TWI392210B - 具過流保護裝置之諧振變換器及其控制方法 - Google Patents

具過流保護裝置之諧振變換器及其控制方法 Download PDF

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Description

具過流保護裝置之諧振變換器及其控制方法
本發明涉及一種諧振電路中的過流保護裝置及方法，尤指一種直流/直流諧振變換器(DC/DC resonant converter)中的過流保護裝置及方法。
直流/直流變換器的發展趨勢如同大部分的電源產品一樣，朝著高效率(High efficiency)、高功率密度(High power density)、高可靠性(High reliability)和低成本(low cost)的方向發展。諧振型變換器如LLC變換器由於具有在全負載範圍內可實現一次側的開關零電壓導通和二次側的整流二極體的零電流開關等優點，近年來越來越多的應用於DC/DC變換器。
然而，在實際應用中，過流保護(Over Current Protection：OCP)是一個比較關鍵的問題。在超載或者是短路時，諧振電路的諧振電流很大，如果不限制和保護，變換器電路會因為過大的電流而損壞失效。OCP電路可以對諧振變換器電路在超載或者是短路時實現快速保護，同時也能限制啟動時的衝擊電流。
為了對諧振電路進行OCP，第一種方法是提高變換器的開關頻率。通過提高開關頻率，增加諧振槽電路的阻抗以實現限流。這種方法簡單易行，但存在以下缺點：OCP保護時，電路的開關頻率遠遠高於正常工作的頻率，開關損耗將大為增加，磁性元件的損耗也將隨之增高，對散熱要求將提高，磁性元件的應力增加，設計磁性元件時為了確保在很高頻(OCP)時也能運行，元件的尺寸亦將大大增加。
第二種方法是變頻加脈寬調製(PWM)方法。實現方法：首先增加諧振電路的開關頻率，當頻率增加到一定程度時，PWM電路開始工作，減小施加在諧振槽上電壓，進而實現限流。這種方法控制較為複雜，在限流模式下零電壓開關(ZVS)會丟失，開關損耗也會增加，對驅動電路要求很高，同時，需要快速保護。
第三種方法是採用二極體箝位諧振電容電壓到輸入電壓以實現限流。第一圖和第五圖分別顯示採用該方法的對稱半橋型和對稱全橋型諧振變換器。第一圖中，半橋型諧振變換器接收一直流輸入電壓Vin，包括開關Qa與Qb，諧振電感Ls，激磁電感Lm，箝位二極體D1-D2、諧振電容Cr1與Cr2(Cr1與Cr2可具有相同的電容值，例如，可為單一諧振電容Cr電容值的一半，即Cr/2)、變壓器T、輸出整流二極體Ds1-Ds2、輸出電容Cf，以及負載(LLC諧振電路的負載在限流時表現為電流源特性，故此處用電流源Io表示)。第五圖中則包括開關Qa-Qd、兩個對稱諧振電感Ls1與Ls2(Ls1與Ls2可具有相同的電感值，例如，可為單一諧振電感Ls電感值的一半，即Ls/2)、兩個對稱激磁電感Lm1與Lm2(Lm1與Lm2可具有相同的電感值，例如，可為單一諧振電感Lm電感值的一半，即Lm/2)、四個箝位二極體D1-D4，Cr分別耦合於連接D1與D2及D3與D4的兩個節點，其二次側的元件則與第一圖中相同。該方法簡單易行，無需額外控制電路即可實現逐周期限流，屬於無源控制。僅僅需要增加二極體，並且諧振電路採用對稱結構即可。但是該方法由於箝位電壓為輸入直流電壓，因此諧振電容上的最大電壓也就只能是輸入電壓，諧振電容兩端電壓值會隨著輸入電壓變化而改變，即箝位電壓隨著輸入電壓變化而改變。這使得諧振電路設計受到一定的限制，諧振電路工作範圍也受到影響。
第四種方法是增加輔助變壓器箝位諧振電容電壓。如第二圖所示即為增加輔助變壓器T1和變壓器T2共同箝位諧振電容Cr電壓到二次側輸出電壓Vo的對稱型半橋諧振電路。諧振電容Cr上的電壓通過輔助變壓器T1和箝位二極體D1-D2箝位到諧振變換器輸出電壓值Vo(輸出視作一個電壓源)。通過設計增加輔助變壓器T1，可以改變箝位電壓值，實現箝位電壓的靈活設計。此方法可以使諧振變換器設計在很大程度上不受箝位電壓限制，但是需要增加額外的磁性元件變壓器T1，引入額外損耗，效率降低，成本增加，還存在安規等問題。
第五種方法是通過在變壓器或者是諧振電感上增加箝位繞阻及箝位二極體共同作用箝位諧振電容電壓的方法。第三圖為在變壓器T1與T2上分別增加箝位繞阻Lm12及Lm22和二極體D1-D2與D3-D4共同作用箝位諧振電容Cr1-Cr2和Cr3-Cr4電壓到輸入電壓Vin的對稱半橋型諧振電路，其一次側包含開關Qa-Qd與諧振電感Ls1-Ls2(同理，Ls1與Ls2可具有相同的電感值，例如，Ls/2)，其二次側則包含輸出整流二極體Ds1-Ds4，輸出電容Cf與電流源Io。第四圖為在諧振電感上增加箝位繞阻和二極體共同作用箝位諧振電容電壓到輸入電壓的對稱半橋型諧振電路。其與第三圖之不同在於一次側之諧振電感Ls1-Ls2皆包含箝位繞阻，且包含激磁電感Lm1-Lm2，其二次側則與第三圖相同。此方法使得磁性元件結構複雜，損耗和成本增加，效率降低。
