TWI521850B - 電源轉換裝置 - Google Patents

Description

電源轉換裝置

本發明是有關於一種轉換裝置，特別是指一種電源轉換裝置。

習知電源轉換裝置中，為了具有較大負載範圍內的零電壓切換(Zero Voltage Switching，ZVS)，導致該電源轉換裝置除了本身所包含的一諧振電感外，還包含一額外設置的諧振電感。但隨著電源管理的重要性提高，對於使用此種電源轉換裝置的電源供應裝置在電源管理上會造成不便。

習知電源轉換裝置具有以下缺點：

1.高成本。該電源轉換裝置需要具有額外設置的諧振電感，導致增加裝置的元件成本。

2.降低轉換功率的變換效能。該電源轉換裝置在電源轉換的過程中除了藉由本身的一諧振電感，還需再經過額外設置的諧振電感，才能進行功率轉換，大幅降低轉換功率的變換效能，同時該電源轉換裝置具有較大的諧振電感而使整體有效占空比變大，不僅增加損耗量，也導致該電源轉換裝置內之一變壓器匝比選擇受限。

3.該電源轉換裝置即使包含額外的諧振電感仍 無法獲得全負載範圍的ZVS。

4.使用此種電源轉換裝置的電源供應結構，因 額外增設諧振電感，相對地，在生產組配的過程中，需要針對額外增設的諧振電感進行對應的檢測、調整作業，才能確保整機的運作效率。

5.因額外增設一諧振電感，進而需在本身的諧 振電感與額外設置的諧振電感之間增加一電性控制電路，如此一來，會增加該電源轉換裝置整體設計的複雜度。此外，因對電源供應裝置規格需求不同，當同時需要多個不同規格的電源供應裝置時，更會造成電源管理之間的電性電路的設計相當複雜。

因此，本發明之目的，提供一種可以降低成本及減少損耗，同時提高轉換功率的變換效能的電源轉換裝置。

本發明電源轉換裝置，包含一全橋開關電路、一轉換電路及一控制電路。

該全橋開關電路接收一第一至第四控制信號及一直流輸入電壓，並將該直流輸入電壓轉換成一呈方波的轉換電壓。

該轉換電路電連接該全橋開關電路以接收該轉換電壓，並將該轉換電壓轉換成一直流輸出電壓，且該轉換電路包括一諧振電感、一變壓器、一第一轉換開關、一 第二轉換開關、一輸出電感及一輸出電容。

該諧振電感具有一電連接該全橋開關電路的第 一端，及一第二端。

該變壓器具有一個一次側繞組及一個二次側繞 組，該一次側繞組具有一電連接該諧振電感之第二端的第一端，及一電連接該全橋開關電路的第二端，該二次側繞組具有一第一端、一第二端及一位於該第一、第二端之間的中間抽頭。

該第一轉換開關具有一電連接該二次側繞組之 第二端的第一端、一第二端，及一接收一第五控制信號的控制端，該第一轉換開關受該第五控制信號控制而在導通與不導通狀態間切換。

該第二轉換開關具有一電連接該二次側繞組之 第一端的第一端、一電連接該第一轉換開關之第二端的第二端，及一接收一第六控制信號的控制端，該第二轉換開關受該第六控制信號控制而在導通與不導通狀態間切換。

串聯連接的該輸出電感及該輸出電容，電連接 於該二次側繞組之該中間抽頭與該第二轉換開關之第二端間，該輸出電容的兩端提供該直流輸出電壓。

該控制電路電連接該全橋開關電路及該轉換電 路，且接收該直流輸出電壓及一預設參考電壓，並根據該直流輸出電壓及該預設參考電壓產生該第一至第四控制信號至該全橋開關電路，及產生該第五及第六控制信號給各自所對應的該第一及第二轉換開關。

