TWI465027B - 全橋式準諧振直流－直流轉換器及其驅動方法 - Google Patents

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Description

全橋式準諧振直流-直流轉換器及其驅動方法
本揭露係關於一種直流-直流轉換器，尤其是關於一種全橋式準諧振直流-直流轉換器。
因應國際能源需求與日俱增、如石油等不可再生能源日漸短缺及氣候變遷等問題，潔淨之可再生能源之發展係刻不容緩，例如，太陽能、風能、海洋能(潮汐、溫差)、水力、地熱、生質能等等。一般而言，潔淨之可再生能源係為較不穩定之能源，因此，透過電能轉換裝置將此不穩定之能源轉換為家庭或工業可使用之能源係為發展可再生能源之關鍵。
全橋式直流-直流轉換器具有寬廣的操作範圍(最大輸入電壓至最小輸入電壓)，使得電路在設計應用上更具彈性，為常見的應用架構。然，傳統之全橋式直流-直流轉換器係使用硬性切換(hard switching)之方式，由於切換時並非理想狀態，因此開關元件切換時會產生開關導通(turn on)及開關關閉(turn off)之切換損失，且線路等效電感易在開關上產生突波電壓，降低開關元件的壽命。
為了改善硬性切換所帶來的問題，發展出利用諧振電路以降低開關元件的電壓和電流應力，惟，傳統諧振電路之諧振電感均位於轉換器之一次側繞組，當一次側係為低電壓、大電流之狀態時，諧振電感設計不易且效率不佳。
因此，如何提供一種能夠柔性切換且能降低諧振電感 之線路損失的直流-直流轉換器，遂成為目前本領域技術人員亟待解決的課題。
本揭露係提供一種全橋式準諧振直流-直流轉換器，包括：變壓器，係具有一次側繞組與二次側繞組；全橋式轉換電路，係由串聯位於第一上臂之第一開關元件及位於第一下臂之第二開關元件之第一臂電路及串聯位於第二上臂之第三開關元件及位於第二下臂之第四開關元件之第二臂電路並聯組成，該全橋式轉換電路具有輸入端與輸出端，並以該輸出端與該變壓器之一次側繞組電性連接，其中，該第一臂電路或該第二臂電路與該一次側繞組之間設置有諧振電容器；整流電路，係與該變壓器之二次側繞組電性連接，並對該二次側繞組所產生之訊號進行整流已產生輸出訊號；以及諧振電感器，係與該整流電路串聯，以與該諧振電容器構成諧振電路。
本揭露復提供一種柔性切換上述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，包括：(1)令位於該第一上臂之第一開關元件及位於該第二下臂之第四開關元件導通，以將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容進行充能；(2)當流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件或該第四開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第二開關元件或該第三開關元件，以將步驟(1)中儲存於該諧振電容之 電能再次傳送至該二次側繞組；(3)當經過預設之功率截止輸出區域之後，對應地導通於步驟(2)中尚未導通之該第三開關元件或該第二開關元件，以再次將由該輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容進行充能；以及(4)當流經該第二開關元件及該第三開關元件之電流為零時，截止該第二開關元件或該第三開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關元件或該第四開關元件，以將步驟(3)中儲存於該諧振電容之電能再次傳送至該變壓器之二次側繞組。
上述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，亦可於步驟(1)中先導通該第二開關元件及該第三開關元件，再於步驟(2)截止該第二開關元件或該第三開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關元件或該第四開關元件，之後當經過預設之功率截止輸出區域之後，對應地導通於步驟(2)中尚未導通之該第四開關元件或該第一開關元件，然後，當該流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件或該第四開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第二開關元件或該第三開關元件，同樣能得到與上述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法相同的效果。
本揭露再提供一種柔性切換上述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，包括：(1)令位於該第一上臂 之第一開關元件及位於該第二下臂之第四開關元件導通，以將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容進行充能；(2)當流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件及該第四開關元件，以達成零電流切換，並同時導通該第二開關元件及該第三開關元件，以持續將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容進行充能；以及(3)當流經該第二開關元件及該第三開關元件之電流為零時，截止該第二開關元件或該第三開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關元件或該第四開關元件，以將步驟(1)及步驟(2)中儲存於該諧振電容之電能傳送至該二次側繞組。
