TWI644505B - 直流轉直流轉換器及其能量分配方法 - Google Patents

直流轉直流轉換器及其能量分配方法 Download PDF

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Abstract

一種直流轉直流轉換器及其能量分配方法。直流轉直流轉換器包括切換電路以及能量分配電路。切換電路耦接直流電源以接收直流輸入電壓，且受控於第一控制信號以產生脈動電壓。能量分配電路耦接切換電路以接收脈動電壓並儲存電能，且耦接直流電源。能量分配電路受控於第二控制信號以將電能轉換為直流輸出電壓以對負載供電，或受控於第二控制信號以將電能回收至直流電源。

Description

直流轉直流轉換器及其能量分配方法
本發明是有關於一種電源轉換器，且特別是有關於一種具備能量分配機制的直流轉直流轉換器及其能量分配方法。
於現行的直流轉直流轉換器中，當直流轉直流轉換器的輸出端之負載發生劇烈變動或是直流轉直流轉換器的負載被卸除時，直流轉直流轉換器中所儲存的能量通常無法被宣洩，導致直流轉直流轉換器的輸出端的電壓產生上衝現象。而上衝的輸出電壓極可能會對直流轉直流轉換器內部的元件或其輸出端的其他負載造成損壞。
有鑑於此，本發明提供一種直流轉直流轉換器及其能量分配方法，可在直流轉直流轉換器的負載發生變動或是被卸除時，抑制直流轉直流轉換器的直流輸出電壓的上衝現象。
本發明的直流轉直流轉換器耦接於直流電源和負載之間。直流轉直流轉換器包括第一切換電路以及能量分配電路。第一切換電路耦接直流電源以接收直流輸入電壓，且受控於第一控制信號以產生脈動電壓。能量分配電路耦接直流電源以及第一切換電路，以接收脈動電壓並儲存電能。能量分配電路受控於第二控制信號以將電能轉換為直流輸出電壓以對負載供電，或受控於第二控制信號以將電能回收至直流電源。
在本發明的一實施例中，上述的直流轉直流轉換器更包括控制電路。控制電路耦接第一切換電路及能量分配電路，且用以偵測直流輸出電壓。當直流輸出電壓大於第一臨界電壓時，控制電路產生第一控制信號以關斷第一切換電路，且產生第二控制信號以關斷能量分配電路與負載之間的電力傳輸路徑，以停止將電能轉換為直流輸出電壓並將電能回收至直流電源，以抑制直流輸出電壓至小於或等於第一臨界電壓。
在本發明的一實施例中，當直流輸出電壓小於或等於第一臨界電壓但大於第二臨界電壓時，控制電路產生第一控制信號以關斷第一切換電路，且控制電路產生第二控制信號以控制能量分配電路與負載之間的電力傳輸路徑的啟閉，以將電能轉換為直流輸出電壓或將電能回收至直流電源。當直流輸出電壓小於或等於第二臨界電壓時，控制電路產生該第一控制信號以控制第一切換電路的啟閉，且控制電路產生第二控制信號以導通能量分配電路與負載之間的電力傳輸路徑，以停止將電能回收至直流電源， 並將電能轉換為直流輸出電壓。
在本發明的一實施例中，上述的第一切換電路為硬性切換電路或諧振柔性切換電路或準諧振柔性切換電路。
在本發明的一實施例中，上述的直流轉直流轉換器更包括第二切換電路以及控制電路。第二切換電路耦接能量分配電路，且受控於第三控制信號以對直流輸出電壓進行升壓，以使直流輸出電壓大於直流輸入電壓。控制電路耦接第一切換電路、能量分配電路及第二切換電路，且用以偵測直流輸出電壓。當直流輸出電壓大於第一臨界電壓時，控制電路產生第一控制信號以關斷第一切換電路，控制電路產生第三控制信號以關斷第二切換電路，且控制電路產生第二控制信號以導通能量分配電路與直流電源之間的電力回收路徑，以停止將電能轉換為直流輸出電壓並將電能回收至直流電源，以抑制直流輸出電壓至小於或等於第一臨界電壓。
在本發明的一實施例中，當直流輸出電壓小於或等於第一臨界電壓但大於第二臨界電壓時，控制電路產生第一控制信號以關斷第一切換電路，控制電路產生第三控制信號以關斷第二切換電路，且控制電路產生第二控制信號以控制該能量分配電路的啟閉，以將電能轉換為直流輸出電壓或將電能回收至直流電源。當直流輸出電壓小於或等於第二臨界電壓時，控制電路產生第一控制信號以導通第一切換電路，控制電路產生第二控制信號以關斷能量分配電路與直流電源之間的電力回收路徑，且控制電路產 生第三控制信號以控制第二切換電路的啟閉，以停止將電能回收至直流電源並將電能轉換為直流輸出電壓，並且使直流輸出電壓維持在第二臨界電壓。
本發明的能量分配方法可用於直流轉直流轉換器。上述的能量分配方法包括以下步驟。透過直流轉直流轉換器的第一切換電路接收直流電源的直流輸入電壓，且反應於第一控制信號以產生脈動電壓。透過直流轉直流轉換器的能量分配電路接收脈動電壓以儲存電能。透過能量分配電路反應於第二控制信號以將所儲存的電能轉換為直流輸出電壓以對負載供電，或透過能量分配電路反應於第二控制信號以將所儲存的電能回收至直流電源。
