TWI636655B

TWI636655B - 電源轉換器及其控制方法

Info

Publication number: TWI636655B
Application number: TW106113224A
Authority: TW
Inventors: 張育銘
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-09-21
Also published as: TW201840114A

Abstract

電源轉換器包含原邊切換電路、諧振電路、變壓器、副邊整流電路、電壓偵測電路、電流偵測電路以及處理電路。原邊切換電路用以根據脈衝訊號切換多個開關的啟閉，以將輸入電壓轉換為方波訊號。諧振電路耦接於原邊切換電路，用以接收方波訊號以提供原邊電流。變壓器的原邊繞組耦接於諧振電路。副邊整流電路耦接於變壓器的副邊繞組，用以對副邊繞組輸出的副邊交流訊號進行整流並輸出一輸出電壓。電壓與電流偵測電路分別用以偵測原邊繞組兩端的跨壓及原邊電流並據以輸出電壓與電流偵測訊號。處理電路用以根據電壓與電流偵測訊號輸出脈衝訊號。

Description

電源轉換器及其控制方法

本揭示內容係關於一種電源轉換器，且特別係關於一種諧振式的電源轉換器。

LLC諧振轉換器可透過頻率調變的方式達到穩定的輸出電壓。近來，由於LLC諧振轉換器適合寬範圍輸入電壓與大功率輸出，被廣泛應用於太陽能光伏發電等再生能源供電系統當中。

然而，現有轉換器控制策略中須採樣副邊側的輸出電壓並回授至原邊側進行控制，因此須設置高耐壓的隔離元件進行訊號傳遞，導致電路成本提高。因此，如何改善現有的電源轉換器控制方法，為當前相關領域重要的研究課題。

本揭示內容的一態樣為一種電源轉換器。電源轉換器包含：一原邊切換電路，包含複數個開關，該原邊切換電路用以根據一脈衝訊號切換該些開關的啟閉，以將一直流輸入電壓轉換為一方波訊號；一諧振電路，電性連接於該原邊切換電路，用以接收該方波訊號以提供一原邊電流；一變壓器，其中該變壓器的一原邊繞組電性連接於該諧振電路；一副邊整流電路，電性連接於該變壓器的一副邊繞組，用以對該副邊繞組輸出的一副邊交流訊號進行整流並輸出一輸出電壓；一電壓偵測電路，用以偵測該原邊繞組兩端的跨壓並據以輸出一電壓偵測訊號；一電流偵測電路，用以偵測該原邊電流並據以輸出一電流偵測訊號；以及一處理電路，用以根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號輸出該脈衝訊號。

在部份實施例中，該處理電路用以透過該脈衝訊號調整該些開關的切換頻率，以控制該輸出電壓。

在部份實施例中，該處理電路透過相應於該變壓器之一變壓器模型，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式，據以調整該脈衝訊號。

在部份實施例中，該變壓器模型包含一匝數比參數、一原邊繞組電阻參數以及一副邊繞組電阻參數。

在部份實施例中，該處理電路更透過該變壓器模型、該原邊電流以及該副邊整流電路中二極體的壓降，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式。

在部份實施例中，電源轉換器更包含一驅動電路，該驅動電路電性連接於該處理電路與該原邊切換電路中的該些開關，該處理電路根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號輸出一脈衝頻率調變訊號，該驅動電路根據該脈衝頻率調變訊號分別輸出複數個驅動訊號至該些開關，以切換該些開關的啟閉。

在部份實施例中，該諧振電路包含彼此串聯的一諧振電容單元以及一諧振電感單元。

在部份實施例中，該些開關包含：一第一開關，該第一開關的一第一端電性連接於一輸入電壓源的一正極端，該第一開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第一端；一第二開關，該第二開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第一端，該第二開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的一負極端；一第三開關，該第三開關的一第一端電性連接於該輸入電壓源的該正極端，該第三開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第二端；以及一第四開關，該第四開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第二端，該第四開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的該負極端。

在部份實施例中，該副邊整流電路包含：一第一二極體，該第一二極體的一陽極端電性連接於該副邊繞組的一第一端，該第一二極體的一陰極端電性連接於一輸出電容的一第一端；一第二二極體，該第二二極體的一陽極端電性連接於該輸出電容的一第二端，該第二二極體的一陰極端電性連接於該第一二極體的該陽極端；一第三二極體，該第三二極體的一陽極端電性連接於該副邊繞組的一第二端，該第三二極體的一陰極端電性連接於該輸出電容的該第一端；以及一第四二極體，該第四二極體的一陽極端電性連接於該輸出電容的該第二端，該第四二極體的一陰極端電性連接於該第三二極體的該陽極端。

