TWM449408U - 二次側串聯諧振全橋直流／直流轉換器 - Google Patents

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TWM449408U TW101221611U TW101221611U TWM449408U TW M449408 U TWM449408 U TW M449408U TW 101221611 U TW101221611 U TW 101221611U TW 101221611 U TW101221611 U TW 101221611U TW M449408 U TWM449408 U TW M449408U
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Chien-Min Kao
Kuo-Kuang Jen
yu-min Liao
Kun-Feng Chen
Gwo-Huei You
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Chung Shan Inst Of Science
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Description

二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器
本創作係關於一種直流電壓轉換器，尤指一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器。
由於習用之電子電器設備，例如電視、音響、電腦等，其內部元件所使用的電源均為直流電，因此，提供電源時，必須透過電源供應器(或整流器)，將市電(交流電)轉換成各種不同的直流電壓，才可驅動該些電子電器設備之內部元件。
目前，電源供應器可分為線性式電源供應器與切換式電源供應器。請參閱第一圖，係習用的一種線性式電源供應器的架構圖。如第一圖所示，簡單的線性式電源供應器1’係由變壓器T’、二極體D1’、二極體D2’、電容器C’、穩壓電路R-C’、以及負載電阻RL’所構成；其中，二極體D1’與二極體D2’係構成整流器，電容器C’則提供濾波之功能。前述之線性式電源供應器1’具有電路簡單、穩定度高等優點，然而，線性式電源供應器1’所使用的變壓器T’的體積與重量過大，因此無法被直接地安裝於電路版之上；另外，轉換效率過低(約30~50%)、不可直流輸入等，也都是線性式電源供應器1’的主要缺點。
為了克服習用的線性式電源供應器1’之缺點，切換式 電源供應器(switch mode power supply,SMPS)因此被發展而出。切換式電源供應器係利用脈波寬度調變(pulse width modulation,PWM)驅動快速切換元件的切換式電源。由於此種方式的電能轉換效率較高，因此較易發展出輕薄短小的高效率電源。
雖然切換式電源供應器具有電能轉換效率高、輕薄短小等優點，然而，整體而言，切換式電源供應器仍具有下列之缺點：1.輸入端之半橋式串聯諧振轉換器僅適用於高壓輸入、低壓輸出，當其應用在低壓輸入、高壓輸出時，負載反射至變壓器一次側之反射阻抗極小，如此，當品質因數設計在較小值時，特性阻抗也會非常地小(特性阻抗=反射阻抗x品質因數)，導致諧振槽內之諧振元件不易設計；2.當二次側串聯諧振轉換器用於低壓輸入、高壓輸出時，一次側開關電流較大，因此適合操作在零電流切換區。由於切換頻率需小於諧振頻率，當輕載操作時輸出電壓無法有效地調變；以及3.習用的切換式電源供應器多屬於硬切換(Hard Switching)技術為主，因此具有較高的切換損失(Switching Loss)，而如果切換損失不能降低，則工作頻率必須被提高，導致散熱系統之體積亦必須增加，最後的結果還是無法降低電源供應器的體積。
因此，經由上述，吾人可以得知習用的線性式電源供 應器與切換式電源供應器仍無法同時解決目前電源供應器之諸多問題。有鑑於此，本案之創作人係極力地研究創作，而終於研發出一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器。
本創作之主要目的，在於提供一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，係將一串聯諧振電路連接至變壓器的二次側，其中該串聯諧振電路係由一諧振電感、一諧振電容與一負載電阻所組成；如此，藉由該串聯諧振電路之作用，可改善諧振元件因特性阻抗Zo 過小而設計不易之問題。
