諧振功率轉換器與功率轉換器的製作方法
2023-10-09 17:22:09
專利名稱：諧振功率轉換器與功率轉換器的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種功率轉換器，特別是有關於一種非對稱諧振功率轉換器。
背景技術：
諧振功率轉換器是一種高效率的功率轉換器，然而，具有較窄的操作範圍是其缺 點。當輸入電壓具有明顯的改變時，其操作可能落於非線性區域。本發明的目的在於提供 一種控制電路以改善此問題，其使得諧振功率轉換器能在較廣的輸入電壓範圍中操作。
發明內容
本發明提供一種諧振功率轉換器，包括一電容器、一感應裝置、一第一電晶體、一 第二電晶體以及一控制電路。電容器與感應裝置形成一諧振槽。第一電晶體與第二電晶體 用以切換諧振槽。控制電路用以產生第一信號與第二信號，以分別控制第一電晶體與第二 電晶體。第一信號與第二信號的頻率改變以調整諧振功率轉換器的輸出。控制電路還檢測 諧振功率轉換器的輸入電壓，且第二信號的脈衝寬度根據輸入電壓的變化而調整。本發明還提供一種功率轉換器，包括一電容器、一感應裝置、兩電晶體以及一控制 電路。電容器與感應裝置形成一諧振槽。此兩電晶體用以切換諧振槽。控制電路用以產生 多個切換信號以控制此兩電晶體。上述多個切換信號的頻率改變以調整功率轉換器的輸 出。控制電路檢測電容器的電壓，以調整上述多個切換信號並改變電容器的DC偏壓。
圖1表示根據本發明實施例的非對稱諧振功率轉換器；
圖2表示根據本發明實施例的控制電路；
圖3表示根據本發明實施例的放大電路；
圖4及5表示根據本發明實施例的電壓-電流轉換器；
圖6表示根據本發明實施例的振蕩器；
圖7表示根據本發明實施例的輸出電路；
圖8表示圖7中的延遲電路；
圖9表示根據本發明實施例的非對稱諧振功率轉換器的主要信號波形圖；以及
圖10表示根據本發明實施例的非對稱諧振功率轉換器的主要信號波形圖。
[主要元件標號說明]
圖1
10、20 電晶體；30 -變壓器；
35 寄生電感；50 電容器；
51、52 電阻器；53 -電容器；
61、62 電阻器；71、72 整流器；
75 輸出電容器；80 齊納二極體；
81 電阻器；85 光耦合器；100 控制電路；SH 切換信號(第一信號)；SL 切換信號(第二信號)；V1Q、V20 電壓；VIN 輸入電壓；VFB 反饋信號；V。 輸出/輸出電壓；Vx 輸入電壓；Vy DC偏壓；圖 2 112、115、116 電阻器；114 電晶體；200 放大電路(AMP)；300 電壓-電流轉換器(V-I)；301 反饋輸入電路；400 電壓-電流轉換器(V-I)；401 差動電路；500 振蕩器(VC0)；600 輸出電路(OUT)；Ic 充電電流；ID 放電電流；IM 調製電流；Sw 振蕩信號；VF 移位信號；VM 調製信號；圖 3 210、230、240、250 運算放大器；275 電容器；R215> 尺216、^235、^236、^241、^242、^251、^252、^270 ^iPJH ；VX1、VX2、VX3、VX4 電壓；圖 4 310、314 運算放大器；312 電阻器；311、315、316、317、320、321 電晶體；VK 固定電壓；IK V-to-I電流；圖 5 410 運算放大器；412 電阻器411、415、416、420、421 電晶體；Ij V-to-I 電流；圖6:510、520 開關；540、545 比較器；570 反相器；Vi 高啟動點電壓；圖 7 610 反相器；670、680 緩衝器；圖 8
530 電容器; 560,565 與非門；
iramp 斜坡信號； v2 低啟動點電壓；
650,660 與門； 700,701 延遲電路；
5
70X 延遲電路；725 電流源；750 電容器；IP 輸入端；
715 反相器； 720 電晶體； 790 與門；
