TWI497888B - 電源轉換器及其方法 - Google Patents

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Description

電源轉換器及其方法
本發明係有關一種電子電路，更具體地說，本發明係有關一種電源轉換器及其方法。
現代消費類電子的典型應用電路一般運行在低壓電源下。因此需要將市電轉換為符合相應要求的電壓。
圖1所示為現有將市電轉換為低壓電源的線性電源轉換器10的電路結構示意圖。如圖1所示，線性電源轉換器10包括整流橋、電阻器、齊納二極體和電容器。該線性電源轉換器10結構簡單，但其上的電阻器、齊納二極體的功率損耗大，使得效率較低。
圖2所示為現有將市電轉換為低壓電源的開關電源轉換器20的電路結構示意圖。如圖所示，開關電源轉換器20包括整流橋、輸入電容器、開關裝置、二極體、電感器和輸出電容器，其中，開關裝置藉由PWM(脈衝寬度調變)模組來予以控制。但對一個普通的低壓偏壓電路來說，PWM模組顯得過於複雜。
圖3所示為現有將市電轉換為低壓電源的降壓變壓器電源轉換器30的電路結構示意圖。由於採用了變壓器，降壓變壓器電源轉換器30體積大、成本高，不適合很多應用電路。
因此，本發明之目的在於解決現有技術的上述技術問題，提出一種改進的電源轉換器。
為了實現上述目的，依據本發明的實施例，提出了一種電源轉換器，包括：輸入埠，用以接收交流輸入信號；整流器，係耦接至輸入埠以接收交流輸入信號，所述整流器基於所述交流輸入信號而提供整流信號；低壓埠，用以提供低壓信號；儲能電容器，係耦接在低壓埠與參考地之間；第一高壓功率裝置，係耦接至整流器以接收整流信號；功率開關，與所述第一高壓功率裝置串聯耦接，用以阻止或者傳遞所述整流信號至低壓埠；以及控制器，具有第一輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子耦接代表整流信號電壓大小的線電壓取樣信號，並基於所述線電壓取樣信號，所述控制器在其輸出端子提供控制信號，用以控制功率開關。
依據本發明的實施例，還提出了一種用於電源轉換器的方法，包括：耦接輸入信號；對所述輸入信號進行整流以產生整流信號；判斷所述整流信號是否位於有效電壓視窗內：若所述整流信號係位於有效電壓視窗內，則將所述整流信號傳遞至低壓埠以得到低壓信號；若所述整流信號係位於有效電壓視窗外，則斷開所述整流信號至低壓埠的通路，使儲能電容器單獨給負載供電。
依據本發明的實施例，還提出了一種用於電源轉換器的方法，所述電源轉換器接收交流輸入信號，提供低壓信 號，所述電源轉換器包括至少功率裝置和儲能電容器，所述方法包括：判斷交流輸入信號是否位於有效電壓視窗內：若交流輸入信號係位於有效電壓視窗內，則提供具有基本上垂直的上升邊緣和下降邊緣的控制信號，減緩所述控制信號的上升邊緣和下降邊緣，以得到具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣的驅動信號，控制功率開關在所述驅動信號的緩慢上升邊緣緩慢地閉合導通、在所述驅動信號的緩慢下降邊緣緩慢地斷開，以將所述交流輸入信號傳遞至低壓埠以補充所述儲能電容器的電荷並給負載供電；若交流輸入信號係位於有效電壓視窗外，則斷開所述交流輸入信號至低壓埠的通路，使儲能電容器單獨給負載供電。
依據本發明的實施例，還提出了一種電源轉換器，包括：第一輸入埠、第二輸入埠，用以接收交流輸入信號；低壓埠，用以提供低壓信號；第一整流器，係耦接至第一輸入埠用以接收交流輸入信號，所述第一整流器基於所述交流輸入信號而提供第一半波整流信號；第二整流器，係耦接至第二輸入埠用以接收交流輸入信號，所述第二整流器基於所述交流輸入信號而提供第二半波整流信號；第一智慧電壓模組，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至第一整流器以接收第一半波整流信號，其第二輸入端子接參考地，其輸出端子係耦接至所述低壓埠；第二智慧電壓模組，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至第二整流器以接收第二半波整流信號，其第二輸入端子接 地，其輸出端子係耦接至所述低壓埠；儲能電容器，係耦接在低壓埠與參考地之間。
依據本發明之各態樣的上述電源轉換器及其方法，電路結構簡單、成本低廉。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裏描述的實施例只用來舉例說明，並不用來限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量的特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，並未具體描述公知的電路、材料或方法。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的用語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和/或子組合而將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。此外，本領域普通技術人員應當理解，在此提供的附圖都是為了說明的目的，並且附圖不一定是按比例而繪製的。應當理解，當稱元件“耦接”或“耦接到”另一元件時，它可以是直接耦接或耦接到另一元件 或者可以存在中間元件。相反，當稱元件“直接耦接”或“直接耦接到”另一元件時，不存在中間元件。相同的附圖標記指示相同的元件。這裏使用的術語“和/或”包括一個或多個相關列出的專案的任何和所有組合。
