TWI830705B - 重建性線調變共振轉換器 - Google Patents
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Abstract
一種共振電源轉換器，包含一事件產生器和多個分離的共振槽，該多個分離的共振槽配置作為二次諧波濾波器。該事件產生器是被配置以產生共振槽所諧調到的預定的共振切換頻率，以選擇性的利用該共振槽來應用電壓應力諧波連結，並透過該些切換裝置來控制零電壓的切換時間和尖峰電流。於此所述的方法中的配置與操作該共振電源轉換器使得該共振電源轉換器能在不同的輸入線電壓維持一實質恆定效率，讓該共振電源轉換器的功效實質獨立於該輸入線電壓值。
Description
本專利申請依據美國專利法案第119(e)條，主張審查中的美國專利臨時申請案(申請案號60/548,325，申請於2017年8月21日，且發明名稱 “Reconstructive Line Modulated Resonant Converter”的優先權，其於此藉引用全部納入。
本發明大致上針對電源轉換器的領域。更具體而言，本發明係針對用於電源管理和電源供應的一種共振電源轉換器。
多年來已有多個電源轉換器拓樸被開發出來，這些發展是企圖改善電源轉換器的功率密度和切換效率。一個正浮出檯面的新電源轉換器拓樸的焦點是提供裝置以消除轉換器的切換損耗，同時提升切換頻率。較低的損耗和較高的切換頻率意味著較高效率的轉換器，其可以縮減轉換器組件的尺寸和重量。此外，隨著高速複合半導體開關的引進，例如由脈寬調變操作的金屬氧化物半導體場效應電晶體(PWM)，最近的前進和返馳拓樸現在可以讓操作的切換頻率大幅的增加，例如高達及勝過1MHz。
然而，由於半導體開關在高壓及/或高電流位準之快速的開/關切換，切換頻率的提升能導致切換和組件應力相關損耗的相應增加，及增加的電磁干擾(EMI)、噪音和切換的換向(switching commutation)的問題。更甚者，新式的電子組件被期望展現多重功能，在一個小的空間，高效率地，且具有少的不希望的副作用。例如，一種提供相對高功率密度和高切換頻率的新式電壓轉換器應該也包括整齊電路拓樸，提供輸出或“負載”電壓對輸入或“電源”電壓之隔絕，並且也提供可變的步升或步降的電壓轉換。
許多傳統電源轉換器電路的一個缺點是由切換組件所承受的相對高壓和電流應力。此外，由主要的開關所見的高關閉電壓(由變壓器漏電感器和開關電容器之間的寄生振盪所導致)傳統地需要使用電阻、電容器、二極體子電路，例如緩衝器電路。寄生振盪十分富於諧波而透過電磁干擾汙染環境，並且導致來自切換元件以額外熱消散方式的高切換損耗。
在一項減少或消除開關損耗並降低EMI噪音努力上，“共振”或“軟”切換技術在本領域中逐漸地被採用。共振切換技術的應用於傳統的電源變換器拓樸之應用提供高密度和高頻率的許多優點，以減少或消除切換應力並降低EMI。共振切換技術通常包括電感器-電容器（LC）子電路與半導體開關串聯，其當開啟時，在轉換器內產生共振子電路。此外，於切換週期期間對共振開關的ON/ OFF控制週期進行的定時(以相對應於跨分別轉換器組件的特別電壓和電流條件)容許在零電壓及/或零電流條件下進行切換。零電壓切換（ZVS）及/或零電流切換（ZCS）固有地減少或消除許多頻率相關的開關損耗。
這種共振切換技術在傳統電源轉換器技術的應用提供高密度和高頻率轉換器之許多優勢，例如準正弦電流波形、減少或消除轉換器的電子組件上的切換應力、降低的頻率相關的損耗及/或降低EMI。然而，在控制零電壓切換及/或零電流切換期間引起的能量損失，和在驅動時引起的損耗以及控制共振裝置仍然是有問題的。在將共振轉換器應用於電源管理和電源供應的領域中，一項關鍵任務是消除損耗並在寬輸入電壓範圍內保持高效率。
