TWI501529B - 直流電源轉換裝置與方法 - Google Patents

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Wei-Han Lai
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Description

直流電源轉換裝置與方法
本揭露是有關於一種直流電源轉換裝置與方法。
目前應用於高功率的隔離型直流對直流電源轉換器(DC-DC power converter)多半採用全橋相移電路架構。全橋相移電路能夠達到零電壓切換(zero-voltage switching,ZVS)。固定切換頻率之相移脈波寬度調變控制方法也能夠實現於全橋相移電路架構。然而目前全橋相移轉換架構在輕載(或空載)的狀況下運作時將會失去軟切換(soft-switch)的功效，而且重載操作時所產生的環流損失(circulating loss)偏大，導致效率降低。
兼具相移電路與諧振電路的現有複合型直流電源轉換器可以對全域負載達到軟切換操作的功效，同時也可降低環流損失。然而，現有複合型直流電源轉換器需要配置主變壓器與副變壓器。現有複合型直流電源轉換器於飛輪時段(freewheeling period)僅由副變壓器提供電能量給負載。在功率傳送時段(提供最大功率的期間)，現有複合型直流電源轉換器僅由主變壓器提供 電能量給負載，因此主變壓器必須足夠供應額定功率。也就是說，主變壓器的功率等級需要匹配於額定功率，因此主變壓器的體積偏大。雙變壓器的架構導致現有複合型直流電源轉換器的體積偏大，造成整體功率密度欠佳。
本揭露提供一種直流電源轉換裝置與直流電源轉換方法，其可以降低主變壓器功率等級，進而降低直流電源轉換裝置的體積。
本揭露的實施例揭示一種直流電源轉換裝置，其包括切換電路、主變壓器電路、主整流電路、副變壓器電路以及副整流電路。切換電路耦接至主變壓器電路的一次側線圈(primary winding)以及副變壓器電路的一次側線圈。切換電路將輸入電能分時提供給主變壓器電路的一次側線圈或副變壓器電路的一次側線圈。主整流電路的交流輸入端耦接至主變壓器電路的二次側線圈(secondary winding)，其中主整流電路的功率輸出端作為該直流電源轉換裝置的功率輸出端。副整流電路的交流輸入端耦接至副變壓器電路的二次側線圈。副整流電路的功率輸出端耦接至主整流電路的參考電壓端，以抬升該主整流電路的功率輸出端的電壓。副整流電路的參考電壓端耦接至二次側參考電壓。
本揭露的實施例揭示一種直流電源轉換方法，包括：配置主變壓器電路；配置副變壓器電路；配置切換電路，其中該切 換電路將輸入電能分時提供給主變壓器電路的一次側線圈或副變壓器電路的一次側線圈；整流副變壓器電路的二次側線圈的輸出而獲得基礎電壓；整流主變壓器電路的二次側線圈的輸出而獲得疊加電壓；以及使用該基礎電壓抬升該疊加電壓，而獲得輸出電壓。
基於上述，本揭露實施例所述直流電源轉換裝置與方法將主整流電路與副整流電路相互串聯。副整流電路可以整流副變壓器電路的二次側線圈的輸出電能而提供基礎電壓。主整流電路可以整流主變壓器電路的二次側線圈的輸出電能而提供疊加電壓。基於串聯架構，所述基礎電壓可以抬升該疊加電壓，而獲得符合額定規格的輸出電壓。由於在功率傳送時段是由主變壓器電路與副變壓器電路共同提供電能量給負載，因此使用經降低功率等級的主變壓器(體積較小的變壓器)便可以滿足額定規格。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100、200、400‧‧‧直流電源轉換裝置
110‧‧‧切換電路
120‧‧‧主變壓器電路
121、141‧‧‧變壓器
130‧‧‧主整流電路
131‧‧‧整流器
132‧‧‧箝位電路
133‧‧‧儲能電路
140‧‧‧副變壓器電路
142‧‧‧半橋諧振電容器
150‧‧‧副整流電路
151‧‧‧整流倍壓電路
411~414、422、423、451、452‧‧‧二極體
421‧‧‧箝位電容器
431‧‧‧電感器
432‧‧‧輸出電容器
453、454‧‧‧電容器
