CN109245543A - 半桥谐振直流对直流转换器及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了半桥谐振直流对直流转换器及其操作方法，它涉及电源转换器技术领域；半桥谐振直流对直流转换器包括隔离变压器、谐振电感、第一开关、第二开关以及谐振电容；谐振电感耦接直流输入电源与初级侧的第一端之间；第一开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接接地点；第二开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接第一开关的第一端，第一端耦接直流输入电源与谐振电感。谐振电容耦接第一开关的第一端与初级侧的第二端之间；本发明能够降低开关元件成本、降低导通损失与增加效率以及降低电路体积。
Description
技术领域
本发明属于电源转换器技术领域，具体涉及半桥谐振直流对直流转换器及其操作方法。
背景技术
请参见图1所示，其为相关技术之主动式钳位返驰式电源转换器的电路图。主动式钳位返驰式电源转换器接收直流输入电源Vin，且转换直流输入电源Vin为直流输出电源Vout。主动式钳位返驰式电源转换器包括隔离变压器Tr、谐振电感Lr、谐振电容Cr、主开关Qm以及辅助开关Qa。
主动式钳位返驰式电源转换器具有变压器Tr，其具有初级侧与次级侧，其中初级侧的线圈与次级侧的线圈的匝数比为n1:n2。此外，初级侧具有激磁电感Lm。谐振电感Lr耦接直流输入电源Vin与初级侧的一端(例如打点端)之间。其中谐振电感Lr系利用变压器Tr的漏电感所实现。
主开关Qm耦接初级侧的另一端(例如非打点端)与接地点之间，其中主开关Qm系透过主控制信号Sm切换控制。谐振电容Cr串联耦接辅助开关Qa，在直流输入电源Vin与主开关Qm之间形成主动钳位支路，因此辅助开关Qa亦可称为钳位开关，其中辅助开关Qa系透过辅助控制信号Sa切换控制。
当负载为轻载操作时，可透过辅助控制信号Sa关断辅助开关Qa，并且透过主控制信号Sm导通主开关Qm，使主动式钳位返驰式电源转换器操作于返驰式模式(flybackmode)。当负载为重载(或非轻载)操作时，可透过辅助控制信号Sa导通辅助开关Qa，并且透过主控制信号Sm关断主开关Qm，使主动式钳位返驰式电源转换器操作于主动式钳位返驰式模式(ACF mode)。
如图1所示的相关技术之主动式钳位返驰式电源转换器存在的问题或缺陷为主开关Qm所承受的电压较大，因此必须选用较高耐压(无法降规格)的开关元件，如此不仅增加开关元件成本，也因为主开关Qm与辅助开关Qa的导通电阻(RDS(on))较大，使得提高导通损失(conduction loss)，而降低效率。
假设直流输入电源Vin为400伏特，直流输出电源Vout为10伏特，以及匝数比(n1:n2)为10:1。当主控制信号Sm导通主开关Qm，且辅助控制信号Sa关断辅助开关Qa时，主开关Qm所承受的电压为零，辅助开关Qa所承受的电压为直流输入电源Vin的电压值减去谐振电容Cr两端的跨压。
当主控制信号Sm关断主开关Qm，且辅助控制信号Sa导通辅助开关Qa时，由于变压器Tr的漏电感(即谐振电感Lr)的释能对谐振电容Cr充电，因此辅助开关Qa所承受的电压为零，主开关Qm所承受的电压为直流输入电源Vin的电压值加上直流输出电源Vout(即10伏特)经匝数比(即10:1)换算到初级侧的线圈两端跨压为100伏特，再加上变压器Tr的漏电感所造成的电压突波(假设50伏特)，总共约为550伏特，是以主开关Qm则必须选用较高耐压，例如600～650伏特的开关元件。
再者，由于在主动钳位支路导通时，谐振电容Cr扮演储存变压器Tr的漏电感(即谐振电感Lr)与激磁电感Lm所释放能量的角色，因此必须选用较大容值的谐振电容Cr，其导致电路体积的增加。
发明内容
为解决因选用较高耐压开关元件所造成增加成本与降低效率的问题；本发明提供半桥谐振直流对直流转换器及其操作方法。
本发明的半桥谐振直流对直流转换器，用以转换直流输入电源为直流输出电源；半桥谐振直流对直流转换器包括隔离变压器、谐振电感、第一开关、第二开关、谐振电容以及控制单元；隔离变压器具有初级侧与次级侧；谐振电感耦接直流输入电源与初级侧的第一端之间；第一开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接接地点；第二开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接第一开关的第一端，第一端耦接直流输入电源与谐振电感；谐振电容耦接第一开关的第一端与初级侧的第二端之间；控制单元提供第一控制信号与第二控制信号，其中第一控制信号透过第一开关的控制端控制第一开关，第二控制信号透过第二开关的控制端控制第二开关。
