TWI761169B - 諧振電源轉換器及其電流合成方法 - Google Patents

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Abstract

本案提供一種諧振電源轉換器及其電流合成方法。諧振電源轉換器包含依序連接之開關電路、諧振腔、變壓器、整流電路及電流合成模組。開關電路自輸入源接收輸入電壓，整流電路輸出輸出電壓至負載。電流合成模組包含感測電路、峰值保持電路及計算單元。感測電路感測諧振腔之諧振電容的諧振電容電壓。峰值保持電路係電連接於感測電路，以接收諧振電容電壓，並獲取諧振電容電壓之峰值。計算單元係電連接於峰值保持電路，以接收並依據諧振電容電壓之峰值、開關頻率、輸入電壓、輸出電壓及諧振電源轉換器之諧振電容值產生合成輸出電流。

Description

諧振電源轉換器及其電流合成方法
本案係關於一種諧振電源轉換器，尤指一種諧振電源轉換器及其電流合成方法。
為了故障檢測或系統監控之目的，大部分的電源供應器需要其輸出電流的訊息。由於PWM (Pulse Width Modulation) 轉換器的電流波形為三角波或方波，故可通過感測初級側之電流來獲取輸出電流的訊息，且易於計算輸出電流的平均值。
然而，對於諧振轉換器而言，由於其電流波形為具有諧波的正弦曲線，故現有技術上無法直接通過感測初級側電流來獲得輸出電流的訊息。而若要從輸出電流的峰值推導出輸出電流的平均值，則其計算過程將極為複雜。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術之諧振電源轉換器及其電流合成方法，實為目前迫切之需求。
本案之目的在於提供一種諧振電源轉換器及其電流合成方法，其係基於諧振電源轉換器的輸入電壓、輸出電壓、諧振電容電壓及諧振電容值來合成諧振電源轉換器的輸出電流。藉此，可避免因噪音或諧波而影響所得之輸出電流。
為達上述目的，本案提供一種諧振電源轉換器，包含依序連接之開關電路、諧振腔、變壓器、整流電路及電流合成模組。開關電路適用於自輸入源接收輸入電壓，整流電路適用於輸出輸出電壓至負載。電流合成模組包含感測電路、峰值保持電路及計算單元。感測電路係架構於感測諧振腔之一諧振電容的諧振電容電壓。峰值保持電路係電連接於感測電路，以接收諧振電容電壓，且峰值保持電路係架構於獲取諧振電容電壓之峰值。計算單元係電連接於峰值保持電路。計算單元係架構於接收諧振電容電壓之峰值、開關頻率、輸入電壓、輸出電壓以及諧振電源轉換器之一諧振電容值，並依據諧振電容電壓之峰值、開關頻率、輸入電壓、輸出電壓及諧振電源轉換器之諧振電容值產生合成輸出電流。
為達上述目的，本案另提供一種諧振電源轉換器之電流合成方法。電流合成方法包含步驟：(a) 感測諧振腔之諧振電容上的諧振電容電壓；(b) 獲取諧振電容電壓之峰值；以及 (c) 依據諧振電容電壓之峰值、開關頻率、輸入電壓、輸出電壓及諧振電源轉換器之諧振電容，產生合成輸出電流。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。例如，若是本說明書以下的揭露內容敘述了將一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦包含了可將附加的特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與上述第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，本發明的說明中不同實施例可能使用重複的參閱符號及/或用字，這些重複符號或用字係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定各個實施例及/或所述外觀結構之間的關係。 再者，為了方便描述圖式中一元件或特徵元件與另一 (複數) 元件或 (複數) 特徵元件的關係，可使用空間相關用語，例如“在…之下(beneath)”、“在…下面(below)”、“下部的(lower)”、“在…上方(above)”、“上部的(upper)”及類似的用語等，可以理解的是，除了圖式所繪示的方位之外，空間相關用語涵蓋使用或操作中的裝置的不同方位。所述裝置也可被另外定位 (例如，旋轉90度或者位於其他方位)，並對應地解讀所使用的空間相關用語的描述。當一元件被稱為“連接”或“耦接”至另一元件時，它可以為直接連接或耦接至另一元件，又或是在其中有一額外元件存在。