Ipri1‧‧‧主變壓器的一次側電流
S1~S4‧‧‧控制信號
SW1‧‧‧第一功率開關
SW2‧‧‧第二功率開關
SW3‧‧‧第三功率開關
SW4‧‧‧第四功率開關
Db3、Db4‧‧‧本體二極體
Cp3、Cp4‧‧‧寄生電容
Lm2‧‧‧磁化電感
t‧‧‧時間
Va‧‧‧疊加電壓
Vb‧‧‧基礎電壓
Vin‧‧‧輸入電能
Vo‧‧‧電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vpr‧‧‧一次側參考電壓
Vpri1‧‧‧主變壓器的一次側電壓
Vsr‧‧‧二次側參考電壓
T1‧‧‧功率傳送週期
T2‧‧‧第一飛輪週期
T3‧‧‧換向功率傳送週期
T4‧‧‧第二飛輪週期
圖1是依照本揭露實施例說明一種直流電源轉換裝置的電路方塊示意圖。
圖2是依照本揭露另一實施例說明一種直流電源轉換裝置的電路方示意圖。
圖3是依照本揭露實施例說明圖2所示控制信號的時序示意圖。
圖4是依照本揭露又一實施例說明一種直流電源轉換裝置的電路方示意圖。
圖5是依照本揭露實施例說明圖4所示信號的時序示意圖。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦 接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖1是依照本揭露實施例說明一種直流電源轉換裝置100的電路方塊示意圖。直流電源轉換裝置100包括切換電路110、主變壓器電路120、主整流電路130、副變壓器電路140以及副整流電路150。切換電路110耦接至主變壓器電路120的一次側線圈(primary winding)以及副變壓器電路140的一次側線圈。切換電路110可以將輸入電能Vin分時提供給主變壓器電路120的一次側線圈及/或副變壓器電路140的一次側線圈。
副整流電路150的交流輸入端耦接至副變壓器電路140的二次側線圈(secondary winding)。副整流電路150的參考電壓端耦接至二次側參考電壓Vsr。二次側參考電壓Vsr可以是二次側接地電壓或是其他固定電壓。副整流電路150可以整流副變壓器電路140的二次側線圈的輸出電能，而提供基礎電壓Vb。主整流電路130的參考電壓端耦接至副整流電路150的功率輸出端，以接收基礎電壓Vb作為主整流電路130的參考電壓。因此，主整流電路130與副整流電路150可視為相互串聯。
主整流電路130的交流輸入端耦接至主變壓器電路120的二次側線圈。主整流電路130的功率輸出端作為直流電源轉換裝置100的功率輸出端以提供輸出電壓Vout。主整流電路130可以整流主變壓器電路120的二次側線圈的輸出電能，而提供疊加電壓Va。基於串聯架構，基礎電壓Vb可以抬升疊加電壓Va，而獲得符合額定規格的輸出電壓Vout。因此，副整流電路150的基礎電壓Vb可以抬升主整流電路130的功率輸出端的輸出電壓Vout。
副整流電路150的功率輸出端可以保持輸出基礎電壓Vb至主整流電路130的參考電壓端。基礎電壓Vb可以作為直流電源轉換裝置100的額定輸出功率的部份功率。主整流電路130可以補足該額定輸出功率的差額而提供輸出電壓Vout(額定輸出功率)至負載。由於在功率傳送時段是由主變壓器電路120與副變壓器電路140共同提供電能量給負載，因此可以選用功率等級較小的 變壓器(體積較小的變壓器)來實現主變壓器電路120與/或副變壓器電路140。選用功率等級較小的變壓器可以降低直流電源轉換裝置100的體積。
本實施例並不限制圖1所示直流電源轉換裝置100的實現方式。例如，圖2是依照本揭露另一實施例說明一種直流電源轉換裝置200的電路方示意圖。直流電源轉換裝置200包括切換電路110、主變壓器電路120、主整流電路130、副變壓器電路140以及副整流電路150。圖2所示切換電路110、主變壓器電路120、主整流電路130、副變壓器電路140以及副整流電路150可以參照圖1所示實施例的相關說明而類推之。
