TWI755917B - Llc諧振轉換器 - Google Patents

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Abstract

提供一種LLC諧振轉換器，其包括輸入電源、全橋開關電路、諧振電路、變壓器、整流電路、負載及控制電路。控制電路包括負載偵測電路及波谷切換電路。負載偵測電路偵測負載的負載狀態。波谷切換電路響應於負載狀態爲輕載狀態，經配置以：將輸出電壓與第一參考電壓比較而對應產生第一差異電壓；依據第一差異電壓計算第一開關及第四開關的第一開關導通時間；響應於第一開關及第四開關的導通時間超過第一開關導通時間時，產生控制第一開關及第四開關截止的開關訊號，並偵測第二開關及第三開關的電壓波谷；響應於偵測到電壓波谷，產生該些開關訊號以控制第二開關及第三開關依據所計算的第一開關導通時間而導通。

Description

LLC諧振轉換器
本發明涉及一種LLC諧振轉換器，特別是涉及一種具有輕載波谷切換機制的LLC諧振轉換器。
藉由提高操作頻率，可使磁性元件的體積減小，更能夠符合電源供應器小型化的目標。然而基本的切換式電源架構本身即存在開關硬切所造成的切換損失，且隨著頻率上升，切換損失也無可避免地隨之上升，導致散熱元件的增大。為了解決硬切造成的問題，同時使電路達到高頻化、小型化，因此LLC諧振式轉換器這種具有零電壓切換的電路架構也越來越被廣泛使用。
LLC諧振轉換器的開關能夠達到零電壓切換(Zero-voltage switching, ZVS)。隨著負載降低，其增益曲線會趨於平緩，此時需增加操作頻率以維持輸出電壓。然而當LLC諧振式轉換器操作接近於空載時，增益曲線更加平緩，加上寄生元件的影響，即使提高操作頻率也無法使輸出電壓達到規格需求。
故，如何通過控制機制的改良，來解決LLC諧振轉換器於輕載時所產生的問題，以克服上述的缺陷，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種具有輕載波谷切換機制的LLC諧振轉換器。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種LLC諧振轉換器，其包括輸入電源、全橋開關電路、諧振電路、變壓器、整流電路、負載及控制電路。輸入電源，具有一輸入電壓。全橋開關電路，耦接該輸入電源且具有一第一開關、一第二開關、一第三開關及一第四開關，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關經配置以在一諧振週期下根據多個開關訊號進行導通及關斷之切換。諧振電路，耦接該全橋整流電路且由一諧振電感、一諧振電容及一激磁電感所組成。變壓器，耦接該諧振電路，包括一一次側繞組及一二次側繞組，其中該一次側繞組耦接該諧振電路。整流電路，電性連接於該變壓器的該二次側繞組，用以對該二次側繞組輸出的一二次側交流訊號進行整流並輸出一輸出電壓。負載，耦接該整流電路並接收該輸出電壓。控制電路包括負載偵測電路及波谷切換電路。負載偵測電路經配置以偵測該負載的一負載狀態且對應輸出一負載狀態訊號。波谷切換電路，響應於該負載狀態爲一輕載狀態，經配置以：將該輸出電壓與一第一參考電壓比較而對應產生一第一差異電壓；依據該第一差異電壓計算該第一開關及該第四開關的一第一開關導通時間；響應於該第一開關及該第四開關的導通時間超過該第一開關導通時間時，產生控制該第一開關及該第四開關截止的該些開關訊號，並偵測該第二開關及該第三開關的電壓波谷；及響應於偵測到電壓波谷，產生該些開關訊號以控制該第二開關及該第三開關依據所計算的該第一開關導通時間而導通。
在一些實施例中，控制電路更包括一變頻控制電路，響應於該負載狀態爲一重載狀態，該變頻控制電路經配置以：將該輸出電壓與一第二參考電壓比較而對應產生一第二差異電壓；依據該第二差異電壓計算一控制頻率，並對應產生一頻率控制訊號；以及依據該頻率控制訊號產生該些開關訊號以控制該第一開關至該第四開關。
