TWI780983B - 採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器 - Google Patents

採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器 Download PDF

Info

Publication number
TWI780983B
TWI780983B TW110142130A TW110142130A TWI780983B TW I780983 B TWI780983 B TW I780983B TW 110142130 A TW110142130 A TW 110142130A TW 110142130 A TW110142130 A TW 110142130A TW I780983 B TWI780983 B TW I780983B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
bridge switch
lower bridge
switch
upper bridge
turned
Prior art date
Application number
TW110142130A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202320462A (zh
Inventor
林景源
岳軒宇
林宜鋒
張哲瑀
Original Assignee
國立臺灣科技大學
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 國立臺灣科技大學 filed Critical 國立臺灣科技大學
Priority to TW110142130A priority Critical patent/TWI780983B/zh
Priority to US17/682,042 priority patent/US11831244B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI780983B publication Critical patent/TWI780983B/zh
Publication of TW202320462A publication Critical patent/TW202320462A/zh

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33576—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements having at least one active switching element at the secondary side of an isolation transformer
    • H02M3/33584—Bidirectional converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

本發明提供一種採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，包含第一電路以及第二電路。第一電路包含多個一次側開關。多個一次側開關包含第一上橋開關、第二上橋開關、第一下橋開關以及第二下橋開關。第二電路包含多個二次側開關。多個二次側開關包含第三上橋開關、第四上橋開關、第三下橋開關以及第四下橋開關。當第二下橋開關以及第一下橋開關導通且當下時間到達一預導通時間時，第四上橋開關與第三下橋開關導通。

