CN111525802B - 变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种变换装置，其包含输入电容、一次侧开关电路、磁性元件电路、二次侧开关电路及输出电容。一次侧开关电路包含第一正电压端及第一负电压端。第一正电压端耦接于输入电压的一端，第一负电压端与第一正电压端一同耦接于输入电容。磁性元件电路耦接于一次侧开关电路。二次侧开关电路耦接于磁性元件电路。二次侧开关电路包含第二正电压端及第二负电压端。第二正电压端耦接于第一负电压端。第二负电压端耦接输入电压的另一端，并与第二正电压端一同输出输出电压。输出电容耦接于二次侧开关电路。因变换装置的第一负电压端与第二正电压端短接带来的变压器变比的变化，减小变压器原边绕组的匝数，同时减小了变压器的导通损耗，提升了变换器的转换效率。

Description

变换装置
技术领域
本案是有关于一种电压转换装置，且特别是有关于一种变换装置。
背景技术
为了进一步提高***变换的效率，母线变换器常常使用带变压器的变换器方案，如传统的脉冲宽度调变(pulse width modulation,PWM)硬开关电路拓扑、LLC串联谐振电路、带变压器的开关电容变换器的电路…等。这些母线变换器并不要求变压器原边和副边隔离。在传统应用中，一般将输入地Vin-端和输出地Vo-端短接在一起，可以方便原副边的地线布置，有利于原副边开关的驱动信号设置。然而，在这些应用中，原边电流经由Vin-端流入地线，将造成一定的损耗。
由此可见，上述现有的方式，显然仍存在不便与缺陷，而有待改进。为了解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道，以满足对变换器的高效率和高功率密度的需求。
发明内容
发明内容旨在提供本揭示内容的简化摘要，以使阅读者对本揭示内容具备基本的理解。此发明内容并非本揭示内容的完整概述，且其用意并非在指出本案实施例的重要/关键元件或界定本案的范围。
为达上述目的，本案内容的一技术态样是关于一种变换装置，其包含输入电容、一次侧开关电路、磁性元件电路、二次侧开关电路及输出电容。一次侧开关电路包含第一正电压端及第一负电压端。第一正电压端耦接于输入电压的一端，第一负电压端与第一正电压端一同耦接于输入电容。磁性元件电路耦接于一次侧开关电路。二次侧开关电路耦接于磁性元件电路。二次侧开关电路包含第二正电压端及第二负电压端。第二正电压端耦接于第一负电压端。第二负电压端耦接于输入电压的另一端，并与第二正电压端一同输出输出电压。输出电容耦接于二次侧开关电路。
在一实施例中，该磁性元件电路的该变压器包含至少一磁芯、至少一一次侧绕组及至少一二次侧绕组。至少一一次侧绕组耦接于该一次侧开关电路。至少一二次侧绕组耦接于该二次侧开关电路，其中该至少一一次侧绕组与该至少一二次侧绕组通过该至少一磁芯耦合。
在一实施例中，该一次侧开关电路包含一全桥电路。
在一实施例中，该一次侧开关电路包含一半桥电路。
在一实施例中，该变压器的该至少一二次侧绕组包含至少两个绕组，其中该至少两个绕组彼此串联，且该至少两个绕组的一连接点包含一中心抽头，其中该变压器的该至少一二次侧绕组与该二次侧开关电路形成一中心抽头全波整流电路。
在一实施例中，该二次侧开关电路包含一全桥整流电路。
在一实施例中，该变换装置还包含输入电感。输入电感与该输入电容一同接收该输入电压。
在一实施例中，变换装置还包含控制装置。控制装置包含控制器、至少一自举电路、至少一驱动电路及至少一第二驱动电路。控制器用以输出至少一脉宽控制信号，其中该脉宽控制信号的参考地为该第二负电压端。至少一自举电路用以依据该至少一脉宽控制信号、至少一第一供电信号以产生至少一控制信号以及至少一第二供电信号，其中该控制信号的参考地为该第二正电压端。至少一第一驱动电路用以依据该至少一控制信号以及该至少一第二供电信号以产生至少一第一驱动信号以驱动该一次侧开关电路。至少一第二驱动电路用以依据该至少一脉宽控制信号以及该至少一第一供电信号以产生至少一第二驱动信号以驱动该二次侧开关电路。
在一实施例中，变换装置还包含控制装置。控制装置包含控制器、至少一隔离电路、至少一隔离电源、至少一驱动电路及至少一第二驱动电路。控制器用以输出至少一脉宽控制信号，其中该脉宽控制信号的参考地为该第二负电压端。至少一隔离电源用以提供至少一第一供电信号和第二供电信号。至少一隔离电路用以依据该至少一第一供电信号和该至少一脉宽控制信号以产生至少一控制信号，其中该控制信号的参考地为该第二正电压端。至少一第一驱动电路用以依据该至少一控制信号以及该至少一第二供电信号以产生至少一第一驱动信号以驱动该一次侧开关电路。至少一第二驱动电路用以依据该至少一脉宽控制信号以及该至少一第一供电信号以产生至少一第二驱动信号以驱动该二次侧开关电路。
在一实施例中，该至少一第一驱动信号的参考地为该第二正电压端，且该至少一第二驱动信号的参考地为该第二负电压端。
因此，根据本案的技术内容，本案实施例通过提供一种变换装置，因为变换装置的原边(一次侧)的第一负电压端与副边(二次侧)的第二负电压端短接带来的变压器变比的变化，减小了变压器原边绕组的匝数，同时减小了变压器的导通损耗，提升了变换器的转换效率。
在参阅下文实施方式后，本案所属技术领域中具有通常知识者当可轻易了解本案的基本精神及其他发明目的，以及本案所采用的技术手段与实施态样。
附图说明
为让本案的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：
图1A是依照本案一实施例绘示一种变换装置的电路示意图；
图1B是依照本案一实施例绘示一种变换装置的控制装置的电路示意图；
图2是依照本案一实施例绘示一种变换装置的驱动波形示意图；
图3是依照本案一实施例绘示一种如第1图所示的控制装置的自举电路示意图；
图4是依照本案一实施例绘示一种自举电路的驱动波形示意图；
图5是依照本案一实施例绘示一种变换装置的电路示意图；
图6A是依照本案一实施例绘示一种变换装置的电路示意图；
图6B是依照本案一实施例绘示一种变换装置的控制装置的电路示意图；
图7是依照本案一实施例绘示一种变换装置的电路方块示意图；
图8是依照本案一实施例绘示一种变换装置的电路方块示意图。
根据惯常的作业方式，图中各种特征与元件并未依比例绘制，其绘制方式是为了以最佳的方式呈现与本案相关的具体特征与元件。此外，在不同附图间，以相同或相似的元件符号来指称相似的元件/部件。
具体实施方式
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本案的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本案具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其他具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
除非本说明书另有定义，此处所用的科学与技术词汇的含义与本案所属技术领域中具有通常知识者所理解与惯用的意义相同。此外，在不和上下文冲突的情形下，本说明书所用的单数名词涵盖该名词的复数型；而所用的复数名词时亦涵盖该名词的单数型。
另外，关于本文中所使用的“耦接”，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1A是依照本案一实施例绘示一种变换装置的电路示意图。如图所示，变换装置100包含输入电感L1、输入电容C1、一次侧开关电路110、磁性元件电路、二次侧开关电路130及输出电容C2。一次侧开关电路110包含第一正电压端及第一负电压端。二次侧开关电路130包含第二正电压端及第二负电压端，其中输入电压Vin载入于第一正电压端和第二负电压端之间，输出电压Vo载入于第二正电压端和第二负电压端之间。
于结构上，一次侧开关电路110的第一正电压端与第一负电压端一同耦接于输入电容C1。磁性元件电路耦接于一次侧开关电路110。二次侧开关电路130耦接于磁性元件电路。二次侧开关电路130的第二正电压端耦接于一次侧开关电路110的第一负电压端。二次侧开关电路130的第二正电压端与第二负电压端一同输出输出电压Vo。输出电容C2耦接于二次侧开关电路130。
换言之，本案的变换装置100具有变压器，且一次侧开关电路110与二次侧开关电路130可不需要隔离，如图1A所示，一次侧开关电路110的第一负电压端与二次侧开关电路130的第二正电压端短接。
在一实施例中，请参阅图1A，磁性元件电路120的变压器包含至少一磁芯、至少一一次侧绕组T1、至少一二次侧绕组包含至少两个绕组T2、T3。至少一一次侧绕组T1耦接于一次侧开关电路110。至少两个绕组T2、T3耦接于二次侧开关电路130。至少一一次侧绕组T1与至少两个绕组T2、T3通过至少一磁芯耦合。在另一实施例中，一次侧开关电路110以全桥开关电路来实现，二次侧开关电路130以全波整流电路来实现。此外，磁性元件电路120的变压器的至少两个绕组T2、T3彼此串联，且至少两个绕组T2、T3的一连接点包含中心抽头，磁性元件电路120的变压器的至少一二次侧绕组与二次侧开关电路130形成中心抽头全波整流电路。在其余实施例中，二次侧开关电路130包含全桥整流电路。
在隔离的变换装置(图中未示)中，变换装置的变压器的原边和副边(即一次侧与二次侧)绕组的变比为N:1:1，此变换器的副边电流Is＝N·(Ip-Ilm)，这里的振荡电流Ip为流经一次侧开关电路110的开关的电流总和(即图2所示电流Ip1+Ip2)，Ilm为流经变压器原边绕组的激磁电流。请参阅图1A，因为原边电流经原边绕组而流入副边的第二正电压端，原边变压器绕组两端的电压Vp＝Vin-Vo，如果实现相同的变换器输出功率，变压器的原副边绕组的变比为(N-1)：1：1即可。请参阅图2，其是依照本案一实施例绘示一种变换装置100的驱动波形示意图，输出电流Is由两部分构成，一部分为原边电流直接流入副边负载，另一部分为原边电流通过变压器传递到副边的电流。以期间t1-t2为例，开关M1、M3和M5开通时，原边流入副边的第二正电压端的电流为(Ip1-Ilm)，经过变压器传递到副边的电流为(N-1)·(Ip1-Ilm)，副边电流Is＝N·(Ip1-Ilm)。由此可见，虽然变压器变比T1:T2:T3变为(N-1)：1:1，但同样能实现相同的能量传递。尚且，由于变压器原边绕组匝数减小，可以减小原边绕组的导通阻抗，即可减小原边绕组的导通损耗为原来导通损耗的
Figure GDA0003121536910000051
对副边而言，因为流经副边的电流减小为原来副边电流的
Figure GDA0003121536910000052
副边绕组的导通损耗也同时降低为原来导通损耗的
Figure GDA0003121536910000053
因为原边的第一负电压端与副边的第二正电压端短接带来的变压器变比的变化，减小了变压器原边绕组的匝数，同时减小了该变压器的导通损耗，提升了变换器的转换效率。
若将原边的第一负电压端与副边的第二正电压端短接后，输入电压跨接在Vin+端与Vo-端之间，原副边开关不能应用共地驱动方式，原边开关的驱动信号应以Vo+端为参考地。在一实施例中，请同时参阅图1A与图1B中变压装置100与控制装置200的部分，脉宽控制信号Dri1和Dri2是由控制器210产生的脉宽控制信号，该两个信号的低电平为0，高电平为VCC，其中，脉宽控制信号以第二负电压端为参考地。脉宽控制信号Dri1和Dri2可以经由驱动电路235产生驱动信号Lo3和Lo4分别用来驱动副边开关M5和M6。对于原边开关，需要通过自举电路221、223产生以第二正电压端Vo+为参考地供电和控制信号。如图2所示，脉宽控制信号Dri1和Dri2通过自举电路221、223产生以第二正电压端Vo+为参考地的的控制信号Dri11和Dri12和供电信号VDD，该控制信号Dri11和Dri12与供电信号VDD以第二正电压端Vo+端为参考地。这里为了便于比对，该控制信号Dri11和Dri12同脉宽控制信号Dri1和Dri2一样，相对于第二负电压端Vo-端的波形展示于图2，该控制信号Dri11和Dri12的低电平为Vo，高电平为VDD，此处的供电信号VDD相对于第二负电压端Vo-端的电压值为VCC+Vo，这里，电压Vo为第二正电压端Vo+端与第二负电压端Vo-端之间的电压差。控制信号Dri11经由驱动电路231和233产生驱动信号Ho1和Lo2分别用来驱动原边开关M1和M3，控制信号Dri12经由驱动电路231和233产生驱动信号Ho2和Lo1用来驱动原边开关M2和M4。上述驱动电路231、233的“地”脚位接至变换器的第二正电压端。
图3是依照本案一实施例绘示一种如图1B所示的控制装置200的自举电路221、223示意图。如图所示，以脉宽控制信号Dri1产生控制信号Dri11为例，脉宽控制信号Dri2产生控制Dri12的原理相同。在图3的原理示意图中，输入信号为脉宽控制信号Dri1，供电信号VCC和电压信号Vo，该控制信号Dri1，供电信号VCC和电压信号Vo以第二负电压端Vo-为参考地。输出信号为控制信号Dri11和供电信号VDD，该控制信号Dri11和供电信号VDD以第二正电压端Vo+为参考地。可参照图4，其是依照本案一实施例绘示一种自举电路221、223的驱动波形示意图，脉宽控制信号Dri1为0时，电压信号Vo通过二极体D1给电容C1充电，此时电压Vc1为Vo-VD，上述VD为二极体压降，电压信号Vo为第二正电压端Vo+端与第二负电压端Vo-端之间的电压差。当脉宽控制信号Dri1为高时，通过N倍的隔离放大电路225、227(N≥1)，此时的Vc1为N·Vcc叠加Vo-VD，即Vc1＝N·Vcc+Vo-VD；此时Vc1大于供电信号VDD的电压，二极体D2导通，Vc1通过二极体D2给电容C2充电。如此经过数个周期后，供电信号VDD的电压即可等于N·Vcc+Vo-2·VD，(N≥1)。同时脉宽控制信号Dri1经过另一路隔离放大电路，产生一路基于第二正电压端Vo+的控制信号Dri11。
在上述原边的第一负电压端与副边的第二正电压端短接的应用中，对相同输入输出条件的变换器，只有变压器的变比由N:1：1变为(N-1)：1:1，原边驱动信号以第二正电压端Vo+为参考地的，其电压电流波形并没有变动。
图5是依照本案一实施例绘示一种变换装置100的电路示意图。如图5所示，可采用隔离电源300产生VCC供电和VDD供电，其中供电VCC以第二负电压端为参考地，供电VDD以第二正电压端为参考地。隔离电路241和243根据脉宽控制信号Dri1和Dri2产生控制信号Dri11和Dri12，其中参考地由副边第二负电压端变为第二正电压端。此处的驱动电路231、233、235与第1图实施例中的驱动电路231、233、235相同。
在另一实施例中，原边可以为半桥电路，如图6A所示，其是依照本案一实施例绘示一种变换装置的电路示意图。另外，图6B是依照本案一实施例绘示一种变换装置的控制装置的电路示意图。同样，脉宽控制信号Dri1和Dri2经由自举电路221、223或隔离电路241、243产生以第二正电压端Vo+为参考地的控制信号Dri11和Dri12(在图6B的实施例是以自举电路221、223来举例，然本案亦可如图5一般，采用隔离电源300配合隔离电路241、243)，参考地也由第二负电压端变为第二正电压端，然后再利用驱动电路231产生相对应的驱动信号Ho1和Lo1去控制半桥电路上下开关的开通和关断。其他元件可参考图1A及图1B实施例。副边可以为全波整流电路或者半波整流电路。更进一步，本案所揭露的第一负电压端与第二正电压端短接的应用适用于如图7带变压器的变换器，且原副边不需要隔离的应用例，都可以应用第一负电压端与第二正电压端短接的方法，另外，如图8所示，此实施例的变压器的原副边绕组变比也由原来的N：1变为(N-1)：1，同样可以达到上文所述的功效。
由上述本案实施方式可知，应用本案具有下列优点。本案实施例通过提供一种变换装置，借以控制方法的改变并通过变压器原副边不同的短接方式，减小该变换器中感性器件的尺寸，同时减小该感性器件产生的损耗，进而满足对变换器的高效率和高功率密度的需求。
值得注意的是，虽上述实施例中变换装置的一次侧与二次侧以变压器的原边和副边举例说明，但亦可为变压器的副边和原边，在此不做限制。
虽然上文实施方式中揭露了本案的具体实施例，然其并非用以限定本案，本案所属技术领域中具有通常知识者，在不悖离本案的原理与精神的情形下，当可对其进行各种更动与修饰，因此本案的保护范围当以附随权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种变换装置，其特征在于，包含：
一输入电容；
一一次侧开关电路，包含：
一第一正电压端，耦接于一输入电压的一端；以及
一第一负电压端，与该第一正电压端一同耦接于该输入电容；
一磁性元件电路，耦接于该一次侧开关电路；
一二次侧开关电路，耦接于该磁性元件电路，包含：
一第二正电压端，耦接于该第一负电压端；以及
一第二负电压端，耦接于该输入电压的另一端，并与该第二正电压端一同输出一输出电压；以及
一输出电容，耦接于该二次侧开关电路。
2.根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于，该磁性元件电路的变压器包含：
至少一磁芯；
至少一一次侧绕组，耦接于该一次侧开关电路；以及
至少一二次侧绕组，耦接于该二次侧开关电路，其中该至少一一次侧绕组与该至少一二次侧绕组通过该至少一磁芯耦合。
3.根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于，该一次侧开关电路包含一全桥电路。
4.根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于，该一次侧开关电路包含一半桥电路。
5.根据权利要求2所述的变换装置，其特征在于，该变压器的该至少一二次侧绕组包含至少两个绕组，其中该至少两个绕组彼此串联，且该至少两个绕组的一连接点包含一中心抽头，其中该变压器的该至少一二次侧绕组与该二次侧开关电路形成一中心抽头全波整流电路。
6.根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于，该二次侧开关电路包含一全桥整流电路。
7.根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于，还包含：
一输入电感，与该输入电容一同接收该输入电压。
8.根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于，还包含：
一控制装置，包含：
一控制器，用以输出至少一脉宽控制信号，其中该脉宽控制信号的参考地为该第二负电压端；
至少一自举电路，用以依据该至少一脉宽控制信号、至少一第一供电信号以产生至少一控制信号以及至少一第二供电信号，其中该控制信号的参考地为该第二正电压端；以及
至少一第一驱动电路，用以依据该至少一控制信号以及该至少一第二供电信号以产生至少一第一驱动信号以驱动该一次侧开关电路；
至少一第二驱动电路，用以依据该至少一脉宽控制信号以及该至少一第一供电信号以产生至少一第二驱动信号以驱动该二次侧开关电路。
9.根据权利要求1所述的变换装置，其特征在于，还包含：
一控制装置，包含：
一控制器，用以输出至少一脉宽控制信号，其中该脉宽控制信号的参考地为该第二负电压端；
至少一隔离电源，用以提供至少一第一供电信号和第二供电信号；
至少一隔离电路，用以依据该至少一第一供电信号和该至少一脉宽控制信号以产生至少一控制信号，其中该控制信号的参考地为该第二正电压端；
至少一第一驱动电路，用以依据该至少一控制信号以及该至少一第二供电信号以产生至少一第一驱动信号以驱动该一次侧开关电路；以及
至少一第二驱动电路，用以依据该至少一脉宽控制信号以及该至少一第一供电信号以产生至少一第二驱动信号以驱动该二次侧开关电路。
10.根据权利要求8或9所述的变换装置，其特征在于，该至少一第一驱动信号的参考地为该第二正电压端，且该至少一第二驱动信号的参考地为该第二负电压端。
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