TWI396369B - 諧振功率換器及其控制方法 - Google Patents

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Description

諧振功率轉換器及其控制方法
本發明涉及一種諧振功率轉換器，且更進一步來說，涉及一種具有半橋和全橋操作的諧振功率轉換器及其控制方法。
諧振功率轉換器是高效的功率轉換器。其現有技術可在Yang等人的第7,313,004號美國專利“用於諧振功率轉換器的切換控制器(Switching controller for resonant power converter)”中找到。諧振功率轉換器的缺點是其較窄的操作範圍。其無法在較廣的輸入電壓範圍中操作。
本發明提供一種諧振功率轉換器，諧振功率轉換器包含全橋電路、控制電路，以及功率因數校正(Power Factor Correction,PFC)電路。全橋電路響應於切換信號而切換功率變換器。經耦合以接收回授信號和輸入信號的控制電路產生切換信號。回授信號與功率轉換器的輸出有關，且輸入信號與全橋電路的輸入電壓有關，其中全橋電路在輸入信號低於臨界值時操作為全橋切換，且全橋電路在輸入信號高於所述臨界值時操作為半橋切換。PFC電路產生全橋電路的輸入電壓。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1圖係表示根據本發明一較佳實施例的功率轉換器。電容器45和電感裝置(例如變壓器10和其寄生電感器15)形成諧振槽(resonant tank)。電晶體開關20、25和30、35形成用以切換諧振回路的全橋電路。兩個整流器81和82從變壓器10的次級繞組連接到輸出電容器85，用於在電容器85處產生輸出電壓V0。控制電路100產生切換信號SA、SB、SC、SD以分別控制電晶體20、25、30、35。切換信號SA相對於切換信號SB。切換信號SC相對於切換信號SD。在導通與關閉切換信號SA、SB、SC、SD之間產生延遲時間(停滯時間(dead time))。切換信號SA、SB、SC、SD的切換頻率根據用於調節輸出V0的回授信號VFB而變化。齊納二極體(zener diode)92、電阻器91和光耦合器95形成耦合到功率轉換器的輸出V0以產生回授信號VFB的回授電路。
控制電路100進一步經耦合以接收輸入信號VP，用於產生切換信號SA、SB、SC、SD。電阻器51和52形成分壓器耦合到全橋電路的輸入電壓VPFC以產生輸入信號VP。全橋電路在輸入信號VP低於臨界值時操作為全橋切換。全橋電路在輸入信號VP高於臨界值時操作為半橋切換。圖8A到圖8D中顯示半橋切換的操作。圖9A到圖9D中顯示全橋切換的操作。線電壓信號VIN耦合到控制電路100。全橋電路線上電壓信號VIN低於第二臨界值時操作為全橋切換。全橋電路線上電壓信號VIN高於第二臨界值時操作為半橋切換。通過電阻器61，由功率轉換器的線輸入電壓VAC產生線電壓信號VIN。
此外，電感器60、電晶體50、整流器55、電容器70形成用以產生全橋電路的輸入電壓VPFC的PFC電路。PFC電路將線上 電壓信號VIN低於第二臨界值時產生第一輸入電壓VPFC1。PFC電路將線上電壓信號VIN高於第二臨界值時產生第二輸入電壓VPFC2。第二輸入電壓VPFC2高於第一輸入電壓VPFC1。
第2圖為控制電路100的較佳實施例。控制電路100包含經耦合以接收線電壓信號VIN以用於產生控制信號MODE的檢測電路。比較器110、電阻器120、延遲電路150和“及閘160形成檢測電路。一旦線電壓信號VIN低於臨界值信號VT1，將產生控制信號MODE以便啟用全橋切換。延遲電路150提供用於產生控制信號MODE的反跳(Debounce)。PFC控制電路200經耦合以接收輸入信號VP和控制信號MODE，用於產生PFC切換信號SP。PFC切換信號SP經耦合以切換電晶體50和調節PFC電路的輸出。PFC電路的輸出為全橋電路的輸入電壓VPFC。切換電路300經耦合以接收回授信號VFB、輸入信號VP和控制信號MODE，用於產生切換信號SA、SB、SC、SD。切換信號SA、SB、SC、SD分別經耦合以切換電晶體20、25、30、35。切換信號SA、SB、SC、SD的頻率對應於回授信號VFB而變化。