在一些實施例中，該負載偵測電路係通過對該輸出電壓及在該負載上產生的一輸出電流進行取樣，並計算一輸出功率與一最大功率之間的一輸出功率比例以偵測該負載狀態。
在一些實施例中，該負載偵測電路經配置已在該輸出功率比例小於6%時判斷爲該輕載狀態，且在該輸出功率比例大於8%時判斷爲該重載狀態。
在一些實施例中，該波谷切換電路包括第一減法器、第一補償器、第一脈波寬度調變模組及波谷偵測電路。一第一減法器，經配置以將該輸出電壓與該第一參考電壓相減而對應產生該第一差異電壓。第一補償器，經配置以依據該第一差異電壓計算該第一開關及該第四開關的一第一開關導通時間。一第一脈波寬度調變模組，響應於該第一開關及該第四開關的導通時間超過該第一開關導通時間時，產生控制該第一開關及該第四開關截止的該些開關訊號。一波谷偵測電路，經配置以對該激磁電感進行取樣以取得一激磁電感電壓，並通過偵測該激磁電感電壓的電壓波谷以偵測該第二開關及該第三開關的電壓波谷，且響應於偵測到電壓波谷，該波谷偵測電路經配置以控制該第一脈波寬度調變模組產生該些開關訊號以控制該第二開關及該第三開關依據所計算的該第一開關導通時間而導通。
在一些實施例中，該波谷偵測電路經配置以對該激磁電感電壓爲0V的次數進行計數，當偵測到該激磁電感電壓爲0V的次數到達一預定次數後，經過一預定諧振週期後控制該第一脈波寬度調變模組產生該些開關訊號以控制該第二開關及該第三開關依據所計算的該第一開關導通時間而導通。
在一些實施例中，該預定次數爲至少3次。
在一些實施例中，該預定諧振週期小於該諧振週期。
在一些實施例中，該預定諧振週期爲該諧振週期的1/4。
在一些實施例中，該變頻控制電路包括第二減法器、第二補償器及第二脈波寬度調變模組。第二減法器，經配置以將該輸出電壓與該第二參考電壓比較而對應產生該第二差異電壓。一第二補償器，經配置以依據該第二差異電壓計算該控制頻率，並對應產生該頻率控制訊號。一第二脈波寬度調變模組，經配置以依據該頻率控制訊號產生該些開關訊號以控制該第一開關至該第四開關。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的LLC諧振轉換器，以閉迴路並偵測開關電壓電壓波谷切換的方式調節輸出電壓，以改善輕載時的電壓調節率。同時能夠使開關電壓於波谷切換，減少開關之切換損耗。且因為採用閉迴路的方式控制，輸出漣波電壓較突衝模式控制小。
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圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“LLC諧振轉換器”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
參閱圖1，圖1為本發明實施例的LLC諧振轉換器的電路布局圖。本發明實施例提供一種LLC諧振轉換器1，其包括提供輸入電壓Vin的輸入電源、全橋開關電路10、諧振電路11、變壓器12、整流電路13、輸出負載14以及控制電路15。
全橋開關電路10耦接輸入電壓Vin且具有第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3及第四開關S4。在架構上，第一開關S1係連接於輸入電源的正輸入端，第二開關S2係連接於輸入電源的負輸入端，且第一開關S1係與第二開關S2通過第一節點N1串聯。類似的，第三開關S3係連接於輸入電源的正輸入端，第四開關S4係連接於輸入電源的負輸入端，且第三開關S3係與第四開關S4通過第二節點N2串聯。在一些實施例中，第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3及第四開關S4可為金氧半場效電晶體(MOSFET)，且分別具有寄生電容Coss1、Coss2、Coss3及Coss4，而此寄生電容可爲由汲極-源極間電容加上閘極-汲極間電容所形成的輸出功率電容。
