TWI815183B - 高頻ａｃ／ａｃ直接變換器及ａｃ／ａｃ直接變換方法 - Google Patents

高頻ａｃ／ａｃ直接變換器及ａｃ／ａｃ直接變換方法 Download PDF

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Abstract

揭示了一種AC/AC直接變換器，包括：調變電路，將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為具有第二頻率的雙極性脈寬調變電壓，其中，第二頻率高於第一頻率；變壓器，具有主側繞組和副側繞組，其中，主側繞組耦接至調變電路以接收雙極性脈寬調變電壓；以及解調電路，耦接至變壓器的副側繞組，將變壓器副側繞組兩端的電壓轉換為具有第一頻率的交流輸出電壓。

Description

高頻AC/AC直接變換器及AC/AC直接變換方法
本發明係有關電子電路，特別有關AC/AC變換器。
在不同電壓等級的AC(Alternating Current，交流)電壓之間進行帶電氣隔離的轉換，通常採用兩種解決方案。一種是使用低頻變壓器。然而，在交流電壓的頻率為工頻(例如，50到60Hz)的情況下，低頻變壓器的體積非常龐大，而且價格昂貴。
另一種解決方案是使用基於直流母線的AC/AC變換器，如圖1所示。在這種拓撲中，需要兩個大容量的電容器來保持直流母線電壓的穩定，這不可避免地增加了變換器的體積和成本。
因此，市場上迫切需要一種體積小、成本低的AC/AC變換器。
本發明的實施例提供一種AC/AC直接變換器，包括：調變電路，將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為具有第二頻率的雙極性脈寬調變電壓，其中，第二頻率高於第一頻率；變壓器，具有主側繞組和副側繞組，其中，主側繞組耦接至調變電路以接收雙極性脈寬調變電壓；以及解調電路，耦接至變壓器的副側繞組，將變壓器副側繞組兩端的電壓轉換為具有第一頻率的交流輸出電壓。
本發明的實施例還提供一種AC/AC直接變換方法，包括：透過調變電路將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為具有第二頻率的雙極性脈寬調變電壓，其中，第二頻率高於第一頻率；將雙極性脈寬調變電壓提供至變壓器的主側繞組；以及透過解調電路將變壓器副側繞組兩端的電壓轉換為具有第一頻率的交流輸出電壓。
根據本發明實施例的一種用於AC/AC直接變換器的控制晶片，其中，AC/AC直接變換器用於將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為同樣具有第一頻率的交流輸出電壓，並包括第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體和第四電晶體，每個電晶體均具有第一端、第二端和控制端，第二電晶體的第一端耦接至第一電晶體的第一端，第四電晶體的第一端耦接至第三電晶體的第一端，第四電晶體的第二端耦接至第一電晶體的第二端。其中，該控制晶片包括：控制電路，產生第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號；第一驅動電路，具有第一供電端、第 二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第一自舉電容器的第一端，第二供電端耦接至第一電晶體的第二端和第一自舉電容器的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第一控制信號，輸出端耦接至第一電晶體的控制端；第二驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第二自舉電容器的第一端，第二供電端耦接至第二電晶體的第二端和第二自舉電容器的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第二控制信號，輸出端耦接至第二電晶體的控制端；第三驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第三自舉電容器的第一端，第二供電端耦接至第三電晶體的第二端和第三自舉電容器的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第三控制信號，輸出端耦接至第三電晶體的控制端；第四驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第四驅動電路的第一供電端耦接至第一驅動電路的第一供電端，第四驅動電路的第二供電端耦接至第四電晶體的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第四控制信號，輸出端耦接至第四電晶體的控制端；第一低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，輸入端接收供電電壓，輸出端耦接至第一驅動電路的第一供電端；第二低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，輸入端接收供電電壓，輸出端耦接至第二驅動電路的第一供電端；以及第三低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，輸入端耦接至供電電 壓，第三低壓差線性穩壓器的輸出端耦接至第三驅動電路的第一供電端。
本發明其他實施例還提供的一種用於AC/AC直接變換器的控制晶片，包括：控制電路，產生第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號；第一驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第一自舉電容器的第一端，第二供電端耦接至第一電晶體的第二端和第一自舉電容器的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第一控制信號，輸出端耦接至第一電晶體的控制端；第二驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第二自舉電容器的第一端，第二供電端耦接至第二電晶體的第二端和第二自舉電容器的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第二控制信號，輸出端耦接至第二電晶體的控制端；第三驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第三自舉電容器的第一端，第二供電端耦接至第三電晶體的第二端和第三自舉電容器的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第三控制信號，輸出端耦接至第三電晶體的控制端；第四驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第四驅動電路的第一供電端耦接至第一驅動電路的第一供電端，第四驅動電路的第二供電端耦接至第四電晶體的第二端，輸入端耦接至控制電路以接收第四控制信號，輸出端耦接至第四電晶體的控制端；低壓差線性 穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，低壓差線性穩壓器的輸入端接收供電電壓；第一二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端，陰極耦接至第一驅動電路的第一供電端；第二二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端，陰極耦接至第二驅動電路的第一供電端；以及第三二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端，陰極耦接至第三驅動電路的第一供電端。
