TWI832416B - 電源轉換器 - Google Patents

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TWI832416B
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潘茂松
王思浩
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群光電能科技股份有限公司
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    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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Abstract

一種電源轉換器，包括初級側整流濾波電路、交流轉直流轉換器、直流轉直流轉換器、初級側控制器、次級側整流控制器以及次級側回授控制器。初級側整流濾波電路接收輸入電壓，且整流、濾波輸入電壓以輸出調整輸入電壓。交流轉直流轉換器接收調整輸入電壓。初級側控制器提供第一控制訊號控制交流轉直流轉換器轉換調整輸入電壓為直流輸入電壓，且提供第二控制訊號控制直流轉直流轉換器。次級側整流控制器提供第三控制訊號控制直流轉直流轉換器基於增益條件轉換直流輸入電壓為轉換電壓，對負載供電。次級側回授控制器接收負載提供的負載供電需求訊號控制初級側控制器與次級側整流控制器的操作。

Description

電源轉換器
本發明係有關一種電源轉換器，尤指一種可操作於半橋或全橋電路拓樸，用以提供多組不同大小的輸出電壓的電源轉換器。
在功率大於100瓦的情況下，電源產品通常會選用PFC+LLC的拓樸，主要原因是LLC具有零電壓切換的特性，能讓電源產品操作於較高的頻率，進而讓磁性元件縮小而降低產品的體積。
如上述的PFC作為第一級再加上第二級的LLC的架構是很常見的電源供應器設計架構。但因應科技的日益精進，3C產品眾多的情況下，所需要的電壓都不太一樣，也因此不同輸出電壓的電源產品規格成為越來越普及的需求。但由於LLC效率最佳操作點為諧振頻率點，在該諧振頻率點下須維持穩定的輸入電壓及穩定的輸出電壓，因此LLC在單一輸出電壓下通常非為最佳解。
為此，如何設計出一種電源轉換器，解決現有技術所存在的問題與技術瓶頸，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之目的在於提供一種電源轉換器，解決現有技術之問題。
為達成前揭目的，本發明所提出的電源轉換器包括初級側整流濾波電路、交流轉直流轉換器、直流轉直流轉換器、初級側控制器、次級側整流控制器以及次級側回授控制器。初級側整流濾波電路接收輸入電壓，且整流、濾波輸入電壓以輸出調整輸入電壓。交流轉直流轉換器耦接初級側整流濾波電路，且接收調整輸入電壓。直流轉直流轉換器耦接交流轉直流轉換器。初級側控制器耦接交流轉直流轉換器與直流轉直流轉換器，提供第一控制訊號控制交流轉直流轉換器轉換調整輸入電壓為直流輸入電壓，且提供第二控制訊號控制直流轉直流轉換器。次級側整流控制器耦接直流轉直流轉換器，提供第三控制訊號控制直流轉直流轉換器基於增益條件轉換直流輸入電壓為轉換電壓，對負載供電。次級側回授控制器耦接初級側控制器與次級側整流控制器，次級側回授控制器接收負載提供的負載供電需求訊號控制初級側控制器與次級側整流控制器的操作。
在一實施例中，次級側回授控制器提供包括交直流回授控制訊號與直直流回授控制訊號的回授控制訊號至初級側控制器，且提供整流控制訊號至次級側整流控制器。初級側控制器根據交直流回授控制訊號控制交流轉直流轉換器，根據直直流回授控制訊號控制直流轉直流轉換器，且根據整流控制訊號控制次級側整流控制器與調整增益條件。