基於上述，本發明實施例的直流轉直流轉換器及其能量分配方法可在負載發生變動或是被卸除時啟動電能回收機制，以將所儲存的電能回收至直流電源。如此一來，可有效抑制直流輸出電壓的電壓值，以避免過高的直流輸出電壓對直流轉直流轉換器內部的元件或負載造成損壞。除此一外，本發明實施例的直流轉直流轉換器還具有零電流切換或零電壓切換的優點，可有效降低切換損失以提高整體轉換效率，並可降低電磁干擾。
為讓本發明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。
100、100’、200‧‧‧直流轉直流轉換器
120、120’‧‧‧第一切換電路
140、240‧‧‧能量分配電路
142、242‧‧‧旁通電路
160、260‧‧‧控制電路
280‧‧‧第二切換電路
322‧‧‧諧振槽
910‧‧‧直流電源
920‧‧‧負載
Co‧‧‧輸出電容
Cr‧‧‧諧振電容
CS1‧‧‧第一控制信號
CS2‧‧‧第二控制信號
CS3‧‧‧第三控制信號
D1‧‧‧飛輪二極體
D2、D13‧‧‧功率二極體
D12‧‧‧第一二極體
Dr‧‧‧二極體
EE‧‧‧電能
GND‧‧‧接地端
Lf‧‧‧電感
Lr‧‧‧諧振電感
Q1、Q2、Q12‧‧‧功率開關
Q13‧‧‧旁通開關
S500、S510、S520‧‧‧步驟
Vin‧‧‧直流輸入電壓
Vout‧‧‧直流輸出電壓
Vp‧‧‧脈動電壓
Vt2‧‧‧第二臨界電壓
Vt1‧‧‧第一臨界電壓
下面的所附圖式是本發明的說明書的一部分，繪示了本 發明的示例實施例，所附圖式與說明書的描述一起說明本發明的原理。
圖1是依照本發明一實施例所繪示的直流轉直流轉換器的電路方塊示意圖。
圖2是依照本發明一實施例所繪示的圖1的直流轉直流轉換器的電路架構示意圖。
圖3是依照本發明另一實施例所繪示的圖1的直流轉直流轉換器的電路架構示意圖。
圖4是依照本發明一實施例所繪示的圖3的諧振槽的電路架構示意圖。
圖5是依照本發明一實施例所繪示的直流轉直流轉換器的電路方塊示意圖。
圖6是依照本發明一實施例所繪示的圖5的直流轉直流轉換器的電路架構示意圖。
圖7是依照本發明一實施例所繪示的直流轉直流轉換器的能量分配方法的步驟流程示意圖。
為了使本發明創作之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本發明創作確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件，係代表相同或類似部件。
以下請參照圖1，圖1是依照本發明一實施例所繪示的直流轉直流轉換器的電路方塊示意圖。直流轉直流轉換器100可為升壓式或降壓式直流轉直流轉換器，端視實際應用或設計需求而定。直流轉直流轉換器100耦接於直流電源910與負載920之間。直流轉直流轉換器100可包括第一切換電路120、能量分配電路140以及控制電路160，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，控制電路160也可不包含在直流轉直流轉換器100的內部而為獨立於直流轉直流轉換器100之外的一控制晶片。
如圖1所示，第一切換電路120耦接直流電源910以接收直流輸入電壓Vin，且受控於第一控制信號CS1以進行切換，從而產生脈動電壓Vp。能量分配電路140耦接直流電源910及第一切換電路120，以接收脈動電壓Vp並儲存電能EE。能量分配電路140受控於第二控制信號CS2以將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout以對負載920供電，或受控於第二控制信號CS2以將電能EE回收至直流電源910。
另外，控制電路160耦接第一切換電路120以及能量分配電路140。在本發明的一實施例中，控制電路160可用以偵測直流輸出電壓Vout。當直流輸出電壓Vout大於第一臨界電壓Vt1時，控制電路160可產生第一控制信號CS1以關斷第一切換電路120，且可產生第二控制信號CS2以關斷能量分配電路140與負載920之間的電力傳輸路徑，以停止將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout並將電能EE回收至直流電源910，以抑制直流輸出電壓Vout 至小於或等於第一臨界電壓Vt1。