綜合以上現有技術之過流保護方法可以看出：前述各項習知技術，若不是控制複雜，就是要增加磁性元件，造成成本體積增加，效率降低。二極體箝位諧振電容的方法較為簡單，但是由於其箝位電壓值只能為輸入電壓，所以諧振電容電壓值和直流輸入電壓間存在著直接的函數關係，由於直流輸入電壓的波動，使得箝位電壓值發生變化，限制了電路的工作範圍，尤其是在變換器做動態負載切換時，由於變換器的直流輸入電壓值也是箝位電壓的降低，很容易發生箝位。使其電路參數設計受到限制。
職是之故，發明人鑒於習知技術之缺失，乃思及改良發明之意念，終能發明出本案之「具過流保護裝置之諧振變換器及其控制方法」。
本案之主要目的在於提供一種具過流保護裝置之諧振變換器及其控制方法，在諧振變換器二次側短路時，提供過流保護，並且解決諧振變換器一次側開關電流應力過大的問題，同時也解決了諧振電容電壓只能箝位在輸入電壓，一次側開關電流應力完全由輸入電壓決定，諧振變換器電路設計參數和工作範圍受到限制等問題。
本案之又一主要目的在於提供一種直流/直流諧振變換器，包含一方波發生裝置，用於產生一具有方波波形的電壓，包括一第一輸入端，用於接收一直流輸入電壓，一諧振槽’耦合於該方波發生裝置，包括一第一諧振電容，以及一諧振電感耦合於該第一諧振電容，以及一過流保護裝置，耦合于該第一諧振電容與該第一輸入端之間，包括一第一開關元件，具一第一端與一第二端，以及一第一電壓元件，具一負極端與一正極端，其中該負極端耦合於該第一輸入端，且該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端。
根據上述之構想，該方波發生裝置為一橋式電路，且更包括一第二輸入端，用於接收一直流輸入電壓和一第一橋臂耦接於該第一輸入端與該第二輸入端之間，而該第一橋臂包括一第一切換開關與一第二切換開關耦接於該第一切換開關。
根據上述之構想，其中該第一諧振電容具一第一與一第二端，該過流保護裝置更包括具一第一端與一第二端之一第二開關元件與具一負極端與一正極端之一第二電壓元件，該第一諧振電容之該第一端耦合於該第一電壓元件之該負極端，該第一諧振電容之該第二端耦合於該第二開關元件之該第二端，該第二電壓元件之該負極端耦合於該第二開關元件之該第一端，且該第二電壓元件之該正極端耦合於該第二輸入端。
根據上述之構想，該第一與該第二開關元件分別為各具一陽極與一陰極之一第一與一第二箝位二極體，且各該二極體之該陽極與該陰極即為各該開關元件之該第一端與該第二端。
根據上述之構想，各該第一與該第二電壓元件係選自一壓敏電阻(Varistor)、一氣體放電管(Gas tube)、一單向瞬態電壓抑制器(TVS)、一雙向TVS、一RC並聯組成電路與一將閘極和源極短路的MOSFET其中之任一。
根據上述之構想，該變換器更包括具一第一端與一第二端之一第二諧振電容，其中該第二開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第一端，該第二諧振電容之該第二端耦合於該第二電壓元件之該正極端，且該第二諧振電容之該第一端耦合於該第一諧振電容之該第二端。
根據上述之構想，該變換器更包括一切換開關電路、一激磁電感、一變壓器、一輸出整流電路、一輸出電容與一電流源，且為一LLC諧振變換器，其中該激磁電感、該諧振電感與該輸出電容各具一第一與一第二端，該切換開關電路包括各具一第一與一第二端之一第一與一第二切換開關，該輸出整流電路包括各具一陽極與一陰極之一第一與一第二整流二極體，該變壓器包括一一次側繞阻與一具一第一與一第二端和一中央抽頭之二次側繞阻，該第一切換開關之該第一端耦合於該第一電壓元件之該負極端，該第一切換開關之該第二端耦合於該第二切換開關之該第一端，該第二切換開關之該第二端耦合於該第二電壓元件之該正極端，該諧振電感之該第一端耦合於該第一切換開關之該第二端，該激磁電感之該第一端耦合於該諧振電感之該第二端，該激磁電感之該第二端耦合於該第二開關元件之該第二端，該一次側繞阻並聯電連接於該激磁電感，該二次側繞阻之該第一端耦合於該第一整流二極體之該陽極，該二次側繞阻之該第二端耦合於該第二整流二極體之該陽極，該第一整流二極體之該陰極耦合於該第二整流二極體之該陰極，該輸出電容之該第一端耦合於該第二整流二極體之該陰極，該輸出電容之該第二端耦合於該中央抽頭，且該電流源並聯電連接於該輸出電容。
根據上述之構想，該變換器更包括各具一第一端與一第二端之一第二、一第三與一第四諧振電容，其中該第一諧振電容之該第一端耦合於該第一電壓元件之該負極端，該第一諧振電容之該第二端耦合於該第二開關元件之該第二端，該第二諧振電容之該第二端耦合於該第二電壓元件之該正極端，該第二諧振電容之該第一端耦合於該第一諧振電容之該第二端，該第三諧振電容之該第一端耦合於該第二諧振電容之該第二端與該第二開關元件之該第二端，該第一開關元件之該第一端耦合於該第三諧振電容之該第二端與該第四諧振電容之該第一端，且該第四諧振電容之該第二端耦合於該第二輸入端。
根據上述之構想，該橋式電路為一全橋結構，且包括一第二橋臂耦接於該第一輸入端與該第二輸入端之間，該橋臂包括一第三切換開關與一第四切換開關耦接於該第三切換開關。