Description

採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器
本發明涉及諧振轉換器，特別是涉及一種採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器。
近年來全球能源逐漸減少及石油價格飆漲，對於以石油作為動力來源的內燃機載具造成很大的衝擊，為了減少對石油的依賴性，電動載具成為近年來熱門的研究項目之一，其因為使用電能作為動力來源，與內燃機載具相比，大量減少石油燃料的消耗及有害氣體的排放。
電動載具的充電樁由低電壓開始對電池進行充電，隨著電池電壓上升，在預充階段會將充電電流提升至最大值，進入定電流模式對電池進行快速充電，直到電池充電至電壓最大值後，進入定電壓模式降低充電電流。
由於電池充電所需的電壓範圍及電流範圍較寬，因此轉換器需具備良好的調壓功能，而LLC諧振轉換器由於其高頻切換的特性可以減小元件體積，適合應用在高功率的場合中，藉由不同的控制方式使其能實現良好的電壓調節性能，並且在寬負載範圍中使開關能夠達成零電壓切換，因此被已廣泛用於電動載具充電設備。
傳統全橋相移LLC諧振轉換器由於相移過度會導致落後臂開關無法達成零電壓切換，使得開關元件發燙。傳統全橋相移LLC諧振轉換器為了實現寬範圍輸出電壓，只能透過調整諧振槽，加大Q值使電壓增益曲線變得陡峭，以減少開關相移的角度，但品質因數(即Q值)增加會導致諧振電感及變壓器的鐵損增加，進而影響轉換器的效率。
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採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，包含第一電路以及第二電路。第一電路包含多個一次側開關。多個一次側開關包含第一上橋開關、第二上橋開關、第一下橋開關以及第二下橋開關。第一上橋開關的第一端以及第二上橋開關的第一端耦接輸入電壓。第一上橋開關的第二端連接第一下橋開關的第一端。第二上橋開關的第二端連接第二下橋開關的第一端。第一下橋開關的第二端以及第二下橋開關的第二端接地。第一上橋開關的第二端以及第一下橋開關的一端之間的節點連接諧振電感的第一端。諧振電感的第二端連接諧振電容的第一端。激磁電感的第一端連接諧振電容的第二端以及變壓器的一次側的第一端。激磁電感的第二端連接第二上橋開關的第二端與第二下橋開關的第一端之間的節點並連接變壓器的一次側的第二端。第二電路包含多個二次側開關。多個二次側開關包含第三上橋開關、第四上橋開關、第三下橋開關以及第四下橋開關。第三上橋開關的第一端以及第四上橋開關的第一端連接輸出電容的第一端以及電阻的第一端。第三上橋開關的第二端連接第三下橋開關的第一端。第四上橋開關的第二端連接第四下橋開關的第一端。第三下橋開關的第二端以及第四下橋開關的第二端連接輸出電容的第二端以及電阻的第二端。第三上橋開關的第二端與第三下橋開關的第一端之間的節點連接變壓器的二次側的第一端。第四上橋開關的第二端與第四下橋開關的第一端之間的節點連接變壓器的二次側的第二端。當第二下橋開關以及第一下橋開關導通且當下時間到達第二下橋開關截止前的一預導通時間時，第四上橋開關與第三下橋開關導通。
在實施例中，在第一階段時間區間內，第一上橋開關、第二下橋開關、第三上橋開關以及第四下橋開關導通，但第一下橋開關、第二上橋開關、第三下橋開關以及第四上橋開關截止。
在實施例中，在第二階段時間區間內，第二下橋開關導通，但第一上橋開關、第一下橋開關、第二上橋開關、第三上橋開關、第三下橋開關、第四下橋開關以及第四上橋開關截止。
在實施例中，在第三階段時間區間內，第二下橋開關以及第一下橋開關導通，但第一上橋開關、第二上橋開關、第三上橋開關、第三下橋開關、第四下橋開關以及第四上橋開關截止，第二電路的電流流經第三上橋開關與第四下橋開關兩者的本體二極體以及電阻。
在實施例中，在第四階段時間區間內，第二下橋開關以及第一下橋開關導通，但第一上橋開關、第二上橋開關、第三上橋開關、第三下橋開關、第四下橋開關以及第四上橋開關截止。第二電路的電流流經輸出電容以及電阻。
在實施例中，在第五階段時間區間內，第二下橋開關、第一下橋開關、第四上橋開關以及第三下橋開關導通，但第一上橋開關、第二上橋開關、第三上橋開關以及第四下橋開關截止。第五階段時間區間的上限值為預導通時間。輸出電容的電流從第二電路流至第一電路。
在實施例中，在第六階段時間區間內，第一下橋開關、第四上橋開關以及第三下橋開關導通，但第一上橋開關、第二上橋開關、第二下橋開關、第三上橋開關以及第四下橋開關截止。
如上所述，本發明提供一種採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其採用預導通控制機制，以在開關相移角很大，下橋開關依然可以零電壓切換，使得諧振轉換器的輸出電壓範圍更寬，可將輸出電壓降低至所需的較低輸出電壓，縮小品質因數(即Q值)，減少諧振電感及變壓器的鐵損，提升轉換器整體效率。
