功率變換器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明揭露一種功率變換器及其控制方法。功率變換器包含全橋變換器電路及調節(jié)電路。全橋變換器電路包含全橋電路，其中全橋電路具有第一輸入端及第二輸入端，并具有第一輸出端及第二輸出端。調節(jié)電路橋接于全橋電路的第一輸入端及第二輸入端，并連接于全橋電路的第一輸出端，其中調節(jié)電路用以透過與全橋變換器電路相互操作而操作性地調節(jié)橫跨于全橋電路的第一輸出端及第二輸出端間的輸出電壓，使得橫跨于全橋電路的第一輸出端及第二輸出端間的輸出電壓具有多個電壓準位。
【專利說明】功率變換器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本
【發(fā)明內容】
是有關于一種功率變換器，且特別是有關于一種功率變換器的電壓調節(jié)。
【背景技術】
[0002]由于目前能源需求顯著地增加，諸如風力發(fā)電、燃料電池、太陽能電池(即伏打電池PV)…等可再生能源(renewable energy)的產生,就變得愈來愈受到注意。在此類應用中，通常需要具有高效率、高功率密度、高可靠度及低成本的功率變換，特別是對于大范圍的能源應用。
[0003]一般而言，前述功率變換應用會使用具有高效率的功率變換器(powerconverter),且功率變換器通常于特定情形下以高開關頻率進行操作。此外,功率變換器中的開關元件會進行軟式開關(soft switching),因此功率變換器的高可靠度亦可達成。諧振變換器(例如:電感-電感-電容(LLC)變換器)即是廣泛應用的功率變換器其
中一者。
[0004]然而，對LLC變換器來說，在功率變換器操作于頻率調變的情形下，當需要對輸入功率變換器的大范圍輸入電壓進行電壓調節(jié)時，即需要大范圍的開關頻率，而其會導致功率變換器中存在復雜及困難的電路設計，且大范圍的開關頻率亦難以保證有高變換效率。換言之，若是開關頻率的范圍沒有進一步擴展的話，則對輸入功率變換器的大范圍輸入電壓進行的電壓調節(jié)便無法達成。

【發(fā)明內容】

[0005]本
【發(fā)明內容】
是關于一種功率`變換器及其控制方法，借此改善大范圍的輸入電壓輸入功率變換器后所進行的電壓調節(jié)。
[0006]本
【發(fā)明內容】
的一方面是關于一種功率變換器，其包含一橋式電路、一開關模塊、一隔離級以及一輸出級。橋式電路具有一第一輸入端及一第二輸入端，并具有一第一輸出端及一第二輸出端。橋式電路還包含一第一橋臂、一第二橋臂以及一第三橋臂。第一橋臂包含兩電容器單元，其中兩電容器單元串聯(lián)于橋式電路的第一輸入端及第二輸入端間的中間點。第二橋臂包含一第一開關元件及一第二開關元件，其中第一開關元件及第二開關元件串聯(lián)于橋式電路的第一輸出端。第三橋臂包含一第三開關元件及一第四開關元件，其中第三開關元件及第四開關元件串聯(lián)于橋式電路的第二輸出端。
[0007]其次，開關模塊連接于橋式電路的中間點和第一輸出端之間。隔離級具有一第一輸入端及一第二輸入端，并具有一第一輸出端及一第二輸出端，其中隔離級的第一輸入端連接于橋式電路的第一輸出端，隔離級的第二輸入端連接于橋式電路的第二輸出端。輸出級具有一第一輸入端及一第二輸入端，其中輸出級的第一輸入端連接于隔離級的第一輸出端，輸出級的第二輸入端連接于隔離級的第二輸出端。
[0008]在本發(fā)明一實施例中，開關模塊還包含一第五開關元件及一第六開關元件，第五開關元件及第六開關元件逆串聯(lián)于橋式電路的中間點和第一輸出端之間。
[0009]在本發(fā)明另一實施例中，功率變換器還包含一控制電路，其用以控制第一至第六開關元件，其中第一開關元件與第六開關元件互補地開啟，第二開關元件與第五開關元件互補地開啟，第三開關元件與第四開關元件互補地開啟。
[0010]在本發(fā)明又一實施例中，第一開關元件的工作周期小于第六開關元件的工作周期，第二開關元件的工作周期小于第五開關元件的工作周期，第三開關元件的工作周期等于第四開關元件的工作周期。
[0011]在本發(fā)明次一實施例中，橋式電路用以產生一多準位電壓橫跨于橋式電路的第一輸出端及第二輸出端，此多準位電壓具有三個以上的電壓準位。
[0012]在本發(fā)明再一實施例中，橋式電路具有一增益，此增益相關于一第一增益及一第二增益，其中第一增益是于橋式電路作為一半橋電路操作時所取得，第二增益是于橋式電路作為一全橋電路操作時所取得。
[0013]在本發(fā)明又另一實施例中，功率變換器還包含一諧振槽，諧振槽包含一電容器單元以及一電感單元，其中電容器單元以及電感單元串聯(lián)于橋式電路的第一輸出端和隔離級中間。
[0014]在本發(fā)明再另一實施例中，功率變換器還包含一諧振槽，諧振槽包含一電容器單元、一第一電感單元以及一第二電感單元，其中電容器單元、第一電感單元以及第二電感單元串聯(lián)于橋式電路的第一輸出端和第二輸出端中間。
[0015]本
【發(fā)明內容】
