TW200941909A - A resonant power converter and related method - Google Patents

Description

200941909 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種DC共振式電力轉換器，以及特別 關於一種可用來降低雜訊及使用較小構件而可執行零電壓 切換（ZVS)之DC共振式電力轉換器。 然而，關於本申請案之此預期的應用領域並不被侷限 於此揭露之意義。 【先前技術】 多數具有低電壓輸出之絕緣AC/DC與DC/DC轉換器中 之最有效拓撲之一爲共振絕緣半橋（HB)。在一般共橋級與 共振HB級間之差異在文獻中爲習知。此亦應用至稍後解 決方式相關聯之優點，亦即，較高效率及能量密度（例如， 由於該等開關之零電壓切換或ZVS操作，在槽內儲存及釋 出後正弦或半正弦波形及能量再循環）以及較低的EMI(電 磁干擾）擾動放射。 共振絕緣半橋可由HB絕緣級附加共振槽來構成，其 架構包括： -具有二個開關之一次側半橋支部以及解耦電容器； -具有例如中央抽頭二次繞組之絕緣變壓器；以及 -二次側整流濾波級。 共振槽可由二個或多個電感性及/或電容性構件所構 成，其以不同組合連接而造成不同類型的並聯或串聯共振 結構。此共振結構之存在造成該轉換器之增益取決於該半 橋之切換頻率。在最簡單的實施例中，共振槽可僅包括二 200941909 個構件（亦即一電感器以及一電容器）以及可造成取決於該 絕緣變壓器關於該槽之位置的串聯或並聯共振。 在操作時，該等開關可藉由一具有50%責務周期及無 效時間的方波來驅動，用以避免開關內之交叉導通以及達 到ZVS情況。電壓控制振盪器（VCO)可藉由改變該半橋之 切換頻率來控制該轉換器之輸出電壓。 ' 文獻第EP_A-1120896號爲在此所考量之一般先前技術 ' 之代表。 ❹ 實際應用所追求之基本目標可爲用以降低所使用之構 件數量及尺寸，以及用以儘可能增加整個階段的效率。保 持儘可能低的EMI放射爲另一期望特徵。 此可能意味著例如將所散逸之功率均勻分配於所有構 件上以及以相同構件整合出不同功能。 爲了增加該等一般低壓高電流轉換器之效率，倍流器 級可以輸出整流級來取代。此解決方式造成流入該變壓器 之二次側的電流降低以及該變壓器內之該中央抽頭的排 ® 除，如此藉由附加一第二輸出電感器而相繼造成效率增加 以及該變壓器之簡化與減少尺寸。 進一步試圖降低構件之數量涉及著降低該HB電容器 之電容値，如此允許讓其成爲該共振槽的一部分’而非使 用一第三構件。另一個減少構件數量之方式涉及使用該絕 緣變壓器之寄生參數，諸如漏感或磁化電感’作爲該共振 槽之一部分，因而可避免使用外加電感器而提供串聯或並 聯諧振》 200941909 【發明内容】 雖然前述之該等解決方式代表可實行之解決方式，申 請人觀察到：在相同構件中整合不同功能可導致所考量之 構件中功率散逸的增加，因此需要增加該構件之尺寸。更 具體地說，將該共振作用整合於該絕緣變壓器內會是困難 的。此或許是因爲該變壓器由於其保證在該一次及該二次 - 側之間的適當電流絕緣之重要性而已呈現相當大的尺寸之 . 故，特別是在低壓應用的情況下更是如此。 0 因此，本發明之目的係提供一種解決方式，其可免除 前述習知之解決方式之缺失。 依照本發明，該目的係藉由一種具有下列申請專利範 圍中所述之特徵來達成。該揭示也關於一相對應方法。 該等申請專利範圍爲在此所提供之本發明揭示的完整 部分。 因而，在此所揭示之該配置之實施例爲一種共振轉換 器，其包括一共振槽，由該變壓器之一次側（或一次與二次 Φ 側二者）上之一或多個電容器及倍流器輸出整流級之該等 - 電感器所構成。 . 在一實施例中，共振可在該變壓器之一次側上的該橋 式配置（半橋或全橋）之解耦電容器與該二次側上之倍流器 之該（等）電感器之間產生。 在一實施例中，該半橋之操作頻率可接近該共振頻 率，其中該共振頻率依序取決於該等電容器之値與該等電 感器之値乘以該變壓器之阻抗轉換比。 在一代表性實施例中，該變壓器之寄生磁化及漏感並 200941909 沒有包括在該共振槽之構成中。 事實上，這些電感値係分別遠大於及遠小於自該一次 側看入之該共振線圈之電感値。 在一實施例中，在該倍流器之電感器與該等解耦電容 器之間的該共振槽產生一共振頻率範圍，亦即，一群鐘形 增益，其取決於包含該切換頻率fsw之該轉換器之負載。 • 該轉換器之負載界定工作條件又及對應之切換頻率 . f S W。 Q 在一實施例中，爲了避免該半橋之操作頻率內之微量 改變會造成輸出電力上的改變，該輸出電力可藉由回授信 號與一VCO被控制 在此，關於所揭示之配置的主要優點爲： -由於該共振槽不需爲該目的而新增特定元件，故可限 制元件數目； -該等電力損失係被分配於該變壓器以及該倍流器之 電感器中； @ -該轉換器爲簡單設計並且該絕緣變壓器可被減小至 - 小尺寸（於單一的二次繞組之鐵酸鹽內沒有間隙）’然而也 . 沒有電磁電流流通及浪費。 -可EMI放射爲低的。 在實際應用中，此會導致整個轉換器尺寸的減少。此 也會導致電路以及PCB布局之複雜度的降低’以及成本的 降低（較小及較簡單的緣絕變壓器’沒有共振電感器）° 【實施方式】 現在僅藉由例示並參照隨附圖式將說明本發明之實施 200941909 例。 