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含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
請參閱圖1，其為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的電路布局圖。
本發明實施例的諧振轉換器為LLC諧振轉換器，其諧振槽包含諧振電感Lr、諧振電容Cr以及激磁電感Lm但本發明不以此為限。
另外，本發明實施例的諧振轉換器可包含第一電路以及第二電路，分別為變壓器Tr的一次側電路以及變壓器Tr的二次側電路。第一電路包含多個一次側開關，例如第一上橋開關S1、第二上橋開關S4、第一下橋開關S3以及第二下橋開關S2。第二電路包含多個二次側開關，例如第三上橋開關Sa、第四上橋開關Sd、第三下橋開關Sb以及第四下橋開關Sc。
第一上橋開關S1的第一端以及第二上橋開關S4的第一端耦接輸入電壓Vi的正端。第一上橋開關S1的第二端連接第一下橋開關S3的第一端。第二上橋開關S4的第二端連接第二下橋開關S2的第一端。第一下橋開關S3的第二端以及第二下橋開關S2的第二端耦接輸入電壓Vi的負端，此輸入電壓Vi的負端可接地。
第一上橋開關S1的第二端以及第一下橋開關S3的一端之間的節點連接諧振電感Lr的第一端。諧振電感Lr的第二端連接諧振電容Cr的第一端。激磁電感Lm的第一端連接諧振電容Cr的第二端以及變壓器Tr的一次側的第一端。激磁電感Lm的第二端連接第二上橋開關S4的第二端與第二下橋開關S2的第一端之間的節點，並連接變壓器Tr的一次側的第二端。
第三上橋開關Sa的第一端以及第四上橋開關Sd的第一端連接輸出電容Co的第一端以及輸出電阻R的第一端。第三上橋開關Sa的第二端連接第三下橋開關Sb的第一端。第四上橋開關Sd的第二端連接第四下橋開關Sc的第一端。第三下橋開關Sb的第二端以及第四下橋開關Sc的第二端連接輸出電容Co的第二端以及輸出電阻R的第二端。
第三上橋開關Sa的第二端與第三下橋開關Sb的第一端之間的節點連接變壓器Tr的二次側的第一端。第四上橋開關Sd的第二端與第四下橋開關Sc的第一端之間的節點連接變壓器Tr的二次側的第二端。
若有需要，本發明實施例的諧振轉換器可更包含控制電路(未圖示)。控制電路可連接一次側開關和二次側開關的控制端。控制電路可控制一次側開關和二次側開關的啟閉。
請參閱圖1至圖3，其中圖2為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第一階段時間區間內的電流流向的示意圖；圖3為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
在時間點t0~t1的第一階段時間區間內，第一上橋開關S1的第一上橋電壓訊號Vgs1、第二下橋開關S2的第二下橋電壓訊號Vgs2、第三上橋開關Sa的第三上橋電壓訊號Vgsa以及第四下橋開關Sc的第四下橋電壓訊號Vgsc從零電壓轉為高準位。此時，第一上橋開關S1、第二下橋開關S2、第三上橋開關Sa以及第四下橋開關Sc導通/開啟。同時，第一下橋開關S3、第二上橋開關S4、第三下橋開關Sb以及第四上橋開關Sd截止/關閉。
在時間點t0~t1的第一階段時間區間內，諧振電感電流iLr(即諧振電感Lr的電流)逐漸上升至零值，此時諧振電感電流iLr開始換向。諧振電感電流iLr轉為由輸入電壓Vi的正端流向諧振槽的諧振電感Lr、諧振電容Cr以及諧振電容Cr。接著，諧振槽經由變壓器Tr從一次側傳遞能量至負載端。接著負載端由變壓器Tr映射輸出電壓回一次側將激磁電感電壓VLm(即激磁電感Lm的電壓)箝位在參考電壓nVo。激磁電感電流iLm(即激磁電感Lm的電流)由負值線性增加，期間激磁電感電流iLm的準位由負轉正，激磁電感電流iLm電流方向改變。
在時間點t1，第一上橋開關S1的第一上橋電壓訊號Vgs1、第三上橋開關Sa的第三上橋電壓訊號Vgsa以及第四下橋開關Sc的第四下橋電壓訊號Vgsc於時間點t1下降至零值。一次側的第一上橋開關S1、二次側的第三上橋開關Sa與第四下橋開關Sc截止。
請參閱圖1、圖4和圖5，其中圖4為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第二階段時間區間內的電流流向的示意圖；圖5為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
在時間點t1~t2的第二階段時間區間內，第二下橋開關S2導通，但第一上橋開關S1、第一下橋開關S3、第二上橋開關S4、第三上橋開關Sa、第三下橋開關Sb、第四下橋開關Sc以及第四上橋開關Sd截止。此時，輸入電壓Vi於死區時間內對一次側的第一上橋開關S1的寄生電容進行充電，對一次側的第一下橋開關S3的寄生電容進行放電。
當二次側的第三上橋開關Sa的第三上橋電壓訊號Vgsa以及第四下橋開關Sc的第四下橋電壓訊號Vgsc下降為零值，第三上橋開關Sa以及第四下橋開關Sc截止時，諧振槽持續經由變壓器Tr從一次側傳遞能量至負載端。此時，電流通過二次側的第三上橋開關Sa的本體二極體Da以及第四下橋開關Sc的本體二極體Dc流向輸出電阻R，負載端由變壓器Tr映射輸出電壓回一次側，將激磁電感電壓VLm箝位在電壓nVo。
