TWI506931B - Single - stage high power zero - current detection frequency conversion asymmetric half - bridge converter - Google Patents

Description

單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器

本發明係有關於一種單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，尤其係指一種可偵測電力轉換單元內輸入電感電流為零，確保開關裝置為零電壓切換(Zero Voltage Switching,ZVS)以降低開關切換效率損失，效率可達91%，並保證開關裝置責任週期比(Duty Cycle Ratio)小於0.5以使非對稱半橋轉換器能正常工作。

隨著現代科技的進步與可攜式電子產品的蓬勃發展，轉換器的效能及各項應用亦越來越受到重視，而功率因數修正(Power Factor Correction,PFC)正是檢視轉換器效能的重要指標之一。

現今之轉換器技術，已可做到將功率因數修正之功能整合至非對稱半橋轉換器內使其為一單級電路，使該轉換器之功率避免因兩級電路間傳遞而造成轉換效率下降；而達到此一目的之技術，通常是在開關裝置前增加一輸入電感，利用該輸入電感的濾波特性來修正電流波型，進而達到電路自體功率因數修正之功能。然而，該輸入電感之規格，需與電路配合進行複雜的計算，才能使開關達到零電壓切換(Zero Voltage Switching,ZVS)，以避免非零電壓時操作非對稱半橋式開關單元造成的切換損失。

如第一圖所示，該圖為習知的非對稱半橋轉換器(Half-bridge converter)2，該非對稱半橋轉換器2是將由直流電源1所輸出的一第一直流電力轉換為一第二直流電力，而該第二直流電力之電流與電壓將具有固定之 位準而形成一平穩之輸出，且可由該轉換器(converter)電路之設定而改變該第二直流電力之電壓位準；現今所使用之轉換器(converter)架構如第一圖所示，該轉換器包含一非對稱半橋式開關單元21、一電力轉換單元22、一產生一導通週期訊號之驅動電路23以及產生一回授訊號之一回授電路24，其中該非對稱半橋式開關單元21內具有至少二開關裝置211，用以連接一直流電源1取得一第一直流電力，而該導通週期訊號控制該開關裝置211導通該第一直流電力流經該電力轉換單元22之責任週期(duty cycle)，由該電力轉換單元22將該第一直流電力轉換為一第二直流電力並輸出，又該回授電路24係自該第二直流電力擷取一回授訊號送至該驅動電路23，藉此調整該導通週期訊號以改變該半橋式開關單元21之責任週期，達到該轉換器之輸出具有隨負載調整之回授穩壓功能。

而該開關裝置211要達到該轉換器能夠正常穩定工作，必須使該非對稱半橋式開關電路21之責任週期比(duty cycle ratio)小於0.5，當責任週期比大於0.5時，則會造成該轉換器無法正常運作；為了避免該轉換器之輸出隨負載而變動，輸出回授之功能將會調整該開關裝置211之責任週期比而產生變動，若該轉換器無法一直維持責任週期比小於0.5，則將導致非對稱半橋轉換器無法正常運作，應提供一改善之措施。

故為解決習知方式之問題，發明人乃經悉心研究與實驗，研發出本案所提出之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，乃將一單級高功因非對稱半橋轉換器中，將單級高功因半橋式開關單元內的輸入電感耦接於一零電流偵測電路，藉此偵測該輸入電感內之電流量是否為零， 以避免該電流影響開關裝置而無法達到零電壓切換；此外，為避免該零電流偵測電路之運作影響開關裝置，使開關裝置的責任週期比無法小於0.5而無法正常運作，因此另外增加一責任週期控制電路，用以確保該非對稱半橋式轉換器之正常運作。