請參照圖2，主變壓器電路120包括變壓器121。變壓器121的一次側線圈的第一端與第二端均耦接至切換電路110。變壓器121的二次側線圈的第一端與第二端均耦接至主整流電路130。副變壓器電路140包括變壓器141與半橋諧振電容器142。變壓器141的一次側線圈的第一端耦接至切換電路110。半橋諧振電容器142的第一端耦接至變壓器141的一次側線圈的第二端。半橋諧振電容器142的第二端耦接至一次側參考電壓Vpr。一次側參考電壓Vpr可以是一次側接地電壓或是其他固定電壓。半橋諧振電容器142可以提供諧振能量。變壓器141的二次側線圈的第一端與第二端均耦接至副整流電路150。
主整流電路130包括整流器131、箝位電路132以及儲能電路133。整流器131的交流輸入端耦接至主變壓器電路120中變 壓器121的二次側線圈。整流器131可以將變壓器121的二次側線圈的交流電流整流成直流電流。箝位電路132耦接至整流器131的直流輸出端。箝位電路132可以將整流器131的直流輸出端的壓箝制於某一預設電壓準位，避免突波電壓產生。儲能電路133的輸入端耦接至整流器131的直流輸出端。儲能電路133的輸出端耦接至主整流電路130的功率輸出端。儲能電路133可以濾除整流器131的直流輸出端的電壓Vo的交流成份。儲能電路133的參考端耦接至主整流電路130的參考電壓端，以接收副整流電路150所輸出的基礎電壓Vb。基於主整流電路130的參考電壓端的電壓(基礎電壓Vb)，儲能電路133可以提供輸出電壓Vout至主整流電路130的功率輸出端。
副整流電路150包括整流倍壓電路151。整流倍壓電路151的交流輸入端耦接至副變壓器電路140中變壓器141的二次側線圈。整流倍壓電路151的參考電壓端耦接至二次側參考電壓Vsr。整流倍壓電路151的功率輸出端耦接至主整流電路150的參考電壓端，以提供基礎電壓Vb。整流倍壓電路151可以將變壓器141的二次側線圈的交流電流整流成直流電流，以及將變壓器141的二次側線圈的電壓提昇某一預設倍率。
切換電路110包括第一功率開關SW1、第二功率開關SW2、第三功率開關SW3以及第四功率開關SW4。第一功率開關SW1的第一端接收輸入電能Vin。第一功率開關SW1的第二端耦接至主變壓器電路120中變壓器121的一次側線圈的第一端。第 一功率開關SW1的控制端收控制信號S1。第二功率開關SW2的第一端耦接至第一功率開關SW1的第二端。第二功率開關SW2的第二端耦接至一次側參考電壓Vpr。第二功率開關SW2的控制端收控制信號S2。第三功率開關SW3的第一端接收輸入電能Vin。第三功率開關SW3的第二端耦接至主變壓器電路120中變壓器121的一次側線圈的第二端。第三功率開關SW3的第二端還耦接至副變壓器電路140中變壓器141的一次側線圈的第一端。 第三功率開關SW3的控制端收控制信號S3。第四功率開關SW4的第一端耦接至第三功率開關SW3的第二端。第四功率開關SW4的第二端耦接至一次側參考電壓Vpr。第四功率開關SW4的控制端收控制信號S4。
上述第一功率開關SW1、第二功率開關SW2、第三功率開關SW3以及第四功率開關SW4可以任何方式實施之。例如，第一功率開關SW1、第二功率開關SW2、第三功率開關SW3以及第四功率開關SW4可以是金氧半(metal oxide semiconductor,MOS)電晶體、雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)或是其他功率電晶體。又例如，第一功率開關SW1、第二功率開關SW2各自包括絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)，而第三功率開關SW3以及第四功率開關SW4各自包括MOS電晶體。第一功率開關SW1與第二功率開關SW2的絕緣柵雙極型電晶體各自具有本體二極體。第三功率開關SW3與第四功率開關SW4各自具有本體二極體與寄生電容。