的另一方面是關于一種功率變換器的控制方法，功率變換器包含一橋式電路、一開關模塊、一隔離級以及一輸出級，其中橋式電路具有一第一及一第二輸入端并具有一第一及一第二輸出端，隔離級連接于橋式電路，輸出級連接于隔離級，其中橋式電路還包含兩電容器單元、一第一及一第二開關元件以及一第三及一第四開關元件，兩電容器單元串聯(lián)于橋式電路中第一及第二輸入端間的中間點，第一及第二開關元件串聯(lián)于橋式電路的第一輸出端，第三及第四開關元件串聯(lián)于橋式電路的第二輸出端，其中開關模塊還包含一第五及一第六開關元件，第五及第六開關元件逆串聯(lián)于橋式電路的中間點和第一輸出端之間。此控制方法包含:通過互補的第一及第六驅動信號分別開啟第一及第六開關元件；通過互補的第二及第五驅動信號分別開啟第二及第五開關元件；以及通過互補的第三及第四驅動信號分別開啟第三及第四開關元件。
[0016]在本發(fā)明一實施例中，當第五開關元件仍開啟時，第一及第四開關元件同時開啟，當第四及所述第五開關元件仍開啟時，第一開關元件關閉，當第六開關元件仍開啟時，第二及第三開關元件同時開啟，當第三及所述第六開關元件仍開啟時，第二開關元件關閉。
[0017]在本發(fā)明另一實施例中，第一及第四驅動信號同時啟用且第一驅動信號接著先行解除，第二及第三驅動信號同時啟用且第二驅動信號接著先行解除。
[0018]在本發(fā)明又一實施例中，當第一驅動信號啟用時，橫跨于橋式電路的第一及第二輸出端間的輸出電壓調節(jié)至一第一電壓準位，當第一驅動信號解除時，輸出電壓調節(jié)至一第二電壓準位，當第二驅動信號啟用時，輸出電壓調節(jié)至一第三電壓準位，當第二驅動信號解除時，輸出電壓調節(jié)至一第四電壓準位，其中第一至第四電壓準位彼此相異。
[0019]在本發(fā)明次一實施例中，第一及第二驅動信號以180度相位移交替地啟用，第三及第四驅動信號以180度相位移交替地啟用，第五及第六驅動信號以180度相位移交替地啟用。
[0020]在本發(fā)明再另一實施例中，第一驅動信號的工作周期小于第六驅動信號的工作周期，第二驅動信號的工作周期小于第五驅動信號的工作周期，第三驅動信號的工作周期等于第四驅動信號的工作周期。
[0021]本
【發(fā)明內容】
的次一方面是關于一種功率變換器，其包含一全橋變換器電路以及一調節(jié)電路。全橋變換器電路包含一全橋電路，其中全橋電路具有一第一輸入端及一第二輸入端，并具有一第一輸出端及一第二輸出端。調節(jié)電路橋接于全橋電路的第一輸入端及第二輸入端，并連接于全橋電路的第一輸出端，其中調節(jié)電路用以透過與全橋變換器電路相互操作而操作性地調節(jié)橫跨于全橋電路的第一輸出端及第二輸出端間的輸出電壓，使得橫跨于全橋電路的第一輸出端及第二輸出端間的輸出電壓具有三個以上的電壓準位。
[0022]在本發(fā)明一實施例中，全橋電路還包含一第一開關元件、一第二開關元件一第三開關元件及一第四開關元件。第一開關元件及一第二開關元件串聯(lián)于全橋電路的第一輸出端，并以180度相位移交替地開啟。第三開關元件及第四開關元件串聯(lián)于全橋電路的第二輸出端，并以180度相位移交替地開啟。
[0023]在本發(fā)明另一實施例中，調節(jié)電路還包含兩電容器單元、一第五開關元件以及一第六開關元件。兩電容器單元串聯(lián)于全橋電路的第一輸入端及第二輸入端間的中間點。第五開關元件及第六開關元件逆串聯(lián)于全橋電路的中間點和第一輸出端之間，并以180度相位移交替地開啟。
[0024]在本發(fā)明又一實施例中，第一開關元件及第六開關元件通過互補的第一及第六驅動信號分別開啟，第二開關元件及第五開關元件通過互補的第二及第五驅動信號分別開啟，第三開關元件及第四開關元件通過互補的第三及第四驅動信號分別開啟。
[0025]在本發(fā)明次一實施例中，第一及第四開關元件分別通過第一及第四驅動信號同時開啟且第一開關元件接著先行關閉，第二及第三開關元件分別通過第二及第三驅動信號同時開啟且第二開關元件接著先行關閉。
[0026]在本發(fā)明再另一實施例中，第一驅動信號的工作周期小于第六驅動信號的工作周期，第二驅動信號的工作周期小于第五驅動信號的工作周期，第三驅動信號的工作周期等于第四驅動信號的工作周期。
[0027]根據本發(fā)明的技術內容，應用前述實施例不僅可使輸入電壓的范圍于允許操作范圍內的效率最佳化點(efficiency optimized point)擴展而變得較廣,而不需擴大前述開關元件的開關頻率范圍，使得輸出電壓的范圍可于允許操作范圍內的效率最佳化點擴展而變得較廣。此外，具有高效率的功率變換器于較廣范圍的輸入電壓下亦可實現(xiàn)。
[0028]本
【發(fā)明內容】
旨在提供本發(fā)明的簡化摘要，以使閱讀者對本發(fā)明具備基本的理解。此
【發(fā)明內容】
并非本發(fā)明的完整概述，且其用意并非在指出本發(fā)明實施例的重要(或關鍵)元件或界定本發(fā)明的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是依照本發(fā)明的第一實施例繪示一種功率變換器的示意圖；
[0030]圖2是依照本發(fā)明的第二實施例繪示一種功率變換器的示意圖；
[0031]圖3是依照本發(fā)明的第三實施例繪示一種功率變換器的示意圖；[0032]圖4是依照本發(fā)明的第四實施例繪示一種功率變換器的示意圖；