進一步，全橋開關電路10的輸出側電性連接至諧振電路11的輸入側，用以輸出交流訊號至諧振電路11。詳細而言，第一開關S1、第二開關S2、第三開關S3及第四開關S4經配置以接收多個驅動訊號GS1、GS2、GS3及GS4，且由驅動訊號GS1、GS2、GS3及GS4所控制，以進行導通及關斷之切換。
諧振電路11耦接全橋整流電路10，且由諧振電感Lr、諧振電容Cr及激磁電感Lm所組成。在部分實施例中，諧振電感Lr以及激磁電感Lm可分別由變壓器12的漏感與磁化電感所構成。在其他實施例中，諧振電容Cr、諧振電感Lr以及激磁電感Lm亦可透過不同方式電性連接，以實現LLC諧振電路。在結構上，諧振電容Cr、諧振電感Lr以及激磁電感Lm彼此串聯，而激磁電感Lm與變壓器12的一次側繞組Np彼此並聯，諧振電容Cr連接於第一節點N1，激磁電感Lm及一次側繞組Np連接於第二節點N2。
續言之，變壓器12耦接諧振電路11，其包括一次側繞組Np及二次側繞組Ns，其中，一次側繞組Np耦接諧振電路11，且一次側繞組Np及二次側繞組Ns具有一匝數比。更如圖1所示，變壓器12可為一二次側帶中心抽頭式的變壓器，二次側線圈Ns係包括第一二次側繞組Ns1及第二二次側繞組Ns2，第一二次側繞組Ns1係與第二二次側繞組Ns2通過第三節點N3連接。
整流電路13電性連接於變壓器12的二次側繞組Ns，用以對二次側繞組Ns輸出的二次側交流訊號進行整流，並輸出輸出電壓Vo。在部分實施例中，整流電路13電性連接於變壓器12的第一二次側繞組Ns1與第二二次側繞組Ns2，用以對第一二次側繞組Ns1與第二二次側繞組Ns2感應一次側繞組Np上訊號變化而輸出的二次側電流進行整流，以提供輸出電壓Vo。
在部分實施例中，整流電路13包括並聯的第一二極體D1及第二二極體D2。其中，第一二極體D1連接於第一二次側繞組Ns1，第二二極體D2連接於第二二次側繞組Ns2，且第一二次側繞組Ns1及第二二次側繞組Ns2均連接於一正輸出端，且第三節點N3連接於一負輸出端。藉此，透過整流電路13對第一二次側繞組Ns1及第二二次側繞組Ns2感應輸出的電訊號進行整流，便可提供直流輸出電壓Vo。
輸出負載14通過一正輸出端及一負輸出端耦接該整流電路。輸出負載14可包括輸出電容Co及負載RL，輸出電容Co可用於對輸出電壓Vo進行濾波後提供給負載RL。
控制電路15包括負載偵測電路150、波谷切換電路151及變頻控制電路152。本發明的控制電路15為雙模式控制，重載時為LLC變頻模式，輕載時因不易達成穩壓，因此會將控制模式切換為閉迴路波谷切換控制模式，使電路能夠穩壓。控制電路15可例如為中央處理器、微控制器或數位訊號處理器等裝置。
負載偵測電路150用以偵測負載RL的負載狀態，且對應輸出負載狀態訊號SL。舉例而言，可進一步參考圖2，其爲根據本發明實施例的控制電路15的功能方塊圖。如圖所示，負載偵測電路150可包括第一類比數位轉換器ADC1、第二類比數位轉換器ADC2及比較器CMPSS，其中，第一類比數位轉換器ADC1及第二類比數位轉換器ADC2可分別對輸出電壓Vo以及在負載RL上產生的輸出電流Io取樣，比較器CMPSS則對激磁電感電壓Vlm進行取樣，並將取樣後得到的數值經計算之後產生相對應的脈波訊號。
負載偵測電路150更進一步計算輸出功率與最大功率之間的一輸出功率比例以偵測負載狀態。例如，在輸出功率比例小於6%時，判斷爲輕載狀態，且在輸出功率比例大於8%時判斷爲重載狀態。