根據本發明的實施例還提供一種用於AC/AC直接變換器的控制晶片，其中，AC/AC直接變換器用於將交流輸入電壓轉換為交流輸出電壓，並包括第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體和第四電晶體，每個電晶體均具有第一端、第二端和控制端。該控制晶片包括：第一接腳，用於耦接至第二電晶體的控制端；第二接腳，用於耦接至第一自舉電容器的第一端；第三接腳，用於耦接至第一電晶體的控制端；第四接腳，用於耦接至第一和第四電晶體的第二端、以及第一自舉電容器的第二端；第五接腳，用於耦接至第四電晶體的控制端；第六接腳，用於耦接至第三電晶體的控制端；第七接腳，用於耦接至第二電晶體的第二端、以及第二自舉電容器的第二端；第八接腳，用於耦接至第二自舉電容器的第一端；第九接腳，用於接收供電電壓；第十接腳，用於耦接至參考地；第十一接腳，用於耦接至第三自舉電容器的第一端；第十二接腳，用於耦接至第三電晶體的第二端，以及第三自舉電容器的第二端；控 制電路，產生第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號；低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，輸入端耦接至第九接腳以接收供電電壓；第一二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端；第一驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第一二極體的陰極，第二供電端耦接至第四接腳，輸入端耦接至控制電路以接收第一控制信號，輸出端耦接至第三接腳；第二二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端；第二驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第二二極體的陰極，第二供電端耦接至第七接腳，輸入端耦接至控制電路以接收第二控制信號，輸出端耦接至第一接腳；第三二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端；第三驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第三二極體的陰極，第二供電端耦接至第十二接腳，輸入端耦接至控制電路以接收第三控制信號，輸出端耦接至第六接腳；以及第四驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第一二極體的陰極，第二供電端耦接至第四接腳，輸入端耦接至控制電路以接收第四控制信號，輸出端耦接至第五接腳。
相對於現有技術而言，根據本發明實施例的AC/AC直 接變換器無需體積龐大且成本高昂的低頻變壓器，而且與基於直流母線的AC/AC變換器相比，避免了使用大容量電容器帶來的困擾。
100:AC/AC直接變換器
101:調變電路
102:解調電路
111:第一驅動電路
112:第二驅動電路
113:第三驅動電路
114:第四驅動電路
115:第一低壓差線性穩壓器(LDO)
116:第二低壓差線性穩壓器(LDO)
117:第三低壓差線性穩壓器(LDO)
118:低壓差線性穩壓器(LDO)
119:控制電路
以下將結合圖式對本發明做進一步描述，其中，相似的元件採用相似的標號。本領域技術人員可以理解，所有圖式均是為了說明的目的。它們可能僅示出了裝置的一部分，並且不一定是按比例繪製。
[圖1]為現有的基於直流母線的AC/AC變換器的原理性方塊圖；[圖2]為根據本發明實施例的AC/AC直接變換器100的示意性原理圖；[圖3]為根據本發明實施例的圖2所示AC/AC直接變換器100的操作波形；[圖4A和圖4B]示出了根據本發明實施例的調變電路的其他可能結構；[圖5A和圖5B]示出了根據本發明實施例的解調電路的其他可能結構；[圖6]為根據本發明實施例的AC/AC直接變換方法的操作流程圖；[圖7]示出根據本發明一實施例的AC/AC直接變換器中電晶體的供電方案；[圖8]示出根據本發明另一實施例的AC/AC直接變換器 中電晶體的供電方案；[圖9]為根據本發明實施例的用於AC/AC直接變換器的控制晶片的電路原理圖；[圖10]示出根據本發明實施例的用於AC/AC直接變換器的雙向開關的備選結構。
下面將詳細描述本發明的具體實施例，應當注意，這裡描述的實施例只用來舉例說明，並不用來限制本發明。在以下描述中，為了提供對本發明的透徹理解，闡述了大量特定細節。然而，對於本領域普通技術人員顯而易見的是：不必採用這些特定細節來實行本發明。在其他實例中，為了避免混淆本發明，未具體描述公知的電路、材料或方法。
在整個說明書中，對“一個實施例”、“實施例”、“一個示例”或“示例”的提及意味著：結合該實施例或示例描述的特定特徵、結構或特性被包含在本發明至少一個實施例中。因此，在整個說明書的各個地方出現的短語“在一個實施例中”、“在實施例中”、“一個示例”或“示例”不一定都指同一實施例或示例。此外，可以以任何適當的組合和、或子組合將特定的特徵、結構或特性組合在一個或多個實施例或示例中。
如先前技術部分所述，現有的帶電氣隔離的AC/AC變換器需要使用體積龐大且價格昂貴的變壓器或電容器。為 了解決這一個問題，本發明的實施例提出了一種AC/AC直接變換器，該變換器省去了中間直流環節，透過採用具有高開關頻率和最小化無源裝置的拓撲結構，大大降低了變換器的尺寸和成本。
圖2為根據本發明實施例的AC/AC直接變換器100的示意性原理圖。AC/AC直接變換器100包括調變電路101、高頻變壓器T1和解調電路102。調變電路101將具有第一頻率(例如，50到60Hz)的交流輸入電壓vin轉換為具有第二頻率的雙極性脈寬調變電壓(bipolar pulse width modulation voltage)vpri，其中，第二頻率高於第一頻率。第二頻率通常是第一頻率的幾十倍，例如，第二頻率可以在1kHz到2MHz之間。變壓器T1具有主側繞組和副側繞組，其中，主側繞組耦接至調變電路101以接收雙極性脈寬調變電壓vpri。解調電路102耦接至變壓器T1的副側繞組，將變壓器T1副側繞組兩端的電壓vsec轉換為具有第一頻率的交流輸出電壓vout。
在圖2所示的實施例中，調變電路101包括電容器C1、C2，以及由MOSFET(metal-oxide semiconductor field effect transistor，金屬氧化物半導體場效應電晶體)Q1到Q4構成的兩對背靠背電晶體。電晶體Q2的汲極耦接至電晶體Q1的汲極以形成一對背靠背電晶體，電晶體Q2的源極耦接至用於提供交流輸入電壓vin的交流電源的第一端。電晶體Q3的源極耦接至交流電源的第二端。電晶體Q4的汲極耦接至電晶體Q3的汲極以形成另一對背靠背電晶體，電晶體 Q4的源極和電晶體Q1的源極耦接在一起，並耦接至變壓器T1主側繞組的第一端。電容器C1、C2通常具有相同的電容值，且均具有第一端和第二端。電容器C1的第一端耦接至電晶體Q2的源極。電容器C2的第一端與電容器C1的第二端耦接在一起，並耦接至變壓器T1主側繞組的第二端。電容器C2的第二端耦接至電晶體Q3的源極。
當交流輸入電壓vin為正時(例如，交流電源第一端的電位高於交流電源第二端的電位)，電晶體Q2和Q4維持導通，電晶體Q1和Q3以第二頻率進行開關切換。當交流輸入電壓vin為負時(例如，交流電源第一端的電位低於交流電源第二端的電位)，電晶體Q1和Q3維持導通，電晶體Q2和Q4以第二頻率進行開關切換。一般而言，可以透過取樣交流輸入電壓、並將電壓取樣值與閾值電壓進行比較，來檢測交流輸入電壓為正還是為負。
