓器τι的—次彻丨％二_ 久側，從而實現了能量的 負載加重時，電壓幻大于輪出端電壓，此 極體D1流向輪出，由於存在二極體加， 電路3;==並無電流透過，是故，能量傳遞 %路·3·3對於主要電路在鱼# ^ 仕員载加重時的工作狀鲅盔影 響，並且電晶體開關Sa盥-朽舯η ....... 格的元件。 ―極體加可以採用較小規 明參閱第人圖’其為本案之能量回饋電路的另一 種配置方式的電路圖，不同 同於弟五圖的實體電路路 1309498 ^第八圖中所採用的是感應電路 —個鋪肋沾_ 〇 a &电吟峪仫，亦即，利用 辅助的―:人側繞組與—個開關s構成能量回 8】，以控制能量往—次側回館。At旦 各種輸«波模式的 =樣知用電容直接遽波，則該架構係等效於二圖 的：Ϊ = Γ外’該開關㈣樣可以使用第五圖⑷〜⑴ ^配置方式來取代，只要其能提供從輸出端至輸入端 Φ 的能量通道即可。對於如第六圖⑷般的二極體 王橋整流電路而言，此種架構可以省用—個開關元件。 ▲請參閱第九圖，其為採用第八圖架構之本案另一 較佳實施例的電路圖，其波形圖同第七圖所示。 /在第九圖中，與前述第三、四、八圖相同的方塊 係標示相同的圖示符號。其中，諧振轉換器 聯諧振轉換器，係由習用的直流-直流轉換器i^邏輯 電路31、驅動器32以及能量回饋電路81所構成。惟， 此時輸入電壓產生電路係為由兩個電晶體開關qi、q2 所構成的半橋電路，二極體整流電路級係為二極體全 波整流電路，而能量回饋電路81係由一個輔助的二次 側繞組、電晶體開關Sa以及二極體Da所構成。 邏輯電路31與第四圖中的邏輯電路完全相同，最 後產生一個上升沿與驅動信號gQ1同步、但是脈波寬 度不大於驅動信號gQl的邏輯信號u2;當然也可以使 用現有的反激電路同步整流控制的方法來產生控制信 號。而當變壓器二次側之輔助繞組的電壓u3上升為正 時，此時開通電晶體開關Sa。如果在空載時有過多能 14 1309498 有：端’那麼此時輸出端電壓大於電壓u3， 向變壓器丁1的-次側，從而實現了 載加重時貝雷：迅了空载的穩定營運。同樣的，當負 Dμ帶曰墼U3大於輪出端電壓，由於存在二極體 屈路11 ;日日體開關〜上並無電流通過，是故，能量 傳遞電路81對於主|中*丄 疋又此里 無影響，並且電晶體η負載加重時的工作狀態 小規格的元件。開關sa與二極體以可以採用較 ’τ上所述本案係提供一種諧振轉換器及實現且 載以及空載穩壓的方法，為了解決由於能量單向傳 、而造成輕載或空载時的线不穩定問題，增加 量回饋電路來實現能量的雙向傳遞，將過多透過整^ 級體/主入至輸出端的能量回饋至輸人端，從而保證 系統的穩定營運’增加的能量回饋電路独對於主^ 電路在負載加重時的卫作狀態無影響，並且所使 電晶體開關與二極體可以採用較小規格的元件。。、 本案得由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修 飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。^ 15 1309498 【圖式簡單說明】 第圖·習用直流-直流轉換器的方塊圖； 第二圖（a):習用全橋式LLC轉換器的電路圖； 、第二圖（b): US5,388,040號案件所揭露之習用全橋 式LLC轉換器的電路圖； Π 第二圖（c): JP8,033,329號案件所揭露之習用全橋 式LLC轉換器的電路圖； 〇

第二圖（d): JP2，106，164號案件所揭露之習用全橋 式LLC轉換器的電路圖； 问 第二圖：本案諧振轉換器—較佳實施例的方塊圖. 第四圖：本案諧振轉換器-較佳實施例的電路圖 第五圖⑷〜⑴：本案能量回饋電路的多種配置方 式的電路圖； 第六圖（a)〜⑷：本案能量回饋 電路級耦接之多種配置方式的電路圖.