根據上述之構想，該第一諧振電容具一第一與一第二端，該過流保護裝置更包括各具一第一端與一第二端之一第二至一第四開關元件，該第一諧振電容之該第一端耦合於該第二開關元件之該第二端，該第一諧振電容之該第二端耦合於該第四開關元件之該第一端，該第二開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第一端，該第三開關元件之該第一端耦合於該第二開關元件之該第一端，該第四開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第二端，該第四開關元件之該第一端耦合於該第三開關元件之該第二端，該第二輸入端耦合於該第三開關元件之該第一端，該第一電壓元件之該負極端耦合於該第一輸入端，且該第一電壓元件之該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端。
根據上述之構想，該第一至該第四開關元件分別為各具一陽極與一陰極之一第一至一第四箝位二極體，且各該二極體之該陽極與該陰極即為各該開關元件之該第一端與該第二端。
根據上述之構想，該變換器為一LLC電路，且更包括一切換開關電路、一第一與一第二諧振電感、一第一與一第二激磁電感、一第一變壓器、一第二變壓器、一同步整流電路、一第一與一第二輸出電容、一輸出電感與一電流源，其中該切換開關電路耦合於該第一與該第二輸入端以及該第一與該第二激磁電感，該第一激磁電感耦合於該第二諧振電感，該第二諧振電感耦合於該諧振電容之該第二端，該第二激磁電感耦合於該第一諧振電感，該第一諧振電感耦合於該第一諧振電容之該第一端，該第一變壓器耦合於該第一激磁電感與該同步整流電路，該第二變壓器耦合於該第二激磁電感與該同步整流電路，該第一與該第二輸出電容及該輸出電感均耦合於該同步整流電路，且該電流源並聯電連接於該第二輸出電容。
根據上述之構想，該第一諧振電容具一第一與一第二端，該過流保護裝置更包括各具一第一端與一第二端之一第二至一第四開關元件，該第一諧振電容之該第一端耦合於該第二開關元件之該第二端，該第一諧振電容之該第二端耦合於該第四開關元件之該第一端，該第二開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第一端，該第三開關元件之該第一端耦合於該第二開關元件之該第一端，該第四開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第二端，該第四開關元件之該第一端耦合於該第三開關元件之該第二端，該第一電壓元件之該負極端耦合於該第一輸入端，該第一電壓元件之該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端，該第二電壓元件之該負極端耦合於該第二開關元件之該第一端，且該第二電壓元件之該正極端耦合於該第二輸入端。
根據上述之構想，該變換器為一LLC電路，且更包括一切換開關電路、一第一與一第二諧振電感、一第一與一第二激磁電感、一變壓器、一同步整流電路、一第一與一第二輸出電容、一輸出電感與一電流源，其中該切換開關電路耦合於該第一與該第二輸入端以及該第一與該第二諧振電感，該第一諧振電感耦合於該第二激磁電感，該第二激磁電感耦合於該第一諧振電容之該第一端，該第二諧振電感耦合於該第一激磁電感，該第一激磁電感耦合於該第一諧振電容之該第二端，該變壓器耦合於該第一與該第二激磁電感與該同步整流電路，該第一與該第二輸出電容及該輸出電感均耦合於該同步整流電路，且該電流源並聯電連接於該第二輸出電容。
根據上述之構想，該變換器更包括一第二與一第三諧振電容，其中該第二與該第三諧振電容各具一第一與一第二端，該第二諧振電容之該第二端耦合於該第一諧振電容之該第一端，且該第三諧振電容之該第一端耦合於該第一諧振電容之該第二端。
根據上述之構想，該變換器為一LLC電路，且更包括一切換開關電路、一第一與一第二諧振電感、一第一與一第二激磁電感、一變壓器、一同步整流電路、一第一與一第二輸出電容、一輸出電感與一電流源，其中該切換開關電路耦合於該第一與該第二輸入端以及該第一與該第二諧振電感，該第一諧振電感耦合於該第二激磁電感，該第二激磁電感耦合於該第二諧振電容之該第一端，該第二諧振電感耦合於該第一激磁電感，該第一激磁電感耦合於該第三諧振電容之該第二端，該變壓器耦合於該第一與該第二激磁電感與該同步整流電路，該第一與該第二輸出電容及該輸出電感均耦合於該同步整流電路，且該電流源並聯電連接於該第二輸出電容。
本案之另一主要目的在於提供一種直流/直流諧振變換器，包含一過流保護裝置，包括一第一開關元件，具一第一端與一第二端，以及一第一電壓元件，具一負極端與一正極端，其中該負極端耦合於一外加之直流輸入電壓源之一正極端，該第一電壓元件之該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端。
根據上述之構想，該變換器更包括一方波發生裝置，用於產生具有方波波形的電壓，包括一第一輸入端，用於接收一直流輸入電壓，以及一諧振槽，耦合於該方波發生裝置，包括一第一諧振電容，以及一諧振電感，耦合於該第一諧振電容。