在一實施例中，直流轉直流轉換器包括初級側隔離電路與次級側隔離電路。初級側隔離電路耦接交流轉直流轉換器與初級側控制器，用以接收第二控制訊號與直流輸入電壓。次級側隔離電路耦接次級側整流控制器，用以隔離轉換直流輸入電壓。
在一實施例中，初級側隔離電路包括橋式切換電路與諧振電路。次級側隔離電路包括橋式同步整流電路與降壓型轉換電路。
在一實施例中，橋式切換電路包括上開關與下開關。上開關的第一端耦接交流轉直流轉換器。下開關的第一端耦接上開關的第二端與諧振電路。初級側控制器提供第二控制訊號控制上開關與下開關。
在一實施例中，橋式同步整流電路包括第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、第一諧振電感以及第二諧振電感。第二開關的第一端耦接第一開關的第二端。第三開關的第一端耦接第一開關的第一端與降壓型轉換電路。第四開關的第一端耦接第三開關的第二端。第一諧振電感的第一端耦接第一開關的第二端與第二開關的第一端之間。第二諧振電感的第一端耦接第一諧振電感的第二端，第二諧振電感的第二端耦接第三開關的第二端與第四開關的第一端之間。次級側整流控制器提供第三控制訊號控制第一開關、第二開關、第三開關以及第四開關。
在一實施例中，橋式同步整流電路更包括第一電容與第二電容。第一電容的第一端耦接第三開關。第二電容的第一端耦接第一電容的第二端，第二電容的第二端耦接第四開關。
在一實施例中，降壓型轉換電路包括第五開關、第六開關、二極體、電感以及電容。第五開關的第一端耦接第三開關的第一端。第六開關的第一端耦接第一諧振電感的第二端與第二諧振電感的第一端之間，第六開關的第二端耦接第五開關的第二端。二極體的陰極耦接第五開關的第二端與第六開關的第二端。電感的第一端耦接二極體的陰極。電容的第一端耦接電感的第二端，電容的第二端耦接二極體的陽極與第四開關的第二端。
在一實施例中，當轉換電壓為第一電壓時，第一開關與第三開關關斷，且第二開關與第四開關相互切換導通，激磁第一諧振電感或第二諧振電感。
在一實施例中，當第二開關導通，形成第一磁激路徑包括第二開關、第一諧振電感以及降壓型轉換電路，對第一諧振電感進行激磁。當第四開關 導通，形成第二磁激路徑包括第四開關、第二諧振電感以及降壓型轉換電路，對第二諧振電感進行激磁。
在一實施例中，當轉換電壓為第一電壓時，第二開關與第四開關關斷，且第一開關與第三開關相互切換導通，激磁第一諧振電感或第二諧振電感。
在一實施例中，當第一開關導通，形成第三磁激路徑包括第一開關、第一諧振電感以及降壓型轉換電路，對第一諧振電感進行激磁。當第三開關導通，形成第四磁激路徑包括第三開關、第二諧振電感以及降壓型轉換電路，對第二諧振電感進行激磁。
在一實施例中，當轉換電壓為第二電壓時，第一開關與第四開關同時導通與關斷，第二開關與第三開關同時導通與關斷，且第一開關與第二開關相互切換導通，激磁第一諧振電感與第二諧振電感。
在一實施例中，當第一開關與第四開關同時導通時，形成第一磁激路徑包括第一開關、第一諧振電感、第二諧振電感、第四開關以及降壓型轉換電路。當第二開關與第三開關同時導通時，形成第二磁激路徑包括第二開關、第一諧振電感、第二諧振電感、第三開關以及降壓型轉換電路。
在一實施例中，當轉換電壓小於第一電壓時，第五開關與第六開關導通降壓型轉換電路。
在一實施例中，當轉換電壓小於第二電壓時，第五開關與第六開關導通降壓型轉換電路。
在一實施例中，降壓型轉換電路用以轉換轉換電壓為直流輸出電壓。
在一實施例中，透過控制第五開關的責任週期或第六開關的責任週期，使轉換電壓降壓為不同電壓大小的直流輸出電壓。
