TWI768454B - 高轉換效率之llc諧振轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明主要揭示一種高效率LLC諧振轉換器，其包括：一直流電提供單元、一橋式開關單元、一諧振單元、一變壓器單元、一輸出整流單元、一檢出單元、一第一控制單元、一誤差放大單元、一第一隔離回授單元、以及一第二控制單元。依據本發明之設計，該誤差放大單元依據檢測自該檢出單元之兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號從而傳送至該第一控制單元，使該第一控制單元依據該調整電壓信號而獲知一當前負載率。繼續地，該第二控制單元透過該第一隔離回授單元接收該第一控制單元所傳送之一第一調整信號，從而產生一開關元件控制信號傳送至該直流電提供單元之中的一開關元件，藉以控制該開關元件而調整該直流電提供單元的一輸出電壓，使該LLC諧振轉換器在任何負載狀況下皆可保持大於或等於98%的一轉換效率。

Description

高轉換效率之LLC諧振轉換器
本發明為切換式電源轉換器(Switching-mode power supply,SMPS)之有關技術領域，尤指一種高轉換效率之LLC諧振轉換器。
切換式電源轉換器(Switching-mode power supply,SMPS)的技術已被廣泛地應用於製作各式電機裝置與電子產品的電源供應器。並且，隨著電子產品朝向輕薄短小的趨勢發展，必須透過提升切換頻率的方式來增加切換式電源轉換器的功率密度，才能夠有效地縮小切換式電源轉換器的機構體積。於是，具零電壓切換(Zero voltage switching,ZVS)與零電流切換(Zero current switching,ZCS)特色的LLC諧振轉換器(LLC resonant converter)因此被提出。
圖1顯示習知的一種LLC串聯諧振轉換器的電路架構圖。如圖1所示，習知的LLC串聯諧振轉換器2’係包括：耦接市電的一全橋整流器21’、具有一第一開關元件SQ1’的一功率因數修正單元22’、包括一第二開關元件SQ2’和一第三開關元件SQ3’的一橋式開關單元23’、一諧振單元24’、一變壓器單元25’、一輸出整流單元26’、 一電流檢出電阻RS’、包括一第一分壓電阻RV1’與一第二分壓電阻RV2’的一電壓檢出單元、一誤差放大單元27’、一隔離回授單元28’、以及一控制單元29’。其中，該諧振單元24’包括一諧振電感Lr’與一振電容Cr’。並且，該變壓器單元25’之一激磁電感Lm’與該諧振電感Lr’及該諧振電容Cr’一同組成一LLC諧振槽。
在正常工作情況下，調變該第二開關元件SQ2’和該第三開關元件SQ3’的切換頻率(Switching frequency,fS)可以改變LLC串聯諧振轉換器2’的增益值(gain)，以達到控制輸出電壓之調整。換句話說，相對於寬範圍的輸出電壓，切換頻率也必須跟著變寬。如此一來，輸出電壓調變的範圍越寬，則操作頻率也就越寬，從而必須相對提升該LLC諧振槽的硬體規格，使得切換頻率與LLC諧振槽的一諧振頻率(Resonant frequency,fr)的比值能夠盡量地控制在接近1，亦即fS=fr。
然而，就實務層面而言，在完成輸出電壓調變的範圍完成LLC諧振槽的硬體的規格設計及製作以後，諧振頻率即隨之固定。換句話說，諧振頻率無法依據電路的當前負載率(Immediate load rate)而進行線上即時調變。在此情況下，便只能夠利用控制單元29’調整切換頻率。例如，當負載裝置3’從空載(no load or light load)切換至滿載(full load)時，切換頻率必須被快速且大幅度地調變，如此才能夠將輸出電壓的範圍穩定於規格內。因此，在實務操作中，當負載率快速變化時，切換頻率無法直接地調變至等於或者接近諧振頻率，因而導致LLC串聯諧振轉換器2’的轉換效率(Conversion efficiency)大幅下降。
如圖1所示，習知技術利用調整該控制單元29’的補償參數的方式達到快速調變所述切換頻率之效果。然而，實務經驗顯示，此種方法會造成輸出電壓的不穩定跳動。實務上，如圖1所示，加入該功率因數修正單元22’可以減少由該全橋整流器21’所輸出的一脈動直流信號的諧波成份並使輸入電流與輸入電壓同相位從而提高功率因數。利用一切換信號控制該第一開關元件SQ1’後，可以調整該功率因數修正單元22’的輸出電壓，達到協助穩定輸出電壓之效果。
圖2顯示具有該功率因數修正單元22’的習知的LLC串聯諧振轉換器2’之負載率相對於轉換效率的曲線圖。於圖2中，曲線A係在市電提供115Vac之交流電的情況下量測得到，而曲線B係在市電提供230Vac之交流電的情況下量測得到。量測數據顯示，功率因數修正單元22’的確有助於提升習知的LLC串聯諧振轉換器2’之轉換效率，且所述轉換效率的最高數值約為95%，此時該LLC串聯諧振轉換器2’的負載率約為50%。值得注意的是，當該LLC串聯諧振轉換器2’的操作於輕載或重載時，所述轉換效率仍舊還是會大幅下降。
由上述說明可知，習知的具有功率因數修正單元的LLC串聯諧振轉換器仍具有進一步改善的空間。有鑑於此，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成本發明之一種高轉換效率之LLC諧振轉換器。