本案之次一主要目的在於提供一種用於一具一過流保護裝置、一諧振迴路與一具一第一組與一第二組開關之切換開關電路的直流/直流諧振變換器的控制方法，該方法包含下列之步驟：(a)提供一輸入電壓、一諧振電容電壓與一諧振電流；(b)當該變換器在一正常的諧振工作階段，使該切換開關電路之該第一組開關導通；(c)當該諧振電容電壓超過該輸入電壓達到一第一預定值後，使該過流保護裝置導通；以及(d)當該諧振電流從一正向的最大諧振電流值開始減少時，使該第一組開關關斷。
根據上述之構想，該步驟(b)更包括下列之步驟：(b1)使該輸入電壓加載在一諧振回路上；(b2)使該諧振電流從零增加到該正向的最大諧振電流值；以及(b3)使該諧振電容電壓從一負向之最大箝位電壓值增加到一正向之最大箝位電壓值，其中該正向之最大箝位電壓值大於該輸入電壓值。
根據上述之構想，該該步驟(c)更包括下列之步驟：(c1)使該諧振電容電壓被箝位在一正向之最大箝位電壓值；以及(c2)使該諧振電流被限制為該正向的最大諧振電流值。
根據上述之構想，該步驟(d)更包括下列之步驟：(d1)經過一死區時間，而後使該第二組開關以一零電壓切換的方式導通；(d2)施加該輸入電壓之一負值於一諧振迴路上，使該諧振電流從該正向的最大諧振電流值開始下降；(d3)使該諧振電容電壓維持在一正向之最大箝位電壓值一段時間；以及(d4)當該諧振電流下降到一第二預定值後，使該諧振電容電壓亦逐漸下降，直至該諧振電流與該諧振電容電壓均下降到零。
根據上述之構想，該第一組開關為該第二與該第四切換開關，該第二組開關為該第一與該第三切換開關，且該諧振回路為該第一與該第二諧振電感、該第一與該第二激磁電感以及該第一諧振電容。
為了讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明是提供一種諧振變換器的過流保護電路，在諧振變換器二次側短路時，提供過流保護，並且解決諧振變換器一次側開關電流應力過大的問題，同時也解決了諧振電容電壓只能箝位在輸入電壓，一次側開關電流應力完全由輸入電壓決定，諧振變換器電路設計參數和工作範圍受到限制等問題。
當諧振變換器二次側短路時，通過半導體開關(例如箝位二極體)和輔助電路的共同作用，將諧振電容上的電壓的箝位在高於輸入直流電壓一定值。從而達到抑制一次側開關電流應力，設計參數和工作範圍基本不受箝位電路限制的目的。第六圖為本發明在半橋諧振電路上的應用，其與第一圖的不同之處在於增加了第一與第二電壓元件Vx1與Vx2，其中Vx1耦合於D1的陰極與外加的直流電壓源(其電壓值為Vin)之正極端，Vx2耦合於D2的陽極與外加的直流電壓源(其電壓值為Vin)之負極端。第七圖為本發明在全橋諧振電路上的應用。第七圖與第五圖的不同處主要亦在於增加了該第一與該第二電壓元件Vx1與Vx2，其中Vx1耦合於D1與D4的陰極及外加的直流電壓源(其電壓值為Vin)之正極端，Vx2耦合於D2與D3的陽極與外加的直流電壓源(其電壓值為Vin)之負極端，另外其二次側則為一全橋式同步整流電路，包含四個同步整流器SR1-SR4、輸出電容Cf1-Cf2、輸出電感Lf1與負載(此處用電流源To表示)。上述第六與第七圖中之第一與第二較佳實施例，是採用對全部諧振電容的箝位，當然也可以對部分諧振電容進行箝位，如第八圖與第九圖所示。其中第八圖與第六圖的 不同之處在於其增加了兩個諧振電容Cr3與Cr4，彼此串聯電連接，且Cr1的第二端與Cr4的第二端分別耦合於D2的陰極與外加的直流電壓源之該負極端，且D1的陽極分別耦合於Cr3的第二端與Cr4的第一端，而Cr1-Cr4中只有Cr2,Cr3被箝位。第九圖與第七圖的不同之處在於除箝位電容Cr1(相當於第七圖中之Cr)外，第九圖中另行增加了兩個諧振電容Cr2-Cr3(Cr2耦合於Cr1與Lm2，Cr3耦合於Cr1與Lm1)，且Cr1-Cr3中只有Cr1被箝位。在本實施例中如果Cr2、Cr3與Cr1上所承受的電壓成一定的比例，接近於Vx1、Vx2與Cr1上所承受的電壓的比例，則Vx1與Vx2上的電壓可為零。
本發明通過增加額外的電壓元件Vx1/Vx2，可以使箝位電壓高於直流輸入電壓一定值。其中電壓元件Vx1/Vx2可以是第十圖(a)(b)(c)(d)(e)(f)所列舉的部分電路，也可以通過其組合或者其他形式電路實現。其中，第十圖(a)為壓敏電阻(Varistor)，當其兩端承受電壓小於其額定值時，表現為很大的電阻，當其兩端承受的電壓大於其額定值時，Varistor導通，其電壓降為額定電壓，表現為一個電壓源。第十圖(b)為氣體放電管(Gas tube)，當其兩端承受電壓小於額定值時，表現為開路，當其兩端承受電壓高於額定值時，Gas tube導通短路，壓降基本為零，從開路到短路過程相差一定電壓差，可以看作是一個可控電壓源。第十圖(c)-(d)為單向和雙向瞬態電壓抑制器(TVS)，當其兩端承受電壓小於其額定電壓時，表現為很大的電阻，當其 承受電壓大於其額定電壓時，TVS雪崩擊穿，兩端電壓為雪崩電壓即額定電壓值，表現為一個電壓源。第十圖(e)是RC並聯組成網路，當其流過一定電流時，兩端會產生一定的電壓差，可以看作一個可變的電壓源。第十圖(f)是將閘極和源極短路的MOSFET，利用其雪崩擊穿效應，雪崩電壓可以視為電壓源。這些元件或者是組合網路都是自身可以承受一定電壓差，在電路中可以視為一個電壓源。這使得箝位電壓值和直流輸入電壓間不是直接的函數關係，可以使箝位電壓值高於直流輸入電壓值，這樣可以避免動態過程中因直流輸入電壓波動導致的箝位，使得電路設計更加靈活，參數設計及電路工作範圍等幾乎可以不受箝位電壓的限制。在超載或短路時又能迅速有效的實現電流的限制。具有成本低，正常工作不影響效率，結構簡單等優點。並且可以應用於對稱型半橋和全橋諧振變換器電路，也可用於三電位及多電位諧振變換器電路等箝位電路中。
