CN103795251A - 功率变换器及其控制方法 - Google Patents

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CN103795251A CN201210421131.8A CN201210421131A CN103795251A CN 103795251 A CN103795251 A CN 103795251A CN 201210421131 A CN201210421131 A CN 201210421131A CN 103795251 A CN103795251 A CN 103795251A
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Abstract

本发明揭露一种功率变换器及其控制方法。功率变换器包含全桥变换器电路及调节电路。全桥变换器电路包含全桥电路，其中全桥电路具有第一输入端及第二输入端，并具有第一输出端及第二输出端。调节电路桥接于全桥电路的第一输入端及第二输入端，并连接于全桥电路的第一输出端，其中调节电路用以透过与全桥变换器电路相互操作而操作性地调节横跨于全桥电路的第一输出端及第二输出端间的输出电压，使得横跨于全桥电路的第一输出端及第二输出端间的输出电压具有多个电压准位。

Description

功率变换器及其控制方法
技术领域
本发明内容是有关于一种功率变换器，且特别是有关于一种功率变换器的电压调节。
背景技术
由于目前能源需求显著地增加，诸如风力发电、燃料电池、太阳能电池（即伏打电池PV）…等可再生能源（renewable energy）的产生，就变得愈来愈受到注意。在此类应用中，通常需要具有高效率、高功率密度、高可靠度及低成本的功率变换，特别是对于大范围的能源应用。
一般而言，前述功率变换应用会使用具有高效率的功率变换器（powerconverter），且功率变换器通常于特定情形下以高开关频率进行操作。此外，功率变换器中的开关元件会进行软式开关（soft switching），因此功率变换器的高可靠度亦可达成。谐振变换器（例如：电感–电感–电容(LLC)变换器）即是广泛应用的功率变换器其中一者。
然而，对LLC变换器来说，在功率变换器操作于频率调变的情形下，当需要对输入功率变换器的大范围输入电压进行电压调节时，即需要大范围的开关频率，而其会导致功率变换器中存在复杂及困难的电路设计，且大范围的开关频率亦难以保证有高变换效率。换言之，若是开关频率的范围没有进一步扩展的话，则对输入功率变换器的大范围输入电压进行的电压调节便无法达成。
发明内容
本发明内容是关于一种功率变换器及其控制方法，借此改善大范围的输入电压输入功率变换器后所进行的电压调节。
本发明内容的一方面是关于一种功率变换器，其包含一桥式电路、一开关模块、一隔离级以及一输出级。桥式电路具有一第一输入端及一第二输入端，并具有一第一输出端及一第二输出端。桥式电路还包含一第一桥臂、一第二桥臂以及一第三桥臂。第一桥臂包含两电容器单元，其中两电容器单元串联于桥式电路的第一输入端及第二输入端间的中间点。第二桥臂包含一第一开关元件及一第二开关元件，其中第一开关元件及第二开关元件串联于桥式电路的第一输出端。第三桥臂包含一第三开关元件及一第四开关元件，其中第三开关元件及第四开关元件串联于桥式电路的第二输出端。
其次，开关模块连接于桥式电路的中间点和第一输出端之间。隔离级具有一第一输入端及一第二输入端，并具有一第一输出端及一第二输出端，其中隔离级的第一输入端连接于桥式电路的第一输出端，隔离级的第二输入端连接于桥式电路的第二输出端。输出级具有一第一输入端及一第二输入端，其中输出级的第一输入端连接于隔离级的第一输出端，输出级的第二输入端连接于隔离级的第二输出端。
在本发明一实施例中，开关模块还包含一第五开关元件及一第六开关元件，第五开关元件及第六开关元件逆串联于桥式电路的中间点和第一输出端之间。
在本发明另一实施例中，功率变换器还包含一控制电路，其用以控制第一至第六开关元件，其中第一开关元件与第六开关元件互补地开启，第二开关元件与第五开关元件互补地开启，第三开关元件与第四开关元件互补地开启。
在本发明又一实施例中，第一开关元件的工作周期小于第六开关元件的工作周期，第二开关元件的工作周期小于第五开关元件的工作周期，第三开关元件的工作周期等于第四开关元件的工作周期。
在本发明次一实施例中，桥式电路用以产生一多准位电压横跨于桥式电路的第一输出端及第二输出端，此多准位电压具有三个以上的电压准位。
在本发明再一实施例中，桥式电路具有一增益，此增益相关于一第一增益及一第二增益，其中第一增益是于桥式电路作为一半桥电路操作时所取得，第二增益是于桥式电路作为一全桥电路操作时所取得。
在本发明又另一实施例中，功率变换器还包含一谐振槽，谐振槽包含一电容器单元以及一电感单元，其中电容器单元以及电感单元串联于桥式电路的第一输出端和隔离级中间。
