TWI711259B - 諧振轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種諧振轉換器其包含開關模組、變壓器、輸出電路、諧振電路以及安規電容。開關模組連接於輸入電壓與地之間。變壓器具有一次側繞組以及至少一二次側繞組。輸出電路連接於所述至少一二次側繞組與負載之間。諧振電路耦接於一次側繞組與開關模組之間，且包含至少一漏電感。安規電容連接於漏電感與開關模組之間。

Description

諧振轉換器
本發明有關於一種諧振轉換器(LLC converter)，且特別是一種在符合安全隔離要求的規範下，大幅縮減其變壓器體積的諧振轉換器。
安規就是安全標準規格，安規對製造的設備與零部件有明確的陳述和指導，以提供具有安全與高品質的產品給最終使用者。在電源的安規認證中，變壓器是一大重點，一般來說針對變壓器所需要注意的安全規範有絕緣距離要求、對線材要求、對零件要求等面向，其中變壓器的體積影響最大的部分便是來自於絕緣距離的要求。絕緣距離是指兩個導電零部件之間或導電零部件與設備防護介面之間所能允許的最短空間距離，也就是在電氣性能穩定和安全的情況下，通過空氣能實現絕緣的最短距離。
以UL認證為例，絕緣的等級因保護使用者的原則分成操作絕緣、基本絕緣、雙重絕緣、輔助絕緣以及加強絕緣等5種，以確保產品在使用上的安全，而變壓器的結構是否符合安規的判定方法則是，先以變壓器的工作電壓為基礎，在知道工作電壓後，查出絕緣距離，然後再依此來回推檢查結構。檢查的重點包含一次側線圈對二次側線圈、一次側線圈對磁芯，以及二次線圈對磁芯等，其中一次側線圈對二次側線圈之間的距離至少需要滿足雙重或加強絕緣的規範，且變壓器還需要使用三層絕緣線以及特製骨架來進行繞線，才能取得UL認證。
在傳統主動箝制反馳式轉換器，利用LLC電路進行共振，可以達到半橋開關之間的零電壓切換，獲得高轉換效率。其中由於變壓器兼具一二次側電器隔離絕緣的功能，因此需要使用符合安規規範的線材以及特定的繞線方式，同時滿足雙重或加強絕緣的規範，以達到安規標準，因此變壓器成本較高且電路體積也較大。
有鑒於上述，本發明的主要技術手段在於提出一種諧振轉換器其包含開關模組、變壓器、輸出電路、諧振電路以及安規電容。開關模組連接於輸入電壓與地之間。變壓器具有一次側繞組以及至少一二次側繞組。輸出電路連接於所述至少一二次側繞組與負載之間。諧振電路耦接於一次側繞組與開關模組之間，且包含至少一漏電感。安規電容連接於漏電感與開關模組之間。
綜上所述，本發明的實施例所提供的諧振轉換器可以由安規電容完成雙重或加強絕緣的隔離要求，變壓器不需再負擔傳統的安規隔離要求，更進一步可使用低成本線材，或是使用絞線、扁平線等高效率線材，使得變壓器骨架以及形狀大幅縮減，以得到體積較小的變壓器。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100、200、300、400、500:諧振轉換器
110:開關模組
111、112:開關
120:變壓器
130:輸出電路
140:諧振電路
Cr、Cr2:諧振電容
Co:穩壓電容
Cs:安規電容
D1、D2:二極體
N1、N2、N3:繞組
LLK:漏電感
Lm:諧振電感
Vin:輸入電壓
圖1為本發明諧振轉換器的一實施例的電路圖。
圖2為本發明諧振轉換器的另一實施例的電路圖。
圖3為本發明諧振轉換器的又一實施例的電路圖。
圖4為本發明諧振轉換器的又一實施例的電路圖。
圖5為本發明諧振轉換器的又一實施例的電路圖。
下面的內容請參考附圖通過實施例的各種示例描述來理解本發明諧振轉換器的作動。