在能量分配電路140停止將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout的情況下，基於直流輸出電壓Vout仍持續對負載920供電，因此直流輸出電壓Vout將會降低。為了避免直流輸出電壓Vout突然過低而導致負載920被斷電，能量分配電路140將在直流輸出電壓Vout小於或等於第一臨界電壓Vt1時開始將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout。
詳細來說，當直流輸出電壓Vout小於或等於第一臨界電壓Vt1但大於第二臨界電壓Vt2時，控制電路160可產生第一控制信號CS1以控制第一切換電路120維持在關斷狀態，且控制電路160可產生第二控制信號CS2以控制能量分配電路140與負載920之間的電力傳輸路徑的啟閉，以將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout或將電能EE回收至直流電源910，其中第一臨界電壓Vt1大於第二臨界電壓Vt2。
當直流輸出電壓Vout小於或等於第二臨界電壓Vt2時，控制電路160可產生第一控制信號CS1以控制第一切換電路120的啟閉，且控制電路160產生第二控制信號CS2以導通能量分配電路140與負載920之間的電力傳輸路徑。此時，能量分配電路140停止將電能EE回收至直流電源910，能量分配電路140根據來自第一切換電路120的脈動電壓Vp儲存電能EE並轉換為直流輸出電壓Vout，並將直流輸出電壓Vout維持在第二臨界電壓Vt2。
在本發明的一實施例中，第一切換電路120可為硬性切 換電路或諧振柔性切換電路(resonant soft switching circuit)或準諧振柔性切換電路(quasi resonant soft switching circuit)，但本發明不限於此。
在本發明的一實施例中，控制電路160可以是硬體、韌體或是儲存在記憶體而由微處理器或是微控制器所載入執行的軟體或機器可執行程式碼。若是採用硬體來實現，則控制電路160可以是由單一整合電路晶片所達成，也可以由多個電路晶片所完成，但本發明並不以此為限制。上述多個電路晶片或單一整合電路晶片可採用特殊功能積體電路(ASIC)或可程式化邏輯閘陣列(FPGA)來實現。而上述記憶體可以是例如隨機存取記憶體、唯讀記憶體或是快閃記憶體等等。
以下請參照圖2，圖2是依照本發明一實施例所繪示的圖1的直流轉直流轉換器的電路架構示意圖。如圖2所示，第一切換電路120為硬性切換電路，其中第一切換電路120包括功率開關Q1。功率開關Q1的第一端耦接直流電源910以接收直流輸入電壓Vin，功率開關Q1的控制端接收第一控制信號CS1，且功率開關Q1的第二端可輸出脈動電壓Vp。
能量分配電路140包括電感Lf、飛輪二極體D1、旁通電路142、功率開關Q2以及輸出電容Co。電感Lf的第一端耦接第一切換電路120以接收脈動電壓Vp並儲存電能EE。飛輪二極體D1的陰極端耦接電感Lf的第一端，且飛輪二極體D1的陽極端耦接接地端GND。旁通電路142耦接在直流電源910與電感Lf的第 二端之間。旁通電路142可在直流輸出電壓Vout大於或等於第一臨界電壓Vt1時被導通，以將電能EE回收至直流電源910。功率開關Q2的第一端耦接電感Lf的第二端，且功率開關Q2的控制端接收第二控制信號CS2。輸出電容Co的第一端耦接功率開關Q2的第二端以產生直流輸出電壓Vout，且輸出電容Co的第二端耦接接地端GND。
在本發明的一實施例中，旁通電路142可包括功率二極體D2，其中功率二極體D2的陰極端耦接直流電源910，且功率二極體D2的陽極端耦接電感Lf的第二端，但本發明不限於此。在本發明的另一實施例中，設計者也可採用功率電晶體來取代功率二極體D2。
於正常的運作下，功率開關Q2為導通狀態，功率二極體D2為截止狀態，且控制電路160可根據直流輸出電壓Vout的電壓值或負載920的用電需求而產生第一控制信號CS1，以控制功率開關Q1的啟閉運作，從而決定電感Lf為儲能狀態或釋能狀態。當功率開關Q1為導通狀態時，電感Lf的兩端連接直流電源910與負載920，此時電感Lf儲存電能EE及傳送能量至輸出電容Co及負載920。當功率開關Q1為關斷狀態時，電感Lf透過飛輪二極體D1進行飛輪運作，以將所儲存的電能EE釋放至輸出電容Co及負載920。可以理解的是，於正常的運作下，能量分配電路140形同一低通濾波器，可濾除脈動電壓Vp的高頻成份以輸出穩定的直流輸出電壓Vout至負載920。此時的直流輸出電壓Vout可例如 被維持在第二臨界電壓Vt2。