響應於該負載狀態爲輕載狀態，波谷切換電路151可將輸出電壓Vo與第一參考電壓Vref1比較而對應產生第一差異電壓，並據此計算第一開關S1及第四開關S4的第一開關導通時間Ton1，響應於第一開關S1及第四開關S4的導通時間超過第一開關導通時間Ton1時，產生控制第一開關S1及第四開關S4截止的開關訊號GS1、GS4，並偵測第二開關S2及第三開關S3的電壓波谷。偵測到電壓波谷後，波谷切換電路151進一步產生開關訊號GS2、GS3以控制第二開關S2及第三開關S3依據所計算的第一開關導通時間Ton1而導通。
舉例而言，可進一步參考圖2，波谷切換電路151包括第一減法器M1、第一補償器PI1、第一脈波寬度調變模組PWM1及波谷偵測電路VD。
第一減法器M1將輸出電壓Vo與第一參考電壓Vref1相減而對應產生第一差異電壓Vdif1。第一補償器PI1依據第一差異電壓Vdif1計算第一開關S1及第四開關S4的第一開關導通時間Ton1，第一補償器PI1可例如為比例積分控制器。
第一脈波寬度調變模組PWM1，響應於第一開關S1及第四開關S4的導通時間Ton超過第一開關導通時間Ton1時，產生控制第一開關S1及第四開關S4截止的開關訊號GS1、GS4。
波谷偵測電路VD可通過比較器CMPSS對激磁電感Lm進行取樣以取得激磁電感電壓Vlm，並通過偵測激磁電感電壓Vlm的電壓波谷以偵測第二開關S2及第三開關S3的電壓波谷。詳細而言，波谷偵測電路VD主要是在變壓器11的解耦區間採用波谷切換機制。在此區間中，諧振電感Lr、激磁電感Lm、諧振電容Cr、開關的寄生電容（例如寄生電容Coss1至Coss4）諧振。
此外，在此區間中，激磁電感Lm與開關之寄生電容（例如寄生電容Coss1至Coss4）並聯，因此激磁電感電壓Vlm與開關電壓（例如第一開關S1及第四開關S4的跨壓）同相位，此時開關電壓之波谷點時也會同時為激磁電感電壓Vlm之波谷點，因此本發明對激磁電感電壓Vlm取樣，可藉此偵測開關電壓之波谷點。
更詳細而言，波谷偵測電路VD經配置以對激磁電感電壓Vlm爲0V的次數進行計數，當偵測到激磁電感電壓Vlm爲0V的次數到達一預定次數後，經過一預定諧振週期後即判定為偵測到波谷點。
在一些實施例中，在解耦區間，激磁電感電壓Vlm會以0 V為基準諧振。因此激磁電感電壓Vlm為0之間的區間約為半個諧振週期。波谷偵測電路VD會於第一開關S1及第四開關S4導通時，開始計數激磁電感電壓為0V的次數，待偵測到第三次激磁電感電壓為0V後，再延後四分之一個諧振週期後導通第一開關S1及第四開關S4，此時開關跨壓剛好為波谷點。
因此，在本發明的較佳實施例中，預定次數爲至少3次，而預定諧振週期可小於該諧振週期，且較佳為爲諧振週期的1/4。
另一方面，響應於偵測到電壓波谷，波谷偵測電路經配置以控制第一脈波寬度調變模組PWM1產生開關訊號GS2、GS3以控制第二開關S2及第三開關S3依據所計算的第一開關導通時間Ton1而導通，使輸出電壓Vo達到穩壓的效果。
上述針對第一開關S1至第四開關S4的控制是在正半周週期中，而負半周週期中是進行對偶操作，並產生對應的開關訊號GS1至GS4，其操作原理相同，故不在此贅述。
請復參考圖1，響應於負載狀態爲重載狀態，進入變頻模式，變頻控制電路152可將輸出電壓Vo與第二參考電壓Vref1比較而對應產生第二差異電壓Vdif2，並據此計算控制頻率，並對應產生頻率控制訊號Sfc。變頻控制電路152進而依據頻率控制訊號Sfc產生開關訊號GS1至GS4，以控制第一開關S1至第四開關S4。
可參考圖2，變頻控制電路152包括第二減法器M2、第二補償器PI2及第二脈波寬度調變模組PWM2。第二減法器M1用以將輸出電壓Vo與第二參考電壓Vref2比較而對應產生第二差異電壓Vdif2，第二補償器PI2依據第二差異電壓Vdif2計算控制頻率，並對應產生頻率控制訊號Sfc。類似的，第二補償器PI2可例如為比例積分控制器。第二脈波寬度調變模組PWM2依據頻率控制訊號Sfc產生開關訊號GS1至GS4以控制第一開關S1至第四開關S4。
