TW201701576A - 諧振轉換器 - Google Patents

Abstract

一種諧振轉換器，包含：一個變壓器、一個第一開關、一個諧振電感、一個諧振電容、一個第二開關及一個第三開關。該變壓器包括一個第一初級繞組、一個第二初級繞組及一個次級繞組。每一個初級繞組具有一個第一終端及一個第二終端。該第一開關耦接到該第一初級繞組的該第一終端。該諧振電感與該諧振電容在該第一初級繞組的該第二終端與該第二初級繞組的該第一終端之間串聯。該第二開關耦接在該第一初級繞組及該第二初級繞組的該等第一終端之間。該第三開關耦接在該第一初級繞組及該第二初級繞組的該等第二終端之間。

Description

諧振轉換器

本發明是有關於電源轉換技術，特別是指一種諧振轉換器。

習知的諧振轉換器通常採用半橋架構(即使用兩個開關)或全橋架構(即使用四個開關)來進行電源轉換。習知的半橋式諧振轉換器雖然有成本相對較低的優點，但是卻有轉換效率相對較低的缺點。習知的全橋式諧振轉換器雖然有轉換效率相對較高的優點，但是卻有成本相對較高的缺點。

因此，本發明之目的即在提供一種成本適中且轉換效率適中的諧振轉換器。

於是，本發明諧振轉換器包含一個變壓器、一個第一開關、一個諧振電感、一個諧振電容、一個第二開關及一個第三開關。該變壓器包括一個第一初級繞組、一個第二初級繞組及一個次級繞組。該第一初級繞組及該第二初級繞組的每一個具有一個第一終端及一個第二終端。該第一開關耦接到該變壓器的該第一初級繞組的該第一終 端。該諧振電感與該諧振電容在該變壓器的該第一初級繞組的該第二終端與該變壓器的該第二初級繞組的該第一終端之間串聯。該第二開關耦接在該變壓器的該第一初級繞組及該第二初級繞組的該等第一終端之間。該第三開關耦接在該變壓器的該第一初級繞組及該第二初級繞組的該等第二終端之間。

本發明之功效在於：由於只需要三個開關，因此該諧振轉換器具有適中的轉換效率及適中的成本。

1‧‧‧變壓器

11‧‧‧第一初級繞組

12‧‧‧第二初級繞組

13‧‧‧次級繞組

2‧‧‧第一開關

3‧‧‧諧振電感

4‧‧‧諧振電容

5‧‧‧第二開關

6‧‧‧第三開關

7‧‧‧整流濾波電路

71‧‧‧第一二極體

72‧‧‧第二二極體

73‧‧‧輸出電容

9‧‧‧負載

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一個示意電路方塊圖，說明本發明諧振轉換器的實施例；圖2是一個時序圖，說明實施例的操作；及圖3至圖8是示意等效電路圖，說明實施例分別操作在第一模式至第六模式時的情況。

參閱圖1，本發明諧振轉換器的實施例是一個串聯諧振轉換器，適用於將一個直流輸入電壓Vin轉換成一個被供應到一個負載9的直流輸出電壓Vo，且包括一個變壓器1、一個第一開關2、一個諧振電感3、一個諧振電容4、一個第二開關5、一個第三開關6及一個整流濾波電路7。

變壓器1包括一個第一初級繞組11、一個第二 初級繞組12及一個次級繞組13。第一初級繞組11、第二初級繞組12及次級繞組13的每一個具有一個第一終端及一個第二終端。次級繞組13還具有一個中間端。在本實施例中，第一初級繞組11及第二初級繞組12具有相同的匝數；第一初級繞組11及第二初級繞組12的第一終端具有相同的電壓極性；且次級繞組13是一個中心抽頭的繞組。

第一開關2耦接到變壓器1的第一初級繞組11 的第一終端。在本實施例中，第一開關2是一個N型金氧半場效電晶體，且具有一個汲極端、一個耦接到變壓器1的第一初級繞組11的第一終端的源極端，及一個接收一個第一控制信號Vgs1的閘極端。

諧振電感3及諧振電容4在變壓器1的第一初 級繞組11的第二終端與變壓器1的第二初級繞組12的第一終端之間串聯。在本實施例中，諧振電感3耦接到變壓器1的第一初級繞組11的第二終端；且諧振電容4耦接到變壓器1的第二初級繞組12的第一終端。

第二開關5耦接在變壓器1的第一初級繞組11 及第二初級繞組12的第一終端之間。在本實施例中，第二開關5是一個N型金氧半場效電晶體，且具有一個耦接到變壓器1的第一初級繞組11的第一終端的汲極端、一個耦接到變壓器1的第二初級繞組12的第一終端的源極端，及一個接收一個第二控制信號Vgs2的閘極端。

第三開關6耦接在變壓器1的第一初級繞組11 及第二初級繞組12的第二終端之間。在本實施例中，第三開關6是一個N型金氧半場效電晶體，且具有一個耦接到變壓器1的第一初級繞組11的第二終端的汲極端、一個耦接到變壓器1的第二初級繞組12的第二終端的源極端，及一個接收一個第三控制信號Vgs3的閘極端。

