TWI746163B - 諧振切換式電源轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種諧振切換式電源轉換器包含：複數電容；複數開關；至少一充電電感；至少一放電電感；及控制器，用以產生充電操作訊號與複數放電操作訊號，以分別對應充電程序與複數放電程序，而操作對應之複數開關，以切換所對應之電容之電連接關係；在充電程序中，控制器藉由充電操作訊號控制複數開關的切換，使複數電容與至少一充電電感彼此串聯於輸入電壓與輸出電壓之間，以形成充電路徑；在複數放電程序中，控制器藉由複數放電操作訊號以控制複數開關的切換，使複數電容分別輪流與對應之放電電感串聯於輸出電壓與接地電位間，而形成複數放電路徑。

Description

諧振切換式電源轉換器
本發明係有關於一種諧振切換式電源轉換器，特定而言係有關於一種輪流放電之諧振切換式電源轉換器。
圖1係顯示習知的電源轉換器。於充電操作中，開關Q1、Q2、Q3、Q4係導通，開關Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10係不導通，使得電容C1、C2、C3彼此串聯於輸入電壓Vin及輸出電壓Vout之間。於放電操作中，開關Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10係導通，開關Q1、Q2、Q3、Q4係不導通，使得電容C1、C2、C3彼此並聯於接地電位及輸出電壓Vout之間。此習知的電源轉換器的電容會具有非常大的湧浪電流(inrush current)，若各電容C1、C2、C3的電容值不同，則在放電操作時電容間會發生循環電流。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種創新的電源轉換器。
於一觀點中，本發明提供一種諧振切換式電源轉換器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該諧振切換式電源轉換器包含：複數電容；複數開關，與該複數電容對應耦接；至少一充電電感，與該複數電容中之至少其中之一對應串聯；至少一放電電感，與該複數電容中之至少其中之一對應串聯；以及一控制器，用以產生一充電操作訊號與複數放電操作訊號，以分別對應一充電程序與複數放電程序，而操作對應之該複數開關，以切換所對應之該電容之電連接關係；其中，該充電操作訊號與每一該複數放電操作訊號，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且該複數段導通期間彼此不重疊，以使該充電程序與複數該放電程序彼此不重疊；其中，在該充電程序中，該控制器藉由該充電操作訊號控制該複數開關的切換，使該複數電容與該至少一充電電感彼此串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，以形成一充電路徑；其中，在每一該放電程序中，該控制器藉由對應之該放電操作訊號以控制該複數開關的切換，使對應之該電容與對應之該放電電感串聯於該輸出電壓與一接地電位間，而形成對應之一放電路徑；其中，該複數放電程序輪流形成對應之該放電路徑；其中，該充電程序與該複數放電程序彼此重複地交錯排序，以將該輸入電壓轉換為該輸出電壓。
於一實施例中，該諧振切換式電源轉換器更包含一零電流偵測電路，耦接於該控制器與該輸出電壓之間，用以於該充電程序時偵測一充電諧振電流或於該複數放電程序時偵測一放電諧振電流，當該零電流偵測電路偵測到該充電諧振電流或該放電諧振電流為零時產生一零電流偵測訊號至該控制器。
於一實施例中，該零電流偵測電路包括：一電流感測電路，用以於該充電程序時感測該充電諧振電流或於該複數放電程序時感測該放電諧振電流，而產生一電流感測訊號；以及一比較器，用以比較該電流感測訊號與一參考訊號，而產生該零電流偵測訊號。
於一實施例中，該諧振切換式電源轉換器更包含複數開關驅動器，分別耦接於該控制器與對應之該開關之間，用以根據對應之該充電操作訊號或對應之該放電操作訊號，而分別控制該複數開關。
於一實施例中，於該複數放電程序結束後，延遲一延遲時間之後，下一個充電程序才開始，且於該延遲時間中，所有對應的該開關均為不導通。
於一實施例中，該至少一充電電感為單一個充電電感，該至少一放電電感為單一個放電電感。
於一實施例中，該單一個充電電感之電感值相等於該單一個放電電感之電感值。
於一實施例中，該至少一充電電感與該至少一放電電感為單一個相同電感。
於一實施例中，該單一個相同電感為可變電感。
於一實施例中，該諧振切換式電源轉換器於該充電程序與該複數放電程序中，藉由保持導通該複數開關中特定之至少一者，並保持不導通該複數開關中特定之至少二者，而改變該輸入電壓與該輸出電壓之電壓轉換比率。