在本发明再另一实施例中，功率变换器还包含一谐振槽，谐振槽包含一电容器单元、一第一电感单元以及一第二电感单元，其中电容器单元、第一电感单元以及第二电感单元串联于桥式电路的第一输出端和第二输出端中间。
本发明内容的另一方面是关于一种功率变换器的控制方法，功率变换器包含一桥式电路、一开关模块、一隔离级以及一输出级，其中桥式电路具有一第一及一第二输入端并具有一第一及一第二输出端，隔离级连接于桥式电路，输出级连接于隔离级，其中桥式电路还包含两电容器单元、一第一及一第二开关元件以及一第三及一第四开关元件，两电容器单元串联于桥式电路中第一及第二输入端间的中间点，第一及第二开关元件串联于桥式电路的第一输出端，第三及第四开关元件串联于桥式电路的第二输出端，其中开关模块还包含一第五及一第六开关元件，第五及第六开关元件逆串联于桥式电路的中间点和第一输出端之间。此控制方法包含：通过互补的第一及第六驱动信号分别开启第一及第六开关元件；通过互补的第二及第五驱动信号分别开启第二及第五开关元件；以及通过互补的第三及第四驱动信号分别开启第三及第四开关元件。
在本发明一实施例中，当第五开关元件仍开启时，第一及第四开关元件同时开启，当第四及所述第五开关元件仍开启时，第一开关元件关闭，当第六开关元件仍开启时，第二及第三开关元件同时开启，当第三及所述第六开关元件仍开启时，第二开关元件关闭。
在本发明另一实施例中，第一及第四驱动信号同时启用且第一驱动信号接着先行解除，第二及第三驱动信号同时启用且第二驱动信号接着先行解除。
在本发明又一实施例中，当第一驱动信号启用时，横跨于桥式电路的第一及第二输出端间的输出电压调节至一第一电压准位，当第一驱动信号解除时，输出电压调节至一第二电压准位，当第二驱动信号启用时，输出电压调节至一第三电压准位，当第二驱动信号解除时，输出电压调节至一第四电压准位，其中第一至第四电压准位彼此相异。
在本发明次一实施例中，第一及第二驱动信号以180度相位移交替地启用，第三及第四驱动信号以180度相位移交替地启用，第五及第六驱动信号以180度相位移交替地启用。
在本发明再另一实施例中，第一驱动信号的工作周期小于第六驱动信号的工作周期，第二驱动信号的工作周期小于第五驱动信号的工作周期，第三驱动信号的工作周期等于第四驱动信号的工作周期。
本发明内容的次一方面是关于一种功率变换器，其包含一全桥变换器电路以及一调节电路。全桥变换器电路包含一全桥电路，其中全桥电路具有一第一输入端及一第二输入端，并具有一第一输出端及一第二输出端。调节电路桥接于全桥电路的第一输入端及第二输入端，并连接于全桥电路的第一输出端，其中调节电路用以透过与全桥变换器电路相互操作而操作性地调节横跨于全桥电路的第一输出端及第二输出端间的输出电压，使得横跨于全桥电路的第一输出端及第二输出端间的输出电压具有三个以上的电压准位。
在本发明一实施例中，全桥电路还包含一第一开关元件、一第二开关元件一第三开关元件及一第四开关元件。第一开关元件及一第二开关元件串联于全桥电路的第一输出端，并以180度相位移交替地开启。第三开关元件及第四开关元件串联于全桥电路的第二输出端，并以180度相位移交替地开启。
在本发明另一实施例中，调节电路还包含两电容器单元、一第五开关元件以及一第六开关元件。两电容器单元串联于全桥电路的第一输入端及第二输入端间的中间点。第五开关元件及第六开关元件逆串联于全桥电路的中间点和第一输出端之间，并以180度相位移交替地开启。
在本发明又一实施例中，第一开关元件及第六开关元件通过互补的第一及第六驱动信号分别开启，第二开关元件及第五开关元件通过互补的第二及第五驱动信号分别开启，第三开关元件及第四开关元件通过互补的第三及第四驱动信号分别开启。
在本发明次一实施例中，第一及第四开关元件分别通过第一及第四驱动信号同时开启且第一开关元件接着先行关闭，第二及第三开关元件分别通过第二及第三驱动信号同时开启且第二开关元件接着先行关闭。
在本发明再另一实施例中，第一驱动信号的工作周期小于第六驱动信号的工作周期，第二驱动信号的工作周期小于第五驱动信号的工作周期，第三驱动信号的工作周期等于第四驱动信号的工作周期。
根据本发明的技术内容，应用前述实施例不仅可使输入电压的范围于允许操作范围内的效率最佳化点（efficiency optimized point）扩展而变得较广，而不需扩大前述开关元件的开关频率范围，使得输出电压的范围可于允许操作范围内的效率最佳化点扩展而变得较广。此外，具有高效率的功率变换器于较广范围的输入电压下亦可实现。
本发明内容旨在提供本发明的简化摘要，以使阅读者对本发明具备基本的理解。此发明内容并非本发明的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要（或关键）元件或界定本发明的范围。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例绘示一种功率变换器的示意图；
