TWI422135B - 電源供應裝置 - Google Patents

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TWI422135B
TWI422135B TW099101201A TW99101201A TWI422135B TW I422135 B TWI422135 B TW I422135B TW 099101201 A TW099101201 A TW 099101201A TW 99101201 A TW99101201 A TW 99101201A TW I422135 B TWI422135 B TW I422135B
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Mingzhu Li
Qinglin Zhao
Zhihong Ye
Chunlin Zhang
Xuezheng Ding
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Lite On Electronics Guangzhou
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Description

電源供應裝置
本發明是有關於一種電源供應裝置,特別是指一種採用諧振變換電路的電源供應裝置。
諧振變換器具有高效率等優點,因此常應用於大功率隔離直流/直流變換的領域上,但是由於諧振變換器的電流為正弦波形,整流後的輸出電流的漣波(ripple)有效值很大,尤其在功率稍大的場合,常需要用很多個電容並聯來滿足漣波及應力要求。利用多級諧振變換器在相位彼此錯開的情況下並聯輸出是解決該問題的一種有效方法。但是由於諧振變換器為變頻率調節,無法採用脈衝寬度調變(PWM)類DC/DC變換器的控制方法來實現交錯並聯。因此諧振類變換器的交錯並聯也是一直以來的一個難題。
圖1為習知的一種諧振類變換器交錯並聯方案。參閱圖1,為習知的電源供應裝置900,其中一第一諧振電路91及一第二諧振電路92並聯輸出一供應電壓VO 。其中,主要有兩個回授(feedback)路徑,第一回授路徑(均流控制迴路(control loop)---用以尋找合適的工作頻率):第一諧振電路91及第二諧振電路92的輸出電流iOA 、iOB 經過減法器96及平衡負載控制器97到第一諧振電路91及第二諧振電路92,減法器96將輸出電流iOA 、iOB 相減,平衡負載控制器97根據相減後的結果產生一驅動訊號,以控制第一諧振電路91及第二諧振電路92中功率開關(圖未示)的切換頻率,進而調節第一諧振電路91及第二諧振電路92的輸出電流iOA 、iOB 。第二回授路徑(穩壓控制迴路---用以穩定兩個諧振電路的輸出電壓):供應電壓VO 經過電壓控制器93到降壓轉換器(buck converter)94。電壓控制器93根據供應電壓VO 產生一控制訊號d,以控制降壓轉換器94中的功率開關(圖未示)的切換,將功因修正器95所輸出400V的電壓轉換成合適的輸出以使得兩諧振電路的輸出為需要的輸出電壓。
但是,習知的控制方法需要取樣第一諧振電路91及第二諧振電路92的輸出電流iOA 、iOB ,控制方式較複雜,且加入降壓轉換器94會降低電源供應裝置100的效率。此外,由於這種控制方法需要尋找合適的工作頻率(兩個諧振變換器增益的相交點)來平衡兩個諧振變換器的負載電流,該工作點較難控制,不利於諧振電路效率的優化。
因此,本發明之目的,即在提供一種可以達到均流輸出的電源供應裝置。
於是,本發明電源供應裝置,係用以接收一交流電力並產生一供應電壓輸出,其中包含:一第一功因修正器、一第二功因修正器、一第一諧振電路及一第二諧振電路。
第一功因修正器接收交流電力並受一第一驅動訊號驅動而將該交流電力整流後輸出一第一驅動電壓(第一驅動電壓受第一電壓調節器控制);第二功因修正器接收交流電力並受一第二驅動訊號驅動而將該交流電力整流後輸出一第二驅動電壓,該第二驅動訊號與第一驅動訊號相同(或只相差一相位);第一諧振電路與第二諧振電路的驅動信號相同(或只相差一相位),第一諧振電路耦接於第一功因修正器;第二諧振電路耦接於第二功因修正器且其輸出端與該第一諧振電路的輸出端並聯。