直流輸入電壓Vin從第一開關2的汲極端及變 壓器1的第二初級繞組12的第二終端被接收。如圖2所示，第一開關2、第二開關5及第三開關6的每一個根據相對應的控制信號Vgs1、Vgs2、Vgs3交替地在導通與不導通之間切換，且當第一開關2導通時，第二開關5及第三開關6都不導通，而當第二開關5及第三開關6都導通時，第一開關2不導通，使得直流輸入電壓Vin被轉換成一個從變壓器1的次級繞組13的第一終端及第二終端被輸出的交流電壓。

整流濾波電路7耦接到變壓器1的次級繞組13 以接收交流電壓，且對交流電壓整流及濾波以產生直流輸出電壓Vo。在本實施例中，整流器7包括用於整流的一個第一二極體71與一個第二二極體72，及一個用於濾波的輸出電容73。第一二極體71具有一個耦接到變壓器1的次級繞組13的第一終端的陽極，及一個陰極。第二二極體72具有一個耦接到變壓器1的次級繞組13的第二終端的陽極，及一個耦接到第一二極體71的陰極的陰極。輸出電容73耦接在第一二極體71的陰極與變壓器1的次級繞組13的中間端之間，且其跨壓充當直流輸出電壓Vo。

參閱圖2至圖8，本實施例的諧振轉換器在每一 個從時間t0到時間t6的切換週期中依序操作在第一模式至第六模式。圖2畫出第一控制信號Vgs1、第二控制信號Vgs2、第三控制信號Vgs3、第一開關2的跨壓Vds1、第二開關5的跨壓Vds2、第三開關6的跨壓Vds3、流經諧振電感3的電流iLr、流經第一二極體71的電流iD1及流經第二二極體72的電流iD2。需注意的是，在圖2中，電流iLr、iD1、iD2的每一個的波形同時傳達了此電流的大小及方向資訊(即正值及負值指示相反的方向)，而在圖3至圖8中，電流iLr、iD1、iD2的每一個的方向及大小分別由相對應的箭頭及相對應的標號表示。此外，在圖3至圖8中，第一開關2、第二開關5及第三開關6的本質二極體21、51、61及寄生電容22、52、62被畫出，且導通的元件以實線畫出，而不導通的元件以虛線畫出。

參閱圖2與圖3，本實施例的諧振轉換器在時間 t0到時間t1期間操作在第一模式。在第一模式中，第一開關2以零電壓切換方式切換為導通，且第二開關5及第三開關6都不導通。流經諧振電感3的電流iLr的大小從零逐漸上升到最大值，然後逐漸下降。能量經由變壓器1及第一二極體71傳遞到負載9。

參閱圖2與圖4，本實施例的諧振轉換器在時間 t1到時間t2期間操作在第二模式。在第二模式中，第一開關2切換為不導通，且第二開關5及第三開關6都維持在不導通。流經諧振電感3的電流iLr的大小逐漸下降。能量 經由變壓器1及第一二極體71傳遞到負載9。第一開關2的寄生電容22被充電，使得第一開關2的跨壓Vds1上升到(4/3)×Vin。第二開關5及第三開關6的寄生電容52、62都被放電，使得第二開關5及第三開關6的跨壓Vds2、Vds3都下降到零，以達到第二開關5及第三開關6的零電壓切換條件。

參閱圖2與圖5，本實施例的諧振轉換器在時間 t2到時間t3期間操作在第三模式。在第三模式中，第一開關2、第二開關5及第三開關6都維持在不導通。流經諧振電感3的電流iLr的大小逐漸下降到零。能量經由變壓器1及第一二極體71傳遞到負載9。第二開關5及第三開關6的本質二極體51、61都導通，使得第二開關5及第三開關6的跨壓Vds2、Vds3都維持在零。

參閱圖2與圖6，本實施例的諧振轉換器在時間 t3到時間t4期間操作在第四模式。在第四模式中，第一開關2維持在不導通，且第二開關5及第三開關6都以零電壓切換方式切換為導通。流經諧振電感3的電流iLr的大小從零逐漸上升到最大值，然後逐漸下降。能量經由變壓器1及第二二極體72傳遞到負載9。

參閱圖2與圖7，本實施例的諧振轉換器在時間 t4到時間t5期間操作在第五模式。在第五模式中，第一開關2維持在不導通，且第二開關5及第三開關6都切換為不導通。流經諧振電感3的電流iLr的大小逐漸下降。能量經由變壓器1及第二二極體72傳遞到負載9。第一開關2 的寄生電容22被放電，使得第一開關2的跨壓Vds1下降到零，以達到第一開關2的零電壓切換條件。第二開關5及第三開關6的寄生電容52、62都被充電，使得第二開關5及第三開關6的跨壓Vds2、Vds3都上升到(2/3)×Vin。