本發明之主要目的在於提供一種高轉換效率之LLC諧振轉換器，其基礎上包括：一直流電提供單元、一橋式開關單元、一諧振 單元、一變壓器單元、一輸出整流單元、一檢出單元、一第一控制單元、一誤差放大單元、一第一隔離回授單元、以及一第二控制單元。依據本發明之設計，該誤差放大單元依據檢測自該檢出單元之兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號從而傳送至該第一控制單元，使該第一控制單元依據該調整電壓信號而獲知所述LLC諧振轉換器的一當前負載率(Immediate load rate)，接著基於該當前負載率而產生一第一調整信號。繼續地，該第二控制單元透過該第一隔離回授單元接收該第一調整信號，從而依據該第一調整信號而產生一開關元件控制信號傳送至該直流電提供單元之中的一開關元件，藉以該開關元件週期性地開/關從而調整該直流電提供單元的一輸出電壓，使該LLC諧振轉換器在任何負載狀況下皆可保持大於或等於98%的一轉換效率。
為達成上述目的，本發明提出所述LLC諧振轉換器之一第一實施例，其包括：一直流電提供單元，具有至少一第一開關元件，且用以接收一電源，從而對該電源執行一電源轉換處理之後輸出一第一電壓信號；一橋式開關單元，耦接該直流電提供單元以接收該第一電壓信號；一諧振單元，耦接該橋式開關單元以接收傳送自該橋式開關單元的一第二電壓信號，且包括一諧振電感與一諧振電容；一變壓器單元，包括一初級繞組、與該初級繞組並聯的一激磁電感、以及具有一第一電性端、一第二電性端與一第三電性端的一次級繞組，且以其所述初級繞組耦接該諧振單元，使該激磁電感與該諧振電感及該諧振電容一同組成一LLC諧振槽； 一輸出整流單元，耦接該次級繞組的該第一電性端和該第三電性端，用以對接收自該次級繞組的一第三電壓信號執行一整流處理，從而提供一輸出電壓予至少一負載裝置；一檢出單元，耦接該次級繞組的該第二電性端；一第一控制單元，耦接該輸出整流單元；一誤差放大單元，耦接該檢出單元的兩端與該第一控制單元，從而依據該檢出單元的兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號以傳送至該第一控制單元，使該第一控制單元依據該調整電壓信號而獲知所述LLC諧振轉換器的一當前負載率，接著基於該當前負載率而產生一第一調整信號；一第一隔離回授單元，耦接該第一控制單元；以及一第二控制單元，耦接該第一隔離回授單元以透過該第一隔離回授單元接收所述第一調整信號，且依據該第一調整信號而產生一第一開關元件控制信號傳送至該第一開關元件的一控制信號接收端，從而控制該第一開關元件週期性地開/關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號，藉此方式維持該LLC諧振轉換器之一轉換效率(Conversion efficiency)。
為達成上述目的，本發明提出所述LLC諧振轉換器之一第二實施例，其包括：一直流電提供單元，具有至少一第一開關元件，且用以接收一電源，從而對該電源執行一電源轉換處理之後輸出一第一電壓信號；一橋式開關單元，耦接該直流電提供單元以接收該第一電壓信號； 一諧振單元，耦接該橋式開關單元以接收傳送自該橋式開關單元的一第二電壓信號，且包括一諧振電感與一諧振電容；一變壓器單元，包括一初級繞組、與該初級繞組並聯的一激磁電感、以及具有一第一電性端、一第二電性端與一第三電性端的一次級繞組，且以其所述初級繞組耦接該諧振單元，使該激磁電感與該諧振電感及該諧振電容一同組成一LLC諧振槽；一輸出整流單元，耦接該次級繞組的該第一電性端和該第三電性端，用以對接收自該次級繞組的一第三電壓信號執行一整流處理，從而提供一輸出電壓予至少一負載裝置；一檢出單元，耦接該次級繞組的該第二電性端；一第一控制單元，耦接該輸出整流單元；一誤差放大單元，耦接該檢出單元的兩端，從而依據該檢出單元的兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號；一第一隔離回授單元，耦接該誤差放大單元；以及一第二控制單元，耦接該第一隔離回授單元，以透過該第一隔離回授單元接收所述調整電壓信號，使該第二控制單元依據該調整電壓信號而獲知所述LLC諧振轉換器的一當前負載率，接著基於該當前負載率而產生一第一開關元件控制信號傳送至該第一開關元件的一控制信號接收端，從而控制該第一開關元件週期性地開/關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號，藉此方式維持該LLC諧振轉換器之一轉換效率(Conversion efficiency)。
在前述本發明之LLC諧振轉換器的第一實施例與第二實施例之中，該直流電提供單元可為一交流-直流轉換器或一直流-直流轉換器。
並且，在可行的實施例中，該直流電提供單元為一升壓式交流-直流轉換器，且包括：一全橋整流單元，耦接該電源，用以將傳送自該電源的一交流電信號轉換成一脈動直流電壓信號；以及包含該至少一第一開關元件的一功率因數修正單元。
在前述本發明之LLC諧振轉換器的第一實施例與第二實施例之中，該功率因數修正單元可為一半無橋式功率因數修正器(semi-bridgeless PFC)、一交錯式功率因數修正器(interleaving PFC)、一圖騰柱功率因數修正器(totem pole PFC)、或一常規功率因素修正器。