以下將說明在輕載狀態下，本發明提供的LLC閉迴路波谷切換控制策略操作於輕載時的電路動作時序與原理。可進一步參考圖3，其爲根據本發明實施例繪示的全橋LLC諧振式轉換器電路架構，其中，Vin為輸入電壓，Vacin為諧振電路11的輸入端跨壓，Vcr為諧振電容Cr的電壓，Vlm為激磁電感電壓，Ilr為諧振電流，Ilm為激磁電流，Ip為變壓器12的一次側電流，Is為變壓器12的二次側電流，Vo為輸出電壓，Id1及Id2分別為通過第一二極體D1及第二二極體D2的電流。
為簡化動作區間的分析，先提出下列假設：(1)功率開關只考慮寄生電容COSS及本體二極體。(2)輸出電容極大，輸出電壓可視為電壓源。(3)電路中皆為理想元件且無損耗。
圖4為根據本發明實施例的全橋LLC諧振轉換器操作於輕載閉迴路波谷切換控制時的動作時序圖。圖中所示Vds1、Vds2、Vds3、Vds4分別為第一開關S1至第四開關S4的跨壓。在一個週期間共可分成14個階段，其中時間軸t上的時間t0至時間t7與時間t7至時間t14成對偶狀態，因此下文中將針對時間t0至時間t7的階段說明。請參考圖5至圖11，其分別爲根據本發明實施例的LLC諧振轉換器於圖4的階段一至階段七的電路示意圖。
階段一(t0-t1)
在時間t0時，第一開關S1、第四開關S4低電壓導通，第二開關Q2、第三開關Q3維持截止的狀態。諧振電感Lr與諧振電容Cr諧振，變壓器12傳遞能量到二次側，此時輸出電壓Vo映射至變壓器12的一次側，因此激磁電感電壓Vlm為nVo，激磁電流Ilm線性上升。當諧振電流Ir與激磁電流Ilm相等時，進入下個階段。
階段二(t1-t2)
由於在此階段諧振電感電流小於激磁電流，變壓器為解耦狀態不再傳送能量到二次側。諧振電感Lr、諧振電容Cr以及激磁電感Lm諧振，輸出負載能量由輸出電容Co單獨提供，當第一開關Q1、第四開關Q4關閉時，進入階段三。
階段三(t2-t3)
第一開關Q1、第四開關Q4關閉後，寄生電容Coss1至Coss4參與諧振，變壓器12仍然為解耦狀態，此時諧振電流Ilr續流將寄生電容Coss1、Coss4充電，寄生電容Coss2、Coss3放電至零後本體二極體導通，進入下個階段。
階段四(t3-t4)
第二開關Q2、第三開關Q3的本體二極體導通，諧振電感Lr、諧振電容Cr、激磁電感Lm諧振，變壓器12仍然解耦。諧振電路11的輸入端電壓Vacin為-Vin，此時激磁電感Lm上的跨壓可由諧振電容電壓Vcr與輸入電壓Vin相加後分壓得到，輸出負載RL的能量仍由輸出電容Co提供，當激磁電感電壓Vlm的絕對值等於nVo時，進入下個階段。
階段五(t4-t5)
第二開關Q2、第三開關Q3的本體二極體持續導通，諧振電感Lr與諧振電容Cr諧振，變壓器12開始傳送能量至二次側，激磁電感Lm被輸出映射回來的跨壓-nVo箝住，激磁電流ILm線性下降，當諧振電流Ilr換向時，進入下個階段。
階段六(t5-t6)
當諧振電流Ilr換向，第二開關Q2、第三開關Q3的本體二極體截止。除了上個階段的諧振電感Lr與諧振電容Cr諧振外，開關的寄生電容Coss1至Coss4也參與諧振，諧振電流ILr對第二開關Q2、第三開關Q3充電，第一開關Q1、第四開關Q4放電，變壓器12持續傳送能量至二次側，激磁電感電壓Vlm被映射至一次側的-nVo箝住，激磁電流Ilm線性下降，當變壓器12解耦時進入下個階段。
階段七(t6-t7)
在此區間因變壓器12解耦，激磁電感Lm將參與諧振如圖11所示。參與諧振之元件有寄生電容Coss1至Coss4、諧振電感Lr、諧振電容Cr、激磁電感Lm。待本控制法偵測到第二開關Q2、第三開關Q3跨壓之波谷點時，將第二開關Q2、第三開關Q3導通，進入時間t7~時間t14區間。
其中，圖4中，時間t6至時間t7區間為變壓器12的解耦區間，在此區間諧振電感Lr、激磁電感Lm、諧振電容Cr、寄生電容Coss1至Coss4諧振。且在此區間激磁電感Lm與寄生電容Coss1至Coss4並聯，因此激磁電感電壓Vlm與開關電壓同相位，此時開關電壓之波谷點時也會同時為激磁電感電壓Vlm之波谷點。