本揭示內容的另一態樣為一種電源轉換器。電源轉換器包含：一原邊電路，包含複數個開關，該些開關分別用以根據複數個驅動訊號選擇性地導通或關斷；一變壓器，包含：一原邊繞組，電性連接於該原邊電路，用以自該原邊電路接收一原邊方波訊號；一副邊繞組，用以相應於該原邊方波訊號輸出一副邊交流訊號；一電壓偵測電路，用以偵測該原邊繞組兩端的跨壓並據以輸出一電壓偵測訊號；一電流偵測電路，用以偵測流經該原邊電路的一原邊電流並根據該原邊電流輸出一電流偵測訊號；一副邊整流電路，電性連接於該副邊繞組，用以對該副邊交流訊號進行整流並輸出一輸出電壓；以及一處理電路，用以根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號控制該些驅動訊號的一切換頻率。

在部份實施例中，該處理電路透過相應於該變壓器之一變壓器模型，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式，據以調整該切換頻率。

在部份實施例中，電源轉換器更包含一驅動電路，該驅動電路電性連接於該處理電路與該原邊電路中的該些開關，該處理電路根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號輸出一脈衝頻率調變訊號，該驅動電路根據該脈衝頻率調變訊號分別輸出該些驅動訊號至該些開關，以切換該些開關的啟閉。

在部份實施例中，該原邊電路更包含一諧振電路，該諧振電路包含彼此串聯的一諧振電容單元以及一諧振電感單元。

在部份實施例中，該原邊電路中的該些開關包含：一第一開關，該第一開關的一第一端電性連接於一輸入電壓源的一正極端，該第一開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第一端；一第二開關，該第二開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第一端，該第二開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的一負極端；一第三開關，該第三開關的一第一端電性連接於該輸入電壓源的該正極端，該第三開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第二端；以及一第四開關，該第四開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第二端，該第四開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的該負極端。

本揭示內容的又一態樣為一種電源轉換器的控制方法，包含：透過一電源轉換器中的一電流偵測電路偵測流經該電源轉換器中一原邊電路的一原邊電流，以取得一電流偵測訊號；透過該電源轉換器中的一電壓偵測電路偵測流經該電源轉換器中一變壓器中電性耦接於該原邊電路之一原邊繞組兩端的跨壓，以取得一電壓偵測訊號；透過相應於該變壓器之一變壓器模型，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該電源轉換器的一輸出電壓之關係式；基於該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式，根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號控制該原邊電路中複數個開關的切換頻率，以調整該輸出電壓。

在部份實施例中，該變壓器模型包含一匝數比參數、一原邊繞組電阻參數以及一副邊繞組電阻參數，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式更包含：透過該變壓器模型、該原邊電流以及該電源轉換器中一副邊整流電路中二極體的壓降，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式。

在部份實施例中，控制該些開關的該切換頻率包含：由一處理電路根據該電流偵測訊號與該電壓偵測訊號計算並輸出一脈衝頻率調變訊號；以及由一驅動電路接收該脈衝頻率調變訊號，並根據該脈衝頻率調變訊號輸出複數個驅動訊號分別選擇性地導通或關斷該些開關，以調整該些開關的切換頻率。

下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，以更好地理解本揭示內容的態樣，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。此外，根據業界的標準及慣常做法，圖式僅以輔助說明為目的，並未依照原尺寸作圖，實際上各種特徵的尺寸可任意地增加或減少以便於說明。下述說明中相同元件將以相同之符號標示來進行說明以便於理解。

在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

此外，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。此外，本文中所使用之『及／或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。

於本文中，當一元件被稱為『連接』或『耦接』時，可指『電性連接』或『電性耦接』。『連接』或『耦接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

請參考第1圖。第1圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換器100的示意圖。如第1圖所示，在部分實施例中，電源轉換器100包含原邊切換電路120、諧振電路140、變壓器160、副邊整流電路180、電壓偵測電路110、電流偵測電路130、處理電路150以及驅動電路170。在部分實施例中，電源轉換器100可應用於太陽能光伏系統中的直流—直流轉換設備，以將太陽能板輸出的直流電壓轉換為適當的電壓準位。藉此，後級的逆變器便可將直流電力轉換為與電網同頻同相的交流電力，實現再生能源與市電的併網。

