TWI755850B - 複合型直流轉換器 - Google Patents
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Abstract
一種複合型直流轉換器包含一主開關單元、一第一諧振單元、一第二諧振單元、一第一變壓器、一第二變壓器、一第一整流單元、一第二整流單元、一第一濾波電感、一第一濾波電容、一第二濾波電容、一輔助開關單元、一電流感測器、及一控制單元。該控制單元根據該電流感測器所偵測流經一負載的一直流輸出電流的大小，操作在一輕載模式、一中載模式、及一重載模式之間，並藉由控制該主開關單元及該輔助開關單元，使得該複合型直流轉換器分別運作為一半橋LLC諧振轉換器、一相移全橋轉換器、及該半橋LLC諧振轉換器與該相移全橋轉換器。
Description
本發明是有關於一種直流轉換器，特別是指一種對輕載、中載、及重載作最佳化的複合型直流轉換器。
直流-直流轉換器(DC-to-DC converter)又稱為直流變壓器，是一種將直流輸入電源轉換為不同電壓的直流輸出電源的裝置。直流-直流轉換器具有各種已知的電路架構，並分別用於不同的應用條件，舉例來說，不同的電路架構在不同的負載大小的運作條件下，對應的轉換效率的高低也不相同。因此，習知的直流-直流轉換器往往都是根據負載大小的範圍，選擇一種已知的電路架構以達到較佳的轉換效率。然而，當負載的範圍較大時，單一種電路架構的直流-直流轉換器就會面臨無法兼顧不同負載大小時所有轉換效率都保持在較高效率的設計條件，而成為一個待解決的問題。
因此，本發明的目的，即在提供一種轉換效率最佳化的複合型直流轉換器。
於是，本發明提供一種複合型直流轉換器，適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，並包含一主開關單元、一第一諧振單元、一第二諧振單元、一第一變壓器、一第二變壓器、一第一整流單元、一第二整流單元、一第一濾波電感、一第一濾波電容、一第二濾波電容、一輔助開關單元、一電流感測器、及一控制單元。
該主開關單元接收該直流輸入電壓，並包括一第一開關、一第二開關、一第三開關、及一第四開關，該第一開關至該第四開關分別根據一第一控制信號至一第四控制信號，於導通與不導通之間切換。
該第一諧振單元電連接該主開關單元，並包括一第一諧振電感。該第二諧振單元電連接該主開關單元，並與該第四開關並聯，且包括一第二諧振電感、一激磁電感、及一諧振電容。該第一變壓器電連接該主開關單元及該第一諧振單元。該第二變壓器電連接該主開關單元及該第二諧振單元。
該第一整流單元電連接該第一變壓器。該第二整流單元電連接該第二變壓器。該第一濾波電感電連接該第一整流單元。該第一濾波電容電連接該第一變壓器、該第一整流單元、及該第一濾波電感。該第二濾波電容電連接該第二變壓器及該第二整流單元。
該輔助開關單元包括一第五開關及一第六開關，該第五開關及該第六開關分別電連接於該第一濾波電容與該負載之間及該第二濾波電容與該負載之間，且分別根據一第五控制信號及一第六控制信號，於導通與不導通之間切換。該電流感測器偵測流經該負載且對應該直流輸出電壓的一直流輸出電流的大小。
該控制單元電連接該負載以偵測該直流輸出電壓，並電連接該電流感測器以獲得該直流輸出電流的大小，且電連接該主開關單元及該輔助開關單元，以輸出該第一控制信號至該第六控制信號。該控制單元根據該直流輸出電流的大小，藉由該第五控制信號及該第六控制信號控制該第五開關及該第六開關，以操作在一輕載模式、一中載模式、及一重載模式之間，當操作在輕載模式時，該複合型直流轉換器運作為一半橋LLC諧振轉換器(Half-bridge LLC resonant converter)，當操作在中載模式時，該複合型直流轉換器運作為一相移全橋轉換器(Phase-shifted full bridge converter，PSFB converter)，當操作在該重載模式時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器。
