TWI520473B - 相移全橋轉換器之控制方法 - Google Patents

Description

相移全橋轉換器之控制方法

本發明是關於一種轉換器之控制方法，特別是關於一種相移全橋轉換器之控制方法。

相移全橋轉換器是透過開關驅動信號的相移控制使得電路之開關能達到零電壓切換(Zero voltage switch)，以使該相移全橋轉換器於開關切換時所消耗之功率能降至最低，但由於該相移全橋轉換器受限於諧振電感及諧振電流的大小，使得該相移全橋轉換器於輕載時常因諧振電流過小而無法達成零電壓切換，造成該相移全橋轉換器於開關切換時消耗之功率較大，導致習知之該相移全橋轉換器於輕載時運轉效率不佳。而一般相移全橋轉換器解決此問題之方式是藉由加大電路中的諧振電感以增加諧振電流使該相移轉換器能達到零電壓切換，但亦造成該相移全橋轉換器的電路體積增大及增加其製作成本。

本發明藉由相移全橋轉換器之控制方法調整落後臂之落後臂怠滯時間(Dead time)，而可在不需增加諧振電感大小下使落後臂於輕載時可盡量達成零電壓切換，以減少相移轉換器於輕載時的功率消耗，進而提升相移轉換器之輸出效率。

本發明之一種相移全橋轉換器之控制方法包含提供一相移全橋轉換器，該相移全橋轉換器具有一第一級電路、一變壓器、一第二級電路及一諧振電感，該變壓器具有一一次側及一二次側，該一次側連接該第一級電路，該二次側連接該第二級電路，該第一級電路具有一第一開關、一第二開關、一第三開關及一第四開關，其中該第一開關及該第二開關構成一領先臂，該第三開關及該第四開關構成一落後臂，該諧振電感連接該領先臂及該一次側，該第一開關具有一第一導通時間，該第二開關具有一第二導通時間，該第三開關具有一第三導通時間，該第四開關具有一第四導通時間，判斷該落後臂的一諧振電流是否不大於一落後臂零電壓切換電流，以及若該落後臂的該諧振電流不大於該落後臂零電壓切換電流，則在該第三開關之該第三導通時間不變的情況下，將該第四開關之該第四導通時間的右緣左移，以增加該第三開關之該第三導通時間及該第四開關之該第四導通時間之間的一落後臂怠滯時間。

本發明於藉由將該第四開關之該第四導通時間的右緣左移，增加該第三開關之該第三導通時間及該第四開關之該第四導通時間之間的該落後臂怠滯時間，使得該落後臂可達到零電壓切換之條件，以減少該落後臂之切換損失，且由於該第三開關之該第三導通時間不變，因此不會增加無效循環之損失，而可有效提升該相移全橋轉換器之輸出效率。

請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一種相移全橋轉換器之控制方法10包含「提供相移全橋轉換器11」、「計算領先臂所需怠滯時間12」、「判斷領先臂所需怠滯時間是否不小於最小怠滯時間及不大於最大怠滯時間13」及「判斷落後臂的諧振電流是否不大於落後臂零電壓切換電流14」。

請參閱第1及2圖，於「提供相移全橋轉換器11」中，提供一相移全橋轉換器100，該相移全橋轉換器100具有一第一級電路110、一變壓器120、一第二級電路130及一諧振電感 ，該第一級電路110具有一第一開關111、一第二開關112、一第三開關113及一第四開關114，其中該第一開關111及該第二開關112構成一領先臂140，該第三開關113及該第四開關114構成一落後臂150，該變壓器120具有一一次側121及一二次側122，該一次側121連接該第一級電路110，該二次側122連接該第二級電路130，該諧振電感 連接該領先臂140及該變壓器120之該一次側121，該第二級電路130具有一全橋整流電路131、一輸出電感 及一輸出電容 ，其中該第一級電路110之該第一開關111、該第二開關112、該第三開關113及該第四開關114分別經控制後將一輸入電壓 整流為所需波形，並經由該變壓器120將所需波形耦合至該第二級電路130，再由該第二級電路130之該全橋整流電路131之整流及該輸出電感 與該輸出電容 的濾波後輸出該輸出電壓 。