儘管本揭露的廣義範圍的數值範圍及參數為近似值，但盡可能精確地在具體實例中陳述數值。雖然“第一”、“第二”、“第三”等等用語在申請專利範圍中可用於描述各種元件是可以被理解的，但這些元件不應該被這些用語所限制，且在實施例中被相應地描述的這些元件是用以表達不同的參照編號，這些用語僅是用以區別一個元件與另一個元件，例如，第一元件可以被稱為第二元件，且類似地，第二元件可以被稱為第一元件，而不偏離實施例的範圍。在此所使用的用語“及/或”包含一或複數個相關列出的專案的任何或全部組合。此外，數值範圍或參數固有地含有在各別測試量測中存在的誤差。並且，如本文中出現用語”大約”或”實質上”一般意指在一給定值或範圍的10%、5%、1%或0.5%內。另一選擇為，用語“大約” 或“實質上”意味所屬領域的技術人員可接受的誤差內。除在操作/工作之實例中以外，或除非明確規定，否則本文中所揭露的所有數值範圍、量、值及百分比（如本文中所揭露之材料的數量、時間、溫度、操作條件、用量的比例及其類似者），應被理解為在所有實施例中由用語“大約”或“實質上”來修飾。相應地，除非相反地指示，否則本揭露及隨附申請專利範圍中陳述的數值參數為可視需要變化的近似值。例如，每一數值參數應至少根據所述的有效數字的數字且借由應用普通捨入原則來解釋。範圍可在本文中表達為從一個端點到另一端點或在兩個端點之間。本文中所揭露的所有範圍包含端點，除非另有規定。
第1圖係為本案較佳實施例之諧振電源轉換器的電路示意圖。如第1圖所示，諧振電源轉換器包含開關電路12、諧振腔13、變壓器14、整流電路15及電流合成模組20。於此實施例中，諧振電源轉換器較佳但不限於為半橋諧振轉換器或全橋諧振轉換器。開關電路12、諧振腔13、變壓器14及整流電路15係依序連接。開關電路12適用於自輸入源11接受輸入電壓Vin。整流電路15適用於輸出輸出電壓Vout至負載17。諧振腔13係包含串聯連接的諧振電感及諧振電容。變壓器14可為例如但不限於隔離變壓器。
電流合成模組20包含感測電路21、峰值保持電路22及計算單元24。感測電路21係架構於感測諧振腔13之諧振電容上的諧振電容電壓Vcr。峰值保持電路22係電連接於感測電路21，以接收諧振電容電壓Vcr。峰值保持電路22係架構於獲取諧振電容電壓Vcr之峰值Vcr_ph。計算單元24係電連接於峰值保持電路22，以接收諧振電容電壓Vcr之峰值Vcr_ph。此外，計算單元24適用於接收開關頻率Fsw、輸入電壓Vin、輸出電壓Vout及諧振電源轉換器之諧振電容值Cr。計算單元24係架構於依據峰值Vcr_ph、開關頻率Fsw、輸入電壓Vin、輸出電壓Vout及諧振電源轉換器之諧振電容值Cr產生合成輸出電流Iout。藉此，可獲知諧振電源轉換器之輸出電流，且上述合成輸出電流的過程可防止所合成的輸出電流受噪音或諧波影響而產生偏差，其中合成輸出電流Iout可用於故障檢測和系統監控之目的。
於一些實施例中，感測電路21可通過直接測量諧振電容兩端的電壓以獲取諧振電容電壓Vcr。又或者，感測電路21可通過諧振電容電流Icr獲取諧振電容電壓Vcr，亦即，感測電路21可感測諧振電容上的諧振電容電流Icr，並依據等式 (1) 將諧振電容電流Icr轉換為諧振電容電壓Vcr。
Figure 02_image001
(1)
依據等式 (2)，可通過諧振電容電壓Vcr獲得每開關週期的總電荷轉移量，其中ΔQr為每開關週期的總電荷轉移量，C為諧振電源轉換器之總電容值，ΔVcr為開關週期內的諧振電容電壓Vcr的最大值與最小值間之差值。
Figure 02_image003
(2)
再者，可依據等式 (3) 獲得合成輸出電流Iout，其中K為諧振電源轉換器之效率係數。
Figure 02_image005
(3)
於一些實施例中，諧振電源轉換器還包含電連接於計算單元24的調節電路23。調節電路23係架構於接收輸出電壓Vout及參考電壓Vref，並輸出開關頻率Fsw至計算單元24。於一些實施例中，調節電路23包含相互電連接之電壓調節器231及調變器232。電壓調節器231適用於接收輸出電壓Vout及參考電壓Vref並對兩者進行比較，且電壓調節器231係架構於依據比較結果輸出調節訊號。調變器232適用於接受調節訊號並對應輸出開關頻率Fsw。舉例而言，調變器232可用以進行數位脈衝寬度調變，但亦不以此為限。