在一些實施態樣中，其中，當該控制單元判斷該直流輸出電流小於一第一閥值時，操作在該輕載模式，而當判斷該直流輸出電流大於該第一閥值且小於一第二閥值時，操作在該中載模式，而當判斷該直流輸出電流大於該第二閥值時，操作在該重載模式。
在一些實施態樣中，其中，當該直流輸出電流小於該第一閥值時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該相移全橋轉換器或運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率。
當該直流輸出電流大於該第一閥值且小於該第二閥值時，該複合型直流轉換器運作為該相移全橋轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該半橋LLC諧振轉換器或運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率。
當該直流輸出電流大於該第二閥值時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該半橋LLC諧振轉換器或運作為該相移全橋轉換器所對應的轉換效率。
在另一些實施態樣中，其中，當該控制單元操作在該輕載模式時，藉由該第五控制信號控制該第五開關不導通，且藉由該第六控制信號控制該第六開關導通，且藉由該第一控制信號及該第二控制信號分別控制該第一開關及該第二開關不導通，且藉由該第三控制信號及該第四控制信號，使得該主開關單元的該第三開關及該第四開關、該第二諧振單元、該第二變壓器、該第二整流單元、及該第二濾波單元運作為該半橋LLC諧振轉換器。
在一些實施態樣中，其中，當該控制單元操作在該中載模式時，藉由該第五控制信號控制該第五開關導通，且藉由該第六控制信號控制該第六開關不導通，且藉由該第一控制信號至該第四控制信號，使得該主開關單元的該第一開關至該第四開關、該第一諧振單元、該第一變壓器、該第一整流單元、該第一濾波電感、及該第一濾波電容運作為該相移全橋轉換器。
在一些實施態樣中，其中，當該控制單元操作在該重載模式時，藉由該第五控制信號控制該第五開關導通，且藉由該第六控制信號控制該第六開關導通，且藉由該第一控制信號至該第四控制信號，使得該主開關單元的該第一開關至該第四開關、該第一諧振單元、該第一變壓器、該第一整流單元、該第一濾波電感、及該第一濾波電容運作為該相移全橋轉換器，且藉由該第三控制信號及該第四控制信號，使得該主開關單元的該第三開關及該第四開關、該第二諧振單元、該第二變壓器、該第二整流單元、及該第二濾波單元運作為該半橋LLC諧振轉換器。
在一些實施態樣中，該複合型直流轉換器還包含一穩壓電容，與該負載並聯，並與該第一濾波電容分別位於該輔助開關單元的該第五開關的兩端，且與該第二濾波電容分別位於該輔助開關單元的該第六開關的兩端，其中，該穩壓電容的電容值大於該第一濾波電容的電容值且大於該第二濾波電容的電容值。
在一些實施態樣中，其中，該主開關單元的該第一開關至該第四開關都包含並聯的一背接二極體及一寄生電容，形成串聯的該第一開關及該第二開關與形成串聯的該第三開關及該第四開關並聯。該第一變壓器包括一位於一次側的第一繞組，及位於二次側且串聯的一第二繞組與一第三繞組，該第一繞組與該第一諧振電感串聯再電連接於該第一開關與該第二開關的共同接點及該第三開關與該第四開關的共同接點之間。該第二變壓器包括一位於一次側的第四繞組，及位於二次側且串聯的一第五繞組與一第六繞組，該第四繞組與該激磁電感並聯。
該第一整流單元與該第一變壓器串聯的該第二繞組與該第三繞組並聯，並包括反向串聯的一第一整流二極體及一第二整流二極體。該第二整流單元與該第二變壓器串聯的該第五繞組與該第六繞組並聯，並包括反向串聯的一第三整流二極體及一第四整流二極體。該第一濾波電容與該第一濾波電感串聯，並電連接於該第二繞組與該第三繞組的共同接點及該第一整流二極體與該第二整流二極體的陰極共同接點之間。該第二濾波電容電連接於該第五繞組與該第六繞組的共同接點及該第三整流二極體與該第四整流二極體的陰極共同接點之間。該輔助開關單元的該第五開關及該第六開關分別與該負載串聯，再分別與該第一濾波電容及該第二濾波電容並聯。