[0033]圖5是依照本發(fā)明的第五實施例繪示一種功率變換器的示意圖；
[0034]圖6是依照本發(fā)明的第六實施例繪示一種功率變換器的示意圖；
[0035]圖7是依照本發(fā)明的實施例繪示一種與圖6所示功率變換器相關的控制和調節(jié)的波形示意圖；
[0036]圖8A~圖8G是依照本發(fā)明的實施例繪示一種如圖6所示功率變換器的操作示意圖；
[0037]圖9是依照本發(fā)明的第七實施例繪示一種功率變換器的示意圖。 [0038]【主要元件符號說明】
[0039]100、200、300、400、500、600、900:功率變換器
[0040]110、210、310、410、510、610:橋式電路
[0041]112、114、116:橋臂
[0042]120、220、620:開關模塊
[0043]130、230、330、430、530、630、930:隔離級
[0044]140,240,340,940:輸出級
[0045]250:控制電路
[0046]460、560、660、960:諧振槽
[0047]640:整流器
[0048]650,950:濾波器
[0049]902:調節(jié)電路
[0050]905:全橋變換器電路
[0051]910:全橋電路
【具體實施方式】
[0052]下文是舉實施例配合所附附圖作詳細說明，但所提供的實施例并非用以限制本發(fā)明所涵蓋的范圍，而結構運作的描述非用以限制其執(zhí)行的順序，任何由元件重新組合的結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發(fā)明所涵蓋的范圍。此外，附圖僅以說明為目的，并未依照原尺寸作圖。為使便于理解，下述說明中相同元件將以相同的符號標示來說明。
[0053]在全篇說明書與權利要求書所使用的用詞(terms)，除有特別注明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露的內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露的用詞將于下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露的描述上額外的引導。
[0054]關于本文中所使用的“約”、“大約”或“大致” 一般通常是指數值的誤差或范圍于百分之二十以內，較好地是于百分之十以內，而更佳地則是于百分之五以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，例如可如“約”、“大約”或“大致”所表示的誤差或范圍，或其他近似值。
[0055]關于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發(fā)明，其僅僅是為了區(qū)別以相同技術用語描述的元件或操作而已。
[0056]其次，在本文中所使用的用詞“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限于。
[0057]另外，關于本文中所使用的“耦接”或“連接”，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。
[0058]圖1是依照本發(fā)明的第一實施例繪示一種功率變換器的示意圖。如圖1所示，功率變換器100包含一橋式電路(如:全橋逆變器(full-bridge inverter) )110、一開關模塊120、一隔離級130以及一輸出級140。橋式電路110具有一第一輸入端X及一第二輸入端Y，并具有一第一輸出端A及一第二輸出端B,其中輸入端X及Y用以接收一輸入電壓Vin,輸出端A及B用以于其間產生一輸出電壓VAB。橋式電路110還包含橋臂112、114和116。橋臂112包含兩電容器單元Cl、C2，且兩電容器單元Cl、C2串聯(lián)于橋式電路110的第一輸入端X及第二輸入端Y間的中間點M。橋臂114包含開關元件Q1、Q2，且開關元件Q1、Q2串聯(lián)于橋式電路110的第一輸出端A。橋臂116包含開關元件Q3、Q4，且開關元件Q3、Q4串聯(lián)于橋式電路110的第二輸出端B。
[0059]開關模塊120連接于橋式電路110的中間點和第一輸出端A之間。隔離級130具有一第一輸入端及一第二輸入端，并具有一第一輸出端及一第二輸出端，其中隔離級130的第一輸入端連接于橋式電路110的第一輸出端A,隔離級130的第二輸入端連接于橋式電路110的第二輸出端B。輸出級140具有一第一輸入端及一第二輸入端,其中輸出級140的第一輸入端連接于隔離級130的第一輸出端,輸出級140的第二輸入端連接于隔離級130的第二輸出端。
[0060]在一實施例中，隔離級130可還包含變壓器，變壓器具有一次繞組(primarywinding)以及二次繞組(secondary winding),且一次繞組連接橋式電路110的第一輸出端A和第二輸出端B，二次繞組連接輸出級140的兩輸入端，其中變壓器可對于橋式電路110的輸出電壓提供匹配和隔離的作用。在另一實施例中，輸出級140可還包含整流電路(如:全橋整流器)，整流電路連接隔離級130的兩輸出端，其中整流電路可用以將諧振電流變換為單向電流。