圖4a為依據本發明一實施例的電源轉換器100的結構示意圖。如圖4a所示，電源轉換器100包括：輸入埠，用以接收交流輸入信號AC(市電)；整流器101，係耦接至輸入埠以接收交流輸入信號AC，所述整流器101基於所述交流輸入信號AC而提供整流信號VDC ；低壓埠，用以提供低壓信號VS ；智慧電壓模組110，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至整流器101以接收整流信號VDC ，其第二輸入端子接參考地，其輸出端子係耦接至所述低壓埠；儲能電容器107，係耦接在低壓埠與參考地之間；其中，所述智慧電壓模組110包括：第一高壓功率裝置102，係耦接至整流器101以接收整流信號VDC ；功率開關103，與所述第一高壓功率裝置102串聯耦接，所述功率開關103和所述第一高壓功率裝置102用以阻止或者傳遞所述整流信號VDC 至低壓埠；控制器106，具有第一輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子耦接代表整流信號電壓大小的線電壓取樣信號Vline ，並基於所述線電壓取樣信號Vline ，所述控制器106在其輸出端子提供控制信號，用以控制功率開關103。
在圖4a所示之實施例中，第一高壓功率裝置102之 兩端的電壓值不是很高，所述線電壓取樣信號Vline 直接係由第一高壓功率裝置102所提供。
在一個實施例中，整流器101包括二極體或者橋式整流器。所述二極體可以被集成。
在一個實施例中，第一高壓功率裝置102包括場效應電晶體(JFET)、接面型場效應電晶體(JFET)或任意空乏型裝置。該高壓功率裝置吸收絕大部分的電壓降，而只傳遞其最大夾止電壓。
在一個實施例中，功率開關包括N通道金屬氧化物場效應電晶體、P通道金屬氧化物場效應電晶體、三極管，等等。
圖4b為依據本發明一實施例的電源轉換器200的結構示意圖。圖4b所示之電源轉換器200與圖4a所示之電源轉換器100的電路結構相似，與圖4a所示之電源轉換器100不同的是，圖4b所示之電源轉換器200中，其智慧電壓模組210進一步包括：第二高壓功率裝置204，係耦接至整流器201以接收整流信號VDC ，並基於所述整流信號VDC ，第二高壓功率裝置204提供代表整流信號電壓大小的線電壓取樣信號Vline 。
在某些情況下，低壓信號VS 的最大值需要限定在一定範圍。因此，有必要對低壓輸出進行反饋。圖4c為依據本發明一實施例的電源轉換器300的結構示意圖。圖4c所示之電源轉換器300與圖4a所示之電源轉換器100的電路結構相似，與圖4a所示之電源轉換器100不同的 是，圖4c所示之電源轉換器300中，其智慧電壓模組310進一步包括：低壓輸出反饋單元305，係耦接至低壓埠以接收低壓信號VS ，並基於所述低壓信號VS 而提供反饋信號VFB 。同時，控制器306包括耦接至所述低壓輸出反饋單元305以接收反饋信號的第二輸入端子，所述控制器306基於線電壓取樣信號Vline 和反饋信號VFB 而提供控制信號。在本實施例中，線電壓取樣信號Vline 可由如圖4a所示之第一高壓功率裝置所提供。但在其他實施例中，線電壓取樣信號Vline 可由如圖4b所示的第二高壓功率裝置所提供。
在一個實施例中，第一高壓功率裝置和第二高壓功率裝置各自包括連接至參考地的控制端子。智慧電壓模組控制整流信號從整流器至低壓埠的電流通路。儲能電容器307上所儲存的電荷用於給負載供電或被輸送至後級電路。
當電源轉換器300在運行時，輸入交流信號AC經由整流器301而被轉化為整流信號VDC ；隨後整流信號VDC 被輸送至第一高壓功率裝置302。在第一高壓功率裝置302選取接面型場效應電晶體的情況下，當整流信號VDC 係小於第一高壓功率裝置302的夾止電壓VP 時，第一高壓功率裝置302的源極電壓跟隨其汲極電壓；相應地，儲能電容器307上的低壓信號VS 跟隨整流信號VDC 。考慮到實際裝置的非理性特性(諸如，第一高壓功率裝置302和功率開關303的壓降、儲能電容器所能穩壓的範圍等因 素)，低壓信號VS 可能不完全跟隨整流信號VDC 。當整流信號VDC 係大於第一高壓功率裝置302的夾止電壓時，第一高壓功率裝置302的源極電壓被箝位於其夾止電壓VP 。相應地，儲能電容器307上的低壓信號VS 也被箝位於第一高壓功率裝置302的夾止電壓VP 。
整流信號VDC 和低壓信號VS 均被監測。當線電壓取樣信號Vline 和反饋信號VFB 均在電源轉換器300正常運行所設定的範圍內，如果線電壓取樣信號Vline 代表整流信號VDC 係高於給定閾值VP1 ，則控制器306將功率開關303閉合導通。當線電壓取樣信號Vline 代表整流信號VDC 超出電源轉換器300正常運行所設定的範圍，則智慧電壓模組310阻止整流信號VDC 被輸送至低壓埠。當反饋信號VFB 代表低壓信號V-S 超出設定的最大電壓，則智慧電壓模組310也阻止整流信號被輸送至低壓埠。當功率開關303被閉合導通時，儲能電容器307被充電，電源轉換器300的負載/後級電路係由整流信號VDC 所供電；當功率開關303被斷開時，儲能電容器307給電源轉換器300的負載/後級電路供電。也就是說，電源轉換器300給整流信號VDC 設定了有效電壓視窗“0~VP ”或“VP1 ~VP ”。亦即，電源轉換器300給交流輸入信號AC設定了有效電壓視窗。當交流輸入信號AC的電壓值在所述有效電壓視窗內，交流輸入信號AC經由整流器301、智慧電壓模組310而被輸送至低壓埠；當交流輸入信號AC的電壓值在所述有效電壓視窗之外，電源轉換器300阻止交流輸入信 號AC被輸送至低壓埠，並藉由儲能電容器307而給負載/後級電路供電。
在一個實施例中，功率開關303被控制操作於恒定導通時間控制模式下。當線電壓取樣信號Vline 代表整流信號VDC 超過閾值VP1 時，功率開關303被控制導通閉合於恒定的時間。在一個實施例中，功率開關303被控制操作在滯環控制模式或者PWM控制模式下，諸如固定脈寬PWM控制或者線電壓前饋PWM控制。在線電壓前饋PWM控制中，脈衝寬度隨著整流信號的增大而變窄，隨著整流信號的減小而變寬。這些控制方式可以使電源轉換器獲得更寬的有效電壓視窗而無需帶來額外的功率損耗。