图2是依照本发明的第二实施例绘示一种功率变换器的示意图；
图3是依照本发明的第三实施例绘示一种功率变换器的示意图；
图4是依照本发明的第四实施例绘示一种功率变换器的示意图；
图5是依照本发明的第五实施例绘示一种功率变换器的示意图；
图6是依照本发明的第六实施例绘示一种功率变换器的示意图；
图7是依照本发明的实施例绘示一种与图6所示功率变换器相关的控制和调节的波形示意图；
图8A～图8G是依照本发明的实施例绘示一种如图6所示功率变换器的操作示意图；
图9是依照本发明的第七实施例绘示一种功率变换器的示意图。
【主要元件符号说明】
100、200、300、400、500、600、900：功率变换器
110、210、310、410、510、610：桥式电路
112、114、116：桥臂
120、220、620：开关模块
130、230、330、430、530、630、930：隔离级
140、240、340、940：输出级
250：控制电路
460、560、660、960：谐振槽
640：整流器
650、950：滤波器
902：调节电路
905：全桥变换器电路
910：全桥电路
具体实施方式
下文是举实施例配合所附附图作详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件将以相同的符号标示来说明。
在全篇说明书与权利要求书所使用的用词（terms），除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本揭露的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本揭露的描述上额外的引导。
关于本文中所使用的“约”、“大约”或“大致”一般通常是指数值的误差或范围于百分之二十以内，较好地是于百分之十以内，而更佳地则是于百分之五以内。文中若无明确说明，其所提及的数值皆视作为近似值，例如可如“约”、“大约”或“大致”所表示的误差或范围，或其他近似值。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
其次，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
另外，关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指二或多个元件相互操作或动作。
图1是依照本发明的第一实施例绘示一种功率变换器的示意图。如图1所示，功率变换器100包含一桥式电路（如：全桥逆变器(full-bridge inverter)）110、一开关模块120、一隔离级130以及一输出级140。桥式电路110具有一第一输入端X及一第二输入端Y，并具有一第一输出端A及一第二输出端B，其中输入端X及Y用以接收一输入电压Vin，输出端A及B用以于其间产生一输出电压VAB。桥式电路110还包含桥臂112、114和116。桥臂112包含两电容器单元C1、C2，且两电容器单元C1、C2串联于桥式电路110的第一输入端X及第二输入端Y间的中间点M。桥臂114包含开关元件Q1、Q2，且开关元件Q1、Q2串联于桥式电路110的第一输出端A。桥臂116包含开关元件Q3、Q4，且开关元件Q3、Q4串联于桥式电路110的第二输出端B。
开关模块120连接于桥式电路110的中间点和第一输出端A之间。隔离级130具有一第一输入端及一第二输入端，并具有一第一输出端及一第二输出端，其中隔离级130的第一输入端连接于桥式电路110的第一输出端A，隔离级130的第二输入端连接于桥式电路110的第二输出端B。输出级140具有一第一输入端及一第二输入端，其中输出级140的第一输入端连接于隔离级130的第一输出端，输出级140的第二输入端连接于隔离级130的第二输出端。
在一实施例中，隔离级130可还包含变压器，变压器具有一次绕组（primarywinding）以及二次绕组（secondary winding），且一次绕组连接桥式电路110的第一输出端A和第二输出端B，二次绕组连接输出级140的两输入端，其中变压器可对于桥式电路110的输出电压提供匹配和隔离的作用。在另一实施例中，输出级140可还包含整流电路（如：全桥整流器），整流电路连接隔离级130的两输出端，其中整流电路可用以将谐振电流变换为单向电流。
操作上，开关模块120与桥式电路110相互操作（亦于特定情形下与隔离级130相互操作），使得横跨于桥式电路110的第一输出端A及第二输出端B间的输出电压VAB经调节而具有多个电压准位。在一实施例中，隔离级130用以于桥式电路110的第一输出端A及第二输出端B间产生输出电压（或多准位电压）VAB，且输出电压VAB具有三个以上的电压准位。如此一来，输入电压Vin的范围便可于允许操作范围内的效率最佳化点（efficiency optimizedpoint）扩展而变得较广，而不需扩大前述开关元件的开关频率范围，致使输出电压Vo（如图6所示）的范围可于允许操作范围内的效率最佳化点扩展而变得较广。此外，具有高效率的功率变换器于较广范围的输入电压下亦可实现。