第十一圖所示具二極體和瞬態電壓抑制器(TVS)的對稱型全橋諧振DC/DC變換器，為本發明的第五最佳實施例，此時Qa、Qb、Qc與Qd為諧振變換器的四個一次側開關，組成全橋式切換電路，為了保持對稱結構，實現對諧振電容Cr的電壓箝位，諧振電感Ls和一次側繞阻分成兩部分(Ls1與Ls2及Lm1與Lm2)，諧振電容Cr在中間，整個電路結構是關於諧振電容對稱的，D1，D2，D3，D4為四個箝位半導體開關(例如，二極體)，TVS1與TVS2為瞬態電壓抑制器，是本發明中Vx1/Vx2的一種具體形式，二 次側為全橋同步整流電路與第七圖的二次側相同，變壓器為兩個變壓器(T1+T2)一次側串聯二次側並聯的結構。
第十二圖是如第十一圖所示該最佳實施例工作的波形圖。整個週期分成6個模式，Mode1、Mode2、Mode3、Mode4、Mode5與Mode6，具體分析如下：
Mode1(t0 ~t1 )：電路在正常的諧振工作階段，不發生箝位。開關Qb&Qd導通，輸入電壓Vin加載在諧振電路回路上，電路發生諧振，諧振電流ip從大約為零開始增加到ip限定值 ，諧振電容電壓從負向最大箝位電壓-V箝位 增加到正向最大箝位電壓V箝位 ，該值高於直流輸入電壓V匯流排 的值(即Vin)。二次側同步整流管SR1與SR3導通。
Mode2(t1 ~t2 )：當諧振電容電壓Vcr超過V匯流排 一定值(△V)後，D2、D4、TVS1與TVS2導通(id2&Id4與iTVS )，箝位電路開始起作用，諧振電容電壓Vcr被箝位在V箝位 ，箝位電壓V箝位 比直流匯流排輸入電壓V匯流排 高△V，這個電壓降在TVS上面(VTVS )，箝位時流過D2與D4的電流(id2&Id4)也同時流過TVS1和TVS2(iTVS )，一次側諧振電流被限制為ip限定值 ，且二次側同步整流管SR1與SR3繼續導通。
Mode3(t2 -t3 )：在t2 時刻開關Qb&Qd關斷，經過一段Qa&Qc，Qb&Qd都不導通的死區時間，一次側電流由Qa&Qc體二極體續流後，開關Qa&Qc以ZVS方式開始導通，施加在諧振回路上的電壓為-Vin，一次側電流ip 從ip限定值 下降，諧振電容Cr上的電壓Vcr被箝位於，箝位電壓 值V箝位 ，但是流過箝位二極體D2、D4及TVS的電流(id2&Id4與iTVS )在逐漸下降，在電流下降到一定值後，TVS兩端的壓降也開始下降，到t3 時流過箝位二極體D2、D4和TVS的電流下降到零，而TVS兩端的壓降也降到近似為零。
Mode4(t3 -t4 )、Mode5(t4 -t5 )與Mode6(t5 -t6 )三個模式與前述Mode1(t0 ~t1 )、Mode2(t1 ~t2 )與Mode3(t2 -t3 )三個模式類似，箝位二極體為D1與D3導通起作用。一次側諧振電流被限制在-ip限定值 。諧振電容電壓Vcr被箝位在-V箝位 。
Mode1(t0 ~t1 )，Mode2(t1 ~t2 )，Mode3(t2 -t3 )，Mode4(t3 -t4 )，Mode5(t4 -t5 )與Mode6(t5 -t6 )構成了一個完整的週期。
第八圖及第九圖將諧振電容分開，箝位部分諧振電容電壓的方法，可以進一步提高箝位電壓值。
本發明除了運用於第六圖及第八圖所示之半橋諧振電路，第七圖及第九圖所示之全橋諧振電路OCP箝位外，還包括在三電位及多電位諧振等變換器的OCP箝位以拓展保護電路。本發明可利用單個箝位半導體(例如，二極體)和電壓元件在直流母線的一邊進行箝位，例如，第十三圖顯示一依據本發明構想之第五較佳實施例，其即為以一電壓元件Vx1在直流母線的一邊進行箝位，並以二極體箝位諧振電容電壓的對稱全橋型諧振電路之電路圖。其與第七圖之主要不同處在於，其使用一個電壓元件Vx1進行箝位，而第七圖中使用兩個電壓元件Vx1與Vx2進行箝位。另，第七圖中之變壓器T在第十三圖中被兩個變壓器T1與T2所取代，且諧振電感Ls1與激磁電感Lm2互換位置，以及諧振電感Ls2與激磁電感Lm1互換位置。而第六圖到第九圖、第十一圖與第十三圖中，該橋式電路Qa-Qb或者Qa-Qd為一方波發生裝置。除第十三圖以外，本發明之其他較佳實施例中，為了使電路對稱得到更好的效果而在直流母線兩邊對稱箝位。這種方法簡單易實現，無需額外控制電路，屬於無源可控制，可靠性很高。可以使電路設計更加靈活，使得參數選擇基本上不受箝位電路的限制，具有電路工作範圍大的優點，並且可以根據需要靈活的改變箝位電壓值，使之和直流輸入電壓在一定範圍內實現解耦。因僅需要增加部分電路，故其成本較低。