類似地，圖2所示實施例中的解調電路102包括電容器C3、C4，以及由MOSFET Q5到Q8組成的兩對背靠背電晶體。電晶體Q6的汲極耦接至電晶體Q5的汲極，電晶體Q6的源極耦接至負載的第一端以提供交流輸出電壓vout。電晶體Q7的源極耦接至負載的第二端。電晶體Q8的汲極耦接至電晶體Q7的汲極，電晶體Q8的源極與電晶體Q5的源極耦接在一起，並耦接至變壓器T1副側繞組的第一端。電容器C3、C4通常具有相同的電容值，且均具有第一端和第二端。電容器C3的第一端耦接至電晶體Q6的源極。電容器C4的第一端與電容器C3的第二端耦接在一起，並耦 接至變壓器T1副側繞組的第二端。電容器C4的第二端耦接至電晶體Q7的源極。
當交流輸入電壓vin為正時，電晶體Q6和Q8保持導通，電晶體Q5和Q7作為同步整流管操作。當交流輸入電壓vin為負時，電晶體Q5和Q7保持導通，電晶體Q6和Q8作為同步整流管操作。當用作同步整流管，電晶體的開關與待整流的電壓(例如，副側繞組兩端的電壓vsec)同步。舉例而言，當電晶體Q5和Q7用作同步整流管時，若電壓vsec為正，則電晶體Q5導通、電晶體Q7關斷；若電壓vsec為負，則電晶體Q5關斷、電晶體Q7導通。
有不少方法都可以用來在變壓器的副側側確定交流輸入電壓vin為正還是為負。例如，可以使用單獨的隔離通道(如光電耦合器)將相關資訊從主側側傳遞至副側側。另一種可能的實現方式是以預設狀態(例如，Q6和Q8保持導通，Q5和Q7用作同步整流管)啟動，然後監控交流輸出電壓vout的過零點，從而確定何時進行狀態切換。
以下將結合圖3所示波形對AC/AC直接變換器100的操作原理進行進一步描述。但本領域技術人員可以理解，這些波形和描述均只為說明之目的，而非用來限制本發明。
圖3為根據本發明實施例的圖2所示AC/AC直接變換器100的操作波形。如圖3所示，交流輸入電壓vin為具有正半周期和負半周期的正弦波。在vin的正半周期內，電晶體Q2和Q4保持導通，電晶體Q1和Q3以50%的占空比交替地進行開關切換。當電晶體Q1導通、電晶體Q3關斷，變 壓器T1主側繞組兩端的電壓vpri為正，可以表示為：
Figure 110135089-A0305-02-0014-1
當電晶體Q1關斷、電晶體Q3導通，變壓器T1主側繞組兩端的電壓vpri為負，可以表示為：
Figure 110135089-A0305-02-0014-2
在vin的負半周期內，電晶體Q1和Q3保持導通，電晶體Q2和Q4以50%的占空比交替地進行開關切換。當電晶體Q2導通、電晶體Q4關斷，變壓器T1主側繞組兩端的電壓vpri為負，且可以表示為等式(1)。當電晶體Q2關斷、電晶體Q4導通，變壓器T1主側繞組兩端的電壓vpri為正，且可以表示為等式(2)。因此，本實施例中的電壓vpri為占空比為50%的雙極性脈寬調變電壓，且其包絡線呈正弦形狀。
變壓器副側繞組兩端的電壓vsec與電壓vpri成正比，可以表示為：
Figure 110135089-A0305-02-0014-3
 其中，N2/N1為變壓器T1的匝比。
在vin的正半周期內，電晶體Q6和Q8保持導通，電晶體Q5和Q7作為同步整流管操作。當電壓vsec為正時，電晶體Q7關斷，電晶體Q5導通，電流流經變壓器T1、電晶體Q5、Q6、負載以及電容器C4。當電壓vsec為負時，電晶體Q5關斷，電晶體Q7導通，電流流經電容器C3、負載和 電晶體Q7、Q8。因此，在vin的正半周期，可以得到一個正的交流輸出電壓vout，該電壓可以表示為：vout=2* |vsec| (4)
在vin的負半周期內，電晶體Q5和Q7保持導通，電晶體Q6和Q8作為同步整流管操作。當電壓vsec為正時，電晶體Q6關斷，電晶體Q8導通，電流流過變壓器T1的副側繞組、電晶體Q7、Q8、負載以及電容器C3。當電壓vsec為負時，電晶體Q8關斷，電晶體Q6導通，電流流過電容器C4、負載以及電晶體Q5、Q6。因此，在vin的負半周期，可以得到一個負的交流輸出電壓vout，該電壓可以表示為：vout=-2* |vsec| (5)
結合式(1)到(5)，可得：
Figure 110135089-A0305-02-0015-4
 這意味著，對於如圖2所示的AC/AC直接變換器100而言，其交流輸出電壓vout與交流輸入電壓vin成正比，且比例係數由變壓器T1的匝比來決定。
AC/AC直接變換器100無需體積龐大且成本高昂的低頻變壓器，而且與基於直流母線的AC/AC變換器相比，避免了使用大容量電容器帶來的困擾。
除了圖2所示的對稱半橋結構以外，調變電路和解調電路還可以採用其他合適的結構，例如圖4A和圖5A所示的全橋結構，或圖4B和圖5B所示的不對稱半橋結構。這 些結構均可以相互替換，且可以根據實際應用來進行選擇。
圖6為根據本發明實施例的AC/AC直接變換方法的操作流程圖，包括步驟S101到S103。
在步驟S101，透過調變電路(例如，圖2、4A和4B中所示電路)將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為雙極性脈寬調變電壓。該雙極性脈寬調變電壓具有高於第一頻率的第二頻率、以及正弦形狀的包絡線。
在步驟S102，將前述雙極性脈寬調變電壓提供至變壓器的主側繞組。
在步驟S103，透過解調電路(例如，圖2、5A和5B中所示電路)將變壓器副側繞組兩端的電壓轉換為具有第一頻率的交流輸出電壓。
為了驅動調變電路中的電晶體，可以使用如圖7所示的整流橋電路將交流輸入電壓Vin轉換為直流電壓，該整流橋電路包括二極體D1到D4。二極體D2的陰極和二極體D4的陽極耦接在一起，並耦接至交流電源的第一端。二極體D1的陰極和二極體D3的陽極耦接在一起，並耦接至交流電源的第二端。二極體D1和D2的陽極耦接在一起，形成整流橋電路的負電壓軌，該負電壓軌可用作參考地。二極體D3和D4的陰極耦接在一起，形成整流橋電路的正電壓軌，該正電壓軌可用作供電電壓Vdd。在供電電壓Vdd和參考地之間通常耦接有供電電容器Cdd。
電晶體Q1到Q4在交流輸入電壓的部分周期或整個周 期內是浮動的，因此可以採用由電壓Vdd供電的自舉電路來實現電晶體的閘極驅動。由於電晶體Q1和Q4源極耦接在一起，它們可以共用同一個自舉電路。在圖7所示的實施例中，驅動電路111到114、LDO(low-dropout linear regulator，低壓差線性穩壓器)115到117，以及自舉電容器Cbst1、Cbst2和Cbst3被用於驅動電晶體Q1到Q4。
第一LDO 115具有輸入端和輸出端，其中，輸入端耦接至整流橋電路以接收供電電壓Vdd，輸出端提供第一自舉電壓Vbst1。第一驅動電路111具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第一LDO 115的輸出端以接收第一自舉電壓Vbst1，第二供電端耦接至電晶體Q1的源極，輸入端接收用於控制電晶體Q1的第一控制信號CTRL1，輸出端耦接至電晶體Q1的閘極。第一自舉電容器Cbst1耦接在第一LDO 115的輸出端和電晶體Q1的源極之間。
第二LDO 116具有輸入端和輸出端，其中，輸入端耦接至整流橋電路以接收供電電壓Vdd，輸出端提供第二自舉電壓Vbst2。第二驅動電路112具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第二LDO 116的輸出端以接收第二自舉電壓Vbst2，第二供電端耦接至電晶體Q2的源極，輸入端接收用於控制電晶體Q2的第二控制信號CTRL2，輸出端耦接至電晶體Q2的閘極。第二自舉電容器Cbst2耦接在第二LDO 116的輸出端和電晶體Q2的源極之間。