當負載920發生劇烈變動時，例如負載920的狀態由重載變為輕載或空載時，直流輸出電壓Vout將會向上拉昇。當直流輸出電壓Vout上昇至大於第二臨界電壓Vt2但仍小於或等於第一臨界電壓Vt1時，控制電路160將關斷功率開關Q1，並控制功率開關Q2的啟閉，以在功率開關Q2被導通時將所儲存的電能EE釋放至輸出電容Co及負載920，或在功率開關Q2被關斷時透過功率二極體D2將電能EE回收至直流電源910。一旦直流輸出電壓Vout持續上昇並上昇至大於第一臨界電壓Vt1時，功率開關Q1及Q2皆維持在關斷狀態，致使電感Lf所儲存的電能EE透過功率二極體D2被回收至直流電源910，以抑制直流輸出電壓Vout至小於或等於第一臨界電壓Vt1。以下列示了直流輸出電壓Vout的大小與功率開關Q1及Q2的狀態如表1所示。
可以理解的是，藉由能量分配電路140的電能回收機制，可有效抑制直流輸出電壓Vout的電壓值(例如導因於負載920的劇烈變動)，以避免過高的直流輸出電壓Vout對直流轉直流轉換器200內部的元件或輕載狀態下的負載920造成損壞。
以下請參照圖3，圖3是依照本發明另一實施例所繪示的圖1的直流轉直流轉換器的電路架構示意圖。圖3的能量分配電路140以及控制電路160分別類似於圖2的能量分配電路140以及控制電路160，故其實施方式及詳細運作可參酌上述圖2的相關說明，在此不再贅述。相較於圖2的第一切換電路120為硬性切換電路，圖3的第一切換電路120’可為諧振柔性切換電路或準諧振柔性切換電路。第一切換電路120’具有零電流切換(zero-current switching，ZCS)或零電壓切換(zero-voltage switching，ZVS)的優點，可降低切換損失以提高整體轉換效率，並可降低電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)。
如圖3所示，第一切換電路120’可包括功率開關Q1以及諧振槽(resonant tank)322。功率開關Q1的第一端耦接直流電源910以接收直流輸入電壓Vin，且功率開關Q1的控制端接收第一控制信號CS1。諧振槽322耦接在功率開關Q1的第二端與能量分配電路140之間以產生諧振，並輸出脈動電壓Vp。
以下請合併參照圖3及圖4，圖4是依照本發明一實施例所繪示的圖3的諧振槽的電路架構示意圖。諧振槽322可包括二極體Dr、諧振電感Lr及諧振電容Cr，但本發明不限於此。二極體Dr的陽極端耦接功率開關Q1的第二端，且二極體Dr的陰極端耦接諧振電感Lr的第一端。諧振電感Lr的第二端與諧振電容Cr的第一端相耦接並產生脈動電壓Vp。諧振電容Cr的第二端耦接接地端GND。由於諧振槽322的運作為本領域技術人員所熟悉， 故在此不再贅述。
在本發明的另一實施例中，也可省略圖4的諧振槽322的二極體Dr，並將諧振電感Lr的第一端耦接功率開關Q1的第二端。在本發明的其他實施例中，圖3的諧振槽322也可採用其他已知的諧振槽電路來實現。
以下請參照圖5，圖5是依照本發明一實施例所繪示的直流轉直流轉換器的電路方塊示意圖。直流轉直流轉換器200為升壓式與降壓式通用型直流轉直流轉換器。直流轉直流轉換器200耦接於直流電源910與負載920之間。直流轉直流轉換器200可包括第一切換電路120、能量分配電路240、第二切換電路280以及控制電路260，但本發明並不以此為限。在本發明的其他實施例中，控制電路260也可不包含在直流轉直流轉換器200的內部而為獨立於直流轉直流轉換器200之外的一控制晶片。
如圖5所示，第一切換電路120耦接直流電源910以接收直流輸入電壓Vin，且受控於第一控制信號CS1以進行切換，從而產生脈動電壓Vp。能量分配電路240耦接直流電源910及第一切換電路120，以接收脈動電壓Vp並儲存電能EE。能量分配電路240受控於第二控制信號CS2以將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout以對負載920供電，或受控於第二控制信號CS2以將電能EE回收至直流電源910。第二切換電路280耦接能量分配電路240，且受控於第三控制信號CS3以對直流輸出電壓Vout進行升壓，致使直流輸出電壓Vout大於直流輸入電壓Vin。
詳細來說，當第一切換電路120為導通狀態且第二切換電路280受控於第三控制信號CS3而進行啟閉切換時，則直流轉直流轉換器200運作於升壓模式，致使直流輸出電壓Vout大於直流輸入電壓Vin。相對地，當第二切換電路280為關斷狀態且第一切換電路120受控於第一控制信號CS1而進行啟閉切換時，直流轉直流轉換器200運作於降壓模式，致使直流輸出電壓Vout小於直流輸入電壓Vin。