為了提供一種使變壓器無需負擔一二次側繞組之間電氣隔離絕緣的功能的諧振轉換器，本發明提出一種由安規電容來完成安規隔離要求的諧振轉換器。請參考圖1，圖1為本發明諧振轉換器的一實施例的電路圖。由圖1可知，諧振轉換器100包含有開關模組110、變壓器120、輸出電路130、諧振電路140以及安規電容Cs。開關模組110可連接於輸入電壓Vin與地之間。變壓器120具有一次側繞組N1以及兩個二次側繞組N2及N3。輸出電路130連接於二次側繞組N2、N3與負載(亦即，輸出電壓Vo)之間。諧振電路140耦接於一次側繞組N1與開關模組110之間，且包含至少一漏電感LLK。安規電容Cs連接於漏電感LLK與開關模組110之間。
進一步說，開關模組110包含一第一開關111以及一第二開關112，第一開關111連接於輸入電壓Vin與第二開關112之間，第二開關112連接於第一開關111與地之間。諧振轉換器100可透過第一開關111與第二開關112之間開啟與關閉的切換，來提供交流電壓給變壓器120。
更進一步說，諧振電路140更包含諧振電容Cr與諧振電感Lm，其中漏電感LLK連接於安規電容Cs與一次側繞組N1的一端，諧振電容Cr連接於開關模組110與一次側繞組N1的另一端，且諧振電感Lm跨接於一次側繞組N1的兩端。諧振電路140透過諧振電容Cr、諧振電感Lm、以及漏電感LLK可以對提供至 變壓器120的交流電壓產生諧振的效果，進而能使第一開關111與第二開關112之間開啟與關閉的切換不具有電壓差。
再更進一步說，輸出電路130包含二極體D1、D2以及穩壓電容Co，二次側繞組N2連接於二極體D1的陽極與二次側繞組N3之間，二次側繞組N3連接於二極體D2的陽極與二次側繞組N2之間，且穩壓電容Co連接二極體D1的陰極與二極體D2的陰極的共接點與二次側繞組N2、N3的共接點之間。
在本實施例中，安規電容Cs連接於漏電感LLK與地之間，諧振電容Cr連接於一次側繞組N1與第一開關111與第二開關112的共接點之間。安規電容Cs可以對漏電感LLK所在的電壓傳遞路徑上提供隔離的效果，同時諧振電容Cr在一次側繞組N1另一端的電壓傳遞路徑上可以提供相似的隔離效果，如此一來，變壓器120便無需負擔一次側繞組N1與二次側繞組N2、N3之間的電氣隔離絕緣的功能，因此一次側繞組N1與二次側繞組N2、N3之間的絕緣距離可以變小，並且可以無需使用符合安規規範的繞線方式以及變壓器骨架，因此變壓器120的體積可以獲得大幅的縮減。在一較佳的實施例中，變壓器120的一次側繞組N1與二次側繞組N2、N3之間的電氣隔離的距離可縮減至0.1mm~8mm之間。
請注意，在上述實施例中，由於安規電容Cs提供了電氣隔離絕緣，因此安規電容Cs的兩極之間，需要保持滿足雙重或加強絕緣的規範，例如8mm的間隔。相似地，雖然諧振電容Cr的主要功能是用來為提供至變壓器120的交流電壓產生諧振的效果，但諧振電容Cr的兩極之間同時需要保持滿足雙重或加強絕緣的規範，這樣才能使電壓傳遞路徑到達一次側繞組N1之前完成隔離絕緣的規範。
請參考圖2，圖2為本發明諧振轉換器的另一實施例的電路圖。請注意，為了避免混淆，圖2中的元件與圖1中具有相同功能的元件將以相同的符號來標示。圖2所示的諧振轉換器200與圖1中所示的諧振轉換器100的配置與作 動大致相同，唯一的差別在於圖2所示的諧振轉換器200中，安規電容Cs連接於漏電感LLK與第一開關111與第二開關112的共接點之間，諧振電容Cr連接於一次側繞組N1與地間。熟知本領域技術者當可於閱讀完上述諧振轉換器100的詳細說明後輕易地明白諧振轉換器200的原理，為求簡潔，於此不在贅述。
請參考圖3，圖3為本發明諧振轉換器的又一實施例的電路圖。請注意，為了避免混淆，圖3中的元件與圖1中具有相同功能的元件將以相同的符號來標示。圖3所示的諧振轉換器300與圖1中所示的諧振轉換器100的配置與作動大致相同，唯一的差別在於圖3所示的諧振轉換器300中，安規電容Cs連接於漏電感LLK與第一開關111與第二開關112的共接點之間，諧振電容Cr連接於一次側繞組N1與輸入電壓Vin間。熟知本領域技術者當可於閱讀完上述諧振轉換器100的詳細說明後輕易地明白諧振轉換器300的原理，為求簡潔，於此不在贅述。
