TWI809670B

TWI809670B - 轉換電路

Info

Publication number: TWI809670B
Application number: TW111102477A
Authority: TW
Inventors: 陳建任; 楊照順; 張正勳
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-21
Also published as: TW202332171A

Abstract

本案提供一種轉換電路，包含供電模組、輸入正端及負端、輸出正端及負端、開關、電感、輸入及輸出電容和控制器。供電模組轉換交流電源以分別於第一、第二及第三供電端提供三個電位。第一供電端上的電位高於第二供電端上的電位，第二供電端上的電位高於第三供電端上的電位。輸入正端及負端分別電連接於第一及第三供電端，輸入正端與負端之間的電壓為輸入電壓。輸出負端電連接於第三供電端，輸出正端與負端之間的電壓為輸出電壓。控制器電連接於輸入正端、第二供電端及開關，其中控制器上的電壓小於輸入電壓。

Description

轉換電路

本案係關於一種轉換電路，尤指一種可避免輸入輸出電壓之範圍被控制器之耐壓所限制的轉換電路。

於傳統降壓轉換器(Buck converter)電路架構中，因為控制器(控制IC)需要電源驅動，降壓轉換器的輸入電壓直接連接於控制器以提供控制器所需電源。因此，控制器上的電壓等於輸入電壓，由於控制器存在一定的耐壓範圍，故實際上輸入電壓之範圍將受控制器之耐壓所限制，進而導致輸出電壓之範圍亦受到限制。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之轉換電路，實為目前迫切之需求。

本案之目的在於提供一種轉換電路，其通過將輸入及輸出電壓的低電位端與控制器的低電位端相分離，使得輸入及輸出電壓獨立於控制器上的電壓。藉此，可在兼顧控制器之耐壓的同時有效提升輸入及輸出電壓範圍，從而提升轉換電路的適用性。

為達上述目的，本案提供一種轉換電路，包含供電模組、輸入正端、輸入負端、輸出正端、輸出負端、第一開關、第一電感、輸入電容、輸出電容及控制器。供電模組具有第一供電端、第二供電端及第三供電端，並架構於接收及轉換交流電源，以分別於第一、第二及第三供電端提供三個電位。第一供電端上的電位高於第二供電端上的電位，第二供電端上的電位高於第三供電端上的電位。輸入正端及輸入負端分別電連接於第一供電端及第三供電端，其中輸入正端與輸入負端之間的電壓為輸入電壓。輸出負端電連接於第三供電端，輸出正端與輸出負端之間的電壓為輸出電壓。第一開關及第一電感串聯耦接於輸入正端與輸出正端之間。輸入電容耦接於輸入正端與輸入負端之間。輸出電容耦接於輸出正端與輸出負端之間。控制器具有電連接於輸入正端的輸入端、電連接於第二供電端的接地端及電連接於第一開關的控制端，其中控制器上的電壓小於輸入電壓。

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，而非用以限制本案。

第1圖為本案較佳實施例之轉換電路的電路結構示意圖。如第1圖所示，轉換電路1包含供電模組11、輸入正端12a、輸入負端12b、輸出正端13a、輸出負端13b、開關S1、電感L1、輸入電容Cin、輸出電容Co及控制器14。供電模組11具有第一供電端P1、第二供電端P2及第三供電端P3。供電模組11架構於接收及轉換交流電源VAC，以分別於第一供電端P1、第二供電端P2及第三供電端P3提供三個電位。其中，第一供電端P1上的電位高於第二供電端P2上的電位，第二供電端P2上的電位高於第三供電端P3上的電位。換句話說，第一供電端P1與第二供電端P2形成一第一直流電壓，而第二供電端P2與第三供電端P3形成一第二直流電壓。輸入正端12a及輸入負端12b分別電連接於第一供電端P1及第三供電端P3，其中輸入正端12a與輸入負端12b之間的電壓為輸入電壓Vin，輸入電壓Vin相當於前述第一直流電壓與第二直流電壓之總和。輸出負端13b電連接於第三供電端P3，輸出正端13a與輸出負端13b之間的電壓為輸出電壓Vo。開關S1及電感L1串聯耦接於輸入正端12a與輸出正端13a之間。輸入電容Cin耦接於輸入正端12a與輸入負端12b之間，輸出電容Co耦接於輸出正端13a與輸出負端13b之間。控制器14具有電連接於輸入正端12a的輸入端、電連接於第二供電端P2的接地端及電連接於開關S1的控制端，且控制器14架構於控制開關S1之運作。控制器14可為例如但不限於控制IC (integrated circuit)。由於第二供電端P2上的電位高於第三供電端P3上的電位，故第一供電端P1與第二供電端P2之間的電壓(第一直流電壓)小於第一供電端P1與第三供電端P3之間的電壓，亦即，控制器14接收的電壓小於輸入電壓Vin。轉換電路1的輸出正端13a與輸出負端13b用以供電至負載15，其中負載15為任意需要定電流或定電壓控制的負載，換言之，負載15上具有固定的電流或電壓。