實施例係針對一共振電源轉換器。在自由運轉(free running)共振電源轉換器的拓樸中，輸入線電壓(輸入電壓供應)的變異，特別是在高線電壓條件下，造成該轉換器面對電磁和切換裝置的高度損耗。一種自由運轉共振電源轉換器的拓樸形成一不變的固定切換頻率和恆定工作週期。在這樣一種環境，如果輸入線電壓以一個為3的因子增加(例如從90Vrms之低線電壓到270Vrms之高線電壓的增加)，則通過主切換裝置的對應尖峰電流也會以一個為3的因子增加，這導致功率消散是以一個為9的因子增加。本案的共振電源轉換器減低電壓應力和高峰電流的流量，這減低這些功率損耗。該共振電源轉換器包含一事件產生器和配置作為二次諧波濾波器的多個分離的共振槽。該事件產生器是被配置以產生共振槽諧調到的一預定的共振切換頻率，以選擇性的利用該共振槽來應用電壓應力諧波連結，並透過該些切換裝置來控制零電壓的切換時間和尖峰電流。於此所述的方法中的配置與操作該共振電源轉換器使得該共振電源轉換器能在變化的輸入線電壓下維持一實質恆定效率，讓該共振電源轉換器的效率實質獨立於該輸入線電壓值。
依據一觀點，一共振電源轉換器被配置以從一輸入電壓源接作為輸入之變化性輸入電壓，且輸出一輸出電壓。該共振電源轉換器包含一變壓器、一第一開關、一第二開關、一第三開關、一第四開關、一第一共振槽、一第二共振槽及一信號處理電路。該變壓器具有一一次繞組和一二次繞組，其中該二次繞組係耦接於該共振電源轉換器的一輸出端。該第一開關包括一第一終端，其中該第一終端串聯耦接於該一次繞組。該第二開關串聯耦接於該第一開關。該第一共振槽串聯耦接於第三開關，其中該串聯耦接的該第一共振槽和該第三開關並聯耦接而跨越該第二開關。該第二共振槽串聯耦接於一第四開關，其中該串聯耦接的該第二共振槽和該第四開關並聯耦接而跨越該串聯耦接的該第一和該第二開關。該信號處理電路耦接於該輸入電壓供應源、該第一開關的該第一終端、以及該第一開關、該第二開關、該第三開關、和該第四開關之每一個。該信號處理電路被配置以感測該輸入電壓和一第一終端電壓，並依據所感測的輸入電壓和第一終端電壓，選擇性地驅動該第一開關、該第二開關、該第三開關、和該第四開關之每一個。在一些實施例中，各該第一開關、該第二開關、該第三開關、和該第四開關之每一個是電晶體開關。在一些實施例中，相當於該第一開關的該電晶體開關是一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，且該第一開關的該第一終端是該MOSFET的一汲極。在一些實施例中，該第一共振槽包括和一第一電容器串聯耦接的一第一電感器，且該第二共振槽包括和一第二電容器串聯耦接的一第二電感器。在一些實施例中，開啟該第三開關連接該第一共振槽而跨越該第二開關且該第一共振槽作用為一第一2D諧波濾波器，且關閉該第三開關切斷該第一共振槽跨越該第二開關的連接，且該第一共振槽不再作用為該第一2D諧波濾波器。在一些實施例中，開啟該第四開關連接串聯耦接的該第二共振槽和該第四開關而跨越該第一開關，而該第二共振槽作用為一第二2D諧波濾波器，且關閉該第四開關切斷串聯耦接之第二共振槽及第四開關跨越該第一開關的連接，且該第二共振槽不再作用為該第二2D諧波濾波器。