上述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，亦可於步驟(1)中先導通該第二開關元件及該第三開關元件，再於步驟(2)截止該第二開關元件及該第三開關元件，以達成零電流切換，並同時導通該第一開關元件及該第四開關元件，之後當流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件或該第四開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第二開關元件或該第三開關元件，同樣能得到與上述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法相同的效果。
相較於習知技術，本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器，係藉由將諧振電感器移至轉換器之二次側，並配 合柔性切換之驅動方法，能有效降低開關元件之切換損失、縮小諧振電感器體積、及降低平均峰值電流，以提高整體轉換器之轉換效率。
以下係藉由特定的具體實施例說明本揭露之實施方式，本領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點與功效。本揭露亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
第1圖係為本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器之一實施例之架構示意圖。如圖所示，本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器1主要包括變壓器10、全橋式轉換電路11、整流電路12以及諧振電感器13。
該變壓器10係具有一次側繞組101與二次側繞組102，於本實施例中，該變壓器10之一次側繞組101具有一個線圈，且該變壓器10之二次側繞組102具有彼此串聯之二個線圈，其中，該變壓器10之二次側繞組102係為中心抽頭式繞組或分離式繞組。
該全橋式轉換電路11係由串聯位於第一上臂之第一開關元件Q1及位於第一下臂之第二開關元件Q2之第一臂電路11a及串聯位於第二上臂之第三開關元件Q3及位於第二下臂之第四開關元件Q4之第二臂電路11b並聯組成，具有輸入端110與輸出端111，並以該輸出端111與該變壓器10之一次側繞組101電性連接，其中，該第一臂電路11a或該第二臂電路11b與該一次側繞組101之間設置有 諧振電容器14。
該整流電路12係與該變壓器10之二次側繞組102電性連接，並對該二次側繞組102所產生之訊號進行整流以產生輸出訊號。
於本實施例中，該整流電路12係為由四個開關元件所組成之全橋式整流電路，其中，該開關元件可為二極體或金氧半場效電晶體。
於一實施態樣中，該全橋式準諧振直流-直流轉換器1復包括彼此串聯之第五開關元件Q5及第六開關元件Q6，其中，該整流電路12係與串聯之該第五開關元件Q5及第六開關元件Q6並聯，以藉由該第五開關元件Q5及第六開關元件Q6將該整流電路之輸出訊號轉換為交流訊號，以達成與市電同步之目的。
該諧振電感器13係與該整流電路12串聯，以與該諧振電容器14構成諧振電路，其中，該諧振電感器13位於本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器1的二次側，不僅不會影響諧振狀態，且由於二次側的電流小於一次側，該諧振電感器13的設計相對簡單，且體積較小。
於一實施態樣中，該諧振電感器設於該變壓器之二次側，亦可作為濾波電感器，以對該整流電路之輸出訊號進行濾波。
於一實施態樣中，本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器1復包括第一電容器15，係與該全橋式轉換電路11之輸入端110電性連接，以令輸入該全橋式轉換電路11 之電壓保持穩定。
於另一實施態樣中，本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器1復包括第二電容器16，係與該整流電路12電性連接，以對該整流電路12之輸出訊號進行濾波。
於上述實施例中，該第一至第六開關元件係為功率級金氧半場效電晶體。
第2A至2D圖係為柔性切換本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法的一實施例的波形圖。如第2A及2B圖所示，依據開關元件導通之情形，電路之動作區隔為t0至t6，各時間區間的動作如下：
(1)t0至t1
令位於該第一上臂之第一開關元件Q1及位於該第二下臂之第四開關元件Q4導通，以將該全橋式轉換電路11之輸入端110所接收到之電能由該變壓器10之一次側繞組101傳送至該二次側繞組102，並對該諧振電容器14進行充能。
(2)t1至t2
當流經該第一開關元件Q1及該第四開關元件Q4之電流為零時，截止該第一開關元件Q1(見第2A圖)或該第四開關元件(見第2B圖)其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第二開關元件Q2或該第三開關元件Q3，以將儲存於該諧振電容器14之電能再次傳送至該二次側繞組102。
(3)t2至t3
係為預設之功率截止輸出區域。
(4)t3至t4
當經過預設之功率截止輸出區域之後，對應地導通於t0至t1區間中尚未導通之該第三開關元件Q3或該第二開關元件Q2，以再次將由該輸入端110所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組101傳送至該二次側繞組102，並對該諧振電容器14進行充能。
(5)t4至t5
當流經該第二開關元件Q2及該第三開關元件Q3之電流為零時，截止該第二開關元件Q2(見第2A圖)或該第三開關元件Q3(見第2B圖)其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關元件Q1或該第四開關元件Q4，以將儲存於該諧振電容器14之電能再次傳送至該變壓器之二次側繞組102。