於一實施例中，該充電程序具有一充電諧振頻率，且該複數放電程序具有一放電諧振頻率，且該充電諧振頻率與該放電諧振頻率相同。
於一實施例中，該充電程序具有一充電諧振頻率，且該複數放電程序具有一放電諧振頻率，且該充電諧振頻率與該放電諧振頻率不同。
於一實施例中，調整該充電程序的持續時間，以達到柔性切換(soft switching)之零電壓切換。
於一實施例中，調整該複數放電程序的持續時間，以達到柔性切換(soft switching)之零電壓切換。
於一實施例中，該諧振切換式電源轉換器為雙向諧振切換式電源轉換器。
於一實施例中，該諧振切換式電源轉換器之該輸入電壓與該輸出電壓之電壓轉換比率為4：1、3：1或2：1。
於一實施例中，在該充電程序中，對應之該複數開關之導通時點及不導通時點係同步於該充電程序之一充電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點，以達到柔性切換(soft switching)之零電流切換。
於一實施例中，在該複數放電程序中，對應之該複數開關之導通時點及不導通時點係同步於該複數放電程序之其中一者之一放電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點，以達到柔性切換之零電流切換。
本發明之一優點在於本發明可解決湧浪電流問題及循環電流問題。
本發明之另一優點在於本發明易於達到具有零電流切換及/或零電壓切換之柔性切換且能夠掩蓋元件因直流偏壓或操作溫度所產生的變化例如電容值變化。
本發明之又一優點在於本發明能夠降低切換頻率以改善輕負載情況時的效率、具有較佳的電流及電壓平衡，且可支援具有3：1或以上的電壓轉換比率之諧振切換電容式電源轉換器。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
20,30:諧振切換式電源轉換器
201,301:控制器
202,302:零電流偵測電路
2021,3021:電流感應電路
2022,3022:比較器
203,303:開關驅動器
C1~C3:電容
Co:輸出電容
G1:充電操作訊號
G2,G3,G4:放電操作訊號
Ic1:電容C1電流
Ic2:電容C2電流
Ic3:電容C3電流
Iin:輸入電流
IL1:充電諧振電流
IL2:放電諧振電流
IL3:充電(放電)諧振電流
L1:充電電感
L2:放電電感
L3:電感
Q1~Q10:開關
RL:負載電阻
T1,T2,T3:期間
Td:延遲時間
Ton1,Ton2,Ton3,Ton4:持續時間
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
圖1係為習知的電源轉換器。
圖2A及2B係根據本發明之一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路與相關訊號之訊號波形示意圖。
圖3A係根據本發明之另一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖。
圖3B係根據本發明之一實施例顯示一充電程序與複數放電程序之對應之操作訊號與對應之電容電流之訊號波形示意圖。
圖3C係根據本發明之一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之相關訊號之訊號波形示意圖。
圖4A、4B及4C係根據本發明之一實施例顯示一充電程序與放電程序之對應之操作訊號與對應之電感電流之訊號波形示意圖。
圖4D係根據本發明之一實施例顯示一充電程序與放電程序之對應之操作訊號與對應之電容電流之訊號波形示意圖。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路間之耦接關係，以及各訊號波形之間之關係，至於電路、訊號波形與頻率則並未依照比例繪製。
圖2A係根據本發明之一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖；圖2B顯示圖2A所示之諧振切換式電源轉換器中，相關訊號之訊號波形示意圖。本實施例係多個電容共用一充電電感或一放電電感，藉此無論電容數量為多少，都只需要一個充電電感及一個放電電感，可進一步減少電感的數量。如圖2A所示，本發明之諧振切換式電源轉換器20包含電容C1、C2、C3、開關Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、充電電感L1、放電電感L2、控制器201、零電流偵測電路202以及開關驅動器203。開關Q1-Q3分別與對應之電容C1-C3串聯，而開關Q4與充電電感L1串聯。應注意者為，本發明之諧振切換式電源轉換器中的電容數量並不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上，本實施例所顯示之元件數量僅用以說明本發明並不用限制本發明。
