TWI543508B - 直流電壓轉換裝置 - Google Patents

Description

直流電壓轉換裝置

本發明是有關於一種直流電壓轉換裝置，特別是指一種應用於突波負載的直流電壓轉換裝置。

一般直流電壓轉換裝置，是將非調整的直流電壓轉換成所需的直流輸出電壓，且該直流輸出電壓的準位經調整後，會比該直流輸入電壓的準位來得低；換言之，此直流輸出電壓不管直流輸入電壓有無變化，或是輸出負載是否變動，都必須使直流輸出電壓的準位保持在穩定的狀態，並降壓到所需的額定值。

市面上某些電子產品，如音響喇叭，在作為一直流電壓轉換器的負載時，該類型負載具有在短暫時間內，抽取大電流的特性。該類型負載稱為突波負載(surge load)，在該短暫時間所抽取的電流稱為突波電流。由於該突波電流的大小往往是平常負載電流的數十倍；若要使用一般的電源供應器，對於習知的直流電壓轉換器在設計時，為能提供比平常負載電流大數十倍的該突波電流，其改善方式是必須加大變壓器的元件尺寸，才能避免磁性元件飽和，以及在負載側並聯設置有許多個電容器以提供極 大的容值，才能避免輸出電壓降超出輸出範圍。但習知改善方式因為加大變壓器尺寸、以及需要設置許多個電容器等情況下，如此反而造成直流電壓轉換器的整體體積變大，進而影響到電源供應器整體之電源轉換效率，形成電源管理上的問題並增加成本。

因此，本發明之目的，即在突波負載的應用下，使用比一般設計更小尺寸的變壓器，而使整體體積較小，並有效防制輸出電壓因輸入電壓及輸出突波電流變動而受到影響，進而提高使用壽命及提升電源轉換效率，以實現成本較低的直流電壓轉換裝置。

於是，本發明直流電壓轉換裝置，用於接收一直流輸入電壓，並輸出一直流輸出電壓，且包含一降壓轉換器、一串聯諧振轉換器、一變壓器、一整流器、及一輸出電容。

該降壓轉換器接收該直流輸入電壓及一相關該直流輸出電壓的第一控制信號，並根據該第一控制信號，輸出一第一直流電壓。

該串聯諧振轉換器電性連接該降壓轉換器，並接收來自該降壓轉換器的第一直流電壓、一第二控制信號、及一第三控制信號，並根據該第二及第三控制信號，輸出一第二交流電壓。

該變壓器電性連接該串聯諧振轉換器，且接收該第二交流電壓，並包括一位於一次側的第一繞組，及位 於二次側的一第二繞組與一第三繞組，每一繞組具有一極性的第一端及一第二端，該第一繞組電性連接該串聯諧振轉換器，該第三繞組的第一端電性連接該第二繞組的第二端。

該整流器電性連接該變壓器的第二繞組的第一端及第三繞組的第二端，並接收一第四控制信號及一第五控制信號。

該輸出電容包括一電性連接該變壓器的第二繞組的第二端的第一端，及一電性連接該整流器的第二端，該整流器根據該第四控制信號及第五控制信號，將該變壓器的第二繞組的第一端及第三繞組的第二端之間的跨壓，輸出為該直流輸出電壓於該輸出電容的二端之間。

本發明之功效在於利用降壓轉換器及串聯諧振轉換器相串接，並以定頻方式控制串聯諧振轉換器，以提供突波負載的電流需求，而能具有下列優點

1.藉由串接使用降壓轉換器及串聯諧振轉換器，使變壓器工作在鐵心遲滯迴路曲線(B-H curve)的第一及第三象限，而能縮小鐵心體積，以有效解決先前技術所遭遇的問題。

2.以定頻、定空佔比的方式控制該串聯諧振轉換器，不但可避開變壓器飽和，更能實踐零電壓切換而減少開關的能量損耗，進而提升轉換效率，且在輸出電容的電容值較小的狀態下，仍能達到穩定輸出電壓的功效。