0P 延遲信號。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配 合所附圖式，作詳細說明如下。圖1是表示根據本發明實施例的非對稱諧振功率轉換器1。電容器50與感應裝 置(例如變壓器30及其寄生電感35)形成一諧振槽。電晶體10與20用來切換此諧振槽。 兩個整流器71與72耦接於變壓器30的二次側與輸出電容器75之間，以在輸出電容器75 產生輸出\。控制電路100產生切換信號(第一信號)SH及切換信號(第二信號)以分 別控制電晶體10及20。切換信號SH與&的切換頻率依據反饋信號VFB而改變，以調整功 率轉換器的輸出％。齊納(Zener) 二極體80、電阻器81、與光耦合器85形成一反饋電路， 其耦接功率轉換器的輸出V。以產生反饋信號VFB。此外，控制電路100通過電阻器61及62 來檢測功率轉換器的輸入電壓VIN，且與輸入電壓VIN相關聯的輸入電壓\通過電阻器61及 62而產生。切換信號&的脈衝寬度依據輸入電壓VIN的改變而被調整。控制電路100還通 過電阻器51及52與電容器53來檢測電容器50的電壓，以調整切換信號SH及&以及改變 電容器50的直流(DC)偏壓。電容器50的DC偏壓相關聯的DC偏壓Vy通過電阻器51及 52而產生。電容器50具有與輸入電壓VIN相關聯的DC偏壓，其將使得諧振功率轉換器可 操作在較寬的輸入電壓範圍。由於電容器50的DC偏壓與輸入電壓VIN相關聯，因此，控制 電路100可檢測輸入電壓VIN，以判斷電容器50的DC偏壓。圖2是表示根據本發明實施例的控制電路100。控制電路100包括反饋輸入電路 301，其通過光耦合器85耦接功率轉換器的輸出％以接收反饋信號VFB。電平移位電路與電 壓-電流轉換器(V-I)300形成反饋輸入電路301。電晶體114與電阻器112、115、及116形 成電平移位電路，且移位信號％根據反饋信號VFB而產生於電平移位電路的輸出端。放大電 路(AMP) 200與電壓-電流轉換器(V-I)400形成一差動電路401，其接收輸入電壓^以及 DC偏壓Vy，用來檢測輸入電壓VIN與電容器50的電壓以產生調製信號VM。振蕩器(VC0)500 依據反饋信號VFB而產生振蕩信號Sw。輸出電路(OUT) 600根據振蕩信號Sw而產生切換信 號311與&。切換信號&的脈衝寬度由調製信號VM來調整。切換信號&的脈衝寬度依據輸 入信號VIN的增加而減少。因此，電容器50的DC偏壓將根據輸入電壓VIN的增加而增加。反饋輸入電路301根據反饋信號VFB經由電壓-電流轉換器300來產生充電電流 與放電電流ID。充電電流與放電電流ID傳送至振蕩器500。充電電流決定了振蕩
信號Sw的導通時間(on time)，而放電電流ID決定了振蕩信號5 的關閉時間(off time)。 電壓電流轉換器400根據調製信號VM來產生調製電流IM。調製電流IM耦接至振蕩器500， 以調製振蕩信號Sw的關閉時間。圖3是表示圖2中放大電路200的一較佳實施例運算放大器210通過其正極輸入 端來接收輸入電壓Vx。運算放大器210的負極輸入端耦接運算放大器210的輸出端。電阻 器R215耦接於運算放大器210的輸出端與運算放大器230的正極輸入端，且電阻器R216耦接於電阻器R215與接地端之間。運算放大器230的負極輸入端通過電阻器R235接收參考電壓 \。在此實施例中，參考電壓％為1.5伏。電阻器R236耦接於運算放大器230的負極輸入 端與輸出端之間。運算放大器230的輸出端通過電阻器R251來耦接運算放大器250的正極 輸入端。電阻器R252耦接於電阻器R251與接地端之間。運算放大器250的負極輸入端通過 電阻器R241耦接運算放大器240的輸出端。電阻器R242耦接於運算放大器250的負極輸入 端與輸出端之間。調製信號\由運算放大器250的輸出端並通過電阻器R27Q與電容器275 來輸出，其中，電阻器R2TO與電容器275提供濾波作用。 因此，調製信號VM可以下述式子來表示因此，調製信號VM可以下述式子來表示
在式子(1) ⑷中的VX1、VX2、VX3、及VX4分別表示在運算放大器210其正極輸入 端的電壓、在運算放大器230的輸出端的電壓、在運算放大器250的正極輸入端的電壓、以 及在放大電路200的輸出端的電壓。根據算式(1) (3)，可獲得 當作以下定義時， 可獲得 圖4及圖5是分別表示電壓-電流轉換器300及400的電路示意圖。在圖4中，電 壓-電流轉換器300包括電壓轉電流(V-to-I)電路、第一電流鏡、以及第二電流鏡。由運 算放大器310及314、電晶體311、以及電阻器312所組成的V-to-I電路，根據固定電壓\ 與反饋信號VFB偏移的移位信號VF而於電晶體311產生V-to-I電流IK。V-to-I電流。是V - V
