TWM449407U - 電源轉換裝置 - Google Patents

Description

電源轉換裝置

本創作係有關於一種電源轉換裝置，尤指一種可提高輕載效率之DC-DC電源轉換器。

直流-直流轉換器(DC/DC Converter)，顧名思義是將輸入的直流電源做電壓位準的調節，其調節方式包括升壓及降壓，並使調整過的電壓穩定在所設定的電壓數值。直流-直流轉換器主要使用在分散式的電源系統，如此可將前一級的電源固定於一電壓位準，而第二級可依系統中個別的電源需求連接對應的直流對直流轉換器。
其中，直流-直流轉換器又可分為脈波寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)電力轉換器與諧振式電力轉換器。由於脈波寬度調變電力轉換器之開關切換屬於硬性切換，導致嚴重的切換損失，使得電力轉換效率無法提升，故發展出諧振式電力轉換器，利用諧振電路本身具有柔性切換(soft switching)的特性，降低開關切換損失，提升轉換器整體效率。
其中，LLC諧振電路(LLC Resonant Converter)因具有零電壓(zero-voltage switching,ZVS)與零電流(zero-current switching,ZCS)切換的特性，因此在高效率、高功率的電源電路均會考慮採用LLC諧振電路架構。
配合參閱第一圖，為習知之電源供應裝置之電路圖。該電源供應裝置包含二切換元件Q1、Q2，一第一電容器C1、一第二電容器C2、一第一電感器L1、一第二電感器L2、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一變壓器T1及一控制器50。該等切換元件Q1、Q2及該控制器50配合構成一切換電路，用以將一直流電壓源VIN切換成直流脈動信號。直流脈動信號通過該第一電容器C1、該第一電感器L1及該第二電感器L2配合構成一諧振網路以產生諧振，並傳遞至該電壓器T1之二次側經該第一二極體D1、第二二極體D2及該第二電容器C2後轉換成直流電壓供給負載。
配合參閱第二圖，為對應第一圖所示之第二電感器之電感值-電流曲線圖。由第二圖中可視，在非磁飽和的狀態下，該第二電感器L2的電感值大致為固定的，因此當該電源轉換裝置在輕載操作下，該等切換元件Q1、Q2的切換頻率係為了要穩定輸出電壓而提升切換頻率，然而，切換頻率提高將致使該電源轉換裝置於輕載操作下的效率變差，如第三圖所示，其中第三圖虛線所示為該電源轉換裝置於重載操作下的頻率響應曲線，實線為該電源轉換裝置於輕載操作下的頻率響應曲線。

鑒於先前技術所述，本創作之一目的，在於提供一種電源供應裝置，該電源供應裝置可提升輕載效率。
為達上述目的，本創作提供一種電源轉換裝置，包含一切換單元、一諧振單元、一轉換單元、一整流及濾波單元、一電感估測單元及一驅動器；該諧振單元電連接於該切換單元，該諧振單元包含一諧振電容、一諧振電感器及一可變激磁電感器；該轉換單元電連接於該諧振單元，該整流及濾波單元電連接於該轉換單元；該電感估測單元電連接於該整流及濾波單元，用以估測該可變激磁電感器的電感值；該驅動器電連接於該電感估測單元及該切換單元，並依據該電感估測單元估測的電感值以控制該切換單元的切換頻率。
本創作之該電源轉換裝置之可變激磁電感具有至少兩種不同的電感值，並藉由該電感估測單元以即時地估測該可變激磁電感器之電感值，並將該電感值傳送至該驅動器，該驅動器依照對應電感值之切一換頻率值控制該切換單元的切換頻率，如此一來，可以降低切換單元的切換損失，進而提升該電源轉換裝置的輕載效率。