在前述本發明之LLC諧振轉換器的第一實施例與第二實施例之中，該橋式開關單元可為一半橋開關單元或一全橋開關單元。
並且，在可行的實施例中，該橋式開關單元為一半橋開關單元，且包括：一第二開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該直流電提供單元的該功率因數修正單元和該諧振單元；一第三開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第二電性端和所述第一電性端分別耦接該直流電提供單元的該功率因數修正單元和該諧振單元。
在前述本發明之LLC諧振轉換器的第一實施例與第二實施例之中，該輸出整流單元為一同步整流單元，且包括： 一第四開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第一電性端和該第三電性端；以及一第五開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第三電性端和該負載裝置；其中，該第一控制單元耦接該第四開關元件的該控制信號接收端和該第五開關元件的該控制信號接收端。
在前述本發明之LLC諧振轉換器的第一實施例與第二實施例之中，該第一開關元件、該第二開關元件、該第三開關元件、該第四開關元件、與該第五開關元件皆可為一功率型金屬氧化物半導體場效電晶體、一氮化鎵功率型金屬氧化物半導體場效電晶體或一絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。
於前述本發明之LLC諧振轉換器的第一實施例之中，該第一控制單元包括：一轉換單元，用以對該調整電壓信號執行一轉換處理，從而獲得所述當前負載率；以及一微處理單元，依據所述當前負載率而產生所述第一調整信號。
並且，前述本發明之LLC諧振轉換器的第一實施例更包括：一電壓檢出單元，耦接該次級繞組該第二電性端；以及一第二隔離回授單元，耦接該第一控制單元，且同時耦接該第二開關元件的該控制信號接收端與該第三開關元件的該控制信號接收端； 其中，該第一控制單元透過該電壓檢出單元取得一採樣輸出電壓，進而依據該採樣輸出電壓產生一第二調整信號，且該第二隔離回授單元在接收所述第二調整信號之後分別傳送一第二開關元件控制信號與一第三開關元件控制信號至該第二開關元件與該第三開關元件。
於前述本發明之LLC諧振轉換器的第二實施例之中，該第二控制單元包括：一轉換單元，用以對該調整電壓信號執行一轉換處理，從而獲得所述當前負載率；以及一微處理單元，依據所述當前負載率而產生所述第一開關元件控制信號。
並且，前述本發明之LLC諧振轉換器的第二實施例更包括：一電壓檢出單元，耦接該次級繞組該第二電性端；以及一第二隔離回授單元，耦接該第一控制單元，且同時耦接該第二開關元件的該控制信號接收端與該第三開關元件的該控制信號接收端；其中，該第一控制單元透過該電壓檢出單元取得一採樣輸出電壓，進而依據該採樣輸出電壓產生一調整信號，且該第二隔離回授單元在接收所述調整信號之後分別傳送一第二開關元件控制信號與一第三開關元件控制信號至該第二開關元件與該第三開關元件。
<本發明>
1:LLC諧振轉換器
10:直流電提供單元
11:全橋整流單元
12:功率因數修正單元
13:橋式開關單元
14:諧振單元
15:變壓器單元
16:輸出整流單元
17:第一控制單元
171:微處理單元
172:轉換單元
18a:第一隔離回授單元
18b:第二隔離回授單元
19:第二控制單元
191:微處理單元
192:轉換單元
1E:誤差放大單元
SQ1:第一開關元件
SQ2:第二開關元件
SQ3:第三開關元件
SQ4:第四開關元件
SQ5:第五開關元件
RV1:第一分壓電阻
RV2:第二分壓電阻
RS:檢出單元
Co:輸出電容
Cr:諧振電容
Lr:諧振電感
Lm:激磁電感
3:負載裝置
<習知>
2’:LLC串聯諧振轉換器
21’:全橋整流器
22’:功率因數修正單元
23’:橋式開關單元
24’:諧振單元
25’:變壓器單元
26’:輸出整流單元
27’:誤差放大單元
28’:隔離回授單元
29’:控制單元
SQ1’:第一開關元件
SQ2’:第二開關元件
SQ3’:第三開關元件
RV1’:第一分壓電阻
RV2’:第二分壓電阻
RS’:電流檢出電阻
Cr’:諧振電容
Lr’:諧振電感
Lm’:激磁電感
3’:負載裝置
圖1為習知的LLC串聯諧振轉換器的電路架構圖；圖2為具有功率因數修正單元的習知的LLC串聯諧振轉換器之負載率相對於轉換效率的曲線圖；圖3為本發明之一種高轉換效率之LLC諧振轉換器的電路架構圖；圖4為功率因數修正單元的電路拓樸圖；圖5為負載率相對於功率因數修正單元的輸出電壓的資料曲線圖；圖6為本發明之高轉換效率之LLC諧振轉換器之負載率相對於轉換效率的曲線圖；以及圖7為本發明之一種高轉換效率之LLC諧振轉換器的電路架構圖。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種高轉換效率之LLC諧振轉換器，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
