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TWI436570B - 諧振式轉換器之重置方法及其裝置 - Google Patents

諧振式轉換器之重置方法及其裝置 Download PDF

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TWI436570B
TWI436570B TW099137416A TW99137416A TWI436570B TW I436570 B TWI436570 B TW I436570B TW 099137416 A TW099137416 A TW 099137416A TW 99137416 A TW99137416 A TW 99137416A TW I436570 B TWI436570 B TW I436570B
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Inventor
Hongyang Wu
Bin Wang
Jian Jiang
Xiaoni Xin
Original Assignee
Delta Electronics Inc
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Publication date
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Description

諧振式轉換器之重置方法及其裝置
本案係關於一種重置方法及其裝置，尤指一種應用於諧振式轉換器之重置方法及其裝置。
由於針對環境及能源消耗的關切日益，消費者不斷地尋求更具能源效率之產品，而電子產品的設計者則是利用柔性切換拓樸來改善電子及電器產品的效能，並使這些產品能以更高的頻率運作。然而切換損失卻成為節約電源的一個障礙，尤其是在進行高頻運作時。為此，諧振式轉換器(resonant converter)可用以提供零電壓切換技術，減少電子設備在開啟或關閉轉換時所發生的切換損失，藉以使其相較於其他轉換器而能於更高的切換頻率中運作。諧振式轉換器包含有開關元件及諧振電感電容網絡。
基本的開關元件係為一包含有以一二極體及一電晶體所並聯而得之電子元件，如典型的功率金氧半場效電晶體(MOSFET)。特別的是，諧振式轉換器係於開關元件處於零電流或零電壓點時切換該開關元件，以降低開關元件的應力及降低無線電干擾。零電壓切換(zero-voltage switching, ZVS)係指在開關切換時開關上的電壓值為零或一接近於零的低電壓值，如此一來便可減少電路系統中的耗損。
諧振式轉換器通當藉由變化其開關元件之切換頻率來控制。常見之諧振式轉換器包含像是DC轉高頻AC逆變器、諧振式DC-DC轉換器、諧振式逆變器或產生線頻率(line-frequency) AC之整流器、諧振式AC-DC轉換器、諧振式AC-AC轉換器等。常見的應用，舉例來說，包含個人電腦、伺服器、電信系統、手機、汽車、醫療設備、遊戲電玩和工業設備等。
在某些應用實例中，如在該諧振式轉換器重新啟動時，開關元件流過一大峰值電流。然而此大峰值電流會損害開關元件，而該峰值電流係在該諧振式轉換器被關閉後，由該諧振式轉換器之諧振網絡中殘留之能量所造成者。
因此，有鑑於習知技藝之限制與缺失，本案發明人乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，遂而提出一種「諧振式轉換器之重置方法及其裝置」，以於諧振式轉換器重新啟動前，限制或消弭諧振網絡內之殘留能量，進而解決習知技藝所無法解決之問題。
本段摘述本發明的某些特徵，其他特徵將敍述於後續的段落。本發明藉由附加的申請專利範圍定義，其合併於此段落作為參考。
