TWI465025B - Single Switch Zero Voltage Switching Resonant Converter - Google Patents
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- TWI465025B TWI465025B TW101145220A TW101145220A TWI465025B TW I465025 B TWI465025 B TW I465025B TW 101145220 A TW101145220 A TW 101145220A TW 101145220 A TW101145220 A TW 101145220A TW I465025 B TWI465025 B TW I465025B
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- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
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Description
本發明係有關於一種單開關零電壓切換共振式轉換器，特別係設有輸入電源連接儲能電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及串聯一組共振槽，共振槽係由共振電容串聯共振電感所組成，共振槽後端並聯有分流電感及串聯整流二極體，最後並聯濾波電容及負載；如此，利用單一個功率開關在零電壓切換狀態下操作，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。
現今科技的日新月異，帶給人類生活極大的便利與進步，相對的也帶來了許多的污染及傷害，然而在當下人們無法立即體驗到這些便利的科技背後所造成的環境迫害，而人類大量開採石油、天然氣、煤礦的資源已經所剩無幾，再加上近年來各國的環保意識抬頭，以及本國提倡節能減碳的同時，我們必須大幅降低對於石油的依賴，且同時開發出其他最有利的替代能源，才能夠符合現今社會的需求，所以電能是一種可以替代石油的能源，其可使用環保方式的生產，例如利用太陽能、潮汐能、風力、地熱等方式來取得電力，而且它不像石油燃燒時會產生廢氣，更不會污染環境，算是一種取之不盡的能源，尤其在電力電子相關領域中，該如何提升效率同時降低成本和損失更為重要，而在電力電子轉換器當中，E類共振式電路已經被廣泛的運用於換流器上，但是使用E類共振式電路卻較少運用於直流轉直流的轉換器上，由於共振式的電路可以使開關在切換時，達到零電壓切換(Zero Voltage Switching；ZVS)或零電流切換(Zero Current Switching；ZCS)，擁有柔性
切換的特性，可以有效降低切換時的損失，所以如何將E類共振式的電路運用於轉換器上，提高電源的轉換效率，將是在直流轉直流的轉換器上的一個突破；緣此，本發明人有鑑於習知存在有如上述之缺失，乃潛心研究、改良，遂得以首先發明本發明。
本發明之主要目的，係在提供一種利用單一個功率開關在零電壓切換狀態下操作，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率之單開關零電壓切換共振式轉換器。
本發明之特徵係在：輸入電源連接儲能電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及串聯一組共振槽，共振槽係由共振電容串聯共振電感所組成，共振槽後端並聯有分流電感及串聯整流二極體，最後並聯濾波電容及負載。
有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：本發明之實施例，請參閱第一、二圖所示，主要係設有輸入電源V in
連接儲能電感L f
串聯功率開關S
，再於功率開關S
上並聯分流電容C s
及串聯一組共振槽1，共振槽1係由共振電容C p
串聯共振電感L s
所組成，共振槽1後端並聯有分流電感L p
及串聯整流二極體D
，整流二極體D
係為快速恢復(Fast Recovery)二極體或者是蕭特基(Schottky)二
極體，最後並聯濾波電容C o
及負載R
。
使用時，請參閱第一、二圖所示，首先在輸入電源V in
(電源側)輸入一直流電壓，經過儲能電感L f
後將直流電壓轉換成電流源，再驅動功率開關S
切換導通，功率開關S
係選擇MOSFET電晶體開關，其內寄生之反向二極體可配合電路動作時流經功率開關S
之逆向電流，功率開關S
上並聯分流電容C s
及串聯一組共振槽1，而共振槽1係由共振電容C p
串聯共振電感L s
所組成，共振槽1後端並聯有分流電感L p
及串聯整流二極體D
，經由整流二極體D
整流，最後濾波電容C o
將高頻雜訊濾除，得到一穩定的直流電壓提供給負載R
。
本發明之工作模式分別為：
一、工作模式一(ωt 0 ω t
<ωt 1
)，如第三圖所示：當驅動電壓V Gs
由低電位轉為高電位，功率開關S
開始切換導通，分流電容電流i Cs
為零，由於小於零，所以電流反向流進功率開關S
，功率開關電流i S
由負值開始上升，而共振槽1的共振電容電流i Cp
由正值開始下降為零，共振槽1的共振電感電流也由正值開始下降至零，分流電感電流i Lp
為負值，整流二極體D