第一實施例
請參閱圖3，其顯示本發明之一種高轉換效率之LLC諧振轉換器的電路架構圖。如圖3所示，本發明之高轉換效率之LLC諧振轉換器(下文簡稱“LLC諧振轉換器1)主要包括：一直流電提供單元10、一橋式開關單元13、一諧振單元14、一變壓器單元15、一輸出整流單元16、一檢出單元RS、一第一控制單元17、一誤差放大單元1E、一第一隔離回授單元18a、以及一第二控制單元19。其中，該直流電提供單元10具有至少一第一開關元件SQ1，且用以接收一電源，從而對該電源執行一電源轉換處理之後輸出一第一電壓信號 V1。在可行的實施例中，該直流電提供單元10可以是一交流-直流轉換器或一直流-直流轉換器。
繼續地參閱圖3，並請同時參閱圖4所顯示之功率因數修正單元12的電路拓樸圖。圖4繪示該直流電提供單元10係示範性地為一升壓式交流-直流轉換器，且其包括一全橋整流單元11以及包含該至少一第一開關元件SQ1的一功率因數修正單元12。更詳細地說明，該全橋整流單元11耦接由該電源，用以將傳送自該電源的一交流電信號AC轉換成一脈動直流電壓信號VIN。並且，該功率因數修正單元12耦接該全橋整流單元11以接收所述脈動直流電壓信號VIN，從而輸出所述第一電壓信號V1。換句話說，所述脈動直流電壓信號VIN作為該功率因數修正單元12的一輸入電壓信號，而所述第一電壓信號V1則為該功率因數修正單元12的一輸出電壓信號。
於此，必須加以強調的是，本發明不特別限制所述功率因數修正單元12的實施態樣。因此，在可行的實施例中，所述功率因數修正單元12可為一半無橋式功率因數修正器(semi-bridgeless PFC)、一交錯式功率因數修正器(interleaving PFC)、一圖騰柱功率因數修正器(totem pole PFC)、或習用的常規型功率因素修正器。進一步地，圖3與圖4繪示該橋式開關單元13耦接該直流電提供單元10以接收該第一電壓信號V1。
本發明同樣不特別限制所述橋式開關單元13的實施態樣。因此，在可行的實施例中，所述橋式開關單元13可為一半橋開關單元或一全橋開關單元。故而，圖4繪示該橋式開關單元13係示範性地為 一半橋開關單元，且其包括一第二開關元件SQ2與一第三開關元件SQ3。更詳細地說明，該第二開關元件SQ2具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該直流電提供單元10的該功率因數修正單元12和該諧振單元14。另一方面，該第三開關元件SQ3具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第二電性端和所述第一電性端分別耦接該直流電提供單元10的該功率因數修正單元12和該諧振單元14。
該諧振單元14耦接該橋式開關單元13以接收傳送自該橋式開關單元13的一第二電壓信號V2，且包括一諧振電感Lr與一諧振電容Cr。其中，該諧振電感Lr之一第一端耦接至該第二開關元件SQ2的該第二電性端和該第三開關元件SQ3的該第一電性端之間的一共接點，且該諧振電容Cr之一第一端耦接至該第三開關元件SQ3的該第二電性端。如圖3與圖4所示，該變壓器單元15包括一初級繞組、與該初級繞組並聯的一激磁電感Lm、以及具有一第一電性端、一第二電性端與一第三電性端的一次級繞組，且以其所述初級繞組耦接該諧振單元14，使該激磁電感Lm與該諧振電感Lr及該諧振電容Cr一同組成一LLC諧振槽。
繼續地參閱圖3與圖4。該輸出整流單元16耦接該次級繞組的該第一電性端和該第三電性端，用以對接收自該次級繞組的一第三電壓信號V3執行一整流處理，從而透過一輸出電容CO而提供一輸出電壓予至少一負載裝置3。在一示範性實施例中，該輸出整流單元16 為一同步整流單元，且其包括一第四開關元件SQ4與一第五開關元件SQ5。其中，該第四開關元件SQ4具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第一電性端和該第三電性端。並且，該第五開關元件SQ5，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第三電性端和該負載裝置3。在電路功能上，該變壓器單元15透過該諧振單元14接收由該橋式開關單元13所傳送的第二電壓信號V2，從而將該第二電壓信號V2轉換成一第三電壓信號V3。進一步地，該輸出整流單元16將接收自該次級繞組的一第三電壓信號V3執行一整流處理，從而輸出所述輸出電壓。
由圖3與圖4可知，該檢出單元RS為耦接該次級繞組的該第二電性端的一檢測電阻，且該第一控制單元17耦接該輸出整流單元16。另一方面，該誤差放大單元1E同時耦接該第一控制單元17與該檢出單元RS的兩端，從而依據該檢出單元RS的兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號SM以傳送至該第一控制單元17，使該第一控制單元17依據該調整電壓信號SM而獲知所述LLC諧振轉換器1的一當前負載率，接著基於該當前負載率而產生一第一調整信號Smd1。更詳細地說明，該第一隔離回授單元18a耦接該第一控制單元17，且該第二控制單元19耦接該第一隔離回授單元18a以透過該第一隔離回授單元18a接收所述第一調整信號Smd1。
