TWM622867U

TWM622867U - 功率轉換器

Info

Publication number: TWM622867U
Application number: TW110210106U
Authority: TW
Inventors: 陳明宏
Original assignee: 友尚股份有限公司
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2022-02-01
Also published as: TW202243380A; TWI802976B

Abstract

本新型創作提供一種功率轉換器。功率轉換器包括LLC轉換器、回授電路、第一驅動電路以及第二驅動電路。LLC轉換器包括第一橋臂電晶體組以及第二橋臂電晶體組。回授電路提供對應於LLC轉換器的電流值的回授訊號。第一驅動電路反應於回授訊號來驅動第一橋臂電晶體組並提供控制訊號。第二驅動電路反應於控制訊號來驅動第二橋臂電晶體組。

Description

功率轉換器

本新型創作是有關於一種電源轉換領域，且特別是有關於一種功率轉換器。

現有的半橋式LLC轉換器可以利用單一驅動器來進行操作。半橋式LLC轉換器不適用於大功率應用。因此，在大功率應用下，須將現有的半橋式LLC轉換器增加另一橋臂電晶體組來實現全橋式LLC轉換器。在半橋式LLC轉換器加上另一橋臂電晶體組的架構中，上述的驅動器並無法驅動新增的橋臂電晶體組。因此，在現有的作法中，會將驅動器移除並加入微控制器（Micro-controller Unit，MCU）。

然而，這樣的作法需要對微控制器進行修改，例如是基於兩組橋臂電晶體組進行韌體撰寫。因此，將半橋式LLC轉換器修改為全橋式LLC轉換器的成本會因為原驅動器的拆卸、微控制器的加入以及韌體改寫而大幅增加。

本新型創作提供一種功率轉換器，能夠使將半橋式功率轉換器修改為全橋式功率轉換器的成本降低。

本新型創作的功率轉換器包括LLC轉換器、回授電路、第一驅動電路以及第二驅動電路。LLC轉換器包括第一橋臂電晶體組以及第二橋臂電晶體組。回授電路提供對應於LLC轉換器的電流值的回授訊號。第一驅動電路耦接於回授電路以及第一橋臂電晶體組。第一驅動電路反應於回授訊號來驅動第一橋臂電晶體組並提供控制訊號。第二驅動電路耦接於第一驅動電路以及第二橋臂電晶體組。第二驅動電路反應於控制訊號來驅動第二橋臂電晶體組。

在本新型創作的一實施例中，LLC轉換器包括諧振電路。諧振電路耦接於第一橋臂電晶體組的第一節點與第二橋臂電晶體組的第二節點之間。

在本新型創作的一實施例中，回授電路與諧振電路進行感應耦合以產生對應於諧振電路的電流值的回授訊號，並對回授訊號的相位進行補償。

在本新型創作的一實施例中，回授電路包括第一回授繞阻、第二回授繞阻、回授電阻器以及回授電容器。第一回授繞阻耦接於所述諧振電路。第二回授繞阻耦接於第一驅動電路與參考低電壓之間。第二回授繞阻與第一回授繞阻進行感應以產生對應於諧振電路的電流值的電流訊號。回授電阻器並聯於第二回授繞阻。回授電阻器將電流訊號轉換為感測電壓訊號。回授電容器耦接於第二回授繞阻與參考低電壓之間。回授電容器將感測電壓訊號的相位進行補償以產生回授訊號。

在本新型創作的一實施例中，回授訊號的相位落後於感測電壓訊號的相位。回授訊號的相位與位於諧振電路的電流相位大致相同。

在本新型創作的一實施例中，功率轉換器還包括耦合電路。耦合電路耦接於第一驅動電路與第二驅動電路之間。耦合電路採感應耦合方式將控制訊號自第一驅動電路傳輸到第二驅動電路。

在本新型創作的一實施例中，第一橋臂電晶體組包括第一電晶體以及第二電晶體。第二電晶體與第一電晶體連接於第一節點，並與第一電晶體串聯連接於LLC轉換器的輸入端與參考低電壓之間。第二橋臂電晶體組包括第三電晶體以及第四電晶體。第四電晶體與第三電晶體連接於第二節點，並與第三電晶體串聯連接於LLC轉換器的輸入端與參考低電壓之間。第二驅動電路基於控制訊號驅動第三電晶體以及第四電晶體。