形成順向偏壓而導通，與功率開關S
並聯之分流電容電流i Cs
由負值上升至零後，由於存在雜散電容的關係，產生高頻振盪影響分流電容電流i Cs
，當功率開關電流i S
由負值開始上升至零，與共振電容
電流i Cp
、分流電感電流i Lp
降為零時，進入工作模式二。
二、工作模式二(ωt 1 ωt
<ωt 2
)，如第四圖所示：當驅動電壓v GS
維持高電位，功率開關S
導通，分流電容電流i Cs
為零，大於零，電流流進功率開關S
，功率開關電流i S
持續往上提升，而共振槽1的共振電容電流i Cp
由零持續下降，共振槽1的共振電感電流也由零開始持續下降，分流電感電流i Lp
保持為負值，整流二極體D
下降至零時，進入工作模式三。
三、工作模式三(ωt 2 ωt
<ωt 3
)，如第五圖所示：當驅動電壓v GS
維持高電位，功率開關S
導通，分流電容電流i Cs
為零，大於零，電流流進功率開關S
，功率開關電流i S
持續往上提升，而共振槽1的共振電容電流i Cp
持續下降，共振槽1的共振電感電流也持續下降，分流電感電流i Lp
保持為負值，整流二極體D
為零，當驅動電壓v GS
降至零、功率開關電壓v DS
導通、當功率開關電流i S
等於零、且分流電容電流i Cs
上升時，進入工作模式四。
四、工作模式四(ωt 3 ωt
<ωt 4
)，如第六圖所示：當驅動電壓v GS
由高電位轉為低電位，此時功率開關S
截止，電流流經分流電容C s
，分流電容電流i Cs
大於零，大於零，而共振槽1的共振電容電流i Cp
持續下降，共振槽1的共振電感電流也持續下降，分流電感電流i Lp
保持為負值，整流二極體D
為零，當整流二極體D
進入順
向導通時，進入工作模式五。
五、工作模式五(ωt 4 ωt
<ωt 5
)，如第七圖所示：當驅動電壓v GS
保持在低電位，功率開關S
截止，分流電容電流i Cs
大於零，大於零，而共振槽1的共振電容電流i Cp
由負值開始上升，共振槽1的共振電感電流也由負值開始上升，分流電感電流i Lp
保持為負值，整流二極體D
順向導通，當共振電容電流i Cp
上升至零、共振電感電流上升至零，進入工作模式六。
六、工作模式六(ωt 5 ωt
<ωt 6
)，如第八圖所示：當驅動電壓v GS
保持在低電位，功率開關S
截止，分流電容電流i Cs
大於零，大於零，而共振槽1的共振電容電流i Cp
為正值電流持續上升，共振槽1的共振電感電流也為正直電流持續上升，分流電感電流i Lp
保持為負值，整流二極體D
順向導通，當電流降為零、分流電容電流i Cs
等於零時，進入工作模式七。
七、工作模式七(ωt 6 ωt
<ωt 7
)，如第九圖所示：當驅動電壓v GS
保持在低電位，分流電容電流i Cs
為負值，分流電容電流i Cs
下降後上升，由零開始下降後再上升，而共振槽1的共振電容電流i Cp
持續上升後下降，共振槽1的共振電感電流也持續上升後下降，分流電感電流i Lp
保持為負值，整流二極體D
順向導通，當功率開關電流i S
降為負值、分流電容電流i Cs
為零，進入工作模式八。
八、工作模式八(ω
t7 ω
t<2 π)，如第十圖所示：當驅動電壓v GS
保持在低電位，功率開關電流i S
短暫下降後上升，分流電容電流i Cs
為零，由零開始下降後再上升，而共振槽1的共振電容電流i Cp
持續上升後下降，共振槽1的共振電感電流也持續上升後下降，分流電感電流i Lp
保持為負值，整流二極體D
順向導通，當功率開關電壓v DS
降至零、驅動電壓v GS
上升，此時電路動作重新回到工作模式一。
本發明利用單一個功率開關在零電壓切換狀態下操作，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。
而儲能電感電壓與儲能電感電流之實測波形圖，如第十一圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：100mA/div。
而驅動電壓v GS
與功率開關電壓v DS
之實測波形圖，如第十二圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：10V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div。
而功率開關電壓v DS
與功率開關電流i S
之實測波形圖，如第十三圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。
而分流電容電壓v Cs
與分流電容電流i Cs
之實測波形圖，如第十四圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；
CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。
而共振電容電壓v Cp
與共振電容電流i Cp
之實測波形圖，如第十五圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：500mA/div。
而共振電感電壓v Ls
與共振電感電流i Ls
之實測波形圖，如第十六圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：500mA/div。
而共振槽1的輸入電壓v a