圖5為依據本發明一實施例的電源轉換器400的結構示意圖。圖5所示之電源轉換器400與圖4a所示之電源轉換器100的電路結構相似，與圖4a所示之電源轉換器100不同的是，圖5所示之電源轉換器400進一步包括：電壓偏壓單元408，係耦接在第一高壓功率裝置402的控制端與參考地之間。其中，電壓偏壓單元408的偏壓電壓可被設定，在一個實施例中，其偏壓電壓為V1 。
電源轉換器400的運行過程與電源轉換器100/200/300相似。在第一高壓功率裝置402選取接面型場效應電晶體的情況下，當整流信號VDC 係小於第一高壓功率裝置402的夾止電壓VP 加上電壓偏壓單元408的偏壓電壓V1 時，第一高壓功率裝置402的源極電壓跟隨其汲極電壓。因此，電源轉換器400對整流信號的有效電壓 視窗為“VP1 ~(VP +V1 )”或者“0~(VP +V1 )”。
圖6為圖5所示之電源轉換器400的整流信號VDC 和低壓信號VS 的波形示意圖。如圖6所示，當整流信號VDC 在有效電壓視窗“VP1 ~(VP +V1 )”之內，低壓信號VS 增大；當整流信號VDC 在有效電壓視窗“VP1 ~(VP +V1 )”之外，低壓信號VS 減小。
如圖6所示，整流信號VDC 為半波信號，亦即，電源轉換器100//200/300/400運行在半波模式。但本領域技術人員應當意識到，電源轉換器也可運行在全波模式，或運行在多相系統(諸如，3相系統)。
圖7為依據本發明一實施例的電源轉換器500的結構示意圖。如圖7所示，電源轉換器500包括：第一輸入埠、第二輸入埠，用以接收交流輸入信號AC；低壓埠，用以提供低壓信號VS ；第一整流器501，係耦接至第一輸入埠用以接收交流輸入信號AC，所述第一整流器501基於所述交流輸入信號而提供第一半波整流信號；第二整流器502，係耦接至第二輸入埠用以接收交流輸入信號AC，所述第二整流器502基於所述交流輸入信號而提供第二半波整流信號；第一智慧電壓模組503，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至第一整流器501以接收第一半波整流信號，其第二輸入端子接參考地，其輸出端子係耦接至所述低壓埠；第二智慧電壓模組504，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至第二整流器502以接 收第二半波整流信號，其第二輸入端子接地，其輸出端子係耦接至所述低壓埠；儲能電容器507，係耦接在低壓埠與參考地之間。
在本實施例中，第一智慧電壓模組503和第二智慧電壓模組504的輸出端子被耦接在一起，用以提供低壓信號VS 。但本領域的技術人員應當意識到，3個或3個以上的智慧電壓模組可以被並聯耦接在一起，以提高電源轉換器的功率容量。
在一個實施例中，第一整流器501和第二整流器502包括二極體，所述二極體可以被集成。但本領域的技術人員應當意識到，第一整流器501和第二整流器502也包括橋式整流器。
在一個實施例中，第一智慧電壓模組503和第二智慧電壓模組504的電路結構與圖4a所示的智慧電壓模組110相似。在另一個實施例中，第一智慧電壓模組503和第二智慧電壓模組504的電路與圖4b所示的智慧電壓模組210或者圖4c所示的智慧電壓模組310相似。
在電源轉換器500於運行時，當輸入交流信號AC為正電壓(亦即，當第一輸入埠的電壓係大於第二輸入埠的電壓)時，第一整流器501係處於操作狀態，第一智慧電壓模組503控制第一半波整流信號從第一整流器501至低壓埠的電流通路。當輸入交流信號AC為負電壓(亦即，當第一輸入埠的電壓係小於第二輸入埠的電壓)時，第二整流器502係處於操作狀態，第二智慧電壓模組504控制 第二半波整流信號從第二整流器502至低壓埠的電流通路。
在一個實施例中，電源轉換器500進一步包括耦接交流輸入信號的整流橋，所述整流橋將交流輸入信號經整流後將其輸送至高壓直流母線。因此，智慧電壓模組可以被方便地與不同電壓位準的供電系統結合。
圖8為圖7所示之電源轉換器500的交流輸入信號AC和低壓信號VS 的時序波形示意圖。
在一個實施例中，低壓信號可能呈現一定的脈動，為了減小低壓信號的脈動，所述電源轉換器可能進一步包括一穩壓器。
圖9為依據本發明一實施例的電源轉換器600的結構示意圖。如圖9所示，所述電源轉換器600包括：輸入埠，用以接收交流輸入信號AC(市電)；整流器601，係耦接至輸入埠以接收交流輸入信號AC，所述整流器601基於所述交流輸入信號AC而提供整流信號VDC ；低壓埠，用以提供低壓信號VS ；輸出埠，用以提供輸出電壓VO ；智慧電壓模組602，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至整流器601以接收整流信號VDC ，其第二輸入端子接參考地，其輸出端子係耦接至所述低壓埠；儲能電容器603，係耦接在低壓埠與參考地之間，用以儲存能量；穩壓器604，具有第一端子、第二端子和輸出端子，其第一端子係耦接至低壓埠以接收低壓信號VS ，其第二端子連接參考地，其輸出 端子係耦接至輸出埠；以及輸出電容器605，係耦接在輸出埠與參考地之間，以提供所述輸出電壓VO 。
在一個實施例中，所述穩壓器604包括開關模式穩壓器或者低壓差穩壓器LDO。
圖9所示之電源轉換器600運行於半波模式。但本領域的技術人員應當意識到，電源轉換器也可運行於全波模式。
圖10為依據本發明一實施例的電源轉換器700的結構示意圖。電源轉換器700的運行原理與圖7所示之電源轉換器500相似，與圖7所示之電源轉換器500不同的是，電源轉換器700的低壓信號透過穩壓器706和輸出電容器707而被進一步調節，以得到輸出電壓VO 。
圖11為依據本發明一實施例的電源轉換器800的結構示意圖。圖11所示之電源轉換器800的電路結構與圖4a所示之電源轉換器100相似，與圖4a所示之電源轉換器100不同的是，電源轉換器800進一步包括耦接至智慧電壓模組802的線性脈寬調變單元804。