如此,當第一諧振電路的增益大於第二諧振電路時,則第一驅動電壓會小於第二驅動電壓;當第一諧振電路的增益小於第二諧振電路,則第一驅動電壓會大於第二驅動電壓,使得第一諧振電路與第二諧振電路的輸出電流相同。
較佳地,電源供應裝置還包含一耦接於第一功因修正器與第二功因修正器的均流調節電路,其根據第一驅動電壓產生第一驅動訊號及第二驅動訊號,以穩定第一驅動電壓並產生第二驅動電壓。
於第一功因修正器及第二功因修正器操作在不連續導通模式及臨界導通模式其中之一時,均流調節電路包括一耦接於第一功因修正器的第一電壓調節器及一耦接於第一電壓調節器與第二功因修正器之間的第一移相電路。其中,第一電壓調節器根據第一驅動電壓產生對應該第一驅動電壓的第一驅動訊號,第一移相電路接收第一驅動訊號,並將其移相一第一特定角度以產生第二驅動訊號。
於第一功因修正器及第二功因修正器操作在連續導通模式時,均流調節電路包括:一電壓控制器、一第一減法器、一第二減法器、一第一電流調節器及一第二電流調節器。
電壓控制器耦接於第一功因修正器,用以根據第一驅動電壓產生一參考電流;第一減法器耦接於第一功因修正器及電壓控制器,用以將第一功因修正器的一儲能電感的電流與參考電流相減後輸出;第一電流調節器耦接於第一減法器與第一功因修正器之間,用以根據第一減法器的輸出結果產生第一驅動訊號。
第二減法器耦接於第二功因修正器及電壓控制器,用以將第二功因修正器的一儲能電感的電流與參考電流相減後輸出;第二電流調節器耦接於第二減法器與第二功因修正器之間,用以根據第二減法器的輸出結果產生第二驅動訊號。
較佳地,電源供應裝置還包含一耦接於第一諧振電路與第二諧振電路的穩壓電路,其根據第一諧振電路的輸出電壓產生一驅動第一諧振電路的第一控制訊號及一驅動第二諧振電路的第二控制訊號,以穩定第一諧振電路與第二諧振電路的輸出電壓。
進一步地,穩壓電路包括一耦接於第一諧振電路的第二電壓調節器及一耦接於該第一諧振電路與第二諧振電路之間的第二移相電路。其中,第二電壓調節器根據第一諧振電路的輸出電壓產生對應輸出電壓的第一控制訊號,第二移相電路接收第一控制訊號,並將其移相一第二特定角度以產生第二控制訊號。
本發明之功效在於,電源供應裝置會根據第一功因修正器與第二功因修正器的負載差異而自動調節第二驅動電壓,以補償第一諧振電路與第二諧振電路的增益差異,使其達到均流之目的。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之兩個較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前,要注意的是,在以下的說明內容中,類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2,為本發明電源供應裝置之第一較佳實施例,該電源供應裝置100用以提供一個穩定的供應電壓Vo且其中的多組諧振電路可達到均流輸出,其主要是應用於伺服器(server)電源、工作站(workstation)電源、通信電源、臺式機電源、遊戲機電源、平板電視(Flat Panel)電源及分散式電源系統(Distributed Power System)等。該電源供應裝置100包含一第一功因修正器(Power Factor Corrector,PFC)1、一第二功因修正器2、一第一諧振電路3、一第二諧振電路4、一均流調節電路5及一穩壓電路6。
第一功因修正器1與第二功因修正器2的輸入端相互並聯且接收一交流電力,該交流電力為商用交流電壓。第一功因修正器1將交流電力整流後輸出一第一驅動電壓VD1 ,第二功因修正器2則將交流電力整流後輸出一第二驅動電壓VD2 。在本實施例中,第一功因修正器1及第二功因修正器2操作於不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)或是臨界導通模式(Critical Conduction Mode,CRM)。