因此，為了達成本創作之主要目的，本案之創作人係提出一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，係應用於一切換式電源轉換器之內，以執行零電壓(zero voltage switch,ZVS)與零電流切換(zero current switch,ZCS)，該二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器係包括：一電晶體全橋單元，係由一第一金氧半場效電晶體、一第二金氧半場效電晶體、一第三金氧半場效電晶體、以及一第四金氧半場效電晶體所組成，用以耦接一輸入電壓訊號，並對該輸入電壓訊號進行全週期整流；一變壓器單元，係耦接於該電晶體全橋單元，其中，該變壓器單元之一次側線圈與二次側線圈的匝數比為1：N，其中，整流後的該輸入電壓訊號由變壓器單元之一次側傳送至變壓器單元之二次側之後，係轉換成為一二次側 電壓訊號；一諧振單元，係由一諧振電感與一諧振電容所組成，並耦接於該變壓器單元；一整流單元，係耦接於該諧振單元與該變壓器單元，以對該二次側電壓訊號進行進一步的整流；以及一輸出單元，係具有一負載電阻，並耦接於該整流單元；其中，該諧振電感、該諧振電容與該負載電阻係進一步組成一串聯諧振電路，並具有一串聯諧振頻率；並且，當電路的操作頻率等於該串聯諧振頻率時，該諧振電感的阻抗即與該諧振電容的阻抗相互抵消，使得該二次側電壓訊號能夠無損耗地傳送至該負載電阻，進而輸出。
為了能夠更清楚地描述本創作所提出之一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，以下將配合圖式，詳盡說明本創作之實施例。
請參閱第二圖與第三圖，係本創作之一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的方塊圖及其電路圖。如第二圖與第三圖所示，本創作之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器1係應用於一切換式電源轉換器之內，以執行零電壓(zero voltage switch,ZVS)與零電流切換(zero current switch,ZCS)，此二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器1係包括：一電晶體 全橋單元11、一變壓器單元12、一諧振單元13、一整流單元14、以及一輸出單元15，其中，該電晶體全橋單元11係由一第一金氧半場效電晶體(MOSFET)M1 、一第二金氧半場效電晶體(MOSFET)M2 、一第三金氧半場效電晶體(MOSFET)M3 、以及一第四金氧半場效電晶體(MOSFET)M4 所組成，用以耦接一輸入電壓訊號Vin ，並對該輸入電壓訊號執行全週期整流。
此外，如第三圖所示，該第一金氧半場效電晶體M1 、該第二金氧半場效電晶體M2 、該第三金氧半場效電晶體M3 、與該第四金氧半場效電晶體M4 內部係分別具有一第一本體二極體(body diode)DB1 、一第二本體二極體(body diode)DB2 、一第三本體二極體(body diode)DB3 、與一第四本體二極體(body diode)DB1 ；並且，該第一金氧半場效電晶體M1 、該第二金氧半場效電晶體M2 、該第三金氧半場效電晶體M3 、與該第四金氧半場效電晶體M4 內部更分別具有一第一寄生電容Cpar1 、一第二寄生電容Cpar2 、一第三寄生電容Cpar3 、與一第四寄生電容Cpar4 。
繼續地參閱第二圖與第三圖，變壓器單元12係耦接於該電晶體全橋單元11，並且，變壓器單元12之一次側線圈與二次側線圈的匝數比為1：N，其中，整流後的該輸入電壓訊號由變壓器單元12之一次側傳送至變壓器單元12之二次側之後，係轉換成為一二次側電壓訊號；因此，該 二次側電壓訊號的振幅為該直流輸入訊號的振幅的N倍。另，諧振單元13係由一諧振電感Lr 與一諧振電容Cr 所組成，並耦接於該變壓器單元12；且整流單元14係耦接於該諧振單元13與該變壓器單元12，以對該二次側電壓訊號進行進一步的整流。於本創作中，整流單元14係由一第一二極體D1 、一第二二極體D2 、一第三二極體D3 、與一第四二極體D4 所組成，該第一二極體D1 係串聯該第二二極體D2 ，該第三二極體D3 係串聯該第四二極體D4 ，且第一二極體D1 及第二二極體D2 係與該第三二極體D3 及第四二極體D4 並聯。
再者，輸出單元15係耦接於該整流單元14，且其係由一負載電阻RL 與一輸出電容Co 所組成；其中，該輸出電容Co 係與該負載電阻RL 並聯，用以過濾搭載於該二次側電壓訊號之上的非直流訊號。特別地，於本創作中，該諧振電感Lr 、該諧振電容Cr 與輸出單元15之負載電阻RL 係進一步組成一串聯諧振電路，該串聯諧振電路係具有一串聯諧振頻率fr (fr 並非元件符號，為串聯諧振頻率之數學代號)；並且，當電路的操作頻率(或稱切換頻率)fs (fs 並非元件符號，為切換頻率之數學代號)等於該串聯諧振頻率fr 時，該諧振電感Lr 的阻抗即與該諧振電容Cr 的阻抗相互抵消，使得該二次側電壓訊號能夠無損耗地傳送至該負載電阻RL ，進而輸出。
如此，上述係已清楚說明本創作之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的電路架構與組成。接著，以下將藉由各種數據資料地呈現，進一步地說明二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的技術特徵與功效。請參閱第四圖，係二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的輸出電壓頻率響應圖。如第四圖所示，當操作頻率(或稱切換平率)fs大於該諧振頻率fr時，則串聯諧振電路係呈現電感性，此時整體電路係操作於零電壓切換區間(ZVS region)；反之，當切換頻率fs小於該諧振頻率fr時，則串聯諧振電路係呈現電容性，此時整體電路係操作於零電流切換區間(ZCS region)；並且，特別地，當切換頻率fs等於該諧振頻率fr時，則同時滿足零電壓與零電流切換條件。