1‧‧‧降壓轉換器

11‧‧‧第一開關

2‧‧‧串聯諧振轉換器

21‧‧‧第二開關

22‧‧‧第三開關

3‧‧‧變壓器

31‧‧‧第一繞組

32‧‧‧第二繞組

33‧‧‧第三繞組

4‧‧‧整流器

41‧‧‧第四開關

42‧‧‧第五開關

5‧‧‧回授電路

51‧‧‧比較器

52‧‧‧光耦合器

6‧‧‧脈寬調變電路

D_B‧‧‧第一二極體

L_B‧‧‧第一電感

L_R‧‧‧第二電感

C_O‧‧‧輸出電容

C_B‧‧‧第一電容

C_R‧‧‧第二電容

R₁‧‧‧第一電阻

R₂‧‧‧第二電阻

S₁‧‧‧第一控制信號

S₂‧‧‧第二控制信號

S₃‧‧‧第三控制信號

S₄‧‧‧第四控制信號

S₅‧‧‧第五控制信號

V_in‧‧‧直流輸入電壓

V₁‧‧‧第一直流電壓

V₂‧‧‧第二交流電壓

V_REF‧‧‧參考電壓

V_O‧‧‧直流輸出電壓

I_O‧‧‧負載電流

I_F‧‧‧中間信號

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，說明本發明直流電壓轉換裝置的較佳實施例；圖2是一電路圖，說明本發明較佳實施例之一回授電路；圖3是一時序圖，說明本發明較佳實施例之一模擬結果；圖4是一時序圖，說明本發明較佳實施例之另一模擬結果；圖5是一時序圖，說明本發明較佳實施例之一量測結果；及圖6是一時序圖，說明本發明較佳實施例之另一量測結果。

參閱圖1，本發明直流電壓轉換裝置之較佳實施例包含一降壓轉換器1、一串聯諧振轉換器2、一變壓器3、一整流器4、一輸出電容C_O、一回授電路5、及一脈寬調變電路6。該直流電壓轉換裝置用於接收一直流輸入電壓V_in，並輸出一直流輸出電壓V_O至一負載，且該負載為突波負載。

該降壓轉換器1包括一第一開關11、一第一二極體D_B、一第一電感L_B、及一第一電容C_B，並接收該直流輸入電壓V_in及一第一控制信號S₁，且根據該第一控制信號S₁，輸出一第一直流電壓V₁。

該第一開關11具有一接收該直流輸入電壓V_in 的第一端、一第二端、及一接收該第一控制信號S₁的控制端，並受該第一控制信號S₁的控制於導通與不導通之間切換。

該第一二極體D_B具有一電性連接該第一開關11的第二端的陽極端，及一接收該直流輸入電壓V_in的陰極端。

該第一電感L_B具有一電性連接該第一開關11的第二端的第一端，及一第二端。

該第一電容C_B具有一電性連接該第一二極體D_B的陰極端的第一端，及一電性連接該第一電感L_B的第二端的第二端。

該串聯諧振轉換器2電性連接該降壓轉換器1，並包括一第二開關21、一第三開關22、一第二電感L_R、及一第二電容C_R，且接收來自該降壓轉換器1的第一直流電壓V₁、一第二控制信號S₂、及一第三控制信號S₃，並根據該第二及第三控制信號S₂、S₃，輸出一第二交流電壓V₂。

該第二開關21具有一電性連接該降壓轉換器1的第一電容C_B的第一端的第一端、一第二端、及一接收該第二控制信號S₂的控制端，並受該第二控制信號S₂的控制於導通與不導通之間切換。

該第三開關22具有一電性連接該第二開關21的第二端的第一端、一電性連接該降壓轉換器1的第一電容C_B的第二端的第二端、及一接收該第三控制信號S₃的控 制端，並受該第三控制信號S₃的控制於導通與不導通之間切換。

該第二及第三控制信號S₂、S₃分別控制該串聯諧振轉換器2的第二及第三開關21、22，且該第二及第三控制信號S₂、S₃都具有一固定頻率，且都具有一固定的佔空比，換句話說，該串聯諧振轉換器2的第二及第三開關21、22是分別導通與不導通於一固定的週期。