第一諧振電路3與第二諧振電路4可為LC並聯/串聯諧振變換器或是LLC並聯/串聯諧振變換器等各種諧振變換器,且兩者的輸出端相互並聯並輸出供應電壓VO 。第一諧振電路3的輸入端耦接於第一功因修正器1的輸出端,用以接收第一驅動電壓VD1 並將其轉換成直流輸出電壓VO1 ;第二諧振電路4的輸入端耦接於第二功因修正器2的輸出端,用以接收第二驅動電壓VD2 並將其轉換成直流輸出電壓VO2
均流調節電路5耦接於第一功因修正器1及第二功因修正器2,用以穩定第一驅動電壓VD1 並調節第二驅動電壓VD2 ,以均分第一功因修正器1及第二功因修正器2兩路的電流,使得第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出電流IO1 、IO2 能夠相同。在本實施例中,均流調節電路5根據第一驅動電壓VD1 產生一第一驅動訊號D1及一第二驅動訊號D2,並將其分別驅動第一功因修正器1與第二功因修正器2,且其中包括一第一電壓調節器51及一第一移相電路52。
第一電壓調節器51耦接於第一功因修正器1,其根據第一驅動電壓VD1 產生第一驅動訊號D1,該第一驅動訊號D1為數位脈波訊號,用以驅動第一功因修正器1中一功率開關(圖未示)的啟閉,以穩定第一驅動電壓VD1
第一移相電路52耦接於第一電壓調節器51與第二功因修正器2之間,用以接收第一驅動訊號D1,並將其移相一第一特定角度後輸出第二驅動訊號D2,該第二驅動訊號D2與第一驅動訊號D1同為數位脈波訊號,用以驅動第二功因修正器2中一功率開關(圖未示)的啟閉,以調節第二驅動電壓VD2 。在本實施例中,該第一特定角度為180度,但不以此為限。
由於驅動第一功因修正器1及第二功因修正器2的第一驅動訊號D1與第二驅動訊號D2相同(兩者僅相位相差180度),此外,第一功因修正器1及第二功因修正器2的輸入端相互並聯,且第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出端亦相互並聯,故在電源供應裝置100正常工作時,第一功因修正器1到第一諧振電路3及第二功因修正器2到第二諧振電路4兩路的輸出功率之總合為定值。
換言之,當第一諧振電路3的增益大於第二諧振電路4時,則第一諧振電路3的輸出功率會大於第二諧振電路4,對於第一功因修正器1來說,第一諧振電路3所造成的負載也會比第二諧振電路4來的大(第一諧振電路3為第一功因修正器1的負載,第二諧振電路4為第二功因修正器2的負載);相對地,第二諧振電路4會相對於第二功因修正器2產生較低的負載。由於第一功因修正器1的輸出電壓,即第一驅動電壓VD1 被第一電壓調節器51穩定住,這就使得第二功因修正器2的輸出電壓,即第二驅動電壓VD2 上升,以致於第二諧振電路4的輸出電流IO2 上升,如此一來可彌補第一諧振電路3與第二諧振電路4之間增益的不同造成輸出功率的影響,以達到自動均流輸出。
以下將利用公式推導來驗證第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出電流IO1 、IO2 會影響第一驅動電壓VD1 及第二驅動電壓VD2 的變化。特別說明的是,由於第一功因修正器1及第二功因修正器2電路及操作模式相同,故以下僅以第一功因修正器1說明。
首先,假設第一功因修正器1操作於不連續導通模式,配合參閱圖3,可知其輸入電壓與輸出電壓之關係為以下方程式(1):
其中,V i n 為第一功因修正器1的輸入電壓,V O 為第一功因修正器1的輸出電壓,D 為第一驅動訊號D1的責任週期(duty cycle)。
在第一驅動訊號D1的每一週期T 內,第一功因修正器1的輸入電流的峰值I P 及平均電流I a v e i n 分別為以下方程式(2)及方程式(3):
其中,L 為第一功因修正器1中的儲能電感。
因此,將方程式(2)帶入方程式(3)可得以下方程式(4):
再將方程式(4)帶入方程式(1)可得方程式(5):