作为优选，第一控制信号与第二控制信号之间具有第一空白时间，第二控制信号与第一控制信号之间具有第二空白时间；其中第二空白时间小于第一空白时间。
作为优选，第一空白时间系为第一控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第二控制信号由低准位转态为高准位的时间点；第二空白时间系为第二控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第一控制信号由低准位转态为高准位的时间点。
作为优选，当第二开关导通时，开始产生谐振操作。
作为优选，谐振操作的时间大于第二开关导通的时间，且小于或等于第二开关导通的时间与第二空白时间的总和。
作为优选，第二空白时间为第一开关零电压切换的时间。
作为优选，半桥谐振直流对直流转换器更包括输出二极管与输出电容；输出二极管耦接次级侧的第一端与非接地输出端之间；输出电容耦接非接地输出端与接地输出端之间，其中接地输出端为次级侧的第二端。
作为优选，半桥谐振直流对直流转换器更包括输出二极管与输出电容。输出二极管耦接次级侧的第二端与接地输出端之间。输出电容耦接非接地输出端与接地输出端之间，其中非接地输出端为次级侧的第一端。
本发明之另一目的在于提供一种半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，解决因选用较高耐压开关元件所造成增加成本与降低效率的问题。
本发明所提出的半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，用以转换直流输入电源为直流输出电源，所述半桥谐振直流对直流转换器包括第一开关、第二开关以及控制单元，操作方法包括：控制单元提供第一控制信号控制第一开关以及提供第二控制信号控制第二开关；控制单元提供第一空白时间于第一控制信号与第二控制信号之间；及控制单元提供第二空白时间于第二控制信号与第一控制信号之间，其中第二空白时间小于第一空白时间。
作为优选，所述半桥谐振直流对直流转换器更包括隔离变压器、谐振电感、谐振电容；隔离变压器具有初级侧与次级侧；谐振电感耦接直流输入电源与初级侧的第一端之间；第一开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接接地点；第二开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接第一开关的第一端，第一端耦接直流输入电源与谐振电感；谐振电容耦接第一开关的第一端与初级侧的第二端之间；控制单元提供第一控制信号透过第一开关的控制端控制第一开关，提供第二控制信号透过第二开关的控制端控制第二开关。
作为优选，第一空白时间系为第一控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第二控制信号由低准位转态为高准位的时间点；第二空白时间系为第二控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第一控制信号由低准位转态为高准位的时间点。
作为优选，当第二开关导通时，开始产生谐振操作。
作为优选，谐振操作的时间大于第二开关导通的时间，且小于或等于第二开关导通的时间与第二空白时间的总和。
作为优选，第二空白时间为第一开关零电压切换的时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一、半桥谐振直流对直流转换器能够降低开关元件成本、降低导通损失与增加效率以及降低电路体积；
二、半桥谐振直流对直流转换器的操作方法能够降低开关元件成本、降低导通损失与增加效率以及降低电路体积。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为现有技术中主动式钳位返驰式电源转换器的电路图；
图2为图1主动式钳位返驰式电源转换器之控制信号的时序图；
图3A为本发明半桥谐振直流对直流转换器的第一实施例的电路图；
图3B：为本发明半桥谐振直流对直流转换器的第二实施例的电路图；
图4为本发明半桥谐振直流对直流转换器的控制信号的时序图；
图5为本发明半桥谐振直流对直流转换器的谐振零电压切换的波形示意图；
图6为本发明半桥谐振直流对直流转换器的操作方法的流程图。
图中：10-半桥谐振直流对直流转换器；20-控制单元；Vin-直流输入电源；Vout-直流输出电源；Tr-隔离变压器；Lm-激磁电感；Lr-谐振电感；Cr-谐振电容；Q1-第一开关；Q2-第二开关；Do-输出二极管；Co-输出电容；S1-第一控制信号；S2-第二控制信号；D1-寄生二极管；C1-寄生电容；i1-第一开关汲源极电流；i2-第二开关汲源极电流；v1-第一开关汲源极电压；Qm-主开关；Qa-辅助开关；Sm-主控制信号；Sa-辅助控制信号；t1～t7-时间点；dt1-第一空白时间；dt2-第二空白时间。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