本實施例並不限制第一功率開關SW1、第二功率開關SW2、第三功率開關SW3以及第四功率開關SW4的操作時相。例如，圖3是依照本揭露實施例說明圖2所示控制信號S1、S2、S3與S4的時序示意圖。圖3中橫軸表示時間t。請參照圖2與圖3，於功率傳送週期T1，第一功率開關SW1與第四功率開關SW4為導通，而第二功率開關SW2與第三功率開關SW3為截止。此時，輸入電能Vin的電壓施加在主變壓器121的一次側線圈的第一端，而一次側參考電壓Vpr施加在主變壓器121的一次側線圈的第二端。主變壓器121的二次側線圈的感應交流電流被整流器131整流成直流電流。整流器131所輸出的直流電能可以被儲存於儲能電路133。因此，儲能電路133可以提供輸出電壓Vout給負載。同時，一次側參考電壓Vpr施加在副變壓器141的一次側線圈的第一端。先前儲存在半橋諧振電容器142的電荷會經由副變壓器141的一次側線圈放電至一次側參考電壓Vpr。副變壓器141的二次側線圈的感應交流電流被整流倍壓電路151整流成直流電流。整流倍壓電路151所輸出的直流電能(基礎電壓Vb)經串聯接線而被提供至儲能電路133的參考端。整流倍壓電路151的基礎電壓Vb可以抬升儲能電路133的輸出電壓Vout。因此，在功率傳送週期T1，主變壓器電路120與副變壓器電路140可以共同提供電能量給負載。
於第一飛輪週期T2，第一功率開關SW1與第三功率開關SW3為導通，而第二功率開關SW2與第四功率開關SW4為截止。 此時，第三功率開關SW3及第四功率開關SW4的寄生電容Cp3與Cp4分別被副變壓器141一次側線圈的磁化電感(magnetizing inductor)Lm2的能量進行放電及充電。第三功率開關SW3的本體二極體(body diode)Db3順偏，使得第三功率開關SW3在零電壓下導通。箝位電路132於第一飛輪週期T2可以重置主變壓器121的一次側電流，使得主變壓器121的循環電流為零，降低循環電流所產生的導通損失。第一功率開關SW1可在零電流下截止。
於換向功率傳送週期T3，第二功率開關SW2與第三功率開關SW3為導通，而第一功率開關SW1與第四功率開關SW4為截止。此時，輸入電能Vin的電壓施加在主變壓器121的一次側線圈的第二端，而一次側參考電壓Vpr施加在主變壓器121的一次側線圈的第一端。主變壓器121的二次側線圈的感應交流電流被整流器131整流成直流電流。整流器131所輸出的直流電能可以被儲存於儲能電路133。因此，儲能電路133可以提供輸出電壓Vout給負載。同時，輸入電能Vin的電壓施加在副變壓器141的一次側線圈的第一端。先前儲存在半橋諧振電容器142的電荷會經由副變壓器141的一次側線圈放電至一次側參考電壓Vpr。副變壓器141的二次側線圈的感應交流電流被整流倍壓電路151整流成直流電流。整流倍壓電路151所輸出的直流電能(基礎電壓Vb)經串聯接線而被提供至儲能電路133的參考端。整流倍壓電路151的基礎電壓Vb可以抬升儲能電路133的輸出電壓Vout。因此，在換向功率傳送週期T3，主變壓器電路120與副變壓器電路140可 以共同提供電能量給負載。
於第二飛輪週期T4，第二功率開關SW2與第四功率開關SW4為導通，而第一功率開關SW1與第三功率開關SW3為截止。此時，第三功率開關SW3及第四功率開關SW4的寄生電容Cp3與Cp4分別被副變壓器141一次側線圈的磁化電感Lm2的能量做充電及放電。第四功率開關SW4的本體二極體(body diode)Db4順偏，使得第四功率開關SW4在零電壓下導通。箝位電路132於第二飛輪週期T4可以重置主變壓器121的一次側電流，使得主變壓器121的循環電流為零，降低循環電流所產生的導通損失。第二功率開關SW2可在零電流下截止。
經由儲能電路133濾除整流器131的直流輸出端的電壓Vo的交流成份之後，儲能電路133可以提供輸出電壓Vout至負載。圖3所示斜線網底部份所示電能量是由副變壓器電路140所提供。由圖3可以知道，副變壓器電路140可以經由副整流電路150在功率傳送週期T1、第一飛輪週期T2、換向功率傳送週期T3與第二飛輪週期T4保持輸出基礎電壓Vb以提供額定輸出功率的部份功率。主變壓器電路120在功率傳送週期T1與換向功率傳送週期T3可以提供疊加電壓Va來補足額定輸出功率的差額。因此，本實施例可以選用功率等級較小的變壓器(體積較小的變壓器)來實現主變壓器電路120與/或副變壓器電路140。選用功率等級較小的變壓器可以降低直流電源轉換裝置200的體積。