在下列說明中’給定許多特定細節以對實施例提供通 盤的了解。該等實施例可以不一或多個該等特定細節、或 以其它方法、構件、材料等被實施。在其它例示中，沒有 顯示或詳細說明已知之結構、材料、或操作，以避免模糊 該等實施例之方向。 在整篇說明書中參照其中” 一個實施例》或，，一實施例” - 意指關於實施例所述之特定特徵、結構、或特性可包括在 〇 至少一個實施例中。因此’在遍及此說明書之各個地方中 所出現之”在一實施例中”或”在實施例中，，之措辭並不必然 均參照相同實施例。此外，該等特定特徵、結構、或特性 可在一或多個實施例中以任何適當方式予以結合。 在第1圖之方塊圖中’元件符號10係表示整個共振絕 緣半橋（HB)轉換器，其包括： 次側半橋支部，具有二個開關SI、S2以及解稱電 容器 Crl、Cr2; 〇 -絕緣變壓器Τ1，具有跨接該等開關si、S2以及該半 ' 橋配置之解耦電容器Crl、Cr2之間之中間點的一次繞組； - 以及 -二次側整流濾波級，與該變壓器T1之二次繞組相連 結；該整流濾波級包括二個整個整流器二極體Dl、D2以及 具有二個電感器Lrl、Lr2之LC濾波器，以及輸出電容器 Cout。此一整流濾波級供應倍流器操作。 在此所使用之名詞”一次側”以及”二次側”係顯然關於 該變壓器之一次及二次繞組。 -10- 200941909 雖然藉由例示顯示一具有二開關SI、S2以及解耦電容 器Crl、Cr2之半橋配置，但將被了解的是，本揭示之電路 拓撲可被延伸爲諸如半橋配置。 不論該橋式配置之性質，包括於其中之至少二個開關 SI、S2係於一輸入DC電壓Vin上作用以及顯示與其相連 結之反向二極體。 - Rload代表由該轉換器10所驅動之例示負載（例如，包 . 括一或多個發光二極體或LEDs之LED胞元）之電阻値。將 φ 被了解的是，儘管在此之圖示係爲了有助於了解發明說 明，但此一負載並不代表該轉換器10之本質上的一部分。 在該一次側切換配置內之該等開關，諸如第1及3圖 中之例示半橋配置內之該等開關 S1、S2，可由諸如 MOSFETs、BJTs之固態開關所構成。這些開關可藉由具有 例如50%責務周期及無效時間之方波來驅動，以避免該等 開關內之交叉導通並達到ZVS條件。 如第1圖中雙箭頭之示意顯示，在此所揭示之該配置 φ 的實施例爲一共振轉換器，其包括由該變壓器之一次側（或 • 該一次與二次側二者）上之一或多個電容器以及倍流器輸 出整流級之電感器所構成之”共振槽（resonant tank)”。 在一實施例中，該槽內之共振可於該變壓器之一次側 上的半橋解耦電容器（例如，Crl、Cr2)及該二次側上之倍流 器之電感器（例如，Lrl、Lr2)之間被產生。 因此，產生之共振情況與該半橋之操作頻率有關聯。 在一實施例中，該半橋之操作（亦即切換）頻率fsw可接近該 共振頻率fr，其依序取決於該等電容器Crl、Cr2之値與該 -11- 200941909 等電感器Lrl、Lr 2之値乘上該變壓器之阻抗轉換比。 在一實施例中，該變壓器之寄生磁化及漏磁電感不包 括在該共振槽之構成內：事實上這些電感値係分別遠大於 且遠低於自該一次側看過去的該共振線圏之電感値。 在一實施例中，在該倍流器之電感器與該等解耦電容 器之間的共振槽可帶來一群取決於該轉換器之負載的鐘形 - 增益。該轉換器之負載界定該工作條件Q及對應切換頻率 • fs w。 ❹ Crl、Cr2之例示値可爲6800pF，然而Lrl、Lr2之例示 値可爲40mH。在該變壓器T1之例示阻抗轉換比（n2/nl)等 於4.5時，此導致fr値約爲48kHz，然而fsw之例示値可約 爲 80kHz 。 第2圖之曲線圖爲例示表示該轉換器之增益（縱座標） 爲頻率（橫座標）之函數。該曲線圖呈現一共振電路之一般 鐘形表現，其係以該共振頻率fr爲中心且將該操作/切換頻 率fsw設置並選定在該共振槽之共振範圍內，以確認該期 Q 望工作條件（亦即，期望增益範圍）Q。 • 在第3圖所示之實施例中，爲了避免該半橋之操作頻 . 率fsw內之輕微改變會造成輸出電力的改變，故可藉由自 該負載Rload與一 VCO所得到之回授信號（以習知方式）來 控制該輸出電力。該回授信號係饋送至具有增益K之調節 器，以及饋送至電壓控制振盪器或VC0，其中該VC0作用 在該等開關SI、S2之閘極上，於二個切換爲ON之事件間 以適當的無效時間產生交替切換（0N/0FF。邏輯反相器in v 係配置在該等開關SI、S2之閘極間，以確保期望之互補切 -12- .200941909 換’亦即，依照ZVS(零電壓切換）模式，當開關S2切換爲 OFF(或ON)時，開關S1切換爲ON(或OFF))。 在此所揭示之該配置之操作現在將參照第4到6圖中 所示之等效模式來說明，其中所參照之該轉換器10之模式 係自該變壓器T1之一次側看入》 二個不同的等效模式可依該等輸出二極體之條件狀態 ' 來界定。在每一模式中，該等輸出電感器之一係處於共振 - 且與該負載串聯，然而其它電感器與該負載並聯。 Q 該變壓器之模式包括一次漏感Lleak卜磁化電感Lmag 以及二次漏感Lleak2。該變壓器之磁化電感相較於其餘者 來說是較大的，因而可被忽略。在此方式下，該二次繞組 之漏感可與該一次漏感串聯，且其可被考量爲僅一構成 Lleak。如前所述，此電感器可非爲該共振槽的一部分，但 其（與該等電容器Cpl與Cp2)有助於該等開關S1與S2之 ZVS作用。