第七圖：第四圖之諧振轉換器的波形圖； 第八圖：本案之能量回饋電路的 的電路圖；及 另一種配置方式 第九圖： 的電路圖。 採用第八圖架構之本案 另一較佳實施例 16 1309498 • 【主要元件符號說明】 1 〇直流-直流轉換器 * 11轉換電路級 12二極體整流電路級 ' 13濾波及負載電路級 20、21、22、23全橋式LLC轉換器 30、40、80、90串聯諧振轉換器 31邏輯電路 # 32驅動器 33、81能量回饋電路 A、B節點 C1諧振電容 C2、Ca電容 Cout濾波電容

Dl、D2、D3、D4、Da、Dal 二極體 gQl、gQ2 信號 • L1諧振電感 L2激磁電感

Ql、Q2、Q3、Q4電晶體開關 R、 Ra電阻 S、 SI、S2、Sa、Sal、Sa2 開關 ~ T1變壓器 ul、u2、u3 電壓 Vin直流電壓 17

Claims (1)

1309498 、申請專利範園： 1，一種諧振轉換器，包括： 一轉換電路級； 一一極體整流電路級，串聯耦接於該轉換電路 級’對該轉換電路級之輸出進行整流； 一濾波及負載電路級，串聯耦接於該二極體整流 電路級，對該二極齡流電路級之輸A進行減波. 一邏輯電路’搞接於該轉換電路級，因應該轉換 電路級產生一邏輯信號； 一-驅動器，串聯•接於該邏輯電路，因應該邏輯 信號產生一驅動信號；以及 月匕罝回饋電路，耦接於該轉換電路級、該濾波 ^負載電路級及該驅動H、波及負載電路級輕 =空載時’該能量回饋電路因應該驅動信號將一能 置自该濾波及負載電路級回饋至該轉換電路級。 利範圍第1項之諧振轉換器，其中該二極 入正抓電路係選自一二極體半波整流電路、一二極體 王波整流電路及—二極體全橋整流電路JL中之一。 3回1項之諧振轉換器，其中該能量 貝電路係由至少一開關單元所構成。 :二專利|&圍第3項之諧振轉換器，其中該開關 〔、二極體整流電路之一二極體並聯組成一複合單 自該皆振轉換器至少包含一該複合單元，以供能量 波及負載電路級回饋至該轉換電路級。 ’ °申請專利範圍第3項之諧振轉換器，其中該能量 18 1309498 回饋電路更包括-變壓器二次側辅助繞組，該哭 一次側輔助繞組與該開關單元串聯。 其中該 其中該 其中該 其中該 6.如申„請專利範圍第4或5項之諧振轉換器 碉關單元為一開關管與一電阻串聯。 汝申。月專利範圍第4或5項之諸振轉換器 開關單元為一開關管與—二極體串聯。 8.如申請專利範圍第4或5項之諧振轉換器 開關單元為一開關管。 女申明專利範圍第4或5項之諧振轉換器 開關單元為一開關管與一二極體以及一電阻串聯。 10.如申請專利範圍第4或5項之譜振轉換器，其 開關單元為一開關管與另一開關管串聯。' Cn,第1項之諧振轉換器，其中該諧振 轉換1§為一串聯諧振轉換器。 如申睛專利範圍第u項之諧振轉換器，其中 f電路級包括-輸入電壓產生電路、-諧振電路：一 叫電感以及-變壓器，該輸人電壓產生電路輕接於 5玄諧振電路，該激磁電感並聯於該變壓器一次側之德 再與該諧振電路串聯。 13.如申料利範圍帛12項之譜振轉制，1中 入產生電路係選自—半橋電路及—全橋電路其中 ，一，該#振電路包括彼此串聯的-譜 振電感。 电谷汉〇白 H.如申請專利範圍第 波及負載電路級包括 11項之諧振轉換器，其中該濾 —電容。 19 1309498 15.如申請專利範圍第n項之譜振轉換器，其中 輯電路包括一電阻、一二極體、一電容及一 and閑。 ^6.—種實現諧振轉換器輕載以及空载穩壓的方法，該 譜振轉換器包括-轉換電路級、一二極體整流電路級 及—濾波及負載電路級，該二極體整流電路級係串聯 $接於該轉換電路級以對該轉換電路級之輸出進行整 流，該濾波及負載電路級係串聯耦接於該二極體整二 電路級以對該二極體整流電路級之輪出進行濾波，ς 方法包括下列步驟.· ^當該濾波及負載電路級輕載或空載時，將一能量 自該濾波及負載電路級回饋至該轉換電路級。 里 17.如申請專利範圍第16項之實現譜振轉換器輕載以 及空載穩壓的方法，更包括一步驟： 於該轉換電路級與該濾 '波及負载電路級之間設 至少-實體電路路徑，以供能量自該濾波及負載電路 級回饋至該轉換電路級。 2申請專利範圍第16項之實現譜振轉換器輕載或 工載穩壓的方法，#中該二極體整流電路級包括至少 -二極體’而該實體電路路徑係與該等二極體並 :並聯以組成一複合單元’該諧振轉換器至少包含該 稷合單几以實現能量自該濾、波及負载電路級 轉換電路級。 $ 範圍第16項之實現串聯譜振轉換器空 载穩I的方法，更包括一步驟： 於該轉換電路級與該濾、波及負载電路級之間設置 20 1309498 一感應電路路徑，以供該能量自該濾波及負載電路級 回饋至該轉換電路級。

21