依據本發明之設計，該第二控制單元19依據該第一調整信號Smd1而產生一第一開關元件控制信號S1傳送至該第一開關元件SQ1的一控制信號接收端，從而控制該第一開關元件Q1週期性地開/ 關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號V1。在依據該LLC諧振轉換器1之當前負載率而對應地調變該第一電壓信號V1(即，該直流電提供單元10之所述功率因數修正單元12的輸出電壓)的情況下，可以利用第一控制單元17控制該第二開關元件SQ2和該第三開關元件SQ3的切換頻率(Switching frequency,fS)，使得切換頻率與LLC諧振槽的諧振頻率(Resonant frequency,fr)的比值能夠盡量地控制在接近1，從而使LLC諧振轉換器1在任何負載狀態下皆可以維持高轉換效率(Conversion efficiency)。
如圖3與圖4所示，該第一控制單元17包括一轉換單元172與一微處理單元171。其中，該轉換單元172用以對該調整電壓信號SM執行一轉換處理從而獲得所述當前負載率，使該微處理單元171依據所述當前負載率而產生所述第一調整信號Smd1。在一可行實施例中，該轉換單元172可為一演算法，用以基於該誤差放大單元1E所傳送之所述調整電壓信號SM而計算出所述LLC諧振轉換器1的一當前負載率(Immediate load rate)。
在另一可行實施例中，該轉換單元172可為一查找表(Look-up Table,LUT)，且其包括該調整電壓信號SM的複數個電壓值、對應於該複數個電壓值的複數個負載率、以及對應於該複數個負載率的複數個調整參數。必須注意的是，由於該第一控制單元17為一微處理器，故其可接受的輸入電壓的上限值為3.3V。基於這個理由，必須將該誤差放大單元1E所送出的該調整電壓信號SM的電壓值(準位)限制在3.3V以內。故此，該調整電壓信號SM的該電壓值係介於0V至3.3V之間。舉例而言，可令該調整電壓信號SM的該電壓值介於0V至2.0V之間，其中0V對應於負載率0%，而2V對應於負載率 100%。應可理解，設計(2-0)N可決定負載率的監測解析度。換句話說，N的值越大，則對於負載率的監測解析度越高。例如，該查找表(即，轉換單元172)所包括該調整電壓信號SM的複數個電壓值為0V,0.02V,...,1V,1.02V,...,1.98V,2V。對應地，該查找表所包括對應於該複數個電壓值的複數個負載率則為1%,2%,...,50%,51%,...,99%,100%。
換句話說，該微處理單元171接收傳送自該誤差放大單元1E的該調整電壓信號SM，從而依據該調整電壓信號SM的一當前電壓值而自該查找表172中找到對應的一個負載率，接著依該負載率找到對應的一個調整參數，從而依據該調整參數而產生所述第一調整信號Smd1。最終，該第二控制單元19透過該第一隔離回授單元18a接收所述第一調整信號Smd1，且依據該第一調整信號Smd1而產生一第一開關元件控制信號S1傳送至該第一開關元件SQ1的該控制信號接收端，從而控制該第一開關元件SQ1週期性地開/關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號V1，藉此方式維持該LLC諧振轉換器1之一轉換效率。
圖5顯示負載率相對於該功率因數修正單元12的輸出電壓(即，第一電壓信號V1)的資料曲線圖，且圖6顯示本發明之高轉換效率之LLC串聯諧振轉換器1之負載率相對於轉換效率的曲線圖。如圖3與圖5所示，該第一控制單元17依據該誤差放大單元1E所傳送的一調整電壓信號SM而產生一第一調整信號Smd1，且該第二控制單元19透過該第一隔離回授單元18a接收所述第一調整信號Smd1，從而依據該第一調整信號Smd1而產生一第一開關元件控制信號S1傳送至該第一開關元件SQ1的該控制信號接收端，進而控制該第一開關 元件SQ1週期性地開/關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號V1(亦即，該功率因數修正單元12的輸出電壓)。
進一步地，如圖6所示，在對應於當前負載率(Immediate load rate)而同整該功率因數修正單元12的輸出電壓的情況下，所述LLC諧振轉換器1在任何負載狀況下皆可保持大於或等於98%的一轉換效率。補充說明的是，圖6中的曲線C係在市電提供230Vac之交流電的情況下自本發明之LLC諧振轉換器1量測得到，而曲線B係在市電提供230Vac之交流電的情況下自習知的LLC諧振轉換器量測得到。此外，圖6的實驗數據同時顯示，無論操作在輕載、中載或重載，本發明之LLC諧振轉換器1的轉換效率皆明顯大於習知的LLC諧振轉換器的轉換效率。
補充說明的是，如圖3與圖4所示，本發明之LLC諧振轉換器1更進一步包括一電壓檢出單元以及一第二隔離回授單元18b。其中，該電壓檢出單元耦接該次級繞組該第二電性端。並且，圖3與圖4繪示該電壓檢出單元示範性地為包括一第一分壓電阻RV1與一第二分壓電阻RV1的一分壓單元。進一步地，該第二隔離回授單元18b耦接該第一控制單元17，且同時耦接該第二開關元件SQ2的該控制信號接收端與該第三開關元件SQ3的該控制信號接收端。如此設置，該第一控制單元17透過該電壓檢出單元取得一採樣輸出電壓，進而依據該採樣輸出電壓產生一第二調整信號Smd2，且該第二隔離回授單元18b在接收所述第二調整信號Smd2之後分別傳送一第二開關元件控制信號S2與一第三開關元件控制信號S3至該第二開關元件SQ2與該第三開關元件SQ3。