10‧‧‧直流電源

100‧‧‧負載

1‧‧‧全橋開關電路

11~14‧‧‧開關

2‧‧‧轉換電路

21‧‧‧諧振電感

22‧‧‧變壓器

23、24‧‧‧第一及第二轉換開關

25‧‧‧輸出電感

26‧‧‧輸出電容

3‧‧‧控制電路

31‧‧‧脈寬調變信號產生器

32‧‧‧第一運算單元

321‧‧‧反及閘

322‧‧‧第一延遲器

33‧‧‧第二運算單元

331‧‧‧反及閘

332‧‧‧第二延遲器

34、35‧‧‧第三及第四延遲器

Vin‧‧‧直流輸入電壓

Vout‧‧‧直流輸出電壓

C1~C4‧‧‧寄生電容

V1~V6‧‧‧第一至第六控制信號

n1‧‧‧一次側繞組

n2‧‧‧二次側繞組

Vref‧‧‧預設參考壓

S1‧‧‧第一脈寬調變信號

S2‧‧‧第二脈寬調變信號

S3‧‧‧第三脈寬調變信號

S4‧‧‧第四脈寬調變信號

Vo1‧‧‧第一輸出信號

Vo2‧‧‧第二輸出信號

VAB‧‧‧電壓

iLr1‧‧‧電流

iLr2‧‧‧電流

A、B‧‧‧節點

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一電路圖，說明本發明電源轉換裝置之一較佳實施例；圖2是一電路圖，說明該較佳實施例之一控制電路；圖3是一時序圖，說明該較佳實施例於流經一負載的電流等於零時的變化；及圖4是一時序圖，說明該較佳實施例於流經該負載的電流不等於零時的變化。

參閱圖1與圖2，本發明電源轉換裝置之較佳實施例適用於電連接一直流電源10以接收一由該直流電源10所提供的直流輸入電壓Vin，並據以轉換成一直流輸出電壓Vout，以供電給一負載100，且該電源轉換裝置包含一全橋開關電路1、一轉換電路2，及一控制電路3。

該全橋開關電路1電連接該直流電源10以接收來自該直流電源10的該直流輸入電壓Vin，並將該直流輸入電壓Vin轉換成一呈方波的轉換電壓，且該全橋開關電路1包括四個開關11~14。

該開關11具有一電連接該直流電源10的正極以接收該直流輸入電壓Vin的第一端、一第二端(即，圖中標示為A節點)，及一接收一第一控制信號V1的控制端，該開關11受該第一控制信號V1控制而在導通與不導通狀 態間切換。該開關13具有一電連接該開關11之第二端的第一端、一電連接該直流電源10之負極的第二端，及一接收一第三控制信號V3的控制端，該開關13受該第三控制信號V3控制而在導通與不導通狀態間切換。該開關12具有一電連接該開關11之第一端的第一端、一第二端(即，圖中標示為B節點)，及一接收一第二控制信號V2的控制端，該開關12受該第二控制信號V2控制而在導通與不導通狀態間切換。該開關14具有一電連接該開關12之第二端的第一端、一電連接該開關13之第二端的第二端，及一接收一第四控制信號V4的控制端，該開關14受該第四控制信號V4控制而在導通與不導通狀態間切換。在此實施例中，該等開關11、12的第二端間的電壓(即，A節點和B節點間的電壓)作為該轉換電壓。

該轉換電路2電連接該全橋開關電路1以接收 該轉換電壓，並將該轉換電壓轉換成該直流輸出電壓Vout，且該轉換電路2包括一諧振電感21、一變壓器22、一第一與第二轉換開關23、24、一輸出電感25，及一輸出電容26。