如圖2A所示，開關Q5之一端耦接至開關Q1與電容C1之間的節點，開關Q6之一端耦接至開關Q2與電容C2之間的節點，而開關Q7之一端耦接至開關Q3與電容C3之間的節點。開關Q8之一端耦接至電容 C1與開關Q2之間的節點，開關Q9之一端耦接至電容C2與開關Q3之間的節點，而開關Q10之一端耦接至電容C3與開關Q4之間的節點。如圖2A所示，開關Q5-Q7之另一端共同電連接至一節點後，串聯至放電電感L2。開關Q8-Q10之另一端係共同耦接至接地電位。充電電感L1及放電電感L2的另一端係共同耦接至輸出電壓Vout，開關Q1之另一端耦接至輸入電壓Vin。控制器201係用以產生充電操作訊號G1、放電操作訊號G2、G3、G4，以分別對應一充電程序與複數放電程序，而操作對應之複數開關Q1-Q10，以切換所對應之電容C1-C3之電連接關係。零電流偵測電路202係耦接於控制器201與輸出電壓Vout之間，用以於充電程序時偵測充電電感L1與輸出電壓Vout之間的節點上的一充電諧振電流IL1或於複數放電程序時偵測放電電感L2與輸出電壓Vout之間的節點上的一放電諧振電流IL2。當零電流偵測電路202偵測到充電諧振電流IL1或放電諧振電流IL2為零時產生一零電流偵測訊號至控制器201。零電流偵測電路202可包含一電流感測電路2021，用以於充電程序時感測充電諧振電流IL1或於複數放電程序時感測放電諧振電流IL2。零電流偵測電路202可進一步包含比較器2022，用以將感測所得之充電諧振電流IL1或放電諧振電流IL2與一參考訊號Vref1比對，用以產生零電流偵測訊號。開關驅動器203係耦接於控制器201與複數開關Q1-Q10之間，用以根據充電操作訊號G1或複數放電操作訊號G2、G3、G4控制複數開關Q1-10。
開關Q1-Q10可根據控制器201所產生之充電操作訊號G1、放電操作訊號G2、G3、G4經由開關驅動器203的控制，切換所對應 之電容C1-C3與充電電感L1及放電電感L2之電連接關係。於一實施例中，充電操作訊號G1與放電操作訊號G2、G3、G4，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，上述複數段導通期間彼此不重疊。在一充電程序中，根據充電操作訊號G1，開關Q1-Q4係為導通，開關Q5-Q10係為不導通，使得電容C1-C3彼此串聯後與充電電感L1串聯於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間，以形成一充電路徑。在複數放電程序中，分別根據放電操作訊號G2、G3、G4，開關Q5-Q10分別輪流導通，開關Q1-Q4係不導通，使電容C1、電容C2及電容C3分別輪流串聯放電電感L2，而形成複數放電路徑。也就是說，複數放電程序輪流形成對應之放電路徑。例如，於第一時間段時，根據放電操作訊號G2，開關Q5及Q8係導通，開關Q1-Q4、Q6-Q7及Q9-Q10係不導通，使電容C1串聯放電電感L2於接地電位與輸出電壓Vout之間，而形成一放電路徑；於第二時間段時，根據放電操作訊號G3，開關Q6及Q9係導通，開關Q1-Q5、Q7、Q8及Q10係不導通，使電容C2串聯放電電感L2於接地電位與輸出電壓Vout之間，而形成另一放電路徑；於第三時間段時，根據放電操作訊號G4，開關Q7及Q10係導通，開關Q1-Q6及Q8-Q9係不導通，使電容C3串聯放電電感L2於接地電位與輸出電壓Vout之間，而形成再一放電路徑。應注意者為，上述充電程序與上述複數放電程序之每一者係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行。其中，充電程序與複數放電程序之每一者彼此重複地交錯排序，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。於本實施例中，每個電容C1、C2、C3的直流偏壓均為Vo，故本實施例中的電容C1、C2、C3相 對於先前技術，在相同的輸入電壓與輸出電壓的應用中，僅需要承受較低的額定電壓，故可使用較小體積的電容器。
於一實施例中，上述充電程序之充電諧振頻率與上述複數放電程序之放電諧振頻率相同。於一實施例中，上述充電程序之充電諧振頻率與上述複數放電程序之放電諧振頻率不同。於一實施例中，上述諧振切換式電源轉換器20可為雙向諧振切換式電源轉換器。所謂雙向諧振切換式電源轉換器，係指輸入端(提供輸入電壓Vin)與輸出端(提供輸出電壓Vout)的角色對調，意即在如圖2A所示的實施例中，諧振切換式電源轉換器20可將輸出電壓Vout轉換為輸入電壓Vin。於一實施例中，上述諧振切換式電源轉換器20之輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之電壓轉換比率可為4：1、3：1或2：1。