在本新型創作的一實施例中，耦合電路包括第一回路以及第二回路。第一回路耦接於第一電晶體的控制端與第一節點之間。第二回路耦接於第二驅動電路與參考低電壓之間。第一回路與第二回路彼此被隔離。

在本新型創作的一實施例中，第一回路包括第一耦合繞阻以及第一電容器。第一電容器與第一耦合繞阻串聯耦接於第一電晶體的控制端與第一節點之間。第一電容器對控制訊號的相位進行補償。

在本新型創作的一實施例中，第二回路包括第二耦合繞阻、第二電容器以及二極體。第二耦合繞阻與第一耦合繞阻進行感應耦合以接收控制訊號。第二電容器與第二耦合繞阻串聯耦接於第二驅動電路與參考低電壓之間。第二電容器對控制訊號的相位進行補償。二極體的陰極耦接於第二驅動電路。二極體的陽極耦接於參考低電壓。

基於上述，回授電路提供對應於LLC轉換器的回授訊號。第一驅動電路反應於回授訊號來驅動第一橋臂電晶體組，並且提供控制訊號。第二驅動電路反應於控制訊號來驅動第二橋臂電晶體組。換言之，第一驅動電路驅動第一橋臂電晶體組，並且第二驅動電路反應於第一驅動電路的驅動來驅動第二橋臂電晶體組。因此，在增加第二橋臂電晶體組的情況下，功率轉換器可由第一驅動電路以及新增的第二驅動電路的協同操作來驅動LLC轉換器。如此一來，相較於現行技術，將半橋式LLC轉換器修改為全橋式LLC轉換器的成本能夠被降低。

為讓本新型創作的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本新型創作的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本新型創作的一部份，並未揭示所有本新型創作的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本新型創作的專利申請範圍中的範例。

請參考圖1，圖1是依據本新型創作第一實施例所繪示的功率轉換器的示意圖。在本實施例中，功率轉換器100包括LLC轉換器110、回授電路120、第一驅動電路130以及第二驅動電路140。LLC轉換器110包括第一橋臂電晶體組GP1以及第二橋臂電晶體組GP2。回授電路120提供對應於LLC轉換器的電流值的回授訊號FB。舉例來說，第一橋臂電晶體組GP1包括電晶體Q1、Q2。電晶體Q1與電晶體Q2連接於第一節點N1。電晶體Q1、Q2串聯連接於LLC轉換器的輸入端與參考低電壓（例如是接地端）之間。第二橋臂電晶體組GP2包括電晶體Q3、Q4。電晶體Q3、Q4連接於第二節點N2。電晶體Q3、Q4串聯連接於LLC轉換器的輸入端與參考低電壓之間。LLC轉換器110還包括諧振電路RT。諧振電路RT被設置於第一節點N1與第二節點N2之間。回授電路120會感應位於諧振電路RT的電流值，並依據位於諧振電路RT的電流值提供對應於所述電流值的回授訊號FB。在一些實施例中，諧振電路RT可以與LLC轉換器110的一次側線圈串聯耦接於第一節點N1與第二節點N2之間。在一些實施例中，諧振電路RT耦接於第一節點N1與第二節點N2之間，並且諧振電路RT中的一電感器與LLC轉換器110的一次側線圈並聯耦接。本新型創作並不以諧振電路RT與一次側線圈的配置方式為限。

在本實施例中，第一驅動電路130耦接於回授電路FB以及第一橋臂電晶體組GP1。第一驅動電路130接收回授訊號FB，並反應於回授訊號FB來驅動第一橋臂電晶體組GP1。也就是說，第一驅動電路130反應於LLC轉換器的運行來驅動第一橋臂電晶體組GP1。此外，第一驅動電路130還提供控制訊號SC。在本實施例中，控制訊號SC會關聯於第一驅動電路130對第一橋臂電晶體組GP1進行驅動的狀態。在本實施例中，第一驅動電路130例如是以單一個半橋控制器來實現。舉例來說，第一驅動電路130可以是NCP13992、L6599等半橋控制器。