該第二電感L_R具有一電性連接該第二開關21的第二端的第一端，及一第二端。

該第二電容C_R具有一電性連接該第二電感L_R的第二端的第一端，及一第二端。

該變壓器3電性連接該串聯諧振轉換器2，且接收該第二交流電壓V₂，並包括一位於一次側的第一繞組31，及位於二次側的一第二繞組32與一第三繞組33。每一繞組31、32、33具有一極性的第一端及一第二端，該第一繞組31的第一端電性連接該串聯諧振轉換器2的第二電容C_R的第二端，該第一繞組31的第二端電性連接該串聯諧振轉換器2的第三開關22的第二端，該第三繞組33的第一端電性連接該第二繞組32的第二端。

該整流器4電性連接該變壓器3，並包括一第四開關41及一第五開關42，且接收一第四控制信號S₄及一第五控制信號S₅。該第四開關41及第五開關42分別受該第四控制信號S₄及第五控制信號S₅控制於導通與不導通之間切換。

該第四開關41具有一電性連接該變壓器3的第二繞組32的第一端的第一端、一第二端、及一接收該第四控制信號S₄的控制端。

該第五開關42具有一電性連接該變壓器3的第三繞組33的第二端的第一端、一電性連接該第四開關41的第二端的第二端、及一接收該第五控制信號S₅的控制端。

該第四及第五控制信號S₄、S₅則是分別控制該整流器4的第四及第五開關41、42於導通與不導通之間。

在本實施例中，該降壓轉換器1的第一開關11、該串聯諧振轉換器2的第二開關21與第三開關22、及該整流器4的第四開關41與第五開關42都是一功率電晶體，且每一功率電晶體具有一電性連接其第一端與第二端之間的基體二極體。

該輸出電容C_O包括一電性連接該變壓器3的第二繞組32的第二端的第一端，及一電性連接該整流器4的第四開關41的第二端的第二端。該負載並聯於該輸出電容C_O的第一端及第二端之間，且該輸出電容C_O的第一端及第二端之間的跨壓，也就是該負載的二端之間的跨壓為該直流輸出電壓V_O。

參閱圖1與圖2，該回授電路5電性連接該輸出電容C_O，並包括一第一電阻R₁、一第二電阻R₂、一比較器51、及一光耦合器52。

該第一電阻R₁具有一電性連接該輸出電容C_O 的第一端的第一端，及一第二端。

該第二電阻R₂具有一電性連接該第一電阻R₁的第二端的第一端，及一電性連接該輸出電容C_O的第二端的第二端。

該比較器51具有一電性連接該第一電阻R₁的第二端的第一端、一接收一參考電壓V_REF的第二端、及一輸出端。該比較器51在該第一端與第二端的跨壓為正時，將一高電位的邏輯值輸出於該輸出端，反之，在該第一端與第二端的跨壓為負時，將一低電位的邏輯值輸出於該輸出端。

該光耦合器52具有一電性連接該第一電阻R₁的第一端的第一端、一電性連接該比較器51的輸出端的第二端、及一輸出端，並接收該第一電阻R₁的第一端及該比較器51的輸出端的跨壓，以產生一亮度相關於該跨壓大小的光信號，再將該光信號耦合而產生一中間信號I_F於該輸出端。該中間信號I_F的大小正相關於該光信號的亮度大小，因此，該中間信號I_F的大小會相關於該第一電阻R₁的第一端及該比較器51的輸出端的跨壓大小。

在本實施例中，該光耦合器52將分別位於該變壓器3的一次側及二次側的信號作電氣隔離，且輸出的中間信號I_F為一電流信號。在其他實施例中，若分別位於該變壓器3的一次側及二次側的信號沒有電氣隔離的必要時，也可以使用其他元件代替該光耦合器52，只要該中間信號I_F能相關於該第一電阻R₁的第一端及該比較器51的輸 出端的跨壓大小，因此，該中間信號I_F也可以是一電壓信號。