请参见图3A所示，其系为本发明半桥谐振直流对直流转换器之第一实施例的电路图。半桥谐振直流对直流转换器10接收直流输入电源Vin，且转换直流输入电源Vin为直流输出电源Vout；半桥谐振直流对直流转换器10包括隔离变压器Tr、输入侧的谐振电感Lr、谐振电容Cr、第一开关Q1、第二开关Q2、输出侧的输出二极管Do、输出电容Co以及控制单元20。
隔离变压器Tr具有初级侧与次级侧，其中初级侧的线圈与次级侧的线圈的匝数比为n1:n2；此外，初级侧具有激磁电感Lm；谐振电感Lr耦接直流输入电源Vin与初级侧的第一端(例如打点端，然不以此为限制)之间；其中谐振电感Lr系利用变压器Tr的漏电感所实现。
第一开关Q1具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接接地点。在本实施例中，第一开关Q1系为金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)，然不以此为限制。因此，控制端为闸极(gate)、第一端为汲极(drain)以及第二端为源极(source)。
第二开关Q2具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接第一开关Q1的第一端，第一端耦接直流输入电源Vin与谐振电感Lr。在本实施例中，第二开关Q2系为金属氧化物半导体场效晶体管，然不以此为限制，因此，控制端为闸极、第一端为汲极以及第二端为源极。谐振电容Cr耦接第一开关Q1的第一端与初级侧的第二端(例如非打点端)之间。
在第一实施例中，输出二极管Do耦接次级侧的第一端(例如非打点端，然不以此为限制)与非接地输出端之间，即输出二极管Do的阳极端耦接次级侧的第一端，阴极端耦接非接地输出端，以提供次级侧所输出之电压的整流之用。输出电容Co耦接非接地输出端与接地输出端之间，以提供直流输出电源Vout的稳压之用，其中接地输出端为次级侧的第二端(例如打点端)。附带一提，非接地输出端与接地输出端系为提供半桥谐振直流对直流转换器的输出电压的两输出端。
控制单元20提供第一控制信号S1与第二控制信号S2。第一控制信号S1透过第一开关Q1的控制端(即闸极)控制第一开关Q1，第二控制信号S2透过第二开关Q2的控制端(即闸极)控制第二开关Q2。
请参见图3B所示，其系为本发明半桥谐振直流对直流转换器之第二实施例的电路图。图3B所示的第二实施例与图3A所示的第一实施例最主要的差异在于输出侧的输出二极管Do与输出电容Co的连接位置。在第二实施例中，输出二极管Do耦接次级侧的第二端(例如打点端，然不以此为限制)与接地输出端之间，即输出二极管Do的阴极端耦接次级侧的第二端，阳极端耦接接地输出端，以提供次级侧所输出之电压的整流之用。输出电容Co耦接非接地输出端与接地输出端之间，以提供直流输出电源Vout的稳压之用，其中非接地输出端为次级侧的第一端(例如非打点端)。至于其他电路构架皆与图3A相同，可参见图3A相应说明，不加以赘述。
请参见图4所示，其系为本发明半桥谐振直流对直流转换器之控制信号的时序图。以下将针对第一控制信号S1与第二控制信号S2的控制时序加以说明。如图4所示，第一控制信号S1控制第一开关Q1的导通期间(turned-on period)为时间点t3～时间点t4的区间，而截止期间(turned-off period)为时间点t4～时间点t7的区间。第二控制信号S2控制第二开关Q2的导通期间为时间点t1～时间点t2的区间或时间点t5～时间点t6的区间，而截止期间为时间点t2～时间点t5的区间。其中，第一控制信号S1与第二控制信号S2之间具有第一空白时间(dead time)dt1，其为第一控制信号S1由高准位转态为低准位的时间点(对应时间点t4)至第二控制信号S2由低准位转态为高准位的时间点(对应时间点t5)。同样地，第二控制信号S2与第一控制信号S1之间具有第二空白时间dt2，其为第二控制信号S2由高准位转态为低准位的时间点(对应时间点t6)至第一控制信号S1由低准位转态为高准位的时间点(对应时间点t7)。其中上述空白时间亦可称为死区时间、盲区时间…等，为本领域技术人员所公知。
配合图3A或图3B所示的电路构架，第一空白时间dt1系设计为大于第二空白时间dt2。较佳地，第一空白时间dt1可设计为第二空白时间dt2的10倍以上，或至少5倍以上。因此，相较于图1与图2所示的相关技术，本发明所提出的第一控制信号S1与第二控制信号S2不限制为有准位互补的特性，且不限制为第一空白时间dt1与第二空白时间dt2相等的特性。