藉由所提出的電源轉換器，可操作於半橋或全橋電路拓樸，用以彈性地提供多組不同大小的輸出電壓。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
1:初級側整流濾波電路
2:交流轉直流轉換器
3:直流轉直流轉換器
4:初級側控制器
5:次級側整流控制器
6:次級側回授控制器
7:負載
31:初級側隔離電路
32:次級側隔離電路
311:橋式切換電路
312:諧振電路
321:橋式同步整流電路
322:降壓型轉換電路
QH:上開關
QL:下開關
Q1:第一開關
Q2:第二開關
Q3:第三開關
Q4:第四開關
Q5:第五開關
Q6:第六開關
L1:第一諧振電感
L2:第二諧振電感
C1:第一電容
C2:第二電容
D:二極體
L:電感
C:電容
VIN:輸入電壓
VINRF:調整輸入電壓
VINDC:直流輸入電壓
VCON:轉換電壓
VOUTDC:直流輸出電壓
SC1:第一控制訊號
SC2:第二控制訊號
SC3:第三控制訊號
SLP:負載供電需求訊號
SCSR:整流控制訊號
SCAD:交直流回授控制訊號
SCDD:直直流回授控制訊號
圖1：係為本發明電源轉換器的架構方塊圖。
圖2：係為本發明電源轉換器的細部方塊圖。
圖3、圖4：係為本發明直流轉直流轉換器的電路圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參見圖1、圖2所示，其係分別為本發明電源轉換器的架構方塊圖與細部方塊圖。所述具升降壓轉換之電源轉換器包括初級側整流濾波電路1、交流轉直流轉換器2、直流轉直流轉換器3、初級側控制器4、次級側整流控制器5以及次級側回授控制器6。
初級側整流濾波電路1接收輸入電壓VIN，且整流、濾波輸入電壓VIN以輸出調整輸入電壓VINRF。具體地，初級側整流濾波電路1初級側整流電路與初級側濾波電路(圖未示)。初級側整流電路用以對輸入電壓VIN進行整流。初級側濾波電路係用以將整流後的輸入電壓進行濾波，以輸出調整輸入電壓VINRF至交流轉直流轉換器2。
交流轉直流轉換器2耦接初級側整流濾波電路1，且接收初級側整流濾波電路1輸出的調整輸入電壓VINRF。
直流轉直流轉換器3耦接交流轉直流轉換器2。具體地，如圖3、圖4所示，其係為本發明直流轉直流轉換器的電路圖。直流轉直流轉換器3包括初級側隔離電路31與次級側隔離電路32。初級側隔離電路31耦接交流轉直流轉換器2與初級側控制器4，用以接收初級側控制器4提供的第二控制訊號SC2與直流輸入電壓VINDC。次級側隔離電路32耦接次級側整流控制器5，用以隔離轉換直流輸入電壓VINDC。
初級側隔離電路31包括橋式切換電路311與諧振電路312。橋式切換電路311包括上開關QH與下開關QL。上開關QH的第一端耦接交流轉直流轉換器2。下開關QL的第一端耦接上開關QH的第二端與諧振電路312。初級側控制器4提供第二控制訊號SC2控制上開關QH與下開關QL。
次級側隔離電路32包括橋式同步整流電路321與降壓型轉換電路322。橋式同步整流電路321包括第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3、第四開關Q4、第一諧振電感L1以及第二諧振電感L2。第二開關Q2的第一端耦接第一開關Q1的第二端。第三開關Q3的第一端耦接第一開關Q1的第一端與降壓型轉換電路322。第四開關Q4的第一端耦接第三開關Q3的第二端。第一諧振電感的第一端耦接第一開關Q1的第二端與第二開關Q2的第一端之間。第二諧振電感L2的第一端耦接第一諧振電感L1的第二端，第二諧振電感L2的第二端耦接第三開關Q3的第二端與第四開關Q4的第一端之間。次級側整流控制器5提供第三控制訊號SC3控制第一開關Q1、第二開關Q2、第三開關Q3以及第四開關Q4。