另外，控制電路260耦接第一切換電路120、第二切換電路280以及能量分配電路240。在本發明的一實施例中，控制電路260可用以偵測直流輸出電壓Vout。當直流輸出電壓Vout大於第一臨界電壓Vt1時，控制電路260可產生第一控制信號CS1及第三控制信號CS3以分別關斷第一切換電路120及第二切換電路280，且可產生第二控制信號CS2以導通能量分配電路240與直流電源910之間的電力回收路徑，以停止將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout並將電能EE回收至直流電源910，以抑制直流輸出電壓Vout至小於或等於第一臨界電壓Vt1。
在能量分配電路240停止將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout的情況下，基於直流輸出電壓Vout仍持續對負載920供電，因此直流輸出電壓Vout將會降低。為了避免直流輸出電壓Vout突然過低而導致負載920被斷電，能量分配電路240將在直流輸出電壓Vout小於或等於第一臨界電壓Vt1時開始將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout。
詳細來說，當直流輸出電壓Vout小於或等於第一臨界電壓Vt1但大於第二臨界電壓Vt2時，控制電路260可產生第一控制信號CS1以控制第一切換電路120維持在關斷狀態，控制電路260可產生第三控制信號CS3以控制第二切換電路280維持在關斷狀態，且控制電路260可產生第二控制信號CS2以控制能量分配電路240的啟閉，以將電能EE轉換為直流輸出電壓Vout或將電能EE回收至直流電源910，其中第一臨界電壓Vt1大於第二臨界電壓Vt2。
當直流輸出電壓Vout小於或等於第二臨界電壓Vt2時，控制電路260可產生第一控制信號CS1以導通第一切換電路120，控制電路260可產生第二控制信號CS2以關斷能量分配電路240與直流電源910之間的電力回收路徑，且控制電路260可產生第三控制信號CS3以控制第二切換電路280的啟閉，以使直流轉直流轉換器200操作於升壓模式並將直流輸出電壓Vout維持在第二臨界電壓Vt2。此時，能量分配電路240停止將電能EE回收至直流電源910。
另外，圖5的第一切換電路120及控制電路260的實施方式類似於上述圖1的第一切換電路120及控制電路160，故可參酌上述圖1的相關說明，在此不再贅述。
以下請參照圖6，圖6是依照本發明一實施例所繪示的圖5的直流轉直流轉換器的電路架構示意圖。如圖6所示，第一切換電路120包括功率開關Q1。功率開關Q1的第一端耦接直流電源 910以接收直流輸入電壓Vin，功率開關Q1的控制端接收第一控制信號CS1，且功率開關Q1的第二端可輸出脈動電壓Vp。
能量分配電路240可包括電感Lf、飛輪二極體D1、旁通電路242、第一二極體D12以及輸出電容Co。電感Lf的第一端耦接第一切換電路120以接收脈動電壓Vp並儲存電能EE。飛輪二極體D1的陰極端耦接電感Lf的第一端，且飛輪二極體D1的陽極端耦接接地端GND。旁通電路242耦接在直流電源910與電感Lf的第二端之間。旁通電路242可在直流輸出電壓Vout大於或等於第一臨界電壓Vt1時被導通，以將電能EE回收至直流電源910。第一二極體D12的陽極端耦接電感Lf的第二端。輸出電容Co的第一端耦接第一二極體D12的陰極端以產生直流輸出電壓Vout，且輸出電容Co的第二端耦接接地端GND。
在本發明的一實施例中，旁通電路242包括功率二極體D13以及旁通開關Q13。功率二極體D13的陰極端耦接直流電源910。旁通開關Q13的第一端耦接電感Lf的第二端，旁通開關Q13的控制端接收第二控制信號CS2，且旁通開關Q13的第二端耦接功率二極體D13的陽極端。旁通開關Q13的第一端與第二端之間存在一寄生二極體，其中此寄生二極體的陰極端為旁通開關Q13的第一端，且此寄生二極體的陽極端為旁通開關Q13的第二端。
在本發明的一實施例中，第二切換電路280包括功率開關Q12。功率開關Q12的第一端耦接電感Lf的第二端，功率開關Q12的控制端接收第三控制信號CS3，且功率開關Q12的第二端 耦接接地端GND。