第三LDO 117具有輸入端和輸出端，其中，輸入端耦接至整流橋電路以接收供電電壓Vdd，輸出端提供第三自舉電壓Vbst3。第三驅動電路113具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第三LDO 117的輸出端以接收第三自舉電壓Vbst3，第二供電端耦接電晶體Q3的源極，輸入端接收用於控制電晶體Q3的第三控制信號CTRL3，輸出端耦接至電晶體Q3的閘極。第三自舉電容器Cbst3耦接在第三LDO 117的輸出端和電晶體Q3的源極之間。
第四驅動電路114具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第一LDO 115的輸出端以接收第一自舉電壓Vbst1，第二供電端耦接至電晶體Q4的源極，輸入端接收用於控制電晶體Q4的第四控制信號CTRL4，輸出端耦接至電晶體Q4的閘極。
在圖7所示的實施例中，三個LDO(115、116和117)被用於分別產生自舉電壓Vbst1、Vbst2和Vbst3。可以理解的是，在本發明的其他實施例中，也可以使用一個LDO(例如，圖8所示的LDO 118)來產生電壓Vbst，然後透過二極體D5、D6和D7分別將電壓Vbst傳遞至自舉電容器Cbst1、Cbst2和Cbst3。
圖9為根據本發明實施例的用於AC/AC直接變換器的控制IC(integrated circuit，晶片)的電路原理圖。控制IC包括圖8中所示的驅動電路111到114、LDO 118以及二極體D5到D7，並進一步集成了用於產生控制信號CTRL1到 CTRL4的控制電路119。如圖9所示，電晶體Q1到Q4、電容器Cdd、Cbst1到Cbst3以及整流橋電路透過接腳P1到P12耦接至控制IC。
在一個實施例中，當交流輸入電壓vin為正時，控制電路119保持控制信號CTRL2和CTRL4為高電平，以使電晶體Q2和Q4維持導通。同時，控制電路使控制信號CTRL1和CTRL3以第二頻率交替地在高電平和低電平之間進行切換。當交流輸入電壓vin為負時，控制電路119保持控制信號CTRL1和CTRL3為高電平，以使電晶體Q1和Q3維持導通。同時，控制電路使控制信號CTRL2和CTRL4以第二頻率交替地在高電平和低電平之間進行切換。在一些示例中，前述開關切換所採用的占空比約為50%。
本領域技術人員可以理解，圖7到9所示的自舉供電方案也可用於驅動解調電路中的電晶體。在穩態下，可以透過對交流輸出電壓vout進行整流來獲取供電電壓Vdd。而在剛啟動時，可以採用變壓器T1副側繞組兩端的電壓vsec來提供能量。
上述實施例中，採用了n型MOSFET來形成背靠背電晶體對。MOSFET具有形成於半導體基板中溝道區域內的源極區和汲極區，以及位於源極區和汲極區之間的閘極電極。對於n型MOSFET而言，其溝道區域耦接至源極區，因而在源極區和耦接至源極區的溝道區域、以及汲極區之間，會形成寄生體二極體。也就是說，在正常電路中，由汲極區向源極區方向的電流路徑可以被開通或者截止，但 由於體二極體的存在，由源極區向汲極區方向的電流路徑將永遠無法截止。因此，為了形成在兩個方向上均可以實現電流通斷切換的雙向開關，需要將兩個n型MOSFET以背靠背方式來連接。
雖然前述實施例中，背靠背電晶體對中兩個n型MOSFET的汲極被耦接在一起，但這並非用來限制本發明。在一些實施例中，如圖10(a)到10(c)所示，也可以將兩個n型MOSFET的源極耦接在一起，並且n型MOSFET可以為p型MOSFET所取代。此外，只要能形成雙向開關，MOSFET之外的其他可控裝置，例如BJT(bipolar junction transistor，雙極性接面型電晶體)、HEMT(high electron mobility transistor，高電子遷移率電晶體)、IGBT(insulated gate bipolar transistor，絕緣閘極雙極性電晶體)和GTO(gate turn off thyristor，閘極截止閘流體)，也同樣適用於本發明。而且，由圖10(d)和圖10(e)可以看出，當使用BJT時，還需要在BJT的集電極和發射極之間反並二極體，以承載由發射極流向集電極的電流。
儘管上述實施例中示出了許多細節電路，但本領域技術人員可以理解，它們均僅是為了說明之目的，其他具有相同或類似功能的電路結構也同樣適用於本發明。前述實施例中，50%占空比被示例性地用於控制AC/AC直接變換器中的電晶體。然而需要注意的是，只要調變電路和解調電路採用的占空比一致，50%之外的占空比也同樣可行。而且，總會存在一個特意設置的死區時間，以防止電晶體 直通。
此外，各圖式中標注的電壓極性也僅是為了說明之目的，因而可以根據實際應用進行調整或者互換。在圖2所示的電路架構中，主側繞組的第一端和副側繞組的第二端被配置為同名端。但本領域技術人員可以理解，這並非是限制性的，而可以根據實際需要進行調整。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在隨附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和變型都應為隨附申請專利範圍所涵蓋。
100:AC/AC直接變換器
101:調變電路
102:解調電路

Claims (20)

  1. 一種AC/AC直接變換器，包括：調變電路，將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為具有第二頻率的雙極性脈寬調變電壓，其中，該第二頻率高於該第一頻率，該雙極性脈寬調變電壓的包絡線呈正弦形狀；變壓器，具有主側繞組和副側繞組，其中，該主側繞組耦接至該調變電路以接收該雙極性脈寬調變電壓；以及解調電路，耦接至該變壓器的該副側繞組，將該變壓器副側繞組兩端的電壓轉換為具有該第一頻率的交流輸出電壓。
  2. 如請求項1所述的AC/AC直接變換器，其中，調變電路包括：第一電晶體，具有第一端、第二端和控制端；第二電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第二電晶體的第一端耦接至第一電晶體的第一端，第二電晶體的第二端耦接至用於提供交流輸入電壓的交流電源的第一端；第三電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第三電晶體的第二端耦接至交流電源的第二端；以及第四電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第四電晶體的第一端耦接至第三電晶體的第一端，第四電晶體的第二端和第一電晶體的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器主側繞組的第一端。
  3. 如請求項2所述的AC/AC直接變換器，其中，調變電路還包括：第一電容器，具有第一端和第二端，其中，第一端耦接至第二電晶體的第二端；以及第二電容器，具有第一端和第二端，其中，第二電容器的第一端和第一電容器的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器主側繞組的第二端，第二電容器的第二端耦接至第三電晶體的第二端。
  4. 如請求項2所述的AC/AC直接變換器，其中：當交流輸入電壓處於第一半周期時，第二和第四電晶體保持導通，第一和第三電晶體以第二頻率進行開關切換；以及當交流輸入電壓處於第二半周期時，第一和第三電晶體保持導通，第二和第四電晶體以第二頻率進行開關切換。