於一實施例中，上述充電程序的持續時間(Ton1)係與上述充電程序之充電諧振頻率(fr1)相關。於一較佳實施例中，上述充電程序的持續時間(Ton1)係與充電程序之充電諧振電流之正半波相關，例如開關Q1-Q4之導通時點及不導通時點係大致上同步於充電程序之一充電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點。於一實施例中，上述複數放電程序的持續時間(Ton2)係與上述複數放電程序之放電諧振頻率(fr2)相關。於一較佳實施例中，上述複數放電程序的持續時間(Ton2)係與複數放電程序之放電諧振電流之正半波相關，例如開關Q5-Q10之導通時點及不導通時點係大致上分別同步於複數放電程序之每一者之放電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點。
於上述充電程序之充電諧振頻率(fr1)等於上述複數放電程序之放電諧振頻率(fr2)的實施例中，當上述充電程序的持續時間(Ton1)等於上述複數放電程序之每一者的持續時間(Ton2)時，例如大致上等於百分之二十五之工作週期時，藉此可於流經開關的電流皆在其正半波相對較低位準的時點切換，以達成柔性切換。在一種較佳的實施例中，可達到零電流切換(zero current switch,ZCS)。
此外需說明的是：因電路零件的本身之寄生效應或是零件間相互的匹配不一定為理想，因此，雖然欲使充電程序的持續時間等於放電程序的持續時間(也就是於此實施例中充電程序的持續時間為百分之二十五之工作週期)，以達到柔性切換(soft switching)之零電流切換。但實際可能並無法準確地為百分之二十五之工作週期，而僅是接近百分之二十五之工作週期，亦即，根據本發明，可接受由於電路的不理想性而使充電程序的持續時間與百分之二十五之工作週期間具有一定程度的誤差，此即前述之放電至「大致上」為百分之二十五之工作週期之意，本文中其他提到「大致上」之處亦同。
於一實施例中，上述充電程序的持續時間小於百分之二十五之工作週期一段預設期間；藉此提前不導通開關Q1-Q4後仍維持有微小的電流，流經充電電感L1，因此，即可將開關Q10中，儲存於其中之寄生電容的累積電荷透過開關Q4之寄生二極體放電，而降低開關Q10的跨壓，以達到柔性切換。在一種較佳的實施例中，調整預設期間，而達到零電壓切換(zero voltage switch，ZVS)。於一實施例中，相對地，上述複數放電程序之最後一者的持續時間大於百分之二十五之工作週期一段預設期間；藉此，延後不導通開關Q7及Q10後放電電感L2的負電流 會通過開關Q5的寄生二極體而對開關Q1的寄生電容進行充電，而降低開關Q1的跨壓，以達到柔性切換。在一種較佳的實施例中，調整預設期間，而達到零電壓切換。
上述充電程序之充電諧振頻率(fr1)及上述複數放電程序之每一者的放電諧振頻率(fr2)如下式所示，假設C1=C2=C3=C。
Figure 109131757-A0305-02-0014-1
Figure 109131757-A0305-02-0014-2
且如上所述欲使fr1=fr2，則結合式(1)與(2)可得下式
Figure 109131757-A0305-02-0014-3
進而可導出L2與L1的電感值需符合下式
Figure 109131757-A0305-02-0014-4
亦即欲使fr1=fr2時，L2與L1的電感值需設置符合式(3)的關係。
圖2B顯示圖2A所示之諧振切換式電源轉換器中，相關訊號之訊號波形示意圖。輸出電壓Vout、充電諧振電流IL1、放電諧振電流IL2、電容C1電流Ic1、電容C2電流Ic2以及電容C3電流Ic3如圖2B所示。在本實施例中，充電諧振頻率與放電諧振頻率相等且充電程序的持續時間及複數放電程序之每一者的持續時間大致上為百分之二十五之工作週期。
於另一實施例中，當L1的電感值等於L2的電感值時，且假設C1=C2=C3=C，式(1)及式(2)可改寫為如下所示：
Figure 109131757-A0305-02-0015-5
由上式中可理解到，當L1的電感值等於L2的電感值時，充電諧振頻率與放電諧振頻率是不相等的，在此條件下，若欲達成零電流切換，則持續時間(Ton1)及持續時間(Ton2)需各自對應設置為充電諧振頻率(fr1)及充電諧振頻率(fr2)的半週期，如下式所示：
Figure 109131757-A0305-02-0015-6
若欲達成零電流切換，綜合以上公式可知，持續時間(Ton1)及持續時間(Ton2)需符合下式的關係：
Figure 109131757-A0305-02-0015-7
亦即當L1的電感值等於L2的電感值時，放電程序之持續時間(Ton2)需設置為充電程序之持續時間(Ton1)的
Figure 109131757-A0305-02-0015-18