根據」V^而產生，其表示固定電壓與移位信號vF的差值。移位信號\則藉此轉換成
V-to-I電流IK。第一電流鏡是由電晶體315、316、及317所組成。第一電流鏡根據V-to-I 電流。而產生充電電流Ic。充電電流電流IK之間成比例。第二電流鏡是由晶 體管320及321所組成。第二電流鏡根據V-to-I電流IK而產生放電電流ID。在一實施例 中，由於充電電流與放電電流ID都是自V-to-I電流IK而鏡射產生的，因此，充電電流 與放電電流ID之間成比例。根據反饋信號VFB的增加，充電電流Ie與放電電流ID則減少。在圖5中，電壓電流轉換器400包括電壓轉電流(V-to-I)電路以及一電流鏡。運 算放大器410、電晶體411、及電阻器412形成V-to-I電路。運算放大器410接收調製信 號VM，以在電晶體411產生V-to-I電流1工。電流鏡由電晶體415、416、420、及421所組成。 V-to-I電流1工是由電流鏡所鏡射產生的，因此調製電流IM是根據V-to-I電流1工而產生。圖6是表示圖2中振蕩器500的一較佳實施例。兩個開關510及520、兩個比較 器540及545、兩個與非(NAND)門560及565、以及一個反相器570組成振蕩器500。當開 關510被振蕩信號Sw導通時，充電電流Ie對電容器530充電，且產生斜坡信號IKAMP。一旦 跨越電容器530的電壓到達比較器540的高啟動點(high trip-point)電壓\時，比較器 540與與非門560及565則導通開關520，而放電電流ID與調製電流IM則使電容器530放 電。於此時，振蕩信號Sw也被禁能，且開關510被關閉。放電持續地執行，直到跨越電容器 530的電壓低於低啟動點(low trip-point)電壓V2。比較器545與與非門560及565關 閉開關520。通過反相器570所產生的振蕩信號Sw變為致能，使得開關510再次導通。圖7是表示圖2中輸出電路600的一較佳實施例。兩個延遲電路700及701、兩 個與(AND)門650及660、一個反相器610以及兩個緩衝器670及680形成輸出電路600。 與門650的一輸入端接收振蕩信號Sw，且其另一輸入端通過延遲電路700來接收振蕩信號 Sw。切換信號Sjg據與門650的兩輸入端信號並通過緩衝器670而產生。至於與門660，與 門660的一輸入端通過反相器610來接收振蕩信號Sw。與門660的另一輸入端通過反相器 640與延遲電路701來接收振蕩信號Sw。切換信號&根據與門660的兩輸入端信號並通過 緩衝器680而產生。圖8是表示圖7中延遲信號700及701的電路示意圖，由於兩電路700、701相同， 此以標號70X表示。延遲電路70X包括反相器715、電流源725、電晶體720、電容器750以 及與門790。延遲電路70X的輸入端IP接收振蕩信號Sw。振蕩信號3 被提供至反相器715 以及與門790的一輸入端。反相器715的輸出端耦接電晶體720的柵極。電晶體720的漏 極以及電容器750的一端耦接與門780的另一輸入端。電晶體720的源極以及電容器750 的另一端耦接接地端。在延遲時間Td之後，延遲信號0P根據振蕩信號Sw的上升緣而被致 能。延遲時間Td是根據電流源725所提供的電流值與電容器750的電容值所決定。實際運作時，參閱圖1、2、4、6、7、8及9，當功率轉換器由重載轉換為輕載時，輸出 電壓％增加，且反饋電壓VFB的電平減少。充電電流與放電電流ID根據反饋信號VFB的 減少而增加。只要充電電流Ie與放電電流ID增加，斜坡信號Irmp的充電斜率與放電斜率也 增加。振蕩信號3 的導通時間與關閉時間則對應減少，振蕩信號Sw的切換周期減少。切換 信號SH與&的切換周期亦對應減少。換句話說，切換信號SH與&的切換頻率增加。參閱圖1、2、3、5、6、7、8及10，當輸入電壓VIN增加時，則DC偏壓Vy也增加。根據圖3的敘述中的算式(6)，調製信號VM會根據輸入電壓VIN的增加而增加。調製電流1 也 根據調製信號VM的增加而增加。當調製電流IM增加時，放電電流ID+IM也增加。斜坡信號 Ikmp在波形放電部分的斜率因此增加，因此切換信號SJ第二信號)的脈衝寬度會根據輸入 電壓VIN的增加而減少。