與共振槽1的輸出電壓v b
之實測波形圖，如第十七圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：10V/div。
而分流電感電壓v Lp
與分流電感電流i Lp
之實測波形圖，如第十八圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：500mA/div。
而整流二極體電壓v D
與整流二極體電流i D
之實測波形圖，如第十九圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。
而濾波電容電壓v Co
與濾波電容電流i Co
之實測波形圖，如第二十圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：10V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：500mA/div。
而輸入電源V in
與輸入電流i in
之實測波形圖，如第二十一圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：20V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：100mA/div。
而輸出電壓V o
與輸出電流I o
之實測波形圖，如第二十二圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：10V/div；
CH2：X軸：5μs/div、Y軸：500mA/div。
本發明利用單一個功率開關在零電壓切換狀態下操作，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。
綜上所述，本發明實施例確實已能達到所預期之目的及使用功效，且未見有相同結構特徵公知、公用在先者，故本發明當能符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，懇請早日審結，並核賜專利，實深任感荷。
1‧‧‧共振槽
V in
‧‧‧輸入電源
L f
‧‧‧儲能電感
S
‧‧‧功率開關
C s
‧‧‧分流電容
C p
‧‧‧共振電容
L s
‧‧‧共振電感
L p
‧‧‧分流電感
D
‧‧‧整流二極體
C o
‧‧‧濾波電容
R
‧‧‧負載
‧‧‧儲能電感電壓
v GS
‧‧‧驅動電壓
v DS
‧‧‧功率開關電壓
v Cs
‧‧‧分流電容電壓
v Cp
‧‧‧共振電容電壓
v Ls
‧‧‧共振電感電壓
v Lp
‧‧‧分流電感電壓
v D
‧‧‧整流二極體電壓
v Co
‧‧‧濾波電容電壓
V o
‧‧‧輸出電壓
v a
‧‧‧共振槽的輸入電壓
v b
‧‧‧共振槽的輸出電壓
i in
‧‧‧輸入電流
‧‧‧儲能電感電流
i S
‧‧‧功率開關電流
i Cs
‧‧‧分流電容電流
i Cp
‧‧‧共振電容電流
i Ls
‧‧‧共振電感電流
i Lp
‧‧‧分流電感電流
i D
‧‧‧整流二極體電流
i Co
‧‧‧濾波電容電流
I o
‧‧‧輸出電流
第一圖所示係為本發明實施例之電路圖。
第二圖所示係為本發明實施例之方塊圖。
第三圖所示係為本發明實施例工作模式一之等效電路圖。
第四圖所示係為本發明實施例工作模式二之等效電路圖。
第五圖所示係為本發明實施例工作模式三之等效電路圖。
第六圖所示係為本發明實施例工作模式四之等效電路圖。
第七圖所示係為本發明實施例工作模式五之等效電路圖。
第八圖所示係為本發明實施例工作模式六之等效電路圖。
第九圖所示係為本發明實施例工作模式七之等效電路圖。
第十圖所示係為本發明實施例工作模式八之等效電路圖。
第十一圖所示係為本發明實施例儲能電感電壓與儲能電感電流之實測波形圖。
第十二圖所示係為本發明實施例驅動電壓v GS
與功率開關電壓v DS
之實測波形圖。
第十三圖所示係為本發明實施例功率開關電壓v DS
與功率開關電流i S
之實測波形圖。
第十四圖所示係為本發明實施例分流電容電壓v Cs
與分流
電容電流i Cs
之實測波形圖。
第十五圖所示係為本發明實施例共振電容電壓v Cp
與共振電容電流i Cp
之實測波形圖。
第十六圖所示係為本發明實施例共振電感電壓v Ls
與共振電感電流i Ls
之實測波形圖。
第十七圖所示係為本發明實施例共振槽的輸入電壓v a
與共振槽的輸出電壓v b
之實測波形圖。
第十八圖所示係為本發明實施例分流電感電壓v Lp
與分流電感電流i Lp
之實測波形圖。
第十九圖所示係為本發明實施例整流二極體電壓v D
與整流二極體電流i D
之實測波形圖。
第二十圖所示係為本發明實施例濾波電容電壓v Co
與濾波電容電流i Co
之實測波形圖。
第二十一圖所示係為本發明實施例輸入電源V in
與輸入電流i in
之實測波形圖。
第二十二圖所示係為本發明實施例輸出電壓V o
與輸出電流I o
之實測波形圖。
1‧‧‧共振槽
V in
‧‧‧輸入電源
L f
‧‧‧儲能電感
S
‧‧‧功率開關
C s
‧‧‧分流電容
C p
‧‧‧共振電容
L s
‧‧‧共振電感
L p
‧‧‧分流電感
D
‧‧‧整流二極體
C o
‧‧‧濾波電容
R
‧‧‧負載
‧‧‧儲能電感電壓
v GS
‧‧‧驅動電壓
v DS
‧‧‧功率開關電壓
v Cs