第二實施例
請參閱圖7，其顯示本發明之一種高轉換效率之LLC諧振轉換器的電路架構圖。如圖7所示，本發明之高轉換效率之LLC諧振轉換器(下文簡稱“LLC諧振轉換器1)的第二實施例主要包括：一直流電提供單元10、一橋式開關單元13、一諧振單元14、一變壓器單元15、一輸出整流單元16、一檢出單元RS、一第一控制單元17、一誤差放大單元1E、一第一隔離回授單元18a、以及一第二控制單元19。
於第二實施例中，該直流電提供單元10具有至少一第一開關元件Q1，且用以接收一電源，從而對該電源執行一電源轉換處理之後輸出一第一電壓信號V1。並且，該橋式開關單元13耦接該直流電提供單元10以接收該第一電壓信號V1，且該諧振單元14耦接該橋式開關單元13以接收傳送自該橋式開關單元13的一第二電壓信號V2，且包括一諧振電感Lr與一諧振電容Cr。更詳細地說明，變壓器單元15包括一初級繞組、與該初級繞組並聯的一激磁電感Lm、以及具有一第一電性端、一第二電性端與一第三電性端的一次級繞組，且以其所述初級繞組耦接該諧振單元14，使該激磁電感Lm與該諧振電感Lr及該諧振電容Cr一同組成一LLC諧振槽。該輸出整流單元16耦接該次級繞組的該第一電性端和該第三電性端，用以對接收自該次級繞組的一第三電壓信號V3執行一整流處理，從而提供一輸出電壓予至少一負載裝置3。並且，該檢出單元RS耦接該次級繞組的該第二電性端。
不同地，在第二實施例中，該第一控制單元17耦接該輸出整流單元16，且誤差放大單元1E耦接該檢出單元RS的兩端，從而依據該檢出單元RS的兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號SM。如圖7所示，該第一隔離回授單元18a耦接該誤差放大單元1E，且該一第二控制單元19耦接該第一隔離回授單元18a，進以透過該第一隔離回授單元18a接收所述調整電壓信號SM，而使該第二控制單元19依據該調整電壓信號SM而獲知所述LLC諧振轉換器1的一當前負載率，接著基於該當前負載率而產生一第一開關元件控制信號S1傳送至該第一開關元件Q1的一控制信號接收端，從而控制該第一開關元件Q1週期性地開/關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號V1，藉此方式維持該LLC諧振轉換器1之一轉換效率。
於第二實施例中，該第二控制單元19包括一轉換單元192與一為處理單元191。其中，該轉換單元192用以對該調整電壓信號SM執行一轉換處理從而獲得所述當前負載率，且該微處理單元191依據所述當前負載率而產生所述第一開關元件控制信號S1。在可行的實施例中，該第二控制單元19之所述轉換單元192可為一演算法，用以基於該誤差放大單元1E所傳送之所述調整電壓信號SM而計算出所述LLC諧振轉換器1的一當前負載率。
在另一可行實施例中，該第二控制單元19之所述轉換單元192可為一查找表(Look-up Table,LUT)，且其包括該調整電壓信號SM的複數個電壓值、對應於該複數個電壓值的複數個負載率、以及對應於該複數個負載率的複數個調整參數。舉例而言，可令該調整電 壓信號SM的該電壓值介於0V至2.0V之間，使0V對應於負載率0%且2V對應於負載率100%。如此設計，該查找表(即，轉換單元192)所包括該調整電壓信號SM的複數個電壓值為0V,0.02V,...,1V,1.02V,...,1.98V,2V。對應地，該查找表所包括對應於該複數個電壓值的複數個負載率則為1%,2%,...,50%,51%,...,99%,100%。
換句話說，如圖3所示之第一實施例係於第一控制單元17內設置一轉換單元172用以將傳送自該誤差放大單元1E的一調整電壓信號SM轉換用以表示所述LLC諧振轉換器1的當前負載率之資料及/或信號，使該第一控制單元17之微處理單元171可以依據所述當前負載率而產生所述第一開關元件控制信號S1傳送至該直流電提供單元10之所述功率因數修正單元12所包含之第一開關元件SQ1，藉以調整該直流電提供單元10所輸出的第一電壓信號V1。另一方面，如圖7所示之第二實施例則是於第二控制單元19內設置一轉換單元192用以將傳送自該誤差放大單元1E的一調整電壓信號SM轉換用以表示所述LLC諧振轉換器1的當前負載率之資料及/或信號，使該第一控制單元19之微處理單元191可以依據所述當前負載率而產生所述第一開關元件控制信號S1傳送至該直流電提供單元10之所述功率因數修正單元12所包含之第一開關元件SQ1，藉以調整該直流電提供單元10所輸出的第一電壓信號V1。