請參閱第2圖，於該相移全橋轉換器100的控制原則中，該相移全橋轉換器100之該第一開關111及該第二開關112並不允許同時導通，相同地，該相移全橋轉換器100之該第三開關113及該第四開關114亦不允許同時導通，以避免該第一級電路110短路，因此，請參閱第3圖，該第一開關111具有一第一導通時間t1，該第二開關112具有一第二導通時間t2，且該第一導通時間t1及該第二導通時間t2之間具有一領先臂怠滯時間 ，以避免該第一開關111與該第二開關112同時導通，並使該領先臂140能達到零電壓切換之條件。該第三開關113具有一第三導通時間t3，該第四開關114具有一第四導通時間t4，且該第三導通時間t3及該第四導通時間t4之間具有一落後臂怠滯時間 ，以避免該第三開關113及該第四開關114同時導通，並使該落後臂150能達到零電壓切換之條件。

一般而言，該落後臂150及該領先臂140是否能達到零電壓切換與該諧振電感 之諧振電流 相關，其中該落後臂150相較於該領先臂140較為不易達到零電壓切換之條件，因此，若該領先臂140無法達到零電壓切換，該落後臂150亦無法達到零電壓切換，但相反地，若該領先臂140達到零電壓切換，該落後臂150則不一定能達到零電壓切換，因此，請參閱第1及2圖，在本實施中，是先藉由「判斷領先臂所需怠滯時間是否不小於最小怠滯時間及不大於最大怠滯時間13」判斷該領先臂140是否能達到零電壓切換之條件，再由「判斷落後臂的諧振電流是否不大於落後臂零電壓切換電流14」判斷該落後臂150是否能達到零電壓切換之條件，但本發明並不在此限。

請參閱第1、2及3圖，於「計算領先臂所需怠滯時間12」中計算該領先臂140可達成零電壓切換條件時，該第一開關111之該第一導通時間t1及該第二開關112之該第二導通時間t2之間的一領先臂所需怠滯時間 ，該領先臂所需怠滯時間 的計算式為： 為該領先臂所需怠滯時間， 為該第一開關111之一雜散電容111a、該第二開關112之一雜散電容112a及該變壓器120之一線間電容的組成， 為輸入電壓， 為該領先臂140的該諧振電流，該領先臂140的該諧振電流 計算式為： 為該變壓器120之匝數比， 為輸出電流， 為輸出電流之漣波， 為輸出電壓， 為該第二級電路130之一輸出電感， 為該相移全橋轉換器100之有效責任週期。

雖然將該領先臂怠滯時間 設為該領先臂所需怠滯時間 可確保該領先臂140達到零電壓切換，但該領先臂所需怠滯時間 過大會造成更大的切換損失，而該領先臂所需怠滯時間 過小則可能導致該第一開關111及該第二開關112同時導通造成短路，因此，於「判斷領先臂所需怠滯時間是否不小於最小怠滯時間及不大於最大怠滯時間13」中判斷該領先臂所需怠滯時間 是否不小於一最小怠滯時間 及不大於一最大怠滯時間 。其中若該領先臂 所需怠滯時間 小於該最小怠滯時間 ，則代表該領先臂140可在不需調整該領先臂怠滯時間 的狀態下達到零電壓切換，請參閱第1圖，將該領先臂怠滯時間 設為該最小怠滯時間 13b即可達到零電壓切換，在本實施例中，該最小怠滯時間 介於0.5%至1%之間。