在一些實施例中，該信號處理電路被配置以感測該輸入電壓和該第一終端電壓，且若所感測的該輸入電壓小於一門檻值且所感測的該第一終端電壓大於或等於一第一終端門檻值，則該第一開關被開啟而且維持開啟，該第二開關被以一切換頻率Fsw開啟及關閉，該第三開關被關閉而且維持關閉，該第四開關被關閉而且維持關閉。在一些實施例中，若所感測的該輸入電壓小於該門檻值且所感測的該第一終端電壓小於該第一終端門檻值，則該第一開關被開啟而且維持開啟，該第二開關被以該切換頻率Fsw開啟及關閉，該第三開關被開啟而且維持開啟，及該第四開關被關閉而且維持關閉。在一些實施例中，若所感測的該輸入電壓大於或等於該門檻值且所感測的該第一終端電壓大於或等於該第一終端門檻值，則該第一開關和該第二開關都被以大於該切換頻率Fsw的一第二切換頻率開啟及關閉，該第三開關被關閉而且維持關閉，該第四開關被關閉而且維持關閉。在一些實施例中，若所感測的該輸入電壓大於或等於該門檻值且所感測的該第一終端電壓小於該第一終端門檻值，則該第一開關和該第二開關都被以該第二切換頻率開啟及關閉，該第三開關被關閉而且維持關閉，及該第四開關被開啟而且維持開啟。在一些實施例中，當該第一開關和該第二開關都被以該第二切換頻率時開啟及關閉，該第一開關和該第二開關被同步化而同時開啟和關閉。在一些實施例中，該第二切換頻率是該切換頻率Fsw的3倍。在一些實施例中，該門檻值是135Vrms，且該第一終端門檻值是所感測的該輸入電壓值的2.5倍。在一些實施例中，該切換頻率Fsw是一預設且固定值，且具有一恆定工作週期。在一些實施例中，開啟該第三開關連接該第一共振槽而跨越該第二開關，而關閉該第三開關切斷該第一共振槽跨越該第二開關的連接。在一些實施例中，開啟該第四開關連接該第二共振槽而跨越串聯連接的該第一開關和該第二開關，而關閉該第四開關切斷該第二共振槽跨越串聯連接的該第一開關和該第二開關的連接。
依據另外的觀點，一種自由運轉共振電源轉換器被配置以從一輸入電壓源接收作為輸入之變化性輸入電壓，且輸出一輸出電壓。該自由運轉共振電源轉換器包含一共振電源轉換器和一信號處理電路。該共振電源轉換器具有一主開關和多個可變賦能共振槽。該信號處理電路耦接於該共振電源轉換器，以依據該輸入電壓的一所感測值和該主開關的一第一終端的一感測值，選擇性地啟用各該多個可變賦能共振槽，以維持該自由運轉共振電源轉換器於變化的輸入線電壓值的一恆定效率。
本發明的實施例係針對一共振電源轉換器。本領域技藝人士將可以了解以下對共振電源轉換器的詳細說明只是描述的性質，並非具有任何限制之意。該共振電源轉換器的其他實施方式對讀過本文揭露之後的本領域技藝受本揭露之益人士而言將容易顯露自身。
現在進行附圖中所示的共振電源轉換器實施之詳細描述。同樣的元件標示將用於全部圖式和以下的詳細說明中，以代表相同的或類似的部件。為了達到明確的目的，並非所有在這裡所述實施方式的一般特徵都被顯示和說明。當然，可以理解在任何一種實際執行的發展中，需要作無數的執行相關的決定，以達成程研發者的特定目標，例如符合應用與商業的限制，而且從一種實施方式到另一種實施方式，以及從一種研發到另一種研發，這些特定的目標將會改變。此外，可以理解這類研發的努力可能是複雜且耗時的，然而對讀過本文揭露之後的本領域技藝人士而言，卻是在工程上的日常工作。
第1圖是依據一些實施例的一共振電源轉換器的示意性電路圖。該共振電源轉換器包含變壓器T1、電晶體開關Q1、Q2、Q3及Q4、電感器L1及L2、電容器C1及C2以及一事件產生器。變壓器T1具有一次繞組P1和二次繞組S1。二次繞組電壓經整流與濾波(例如藉由使用一二極體和一電容器)，其被提供作為一輸出電壓Vout。在一些實施例中，該共振電源轉換器被配置為返馳轉換器。可以了解該共振電源轉換器可以依據其他傳統轉換器方案而交替性的被配置。在一些實施例中，電晶體開關Q1、Q2、Q3及Q4每一個是一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。在第1圖的示例配置中，電晶體開關Q1、Q2、Q3及Q4是N型通道MOSFET。或者，可以使用其他型式的半導體電晶體。