在一個實施例中，智慧電壓模組802的電路結構與圖4a所示的智慧電壓模組110相似，其中，線性脈寬調變單元係耦接至控制器，以使控制器輸出脈寬調變信號(VG )至功率開關。
圖12為圖11所示之電源轉換器800的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC 和脈寬調變信號VG 的時序波形示意圖。
在一個實施例中，線性脈寬調變單元被前饋脈寬調變單元所取代，以增大電源轉換器的有效電壓視窗。圖13為前饋脈寬調變下的全波模式電源轉換器的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC 和脈寬調變信號VG 的時序波形示意圖。
圖14示意性地示出了依據本發明一實施例的一種用於電源轉換器的方法流程圖900。如圖14所示，所述方法包括： 步驟901，耦接輸入信號。
步驟902，對所述輸入信號進行整流以產生整流信號。在一個實施例中，所述整流信號透過二極體或整流橋而被產生。
步驟903，判斷所述整流信號是否位於有效電壓視窗內：若所述整流信號係位於有效電壓視窗內，則進入步驟904；若所述整流信號係位於有效電壓視窗外，則進入步驟905。
步驟904，將所述整流信號傳遞至低壓埠以得到低壓信號。在一個實施例中，所述低壓信號用以給負載供電。
步驟905，斷開所述整流信號至低壓埠的通路，使儲能電容器單獨給負載供電。
在一個實施例中，所述步驟903“判斷所述整流信號是否位於有效電壓視窗內”包括：將整流信號箝位至較低電壓值；監測整流信號以產生代表整流信號的線電壓取樣信號；以及比較所述線電壓取樣信號與一預定閾值以判斷 所述整流信號是否位於有效電壓視窗。
在一個實施例中，所述方法還包括：判斷所述低壓信號的紋波是否在設定範圍內：若其紋波係在設定範圍內，則將所述低壓信號直接作為輸出電壓；若其紋波係在設定範圍外，則透過穩壓器而對所述低壓信號進行調節。
從以上各實施例可以看出，本發明所提出的電源轉換器及其方法，在其交流輸入信號的電壓值很高時，透過高壓功率裝置來吸收絕大部分的電壓降，而只傳遞高壓功率裝置的最大夾止電壓，以得到需要的低壓信號。該電路結構簡單，成本低廉。
在現實世界中，在整流器處通常存在有寄生電容或雜散電容。該寄生電容或雜散電容有可能使整流VDC 不能下降至零，因而導致實際落入有效電壓視窗的整流信號被影響(諸如，可能導致整流信號錯過有效電壓視窗)、並可能導致低壓埠的低壓信號下降至過低的電壓值。
針對這種情況，現有技術一般採用被動洩放器(諸如，電阻器)來拉低整流信號。但被動放大器的功耗大，降低了電源轉換器的效率。
圖15為依據本發明一實施例的電源轉換器1000的結構示意圖。圖15所示之電源轉換器1000與圖4a所示之電源轉換器100的電路結構相似，與圖4a所示之電源轉換器100不同的是，圖15所示之電源轉換器1000進一步包括主動洩放單元1008，具有第一輸入端子、第二輸入端子、第三輸入端子和輸出端子；其中，所述第一輸入端 子係耦接至低壓埠以接收低壓信號VS ，第二輸入端子耦接電壓閾值VTH ，第三輸入端子係耦接至整流器1001和第一高壓功率裝置1002的連接點，輸出端子係耦接至低壓埠，當所述低壓信號VS 係小於所述電壓閾值VTH 時，所述主動洩放單元1008被開啟，以拉低所述整流信號VDC ，當所述低壓信號VS 係大於電壓閾值VTH 時，所述主動洩放單元1008為不操作(OFF，關閉)狀態。
圖16為依據本發明一實施例的電源轉換器1100的結構示意圖。圖16所示之電源轉換器1100與圖15所示之電源轉換器1000的電路結構相似，與圖15所示之電源轉換器1000不同的是，在圖16所示之電源轉換器1000中，主動洩放單元1108的輸出端子係耦接至參考地。當所述低壓信號VS 係小於所述電壓閾值VTH 時，所述主動洩放單元1108被開啟，以將所述整流信號VDC 拉低至參考地；當所述低壓信號VS 係大於電壓閾值VTH 時，所述主動洩放單元1008為不操作(OFF，關閉)狀態。
圖17為依據本發明一實施例的圖15/圖16電源轉換器1000/1100中的主動洩放單元的結構示意圖。如圖17所示，所述主動洩放單元包括：比較器11，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其中，所述第一輸入端子耦接低壓信號VS ，第二輸入端子耦接電壓閾值VTH ，所述比較器11基於所述低壓信號VS 和電壓閾值VTH 而在其輸出端子輸出比較信號；放電開關12和放電電阻器13，係串聯耦接在所述主動洩放單元的第三輸入 端子與輸出端子之間，其中，所述放電開關12包括控制端子，係耦接至所述比較器11的輸出端子以接收比較信號，所述放電開關12基於所述比較信號而被閉合導通或斷開。
圖18為依據本發明另一實施例的圖15/圖16所示之電源轉換器1000/1100中的主動洩放單元的結構示意圖。如圖18所示，所述主動放學單元包括：比較器11，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其中，所述第一輸入端子耦接低壓信號VS ，第二輸入端子耦接電壓閾值VTH ，所述比較器11基於所述低壓信號VS 和電壓閾值VTH 而在其輸出端子輸出比較信號；放電開關12和放電電流源14，係串聯耦接在所述主動洩放單元的第三輸入端子與輸出端子之間，其中，所述放電開關12包括控制端子，係耦接至所述比較器11的輸出端子以接收比較信號，所述放電開關12基於所述比較信號而被閉合導通或斷開。
在一個實施例中，放電電流源包括雙極接面型電晶體(BJT)或場效應電晶體(FET)。
當低壓信號VS 係大於電壓閾值VTH 時，比較器11產生的比較信號為邏輯低位準。此時，放電開關12被斷開，從而阻止整流信號被放電。但當低壓信號VS 係小於電壓閾值VTH 時，比較器11產生的比較信號為邏輯高位準。此時，放電開關12被閉合導通。相應地，放電電阻器13(或放電電流源14)和放電開關12形成整流信號 VDC 至低壓埠或至參考地的通路，以將整流信號拉低，從而消除寄生電容或雜散電容的影響。
