TWI670921B - 共振降壓直流對直流功率轉換器，轉換共振絕緣直流對直流功率轉換器的方法，降壓直流對直流功率轉換器組件，led光組件及led燈 - Google Patents

共振降壓直流對直流功率轉換器，轉換共振絕緣直流對直流功率轉換器的方法，降壓直流對直流功率轉換器組件，led光組件及led燈 Download PDF

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Abstract

本發明相關於共振降壓直流對直流功率轉換器，其包含經由電絕緣障壁耦接的一次側電路及二次側電路。該一次側電路包含用於輸入電壓之接收的正及負輸入端及耦接在該正及負輸入端之間的輸入電容器，且該二次側電路包含輸出電容器，其可充電至在第一正電極及第二負電極之間的轉換器輸出電壓。共振網路組態用於藉由根據交換控制訊號的半導體交換器配置經由該電絕緣障壁交替地從該輸入電壓充電並放電至該輸出電容器，以產生該轉換器輸出電壓。該共振降壓直流對直流功率轉換器包含橫跨該電絕緣障壁的電短路連接，在第一情形中，連接該輸出電容器的該第二負電極至該一次側電路的該正輸入端，或在第二情形中，連接該輸出電容器的該第二正電極至該一次側電路的該負輸入端，從而在該第一及第二情形二者中建立該輸出電容器及該輸入電容器的串聯耦接。建立負載連接，在該第一情形中，在該輸出電容器的該第一正電極及該正輸入端之間，或在該第二情形中，在該輸出電容器的該第二負電極及該負輸入端之間。

Description

共振降壓直流對直流功率轉換器，轉換共振絕緣直流對直流功率轉換器的方法，降壓直流對直流功率轉換器組件，LED光組件及LED燈
本發明相關於共振降壓直流對直流功率轉換器，其包含經由電絕緣障壁耦接的一次側電路及二次側電路。該一次側電路包含用於輸入電壓之接收的正及負輸入端及耦接在該正及負輸入端之間的輸入電容器，且該二次側電路包含輸出電容器，其可充電至在第一正電極及第二負電極之間的轉換器輸出電壓。共振網路組態用於藉由根據交換控制訊號的半導體交換器配置經由該電絕緣障壁交替地從該輸入電壓充電並放電至該輸出電容器，以產生該轉換器輸出電壓。該共振降壓直流對直流功率轉換器包含橫跨該電絕緣障壁的電短路連接，在第一情形中，連接該輸出電容器的該第二負電極至該一次側電路的該正輸入端，或在第二情形中，連接該輸出電容器的該第二正電極至該一次側電路的該負輸入端，從而在該第一及第二情形二者中建立該輸出電容器及該輸入電容器的串聯耦接。建立負載連接，在該第一情形中，在該輸出電容器的該第一正電極及該正輸入端之間，或在該第二情形中，在該輸出電容器的該第二負電極及該負輸入端之間。
功率密度及組件成本係絕緣及非絕緣直流對直流功率轉換器二者的關鍵效能度量，以對指定輸出功率需求或規格提供最小可能實體尺寸及/或最低成本。共振功率轉換器對高交換頻率，諸如，1MHz以上的頻率，特別有用，其中由於轉換效率原因，標準SMPS拓撲(降壓、昇壓等)的交換損耗往往係不可接受的。由於所導致的功率轉換器之電路組件，像是電感器及電容器，的電及實體尺寸的減少，高交換頻率通常係可取的。較小的組件允許直流對直流功率轉換器的功率密度增加。在共振功率轉換器中，以「共振」半導體交換器取代標準SMPS的輸入「截波」半導體交換器(常係MOSFET或IGBT)。該共振半導體交換器依據電路電容及電感的共振以塑形橫跨該半導體交換器之電流或電壓任一者的波形，使得當狀態交換發生在該半導體交換器中時，基本上沒有電流通過或基本上沒有電壓橫跨該半導體交換器。因此功率消耗在該輸入半導體交換器的至少部分本質電容或電感中大幅消除，使得交換頻率的顯著增加變得對，例如，10MHz之上的值可行。此觀念在本技術中以像是零電壓及/或零電流交換(ZVS及/或ZCS)操作的名稱為人所知。通常將在ZVS及/或ZCS下操作的常用交換模式功率轉換器描述為E類、F類、或DE類換流器或功率轉換器。
鑑於上文，仍有減少絕緣及非絕緣直流對直流功率轉換器二者之尺寸及降低其組件成本的挑戰。因此，減少共 振直流對直流轉換器之主動及被動組件所需的最大額定電壓或功率的新穎共振降壓直流對直流功率轉換器拓撲係高度可取的。相似地，降低主動及被動組件，諸如，電感器、電容器、電晶體、及二極體的實體尺寸或成本的新穎共振降壓直流對直流功率轉換器拓撲係高度可取的。
本發明的第一樣態相關於共振降壓直流對直流功率轉換器，其包含經由電絕緣障壁耦接的一次側電路及二次側電路；該一次側電路包含用於輸入電壓之接收的正輸入端及負輸入端。輸入電容器耦接或連接在該一次側電路上的正及負輸入端之間。該二次側電路包含輸出電容器，其可充電至在該輸出電容器的第一正電極及第二負電極之間的轉換器輸出電壓。該共振降壓直流對直流功率轉換器共振網路，組態用於藉由根據交換控制訊號的半導體交換器配置經由該電絕緣障壁交替地從該輸入電壓充電並放電至該輸出電容器，以產生該轉換器輸出電壓，其中該交換控制訊號的頻率具有在20MHz或以上的頻率，在30MHz或以上的頻率更佳。橫跨該電絕緣障壁的電短路連接，在第一情形中，連接該輸出電容器的該第二負電極至該一次側電路的該正輸入端，或在第二情形中，連接該輸出電容器的該第二正電極至該一次側電路的該負輸入端，從而在該第一及第二情形二者中建立該輸出電容器及該輸入電容器的串聯耦接。該共振降壓直流對直流功率轉換器的負載連 接存在或建立在，在該第一情形中，該輸出電容器的該第一正電極及該正輸入端之間，或在該第二情形中，該輸出電容器的該第二負電極及該負輸入端之間。
本發明參考從E類、DE類、及SEPIC拓撲的絕緣共振直流對直流功率轉換器導出的具體實作於下文詳細地描述。熟悉本技術的人士將理解本發明可相等地應用至其他種類的絕緣共振直流對直流功率轉換器，諸如，φ2類(EF2)換流器及整流器及共振昇壓、降壓、LCC轉換器等。在此本文中，術語直流可指緩慢變化的輸入電壓，其中術語「直流」應用至比該共振降壓直流對直流功率轉換器的交換頻率，亦即，上文提及之該交換控制訊號的頻率，緩慢之輸入電壓位準的變化。該輸入電壓因此可包含實質固定的直流輸入電壓或包含直流電壓成分及頻率顯著低於，例如，低100倍以上，該共振降壓直流對直流功率轉換器的交換頻率之交流電壓成分的整流交流電壓。在後一情形中，輸入電壓可由連接至該共振降壓直流對直流功率轉換器之正及負輸入端的50/60Hz主電源電壓整流器的輸出供應。
共振降壓直流對直流功率轉換器的二次側電路可包含耦接在該共振網路及該輸出電容器之間的整流電路以轉換該共振電路的共振交流電壓波形為直流轉換器輸出電壓。
該半導體交換器配置包含針對零電壓交換及/或零電流交換組態的一或多個獨立半導體交換器為佳。本共振降壓直流對直流功率轉換器能以非常高的交換頻率，亦即， 以20MHz或30MHz或以上操作，因為由該共振網路協助的一或多個獨立可控制半導體交換器的零電壓交換及/或零電流交換有效地減少該半導體交換器配置的交換功率損耗。通常將30MHz或以上的交換頻率認為係該共振降壓直流對直流功率轉換器的VHF操作。