本發明的功效在於：藉由該控制單元根據該電流感測器所偵測流經該負載的該直流輸出電流的大小，操作在該輕載模式、該中載模式、及該重載模式之間，使得該複合型直流轉換器分別運作為該半橋LLC諧振轉換器、該相移全橋轉換器、及該半橋LLC諧振轉換器與該相移全橋轉換器，而能夠保持所對應的轉換效率相對最佳化。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明複合型直流轉換器之一實施例，適用於接收一直流輸入電壓V
d，並輸出一直流輸出電壓V
o至一負載R
o，並包含一主開關單元11、一第一諧振單元21、一第二諧振單元22、一第一變壓器TR1、一第二變壓器TR2、一第一整流單元31、一第二整流單元32、一第一濾波電感L
o、一第一濾波電容C
o1、一第二濾波電容C
o2、一穩壓電容C
o、一輔助開關單元12、一電流感測器4、及一控制單元5。
該主開關單元11接收該直流輸入電壓V
d，並包括一第一開關M1、一第二開關M2、一第三開關M3、及一第四開關M4。該第一開關M1至該第四開關M4分別根據一第一控制信號S1至一第四控制信號S4，於導通與不導通之間切換，且都包含並聯的一背接二極體D
s1~D
s4及一寄生電容C
oss1~C
oss4。形成串聯的該第一開關M1及該第二開關M2與形成串聯的該第三開關M3及該第四開關M4並聯。該直流輸入電壓V
d例如是由一電壓源9提供，但不在此限。
該第一諧振單元21電連接該主開關單元11，並包括一第一諧振電感L
r1。該第二諧振單元22電連接該主開關單元11，並與該第四開關M4並聯，且包括一第二諧振電感L
r2、一激磁電感L
m、及一諧振電容C
r。
該第一變壓器TR1電連接該主開關單元11及該第一諧振單元21，並包括位於一次側的一第一繞組，及位於二次側且串聯的一第二繞組與一第三繞組，該第一繞組與該第一諧振電感L
r1串聯再電連接於該第一開關M1與該第二開關M2的共同接點及該第三開關M3與該第四開關M4的共同接點之間。
該第二變壓器TR2電連接該主開關單元11及該第二諧振單元22，並包括位於一次側的一第四繞組，及位於二次側且串聯的一第五繞組與一第六繞組，該第四繞組與該激磁電感L
m並聯。
該第一整流單元31電連接該第一變壓器TR1，並與該第一變壓器TR1串聯的該第二繞組與該第三繞組並聯，且包括反向串聯的一第一整流二極體D1及一第二整流二極體D2。
該第二整流單元32電連接該第二變壓器TR2，並與該第二變壓器TR2串聯的該第五繞組與該第六繞組並聯，且包括反向串聯的一第三整流二極體D3及一第四整流二極體D4。
該第一濾波電感L
o電連接該第一整流單元31。該第一濾波電容C
o1電連接該第一變壓器TR1、該第一整流單元31、及該第一濾波電感L
o。該第一濾波電容C
o1與該第一濾波電感L
o串聯，並電連接於該第二繞組與該第三繞組的共同接點及該第一整流二極體D1與該第二整流二極體D2的陰極共同接點之間。
該第二濾波電容C
o2電連接該第二變壓器TR2及該第二整流單元32，並電連接於該第五繞組與該第六繞組的共同接點及該第三整流二極體D3與該第四整流二極體D4的陰極共同接點之間。
該輔助開關單元12包括一第五開關M5及一第六開關M6，該第五開關M5及該第六開關M6分別電連接於該第一濾波電容C
o1與該負載R
o之間及該第二濾波電容C
o2與該負載R
o之間，且分別與該負載R
o串聯再分別與該第一濾波電容C
o1及該第二濾波電容C
o2並聯。該第五開關M5及該第六開關M6分別根據一第五控制信號S5及一第六控制信號S6，於導通與不導通之間切換。
該電流感測器4偵測流經該負載R
o且對應該直流輸出電壓V
o的一直流輸出電流的大小。該控制單元5例如是一微控制器(MCU)，並電連接該負載R
o以偵測該直流輸出電壓V
o，且電連接該電流感測器4以獲得該直流輸出電流的大小，且電連接該主開關單元11及該輔助開關單元12，以輸出該第一控制信號S1至該第六控制信號S6。