綜上所述，本發明揭露了一種具過流保護裝置之諧振變換器及其控制方法，在諧振變換器二次側短路時，提供過流保護，並且解決諧振變換器一次側開關電流應力過大的問題，同時也解決了諧振電容電壓只能箝位在輸入電壓，一次側開關電流應力完全由輸入電壓決定，諧振變換器電路設計參數和工作範圍受到限制等問題；因而確實有其進步性與新穎性。
是以，縱使本案已由上述之實施例所詳細敘述而可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。
Vx1‧‧‧第一電壓元件
Vx2‧‧‧第二電壓元件
第一圖：其係顯示一習知之二極體箝位諧振電容電壓到直流輸入電壓的對稱半橋型諧振電路之電路圖；第二圖：其係顯示一習知之採用輔助變壓器箝位諧振電容電壓到變換器輸出二次側的對稱半橋型諧振電路之電路圖；第三圖：其係顯示一習知之在變壓器上增加箝位繞阻和箝位二極體共同作用以箝位諧振電容電壓到直流輸入電壓的對稱半橋型諧振電路之電路圖；第四圖：其係顯示一習知之在諧振電感上增加箝位繞阻和箝位二極體共同作用以箝位諧振電容電壓到直流輸入電壓的對稱半橋型諧振電路之電路圖；第五圖：其係顯示一習知之以二極體箝位諧振電容電壓到直流匯流排輸入電壓的對稱全橋型諧振電路之電路圖；第六圖：其係顯示一依據本發明構想之第一較佳實施例以二極體箝位諧振電容電壓的對稱半橋型諧振電路之電路圖；第七圖：其係顯示一依據本發明構想之第二較佳實施例以二極體箝位諧振電容電壓的對稱全橋型諧振電路之電路圖；第八圖：其係顯示一依據本發明構想之第三較佳實施例以二極體箝位部分諧振電容電壓的對稱半橋型諧振電路之電路圖；第九圖：其係顯示一依據本發明構想之第四較佳實施例以二極體箝位部分諧振電容電壓的對稱全橋型諧振電路之電路圖；第十圖(a)-(f)：其係顯示一依據本發明構想之第一至第四較佳實施例中Vx1/Vx2的各種具體電路的基本結構；第十一圖：其係顯示一依據本發明構想之第五較佳實施例的採用增加TVS之二極體箝位諧振電容電壓到輸入直流電壓的對稱全橋型諧振電路之電路圖；第十二圖：其係顯示一如第十一圖所示之採用增加TVS的二極體箝位諧振電容電壓到輸入直流電壓之對稱全橋型諧振電路的相關波形之波形圖；以及第十三圖：其係顯示一依據本發明構想之第五較佳實施例以二極體箝位諧振電容電壓的對稱全橋型諧振電路之電路圖。
Vx1‧‧‧第一電壓元件
Vx2‧‧‧第二電壓元件

Claims (23)

  1. 一種直流/直流諧振變換器，包含：一方波發生裝置，用於產生一具有方波波形的電壓，包括：一第一輸入端，用於接收一直流輸入電壓；一諧振槽，耦合於該方波發生裝置，包括：一第一諧振電容；以及一諧振電感，耦合於該第一諧振電容；以及一過流保護裝置，耦合于該第一諧振電容與該第一輸入端之間，包括：一第一開關元件，具一第一與一第二端；以及一第一電壓元件，具一負極端與一正極端，其中該負極端耦合於該第一輸入端，且該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之變換器，其中該方波發生裝置為一橋式電路，且更包括一第二輸入端，用於接收該直流輸入電壓和一第一橋臂耦接於該第一輸入端與該第二輸入端之間，而該第一橋臂包括一第一切換開關與一第二切換開關耦接於該第一切換開關。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之變換器，其中該第一諧振電容具一第一與一第二端，該過流保護裝置更包括具一第一端與一第二端之一第二開關元件與具一負極端與一正極端之一第二電壓元件，該第一諧振電容之該第一端耦合於該第一電壓元件之該負極端，該第一諧振電容之該第二端 耦合於該第二開關元件之該第二端，該第二電壓元件之該負極端耦合於該第二開關元件之該第一端，且該第二電壓元件之該正極端耦合於該第二輸入端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之變換器，其中該第一與該第二開關元件分別為各具一陽極與一陰極之一第一與一第二箝位二極體，且各該二極體之該陽極與該陰極即為各該開關元件之該第一端與該第二端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之變換器，其中各該第一與該第二電壓元件係選自一壓敏電阻(Varistor)、一氣體放電管(Gas tube)、一單向瞬態電壓抑制器(TVS)、一雙向TVS、一RC並聯組成電路與一將閘極和源極短路的MOSFET其中之任一。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之變換器更包括具一第一端與一第二端之一第二諧振電容，其中該第二開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第一端，該第二諧振電容之該第二端耦合於該第二電壓元件之該正極端，且該第二諧振電容之該第一端耦合於該第一諧振電容之該第二端。