本案之主要目的為提供一種諧振式轉換器之重置方法及裝置，藉由在諧振式轉換器重新啟動前，先限制或消弭諧振網絡內之殘留能量，避免其對該諧振式轉換器內元件造成損害。
為達上述目的，本案之一較佳實施樣態為提供一種應用於諧振式轉換器之重置方法，其包含步驟：關閉一諧振式轉換器；以及藉由重置於已關閉諧振式轉換器之一諧振電路內的殘留能量，以限制該諧振式轉換器之一開關電路內所生成之一峰值電流。
為達上述目的，本案之另一較佳實施樣態為提供一種應用於一諧振式轉換器之重置裝置，該諧振式轉換器包含一開關電路以及一諧振電路，該重置裝置包含一控制模組，耦合至該開關電路，並於該諧振式轉換器 被關閉後控制該開關電路，以藉由重置於已關閉之諧振式轉換器內殘留能量，而限制該諧振式轉換器內所生成之一峰值電流。
為達上述目的，本案之又一較佳實施樣態為提供一諧振式轉換器，包含一開關電路，接收一輸入電壓；一諧振電路，耦合至該開關電路，並包含一諧振電感、一諧振電容、以及一激磁電感彼此串聯連接；一變壓器，耦合至該諧振電路 並接收該諧振電路的輸出；一整流電路，耦合至該變壓器，接收並整流該變壓器的輸出以產生該諧振式轉換器的輸出；以及一驅動器，耦合至該開關電路並控制該開關電路，以該諧振式轉換器被關閉後，藉由重置於已關閉之諧振式轉換器內殘留能量，而限制該開關電路內所生成之一峰值電流。
本案得藉由下列圖示與實施例說明，俾得一更清楚之了解。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。
圖一係揭示本案示範實施例組配有能量重置模組(energy resetting module)之諧振式轉換器的結構方塊圖，其係用以在重新啟動該諧振式轉換器前消耗該轉換器的剩餘能量。如圖所示，諧振式轉換器101係為一種應用於電子設備之電源轉換器。在一實施例中，該諧振式轉換器101包含有一開關元件103、一諧振網絡105、以及一能量重置模組107。該諧振式轉換器101接收輸入電壓VIN ，產生輸出電壓VOUT ，並使用諧振網絡105之電容及電感來塑整通過一給定開關元件103之電流或者電壓之波形，其中該開關元件103可為Mosfet，IGBT等元件。該諧振網絡105亦稱為一諧振電路(resonant circuit)或一諧振槽(resonant tank)。理論上而言，當該諧振式轉換器101關閉後重新啟動時，如果電路能量被完全吸收將無電流或電壓通過該開關元件103。然而，如前所述，在關閉該諧振式轉換器101後，該諧振網絡105內仍可能有殘存的能量。而該能量重置模組107即用以於該諧振式轉換器101啟動前消耗或重置殘存於該諧振網絡105內之剩餘能量，以限制該開關元件103之峰值電流。又該能量重置模組107可選擇性輸出驅動信號S1 及S2 至該開關元件103及/或該諧振網絡105。
圖二A係揭示本案示範實施例中以能量重置模組控制LLC串聯諧振式轉換器的電路圖。如圖二A所示，該LLC串聯諧振式轉換器200包含有一由電源開關Q1~Q4所構成之開關電路201、一諧振網絡203、一變壓器T 205，以及一整流電路207。其中，LLC是指一諧振電路中包含有一諧振電感Lr、一諧振電容Cr，以及一激磁電感Lm彼此串聯連接。而該諧振式轉換器200亦包含有一輸入電容Cin。該變壓器205藉由一初級側線圈及兩串聯之次級側線圈將該開關電路201及該諧振網絡203與該整流電路207相隔離。在一實施例中，該整流電路207包含一對同步整流開關Q5~Q6，其係連接至一輸出電容Co及一負載RL。在圖二A中，該開關Q5及Q6可以採用如MOSFET來實施。該開關Q5及Q6之源極端係連接至該電容Co之陰極(cathode)，而該開關Q5之汲極端與該開關Q6之汲極端連接至該次級側線圈。兩次級線圈之共同連接點則係連接至該電容Co之陽極(anode)及一輸出電壓Vo之正極。
該諧振式轉換器200接收一輸入電壓Vin，並產生一輸出電壓Vo。該諧振式轉換器200具有一參數設計及操作範圍以確保該開關Q1~Q4工作於一零電壓切換(zero-voltage switching, ZVS)狀態下；甚至使該整流開關Q5~Q6工作於零電流切換(zero current switching, ZCS)狀態。零電壓切換主要功用在使開關元件在開啟前，確保該開關上的電壓為零，進而減小開關耗損。
圖二B係揭示本案示範實施例之諧振式轉換器200於一正常模式中運作之波形示意圖。在圖二B中，S1 代表開關Q1及Q4之一驅動信號，S2 代表開關Q2及Q3之一驅動信號，而ir與im則分別代表流經該諧振電感Lr及該激磁電感Lm之電流。當開關Q1及Q2被關閉時，im值分別為Im 及-Im 。Vc係為該諧振電容Cr之電壓。而ir、im及Vc之參考方向則揭示於圖二A。ir與im間之差異為該變壓器T之初級側電流。在區域A及B裡，能量由初級側傳送至次級側。此外，該激磁電流im在一輕負載條件與一重負載條件下相差不大。
在時間點t0’，因為初級側電流ir於其參考方向相反，開關Q1/Q4在零電壓條件下開啟。而在時點t0’及t1’間之區間，整流開關Q6導通，因此在該激磁電感不參與諧振，所以該激磁電流im呈線性增加。由於Lr及Cr間之諧振，通過Q6之電流iQ6以準正弦(quasi-sine)波形呈現。在時間點t1’，Q6關閉，因為開關週期長於Lr及Cr間的諧振週期，使得於Q1/Q4被關閉前，ir遞降至im。接著，Cr、Lr及Lm參與諧振。為了簡化解析，假設Lm>>Lr，則Ir於t1’至t2’間約呈一直線。在時間點t2’，Q1/Q4關閉。而在時間點t3’，Q2/Q3則零電壓開啟。在t3’至t4’的區間與t4’至t5’的區間，亦可如前解析。電流IQ5之操作狀態及波形均與IQ6相同。iQ5及iQ6構成輸出整流電流。圖二B中之波形示意圖220亦揭示當該諧振式轉換器被關閉時的三個關閉時間點t1、t2及t3。當然該諧振式轉換器可於任何時間點被關閉。
在圖二A中，通過開關Q1~Q4的開通與關斷在A點及B點之間產生一方形波，並提供至諧振電路203。若電路工作在諧振頻率點，則該諧振電路203之電流則近乎一正弦曲線。在A點及B點間，該正弦電流波形落後於該A點及B點之間電壓波形，所以當電壓波形達到其過零點時，電流值仍為負值，因而達到零電壓切換。
圖二C揭示本案示範實施例諧振式轉換器200中諧振電容電壓與諧振電感電流之放大波形示意圖240。當該諧振式轉換器200於時間點t0’(關閉時間點241)關閉後（即轉換器在t0’之後不向其負載輸送能量），於時間點t1’(重置時間點243)重新啟動（即轉換器在t1’之後重新向其負載輸送能量）。當然，該諧振式轉換器可在關閉後立即重啟，即時間點t0’=t1’，使得時間區間245為零。而在一般狀況下重新啟動的時間點與關閉時間點之間存在一定的時間差，即t1’>t0’。在時間點t1’後，諧振電容Cr之電壓Vc則沿著振盪中心247振盪，且由某一電壓值開始衰減並於數個工作循環內衰減至零，如從120v降至0v。圖二C標示有第一工作循環249。如圖二C所示，不論該諧振式轉換器200在何時被關閉（如在時間點t0’），在諧振網絡203中會有殘留能量留下。此存在於該Cr及/或Lr中之殘留能量無法被快速的消耗。因此，該諧振電流Ir具有一直流偏置(DC bias)。若該諧振式轉換器200於時間區間t1’-t2’間重新啟動，則開關Q1/Q4或Q2/Q3將因ir之直流偏置而產生高電流峰值而導致電路損害。因此，在重置該諧振式轉換器200前，有必要先解決此一特別問題。