图2是依照本发明的第二实施例绘示一种功率变换器的示意图。如图2所示，功率变换器200包含与图1所示类似的电路，因此前述电路于此不再赘述。相较于图1所示的实施例，功率变换器200中的开关模块220还包含开关元件Q5、Q6，且开关元件Q5、Q6逆串联于桥式电路210的中间点M和第一输出端A之间。
此外，功率变换器200可还包含一控制电路250，其用以控制开关元件Q1～Q6，其中开关元件Q1和Q6互补地开启，开关元件Q2和Q5互补地开启，开关元件Q3和Q4互补地开启。需说明的是，前述及下列实施例中每一者均可包含与功率变换器200中控制电路250类似或相同的控制电路。
在一实施例中，开关元件Q1的工作周期（duty cycle）（即用以驱动开关元件Q1的驱动信号的工作周期）小于开关元件Q6的工作周期，开关元件Q2的工作周期小于开关元件Q5的工作周期，开关元件Q3的工作周期等于开关元件Q4的工作周期。
图3是依照本发明的第三实施例绘示一种功率变换器的示意图。如图3所示，功率变换器300包含与图2所示类似的电路，因此前述电路于此不再赘述。相较于图2所示的实施例，隔离级330可还包含变压器Tr，变压器Tr具有一次绕组电路以及二次绕组电路，其中如图3所示，一次绕组电路连接于桥式电路310的第一输出端A和第二输出端B之间，二次绕组电路连接于输出级340的两输入端。
图4是依照本发明的第四实施例绘示一种功率变换器的示意图。如图4所示，功率变换器400包含与图1所示类似的电路，因此前述电路于此不再赘述。相较于图1所示的实施例，功率变换器400还包含一谐振槽（resonant tank）460，谐振槽460包含一电容器单元（如：谐振电容器Cr）以及一电感单元（如：谐振电感器Lr），其中电容器单元与电感单元串联于桥式电路410的第一输出端A和隔离级430中间。
在一实施例中，隔离级430可还包含变压器，变压器具有一次绕组以及二次绕组，且谐振电容器Cr、谐振电感器Lr及变压器的一次绕组串联于桥式电路410的第一输出端A和第二输出端B之间。
操作上，开关模块420与桥式电路410和谐振槽460相互操作（亦于特定情形下与隔离级430相互操作），使得横跨于桥式电路410的第一输出端A及第二输出端B间的输出电压VAB经调节而具有三个以上的电压准位。如此一来，输入电压Vin的范围便可扩展而变得较广，而不需扩大前述开关元件的开关频率范围。
图5是依照本发明的第五实施例绘示一种功率变换器的示意图。如图5所示，功率变换器500包含与图1所示类似的电路，因此前述电路于此不再赘述。相较于图1所示的实施例，功率变换器500还包含一谐振槽560，且谐振槽560包含一电容器单元（如：谐振电容器Cr）、一第一电感单元（如：谐振电感器Lr）以及一第二电感单元（如：激磁电感器Lm），且电容器单元、第一电感单元以及第二电感单元串联于桥式电路510的第一输出端A和第二输出端B中间，其中激磁电感器Lm可例如与隔离级530中变压器的一次绕组并联。
实作上，谐振电感器Lr可以外部器件或隔离级530中变压器的漏感（leakage inductance）来实现，且激磁电感器Lm可以外部器件或隔离级530中变压器的激磁电感（magnetizing inductance）来实现。此外，前述开关元件中每一者均可以半导体开关并联二极管（如：体二极管(body diode)）和寄生电容的形式来实现。
另一方面，前述实施例中的桥式电路可具有变换器中电压调节回路的增益G，其中增益G可经控制或改变，并相关于一第一增益G1及一第二增益G2（如：G=a×G1+b×G2），其中第一增益G1是于桥式电路作为半桥电路操作时所取得，第二增益G2是于桥式电路作为全桥电路操作时所取得。举例来说，变换器中电压调节回路的增益G可经调整，使得输出电压的调节启始于相对低准位，并逐渐增加至最高准位。
图6是依照本发明的第六实施例绘示一种功率变换器的示意图。如图6所示，功率变换器600（如：电感–电感–电容(LLC)谐振变换器）包含全桥电路610（包括开关元件Q1～Q4以及电容器C1、C2）、开关模块620（包括开关元件Q5、Q6）、隔离级630（包括变压器T1）、整流器640、滤波器650（包括输出电容器C）、谐振槽660（包括谐振电容器Cr、谐振电感器Lr以及激磁电感器Lm）以及负载R，其中全桥电路610用以接收直流（DC）输入电压Vin，整流器640包括二极管D1～D4，滤波器650用以产生直流输出电压Vo，负载R用以接收输出电压Vo。功率变换器600的电路构造类似前述一或多个实施例，故于此不再赘述。