由於第一功因修正器1的輸出電壓V O 即為第一驅動電壓VD1 ,且假設第一功因修正器1的輸入電壓V i n 、第一驅動訊號D1的週期T 、第一驅動訊號D1的責任週期的D 及第一功因修正器1中的儲能電感L 皆為定值,因此,當第一諧振電路3的增益小於第二諧振電路4時,第一諧振電路3的輸出電流IO1 會小於第二諧振電路4的輸出電流IO2 ,即第一功因修正器1的平均電流小於第二功因修正器2的平均電流,從方程式(5)中可發現,第一驅動電壓VD1 會大於第二驅動電壓VD2 ,使得第一諧振電路3的輸出電流IO1 上升且第二諧振電路4的輸出電流IO2 下降,如此達到均流輸出。
值得一提的是,本實施例是利用兩組諧振電路(第一諧振電路3及第二諧振電路4)相互並聯輸出供應電壓VO ,但其並聯的組數並不以兩組為限。參閱圖4,電源供應裝置100可以是利用N組諧振電路(N≧2)並聯而輸出供應電壓VO ,只要每一個諧振電路S1~SN的輸入端耦接一對應的功因修正器P1~PN,以控制其輸入電壓即可,而在均流調節電路5中僅需要一個第一電壓調節器51及N-1個第一移相電路52(第一個功因修正器1不用移相),且每一個第一移相電路52所移相的第一特定角度則為360/N度,換言之,若有三組諧振電路相互並聯,其每一個驅動訊號之間相差120度。
再特別說明的是,本實施例之均流調節電路5也可以不包括第一移相電路52,換言之,第一驅動訊號D1將與第二驅動訊號D2完全相同(相差為0度),同樣可達到自動均流之功效,只要第一驅動訊號D1與第二驅動訊號D2相同,且第一功因修正器1與第二功因修正器2的輸入端並聯及第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出端並聯即可。
參閱圖2,本實施例之電源供應裝置100還具有一耦接於第一諧振電路3及第二諧振電路4的穩壓電路6,用以穩定第一諧振電路3及第二諧振電路4的輸出電壓VO1 、VO2 ,其中包括一第二電壓調節器61及第二移相電路62。
第二電壓調節器61耦接於第一諧振電路3,其根據第一諧振電路3的輸出電壓VO1 產生第一控制訊號S1,該第一控制訊號S1為數位脈波訊號,用以驅動第一諧振電路3中一功率開關(圖未示)的啟閉,以穩定第一諧振電路3的輸出電壓VO1
第二移相電路62耦接於第一諧振電路3與第二諧振電路4之間,用以接收第一控制訊號S1,並將其移相一第二特定角度後輸出第二控制訊號S2,該第二控制訊號S2與第一控制訊號S1同為數位脈波訊號,用以驅動第二諧振電路4中一功率開關(圖未示)的啟閉,以穩定第二諧振電路4的輸出電壓VO2 。在本實施例中,該第二特定角度為90度,但不以此為限。同樣地,配合參閱圖4,當N組諧振電路S1~SN並聯時,穩壓電路6中同樣僅需要一個第二電壓調節器61及N-1個第二移相電路62,且每一個第二移相電路62所移相的第二特定角度則為180/N度,換言之,若有三組諧振電路相互並聯,其每一個控制訊號之間相差60度。
參閱圖5,為第一功因修正器1及第二功因修正器2操作於邊界導通模式下,第一驅動訊號D1、第二驅動訊號D2、第一電感電流IL1 及第二電感電流IL2 的波形圖,其中第一驅動訊號D1與第二驅動訊號D2之間相差180度。
參閱圖6,為本發明電源供應裝置100之第二較佳實施例,大致與第一較佳實施例相同,其不同之處在於,第一功因修正器1及第二功因修正器2是操作於連續導通模式(Continuous Conduction Mode,CCM),且均流調節電路5包括一電壓控制器53、一第一減法器54、一第二減法器55、一第一電流調節器56及一第二電流調節器57。
電壓控制器53耦接於第一功因修正器1,用以穩定第一驅動電壓VD1 ,並根據第一驅動電壓VD1 產生一參考電流Iref ;第一減法器54耦接於第一功因修正器1及電壓控制器53,其接收第一功因修正器1中的一儲能電感的電流IL1 (以下簡稱第一電感電流IL1 ),並與參考電流Iref 相減後輸出一第一誤差電流Ierror1 ;第二減法器55耦接於第二功因修正器2及電壓控制器53,其接收第二功因修正器2中的一儲能電感的電流IL2 (以下簡稱第二電感電流IL2 ),並與參考電流Iref 相減後輸出一第二誤差電流Ierror2