(6)t5至t6
同樣是預設之功率截止輸出區域。
第2C及2D圖與第2A及2B圖第一實施例之差異係在於第2C及2D圖中之驅動方法係先導通位於該第一下臂之第二開關元件Q2及位於該第二上臂之第三開關元件Q3。此外，其它動作大致與第2A及2B圖之驅動方式相同，故不再贅述。
第3A至3D圖係為柔性切換本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法的另一實施例的波形圖。如第3A及3B圖所示，依據開關元件導通之情形，電路之動作 區隔為t0至t4，各時間區間的動作如下：
(1)t0至t1
令位於該第一上臂之第一開關元件Q1及位於該第二下臂之第四開關元件Q4導通，以將該全橋式轉換電路11之輸入端110所接收到之電能由該變壓器10之一次側繞組101傳送至該二次側繞組102，並對該諧振電容器14進行充能。
(2)t1至t2
當流經該第一開關元件Q1及該第四開關元件Q4之電流為零時，截止該第一開關元件Q1及該第四開關元件Q4，以達成零電流切換，並同時導通該第二開關元件Q2及該第三開關元件Q3，以持續將該全橋式轉換電路11之輸入端110所接收到之電能由該變壓器10之一次側繞組101傳送至該二次側繞組102，並對該諧振電容器14進行充能。
(3)t2至t3
當流經該第二開關元件Q2及該第三開關元件Q3之電流為零時，截止該第二開關元件Q2(見第3A圖)或該第三開關元件Q3(見第3B圖)其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關元件Q1或該第四開關元件Q4，以將儲存於該諧振電容器14之電能傳送至該二次側繞組102。
(4)t3至t4
預設之功率截止輸出區域。於本實施例中，因減少一次該諧振電容器14是放電能之過程，能降低本揭露之全橋 式準諧振直流-直流轉換器的均方根電流，進而提升整體效率。
第3C及3D圖與第3A及3B圖之實施例的差異係在於第3C及3D圖中之驅動方法係先導通位於該第一下臂之第二開關元件Q2及位於該第二上臂之第三開關元件Q3。此外，其它動作大致與第3A及3B圖之驅動方式相同，故不再贅述。
此外，於上述實施例中所揭露之驅動方法，主要係用於柔性切換本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器，但並非以此為限，亦可用於驅動其他具有全橋式轉換電路之直流-直流轉換器。
綜上所述，本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器藉由設計於二次側之諧振電感器，配合柔性切換之驅動方法，有效降低開關元件之切換損失，並縮小諧振電感器體積、提升諧振頻率、降低平均峰值電流，以提高整體轉換器之轉換效率。
上述實施例僅為例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何本領域中具有通常知識者均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。
1‧‧‧全橋式準諧振直流-直流轉換器
10‧‧‧變壓器
101‧‧‧一次側繞組
102‧‧‧二次側繞組
11‧‧‧全橋式轉換電路
11a‧‧‧第一臂電路
11b‧‧‧第二臂電路
110‧‧‧輸入端
111‧‧‧輸出端
Q1‧‧‧第一開關元件
Q2‧‧‧第二開關元件
Q3‧‧‧第三開關元件
Q4‧‧‧第四開關元件
Q5‧‧‧第五開關元件
Q6‧‧‧第六開關元件
12‧‧‧整流電路
13‧‧‧諧振電感器
14‧‧‧諧振電容器
15‧‧‧第一電容器
16‧‧‧第二電容器
第1圖係為本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器之一實施例之架構示意圖；第2A至2D圖係為柔性切換本揭露之全橋式準諧振直 流-直流轉換器的驅動方法的實施例的波形圖；以及第3A至3D圖係為柔性切換本揭露之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法的另一實施例的波形圖。
1‧‧‧全橋式準諧振直流-直流轉換器
10‧‧‧變壓器
101‧‧‧一次側繞組
102‧‧‧二次側繞組
11‧‧‧全橋式轉換電路
11a‧‧‧第一臂電路
11b‧‧‧第二臂電路
110‧‧‧輸入端
111‧‧‧輸出端
Q1‧‧‧第一開關元件
Q2‧‧‧第二開關元件
Q3‧‧‧第三開關元件
Q4‧‧‧第四開關元件
Q5‧‧‧第五開關元件
Q6‧‧‧第六開關元件
12‧‧‧整流電路
13‧‧‧諧振電感器
14‧‧‧諧振電容器
15‧‧‧第一電容器
16‧‧‧第二電容器

Claims (12)

  1. 一種全橋式準諧振直流-直流轉換器，包括：變壓器，係具有一次側繞組與二次側繞組；全橋式轉換電路，係由串聯位於第一上臂之第一開關元件及位於第一下臂之第二開關元件之第一臂電路及串聯位於第二上臂之第三開關元件及位於第二下臂之第四開關元件之第二臂電路並聯組成，該全橋式轉換電路具有輸入端與輸出端，並以該輸出端與該變壓器之一次側繞組電性連接，其中，該第一臂電路或該第二臂電路與該一次側繞組之間設置有諧振電容器；整流電路，係與該變壓器之二次側繞組電性連接，並對該二次側繞組所產生之訊號進行整流已產生輸出訊號，其中，該整流電路係為全橋式整流電路；第五開關元件及第六開關元件，其中，該整流電路係與彼此串聯之該第五開關元件及第六開關元件並聯，以藉由該第五開關元件及第六開關元件將該整流電路之輸出訊號轉換為交流訊號；以及諧振電感器，係與該整流電路串聯，以與該諧振電容器構成諧振電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器，復包括第一電容器，係與該全橋式轉換電路之輸入端電性連接，以令輸入該全橋式轉換電路之電壓保持穩定。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流 轉換器，復包括第二電容器，係與該整流電路電性連接，以對該整流電路之輸出訊號進行濾波。