在結構上，原邊切換電路120與諧振電路140組成電源轉換器100的原邊電路，電性耦接於變壓器160的原邊繞組Np。具體來說，原邊切換電路120的輸入側電性連接至輸入電壓源，用以接收直流輸入電壓Vin。原邊切換電路120的輸出側電性連接至諧振電路140的輸入側，用以輸出方波訊號至諧振電路140。諧振電路140的輸出側電性連接至變壓器160的原邊繞組Np。變壓器160的副邊繞組Ns電性連接至副邊整流電路180的輸入側。副邊整流電路180的輸出側電性連接至輸出電容Co，以提供直流輸出電壓Vo至後級電路。如此一來，原邊切換電路120、諧振電路140、變壓器160、副邊整流電路180便可形成LLC諧振轉換器的電路架構。

此外，如第1圖所示，電壓偵測電路110電性耦接於原邊繞組Np的兩端，用以偵測原邊繞組Np兩端的跨壓並據以輸出電壓偵測訊號Sig_V。電流偵測電路130設置於諧振電路140的線路上，以偵測流經諧振電路140的原邊電流Ip。舉例來說，電壓偵測電路110可包含電壓偵測單元112以及整流單元114。電流偵測電路130可包含電流偵測單元132以及整流單元134。在部分實施例中，電壓偵測單元112與電流偵測單元132可透過感應線圈等方式實現，但本揭示內容並不以此為限。整流單元114電性耦接於電壓偵測單元112，用以將電壓偵測單元112所得的偵測訊號加以整流，以輸出電壓偵測訊號Sig_V代表原邊繞組Np兩端的跨壓Vp的大小。整流單元134電性耦接於電流偵測單元132，用以將電流偵測單元132所得的偵測訊號加以整流，以輸出電流偵測訊號Sig_I代表原邊電流Ip的大小。

在結構上，處理電路150電性連接於電壓偵測電路110與電流偵測電路130。驅動電路170電性連接於處理電路150與原邊切換電路120之間。在部分實施例中，處理電路150可包含電壓頻率轉換器（Voltage-To-Frequency Converter），用以根據電壓偵測訊號Sig_V與電流偵測訊號Sig_I輸出脈衝頻率調變（Pulse Frequency Modulation，PFM）訊號PFM至驅動電路170。驅動電路170自處理電路150接收脈衝頻率調變訊號PFM後，便可根據脈衝頻率調變訊號PFM分別輸出複數個驅動訊號CS1～CS4至原邊切換電路120中的開關S1～S4，以根據驅動訊號CS1～CS4的切換頻率切換開關S1～S4的啟閉。藉此，處理電路150便可透過脈衝頻率調變訊號PFM改變原邊切換電路120輸出的方波訊號的切換頻率。在部分實施例中，處理電路150中的電壓頻率轉換器可由各種電路，例如積分器與比較器協同實現，其細節不再於此贅述。

藉此，隨著原邊切換電路120輸出的方波訊號的切換頻率改變，諧振電路140的阻抗亦隨切換頻率而變化。如此一來，變壓器160的原邊繞組Np的電壓便會隨著切換頻率的變化而變化，進而經由二次側的副邊繞組Ns與副邊整流電路180輸出相應的直流輸出電壓Vo。換言之，直流輸出電壓Vo可藉由驅動訊號CS1～CS4的切換頻率進行控制。

具體來說，在不同實施例中，原邊切換電路120可透過半橋、全橋或其他類型的切換電路實現。舉例來說，在第1圖所示實施例中原邊切換電路120可由全橋電路實現。原邊切換電路120包含開關S1、S2、S3、S4。如圖所示，在結構上，開關S1的第一端電性連接於輸入電壓源的正極端。開關S1的第二端電性連接於諧振電路140的第一端。開關S2的第一端電性連接於諧振電路140的第一端。開關S2的第二端電性連接於輸入電壓源的負極端。開關S3的第一端電性連接於輸入電壓源的正極端。開關S3的第二端電性連接於諧振電路140的第二端。開關S4的第一端電性連接於諧振電路140的第二端。開關S4的第二端電性連接於輸入電壓源的負極端。