該半導體交換器配置可包含各種一般交換器拓撲，諸如，單交換器拓撲、半橋接式交換器拓撲、或全橋接式交換器拓撲。該半導體交換器配置的一或多個獨立可控制半導體交換器可包含MOSFET或IGBT，諸如，氮化鎵(GaN)或碳化矽(SiC)電晶體。各可控制半導體交換器的控制端，例如，閘極或基極，可耦接至該交換控制訊號並由其驅動，以交替地強制各可控制半導體交換器在導通狀態及截止狀態之間交換。在導通狀態中，該共振網路的電感器可用來自輸入電壓源的能量充電，且在隨後的截止狀態中，釋收儲存能量至輸出電容器以充電後者。該共振網路包含至少一電感器及至少一電容器為佳，其中此等組件的一或二者可包含共振降壓直流對直流功率轉換器之主動組件或被動組件的寄生電感或電容。該共振降壓直流對直流功率轉換器的二次側電路可包含一或多個被動及/或主動整流元件(等)，諸如，插在轉換器負載之前的二極體或電晶體。
輸入電壓或電源，例如，直流電壓發電機，至本共振降壓直流對直流功率轉換器的電連接在第一情形中產生在該一次側電路之負輸入端及該輸出電容器的正電極之間， 使得轉換器的輸入及輸出電容器串聯連接在輸入電壓或電源的正及負端之間。相似地，在第二情形中，輸入電壓或電源連接在輸出電容器之負電極及一次側電路的正輸入端之間，使得轉換器的輸入及輸出電容器再次串聯連接在輸入電壓或電源的正及負端之間。熟悉本技術的人士將理解橫跨電絕緣障壁的電短路連接藉由在第一情形中互連輸出電容器的第二負電極及正輸入端或在第二情形中互連輸出電容器的第一正電極及負輸入端而消除共振降壓直流對直流轉換器之一次及二次側電路間的電絕緣。然而，電短路連接上總體上提供許多新利益給共振降壓直流對直流轉換器，且缺少電絕緣在許多應用領域中係可接受的，其中該轉換器電路保持與使用裝置絕緣，諸如，改型的LED燈泡及燈管。藉由電短路連接而建立在輸入電壓/電源端之間的輸出及輸入電容器的串聯連接具有數個有利效應。也強迫流經輸入電容器以將其充電至該輸入電壓的輸入電流流經輸出電容器並充電該輸出電容器，使得能量或功率從共振降壓直流對直流轉換器的輸入/一次側直接轉移至輸出/二次側。因此，如參考圖1A)、1B)、及1C)之共振降壓直流對直流轉換器實施例於下文更詳細地解釋的，針對該轉換器的指定輸出功率，較少功率或能量必需經由共振網路及絕緣障壁轉移。減少經由共振網路及絕緣層障壁轉移至二次側電路的功率量減少共振降壓直流對直流轉換器的功率損失或其中的功率損失。此優點係因為轉換器之輸入及輸出電容器間的直接能量或功率轉移導致比經由共振 網路之能量或功率的一般轉移更低的功率損失而得到。
此外，減少必需經由共振降壓直流對直流轉換器轉移的功率量導致減少被動及主動組件二者，例如，半導體交換器、電容器、二極體等，的功率管理需求，允許應用較低成本及實體上較小的組件。本共振降壓直流對直流轉換器的另一顯著優點係一次側電路僅受一次側電路的正及負輸入端之間的輸入電壓，取代如一般絕緣直流對直流功率轉換器般地以外部輸入電壓或電源供應全部轉換器輸入電壓。如上文所述，在本共振降壓直流對直流轉換器中，輸入電壓或電源連接在負輸入端及輸出電容器的正電極之間，或在第二情形中，連接在輸出電容器的負電極及一次側電路的正輸入端之間。減少該共振降壓直流對直流功率轉換器之一次側電路中的電壓位準減少其中之主動及被動組件，諸如，半導體交換器(等)、電感器(等)、電容器等、二極體(等)等，所需要的最大額定電壓。減少最大額定電壓導致具有使用期限增加之實體上較小及/或較低成本的主動及被動組件。
電絕緣障壁可包含變壓器，其包含一對電磁或磁耦合電感器，彼等包含電連接至一次側電路的第一電感器及電連接至二次側電路的第二電感器。第一及第二電感器能係二者捲繞在共同導磁結構周圍的離散繞組以形成絕緣變壓器。在一替代實施例中，該第一及第二電感器配置成不使用共同導磁結構電磁耦合，以形成無核心絕緣變壓器。在此種無核心絕緣變壓器中，第一及第二電感器可不使用中 間磁材料積集在印刷電路板中。該印刷電路板能具有全部共振降壓直流對直流功率轉換器載置於其上。第一及第二電感器配置成使得第一及第二電感器之間的磁耦合係數k大於0.25為佳。如申請人之共待審申請案案號第PCT/EP2014/079037號所揭示的，無核心絕緣變壓器的第一及第二電感器可，例如，包含分別以印刷電路板之一或多個導電層形成的第一及第二嵌入式線圈。
在另一實施例中，電絕緣障壁包含與該一次側電路的該正輸入端及該輸出電容器之該第一正電極串聯耦接的第一電容器及與該一次側電路的該負輸入端及該輸出電容器之該第二負電極串聯耦接的第二電容器。此實施例在結合本共振降壓直流對直流功率轉換器的高交換頻率上特別有利，其中由於共振功率轉換器之功率轉換效率的伴隨減少，在上文討論之該變壓器的共同導磁結構中的功率損失常會係不可接受的。當第一及第二(絕緣)電容器各者的電容能甚小時，諸如，少於100nF，例如，小於1nF，諸如，約100pF，電容器為基的電絕緣障壁變得特別有利。 此種絕緣電容器可藉由具有非常小覆蓋區，例如，少於2cm2的覆蓋區，例如，低至或少於約5mm2的覆蓋區，的SMD載置陶瓷電容器形成。
本共振降壓直流對直流功率轉換器的高交換頻率，亦即，20MHz或之上，也使輸入及輸出電容器各者的電容比在1MHz以下操作的習知非共振直流對直流功率轉換器小。因此，輸入電容器及輸出電容器均不必係通常為相 對低的可靠性及短使用期限所困擾的電解電容器，取而代之地，本共振降壓直流對直流功率轉換器的第一及第二絕緣電容器及/或輸入及輸出電容器能係可靠的、實體上甚小、且不昂貴的。熟悉本技術的人士將理解輸入及輸出電容器可分別獨佔地藉由與一次側電路及二次側電路關聯的寄生電容形成。
當藉由交換控制訊號設定時，本共振降壓直流對直流功率轉換器的高交換頻率的另一優點係可放置在本轉換器之正及負輸入端之前的EMI濾波器的顯著尺寸減少。因為由本共振功率轉換器的交換活動所感應之輸入電壓上的漣波電壓成分位於轉換器的交換頻率周圍，亦即，在20MHz周圍或以上，其中EMI濾波器的必要濾波器組件在實體上能係甚小的，EMI濾波器的尺寸減少係可能的。
熟悉本技術的人士將理解電短路連接的實際實施例將擁有有限直流電阻。此有限直流電阻的上限將依據共振降壓直流對直流功率轉換器的輸入/輸出電壓及/或電流需求而變化。電短路連接可擁有少於1kΩ的直流電阻，少於100Ω，諸如，少於10Ω，甚至更佳。在其他實施例中，電短路連接可具有單向電阻，諸如，直流電阻僅在一方向上落在上文提及的上限之下，並在相反方向上呈現非常大的直流電阻，亦即，藉由二極體元件或受控制的半導體交換器，諸如，MOSFET，提供的二極體特徵。
共振降壓直流對直流功率轉換器的一實施例基於E類轉換器且共振網路包含與正輸入端串聯連接的第一及第二 串聯連接電感器。半導體交換器配置有連接至第一及第二串聯連接電感器間之中點節點的第一交換節點及連接至一次側電路之負輸入端的第二交換節點。該半導體交換器的控制端連接至交換控制端。共振降壓直流對直流功率轉換器的整流電路連接在電絕緣障壁的第一及第二電容器及輸出電容器的第一正電極及第二負電極之間。整流電路可包含耦接至，亦即，電連接至，共振降壓直流對直流功率轉換器之第三電感器的半導體二極體或同步半導體交換器。
共振降壓直流對直流功率轉換器的另一實施例基於轉換器拓撲，其中絕緣變壓器的第一及第二電感器積集在該共振網路中。該第一電感器配置有連接至該正輸入電壓端的第一電感器終端及連接至半導體交換器之第一節點，諸如，MOSFET交換器的汲極端，的第二電感器終端。半導體交換器的第二節點耦接至一次側電路的負輸入端。該第二電感器包含連接至絕緣障壁之第一電容器的第一電感器終端及連接至絕緣障壁之第二電容器的第二電感器終端。 整流電路與在電絕緣障壁之第一及第二電容器及輸出電容器的第一正電極及第二負電極之間的第二電感器跨接。
