TWI820923B - 多段式零點補償裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係揭露一種多段式零點補償裝置，其包含一運算放大器、至少一個開關元件、至少一組零點補償元件與一組回授補償元件。運算放大器之負輸入端耦接開關元件，輸出端通過一驅動控制器耦接一直流電壓轉換器。零點補償元件耦接於直流電壓轉換器之輸出端與開關元件之間。回授補償元件耦接運算放大器之輸出端與負輸入端及直流電壓轉換器之輸出端。運算放大器根據開關元件之開關狀態，通過回授補償元件與零點補償元件接收直流電壓轉換器之輸出直流電壓，並藉此與設定電壓控制驅動控制器，從而提供直流電壓轉換器之不同零點頻率。
Description
本發明係關於一種補償裝置，且特別關於一種多段式零點補償裝置。
近幾年各式電子產品皆朝向精密與小型化的方向發展，傳統的電能轉換器不論在體積與效率上皆無法滿足現今的需求，電能轉換器被要求提高功率密度(Power Density)，故1970年代功率半導體技術成熟時，切換式電源才廣泛應用在電源上，因此現今高效率的切換式電源供應器(Switch Mode Power Supply,SMPS)為產業在電源設計方面的重點。
切換式電源供應器會採用半橋式諧振轉換器或全橋式諧振轉換器。由於半橋式諧振轉換器與全橋式諧振轉換器之操作類似，故以全橋式諧振轉換器為例，其大體皆設成如第1圖所示，包含一訊號控制器10、電晶體開關12、14、16與18、一電容器20、一電感器22、一變壓器24、二極體26與28及一電容器30。電晶體開關12與14接收高電壓VH，電晶體開關16與18接收低電壓VL，電容器30輸出一輸出電壓VO。當電容器20、電感器22與變壓器24之一次側電感互相諧振時，稱為LLC模式。當電容器20與電感器22互相諧振時，稱為SRC模式。假設有一包含全橋式諧振轉換器之高功率三相輸入電源。第2圖為先前技術之高功率三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時的功率級小訊號受控體(plant)之波德圖，第3圖為先前技術之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時的功率級小訊號受控體之波德圖，第4圖為先前技術之高功率
三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時採用單一補償器的迴路增益之波德圖，第5圖為先前技術之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時採用單一補償器的迴路增益之波德圖，其中實線代表增益，虛線代表相位。在第4圖中，相位邊際為85度。在第5圖中，相位邊際為139度。根據第2圖，需設計一種補償器，將其兩個零點設計在fz1與fz2的位置。根據第3圖，需設計另一種補償器，將其一個零點設計在fz1的位置。在第2圖與第3圖之輸出條件下，若使用單一補償器，將無法同時達到相位邊際(phase margin)大於60度之穩定條件，如第4圖與第5圖所示。
因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種多段式零點補償裝置，以解決習知所產生的問題。
本發明提供一種多段式零點補償裝置，其根據不同之輸出條件，以簡易設計達到相位邊際(phase margin)大於60度之穩定條件。
在本發明之一實施例中，提供一種多段式零點補償裝置，其包含一運算放大器、至少一個開關元件、至少一組零點補償元件與一組回授補償元件。運算放大器之正輸入端用以接收一設定電壓，輸出端通過一驅動控制器耦接一直流電壓轉換器。開關元件耦接運算放大器之負輸入端。零點補償元件耦接於直流電壓轉換器之輸出端與開關元件之間，其中零點補償元件用以接收直流電壓轉換器之輸出直流電壓。回授補償元件耦接一地端、運算放大器之輸出端與負輸入端及直流電壓轉換器之輸出端。運算放大器根據開關元件之開關狀態，用以通過回授補償元件與零點補償元件接收直流電壓轉換器之輸出直流電壓，並藉此與設定電壓控制驅動控制器，從而提供直流電壓轉換器之不同零點頻率。
在本發明之一實施例中，至少一個開關元件包括多個開關元
件，至少一組零點補償元件包括多組零點補償元件，所有開關元件分別串聯耦接所有組零點補償元件。
在本發明之一實施例中，開關元件為金氧半場效電晶體或繼電器。
在本發明之一實施例中，零點補償元件包括電容器。
在本發明之一實施例中，零點補償元件更包括電阻器。
在本發明之一實施例中，回授補償元件包括一第一電容器、一第一電阻器與一第二電阻器。第一電容器耦接於運算放大器之輸出端與負輸入端之間，第一電阻器耦接於地端與運算放大器之負輸入端之間，第二電阻器耦接於運算放大器之負輸入端與直流電壓轉換器之輸出端之間。