在電源轉換器運行時，功率開關運行於“閉合導通”和“斷開”的狀態。在功率開關的“閉合導通”和“斷開”的瞬間，流過功率開關的電流可能很大，從而產生電磁干擾(EMI)問題。
為了解決上述EMI問題，在一個實施例中，在整流信號VDC 剛進入有效電壓視窗時，功率開關被控制為緩慢導通(亦即，其閘極電壓緩慢上升)第一設定時長；在整流信號VDC 離開有效電壓視窗時，功率開關被控制為緩慢閉合(亦即，其閘極電壓緩慢下降)第二設定時長；在整流信號VDC 落入有效電壓視窗的其他時間內，功率開關被控制為正常的閉合導通狀態。
在一個實施例中，第一設定時長係等於第二第二設定時長。
圖19為依據本發明一實施例的電源轉換器1200的結構示意圖。圖19所示之電源轉換器1200與圖4a所示之電源轉換器100的電路結構相似，與圖4a所示之電源轉換器100不同的是，圖19所示之電源轉換器1200進一步包括斜坡延遲電路1209，係耦接至控制器1206以接收控制信號，所述控制信號具有基本上垂直的上升邊緣和下降邊緣，所述斜坡延遲電路1209基於所述控制信號而產生驅動信號Sdrv ，所述驅動信號Sdrv 具有緩慢的上升邊緣和緩慢的下降邊緣，所述驅動信號Sdrv 用以控制功率開關 1203，使得功率開關1203在驅動信號Sdrv 的傾斜上升邊緣時被緩慢地閉合導通，在驅動信號Sdrv 的傾斜下升邊緣時被緩慢地斷開。
圖20為依據本發明一實施例的圖19所示之電源轉換器1200中的斜坡延遲電路1209的結構示意圖。如圖20所示，斜坡延遲電路1209包括：供電節點21，耦接供電電壓VDD ；參考節點22；共用節點23；第一電流源I1 和第一開關S1 ，係串聯耦接在供電節點21與共用節點23之間；第二電流源I2 和第二開關S2 ，係串聯耦接在共用節點23與參考節點22之間；充電電容器C1 ，係耦接在共用節點23與參考節點22之間，其中，第一開關S1 和第二開關S2 分別具有耦接控制信號Scon 的控制端子，所述驅動信號Sdrv 係產生於共用節點23處。
在圖20所示之實施例中，在控制信號Scon 為高時，第一開關S1 被閉合導通，第二開關S2 被斷開；在控制信號Scon 為低時，第一開關S1 被斷開，第二開關S2 被閉合導通。
在電源轉換器1200運行時，當整流信號VDC 進入有效電壓視窗，控制器1206產生的控制信號Scon 變高。該變高的控制信號Scon 使第一開關S1 閉合導通，使第二開關S2 斷開。相應地，第一電流源I1 開始給充電電容器C1 充電，充電電容器C1 之兩端的電壓(亦即，驅動信號Sdrv )開始增大。當整流信號VDC 離開有效電壓視窗時，控制器1206產生的控制信號Scon 變低。該變低的控制信 號Scon 使第一開關S1 斷開，使第二開關S2 閉合導通。相應地，第二電流源I2 開始給充電電容器C1 放電，充電電容器C1 之兩端的電壓(亦即，驅動信號Sdrv )開始下降。斜坡延遲電路1209如上所述地操作，從而產生梯形驅動信號Sdrv 。
該梯形驅動信號Sdrv 隨後被用來控制功率開關1203，使得功率開關1203在驅動信號Sdrv 的傾斜上升邊緣時被緩慢地閉合導通，在驅動信號Sdrv 的高位準時完全閉合導通，在驅動信號Sdrv 的傾斜下降邊緣時被緩慢地斷開。
如果流過功率開關的電流小於其最大電流容量，則該電流波形為三角波，相應的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC ，低壓信號VS 和流過功率開關的電流IS 的時序波形圖見圖21。
如果流過功率開關的電流達到其最大電流容量，則該電流波形為梯形波，相應的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC ，低壓信號VS 和流過功率開關的電流IS 的時序波形圖見圖22。
圖23為依據本發明另一實施例的圖19所示之電源轉換器1200中的斜坡延遲電路的結構示意圖1209-1。圖23所示之斜坡延遲電路1209-1與圖20所示之斜坡延遲電路1209的電路結構相似，與圖20所示之斜坡延遲電路1209不同的是，圖23所示之斜坡延遲電路1209-1進一步包括：第一緩衝器25，具有輸入端和輸出端，其中，所述 輸入端耦接控制信號Scon ，所述輸出端係耦接至第一開關S1 的控制端子和第二開關S2 的控制端子；第二緩衝器26，具有輸入端和輸出端，其中，所述輸入端係耦接至所述共用節點23以接收充電電容器C1 之兩端的電壓，所述驅動信號Sdrv 係產生於第二緩衝器26的輸出端。
斜坡延遲電路1209-1的運行原理和斜坡延遲電路1209的運行原理相似，為了敍述簡明，這裏不再詳述。
圖24為依據本發明又一實施例的圖19所示之電源轉換器1200中的斜坡延遲電路的結構示意圖1209-2。圖24所示之斜坡延遲電路1209-2與圖20所示之斜坡延遲電路1209的電路結構相似，與圖20所示之斜坡延遲電路1209不同的是，在圖24所示之斜坡延遲電路1209-2中，當控制信號Scon 為高時，第一開關S1 被斷開，第二開關S2 被閉合導通，當控制信號Scon 為低時，第一開關S1 被閉合導通，第二開關S2 被斷開；且斜坡延遲電路1209-2進一步包括反相器27，所述反相器27具有輸入端和輸出端，其中，所述輸入端係耦接至共用節點23以接收充電電容器C1 之兩端的電壓，所述驅動信號Sdrv 係產生於反相器27的輸出端。
在包括圖24所示之斜坡延遲電路1209-2的電源轉換器1200運行時，當整流信號VDC 進入有效電壓視窗，控制器1206產生的控制信號Scon 變高。該變高的控制信號Scon 使第一開關S1 斷開，使第二開關S2 閉合導通。相應地，第二電流源I2開始給充電電容器C1 放電電，充電電 容器C1 之兩端的電壓開始下降。當整流信號VDC 離開有效電壓視窗時，控制器1206產生的控制信號Scon 變低。該變低的控制信號Scon 使第一開關S1 閉合導通，使第二開關S2 斷開。相應地，第一電流源I1 開始給充電電容器C1 充電，充電電容器C1 之兩端的電壓開始增大。然後充電電容器C1 之兩端的電壓經由反相器27而被反向，以得到梯形驅動信號Sdrv 。