Dfl與Df2爲飛輪二極體，其可或不可爲該等開關（如 q MOSFETs)Sl、S2之一部分。Cpl與Cp2可爲該等開關與外 - 部電容器之寄生電容。 . 簡言之，第4圖係表示二個等效架構（具有Lleakl、

Lleak2以及Lmag)之一，然而第5及6圖係顯示不具Lmag 之該轉換器之二個等效電路架構。 藉由參照該半橋之時序（包括具有Cpl與Cp2之放電相 位以及滑行（freewheeling)相位之無效時間（dead-time))以及 流入該倍流器之電感器Lrl、Lr2之電流方向，該轉換器10 之周期性操作可被分成十個不同相位或區間，藉由時間常 -13- 200941909 數TO... T9來界定》以下表表示此分隔。 導通相位之槪要：

閘極S1 (上方 MOS) 聞極S2 (下方 MOS) I (上方 MOS) I (下方 MOS) MOS 相位 I(Lrl) L(Lr2) I (漏感L) 二極體 D2 二極體 D T0-T1 OFF OFF Neg 無 FW Neg Pos Neg ON OFF T1-T2 ON OFF Neg 無 FW Neg Pos Neg ON OFF T2-T3 ON OFF Pos Λτττ m Dir Neg Neg Pos ON OFF T3-T4 ON OFF Pos JrrT m Dir Pos Neg Pos ON OFF T4-T5 OFF OFF Pos Neg CPar Pos Neg Pos OFF ON T5-T6 OFF OFF Arrt 無 Neg FW Pos Neg Pos OFF ON T6-T7 OFF ON Arrf m Neg FW Pos Neg Pos OFF ON T7-T8 OFF ON 無 Pos Dir Neg Neg Neg OFF ON T8-T9 OFF ON 無 Pos Dir Neg Pos Neg OFF ON T9-T0 OFF OFF Neg Pos CPar Neg Pos Neg ON OFF 其中：