該控制單元5根據該直流輸出電流的大小，藉由該第五控制信號S5及該第六控制信號S6控制該第五開關M5及該第六開關M6，以操作在一輕載模式、一中載模式、及一重載模式之間。當操作在輕載模式時，該複合型直流轉換器運作為一半橋LLC諧振轉換器(Half-bridge LLC resonant converter)；當操作在中載模式時，該複合型直流轉換器運作為一相移全橋轉換器(Phase-shifted full bridge converter，PSFB converter)；當操作在該重載模式時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器。
更詳細地說，當該控制單元5判斷該直流輸出電流小於一第一閥值時，操作在該輕載模式，而當判斷該直流輸出電流大於該第一閥值且小於一第二閥值時，操作在該中載模式，而當判斷該直流輸出電流大於該第二閥值時，操作在該重載模式。在本實施例中，該第一閥值及該第二閥值分別是5安培及10安培，但不以此為限。
也就是說，當該直流輸出電流小於該第一閥值時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該相移全橋轉換器或運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率。而當該直流輸出電流大於該第一閥值且小於該第二閥值時，該複合型直流轉換器運作為該相移全橋轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該半橋LLC諧振轉換器或運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率。而當該直流輸出電流大於該第二閥值時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該半橋LLC諧振轉換器或運作為該相移全橋轉換器所對應的轉換效率。
參閱圖1與圖2，當該控制單元5操作在該輕載模式時，該控制單元5是藉由該第五控制信號S5控制該第五開關M5不導通，且藉由該第六控制信號S6控制該第六開關M6導通，且藉由該第一控制信號S1及該第二控制信號S2分別控制該第一開關M1及該第二開關M2不導通，且藉由該第三控制信號S3及該第四控制信號S4，使得該主開關單元11的該第三開關M3及該第四開關M4、該第二諧振單元22、該第二變壓器TR2、該第二整流單元32、及該第二濾波單元運作為該半橋LLC諧振轉換器。
參閱圖1與圖3，當該控制單元5操作在該中載模式時，該控制單元5是藉由該第五控制信號S5控制該第五開關M5導通，且藉由該第六控制信號S6控制該第六開關M6不導通，且藉由該第一控制信號S1至該第四控制信號S4，使得該主開關單元11的該第一開關M1至該第四開關M4、該第一諧振單元21、該第一變壓器TR1、該第一整流單元31、該第一濾波電感L
o、及該第一濾波電容C
o1運作為該相移全橋轉換器。
參閱圖1，當該控制單元5操作在該重載模式時，該控制單元5是藉由該第五控制信號S5控制該第五開關M5導通，且藉由該第六控制信號S6控制該第六開關M6導通，且藉由該第一控制信號S1至該第四控制信號S4，使得該主開關單元11的該第一開關M1至該第四開關M4、該第一諧振單元21、該第一變壓器TR1、該第一整流單元31、該第一濾波電感L
o、及該第一濾波電容C
o1運作為該相移全橋轉換器，且藉由該第三控制信號S3及該第四控制信號S4，使得該主開關單元11的該第三開關M3及該第四開關M4、該第二諧振單元22、該第二變壓器TR2、該第二整流單元32、及該第二濾波單元運作為該半橋LLC諧振轉換器。舉例來說，當該負載R
o的該直流輸出電流式15安培時，該複合型直流轉換器是藉由作為該相移全橋轉換器的電路作為主要轉換器以負擔較多的輸出電流(即10安培)，並藉由作為該半橋LLC諧振轉換器的電路作為輔助轉換器以負擔較少的輸出電流(即5安培)。
另外要特別強調的是：當該控制單元5操作在該輕載模式、該中載模式、及該重載模式之間作切換時，為避免該直流輸出電壓V
o產生突波過大的問題，藉由該穩壓電容C
o與該負載R
o並聯，並與該第一濾波電容C
o1分別位於該輔助開關單元12的該第五開關M5的兩端，且與該第二濾波電容C
o2分別位於該輔助開關單元12的該第六開關M6的兩端，且該穩壓電容C
o的電容值大於該第一濾波電容C
o1的電容值且大於該第二濾波電容C
o2的電容值，以實現該直流輸出電壓V