在時間點t2，一次側的第一下橋電壓訊號Vgs3的第一下橋開關S3從零電壓上升至高準位，第一下橋開關S3零電壓導通。
請參閱圖1、圖6和圖7，其中圖6為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第三階段時間區間內的電流流向的示意圖；圖7為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
在時間點t2~t3的第三階段時間區間內，第一下橋開關S3導通，第二下橋開關S2維持導通，但第一上橋開關S1、第二上橋開關S4、第三上橋開關Sa、第三下橋開關Sb、第四下橋開關Sc以及第四上橋開關Sd截止。此時，二次側的電流流經第三上橋開關Sa與第四下橋開關Sc兩者的本體二極體以及輸出電阻R。
在時間點t2~t3的第三階段時間區間內，諧振槽經由變壓器從一次側傳遞能量至負載端，電流通過二次側的第三上橋開關Sa的本體二極體Da以及第四下橋開關Sc的本體二極體Dc流向輸出電阻R，諧振電感電流iLr持續下降，負載端由變壓器映射輸出電壓回一次側將激磁電感電壓VLm箝位在電壓nVo。當諧振電感電流iLr於時間點t3下降至等於激磁電感電流iLm，結束此第三階段。
請參閱圖1、圖8和圖9，其中圖8為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第四階段時間區間內的電流流向的示意圖；圖9為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
在時間點t3~t4的第四階段時間區間內，第二下橋開關S2以及第一下橋開關S3導通，但第一上橋開關S1、第二上橋開關S4、第三上橋開關Sa、第三下橋開關Sb、第四下橋開關Sc以及第四上橋開關Sd截止。
諧振電感電流iLr於時間點t3下降至激磁電感電流iLm的準位。此時，變壓器Tr的一次側沒有電流流入，諧振槽無法繼續經由變壓器Tr從一次側傳遞能量至負載端。因此，變壓器Tr的一次側和二次側電路呈現解耦合狀態。變壓器Tr的激磁電感電壓VLm不再被箝位在電壓nVo。激磁電感電流iLm開始下降，負載端改由輸出電容Co提供能量。在時間點t4，第三上橋電壓訊號Vgsa以及第四上橋電壓訊號Vgsd從零電壓上升，二次側的第三上橋開關Sa以及第四上橋開關Sd於導通，結束此第四階段。
請參閱圖1、圖10和圖11，其中圖10為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第五階段時間區間內的電流流向的示意圖；圖11為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
值得注意的是，在時間點t4~t5的第五階段時間區間內，即在第二下橋開關S2截止前的一預導通時間內，第二下橋開關S2、第一下橋開關S3維持導通，將二次側的第四上橋開關Sd以及第三下橋開關Sb提前導通，而第一上橋開關S1、第二上橋開關S4、第三上橋開關Sa以及第四下橋開關Sc維持截止。
當第四上橋開關Sd以及第三下橋開關Sb提前導通時，輸出電容Co可提前經由二次側開關導通路徑向變壓器Tr回灌能量至諧振槽，強制耦合變壓器Tr的一次側與二次側，負載端經由變壓器Tr映射輸出電壓回一次側將激磁電感電壓VLm箝位在電壓−nVo，因此諧振電感電流iLr持續上升，直到諧振槽儲存足夠能量，達成一次側開關零電壓切換。接著，當一次側的第二下橋開關S2的第二下橋電壓訊號Vgs2於時間點t5降低至零值，第二下橋開關S2截止時，結束此第五階段。
舉例而言，本文所述的預導通時間以下列公式計算出： Ta
Figure 02_image001
， 其中，Ta代表預導通時間，Zo代表輸出阻抗，Vcr(t3)代表時間點t3的諧振電容Cr的電壓，Coss代表寄生電容的電容值，Td代表死區時間(即時間點t5到時間點t6的時間)，iLr代表(t3)代表時間點t3的諧振電感電流。
請參閱圖1、圖12和圖13，其中圖12為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第六階段時間區間內的電流流向的示意圖；圖13為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
在時間點t5~t6的第六階段時間區間內，第二下橋開關S2、第四上橋開關Sd以及第三下橋開關Sb導通，但第一上橋開關S1、第一下橋開關S3、第二上橋開關S4、第三上橋開關Sa以及第四下橋開關Sc截止。
在時間點t5~t6的第六階段時間區間內，諧振電感電流iLr開始下降。輸入電壓Vi於死區時間內對第二上橋開關S4的寄生電容C4進行放電，對第二下橋開關S2的寄生電容C2進行充電。接著，當第二下橋開關S2的寄生電容C2充電至到達輸入電壓Vi，並且第二上橋開關S4的寄生電容C4放電至零電壓時，電流改由第二上橋開關S4的本體二極體D4將接續導通。