橋式同步整流電路321更包括第一電容C1與第二電容C2。第一電容C1的第一端耦接第三開關Q3。第二電容C2的第一端耦接第一電容C1的第二端，第二電容C2的第二端耦接第四開關Q4。
降壓型轉換電路322用以轉換轉換電壓VOON為直流輸出電壓VOUTDC。降壓型轉換電路322包括第五開關Q5、第六開關Q6、二極體D、電感L以及電容C。第五開關Q5的第一端耦接第三開關Q3的第一端。第六開關Q6的第一端耦接第一諧振電感L1的第二端與第二諧振電感L2的第一端之間，第六開關Q6的第二端耦接第五開關Q5的第二端。二極體D的陰極耦接第五開關Q5的第二端與第六開關Q6的第二端。電感L的第一端耦接二極體D的陰極。電容C的第一端耦接電感L的第二端，電容C的第二端耦接二極體D的陽極與第四開關Q4的第二端。在一實施例中，第六開關Q6可以背靠背的半導體元件實現，然不以此為限制本發明。
初級側控制器4耦接交流轉直流轉換器2與直流轉直流轉換器3，提供第一控制訊號SC1控制交流轉直流轉換器2轉換調整輸入電壓VINRF為直流輸入電壓VINDC，且提供第二控制訊號SC2控制直流轉直流轉換器3。
次級側整流控制器5耦接直流轉直流轉換器3，提供第三控制訊號SC3控制直流轉直流轉換器3基於增益條件轉換直流輸入電壓VINDC為轉換電壓VCON，對負載7供電。
次級側回授控制器6耦接初級側控制器4與次級側整流控制器5。次級側回授控制器6接收負載7提供的負載供電需求訊號SLP控制初級側控制器4與次級側整流控制器5的操作。具體地，次級側回授控制器6提供包括交直流回授控制訊號SCAD與直直流回授控制訊號SCDD的回授控制訊號至初級側控制器4，且提供整流控制訊號SCSR至次級側整流控制器5。
初級側控制器4根據交直流回授控制訊號SCAD控制交流轉直流轉換器2，根據直直流回授控制訊號SCDD控制直流轉直流轉換器3，且根據整流控制訊號SCSR控制次級側整流控制器5與調整增益條件。
當橋式同步整流電路321為半橋操作時，此時轉換電壓VCON為第一電壓，例如但不限制為20伏特，第三控制訊號SC3控制第一開關Q1與第三開關Q3關斷，且控制第二開關Q2與第四開關Q4相互切換導通，因此激磁第一諧振電感L1或第二諧振電感L2。在本實施例中，當第二開關Q2導通，形成第一磁激路徑包括第二開關Q2、第一諧振電感L1以及降壓型轉換電路322，故此對第一諧振電感L1進行激磁。當第四開關Q4導通，形成第二磁激路徑包括第四開關Q4、第二諧振電感L2以及降壓型轉換電路322，故此對第二諧振電感L2進行激磁。
對稱的電路操作為，轉換電壓VCON為第一電壓時，第三控制訊號SC3控制第二開關Q2與第四開關Q4關斷，且控制第一開關Q1與第三開關Q3相互切換導通，因此激磁第二諧振電感L2。在本實施例中，當第一開關Q1導通，形成第三磁激路徑包括第一開關Q1、第一諧振電感L1以及降壓型轉換電路322，故此對第一諧振電感L1進行激磁。當第三開關Q3導通，形成第四磁激路徑包括第三開關Q3、第二諧振電感L2以及降壓型轉換電路322，故此對第二諧振電感L2進行激磁。
當轉換電壓VCON小於第一電壓(即小於20伏特)時，第五開關Q5與第六開關Q6導通降壓型轉換電路322。具體地，透過控制第五開關Q5的責任週期或第六開關Q6的責任週期，使轉換電壓VCON降壓為不同電壓大小的直流輸出電壓VOUTDC，以提供多組不同大小的輸出電壓。