在此順帶一提，功率轉換器100可利用第一驅動電路130與回授電路120能夠形成封閉回路驅動架構，從而穩定第一驅動電路130的運行。

在本實施例中，第二驅動電路140耦接於第一驅動電路130以及第二橋臂電晶體組GP2。第二驅動電路140接收來自於第一驅動電路130的控制訊號SC。第二驅動電路140反應於控制訊號SC來驅動第二橋臂電晶體組GP2。第二驅動電路140例如是以單一個半橋驅動器來實現。舉例來說，第二驅動電路140可以是NCP5106A、NCP5304等半橋驅動器。

在本實施例中，第二驅動電路140反應於第一驅動電路130的控制訊號SC來驅動第二橋臂電晶體組GP2。因此，在增加第二橋臂電晶體組的情況下，功率轉換器100可由第一驅動電路以及新增的第二驅動電路140的協同操作來驅動LLC轉換器。在將LLC轉換器110的半橋式架構修改為全橋式架構時，本實施例僅僅須要增加回授電路120以及第二驅動電路140即可。本實施例並不需要利用微控制器取代第一驅動電路130。如此一來，相較於現行技術，將半橋式LLC轉換器修改為全橋式LLC轉換器的成本能夠被降低。

在本實施例中，LLC轉換器的二次側電路可以是非同步整流電路。在一些實施例中，LLC轉換器的二次側電路可以是同步整流電路。本新型創作並不以LLC轉換器110的二次側電路架構為限。

請參考圖2，圖2是依據本新型創作第二實施例所繪示的功率轉換器的示意圖。在本實施例中，功率轉換器200包括LLC轉換器210、回授電路220、第一驅動電路230、第二驅動電路240以及耦合電路250。LLC轉換器210、回授電路220以及第一驅動電路230之間的協同操作可以在第一實施例獲得足夠的教示，因此恕不在此重述。耦合電路250耦接於第一驅動電路230與第二驅動電路240之間。耦合電路250採感應耦合方式將控制訊號SC自第一驅動電路230傳輸到第二驅動電路240。

進一步來說明，請參考圖3，圖3是依據本新型創作第三實施例所繪示的功率轉換器的示意圖。在本實施例中，功率轉換器300包括LLC轉換器310、回授電路320、第一驅動電路330、第二驅動電路340以及耦合電路350。LLC轉換器310包括第一橋臂電晶體組GP1、第二橋臂電晶體組GP2、諧振電路RT以及二次側電路。第一橋臂電晶體組GP1以及第二橋臂電晶體組GP2分別與輸入電容器C1並聯。第一橋臂電晶體組GP1包括電晶體Q1、Q2。電晶體Q1與電晶體Q2連接於第一節點N1。電晶體Q1、Q2串聯連接於LLC轉換器310的輸入端與參考低電壓之間。LLC轉換器310的輸入端用以接收輸入電壓Vin。第二橋臂電晶體組GP2包括電晶體Q3、Q4。電晶體Q3、Q4連接於第二節點N2。電晶體Q3、Q4串聯連接於LLC轉換器的輸入端與參考低電壓之間。諧振電路RT耦接於第一節點N1與第二節點N2之間。

以本實施例為例，諧振電路RT耦接於第一節點N1與第二節點N2之間。回授電路320包括第一回授繞阻L1、第二回授繞阻L3、回授電阻器R1以及回授電容器C3。第一回授繞阻L1與諧振電路RT串聯耦接於第一節點N1與第二節點N2之間。諧振電路RT包括電感器L2、一次側線圈CL1以及電容器C2。第一回授繞阻L1、電感器L2、電容器C2與一次側線圈CL1串聯耦接。在一些實施例中，第一回授繞阻L1、電感器L2、電容器C2以及一次側線圈CL1的串聯順序可以依實際的需求而變更。在一些實施例中，電感器L2可以被設計與一次側線圈CL1並聯連接。本新型創作並不以本實施例的諧振電路RT以及一次側線圈CL1的耦接方式為限。