  5. 如請求項1所述的AC/AC直接變換器，其中，解調電路包括：第五電晶體，具有第一端、第二端和控制端；第六電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第六電晶體的第一端耦接至第五電晶體的第一端，第六電晶體的第二端耦接至負載的第一端以提供交流輸出電壓；第七電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第七電晶體的第二端耦接至負載的第二端；以及 第八電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第八電晶體的第一端耦接至第七電晶體的第一端，第八電晶體的第二端和第五電晶體的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器副側繞組的第一端。
  6. 如請求項5所述的AC/AC直接變換器，其中，解調電路還包括：第三電容器，具有第一端和第二端，其中，第一端耦接至第六電晶體的第二端；以及第四電容器，具有第一端和第二端，其中，第四電容器的第一端和第三電容器的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器副側繞組的第二端，第四電容器的第二端耦接至第七電晶體的第二端。
  7. 如請求項5所述的AC/AC直接變換器，其中：當交流輸入電壓處於第一半周期時，第六和第八電晶體保持導通，第五和第七電晶體用作同步整流管，對變壓器副側繞組兩端的電壓進行整流；以及當交流輸入電壓處於第二半周期時，第五和第七電晶體保持導通，第六和第八電晶體用作同步整流管，對變壓器副側繞組兩端的電壓進行整流。
  8. 如請求項2所述的AC/AC直接變換器，其中，調變電路還包括：第九電晶體，具有第一端、第二端和控制端；第十電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中， 第十電晶體的第一端耦接至第九電晶體的第一端，第十電晶體的第二端耦接至第二電晶體的第二端；第十一電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第十一電晶體的第二端耦接至第三電晶體的第二端；以及第十二電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第十二電晶體的第一端耦接至第十一電晶體的第一端，第十二電晶體的第二端和第九電晶體的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器主側繞組的第二端。
  9. 如請求項2所述的AC/AC直接變換器，其中，調變電路還包括：第五電容器，具有第一端和第二端，其中，第五電容器的第一端耦接至變壓器主側繞組的第二端，第五電容器的第二端耦接至第三電晶體的第二端。
  10. 如請求項5所述的AC/AC直接變換器，其中，解調電路還包括：第十三電晶體，具有第一端、第二端和控制端；第十四電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第十四電晶體的第一端耦接至第十三電晶體的第一端，第十四電晶體的第二端耦接至第六電晶體的第二端；第十五電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第十五電晶體的第二端耦接至第七電晶體的第二端；以及第十六電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其 中，第十六電晶體的第一端耦接至第十五電晶體的第一端，第十六電晶體的第二端和第十三電晶體的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器副側繞組的第二端。
  11. 如請求項5所述的AC/AC直接變換器，其中，解調電路還包括：第六電容器，具有第一端和第二端，其中，第六電容器的第一端耦接至變壓器副側繞組的第二端，第六電容器的第二端耦接至第七電晶體的第二端。
  12. 如請求項2所述的AC/AC直接變換器，還包括：整流橋電路，具有第一輸入端、第二輸入端、第一輸出端和第二輸出端，其中，第一輸入端耦接至交流電源的第一端，第二輸入端耦接至交流電源的第二端，第一輸出端提供供電電壓，第二輸出端耦接至參考地；供電電容器，耦接在整流橋電路的第一輸出端與參考地之間；第一驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第二供電端耦接至第一電晶體的第二端，輸入端接收第一控制信號，輸出端耦接至第一電晶體的控制端；第一自舉電容器，耦接在第一驅動電路的第一和第二供電端之間；第二驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第二供電端耦接至第二電晶體的第二 端，輸入端接收第二控制信號，輸出端耦接至第二電晶體的控制端；第二自舉電容器，耦接在第二驅動電路的第一和第二供電端之間；第三驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第二供電端耦接至第三電晶體的第二端，輸入端接收第三控制信號，輸出端耦接至第三電晶體的控制端；第三自舉電容器，耦接在第三驅動電路的第一和第二供電端之間；以及第四驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，第一供電端耦接至第一驅動電路的第一供電端，第二供電端耦接至第四電晶體的第二端，輸入端接收第四控制信號，輸出端耦接至第四電晶體的控制端。
  13. 如請求項12所述的AC/AC直接變換器，還包括：第一低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，第一低壓差線性穩壓器的輸入端耦接至整流橋電路的第一輸出端以接收供電電壓，第一低壓差線性穩壓器的輸出端耦接至第一驅動電路的第一供電端；第二低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，第二低壓差線性穩壓器的輸入端耦接至整流橋電路的第一輸出端以接收供電電壓，第二低壓差線性穩壓器的輸 出端耦接至第二驅動電路的第一供電端；以及第三低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，第三低壓差線性穩壓器的輸入端耦接至整流橋電路的第一輸出端以接收供電電壓，第三低壓差線性穩壓器的輸出端耦接至第三驅動電路的第一供電端。
  14. 如請求項12所述的AC/AC直接變換器，還包括：低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，低壓差線性穩壓器的輸入端耦接至整流橋電路的第一輸出端以接收供電電壓；第一二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端，陰極耦接至第一驅動電路的第一供電端；第二二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端，陰極耦接至第二驅動電路的第一供電端；以及第三二極體，具有陽極和陰極，其中，陽極耦接至低壓差線性穩壓器的輸出端，陰極耦接至第三驅動電路的第一供電端。
  15. 一種AC/AC直接變換方法，包括：透過調變電路將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為具有第二頻率的雙極性脈寬調變電壓，其中，該第二頻率高於該第一頻率，該雙極性脈寬調變電壓的包絡線呈正弦形狀； 將該雙極性脈寬調變電壓提供至變壓器的主側繞組；以及透過解調電路將變壓器副側繞組兩端的電壓轉換為具有該第一頻率的交流輸出電壓。