如參考隨附圖式於下文更詳細地討論的，共振降壓直流對直流功率轉換器的一實施例包含伴隨數個優點的模式交換特性，諸如，增加動態電壓操作範圍及/或改善共振功率轉換器的功率因子(PF)。共振降壓直流對直流功率轉換器的此實施例更包含：
整流元件，諸如，二極體或受控制的半導體交換器， 諸如，MOSFET，受組態以：在該第一情形中，從該正輸入端導通電流至該輸出電容器的該第二負電極，在該第二情形中，從該負輸入端導通電流至該輸出電容器的該第一正電極；及模式選擇半導體交換器，組態以選擇性地中斷及關閉負輸入端及輸出電容器的第二負電極之間的電連接，使得：在共振降壓直流對直流功率轉換器的第一模式中，經由該整流元件建立該輸出電容器及該輸入電容器的該串聯連接，且在該共振降壓直流對直流功率轉換器的第二模式中，打開或中斷該輸出電容器及該輸入電容器的該串聯耦接。
如參考圖2A)-2B)、圖3A)-3B)、及圖4A)-4B)於下文更詳細描述的，熟悉本技術的人士將理解本共振降壓直流對直流功率轉換器各者可藉由具有對應拓撲之絕緣共振直流對直流功率轉換器的轉換而構成。因此，本發明的第二樣態相關於將共振直流對直流功率轉換器轉換為擁有更高功率轉換效率或更小功率損失的不絕緣/非絕緣共振降壓直流對直流功率轉換器的方法。該方法包含以下步驟：a)提供該絕緣直流對直流功率轉換器的一次側電路及二次側電路，b)選擇性地，耦接輸入電容器在該一次側電路的正及負輸入端之間，c)選擇性地，耦接輸出電容器的正電極至該二次側 電路的正輸出端，並耦接該輸出電容器的負電極至該二次側電路的負輸出端，d)經由電絕緣障壁提供該一次側電路及該二次側電路的電，例如，電磁，耦接，e)提供共振網路，組態用於經由根據交換控制訊號的該電絕緣障壁交替地從該轉換器的輸入電壓充電及放電至該輸出電容器，以產生轉換器輸出電壓，f)在第一情形中，從該二次側電路的該負輸出端連接橫跨該電絕緣障壁的電短路至該一次側電路的該正輸入端，在第二情形中，連接該二次側電路的該正輸出端至該一次側電路的該負輸入端，從而在該第一情形及該第二情形二者中建立該輸出電容器及該輸入電容器的串聯耦接，g)在該第一情形中，耦接功率轉換器負載在該二次側電路的該正端及該正輸入端之間，或在該第二情形中，耦接該功率轉換器負載在該二次側電路的該負端及該一次側電路的該負輸入端之間。
如上文提及的，步驟b)中的輸入電容器的耦接及步驟c)中的輸出電容器的耦接二者均係選擇性的，因為輸入及輸出電容器的一或二者可分別獨佔地藉由與一次側電路及二次側電路關聯的寄生電容形成。
如上文解釋的，由於輸入電壓或電源之間的輸入及輸出電容器的串聯連接，本共振降壓直流對直流功率轉換器的改善功率轉換效率因為可將遞送至轉換器負載之更小或更大量的輸出功率從輸入電壓或電源及輸入側電路的輸入 電容器直接轉移至二次側電路的輸出電容器而實現。因此，更小的輸出功率量必需經由共振網路及絕緣障壁轉移，在其主動及/或被動組件中導致較低的功率損失。
該方法可包含以下進一步步驟：h)在該第一情形中，電連接輸入電壓源在該一次側電路的該負輸入端及該二次側電路的該正輸出端之間，或i)在該第二情形中，電連接輸入電壓源在該一次側電路的該正輸入端及該二次側電路的該負輸出端之間。
共振直流對直流功率轉換器至非絕緣共振降壓直流對直流功率轉換器的轉換可包含特定進一步步驟以加入先前討論之經轉換直流對直流功率轉換器，亦即，非絕緣共振降壓直流對直流功率轉換器，的有利模式交換特性。根據轉換法的此實施例，後者包含以下進一步步驟：j)插入整流元件在該電短路連接中，k)插入模式選擇半導體交換器，在該第一情形中，在該正輸入端及該輸出電容器的該第一正電極之間，且在該第二情形中，在該負輸入端及該輸出電容器的該第二負電極之間。
熟悉本技術的人士將理解本共振降壓直流對直流功率轉換器各者可藉由轉換擁有對應拓撲之習知或先前技術的絕緣直流對直流功率轉換器而構成。熟悉本技術的人士將理解習知或先前技術的絕緣直流對直流功率轉換器可係遞送比輸入電壓更高之輸出電壓的昇壓轉換器，儘管由於輸入電容器及輸出電容器之橫跨輸入電壓源的串聯連接，根 據本發明的經轉換共振降壓直流對直流功率轉換器遞送比輸入電壓更低的輸出電壓。
本發明的第三樣態相關於一種共振降壓直流對直流功率轉換器組件，包含：根據其之任何上述實施例的共振降壓直流對直流功率轉換器，具有至少該共振網路積集於其上的印刷電路板，其中該電絕緣障壁包含一對磁耦合電感器，包含電連接至該一次側電路的第一電感器及電連接至該二次側電路的第二電感器。
其中該第一及第二電感器分別藉由該印刷電路板的第一及第二電軌跡型樣形成。該對磁耦合電感器可不使用任何導磁核心材料彼此耦接，因為後者可能難以用有效方式積集在印刷電路板上。根據本發明之後一實施例的共振降壓直流對直流功率轉換器包含共振轉換器為佳，諸如，根據本發明的E類、DE類、或SEPIC轉換器。20MHz或之上的高頻操作使第一及第二電感器的電感足夠小至允許彼等以印刷電路板的導體型樣積集地形成。此外，儘管缺少導磁核心材料，當藉由交換控制訊號的頻率設定時，共振VHF降壓直流對直流功率轉換器的高交換頻率在第一及第二電感器之間提供高磁耦合。如上文所討論的，儘管缺少導磁核心材料，共振功率轉換器的高交換頻率在該對磁耦合電感器之間提供高磁耦合。若共振直流對直流功率轉換器以一般交換頻率操作，高磁耦合減少會產生在電絕 緣障壁之該對磁耦合電感器中的其他顯著能量損失。
本發明的第四樣態相關於LED光組件、充電器組件、或平面顯示器組件，包含：根據其之任何上述實施例的共振降壓直流對直流功率轉換器，載置在該組件的印刷電路板上，交流主電源電壓輸入，連接至主電源整流器的輸入，該主電源整流器的輸出，在該第一情形中，連接在該輸出電容器的該第一正電極及該一次側電路的該負輸入端之間，且在該第二情形中，連接在該一次側電路的該負輸入端及該輸出電容器的該負電極之間，以在二情形中直接供應經整流主電源電壓至共振降壓直流對直流功率轉換器。
該LED光組件可載置在LED燈泡或燈管的外殼中。轉換器負載可藉由耦接至轉換器輸出電壓的複數個LED形成。交流主電源電壓可依據電力系統位於110V及240V之間。LED燈泡應用對說明本共振降壓直流對直流功率轉換器的優點係有用的。在一範例實施例中，複數個LED可需要約60V的直流電壓並消耗10W。直接連接至110V之美國電網的LED光組件中的習知絕緣降壓直流對直流功率轉換器會需要在一次側電路上管理約170V的尖峰整流輸入電壓。然而，本共振降壓直流對直流功率轉換器的一次側電路僅需要管理約110V之170V減60V的電壓(亦即，轉換器的整流輸入電壓減輸出電壓)。橫跨一次側電路之直流電壓的此減少意謂著能使用較小及較便宜的 組件，諸如，半導體交換器。此外，習知絕緣降壓直流對直流功率轉換器需要發送所需之10W功率至該燈泡的LED，而本共振降壓直流對直流功率轉換器僅需要發送或供應110/200*10W=5.5W。至LED負載之殘餘的4.5W輸出功率經由主電源整流器及輸入電容器直接從110V交流主電源供應至轉換器的輸出。