當橋式同步整流電路321為全橋操作時，此時轉換電壓VCON為第二電壓，例如但不限制為48伏特或36伏特，第三控制訊號SC3控制第一開關Q1 與第四開關Q4同時導通與關斷，且控制第二開關Q2與第三開關Q3同時導通與關斷，且控制第一開關Q1與第二開關Q2相互切換導通，激磁第一諧振電感L1與第二諧振電感L2。具體地，當第一開關Q1與第四開關Q4同時導通時，第一磁激路徑包括第一開關Q1、第一諧振電感L1、第二諧振電感L2、第四開關Q4以及降壓型轉換電路322，故此同時對第一諧振電感L1與第二諧振電感L2進行激磁。當第二開關Q2與第三開關Q3同時導通時，第二磁激路徑包括第二開關Q2、第一諧振電感L1、第二諧振電感L2、第三開關Q3以及降壓型轉換電路322，故此同時對第一諧振電感L1與第二諧振電感L2進行激磁。
當轉換電壓VCON小於第二電壓(即小於48伏特或36伏特)時，第五開關Q5與第六開關Q6導通降壓型轉換電路322。透過控制第五開關Q5的責任週期或第六開關Q6的責任週期，使轉換電壓VCON降壓為不同電壓大小的直流輸出電壓VOUTDC，以提供多組不同大小的輸出電壓。
藉由本發明所提出的電源轉換器，可操作於半橋或全橋電路拓樸，用以彈性地提供多組不同大小的輸出電壓。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
1:初級側整流濾波電路
2:交流轉直流轉換器
3:直流轉直流轉換器
4:初級側控制器
5:次級側整流控制器
6:次級側回授控制器
7:負載
VIN:輸入電壓
VINRF:調整輸入電壓
VINDC:直流輸入電壓
VOUTDC:直流輸出電壓
SC1:第一控制訊號
SC2:第二控制訊號
SC3:第三控制訊號
SLP:負載供電需求訊號
SCSR:整流控制訊號
SCAD:交直流回授控制訊號
SCDD:直直流回授控制訊號

Claims (18)

  1. 一種電源轉換器，包括：一初級側整流濾波電路，接收一輸入電壓，且整流、濾波該輸入電壓以輸出一調整輸入電壓；一交流轉直流轉換器，耦接該初級側整流濾波電路，且接收該調整輸入電壓；一直流轉直流轉換器，耦接該交流轉直流轉換器；一初級側控制器，耦接該交流轉直流轉換器與該直流轉直流轉換器，提供一第一控制訊號控制該交流轉直流轉換器轉換該調整輸入電壓為一直流輸入電壓，且提供一第二控制訊號控制該直流轉直流轉換器；一次級側整流控制器，耦接該直流轉直流轉換器，提供一第三控制訊號控制該直流轉直流轉換器基於一增益條件轉換該直流輸入電壓為一轉換電壓，對一負載供電；及一次級側回授控制器，耦接該初級側控制器與該次級側整流控制器，該次級側回授控制器接收該負載提供的一負載供電需求訊號控制該初級側控制器與該次級側整流控制器的操作。
  2. 如請求項1所述的電源轉換器，其中該次級側回授控制器提供包括一交直流回授控制訊號與一直直流回授控制訊號的一回授控制訊號至該初級側控制器，且提供一整流控制訊號至該次級側整流控制器；其中該初級側控制器根據該交直流回授控制訊號控制該交流轉直流轉換器，根據該直直流回授控制訊號控制該直流轉直流轉換器，且根據該整流控制訊號控制該次級側整流控制器與調整該增益條件。
  3. 如請求項1所述的電源轉換器，其中該直流轉直流轉換器包括： 一初級側隔離電路，耦接該交流轉直流轉換器與該初級側控制器，用以接收該第二控制訊號與該直流輸入電壓；及一次級側隔離電路，耦接該次級側整流控制器，用以隔離轉換該直流輸入電壓。
  4. 如請求項3所述的電源轉換器，其中該初級側隔離電路包括一橋式切換電路與一諧振電路；該次級側隔離電路包括一橋式同步整流電路與一降壓型轉換電路。
  5. 如請求項4所述的電源轉換器，其中該橋式切換電路包括：一上開關，該上開關的一第一端耦接該交流轉直流轉換器；及一下開關，該下開關的一第一端耦接該上開關的一第二端與該諧振電路；其中該初級側控制器提供該第二控制訊號控制該上開關與該下開關。