o的暫態突波的抑制。此外，該第一控制信號S1至該第四控制信號S4對於該第一開關M1至該第四開關M4的控制方式與習知的半橋LLC諧振轉換器及相移全橋轉換器的控制方式相同，因此，沒有再作特別的說明。
參閱圖1與圖4，當該控制單元5操作在該重載模式時，該複合型直流轉換器在一個完整的切換週期中可以分為十二個區間，且前六個區間與後六個區間的電路操作成對偶的形式，因此，圖4示例性地說明該第一控制信號S1至該第四控制信號S4、流經該第一變壓器TR1的該第一繞組的一個一次側電流i
p1、流經該第二變壓器TR2的該第四繞組的一個一次側電流i
p2、流經該第四開關M4的一開關電流i
s4、流經該第一濾波電感L
o的一濾波電感電流i
Lo、兩個端電壓V
a、V
b的跨壓V
a-V
b、及兩個二極體電流i
D3、i
D4在前六個區間的態樣，即一第一區間至一第六區間。
參閱圖1、圖4與圖5，於該第一區間(即t0≤t≤t1)，在時間t0時，該第一開關M1及該第四開關M4導通，此時，作為該相移全橋轉換器的該一次側電流i
p1流經該第一開關M1、該第四開關M4、及該第一諧振電感L
r1。在此區間中，能量經由該第一變壓器TR1的一次側傳送至二次側的該第一整流單元31，該第一整流二極體D1導通，能量經由該第一濾波電感L
o及該第一濾波電容C
o1傳送至該負載R
o。依據克希荷夫定律可以得到公式(1)，其中，n1是該第一變壓器TR1的匝數比。
作為該半橋LLC諧振轉換器的該第二變壓器TR2的該一次側電流i
p2流經該第四開關M4及該第二諧振電感L
r2，能量經由該第二變壓器TR2的一次側傳送至二次側的該第二整流單元32。該第四整流二極體D4導通，能量經由該第二濾波電容C
o2傳送至該負載R
o。依據克希荷夫定律可以得到公式(2)~(4)，
此時，作為該半橋LLC諧振轉換器的諧振週期Tr1如公式(5)。
參閱圖1、圖4與圖6，於該第二區間(即t1≤t≤t2)，在時間t1時該第一開關M1截止，此時作為該相移全橋轉換器的該一次側電流i
p1流經該寄生電容C
oss1、該寄生電容C
oss2、該第四開關M4、及該第一諧振電感L
r1，並分別對該寄生電容C
oss1進行充電，及對該寄生電容C
oss2進行放電，直到該寄生電容C
oss1的跨壓上升到該直流輸入電壓V
d，且該寄生電容C
oss2的跨壓降到零伏特的準位，使得該第二開關M2上的該背接二極體D
s2導通後，此時間區間結束。由於作為該半橋LLC諧振轉換器的所有開關狀態與前一個時間區間(即該第一區間)一致，因此對應的電路的操作狀態與t0≤t≤t1時相同。
參閱圖1、圖4與圖7，於該第三區間(即t2≤t≤t3)，在時間t2時，該第二開關M2的該背接二極體D
s2呈導通狀態，該第二開關M2開始導通，而由於導通之前該第二開關M2的跨壓已經降為零電壓，因此可以達到零電壓切換。由於該第一變壓器TR1的該一次側電流i
p1不足以提供該負載R
o能量，因此該第一變壓器TR1的二次側的該第一整流單元31進入飛輪狀態，此區間結束。由於作為該半橋LLC諧振轉換器的所有開關狀態與前一個時間區間(即該第一區間)一致，因此對應的電路的操作狀態與t0≤t≤t1時相同。
參閱圖1、圖4與圖8，於該第四區間(即t3≤t≤t4)，在時間t3時，操作狀態與上一個時間區間(即該第三區間)相同，該第一整流單元31仍然維持飛輪狀態，此時間區間結束。在時間t3時，因為作為該半橋LLC諧振轉換器的該第二變壓器TR2的一次側電流i
p2等於一激磁電感電流i
Lm，所以沒有能量繼續傳送至二次側的該第二整流單元32，因此該第四整流二極體D4自然截止，故可以推導相關的方程式，如公式(6)~(8)。
此時，作為該半橋LLC諧振轉換器的諧振週期Tr2如公式(9)。
參閱圖1、圖4與圖9，於該第五區間(即t4≤t≤t5)，在時間t4時，該第四開關M4截止，由於該第四開關M4為共用的開關，該第三開關M3及該第四開關M4的該寄生電容C
oss3及該寄生電容C
oss4是經由該一次側電流i
p1及該一次側電流i
p2進行充放電，因此可推導出該寄生電容的充放電時間如公式(10)，其中，v
ds4是該第四開關M4的兩端的跨壓。