在本發明之一實施例中，回授補償元件更包括一第二電容器與一第三電阻器。第二電容器之一端耦接運算放大器之輸出端。第三電阻器串聯耦接第二電容器，並耦接運算放大器之負輸入端。
在本發明之一實施例中，回授補償元件更包括一第三電容器與一第四電阻器。第三電容器之一端耦接直流電壓轉換器之輸出端，第四電阻器串聯耦接第三電容器，並耦接運算放大器之負輸入端。
在本發明之一實施例中，直流電壓轉換器為半橋式直流電壓轉換器或全橋式直流電壓轉換器。
在本發明之一實施例中，驅動控制器包括一光耦合器、一脈衝寬度調變器與一驅動電路。光耦合器耦接運算放大器之輸出端，脈衝寬度調變器耦接光耦合器，驅動電路耦接於脈衝寬度調變器與直流電壓轉換器之間。
基於上述，多段式零點補償裝置根據不同之輸出條件，切換開關元件之開關狀態，以簡易設計達到相位邊際大於60度之穩定條件。
茲為使 貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：
10:訊號控制器
12、14、16、18:電晶體開關
20:電容器
22:電感器
24:變壓器
26、28:二極體
30:電容器
32:多段式零點補償裝置
34:驅動控制器
36:直流電壓轉換器
38:功率因數校正電路
40:運算放大器
42:開關元件
44:零點補償元件
46:回授補償元件
48:電容器
50:電阻器
52:第一電容器
54:第一電阻器
56:第二電阻器
58:第二電容器
60:第三電阻器
62:第三電容器
64:第四電阻器
66:光耦合器
68:脈衝寬度調變器
70:驅動電路
72、74、76、78:電晶體開關
80:電容器
82:電感器
84:變壓器
86、88:二極體
90:電容器
VH:高電壓
VL:低電壓
VO:輸出電壓
Vxyz:三相電壓
Vo:輸出直流電壓
Vs:設定電壓
第1圖為先前技術之全橋式諧振轉換器之電路示意圖。
第2圖為先前技術之高功率三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時的功率級小訊號受控體(plant)之波德圖。
第3圖為先前技術之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時的功率級小訊號受控體之波德圖。
第4圖為先前技術之高功率三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時採用單一補償器的迴路增益之波德圖。
第5圖為先前技術之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時採用單一補償器的迴路增益之波德圖。
第6圖為本發明之第一實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。
第7圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時的功率級小訊號受控體(plant)之波德圖。
第8圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時的功率級小訊號受控體之波德圖。
第9圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時採用多段式零點補償裝置的迴路增益之波德圖。
第10圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時採用多段式零點補償裝置的迴路增益之波德圖。
第11圖為本發明之第二實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直
流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。
第12圖為本發明之第三實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。
第13圖為本發明之第四實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。
本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
於下文中關於“一個實施例”或“一實施例”之描述係指關於至少一實施例內所相關連之一特定元件、結構或特徵。因此，於下文中多處所出現
之“一個實施例”或“一實施例”之多個描述並非針對同一實施例。再者，於一或多個實施例中之特定構件、結構與特徵可依照一適當方式而結合。
除非特別說明，一些條件句或字詞，例如「可以(can)」、「可能(could)」、「也許(might)」，或「可(may)」，通常是試圖表達本案實施例具有，但是也可以解釋成可能不需要的特徵、元件，或步驟。在其他實施例中，這些特徵、元件，或步驟可能是不需要的。