一次繞組P1的一第一終端耦接於輸入電壓供應源Vin的正極終端。一次繞組P1的一第二終端耦接於電晶體開關Q1的汲極以及電感器L2的一第一終端。電晶體開關Q1的源極係耦接於電晶體開關Q2的汲極以及電感器L1的一第一終端。電晶體開關Q2的源極係耦接於輸入電壓供應源Vin的負極終端。電感器L1的第二終端耦接於電容器C1的一第一終端。電容器C1之第二中端耦接於電晶體開關Q3之汲極。電晶體開關Q3的源極係耦接於輸入電壓供應源Vin的負極終端。電感器L2的第二終端耦接於電容器C2的一第一終端。電容器C2的第二終端耦接於電晶體開關Q4的汲極。電晶體開關Q4的源極係耦接於輸入電壓供應源Vin的負極終端。電感器L1和電容器C1形成一第一共振槽，其作用為第二次諧波(2D諧波)濾波器。電感器L2和電容器C2形成第二共振槽，其也作用為第二次諧波濾波器。
該事件產生器係耦接於電晶體開關Q1、Q2、Q3及Q4的每一個閘極。該事件產生器也耦接於輸入電壓供應源Vin的正極終端和一次繞組P1的該第一終端，而且該事件產生器耦接於電晶體開關Q1的汲極和一次繞組P1的該第二終端。該事件產生器包括信號處理電路，其能夠感測和辨識上述的電壓，並執行產生適當驅動信號以開啟和關閉電晶體開關Q1、Q2、Q3、Q4的控制演算法。該事件產生器可包括用於儲存和執行這些控制演算法的記憶體，及/或可具有網路通訊介面和用以存取遠距儲存的能力以存取和執行必要資料及/或用來執行該些控制演算法的控制資料。該事件產生器的該信號處理電路包括用於產生電晶體開關驅動信號的驅動電路。在一些實施例中，這些驅動信號被產生以一切換頻率Fsw，或是以如下所述切換頻率Fsw的倍數驅動該些電晶體開關。該第一共振槽組件L1和C1，和該第二共振槽組件L2和C2，被諧調到切換頻率Fsw。
在操作中，輸入電壓供應源Vin是一可變電壓，比如從約90Vrms變化到265Vrms。可以理解輸入電壓供應源Vin可以在交流電壓範圍變化。該事件產生器感測輸入電壓Vin(線電壓)和電晶體開關Q1的第一終端(其在N型通道MOSFET的情況下為汲極電壓Vd)，以確定哪些電晶體開關Q1、Q2、Q3及Q4將被開啟或關閉。對於低線電壓，該事件產生器執行一第一控制運算法。對於高線電壓，該事件產生器執行一第二控制運算法。在一些實施例中，低線電壓被認為是在90Vrms到135Vrms範圍中的電壓，而高線電壓被認為是在大於135Vrms到265Vrms或更大範圍中的一電壓。可以了解的，區別點或門檻值，例如135Vrms，在低線電壓和高線電壓之間可以是不同於135Vrms之示例。如果輸入電壓Vin是一低線電壓，則該第一控制運算法被執行。在該第一控制運算法中，電晶體開關Q1被開啟且第二電晶體開關Q2被以切換頻率Fsw開啟及關閉。當輸入供應電壓Vin是該低線電壓，若電晶體開關Q1的汲極電壓Vd小於一汲極電壓門檻值，則電晶體開關Q3被開啟而電晶體開關Q4被關閉。在一些實施例中，該汲極電壓門檻值是輸入供應電壓Vin的2.5倍。可以了解的，替代的汲極電壓門檻值可以被使用。開啟電晶體開關Q3連接由電感器L1和電容器C1所形成的該第一共振槽，而關閉電晶體開關Q4切斷由電感器L2和電容器C2所形成的該第二共振槽。當輸入供應電壓Vin是該低線電壓，若電晶體開關Q1的汲極電壓Vd大於或等於該汲極電壓門檻值，則電晶體開關Q3和電晶體開關Q4都被關閉。