諧振槽經由變壓器Tr從一次側傳遞能量至負載端，變壓器Tr二次側電流經由第三下橋開關Sb的本體二極體Db與以及第四上橋開關Sd的本體二極體Dd接續導通流向輸出電阻R，負載端由變壓器Tr映射輸出電壓回一次側將激磁電感電壓VLm箝位在電壓−nVo。當一次側的及第四上橋開關Sd於時間點t6零電壓導通時，結束此第六階段。
請參閱圖14，其為傳統諧振轉換器與本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的曲線圖。
舉例而言，如圖14所示，傳統諧振轉換器的輸出電壓Vo範圍僅介於150V~475V，而本發明實施例的諧振轉換器，採用預導通機制，可實現較寬的輸出電壓範圍75V~475V。顯然，相比於傳統諧振轉換器，本發明實施例的諧振轉換器可提供更低的輸出電壓。
綜上所述，本發明提供一種採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其採用預導通控制機制，以在開關相移角很大，下橋開關依然可以零電壓切換，使得諧振轉換器的輸出電壓範圍更寬，可將輸出電壓降低至所需的較低輸出電壓，縮小品質因數(即Q值)，減少諧振電感及變壓器的鐵損，提升轉換器整體效率。
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。
Vi:輸入電壓 S1:第一上橋開關 S4:第二上橋開關 S3:第一下橋開關 S2:第二下橋開關 Sa:第三上橋開關 Sd:第四上橋開關 Sb:第三下橋開關 Sc:第四下橋開關 C1、C2、C3、C4、Ca、Cb、Cc、Cd:寄生電容 D1、D2、D3、D4、Da、Db、Dc、Dd:本體二極體 Lr:諧振電感 Cr:諧振電容 Lm:激磁電感 Tr:變壓器 Np:變壓器一次側繞線圈數 Ns:變壓器二次側繞線圈數 Co:輸出電容 R:輸出電阻 Vgs1:第一上橋電壓訊號 Vgs4:第二上橋電壓訊號 Vgs3:第一下橋電壓訊號 Vgs2:第二下橋電壓訊號 Vgsa:第三上橋電壓訊號 Vgsd:第四上橋電壓訊號 Vgsb:第三下橋電壓訊號 Vgsc:第四下橋電壓訊號 iLr:諧振電感電流 iLm:激磁電感電流 VLm:激磁電感電壓 Vab:諧振槽輸入端電壓 t~t12:時間點 Vo、nVo:輸出電壓 Io:輸出電流
圖1為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的電路布局圖。
圖2為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第一階段時間區間內的電流流向的示意圖。
圖3為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
圖4為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第二階段時間區間內的電流流向的示意圖。
圖5為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
圖6為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第三階段時間區間內的電流流向的示意圖。
圖7為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
圖8為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第四階段時間區間內的電流流向的示意圖。
圖9為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
圖10為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第五階段時間區間內的電流流向的示意圖。
圖11為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
圖12為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器在第六階段時間區間內的電流流向的示意圖。
圖13為本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的訊號的波形圖。
圖14為傳統諧振轉換器與本發明實施例的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器的曲線圖。
Vi:輸入電壓
S1:第一上橋開關
S4:第二上橋開關
S3:第一下橋開關
S2:第二下橋開關
Sa:第三上橋開關
Sd:第四上橋開關
Sb:第三下橋開關
Sc:第四下橋開關
C1、C2、C3、C4、Ca、Cb、Cc、Cd:寄生電容
D1、D2、D3、D4、Da、Db、Dc、Dd:本體二極體
Lr:諧振電感
Cr:諧振電容
Lm:激磁電感
Tr:變壓器
Np:變壓器一次側繞線圈數
Ns:變壓器二次側繞線圈數
Co:輸出電容
R:輸出電阻

