TWI394357B - Phase shift full bridge power conversion system and its control method - Google Patents

Description

相移全橋電源轉換系統及其控制方法

本發明係關於一種相移全橋電源轉換系統及其控制方法，特別是指一種由輸出負載狀態判斷切換控制方法使電源系統效率最佳化。

近年來，由於全球暖化問題，各國都在設法提升轉換器的效率，藉此降低CO₂ 的排放量，根據統計一般家庭平均有20個裝置在不使用的狀態下持續浪費電力，而這些浪費的電力佔5~10%的總電費，而這些消耗除了維持設備待機動作的電源消耗，還包括設備內部將交流轉為直流的電源轉換器消耗。因此降低電源轉換器待機時消耗顯得非常重要；電源轉換器依據不同的負載條件分成單級或多級的電源系統設計，在低瓦特數的設備中，會使用單級電源設計，常見的低瓦特數單級電源轉換器有：反馳式、順向式、半橋式等單級式電源轉換器，在中高瓦特數的設備中，因為會有功率因數過低的問題，一般會選用兩級的電源設計，第一級為AC/DC功率因數修正器，用來改善功率因數使其接近單位功率因數，第二級為全橋相移式DC/DC轉換器，提供高效率及穩定的直流電壓；然而兩級電源系統在待機的狀態，為了降低消耗，第一級會停止切換，但電源系統仍然需輸出穩定的直流電壓供給負載使用，因此第二級需持續切換，而此時大部分的待機消耗都會產生於第二級全橋相移式DC/DC轉換器上；但是相移全橋轉換器無法在輕載條件下達到零電壓切換，所以在輕載時仍然使用相移控制也會造成多餘的能量損耗。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。

本案發明人鑑於上述習用之方法所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功來完成本件相移全橋電源轉換系統及其控制方法。

本發明之目的即在於提供一種相移全橋電源轉換系統及其控制方法，係為了提供一種針對負載狀態而改變調變器輸出的方法及裝置，並使其具有降低待機損耗及提高輕載效率的；本發明之次要目的即在於提供一種相移全橋電源轉換系統及其控制方法，係為了解決在輕載時仍然使用相移控制將會造成多餘的能量損耗，因此若是電源轉換系統可以針對不同負載狀態改變調變器輸出，將可有效改善全橋轉換器輕載之效率。

達成上述發明目的之相移全橋電源轉換系統及其控制方法，該相移全橋電源轉換系統係包括了一電源轉換器、一控制器、一負載狀態偵測模組、一切換控制器、一開關模組、一命令產生模組、一比較器及一調變器模組，其中該負載狀態偵測模組係與電源轉換器及切換控制器相介接，因此該負載狀態偵測模組偵測得到電源轉換器的負載參數資料後，會輸出至切換控制器中，而該切換控制器可由負載參數資料來判斷負載狀態(待機、輕載及重載三種狀態)並控制開關模組，使其電源轉換器改變其切換模式(待機、輕載及重載三種切換模式)，另外該控制器取得由比較器輸出之輸出電壓與命令電壓的誤差值後，藉由誤差值計算責任週期，並藉由責任週期參數產生一脈波控制訊號以輸入電源轉換器進行驅動控制。