第3圖顯示延遲電路150的電路示意圖。反相器171、電晶體172、定電流源173、電容器175和及閘179形成延遲電路150。輸入信號IN經耦合以通過反相器171控制電晶體172。電流源173經連接以對電容器175充電。輸入信號IN進一步耦合到及閘179的輸入。及閘179的另一輸入耦合到電容器175。一旦啟用輸入信號IN，及閘179的輸出便將在延遲時間後產生輸出信號O。延遲時間由電流源173的電流和電容器175的電容決定。
第4圖為PFC控制電路的較佳實施例。誤差放大器230經耦合以接收輸入信號VP。參考信號VR1和VR2經由開關220和225耦合到誤差放大器230的輸入。控制信號MODE控制開關225。 控制信號MODE通過反相器210控制開關220。參考信號VR1或VR2將通過開關220或225連接到誤差放大器230。誤差放大器230的輸出產生放大信號VCOM，所述放大信號VCOM耦合到脈寬調變(Pulse-Width Modulation,PWM)控制電路250，用於產生PFC切換信號SP。因此，PFC電路將根據參考信號VR1或VR2產生第二輸入電壓VPFC2或第一輸入電壓VPFC1。
第5圖為根據本發明的切換電路300的較佳實施例。電壓控制振盪器500接收回授信號VFB以用於產生振盪信號SW。及閘320、325、反相器310、330、335和延遲電路340、345形成驅動電路(exclusive drive circuit)。驅動電路響應於振盪信號SW而產生信號XA、XB。信號XA通過輸出驅動器380產生切換信號SA。信號XB通過輸出驅動器385產生切換信號SB。延遲電路340和345在切換信號SA、SB、SC、SD的導通與關閉之間提供延遲時間(停滯時間)。
模式致能電路600經耦合以接收控制信號MODE和輸入信號VP，用於產生模式致能信號EN。模式致能信號EN用以決定用於全橋電路之全橋切換或半橋切換。
及閘350、352、360、365、反相器351、370、375和或閘353形成用於回應於信號XA(第一信號)、信號XB(第二信號)和模式致能信號EN而產生切換信號SC(第三信號)、SD(第四信號)的另一驅動電路。將在致能模式致能信號EN時根據信號XA、XB而產生切換信號SC、SD。當停用模式致能信號EN(低準位)時，切換信號SC將關閉且切換信號SD將導通。輸出驅動器390和395輸出切換信號SC、SD。
第6圖為根據本發明的電壓控制振盪器500的電路示意圖。運算放大器510、電晶體511和電阻器512形成用以響應於 回授信號VFB而產生電流I512的V-I電壓-電流電路。電晶體513、514形成用以響應於電流I512而產生電流I514的電流鏡。電流I514的最大值受到定電流源I520限制。電晶體516、517、541、542、543、545和546形成用以產生電流I541、充電電流I546和放電電流I543的其他電流鏡。電流I514經耦合以產生電流I541。電流I541的最大值由定電流源I530確定。電流I541進一步經耦合以產生用於對電容器550充電和放電的充電電流I546和放電電流I543。電容器550響應於開關551、552的導通/關閉而產生波形信號。回應於電容器550的波形信號，比較器561、562、“反及閘”567、568和反相器569產生用以控制開關551、552的控制信號。反相器569的輸出連接到D型觸發器570的時脈輸入，用於產生振盪信號SW。D型觸發器570經連接以操作為除二電路(divided-by-two circuit)，因此振盪信號SW是50%週期信號(Duty cycle)。振盪信號SW的頻率回應於回授信號VFB的減小(輕載)而增大。恒定電流源530的電流決定振盪信號SW的最大頻率。振盪信號SW的頻率回應於回授信號VFB的增加(重載)而減小。定電流源530的電流和定電流源520的電流確定振盪信號SW的最小頻率。
第7圖繪示模式致能電路600。比較器610、延遲電路615、“及”閘620形成另一檢測電路。一旦輸入信號VP低於臨界值信號VT2，將產生控制信號MODE2以啟用全橋切換。延遲電路615提供用於產生控制信號MODE2的反跳。“或”閘630則根據控制信號MODE和控制信號MODE2而啟用模式致能信號EN。
第8A至第8D圖繪示半橋切換的運作。當執行半橋切換時，電晶體30關閉且電晶體35導通。電晶體20和25為開啟及關閉狀態。可將輸出電壓V0表達為