图7是依照本发明的实施例绘示一种与图6所示功率变换器相关的控制和调节的波形示意图。如图6和图7所示，驱动信号G1～G6可例如是由图2所示的控制电路250所产生，以分别供开关元件Q1～Q6操作，且横跨于桥式电路的第一输出端A及第二输出端B间的输出电压VAB，其可依据分别由驱动信号G1～G6控制的开关元件Q1～Q6的操作，借此进行调节而具有多个电压准位。在本实施例中，驱动信号G1和G6互补，驱动信号G2和G5互补，驱动信号G3和G4互补。实作上，驱动信号G1～G6可设定为脉冲宽度调变（PWM）信号及其他类似形式的控制或驱动信号。
此外，在一实施例中，驱动信号G1的工作周期（duty cycle）小于驱动信号G6的工作周期，驱动信号G2的工作周期小于驱动信号G5的工作周期，驱动信号G3的工作周期等于驱动信号G4的工作周期。
其次，在另一实施例中，驱动信号G1和G2可为对称并以180度相位移（phase shift）交替地启用（亦即开关元件Q1和Q2设定为以180度相位移交替地开启），驱动信号G3和G4可为对称并以180度相位移交替地启用（亦即开关元件Q3和Q4设定为以180度相位移交替地开启），且驱动信号G5和G6可为对称并以180度相位移交替地启用（亦即开关元件Q5和Q6设定为以180度相位移交替地开启）。
再者，于另一实施例中，驱动信号G1及驱动信号G4同时启用且驱动信号G1接着先行解除，而驱动信号G2及驱动信号G3同时启用且驱动信号G2接着先行解除。换言之，开关元件Q1和Q4分别通过驱动信号G1及G4同时开启，且开关元件Q1接着先行关闭，而开关元件Q2和Q3分别通过驱动信号G2及G3同时开启，且开关元件Q3接着先行关闭。
图8A～图8G是依照本发明的实施例绘示一种如图6所示功率变换器的操作示意图，其中图8A～图8G中所示的虚线代表电流路径。功率变换器600的操作可于下述以图8A～图8G配合图7所示的波形作例示性的叙述。
首先，如图7和图8A所示，于时间t0，驱动信号G1和G4启用，使得开关元件Q1和Q4分别通过驱动信号G1和G4进行开启，而开关元件Q5可于开关元件Q1和Q4开启前便已经开启。其次，流向开关元件Q6的电流由开关元件Q6的体二极管（body diode）所阻断。于时段t0～t1，功率变换器作为全桥LLC变换器进行操作，且横跨于桥式电路的输出端A及B间的输出电压VAB经调节而具有电压准位V1。输入功率经由桥式电路、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr、变压器T1以及包括二极管D1～D4的整流器640变换为输出功率。
如图7和图8B（于时段t1～t2之间操作的在前状态）所示，于时间t1，驱动信号G1解除，使得开关元件Q1关闭。此外，于时段t1～t2，横跨于桥式电路的输出端A及B间的输出电压VAB经调节而具有电压准位V2，且电压准位V2不同于电压准位V1。
在开关元件Q1关闭后，流经变压器T1的一次侧电流iLr开始对开关元件Q1的寄生电容进行充电，并对开关元件Q6的寄生电容进行放电。于充电和放电操作完成后，开关元件Q1不导通，且横跨于开关元件Q6的寄生电容的电压变成零，使得电流接着流经开关元件Q6的体二极管。因此，对于开关元件Q6的零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）条件便可借此设定完成。
接着，如图8C（于时段t1～t2之间操作的在后状态）所示，流经变压器T1的一次侧电流iLr开始流经电容C1、开关元件Q5、开关元件Q6的体二极管、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr以及变压器T1的一次侧绕组，且功率会经变压器T1的一次侧转移至变压器T1的二次侧。
如图7和图8D所示，于时间t2，驱动信号G6启用，使得开关元件Q6开启。其次，由于开关元件Q6的体二极管于时段t1～t2已经导通，因此当开关元件Q6开启时，横跨于开关元件Q6的电压为零。换言之，开关元件Q6可进行零电压开关（ZVS）操作而开启。
于时段t2～t3间，开关元件Q4、Q5和Q6分别通过驱动信号G4、G5和G6进行开启，故功率变换器可作为半桥LLC变换器进行操作。此外，于时段t2～t3间，横跨于桥式电路的输出端A及B间的输出电压VAB经调节而亦具有电压准位V2。再者，流经变压器T1的一次侧电流iLr开始流经电容器C1、开关元件Q5、开关元件Q6、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr以及变压器T1的一次侧绕组，且功率会经变压器T1的一次侧转移至变压器T1的二次侧。
如图7和图8E（于时段t3～t4之间操作的在前状态）所示，于时间t3，驱动信号G4和G5解除，使得开关元件Q4和Q5关闭。于时段t3～t4，横跨于桥式电路的输出端A及B间的输出电压VAB经调节而亦具有电压准位V2。