該脈寬調變電路6電性連接該回授電路5及該降壓轉換器1，並接收來自該回授電路5的中間信號I_F及另一參考電壓(圖未示)，以產生該第一控制信號S₁。

參閱圖1與圖3，圖3是一時序圖，橫軸為時間，說明該較佳實施例的一模擬結果，該直流輸入電壓V_in為450V，該變壓器3還包括一規格為PQ32/20且電感量為280uH的鐵心，第一、第二及第三繞組31、32、33的匝數比為3：1：1，該直流輸出電壓V_O為16V。當負載電流I_O在0.5秒~0.6秒之間(共100ms)由3安培變為16安培時，該直流輸出電壓V_O只出現約50mV的電壓變化。

參閱圖1與圖4，圖4是一時序圖，橫軸為時間，說明該較佳實施例的另一模擬結果。當負載電流I_O在0.3秒~0.302秒之間(共2ms)由3安培變為70安培時，該直流輸出電壓V_O只出現約1.3V的電壓變化。此外，特別值得一提的是：由圖3和圖4可知，當該負載電流I_O出現短時間的變化，也就是該負載產生一突波電流時，該降壓轉換器1提高該第一直流電壓V₁，進而使得該直流輸出電壓V_O保持穩定。

參閱圖1與圖5，圖5是一時序圖，橫軸為時間，說明該較佳實施例的一量測結果，當負載電流I_O在100ms內，由3安培變為16安培時，該直流輸出電壓V_O只出現46mV的電壓變化。

參閱圖1與圖6，圖6是一時序圖，橫軸為時間，說明該較佳實施例的另一量測結果，當負載電流I_O在2ms內，由3安培變為70安培時，該直流輸出電壓V_O只出現1.2V的電壓變化。

綜上所述，本發明具有以下優點：

1.能有效滿足突波負載的電流變化，且同時穩定直流輸出電壓。由圖3~圖6的模擬結果及量測結果可知，藉由串接使用降壓轉換器及串聯諧振轉換器，使變壓器工作在鐵心遲滯迴路曲線(B-H curve)的第一及第三象限，而能縮小鐵心體積，以有效解決先前技術所遭遇的問題。

2.以定頻、定空佔比的方式控制該串聯諧振轉換器，不但可避開變壓器飽和，更能實踐零電壓切換而減少開關的能量損耗，進而提升轉換效率，且在輸出電容的電容值較小的狀態下，仍能達到穩定輸出電壓的功效。

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。

1‧‧‧降壓轉換器

11‧‧‧第一開關

2‧‧‧串聯諧振轉換器

21‧‧‧第二開關

22‧‧‧第三開關

3‧‧‧變壓器

31‧‧‧第一繞組

32‧‧‧第二繞組

33‧‧‧第三繞組

4‧‧‧整流器

41‧‧‧第四開關

42‧‧‧第五開關

5‧‧‧回授電路

6‧‧‧脈寬調變電路

D_B‧‧‧第一二極體

L_B‧‧‧第一電感

L_R‧‧‧第二電感

C_O‧‧‧輸出電容

C_B‧‧‧第一電容

C_R‧‧‧第二電容

S₁‧‧‧第一控制信號

S₂‧‧‧第二控制信號

S₃‧‧‧第三控制信號

S₄‧‧‧第四控制信號

S₅‧‧‧第五控制信號

V_in‧‧‧直流輸入電壓

V₁‧‧‧第一直流電壓

V₂‧‧‧第二交流電壓

V_O‧‧‧直流輸出電壓

I_O‧‧‧負載電流

I_F‧‧‧中間信號

Claims (6)