配合參閱第四圖，為本創作之電源轉換裝置之電路圖。該電源轉換裝置10用以將輸入之一直流電源VIN做電壓準位的調整，其調節方式包含升壓或降壓，並使調整後的電壓穩定在所設定的電壓數值，之後再輸出至一負載R。該電源轉換裝置包含一切換單元110、一諧振單元120、一轉換單元130、一整流及濾波單元140、一電感估測單元150、一控制器160及一驅動器170。
該切換單元110電連接於該直流電源VIN及該驅動器170，該切換單元110包含複數切換元件112及複數二極體D，該等二極體D的使用數量相同於該等切換元件112的使用數量，且該等二極體D分別並聯於該等切換元件112。於本實施例中，該切換單元110為包含二個切換元件112之半橋切換電路，該等切換元件112為串聯電連接。於本實施例中，各該切換元件112可以為金屬氧化物半導體場效應電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)，且該MOSFET之汲極-源極之間連接該二極體D，或者，該二極體D可以為該MOSFET的寄生二極體。於實際實施時，該切換單元110也可以為全橋切換電路，並搭配使用其它具有切換功能的功率開關，如:絕緣閘雙極電晶體(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。各該切換元件112電連接於該驅動器170，並藉由該驅動器170提供之一信號以切換於導通狀態或截止狀態，使產生一脈動直流信號。
該諧振單元120電連接於該切換單元110，並位於該二切換元件112之間，以在該二切換元件112交替導通和截止之時接收脈動直流信號。該諧振單元120包含一諧振電容器Cr、一諧振電感器Lr及一可變激磁電感器Lm。該諧振電容器Cr串聯電連接於該諧振電感器Lr，該可變激磁電感器Lm並聯於該轉換單元130之一一次側繞組Np。該諧振電容器Cr除了用以阻隔經由該脈動直流信號之直流分量外，並與該諧振電感器Lr及該可變激磁電感器Lm形成一諧振電路。該可變激磁電感器Lm可如第四圖所示實施成一外在電感器，或者該可變激磁電感器Lm可為該轉換單元130的磁化電感。
該可變激磁電感器Lm具有至少二電感值，如第六圖所示。該可變激磁電感器Lm具有一相對較高的電感值及一相對較低得電感值，其中當該電源轉換裝置10於輕載操作(小電流操作)時，該可變激磁電感器Lm具有一相對較高的電感值，當該電源轉換裝置在重載操作(大電流操作)時，該可變激磁電感Lm具有一相對較低的電感值。
復參閱第四圖，該轉換單元130電連接於該諧振單元120，該轉換單元130包含該一次側線圈Np及一二次側線圈Ns，該一次側線圈Np用以將電能轉換為磁能，並將轉換後的磁能傳遞至該二次側線圈Ns，該二次側線圈Ns將磁能轉換為電能，來達成升壓或降壓的任務。在本實施例中，該轉換單元130為中心抽頭式變壓器。
該整流及濾波單元140電連接於該轉換單元130。該整流及濾波單元140包含一整流電路142及一濾波電路144。整流電路142包含二整流二極體Dr，該等整流二極體Dr電連接於該二次側線圈Ns使形成中心抽頭之全波整流電路，用以將交流電轉換為具高頻脈動成分的直流電。該濾波電路144包含一濾波電容器Cf，用以濾除高頻脈動成分並輸出一平穩的直流電，該濾波電容器Cf電連接於該等整流二極體Dr並橫跨輸出負載。
該電感估測單元150電連接於該整流及濾波單元140，該電感估測單元150用以估測該可變激磁電感器Lm的電感值。
該控制器160電連接於該電感估測單元150，該控制器160係利用電感估測單元150輸出的電感值以計算出對應於之切換頻率值，並將該切換頻率值傳遞至電連接於該控制器160之該驅動器170，以使該驅動器170對應該切換頻率值控制該切換單元110之該等切換元件112進行切換動作。該電感估測單元150、該控制器160及該驅動器170可如第四圖所示實施成不同的單元，或者該電感估測單元150、該控制器160及該驅動器170也可以整合而成為一積體電路。
配合參閱第五圖，為對應第四圖之電源轉換裝置之交流等效電路圖。在第五圖中，交流負載阻抗Rac為該轉換單元130二次側負載等效到該轉換單元130一次側的組抗，輸出電流Io為流經該交流阻抗Rac的電流。
藉由該電源轉換裝置的等效電路圖可推得輸出電壓Vo及輸入電壓Vi之關係:

在上式中，F為切換頻率fs與諧振頻率fr的比值，即

K為激磁電感器Lm與諧振電感器Lr的比值，即

又，切換頻率變動量 與激磁電感變動量 分別定義為:

因此，切換頻率變動率 及激磁電感 關係式為


配合參閱第七圖，為本創作之電源供應裝置之頻率響應圖。其中，虛線所示為該電源轉換裝置10於重載操作下的頻率響應曲線，實線為該電源轉換裝置10於輕載操作下的頻率響應曲線。由於該可變激磁電感器Lm具有至少二種不同的電感值，並分別地適用於於輕載操作及重載操作下，如此一來，可以降低該等切換元件112在輕載操作下之切換功率損失，進而提升該電源轉換裝置10的輕載效率。
綜合以上所述，本創作之該電源轉換裝置10之可變激磁電感Lm具有至少兩種不同的電感值，並藉由該電感估測單元150以即時地估測該可變激磁電感器Lm之電感值，並將該電感值傳送至該控制器160，該控制器160係運算出對應該電感值的切換頻率值以使該驅動器170依照該切換頻率值控制該切換單元110的切換頻率，如此一來，可以降低切換單元110的切換損失，進而提升該電源轉換裝置的輕載效率。
然以上所述者，僅為本創作之較佳實施例，當不能限定本創作實施之範圍，即凡依本創作申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本創作之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。

10‧‧‧電源轉換裝置
110‧‧‧切換單元
112、Q1、Q2‧‧‧切換元件
120‧‧‧諧振單元
130‧‧‧轉換單元
140‧‧‧整流及濾波單元
142‧‧‧整流電路
144‧‧‧濾波電路
150‧‧‧電感估測單元
160、50‧‧‧控制器
170‧‧‧驅動器
Cr‧‧‧諧振電容器
Cf‧‧‧濾波電容器
C1‧‧‧第一電容器
C2‧‧‧第二電容器
Dr‧‧‧整流二極體
D‧‧‧二極體
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
Io‧‧‧輸出電流
Lm‧‧‧激磁電感器
Lr‧‧‧諧振電感器
L1‧‧‧第一電感器
L2‧‧‧第二電感器
Np‧‧‧一次側線圈
Ns‧‧‧二次側線圈
R‧‧‧負載
Rac‧‧‧交流負載阻抗
T1‧‧‧變壓器

第一圖為習知之電源供應裝置之電路圖。
第二圖為對應第一圖所示之第二電感器之電感-電流曲線圖。
第三圖為習知之電源供應裝置之頻率響應圖。
第四圖為本發明之電源供應裝置之電路圖。
第五圖為對應第四圖之電源轉換裝置之交流等效電路圖。
第六圖為對應第三圖所示之可變激磁電感器之電抗-電流曲線圖。
第七圖為本發明之電源供應裝置之頻率響應圖。

10‧‧‧電源轉換裝置

110‧‧‧切換單元

112‧‧‧切換元件

120‧‧‧諧振單元

130‧‧‧轉換單元

140‧‧‧整流及濾波單元

142‧‧‧整流電路

144‧‧‧濾波電路

150‧‧‧電感估測單元

160‧‧‧控制器

170‧‧‧驅動器

Cr‧‧‧諧振電容器

Cf‧‧‧濾波電容器

D‧‧‧二極體

Dr‧‧‧整流二極體

Io‧‧‧輸出電流

Lm‧‧‧激磁電感器

Lr‧‧‧諧振電感器

Np‧‧‧一次側線圈

Ns‧‧‧二次側線圈

R‧‧‧負載

Claims (8)

1. 一種電源轉換裝置，包含:
   一切換單元；
   一諧振單元，電連接於該切換單元，該諧振單元包含一諧振電容、一諧振電感器及一可變激磁電感器；
   一轉換單元，電連接於該諧振單元；
   一整流及濾波單元，電連接於該轉換單元；
   一電感估測單元，電連接於該整流及濾波單元，用以估測該可變激磁電感器的電感值；
   一驅動器，電連接於該電感估測單元及該切換單元，並依據該電感估測單元估測之一電感值以控制該切換單元的切換頻率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該可變激磁電感器在輕載操作時具有較大電感值，該可變激磁電感器載重載操作時具有較小電感值。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該整流及濾波單元包含一整流電路及一濾波電路，該整流電路電連接於該轉換單元之一二次側線圈，該濾波電路電連接於該整流電路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該切換單元包含至少二切換元件，該驅動器電連接於各該切換元件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電源轉換裝置，更包含二二極體，各該二極體並聯於各該切換元件。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該諧振電容器、該諧振電感器及該轉換單元之一一次側線圈為串聯連接，該可變激磁電感及該一次側線圈為並聯連接。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，其中該轉換單元為中心抽頭式變壓器。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置，更包含一控制器，電連接於該電感估測單元及該驅動器，該控制器係利用電感估測單元輸出之一電感值以運算出對應之一切換頻率值，並該切換頻率值傳遞至該驅動器。