以下介紹一種多段式零點補償裝置，其根據不同之輸出條件，切換開關元件之開關狀態，以簡易設計達到相位邊際(phase margin)大於60度之穩定條件。
第6圖為本發明之第一實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。請參閱第6圖，高功率三相輸入電源包括一多段式零點補償裝置32、一驅動控制器34、一直流電壓轉換器36與一功率因數校正電路38。多段式零點補償裝置32包括一運算放大器40、至少一個開關元件42、至少一組零點補償元件44與一組回授補償元件46。第一實施例以一個開關元件42與一組零點補償元件44為例。運算放大器40之輸出端通過驅動控制器34耦接直流電壓轉換器36，運算放大器40之負輸入端耦接開關元件42。零點補償元件44耦接於直流電壓轉換器36之輸出端與開關元件42之間。回授補償元件46耦接一地端、運算放大器40之輸出端與負輸入端及直流電壓轉換器36之輸出端。驅動控制器34與功率因數校正電路38耦接直流電壓轉換器36。
功率因數校正電路38接收一三相電壓Vxyz，以產生直流電壓給直流電壓轉換器36，使直流電壓轉換器36於輸出端產生輸出直流電壓Vo。運算放大器40之正輸入端接收一設定電壓Vs，以藉此控制輸出直流電壓Vo。零點補償元件44接收直流電壓轉換器36之輸出直流電壓Vo。運算放
大器40根據開關元件42之開關狀態，通過回授補償元件46與零點補償元件44接收直流電壓轉換器36之輸出直流電壓Vo，並藉此與設定電壓Vs控制驅動控制器34，從而提供直流電壓轉換器36之不同零點頻率。零點頻率主要由零點補償元件44所決定。舉例來說，當開關元件42被導通時，零點頻率為100赫茲，當開關元件42被關斷時，零點頻率為800赫茲。
舉例來說，開關元件42可為，但不限於金氧半場效電晶體或繼電器。零點補償元件44可包括電容器48，或包括電容器48與電阻器50。在本發明之某些實施例中，回授補償元件46可包括一第一電容器52、一第一電阻器54、一第二電阻器56、一第二電容器58、一第三電阻器60、一第三電容器62與一第四電阻器64。第一電容器52耦接於運算放大器40之輸出端與負輸入端之間，第一電阻器54耦接於地端與運算放大器40之負輸入端之間，第二電阻器56耦接於運算放大器40之負輸入端與直流電壓轉換器36之輸出端之間。第二電容器58之一端耦接運算放大器40之輸出端，第三電阻器60串聯耦接第二電容器58，並耦接運算放大器40之負輸入端。第三電容器62之一端耦接直流電壓轉換器36之輸出端，第四電阻器64串聯耦接第三電容器62，並耦接運算放大器40之負輸入端。驅動控制器34可包括一光耦合器66、一脈衝寬度調變器68與一驅動電路70。光耦合器66耦接運算放大器40之輸出端，脈衝寬度調變器68耦接光耦合器66，驅動電路70耦接於脈衝寬度調變器68與直流電壓轉換器36之間。
直流電壓轉換器36可為半橋式直流電壓轉換器或全橋式直流電壓轉換器，在此以全橋式直流電壓轉換器為例。直流電壓轉換器36可包含電晶體開關72、74、76與78、一電容器80、一電感器82、一變壓器84、二極體86與88及一電容器90。當電容器80、電感器82與變壓器84之一次側電感互相諧振時，稱為LLC模式。當電容器80與電感器82互相諧振時，稱為SRC模式。
第7圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時的功率級小訊號受控體(plant)之波德圖，第8圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時的功率級小訊號受控體之波德圖，第9圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在LLC模式且輸出380伏特時採用多段式零點補償裝置的迴路增益之波德圖，第10圖為本發明之高功率三相輸入電源操作在SRC模式且輸出254伏特時採用多段式零點補償裝置的迴路增益之波德圖，其中實線代表增益，虛線代表相位。第7圖與第9圖為開關元件42被關斷時之狀態，第8圖與第10圖為開關元件42被導通時之狀態。在第9圖中，相位邊際為85度，在第10圖中，相位邊際為111度。因此，不論開關元件42之開關狀態為何，皆能同時達到相位邊際大於60度之穩定條件。
第11圖為本發明之第二實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。請參閱第11圖，第二實施例與第一實施例差別在於開關元件42與零點補償元件44之數量。為了滿足設計不同零點頻率之需求，第二實施例可以設計多個開關元件42與多組零點補償元件44，其中所有開關元件42分別串聯耦接所有組零點補償元件44，其餘技術特徵已於第一實施例描述過，於此不再贅述。