該諧振電感21具有一電連接該全橋開關電路1 之該開關11之第二端的第一端，及一第二端。該變壓器22具有一個一次側繞組n1及一個二次側繞組n2，該一次側繞組n1具有一電連接該諧振電感21之第二端的第一端，及一電連接該開關14之第一端的第二端，該二次側繞組n2具有一第一端、一第二端及一位於該第一、第二端之間 的中間抽頭。該第一轉換開關23具有一電連接該二次側繞組n2之第二端的第一端、一第二端，及一接收一第五控制信號V5的控制端，該第一轉換開關23受該第五控制信號V5控制而在導通與不導通狀態間切換。該第二轉換開關24具有一電連接該二次側繞組n2之第一端的第一端、一電連接該第一轉換開關23之第二端的第二端，及一接收一第六控制信號V6的控制端，該第二轉換開關24受該第六控制信號V6控制而在導通與不導通狀態間切換。串聯連接的該輸出電感25及該輸出電容26電連接於該二次側繞組n2之該中間抽頭與該第二轉換開關24之第二端間。在此實施例中，該一次及二次側繞組n1、n2的第一、二端分別是極性點端和非極性點端，且該輸出電容26的兩端提供該直流輸出電壓Vout給該負載100。

該控制電路3電連接該全橋開關電路1及該轉 換電路2，且接收該直流輸出電壓Vout及一預設參考電壓Vref，並根據該直流輸出電壓Vout及該預設參考電壓Vref產生該第一至第四控制信號V1~V4至該全橋開關電路1，及產生該第五及第六控制信號V5、V6給各自所對應的該第一及第二轉換開關23、24。參閱圖2，該控制電路3包括一脈寬調變信號產生器31、一包括一反及閘321及一第一延遲器322的第一運算單元32、一包括一反及閘331及一第二延遲器332的第二運算單元33，及一第三與第四延遲器34、35。

該脈寬調變信號產生器31接收該直流輸出電壓 Vout及該預設參考電壓Vref，並據以產生一第一至第四脈寬調變信號S1~S4，該第一至第四脈寬調變信號S1~S4相關於各自所對應的該第一至第四控制信號V1~V4。該第一運算單元32之該反及閘321電連接該脈寬調變信號產生器31以接收該第二及第三脈寬調變信號S2、S3，並據以產生一第一輸出信號Vo1，該第一延遲器322電連接該反及閘321以接收該第一輸出信號Vo1，並據以產生該第五控制信號V5。該第二運算單元33之該反及閘331電連接該脈寬調變信號產生器31以接收該第一及第四脈寬調變信號S1、S4，並據以產生一第二輸出信號Vo2，該第二延遲器332電連接該反及閘331以接收該第二輸出信號Vo2，並據以產生該第六控制信號V6。該第三延遲器電連接該脈寬調變信號產生器31以接收該第一及第三脈寬調變信號S1、S3，並據以分別產生該第一及第三控制信號V1、V3。該第四延遲器電連接該脈寬調變信號產生器31以接收該第二及第四脈寬調變信號S2、S4，並據以分別產生該第二及第四控制信號V2、V4。

參閱圖3，參數V1~V6分別表示該控制電路3 所產生的該第一至第六控制信號，參數iLr1表示流經該諧振電感21的電流，參數VAB表示該等開關11、12的第二端間的電壓(即，圖1中A節點和B節點間的電壓)。

參閱圖1與圖3，以下就流經該負載100的電流等於零時，該電源轉換裝置的操作以十二個模式討論。

模式一(t0~t1)： 該等開關11、14及該第一轉換開關23導通，且該電壓VAB對該諧振電感21進行儲能，使該諧振電感21的電流iLr1呈線性上升。

模式二(t1~t2)：該開關11切換至不導通，該開關14及該第一轉換開關23持續導通，該諧振電感21與該等開關11、13的寄生電容C1、C3開始進行諧振，且流經該諧振電感21的電流iLr1為一激磁電流。此外，於時間t2時，由於該開關11的第二端的電壓(即，A節點的電壓)下降幅度小，導致該電壓VAB的大小約等於該直流輸入電壓Vin。