再者，請繼續參閱第五圖，係二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器於零電流切換區間之時序圖。如第五圖所示，當操作頻率fs小於諧振頻率fr時，此時二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器係工作於零電流切換區間，則Lr與Cr產生諧振以使得二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器適於執行低壓輸入、高壓輸出之電壓轉換。
為了證實本創作之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的可行性，以下將透過實際量測數據加以證明之。請參閱下列表(一)，為實驗所用之各項數據表：
並且，請參閱第六A圖、第六B圖與第六C圖，係二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器之示波器量測圖，其中，第六A圖之示波器量測圖係於操作頻率fs=19.61 kHz的情況下取得，第六B圖之示波器量測圖係於操作頻率fs=32.32 kHz的情況下取得，且第六C圖之示波器量測圖係於操作頻率fs=60.3 kHz的情況下取得。比較第六A圖、第六B圖與第六C圖之示波器量測圖，吾人可以輕易得知，當開關頻率操作在諧振頻率附近時，開關會同時有ZCS導通與ZCS截止。(特別說明，第三圖所標示之VGS1 、VGS2 、VGS3 、VGS4 、VDS1 、VDS2 、VDS3 、VDS4 、Io 、ILr 、以及Vo 為配合第六A圖、第六B圖與第六C圖所需之電路使用符號，並非元件符號；另，第四圖所標示之Q為品質因數，也非元件符號)
另，第六A圖、第六B圖與第六C圖之示波器量測圖， 其相關量測數據係整理於下表(二)之中。
如此，由上述表(二)所呈現的相關量測數據，可明顯發現，當本創作之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器被操作於ZCS區間，則其輸出電壓變化率在±0.2%內。
如此，上述之說明已完整且清楚地揭露本創作之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的所有實施例，經由上述，可得知本創作係具有下列之優點：
1.本創作之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器可改善諧振元件因特性阻抗Zo 過小而設計不易之問題；且由測試數據可知，當電路操作於ZCS區間，則輸出電壓變化率在±0.2%以內。
2.此外，由測試數據可知，本創作之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，其轉換效率η係高於85%。
於此，必須強調的是，上述之詳細說明係針對本創作可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本創作之專利範圍，凡未脫離本創作技藝精神所為之等效實施或 變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1’‧‧‧線性式電源供應器
T’‧‧‧變壓器
D1’‧‧‧二極體
D2’‧‧‧二極體
C’‧‧‧電容器
R-C’‧‧‧穩壓電路
RL ’‧‧‧負載電阻
1‧‧‧二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器
11‧‧‧電晶體全橋單元
12‧‧‧變壓器單元
13‧‧‧諧振單元
14‧‧‧整流單元
15‧‧‧輸出單元
M1 ‧‧‧第一金氧半場效電晶體
M2 ‧‧‧第二金氧半場效電晶體
M3 ‧‧‧第三金氧半場效電晶體
M4 ‧‧‧第四金氧半場效電晶體
Vin ‧‧‧輸出電壓
DB1 ‧‧‧第一本體二極體
DB2 ‧‧‧第二本體二極體
DB3 ‧‧‧第三本體二極體
DB4 ‧‧‧第四本體二極體
Cpar1 ‧‧‧第一寄生電容
Cpar2 ‧‧‧第二寄生電容
Cpar3 ‧‧‧第三寄生電容
Cpar4 ‧‧‧第四寄生電容
Lr ‧‧‧諧振電感
Cr ‧‧‧諧振電容
D1 ‧‧‧第一二極體
D2 ‧‧‧第二二極體
D3 ‧‧‧第三二極體
D4 ‧‧‧第四二極體
RL ‧‧‧負載電阻
Co ‧‧‧輸出電容
第一圖係習用的一種線性式電源供應器的架構圖；第二圖係本創作之一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的方塊圖；第三圖係二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的電路圖；第四圖係二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器的輸出電壓頻率響應圖；第五圖係二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器於零電流切換區間之時序圖；第六A圖、第六B圖與第六C圖係二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器之示波器量測圖。