由此可知，於本案之轉換電路1中，係將輸入電壓Vin及輸出電壓Vo的低電位端 (即第三供電端P3) 與控制器14的低電位端 (即第二供電端P2) 相分離，使得輸入電壓Vin及輸出電壓Vo獨立於控制器14上的電壓。藉此，可在兼顧控制器14之耐壓的同時有效提升輸入電壓Vin及輸出電壓Vo之範圍，從而提升轉換電路1的適用性。此外，因為輸出範圍增加，可驅動負載的範圍變大，可以降低轉換電路的組數，降低控制的複雜度，並減少控制所需的零件成本。

於一些實施例中，轉換電路1還包含二極體D1，其中二極體D1的陰極耦接於開關S1與電感L1之間，二極體D1的陽極耦接於輸出負端13b，此實施例中的轉換電路1可包含降壓轉換器。於一些實施例中，開關S1為PMOS (P-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，P型金屬氧化物半導體場效電晶體)，開關S1的源極、閘極和汲極分別耦接於輸入正端12a、控制器14的控制端和電感L1。值得一提，在降壓轉換器中，因為二極體D1的陰極的電位是變動的，若使用NMOS需要較複雜的驅動器，所以開關S1使用PMOS可以簡化驅動器，藉由控制開關S1的源極和閘極之間的電壓準位來控制開關S1導通或不導通。

於本案中，供電模組11架構於接收及轉換交流電源VAC，以分別於第一供電端P1、第二供電端P2及第三供電端P3提供三個電位，供電模組11之主要目的在於產生三個不同電位的端點，其中供電模組11有多種可能的具體實施態樣，以下將例示供電模組11的三種實施態樣，然不以此為限。

於一些實施例中，如第2圖所示，供電模組11a為兩級轉換器，包含交流直流轉換器111及直流直流轉換器112。交流直流轉換器111接收交流電源VAC，並將交流電源VAC轉換為直流電源，交流直流轉換器111可為任何已知電源轉換電路，於功率較大的應用中，交流直流轉換器111可以為功率因數校正器(Power Factor Correction)。直流直流轉換器112電連接於交流直流轉換器111、第一供電端P1、第二供電端P2及第三供電端P3，其中直流直流轉換器112自交流直流轉換器111接收直流電源，並經由轉換直流電源提供三個電位至第一供電端P1、第二供電端P2及第三供電端P3。

於一些實施例中，直流直流轉換器112可採用隔離式轉換器(例如LLC諧振轉換器)或非隔離式轉換器。第3圖例示出了第2圖之直流直流轉換器的一種實施態樣，如第3圖所示，於此實施例中，直流直流轉換器112包含電感L2、開關S2、開關S3、二極體D2、二極體D3、電容C1及電容C2。電感L2的第一端電連接於交流直流轉換器111。二極體D2的陽極和陰極分別電連接於電感L2的第二端和第一供電端P1，二極體D3的陰極和陽極分別電連接於交流直流轉換器111和第三供電端P3。開關S2及S3串聯連接於二極體D2的陽極與二極體D3的陰極之間。電容C1及C2串聯連接於二極體D2的陰極與二極體D3的陽極之間。開關S2與S3之間的節點和電容C1與C2之間的節點均電連接於第二供電端P2。此實施例為一種具有正負母線輸出的轉換電路，若以第二供電端P2為參考端，第一供電端P1具有正電位，第三供電端P3具有負電位。