請參閱第1、2及3圖，若該領先臂所需怠滯時間 大於該最小怠滯時間 時，代表該領先臂140需調整該領先臂怠滯時間 才可達到零電壓切換，因此，請參閱第3圖，是在該第一開關111之該第一導通時間t1不變的情況下，將該第二開關112之該第二導通時間t2的左緣右移，以增加該第一開關111之該第一導通時間t1及該第二開關112之該第二導通時間t2之間的該領先臂怠滯時間 ，以使該領先臂140達成零電壓切換，且避免無效循環損失增加。其中，請參閱第1圖，若該領先臂140所需怠滯時間 不小於該最小怠滯時間 及不大於該最大怠滯時間 時，則將該領先臂怠滯時間 設為該領先臂所需怠滯時間 13a，若該領先臂所需怠滯時間 大於該最大怠滯時間 ，則將該領先臂怠滯時間 設為該最大怠滯時間 13c，在本實施例中，該最大怠滯時間 為四分之一的該第一開關111之該雜散電容111a、該第二開關112之該雜散電容112a及該變壓器120之該線間電容的組成及該諧振電感 的諧振時間，其中若將該領先臂怠滯時間 設定大於該最大怠滯時間 時，該第二開關112之該雜散電容112a的電壓會開始上升，反而會造成更大的切換損失。

接著，請參閱第1圖，於「判斷落後臂的諧振電流是否不大於落後臂零電壓切換電流14」中藉由判斷該落後臂150的一諧振電流 是否不大於一落後臂零電壓切換電流 ，而得知該落後臂150是否可達到零電壓切換之條件，其中該落後臂150的該諧振電流 之計算式為： 為該變壓器120之匝數比， 為輸出電流， 為輸出電流之漣波， 為輸出電壓， 為該第二級電路130之該輸出電感， 為責任週期， 為切換時間，而該落後臂零電壓切換電流 之計算式為： 為該諧振電感， 為該第三開關113之一雜散電容113a、該第四開關114之一雜散電容114a及該變壓器120之一線間電容的組成， 為輸入電壓。在不考慮該變壓器120之該線間電容下，該落後臂零電壓切換電流 之計算式為： 為該諧振電感， 為該第三開關113之該雜散電容113a及該第四開關114之該雜散電容114a的組成， 為輸入電壓。

請參閱第1、2及3圖，若該落後臂150的該諧振電流 不大於該落後臂零電壓切換電流 時，代表該落後臂150無法達到零電壓切換，請參閱第3圖，是在該第三開關113之該第三導通時間t3不變的情況下，將該第四開關114之該第四導通時間t4的右緣左移，以增加該第三開關113之該第三導通時間t3及該第四開關114之該第四導通時間t4之間的該落後臂怠滯時間 ，在本實施例中，將該落後臂怠滯時間 設為四分之一的該第三開關113之該雜散電容113a、該第四開關114之該雜散電容114a及該變壓器120之該線間電容的組成 及該諧振電感 的諧振時間14a，以使該落後臂150能盡可能達到零電壓切換，且避免無效循環損失增加。而若將該落後臂怠滯時間 設為大於四分之一的該第三開關113之該雜散電容113a、該第四開關114之該雜散電容114a及該變壓器120之該線間電容的組成 及該諧振電感 的諧振時間，則該第三開關113之該雜散電容113a的電壓會開始上升，反而造成更大的切換損失。

請參閱第1、2及3圖，若該落後臂150的該諧振電流 大於該落後臂零電壓切換電流 時，代表該落後臂150可在不需調整該落後臂怠滯時間 的情況下達到零電壓切換，因此，將該落後臂怠滯時間 設為0.5%至1%之間14b即可使該落後臂150達到零電壓切換之條件。

請參閱第4圖，為本發明與習知技術於極輕載(0 A至1 A)時的輸出功率比較圖，本發明之輸出效率相較於習知技術最大可提昇9.35%，請參閱第5圖，為本發明與習知技術於輕載(0 A至1 A)時的輸出功率比較圖，本發明之輸出效率相較於習知技術最大可提昇8.58%，由此可知藉由本發明之該相移全橋轉換器之控制方法10確實可在該相移全橋轉換器100之原始架構下有效地降低其切換損失。