  16. 如請求項15所述的AC/AC直接變換方法，其中，調變電路包括：第一電晶體，具有第一端、第二端和控制端；第二電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第二電晶體的第一端耦接至第一電晶體的第一端，第二電晶體的第二端耦接至用於提供交流輸入電壓的交流電源的第一端；第三電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第三電晶體的第二端耦接至交流電源的第二端；以及第四電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第四電晶體的第一端耦接至第三電晶體的第一端，第四電晶體的第二端和第一電晶體的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器主側繞組的第一端，其中：當交流輸入電壓處於第一半周期時，第二和第四電晶體保持導通，第一和第三電晶體以第二頻率進行開關切換；以及當交流輸入電壓處於第二半周期時，第一和第三電晶體保持導通，第二和第四電晶體以第二頻率進行開關切換。
  17. 如請求項15所述的AC/AC直接變換方 法，其中，解調電路包括：第五電晶體，具有第一端、第二端和控制端；第六電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第六電晶體的第一端耦接至第五電晶體的第一端，第六電晶體的第二端耦接至負載的第一端以提供交流輸出電壓；第七電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第七電晶體的第二端耦接至負載的第二端；以及第八電晶體，具有第一端、第二端和控制端，其中，第八電晶體的第一端耦接至第七電晶體的第一端，第八電晶體的第二端和第五電晶體的第二端耦接在一起、並耦接至變壓器副側繞組的第一端，其中：當交流輸入電壓處於第一半周期時，第六和第八電晶體保持導通，第五和第七電晶體用作同步整流管，對變壓器副側繞組兩端的電壓進行整流；以及當交流輸入電壓處於第二半周期時，第五和第七電晶體保持導通，第六和第八電晶體用作同步整流管，對變壓器副側繞組兩端的電壓進行整流。
  18. 一種用於AC/AC直接變換器的控制晶片，其中，該AC/AC直接變換器用於將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為同樣具有該第一頻率的交流輸出電壓，並包括第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體和第四電晶體，每個電晶體均具有第一端、第二端和控制端，該第二電晶體的第一端耦接至該第一電晶體的第一端，該第四電晶體的第一端耦接至該第三電晶體的第一端，該第四電晶 體的第二端耦接至該第一電晶體的第二端，其中，該控制晶片包括：控制電路，產生第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號；第一驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至第一自舉電容器的第一端，該第二供電端耦接至該第一電晶體的第二端和該第一自舉電容器的第二端，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第一控制信號，該輸出端耦接至該第一電晶體的控制端；第二驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至第二自舉電容器的第一端，該第二供電端耦接至該第二電晶體的第二端和該第二自舉電容器的第二端，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第二控制信號，該輸出端耦接至該第二電晶體的控制端；第三驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至第三自舉電容器的第一端，該第二供電端耦接至該第三電晶體的第二端和該第三自舉電容器的第二端，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第三控制信號，該輸出端耦接至該第三電晶體的控制端；第四驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第四驅動電路的第一供電端耦接至 該第一驅動電路的第一供電端，該第四驅動電路的第二供電端耦接至該第四電晶體的第二端，該第四驅動電路的輸入端耦接至該控制電路以接收該第四控制信號，該第四驅動電路的輸出端耦接至該第四電晶體的控制端；第一低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，該輸入端接收供電電壓，該輸出端耦接至該第一驅動電路的第一供電端；第二低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，該輸入端接收該供電電壓，該輸出端耦接至該第二驅動電路的第一供電端；以及第三低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，該第三低壓差線性穩壓器的輸入端耦接至該供電電壓，該第三低壓差線性穩壓器的輸出端耦接至該第三驅動電路的第一供電端。
  19. 一種用於AC/AC直接變換器的控制晶片，其中，該AC/AC直接變換器用於將具有第一頻率的交流輸入電壓轉換為同樣具有該第一頻率的交流輸出電壓，並包括第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體和第四電晶體，每個電晶體均具有第一端、第二端和控制端，該第二電晶體的第一端耦接至該第一電晶體的第一端，該第四電晶體的第一端耦接至該第三電晶體的第一端，該第四電晶體的第二端耦接至該第一電晶體的第二端，其中，該控制晶片包括：控制電路，產生第一控制信號、第二控制信號、第三 控制信號和第四控制信號；第一驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至第一自舉電容器的第一端，該第二供電端耦接至該第一電晶體的第二端和該第一自舉電容器的第二端，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第一控制信號，該輸出端耦接至該第一電晶體的控制端；第二驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至第二自舉電容器的第一端，該第二供電端耦接至該第二電晶體的第二端和該第二自舉電容器的第二端，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第二控制信號，該輸出端耦接至該第二電晶體的控制端；第三驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至第三自舉電容器的第一端，該第二供電端耦接至該第三電晶體的第二端和該第三自舉電容器的第二端，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第三控制信號，該輸出端耦接至該第三電晶體的控制端；第四驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第四驅動電路的第一供電端耦接至該第一驅動電路的第一供電端，該第四驅動電路的第二供電端耦接至該第四電晶體的第二端，該第四驅動電路的輸入端耦接至該控制電路以接收該第四控制信號，該第四驅 動電路的輸出端耦接至該第四電晶體的控制端；低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，該低壓差線性穩壓器的輸入端接收供電電壓；第一二極體，具有陽極和陰極，其中，該陽極耦接至該低壓差線性穩壓器的輸出端，該陰極耦接至該第一驅動電路的第一供電端；第二二極體，具有陽極和陰極，其中，該陽極耦接至該低壓差線性穩壓器的輸出端，該陰極耦接至該第二驅動電路的第一供電端；以及第三二極體，具有陽極和陰極，其中，該陽極耦接至該低壓差線性穩壓器的輸出端，該陰極耦接至該第三驅動電路的第一供電端。