，其中VPFC為輸入電壓VPFC的電壓，n為變壓器的匝數比，η為效率，且增益與諧振回路的Q因數有關。增益的實例繪示於第10圖中，其中VW為諧振回路上的電壓(其為VPFC或VPFC/2)。
在每一切換週期的開始，如第8A圖中所繪示，開關20和35接通，電流I1從輸入電壓VPFC流過開關20、電容器45、電感裝置15和開關35(越過變壓器10的初級繞組)。因此，能量從一次測電路傳遞到二次測電路。能量因此傳遞到輸出端子並以輸出電壓V0輸出。在第8B圖中，開關20關斷，且觸發電流I2從初級繞組之變壓器10流動到開關25的寄生二極體。
在第8C圖中，開關25接通，電流I3從開關25流動到變壓器10的初級繞組且接著流動到電感裝置15和電容器45以用於放電。在第8D圖中，開關25關閉，觸發電流I4從變壓器10的初級繞組經由開關20的寄生二極體流動到輸入電壓VPFC。
第9A圖到第9D圖繪示全橋切換的操作，輸出電壓V0可定義為
在每一切換週期的開始，如第9A圖中所繪示，開關20和35導通，電流I1從輸入電壓VPFC流過開關20、電容器45、電感裝置15和開關35(越過變壓器10的初級繞組)。因此，能量從一次測電路傳遞到二次測電路。能量因此傳遞到輸出端子並以輸出電壓V0輸出。在第9B圖中，開關20和35關閉，且觸發電流I2從變壓器10的初級繞組經由開關25和30的寄生二極體流動到輸入電壓VPFC。
在第9C圖中，開關25和30接通，電流I3從輸入電壓VPFC 流過開關30、電感裝置15、電容器45和開關25(越過變壓器10的初級繞組)。因此，能量從一次測電路傳遞到二次測電路。能量因此傳遞到輸出端子並以輸出電壓V0輸出。在第9D圖中，開關25和30關斷，且觸發電流I4從變壓器10的初級繞組經由開關35和20的寄生二極體流動到輸入電壓VPFC。全橋電路將在其輸入電壓VPFC為低時操作全橋切換。半橋切換將在其輸入電壓VPFC為高時得以執行。PFC電路沒有必要輸入線電壓VAC為低時產生高輸出電壓。因此，實現功率轉換器的較高效率和較廣操作範圍。
根據本發明實施例，當功率轉換器之輸入電壓具有明顯的變換時，切換信號SL之脈波寬度可被調整，且操作不會落在非線性區域。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖：
10‧‧‧變壓器
15‧‧‧寄生電感
45、70‧‧‧電容器
20、25、30、35、50‧‧‧電晶體開關
55、81、82‧‧‧整流器
85‧‧‧電容器
VO‧‧‧輸出/輸出電壓
100‧‧‧控制電路
SA、SB、SC、SD‧‧‧切換信號
92‧‧‧齊納二極體
51、52、61、91‧‧‧電阻器
95‧‧‧光耦合器
VFB‧‧‧回授信號
VP‧‧‧輸入信號
VIN‧‧‧線電壓信號
第2圖：
VIN‧‧‧線電壓信號
120‧‧‧電阻器
110‧‧‧比較器(AMP)
150‧‧‧延遲電路
160‧‧‧及閘
VT1‧‧‧臨界值信號
200‧‧‧PFC控制電路
SP‧‧‧PFC切換信號
VP‧‧‧輸入信號
SA、SB、SC、SD‧‧‧切換信號
300‧‧‧切換電路
MODE‧‧‧控制信號
第3圖：
150‧‧‧延遲電路
171‧‧‧反相器
172‧‧‧電晶體
173‧‧‧定電流源
175‧‧‧電容器
179‧‧‧及閘
IN‧‧‧輸入信號
O‧‧‧輸出信號
第4圖：
230‧‧‧誤差放大器
VP‧‧‧輸入信號
VR1、VR2‧‧‧參考信號
220、225‧‧‧開關
VCOM‧‧‧放大信號
250‧‧‧脈寬調變控制電路
SP‧‧‧PFC切換信號
第5圖：
300‧‧‧切換電路
500‧‧‧電壓控制振盪器
SW‧‧‧振盪信號
320、325、350、352、360、365‧‧‧及閘
310、330、335、351、370、375‧‧‧反相器
340、345‧‧‧延遲電路
380、385、390、395‧‧‧驅動器
600‧‧‧模式致能電路
EN‧‧‧模式致能信號
第6圖：
510‧‧‧運算放大器
511‧‧‧電晶體
512‧‧‧電阻器
I512、I541‧‧‧電流
516、517、541、542、543、545和54‧‧‧電晶體
I546‧‧‧充電電流
I543‧‧‧放電電流
550‧‧‧電容器
561、562‧‧‧比較器