Claims (7)

  1. 一種採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，包含： 一第一電路，包含多個一次側開關，該多個一次側開關包含一第一上橋開關、一第二上橋開關、一第一下橋開關以及一第二下橋開關，該第一上橋開關的第一端以及該第二上橋開關的第一端耦接該輸入電壓，該第一上橋開關的第二端連接該第一下橋開關的第一端，該第二上橋開關的第二端連接該第二下橋開關的第一端，該第一下橋開關的第二端以及該第二下橋開關的第二端接地，該第一上橋開關的第二端以及該第一下橋開關的一端之間的節點連接一諧振電感的第一端，該諧振電感的第二端連接一諧振電容的第一端，一激磁電感的第一端連接該諧振電容的第二端以及一變壓器的一次側的第一端，該激磁電感的第二端連接該第二上橋開關的第二端與該第二下橋開關的第一端之間的節點並連接該變壓器的一次側的第二端；以及 一第二電路，包含多個二次側開關，該多個二次側開關包含一第三上橋開關、一第四上橋開關、一第三下橋開關以及一第四下橋開關，該第三上橋開關的第一端以及該第四上橋開關的第一端連接一輸出電容的第一端以及一電阻的第一端，該第三上橋開關的第二端連接該第三下橋開關的第一端，該第四上橋開關的第二端連接該第四下橋開關的第一端，該第三下橋開關的第二端以及該第四下橋開關的第二端連接該輸出電容的第二端以及該電阻的第二端，該第三上橋開關的第二端與該第三下橋開關的第一端之間的節點連接該變壓器的二次側的第一端，該第四上橋開關的第二端與該第四下橋開關的第一端之間的節點連接該變壓器的二次側的第二端； 其中，當該第二下橋開關以及該第一下橋開關導通且當下時間到達該第二下橋開關截止前的一預導通時間時，該第四上橋開關與該第三下橋開關導通。
  2. 如請求項1所述的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其中在一第一階段時間區間內，該第一上橋開關、該第二下橋開關、該第三上橋開關以及該第四下橋開關導通，但該第一下橋開關、該第二上橋開關、該第三下橋開關以及該第四上橋開關截止。
  3. 如請求項2所述的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其中在一第二階段時間區間內，該第二下橋開關導通，但該第一上橋開關、該第一下橋開關、該第二上橋開關、該第三上橋開關、該第三下橋開關、該第四下橋開關以及該第四上橋開關截止。
  4. 如請求項3所述的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其中在一第三階段時間區間內，該第二下橋開關以及該第一下橋開關導通，但該第一上橋開關、該第二上橋開關、該第三上橋開關、該第三下橋開關、該第四下橋開關以及該第四上橋開關截止，該第二電路的電流流經該第三上橋開關與該第四下橋開關兩者的本體二極體以及該電阻。
  5. 如請求項4所述的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其中在一第四階段時間區間內，該第二下橋開關以及該第一下橋開關導通，但該第一上橋開關、該第二上橋開關、該第三上橋開關、該第三下橋開關、該第四下橋開關以及該第四上橋開關截止，該第二電路的電流流經該輸出電容以及該電阻。
  6. 如請求項5所述的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其中在一第五階段時間區間內，該第二下橋開關、該第一下橋開關、該第四上橋開關以及該第三下橋開關導通，但該第一上橋開關、該第二上橋開關、該第三上橋開關以及該第四下橋開關截止，該第五階段時間區間的上限值為該預導通時間，該輸出電容的電流從該第二電路流至該第一電路。
  7. 如請求項6所述的採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器，其中在一第六階段時間區間內，該第一下橋開關、該第四上橋開關以及該第三下橋開關導通，但該第一上橋開關、該第二上橋開關、該第二下橋開關、該第三上橋開關以及該第四下橋開關截止。
TW110142130A 2021-11-12 2021-11-12 採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器 TWI780983B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110142130A TWI780983B (zh) 2021-11-12 2021-11-12 採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器
US17/682,042 US11831244B2 (en) 2021-11-12 2022-02-28 Resonant converter having pre-conduction mechanism for realizing wide output voltage range