在开关元件Q4和Q5关闭后，储存于电感器Lr和Lm的电能开始开始对开关元件Q4和Q5的寄生电容进行充电，并对开关元件Q2和Q3的寄生电容进行放电。于充电和放电操作完成后，开关元件Q4和Q5不导通，且横跨于开关元件Q2和Q3的寄生电容的电压分别为零，使得电流接着流经开关元件Q2和Q3的体二极管。
接着，如图8F（于时段t3～t4之间操作的在后状态）所示，一次侧电流iLr流经开关元件Q2的体二极管、谐振电容器Cr、谐振电感器Lr以及开关元件Q3的体二极管，故对于开关元件Q2和Q3的零电压开关（ZVS）条件便可借此设定完成。
如图7和图8G所示，于时间t4，驱动信号G2和G3启用，使得开关元件Q2和Q3开启。其次，由于开关元件Q2和Q3的体二极管于时段t3～t4已经导通，因此当开关元件Q2和Q3开启时，横跨于开关元件Q2和Q3的电压为零。换言之，开关元件Q2和Q3可进行零电压开关（ZVS）操作而开启。
类似于时段t0～t1间的操作，开关元件Q2和Q3分别通过驱动信号G2和G3进行开启，故功率变换器可作为全桥LLC变换器进行操作。此外，于时段t4～t5间，横跨于桥式电路的输出端A及B间的输出电压VAB经调节而具有电压准位V3，且电压准位V3不同于电压准位V1和V2。相似地，于时段t5～t6间，横跨于桥式电路的输出端A及B间的输出电压VAB经调节而具有电压准位V4，且电压准位V4不同于电压准位V1、V2和V3，其中电压准位V1、V2、V3和V4彼此相异。需说明的是，于时段t4～t6间的操作类似于前述于图8A～图8G中的操作，并由本领域所属技术人员所知，故于此不再赘述。
本发明的另一实施方式是有关于一种功率变换器，其包含一全桥变换器电路以及一调节电路，其中全桥变换器电路包含一全桥电路。其次，调节电路用以透过与全桥变换器电路相互操作而操作性地调节横跨于全桥电路的输出端间的输出电压，使得横跨于全桥电路的输出端间的输出电压具有三个以上的电压准位。
图9是依照本发明的第七实施例绘示一种功率变换器的示意图。如图9所示，功率变换器900包含调节电路902以及全桥变换器电路905。全桥变换器电路905包含全桥电路910，其中全桥电路910具有输入端X及Y以及输出端A及B。调节电路902桥接于全桥电路910的输入端X及Y，并连接全桥电路910输出端A。调节电路用以透过与全桥变换器电路905相互操作而操作性地调节横跨于全桥电路910的输出端A及B间的输出电压VAB，使得横跨于全桥电路910的输出端A及B间的输出电压VAB具有三个以上的电压准位。
在一实施例中，全桥电路910还包含开关元件Q1～Q4，其中开关元件Q1和Q2串联于全桥电路910的输出端A，并以180度相位移交替地开启，而开关元件Q3和Q4则串联于全桥电路910的输出端B，并以180度相位移交替地开启。
在另一实施例中，调节电路902可还包含两电容器单元（如：电容器C1和C2）以及两开关元件Q5和Q6。电容器C1和C2串联于全桥电路910的输入端X及Y间的中间点M，而开关元件Q5和Q6则逆串联于全桥电路910的中间点M和全桥电路910的输出端A之间，并以180度相位移交替地开启。
如前述实施例所述，功率变换器900的电路结构和操作可类似地设定如图6所示的功率变换器600。
在次一实施例中，开关元件Q1和Q6通过互补的驱动信号G1和G6（如图7所示）分别开启，开关元件Q2和Q5通过互补的驱动信号G2和G5（如图7所示）分别开启，而开关元件Q3和Q4通过互补的驱动信号G3和G4（如图7所示）分别开启。
在又一实施例中，开关元件Q1和Q4分别通过驱动信号G1和G4（如图7所示）同时开启，且开关元件Q1接着先行关闭，而开关元件Q2和Q3则分别通过驱动信号G2和G3（如图7所示）同时开启，且开关元件Q2接着先行关闭。
在另一实施例中，驱动信号G1的工作周期小于驱动信号G6的工作周期，驱动信号G2的工作周期小于驱动信号G5的工作周期，而驱动信号G3的工作周期等于驱动信号G4的工作周期。
本发明的另一实施方式是有关于一种功率变换器的控制方法，其中功率变换器可配置如前述图1至图6所示实施例中一者，但不以此为限，故于此不再赘述。功率变换器的控制方法包含下述步骤，且下述步骤可配合例如图6所示的实施例以及图7所示关于控制和调节的波形一并叙述如下。
在本实施例中，开关元件Q1和Q6通过互补的驱动信号G1和G6分别开启，开关元件Q2和Q5通过互补的驱动信号G2和G5分别开启，而开关元件Q3和Q4通过互补的驱动信号G3和G4分别开启，使得横跨于全桥电路610的输出端A及B间的输出电压VAB，可依据开关元件Q1～Q6的操作经调节而具有三个以上的电压准位。
具体而言，当开关元件Q1、Q4和Q5分别通过驱动信号G1、G4和G5开启时，横跨于全桥电路610的输出端A及B间的输出电压VAB经调节而具有电压准位V1；当开关元件Q4和Q5仍分别通过驱动信号G4和G5开启且开关元件Q1由驱动信号G1关闭时，输出电压VAB经调节而具有电压准位V2；当开关元件Q2、Q3和Q6分别通过驱动信号G2、G3和G6开启时，输出电压VAB经调节而具有电压准位V3；而当开关元件Q3和Q6仍分别通过驱动信号G3和G6开启且开关元件Q2由驱动信号G2关闭时，输出电压VAB经调节而具有电压准位V4，其中电压准位V1～V4彼此相异。