於正常的運作下，旁通開關Q13為關斷狀態，功率二極體D2為截止狀態。另外，於正常運作下，若直流轉直流轉換器200設定為降壓模式，則功率開關Q12設定為關斷狀態，且控制電路260根據直流輸出電壓Vout的電壓值或負載920的用電需求而產生第一控制信號CS1，以控制功率開關Q1的啟閉運作。相對地，於正常運作下，若直流轉直流轉換器200設定為升壓模式，則功率開關Q1設定為導通狀態，且控制電路260根據直流輸出電壓Vout的電壓值或負載920的用電需求而產生第三控制信號CS3，以控制功率開關Q12的啟閉運作。由於直流轉直流轉換器200的降壓運作以及升壓運作為本領域技術人員所熟知，故在此不再贅述。可以理解的是，於正常的運作下，能量分配電路240形同一低通濾波器，其可輸出穩定的直流輸出電壓Vout至負載920。此時的直流輸出電壓Vout可例如被維持在第二臨界電壓Vt2。
當負載920發生劇烈變動時，例如負載920的狀態由重載變為輕載或空載時，直流輸出電壓Vout將會向上拉昇。當直流輸出電壓Vout上昇至大於第二臨界電壓Vt2但仍小於或等於第一臨界電壓Vt1時，控制電路260將關斷功率開關Q1及功率開關Q12，且控制電路260控制旁通開關Q13的啟閉，以在旁通開關Q13被關斷時將所儲存的電能EE透過飛輪二極體D1及第一二極體D12釋放至輸出電容Co及負載920，或在旁通開關Q13被導通時將電能EE回收至直流電源910。一旦直流輸出電壓Vout上昇至 大於第一臨界電壓Vt1時，功率開關Q1及Q12皆維持在關斷狀態，且旁通開關Q13會被維持在導通狀態，致使電感Lf所儲存的電能EE可透過飛輪二極體D1、旁通開關Q13以及功率二極體D13而被回收至直流電源910。此時第一二極體D12為截止狀態，以抑制直流輸出電壓Vout至小於或等於第一臨界電壓Vt1。以下列示了當直流轉直流轉換器200運作於升壓模式時，直流輸出電壓Vout的大小與功率開關Q1、Q12及旁通開關Q13的狀態如表2所示。
以下請合併參照圖1及圖7，圖7是依照本發明一實施例所繪示的直流轉直流轉換器的能量分配方法的步驟流程示意圖，其包括如下步驟。首先，於步驟S500中，可透過第一切換電路120接收直流電源910的直流輸入電壓Vin，且反應於第一控制信號CS1以產生脈動電壓Vp。接著，於步驟S510中，可透過能量分配電路140接收脈動電壓Vp以儲存電能EE。然後，於步驟S520中，可透過能量分配電路140反應於第二控制信號CS2以將所儲存的電能EE轉換為直流輸出電壓Vout以對負載920供電，或透過能量分配電路140反應於第二控制信號CS2以將所儲存的電能EE 回收至直流電源910。
另外，本發明的實施例的直流轉直流轉換器的能量分配方法的實施細節，可由圖1至圖6實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，故不再贅述。
綜上所述，本發明實施例的直流轉直流轉換器及其能量分配方法可在負載發生變動或是被卸除時啟動電能回收機制，以將所儲存的電能回收至直流電源。如此一來，可有效抑制直流輸出電壓的電壓值，以避免過高的直流輸出電壓對直流轉直流轉換器內部的元件或負載造成損壞。除此以外，本發明實施例的直流轉直流轉換器還可在配置諧振槽的實施例下具有零電流切換或零電壓切換的優點，可有效降低切換損失以提高整體轉換效率，並可降低電磁干擾。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (18)

  1. 一種直流轉直流轉換器，耦接於一直流電源和一負載之間，該直流轉直流轉換器包括：一第一切換電路，耦接該直流電源以接收一直流輸入電壓，且受控於一第一控制信號以產生一脈動電壓，其中該第一切換電路包括一第一功率開關；以及一能量分配電路，耦接該直流電源及該第一切換電路，以接收該脈動電壓並儲存一電能，其中該能量分配電路受控於一第二控制信號以將該電能轉換為一直流輸出電壓以對該負載供電，或受控於該第二控制信號以將該電能回收至該直流電源。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的直流轉直流轉換器，更包括：一控制電路，耦接該第一切換電路及該能量分配電路，且用以偵測該直流輸出電壓，其中：當該直流輸出電壓大於一第一臨界電壓時，該控制電路產生該第一控制信號以關斷該第一切換電路，且產生該第二控制信號以關斷該能量分配電路與該負載之間的一電力傳輸路徑，以停止將該電能轉換為該直流輸出電壓並將該電能回收至該直流電源，以抑制該直流輸出電壓至小於或等於該第一臨界電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的直流轉直流轉換器，其中：當該直流輸出電壓小於或等於該第一臨界電壓但大於一第二臨界電壓時，該控制電路產生該第一控制信號以關斷該第一切換 