在本實施例中，第一驅動電路330至少包括腳位MU、HB、ML、CS。腳位MU耦接於電晶體Q1的控制端。第一驅動電路330會透過腳位MU驅動電晶體Q1。腳位ML耦接於電晶體Q2的控制端。第一驅動電路330會透過腳位ML驅動電晶體Q2。腳位HB耦接至第一節點N1。第一驅動電路330會透過腳位CS接收回授訊號FB。在本實施例中，回授電路320與諧振電路RT進行感應耦合以產生對應於諧振電路RT的電流值的回授訊號FB。此外，回授電路320還對回授訊號FB的相位進行補償。

在本實施例中，回授電容器C3耦接於第一驅動電路330（即，腳位CS）與參考低電壓之間。第二回授繞阻L3與第一回授繞阻L1進行感應以產生對應於諧振電路RT的電流值的電流訊號。以本實施例為例，第二回授繞阻L3會與第一回授繞阻L1進行感應耦合。也就是說，第二回授繞阻L3產生對應於流經第一回授繞阻L1的電流值的電流訊號。回授電阻器R1並聯於第二回授繞阻L3。回授電阻器R1將電流訊號轉換為感測電壓訊號VS。回授電容器C3耦接於第一驅動電路330（即，腳位CS）與參考低電壓之間。回授電容器C3將感測電壓訊號VS的相位進行補償以產生回授訊號FB。在本實施例中，基於感應耦合，感測電壓訊號VS的相位會與諧振電路RT的電流相位大致相同。應注意的是，感測電壓訊號VS的相位使得以半橋驅動方式為主的第一驅動電路330形成誤操作。因此，回授電容器C3會將感測電壓訊號VS的相位進行補償以產生回授訊號FB，從而使回授訊號FB的相位落後諧振電路RT的電流相位。因此，第一驅動電路330的操作得以正常。在本實施例中，第一回授繞阻L1以及第二回授繞阻L3可以是比流器（Current Transformer，CT）的一部分。

在本實施例中，回授電路320還可以包括電阻器R2。電阻器R2耦接於回授電阻器R1的第一端與回授電容器C3的第一端之間。回授電阻器R1的第二端以及回授電容器C3的第二端耦接於參考低電壓。因此，回授電阻器R1、電阻器R2以及回授電容器C3共同形成電阻-電容網路。在一些實施例中，電阻-電容網路不限於僅有回授電阻器R1、電阻器R2以及回授電容器C3。

在本實施例中，第二驅動電路340至少包括腳位IN_HI、D_HI、IN_LO、D_LO、BRI。腳位IN_HI耦接至腳位ML。腳位D_HI耦接於電晶體Q3的控制端。基於腳位IN_HI所接收到的訊號，第二驅動電路340會透過腳位D_HI驅動電晶體Q3。因此，電晶體Q2、Q3大致上會同時被導通或同時被斷開。第二驅動電路340會透過腳位IN_LO接收控制訊號SC。腳位D_LO耦接於電晶體Q4的控制端。基於控制訊號SC，第二驅動電路340會透過腳位D_LO驅動第一橋臂電晶體組GP1（即，電晶體Q3、Q4）。此外，腳位BRI耦接至第二節點N2。

在本實施例中，耦合電路350包括第一回路351以及第二回路352。第一回路耦接於電晶體Q1的控制端與第一節點N1之間。第二回路352耦接於第二驅動電路340與參考低電壓之間。進一步來說，第一回路351可以被視為耦接於腳位MU與腳位HB之間。第二回路352可以被視為耦接於腳位IN_LO與參考低電壓之間。應注意的是，第一回路351與第二回路352彼此被隔離。第一驅動電路330的參考點（或稱common點）與第二驅動電路340的參考點可能會不同。第一回路351與第二回路352之間的隔離可避免第二驅動電路340發生異常或誤操作。在本實施例中，耦合電路350有助於LLC轉換器310在全橋式架構的情況下實現零電壓切換（Zero Voltage Switching，ZVS）。

在本實施例中，第一回路351包括第一耦合繞阻L4以及電容器C4。電容器C4與第一耦合繞阻L4串聯耦接於電晶體Q1的控制端與第一節點N1之間。電容器C4對控制訊號SC的相位進行補償。由此可知，控制訊號SC與用以驅動電晶體Q1的訊號相關聯。