作為該相移全橋轉換器的部分，由於該一次側電流i
p1不足以提供該負載R
o能量，因此該第一變壓器TR1的二次側的該第一整流單元31進入飛輪狀態，此時間區間結束。在此時間區間內的該半橋LLC諧振轉換器的相關方程式可表示如公式(11)、(12)。
參閱圖1、圖4與圖10，於該第六區間(即t5≤t≤t6)，在時間t5時，該第四開關M4兩端的跨壓已經達到該直流輸入電壓V
d，此時該相移全橋轉換器的能量尚未傳送至二次側的該第一整流單元31，並且該相移全橋轉換器的該第一變壓器TR1的一次側的跨壓為Vd，因此流經該第一諧振電感L
r1的電流迅速的減少，該一次側電流i
p1可描述如公式(13)。
此時，該半橋LLC諧振轉換器的該第一整流二極體D1導通，該諧振電容C
r與該第二諧振電感L
r2開始諧振，而推導出公式(14)~(16)。
根據前述該第一區間至該第六區間的分析，可以獲得以下的結論：
(1) 在時間區間t0≤t≤t4中，該第四開關M4不動作，作為該相移全橋轉換器及該半橋LLC諧振轉換器的部分各自獨立運作。
(2) 在時間區間t4≤t≤t5中，當該第四開關M4截止時，作為該相移全橋轉換器及該半橋LLC諧振轉換器可以同時提供滯後臂(即該第三開關M3及該第四開關M4)零電壓切換的條件，相較於傳統的相移全橋轉換器更容易實現零電壓切換。
(3) 零電壓切換(ZVS)的狀態可以持續至時間區間t5≤t≤t6，即使該一次側電流i
p1已經改變方向，仍可藉由該一次側電流i
p2繼續釋放開關的寄生電容上的能量，因此相較於傳統的相移全橋轉換器具有更寬鬆的零電壓切換條件。
綜上所述，藉由該控制單元5根據該電流感測器4所偵測流經該負載R
o的該直流輸出電流的大小，操作在該輕載模式、該中載模式、及該重載模式之間，使得該複合型直流轉換器分別運作為該半橋LLC諧振轉換器、該相移全橋轉換器、及該半橋LLC諧振轉換器與該相移全橋轉換器，而能夠保持所對應的轉換效率相對最佳化，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
11:主開關單元
12:輔助開關單元
21:第一諧振單元
22: 第二諧振單元
31:第一整流單元
32:第二整流單元
4:電流感測器
5:控制單元
9:電壓源
M1:第一開關
M2:第二開關
M3:第三開關
M4:第四開關
M5:第五開關
M6:第六開關
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
S6:第六控制信號
TR1:第一變壓器
TR2:第二變壓器
D1:第一整流二極體
D2:第二整流二極體
D3:第三整流二極體
D4:第四整流二極體
D
s1~D
s4:背接二極體
V
d:直流輸入電壓
V
a、V
b:端電壓
V
o:直流輸出電壓
i
p1、i
p2:一次側電流
i
s4:開關電流
i
Lo:濾波電感電流
i
Lm:激磁電感電流
i
D3:二極體電流
i
D4:二極體電流
C
oss1~C
oss4:寄生電容
C
o1:第一濾波電容
C
o2:第二濾波電容
C
o:穩壓電容
C
r:諧振電容
L
r1:第一諧振電感
L
r2:第二諧振電感
L
m:激磁電感
L
o:第一濾波電感
R
o:負載
本發明的其他的特徵及功效，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，說明本發明複合型直流轉換器的一實施例；
圖2是一電路圖，說明該實施例操作在一輕載模式時的態樣；
圖3是一電路圖，說明該實施例操作在一中載模式時的態樣；
圖4是一時序圖，說明該實施例操作在一重載模式時所對應的多個信號之間的關係；
圖5是一電路圖，說明該實施例操作在該重載模式時的一第一區間的等效電路；
圖6是一電路圖，說明該實施例操作在該重載模式時的一第二區間的等效電路；
圖7是一電路圖，說明該實施例操作在該重載模式時的一第三區間的等效電路；
圖8是一電路圖，說明該實施例操作在該重載模式時的一第四區間的等效電路；
圖9是一電路圖，說明該實施例操作在該重載模式時的一第五區間的等效電路；及
圖10是一電路圖，說明該實施例操作在該重載模式時的一第六區間的等效電路。
11:主開關單元