為達前述之目的，本案提供一種單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其包含：一單級高功因非對稱半橋式開關單元、一電力轉換單元、一驅動電路、一回授電路、一零電流偵測電路、一責任週期限制電路以及一及閘(AND Gate)；該單級高功因非對稱半橋式開關單元內包含一輸入電感及至少二開關裝置；該單級高功因非對稱半橋式開關單元接收一第一直流電力，透過該驅動電路所產生之一導通週期訊號驅動該開關裝置而切換該第一直流電力至該電力轉換單元，以令該電力轉換單元轉換該第一直流電力為一第二直流電力；該回授電路係自該第二直流電力擷取一輸出電壓，並執行該輸出電壓與該預定電壓的比較，來產生一個誤差電壓，當開關電流感測電阻上之電壓超過誤差電壓時，產生一關閉訊號；該零電流偵測電路耦接於該輸入電感，以判斷該輸入電感上之電流是否為零，並產生一第一邏輯訊號，以保證下開關能完成零電流Turn-on；該責任週期限制電路係擷取該導通週期訊號，判斷該導通週期訊號是否符合小於0.5，並產生一第二邏輯訊號；該及閘接收該第一邏輯訊號與該第二邏輯訊號，以產生一判斷訊號給該回授電路，使該回授電路產生一開啟訊號；該驅動電路透過接收回授電路的關閉訊號與開啟訊號，產生該導通週期訊號。

本案所提出之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器具有以下有益效果：

1.透過一零電流偵測電路連接於單級高功因非對稱半橋式電力控制單元內之輸入電感，用以偵測該輸入電感內之電流為零，以確保該單級高功因非對稱半橋式開關單元可達到零電壓切換之功能。

2.藉由一責任週期限制電路耦接於一驅動電路，接收該驅動電路所產生之導通週期訊號並進行判斷及調整PWM訊號的輸出，以避免因開關裝置之責任週期比大於0.5所造成非對稱半橋式轉換器無法正常運作的問題。

1‧‧‧直流電源

2‧‧‧非對稱半橋轉換器

21‧‧‧非對稱半橋式開關單元

211‧‧‧開關裝置

22‧‧‧電力轉換單元

23‧‧‧驅動電路

24‧‧‧回授電路

3‧‧‧單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器

31‧‧‧單級高功因非對稱半橋式開關單元

311‧‧‧輸入電感

312‧‧‧開關裝置

32‧‧‧電力轉換單元

33‧‧‧驅動電路

34‧‧‧回授電路

35‧‧‧零電流偵測電路

36‧‧‧責任週期限制電路

37‧‧‧及閘

4‧‧‧經全波整流為M型波之直流電源

第一圖：習知之非對稱半橋轉換器的電路圖。

第二圖：本發明之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器的電路圖。

第三圖：本發明之第一實施例的電路圖。

為使能更進一步瞭解本案之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，使得熟習本方法之人士可以據以完成之。用以達到電壓轉換與穩定輸出電壓的效果，及開關裝置可以達到零電流切換的效果，並使轉換器具有功因調整之功能。

為助於實施者辨明本發明之精要，請參閱第二圖，該圖為本發明之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器3，該單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器3包含一單級高功因非對稱半橋式開關單元31、一電力轉換單元32、一驅動電路33、一回授電路34、一零電流偵測電路35、一責任週期限制電路36以及一及閘(AND Gate)37；該單級高功因非 對稱半橋式開關單元31內包含一輸入電感311及至少二開關裝置312；該單級高功因非對稱半橋式開關單元31接收一第一直流電力，透過該驅動電路33所產生之一導通週期訊號驅動該開關裝置312而切換該第一直流電力至該電力轉換單元32，以令該電力轉換單元32轉換該第一直流電力為一第二直流電力；其中，該輸入電感311本身被動元件的濾波特性，加上開關導通時間固定，進而達到功率因數修正之功能。

而驅動該開關裝置312之該導通週期訊號，則是該驅動電路33透過接收該回授電路34所產生之一開啟訊號或一關閉訊號來決定；該回授電路34自該第二直流電力擷取一輸出電壓，並執行該輸出電壓與該預定電壓的比較，來產生一關閉訊號。

該零電流偵測電路35耦接於該輸入電感311，以判斷該輸入電感311上之電流是否為零，並產生一第一邏輯訊號，透過該零電流偵測電路35來確保該開關裝置312不會因該輸入電感311上所產生之電流的影響，而無法達到零電壓切換(Zero Voltage Switching,ZVS)的條件。

而由於該第一直流電壓之輸入電壓是呈現M型波的型態呈現，因此該輸入電感311上的電流會因輸入電壓之變動而改變，造成電流歸零的時間不一定，故若單純以零電流偵測是為了不要干擾到非對稱半橋之零電壓切換，需當輸入電感電流為零時，非對稱半橋之開關才可以進行切換動作，當電感電流為零時，由零電流偵測電路35輸出第一邏輯訊號。