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器，其中，該第五及第六開關元件係為功率級金氧半場效電晶體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器，其中，該第一、第二、第三及第四開關元件係為功率級金氧半場效電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器，其中，該變壓器之一次側繞組具有一個線圈，且該變壓器之二次側繞組具有彼此串聯之二個線圈。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器，其中，該變壓器之二次側繞組係為中心抽頭式繞組或分離式繞組。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器，其中，該諧振電感器設於該變壓器之二次側，係作為濾波電感器，以對該整流電路之輸出訊號進行濾波。
  9. 一種如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，包括：(1)令位於該第一上臂之第一開關元件及位於該第二下臂之第四開關元件導通，以將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能； (2)當流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件或該第四開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第二開關元件或該第三開關元件，以將步驟(1)中儲存於該諧振電容器之電能再次傳送至該二次側繞組；(3)當經過預設之功率截止輸出區域之後，對應地導通於步驟(2)中尚未導通之該第三開關元件或該第二開關元件，以再次將由該輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能；以及(4)當流經該第二開關元件及該第三開關元件之電流為零時，截止該第二開關元件或該第三開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關元件或該第四開關元件，以將步驟(3)中儲存於該諧振電容器之電能再次傳送至該變壓器之二次側繞組。
  10. 一種如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，包括：(1)令位於該第一下臂之第二開關元件及位於該第二上臂之第三開關元件導通，以將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能；(2)當流經該第二開關元件及該第三開關元件之電流為零時，截止該第二開關元件或該第三開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關 元件或該第四開關元件，以將步驟(1)中儲存於該諧振電容器之電能再次傳送至該二次側繞組；(3)當經過預設之功率截止輸出區域之後，對應地導通於步驟(2)中尚未導通之該第四開關元件或該第一開關元件，以再次將由該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能；以及(4)當流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件或該第四開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第二開關元件或該第三開關元件，以將步驟(3)中儲存於該諧振電容器之電能再次傳送至該變壓器之二次側繞組。
  11. 一種如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，包括：(1)令位於該第一上臂之第一開關元件及位於該第二下臂之第四開關元件導通，以將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能；(2)當流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件及該第四開關元件，以達成零電流切換，並同時導通該第二開關元件及該第三開關元件，以持續將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能；以及 (3)當流經該第二開關元件及該第三開關元件之電流為零時，截止該第二開關元件或該第三開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第一開關元件或該第四開關元件，以將步驟(1)及步驟(2)中儲存於該諧振電容器之電能傳送至該二次側繞組。
  12. 一種如申請專利範圍第1項所述之全橋式準諧振直流-直流轉換器的驅動方法，包括：(1)令位於該第一上臂之第二開關元件及位於該第二下臂之第三開關元件導通，以將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能；(2)當流經該第二開關元件及該第三開關元件之電流為零時，截止該第二開關元件及該第三開關元件，以達成零電流切換，並同時導通該第一開關元件及該第四開關元件，以持續將該全橋式轉換電路之輸入端所接收到之電能由該變壓器之一次側繞組傳送至該二次側繞組，並對該諧振電容器進行充能；以及(3)當流經該第一開關元件及該第四開關元件之電流為零時，截止該第一開關元件或該第四開關元件其中一者，以達成零電流切換，並同時對應地導通該第二開關元件或該第三開關元件，以將步驟(1)及步驟(2)中儲存於該諧振電容器之電能傳送至該二次側繞組。
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