電路，且該控制電路產生該第二控制信號以控制該能量分配電路與該負載之間的該電力傳輸路徑的啟閉，以將該電能轉換為該直流輸出電壓或將該電能回收至該直流電源；以及當該直流輸出電壓小於或等於該第二臨界電壓時，該控制電路產生該第一控制信號以控制該第一切換電路的啟閉，且該控制電路產生該第二控制信號以導通該能量分配電路與該負載之間的該電力傳輸路徑，以停止將該電能回收至該直流電源，並將該電能轉換為該直流輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的直流轉直流轉換器，其中該能量分配電路包括：一電感，該電感的第一端耦接該第一切換電路，用以接收該脈動電壓以儲存該電能；一飛輪二極體，該飛輪二極體的陰極端耦接該電感的該第一端，且該飛輪二極體的陽極端耦接一接地端；一旁通電路，耦接在該直流電源與該電感的第二端之間，其中該旁通電路在該直流輸出電壓大於或等於該第一臨界電壓時被導通，以將該電能回收至該直流電源；一第二功率開關，該第二功率開關的第一端耦接該電感的該第二端，且該第二功率開關的控制端接收該第二控制信號；以及一輸出電容，該輸出電容的第一端耦接該第二功率開關的第二端以產生該直流輸出電壓，且該輸出電容的第二端耦接該接地端。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的直流轉直流轉換器，其中該旁通電路包括：一功率二極體，該功率二極體的陰極端耦接該直流電源，且該功率二極體的陽極端耦接該電感的該第二端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的直流轉直流轉換器，其中該第一切換電路為一硬性切換電路或一諧振柔性切換電路或一準諧振柔性切換電路。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的直流轉直流轉換器，其中：該第一功率開關的第一端耦接該直流電源以接收該直流輸入電壓，該第一功率開關的控制端接收該第一控制信號，且該第一功率開關的第二端輸出該脈動電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的直流轉直流轉換器，其中：該第一功率開關的第一端耦接該直流電源以接收該直流輸入電壓，且該第一功率開關的控制端接收該第一控制信號，其中該第一切換電路更包括：一諧振槽，耦接在該第一功率開關的該第二端與該能量分配電路之間以產生諧振，並輸出該脈動電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的直流轉直流轉換器，更包括：一第二切換電路，耦接該能量分配電路，且受控於一第三控制信號以對該直流輸出電壓進行升壓，致使該直流輸出電壓大於該直流輸入電壓；以及 一控制電路，耦接該第一切換電路、該能量分配電路及該第二切換電路，且用以偵測該直流輸出電壓，其中：當該直流輸出電壓大於一第一臨界電壓時，該控制電路產生該第一控制信號以關斷該第一切換電路，該控制電路產生該第三控制信號以關斷該第二切換電路，且該控制電路產生該第二控制信號以導通該能量分配電路與該直流電源之間的一電力回收路徑，以停止將該電能轉換為該直流輸出電壓並將該電能回收至該直流電源，以抑制該直流輸出電壓至小於或等於該第一臨界電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的直流轉直流轉換器，其中：當該直流輸出電壓小於或等於該第一臨界電壓但大於一第二臨界電壓時，該控制電路產生該第一控制信號以關斷該第一切換電路，該控制電路產生該第三控制信號以關斷該第二切換電路，且該控制電路產生該第二控制信號以控制該能量分配電路的啟閉，以將該電能轉換為該直流輸出電壓或將該電能回收至該直流電源；以及當該直流輸出電壓小於或等於該第二臨界電壓時，該控制電路產生該第一控制信號以導通該第一切換電路，該控制電路產生該第二控制信號以關斷該能量分配電路與該直流電源之間的該電力回收路徑，且該控制電路產生該第三控制信號以控制該第二切換電路的啟閉，以停止將該電能回收至該直流電源並將該電能轉換為該直流輸出電壓，並且使該直流輸出電壓維持在該第二臨界 電壓。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的直流轉直流轉換器，其中該能量分配電路包括：一電感，該電感的第一端耦接該第一切換電路，用以接收該脈動電壓以儲存該電能；一飛輪二極體，該飛輪二極體的陰極端耦接該電感的該第一端，且該飛輪二極體的陽極端耦接一接地端；一旁通電路，耦接在該直流電源與該電感的第二端之間，其中該旁通電路在該直流輸出電壓大於或等於該第一臨界電壓時被導通，以將該電能回收至該直流電源；一第一二極體，該第一二極體的陽極端耦接該電感的該第二端；以及一輸出電容，該輸出電容的第一端耦接該第一二極體的陰極端以產生該直流輸出電壓，且該輸出電容的第二端耦接該接地端。