Neg =負號

FW =飛輪 Dir = 直流 C Par =寄生電容C T0-T1 (第 7 圖）： 在此相位中，該等開關均爲OFF(失效時間）、該半橋之 電壓爲高壓以及電流可自該變壓器流過該上方MOSFET之 飛輪二極體。 -14- 200941909 T1-T2 (第 8 圖）： 將該上方MOS切換爲ON。該電流保持流過該飛輪二 極體》此爲ZVS情況。於該輸出電感器中沒有發生改變。 T2-T3 (第 9 圖）： 於該開關與該變壓器內之電流均改變方向。該上方 MOS係直接導通以及該電流開始以相反方向流過該變壓 - 器、該串聯電感器Lr2以及該等解耦電容器Crl、Cr2。於 . Lrl內之電流方向不會改變。 0 T3-T4 (第 10 圖）： 於並聯電感器Lrl內之電流改變方向。 T4-T5 (第 1 1 圖）： 該上方MOS切換爲OFF。藉由對該等開關之寄生電容 Cpl、Cp2放電而使該電流保持正向流入該變壓器。該HB 之電壓減少至零至ZVS情況。由於一個二極體在另一開關 切換爲ON時切換爲OFF，故該等輸出電感器互換其角色。 該等效模式改變爲：Lrl爲新的串聯電感器以及Lr 2爲新的 @ 並聯電感器。 - T5-T6 (第 12 圖）： 該電流開始流過該下方開關的飛輪二極體。沒有發生 其它改變。 T6-T7 (第 13 圖）·· 該下方M0S切換爲ON。該電流保持負向流過該飛輪 二極體。此爲ZVS情況。在該等輸出電感器上沒有發生改 變。 T7-T8 (第 14 圖）·· -15- •200941909 於該開關與該變壓器內之電流改變方向，以負向流 過。該下方MOS直接導通以及該電流也在該串聯電感器Lrl 以及該等解耦電容器Crl、Cr2內反向流通。在Lr2內之電 流方向沒有改變。 T8-T9 (第 15 圖）： 在該並聯電感器Lr2內之電流改變方向》 - T9-T0 (第 16 圖）： . 該下方MOS切換爲OFF。該電流保持負向流過該變壓 0 器以及該等MOSFETs之寄生電容Cpl、Cp2。該HB之電壓 增加至接近ZVS情況之Vin。該等二輸出二極體互換其角 色使得該輸出級之等效模式再度改變。該串聯電感器可再 度爲Lr2以及該並聯電感器爲Lrl。操作回到至T0。 本揭示之電路已以各種配置作測試，包括例如同步整 流以24V輸出電壓以及50W輸出功率之轉換器，以及以10V 輸出電壓以及150W輸出功率之轉換器。 所屬技術領域中之熟悉該項技術者將了解到本揭示之 π 電路拓撲無論如何驅動仍可被以下列方式來實施：於該變 ϋ - 壓器之一次側上以其它類型之主動開關以及於該二次側上 以其它架構的整流元件（包括同步整流器），及/或其 之倍流器，可包括例如倍流器架構（其中在此所示之1:1例 電感器可整合成單一元件）。此外，該二次側整流濾波級可 包括提供同步整流之切換手段。 同樣地，本揭示之電路拓撲可被以連接至地、至Vin 或該半橋及該變壓器之間之單一解耦電容器來實施°胃& 該變壓器之二次側串聯配置一或多個電容器，其中此等附 -16- .200941909 加電容器可爲或不爲該共振槽之一部分。 有益地是，本揭示之電路拓撲可包括並聯至該等開關 以改善ZVS性能或EMI作用之小電容器，及/或並聯配置至 該整流元件（亦即，該等輸出二極體Dl、D2)之小電容器， 以改變在關閉時其電壓斜率及電壓峰値。 因此，在不侵害本發明之基本原則下，該等詳細說明 ' 及該等實施例可作成各種改變，即使僅藉由例示所述而可 - 參照察知，其仍不脫離隨附申請專利範圍所界定之本發明 © 之範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖爲在此所述之轉換器之方塊圖； 第2圖爲第1圖中所示之代表轉換器增益之曲線圖； 第3圖爲於第1圖中補增一控制結構之轉換器方塊圖； 第4到6圖爲表示用以分析在此所述之轉換器操作之 等效電路；以及 第7到16圖爲爲了支持在此所述之轉換器操作之說明 〇 之方塊圖。 【主要元件符號說明】 10 SI ' S2 Crl、Cr2、Cpl D1、D2 Lrl ' Lr2 Rload T1 共振絕緣半橋轉換器 開關