藉此，當開關S1、S4根據相應的驅動訊號CS1、CS4導通，開關S2、S3根據相應的驅動訊號CS2、CS3關斷時，諧振電路140的第一端電性連接至輸入電壓源的正極端，諧振電路140的第二端電性連接至輸入電壓源的負極端。相對地，當開關S1、S4根據相應的驅動訊號CS1、CS4關斷，開關S2、S3根據相應的驅動訊號CS2、CS3導通時，諧振電路140的第一端電性連接至輸入電壓源的負極端，諧振電路140的第二端電性連接至輸入電壓源的正極端。如此一來，原邊切換電路120便可根據切換頻率切換開關S1～S4的啟閉，以將直流輸入電壓Vin轉換為責任周期為50%的方波訊號傳遞至諧振電路140。

在部分實施例中，諧振電路140包含諧振電容單元Cr與諧振電感單元Lr。在結構上，諧振電容單元Cr以及諧振電感單元Lr彼此串聯。舉例來說，如第1圖所示，諧振電容單元Cr的第一端電性連接於諧振電路140的第一端，以電性連接於開關S1、S2。諧振電容單元Cr的第二端電性連接於諧振電感單元Lr的第一端。諧振電感單元Lr的第二端電性連接於原邊繞組Np的第一端。原邊繞組Np的第二端電性連接於諧振電路140的第二端，以電性連接於開關S3、S4，但本揭示內容並不以此為限。在部分實施例中，諧振電感單元Lr可由變壓器160的漏感所構成。在其他實施例中，諧振電容單元Cr、諧振電感單元Lr亦可透過不同方式電性連接，並搭配變壓器160中的磁化電感以實現LLC諧振電路。

如此一來，原邊繞組Np便可自諧振電路140接收原邊方波訊號。副邊繞組Ns便可相應於原邊方波訊號輸出副邊交流訊號至副邊整流電路180，使得變壓器160實現原邊側與副邊側的能量傳遞。

在不同實施例中，副邊整流電路180可透過半橋、全橋或其他類型的整流電路實現。舉例來說，在第1圖所示實施例中，副邊整流電路180可由全橋整流電路實現。副邊整流電路180包含二極體D1、D2、D3、D4。如圖所示，在結構上，二極體D1的陽極端電性連接於副邊繞組Ns的第一端，二極體D1的陰極端電性連接於輸出電容Co的第一端。二極體D2的陽極端電性連接於輸出電容Co的第二端，二極體D2的陰極端電性連接於二極體D1的陽極端。二極體D3的陽極端電性連接於副邊繞組Ns的第二端。二極體D3的陰極端電性連接於輸出電容Co的第一端。二極體D4的陽極端電性連接於輸出電容Co的第二端，二極體D4的陰極端電性連接於二極體D3的陽極端。

藉此，透過副邊整流電路180與輸出電容Co對副邊繞組Ns感應輸出的副邊交流訊號進行整流與濾波，便可輸出直流輸出電壓Vo。

如此一來，透過上述電路的操作，電源轉換器100便可將直流輸入電壓Vin轉換為具有適當電壓準位的直流輸出電壓Vo提供給後級電路。

值得注意的是，在部分實施例中，直流輸出電壓Vo為中壓等級。當電源轉換器100透過直接偵測副邊的直流輸出電壓Vo回授訊號至原邊側時，副邊的回授電壓需要耐壓耐流較高的隔離元件方能回授至一次側，進而導致成本上升。在本案部分實施例中，可透過電壓偵測電路110直接偵測電源轉換器100原邊側之原邊繞組Np兩端的跨壓Vp，並透過處理電路150根據相應於變壓器160之變壓器模型，取得原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo之關係式，據以調整脈衝訊號，使得原邊切換電路120根據脈衝訊號切換開關S1～S4的啟閉，以將直流輸入電壓Vin轉換為方波訊號。如此一來，處理電路150便可透過脈衝訊號調整開關S1～S4的切換頻率，以控制輸出電壓Vo。以下段落將搭配相關圖式，針對變壓器160之變壓器模型、原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo之關係式以及處理電路150調整開關S1～S4的切換頻率的具體操作進行詳細說明。

請參考第2圖。第2圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變壓器160的變壓器模型示意圖。如第2圖所示，在部份實施例中，變壓器160的等效電路模型包含原邊繞組電阻Rp、原邊漏電感Lp、副邊繞組電阻Rs、副邊漏電感Ls、磁化電感Lm，以及理想的原邊繞組Np與副邊繞組Ns。具體來說，原邊繞組電阻Rp與副邊繞組電阻Rs分別代表變壓器160中原邊和副邊的銅損。