補充說明的是，如圖7，本發明之LLC諧振轉換器1的第二實施例更進一步包括一電壓檢出單元以及一第二隔離回授單元18b。其中，該電壓檢出單元耦接該次級繞組該第二電性端。並且，圖7繪示該電壓檢出單元示範性地為包括一第一分壓電阻RV1與一第二分壓電阻RV1的一分壓單元。進一步地，該第二隔離回授單元18b耦接該 第一控制單元17，且同時耦接該第二開關元件SQ2的該控制信號接收端與該第三開關元件SQ3的該控制信號接收端。如此設置，該第一控制單元17透過該電壓檢出單元取得一採樣輸出電壓，進而依據該採樣輸出電壓產生一調整信號Smd，且該第二隔離回授單元18b在接收所述調整信號Smd之後分別傳送一第二開關元件控制信號S2與一第三開關元件控制信號S3至該第二開關元件SQ2與該第三開關元件SQ3。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明所揭示的一種高轉換效率之LLC諧振轉換器的所有實施例。必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1: LLC諧振轉換器 10:直流電提供單元 13:橋式開關單元 14:諧振單元 15:變壓器單元 16:輸出整流單元 17:第一控制單元 171:微處理單元 172:轉換單元 18a:第一隔離回授單元 18b:第二隔離回授單元 19:第二控制單元 1E:誤差放大單元 SQ1:第一開關元件 R S:檢出單元 Co:輸出電容 Cr:諧振電容 Lr:諧振電感 Lm:激磁電感 3:負載裝置 R v1:第一分壓電阻 R v1:第二分壓電阻

Claims (20)

  1. 一種LLC諧振轉換器，包括：一直流電提供單元，具有至少一第一開關元件，且用以接收一電源，從而對該電源執行一電源轉換處理之後輸出一第一電壓信號；一橋式開關單元，耦接該直流電提供單元以接收該第一電壓信號；一諧振單元，耦接該橋式開關單元以接收傳送自該橋式開關單元的一第二電壓信號，且包括一諧振電感與一諧振電容；一變壓器單元，包括一初級繞組、與該初級繞組並聯的一激磁電感、以及具有一第一電性端、一第二電性端與一第三電性端的一次級繞組，且以其所述初級繞組耦接該諧振單元，使該激磁電感與該諧振電感及該諧振電容一同組成一LLC諧振槽；一輸出整流單元，耦接該次級繞組的該第一電性端和該第三電性端，用以對接收自該次級繞組的一第三電壓信號執行一整流處理，從而提供一輸出電壓予至少一負載裝置；一檢出單元，耦接該次級繞組的該第二電性端；一第一控制單元，耦接該輸出整流單元；一誤差放大單元，耦接該檢出單元的兩端與該第一控制單元，從而依據該檢出單元的兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號以傳送至該第一控制單元，使該第一控制單元依據該調整電壓信號而獲知所述LLC諧振轉換器的一當前負載率，接著基於該當前負載率而產生一第一調整信號；一第一隔離回授單元，耦接該第一控制單元；以及 一第二控制單元，耦接該第一隔離回授單元以透過該第一隔離回授單元接收所述第一調整信號，且依據該第一調整信號而產生一第一開關元件控制信號傳送至該第一開關元件的一控制信號接收端，從而控制該第一開關元件週期性地開/關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號，藉此方式維持該LLC諧振轉換器之一轉換效率。
  2. 如請求項1所述之LLC諧振轉換器，其中，該直流電提供單元為一交流-直流轉換器或一直流-直流轉換器。
  3. 如請求項1所述之LLC諧振轉換器，其中，該直流電提供單元為一升壓式交流-直流轉換器，且包括：一全橋整流單元，耦接該電源，用以將傳送自該電源的一交流電信號轉換成一脈動直流電壓信號；以及包含該至少一第一開關元件的一功率因數修正單元。
  4. 如請求項3所述之LLC諧振轉換器，其中，該功率因數修正單元為下列任一者：半無橋式功率因數修正器(semi-bridgeless PFC)、交錯式功率因數修正器(interleaving PFC)、圖騰柱功率因數修正器(totem pole PFC)、或常規功率因素修正器。
  5. 如請求項1所述之LLC諧振轉換器，其中，該橋式開關單元為下列任一者：半橋開關單元或全橋開關單元。
  6. 如請求項3所述之LLC諧振轉換器，其中，該橋式開關單元為一半橋開關單元，且包括：一第二開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該直流電提供單元的該功率因數修正單元和該諧振單元；一第三開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第二電性端和所述第一電性端分別耦接該直流電提供單元的該功率因數修正單元和該諧振單元。
  7. 如請求項6所述之LLC諧振轉換器，更包括：一電壓檢出單元，耦接該次級繞組該第二電性端；以及一第二隔離回授單元，耦接該第一控制單元，且同時耦接該第二開關元件的該控制信號接收端與該第三開關元件的該控制信號接收端；其中，該第一控制單元透過該電壓檢出單元取得一採樣輸出電壓，進而依據該採樣輸出電壓產生一第二調整信號，且該第二隔離回授單元在接收所述第二調整信號之後分別傳送一第二開關元件控制信號與一第三開關元件控制信號至該第二開關元件與該第三開關元件。
  8. 如請求項6所述之LLC諧振轉換器，其中，該輸出整流單元為一同步整流單元，且包括： 一第四開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第一電性端和該第三電性端；以及一第五開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第三電性端和該負載裝置；其中，該第一控制單元耦接該第四開關元件的該控制信號接收端和該第五開關元件的該控制信號接收端。