請參閱圖一及圖二，為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之相移全橋電源轉換系統之架構圖及電路示意圖，其中係包含：一電源轉換器1，係與負載狀態偵測模組2、第二開關元件42及比較器6相介接，係負責將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，而該電源轉換器1係包括了一驅動單元、四個受該驅動單元驅動導通與截止的開關元件、一耦接於開關元件之電感、一耦接於一二次側之變壓器、一耦接於變壓器二次側之整流電路、一耦接於整流電路之輸出濾波器；一負載狀態偵測模組2，係與電源轉換器1及切換控制器3相介接，可將電源轉換器1輸出之參數(例如輸出電流、開關元件電流、電感電流、輸出電壓及責任週期等參數資料)轉換成一負載參數資料，會傳送至切換控制器3中，因此該負載狀態偵測模組2係可採用與負載參數資料有相依特性之回授電路做為前端輸入電路；另外該負載狀態偵測模組2可依照電源轉換器1輸出之參數，而進行電路設計，以便能輸出一負載參數資料，而該負載參數資料係為一種能使切換控制器3判斷負載狀態之參數資料(如負載參數資料為一電壓，切換控制器3則能藉由電壓之位準來判斷負載狀態)；一切換控制器3，係與負載狀態偵測模組2、第一開關元件41及第二開關元件42相介接，該切換控制器3可由負載參數資料來判斷負載狀態，並控制第一開關元件41及第二開關元件42，使其電源轉換器1改變其切換模式(待機、輕載及重載三種切換模式)；其中該切換控制器3可為類比控制器或數位控制器等控制電路組成；一開關模組，係包含了一第一開關元件41及一第二開關元件42，其中該第一開關元件41係與切換控制器3、命令產生模組5及比較器6相介接，當第一開關元件41開啟時，會將待機電壓命令產生器51與比較器6相連接，而當第一開關元件41關閉時，會將定電壓命令產生器52與比較器6相連接；另外該第二開關元件42係與電源轉換器1、切換控制器3及調變器模組8相介接，當第二開關元件42開啟時，會將脈波寬度調變訊號產生器81與電源轉換器1相連接，而當第二開關元件42關閉時，會將相移調變訊號產生器82與電源轉換器1相連接；一命令產生模組5，係包含了待機電壓命令產生器51及定電壓命令產生器52，而該命令產生模組5係與第一開關元件41相介接，並負責產生兩種電壓命令(待機電壓命令、定電壓命令)，其中待機電壓命令是用來產生在待機時的電壓命令使待機的損耗降低，而定電壓命令是用來產生一固定電壓命令使輸出穩在固定電壓；另外該切換控制器可為類比控制器或數位控制器等控制電路組成；一比較器6，係與電源轉換器1、第一開關元件41及控制器7相介接，係會比較電源轉換器1之輸出電壓V_out 與命令產生模組5輸出之參考電壓V_ref ，而得出一誤差值；一控制器7，係與比較器6及調變器模組8相介接，該控制器7依據比較器6輸出的誤差值，來計算出責任週期參數D給調變器模組8產生一脈波控制訊號以進行驅動控制；另外該控制器7可為類比控制器或數位控制器等控制電路組成；一調變器模組8，係包含了脈波寬度調變訊號產生器81及相移調變訊號產生器82，該調變器模組8係與控制器7及第二開關元件42相介接，負責產生兩種調變訊號(脈波寬度調變訊號及相移調變訊號)，再輸入電源轉換器1之驅動單元中，以控制四個開關元件的導通與截止；另外該調變器模組可為類比電路或數位電路等可產生脈波寬度及相移控制之電路組成。

請參閱圖三，為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之相移全橋電源轉換系統之實施例圖，其中該相移全橋電源轉換系統係藉由切換控制來達到降低待機損耗及提高輕載效率之功能，其控制方法為：

(1)該負載狀態偵測電路2可直接或間接的獲得電源轉換器1輸出的參數資料(輸出電流I_out )，並再輸出一輸出電壓(負載參數資料)來控制該切換控制器3；

(2)而該切換控制器3取得負載參數資料後，可由輸出電壓判斷負載狀態，並控制第一開關元件S₁ 及第二開關元件S₂ ，使電源轉換器1改變切換模式(而該輸出電壓係利用與負載有相依特性之訊號回授而得)；

(3)而當負載狀態為待機時，此時電源轉換器1操作在待機切換模式，因此第一開關元件S₁ 及第二開關元件S₂ 皆為開啟，而該命令產生模組5產生待機電壓命令，另外該調變器模組8會產生脈波寬度調變控制訊號給電源轉換器1之驅動單元(控制器7藉由比較器6取得該輸出電壓與命令訊號的誤差值，再由該誤差值計算責任週期參數D，並輸入調變器模組8以產生一調變訊號，來進行驅動控制)；

(4)當負載增加到輕載狀態時，此時電源轉換器1操作在輕載切換模式，因此第一開關元件S₁ 為關閉及第二開關元件S₂ 為開啟，而該命令產生模組5產生定電壓命令，另外該調變器模組8產生脈波寬度調變控制訊號給電源轉換器1之驅動單元；因為在輕載時，相移全橋轉換器無法達到零電壓切換，卻又造成多餘的環流損失及驅動損失；

(5)在負載增加到重載狀態時，此時電源轉換器1操作在重載切換模式，因此第一開關元件S₁ 及第二開關元件S₂ 皆為關閉，而該命令產生模組5產生定電壓命令，另外該調變器模組8產生相移式調變訊號給電源轉換器1之驅動單元；在重載時，一次側元件均能達到零電壓切換，因此可降低切換損失，並且提升電源系統效率，切換控制器的開關狀態如表一所示。