为方便说明本发明半桥谐振直流对直流转换器的开关元件具有承受低电压的优势，以下将以电压数值为例说明。假设直流输入电源Vin为400伏特。参见图3A或图3B，当第二控制信号S2控制第二开关Q2导通，且第一控制信号S1控制第一开关Q1关断时，第二开关Q2所承受的电压为零，且第一开关Q1所承受的电压恰为直流输入电源Vin的电压值(即400伏特)。至于变压器Tr的漏电感所造成电压突波的能量可完全透过谐振电容Cr吸收。
当第二控制信号S2控制第二开关Q2关断，且第一控制信号S1控制第一开关Q1导通时，第一开关Q1所承受的电压为零，且第二开关Q2所承受的电压恰为直流输入电源Vin的电压值(即400伏特)。
相较于相关技术之主动式钳位返驰式电源转换器(如图1所示)，第一开关Q1所承受的电压为直流输入电源Vin的电压值(当第一开关Q1关断、第二开关Q2导通时)以及第二开关Q2所承受的电压为输入电源Vin的电压值(当第二开关Q2关断、第一开关Q1导通时)，皆小于相关技术的主开关Qm所承受的电压，因此本发明半桥谐振直流对直流转换器的开关元件具有承受低电压的优势，是以，可选用较低耐压(降规格)的第一开关Q1与第二开关Q2，例如450～500伏特耐压，不仅可降低开关元件成本，也由于第一开关Q1与第二开关Q2的导通电阻(RDS(on))较小，使得导通损失(conduction loss)降低，而增加效率。
请参见图5所示，其系为本发明半桥谐振直流对直流转换器之谐振零电压切换的波形示意图。在时间点t5时，第二控制信号S2控制第二开关Q2导通，而第一开关Q1为关断状态。此时，流经第一开关Q1汲源极电流i1为零，而流经第二开关Q2汲源极电流i2则逐渐增大，并且半桥谐振直流对直流转换器开始进入谐振操作。
在时间点t6时，第二开关Q2关断，并且第一开关Q1仍为关断状态，即进入第二空白时间dt2。此时，流经第二开关Q2汲源极电流i2降为零，并且原本为零的第一开关Q1汲源极电流i1则由于第一开关Q1的寄生二极管D1顺偏导通流经顺向电流而瞬间成为负值电流，即顺向电流与第一开关Q1汲源极电流i1流向相反，其中寄生二极管D1具备续流的功能，因此其亦称为续流二极管或飞轮二极管(freewheeling diode)。再者，由于寄生二极管D1顺偏导通，因此第一开关Q1汲源极电压v1为零。借此，在第二空白时间dt2，由于第一开关Q1汲源极电压v1为零，因此第一控制信号S1于时间点t7时控制第一开关Q1导通，以完成零电压切换，借此降低开关的切换损失(switching loss)。此外，藉由第二开关Q2的导通时间，配合第二空白时间dt2，使得在第一开关Q1汲源极电流i1(即谐振电流)由负值增加为零之前(如图5所示介于时间点t6与时间点t7之间，能够使第一开关Q1的寄生电容C1放电完全。
请参见图6所示，其系为本发明半桥谐振直流对直流转换器之操作方法的流程图。半桥谐振直流对直流转换器10的操作方法用以转换直流输入电源Vin为直流输出电源Vout。其中半桥谐振直流对直流转换器10的电路构架可参见前揭说明，在此不再赘述。操作方法包括的步骤为。控制单元20提供第一控制信号S1控制第一开关Q1以及提供第二控制信号S2控制第二开关Q2(S10)。然后，控制单元20提供第一空白时间dt1于第一控制信号S1与第二控制信号之间S2(S20)。其中第一空白时间dt1系为第一控制信号S1由高准位转态为低准位的时间点至第二控制信号S2由低准位转态为高准位的时间点。
再者，控制单元20提供第二空白时间dt2于第二控制信号S2与第一控制信号S1之间(S30)。其中第二空白时间dt2系为第二控制信号S2由高准位转态为低准位的时间点至第一控制信号S1由低准位转态为高准位的时间点。其中第一空白时间dt1大于第二空白时间dt2。较佳地，第一空白时间dt1可设计为第二空白时间dt2的10倍以上，或至少5倍以上。
借此，透过第一控制信号S1与第二控制信号S2的控制策略对图3A或图3B所示的半桥谐振直流对直流转换器进行控制，以实现谐振操作与开关元件的零电压切换。
综上所述，本发明具有以下之特征与优点：
1、可选用较低耐压(降规格)的开关元件，不仅可降低开关元件成本，也可使得导通损失降低，增加效率。
2、可选用较小容值的谐振电容，以降低电路体积。
3、透过开关元件的零电压切换，以降低开关元件的切换损失，增加效率。
以上所述，仅为本发明较佳具体实施例之详细说明与图式，惟本发明之特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明之所有范围应以下述之申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围之精神与其类似变化之实施例，皆应包含于本发明之范畴中，任何熟悉项技艺者在本发明之领域内，可轻易思及之变化或修饰皆可涵盖在以下本案之专利范围。
Claims (14)