如果該開關裝置312的開啟時間大於關閉時間，亦即責任週期比無法小於0.5，使得該單級高功因非對稱半橋式開關單元無法正常運作，造成 輸出功率下降或甚至無法輸出，因此需在上述電路中加入該責任週期限制電路36。

該責任週期限制電路36係擷取該導通週期訊號，判斷該導通週期訊號是否符合小於0.5，並產生一第二邏輯訊號；並透過該及閘37接收該第一邏輯訊號與該第二邏輯訊號，判斷同時滿足“輸入電感311零電流”與“責任週期小於0.5”此兩個條件，該及閘37則產生一判斷訊號給該回授電路34，使該回授電路34產生一開啟訊號，該驅動電路33透過接收該關閉訊號與該開啟訊號，進而產生下開關導通週期訊號。

而如第三圖所示，該圖為本發明之第一實施例的電路圖，如圖所示，該及閘37並不限定以獨立電路的型態存在，而是將該及閘之電路功能整合於該回授電路34內，而不限於只有將該及閘以獨立電路來呈現。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

3‧‧‧單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器

31‧‧‧單級高功因非對稱半橋式開關單元

311‧‧‧輸入電感

312‧‧‧開關裝置

32‧‧‧電力轉換單元

33‧‧‧驅動電路

34‧‧‧回授電路

35‧‧‧零電流偵測電路

36‧‧‧責任週期限制電路

37‧‧‧及閘

4‧‧‧經全波整流為M型波之直流電源

Claims (8)

1. 一種單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，包含：一單級高功因非對稱半橋式開關單元、一電力轉換單元、一驅動電路、一回授電路、一零電流偵測電路、一責任週期限制電路以及一及閘(AND Gate)；該單級高功因非對稱半橋式開關單元內包含一輸入電感及至少二開關裝置；該單級高功因非對稱半橋式開關單元接收一第一直流電力，透過該驅動電路所產生之一導通週期訊號驅動該開關裝置而切換該第一直流電力至該電力轉換單元，以令該電力轉換單元轉換該第一直流電力為一第二直流電力；該回授電路係自該第二直流電力擷取一輸出電壓，並執行該輸出電壓與一預定電壓的比較，來產生一誤差訊號，用於決定下開關關閉(turn off)時間；該零電流偵測電路耦接於該輸入電感，以判斷該輸入電感上之電流是否為零，並產生一第一邏輯訊號；該責任週期限制電路係擷取該導通週期訊號，判斷該導通週期訊號是否符合小於0.5，並產生一第二邏輯訊號，以確保非對稱半橋轉換器電路的責任週期小於0.5，使其電路能正常運作；該及閘接收該第一邏輯訊號與該第二邏輯訊號，以產生一判斷訊號給該回授電路，使該回授電路產生一關閉訊號與一開啟訊號；該驅動電路透過接收一關閉訊號與一開啟訊號，產生下方開關裝置導通週期訊號。
2. 如專利申請範圍第1項所述之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其中該驅動電路為一電流模式控制之脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)控制迴路。
3. 如專利申請範圍第2項所述之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其中該電流模式控制之脈波寬度調變控制迴路為一電流模式控制之脈波寬度調變積體電路。
4. 如專利申請範圍第1項所述之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其中該回授電路為一回授積體電路。
5. 如專利申請範圍第1項所述之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其中該及閘整合於該回授單元中。
6. 如專利申請範圍第1項所述之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其中該電力轉換單元包括一變壓器以及一整流濾波電路。
7. 如專利申請範圍第1項所述之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其中該零電流偵測單元可以偵測輸入電感電流為零，如果輸入電感電流為零時，產生第一邏輯訊號，非對稱半橋開關才能進行切換動作。
8. 如專利申請範圍第1項所述之單級高功因零電流偵測變頻式非對稱半橋轉換器，其中當該第一邏輯訊號與該第二邏輯訊號均成立時，經由及閘產生一開關導通訊號，以確保零電壓切換，及責任週期小於0.5。