請參考圖4，圖4為本發明諧振轉換器的又一實施例的電路圖。請注意，為了避免混淆，圖4中的元件與圖2中具有相同功能的元件將以相同的符號來標示。圖4所示的諧振轉換器400與圖2中所示的諧振轉換器200的配置與作動大致相同，唯一的差別在於圖4所示的諧振轉換器400中，安規電容Cs連接於漏電感LLK與輸入電壓Vin間，諧振電容Cr連接於一次側繞組N1與第一開關111與第二開關112的共接點之間。熟知本領域技術者當可於閱讀完上述諧振轉換器200的詳細說明後輕易地明白諧振轉換器400的原理，為求簡潔，於此不在贅述。
請參考圖5，圖5為本發明諧振轉換器的又一實施例的電路圖。請注意，為了避免混淆，圖5中的元件與圖2中具有相同功能的元件將以相同的符號來標示。圖5所示的諧振轉換器500與圖2中所示的諧振轉換器200的配置與作動大致相同，唯一的差別在於圖5所示的諧振轉換器500中，更包含了諧振電容Cr2。諧振電容Cr2連接於諧振電容Cr與一次側繞組N1的共交點與輸入電壓Vin之 間。熟知本領域技術者當可於閱讀完上述諧振轉換器200的詳細說明後輕易地明白諧振轉換器500的原理，為求簡潔，於此不在贅述。
100:諧振轉換器
110:開關模組
111、112:開關
120:變壓器
130:輸出電路
140:諧振電路
Cr:諧振電容
Co:穩壓電容
Cs:安規電容
D1、D2:二極體
N1、N2、N3:繞組
LLK:漏電感
Lm:諧振電感
Vin:輸入電壓

Claims (8)

  1. 一種諧振轉換器，包含：一開關模組，連接於一輸入電壓與地之間；一變壓器，具有一一次側繞組以及至少一二次側繞組；一輸出電路，連接於該至少一二次側繞組與一負載之間；一諧振電路，耦接於該一次側繞組與該開關模組之間，且包含至少一漏電感、一第一諧振電容與一諧振電感；以及一安規電容，連接於該漏電感與該開關模組之間，其中該漏電感連接於該安規電容與該一次側繞組的一第一端之間，該第一諧振電容連接於該開關模組與該一次側繞組的一第二端之間，且該諧振電感跨接於該一次側繞組的第一端及第二端；其中該安規電容對該漏電感所在的一第一電壓傳遞路徑上提供隔離作用，且該諧振電容在該一次側繞組的第二端的一第二電壓傳遞路徑上提供隔離作用，從而使該一次側繞組與該二次側繞組之間電氣隔離，其中該一次側繞組的第一端透過該安規電容對該漏電感所在的該第一電壓傳遞路徑上提供的隔離作用而與該輸入電壓及該地電氣隔離；其中，該安規電容的兩極之間，需要保持滿足雙重或加強絕緣的規範，該第一諧振電容的兩極之間需要保持滿足雙重或加強絕緣的規範，且該變壓器無須負擔該一次側繞組與該二次側繞組的電氣隔離絕緣。
  2. 根據請求項1的諧振轉換器，其中該輸出電路包含一第一二極體、一第二二極體以及一穩壓電容，且該至少一二次側繞組包含一第一二次側繞組以及一第二二次側繞組，該第一二次側繞組連接於該第一二極體的一陽極與該第二二次側繞組之間，該第二二次側繞組連接於該第二二極體的一陽極與該第一二次側繞組之間，且該穩壓電容連接該第一二極體的一陰極與該第二二 極體的一陰極的共接點與該第一二次側繞組與該第二二次側繞組的共接點之間。
  3. 根據請求項2的諧振轉換器，其中該開關模組包含一第一開關以及一第二開關，該第一開關連接於該輸入電壓與該第二開關之間，該第二開關連接於該第一開關與該地之間。
  4. 根據請求項3的諧振轉換器，其中該安規電容連接於該第一開關與第二開關的共接點與該漏電感之間。
  5. 根據請求項3的諧振轉換器，其中該安規電容連接於該地與該漏電感之間。
  6. 根據請求項3的諧振轉換器，其中該安規電容連接於該輸入電壓與該漏電感之間。
  7. 根據請求項1的諧振轉換器，其中該諧振電路更包含一第二諧振電容連接於該一次側繞組的第二端與該輸入電壓之間。
  8. 根據請求項1的諧振轉換器，其中該一次側繞組以及該至少一二次側繞組之間的電氣隔離的距離在0.1mm~8mm之間。
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