第一電流調節器56耦接於第一減法器54與第一功因修正器1之間,用以根據第一誤差電流Ierror1 產生對應第一誤差電流Ierror1 的第一驅動訊號D1,以驅動第一功因修正器1;第二電流調節器57耦接於第二減法器55與第二功因修正器2之間,用以根據第二誤差電流Ierror2 產生對應第二誤差電流Ierror2 的第二驅動訊號D2,以驅動第二功因修正器2。
由於第一功因修正器1及第二功因修正器2是操作於連續導通模式,第二驅動電壓VD2 不會隨著第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出功率的變化而變化。因此,在本實施例中,均流調節電路5是根據第一驅動電壓VD1 產生參考電流Iref ,並將第一電感電流IL1 及第二電感電流IL2 分別與該參考電流Iref 相減,再根據與參考電流Iref 的差距,分別調整第一驅動訊號D1與第二驅動訊號D2,以達到第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出電流IO1 、IO2 相同之均流目的。
參閱圖7,為第一功因修正器1及第二功因修正器2操作於連續導通模式下,第一驅動訊號D1、第二驅動訊號D2、第一電感電流IL1 及第二電感電流IL2 的波形圖,其中第一驅動訊號D1與第二驅動訊號D2之間相差180度。
綜上所述,本發明電源供應裝置100利用第一功因修正器1與第二功因修正器2的輸入端並聯,且具有相同的驅動訊號(兩者只相移180度),加上第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出端並聯,如此可利用第一諧振電路3與第二諧振電路4的輸出功率總合不變,來自動調整第一驅動訊號D1及第二驅動訊號D2,以達到均流之目的。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧電源供應裝置
56‧‧‧第一電流調節器
1‧‧‧第一功因修正器
57‧‧‧第二電流調節器
2‧‧‧第二功因修正器
6‧‧‧穩壓電路
3‧‧‧第一諧振電路
61‧‧‧第二電壓調節器
4‧‧‧第二諧振電路
62‧‧‧第二移相電路
5‧‧‧均流調節電路
S1‧‧‧第一諧振電路
51‧‧‧第一電壓調節器
S2‧‧‧第二諧振電路
52‧‧‧第一移相電路
SN‧‧‧第N諧振電路
53‧‧‧電壓控制器
P1‧‧‧第一功因修正器
54‧‧‧第一減法器
P2‧‧‧第二功因修正器
55‧‧‧第二減法器
PN‧‧‧第N功因修正器
圖1是一電路方塊圖,說明習知電源供應裝置的內部電路;
圖2是一電路方塊圖,說明本發明電源供應裝置之第一較佳實施例;
圖3是一波形圖,說明第一功因修正器操作於不連續導通模式下的輸出電流;
圖4是一電路方塊圖,說明多組諧振電路相互並聯之電源供應裝置;
圖5是一波形圖,說明第一功因修正器及第二功因修正器操作於臨界導通模式下,第一驅動訊號D1、第二驅動訊號D2、第一電感電流IL1 及第二電感電流IL2
圖6是一電路方塊圖,說明本發明電源供應裝置之第二較佳實施例;及
圖7是一波形圖,說明第一功因修正器及第二功因修正器操作於連續導通模式下,第一驅動訊號D1、第二驅動訊號D2、第一電感電流IL1 及第二電感電流IL2
100...電源供應裝置
1...第一功因修正器
2...第二功因修正器
3...第一諧振電路
4...第二諧振電路
5...均流調節電路
51...第一電壓調節器
52...第一移相電路
6...穩壓電路
61...第二電壓調節器
62...第二移相電路

Claims (9)