1‧‧‧二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器
11‧‧‧電晶體全橋單元
12‧‧‧變壓器單元
13‧‧‧諧振單元
14‧‧‧整流單元
15‧‧‧輸出單元
M1 ‧‧‧第一金氧半場效電晶體
M2 ‧‧‧第二金氧半場效電晶體
M3 ‧‧‧第三金氧半場效電晶體
M4 ‧‧‧第四金氧半場效電晶體
DB1 ‧‧‧第一本體二極體
DB2 ‧‧‧第二本體二極體
DB3 ‧‧‧第三本體二極體
DB4 ‧‧‧第四本體二極體
Cpar1 ‧‧‧第一寄生電容
Cpar2 ‧‧‧第二寄生電容
Cpar3 ‧‧‧第三寄生電容
Cpar4 ‧‧‧第四寄生電容
Lr ‧‧‧諧振電感
Cr ‧‧‧諧振電容
D1 ‧‧‧第一二極體
D2 ‧‧‧第二二極體
D3 ‧‧‧第三二極體
D4 ‧‧‧第四二極體
RL ‧‧‧負載電阻
Co ‧‧‧輸出電容
Vin ‧‧‧輸出電壓

Claims (5)

  1. 一種二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，係應用於一切換式電源轉換器之內，以執行零電壓(zero voltage switch,ZVS)與零電流切換(zero current switch,ZCS)，該二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器係包括：一電晶體全橋單元，係由一第一金氧半場效電晶體(MOSFET)、一第二金氧半場效電晶體(MOSFET)、一第三金氧半場效電晶體(MOSFET)、以及一第四金氧半場效電晶體(MOSFET)所組成，用以耦接一輸入電壓訊號，並對該輸入電壓訊號進行全週期整流；一變壓器單元，係耦接於該電晶體全橋單元，其中，該變壓器單元之一次側線圈與二次側線圈的匝數比為1：N，其中，整流後的該輸入電壓訊號由變壓器單元之一次側傳送至變壓器單元之二次側之後，係轉換成為一二次側電壓訊號；一諧振單元，係由一諧振電感與一諧振電容所組成，並耦接於該變壓器單元；一整流單元，係耦接於該諧振單元與該變壓器單元，以對該二次側電壓訊號進行進一步的整流；以及一輸出單元，係具有一負載電阻，並耦接於該整流單元；其中，該諧振電感、該諧振電容與該負載電阻係進一步組成一串聯諧振電路，並具有一串聯諧振頻率；並 且，當電路的操作頻率等於該串聯諧振頻率時，該諧振電感的阻抗即與該諧振電容的阻抗相互抵消，使得該二次側電壓訊號能夠無損耗地傳送至該負載電阻，進而輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，其中，該第一金氧半場效電晶體、該第二金氧半場效電晶體、該第三金氧半場效電晶體、與該第四金氧半場效電晶體內部係分別具有一第一本體二極體、一第二本體二極體、一第三本體二極體、與一第四本體二極體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，其中，該第一金氧半場效電晶體、該第二金氧半場效電晶體、該第三金氧半場效電晶體、與該第四金氧半場效電晶體內部更分別具有一第一寄生電容、一第二寄生電容、一第三寄生電容、與一第四寄生電容。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，其中，該整流單元係由一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、與一第四二極體所組成，該第一二極體係串聯該第二二極體，該第三二極體係串聯該第四二極體，且第一二極體及第二二極體係與該第三二極體及第四二極體並聯。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之二次側串聯諧振全橋直流/直流轉換器，其中，該輸出單元更包括一輸出電容，係與該負載電阻並聯，用以過濾搭載於該二次側電壓訊號之上的非直流訊號。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI659597B (zh) * 2018-06-01 2019-05-11 I-Shou University 電源供應裝置
TWI683513B (zh) * 2018-11-19 2020-01-21 賴炎生 電源轉換器及其控制方法
US10608527B2 (en) 2018-06-01 2020-03-31 I-Shou University Power supply apparatus
CN113489334A (zh) * 2021-07-09 2021-10-08 北方工业大学 基于二次侧有源回路的高压直流变换器及其控制方法

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