在本實施例中，第一回路351還包括電阻器R3。電阻器R3、電容器C4與第一耦合繞阻L4串聯耦接於電晶體Q1的控制端與第一節點N1之間。電阻器R3、電容器C4與第一耦合繞阻L4的串聯順序可以依實際的需求而變更。本新型創作並不以本實施例的第一回路351的串聯順序為限。

在本實施例中，第二回路352包括第二耦合繞阻L5、電容器C5以及二極體Z1。第二耦合繞阻L5與第一耦合繞阻L4進行感應耦合以接收控制訊號SC。電容器C5與第二耦合繞阻L5串聯耦接於第二驅動電路340與參考低電壓之間。電容器C5對控制訊號SC的相位進行補償。二極體Z1的陰極耦接於第二驅動電路340（即，腳位IN_LO）。二極體Z1的陽極耦接於參考低電壓。在本實施例中，二極體Z1用以限制控制訊號SC的電壓值。在本實施例中，二極體Z1可以是由稽納二極體（Zener diode）來實現。在本實施例中，第一耦合繞阻L4以及第二耦合繞阻L5可以是比壓器（Potential Transformer，PT）的一部分。

在本實施例中，二次側電路用以提供輸出電壓Vout。以本實施例為例，二次側電路包括二次側線圈CL2、CL3、二極體D1、D2以及輸出電容器C6。二次側線圈CL2的第一端連接於二次側線圈CL3的第一端。二次側線圈CL2的第二端耦接於二極體D1的陽極。二次側線圈CL3的第二端耦接於二極體D2的陽極。二極體D1的陰極耦接於二極體D2的陰極。此外，輸出電容器C6耦接於二次側線圈CL2的第一端與二極體D1的陰極之間。

綜上所述，功率轉換器包括LLC轉換器、回授電路、第一驅動電路以及第二驅動電路。回授電路提供對應於LLC轉換器的回授訊號。第一驅動電路反應於回授訊號來驅動第一橋臂電晶體組，並且提供控制訊號。第二驅動電路反應於控制訊號來驅動第二橋臂電晶體組。因此，在增加第二橋臂電晶體組的情況下，功率轉換器可由第一驅動電路以及新增的第二驅動電路的協同操作來驅動LLC轉換器。如此一來，相較於現行技術，將半橋式LLC轉換器修改為全橋式LLC轉換器的成本能夠被降低。此外，在一些實施例中，功率轉換器還包括耦合電路。耦合電路包括第一回路以及第二回路。第一回路耦接於第一電晶體的控制端與第一節點之間。第二回路耦接於第二驅動電路與參考低電壓之間。第一回路與第二回路彼此被隔離，從而避免第二驅動電路發生異常或誤操作。

雖然本新型創作已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型創作，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本新型創作的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本新型創作的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300:功率轉換器 110、210、310:LLC轉換器 120、220、320:回授電路 130、230、330:第一驅動電路 140、240、340:第二驅動電路 250、350:耦合電路 351:第一回路 352:第二回路 BRI、D_HI、D_LO、IN_HI、IN_LO:第二驅動電路的腳位 C1:輸入電容器 C2、C4、C5:電容器 C3:回授電容器 C6:輸出電容器 CL1:一次側線圈 CL2、CL3:二次側線圈 CS、HB、ML、MU:第一驅動電路的腳位 D1、D2、Z1:二極體 FB:回授訊號 GP1:第一橋臂電晶體組 GP2:第二橋臂電晶體組 L1:第一回授繞阻 L2:電感器 L3:第二回授繞阻 L4:第一耦合繞阻 L5:第二耦合繞阻 N1:第一節點 N2:第二節點 Q1、Q2、Q3、Q4:電晶體 R1:回授電阻器 R2、R3:電阻器 RT:諧振電路 SC:控制訊號 Vin:輸入電壓 Vout:輸出電壓 VS:感測電壓訊號