於一些實施例中，如第4圖所示，供電模組11b的部分電路包含中心抽頭變壓器113及整流電路116。中心抽頭變壓器113包含相耦合之原邊繞組114及副邊繞組115，原邊繞組114用以接收一交流訊號AC，副邊繞組115具有第一副邊端115a、第二副邊端115b及第三副邊端115c。整流電路116電連接於第一副邊端115a、第二副邊端115b、第三副邊端115c、第一供電端P1、第二供電端P2及第三供電端P3。整流電路116自副邊繞組115接收變壓器傳輸的交流訊號，並進行整流，進而於第一供電端P1與第二供電端P2之間提供一第一直流電壓，且於第二供電端P2與第三供電端P3之間提供一第二直流電壓。值得一提，第4圖所示僅為供電模組11b的部分電路，原邊繞組114可以耦接至少一切換開關，藉由該至少一切換開關的導通或不導通使原邊繞組114接收該交流訊號AC，換句話說，第4圖所示電路可以取代習知隔離式轉換器的副邊側電路，以提供三個供電端。

第5圖例示出了第4圖之中心抽頭變壓器與整流電路的一種實施態樣，此實施例用以取代習知返馳轉換器(Flyback converter)的副邊側電路，整流電路116包含二極體D4、二極體D5、電容C3及電容C4。二極體D4的陽極和陰極分別電連接於第一副邊端115a和第一供電端P1，二極體D5的陰極和陽極分別電連接於第三副邊端115c和第三供電端P3。電容C3及C4串聯連接於二極體D4的陰極與二極體D5的陽極之間。電容C3及C4之間的節點電連接於第二副邊端115b及該第二供電端P2。

於一些實施例中，如第6圖所示，供電模組11c包含第一轉換器117及第二轉換器118。第一轉換器117及第二轉換器118架構於接收交流電源VAC，並經由轉換交流電源提供三個電位至該第一、第二及第三供電端，具體實施方式可使用本領域人員習知的電源轉換電路且將其輸出電壓串聯，形成第一供電端P1、第二供電端P2及第三供電端P3。第一轉換器117的第一輸出端117a電連接於第一供電端P1。第一轉換器117的第二輸出端117b及第二轉換器118的第一輸出端118a電連接於第二供電端P2。第二轉換器118的第二輸出端118b電連接於第三供電端P3。換句話說，第一轉換器117接收交流電源VAC，經轉換後於第一供電端P1與第二供電端P2之間提供一第一直流電壓，且第二轉換器118接收交流電源VAC，經轉換後於第二供電端P2與第三供電端P3之間提供一第二直流電壓，第一直流電壓與第二直流電壓串聯為供電模組11c的輸出。

綜上所述，本案提供一種轉換電路，其通過將輸入及輸出電壓的低電位端與控制器的低電位端相分離，使得輸入及輸出電壓獨立於控制器上的電壓。藉此，可在兼顧控制器之耐壓的同時有效提升輸入及輸出電壓範圍，從而提升轉換電路的適用性。此外，因為輸出範圍增加，可驅動負載的範圍變大，可以降低轉換電路的組數，降低控制的複雜度，並減少控制所需的零件成本。

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。

1:轉換電路 11:供電模組 P1:第一供電端 P2:第二供電端 P3:第三供電端 VAC:交流電源 12a:輸入正端 12b:輸入負端 13a:輸出正端 13b:輸出負端 S1:開關 L1:電感 Cin:輸入電容 Co:輸出電容 14:控制器 15:負載 Vin:輸入電壓 Vo:輸出電壓 D1:二極體 11a:供電模組 111:交流直流轉換器 112:直流直流轉換器 L2:電感 S2、S3:開關 D2、D3:二極體 C1、C2:電容 11b:供電模組 113:中心抽頭變壓器 114:原邊繞組 115:副邊繞組 115a:第一副邊端 115b:第二副邊端 115c:第三副邊端 116:整流電路 D4、D5:二極體 C3、C4:電容 11c:供電模組 117:第一轉換器 117a:第一輸出端 117b:第二輸出端 118:第二轉換器 118a:第一輸出端 118b:第二輸出端