參閱圖2與圖8，本實施例的諧振轉換器在時間 t5到時間t6期間操作在第六模式。在第六模式中，第一開關2、第二開關5及第三開關6都維持在不導通。流經諧振電感3的電流iLr的大小逐漸下降到零。能量經由變壓器1及第二二極體72傳遞到負載9。第一開關2的本質二極體21導通，使得第一開關2的跨壓Vds1維持在零。

參閱圖1，在應用上，第一開關2、第二開關5 及第三開關6的切換頻率可以等於或接近一個諧振頻率，諧振頻率取決於：(1)諧振電感3的電感值、變壓器1的第一初級繞組11的漏電感值與變壓器1的第二初級繞組12的漏電感值的總合；及(2)諧振電容4的電容值。此外，為了使直流輸出電壓Vo穩定在一個目標值，可以是切換頻率為可變的，且根據負載9的條件來被調整，或者可以是切換頻率為固定的，且輸入電壓Vin根據負載9的條件來被調整。

綜上所述，本實施例的諧振轉換器具有以下優 點：

1.由於只需要三個開關2、5、6，因此本實施例的諧振轉換器具有適中的轉換效率(即高於習知的半橋式諧振轉換器的轉換效率，但是低於習知的全橋式諧振轉換器的轉 換效率)及適中的成本(即高於習知的半橋式諧振轉換器的成本，但是低於習知的全橋式諧振轉換器的成本)。

2.由於第二開關5及第三開關6的跨壓的最大值都約為(2/3)×Vin，因此與習知的半橋式諧振轉換器及習知的全橋式諧振轉換器的每一個所使用的開關相比，第二開關5及第三開關6都承受相對較低的電壓應力。

3.變壓器1的第一初級繞組11及第二初級繞組12的跨壓的振幅都約為(1/3)×Vin。因此，與習知的半橋式諧振轉換器所使用的變壓器相比，變壓器1的第一初級繞組11對次級繞組13的匝數比及變壓器1的第二初級繞組12對次級繞組13的匝數比相對較小，且變壓器1的第一初級繞組11及第二初級繞組12都承受相對較低的電流應力。此外，與習知的半橋式諧振轉換器所使用的開關相比，第二開關5及第三開關6都承受相對較低的電流應力，且造成相對較低的導通損失。

4.可以達到零電壓切換。

所以，本實施例的諧振轉換器確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧變壓器

11‧‧‧第一初級繞組

12‧‧‧第二初級繞組

13‧‧‧次級繞組

2‧‧‧第一開關

3‧‧‧諧振電感

4‧‧‧諧振電容

5‧‧‧第二開關

6‧‧‧第三開關

7‧‧‧整流濾波電路

71‧‧‧第一二極體

72‧‧‧第二二極體

73‧‧‧輸出電容

9‧‧‧負載

Claims (9)

1. 一種諧振轉換器，包含：一個變壓器，包括一個第一初級繞組、一個第二初級繞組及一個次級繞組，該第一初級繞組及該第二初級繞組的每一個具有一個第一終端及一個第二終端；一個第一開關，耦接到該變壓器的該第一初級繞組的該第一終端；一個諧振電感與一個諧振電容，在該變壓器的該第一初級繞組的該第二終端與該變壓器的該第二初級繞組的該第一終端之間串聯；一個第二開關，耦接在該變壓器的該第一初級繞組及該第二初級繞組的該等第一終端之間；及一個第三開關，耦接在該變壓器的該第一初級繞組及該第二初級繞組的該等第二終端之間。
2. 如請求項1所述的諧振轉換器，其中，該變壓器的該第一初級繞組及該第二初級繞組的該等第一終端具有相同的電壓極性。
3. 如請求項1所述的諧振轉換器，其中，該變壓器的該第一初級繞組及該第二初級繞組具有相同的匝數。
4. 如請求項1所述的諧振轉換器，其中，該諧振電感耦接到該變壓器的該第一初級繞組的該第二終端，且該諧振電容耦接到該變壓器的該第二初級繞組的該第一終端。
5. 如請求項1所述的諧振轉換器，還包括一個耦接到該變壓器的該次級繞組的整流濾波電路。
6. 如請求項5所述的諧振轉換器，其中：該變壓器的該次級繞組具有一個第一終端、一個第二終端及一個中間端；及該整流濾波電路包括一個第一二極體、一個第二二極體及一個輸出電容，該第一二極體具有一個耦接到該變壓器的該次級繞組的該第一終端的陽極，及一個陰極，該第二二極體具有一個耦接到該變壓器的該次級繞組的該第二終端的陽極，及一個耦接到該第一二極體的該陰極的陰極，該輸出電容耦接在該第一二極體的該陰極與該變壓器的該次級繞組的該中間端之間。
7. 如請求項6所述的諧振轉換器，其中，該變壓器的該次級繞組是一個中心抽頭的繞組。
8. 如請求項1所述的諧振轉換器，其中，該第一開關至該第三開關的每一個交替地在導通與不導通之間切換，當該第一開關導通時，該第二開關及該第三開關都不導通，當該第二開關及該第三開關都導通時，該第一開關不導通。
9. 如請求項1所述的諧振轉換器，其中，該第一開關至該第三開關的每一個是一個N型金氧半場效電晶體。