[0061]操作上，開關模塊120與橋式電路110相互操作(亦于特定情形下與隔離級130相互操作)，使得橫跨于橋式電路110的第一輸出端A及第二輸出端B間的輸出電壓Vab經調節(jié)而具有多個電壓準位。在一實施例中，隔離級130用以于橋式電路110的第一輸出端A及第二輸出端B間產生輸出電壓(或多準位電壓)Vab，且輸出電壓Vab具有三個以上的電壓準位。如此一來,輸入電壓Vin的范圍便可于允許操作范圍內的效率最佳化點(efficiencyoptimizedpoint)擴展而變得較廣,而不需擴大前述開關元件的開關頻率范圍，致使輸出電壓Vo (如圖6所示)的范圍可于允許操作范圍內的效率最佳化點擴展而變得較廣。此外，具有高效率的功率變換器于較廣范圍的輸入電壓下亦可實現(xiàn)。
[0062]圖2是依照本發(fā)明的第二實施例繪示一種功率變換器的示意圖。如圖2所示，功率變換器200包含與圖1所示類似的電路，因此前述電路于此不再贅述。相較于圖1所示的實施例，功率變換器200中的開關模塊220還包含開關元件Q5、Q6，且開關元件Q5、Q6逆串聯(lián)于橋式電路210的中間點M和第一輸出端A之間。
[0063]此外，功率變換器200可還包含一控制電路250，其用以控制開關元件Ql?Q6，其中開關元件Ql和Q6互補地開啟，開關元件Q2和Q5互補地開啟，開關元件Q3和Q4互補地開啟。需說明的是，前述及下列實施例中每一者均可包含與功率變換器200中控制電路250類似或相同的控制電路。
[0064]在一實施例中，開關元件Ql的工作周期(duty cycle)(即用以驅動開關元件Ql的驅動信號的工作周期)小于開關元件Q6的工作周期，開關元件Q2的工作周期小于開關元件Q5的工作周期，開關元件Q3的工作周期等于開關元件Q4的工作周期。
[0065]圖3是依照本發(fā)明的第三實施例繪示一種功率變換器的示意圖。如圖3所示，功率變換器300包含與圖2所示類似的電路，因此前述電路于此不再贅述。相較于圖2所示的實施例，隔離級330可還包含變壓器Tr，變壓器Tr具有一次繞組電路以及二次繞組電路，其中如圖3所不,一次繞組電路連接于橋式電路310的第一輸出端A和第二輸出端B之間，二次繞組電路連接于輸出級340的兩輸入端。
[0066]圖4是依照本發(fā)明的第四實施例繪示一種功率變換器的示意圖。如圖4所示，功率變換器400包含與圖1所示類似的電路，因此前述電路于此不再贅述。相較于圖1所示的實施例，功率變換器400還包含一諧振槽(resonant tank) 460,諧振槽460包含一電容器單元(如:諧振電容器Cr)以及一電感單元(如:諧振電感器Lr)，其中電容器單元與電感單元串聯(lián)于橋式電路410的第一輸出端A和隔離級430中間。
[0067]在一實施例中，隔離級430可還包含變壓器，變壓器具有一次繞組以及二次繞組，且諧振電容器Cr、諧振電感器Lr及變壓器的一次繞組串聯(lián)于橋式電路410的第一輸出端A和第二輸出端B之間。
[0068]操作上，開關模塊420與橋式電路410和諧振槽460相互操作(亦于特定情形下與隔離級430相互操作)，使得橫跨于橋式電路410的第一輸出端A及第二輸出端B間的輸出電壓VAB經調節(jié)而具有三個以上的電壓準位。如此一來，輸入電壓Vin的范圍便可擴展而變得較廣，而不需擴大前述開關元件的開關頻率范圍。
[0069]圖5是依照本發(fā)明的第五實施例繪示一種功率變換器的示意圖。如圖5所示，功率變換器500包含與圖1所示類似的電路，因此前述電路于此不再贅述。相較于圖1所示的實施例，功率變換器500還包含一諧振槽560,且諧振槽560包含一電容器單兀(如:諧振電容器Cr)、一第一電感單元(如:諧振電感器Lr)以及一第二電感單元(如:激磁電感器Lm)，且電容器單元、第一電感單元以及第二電感單元串聯(lián)于橋式電路510的第一輸出端A和第二輸出端B中間，其中激磁電感器Lm可例如與隔離級530中變壓器的一次繞組并聯(lián)。
[0070]實作上，諧振電感器Lr可以外部器件或隔離級530中變壓器的漏感(leakageinductance)來實現(xiàn)，且激磁電感器Lm可以外部器件或隔離級530中變壓器的激磁電感(magnetizing inductance)來實現(xiàn)。此外,前述開關元件中每一者均可以半導體開關并聯(lián)二極管(如:體二極管(body diode))和寄生電容的形式來實現(xiàn)。
[0071]另一方面，前述實施例中的橋式電路可具有變換器中電壓調節(jié)回路的增益G，其中增益G可經控制或改變，并相關于一第一增益Gl及一第二增益G2(如:G=aXGl+bXG2)，其中第一增益Gl是于橋式電路作為半橋電路操作時所取得，第二增益G2是于橋式電路作為全橋電路操作時所取得。舉例來說，變換器中電壓調節(jié)回路的增益G可經調整，使得輸出電壓的調節(jié)啟始于相對低準位，并逐漸增加至最高準位。