熟悉本技術的人士將理解橫跨電絕緣障壁的電短路連接提供值得注意的利益給本共振降壓直流對直流功率轉換器，例如，橫跨一次側電路之輸入電壓的減少。此等利益係由於顯著減少橫跨共振功率轉換器之半導體交換器(等)的尖峰交流電壓。由於共振功率轉換器之共振網路內側的共振波形，此尖峰交流電壓通常約為一次側電路之輸入電壓的3倍大。此外，因為共振功率轉換器依賴共振電流，確保隨輸入電壓線性地縮放的半導體交換器(等)的ZVS/ZCS操作，由此由共振電流產生之在共振網路的組件中的電阻功率損失隨共振電流二次方地縮放。因此，共振網路中的總功率損失隨輸入電壓二次方地縮放。因此從藉由根據本發明之共振降壓直流對直流功率轉換器提供至一次側電路之輸入電壓的減少所導出的優點，特別係功率轉換效率的增加，對共振轉換器拓撲特別顯著。
100b、100c、100d、100e‧‧‧共振降壓直流對直流功率轉換器
101b、101c、101e、201、201c、301、301c、302c、401、401c‧‧‧負輸入端
102b、102c、202、302、402‧‧‧正輸入端
103c、403c‧‧‧負電極
103d‧‧‧負軌或端
103e、303c‧‧‧第二負電極
104b、104c、204、304‧‧‧輸出端
104e‧‧‧輸入電壓Vin端
105b、105c、105d、105e、205、205c、305、305c、405、405c‧‧‧轉換器核心
105f‧‧‧第一轉換器核心
105g‧‧‧第二轉換器核心
106b、106c、111、115‧‧‧輸入側
107b、107g、207c、307、307c、407、407c‧‧‧電絕緣障壁
107c、207‧‧‧絕緣障壁
108b、113‧‧‧輸出側
109b、109c‧‧‧電短路連接或佈線
109e‧‧‧短路連接或佈線
110f‧‧‧分離式共振直流對直流功率轉換器核心
111a‧‧‧AC輸入電流路徑
111b‧‧‧DC電流成分
111b1‧‧‧第一DC輸入電流路徑
111b2‧‧‧第二DC輸入電流路徑
111e‧‧‧整流元件
113a‧‧‧AC成分
113b‧‧‧DC成分
114g‧‧‧分離式共振功率換流器核心
117‧‧‧整流器
200‧‧‧絕緣E類共振直流對直流轉換器
200c、300c‧‧‧E類共振降壓直流對直流功率轉換器
203、403‧‧‧負端
203c、204c‧‧‧節點
209c、309c、409c‧‧‧電短路連接
300‧‧‧變壓器絕緣E類共振直流對直流轉換器
303‧‧‧負端
308、308b‧‧‧變壓器
304c‧‧‧第一正電極
400‧‧‧絕緣單端初級電感器轉換器(SEPIC)
404‧‧‧正輸出端
400c‧‧‧SEPIC
404c‧‧‧正電極
C1、C2、CD、CS‧‧‧電容器
Cin‧‧‧輸入電容器
Cout‧‧‧輸出電容器
D‧‧‧整流二極體
Iconvert‧‧‧第一輸出電流路徑
L1‧‧‧第一電感器
L2‧‧‧第二電感器
L3‧‧‧第三電感器
RL‧‧‧負載
S‧‧‧MOSFET交換器
SW1‧‧‧模式選擇可控制半導體交換器
Vin‧‧‧DC或AC輸入電壓
Vout‧‧‧轉換器輸出電壓
本發明的較佳實施例將結合隨附圖式更詳細地描述，其中： 圖1A)及1B)係描繪根據本發明的第一實施例之共振降壓直流對直流功率轉換器的簡化電路圖，圖1C)係根據本發明的第二實施例之共振降壓直流對直流功率轉換器的簡化電路圖，圖1D)係根據本發明的第3實施例之共振降壓直流對直流功率轉換器的簡化電路圖，圖1E)係根據本發明的第4實施例之共振降壓直流對直流功率轉換器的簡化電路圖，圖1F)係可使用在根據本發明之共振降壓直流對直流功率轉換器中的第一轉換器核心的簡化電路圖，圖1G)係可使用在根據本發明之共振降壓直流對直流功率轉換器中的第二轉換器核心的簡化電路圖，圖2A)係包含串聯共振電路之先前技術的絕緣E類共振直流對直流轉換器的電路圖，圖2B)係根據本發明之第7實施例包含串聯共振電路之E類共振降壓共振直流對直流功率轉換器的電路圖，圖3A)係耦接包含串聯共振電路之先前技術的變壓器耦接絕緣E類共振直流對直流轉換器的電路圖，圖3B)係根據本發明之第8實施例包含串聯共振電路之變壓器耦接E類共振降壓直流對直流功率轉換器的電路圖，圖4A)係先前技術的絕緣SEPIC轉換器的電路圖；且圖4B)係根據本發明的第9實施例之降壓SEPIC共振直流對直流轉換器的電路圖。
圖1A)、1B)、及1C)係描繪根據本發明的共振降壓直流對直流功率轉換器之二個不同實施例的基本操作特性的簡化電路圖式100a、100b、100c。第一實施例描繪於圖1A)及1B)中，同時第二實施例描繪於圖1C)中。
圖1A)顯示包含經由電絕緣障壁107b連接的一次側電路及二次側電路的共振降壓直流對直流功率轉換器100b。一次側電路包含用於來自輸入電壓或電源(未圖示)之直流或交流輸入電壓Vin之接收的正輸入端102b及負輸入端101b。輸入電容器Cin電連接在正輸入端102b及負輸入端101b之間，以形成用於輸入功率或輸入電壓源的能量儲存器。一次側電路另外包含配置在電絕緣障壁107之前的共振網路的輸入側106b。二次側電路包含具有第一電極的輸出電容器Cout，該第一電極在輸出端104b電連接至轉換器輸出電壓Vout。位於比第一電極更低之電壓電位的輸出電容器Cout的第二電極經由延伸橫跨電絕緣障壁107b的電短路連接或佈線109b連接至輸入側電路上的正輸入端102b。輸出電容器Cout及輸入電容器Cin串聯或級聯連接在直流或交流輸入電壓Vin之間，亦即，在分別耦接至輸出端104b及負輸入端101b之輸入電壓或電源的正及負端之間。熟悉本技術的人士將理解電短路連接109b的存在提供從一般共振絕緣直流對直流功率轉換器至在輸入側電路及輸出側電路之間缺少電絕緣的本共振降 壓直流對直流功率轉換器的轉換。在此轉換處理中，分別如圖1A)及圖1C)所描繪的，正及負端102b、101b之間(亦即，橫跨Cin)的原始共振絕緣直流對直流功率轉換器的輸入電壓埠改變，使得用於本經轉換共振降壓直流對直流功率轉換器100b之直流或交流輸入電壓Vin之接收的輸入電壓埠在第一情形中配置在輸出端104b及負輸入端101b之間或在第二情形中配置在正輸入端102c及輸出電容器Cout的負電極103c之間。共振降壓直流對直流功率轉換器實施例100b、100c可包含永久連接的電短路連接或佈線109b、109c，以提供具有固定電壓降壓功能之受關注共振直流對直流功率轉換器的單一模式。在本直流對直流功率轉換器的替代實施例中，經由電短路連接109b、109c之功率轉換器100b、100c的一次及二次側電路的耦接或互連可係可選擇或可編程的，使得各功率轉換器100b、100c可擁有二個不同且可選擇的操作模式，如參考圖1D)及1E)於下文更詳細地討論的。熟悉本技術的人士將理解共振降壓直流對直流功率轉換器實施例100b、100c的輸入及輸出電容器Cin及Cout可分別獨佔地藉由與一次側電路及二次側電路關聯的寄生電容形成。