倍。亦即，充電程序之持續時間(Ton1)大致上等於百分之十六之工作週期，複數放電程序之每一者之持續時間(Ton2)大致上等於百分之二十八之工作週期，仍可達成前述之零電流切換。
值得注意的是，L1的電感值等於L2的電感值的一個特例是，充電電感L1與放電電感L2可共用同一個電感，分別於不同時間作用為充電電感、放電電感。
因此，請參照圖3A，其為根據本發明之另一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之電路示意圖；圖3B係根據本發明之一實施例顯示一充電程序與複數放電程序之對應之操作訊號與對應之電容電流之訊號波形示意圖；圖3C係根據本發明之一實施例顯示一諧振切換式電源轉換器之相關訊號之訊號波形示意圖。本實施例中，充電電感與放電電感可為同一個電感L3，如此之設置可更進一步地減少電感的數量。如圖3A所示，本發明之諧振切換式電源轉換器30包含電容C1、C2、C3、開關Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、電感L3、控制器301、零電流偵測電路302以及開關驅動器303。開關Q1-Q3分別與對應之電容C1-C3串聯，而開關Q4與電感L3串聯。應注意者為，本發明之諧振切換式電源轉換器中的電容數量並不限於本實施例的三個，亦可為二個或四個以上，本實施例所顯示之元件數量僅用以說明本發明並不用限制本發明。
須說明的是，在本實施例中，充電電感與放電電感為單一個相同的電感L3，在複數放電程序中，藉由開關Q1-Q10的切換，使電容C1-C3分別輪流串聯單一個相同電感L3。所謂充電電感與放電電感為單一個相同的電感L3，係指在充電程序與複數放電程序中，充電諧振電流 IL3與放電諧振電流IL3分別僅流經單一個電感L3，而未再流經其他電感元件。於一實施例中，電感L3可為可變電感。
如圖3A所示，開關Q5之一端耦接至開關Q1與電容C1之間的節點，開關Q6之一端耦接至開關Q2與電容C2之間的節點，而開關Q7之一端耦接至開關Q3與電容C3之間的節點。開關Q8之一端耦接至電容C1與開關Q2之間的節點，開關Q9之一端耦接至電容C2與開關Q3之間的節點，而開關Q10之一端耦接至電容C3與開關Q4之間的節點。如圖3A所示，開關Q5-Q7之另一端共同電連接至一節點後，耦接至開關Q4與電感L3之間的節點，開關Q8-Q10之另一端係共同耦接至接地電位。電感L3的另一端係耦接至輸出電壓Vout，開關Q1之另一端耦接至輸入電壓Vin。控制器301係用以產生充電操作訊號G1、放電操作訊號G2、G3、G4，以分別對應一充電程序與複數放電程序，而操作對應之複數開關Q1-Q10，以切換所對應之電容C1-C3之電連接關係。零電流偵測電路302係耦接於控制器301與輸出電壓Vout之間，用以於充電程序時偵測電感L3與輸出電壓Vout之間的節點上的一充電諧振電流或於複數放電程序時偵測電感L3與輸出電壓Vout之間的節點上的一放電諧振電流。當零電流偵測電路302偵測到充電諧振電流或放電諧振電流為零時產生一零電流偵測訊號至控制器301。零電流偵測電路302可包含一電流感測電路3021，用以於充電程序時感測充電諧振電流或於複數放電程序時感測放電諧振電流。零電流偵測電路302可進一步包含比較器3022，用以將感測所得之充電諧振電流或放電諧振電流與一參考訊號Vref1比對，用以產生零電流偵 測訊號。開關驅動器303係耦接於控制器301與複數開關Q1-Q10之間，用以根據充電操作訊號G1或複數放電操作訊號G2、G3、G4控制複數開關Q1-10。
開關Q1-Q10可根據控制器301所產生之充電操作訊號G1、放電操作訊號G2、G3、G4經由開關驅動器303的控制，切換所對應之電容C1-C3與電感L3之電連接關係。於一實施例中，充電操作訊號G1與放電操作訊號G2、G3、G4，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，上述複數段導通期間彼此不重疊。請同時參照圖3A及圖3B，在一充電程序中，於持續時間(Ton1)期間，根據充電操作訊號G1，開關Q1-Q4係為導通，開關Q5-Q10係為不導通，使得電容C1-C3彼此串聯後與電感L3串聯於輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之間，以形成一充電路徑。在複數放電程序中，分別根據放電操作訊號G2、G3、G4，開關Q5-Q10係分別輪流導通，開關Q1-Q4係不導通，使電容C1、電容C2及電容C3分別輪流串聯電感L3，而形成複數放電路徑。