[0072]圖6是依照本發(fā)明的第六實施例繪示一種功率變換器的示意圖。如圖6所示，功率變換器600 (如:電感-電感-電容(LLC)諧振變換器)包含全橋電路610 (包括開關元件Ql?Q4以及電容器C1、C2)、開關模塊620 (包括開關元件Q5、Q6)、隔離級630 (包括變壓器Tl)、整流器640、濾波器650 (包括輸出電容器C)、諧振槽660 (包括諧振電容器Cr、諧振電感器Lr以及激磁電感器Lm)以及負載R，其中全橋電路610用以接收直流(DC)輸入電壓Vin，整流器640包括二極管Dl?D4，濾波器650用以產生直流輸出電壓No’負載R用以接收輸出電壓Vo。功率變換器600的電路構造類似前述一或多個實施例，故于此不再贅述。
[0073]圖7是依照本發(fā)明的實施例繪示一種與圖6所示功率變換器相關的控制和調節(jié)的波形示意圖。如圖6和圖7所示，驅動信號Gl?G6可例如是由圖2所示的控制電路250所產生，以分別供開關兀件Ql?Q6操作,且橫跨于橋式電路的第一輸出端A及第二輸出端B間的輸出電壓Vab，其可依據分別由驅動信號Gl?G6控制的開關元件Ql?Q6的操作，借此進行調節(jié)而具有多個電壓準位。在本實施例中，驅動信號Gl和G6互補，驅動信號G2和G5互補，驅動信號G3和G4互補。實作上，驅動信號Gl?G6可設定為脈沖寬度調變(PWM)信號及其他類似形式的控制或驅動信號。
[0074]此外，在一實施例中，驅動信號Gl的工作周期(duty cycle)小于驅動信號G6的工作周期，驅動信號G2的工作周期小于驅動信號G5的工作周期，驅動信號G3的工作周期等于驅動信號G4的工作周期。
[0075]其次，在另一實施例中，驅動信號Gl和G2可為對稱并以180度相位移(phaseshift)交替地啟用(亦即開關元件Ql和Q2設定為以180度相位移交替地開啟)，驅動信號G3和G4可為對稱并以180度相位移交替地啟用(亦即開關元件Q3和Q4設定為以180度相位移交替地開啟)，且驅動信號G5和G6可為對稱并以180度相位移交替地啟用(亦即開關元件Q5和Q6設定為以180度相位移交替地開啟)。
[0076]再者，于另一實施例中，驅動信號Gl及驅動信號G4同時啟用且驅動信號Gl接著先行解除，而驅動信號G2及驅動信號G3同時啟用且驅動信號G2接著先行解除。換言之，開關元件Ql和Q4分別通過驅動信號Gl及G4同時開啟，且開關元件Ql接著先行關閉，而開關元件Q2和Q3分別通過驅動信號G2及G3同時開啟，且開關元件Q3接著先行關閉。
[0077]圖8A?圖8G是依照本發(fā)明的實施例繪示一種如圖6所示功率變換器的操作示意圖，其中圖8A?圖SG中所示的虛線代表電流路徑。功率變換器600的操作可于下述以圖8A?圖8G配合圖7所示的波形作例示性的敘述。
[0078]首先，如圖7和圖8A所示，于時間t0，驅動信號Gl和G4啟用，使得開關元件Ql和Q4分別通過驅動信號Gl和G4進行開啟，而開關元件Q5可于開關元件Ql和Q4開啟前便已經開啟。其次，流向開關元件Q6的電流由開關元件Q6的體二極管(body diode)所阻斷。于時段t0?tl，功率變換器作為全橋LLC變換器進行操作，且橫跨于橋式電路的輸出端A及B間的輸出電壓VAB經調節(jié)而具有電壓準位VI。輸入功率經由橋式電路、諧振電容器Cr、諧振電感器Lr、變壓器Tl以及包括二極管Dl?D4的整流器640變換為輸出功率。
[0079]如圖7和圖8B (于時段tl?t2之間操作的在前狀態(tài))所示，于時間tl，驅動信號Gl解除，使得開關元件Ql關閉。此外，于時段tl?t2，橫跨于橋式電路的輸出端A及B間的輸出電壓VAB經調節(jié)而具有電壓準位V2，且電壓準位V2不同于電壓準位VI。
[0080]在開關元件Ql關閉后，流經變壓器Tl的一次側電流iLr開始對開關元件Ql的寄生電容進行充電，并對開關元件Q6的寄生電容進行放電。于充電和放電操作完成后，開關元件Ql不導通，且橫跨于開關元件Q6的寄生電容的電壓變成零，使得電流接著流經開關元件Q6的體二極管。因此,對于開關元件Q6的零電壓開關(Zero Voltage Switching, ZVS)條件便可借此設定完成。
[0081]接著，如圖SC (于時段tl?t2之間操作的在后狀態(tài))所示，流經變壓器Tl的一次側電流iLr開始流經電容Cl、開關元件Q5、開關元件Q6的體二極管、諧振電容器Cr、諧振電感器Lr以及變壓器Tl的一次側繞組，且功率會經變壓器Tl的一次側轉移至變壓器Tl的二次側。
[0082]如圖7和圖8D所示，于時間t2，驅動信號G6啟用，使得開關元件Q6開啟。其次，由于開關元件Q6的體二極管于時段tl?t2已經導通，因此當開關元件Q6開啟時，橫跨于開關元件Q6的電壓為零。換言之，開關元件Q6可進行零電壓開關(ZVS)操作而開啟。
[0083]于時段t2?t3間，開關元件Q4、Q5和Q6分別通過驅動信號G4、G5和G6進行開啟，故功率變換器可作為半橋LLC變換器進行操作。此外，于時段t2?t3間，橫跨于橋式電路的輸出端A及B間的輸出電壓Vab經調節(jié)而亦具有電壓準位V2。再者，流經變壓器Tl的一次側電流iLr開始流經電容器Cl、開關元件Q5、開關元件Q6、諧振電容器Cr、諧振電感器Lr以及變壓器Tl的一次側繞組，且功率會經變壓器Tl的一次側轉移至變壓器Tl的二次側。
[0084]如圖1和圖SE (于時段t3?t4之間操作的在前狀態(tài))所示，于時間t3，驅動信號G4和G5解除，使得開關元件Q4和Q5關閉。于時段t3?t4，橫跨于橋式電路的輸出端A及B間的輸出電壓VAB經調節(jié)而亦具有電壓準位V2。