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW110142130A TWI780983B (zh) 2021-11-12 2021-11-12 採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI780983B true TWI780983B (zh) 2022-10-11
TW202320462A TW202320462A (zh) 2023-05-16

Family

ID=85462720

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110142130A TWI780983B (zh) 2021-11-12 2021-11-12 採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11831244B2 (zh)
TW (1) TWI780983B (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101577494A (zh) * 2008-05-09 2009-11-11 台达电子工业股份有限公司 具间歇模式控制器的同步整流电路及其控制方法
CN104426376A (zh) * 2013-09-02 2015-03-18 康舒科技股份有限公司 具有谐振型转换器的交换式电源供应器及其控制方法
US20150229225A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-13 Delta Electronics, Inc. Resonant converters and control methods thereof
US9178438B2 (en) * 2012-04-05 2015-11-03 Futurewei Technologies, Inc. Apparatus for resonant converters
TWI509969B (zh) * 2013-07-19 2015-11-21 Acbel Polytech Inc Switched power supply with resonant converter and its control method
US9819272B2 (en) * 2012-10-31 2017-11-14 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for a variable frequency multiplier power converter
TWM597537U (zh) * 2020-04-08 2020-06-21 致揚科技股份有限公司 Llc諧振轉換器
CN111490683A (zh) * 2020-04-20 2020-08-04 北京理工大学 双变压器串联谐振双有源桥dc-dc变换器拓扑的轨迹控制方法
US20200313443A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-01 Qatar Foundation For Education, Science And Community Development Modular dc-dc converter and a battery charging device including the same
US20210028712A1 (en) * 2019-07-25 2021-01-28 Texas Instruments Incorporated Predictive synchronous rectifier sensing and control
TW202121811A (zh) * 2019-11-15 2021-06-01 國立臺灣科技大學 具有寬輸出電壓範圍的全橋轉換器

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110620512B (zh) * 2018-06-20 2020-09-15 台达电子工业股份有限公司 谐振变换器及控制方法
CN111654190B (zh) * 2019-03-04 2021-09-21 台达电子工业股份有限公司 具有延长维持时间的谐振转换装置及其操作方法
CN115776235A (zh) * 2021-09-08 2023-03-10 台达电子企业管理（上海）有限公司 谐振变换器及其控制方法
CN115776234A (zh) * 2021-09-08 2023-03-10 台达电子企业管理（上海）有限公司 谐振变换器及其操作方法
US11705815B1 (en) * 2022-02-22 2023-07-18 Aes Global Holdings Pte Ltd. Holdup time extension for LLC circuit