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之變換器更包括一切換開關電路、一激磁電感、一變壓器、一輸出整流電路、一輸出電容與一電流源，且為一LLC諧振變換器，其中該激磁電感、該諧振電感與該輸出電容各具一第一與一第二端，該切換開關電路包括各具一第一與一第二端之該第一與該第二切換開關，該輸出整流電路包括各具一陽極與一陰極之 一第一與一第二整流二極體，該變壓器包括一一次側繞阻與一具一第一與一第二端和一中央抽頭之二次側繞阻，該第一切換開關之該第一端耦合於該第一電壓元件之該負極端，該第一切換開關之該第二端耦合於該第二切換開關之該第一端，該第二切換開關之該第二端耦合於該第二電壓元件之該正極端，該諧振電感之該第一端耦合於該第一切換開關之該第二端，該激磁電感之該第一端耦合於該諧振電感之該第二端，該激磁電感之該第二端耦合於該第二開關元件之該第二端，該一次側繞阻並聯電連接於該激磁電感，該二次側繞阻之該第一端耦合於該第一整流二極體之該陽極，該二次側繞阻之該第二端耦合於該第二整流二極體之該陽極，該第一整流二極體之該陰極耦合於該第二整流二極體之該陰極，該輸出電容之該第一端耦合於該第二整流二極體之該陰極，該輸出電容之該第二端耦合於該中央抽頭，且該電流源並聯電連接於該輸出電容。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之變換器更包括各具一第一端與一第二端之一第二、一第三與一第四諧振電容，其中該第一諧振電容之該第一端耦合於該第一電壓元件之該負極端，該第二諧振電容之該第一端耦合於該第一諧振電容之該第二端，該第三諧振電容之該第一端耦合於該第二諧振電容之該第二端，該第一開關元件之該第一端耦合於該第三諧振電容之該第二端與該第四諧振電容之該第一端，且該第四諧振電容之該第二端耦合於該第二輸入端。
  9. 如申請專利範圍第2項所述之變換器，其中該橋式電路 為一全橋結構，且包括一第二橋臂耦接於該第一輸入端與該第二輸入端之間，該橋臂包括一第三切換開關與一第四切換開關耦接於該第三切換開關。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之變換器，其中該第一諧振電容具一第一與一第二端，該過流保護裝置更包括各具一第一端與一第二端之一第二至一第四開關元件，該第一諧振電容之該第一端耦合於該第二開關元件之該第二端，該第一諧振電容之該第二端耦合於該第四開關元件之該第一端，該第二開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第一端，該第三開關元件之該第一端耦合於該第二開關元件之該第一端，該第四開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第二端，該第四開關元件之該第一端耦合於該第三開關元件之該第二端，該第二輸入端耦合於該第三開關元件之該第一端，該第一電壓元件之該負極端耦合於該第一輸入端，且該第一電壓元件之該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之變換器，其中該第一至該第四開關元件分別為各具一陽極與一陰極之一第一至一第四箝位二極體，且各該二極體之該陽極與該陰極即為各該開關元件之該第一端與該第二端。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之變換器為一LLC電路，且更包括一切換開關電路、一第一與一第二諧振電感、一第一與一第二激磁電感、一第一變壓器、一第二變壓器、一同步整流電路、一第一與一第二輸出電容、一輸出電感 與一電流源，其中該切換開關電路耦合於該第一與該第二輸入端以及該第一與該第二激磁電感，該第一激磁電感耦合於該第二諧振電感，該第二諧振電感耦合於該第一諧振電容之該第二端，該第二激磁電感耦合於該第一諧振電感，該第一諧振電感耦合於該第一諧振電容之該第一端，該第一變壓器耦合於該第一激磁電感與該同步整流電路，該第二變壓器耦合於該第二激磁電感與該同步整流電路，該第一與該第二輸出電容及該輸出電感均耦合於該同步整流電路，且該電流源並聯電連接於該第二輸出電容。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之變換器，其中該第一諧振電容具一第一與一第二端，該過流保護裝置更包括一具一負極端與一正極端之第二電壓元件及各具一第一端與一第二端之一第二至一第四開關元件，該第一諧振電容之該第一端耦合於該第二開關元件之該第二端，該第一諧振電容之該第二端耦合於該第四開關元件之該第一端，該第二開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第一端，該第三開關元件之該第一端耦合於該第二開關元件之該第一端，該第四開關元件之該第二端耦合於該第一開關元件之該第二端，該第四開關元件之該第一端耦合於該第三開關元件之該第二端，該第一電壓元件之該負極端耦合於該第一輸入端，該第一電壓元件之該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端，該第二電壓元件之該負極端耦合於該第二開關元件之該第一端，且該第二電壓元件之該正極端耦合於該第二輸入端。