值得注意的是，第2圖中所繪示的變壓器等效電路模型僅為示例之用，並非用以限制本案。舉例來說，在其他部份實施例中，變壓器等效電路模型可進一步包含激磁分支上的磁滯鐵損電阻，或是忽略激磁分支上的磁化電感Lm以簡化等效電路。由於變壓器的原邊側與副邊側的電壓準位不同，為便於電路分析，變壓器等效電路模型可進一步參考至原邊側或副邊側。

請參考第3圖。第3圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變壓器160參考至原邊側後原邊電壓Vp與輸出電壓Vo的等效電路模型示意圖，其中Rtrace代表走線電阻、Vd1、Vd2代表副邊整流電路180中的二極體導通壓降，並忽略激磁分支上的磁化電感Lm與磁滯鐵損電阻以簡化等效電路。

具體來說，原邊繞組Np與副邊繞組Ns兩者間的匝數比a即代表原邊繞組Np的跨壓Vp與副邊繞組Ns的跨壓Vs之比，亦代表原邊電流Ip與副邊電流Is之反比。因此，匝數比a可表示為下式。

基於上式，當第2圖中所繪示的變壓器160的等效電路模型參考至原邊側後，原邊繞組電阻Rp、原邊漏電感Lp的等效電阻值與等效漏電感值不變。另一方面，副邊繞組電阻Rs、副邊漏電感Ls參考至原邊側後的等效電阻值與等效漏電感值為原本副邊繞組電阻Rs、副邊漏電感Ls的等效值乘上匝數比a的平方倍。此外，變壓器160副邊側的電壓值亦乘上匝數比a以參考至原邊側，如副邊整流電路180中的二極體導通壓降Vd1、Vd2以及輸出電壓Vo。

為了說明電源轉換器100的操作流程以及副邊整流電路180中的二極體導通壓降Vd1、Vd2，請參考第4圖和第5圖。第4圖和第5圖為根據本揭示內容部份實施例所繪示的電源轉換器100的操作示意圖。如第4圖所示，在上半週期，開關S1、S4導通。原邊電流Ip流入原邊繞組Np，並透過變壓器160將能量傳遞至副邊繞組Ns，最後經由導通的二極體D1、D4輸出電流Id1。

如第5圖所示，在下半週期，開關S2、S3導通。原邊電流Ip的流向與上半週期相反，流入原邊繞組Np，並透過變壓器160將能量傳遞至副邊繞組Ns，最後經由導通的二極體D2、D3輸出電流Id3。

因此，不論在上半週期或下半週期，副邊繞組Ns上的跨壓Vs皆須經過兩組二極體導通壓降Vd1（如：二極體D1或二極體D3的導通壓降）、Vd2（如：二極體D2或二極體D4的導通壓降）。

如此一來，便可如第3圖中所繪示的等效電路模型取得原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo之關係式。具體來說，根據第3圖所示，關係式可表示為：

上式經整理後可得。

如此一來，原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo便可表達為以匝數比a、原邊電流Ip、原邊繞組電阻Rp、副邊繞組電阻Rs、走線電阻Rtrace以及二極體導通壓降Vd1、Vd2作為計算參數之關係式。其中，原邊繞組電阻Rp、副邊繞組電阻Rs、走線電阻Rtrace更可進一步整合為等效電阻Req。（即：Rp、a ²Rs、Rtrace三者之和）。

由於匝數比a、二極體導通壓降Vd1、Vd2、等效電阻Req中的相關參數皆為變壓器160及副邊整流電路180本身之硬體參數，因此可視為已知的定值。藉此，處理電路150可根據電壓偵測訊號Sig_V與電流偵測訊號Sig_I輸出脈衝訊號（如：脈衝頻率調變訊號PFM），控制驅動訊號CS1、CS2、CS3、CS4的切換頻率。

舉例來說，處理電路150可根據電壓偵測訊號Sig_V與電流偵測訊號Sig_I取得當前的原邊繞組Np的跨壓Vp以及原邊電流Ip之值，並透過上述關係式模型計算出目前輸出電壓Vo的大小，並與目標值進行比較。當目前輸出電壓Vo大於目標值時（如：輕載時），處理電路150可輸出相應的脈衝頻率調變訊號PFM至驅動電路170，如增加驅動訊號CS1、CS2、CS3、CS4的切換頻率。相對地，當目前輸出電壓Vo小於目標值時（如：重載時），處理電路150可輸出相應的脈衝頻率調變訊號PFM至驅動電路170，如降低驅動訊號CS1、CS2、CS3、CS4的切換頻率以穩定輸出電壓Vo。