567、568‧‧‧“反及閘”
569‧‧‧反相器
551、552‧‧‧開關
570‧‧‧D型觸發器
第7圖：
610‧‧‧比較器
615‧‧‧延遲電路
620‧‧‧及閘
VT2‧‧‧臨界值信號
630‧‧‧或閘
MODE2‧‧‧控制信號
第1圖繪示根據本發明的較佳實施例的功率轉換器；第2圖為控制電路的優選實施例；第3圖繪示延遲電路的示意圖；第4圖為PFC控制電路的一實施例；第5圖為根據本發明的切換電路的較佳實施例；第6圖為根據本發明的電壓控制振盪器的電路示意圖；第7圖繪示模式致能電路；第8A圖到第8D圖繪示半橋切換的操作； 第9A圖到第9D圖繪示全橋切換的操作；以及第10圖繪示增益的曲線圖。
VIN‧‧‧線電壓信號
120‧‧‧電阻器
110‧‧‧比較器(AMP)
150‧‧‧延遲電路
160‧‧‧及閘
VT1‧‧‧臨界值信號
200‧‧‧PFC控制電路
SP‧‧‧PFC切換信號
VP‧‧‧輸入信號
SA、SB、SC、SD‧‧‧切換信號
300‧‧‧切換電路
MODE‧‧‧控制信號

Claims (6)

  1. 一種諧振功率轉換器，其包括：一全橋電路，其根據複數切換信號而用以切換一功率轉換器；一控制電路，其經耦合以接收一回授信號和一輸入信號以用於產生該等切換信號；其中該回授信號與功率轉換器的輸出有關，且所述輸入信號與所述全橋電路的輸入電壓有關，其中所述全橋電路在所述輸入信號低於臨界值時操作為全橋切換；且所述全橋電路在所述輸入信號高於所述臨界值時操作為半橋切換，其中該控制電路進一步經耦合以接收線電壓信號；其中所述全橋電路在所述線電壓信號低於第二臨界值時操作為全橋切換；且該全橋電路在所述線電壓信號高於所述第二臨界值時操作為半橋切換；所述線電壓信號與所述功率轉換器的線輸入電壓有關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的諧振功率轉換器，其進一步包括：一功率因數校正電路，用以產生該全橋電路的輸入電壓；其中該功率因數校正電路在該線電壓信號低於所述第二臨界值時產生第一輸入電壓；且所述功率因數校正電路在所述線電壓信號高於所述第二臨界值時產生第二輸入電壓；所述第二輸入電壓高於所述第一輸入電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的諧振功率轉換器，其中所述控制電路包括：一切換電路，其根據於該回授信號和該輸入信號而產生該等切換信號；其中該等切換信號包括第一信號、第二信號、 第三信號和第四信號；其中該等切換信號的頻率回應於所述回授信號而變化；對於所述全橋切換，該等切換信號交替地切換；對於所述半橋切換，所述第三信號關閉，所述第四信號導通，且切換該第一信號和該第二信號以進行半橋切換。
  4. 一種用於控制諧振功率轉換器的方法，其包括：根據一回授信號和一輸入信號而用以產生用以驅動全橋電路的切換信號；當該輸入信號低於一臨界值時，依據該等切換號而全橋切換功率轉換器；當所述輸入信號高於所述臨界值時，依據該切換信號而半橋切換該功率轉換器；其中該回授信號與該諧振功率轉換器的輸出有關，且該輸入信號與該全橋電路的輸入電壓有關；根據線電壓信號而產生切換信號；當該線電壓信號低於第二臨界值時，根據於該等切換信號而全橋切換該功率轉換器；及當該線電壓信號高於該第二臨界值時，根據於該等切換信號而半橋切換該功率轉換器；其中該線電壓信號與該諧振功率轉換器的線輸入電壓有關。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其進一步包括：由功率因數校正電路產生該全橋電路的輸入電壓；其中該功率因數校正電路在該線電壓信號低於該第二臨界值時產生第一輸入電壓；且所述功率因數校正電路在該線電壓信號高於所述第二臨界值時產生第二輸入電壓；該第二輸入電壓高於該第一輸入電壓。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該等切換信號包括：一第一信號、第二信號、第三信號和第四信號；其中切換信號的頻率依據於該回授信號而變化；對於該全橋切換，該等切換信號交替地切換；對於所述半橋切換，所述第三信號關閉，所述第四信號導通，且切換該第一信號和該第二信號。
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