12:輔助開關單元
21:第一諧振單元
22:第二諧振單元
31:第一整流單元
32:第二整流單元
4:電流感測器
5:控制單元
9:電壓源
M1:第一開關
M2:第二開關
M3:第三開關
M4:第四開關
M5:第五開關
M6:第六開關
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
S6:第六控制信號
TR1:第一變壓器
TR2:第二變壓器
D1:第一整流二極體
D2:第二整流二極體
D3:第三整流二極體
D4:第四整流二極體
Ds1~Ds4:背接二極體
Vd:直流輸入電壓
Va、Vb:端電壓
Vo:直流輸入電壓
Coss1~Coss4:寄生電容
Co1:第一濾波電容
Co2:第二濾波電容
Co:穩壓電容
Cr:諧振電容
Lr1:第一諧振電感
Lr2:第二諧振電感
Lm:激磁電感
Lo:第一濾波電感
Ro:負載
Claims (8)
- 一種複合型直流轉換器，適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，並包含： 一主開關單元，接收該直流輸入電壓，並包括一第一開關、一第二開關、一第三開關、及一第四開關，該第一開關至該第四開關分別根據一第一控制信號至一第四控制信號，於導通與不導通之間切換； 一第一諧振單元，電連接該主開關單元，並包括一第一諧振電感； 一第二諧振單元，電連接該主開關單元，並與該第四開關並聯，且包括一第二諧振電感、一激磁電感、及一諧振電容； 一第一變壓器，電連接該主開關單元及該第一諧振單元； 一第二變壓器，電連接該主開關單元及該第二諧振單元； 一第一整流單元，電連接該第一變壓器； 一第二整流單元，電連接該第二變壓器； 一第一濾波電感，電連接該第一整流單元； 一第一濾波電容，電連接該第一變壓器、該第一整流單元、及該第一濾波電感； 一第二濾波電容，電連接該第二變壓器及該第二整流單元； 一輔助開關單元，包括一第五開關及一第六開關，該第五開關及該第六開關分別電連接於該第一濾波電容與該負載之間及該第二濾波電容與該負載之間，且分別根據一第五控制信號及一第六控制信號，於導通與不導通之間切換； 一電流感測器，偵測流經該負載且對應該直流輸出電壓的一直流輸出電流的大小；及 一控制單元，電連接該負載以偵測該直流輸出電壓，並電連接該電流感測器以獲得該直流輸出電流的大小，且電連接該主開關單元及該輔助開關單元，以輸出該第一控制信號至該第六控制信號，該控制單元根據該直流輸出電流的大小，藉由該第五控制信號及該第六控制信號控制該第五開關及該第六開關，以操作在一輕載模式、一中載模式、及一重載模式之間，當操作在輕載模式時，該複合型直流轉換器運作為一半橋LLC諧振轉換器(Half-bridge LLC resonant converter)，當操作在中載模式時，該複合型直流轉換器運作為一相移全橋轉換器(PSFB converter)，當操作在該重載模式時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器。
- 如請求項1所述的複合型直流轉換器，其中，當該控制單元判斷該直流輸出電流小於一第一閥值時，操作在該輕載模式，而當判斷該直流輸出電流大於該第一閥值且小於一第二閥值時，操作在該中載模式，而當判斷該直流輸出電流大於該第二閥值時，操作在該重載模式。
- 如請求項2所述的複合型直流轉換器，其中， 當該直流輸出電流小於該第一閥值時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該相移全橋轉換器或運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率， 當該直流輸出電流大於該第一閥值且小於該第二閥值時，該複合型直流轉換器運作為該相移全橋轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該半橋LLC諧振轉換器或運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率， 當該直流輸出電流大於該第二閥值時，該複合型直流轉換器運作為該半橋LLC諧振轉換器及該相移全橋轉換器所對應的轉換效率會大於等於運作為該半橋LLC諧振轉換器或運作為該相移全橋轉換器所對應的轉換效率。