1. 一種直流電壓轉換裝置，用於接收一直流輸入電壓，並輸出一直流輸出電壓至一負載，且包含：一降壓轉換器，接收該直流輸入電壓及一相關該直流輸出電壓的第一控制信號，並根據該第一控制信號，輸出一第一直流電壓；一串聯諧振轉換器，電性連接該降壓轉換器，並接收來自該降壓轉換器的第一直流電壓、一第二控制信號、及一第三控制信號，並根據該第二及第三控制信號，輸出一第二交流電壓；一變壓器，電性連接該串聯諧振轉換器，且接收該第二交流電壓，並包括一位於一次側的第一繞組，及位於二次側的一第二繞組與一第三繞組，每一繞組具有一極性的第一端及一第二端，該第一繞組電性連接該串聯諧振轉換器，該第三繞組的第一端電性連接該第二繞組的第二端；一整流器，電性連接該變壓器的第二繞組的第一端及第三繞組的第二端，並接收一第四控制信號及一第五控制信號；及一輸出電容，包括一電性連接該變壓器的第二繞組的第二端的第一端，及一電性連接該整流器的第二端，該整流器根據該第四控制信號及第五控制信號，將該變壓器的第二繞組的第一端及第三繞組的第二端之間的跨壓，輸出為該直流輸出電壓於該輸出電容的 二端之間，其中，當該負載產生一突波電流時，該降壓轉換器提高該第一直流電壓，以使該直流輸出電壓保持穩定。
2. 如請求項1所述的直流電壓轉換裝置，還包含：一回授電路，電性連接該輸出電容的第一端及第二端，並根據該直流輸出電壓的大小，產生一中間信號；及一脈寬調變電路，電性連接該回授電路及該降壓轉換器，並接收來自該回授電路的中間信號及一參考電壓，以產生該第一控制信號。
3. 如請求項2所述的直流電壓轉換裝置，其中，該降壓轉換器包括：一第一開關，具有一接收該直流輸入電壓的第一端、一第二端、及一接收該第一控制信號的控制端，並受該第一控制信號的控制於導通與不導通之間切換；一第一二極體，具有一電性連接該第一開關的第二端的陽極端，及一接收該直流輸入電壓的陰極端；一第一電感，具有一電性連接該第一開關的第二端的第一端，及一第二端；及一第一電容，具有一電性連接該第一二極體的陰極端的第一端，及一電性連接該第一電感的第二端的第二端；該串聯諧振轉換器包括： 一第二開關，具有一電性連接該降壓轉換器的第一電容的第一端的第一端、一第二端、及一接收該第二控制信號的控制端，並受該第二控制信號的控制於導通與不導通之間切換；一第三開關，具有一電性連接該第二開關的第二端的第一端、一電性連接該降壓轉換器的第一電容的第二端與該變壓器的第一繞組的第二端的第二端、及接收該第三控制信號的控制端，並受該第三控制信號的控制於導通與不導通之間切換；一第二電感，具有一電性連接該第二開關的第二端的第一端，及一第二端；及一第二電容，具有一電性連接該第二電感的第二端的第一端，及一電性連接該變壓器的第一繞組的第一端的第二端；該整流器包括：一第四開關，具有一電性連接該變壓器的第二繞組的第一端的第一端、一電性連接該輸出電容的第二端的第二端、及一接收該第四控制信號的控制端，並受該第四控制信號的控制於導通與不導通之間切換；及一第五開關，具有一電性連接該變壓器的第三繞組的第二端的第一端、一電性連接該第四開關的第二端的第二端、及一接收該第五控制信號的控制端，並受該第五控制信號的控制於導通與不導通之間切換。
4. 如請求項3所述的直流電壓轉換裝置，其中，該第二控制信號及第三控制信號都具有一固定頻率，且都具有一固定的佔空比。
5. 如請求項4所述的直流電壓轉換裝置，其中，該回授電路包括：一第一電阻，具有一電性連接該輸出電容的第一端的第一端，及一第二端；一第二電阻，具有一電性連接該第一電阻的第二端的第一端，及一電性連接該輸出電容的第二端的第二端；及一比較器，具有一電性連接該第一電阻的第二端的第一端、一接收一參考電壓的第二端、及一輸出端，在該第一端與第二端的跨壓為正時，將一高電位的邏輯值輸出於該輸出端，在該第一端與第二端的跨壓為負時，將一低電位的邏輯值輸出於該輸出端，該回授電路根據該第一電阻的第一端及該比較器的輸出端的跨壓大小，產生該中間信號。
6. 如請求項5所述的直流電壓轉換裝置，其中，該回授電路還包括一光耦合器，該光耦合器具有一電性連接該第一電阻的第一端的第一端、一電性連接該比較器的輸出端的第二端、及一輸出端，並接收該第一電阻的第一端及該比較器的輸出端的跨壓，以產生一亮度相關於該跨壓大小的光信號，再將該光信號耦合而產生該中間信號於該輸出端，且該中間信號為一電流信 號。