於一些實施例中，電流合成模組20係由至少一微控制單元 (MCU，micro control unit) 及數位訊號處理器 (DSP，digital signal processor) 所構成。於一些實施例中，可將調節電路23和電流處理模組20整合為一體。
於一些實施例中，諧振電源轉換器還包含第一驅動器18及第二驅動器19。第一驅動器18電連接於開關電路12及電流合成模組20，且第一驅動器18適用於驅動和控制開關電路12。第二驅動器19電連接於整流電路15及電流合成模組20，且第二驅動器19適用於驅動和控制整流電路15。電流合成模組20適用於依據合成輸出電流Iout產生第一驅動訊號及第二驅動訊號。第一驅動器18可接受第一驅動訊號，且第一驅動器18適用於依據第一驅動訊號驅動開關電路12。第二驅動器19可接受第二驅動訊號，且第二驅動器19適用於依據第二驅動訊號驅動整流電路15。
於一些實施例中，諧振電源轉換器還包含濾波電路16，濾波電路16電連接於整流電路15與負載17之間。濾波電路16適用於對諧振電源轉換器之輸出進行濾波。
第2圖係為半橋諧振電源轉換器之參數及訊號的波形示意圖，據此可推得全橋諧振電源轉換器的相應波形，故於此省略其波形示意圖。如第2圖所示，第2圖中係例示了諧振電容電流Icr、諧振電容電壓Vcr、開關電路12中之開關的閘極驅動訊號S1與S2以及開關電路12中之電流I的波形。應注意的是，開關電路12的閘極驅動訊號S1及S2的波形係分別以虛線及實線表示，而開關電路12中之電流I的波形則以點鍊線表示。同時，第2圖中亦示出於一開關週期中，諧振電容電壓Vcr的最大值與最小值間之差值ΔVcr。
第3圖係為本案較佳實施例之諧振電源轉換器之電流合成方法的流程示意圖。第3圖所示之電流合成方法可應用於第1圖所示之諧振電源轉換器。如第3圖所示，電流合成方法包含下列步驟。
首先，於步驟S1中，感測諧振腔13之諧振電容上的諧振電容電壓Vcr。於一些實施例中，係感測諧振電容上的諧振電容電流Icr，並將諧振電容電流Icr轉換為諧振電容電壓Vcr。
接著，於步驟S2中，獲取諧振電容電壓Vcr之峰值Vcr_ph。
最後，於步驟S4中，依據峰值Vcr_ph、開關頻率Fsw、輸入電壓Vin、輸出電壓Vout及諧振電源轉換器之諧振電容值Cr，產生合成輸出電流Iout。
於一些實施例中，電流合成方法還包含步驟S3。於步驟S3中，依據輸出電壓Vout及參考電壓Vref產生開關頻率Fsw。於一些實施例中，係依據輸出電壓Vout及參考電壓Vref以產生調節訊號，並依據調節訊號產生開關頻率Fsw。
於一些實施例中，電流合成方法還包含一步驟，此步驟係依據合成輸出電流Iout產生第一驅動訊號，並依據第一驅動訊號驅動開關電路12。於一些實施例中，電流合成方法還包含一步驟，此步驟係依據合成輸出電流Iout產生第二驅動訊號，並依據第二驅動訊號驅動整流電路15。
綜上所述，本案提供一種諧振電源轉換器及其電流合成方法，其係基於諧振電源轉換器的輸入電壓、輸出電壓、諧振電容電壓及諧振電容來合成諧振電源轉換器的輸出電流。因此，可避免因噪音或諧波而影響所得之輸出電流。
須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。
11:輸入源 12:開關電路 13:諧振腔 14:變壓器 15:整流電路 16:濾波電路 17:負載 18:第一驅動器 19:第二驅動器 20:電流合成模組 21:感測電路 22:峰值保持電路 23:調節電路 24:計算單元 231:電壓調節器 232:調變器 Vcr:諧振電容電壓 Icr:諧振電容電流 Vin:輸入電壓 Vout:輸出電壓 Vref:參考電壓 Vcr_ph:峰值 Cr:諧振電容 K:效率係數 Iout:輸出電流 S1、S2:驅動訊號 I:電流 ΔVcr:諧振電容電壓之差值
第1圖係為本案較佳實施例之諧振電源轉換器的電路示意圖。
第2圖係為本案第1圖之諧振電源轉換器的波形示意圖。
第3圖係為本案較佳實施例之諧振電源轉換器之電流合成方法的流程示意圖。
11:輸入源
12:開關電路
13:諧振腔
14:變壓器
15:整流電路
16:濾波電路
17:負載
18:第一驅動器
19:第二驅動器
20:電流合成模組
21:感測電路
22:峰值保持電路
23:調節電路
24:計算單元
231:電壓調節器
232:調變器
Vcr:諧振電容電壓
Icr:諧振電容電流
Vin:輸入電壓
Vout:輸出電壓
Vref:參考電壓
Vcr_ph:峰值
Cr:諧振電容
K:效率係數
Iout:輸出電流