圖4是依照本揭露又一實施例說明一種直流電源轉換裝 置400的電路方示意圖。直流電源轉換裝置400包括切換電路110、主變壓器電路120、主整流電路130、副變壓器電路140以及副整流電路150。圖4所示切換電路110、主變壓器電路120、主整流電路130、副變壓器電路140以及副整流電路150可以參照圖1所示實施例的相關說明而類推之。圖4所示切換電路110包括第一功率開關SW1、第二功率開關SW2、第三功率開關SW3以及第四功率開關SW4。圖4所示第一功率開關SW1、第二功率開關SW2、第三功率開關SW3以及第四功率開關SW4可以參照圖2與圖3所示實施例的相關說明而類推之。圖4所示主整流電路130包括整流器131、箝位電路132以及儲能電路133。圖4所示副整流電路150包括整流倍壓電路151。圖4所示整流器131、箝位電路132、儲能電路133以及整流倍壓電路151可以參照圖2所示實施例的相關說明而類推之。
請參照圖4，整流倍壓電路151包括二極體451、二極體452、電容器453以及電容器454。二極體451的陽極耦接至副變壓器電路140中變壓器141的二次側線圈的第一端。二極體451的陰極耦接至整流倍壓電路151的功率輸出端。二極體452的陰極耦接至二極體451的陽極。二極體452的陽極耦接至二次側參考電壓Vsr。電容器453的第一端耦接至整流倍壓電路151的功率輸出端，以提供基礎電壓Vb。電容器453的第二端耦接至副變壓器電路140中變壓器141的二次側線圈的第二端。電容器454的第一端耦接至電容器453的第二端。電容器454的第二端耦接至 二次側參考電壓Vsr。當電流從變壓器141的二次側線圈的第一端流出至二極體451的陽極時，此電流可以對電容器453充電。當電流從變壓器141的二次側線圈的第二端流出至電容器453的第二端時，電容器453具有電荷幫浦(charge pump)功能而將基礎電壓Vb推高。因此，整流倍壓電路151同時具有半橋整流功能與倍壓功能(電荷幫浦功能)。
儲能電路133包括電感器431以及輸出電容器432。電感器431的第一端與第二端分別耦接至儲能電路133的輸入端與儲能電路133的輸出端。輸出電容器432的第一端耦接至儲能電路133的輸出端，以提供輸出電壓Vout。輸出電容器432的第二端耦接至儲能電路133的參考端，以接收整流倍壓電路151所提供的基礎電壓Vb。
整流器131包括二極體411、二極體412、二極體413與二極體414。二極體411的陽極耦接至主變壓器電路120中變壓器121的二次側線圈的第一端。二極體411的陰極耦接至整流器131的功率輸出端，以提供經整流的電能至儲能電路133的輸入端。二極體412的陰極耦接至二極體411的陽極。二極體412的陽極耦接至整流器131的參考端，以接收整流倍壓電路151所提供的基礎電壓Vb。二極體413的陰極耦接至二極體411的陰極。二極體413的陽極耦接至主變壓器電路120中變壓器121的二次側線圈的第二端。二極體414的陰極耦接至二極體413的陽極。二極體414的陽極耦接至整流器131的參考端，以接收整流倍壓電路 151所提供的基礎電壓Vb。
箝位電路132包括箝位電容器421、二極體422以及二極體423。箝位電容器421的第一端耦接至整流器131的直流輸出端。二極體422的陰極耦接至箝位電容器421的第二端。二極體422的陽極耦接至箝位電路132的參考端，以接收副整流電路150的輸出(基礎電壓Vb)。二極體423的陽極耦接至箝位電容器421的第二端。二極體423的陰極耦接至輸出電容器432的第一端。
直流電源轉換裝置400可以將輸入電能Vin轉換成負載所需的直流電壓及電流。負載所需的直流電壓及電流可以相移脈寬調變(pulse width modulation,PWM)方式控制切換電路110中功率開關SW1~SW4的時序來達成。直流電源轉換裝置400結合了全橋相移PWM及定頻的LLC半橋諧振轉換器的特點，以達到右臂開關SW3與SW4零電壓切換(ZVS)及左臂開關SW1及SW2零電流切換(ZCS)的低切換損失。圖4所示功率開關SW1~SW4的操作時序可以參照圖5的相關說明。