第1圖為本案較佳實施例之轉換電路的電路結構示意圖。

第2圖例示出了第1圖之供電模組的一種實施態樣。

第3圖例示出了第2圖之直流直流轉換器的一種實施態樣。

第4圖例示出了第1圖之供電模組的另一種實施態樣。

第5圖例示出了第4圖之中心抽頭變壓器與整流電路的一種實施態樣。

第6圖例示出了第1圖之供電模組的又一種實施態樣。

1:轉換電路

11:供電模組

P1:第一供電端

P2:第二供電端

P3:第三供電端

VAC:交流電源

12a:輸入正端

12b:輸入負端

13a:輸出正端

13b:輸出負端

S1:開關

L1:電感

Cin:輸入電容

Co:輸出電容

14:控制器

15:負載

Vin:輸入電壓

Vo:輸出電壓

D1:二極體

Claims

一種轉換電路，包含：一供電模組，具有一第一供電端、一第二供電端及一第三供電端，並架構於接收及轉換一交流電源，以分別於該第一、第二及第三供電端提供三個電位，其中該第一供電端上的電位高於該第二供電端上的電位，該第二供電端上的該電位高於該第三供電端上的電位；一輸入正端及一輸入負端，分別電連接於該第一供電端及該第三供電端，其中該輸入正端與該輸入負端之間的電壓為一輸入電壓；一輸出正端及一輸出負端，其中該輸出負端電連接於該第三供電端，該輸出正端與該輸出負端之間的電壓為一輸出電壓；一第一開關及一第一電感，串聯耦接於該輸入正端與該輸出正端之間；一輸入電容，耦接於該輸入正端與該輸入負端之間；一輸出電容，耦接於該輸出正端與該輸出負端之間；以及一控制器，具有電連接於該輸入正端的一輸入端、電連接於該第二供電端的一接地端及電連接於該第一開關的一控制端，其中該控制器上的電壓小於該輸入電壓。
如請求項1所述的轉換電路，還包含一二極體，其中該二極體的陰極耦接於該第一開關與該第一電感之間，該二極體的陽極耦接於該輸出負端。
如請求項1所述的轉換電路，其中該第一開關為PMOS，該第一開關的源極、閘極和汲極分別耦接於該輸入正端、該控制器的該控制端和該第一電感。
如請求項1所述的轉換電路，其中該供電模組包含一交流直流轉換器及一直流直流轉換器，該交流直流轉換器接收該交流電源，並將該交流電源轉換為一直流電源，該直流直流轉換器電連接於該交流直流轉換器和該第一、第二及第三供電端，以接收該直流電源，並經由轉換該直流電源提供該三個電位至該第一、第二及第三供電端。
如請求項4所述的轉換電路，其中該交流直流轉換器為一功率因數校正器。
如請求項4所述的轉換電路，其中該直流直流轉換器包含一第二電感、一第二開關、一第三開關、一第一二極體、一第二二極體、一第一電容及一第二電容，該第二電感的第一端電連接於該交流直流轉換器，該第一二極體的陽極和陰極分別電連接於該第二電感的第二端和該第一供電端，該第二二極體的陰極和陽極分別電連接於該交流直流轉換器和該第三供電端，該第二及該第三開關串聯連接於該第一二極體的陽極與該第二二極體的陰極之間，該第一及第二電容串聯連接於該第一二極體的陰極與該第二二極體的陽極之間，該第二及第三開關之間的節點和該第一及第二電容之間的節點電連接於該第二供電端。
如請求項1所述的轉換電路，其中該供電模組包含一中心抽頭變壓器及一整流電路，該中心抽頭變壓器包含相耦合之原邊繞組及副邊繞組，該原邊繞組用以接收一交流訊號，該副邊繞組具有一第一副邊端、一第二副邊端及一第三副邊端，該整流電路電連接於該第一、第二及第三副邊端和該第一、第二及第三供電端，並於該第一供電端與該第二供電端之間提供一第一直流電壓，且於該第二供電端與該第三供電端之間提供一第二直流電壓。
如請求項7所述的轉換電路，其中該整流電路包含一第一二極體、一第二二極體、一第一電容及一第二電容，該第一二極體的陽極和陰極分別電連接於該第一副邊端和該第一供電端，該第二二極體的陰極和陽極分別電連接於該第三副邊端和該第三供電端，該第一及第二電容串聯連接於該第一二極體的陰極與該第二二極體的陽極之間，該第一及第二電容之間的節點電連接於該第二副邊端及該第二供電端。
如請求項7所述的轉換電路，其中該原邊繞組耦接至少一切換開關，藉由該至少一切換開關的導通或不導通使該原邊繞組接收該交流訊號。
如請求項1所述的轉換電路，其中該供電模組包含一第一轉換器及一第二轉換器，該第一及第二轉換器架構於接收該交流電源，並經由轉換該交流電源提供該三個電位至該第一、第二及第三供電端，其中該第一轉換器的第一輸出端電連接於該第一供電端，該第一轉換器的第二輸出端及該第二轉換器的第一輸出端電連接於該第二供電端，該第二轉換器的第二輸出端電連接於該第三供電端。