  9. 如請求項8所述之LLC諧振轉換器，其中，該第一開關元件、該第二開關元件、該第三開關元件、該第四開關元件、與該第五開關元件皆為選自於由功率型金屬氧化物半導體場效電晶體、氮化鎵功率型金屬氧化物半導體場效電晶體、和絕緣閘雙極電晶體所組成群組之中的任一者。
  10. 如請求項1所述之LLC諧振轉換器，其中，該第一控制單元包括：一轉換單元，用以對該調整電壓信號執行一轉換處理，從而獲得所述當前負載率；以及一微處理單元，依據所述當前負載率而產生所述第一調整信號。
  11. 一種LLC諧振轉換器，包括： 一直流電提供單元，具有至少一第一開關元件，且用以接收一電源，從而對該電源執行一電源轉換處理之後輸出一第一電壓信號；一橋式開關單元，耦接該直流電提供單元以接收該第一電壓信號；一諧振單元，耦接該橋式開關單元以接收傳送自該橋式開關單元的一第二電壓信號，且包括一諧振電感與一諧振電容；一變壓器單元，包括一初級繞組、與該初級繞組並聯的一激磁電感、以及具有一第一電性端、一第二電性端與一第三電性端的一次級繞組，且以其所述初級繞組耦接該諧振單元，使該激磁電感與該諧振電感及該諧振電容一同組成一LLC諧振槽；一輸出整流單元，耦接該次級繞組的該第一電性端和該第三電性端，用以對接收自該次級繞組的一第三電壓信號執行一整流處理，從而提供一輸出電壓予至少一負載裝置；一檢出單元，耦接該次級繞組的該第二電性端；一第一控制單元，耦接該輸出整流單元；一誤差放大單元，耦接該檢出單元的兩端，從而依據該檢出單元的兩端的一電壓差而產生一調整電壓信號；一第一隔離回授單元，耦接該誤差放大單元；以及一第二控制單元，耦接該第一隔離回授單元，以透過該第一隔離回授單元接收所述調整電壓信號，使該第二控制單元依據該調整電壓信號而獲知所述LLC諧振轉換器的一當前負載率，接著基於該當前負載率而產生一第一開關元件控制信號傳送至該第一開關元件的一控制信號接收端，從而控制該第一開關元件週 期性地開/關以對應於該當前負載率而調整該第一電壓信號，藉此方式維持該LLC諧振轉換器之一轉換效率。
  12. 如請求項11所述之LLC諧振轉換器，其中，該直流電提供單元為一交流-直流轉換器或一直流-直流轉換器。
  13. 如請求項11所述之LLC諧振轉換器，其中，該直流電提供單元為一升壓式交流-直流轉換器，且包括：一全橋整流單元，耦接該電源，用以將傳送自該電源的一交流電信號轉換成一脈動直流電壓信號；以及包含該至少一第一開關元件的一功率因數修正單元。
  14. 如請求項13所述之LLC諧振轉換器，其中，該功率因數修正單元為下列任一者：半無橋式功率因數修正器(semi-bridgeless PFC)、交錯式功率因數修正器(interleaving PFC)、圖騰柱功率因數修正器(totem pole PFC)、或常規功率因素修正器。
  15. 如請求項11所述之LLC諧振轉換器，其中，該橋式開關單元為下列任一者：半橋開關單元或全僑開關單元。
  16. 如請求項13所述之LLC諧振轉換器，其中，該橋式開關單元為一半橋開關單元，且包括： 一第二開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該直流電提供單元的該功率因數修正單元和該諧振單元；一第三開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第二電性端和所述第一電性端分別耦接該直流電提供單元的該功率因數修正單元和該諧振單元。
  17. 如請求項16所述之LLC諧振轉換器，更包括：一電壓檢出單元，耦接該次級繞組該第二電性端；以及一第二隔離回授單元，耦接該第一控制單元，且同時耦接該第二開關元件的該控制信號接收端與該第三開關元件的該控制信號接收端；其中，該第一控制單元透過該電壓檢出單元取得一採樣輸出電壓，進而依據該採樣輸出電壓產生一調整信號，且該第二隔離回授單元在接收所述調整信號之後分別傳送一第二開關元件控制信號與一第三開關元件控制信號至該第二開關元件與該第三開關元件。
  18. 如請求項16所述之LLC諧振轉換器，其中，該輸出整流單元為一同步整流單元，且包括：一第四開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第一電性端和該第三電性端；以及 一第五開關元件，具一第一電性端、一第二電性端與一控制信號接收端，且以其所述第一電性端和所述第二電性端分別耦接該次級繞組該第三電性端和該負載裝置；其中，該第一控制單元耦接該第四開關元件的該控制信號接收端和該第五開關元件的該控制信號接收端。
  19. 如請求項18所述之LLC諧振轉換器，其中，該第一開關元件、該第二開關元件、該第三開關元件、該第四開關元件、與該第五開關元件皆為選自於由功率型金屬氧化物半導體場效電晶體、氮化鎵功率型金屬氧化物半導體場效電晶體、和絕緣閘雙極電晶體所組成群組之中的任一者。
  20. 如請求項11所述之LLC諧振轉換器，其中，該第二控制單元包括：一轉換單元，用以對該調整電壓信號執行一轉換處理，從而獲得所述當前負載率；以及一微處理單元，依據所述當前負載率而產生所述第一開關元件控制信號。
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