本發明於該領先臂140方面是在該第一開關111之該第一導通時間t1不變的情況下，將該第二開關112之該第二導通時間t2的左緣右移，以增加該第一開關111之該第一導通時間t1及該第二開關112之該第二導通時間t2之間的該領先臂怠滯時間 ，以使該領先臂140達成零電壓切換。而在該落後臂150方面是在該第三開關113之該第三導通時間t1不變的情況下，將該第四開關114之該第四導通時間t4的右緣左移，以增加該第三開關113之該第三導通時間t3及該第四開關114之該第四導通時間t4之間的該落後臂怠滯時間 ，以使該落後臂150達成零電壓切換。且由於該第一開關111之該第一導通時間t1及該第三開關113之該第三導通時間t1皆不變，因此並不會增加無效循環損失，而可有效地提升該相移全橋轉換器100之輸出效率。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

10  相移全橋轉換器之控制方法          11  提供相移全橋轉換器 12  計算領先臂所需怠滯時間              13  判斷領先臂所需怠滯時間是否不小於最小怠滯時間及不大於最大怠滯時間 13a  領先臂怠滯時間設為領先臂所需怠滯時間 13b  領先臂怠滯時間設為最小怠滯時間 13c  領先臂怠滯時間設為最大怠滯時間 14  判斷落後臂的諧振電流是否不大於落後臂零電壓切換電流 14a  落後臂怠滯時間設為四分之一的 及 的諧振時間 14b  落後臂怠滯時間設為0.5%至1%之間 100  相移全橋轉換器                           110  第一級電路 111  第一開關                                      111a  雜散電容 112  第二開關                                      112a  雜散電容 113  第三開關                                      113a  雜散電容 114  第四開關                                      114a  雜散電容 120  變壓器                                          121  一次側 122  二次側                                          130  第二級電路 131  全橋整流電路                               140  領先臂 150  落後臂 諧振電感 輸出電感 諧振電流 輸出電流 諧振電流 諧振電流 領先臂怠滯時間 落後臂怠滯時間

第1圖：依據本發明之一實施例，一種相移轉換器之控制方法的流程圖。 第2圖：依據本發明之一實施例，一種相移轉換器之電路圖。 第3圖：依據本發明之一實施例，一第一開關、一第二開關、一第三開關及一第四開關之切換時序圖。 第4圖：於極輕載(輸出電流介於0 A至1 A)時，本發明與習知技術之輸出效率的比較圖。 第5圖：於極輕載(輸出電流介於1 A至5 A)時，本發明與習知技術之輸出效率的比較圖。

10  相移全橋轉換器之控制方法           11  提供相移全橋轉換器 12  計算領先臂所需怠滯時間               13  判斷領先臂所需怠滯時間是否不小於最小怠滯時間及不大於最大怠滯時間 13a  領先臂怠滯時間設為領先臂所需怠滯時間 13b  領先臂怠滯時間設為最小怠滯時間 13c  領先臂怠滯時間設為最大怠滯時間 14  判斷落後臂的諧振電流是否不大於落後臂零電壓切換電流 14a  落後臂怠滯時間設為四分之一的及的諧振時間 14b  落後臂怠滯時間設為0.5%至1%之間

Claims (12)