換言之，處理電路150可透過變壓器模型、原邊電流Ip以及副邊整流電路180中二極體D1～D4的壓降，取得原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo之關係式，據以調整驅動訊號CS1、CS2、CS3、CS4的切換頻率。

如此一來，當直流輸出電壓Vo為中壓等級時，電源轉換器100便不需偵測副邊的直流輸出電壓Vo，並透過隔離元件回授至原邊側。相對地，作為回授訊號的電壓偵側訊號與電流偵側訊號可直接於變壓器160的原邊側實現。由於訊號回授與處理電路150、驅動電路170以及原邊切換電路120同側，因此不需經由隔離元件進行訊號轉換，可以減少電路成本，並避免訊號在原邊側與副邊側轉換所導致的誤差，進而提高回授控制的準確度及速度。

值得注意的是，第3圖中所繪示的等效電路模型僅為本案可能的實施方式之一，並非用以限制本案。舉例來說，在其他部份實施例中，在輸出電壓Vo的容許誤差較充裕的應用中，根據實際需求，等效電路模型可進一步簡化，並省略例如二極體導通壓降Vd1、Vd2等系統參數。又舉例來說，在其他部份實施例中，在輸出電壓Vo的容許誤差較精確的應用中，等效電路模型可以更精準，例如二極體導通壓降Vd1、Vd2等系統參數可根據流經電流與溫度更進一步建立模型。換言之，本領域具通常知識者可選用適當的變壓器模型或是不同的關係式計算原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo之間的關係。

請參考第6圖。第6圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換器100的控制方法600的流程圖。為方便及清楚說明起見，下述控制方法600是配合第1圖～第5圖所示實施例進行說明，但不以此為限，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可對作各種更動與潤飾。如第6圖所示，控制方法600包含步驟S610、S620、S630以及S640。

首先，在步驟S610中，透過電源轉換器100中的電流偵測電路130偵測流經電源轉換器100中原邊電路的原邊電流Ip，以取得電流偵測訊號Sig_I。

在步驟S620中，透過電源轉換器100中的電壓偵測電路110偵測流經電源轉換器100中的變壓器160中電性耦接於原邊電路之原邊繞組Np兩端的跨壓Vp，以取得電壓偵測訊號Sig_V。

在步驟S630中，透過相應於變壓器160之變壓器模型，取得原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與電源轉換器100的輸出電壓Vo之關係式。

具體來說，在部份實施例中，變壓器模型包含匝數比參數、原邊繞組電阻參數以及副邊繞組電阻參數，步驟S630包含透過變壓器模型、原邊電流Ip以及電源轉換器100中副邊整流電路180中二極體D1～D4的壓降，取得原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo之關係式。

在步驟S640中，基於原邊繞組Np兩端的跨壓Vp與輸出電壓Vo之關係式，根據電壓偵測訊號Sig_V與電流偵測訊號Sig_I控制原邊電路中開關S1～S4的切換頻率，以調整輸出電壓Vo。

具體來說，在部分實施例中，步驟S640中控制開關S1～S4的切換頻率包含：由處理電路150根據電流偵測訊號Sig_I與電壓偵測訊號Sig_V計算並輸出脈衝頻率調變訊號PFM；以及由驅動電路170接收脈衝頻率調變訊號PFM，並根據脈衝頻率調變訊號PFM輸出驅動訊號CS1～CS4分別選擇性地導通或關斷開關S1～S4，以調整開關S1～S4的切換頻率。