‧‧‧分流電容電壓
v Cp
‧‧‧共振電容電壓
v Ls
‧‧‧共振電感電壓
v Lp
‧‧‧分流電感電壓
v D
‧‧‧整流二極體電壓
v Co
‧‧‧濾波電容電壓
V o
‧‧‧輸出電壓
v a
‧‧‧共振槽的輸入電壓
v b
‧‧‧共振槽的輸出電壓
i in
‧‧‧輸入電流
‧‧‧儲能電感電流
i S
‧‧‧功率開關電流
i Cs
‧‧‧分流電容電流
i Cp
‧‧‧共振電容電流
i Ls
‧‧‧共振電感電流
i Lp
‧‧‧分流電感電流
i D
‧‧‧整流二極體電流
i Co
‧‧‧濾波電容電流
I o
‧‧‧輸出電流
Claims (1)
- 一種單開關零電壓切換共振式轉換器，主要係設有輸入電源連接儲能電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及串聯一組共振槽，共振槽係由共振電容串聯共振電感所組成，共振槽後端並聯有分流電感及串聯整流二極體，最後並聯濾波電容及負載；如此，利用單一個功率開關在零電壓切換狀態下操作，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW101145220A TWI465025B (zh) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | Single Switch Zero Voltage Switching Resonant Converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW101145220A TWI465025B (zh) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | Single Switch Zero Voltage Switching Resonant Converter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201424232A TW201424232A (zh) | 2014-06-16 |
| TWI465025B true TWI465025B (zh) | 2014-12-11 |
Family
ID=51394209
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW101145220A TWI465025B (zh) | 2012-12-03 | 2012-12-03 | Single Switch Zero Voltage Switching Resonant Converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI465025B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI715328B (zh) * | 2019-12-04 | 2021-01-01 | 宏碁股份有限公司 | 升壓轉換器 |
| CN113346771B (zh) * | 2020-02-18 | 2023-07-21 | 宏碁股份有限公司 | 升压转换器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090021966A1 (en) * | 2007-07-17 | 2009-01-22 | Jacobson Boris S | Methods and apparatus for a cascade converter using series resonant cells with zero voltage switching |
| TW201246768A (en) * | 2011-05-04 | 2012-11-16 | Univ Kun Shan | Mixed resonant converter of single-switch current source |
-
2012
- 2012-12-03 TW TW101145220A patent/TWI465025B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090021966A1 (en) * | 2007-07-17 | 2009-01-22 | Jacobson Boris S | Methods and apparatus for a cascade converter using series resonant cells with zero voltage switching |
| TW201246768A (en) * | 2011-05-04 | 2012-11-16 | Univ Kun Shan | Mixed resonant converter of single-switch current source |
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|---|---|
| TW201424232A (zh) | 2014-06-16 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |