具有零電壓切換的壓電驅動電路的製作方法
2023-09-18 09:21:05
專利名稱：具有零電壓切換的壓電驅動電路的製作方法
技術領域：
本實用新型是有關一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，特別是指一種能實現寬頻和寬負載範圍的零電壓切換半橋電路的壓電驅動電路。
背景技術：
由於壓電變壓器具有薄型和無福射型電磁幹擾(EMI; ElectromagneticInterference)的優勢，因此，以慢慢普及被應用於電源驅動電路上。然而，壓電變壓器仍存在一些無法克服的難題，舉例來說，壓電變壓器應用於橋式開關電路上，通常都需要連接一電感於橋式開關電路及壓電電壓器之間，才能達到零電壓切換的條件，但是，電感本身比壓電變壓器還要厚(亦即結構較大)，如此就犧牲了壓電變壓器原有的薄型封裝優勢，且電感在主電路上也會造成額外的損耗及產生電磁輻射幹擾問題。再者，若於壓電變壓器驅動電路中，使用無電感的設計，雖可在特定負載範圍內達到零電壓切換條件，但是可用頻率範圍太窄，使得壓電變壓器無法在變頻反饋控制及大範圍負載變動下，仍可維持零電壓切換動作。實際上，無論壓電變壓器有沒有搭配電感設計，整體驅動電路能夠達到的零電壓切換的頻寬範圍都相當狹窄。再者，於實際操作上，壓電變壓器在輕載(light load)的條件下以及遠離主共振頻率時，實難以達到零電壓切換，因此，局限了壓電變壓器於電源供應器的應用及發展。有鑑於此，本實用新型遂針對上述先前技術的缺失，提出一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，以有效克服上述等問題。
發明內容本實用新型的主要目的在提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，其利用分流電路在半橋開關的死區時間(dead times)下協助諧振，使得在負載變動及操作頻率變動下，仍可保持零電壓切換的功效。本實用新型的另一目的在提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，其利用分流電路來取代一般電感於主電流路徑所佔的體積及所造成的損耗，不僅能讓整體電路薄型化，又可提高整體電路效能，有助於整體技術發展、應用及產品的競爭。為達上述的目的，本實用新型提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，包括一半橋驅動電路、一壓電元件及至少一分流電路。半橋驅動電路系接收一輸入直流電壓，半橋驅動電路包含串聯的一上臂開關組及一下臂開關組，並根據上臂開關組及下臂開關組的切換以轉換為一交流電壓。壓電元件電性連接半橋驅動電路，並接受交流電壓，以驅動一負載動作。分流電路電性連接於半橋驅動電路與壓電元件之間，分流電路系與半橋驅動電路進行諧振，使上臂開關組及下臂開關組進行零電壓切換。其中，所述上臂開關組與所述下臂開關組皆為關閉狀態的死區時間時，則所述分流電路導通，並與所述上臂開關組與所述下臂開關組開始諧振充電或放電，且於所述分流電路的導通時間內，充電電荷須等於所述輸入直流電壓或放電電荷須為零電壓，使所述上臂開關組與所述下臂開關組進行所述零電壓切換。其中，所述上臂開關組包含一第一寄生電容，所述下臂開關組包含一第二寄生電容，於所述上臂開關組與所述下臂開關組關閉時，所述分流電路導通，所述壓電元件的一輸入電容與所述第二寄生電容經由所述分流電路放電，同時所述第一寄生電容被充電。其中，所述分流電路包含串聯的一分流電感、一雙向開關及一分流電源，於所述分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振時，所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上的跨壓遞增至所述直流電壓準位。其中，所述分流電感為所述分流電路中導線上的寄生電感或為所述分流電路的印刷電路板上的線徑。其中，所述分流電源是提供一驅動電壓予所述雙向開關，且所述分流電源的直流電壓值為所述輸入直流電壓的一半。其中，所述分流電路為二時，其為一第一分流電路及一第二分流電路，所述第一分流電路包含串聯的一第一分流電感及一第一單向開關；所述第二分流電路連接所述第一分流電路，所述第二分流電路包含串聯的一第二分流電感及一第二單向開關。其中，所述下臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第二分流電感及所述第二單向開關放電，同時所述第一寄生電容被充電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上的跨壓遞增至所述直流電壓準位；以及所述上臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第一分流電感及所述第一單向開關充電，同時所述第一寄生電容被放電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞增至所述直流電壓準位，所述上臂開關組上的跨壓遞減為零電壓。其中，所述壓電元件為一壓電變壓器或一壓電諧振器。其中，所述上臂開關組並聯一第一電容，所述壓電元件並聯一第二電容，且所述第一電容與所述分流電路之間串聯一分流電容，所述第二電容用以改變所述分流電路中的分流電流值以及所述第一電容與所述分流電路的諧振頻率。本實用新型利用分流電路來取代一般電感於主電流路徑所佔的體積及所造成的損耗，不僅能讓整體電路薄型化，又可提高整體電路效能，有助於整體技術發展、應用及產