請參閱圖四，為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之切換模式轉換圖，由圖中可知，在不同負載條件下的切換模式分為待機切換模式、輕載切換模式及重載切換模式(而該三種負載狀態之間的轉換點包含效率及零電壓切換時間點)，三種切換模式轉換狀況如下：

(1)當負載狀態在待機時，使用待機切換模式；

(2)而當負載增加時，由最佳效率點決定轉到重載切換模式的時機(效率的定義為輸出功率除以輸入功率)，當在輕載的狀態時，輕載狀態的切換方式比重載狀態的切換方式得到較高的效率；

(3)反之，於重載狀態時，重載狀態的切換方式可以比輕載狀態的切換方式得到較高的效率。

請參閱圖五A至圖五C，為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之不同切換模式下的開關Q1~Q4驅動波形圖，分別為待機、輕載及重載狀態之切換方式，說明該較佳實施例在不同切換模式下的開關Q1~Q4驅動波形圖。

請參閱圖六，為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之待機電壓命令產生與脈波寬度調變之關係波形圖，其中該待機電壓命令的產生是藉由回授電壓的狀態使改變電壓命令到輸出電壓上限或下限，當回授電壓頂到輸出電壓上限，電壓命令改變到輸出電壓下限；當回授電壓降到輸出電壓下限，電壓命令改變到輸出電壓上限，由此方式使控制器計算的責任週期參數在回授電壓頂到輸出電壓上限時，調變器模組停止切換，當回授電壓降到輸出電壓下限時，調變器模組開始切換(待機狀態時，調變器模組切換於一段時間後，就停止切換於一段時間之內，然後再重新開始切換，一直重複此運作)；待機電壓命令可有效的改善待機損失，因此可降低待機損耗。

請參閱圖七，為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之定電壓命令產生與脈波寬度調變之關係波形圖，當負載增加到輕載狀態(負載電流較小)及重載狀態(負載電流較大)時，會切換產生定電壓命令，而該定電壓命令是用來產生一固定電壓命令(固定的電壓參考值)使輸出穩在固定電壓，再由控制器計算出責任週期參數(該責任週期是由回授輸出電壓與命令電壓比較後經過控制器得到)以輸入調變器模組，而該調變器模組會持續一直進行切換，與待機狀態切換模式大不相同。

本發明所提供之相移全橋電源轉換系統及其控制方法，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.本發明之相移全橋電源轉換系統及其控制方法，係可改善相移全橋轉換電源系統，並能針對不同負載條件改變切換控制，因此使轉換器得到最佳化的效率。

2.本發明之相移全橋電源轉換系統及其控制方法，係為針對不同負載狀態改變調變器模式，因此能有助於實行對於相移全橋電源轉換系統降低待機損耗(環流損失及驅動損失)及提高輕載效率。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．電源轉換器

2．．．負載狀態偵測模組

3．．．切換控制器

41．．．第一開關元件

42．．．第二開關元件

5．．．命令產生模組

51．．．待機電壓命令產生器

52．．．定電壓命令產生器

6．．．比較器

7．．．控制器

8．．．調變器模組

81．．．脈波寬度調變訊號產生器

82．．．相移調變訊號產生器

圖一為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之相移全橋電源轉換系統之架構圖；

圖二為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之相移全橋電源轉換系統之電路示意圖；

圖三為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之相移全橋電源轉換系統之實施例圖；

圖四為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之相移全橋電源轉換系統之切換模式轉換圖；

圖五A為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之待機切換模式下的開關Q1~Q4驅動波形圖；

圖五B為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之輕載切換模式下的開關Q1~Q4驅動波形圖；

圖五C為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之重載切換模式下的開關Q1~Q4驅動波形圖；

圖六為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之待機電壓命令產生與脈波寬度調變之關係波形圖；以及

圖七為本發明相移全橋電源轉換系統及其控制方法之定電壓命令產生與脈波寬度調變之關係波形圖。

1．．．電源轉換器

2．．．負載狀態偵測模組

3．．．切換控制器

41．．．第一開關元件

42．．．第二開關元件

5．．．命令產生模組

51．．．待機電壓命令產生器

52．．．定電壓命令產生器

6．．．比較器

7．．．控制器

8．．．調變器模組

81．．．脈波寬度調變訊號產生器

82．．．相移調變訊號產生器

Claims (15)