圖5是依照本揭露實施例說明圖4所示信號的時序示意圖。圖5中橫軸表示時間t。圖5所示Vpri1與Ipri1分別表示圖4所示主變壓器121的一次側電壓Vpri1與一次側電流Ipri1。圖5所示控制信號S1、S2、S3與S4可以參照圖3的相關說明。請參照圖4與圖5，於功率傳送週期T1，第一功率開關SW1與第四功率開關SW4為導通，而第二功率開關SW2與第三功率開關SW3為截止。此時，輸入電能Vin的電壓施加在主變壓器121的一次 側線圈的第一端，而一次側參考電壓Vpr施加在主變壓器121的一次側線圈的第二端。主變壓器121的二次側線圈的感應交流電流使得二極體411及二極體414導通，因此主變壓器121的二次側線圈所輸出的電能可以被儲存於儲能電路133中的電感器431，以供電給負載。同時，主變壓器121的二次側線圈所輸出的電能可以經由箝位電路132中的箝位電容器421與二極體423對輸出電容器432與負載充電，提高系統效率。整流倍壓電路151所輸出的基礎電壓Vb經串聯接線而被提供至整流器131的參考端、箝位電路132的參考端與儲能電路133的參考端。整流倍壓電路151的基礎電壓Vb可以抬升儲能電路133的輸出電壓Vout。因此，在功率傳送週期T1，主變壓器電路120與副變壓器電路140可以共同提供電能量給負載。
於第一飛輪週期T2，第一功率開關SW1與第三功率開關SW3為導通，而第二功率開關SW2與第四功率開關SW4為截止。此時，第三功率開關SW3及第四功率開關SW4的寄生電容Cp3與Cp4分別被副變壓器141一次側線圈的磁化電感Lm2的能量進行放電及充電。第三功率開關SW3的本體二極體(body diode)Db3順偏，使得第三功率開關SW3在零電壓下導通。箝位電路132於第一飛輪週期T2可以重置主變壓器121的一次側電流Ipri1，使得主變壓器121的循環電流為零，降低循環電流所產生的導通損失。第一功率開關SW1可在零電流下截止。
於換向功率傳送週期T3，第二功率開關SW2與第三功率 開關SW3為導通，而第一功率開關SW1與第四功率開關SW4為截止。此時，輸入電能Vin的電壓施加在主變壓器121的一次側線圈的第二端，而一次側參考電壓Vpr施加在主變壓器121的一次側線圈的第一端。主變壓器121的二次側線圈的感應交流電流使得二極體412及二極體413導通，因此主變壓器121的二次側線圈所輸出的電能可以被儲存於儲能電路133中的電感器431，以供電給負載。同時，主變壓器121的二次側線圈所輸出的電能可以經由箝位電路132中的箝位電容器421與二極體423對輸出電容器432與負載充電，提高系統效率。整流倍壓電路151所輸出的基礎電壓Vb經串聯接線而被提供至整流器131的參考端、箝位電路132的參考端與儲能電路133的參考端。整流倍壓電路151的基礎電壓Vb可以抬升儲能電路133的輸出電壓Vout。因此，在換向功率傳送週期T3，主變壓器電路120與副變壓器電路140可以共同提供電能量給負載。
於第二飛輪週期T4，第二功率開關SW2與第四功率開關SW4為導通，而一第功率開關SW1與第三功率開關SW3為截止。此時，第三功率開關SW3及第四功率開關SW4的寄生電容Cp3與Cp4分別被副變壓器141一次側線圈的磁化電感Lm2的能量做充電及放電。第四功率開關SW4的本體二極體(body diode)Db4順偏，使得第四功率開關SW4在零電壓下導通。箝位電路132於第二飛輪週期T4可以重置主變壓器121的一次側電流Ipri1，使得主變壓器121的循環電流為零，降低循環電流所產生的導通損 失。第二功率開關SW2可在零電流下截止。
圖4所示實施例以共用落後開關臂的方式把半橋LLC諧振轉換器結合於全橋相移轉換器架構，藉此達到全域負載皆可達到軟切換操作的功效，同時環流損也可降低。利用串聯連接方式將主變壓器121和副變壓器141的二次側之感應電壓相加總而傳至直流電源轉換裝置400的輸出端。副變壓器141於完整開關切換週期間可以持續提供電壓Vb至主整流電路130。主變壓器121僅需補足所需輸出電壓Vout的差額。因此，主變壓器121之功率等級和磁性規格可大幅降低，達到體積下降、轉換器功率密度提升之功效。本電路實施例約略可省去主變壓器體積的20%，且不會影響一次側電路的全域開關軟切換之功效。此外，本實施例可以讓主變壓器121與副變壓器141共同分擔總輸出功率，副變壓器141的利用率因而有所提升。除了體積減小令整體轉換器功率密度提升，磁性元件規格的降低也讓成本降低。