如果輸入電壓Vin是一高線電壓，則該第二控制運算法被執行。在該第二控制運算法中，電晶體開關Q1和Q2被以大於切換頻率Fsw的一第二切換頻率開啟及關閉，且電晶體開關Q3被關閉。在一些實施例中，該第二切換頻率是切換頻率3xFsw。在一些實施例中，該第二切換頻率是該切換頻率Fsw的整數倍。可以了解的，替代的第二切換頻率可以被使用。在一些實施例中，電晶體開關Q1和Q2被同步化而同時開啟和關閉。關閉電晶體Q3切斷由電感器L1和電容器C1所形成的該第一共振槽。當輸入供應電壓Vin是該高線電壓，若電晶體開關Q1的汲極電壓Vd小於一汲極電壓門檻值，則電晶體開關Q4被開啟而電晶體開關Q3仍關閉，並且電晶體開關Q1和Q2仍被以該第二切換頻率(例如3xFsw)切換。開啟電晶體開關Q4連接由電感器L2和電容器C2所形成的該第二共振槽。當輸入供應電壓Vin是該高線電壓，若電晶體開關Q1的汲極電壓Vd大於或等於該汲極電壓門檻值，則電晶體開關Q4被關閉而電晶體開關Q3仍關閉，並且電晶體開關Q1和Q2仍以該第二切換頻率切換。關閉電晶體開關Q4切斷由電感器L2和電容器C2所形成的該第二諧波濾波器。
本申請已經利用明確的實施例搭配細節來描述，以幫助了解該共振電源轉換器的組成與操作的原理。在不同圖式中所顯示與描述的許多元件可以被互換已達到所需的結果，且本文應也被讀到以包含這樣的互換。因此，本文提及具體實施方案和細節不只在限制所附的申請專利範圍。這將是對於本領域技術人員顯而易見的是，可以對所選擇的實施例進行修改在不脫離本申請的精神和範圍的情況下進行修飾。
C1、C2‧‧‧電容器L1、L2‧‧‧電感器P1‧‧‧一次繞組Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧電晶體開關S1‧‧‧二次繞組T1‧‧‧變壓器Vin‧‧‧輸入電壓供應源Vout‧‧‧輸出電壓
多個示範性實施例藉由下列圖式之詳細說明，其中相同性質的元件被提供以相同的元件符號。這些示範性實施例適用以介紹而非限制本發明。圖式胞或以下圖︰ 第1圖顯示依據一些實施例的共振電源轉換器的示意性電路圖。
C1、C2‧‧‧電容器
L1、L2‧‧‧電感器
P1‧‧‧一次繞組
Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧電晶體開關
S1‧‧‧二次繞組
T1‧‧‧變壓器
Vin‧‧‧輸入電壓供應源
Vout‧‧‧輸出電壓
Claims (17)
- 一種共振電源轉換器，配置以從一輸入電壓源接收作為輸入之一變化性輸入電壓，及輸出一輸出電壓，該共振電源轉換器包含：一變壓器，具有一一次繞組和一二次繞組，其中該二次繞組耦接於該共振電源轉換器的一輸出端；一第一開關，包括一第一終端，其中該第一終端串聯耦接於該一次繞組；一第二開關，串聯耦接於該第一開關；一第一共振槽，串聯耦接於一第三開關，其中該串聯耦接的第一共振槽和第三開關並聯耦接而跨越該第二開關；一第二共振槽，串聯耦接於一第四開關，其中該串聯耦接的第二共振槽和第四開關並聯耦接而跨越該串聯耦接的第一開關和第二開關；及一信號處理電路，耦接於一輸入電壓供應源、該第一開關的該第一終端、以及該第一、該第二、該第三、和該第四開關之每一個，其中該信號處理電路被配置以感測該輸入電壓和一第一終端電壓，並依據所感測的輸入電壓和第一終端電壓，選擇性地驅動該第一開關、該第二開關、該第三開關、和該第四開關之每一個。
- 如申請專利範圍第1項所述的共振電源轉換器，其中該第一開關、該第二開關、該第三開關、和該第四開關之每一個是電晶體開關。
- 如申請專利範圍第2項所述的共振電源轉換器，其中相當於該第一開關的該電晶體開關是一金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，且該第一開關的該第一終端是該MOSFET的一汲極。
- 如申請專利範圍第1項所述的共振電源轉換器，其中該第一共振槽包括和一第一電容器串聯耦接的一第一電感器，且該第二共振槽包括和一第二電容器串聯耦接的一第二電感器。