所屬技術領域具有通常知識者可直接瞭解此控制方法600如何基於上述多個不同實施例中的電源轉換器100以執行該等操作及功能，故不再此贅述。

雖然本文將所公開的方法示出和描述為一系列的步驟或事件，但是應當理解，所示出的這些步驟或事件的順序不應解釋為限制意義。例如，部分步驟可以以不同順序發生和／或與除了本文所示和／或所描述之步驟或事件以外的其他步驟或事件同時發生。另外，實施本文所描述的一個或多個態樣或實施例時，並非所有於此示出的步驟皆為必需。此外，本文中的一個或多個步驟亦可能在一個或多個分離的步驟和／或階段中執行。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧電源轉換器
110‧‧‧電壓偵測電路
112‧‧‧電壓偵測單元
114‧‧‧整流單元
120‧‧‧原邊切換電路
130‧‧‧電流偵測電路
132‧‧‧電流偵測單元
134‧‧‧整流單元
140‧‧‧諧振電路
150‧‧‧處理電路
160‧‧‧變壓器
170‧‧‧驅動電路
180‧‧‧副邊整流電路
600‧‧‧控制方法
S610～S640‧‧‧步驟
S1～S4‧‧‧開關
D1～D4 二極體
Cr‧‧‧諧振電容單元
Lr‧‧‧諧振電感單元
Lm‧‧‧磁化電感
Np‧‧‧原邊繞組
Ns‧‧‧副邊繞組
Co‧‧‧輸出電容
PFM‧‧‧脈衝頻率調變訊號
CS1～CS4‧‧‧驅動訊號
Sig_I‧‧‧電流偵測訊號
Sig_V‧‧‧電壓偵測訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
Vp、Vs‧‧‧跨壓
Ip‧‧‧原邊電流
Is‧‧‧副邊電流
a‧‧‧匝數比
Rp‧‧‧原邊繞組電阻
Lp‧‧‧原邊漏電感
Rs‧‧‧副邊繞組電阻
Ls‧‧‧副邊漏電感
Rtrace‧‧‧走線電阻
Vd1、Vd2‧‧‧二極體導通壓降
Id1、Id3‧‧‧電流

第1圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換器的示意圖。第2圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變壓器模型示意圖。第3圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的變壓器參考至原邊側後原邊電壓與輸出電壓的等效電路模型示意圖。第4圖和第5圖為根據本揭示內容部份實施例所繪示的電源轉換器的操作示意圖。第6圖為根據本揭示內容部分實施例所繪示的電源轉換器的控制方法的流程圖。