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之變換器為一LLC電路，且更包括一切換開關電路、一第一與一第二諧振電感、一第一與一第二激磁電感、一變壓器、一同步整流電路、一第一與一第二輸出電容、一輸出電感與一電流源，其中該切換開關電路耦合於該第一與該第二輸入端以及該第一與該第二諧振電感，該第一諧振電感耦合於該第二激磁電感，該第二激磁電感耦合於該第一諧振電容之該第一端，該第二諧振電感耦合於該第一激磁電感，該第一激磁電感耦合於該第一諧振電容之該第二端，該變壓器耦合於該第一與該第二激磁電感與該同步整流電路，該第一與該第二輸出電容及該輸出電感均耦合於該同步整流電路，且該電流源並聯電連接於該第二輸出電容。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之變換器更包括一第二與一第三諧振電容，其中該第二與該第三諧振電容各具一第一與一第二端，該第二諧振電容之該第二端耦合於該第一諧振電容之該第一端，且該第三諧振電容之該第一端耦合於該第一諧振電容之該第二端。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之變換器為一LLC電路，且更包括一切換開關電路、一第一與一第二諧振電感、一第一與一第二激磁電感、一變壓器、一同步整流電路、一第一與一第二輸出電容、一輸出電感與一電流源，其中該切換開關電路耦合於該第一與該第二輸入端以及該第一與該第二諧振電感，該第一諧振電感耦合於該第二激磁電感，該第二激磁電感耦合於該第二諧振電容之該第一端， 該第二諧振電感耦合於該第一激磁電感，該第一激磁電感耦合於該第三諧振電容之該第二端，該變壓器耦合於該第一與該第二激磁電感與該同步整流電路，該第一與該第二輸出電容及該輸出電感均耦合於該同步整流電路，且該電流源並聯電連接於該第二輸出電容。
  17. 一種直流/直流諧振變換器，包含：一過流保護裝置，該過流保護裝置包括：一第一開關元件，具一第一端與一第二端；以及一第一電壓元件，具一負極端與一正極端，其中該負極端耦合於一外加之直流輸入電壓源之一正極端，該第一電壓元件之該正極端耦合於該第一開關元件之該第二端。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之變換器更包括：一方波發生裝置，用於產生具有方波波形的電壓，包括一第一輸入端，用於接收一直流輸入電壓；以及一諧振槽，耦合於該方波發生裝置，包括：一第一諧振電容；以及一諧振電感，耦合於該第一諧振電容。
  19. 一種用於一具一過流保護裝置、一諧振迴路與一具一第一組與一第二組開關之切換開關電路的直流/直流諧振變換器的控制方法，該方法包含下列之步驟：(a)提供一輸入電壓、一諧振電容電壓與一諧振電流；(b)當該變換器在一正常的諧振工作階段，使該切換開關電路之該第一組開關導通；(c)當該諧振電容電壓超過該輸入電壓達到一第一預定 值後，使該過流保護裝置導通；以及(d)當該諧振電流從一正向的最大諧振電流值開始減少時，使該第一組開關關斷。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該步驟(b)更包括下列之步驟：(b1)使該輸入電壓加載在該諧振回路上；(b2)使該諧振電流從零增加到該正向的最大諧振電流值；以及(b3)使該諧振電容電壓從一負向之最大箝位電壓值增加到一正向之最大箝位電壓值，其中該正向之最大箝位電壓值大於該輸入電壓值。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該步驟(c)更包括下列之步驟：(c1)使該諧振電容電壓被箝位在一正向之最大箝位電壓值；以及(c2)使該諧振電流被限制為該正向的最大諧振電流值。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該步驟(d)更包括下列之步驟：(d1)經過一死區時間，而後使該第二組開關以一零電壓切換的方式導通；(d2)施加該輸入電壓之一負值於一諧振迴路上，使該諧振電流從該正向的最大諧振電流值開始下降；(d3)使該諧振電容電壓維持在一正向之最大箝位電壓值一段時間；以及 (d4)當該諧振電流下降到一第二預定值後，使該諧振電容電壓亦逐漸下降，直至該諧振電流與該諧振電容電壓均下降到零。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該直流/直流諧振變換器為一如申請專利範圍第14項所述之直流/直流諧振變換器，其中該第一組開關為該第二與該第四切換開關，該第二組開關為該第一與該第三切換開關，且該諧振回路為該第一與該第二諧振電感、該第一與該第二激磁電感以及該第一諧振電容。
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