[0085]在開關元件Q4和Q5關閉后，儲存于電感器Lr和Lm的電能開始開始對開關元件Q4和Q5的寄生電容進行充電，并對開關元件Q2和Q3的寄生電容進行放電。于充電和放電操作完成后，開關元件Q4和Q5不導通，且橫跨于開關元件Q2和Q3的寄生電容的電壓分別為零，使得電流接著流經開關元件Q2和Q3的體二極管。
[0086]接著，如圖8F (于時段t3?t4之間操作的在后狀態(tài))所示，一次側電流iLr流經開關元件Q2的體二極管、諧振電容器Cr、諧振電感器Lr以及開關元件Q3的體二極管，故對于開關元件Q2和Q3的零電壓開關(ZVS)條件便可借此設定完成。
[0087]如圖7和圖SG所示，于時間t4，驅動信號G2和G3啟用，使得開關元件Q2和Q3開啟。其次，由于開關元件Q2和Q3的體二極管于時段t3?t4已經導通，因此當開關元件Q2和Q3開啟時，橫跨于開關元件Q2和Q3的電壓為零。換言之，開關元件Q2和Q3可進行零電壓開關(ZVS)操作而開啟。
[0088]類似于時段t0?tl間的操作，開關元件Q2和Q3分別通過驅動信號G2和G3進行開啟，故功率變換器可作為全橋LLC變換器進行操作。此外，于時段t4?t5間，橫跨于橋式電路的輸出端A及B間的輸出電壓Vab經調節(jié)而具有電壓準位V3，且電壓準位V3不同于電壓準位Vl和V2。相似地,于時段t5?t6間,橫跨于橋式電路的輸出端A及B間的輸出電壓Vab經調節(jié)而具有電壓準位V4，且電壓準位V4不同于電壓準位V1、V2和V3，其中電壓準位V1、V2、V3和V4彼此相異。需說明的是，于時段t4?t6間的操作類似于前述于圖8A?圖SG中的操作，并由本領域所屬技術人員所知，故于此不再贅述。
[0089]本發(fā)明的另一實施方式是有關于一種功率變換器，其包含一全橋變換器電路以及一調節(jié)電路，其中全橋變換器電路包含一全橋電路。其次，調節(jié)電路用以透過與全橋變換器電路相互操作而操作性地調節(jié)橫跨于全橋電路的輸出端間的輸出電壓，使得橫跨于全橋電路的輸出端間的輸出電壓具有三個以上的電壓準位。
[0090]圖9是依照本發(fā)明的第七實施例繪示一種功率變換器的示意圖。如圖9所示，功率變換器900包含調節(jié)電路902以及全橋變換器電路905。全橋變換器電路905包含全橋電路910，其中全橋電路910具有輸入端X及Y以及輸出端A及B。調節(jié)電路902橋接于全橋電路910的輸入端X及Y，并連接全橋電路910輸出端A。調節(jié)電路用以透過與全橋變換器電路905相互操作而操作性地調節(jié)橫跨于全橋電路910的輸出端A及B間的輸出電壓VAB，使得橫跨于全橋電路910的輸出端A及B間的輸出電壓Vab具有三個以上的電壓準位。
[0091]在一實施例中，全橋電路910還包含開關元件Ql?Q4，其中開關元件Ql和Q2串聯(lián)于全橋電路910的輸出端A，并以180度相位移交替地開啟，而開關元件Q3和Q4則串聯(lián)于全橋電路910的輸出端B，并以180度相位移交替地開啟。
[0092]在另一實施例中，調節(jié)電路902可還包含兩電容器單元(如:電容器Cl和C2)以及兩開關元件Q5和Q6。電容器Cl和C2串聯(lián)于全橋電路910的輸入端X及Y間的中間點M，而開關元件Q5和Q6則逆串聯(lián)于全橋電路910的中間點M和全橋電路910的輸出端A之間，并以180度相位移交替地開啟。
[0093]如前述實施例所述，功率變換器900的電路結構和操作可類似地設定如圖6所示的功率變換器600。
[0094]在次一實施例中，開關元件Ql和Q6通過互補的驅動信號Gl和G6 (如圖7所示)分別開啟，開關元件Q2和Q5通過互補的驅動信號G2和G5 (如圖7所示)分別開啟，而開關元件Q3和Q4通過互補的驅動信號G3和G4 (如圖7所示)分別開啟。
[0095]在又一實施例中，開關元件Ql和Q4分別通過驅動信號Gl和G4 (如圖7所示)同時開啟，且開關元件Ql接著先行關閉，而開關元件Q2和Q3則分別通過驅動信號G2和G3(如圖7所示)同時開啟，且開關元件Q2接著先行關閉。
[0096]在另一實施例中，驅動信號Gl的工作周期小于驅動信號G6的工作周期，驅動信號G2的工作周期小于驅動信號G5的工作周期，而驅動信號G3的工作周期等于驅動信號G4的工作周期。
[0097]本發(fā)明的另一實施方式是有關于一種功率變換器的控制方法，其中功率變換器可配置如前述圖1至圖6所示實施例中一者，但不以此為限，故于此不再贅述。功率變換器的控制方法包含下述步驟，且下述步驟可配合例如圖6所示的實施例以及圖7所示關于控制和調節(jié)的波形一并敘述如下。
[0098]在本實施例中，開關元件Ql和Q6通過互補的驅動信號Gl和G6分別開啟，開關元件Q2和Q5通過互補的驅動信號G2和G5分別開啟，而開關元件Q3和Q4通過互補的驅動信號G3和G4分別開啟，使得橫跨于全橋電路610的輸出端A及B間的輸出電壓Vab,可依據開關元件Ql?Q6的操作經調節(jié)而具有三個以上的電壓準位。