降壓直流對直流轉換器100b之橫跨輸出電容器的電負載RL耦接在輸出端104b及正輸入端102b之間，使得此等端形成直流對直流轉換器100b的輸出埠。一次側電路包含先前討論之降壓直流對直流轉換器100b之共振網路的輸入側106b，且二次側電路包含共振網路的輸出側 108b。熟悉本技術的人士將理解共振網路可依據所關注之特定類型的直流對直流轉換器包括許多電路拓撲。共振網路包含用於能量儲存及釋放的至少一電感器為佳，但可替代地獨佔地包含用於能量儲存的電容器。通常，該共振網路組態用於根據交換控制訊號經由絕緣障壁107b交替地從輸入電壓Vin充電及放電至輸出電容器Cout，以產生轉換器輸出電壓Vout。一次側電路包含至少一半導體交換器為佳，例如，MOSFET，其藉由交換控制訊號在導通狀態及截止狀態之間交換，使得輸入電壓依據交換控制訊號調變。激發共振網路的半導體交換器配置之交換控制訊號的頻率可係30MHz或以上，以形成所謂的VHF型降壓直流對直流功率轉換器。交換器控制訊號可包含PWM調變控制訊號。一次側電路可包含在該至少一半導體交換器的導通狀態期間以來自輸入電容器Cin及/或直流或交流輸入電壓Vin的能量充電的電感器。一次側電路的電感器隨後可在該至少一半導體交換器的截止狀態中經由共振網路的輸出側108b及輸出電容器Cout放電。二次側電路可包含在輸出電容器之前的二極體為基的整流器或同步整流器，以將轉換器輸出電壓Vout產生為直流輸出電壓。
如參考圖1B)所說明的，在電短路連接或佈線109b藉由互連輸出電容器Cout的第二電極及正輸入端102b而消除共振降壓直流對直流轉換器100b的一次及二次側電路之間的電絕緣的同時，其總體上提供許多新利益給該直流對直流轉換器。輸出及輸入電容器Cout、Cin的串聯連 接意謂著一次側電路僅需要承受轉換器輸出電壓Vout減橫跨Cin的輸入電壓，取代在先前技術之絕緣直流對直流轉換器拓撲的情形中藉由輸入電壓或電源遞送整體直流或交流輸入電壓Vin。橫跨一次側電路減少的電壓減少其中之主動及被動組件所需要的最大額定電壓，導致實體上更小及/或較低成本的主動及被動組件，例如，電感器、電容器(包括Cin)、電晶體、及二極體等。此外，後一組件的使用期限可藉由較小的電壓應力而增加。在輸入部106b及輸出部108b中，經由用於供應指定功率量至轉換器之負載RL的直流對直流轉換器100b轉移較小的功率量導致允許應用較低成本及實體上較小之半導體的主動半導體交換器的功率需求減少。
因為在輸入電容器Cin的充電期間將供應至負載RL的輸出功率的殘餘份量從直流或交流輸入電壓源Vin直接轉移至輸出電容器Cout，實現經由共振網路106b、107b、108b轉移之功率量的有利減少。此功率轉移機制藉由顯示二次側電流如何充電輸出電容器Cout並將輸出功率遞送至轉換器的負載RL的第一輸出電流路徑Iconvert而描繪於圖1B中。二次側電流包含交流成分113a及直流成分113b，使得後者在負載RL中消失。因此，二次側電流以習知方式將來自直流或交流輸入電壓Vin的電源並經由共振網路傳送的輸出功率遞送至輸出側電路。然而，本直流對直流轉換器100b也包含將電流或功率從該直流或交流輸入電壓源直接遞送至輸出電容器Cout及負載RL而不通 過功率轉換器100b的第二輸出電流路徑。此直流電流包含如交流輸入電流路徑111a所描繪之遞送至輸出電容器Cout的交流電流成分及如直流輸入電流路徑111b所描繪之遞送至負載RL的直流電流成分。輸入電流路徑的交流電流成分111a及直流電流成分111b通過該短路連接109b並通過一次側電路106b的正及負輸入，使得直流電流的直流電流成分111b保持未由該轉換器處理。因此，將此直流電流成分直接供應至負載RL而沒有任何值得注意的功率損失。
熟悉本技術的人士將理解實際的電短路連接109b將擁有特定直流電阻，且此直流電阻的上限將依據轉換器100b的輸入/輸出電壓及/或電流需求而變化。電短路連接可擁有少於1kΩ的直流電阻，少於100Ω，諸如，少於10Ω，甚至更佳。在其他實施例中，電短路連接109b可具有單向電阻，諸如，直流電阻僅在一方向上落在上文提及的上限之下，並在相反方向上呈現非常大的直流電阻，亦即，二極體特徵。
在描繪於圖1)中的共振降壓直流對直流轉換器拓撲的替代實施例中，延伸橫跨絕緣障壁107c的電短路連接或佈線109c將輸出電容器Cout的第一正電極連接至一次側電路的負輸入端101c。因此，建立從正輸入端102c的輸入電壓Vin至輸出電容器Cout之負電極103c的輸出電容器Cout及輸入電容器Cin的串聯耦接。輸出電容器Cout的負電極101c在比負輸入端101c更低的電位。以此方式， 直流或交流輸入電壓Vin橫跨串聯連接的輸入及輸出電容器Cin及Cout再次施加至功率轉換器100c。轉換器負載RL耦接在輸出端104c及也橫跨輸出電容器的終端103c之間。否則，共振功率轉換器100c之此第二實施例的電路功能、電組件特徵、及組件值可與共振功率轉換器100b的第一實施例完全相同。
圖1D)係根據本發明的第三實施例之共振降壓直流對直流功率轉換器100d的簡化電路圖。共振功率轉換器100d的轉換器核心105d可與結合圖1A)及1B)於上文討論之共振功率轉換器100c的核心105b等同。因此，此等不同功率轉換器實施例100b、100d的對應特性已設有對應參考數字/符號以協助比較。本共振功率轉換器實施例100d包含結合整流元件111e，諸如，二極體或主動半導體二極體，操作的模式選擇可控制半導體交換器SW1，諸如，可控制半導體交換器。共振降壓直流對直流功率轉換器100d的操作對應於下文詳細討論之共振降壓直流對直流功率轉換器100e的操作。
圖1E)顯示根據本發明的第4實施例之共振降壓直流對直流功率轉換器100e的簡化電路圖。共振功率轉換器100e的轉換器核心105e可與結合圖1C)於上文討論之共振功率轉換器100c的核心105等同。因此，此等不同功率轉換器實施例100c、100e的對應特性已設有對應參考數字/符號以協助比較。本共振功率轉換器實施例100e包含結合整流元件111e，諸如，二極體或主動半導體二極 體，操作的模式選擇可控制半導體交換器SW1，諸如，可控制半導體交換器。整流元件111e插在其將功率轉換器的負輸入端109e連接至輸出電容器Cout之第一正電極的短路連接或佈線109e中。後一短路連接對應於先前討論之共振功率轉換器100c的短路連接109c。因此，當整流元件111e順向偏壓時，儘管可能有較小的二極體電壓降，短路佈線109e有效地將串聯的輸出電容器Cout及輸入電容器Cin放置在共振功率轉換器100e的輸入電壓Vin端104e、103e之間。另一方面，當整流元件111e反向偏壓時，經由短路佈線109e的Cout及Cin的串聯耦接中斷或分斷，以中斷共振功率轉換器100e的一次側電路及二次側電路之間的電連接。
模式選擇可控制半導體交換器SW1耦接在負輸入端101e及輸出電容器的第二負電極103e之間，並組態成選擇性地中斷及關閉此等端101e、103e之間的電連接。交換器SW1可包含一或多個BJT(等)、FET(等)、MOSFET(等)、或IGBT(等)，諸如，氮化鎵(GaN)或碳化矽(SiC)電晶體。藉由施加在交換器SW1之閘極或基極端上的合適控制電壓，SW1可在導電或導通狀態及非導電或截止狀態之間交換以分別連接及中斷端101e、103e之間的電連接。積集有本共振功率轉換器100e或耦接至其的模式控制電路(未圖示)可供應此控制電壓至SW1。