例如，請同時參照圖3A及圖3B，於持續時間(Ton2)期間，根據放電操作訊號G2，開關Q5及Q8係導通，開關Q1-Q4、Q6-Q7及Q9-Q10係不導通，使電容C1串聯電感L3於接地電位與輸出電壓Vout之間，而形成一放電路徑；於持續時間(Ton3)期間，根據放電操作訊號G3，開關Q6及Q9係導通，開關Q1-Q5、Q7、Q8及Q10係不導通，使電容C2串聯電感L3於接地電位與輸出電壓Vout之間，而形成另一放電路徑；於持續時間(Ton4)期間，根據放電操作訊號G4，開關Q7及Q10係導通，開關Q1-Q6及Q8-Q9係不導通，使電容C3串聯電感L3於接 地電位與輸出電壓Vout之間，而形成再一放電路徑。應注意者為，上述充電程序與上述複數放電程序之每一者係於不同的時間段重複地交錯進行，而非同時進行。其中，充電程序與複數放電程序彼此重複地交錯排序，以將輸入電壓Vin轉換為輸出電壓Vout。於本實施例中，每個電容C1、C2、C3的直流偏壓均為Vo，故本實施例中的電容C1、C2、C3相對於先前技術，在相同的輸入電壓與輸出電壓的應用中，僅需要承受較低的額定電壓，故可使用較小體積的電容器。
在充電電感與放電電感設置為單一個相同的電感L3的本實施例中，根據前述公式而適當配置上述充電程序的持續時間(Ton1)及放電程序的持續時間(Ton2)的比例，可達到柔性切換之零電流切換。具體而言，於一實施例中，上述充電程序的持續時間例如大致上等於百分之十六之工作週期；藉此，開關可於流經開關的電流在其正半波相對較低位準的時點切換，以達成柔性切換。在一種較佳的實施例中，可達到零電流切換(zero current switch,ZCS)。於一實施例中，上述充電程序的持續時間小於百分之十六之工作週期一段預設期間；藉此提前不導通開關Q1-Q4後仍維持有微小的電流，流經電感L3，因此，即可將開關Q10中，儲存於其中之寄生電容的累積電荷通過開關Q4之寄生二極體放電，而降低開關Q10的跨壓，以達到柔性切換。在一種較佳的實施例中，調整預設期間，而達到零電壓切換(zero voltage switch，ZVS)。於一實施例中，相對地，上述複數放電程序之最後一者的持續時間大於百分之二十八之工作週期一段預設期間；藉此，延後不導通開關Q7及Q10後電感L3 的負電流會通過開關Q5的寄生二極體而對開關Q1的寄生電容進行充電，而降低開關Q1的跨壓，以達到柔性切換。在一種較佳的實施例中，調整預設期間，而達到零電壓切換(zero voltage switch，ZVS)。
於一實施例中，上述諧振切換式電源轉換器30可為雙向諧振切換式電源轉換器。於一實施例中，上述諧振切換式電源轉換器30之輸入電壓Vin與輸出電壓Vout之電壓轉換比率可為4：1、3：1或2：1。於一實施例中，諧振切換式電源轉換器30之電壓轉換比率可彈性地加以調整，例如於充電程序與放電程序中，藉由選擇將開關Q7保持導通，並選擇將開關Q10及Q4保持不導通，則可將諧振切換式電源轉換器30之電壓轉換比率調整為3：1。同樣地，例如可選擇將開關Q6保持導通並選擇將開關Q9、Q3、Q7、Q10及Q4保持不導通，則可將諧振切換式電源轉換器30之電壓轉換比率調整為2：1。
圖3B係根據本發明之一實施例顯示一充電程序與複數放電程序之對應之操作訊號與對應之電容電流之訊號波形示意圖。如圖3B所示，第一放電程序之持續時間(Ton2)需設置為充電程序之持續時間(Ton1)的
Figure 109131757-A0305-02-0020-19
倍，同理第二放電程序之持續時間(Ton3)亦需設置為充電程序之持續時間(Ton1)的
Figure 109131757-A0305-02-0020-20
倍，第三放電程序之持續時間(Ton4)亦需設置為充電程序之持續時間(Ton1)的
Figure 109131757-A0305-02-0020-21
倍。圖3C顯示圖3A所示之諧振切換式電源轉換器中，相關訊號之訊號波形示意圖。輸出電壓Vout、充電諧振電流IL3、輸入電流Iin、電容C1電流Ic1、電容C2電流Ic2以及電容C3電流Ic3如圖3C所示。在本實施例中，充電諧振頻率與複數放電諧振頻率之 每一者相等且充電程序的持續時間大致上為百分之十六之工作週期，複數放電程序之每一者的持續時間大致上為百分之二十八之工作週期。
圖4A係根據本發明之一實施例顯示一充電程序與放電程序之對應之操作訊號與對應之電感電流之訊號波形示意圖。請同時參閱圖2A，圖4A所示的實施例中，開關Q1~Q4之充電操作訊號G1於充電程序時為高位準，而開關Q5~Q10之放電操作訊號G2~G4於放電程序時為高位準。於圖4A之實施例中，充電程序的持續時間大致上為百分之二十五之工作週期；藉此，開關Q1可於流經開關的電流在其正半波相對較低位準的時點切換，也是在充電電感L1之充電諧振電流IL1為零電流時切換，以達成柔性切換。在一種較佳的實施例中，可達到零電流切換。