從以上各實施例可以看出，帶斜坡延遲電路的電源轉換器透過控制在功率開關從閉合導通到斷開、從斷開到閉合導通的暫態中的電流壓擺率，降低了EMI。如果在實際應用中設置恰當，由於外部吸收EMI的元件減少，將降低整個系統成本。
圖25示意性地示出了依據本發明一實施例的一種用於電源轉換器的方法流程圖1300。所述電源轉換器接收交流輸入信號，提供低壓信號，所述電源轉換器包括至少功率裝置和儲能電容器，所述方法包括如下步驟：步驟1301，判斷所述交流輸入信號是否位於有效電壓視窗內；若交流輸入信號係位於有效電壓視窗內，則進入步驟1302；若交流輸入信號係位於有效電壓視窗外，則進入步驟1305。
步驟1302，提供具有基本上垂直的上升邊緣和下降邊緣的控制信號；步驟1303，減緩所述控制信號的上升邊緣和下降邊緣，以得到具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣的驅動信 號；步驟1304，控制功率開關在所述驅動信號的緩慢上升邊緣緩慢地閉合導通、在所述驅動信號的緩慢下降邊緣緩慢地斷開，以將所述交流輸入信號傳遞至低壓埠以補充所述儲能電容器的電荷並給負載供電。
步驟1305，斷開所述交流輸入信號至低壓埠的通路，使儲能電容器單獨給負載供電。
在一個實施例中，在步驟1303“減緩所述控制信號的上升邊緣和下降邊緣，以得到具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣的驅動信號”包括：回應控制信號的上升邊緣，給一充電電容器充電；回應控制信號的下降邊緣，給充電電容器放電；其中，所述充電電容器之兩端的電壓為所述驅動信號。
在一個實施例中，在步驟1303“減緩所述控制信號的上升邊緣和下降邊緣，以得到具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣的驅動信號”包括：回應控制信號的上升邊緣，給充電電容器放電；回應控制信號的下降邊緣，給充電電容器充電；以及將所述充電電容器之兩端的電壓反向以得到所述驅動信號。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式來予以具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍中所限定的精神和範圍 內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和變型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧線性電源轉換器
20‧‧‧開關電源轉換器
30‧‧‧降壓變壓器電源轉換器
100‧‧‧電源轉換器
101‧‧‧整流器
102‧‧‧第一高壓功率裝置
103‧‧‧功率開關
106‧‧‧控制器
107‧‧‧儲能電容器
110‧‧‧智慧電壓模組
200‧‧‧電源轉換器
201‧‧‧整流器
204‧‧‧第二高壓功率裝置
210‧‧‧智慧電壓模組
300‧‧‧電源轉換器
301‧‧‧整流器
302‧‧‧第一高壓功率裝置
303‧‧‧功率開關
305‧‧‧低壓輸出反饋單元
306‧‧‧控制器
307‧‧‧儲能電容器
310‧‧‧智慧電壓模組
400‧‧‧電源轉換器
402‧‧‧第一高壓功率裝置
408‧‧‧電壓偏壓單元
500‧‧‧電源轉換器
501‧‧‧第一整流器
502‧‧‧第二整流器
503‧‧‧第一智慧電壓模組
504‧‧‧第二智慧電壓模組
600‧‧‧電源轉換器
601‧‧‧整流器
602‧‧‧智慧電壓模組
603‧‧‧儲能電容器
604‧‧‧穩壓器
605‧‧‧輸出電容器
700‧‧‧電源轉換器
706‧‧‧穩壓器
707‧‧‧輸出電容器
800‧‧‧電源轉換器
802‧‧‧智慧電壓模組
804‧‧‧線性脈寬調變單元
1000‧‧‧電源轉換器
1001‧‧‧整流器
1002‧‧‧第一高壓功率裝置
1008‧‧‧主動洩放單元
1100‧‧‧電源轉換器
1108‧‧‧主動洩放單元
11‧‧‧比較器
12‧‧‧放電開關
13‧‧‧放電電阻器
14‧‧‧放電電流源
1200‧‧‧電源轉換器
1203‧‧‧功率開關
1206‧‧‧控制器
1209‧‧‧斜坡延遲電路
21‧‧‧供電節點
22‧‧‧參考節點
23‧‧‧共用節點
1209-1‧‧‧斜坡延遲電路
25‧‧‧第一緩衝器
26‧‧‧第二緩衝器
1209-2‧‧‧斜坡延遲電路
27‧‧‧反相器
圖1所示為現有將市電轉換為低壓電源的線性電源轉換器10的電路結構示意圖；圖2所示為現有將市電轉換為低壓電源的開關電源轉換器20的電路結構示意圖；圖3所示為現有將市電轉換為低壓電源的降壓變壓器電源轉換器30的電路結構示意圖；圖4a為根據本發明一實施例的電源轉換器100的結構示意圖；圖4b為根據本發明一實施例的電源轉換器200的結構示意圖；圖4c為根據本發明一實施例的電源轉換器300的結構示意圖；圖5為根據本發明一實施例的電源轉換器400的結構示意圖；圖6為圖5所示之電源轉換器400的整流信號VDC 和低壓信號VS 的波形示意圖；圖7為根據本發明一實施例的電源轉換器500的結構示意圖；圖8為圖7所示之電源轉換器500的交流輸入信號AC和低壓信號VS 的時序波形示意圖； 圖9為根據本發明一實施例的電源轉換器600的結構示意圖；圖10為根據本發明一實施例的電源轉換器700的結構示意圖；圖11為根據本發明一實施例的電源轉換器800的結構示意圖；圖12為圖11所示之電源轉換器800的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC 和脈寬調變信號VG 的時序波形示意圖；圖13為前饋脈寬調變下的全波模式電源轉換器的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC 和脈寬調變信號VG 的時序波形示意圖；圖14示意性地示出了根據本發明一實施例的一種用於電源轉換器的方法流程圖900；圖15為根據本發明一實施例的電源轉換器1000的結構示意圖；圖16為根據本發明一實施例的電源轉換器1100的結構示意圖；圖17為根據本發明一實施例的圖15/圖16電源轉換器1000/1100中的主動洩放單元的結構示意圖；圖18為根據本發明另一實施例的圖15/圖16所示之電源轉換器1000/1100中的主動洩放單元的結構示意圖；圖19為根據本發明一實施例的電源轉換器1200的結構示意圖； 圖20為根據本發明一實施例的圖19所示之電源轉換器1200中的斜坡延遲電路1209的結構示意圖；圖21為圖19所示之電源轉換器1200的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC ，低壓信號VS 和流過功率開關的電流IS 在流過功率開關的電流IS 小於其最大電流容量下的時序波形示意圖；圖22為圖19所示之電源轉換器1200的交流輸入信號VAC 、整流信號VDC ，低壓信號VS 和流過功率開關的電流IS 在流過功率開關的電流IS 達到其最大電流容量下的時序波形示意圖；圖23為根據本發明另一實施例的圖19所示之電源轉換器1200中的斜坡延遲電路的結構示意圖1209-1；圖24為根據本發明又一實施例的圖19所示之電源轉換器1200中的斜坡延遲電路的結構示意圖1209-2；以及圖25示意性地示出了根據本發明一實施例的一種用於電源轉換器的方法流程圖1300。
其中，各附圖中相似的附圖標記代表相同或相似的電路結構/功能。
100‧‧‧電源轉換器
101‧‧‧整流器
102‧‧‧第一高壓功率裝置
103‧‧‧功率開關
106‧‧‧控制器
107‧‧‧儲能電容器
110‧‧‧智慧電壓模組

Claims (19)

  1. 一種電源轉換器，包括：輸入埠，用以接收交流輸入信號；整流器，係耦接至該輸入埠以接收該交流輸入信號，該整流器基於該交流輸入信號而提供整流信號；低壓埠，用以提供低壓信號；儲能電容器，係耦接在低壓埠與參考地之間；第一高壓功率裝置，係耦接至該整流器以接收該整流信號，該第一高壓功率裝置包括空乏型裝置；功率開關，與該第一高壓功率裝置串聯耦接，用以阻止或者傳遞該整流信號至該低壓埠；以及控制器，具有第一輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接代表該整流信號之電壓大小的線電壓取樣信號，並基於該線電壓取樣信號，該控制器在其輸出端子提供控制信號，用以控制該功率開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換器，進一步包括第二高壓功率裝置，係耦接至該整流器以接收該整流信號，基於該整流信號，該第二高壓功率裝置提供代表該整流信號之電壓大小的線電壓取樣信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換器，進一步包括電壓偏壓單元，係耦接在該第一高壓功率裝置的控制端與參考地之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換器，進一步包括低壓輸出反饋單元，係耦接至該低壓埠以接收低壓 信號，並基於該低壓信號而產生反饋信號；其中，該控制器包括耦接至該低壓輸出反饋單元以接收反饋信號的第二輸入端子，該控制器基於該線電壓取樣信號和該反饋信號而提供控制信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換器，進一步包括：輸出埠，用以提供輸出電壓；穩壓器，具有第一端子、第二端子和輸出端子，其第一端子係耦接至該低壓埠以接收該低壓信號，其第二端子連接參考地，其輸出端子係耦接至輸出埠；以及輸出電容器，係耦接在該輸出埠與參考地之間，以提供該輸出電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換器，進一步包括：主動洩放單元，具有第一輸入端子、第二輸入端子、第三輸入端子和輸出端子；其中，該第一輸入端子係耦接至該低壓埠以接收低壓信號，該第二輸入端子耦接一電壓閾值，該第三輸入端子係耦接至該整流器和該第一高壓功率裝置的連接點，該輸出端子係耦接至該低壓埠，其中當該低壓信號係小於該電壓閾值時，該主動洩放單元被開啟；當該低壓信號係大於電壓閾值時，該主動洩放單元為不操作狀態。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換器，進一 步包括：主動洩放單元，具有第一輸入端子、第二輸入端子、第三輸入端子和輸出端子；其中，該第一輸入端子係耦接至該低壓埠以接收低壓信號，該第二輸入端子耦接一電壓閾值，該第三輸入端子係耦接至該整流器和該第一高壓功率裝置的連接點，該輸出端子係耦接至參考地，其中當該低壓信號係小於該電壓閾值時，該主動洩放單元被開啟；當該低壓信號係大於電壓閾值時，該主動洩放單元為不操作狀態。
  8. 如申請專利範圍第6或7項所述的電源轉換器，其中，該主動洩放單元包括：比較器，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其中，該第一輸入端子耦接低壓信號，該第二輸入端子耦接電壓閾值，該比較器基於該低壓信號和電壓閾值而在其輸出端子輸出比較信號；放電開關和放電電阻器，係串聯耦接在該主動洩放單元的第三輸入端子與輸出端子之間，其中，該放電開關包括控制端子，該控制端子係耦接至該比較器的輸出端子以接收比較信號，該放電開關基於該比較信號而被閉合導通或斷開。