以下說明一種直流電源轉換方法。此直流電源轉換方法包括：配置主變壓器電路120、副變壓器電路140與切換電路110，其中切換電路110將輸入電能Vin分時提供給主變壓器電路120的一次側線圈或副變壓器電路140的一次側線圈；對副變壓器電路140的二次側線圈的輸出進行整流而獲得基礎電壓Vb；對主變壓器電路120的二次側線圈的輸出進行整流而獲得疊加電壓Va；以及使用基礎電壓Vb抬升疊加電壓Va，而獲得輸出電壓Vout。
在一些實施例中，所述獲得基礎電壓Vb之步驟包括：保 持輸出基礎電壓Vb以提供額定輸出功率的部份功率。其中，疊加電壓Va可以補足該額定輸出功率的差額。因此，主變壓器電路120與副變壓器電路140之功率等級和磁性規格可大幅降低，達到體積下降、轉換器功率密度提升之功效。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧直流電源轉換裝置
110‧‧‧切換電路
120‧‧‧主變壓器電路
130‧‧‧主整流電路
140‧‧‧副變壓器電路
150‧‧‧副整流電路
Vb‧‧‧基礎電壓
Vin‧‧‧輸入電能
Vout‧‧‧輸出電壓
Vsr‧‧‧二次側參考電壓

Claims (14)

  1. 一種直流電源轉換裝置，包括：一主變壓器電路；一副變壓器電路；一切換電路，耦接至該主變壓器電路的一次側線圈以及該副變壓器電路的一次側線圈，其中該切換電路將一輸入電能分時提供給該主變壓器電路的所述一次側線圈或該副變壓器電路的所述一次側線圈；一主整流電路，其交流輸入端耦接至該主變壓器電路的二次側線圈，其中該主整流電路的功率輸出端作為該直流電源轉換裝置的功率輸出端；以及一副整流電路，其交流輸入端耦接至該副變壓器電路的二次側線圈，其中該副整流電路的功率輸出端耦接至該主整流電路的參考電壓端以抬升該主整流電路的功率輸出端的電壓，而該副整流電路的參考電壓端耦接至一二次側參考電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源轉換裝置，其中該副整流電路整流該副變壓器電路的所述二次側線圈的輸出而獲得一基礎電壓，且將該基礎電壓提供至該主整流電路；而該主整流電路整流該主變壓器電路的所述二次側線圈的輸出而獲得一疊加電壓，且使用該基礎電壓抬升該疊加電壓，而獲得一輸出電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源轉換裝置，其中該副整流電路的功率輸出端保持輸出該直流電源轉換裝置的一額定 輸出功率的部份功率至該主整流電路的參考電壓端，而該主整流電路補足該額定輸出功率的差額以輸出該額定輸出功率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源轉換裝置，其中該切換電路包括：一第一功率開關，其第一端接收該輸入電能，該第一功率開關的第二端耦接至該主變壓器電路的一次側線圈的第一端；一第二功率開關，其第一端耦接至該第一功率開關的第二端，該第二功率開關的第二端耦接至一一次側參考電壓；一第三功率開關，其第一端接收該輸入電能，該第三功率開關的第二端耦接至該主變壓器電路的一次側線圈的第二端以及該副變壓器電路的一次側線圈的第一端；以及一第四功率開關，其第一端耦接至該第三功率開關的第二端，該第四功率開關的第二端耦接至該一次側參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的直流電源轉換裝置，其中該第一功率開關與該第二功率開關各自包括一絕緣柵雙極型電晶體，而該第三功率開關與該第四功率開關各自包括一金氧半電晶體。