圖4B及4C係根據本發明之另一實施例顯示一充電程序與放電程序之對應之操作訊號與對應之電感電流之訊號波形示意圖。請同時參閱圖2A，圖4B所示的實施例中，開關Q1~Q4之充電操作訊號G1於充電程序時為高位準，而開關Q5及Q8之放電操作訊號G2於放電程序時為高位準。於圖4B之實施例中，充電程序的持續時間大致上為小於百分之二十五之工作週期一段預設期間T1；藉此，提前不導通開關Q1-Q4後仍維持有微小的電流流經充電電感L1，因此，即可將開關Q10中，儲存於其中之寄生電容的累積電荷透過開關Q4之寄生二極體放電，而降低開關Q10的跨壓，以達到柔性切換。在一種較佳的實施例中，調整預設期間T1，而達到零電壓切換。請同時參閱圖2A，圖4C所 示的實施例中，開關Q1~Q4之充電操作訊號G1於充電程序時為高位準，開關Q7及Q10之放電操作訊號G4於放電程序時為高位準。於圖4C之實施例中，放電程序的持續時間大致上為大於百分之二十五之工作週期一段預設期間T2+T3；藉此，延後不導通開關Q7及Q10後放電電感L2的負電流會通過開關Q5的寄生二極體而對開關Q1的寄生電容進行充電，而降低開關Q1的跨壓，以達到柔性切換。在一種較佳的實施例中，調整預設期間T2與T3，而達到零電壓切換。於一實施例中，應注意者為，圖4B及4C之實施例可一起實施或僅實施其中一者。此外，請參照圖4D，其係根據本發明之另一實施例顯示一充電程序與放電程序之對應之操作訊號與對應之電容電流之訊號波形示意圖。請同時參照圖2A，如圖4D所示，可調整充電程序的持續時間及/或複數放電程序的持續時間例如在複數放電程序之最後一者的持續時間加入延遲時間Td，而調整輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的比例。於延遲時間Td中所有的複數開關均為不導通。
須說明的是，所謂開關之導通時點及不導通時點係同步於充電程序之充電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點，係指開關之導通時點及不導通時點與充電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點相同，或是間隔一段固定的期間；而開關之導通時點及不導通時點係同步於放電程序之放電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點，係指開關之導通時點及不導通時點與放電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點相同，或是間隔一段固定的期間。
本發明如上所述提供了一種諧振切換式電源轉換器，其藉由特殊的電路設計可解決湧浪電流問題及循環電流問題、易於達到具有零電流切換及/或零電壓切換之柔性切換、能夠掩蓋元件因直流偏壓或操作溫度所產生的變化例如電容值變化、能夠降低切換頻率以改善輕負載情況時的效率、具有較佳的電流及電壓平衡，且可支援具有3：1或以上的電壓轉換比率之諧振切換電容式電源轉換器。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之最廣的權利範圍。所說明之各個實施例，並不限於單獨應用，亦可以組合應用，舉例而言，兩個或以上之實施例可以組合運用，而一實施例中之部分組成亦可用以取代另一實施例中對應之組成部件。此外，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，舉例而言，本發明所稱「根據某訊號進行處理或運算或產生某輸出結果」，不限於根據該訊號的本身，亦包含於必要時，將該訊號進行電壓電流轉換、電流電壓轉換、及/或比例轉換等，之後根據轉換後的訊號進行處理或運算產生某輸出結果。由此可知，在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化以及各種組合，其組合方式甚多，在此不一一列舉說明。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
20:諧振切換式電源轉換器
201:控制器
202:零電流偵測電路
2021:電流感應電路
2022:比較器
203:開關驅動器
C1~C3:電容
Co:輸出電容
G1:充電操作訊號
G2,G3,G4:放電操作訊號
Ic1:電容C1電流
Ic2:電容C2電流
Ic3:電容C3電流
IL1:充電諧振電流
IL2:放電諧振電流
L1:充電電感
L2:放電電感
Q1~Q10:開關
RL:負載電阻
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓

Claims (18)