1. 一種相移全橋轉換器之控制方法，其包含：提供一相移全橋轉換器，具有一第一級電路、一變壓器、一第二級電路及一諧振電感，該變壓器具有一一次側及一二次側，該一次側連接該第一級電路，該二次側連接該第二級電路，該第一級電路具有一第一開關、一第二開關、一第三開關及一第四開關，其中該第一開關及該第二開關構成一領先臂，該第三開關及該第四開關構成一落後臂，該諧振電感連接該領先臂及該一次側，該第一開關具有一第一導通時間，該第二開關具有一第二導通時間，該第三開關具有一第三導通時間，該第四開關具有一第四導通時間；判斷該落後臂的一諧振電流是否不大於一落後臂零電壓切換電流；以及若該落後臂的該諧振電流不大於該落後臂零電壓切換電流，則在該第三開關之該第三導通時間不變的情況下，減短該第四開關之該第四導通時間，而將該第四開關之該第四導通時間的右緣左移，以增加該第三開關之該第三導通時間及該第四開關之該第四導通時間之間的一落後臂怠滯時間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中該落後臂的該諧振電流之計算式為： I _{p_lag} 為該落後臂的該諧振電流，n為該變壓器之匝數比，I _o 為輸出電流，△I _o 為輸出電流之漣波，V _o 為輸出電壓，L _f 為該第二級電路之一輸出電感，D為責任週期，T _s 為切換時間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中該 落後臂零電壓切換電流之計算式為： i _{zvs_ag} 為該落後臂零電壓切換電流，L _k 為該諧振電感，C _r2為該第三開關之一雜散電容、該第四開關之一雜散電容及該變壓器之一線間電容的組成，V _in 為輸入電壓。
4. 如申請專利範圍第2項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中該落後臂零電壓切換電流之計算式為： i _{zvs_lag} 為該落後臂零電壓切換電流，L _k 為該諧振電感，C _oss 為該第三開關之一雜散電容及該第四開關之一雜散電容的組成，V _in 為輸入電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中若該落後臂的該諧振電流不大於該落後臂零電壓切換電流時，則將該落後臂怠滯時間設為四分之一的該第三開關之一雜散電容、該第四開關之一雜散電容及該變壓器之一線間電容的組成及該諧振電感的諧振時間。
6. 如申請專利範圍第1或5項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中若該落後臂的該諧振電流大於該落後臂零電壓切換電流時，則將該落後臂怠滯時間設為0.5%至1%之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其另包含計算該第一開關之該第一導通時間及該第二開關之該第二導通時間之間的一領先臂所需怠滯時間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中該第一開關之該第一導通時間及該第二開關之該第二導通時間之間的該領先臂所需怠滯時間的計算式為： 為該領先臂所需怠滯時間， 為該第一開關之一雜散電容、該第二開關之一雜散電容及該變壓器之一線間電容的組成， 為輸入電壓， 為該領先臂的該諧振電流，該領先臂的該諧振電流計算式為： 為該變壓器之匝數比， 為輸出電流， 為輸出電流之漣波， 為輸出電壓， 為該第二級電路之一輸出電感， 為該相移全橋轉換器之有效責任週期。
9. 如申請專利範圍第8項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其包含判斷該領先臂所需怠滯時間是否不小於一最小怠滯時間及不大於一最大怠滯時間，若該領先臂所需怠滯時間不小於該最小怠滯時間及不大於該最大怠滯時間時，則將該第一開關之該第一導通時間及該第二開關之該第二導通時間之間的一領先臂怠滯時間設為該領先臂所需怠滯時間，若該領先臂所需怠滯時間小於該最小怠滯時間，則將該領先臂怠滯時間設為該最小怠滯時間，若該領先臂所需怠滯時間大於該最大怠滯時間，則將該領先臂怠滯時間設為該最大怠滯時間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中當該領先臂所需怠滯時間大於該最小怠滯時間時，是在該第一開關之該第一導通時間不變的情況下，將該第二開關之該第二導通時間的左緣右移，以增加該第一開關之該第一導通時間及該第二開關之該第二導通時間之間的該領先臂怠滯時間。
11. 如申請專利範圍第9或10項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中該最大怠滯時間為四分之一的該第一開關之該雜散電容、該第二開關之該雜散電容及該變壓器之該線間電容的組成及該諧振電感的諧振時間。
12. 如申請專利範圍第9項所述之相移全橋轉換器之控制方法，其中該最小怠滯時間介於0.5%至1%之間。