  6. 如請求項4所述的電源轉換器，其中該橋式同步整流電路包括：一第一開關；一第二開關，該第二開關的一第一端耦接該第一開關的一第二端；一第三開關，該第三開關的一第一端耦接該第一開關的一第一端與該降壓型轉換電路；一第四開關，該第四開關的一第一端耦接該第三開關的一第二端；一第一諧振電感，該第一諧振電感的一第一端耦接該第一開關的該第二端與該第二開關的該第一端之間；及一第二諧振電感，該第二諧振電感的一第一端耦接該第一諧振電感的該第二端，該第二諧振電感的一第二端耦接該第三開關的該第二端與該第四開關的該第一端之間； 其中該次級側整流控制器提供該第三控制訊號控制該第一開關、該第二開關、該第三開關以及該第四開關。
  7. 如請求項6所述的電源轉換器，其中該橋式同步整流電路更包括：一第一電容，該第一電容的一第一端耦接該第三開關；及一第二電容，該第二電容的一第一端耦接該第一電容的一第二端，該第二電容的一第二端耦接該第四開關。
  8. 如請求項6所述的電源轉換器，其中該降壓型轉換電路包括：一第五開關，該第五開關的一第一端耦接該第三開關的該第一端；一第六開關，該第六開關的一第一端耦接該第一諧振電感的該第二端與該第二諧振電感的該第一端之間，該第六開關的一第二端耦接該第五開關的一第二端；一二極體，該二極體的一陰極耦接該第五開關的該第二端與該第六開關的該第二端；一電感，該電感的一第一端耦接該二極體的該陰極；及一電容，該電容的一第一端耦接該電感的一第二端，該電容的一第二端耦接該二極體的一陽極與該第四開關的一第二端。
  9. 如請求項8所述的電源轉換器，其中當該轉換電壓為一第一電壓時，該第一開關與該第三開關關斷，且該第二開關與該第四開關相互切換導通，激磁該第一諧振電感或該第二諧振電感。
  10. 如請求項9所述的電源轉換器，其中當該第二開關導通，形成一第一磁激路徑包括該第二開關、該第一諧振電感以及該降壓型轉換電路，對該 第一諧振電感進行激磁；當該第四開關導通，形成一第二磁激路徑包括該第四開關、該第二諧振電感以及該降壓型轉換電路，對該第二諧振電感進行激磁。
  11. 如請求項8所述的電源轉換器，其中當該轉換電壓為一第一電壓時，該第二開關與該第四開關關斷，且該第一開關與該第三開關相互切換導通，激磁該第一諧振電感或該第二諧振電感。
  12. 如請求項11所述的電源轉換器，其中當該第一開關導通，形成一第三磁激路徑包括該第一開關、該第一諧振電感以及該降壓型轉換電路，對該第一諧振電感進行激磁；當該第三開關導通，形成一第四磁激路徑包括該第三開關、該第二諧振電感以及該降壓型轉換電路，對該第二諧振電感進行激磁。
  13. 如請求項8所述的電源轉換器，其中當該轉換電壓為一第二電壓時，該第一開關與該第四開關同時導通與關斷，該第二開關與該第三開關同時導通與關斷，且該第一開關與該第二開關相互切換導通，激磁該第一諧振電感與該第二諧振電感。
  14. 如請求項13所述的電源轉換器，其中當該第一開關與該第四開關同時導通時，形成一第一磁激路徑包括該第一開關、該第一諧振電感、該第二諧振電感、該第四開關以及該降壓型轉換電路；當該第二開關與該第三開關同時導通時，形成一第二磁激路徑包括該第二開關、該第一諧振電感、該第二諧振電感、該第三開關以及該降壓型轉換電路。
  15. 如請求項9所述的電源轉換器，其中當該轉換電壓小於該第一電壓時，該第五開關與該第六開關導通該降壓型轉換電路。
  16. 如請求項13所述的電源轉換器，其中當該轉換電壓小於該第二電壓時，該第五開關與該第六開關導通該降壓型轉換電路。
  17. 如請求項8所述的電源轉換器，其中該降壓型轉換電路用以轉換該轉換電壓為一直流輸出電壓。
  18. 如請求項17所述的電源轉換器，其中透過控制該第五開關的一責任週期或該第六開關的一責任週期，使該轉換電壓降壓為不同電壓大小的該直流輸出電壓。
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