在解耦區間，激磁電感電壓Vlm會以0 V為基準諧振。因此激磁電感電壓為0之間的區間約為半個諧振週期。波谷偵測電路VD會於上下橋開關導通時開始計數激磁電感電壓為0 V的次數，待偵測到第三次激磁電感電壓為0V後，再延後四分之一個諧振週期至時間t7後導通開關，此時開關跨壓剛好為波谷點。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的LLC諧振轉換器，以閉迴路並偵測開關電壓電壓波谷切換的方式調節輸出電壓，以改善輕載時的電壓調節率。同時能夠使開關電壓於波谷切換，減少開關之切換損耗。且因為採用閉迴路的方式控制，輸出漣波電壓較突衝模式控制小。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
1:LLC諧振轉換器 10:全橋開關電路 11:諧振電路 12:變壓器 13:整流電路 14:輸出負載 15:控制電路 150:負載偵測電路 151:波谷切換電路 152:變頻控制電路 ADC1:第一類比數位轉換器 ADC2:第二類比數位轉換器 CMPSS:比較器 Co:輸出電容 Coss1、Coss2、Coss3、Coss4:寄生電容 Cr:諧振電容 D1:第一二極體 D2:第二二極體 GS1、GS2、GS3及GS4:驅動訊號 Id1、Id2:電流 Ilm:激磁電流 Ilr:諧振電流 Io:輸出電流 Ip:一次側電流 Is:二次側電流 Lm:激磁電感 Lr:諧振電感 M1:第一減法器 M2:第二減法器 N1:第一節點 N2:第二節點 N3:第三節點 Np:一次側繞組 Ns:二次側繞組 Ns1:第一二次側繞組 Ns2:第二二次側繞組 PI1:第一補償器 PI2:第二補償器 PWM1:第一脈波寬度調變模組 PWM2:第二脈波寬度調變模組 RL:負載 S1:第一開關 S2:第二開關 S3:第三開關 S4:第四開關 Sfc:頻率控制訊號 t:時間軸 t0至t14:時間 Ton1:第一開關導通時間 Vacin、Vds1、Vds2、Vds3、Vds4:跨壓 Vcr:電壓 VD:波谷偵測電路 Vdif1:第一差異電壓 Vdif2:第二差異電壓 Vin:輸入電壓 Vlm:激磁電感電壓 Vo:輸出電壓 Vref1:第一參考電壓 Vref2:第二參考電壓
圖1為本發明實施例的LLC諧振轉換器的電路布局圖。
圖2爲根據本發明實施例的控制電路的功能方塊圖。
圖3爲根據本發明實施例繪示的全橋LLC諧振式轉換器電路架構。
圖4為根據本發明實施例的全橋LLC諧振轉換器操作於輕載閉迴路波谷切換控制時的動作時序圖。
圖5至圖11分別爲根據本發明實施例的LLC諧振轉換器於圖4的階段一至階段七的電路示意圖。
1:LLC諧振轉換器
10:全橋開關電路
11:諧振電路
12:變壓器
13:整流電路
14:輸出負載
15:控制電路
150:負載偵測電路
151:波谷切換電路
152:變頻控制電路
Co:輸出電容
Coss1、Coss2、Coss3、Coss4:寄生電容
Cr:諧振電容
D1:第一二極體
D2:第二二極體
GS1、GS2、GS3、GS4:驅動訊號
Lm:激磁電感
Lr:諧振電感
N1:第一節點
N2:第二節點
N3:第三節點
Np:一次側繞組
Ns:二次側繞組
Ns1:第一二次側繞組
Ns2:第二二次側繞組
RL:負載
S1:第一開關
S2:第二開關
S3:第三開關
S4:第四開關
Vin:輸入電壓