Claims

一種電源轉換器，包含：一原邊切換電路，包含複數個開關，該原邊切換電路用以根據一脈衝訊號切換該些開關的啟閉，以將一直流輸入電壓轉換為一方波訊號；一諧振電路，電性連接於該原邊切換電路，用以接收該方波訊號以提供一原邊電流；一變壓器，其中該變壓器的一原邊繞組電性連接於該諧振電路；一副邊整流電路，電性連接於該變壓器的一副邊繞組，用以對該副邊繞組輸出的一副邊交流訊號進行整流並輸出一輸出電壓；一電壓偵測電路，用以偵測該原邊繞組兩端的跨壓並據以輸出一電壓偵測訊號；一電流偵測電路，用以偵測該原邊電流並據以輸出一電流偵測訊號；以及一處理電路，用以根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號輸出該脈衝訊號。
如請求項1所述之電源轉換器，其中該處理電路用以透過該脈衝訊號調整該些開關的切換頻率，以控制該輸出電壓。
如請求項2所述之電源轉換器，其中該處理電路透過相應於該變壓器之一變壓器模型，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式，據以調整該脈衝訊號。
如請求項3所述之電源轉換器，其中該變壓器模型包含一匝數比參數、一原邊繞組電阻參數以及一副邊繞組電阻參數。
如請求項3所述之電源轉換器，其中該處理電路更透過該變壓器模型、該原邊電流以及該副邊整流電路中二極體的壓降，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式。
如請求項2所述之電源轉換器，更包含一驅動電路，該驅動電路電性連接於該處理電路與該原邊切換電路中的該些開關，該驅動電路根據該脈衝訊號分別輸出複數個驅動訊號至該些開關，以切換該些開關的啟閉。
如請求項1所述之電源轉換器，其中該諧振電路包含彼此串聯的一諧振電容單元以及一諧振電感單元。
如請求項1所述之電源轉換器，其中該些開關包含：一第一開關，該第一開關的一第一端電性連接於一輸入電壓源的一正極端，該第一開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第一端；一第二開關，該第二開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第一端，該第二開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的一負極端；一第三開關，該第三開關的一第一端電性連接於該輸入電壓源的該正極端，該第三開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第二端；以及一第四開關，該第四開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第二端，該第四開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的該負極端。
如請求項1所述之電源轉換器，其中該副邊整流電路包含：一第一二極體，該第一二極體的一陽極端電性連接於該副邊繞組的一第一端，該第一二極體的一陰極端電性連接於一輸出電容的一第一端；一第二二極體，該第二二極體的一陽極端電性連接於該輸出電容的一第二端，該第二二極體的一陰極端電性連接於該第一二極體的該陽極端；一第三二極體，該第三二極體的一陽極端電性連接於該副邊繞組的一第二端，該第三二極體的一陰極端電性連接於該輸出電容的該第一端；以及一第四二極體，該第四二極體的一陽極端電性連接於該輸出電容的該第二端，該第四二極體的一陰極端電性連接於該第三二極體的該陽極端。
一種電源轉換器，包含：一原邊電路，包含複數個開關，該些開關分別用以根據複數個驅動訊號選擇性地導通或關斷；一變壓器，包含：一原邊繞組，電性連接於該原邊電路，用以自該原邊電路接收一原邊方波訊號；以及一副邊繞組，用以相應於該原邊方波訊號輸出一副邊交流訊號；一電壓偵測電路，用以偵測該原邊繞組兩端的跨壓並據以輸出一電壓偵測訊號；一電流偵測電路，用以偵測流經該原邊電路的一原邊電流並根據該原邊電流輸出一電流偵測訊號；一副邊整流電路，電性連接於該副邊繞組，用以對該副邊交流訊號進行整流並輸出一輸出電壓；以及一處理電路，用以根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號控制該些驅動訊號的一切換頻率。
如請求項10所述之電源轉換器，其中該處理電路透過相應於該變壓器之一變壓器模型，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式，據以調整該切換頻率。
如請求項11所述之電源轉換器，其中該變壓器模型包含一匝數比參數、一原邊繞組電阻參數以及一副邊繞組電阻參數。
如請求項11所述之電源轉換器，其中該處理電路更透過該變壓器模型、該原邊電流以及該副邊整流電路中二極體的壓降，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式。
如請求項10所述之電源轉換器，更包含一驅動電路，該驅動電路電性連接於該處理電路與該原邊電路中的該些開關，該處理電路根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號輸出一脈衝頻率調變訊號，該驅動電路根據該脈衝頻率調變訊號分別輸出該些驅動訊號至該些開關，以切換該些開關的啟閉。
如請求項10所述之電源轉換器，其中該原邊電路更包含一諧振電路，該諧振電路包含彼此串聯的一諧振電容單元以及一諧振電感單元。
如請求項15所述之電源轉換器，其中該原邊電路中的該些開關包含：一第一開關，該第一開關的一第一端電性連接於一輸入電壓源的一正極端，該第一開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第一端；一第二開關，該第二開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第一端，該第二開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的一負極端；一第三開關，該第三開關的一第一端電性連接於該輸入電壓源的該正極端，該第三開關的一第二端電性連接於該諧振電路的一第二端；以及一第四開關，該第四開關的一第一端電性連接於該諧振電路的該第二端，該第四開關的一第二端電性連接於該輸入電壓源的該負極端。
如請求項10所述之電源轉換器，其中該副邊整流電路包含：一第一二極體，該第一二極體的一陽極端電性連接於該副邊繞組的一第一端，該第一二極體的一陰極端電性連接於一輸出電容的一第一端；一第二二極體，該第二二極體的一陽極端電性連接於該輸出電容的一第二端，該第二二極體的一陰極端電性連接於該第一二極體的該陽極端；一第三二極體，該第三二極體的一陽極端電性連接於該副邊繞組的一第二端，該第三二極體的一陰極端電性連接於該輸出電容的該第一端；以及一第四二極體，該第四二極體的一陽極端電性連接於該輸出電容的該第二端，該第四二極體的一陰極端電性連接於該第三二極體的該陽極端。
一種電源轉換器的控制方法，包含：透過一電源轉換器中的一電流偵測電路偵測流經該電源轉換器中一原邊電路的一原邊電流，以取得一電流偵測訊號；透過該電源轉換器中的一電壓偵測電路偵測流經該電源轉換器中一變壓器中電性耦接於該原邊電路之一原邊繞組兩端的跨壓，以取得一電壓偵測訊號；透過相應於該變壓器之一變壓器模型，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該電源轉換器的一輸出電壓之關係式；以及基於該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式，根據該電壓偵測訊號與該電流偵測訊號控制該原邊電路中複數個開關的切換頻率，以調整該輸出電壓。
如請求項18所述之電源轉換器的控制方法，其中該變壓器模型包含一匝數比參數、一原邊繞組電阻參數以及一副邊繞組電阻參數，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式更包含：透過該變壓器模型、該原邊電流以及該電源轉換器中一副邊整流電路中二極體的壓降，取得該原邊繞組兩端的跨壓與該輸出電壓之關係式。
如請求項18所述之電源轉換器的控制方法，其中控制該些開關的該切換頻率包含：由一處理電路根據該電流偵測訊號與該電壓偵測訊號計算並輸出一脈衝頻率調變訊號；以及由一驅動電路接收該脈衝頻率調變訊號，並根據該脈衝頻率調變訊號輸出複數個驅動訊號分別選擇性地導通或關斷該些開關，以調整該些開關的切換頻率。