由於切換信號(第二信號)&的脈衝寬度減少，切換信號(第一信 號)SH與振蕩信號Sw的比例將增加，且電容器50的DC偏壓將根據輸入電壓VIN的增加而增 加。根據本發明實施例，當功率轉換器的輸入電壓具有明顯的變換時，切換信號&的 脈衝寬度可被調整，且操作不會落在非線性區域。本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，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，當可做些許的更動與潤飾，因 此本發明的保護範圍當視所附的權利要求範圍所界定者為準。
權利要求
一種諧振功率轉換器，包括一電容器與一感應裝置，形成一諧振槽；一第一電晶體與一第二電晶體，用以切換該諧振槽；以及一控制電路，用以產生一第一信號與一第二信號，以分別控制該第一電晶體與該第二電晶體，其中，該第一信號與該第二信號的頻率改變，以調整該諧振功率轉換器的輸出；其中，該控制電路還檢測該諧振功率轉換器的一輸入電壓，且該第二信號的脈衝寬度根據該輸入電壓的變化而調整。
2.根據權利要求1所述的諧振功率轉換器，其中，該控制電路包括一反饋輸入電路，耦接該諧振功率轉換器的該輸出，以接收一反饋信號； 一振蕩器，用以根據該反饋信號而產生一振蕩信號； 一輸出電路，用以根據該振蕩信號而產生該第一信號與該第二信號；以及 一差動電路，耦接該諧振功率轉換器的一輸入與該電容器，用以產生一調製信號； 其中，該第二信號的脈衝寬度由該調製信號來調整。
3.根據權利要求2所述的諧振功率轉換器，其中，該反饋輸入電路根據該反饋信號產 生一充電電流與一放電電流，該充電電流與該放電電流耦接至該振蕩器，該充電電流決定 該振蕩信號的導通時間，且該放電電流決定該振蕩信號的關閉時間。
4.根據權利要求2所述的諧振功率轉換器，其中，該差動電路根據該調製信號產生一 調製電流，且該調製電流耦接至該振蕩器以調整該振蕩信號的關閉時間。
5.根據權利要求1所述的諧振功率轉換器，其中，該第二信號的脈衝寬度根據該輸入 電壓的增加而減少。
6.根據權利要求1所述的諧振功率轉換器，其中，該電容器的DC偏壓根據該輸入電壓 的增加而增加。
7.—種功率轉換器，包括一電容器與一感應裝置，形成一諧振槽； 兩電晶體，用以切換該諧振槽；以及 一控制電路，用以產生多個切換信號以控制該兩電晶體； 其中，該多個切換信號的頻率改變，以調整該功率轉換器的一輸出；以及 其中，該控制電路檢測該電容器的一電壓，以調整該多個切換信號並改變該電容器的 DC偏壓。
8.根據權利要求7所述的功率轉換器，其中，該控制電路還檢測該功率轉換器的一輸 入電壓，以判斷該電容器的DC偏壓。
9.根據權利要求7所述的功率轉換器，其中，該多個切換信號的脈衝寬度改變，以決定 該電容器的DC偏壓。
10.根據權利要求7所述的功率轉換器，其中，該控制電路包括 一反饋輸入電路，耦接該功率轉換器的該輸出，以接收一反饋信號； 一振蕩器，用以根據該反饋信號而產生一振蕩信號；一輸出電路，用以根據該振蕩信號而產生該多個切換信號；以及一差動電路，耦接該諧振功率轉換器的一輸入與該電容器，用以產生一調製信號；其中，該多個切換信號的脈衝寬度由該調製信號來調整。
11.根據權利要求7所述的功率轉換器，其中，該多個切換信號中的一者的脈衝寬度根 據該輸入電壓的變化而改變。
12.根據權利要求7所述的功率轉換器，其中，該電容器的DC偏壓根據該輸入電壓的變 化而改變。
全文摘要
一種諧振功率轉換器，包括一電容器、一感應裝置、一第一電晶體、一第二電晶體以及一控制電路。電容器與感應裝置形成一諧振槽。第一電晶體與第二電晶體用以切換諧振槽。控制電路用以產生第一信號與第二信號，以分別控制第一電晶體與第二電晶體。第一信號與第二信號的頻率改變以調整諧振功率轉換器的輸出。控制電路還檢測諧振功率轉換器的輸入電壓，且第二信號的脈衝寬度根據輸入電壓的變化而調整。
文檔編號H02M3/338GK101854121SQ20091026146
公開日2010年10月6日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年2月10日
發明者楊大勇, 林天麒, 蘇英傑, 謝士弘 申請人:崇貿科技股份有限公司