1. 一種相移全橋電源轉換系統，其包含：一電源轉換器，係與負載狀態偵測模組、第二開關元件及比較器相介接，係負責將一輸入電壓轉換為一輸出電壓；一負載狀態偵測模組，係與電源轉換器及切換控制器相介接，而該負載狀態偵測模組將電源轉換器輸出之參數轉換成一負載參數資料，並再輸出至切換控制器中；一切換控制器，係與負載狀態偵測模組、第一開關元件及第二開關元件相介接，該切換控制器可由負載參數資料來判斷負載狀態，並控制第一開關元件及第二開關元件；一開關模組，係包含了一第一開關元件及一第二開關元件；一命令產生模組，係與第一開關元件相介接，並負責產生電壓命令；一比較器，係與電源轉換器、第一開關元件及控制器相介接，係會比較電源轉換器之輸出電壓與命令產生模組輸出之參考電壓，而得出一誤差值；一控制器，係與比較器及調變器模組相介接，該控制器依據比較器輸出的誤差值，來計算出責任週期參數；一調變器模組，係與控制器及第二開關元件相介接，負責產生調變訊號，並輸入至電源轉換器以進行驅動控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統之驅動控制裝置，其中該電源轉換器輸出之參數可為輸出電流、開關元件電流、電感電流、輸出電壓及責任週期等參數資料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統之驅動控制裝置，其中該負載狀態偵測模組係可採用與負載參數資料有相依特性之回授電路做為前端輸入電路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統之驅動控制裝置，其中該命令產生模組係包含了待機電壓命令產生器及定電壓命令產生器，負責產生待機電壓命令及定電壓命令。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統之驅動控制裝置，其中該調變器模組係包含了脈波寬度調變訊號產生器及相移調變訊號產生器，負責產生脈波寬度調變訊號及相移調變訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統之驅動控制裝置，其中該切換控制器可為類比控制器或數位控制器等控制電路組成。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統之驅動控制裝置，其中該控制器可為類比控制器或數位控制器等控制電路組成。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換系統之驅動控制裝置，其中該該調變器模組可為類比電路或數位電路等可產生脈波寬度及相移控制之電路組成。
9. 一種相移全橋電源轉換系統控制方法，其步驟包含：1) 該負載狀態偵測電路可直接或間接的獲得電源轉換器的輸出參數資料，並再輸出一負載參數資料來控制該切換控制器；2) 而該切換控制器可由負載參數資料來判斷負載狀態，並控制第一開關元件及第二開關元件，使電源轉換器改變切換模式；3) 控制器藉由比較器取得該輸出電壓與命令訊號的誤差值，再由該誤差值計算責任週期參數，並輸入調變器模組以產生一調變訊號，來進行驅動控制。
10. 如申請專利範圍第9項所述之相移全橋電源轉換系統控制方法，其中該負載狀態為待機時，此時電源轉換器操作在待機切換模式，因此第一開關元件及第二開關元件皆為開啟，而該命令產生模組產生待機電壓命令，另外該調變器模組會產生脈波寬度調變控制訊號給電源轉換器之驅動單元。
11. 如申請專利範圍第10項所述之相移全橋電源轉換系統控制方法，其中該待機電壓命令的產生係利用改變電壓命令到輸出電壓的上限及下限，由控制器的責任週期參數決定調變器模組開始切換及停止切換的時間。
12. 如申請專利範圍第9項所述之相移全橋電源轉換系統控制方法，其中該負載狀態為輕載狀態時，此時電源轉換器操作在輕載切換模式，因此第一開關元件為關閉及第二開關元件為開啟，而該命令產生模組產生定電壓命令，另外該調變器模組產生脈波寬度調變控制訊號給電源轉換器之驅動單元。
13. 如申請專利範圍第9項所述之相移全橋電源轉換系統控制方法，其中該負載狀態為重載狀態時，此時電源轉換器操作在重載切換模式，因此第一開關元件及第二開關元件皆為關閉，而該命令產生模組產生定電壓命令，另外該調變器模組產生相移式調變訊號給電源轉換器之驅動單元。
14. 如申請專利範圍第9項所述之相移全橋電源轉換系統控制方法，其中該負載狀態之間的轉換點包含了效率及零電壓切換時間點。
15. 如申請專利範圍第9項所述之相移全橋電源轉換系統控制方法，其中該負載參數資料係利用與負載有相依特性之訊號回授而得，而相依特性之訊號可為輸出電流、開關元件電流、電感電流、輸出電壓及責任週期參數等參數資料。