  1. 一種諧振切換式電源轉換器，用以將一輸入電壓轉換為一輸出電壓，該諧振切換式電源轉換器包含：複數電容；複數開關，與該複數電容對應耦接；至少一充電電感，與該複數電容中之至少其中之一對應串聯；至少一放電電感，與該複數電容中之至少其中之一對應串聯；以及一控制器，用以產生一充電操作訊號與複數放電操作訊號，以分別對應一充電程序與複數放電程序，而操作對應之該複數開關，以切換所對應之該電容之電連接關係；其中，該充電操作訊號與每一該複數放電操作訊號，分別各自切換至一導通位準一段導通期間，且該複數段導通期間彼此不重疊，以使該充電程序與複數該放電程序彼此不重疊；其中，在該充電程序中，該控制器藉由該充電操作訊號控制該複數開關的切換，使該複數電容之每一者與該至少一充電電感彼此串聯於該輸入電壓與該輸出電壓之間，以形成單一的一充電路徑；其中，在每一該放電程序中，該控制器藉由對應之該放電操作訊號以控制該複數開關的切換，使對應之該電容與對應之該放電電感串聯於該輸出電壓與一接地電位間，而形成對應之一放電路徑；其中，該複數放電程序輪流形成對應之該放電路徑；其中，該充電程序與該複數放電程序彼此重複地交錯排序，以將該輸入電壓轉換為該輸出電壓；其中，該複數放電程序之每一者係分別於不同的時間段進行。
  2. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，更包含一零電流偵測電路，耦接於該控制器與該輸出電壓之間，用以於該充電程序時偵測一充電諧振電流或於該複數放電程序時偵測一放電諧振電流，當該零電流偵測電路偵測到該充電諧振電流或該放電諧振電流為零時產生一零電流偵測訊號至該控制器。
  3. 如請求項2所述之諧振切換式電源轉換器，其中該零電流偵測電路包括：一電流感測電路，用以於該充電程序時感測該充電諧振電流或於該複數放電程序時感測該放電諧振電流，而產生一電流感測訊號；以及一比較器，用以比較該電流感測訊號與一參考訊號，而產生該零電流偵測訊號。
  4. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，更包含複數開關驅動器，分別耦接於該控制器與對應之該開關之間，用以根據對應之該充電操作訊號或對應之該放電操作訊號，而分別控制該複數開關。
  5. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中於該複數放電程序結束後，延遲一延遲時間之後，下一個充電程序才開始，且於該延遲時間中，所有對應的該開關均為不導通。
  6. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該至少一充電電感為單一個充電電感，該至少一放電電感為單一個放電電感。
  7. 如請求項6所述之諧振切換式電源轉換器，其中該單一個充電電感之電感值相等於該單一個放電電感之電感值。
  8. 如請求項1所述之諧振切換式電源轉換器，其中該至少一充電電感與該至少一放電電感為單一個相同電感。
  9. 如請求項8所述之諧振切換式電源轉換器，其中該單一個相同電感為可變電感。
  10. 如請求項8所述之諧振切換式電源轉換器，其中該諧振切換式電源轉換器於該充電程序與該複數放電程序中，藉由保持導通該複數開關中特定之至少一者，並保持不導通該複數開關中特定之至少二者，而改變該輸入電壓與該輸出電壓之電壓轉換比率。
  11. 如請求項1或6所述之諧振切換式電源轉換器，其中該充電程序具有一充電諧振頻率，且該複數放電程序具有一放電諧振頻率，且該充電諧振頻率與該放電諧振頻率相同。
  12. 如請求項1、6、7或8所述之諧振切換式電源轉換器，其中該充電程序具有一充電諧振頻率，且該複數放電程序具有一放電諧振頻率，且該充電諧振頻率與該放電諧振頻率不同。
  13. 如請求項1、6、7或8所述之諧振切換式電源轉換器，其中調整該充電程序的持續時間，以達到柔性切換(soft switching)之零電壓切換。
  14. 如請求項1、6、7或8所述之諧振切換式電源轉換器，其中調整該複數放電程序的持續時間，以達到柔性切換(soft switching)之零電壓切換。
  15. 如請求項1、6、7或8所述之諧振切換式電源轉換器，其中該諧振切換式電源轉換器為雙向諧振切換式電源轉換器。
  16. 如請求項1、6、7或8所述之諧振切換式電源轉換器，其中該諧振切換式電源轉換器之該輸入電壓與該輸出電壓之電壓轉換比率為4：1、3：1或2：1。
  17. 如請求項1、6、7或8所述之諧振切換式電源轉換器，其中在該充電程序中，對應之該複數開關之導通時點及不導通時點係同步於該充電程序之一充電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點，以達到柔性切換(soft switching)之零電流切換。
  18. 如請求項1、6、7或8所述之諧振切換式電源轉換器，其中在該複數放電程序中，對應之該複數開關之導通時點及不導通時點係同步於該複數放電程序之其中一者之一放電諧振電流之正半波之起始時點及結束時點，以達到柔性切換之零電流切換。
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