在一实施例中，驱动信号G1及驱动信号G4同时启用且驱动信号G1接着先行解除，而驱动信号G2及驱动信号G3同时启用且驱动信号G2接着先行解除。
在另一实施例中，当驱动信号G1启用时，横跨于全桥电路610的输出端A及B间的输出电压VAB调节至电压准位V1；当驱动信号G1解除时，输出电压VAB调节至电压准位V2；当驱动信号G2启用时，输出电压VAB调节至电压准位V3；而当驱动信号G2解除时，输出电压VAB调节至电压准位V4，其中电压准位V1～V4彼此相异。
在次一实施例中，驱动信号G1和G2可以180度相位移交替地启用，驱动信号G3和G4可以180度相位移交替地启用，且驱动信号G5和G6可以180度相位移交替地启用。
在又一实施例中，驱动信号G1的工作周期小于驱动信号G6的工作周期，驱动信号G2的工作周期小于驱动信号G5的工作周期，而驱动信号G3的工作周期等于驱动信号G4的工作周期。
需说明的是，在前述实施例中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行，前述仅为一实施例，并非用以限定本发明。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域具通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种功率变换器，其特征在于，包含：
一桥式电路，具有一第一输入端及一第二输入端，并具有一第一输出端及一第二输出端，其中所述桥式电路还包含：
一第一桥臂，包含两电容器单元，其中所述两电容器单元串联于所述桥式电路的所述第一输入端及所述第二输入端间的中间点；
一第二桥臂，包含一第一开关元件及一第二开关元件，其中所述第一开关元件及所述第二开关元件串联于所述桥式电路的所述第一输出端；以及
一第三桥臂，包含一第三开关元件及一第四开关元件，其中所述第三开关元件及所述第四开关元件串联于所述桥式电路的所述第二输出端；
一开关模块，连接于所述桥式电路的所述中间点和所述第一输出端之间；
一隔离级，具有一第一输入端及一第二输入端，并具有一第一输出端及一第二输出端，其中所述隔离级的所述第一输入端连接于所述桥式电路的所述第一输出端，所述隔离级的所述第二输入端连接于所述桥式电路的所述第二输出端；以及
一输出级，具有一第一输入端及一第二输入端，其中所述输出级的所述第一输入端连接于所述隔离级的所述第一输出端，所述输出级的所述第二输入端连接于所述隔离级的所述第二输出端。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述开关模块还包含一第五开关元件及一第六开关元件，所述第五开关元件及所述第六开关元件逆串联于所述桥式电路的所述中间点和所述第一输出端之间。
3.根据权利要求2所述的功率变换器，其特征在于，还包含：
一控制电路，用以控制所述第一至所述第六开关元件，其中所述第一开关元件与所述第六开关元件互补地开启，所述第二开关元件与所述第五开关元件互补地开启，所述第三开关元件与所述第四开关元件互补地开启。
4.根据权利要求3所述的功率变换器，其特征在于，所述第一开关元件的工作周期小于所述第六开关元件的工作周期，所述第二开关元件的工作周期小于所述第五开关元件的工作周期，所述第三开关元件的工作周期等于所述第四开关元件的工作周期。
5.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述桥式电路用以产生一多准位电压横跨于所述桥式电路的所述第一输出端及所述第二输出端，所述多准位电压具有三个以上的电压准位。
6.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述桥式电路具有一增益，所述增益相关于一第一增益及一第二增益，其中所述第一增益是于所述桥式电路作为一半桥电路操作时所取得，所述第二增益是于所述桥式电路作为一全桥电路操作时所取得。
7.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，还包含：
一谐振槽，包含一电容器单元以及一电感单元，其中所述电容器单元以及所述电感单元串联于所述桥式电路的所述第一输出端和所述隔离级中间。
8.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，还包含：
一谐振槽，包含一电容器单元、一第一电感单元以及一第二电感单元，其中所述电容器单元、所述第一电感单元以及所述第二电感单元串联于所述桥式电路的所述第一输出端和所述第二输出端中间。