[0099]具體而言，當開關元件Ql、Q4和Q5分別通過驅動信號Gl、G4和G5開啟時，橫跨于全橋電路610的輸出端A及B間的輸出電壓Vab經調節(jié)而具有電壓準位Vl ;當開關元件Q4和Q5仍分別通過驅動信號G4和G5開啟且開關兀件Ql由驅動信號Gl關閉時,輸出電壓Vab經調節(jié)而具有電壓準位V2 ;當開關元件Q2、Q3和Q6分別通過驅動信號G2、G3和G6開啟時，輸出電壓Vab經調節(jié)而具有電壓準位V3 ;而當開關元件Q3和Q6仍分別通過驅動信號G3和G6開啟且開關元件Q2由驅動信號G2關閉時，輸出電壓Vab經調節(jié)而具有電壓準位V4，其中電壓準位Vl?V4彼此相異。
[0100]在一實施例中，驅動信號Gl及驅動信號G4同時啟用且驅動信號Gl接著先行解除，而驅動信號G2及驅動信號G3同時啟用且驅動信號G2接著先行解除。
[0101 ] 在另一實施例中，當驅動信號Gl啟用時，橫跨于全橋電路610的輸出端A及B間的輸出電壓Vab調節(jié)至電壓準位Vl ;當驅動信號Gl解除時，輸出電壓Vab調節(jié)至電壓準位V2 ；當驅動信號G2啟用時，輸出電壓Vab調節(jié)至電壓準位V3 ;而當驅動信號G2解除時，輸出電壓Vab調節(jié)至電壓準位V4，其中電壓準位Vl?V4彼此相異。
[0102]在次一實施例中，驅動信號Gl和G2可以180度相位移交替地啟用，驅動信號G3和G4可以180度相位移交替地啟用，且驅動信號G5和G6可以180度相位移交替地啟用。
[0103]在又一實施例中，驅動信號Gl的工作周期小于驅動信號G6的工作周期，驅動信號G2的工作周期小于驅動信號G5的工作周期，而驅動信號G3的工作周期等于驅動信號G4的工作周期。
[0104]需說明的是，在前述實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前后順序，甚至可同時或部分同時執(zhí)行，前述僅為一實施例，并非用以限定本發(fā)明。
[0105]雖然本發(fā)明已以實施方式揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域具通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當視所附的權利要求書所界定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種功率變換器，其特征在于，包含: 一橋式電路，具有一第一輸入端及一第二輸入端，并具有一第一輸出端及一第二輸出端，其中所述橋式電路還包含: 一第一橋臂，包含兩電容器單元，其中所述兩電容器單元串聯(lián)于所述橋式電路的所述第一輸入端及所述第二輸入端間的中間點； 一第二橋臂，包含一第一開關元件及一第二開關元件，其中所述第一開關元件及所述第二開關元件串聯(lián)于所述橋式電路的所述第一輸出端；以及 一第三橋臂，包含一第三開關元件及一第四開關元件，其中所述第三開關元件及所述第四開關元件串聯(lián)于所述橋式電路的所述第二輸出端； 一開關模塊，連接于所述橋式電路的所述中間點和所述第一輸出端之間； 一隔離級，具有一第一輸入端及一第二輸入端，并具有一第一輸出端及一第二輸出端，其中所述隔離級的所述第一輸入端連接于所述橋式電路的所述第一輸出端，所述隔離級的所述第二輸入端連接于所述橋式電路的所述第二輸出端；以及 一輸出級，具有一第一輸入端及一第二輸入端，其中所述輸出級的所述第一輸入端連接于所述隔離級的所述第一輸出端，所述輸出級的所述第二輸入端連接于所述隔離級的所述第二輸出端。
2.根據權利要求1所述的功率變換器，其特征在于，所述開關模塊還包含一第五開關元件及一第六開關元件，所述第五開關元件及所述第六開關元件逆串聯(lián)于所述橋式電路的所述中間點和所述第一輸出端之間。
3.根據權利要求2所 述的功率變換器，其特征在于，還包含: 一控制電路，用以控制所述第一至所述第六開關元件，其中所述第一開關元件與所述第六開關元件互補地開啟，所述第二開關元件與所述第五開關元件互補地開啟，所述第三開關元件與所述第四開關元件互補地開啟。
4.根據權利要求3所述的功率變換器，其特征在于，所述第一開關元件的工作周期小于所述第六開關元件的工作周期，所述第二開關元件的工作周期小于所述第五開關元件的工作周期，所述第三開關元件的工作周期等于所述第四開關元件的工作周期。
5.根據權利要求1所述的功率變換器，其特征在于，所述橋式電路用以產生一多準位電壓橫跨于所述橋式電路的所述第一輸出端及所述第二輸出端，所述多準位電壓具有三個以上的電壓準位。
6.根據權利要求1所述的功率變換器，其特征在于，所述橋式電路具有一增益，所述增益相關于一第一增益及一第二增益，其中所述第一增益是于所述橋式電路作為一半橋電路操作時所取得，所述第二增益是于所述橋式電路作為一全橋電路操作時所取得。
7.根據權利要求1所述的功率變換器，其特征在于，還包含: 一諧振槽，包含一電容器單元以及一電感單元，其中所述電容器單元以及所述電感單元串聯(lián)于所述橋式電路的所述第一輸出端和所述隔離級中間。
8.根據權利要求1所述的功率變換器，其特征在于，還包含: 一諧振槽，包含一電容器單兀、一第一電感單兀以及一第二電感單兀，其中所述電容器單元、所述第一電感單元以及所述第二電感單元串聯(lián)于所述橋式電路的所述第一輸出端和所述第二輸出端中間。