當模式選擇可控制半導體交換器SW1置於非導電或截止狀態(如所描繪的)中時，Cout及Cin電容器的負端分斷 且整流元件111e順向偏壓。因此，輸入及輸出電容器Cout及Cin經由整流元件111e串聯連接。因為直流或交流輸入電壓Vin大於允許先前討論之功率轉換器的輸入電流直接流經Cin並流入Cout以充電輸出電容器的輸出電壓Vout，整流元件111e順向偏壓。因此，共振功率轉換器100e位於第一操作模式中，其中其主要如上文討論之圖1C)的共振功率轉換器100c般地運作，亦即，如共振降壓非絕緣直流對直流功率轉換器。藉由將可控制半導體交換器SW1置於導電或導通狀態中，本共振功率轉換器實施例100e交換成第二操作模式。在第二操作模式中，整流元件111e受反向偏壓且因此由於負電容器端101e、103e之間的電連接而不導電。因此，上文討論之第一模式中的輸入及輸出電容器Cout及Cin(經由整流元件111e)的串聯連接受中斷或打開。在共振功率轉換器100e的此第二操作模式中，因為整流元件111e的存在，儘管仍沒有任何電絕緣在一次及二次側電路之間，其主要如一般共振直流對直流功率轉換器般地運作。
本共振功率轉換器100e的模式交換特性，亦即，從第一模式至第二模式或反之亦然，伴隨有數個優點。模式交換特性可藉由SW1之控制端的適當控制用於在轉換器100e的操作期間在第一及第二模式之間動態地交換本共振功率轉換器100e。動態模式交換特性增加共振功率轉換器100e的輸入電壓範圍。為說明此等優點，考慮針對10-20V之直流輸入電壓範圍及10V的直流輸出電壓範圍 設計的一般共振直流對直流功率轉換器。若此一般直流對直流功率轉換器轉換或組態為本共振降壓直流對直流功率轉換器，直流輸入電壓範圍可藉由在該共振降壓直流對直流功率轉換器的操作期間使用該轉換器的第一及第二模式二者而增加至10-30V。因此，共振降壓直流對直流功率轉換器根據輸入電壓波形在第一及第二操作模式之間動態地交換。因為共振功率轉換器相較於非共振直流對直流功率轉換器通常苦於有限或狹窄的直流輸入電壓範圍，藉由動態模式交換特性實現直流輸入電壓範圍的增加係特別有利的。動態模式交換特性的另一優點係共振功率轉換器100e的功率因子(PF)改善。交換模式功率轉換器或供應器的功率因子在許多應用中係重要的效能度量，諸如，LED燈泡，其中可存在對最小功率因子的規章要求，諸如，大於0.9。因為此特性允許轉換器追蹤至該轉換器之輸入電壓的交流變化，諸如，在經整流之50/60Hz主電源電壓之波形中的直流變化，PF的改善係藉由動態模式交換特性實現。
第一及第二操作模式中之共振降壓直流對直流功率轉換器100e中的輸入電壓的流動係藉由第一直流輸入電流路徑111b1及第二直流輸入電流路徑111b2描繪。當選擇轉換器100e的第一操作模式時，亦即，降壓功能，輸入電流流經第一直流輸入電流路徑111b1，其中直流輸入電流流經二極體111e並流經轉換器負載RL。當選擇轉換器100e的第二操作模式時，亦即，SW1導電及一般轉換功 能，輸入電流流經第二直流輸入電流路徑111b2，其中二極體111e阻斷且直流輸入電流經由SW1流至轉換器的負軌或端103d而不通過轉換器負載。
圖1F)係可使用為分別描繪在圖1A)、1B)、1C)、1D)、及1E)中之各降壓直流對直流功率轉換器實施例100b、100c、100d、100e的轉換器核心105b、105c、105d、105e之第一轉換器核心105f的簡化電路圖。第一轉換器核心105f包含複數個分離式共振直流對直流功率轉換器核心110f。各分離式共振直流對直流功率轉換器核心110f包含經由電絕緣障壁107f耦接至共振網路的輸出側113之共振網路的輸入側111。共振直流對直流功率轉換器核心110e的輸入側111可並聯或串聯連接。共振直流對直流功率轉換器核心110f的輸出側113可相似地並聯或串聯連接。複數個輸入側111的並聯化及一或多個輸出側113的並聯化增加使用第一轉換器核心105f之昇壓直流對直流功率轉換器的額定功率。熟悉本技術的人士將理解各分離式共振直流對直流功率轉換器核心110f可包含參考圖2、3、及4於下文討論之先前技術的共振直流對直流功率轉換器核心的一者。
圖1G)係可使用為分別描繪在圖1A)、1B)、1C)、1D)、及1E)中之各降壓直流對直流功率轉換器實施例100b、100c、100d、100e的轉換器核心105b、105c、105d、105e之第二轉換器核心105g的簡化電路圖。第二轉換器核心105g包含複數個分離式共振功率換流器 114g。各分離式共振功率換流器核心114g包含經由電絕緣障壁107g耦接至共振直流對直流功率轉換器核心105g的一或多個整流器(等)117之共振網路的輸入側115。分離式共振功率換流器核心114g可並聯或串聯連接。相似地，一或多個整流器(等)117的個別輸出側也可串聯或並聯連接。然而，若該一或多個整流器(等)117串聯耦接，電絕緣可插在彼等之間。
圖2A)顯示包含串聯共振網路或包括電感器L2及電容器C1的電路之先前技術的絕緣E類共振直流對直流轉換器200的電路圖。先前技術的E類共振轉換器包含經由電絕緣障壁207連接的一次側電路及二次側電路。一次側電路包含用於來自電壓或電源(未圖示)之直流或交流輸入電壓Vin之接收的正輸入端202及負輸入端201。輸入電容器Cin電連接在正輸入端202b及負輸入端201之間，以形成用於電壓源的能量儲存器。轉換器核心205包含共振網路，其包括第一及第二串聯連接電感器L1及L2及包含具有連接至L1及L2之間的中點節點之汲極的MOSFET交換器S(或另一合適種類的半導體交換器)的半導體交換器配置。一次側電路配置在藉由耦接電容器C1及C2形成的絕緣障壁207前端。二次側電路包含具有第一電極的輸出電容器Cout，該第一電極在輸出端204電連接至轉換器輸出電壓Vout。輸出電容器Cout的第二負電極耦接至轉換器輸出電壓的負端203。絕緣E類共振直流對直流轉換器200的負載藉由負載電阻器RL示意地描繪並耦接在正及負輸 出端204、203之間。
圖2B)係根據本發明之第7實施例包含串聯共振電路之E類共振降壓直流對直流功率轉換器200c的電路圖。E類共振降壓直流對直流功率轉換器200b可藉由插入或加入延伸橫跨轉換器200c之電絕緣障壁207c的電短路連接209c轉換上文提及之先前技術的絕緣E類共振直流對直流轉換器200而得到。電絕緣障壁207c包含串聯電容器C1及C2。電短路連接209c電連接負輸入端201c及輸出電容器Cout的第一正電極204c。第一正電極204c也連接至轉換器輸出電壓Vout。如結合圖1C)於上文討論的，電短路連接或佈線209c有效地將輸出電容器Cout及輸入電容器Cin放置成串聯或級聯橫跨直流或交流輸入電壓Vin。因此，藉由負載電阻器RL示意地描繪的轉換器負載橫跨輸出電容器Cout並聯地耦接。熟悉本技術的人士將理解電絕緣障壁207c的串聯電容器C2防止直流電流流自輸出電容器Cout的第二負電極203b並流回至負輸入端201c。以此方式，將直流電流引導或強制通過電短路連接209b並經由輸入電容器Cin返回。以此方式，儘管藉由轉換而電旁路，絕緣障壁207c對本E類共振降壓直流對直流功率轉換器200c的操作係重要的，否則節點201c及203c及204c會直接電連接而在轉換器輸入導致短路。