  1. 一種電源供應裝置,係用以接收一交流電力並產生一供應電壓輸出,該電源供應裝置包含:一第一功因修正器,接收該交流電力並受一第一驅動訊號驅動而將該交流電力整流後輸出一第一驅動電壓;一第二功因修正器,接收該交流電力並受一第二驅動訊號驅動而將該交流電力整流後輸出一第二驅動電壓,該第二驅動訊號與第一驅動訊號相同;一均流調節電路,包括一耦接於該第一功因修正器的第一電壓調節器及一耦接於該第一電壓調節器與該第二功因修正器之間的第一移相電路,該第一電壓調節器根據該第一驅動電壓產生對應該第一驅動電壓的該第一驅動訊號,該第一移相電路接收該第一驅動訊號,並將其移相一第一特定角度以產生該第二驅動訊號;一第一諧振電路,耦接於該第一功因修正器;及一第二諧振電路,耦接於該第二功因修正器且其輸出端與該第一諧振電路的輸出端並聯。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之電源供應裝置,其中,該第一功因修正器及第二功因修正器操作在不連續導通模式及臨界導通模式其中之一。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之電源供應裝置,其中,當該第一諧振電路的增益大於該第二諧振電路,則該第一驅動電壓小於該第二驅動電壓,當該第一諧振電路的 增益小於該第二諧振電路,則該第一驅動電壓大於該第二驅動電壓,使得該第一諧振電路與第二諧振電路的輸出電流相同。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之電源供應裝置,還包含一耦接於該第一諧振電路與該第二諧振電路的穩壓電路,其根據該第一諧振電路的輸出電壓產生一驅動第一諧振電路的第一控制訊號及一驅動第二諧振電路的第二控制訊號,以穩定該第一諧振電路與第二諧振電路的輸出電壓。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之電源供應裝置,其中,該穩壓電路包括一耦接於該第一諧振電路的第二電壓調節器及一耦接於該第一諧振電路與該第二諧振電路之間的第二移相電路,該第二電壓調節器根據該第一諧振電路的輸出電壓產生對應該輸出電壓的該第一控制訊號,該第二移相電路接收該第一控制訊號,並將其移相一第二特定角度以產生該第二控制訊號。
  6. 一種電源供應裝置,係用以接收一交流電力並產生一供應電壓輸出,該電源供應裝置包含:一第一功因修正器,接收該交流電力並受一第一驅動訊號驅動而將該交流電力整流後輸出一第一驅動電壓;一第二功因修正器,接收該交流電力並受一第二驅動訊號驅動而將該交流電力整流後輸出一第二驅動電壓,該第二驅動訊號與第一驅動訊號相同; 一均流調節電路,包括一電壓控制器,耦接於該第一功因修正器,用以根據該第一驅動電壓產生一參考電流;一第一減法器,耦接於該第一功因修正器及該電壓控制器,用以將該第一功因修正器的一儲能電感的電流與該參考電流相減後輸出;一第一電流調節器,耦接於該第一減法器與該第一功因修正器之間,用以根據該第一減法器的輸出結果產生該第一驅動訊號;一第二減法器,耦接於該第二功因修正器及該電壓控制器,用以將該第二功因修正器的一儲能電感的電流與該參考電流相減後輸出;及第二電流調節器,耦接於該第二減法器與該第二功因修正器之間,用以根據該第二減法器的輸出結果產生該第二驅動訊號;一第一諧振電路,耦接於該第一功因修正器;及一第二諧振電路,耦接於該第二功因修正器且其輸出端與該第一諧振電路的輸出端並聯。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之電源供應裝置,其中,該第一功因修正器及第二功因修正器操作在連續導通模式。
  8. 依據申請專利範圍第7項所述之電源供應裝置,還包含一耦接於該第一諧振電路與該第二諧振電路的穩壓電路,其根據該第一諧振電路的輸出電壓產生一驅動第一 諧振電路的第一控制訊號及一驅動第二諧振電路的第二控制訊號,以穩定該第一諧振電路與第二諧振電路的輸出電壓。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之電源供應裝置,其中,該穩壓電路包括一耦接於該第一諧振電路的第二電壓調節器及一耦接於該第一諧振電路與該第二諧振電路之間的第二移相電路,該第二電壓調節器根據該第一諧振電路的輸出電壓產生對應該輸出電壓的該第一控制訊號,該第二移相電路接收該第一控制訊號,並將其移相一第二特定角度以產生該第二控制訊號。
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