- 如請求項2所述的複合型直流轉換器，其中，當該控制單元操作在該輕載模式時，藉由該第五控制信號控制該第五開關不導通，且藉由該第六控制信號控制該第六開關導通，且藉由該第一控制信號及該第二控制信號分別控制該第一開關及該第二開關不導通，且藉由該第三控制信號及該第四控制信號，使得該主開關單元的該第三開關及該第四開關、該第二諧振單元、該第二變壓器、該第二整流單元、及該第二濾波單元運作為該半橋LLC諧振轉換器。
- 如請求項4所述的複合型直流轉換器，其中，當該控制單元操作在該中載模式時，藉由該第五控制信號控制該第五開關導通，且藉由該第六控制信號控制該第六開關不導通，且藉由該第一控制信號至該第四控制信號，使得該主開關單元的該第一開關至該第四開關、該第一諧振單元、該第一變壓器、該第一整流單元、該第一濾波電感、及該第一濾波電容運作為該相移全橋轉換器。
- 如請求項5所述的複合型直流轉換器，其中，當該控制單元操作在該重載模式時，藉由該第五控制信號控制該第五開關導通，且藉由該第六控制信號控制該第六開關導通，且藉由該第一控制信號至該第四控制信號，使得該主開關單元的該第一開關至該第四開關、該第一諧振單元、該第一變壓器、該第一整流單元、該第一濾波電感、及該第一濾波電容運作為該相移全橋轉換器，且藉由該第三控制信號及該第四控制信號，使得該主開關單元的該第三開關及該第四開關、該第二諧振單元、該第二變壓器、該第二整流單元、及該第二濾波單元運作為該半橋LLC諧振轉換器。
- 如請求項6所述的複合型直流轉換器，還包含一穩壓電容，與該負載並聯，並與該第一濾波電容分別位於該輔助開關單元的該第五開關的兩端，且與該第二濾波電容分別位於該輔助開關單元的該第六開關的兩端，其中，該穩壓電容的電容值大於該第一濾波電容的電容值且大於該第二濾波電容的電容值。
- 如請求項7所述的複合型直流轉換器，其中， 該主開關單元的該第一開關至該第四開關都包含並聯的一背接二極體及一寄生電容，形成串聯的該第一開關及該第二開關與形成串聯的該第三開關及該第四開關並聯， 該第一變壓器包括一位於一次側的第一繞組，及位於二次側且串聯的一第二繞組與一第三繞組，該第一繞組與該第一諧振電感串聯再電連接於該第一開關與該第二開關的共同接點及該第三開關與該第四開關的共同接點之間， 該第二變壓器包括一位於一次側的第四繞組，及位於二次側且串聯的一第五繞組與一第六繞組，該第四繞組與該激磁電感並聯， 該第一整流單元與該第一變壓器串聯的該第二繞組與該第三繞組並聯，並包括反向串聯的一第一整流二極體及一第二整流二極體， 該第二整流單元與該第二變壓器串聯的該第五繞組與該第六繞組並聯，並包括反向串聯的一第三整流二極體及一第四整流二極體， 該第一濾波電容與該第一濾波電感串聯，並電連接於該第二繞組與該第三繞組的共同接點及該第一整流二極體與該第二整流二極體的陰極共同接點之間， 該第二濾波電容電連接於該第五繞組與該第六繞組的共同接點及該第三整流二極體與該第四整流二極體的陰極共同接點之間， 該輔助開關單元的該第五開關及該第六開關分別與該負載串聯，再分別與該第一濾波電容及該第二濾波電容並聯。
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| CN106026674A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-10-12 | 陕西科技大学 | 一种加辅助lc谐振电路的全桥和半桥混合变换器 |
| TW201804719A (zh) * | 2016-06-07 | 2018-02-01 | 線性科技股份有限公司 | 基於變壓器的混合電力轉換器 |
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- 2020-09-09 TW TW109130876A patent/TWI755850B/zh active
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