9.一种功率变换器的控制方法，其特征在于，所述功率变换器包含一桥式电路、一开关模块、一隔离级以及一输出级，其中所述桥式电路具有一第一及一第二输入端并具有一第一及一第二输出端，所述隔离级连接于所述桥式电路，所述输出级连接于所述隔离级，其中所述桥式电路还包含两电容器单元、一第一及一第二开关元件以及一第三及一第四开关元件，所述两电容器单元串联于所述桥式电路中所述第一及所述第二输入端间的中间点，所述第一及所述第二开关元件串联于所述桥式电路的所述第一输出端，所述第三及所述第四开关元件串联于所述桥式电路的所述第二输出端，其中所述开关模块还包含一第五及一第六开关元件，所述第五及所述第六开关元件逆串联于所述桥式电路的所述中间点和所述第一输出端之间，所述控制方法包含：
通过互补的第一及第六驱动信号分别开启所述第一及所述第六开关元件；
通过互补的第二及第五驱动信号分别开启所述第二及所述第五开关元件；以及
通过互补的第三及第四驱动信号分别开启所述第三及所述第四开关元件。
10.根据权利要求9所述的功率变换器的控制方法，其特征在于，当所述第五开关元件仍开启时，所述第一及所述第四开关元件同时开启，当所述第四及所述第五开关元件仍开启时，所述第一开关元件关闭，当所述第六开关元件仍开启时，所述第二及所述第三开关元件同时开启，当所述第三及所述第六开关元件仍开启时，所述第二开关元件关闭。
11.根据权利要求9所述的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第一及所述第四驱动信号同时启用且所述第一驱动信号接着先行解除，所述第二及所述第三驱动信号同时启用且所述第二驱动信号接着先行解除。
12.根据权利要求9所述的功率变换器的控制方法，其特征在于，当所述第一驱动信号启用时，横跨于所述桥式电路的所述第一及所述第二输出端间的输出电压调节至一第一电压准位，当所述第一驱动信号解除时，所述输出电压调节至一第二电压准位，当所述第二驱动信号启用时，所述输出电压调节至一第三电压准位，当所述第二驱动信号解除时，所述输出电压调节至一第四电压准位，其中所述第一至所述第四电压准位彼此相异。
13.根据权利要求9所述的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第一及所述第二驱动信号以180度相位移交替地启用，所述第三及所述第四驱动信号以180度相位移交替地启用，所述第五及所述第六驱动信号以180度相位移交替地启用。
14.根据权利要求9所述的功率变换器的控制方法，其特征在于，所述第一驱动信号的工作周期小于所述第六驱动信号的工作周期，所述第二驱动信号的工作周期小于所述第五驱动信号的工作周期，所述第三驱动信号的工作周期等于所述第四驱动信号的工作周期。
15.一种功率变换器，其特征在于，包含：
一全桥变换器电路，包含一全桥电路，其中所述全桥电路具有一第一输入端及一第二输入端，并具有一第一输出端及一第二输出端；以及
一调节电路，桥接于所述全桥电路的所述第一输入端及所述第二输入端，并连接于所述全桥电路的所述第一输出端，其中所述调节电路用以透过与所述全桥变换器电路相互操作而操作性地调节横跨于所述全桥电路的所述第一输出端及所述第二输出端间的输出电压，使得横跨于所述全桥电路的所述第一输出端及所述第二输出端间的所述输出电压具有三个以上的电压准位。
16.根据权利要求15所述的功率变换器，其特征在于，所述全桥电路还包含：
一第一开关元件及一第二开关元件，串联于所述全桥电路的所述第一输出端，并以180度相位移交替地开启；以及
一第三开关元件及一第四开关元件，串联于所述全桥电路的所述第二输出端，并以180度相位移交替地开启。
17.根据权利要求16所述的功率变换器，其特征在于，所述调节电路还包含：
两电容器单元，串联于所述全桥电路的所述第一输入端及所述第二输入端间的中间点；以及
一第五开关元件及一第六开关元件，逆串联于所述全桥电路的所述中间点和所述第一输出端之间，并以180度相位移交替地开启。
18.根据权利要求17所述的功率变换器，其特征在于，所述第一开关元件及所述第六开关元件通过互补的第一及第六驱动信号分别开启，所述第二开关元件及所述第五开关元件通过互补的第二及第五驱动信号分别开启，所述第三开关元件及所述第四开关元件通过互补的第三及第四驱动信号分别开启。
19.根据权利要求18所述的功率变换器，其特征在于，所述第一及所述第四开关元件分别通过所述第一及所述第四驱动信号同时开启且所述第一开关元件接着先行关闭，所述第二及所述第三开关元件分别通过所述第二及所述第三驱动信号同时开启且所述第二开关元件接着先行关闭。
20.根据权利要求18所述的功率变换器，其特征在于，所述第一驱动信号的工作周期小于所述第六驱动信号的工作周期，所述第二驱动信号的工作周期小于所述第五驱动信号的工作周期，所述第三驱动信号的工作周期等于所述第四驱动信号的工作周期。
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