第12圖為本發明之第三實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。請參閱第12圖與第6圖，第三實施例與第一實施例差別在於第三實施例缺少了第三電容器62與第四電阻器64，其餘技術特徵已於第一實施例描述過，於此不再贅述。
第13圖為本發明之第四實施例之多段式零點補償裝置、驅動控制器、直流電壓轉換器與功率因數校正電路之示意圖。請參閱第13圖與第12圖，第四實施例與第三實施例差別在於第四實施例缺少了第二電容器58與第三電阻器60，其餘技術特徵已於第一實施例描述過，於此不再贅述。
根據上述實施例，多段式零點補償裝置根據不同之輸出條件，切換開關元件之開關狀態，以簡易設計達到相位邊際大於60度之穩定條件。
以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
32:多段式零點補償裝置
34:驅動控制器
36:直流電壓轉換器
38:功率因數校正電路
40:運算放大器
42:開關元件
44:零點補償元件
46:回授補償元件
48:電容器
50:電阻器
52:第一電容器
54:第一電阻器
56:第二電阻器
58:第二電容器
60:第三電阻器
62:第三電容器
64:第四電阻器
66:光耦合器
68:脈衝寬度調變器
70:驅動電路
72、74、76、78:電晶體開關
80:電容器
82:電感器
84:變壓器
86、88:二極體
90:電容器
Vxyz:三相電壓
Vo:輸出直流電壓
Vs:設定電壓
Claims (8)
- 一種多段式零點補償裝置，包含：一運算放大器，其正輸入端用以接收一設定電壓，輸出端通過一驅動控制器耦接一直流電壓轉換器；至少一個開關元件，耦接該運算放大器之負輸入端；至少一組零點補償元件，直接耦接於該直流電壓轉換器之輸出端與該至少一個開關元件之間，其中該至少一組零點補償元件用以接收該直流電壓轉換器之輸出直流電壓；以及一組回授補償元件，耦接一地端、該運算放大器之該輸出端與該負輸入端及該直流電壓轉換器之該輸出端，其中該運算放大器根據該至少一個開關元件之開關狀態，用以通過該組回授補償元件與該至少一組零點補償元件接收該直流電壓轉換器之該輸出直流電壓，並藉此與該設定電壓控制該驅動控制器，從而提供該直流電壓轉換器之不同零點頻率；其中該至少一組零點補償元件包括電容器；其中該組回授補償元件包括：一第一電容器，耦接於該運算放大器之該輸出端與該負輸入端之間；一第一電阻器，耦接於該地端與該負輸入端之間；以及一第二電阻器，耦接於該負輸入端與該直流電壓轉換器之該輸出端之間，該至少一個開關元件直接耦接該第一電阻器與該第二電阻器之共同節點。
- 如請求項1所述之多段式零點補償裝置，其中該至少一個開關元件包括多個開關元件，該至少一組零點補償元件包括多 組零點補償元件，該些開關元件分別串聯耦接該多組零點補償元件。
- 如請求項1所述之多段式零點補償裝置，其中該至少一個開關元件為金氧半場效電晶體或繼電器。
- 如請求項1所述之多段式零點補償裝置，其中該至少一組零點補償元件更包括電阻器。
- 回授如請求項1所述之多段式零點補償裝置，其中該組回授補償元件更包括：一第二電容器，其一端耦接該運算放大器之該輸出端；以及一第三電阻器，串聯耦接該第二電容器，並耦接該負輸入端。
- 如請求項5所述之多段式零點補償裝置，其中該組回授補償元件更包括：一第三電容器，其一端耦接該直流電壓轉換器之該輸出端；以及一第四電阻器，其串聯耦接該第三電容器，並耦接該負輸入端。
- 如請求項1所述之多段式零點補償裝置，其中該直流電壓轉換器為半橋式直流電壓轉換器或全橋式直流電壓轉換器。
- 如請求項1所述之多段式零點補償裝置，其中該驅動控制器包括：一光耦合器，耦接該運算放大器之該輸出端；一脈衝寬度調變器，耦接該光耦合器；以及一驅動電路，耦接於該脈衝寬度調變器與該直流電壓轉換器之間。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| TW111135761A TWI820923B (zh) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 多段式零點補償裝置 |
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|---|---|
| TWI820923B true TWI820923B (zh) | 2023-11-01 |
| TW202414975A TW202414975A (zh) | 2024-04-01 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| TW111135761A TWI820923B (zh) | 2022-09-21 | 2022-09-21 | 多段式零點補償裝置 |
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