Vo:輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種LLC諧振轉換器，其包括： 一輸入電源，具有一輸入電壓； 一全橋開關電路，耦接該輸入電源且具有一第一開關、一第二開關、一第三開關及一第四開關，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關及該第四開關經配置以在一諧振週期下根據多個開關訊號進行導通及關斷之切換； 一諧振電路，耦接該全橋整流電路且由一諧振電感、一諧振電容及一激磁電感所組成； 一變壓器，耦接該諧振電路，包括一一次側繞組及一二次側繞組，其中該一次側繞組耦接該諧振電路； 一整流電路，電性連接於該變壓器的該二次側繞組，用以對該二次側繞組輸出的一二次側交流訊號進行整流並輸出一輸出電壓； 一負載，耦接該整流電路並接收該輸出電壓；以及 一控制電路，其包括： 一負載偵測電路，經配置以偵測該負載的一負載狀態且對應輸出一負載狀態訊號；及 一波谷切換電路，響應於該負載狀態爲一輕載狀態，經配置以： 將該輸出電壓與一第一參考電壓比較而對應產生一第一差異電壓； 依據該第一差異電壓計算該第一開關及該第四開關的一第一開關導通時間； 響應於該第一開關及該第四開關的導通時間超過該第一開關導通時間時，產生控制該第一開關及該第四開關截止的該些開關訊號，並偵測該第二開關及該第三開關的電壓波谷；及 響應於偵測到電壓波谷，產生該些開關訊號以控制該第二開關及該第三開關依據所計算的該第一開關導通時間而導通。
  2. 如請求項1所述的LLC諧振轉換器，其中該控制電路更包括一變頻控制電路，響應於該負載狀態爲一重載狀態，該變頻控制電路經配置以： 將該輸出電壓與一第二參考電壓比較而對應產生一第二差異電壓； 依據該第二差異電壓計算一控制頻率，並對應產生一頻率控制訊號；以及 依據該頻率控制訊號產生該些開關訊號以控制該第一開關至該第四開關。
  3. 如請求項2所述的LLC諧振轉換器，其中該負載偵測電路係通過對該輸出電壓及在該負載上產生的一輸出電流進行取樣，並計算一輸出功率與一最大功率之間的一輸出功率比例以偵測該負載狀態。
  4. 如請求項3所述的LLC諧振轉換器，其中該負載偵測電路經配置已在該輸出功率比例小於6%時判斷爲該輕載狀態，且在該輸出功率比例大於8%時判斷爲該重載狀態。
  5. 如請求項1所述的LLC諧振轉換器，其中該波谷切換電路包括： 一第一減法器，經配置以將該輸出電壓與一第一參考電壓相減而對應產生該第一差異電壓； 一第一補償器，經配置以依據該第一差異電壓計算該第一開關及該第四開關的一第一開關導通時間； 一第一脈波寬度調變模組，響應於該第一開關及該第四開關的導通時間超過該第一開關導通時間時，產生控制該第一開關及該第四開關截止的該些開關訊號；及 一波谷偵測電路，經配置以對該激磁電感進行取樣以取得一激磁電感電壓，並通過偵測該激磁電感電壓的電壓波谷以偵測該第二開關及該第三開關的電壓波谷，且響應於偵測到電壓波谷，該波谷偵測電路經配置以控制該第一脈波寬度調變模組產生該些開關訊號以控制該第二開關及該第三開關依據所計算的該第一開關導通時間而導通。
  6. 如請求項5所述的LLC諧振轉換器，其中該波谷偵測電路經配置以對該激磁電感電壓爲0V的次數進行計數，當偵測到該激磁電感電壓爲0V的次數到達一預定次數後，經過一預定諧振週期後控制該第一脈波寬度調變模組產生該些開關訊號以控制該第二開關及該第三開關依據所計算的該第一開關導通時間而導通。
  7. 如請求項6所述的LLC諧振轉換器，其中該預定次數爲至少3次。
  8. 如請求項6所述的LLC諧振轉換器，其中該預定諧振週期小於該諧振週期。
  9. 如請求項8所述的LLC諧振轉換器，其中該預定諧振週期爲該諧振週期的1/4。
  10. 如請求項1所述的LLC諧振轉換器，其中該變頻控制電路包括： 一第二減法器，經配置以將該輸出電壓與該第二參考電壓比較而對應產生該第二差異電壓； 一第二補償器，經配置以依據該第二差異電壓計算該控制頻率，並對應產生該頻率控制訊號；以及 一第二脈波寬度調變模組，經配置以依據該頻率控制訊號產生該些開關訊號以控制該第一開關至該第四開關。
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