9.一種功率變換器的控制方法,其特征在于,所述功率變換器包含一橋式電路、一開關模塊、一隔離級以及一輸出級，其中所述橋式電路具有一第一及一第二輸入端并具有一第一及一第二輸出端，所述隔離級連接于所述橋式電路，所述輸出級連接于所述隔離級，其中所述橋式電路還包含兩電容器單元、一第一及一第二開關元件以及一第三及一第四開關元件，所述兩電容器單元串聯(lián)于所述橋式電路中所述第一及所述第二輸入端間的中間點，所述第一及所述第二開關元件串聯(lián)于所述橋式電路的所述第一輸出端，所述第三及所述第四開關元件串聯(lián)于所述橋式電路的所述第二輸出端，其中所述開關模塊還包含一第五及一第六開關元件，所述第五及所述第六開關元件逆串聯(lián)于所述橋式電路的所述中間點和所述第一輸出端之間，所述控制方法包含: 通過互補的第一及第六驅動信號分別開啟所述第一及所述第六開關元件； 通過互補的第二及第五驅動信號分別開啟所述第二及所述第五開關元件；以及 通過互補的第三及第四驅動信號分別開啟所述第三及所述第四開關元件。
10.根據權利要求9所述的功率變換器的控制方法，其特征在于，當所述第五開關元件仍開啟時，所述第一及所述第四開關元件同時開啟，當所述第四及所述第五開關元件仍開啟時，所述第一開關元件關閉，當所述第六開關元件仍開啟時，所述第二及所述第三開關元件同時開啟，當所述第三及所述第六開關元件仍開啟時，所述第二開關元件關閉。
11.根據權利要求9所述的功率變換器的控制方法，其特征在于，所述第一及所述第四驅動信號同時啟用且所述第一驅動信號接著先行解除，所述第二及所述第三驅動信號同時啟用且所述第二驅動信號接著先行解除。
12.根據權利要求9所述的功率變換器的控制方法，其特征在于，當所述第一驅動信號啟用時，橫跨于所述橋式電路的所述第一及所述第二輸出端間的輸出電壓調節(jié)至一第一電壓準位，當所述第一驅動信號解除時，所述輸出電壓調節(jié)至一第二電壓準位，當所述第二驅動信號啟用時，所述輸出電壓調節(jié)至一第三電壓準位，當所述第二驅動信號解除時，所述輸出電壓調節(jié)至一第四電壓準位，其中所`述第一至所述第四電壓準位彼此相異。
13.根據權利要求9所述的功率變換器的控制方法，其特征在于，所述第一及所述第二驅動信號以180度相位移交替地啟用，所述第三及所述第四驅動信號以180度相位移交替地啟用，所述第五及所述第六驅動信號以180度相位移交替地啟用。
14.根據權利要求9所述的功率變換器的控制方法，其特征在于，所述第一驅動信號的工作周期小于所述第六驅動信號的工作周期，所述第二驅動信號的工作周期小于所述第五驅動信號的工作周期，所述第三驅動信號的工作周期等于所述第四驅動信號的工作周期。
15.—種功率變換器,其特征在于,包含: 一全橋變換器電路，包含一全橋電路，其中所述全橋電路具有一第一輸入端及一第二輸入端，并具有一第一輸出端及一第二輸出端；以及 一調節(jié)電路，橋接于所述全橋電路的所述第一輸入端及所述第二輸入端，并連接于所述全橋電路的所述第一輸出端，其中所述調節(jié)電路用以透過與所述全橋變換器電路相互操作而操作性地調節(jié)橫跨于所述全橋電路的所述第一輸出端及所述第二輸出端間的輸出電壓，使得橫跨于所述全橋電路的所述第一輸出端及所述第二輸出端間的所述輸出電壓具有三個以上的電壓準位。
16.根據權利要求15所述的功率變換器，其特征在于，所述全橋電路還包含:一第一開關元件及一第二開關元件，串聯(lián)于所述全橋電路的所述第一輸出端，并以180度相位移交替地開啟；以及 一第三開關元件及一第四開關元件，串聯(lián)于所述全橋電路的所述第二輸出端，并以180度相位移交替地開啟。
17.根據權利要求16所述的功率變換器，其特征在于，所述調節(jié)電路還包含: 兩電容器單元，串聯(lián)于所述全橋電路的所述第一輸入端及所述第二輸入端間的中間點；以及 一第五開關元件及一第六開關元件，逆串聯(lián)于所述全橋電路的所述中間點和所述第一輸出端之間，并以180度相位移交替地開啟。
18.根據權利要求17所述的功率變換器，其特征在于，所述第一開關元件及所述第六開關元件通過互補的第一及第六驅動信號分別開啟，所述第二開關元件及所述第五開關元件通過互補的第二及第五驅動信號分別開啟，所述第三開關元件及所述第四開關元件通過互補的第三及第四驅動信號分別開啟。
19.根據權利要求18所述的功率變換器，其特征在于，所述第一及所述第四開關元件分別通過所述第一及所述第四驅動信號同時開啟且所述第一開關元件接著先行關閉，所述第二及所述第三開關元件分別通過所述第二及所述第三驅動信號同時開啟且所述第二開關元件接著先行關閉。
20.根據權利要求18 所述的功率變換器，其特征在于，所述第一驅動信號的工作周期小于所述第六驅動信號的工作周期，所述第二驅動信號的工作周期小于所述第五驅動信號的工作周期，所述第三驅動信號的工作周期等于所述第四驅動信號的工作周期。
【文檔編號】H02M3/28GK103795251SQ201210421131
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月29日 優(yōu)先權日:2012年10月29日
【發(fā)明者】朱選才, 翁炳文 申請人:臺達電子工業(yè)股份有限公司