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的直流電源轉換裝置，其中於一功率傳送週期，該第一功率開關與該第四功率開關為導通，而該第二功率開關與該第三功率開關為截止；於一第一飛輪週期，該第一功率開關與該第三功率開關為導通，而該第二功率開關與該第四功率開關為截止； 於一換向功率傳送週期，該第二功率開關與該第三功率開關為導通，而該第一功率開關與該第四功率開關為截止；以及於一第二飛輪週期，該第二功率開關與該第四功率開關為導通，而該第一功率開關與該第三功率開關為截止。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源轉換裝置，其中該副變壓器電路包括：一變壓器，包含該副變壓器電路的所述一次側線圈與該副變壓器電路的所述二次側線圈，其中該變壓器的所述一次側線圈的第一端耦接至該切換電路；以及一半橋諧振電容器，其第一端耦接至該變壓器的所述一次側線圈的第二端，該電容器的第二端耦接至一一次側參考電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源轉換裝置，其中該主整流電路包括：一整流器，其交流輸入端耦接至該主變壓器電路的所述二次側線圈；一箝位電路，耦接至該整流器的直流輸出端；以及一儲能電路，其輸入端耦接至該整流器的直流輸出端，該儲能電路的輸出端耦接至該主整流電路的功率輸出端，而該儲能電路的參考端耦接至該主整流電路的參考電壓端，其中該儲能電路基於該主整流電路的參考電壓端的電壓而提供輸出電壓至該主整流電路的功率輸出端。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的直流電源轉換裝置，其中該 儲能電路包括：一電感器，其第一端與第二端分別耦接至該儲能電路的所述輸入端與該儲能電路的所述輸出端；以及一輸出電容器，其第一端耦接至該儲能電路的所述輸出端，而該輸出電容器的第二端耦接至該儲能電路的所述參考端。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的直流電源轉換裝置，其中該箝位電路包括：一箝位電容器，其第一端耦接至該整流器的直流輸出端；一第一二極體，其陰極耦接至該箝位電容器的第二端，該第一二極體的陽極耦接至該箝位電路的一參考端以接收該副整流電路的輸出；以及一第二二極體，其陽極耦接至該箝位電容器的第二端，該第二二極體的陰極耦接至該輸出電容器的所述第一端。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的直流電源轉換裝置，其中該副整流電路包括：一整流倍壓電路，其交流輸入端耦接至該副變壓器電路的二次側線圈，該整流倍壓電路的功率輸出端耦接至該主整流電路的參考電壓端，而該整流倍壓電路的參考電壓端耦接至該二次側參考電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的直流電源轉換裝置，其中該整流倍壓電路包括：一第一二極體，其陽極耦接至該副變壓器電路的所述二次側 線圈的第一端，該第一二極體的陰極耦接至該整流倍壓電路的功率輸出端；一第二二極體，其陰極耦接至該第一二極體的陽極，該第二二極體的陽極耦接至該二次側參考電壓；一第一電容器，其第一端耦接至該整流倍壓電路的功率輸出端，該第一電容器的第二端耦接至該副變壓器電路的所述二次側線圈的第二端；以及一第二電容器，其第一端耦接至該第一電容器的第二端，該第二電容器的第二端耦接至該二次側參考電壓。
  13. 一種直流電源轉換方法，包括：配置一主變壓器電路；配置一副變壓器電路；配置一切換電路，其中該切換電路將一輸入電能分時提供給該主變壓器電路的一次側線圈或該副變壓器電路的一次側線圈；整流該副變壓器電路的二次側線圈的輸出而獲得一基礎電壓；整流該主變壓器電路的二次側線圈的輸出而獲得一疊加電壓；以及使用該基礎電壓抬升該疊加電壓，而獲得一輸出電壓。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的直流電源轉換方法，其中所述獲得該基礎電壓之步驟包括：保持輸出該基礎電壓以提供一額定輸出功率的部份功率； 其中該疊加電壓補足該額定輸出功率的差額。
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