除了上文討論的第一及第二串聯連接電感器L1及L2外，轉換器200c之轉換器核心205c的此串聯共振網路可包含配置成橫跨MOSFET交換器S之汲極及源極端的電 容器(CS)，以增加共振電流及/或調整/微調功率轉換器200c的共振頻率。相似地，另一電容器CD可配置成橫跨整流二極體D以調整功率轉換器200c之二次部的工作週期，亦即，E類整流器。在轉換器200c的操作期間，串聯共振網路藉由MOSFET交換器S激發，使得串聯共振網路經由電絕緣障壁207c且經由包含電感L3及二極體D的整流電路交替地從直流或交流輸入電壓Vin充電並放電至輸出電容器Cout。
圖3A)係耦接包含串聯共振電路之先前技術的變壓器絕緣E類共振直流對直流轉換器300的電路圖。轉換器300的轉換器核心305包含串聯共振電路，其至少包括電感器L2、L3及電容器CS及C1。先前技術的直流對直流轉換器300包含經由藉由變壓器308提供的電絕緣障壁307連接的一次側電路及二次側電路。一次側電路包含用於來自電壓或電源(未圖示)之直流或交流輸入電壓Vin之接收的正輸入端302及負輸入端301。輸入電容器Cin電連接在正輸入端302及負輸入端301之間，以形成用於輸入電壓源的能量儲存器。一次側電路另外包含至少包含電感器L2及電容器CS及C1的串聯共振網路或電路的部分。第一電感器L1具有耦接至正輸入端302的第一終端及耦接至形成本功率轉換器300之交換器配置的MOSFET交換器S之汲極端的第二終端。功率轉換器300的二次側電路包含具有第一電極的輸出電容器Cout，該第一電極在輸出端304電連接至轉換器輸出電壓Vout。輸出電容器Cout的第 二負電極耦接至轉換器輸出電壓的負端303。電或功率轉換器負載藉由負載電阻器RL示意地描繪並耦接在先前技術的直流對直流轉換器300的正及負輸出端304、303之間。二次側電路另外包含橫跨上文提及之變壓器308的二次變壓器繞組連接的第三電感器L3。二次變壓器繞組具有耦接至整流二極體D之陰極的第一終端及耦接至輸出電容器Cout之正電極的第二終端。整流二極體D整流藉由二次變壓器繞組產生的交流電流並將直流電壓產生為正及負輸出端304、303之間的轉換器輸出電壓。電或功率轉換器負載藉由耦接在正及負輸出端304、303之間的負載電阻器RL示意地描繪。
圖3B)係根據本發明之第8實施例之變壓器耦接E類共振降壓直流對直流功率轉換器300c的電路圖。降壓直流對直流功率轉換器300c可藉由插入或加入延伸橫跨藉由變壓器308b形成之電絕緣障壁的電短路連接309c轉換上文提及之先前技術的共振絕緣直流對直流轉換器300而得到。變壓器308b包含具有藉由在繞組頂部之黑點指示的極性反轉的磁耦合一次及二次變壓器繞組。轉換器300的轉換器核心305c包含串聯共振網路或電路，其至少包括電感器L2、L3及電容器CS及C1。在轉換器300c的操作期間，串聯共振網路藉由MOSFET交換器S激發，使得串聯共振網路經由電絕緣障壁307c且經由包含二極體D的整流電路交替地從直流或交流輸入電壓Vin充電並放電至輸出電容器Cout。
電短路連接309c連接一次側電路的負輸入端302b及輸出電容器Cout的第一正電極304c，其中後者的電極也供應轉換器輸出電壓。如結合圖1C)於上文討論的，電短路連接或佈線309c有效地將輸出電容器Cout及輸入電容器Cin放置成串聯或級聯橫跨至直流或交流輸入電壓Vin的正及負連接。因此，藉由負載電阻器RL示意地描繪的轉換器負載耦接在橫跨輸出電容器Cout的正及負電極的轉換器輸出電壓之間。熟悉本技術的人士將理解變壓器耦接防止直流電流流自輸出電容器Cout的第二負電極303c並流回一次側電路的負輸入端301c。
圖4A)係先前技術的絕緣單端初級電感器轉換器(SEPIC)400的電路圖。先前技術的SEPIC 400包含經由電絕緣障壁407連接的一次側電路及二次側電路。一次側電路包含用於來自電壓或電源(未圖示)之直流或交流輸入電壓Vin之接收的正輸入端402及負輸入端401。輸入電容器Cin電連接在正輸入端402及負輸入端401之間，以形成用於輸入電壓源的能量儲存器。轉換器400的轉換器核心405包含串聯共振電路，其包括具有耦接至直流或交流輸入電壓Vin之第一節點及耦接至MOSFET交換器S之汲極端的第二節點的第一電感器L1。交換器配置的MOSFET交換器S的源極端耦接至負輸入端401。先前技術的SEPIC 400係共振型功率轉換器，其中轉換器的共振頻率係藉由包含第一及第二電感器L1、L2及電容器CS及CD之轉換器核心405的共振網路決定。一次側電路配置在轉 換器核心405內的電絕緣障壁407之前並藉由耦接電容器C1及C2形成。二次側電路包含具有第一電極的輸出電容器Cout，該第一電極在正輸出端404電連接至轉換器輸出電壓Vout。輸出電容器Cout的第二負電極耦接至轉換器輸出電壓的負端403。整流二極體D整流藉由第二電感器L2產生的直流電流並充電輸出電容器Cout，使得正及負輸出端404、403之間的轉換器輸出電壓Vout係直流電壓。藉由負載電阻器RL描繪的SEPIC 400的轉換器負載耦接在正及負輸出端404、403之間。
圖4B)係根據本發明的第9實施例之SEPIC 400c的電路圖。SEPIC 400c可藉由插入或加入延伸橫跨SEPIC 400c之電絕緣障壁407c的電短路連接409c轉換上文提及的先前技術的SEPIC400而得到。電絕緣障壁407c包含防止直流電流在上文討論之絕緣SEPIC 400的二次側電路及一次側電路之間流動的串聯電容器C1及C2。在本SEPIC 400c中，電短路連接409c電連接負輸入端401c及輸出電容器Cout的正電極404c。如上文結合圖1A)及1B)討論的，電短路連接或佈線409c有效地將輸出電容器Cout及輸入電容器Cin放置成串聯或級聯橫跨直流或交流輸入電壓Vin的正及負連接，使得一次及二次側電路之間的電絕緣受旁路或消除。藉由負載電阻器RL示意地描繪的電或功率轉換器負載耦接在輸出端404c的轉換器輸出電壓Vout及輸出電容器的負電極403c之間。熟悉本技術的人士將理解電絕緣障壁407b的串聯電容器C2防止直流電流 流自輸出電容器Cout的第二負電極403b並直接流回至一次側電路的負輸入端401b。SEPIC 400c包含轉換器核心405c，其包含如上文所討論之包含第一及第二電感器L1、L2及電容器CS及CD的共振網路。在轉換器400c的操作期間，串聯共振網路藉由MOSFET交換器S激發，使得串聯共振網路經由電絕緣障壁407c且經由包含整流二極體D的整流電路交替地從直流或交流輸入電壓Vin充電並放電至輸出電容器Cout。連接或配置成橫跨MOSFET交換器S之汲極及源極端的電容器CS係選擇性的，但可有助於增加共振電流及/或調整/微調共振網路SEPIC 400c的共振頻率。在SEPIC 400c的部分實施例中，電容器CS可獨佔地藉由MOSFET S的寄生電容形成。選擇性電容器CD可配置成橫跨整流二極體D以調整功率轉換器400c的工作週期。

Claims (19)