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101577494A (zh) * 2008-05-09 2009-11-11 台达电子工业股份有限公司 具间歇模式控制器的同步整流电路及其控制方法
US9178438B2 (en) * 2012-04-05 2015-11-03 Futurewei Technologies, Inc. Apparatus for resonant converters
US9819272B2 (en) * 2012-10-31 2017-11-14 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for a variable frequency multiplier power converter
US9853550B2 (en) * 2012-10-31 2017-12-26 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for a variable frequency multiplier power converter
TWI509969B (zh) * 2013-07-19 2015-11-21 Acbel Polytech Inc Switched power supply with resonant converter and its control method
CN104426376A (zh) * 2013-09-02 2015-03-18 康舒科技股份有限公司 具有谐振型转换器的交换式电源供应器及其控制方法
US20150229225A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-13 Delta Electronics, Inc. Resonant converters and control methods thereof
US20200313443A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-01 Qatar Foundation For Education, Science And Community Development Modular dc-dc converter and a battery charging device including the same
US20210028712A1 (en) * 2019-07-25 2021-01-28 Texas Instruments Incorporated Predictive synchronous rectifier sensing and control
TW202121811A (zh) * 2019-11-15 2021-06-01 國立臺灣科技大學 具有寬輸出電壓範圍的全橋轉換器
TWM597537U (zh) * 2020-04-08 2020-06-21 致揚科技股份有限公司 Llc諧振轉換器
CN111490683A (zh) * 2020-04-20 2020-08-04 北京理工大学 双变压器串联谐振双有源桥dc-dc变换器拓扑的轨迹控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20230155511A1 (en) 2023-05-18
TW202320462A (zh) 2023-05-16
US11831244B2 (en) 2023-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6906930B2 (en) Structure and method for an isolated boost converter
US6222742B1 (en) High efficiency power converter
US6246599B1 (en) Constant frequency resonant inverters with a pair of resonant inductors
US7558083B2 (en) High efficiency power converter
US7433209B2 (en) Soft-switching DC/DC converter having relatively better effectiveness
US6434029B1 (en) Boost topology having an auxiliary winding on the snubber inductor
CN114430235B (zh) 电源变换装置及系统
US7092259B2 (en) Active clamp DC/DC converter with resonant transition system
US20040218404A1 (en) Integrated magnetic isolated two-inductor boost converter
TW201543794A (zh) 脈衝電流漣波消除電路與轉換系統
TWI732581B (zh) 具減震控制之轉換裝置及其減震控制的操作方法
TWI780983B (zh) 採用預導通機制實現寬輸出電壓範圍的諧振轉換器
US6853114B2 (en) Converter circuit
CN103856059A (zh) 降压反激式转换器
US6903944B2 (en) Active clamp DC/DC converter with resonant transition system
KR20120044219A (ko) Ｌｌｃ 공진 컨버터
US11843320B2 (en) Method of operating isolated resonant converter with synchronous rectifier
TW202011679A (zh) 三相多階式串聯－串聯諧振式轉換器
KR101734211B1 (ko) 양방향 배터리 충방전 회로
Qi et al. Advantage of GaN in Phase Shift Full Bridges
Bagawade et al. Novel high-gain hybrid current-driven DC-DC converter topology
TWM597537U (zh) Llc諧振轉換器
Jeong et al. New Two-Transformer Phase-Shift Full-Bridge Converter With Low Conduction Loss
Junglas et al. HV DAB using loss-minimizing burst sequences for feeding DE transducers
CN220359047U (zh) 一种对称半桥变换器

Legal Events

Date Code Title Description
GD4A Issue of patent certificate for granted invention patent