Claims (12)

  1. 一種諧振電源轉換器，包含： 依序連接之一開關電路、一諧振腔、一變壓器及一整流電路，其中該開關電路適用於自一輸入源接收一輸入電壓，該整流電路適用於輸出一輸出電壓至一負載；以及 一電流合成模組，包含： 一感測電路，架構於感測該諧振腔之一諧振電容的一諧振電容電壓； 一峰值保持電路，電連接於該感測電路，以接收該諧振電容電壓，其中該峰值保持電路係架構於獲取該諧振電容電壓之一峰值；以及 一計算單元，電連接於該峰值保持電路，其中該計算單元係架構於接收該諧振電容電壓之該峰值、一開關頻率、該輸入電壓、該輸出電壓及該諧振電源轉換器之一諧振電容值，並依據該諧振電容電壓之該峰值、該開關頻率、該輸入電壓、該輸出電壓及該諧振電源轉換器之該諧振電容值產生一合成輸出電流。
  2. 如請求項1所述之諧振電源轉換器，其中該感測電路係架構於感測該諧振電容之一諧振電容電流，並將該諧振電容電流轉換為該諧振電容電壓。
  3. 如請求項2所述之諧振電源轉換器，還包含電連接於該計算單元的一調節電路，其中該調節電路包含相互電連接的一電壓調節器及一調變器，該電壓調節器係架構於接收該輸出電壓及一參考電壓並輸出一調節訊號，該調變器係架構於接收該調節訊號並輸出該開關頻率至該計算單元。
  4. 如請求項1所述之諧振電源轉換器，還包含電連接於該計算單元的一調節電路，其中該調節電路包含相互電連接的一電壓調節器及一調變器，該電壓調節器係架構於接收該輸出電壓及一參考電壓並輸出一調節訊號，該調變器係架構於接收該調節訊號並輸出該開關頻率至該計算單元。
  5. 如請求項1-4中任一項所述之諧振電源轉換器，還包含電連接於該開關電路及該電流合成模組的一第一驅動器，其中該電流合成模組適用於依據該合成輸出電流產生一第一驅動訊號，該第一驅動器適用於接受該第一驅動訊號並依據該第一驅動訊號驅動該開關電路。
  6. 如請求項1-4中任一項所述之諧振電源轉換器，還包含電連接於該整流電路及該電流合成模組的一第二驅動器，其中該電流合成模組適用於依據該合成輸出電流產生一第二驅動訊號，該第二驅動器適用於接受該第二驅動訊號並依據該第二驅動訊號驅動該整流電路。
  7. 一種諧振電源轉換器之電流合成方法，其中該諧振電源轉換器包含依序連接之一開關電路、一諧振腔、一變壓器及一整流電路，該開關電路適用於自一輸入源接收一輸入電壓，該整流電路適用於輸出一輸出電壓至一負載，該電流合成方法包含步驟： (a) 感測該諧振腔之一諧振電容上的一諧振電容電壓； (b) 獲取該諧振電容電壓之一峰值；以及 (c) 依據該峰值、一開關頻率、該輸入電壓、該輸出電壓及該諧振電源轉換器之一諧振電容，產生一合成輸出電流。
  8. 如請求項7所述之電流合成方法，其中於該步驟 (a) 中，係感測該諧振電容上之一諧振電容電流，並將該諧振電容電流轉換為該諧振電容電壓。
  9. 如請求項8所述之電流合成方法，其中於該步驟 (c) 前還包含一步驟 (d)，於該步驟 (d) 中，係依據該輸出電壓及一參考電壓產生一調節訊號，並依據該調節訊號產生該開關頻率。
  10. 如請求項7所述之電流合成方法，其中於該步驟 (c) 前還包含一步驟 (d)，於該步驟 (d) 中，係依據該輸出電壓及一參考電壓產生一調節訊號，並依據該調節訊號產生該開關頻率。
  11. 如請求項7-10中任一項所述之電流合成方法，還包含步驟： (e) 依據該合成輸出電流產生一第一驅動訊號，並依據該第一驅動訊號驅動該開關電路。
  12. 如請求項7-10中任一項所述之電流合成方法，還包含步驟： (f) 依據該合成輸出電流產生一第二驅動訊號，並依據該第二驅動訊號驅動該整流電路。
TW110112411A 2020-04-08 2021-04-06 諧振電源轉換器及其電流合成方法 TWI761169B (zh)

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