  20. 一種用於AC/AC直接變換器的控制晶片，其中，該AC/AC直接變換器用於將交流輸入電壓轉換為交流輸出電壓，並包括第一電晶體、第二電晶體、第三電晶體和第四電晶體，每個電晶體均具有第一端、第二端和控制端，該控制晶片包括：第一接腳，用於耦接至該第二電晶體的控制端；第二接腳，用於耦接至第一自舉電容器的第一端；第三接腳，用於耦接至該第一電晶體的控制端；第四接腳，用於耦接至該第一和第四電晶體的第二端、以及該第一自舉電容器的第二端；第五接腳，用於耦接至該第四電晶體的控制端；第六接腳，用於耦接至該第三電晶體的控制端； 第七接腳，用於耦接至該第二電晶體的第二端、以及第二自舉電容器的第二端；第八接腳，用於耦接至該第二自舉電容器的第一端；第九接腳，用於接收供電電壓；第十接腳，用於耦接至參考地；第十一接腳，用於耦接至第三自舉電容器的第一端；第十二接腳，用於耦接至該第三電晶體的第二端，以及該第三自舉電容器的第二端；控制電路，產生第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號和第四控制信號；低壓差線性穩壓器，具有輸入端和輸出端，其中，輸入端耦接至該第九接腳以接收該供電電壓；第一二極體，具有陽極和陰極，其中，該陽極耦接至該低壓差線性穩壓器的輸出端；第一驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至該第一二極體的陰極，該第二供電端耦接至該第四接腳，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第一控制信號，該輸出端耦接至該第三接腳；第二二極體，具有陽極和陰極，其中，該陽極耦接至該低壓差線性穩壓器的輸出端；第二驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至該第二二極體的陰極，該第二供電端耦接至該第七接腳，該輸入端耦接至 該控制電路以接收該第二控制信號，該輸出端耦接至該第一接腳；第三二極體，具有陽極和陰極，其中，該陽極耦接至該低壓差線性穩壓器的輸出端；第三驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至該第三二極體的陰極，該第二供電端耦接至該第十二接腳，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第三控制信號，該輸出端耦接至該第六接腳；以及第四驅動電路，具有第一供電端、第二供電端、輸入端和輸出端，其中，該第一供電端耦接至該第一二極體的陰極，該第二供電端耦接至該第四接腳，該輸入端耦接至該控制電路以接收該第四控制信號，該輸出端耦接至該第五接腳。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2023032413A1 (zh) * 2021-08-30 2023-03-09
CN116914867B (zh) * 2023-09-14 2023-12-05 国网江苏省电力有限公司常州供电分公司 一二次融合柱上断路器的取能供电装置和方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6992466B2 (en) * 2000-12-22 2006-01-31 Bowman Power Group Ltd. Waveform control system
TW200733536A (en) * 2006-01-17 2007-09-01 Sansha Electric Mfg Co Ltd Power supply apparatus
JP2012050296A (ja) * 2010-08-30 2012-03-08 Daihen Corp 高周波電源装置
US8427113B2 (en) * 2007-08-01 2013-04-23 Intersil Americas LLC Voltage converter with combined buck converter and capacitive voltage divider
US20160043642A1 (en) * 2014-08-11 2016-02-11 Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. Bootstrap refresh control circuit, voltage converter and associated method
US20170047841A1 (en) * 2015-08-10 2017-02-16 Infineon Technologies Austria Ag System and Method for a Switch Having a Normally-on Transistor and a Normally-off Transistor

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1117422C (zh) * 2001-09-10 2003-08-06 南京航空航天大学 高频交流环节交／交变换器
FR2858493B1 (fr) * 2003-07-31 2005-10-21 St Microelectronics Sa Circuit d'attaque a autoelevation
US6963498B2 (en) * 2004-02-02 2005-11-08 International Rectifier Corporation Bootstrap capacitor refresh circuit
WO2007069239A2 (en) * 2005-12-12 2007-06-21 Poweroffer Apparatus, method and system for control of ac/ac conversion
CN100490291C (zh) * 2006-01-01 2009-05-20 福州大学 升压型高频环节交-交变换器
US8559193B2 (en) * 2010-01-22 2013-10-15 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Zero-voltage-switching scheme for high-frequency converter
CN201726319U (zh) * 2010-08-11 2011-01-26 上海交通大学 单相交流变换器
EP2632040A1 (en) * 2012-02-24 2013-08-28 ABB Technology Ltd Transformer configuration for a back-to-back converter
CN103580484B (zh) * 2012-07-30 2015-10-21 台达电子工业股份有限公司 同步整流装置及其控制方法
US8917076B2 (en) * 2012-08-10 2014-12-23 Monolithic Power Systems, Inc. Off-line regulator with pass device and associated method
CN102832810B (zh) * 2012-08-30 2015-04-08 成都芯源系统有限公司 自举电压刷新控制电路、电压转换电路及相关控制方法