- 如申請專利範圍第1項所述的共振電源轉換器，其中開啟該第三開關連接該第一共振槽而跨越該第二開關且該第一共振槽作用為一第一2D諧波濾波器，且關閉該第三開關切斷該第一共振槽跨越該第二開關的連接，且該第一共振槽不再作用為該第一2D諧波濾波器。
- 如申請專利範圍第1項所述的共振電源轉換器，其中開啟該第四開關連接該串聯耦接的該第二共振槽和該第四開關而跨越該第一開關，而該第二共振槽作用為一第二2D諧波濾波器，且關閉該第四開關切斷該串連耦接的第二共振槽及第四開關跨越該第一開關的連接，且該第二共振槽不再作用為該第二2D諧波濾波器。
- 如申請專利範圍第1項所述的共振電源轉換器，其中該信號處理電路被配置以感測該輸入電壓和該第一終端電壓，且若該所感測的輸入電壓小於一門檻值且該所感測的第一終端電壓大於或等於一第一終端門檻值，則該第一開關被開啟而且維持開啟，該第二開關被以一切換頻率(Fsw)開啟及關閉，該第三開關被關閉而且維持關閉，且該第四開關被關閉而且維持關閉。
- 如申請專利範圍第7項所述的共振電源轉換器，其中若該所感測的輸入電壓小於該門檻值且該所感測的第一終端電壓小於該第一終端門檻值，則該第一開關被開啟而且維持開啟，該第二開關被以該切換頻率(Fsw)開啟及關閉，該第三開關被開啟而且維持開啟，且該第四開關被關閉而且維持關閉。
- 如申請專利範圍第8項所述的共振電源轉換器，其中若該所感測的輸入電壓大於或等於該門檻值且該所感測的第一終端電壓大於或等於該第一終端門檻值，則該第一開關和該第二開關被以大於該切換頻率(Fsw)的一第二切換頻率開啟及關閉，該第三開關被關閉而且維持關閉，且該第四開關被關閉而且維持關閉。
- 如申請專利範圍第9項所述的共振電源轉換器，其中若該所感測的輸入電壓大於或等於該門檻值且該所感測的該第一終端電壓小於該第一終端門檻值，則該第一開關和該第二開關被以該第二切換頻率開啟及關閉，該第三開關被關閉而且維持關閉，該第四開關被開啟而且維持開啟。
- 如申請專利範圍第10項所述的共振電源轉換器，其中當該第一開關和該第二開關被以該第二切換頻率時開啟及關閉，該第一開關和該第二開關被同步化而同時開啟和關閉。
- 如申請專利範圍第10項所述的共振電源轉換器，其中該第二切換頻率是該切換頻率(Fsw)的3倍。
- 如申請專利範圍第10項所述的共振電源轉換器，其中該門檻值是135Vrms，且該第一終端門檻值是該所感測的輸入電壓值的2.5倍。
- 如申請專利範圍第10項所述的共振電源轉換器，其中該切換頻率(Fsw)是一預定且固定值，且具有一恆定工作週期。
- 如申請專利範圍第10項所述的共振電源轉換器，其中開啟該第三開關連接該第一共振槽而跨越該第二開關，而關閉該第三開關切斷該第一共振槽跨越該第二開關的連接。
- 如申請專利範圍第10項所述的共振電源轉換器，其中開啟該第四開關連接該第二共振槽而跨越該串聯耦接的第一開關和第二開關，而關閉該第四開關切斷該第二共振槽跨越該串聯耦接的第一開關和第二開關的連接。
- 一種自由運轉共振電源轉換器，具有一不變的固定切換頻率和恆定工作週期並配置以從一輸入電壓源接收作為輸入之一變化性輸入電壓，且輸出一輸出電壓，該自由運轉共振電源轉換器包含：一共振電源轉換器，具有一主開關和多個可變賦能共振槽；以及 一信號處理電路，耦接於該共振電源轉換器以依據該輸入電壓的一所感測值和該主開關的一第一終端的一感測值，選擇性地啟用該多個可變賦能共振槽的不同者，以維持該自由運轉共振電源轉換器於變化的輸入線電壓值的一恆定效率。
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