模式三(t2~t3)：該開關11持續不導通，該開關14及該第一轉換開關23持續導通，且該第二轉換開關24導通，導致該變壓器22的二次側繞組n2被強致短路，以致該變壓器22的一次側繞組n1也短路。該諧振電感21與該等開關11、13的寄生電容C1、C3進行諧振，該寄生電容C3釋放能量至該諧振電感21，且由於諧振時間常數(即，2π，其中1r為該諧振電感21的電感值，c1、c3為該等寄生電容C1、C3的電容值)較小，導致該諧振電感21的電流iLr1迅速上升。於時間t3時，該開關11的第二端的電壓等於零，且該諧振電感21的電流iLr1為一峰值電流，此時將該開關13導通而具有零電壓切換(Zero Voltage Switching，ZVS)。

模式四(t3~t4)： 該開關13導通，該開關11持續不導通，該開 關14及該第一與第二轉換開關23、24持續導通，該變壓器22持續短路，以致該諧振電感21的電流iLr1維持不變。

模式五(t4~t5)：該開關14切換至不導通，該開關11持續不導通，該開關13及該第一與第二轉換開關23、24持續導通。該諧振電感21與該等開關12、14的寄生電容C2、C4開始進行諧振，該諧振電感21的電流iLr1由該峰值電流下降至很小，該開關12的第二端的電壓(即，B節點的電壓)等於該直流輸入電壓Vin，此時將該開關12導通而具有ZVS。

模式六(t5~t6)：該開關12導通，該開關11、14持續不導通，該開關13及該第一與第二轉換開關23、24持續導通。該變壓器22持續短路，此時該第一與第二轉換開關23、24換流，即該第一轉換開關23的電流下降，該第二轉換開關24的電流上升。

模式七(t6~t7)~模式十二(t11~t12)的工作原理及操作分別相似於模式一~模式六，模式七~模式十二與模式一~模式六的差異在於：模式七~模式十二之該諧振電感的電流iLr1及該電壓VAB分別與模式一~模式六之該諧振電感21的電流iLr1及該電壓VAB相反，故不再贅述。

參閱圖4，參數iLr2表示該負載100的電流不 等於零時，流經該諧振電感21的電流。

參閱圖1與圖4，以下就流經該負載100的電流 不等於零時，該電源轉換裝置的操作以十二個模式討論。

模式一~模式十二與上述(即，圖3的說明)模式 一~模式十二相似，二者不同之處在於：當流經該負載100的電流不等於零時，該諧振電感21的能量是來自該負載100的電流及該開關13的寄生電容C3。

綜上所述，上述實施例具有以下優點：

1.低成本。藉由將該第二轉換開關24導通，可 使該電源轉換裝置具有全負載範圍的ZVS，致使該電源轉換裝置除了本身所包含的一個諧振電感21外，不需再額外設置諧振電感，有效降低裝置的元件成本。

2.提高轉換功率的變換效能。藉由該第一及二 轉換開關23、24的切換變化，可使該變壓器22短路，使該電源轉換裝置具有全負載範圍的ZVS，因此該電源轉換裝置除了所包含的該諧振電感21外，不需再額外設置諧振電感就能進行功率轉換，少了額外設置的諧振電感所造成的功耗，可大幅提高轉換功率的變換效能，同時該電源轉換裝置具有較小的諧振電感而使整體有效占空比變小，不僅降低損耗量，也使該電源轉換裝置內之該變壓器22匝比選擇較不受限。

3.可獲得全負載範圍的零電壓切換(Zero Voltage Switching，ZVS)。於電壓VAB未下降至零之前，將該第二轉換開關24導通，使該變壓器22短路，該開關13的寄 生電容C3釋放能量至該諧振電感21，並使該電源轉換裝置具有全負載範圍的ZVS。是以，本案電源轉換裝置除了簡化整體結構設計，降低裝置的元件成本，並可獲得全負載範圍的ZVS，提高轉換功率的變換效能，進而提升整體的使用性能。

4.有效地簡化生產組配的流程。由於本案電源 轉換裝置不需額外設置諧振電感，在生產組配的過程，僅需針對本案電源轉換裝置進行檢測、調整即可確保整機的運作效率，能夠有效地簡化生產組配的流程，進而能降低成本及提高生產效率。