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的直流轉直流轉換器，其中該旁通電路包括：一功率二極體，該功率二極體的陰極端耦接該直流電源；以及一旁通開關，該旁通開關的第一端耦接該電感的該第二端，該旁通開關的控制端接收該第二控制信號，且該旁通開關的第二端耦接該功率二極體的陽極端。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的直流轉直流轉換器，其中該第二切換電路包括：一第二功率開關，該第二功率開關的第一端耦接該電感的該第二端，該第二功率開關的控制端接收該第三控制信號，且該第二功率開關的第二端耦接該接地端。
  14. 一種能量分配方法，用於一直流轉直流轉換器，其中該能量分配方法包括：透過該直流轉直流轉換器的一第一切換電路接收一直流電源的一直流輸入電壓，且反應於一第一控制信號以產生一脈動電壓；透過該直流轉直流轉換器的一能量分配電路接收該脈動電壓以儲存一電能；以及透過該能量分配電路反應於一第二控制信號以將所儲存的該電能轉換為一直流輸出電壓以對一負載供電，或透過該能量分配電路反應於該第二控制信號以將所儲存的該電能回收至該直流電源。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的能量分配方法，更包括：判斷該直流輸出電壓是否大於一第一臨界電壓以得到一第一判斷結果；若該第一判斷結果為是，透過該直流轉直流轉換器的一控制電路執行以下步驟：產生該第一控制信號以關斷該第一切換電路；以及產生該第二控制信號以關斷該能量分配電路與該負載之 間的一電力傳輸路徑，使該能量分配電路停止將該電能轉換為該直流輸出電壓並將該電能回收至該直流電源，以抑制該直流輸出電壓至小於或等於該第一臨界電壓。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的能量分配方法，更包括：判斷該直流輸出電壓是否小於或等於該第一臨界電壓且大於一第二臨界電壓以得到一第二判斷結果；若該第二判斷結果為是，透過該控制電路執行以下步驟：產生該第一控制信號以關斷該第一切換電路；以及產生該第二控制信號以控制該能量分配電路將該電能轉換為該直流輸出電壓或將該電能回收至該直流電源；以及當該直流輸出電壓小於或等於該第二臨界電壓時，則透過該控制電路產生該第一控制信號以控制該第一切換電路的啟閉，產生該第二控制信號以導通該能量分配電路與該負載之間的該電力傳輸路徑，以停止將該電能回收至該直流電源，並將該電能轉換為該直流輸出電壓。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的能量分配方法，更包括：透過一第二切換電路對該直流輸出電壓進行升壓，以使該直流輸出電壓大於該直流輸入電壓；判斷該直流輸出電壓是否大於一第一臨界電壓以得到一第一判斷結果；若該第一判斷結果為是，透過該直流轉直流轉換器的一控制電路執行以下步驟： 產生該第一控制信號以關斷該第一切換電路；產生一第三控制信號以關斷該第二切換電路；以及產生該第二控制信號以導通該能量分配電路與該直流電源之間的一電力回收路徑，使該能量分配電路停止將該電能轉換為該直流輸出電壓並將該電能回收至該直流電源，以抑制該直流輸出電壓至小於或等於該第一臨界電壓。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的能量分配方法，更包括：判斷該直流輸出電壓是否小於或等於該第一臨界電壓且大於一第二臨界電壓以得到一第二判斷結果；若該第二判斷結果為是，透過該控制電路執行以下步驟：產生該第一控制信號以關斷該第一切換電路；產生該第三控制信號以關斷該第二切換電路；以及產生該第二控制信號以控制該能量分配電路的啟閉，以將該電能轉換為該直流輸出電壓或將該電能回收至該直流電源；以及當該直流輸出電壓小於或等於該第二臨界電壓時，則透過該控制電路產生該第一控制信號以導通該第一切換電路，透過該控制電路產生該第二控制信號以關斷該能量分配電路與該直流電源之間的該電力回收路徑，且透過該控制電路產生該第三控制信號以控制該第二切換電路的啟閉，以停止將該電能回收至該直流電源並將該電能轉換為該直流輸出電壓，並且使該直流輸出電壓維持在該第二臨界電壓。
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