1.半桥谐振直流对直流转换器，用以转换直流输入电源为直流输出电源；其特征在于：半桥谐振直流对直流转换器包括隔离变压器、谐振电感、第一开关、第二开关、谐振电容以及控制单元；隔离变压器具有初级侧与次级侧；谐振电感耦接直流输入电源与初级侧的第一端之间；第一开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接接地点；第二开关具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接第一开关的第一端，第一端耦接直流输入电源与谐振电感；谐振电容耦接第一开关的第一端与初级侧的第二端之间；控制单元提供第一控制信号与第二控制信号，其中第一控制信号透过第一开关的控制端控制第一开关，第二控制信号透过第二开关的控制端控制第二开关。
2.根据权利要求1所述的半桥谐振直流对直流转换器，其特征在于：第一控制信号与第二控制信号之间具有第一空白时间，第二控制信号与第一控制信号之间具有第二空白时间；其中第二空白时间小于第一空白时间。
3.根据权利要求2所述的半桥谐振直流对直流转换器，其特征在于：第一空白时间系为第一控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第二控制信号由低准位转态为高准位的时间点；第二空白时间系为第二控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第一控制信号由低准位转态为高准位的时间点。
4.根据权利要求1所述的半桥谐振直流对直流转换器，其特征在于：第二开关导通时，开始产生谐振操作。
5.根据权利要求4所述的半桥谐振直流对直流转换器，其特征在于：谐振操作的时间大于第二开关导通的时间，且小于或等于第二开关导通的时间与第二空白时间的总和。
6.根据权利要求3所述的半桥谐振直流对直流转换器，其特征在于：第二空白时间为第一开关零电压切换的时间。
7.根据权利要求1所述的半桥谐振直流对直流转换器，其特征在于：半桥谐振直流对直流转换器还包括：输出二极管，耦接次级侧的第一端与非接地输出端之间；及输出电容，耦接非接地输出端与接地输出端之间，其中接地输出端为次级侧的第二端。
8.根据权利要求1所述的半桥谐振直流对直流转换器，其特征在于：半桥谐振直流对直流转换器还包括：输出二极管，耦接次级侧的第二端与接地输出端之间；及输出电容，耦接非接地输出端与接地输出端之间，其中非接地输出端为次级侧的第一端。
9.半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，用以转换直流输入电源为直流输出电源，其特征在于：半桥谐振直流对直流转换器包括第一开关、第二开关以及控制单元；操作方法包括：控制单元提供第一控制信号控制第一开关以及提供第二控制信号控制第二开关；控制单元提供第一空白时间于第一控制信号与第二控制信号之间；及控制单元提供第二空白时间于第二控制信号与第一控制信号之间，其中第二空白时间小于第一空白时间。
10.根据权利要求9所述的半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，其特征在于：半桥谐振直流对直流转换器更包括：
隔离变压器，具有初级侧与次级侧；
谐振电感，耦接直流输入电源与初级侧的第一端之间；
第一开关，具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接接地点；
第二开关，具有第一端、第二端以及控制端，其中第二端耦接第一开关的第一端，第一端耦接直流输入电源与谐振电感；
谐振电容，耦接第一开关的第一端与初级侧的第二端之间；
及控制单元，提供第一控制信号透过第一开关的控制端控制第一开关，提供第二控制信号透过第二开关的控制端控制第二开关。
11.根据权利要求9所述的半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，其特征在于：第一空白时间系为第一控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第二控制信号由低准位转态为高准位的时间点；第二空白时间系为第二控制信号由高准位转态为低准位的时间点至第一控制信号由低准位转态为高准位的时间点。
12.根据权利要求9所述的半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，其特征在于：当第二开关导通时，开始产生谐振操作。
13.根据权利要求12所述的半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，其特征在于：谐振操作的时间大于第二开关导通的时间，且小于或等于第二开关导通的时间与第二空白时间的总和。
14.根据权利要求12所述的半桥谐振直流对直流转换器的操作方法，其特征在于：第二空白时间为第一开关零电压切换的时间。
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