WO2014088551A1 (en) * 2012-12-04 2014-06-12 Otis Elevator Company Gate drive power supply for multilevel converter
US9490720B1 (en) * 2013-03-13 2016-11-08 Google Inc. Power conversion with solid-state transformer
CN105247775B (zh) * 2013-07-08 2017-12-26 株式会社村田制作所 电力变换电路、电力输送系统以及电力变换系统
US9413221B1 (en) * 2013-12-04 2016-08-09 Google Inc. Power conversion using a series of power converters
US20160094141A1 (en) * 2014-09-25 2016-03-31 Greecon Technologies Ltd. Single conversion stage bidirectional soft-switched ac-to-ac power converter
CN205070803U (zh) * 2015-07-10 2016-03-02 泉州装备制造研究所 一种基于单片机的交流直接变换器
CN105897001A (zh) * 2016-05-17 2016-08-24 华南理工大学 一种基于clllc谐振的ac-ac双向变换器
TWI769160B (zh) * 2016-06-03 2022-07-01 美商英特矽爾美國有限公司 用以軟啟動大功率電荷泵的方法、電路，及電子系統
CN105932883B (zh) * 2016-06-03 2018-09-21 中南大学 基于能量注入式直接ac-ac变换器的电力电子变压器
US10833594B2 (en) * 2017-05-19 2020-11-10 Infineon Technologies Austria Ag System and method of controlling a power converter having an LC tank coupled between a switching network and a transformer winding
US10637456B2 (en) * 2017-07-20 2020-04-28 Efficient Power Conversion Corporation Low voltage drop cascaded synchronous bootstrap supply circuit
DE102017130443A1 (de) * 2017-12-19 2019-06-19 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Flexibles Bootstrapping für Leistungselektronikschaltungen
CN111670609B (zh) * 2018-01-29 2022-11-04 罗姆股份有限公司 发光元件驱动控制装置、发光元件驱动电路装置
JP2019134622A (ja) * 2018-02-01 2019-08-08 ローム株式会社 ドライバ回路及びスイッチングレギュレータ
CN108768142A (zh) * 2018-08-17 2018-11-06 广州金升阳科技有限公司 一种自举电路
US10666147B1 (en) * 2018-11-14 2020-05-26 Navitas Semiconductor, Inc. Resonant converter control based on zero current detection
US10917019B2 (en) * 2019-03-11 2021-02-09 Utah State University Quasi-single stage power converter topology
US10601302B1 (en) * 2019-04-04 2020-03-24 Navitas Semiconductor, Inc. Bootstrap power supply circuit
US10811959B1 (en) * 2019-05-10 2020-10-20 Nxp B.V. Switched capacitor voltage converter and method for operating a switched capacitor voltage converter
US20210029794A1 (en) * 2019-07-23 2021-01-28 Bae Systems Controls Inc. System for digitally controlled direct drive ac led light
CN110474531B (zh) * 2019-08-15 2021-06-15 南京矽力微电子技术有限公司 驱动电路、驱动方法及集成电路
US11251691B2 (en) * 2019-09-23 2022-02-15 Stmicroelectronics Asia Pacific Pte Ltd Floating power supply for a driver circuit configured to drive a high-side switching transistor
CN111224540B (zh) * 2019-12-20 2021-04-06 南京矽力微电子技术有限公司 开关电容变换器及其驱动电路
CN111490605A (zh) * 2020-06-01 2020-08-04 华东交通大学 基于磁谐振耦合的多功能能量双向传输电路

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6992466B2 (en) * 2000-12-22 2006-01-31 Bowman Power Group Ltd. Waveform control system
TW200733536A (en) * 2006-01-17 2007-09-01 Sansha Electric Mfg Co Ltd Power supply apparatus
US8427113B2 (en) * 2007-08-01 2013-04-23 Intersil Americas LLC Voltage converter with combined buck converter and capacitive voltage divider
JP2012050296A (ja) * 2010-08-30 2012-03-08 Daihen Corp 高周波電源装置
US20160043642A1 (en) * 2014-08-11 2016-02-11 Chengdu Monolithic Power Systems Co., Ltd. Bootstrap refresh control circuit, voltage converter and associated method
US20170047841A1 (en) * 2015-08-10 2017-02-16 Infineon Technologies Austria Ag System and Method for a Switch Having a Normally-on Transistor and a Normally-off Transistor

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