品的競爭。底下通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本實用新型的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。
圖1為本實用新型的第一實施例架構圖。圖2為本實用新型的第一實施例波形圖。圖3為本實用新型的第二實施例架構圖。圖4為本實用新型的第二實施例波形圖。[0024]圖5為本實用新型的第三實施例架構圖。圖6為本實用新型的第四實施例架構圖。附圖標記說明:10壓電驅動電路；12半橋驅動電路；14壓電元件；16分流電路；162分流電感；164雙向開關；166分流電源；18上臂開關組；182第一寄生電容；184第一寄生二極體；20下臂開關組；202第二寄生電容；204第二寄生二極體；22負載；24第一分流電路；242第一分流電感；244第一單向開關；26第二分流電路；262第二分流電感；264第二單向開關；28第一電容；30第二電容；32分流電容；34壓電諧振器；36第三電容。
具體實施方式
如圖1所示，為本實用新型的第一實施例架構圖。壓電驅動電路10包括一半橋驅動電路12、一壓電元件14及至少一分流電路16。半橋驅動電路12包含串聯的一上臂開關組18及一下臂開關組20，半橋驅動電路12是接收一輸入直流電壓(VD。)，並根據上臂開關組18及下臂開關組20的切換以轉換為方波的一交流電壓。壓電元件14是電性連接半橋驅動電路16，並接受交流電壓，經諧振後以驅動一負載22動作。其中，負載22可為冷陰極燈管(CCFL)、熱陰極燈管(HCFL)、高亮度放電燈(HID Lamp)、發光二極體(LED)、整流器電路、壓電致動器和開關電路等。分流電路16電性連接於半橋驅動電路12與壓電元件14之間，分流電路16是與半橋驅動電路12進行諧振，使上臂開關組18及下臂開關組20進行零電壓切換，容後介紹。在此，先說明上述元件的細部電路，以便於了解後續電路上的操作方式。上臂開關組18包含一第一寄生電容(CK1)182及一第一寄生二極體184。下臂開關組20包含一第二寄生電容(CK2)202及一第二寄生二極體204。壓電元件14為壓電變壓器或壓電諧振器，在此以壓電變壓器為例說明，其包含一輸入電容(Cp) 142。在此第一實施例中，本實用新型使用一組分流電路16為例說明，其包含串聯的一分流電感(Ls) 162、一雙向開關(Ks) 164及一分流電源(Vdc/2) 166。其中，分流電源166是提供一驅動電壓予雙向開關164，且分流電源166的直流電壓值為輸入直流電壓(Vdc)的一半。接續，請同時配合圖2，為本實用新型的第一實施例波形圖。在此，是說明壓電驅動電路10的操作過程中，如何達到零電壓切換的功效。首先，操作在[tftj期間，上臂開關組(K1)IS呈導通狀態，而下臂開關組(K2)20呈截止狀態，此時分流電路16是關閉的，因此，輸入電流iP流至壓電元件14，而其輸入電容142上的跨壓Vp會等於輸入直流電壓(VDC)，且跨壓為正值。此操作期間於結束時，分流電路16的雙向開關164仍呈現關閉狀態。接續，操作在[ti_t2]期間，上臂開關組18與下臂開關組20同時呈現截止狀態時，此期間即為傳統半橋電路的死區時間(dead time);此時，分流電路16即導通，輸入電容142、第二寄生電容202、第一寄生電容182與分流電感162開始諧振，輸入電容142與第二寄生電容202會經由分流電路16開始諧振放電，同時第一寄生電容182開始被諧振充電。值得注意的是，輸入電容142上的跨壓Vp是以正弦斜率遞減至零電壓，而上臂開關組18上的跨壓會遞增至輸入直流電源(Vdc)的電壓準位；如此一來，即可作為下臂開關組20的零電壓切換的關鍵條件。當然，若在[t「t2]期間，諧振放電電流不夠大時，則輸入電容142與第二寄生電容202就不能完全放電到零，且下臂開關組20亦不能在下一操作期間進行零電壓導通。其中，分流電感162與全部電容於[t1-t2]諧振期間的計算如下列公式I。
權利要求1.一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，包括: 一半橋驅動電路，是接收一輸入直流電壓，所述半橋驅動電路包含串聯的一上臂開關組及一下臂開關組，並根據所述上臂開關組及所述下臂開關組的切換以轉換為一交流電壓； 一壓電元件，電性連接所述半橋驅動電路，並接受所述交流電壓，以驅動一負載動作；及 至少一分流電路，電性連接於所述半橋驅動電路與所述壓電元件之間，所述分流電路是與所述半橋驅動電路進行諧振，使所述上臂開關組及所述下臂開關組進行零電壓切換。