  9. 如申請專利範圍第6或7項所述的電源轉換器，其中，該主動洩放單元包括：比較器，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其中，該第一輸入端子耦接低壓信號，該第二輸入端 子耦接電壓閾值，該比較器基於該低壓信號和電壓閾值而在其輸出端子輸出比較信號；放電開關和放電電流源，係串聯耦接在該主動洩放單元的第三輸入端子與輸出端子之間，其中，該放電開關包括控制端子，該控制端子係耦接至該比較器的輸出端子以接收比較信號，該放電開關基於該比較信號而被閉合導通或斷開。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電源轉換器，進一步包括：斜坡延遲電路，係耦接至控制器以接收控制信號，該控制信號具有基本上垂直的上升邊緣和下降邊緣，該斜坡延遲電路基於該控制信號而產生驅動信號，該驅動信號具有緩慢的上升邊緣和緩慢的下降邊緣，該驅動信號用以控制該功率開關。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電源轉換器，其中，該斜坡延遲電路包括：供電節點，耦接供電電壓；參考節點；共用節點；第一電流源和第一開關，係串聯耦接在該供電節點與該共用節點之間；第二電流源和第二開關，係串聯耦接在該共用節點與該參考節點之間；充電電容器，係耦接在該共用節點與該參考節點之間，其中， 該第一開關和第二開關分別具有耦接控制信號的控制端子，該驅動信號係產生於該共用節點處。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的電源轉換器，其中，該斜坡延遲電路包括：供電節點，耦接供電電壓；參考節點；共用節點；第一電流源和第一開關，係串聯耦接在該供電節點與該共用節點之間；第二電流源和第二開關，係串聯耦接在該共用節點與該參考節點之間；該第一開關和第二開關分別具有控制端子，充電電容器，係耦接在該共用節點與該參考節點之間，其中第一緩衝器，具有輸入端和輸出端，其中，該輸入端耦接控制信號，該輸出端係耦接至該第一開關的控制端子和該第二開關的控制端子；第二緩衝器，具有輸入端和輸出端，其中，該輸入端係耦接至該共用節點以接收該充電電容器之兩端的電壓，該驅動信號係產生於該第二緩衝器的輸出端。
  13. 一種用於電源轉換器的方法，包括：耦接輸入信號；對該輸入信號進行整流以產生整流信號； 判斷該整流信號是否位於有效電壓視窗內：若該整流信號係位於有效電壓視窗內，則將該整流信號傳遞至低壓埠以得到低壓信號；若該整流信號係位於有效電壓視窗外，則斷開該整流信號至低壓埠的通路，使儲能電容器單獨給負載供電。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的用於電源轉換器的方法，進一步包括：將整流信號箝位至較低電壓值；監測整流信號以產生代表整流信號的線電壓取樣信號；以及比較該線電壓取樣信號與一預定閾值以判斷該整流信號是否位於有效電壓窗。
  15. 一種用於電源轉換器的方法，該電源轉換器接收交流輸入信號，以提供低壓信號，該電源轉換器包括至少功率裝置和儲能電容器，該方法包括：判斷交流輸入信號是否位於有效電壓視窗內：若該交流輸入信號係位於該有效電壓視窗內，則提供具有基本上垂直的上升邊緣和下降邊緣的控制信號，減緩該控制信號的上升邊緣和下降邊緣，以得到具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣的驅動信號，控制功率開關在該驅動信號的緩慢上升邊緣緩慢地閉合導通、在該驅動信號的緩慢下降邊緣緩慢地斷開，以將該交流輸入信號傳遞至低壓埠以補充該儲能電容器的電荷並給負載供電；若該交流輸入信號係位於該有效電壓視窗外，則斷開 該交流輸入信號至低壓埠的通路，使儲能電容器單獨給負載供電。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的用於電源轉換器的方法，其中，該步驟“減緩該控制信號的上升邊緣和下降邊緣，以得到具有緩慢上升邊緣和緩慢下降邊緣的驅動信號”包括：回應控制信號的上升邊緣，給充電電容器充電；回應控制信號的下降邊緣，給該充電電容器放電；其中該充電電容器之兩端的電壓為該驅動信號。
  17. 一種電源轉換器，包括：第一輸入埠、第二輸入埠，用以接收交流輸入信號；低壓埠，用以提供低壓信號；第一整流器，係耦接至該第一輸入埠用以接收該交流輸入信號，該第一整流器基於該交流輸入信號而提供第一半波整流信號；第二整流器，係耦接至該第二輸入埠用以接收該交流輸入信號，該第二整流器基於該交流輸入信號而提供第二半波整流信號；第一智慧電壓模組，具有第一輸入端子、第二輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至該第一整流器以接收該第一半波整流信號，其第二輸入端子耦接參考地，其輸出端子係耦接至該低壓埠；第二智慧電壓模組，具有第一輸入端子、第二輸入端 子和輸出端子，其第一輸入端子係耦接至該第二整流器以接收該第二半波整流信號，其第二輸入端子接地，其輸出端子係耦接至該低壓埠；儲能電容器，係耦接在該低壓埠與該參考地之間。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的電源轉換器，其中，該第一智慧電壓模組包括：第一高壓功率裝置，係耦接至整流器以接收整流信號；功率開關，與該第一高壓功率裝置串聯耦接，用以阻止或者傳遞該整流信號至該低壓埠；以及控制器，具有第一輸入端子和輸出端子，其第一輸入端子耦接代表整流信號電壓大小的線電壓取樣信號，並基於該線電壓取樣信號，該控制器在其輸出端子提供控制信號，用以控制該功率開關。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的電源轉換器，進一步包括電壓偏壓單元，係耦接在該第一高壓功率裝置的控制端與該參考地之間。
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