圖1是依據本新型創作第一實施例所繪示的功率轉換器的示意圖。圖2是依據本新型創作第二實施例所繪示的功率轉換器的示意圖。圖3是依據本新型創作第三實施例所繪示的功率轉換器的示意圖。

100:功率轉換器

110:LLC轉換器

120:回授電路

130:第一驅動電路

140:第二驅動電路

FB:回授訊號

GP1:第一橋臂電晶體組

GP2:第二橋臂電晶體組

N1:第一節點

N2:第二節點

Q1、Q2、Q3、Q4:電晶體

RT:諧振電路

SC:控制訊號

Claims

一種功率轉換器，包括： LLC轉換器，包括第一橋臂電晶體組以及第二橋臂電晶體組；回授電路，經配置以提供對應於所述LLC轉換器的電流值的回授訊號；第一驅動電路，耦接於所述回授電路以及所述第一橋臂電晶體組，經配置以反應於所述回授訊號來驅動所述第一橋臂電晶體組並提供控制訊號；以及第二驅動電路，耦接於所述第一驅動電路以及所述第二橋臂電晶體組，經配置以反應於所述控制訊號來驅動所述第二橋臂電晶體組。
如請求項1所述的功率轉換器，其中所述LLC轉換器包括：諧振電路，耦接於所述第一橋臂電晶體組的第一節點與所述第二橋臂電晶體組的第二節點之間。
如請求項2所述的功率轉換器，其中所述回授電路與所述諧振電路進行感應耦合以產生對應於所述諧振電路的電流值的所述回授訊號，並對所述回授訊號的相位進行補償。
如請求項2所述的功率轉換器，其中所述回授電路包括：第一回授繞阻，耦接於所述諧振電路；第二回授繞阻，耦接於所述第一驅動電路與參考低電壓之間，並且與所述第一回授繞阻進行感應以產生對應於所述諧振電路的電流值的電流訊號；回授電阻器，並聯於所述第二回授繞阻，並且將所述電流訊號轉換為感測電壓訊號；以及回授電容器，耦接於所述第二回授繞阻與參考低電壓之間，將所述感測電壓訊號的相位進行補償以產生所述回授訊號。
如請求項4所述的功率轉換器，其中：所述回授訊號的相位大致相同於所述感測電壓訊號的相位，並且所述回授訊號的相位落後於所述諧振電路的電流相位。
如請求項2所述的功率轉換器，還包括：耦合電路，耦接於所述第一驅動電路與所述第二驅動電路之間，經配置以採感應耦合方式將所述控制訊號自所述第一驅動電路傳輸到所述第二驅動電路。
如請求項6所述的功率轉換器，其中：所述第一橋臂電晶體組包括：第一電晶體；以及第二電晶體，與所述第一電晶體連接於所述第一節點，並與所述第一電晶體串聯連接於所述LLC轉換器的輸入端與參考低電壓之間，並且所述第二橋臂電晶體組包括：第三電晶體；以及第四電晶體，與所述第三電晶體連接於所述第二節點，並與所述第三電晶體串聯連接於所述LLC轉換器的輸入端與所述參考低電壓之間，所述第二驅動電路基於所述控制訊號驅動所述第三電晶體及第四電晶體。
如請求項7所述的功率轉換器，其中所述耦合電路包括：第一回路，耦接於所述第一電晶體的控制端與所述第一節點之間；以及第二回路，耦接於所述第二驅動電路與所述參考低電壓之間，其中所述第一回路與所述第二回路彼此被隔離。
如請求項8所述的功率轉換器，其中所述第一回路包括：第一耦合繞阻；以及第一電容器，與所述第一耦合繞阻串聯耦接於所述第一電晶體的控制端與所述第一節點之間，經配置以對所述控制訊號的相位進行補償。
如請求項9所述的功率轉換器，其中所述第二回路包括：第二耦合繞阻，與所述第一耦合繞阻進行感應耦合以接收所述控制訊號；第二電容器，與所述第二耦合繞阻串聯耦接於所述第二驅動電路與所述參考低電壓之間，經配置以對所述控制訊號的相位進行補償；以及二極體，所述二極體的陰極耦接於所述第二驅動電路，所述二極體的陽極耦接於所述參考低電壓。