2.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述上臂開關組與所述下臂開關組皆為關閉狀態的死區時間時，則所述分流電路導通，並與所述上臂開關組與所述下臂開關組開始諧振充電或放電，且於所述分流電路的導通時間內，充電電荷須等於所述輸入直流電壓或放電電荷須為零電壓，使所述上臂開關組與所述下臂開關組進行所述零電壓切換。
3.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述上臂開關組包含一第一寄生電容，所述下臂開關組包含一第二寄生電容，於所述上臂開關組與所述下臂開關組關閉時，所述分流電路導通，所述壓電元件的一輸入電容與所述第二寄生電容經由所述分流電路放電，同時所述第一寄生電容被充電。
4.根據權利要求3所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述分流電路包含串聯的一分流電感、一雙向開關及一分流電源，於所述分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所 述輸入電容開始諧振時，所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上的跨壓遞增至所述直流電壓準位。
5.根據權利要求4所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述分流電感為所述分流電路中導線上的寄生電感或為所述分流電路的印刷電路板上的線徑。
6.根據權利要求4所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述分流電源是提供一驅動電壓予所述雙向開關，且所述分流電源的直流電壓值為所述輸入直流電壓的一半。
7.根據權利要求3所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述分流電路為二時，其為一第一分流電路及一第二分流電路，所述第一分流電路包含串聯的一第一分流電感及一第一單向開關；所述第二分流電路連接所述第一分流電路，所述第二分流電路包含串聯的一第二分流電感及一第二單向開關。
8.根據權利要求7所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於， 所述下臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第二分流電感及所述第二單向開關放電，同時所述第一寄生電容被充電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上的跨壓遞增至所述直流電壓準位；以及 所述上臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第一分流電感及所述第一單向開關充電，同時所述第一寄生電容被放電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞增至所述直流電壓準位，所述上臂開關組上的跨壓遞減為零電壓。
9.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述壓電元件為一壓電變壓器或一壓電諧振器。
10.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特徵在於，所述上臂開關組並聯一第一電容，所述壓電元件並聯一第二電容，且所述第一電容與所述分流電路之間串聯一分流電容，所述第二電容用以改變所述分流電路中的分流電流值以及所述第一電容與所述分流電路的諧振頻率。`
專利摘要本實用新型提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，適用於切換式功率轉換器，其由半橋驅動電路接收一輸入直流電壓，經半橋驅動的上臂開關組及下臂開關組的切換，以轉換為一交流電壓予壓電元件，使交流電壓經壓電元件以驅動一負載動作。其中，於半橋驅動電路與壓電元件之間電性連接一分流電路，作為零電壓切換的用，也就是分流電路在上臂開關組及下臂開關組皆關閉時，與其寄生電容進行諧振，使上臂開關組及下臂開關組進行零電壓切換，故能在非常寬的頻率範圍內及大範圍負載變動下，實現零電壓切換的功效。
文檔編號H02M7/521GK202931220SQ20122054564
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月23日 優先權日2012年1月6日
發明者魏道金, 劉元平 申請人:金威貿易有限公司, 威遠科技股份有限公司