5.有效地降低電路設計的複雜度。當本案電源 轉換裝置不需額外設置諧振電感，在電路設計上則不需要增加電性控制電路，同時，也因不需針對額外設置的諧振電感，本案能提供不同規格的電源供應裝置，能夠有效地降低電路設計上的複雜度，進而降低生產成本及提供優良的電源管理。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧直流電源

100‧‧‧負載

1‧‧‧全橋開關電路

11~14‧‧‧開關

2‧‧‧轉換電路

21‧‧‧諧振電感

22‧‧‧變壓器

23、24‧‧‧第一及第二轉換開關

25‧‧‧輸出電感

26‧‧‧輸出電容

3‧‧‧控制電路

Vin‧‧‧直流輸入電壓

Vout‧‧‧直流輸出電壓

C1~C4‧‧‧寄生電容

V1~V6‧‧‧第一至第六控制信號

n1‧‧‧一次側繞組

n2‧‧‧二次側繞組

Vref‧‧‧預設參考電壓

A、B‧‧‧節點

Claims (4)

1. 一種電源轉換裝置，包含：一全橋開關電路，接收一第一至第四控制信號及一直流輸入電壓，並將該直流輸入電壓轉換成一呈方波的轉換電壓；一轉換電路，電連接該全橋開關電路以接收該轉換電壓，並將該轉換電壓轉換成一直流輸出電壓，且該轉換電路包括一諧振電感，具有一電連接該全橋開關電路的第一端，及一第二端，一變壓器，具有一個一次側繞組及一個二次側繞組，該一次側繞組具有一電連接該諧振電感之第二端的第一端，及一電連接該全橋開關電路的第二端，該二次側繞組具有一第一端、一第二端及一位於該第一、第二端之間的中間抽頭，一第一轉換開關，具有一電連接該二次側繞組之第二端的第一端、一第二端，及一接收一第五控制信號的控制端，該第一轉換開關受該第五控制信號控制而在導通與不導通狀態間切換，一第二轉換開關，具有一電連接該二次側繞組之第一端的第一端、一電連接該第一轉換開關之第二端的第二端，及一接收一第六控制信號的控制端，該第二轉換開關受該第六控制信號控制而在導通與不導通狀態間切換，及 串聯連接的一輸出電感及一輸出電容，電連接於該二次側繞組之該中間抽頭與該第二轉換開關之第二端間，該輸出電容的兩端提供該直流輸出電壓；及一控制電路，電連接該全橋開關電路及該轉換電路，且接收該直流輸出電壓及一預設參考電壓，並根據該直流輸出電壓及該預設參考電壓產生該第一至第四控制信號至該全橋開關電路，及產生該第五及第六控制信號給各自所對應的該第一及第二轉換開關；其中，當該第一轉換開關處於導通狀態時，於該轉換電壓等於零前，將該第二轉換開關導通。
2. 如請求項1所述的電源轉換裝置，其中，該控制電路包括：一脈寬調變信號產生器，接收該直流輸出電壓及該預設參考電壓，並據以產生一第一至第四脈寬調變信號，該第一至第四脈寬調變信號相關於各自所對應的該第一至第四控制信號；一第一運算單元，電連接該脈寬調變信號產生器以接收該第二及第三脈寬調變信號，並據以產生該第五控制信號；及一第二運算單元，電連接該脈寬調變信號產生器以接收該第一及第四脈寬調變信號，並據以產生該第六控制信號。
3. 如請求項2所述的電源轉換裝置，其中，該第一運算單 元包括：一反及閘，電連接該脈寬調變信號產生器以接收該第二及第三脈寬調變信號，並據以產生一第一輸出信號；及一第一延遲器，電連接該反及閘以接收該第一輸出信號，並據以產生該第五控制信號。
4. 如請求項2所述的電源轉換裝置，其中，該第二運算單元包括：一反及閘，電連接該脈寬調變信號產生器以接收該該第一及第四脈寬調變信號，並據以產生一第二輸出信號；及一第二延遲器，電連接該反及閘以接收該第二輸出信號，並據以產生該弟六控制信號。