  1. 一種共振降壓直流對直流功率轉換器，包含：一次側電路及二次側電路，經由電絕緣障壁耦接，該一次側電路包含用於輸入電壓之接收的正輸入端及負輸入端及耦接在該正及負輸入端之間的輸入電容器，該二次側電路包含輸出電容器，其可充電至在該輸出電容器的第一正電極及第二負電極之間的轉換器輸出電壓，共振網路，組態用於藉由根據交換控制訊號的半導體交換器配置經由該電絕緣障壁交替地從該輸入電壓充電並放電至該輸出電容器，以產生該轉換器輸出電壓，其中該交換控制訊號的頻率具有在20MHz或以上的頻率，電短路連接，橫跨該電絕緣障壁，在第一情形中，連接該輸出電容器的該第二負電極至該一次側電路的該正輸入端，或在第二情形中，連接該輸出電容器的該第一正電極至該一次側電路的該負輸入端，從而在該第一及第二情形二者中建立該輸出電容器及該輸入電容器的串聯耦接，負載連接，在該第一情形中，在該輸出電容器的該第一正電極及該正輸入端之間，或在該第二情形中，在該輸出電容器的該第二負電極及該負輸入端之間。
  2. 如申請專利範圍第1項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該電絕緣障壁包含：一對磁耦合電感器，包含電連接至該一次側電路的第一電感器及電連接至該二次側電路的第二電感器。
  3. 如申請專利範圍第2項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該第一及第二電感器捲繞在共同導磁結構周圍，以形成絕緣變壓器。
  4. 如申請專利範圍第2項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該第一及第二電感器配置成不使用共同導磁結構磁耦合，以形成無核心絕緣變壓器。
  5. 如申請專利範圍第4項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該第一及第二電感器分別包含以印刷電路板之一或多個導電層形成的第一及第二嵌入線圈。
  6. 如申請專利範圍第4或5項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中在該第一及第二電感器之間的磁耦合因子k大於0.25。
  7. 如申請專利範圍第1項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該電絕緣障壁包含：第一電容器，與該一次側電路的該正輸入端及該輸出電容器的該第一正電極串聯耦接；及第二電容器，與該一次側電路的該負輸入端及該輸出電容器的該第二負電極串聯耦接。
  8. 如申請專利範圍第7項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該第一及第二電容器各者的電容小於100nF。
  9. 如申請專利範圍第1項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該電短路連接的DC電阻小於1kΩ。
  10. 如申請專利範圍第7項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該共振網路包含：第一及第二串聯連接電感器，與該正輸入電壓端串聯連接，半導體交換器，具有連接至該第一及第二串聯連接電感器之間的中點節點的第一交換節點、連接至該一次側電路的該負輸入端的第二交換節點、及連接至交換控制端的控制端；及整流電路，連接在該電絕緣障壁的該第一及第二電容器及該輸出電容器的該第一正電極及該第二負電極之間。
  11. 如申請專利範圍第10項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該半導體交換器配置包含一或多個可控制半導體交換器。
  12. 如申請專利範圍第11項的共振降壓直流對直流功率轉換器，其中該一或多個可控制半導體交換器組態用於零電壓交換及/或零電流交換。
  13. 如申請專利範圍第1項的共振降壓直流對直流功率轉換器，更包含：整流元件，諸如，二極體，組態以：在該第一情形中，從該正輸入端導通電流至該輸出電容器的該第二負電極，在該第二情形中，從該負輸入端導通電流至該輸出電容器的該第一正電極；及模式選擇半導體交換器，組態以在第一情形中，選擇性地中斷及關閉該正輸入端及該輸出電容器的該第一正電極之間的電連接，及在該第二情形中，選擇性地中斷及關閉該負輸入端及該輸出電容器的該第二負電極之間的電連接，使得：在該共振降壓直流對直流功率轉換器的第一模式中，經由該整流元件建立該輸出電容器及該輸入電容器的該串聯連接；且在該共振降壓直流對直流功率轉換器的第二模式中，打開或中斷該輸出電容器及該輸入電容器的該串聯耦接。
  14. 一種轉換具有在20MHz或以上之交換頻率的共振絕緣直流對直流功率轉換器至擁有更高功率轉換效率的共振非絕緣降壓直流對直流功率轉換器的方法，該方法包含下列步驟：a)提供該絕緣直流對直流功率轉換器的一次側電路及二次側電路，b)選擇性地，耦接輸入電容器在該一次側電路的正及負輸入端之間，c)選擇性地，耦接輸出電容器的正電極至該二次側電路的正輸出端，並耦接該輸出電容器的負電極至該二次側電路的負輸出端，d)經由電絕緣障壁提供該一次側電路及該二次側電路的電耦接，e)提供共振網路，組態用於經由根據交換控制訊號的該電絕緣障壁交替地從該轉換器的輸入電壓充電及放電至該輸出電容器，以產生轉換器輸出電壓，f)在第一情形中，從該二次側電路的該負輸出端連接橫跨該電絕緣障壁的電短路至該一次側電路的該正輸入端，在第二情形中，連接該二次側電路的該正輸出端至該一次側電路的該負輸入端，從而在該第一情形及該第二情形二者中建立該輸出電容器及該輸入電容器的串聯耦接，g)在該第一情形中，耦接功率轉換器負載在該二次側電路的該正輸出端及該正輸入端之間，或在該第二情形中，耦接該功率轉換器負載在該二次側電路的該負輸出端及該一次側電路的該負輸入端之間。
  15. 如申請專利範圍第14項之轉換共振絕緣直流對直流功率轉換器的方法，更包含下列步驟：h)在該第一情形中，電連接輸入電壓源在該一次側電路的該負輸入端及該二次側電路的該正輸出端之間，或i)在該第二情形中，電連接輸入電壓源在該一次側電路的該正輸入端及該二次側電路的該負輸出端之間。
  16. 如申請專利範圍第14或15項之轉換共振絕緣直流對直流功率轉換器的方法，更包含下列步驟：j)插入整流元件在該電短路連接中，k)插入模式選擇半導體交換器，在該第一情形中，在該正輸入端及該輸出電容器的該正電極之間，且在該第二情形中，在該負輸入端及該輸出電容器的該負電極之間。
  17. 一種降壓直流對直流功率轉換器組件，包含：根據申請專利範圍第1-13項之任一項的共振降壓直流對直流功率轉換器，印刷電路板，具有至少該共振網路載置於其上，一對磁耦合電感器，包含電連接至該一次側電路的第一電感器及電連接至該二次側電路的第二電感器；其中該第一及第二電感器分別藉由該印刷電路板的第一及第二電軌跡型樣形成。
  18. 一種LED光組件，包含：根據申請專利範圍第1-13項之任一項的共振降壓直流對直流功率轉換器，載置在該組件的印刷電路板上，AC主電源電壓輸入，連接至主電源整流器的輸入，該主電源整流器的輸出，在該第一情形中，連接在該輸出電容器的該第一正電極及該負輸入端之間，且在該第二情形中，連接在該負輸入端及該輸出電容器的該第二負電極之間，以在二情形中供應經整流主電源電壓至共振降壓直流對直流功率轉換器。
  19. 一種LED燈，包含如申請專利範圍第18項的LED光組件。
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