Cp2、Cout電容器 二極體 電感器 負載之電阻値 變壓器 17- .200941909 f s w 切換頻率 Vin 輸入電壓 K 回授電路 Ο ❿ -18-

Claims (1)

1. 200941909 十、申請專利範圍： 1. 一種電力轉換器（10)，包括： -變壓器（T1)，具有一次及二次繞組； -一次側切換橋配置，包括至少二個可在一切換頻率（fsw) 作切換之開關（S1,S2)，用以驅動該變壓器（T1)之該一次 繞組’該一次側切換橋配置包括至少一解耦電容器 (Crl，Cr2);以及 - -二次側整流濾波級，連接至該變壓器（T1)之該二次繞組 © ，其中該二次側整流濾波級包括一具有至少一電感器 (Lrl，Lr2)之倍流器，其中該至少一解耦電容器（Crl，Cr2) 及於該倍流器內之該至少一電感器（Lrl，Lr 2)構成一共振 槽電路，其具有包含該切換頻率（fsw)之共振頻率範圍， 藉此該轉換器具有一由該切換頻率（fsw)於該共振頻率範 圍內之位置（Q)所界定之增益。 2. 如申請專利範圍第1項之轉換器，其中該至少一解耦電 容器（Crl，Cr2)連接至地、該轉換器（1〇)之輸入電壓（Vin) ® 或者該一次側切換橋配置與該變壓器之間。 3. 如申請專利範圍第1或2項之轉換器，其中該一次側切 " 換橋（Sl，S2;Crl，Cr2)配置爲半橋配置。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任何一項之轉換器，其中 該一次側切換橋配置包括二個解耦電容器（Crl,Cr2)。 5. 如申請專利範圍第4項之轉換器，其中該共振槽電路係 由該一次側切換橋配置中之該二個解耦電容器（Crl,Cr2) 以及該二次側整流濾波級中之該倍流器中之二個電感器 -19- .200941909 (Lrl,Lr2)所構成。 6. 如前述申請專利範圍任一項之轉換器，其中包括連接至 該等開關之電容器（Cpl，Cp2)’用以改善ZVS性能及/或 EMI作用。 7. 如前述申請專利範圍任一項之轉換器，其中該二次側整 流濾波級包括輸出二極體（D1，D2)以及與該等輸出二極體 (D1，D2)並聯之電容器。 ' 8.如前述申請專利範圍任一項之轉換器，其中包括至少一 ® 串聯連接至該變壓器（T1)之二次繞組的電容器。 9.如申請專利範圍第8項之轉換器，其中串聯連接至該變 壓器（T1)之該二次繞組之該至少一電容器係包括在該共 振槽電路中。 10. 如前述申請專利範圍任一項之轉換器，其中該二次側整 流濾波級包括提供同步整流之切換手段》 11. 如前述申請專利範圍任一項之轉換器，其中包括： -回授電路（K)，對於該轉換器（10)所驅動之負載改變爲敏 ® 感的；以及 •切換驅動手段（VC〇，INV)，連接至該回授電路（K)，用以 控制該等開關（S1，S2)之切換頻率（fsw)，以改變該切換頻 率（fsw)於該共振頻率範圍內之位置，藉以調整該轉換器 之增益並維持該轉換器（10)之輸出電力準位而與該轉換 器（10)所驅動之負載中的該改變無關。 12. —種操作電力轉換器（10)之方法，該電力轉換器包括： -變壓器（T1)，具有一次及二次繞組； -20- .200941909 •一次側切換橋配置，包括至少二個可在一切換頻率（fsw) 作切換之開關（S1，S2)，用以驅動該變壓器（T1)之該一次 繞組，該一次側切換橋配置包括至少一解耦電容器 (Crl，Cr2);以及 -二次側整流濾波級，連接至該變壓器（T1)之該二次繞組 ，其中該二次側整流濾波級包括一具有至少一電感器 (Lrl，Lr2)之倍流器， ' 該方法包括下列步驟： ® 選擇該至少一解耦電容器（Crl，Cr2)及該倍流器內之該至 少一電感器（Lrl，Lr 2)，以構成一具有包含該切換頻率（fsw) 之共振頻率範圍的共振槽電路，以及 藉由選擇該切換頻率（fsw)於該共振頻率範圍內之位置（Q) ，選擇該轉換器之增益。 ❹ -21-