圖三A係揭示本案示範實施例中諧振網絡之等效電路圖。該諧振網絡203之等效電路300係用以分析該諧振網絡203於時間區間t1及t2間之操作。該電路300具有一由該開關電路201產生且具有一定值(如+/- 400v)之對稱方形波輸入301。為模擬該諧振網絡203之運作，該等效電路300可進一步分為兩等效電路310及320。該電路310具有一對稱方形波輸入311，但無該諧振電容之初始電壓Vcr及該諧振電感之初始電流Ir。另一方面，該電路320具有初始電壓Vcr或初始電流Ir，但不具有輸入信號。在電路320中，該初始電壓Vcr及初始電流Ir於開關操作時間內會被重置。電路300的諧振電流則包含電路320之重置電流及該電路310之開關電流。
該電路310及320可藉由一般商用軟件，如MATLAB裡之SIMULINK，來提供該電壓Vcr及該電流Ir之仿真波形。在該仿真中，該諧振式轉換器200係於時間點t1’重新啟動。圖二C揭示本案示範實施例中，該諧振式轉換器200之諧振電容電壓Vcr及諧振電感電流Ir之波形240。在時間點t1’後，該電壓Vcr由某一電壓值(如120v)振盪下降，且該電流Ir於此過程中具有一直流偏置。由於該電流Ir之直流偏置，該開關Q1-Q4需得承受容性切換之結果。圖三B則揭示容性切換之示意圖330。舉例來說，在Q1開啟的時刻，Q3之體二極體正流過電流。又因為Q1, Q3處於同一個橋臂，因此，在這種狀況下容性切換結果使會發生電路短路及產生很大的損耗，這可能會損害開關Q1~Q4。如圖三B所示，該電流IQ3之模擬之仿真電流峰值可能於一短時間即被大大地增加(如超過20A)。
為解決此一問題，一能量重置模組107之驅動流程400被導入以於重新啟動該諧振式轉換器200前先重置該諧振網絡能量。如圖四A所示，其係揭示本案示範實施例之操作流程圖。特別地是，驅動流程400由一起動階段401開始，並判斷是否要關閉該諧振式轉換器200。若判斷該諧振式轉換器200將維持工作狀態(如在時間點t0前)，則該驅動流程400會使該轉換器工作於一線性工作狀態405。若判斷該諧振式轉換器200被關閉(如於時間區間t1~t2間)，則該驅動流程400會使該轉換器工作於一飽和工作狀態403，以消耗掉諧振網絡的能量。接著，步驟407根據步驟403或405的輸出結果，產生驅動信號S1及S2至Q1~Q4。圖四B揭示本案示範實施例中相對於圖四A流程400之操作圖示410。在步驟403(時間區間t1-t2間)開關Q1~Q4工作於飽和狀態，而在步驟405(時間點<t0及>t3之處)中以開關Q1~Q4工作於線性狀態。
圖四C係為各實施例中一開關(如MOSFET)的汲極電流(ID )與汲極至源極電壓(VDS )關係示意圖420。線性(歐姆)模式及飽和模式之分界係以一上昇彎曲拋物線(VDS =VGS -VT )所表示。在線性模式中，當該MOSFET處於導通狀態時，該MOSFET如一很小的電阻(如數至數百mΩ)。
線性模式：當 VGS >Vth 且VDS <(VGS -Vth )。
而處於飽和模式下，當MOSFET導通時，它就像一變阻器(rheostat)，由其閘極源極電壓所控制，其係具有非常大的電阻(如數至數百或數千Ω)。
飽和模式：當 VGS >Vth 且VDS >(VGS -Vth )。
圖四D係揭示任一開關Q1~Q4之操作模式示意圖430。在一線性(開關)模式431中，舉例而言，Q3係作為一開關應用，由其閘極源極上之一驅動信號所控制其導通和關斷，Q3具有很小的導通電阻值(如數至數百mΩ)。而在一飽和模式433中，Q3係如一變阻器，由不同的閘極源極電壓水平VGS (如2-20V)所控制控制其導通電阻值，並具有大電阻值(如大於數十個Ω)。為模擬Q1~Q4在飽和模式433下的操作，該開關電路201及諧振網絡203改以圖四E所示之等效電路440表示，如圖所示，該等效電路440包含有一負載Q1/Q2、一負載Q3/Q4，以及一負載n2 RL，其中該負載Q1/Q2或Q3/Q4係代表Q1~Q4在飽和模式下的電阻值。該等效電路440具有由開關電路201所產生之一對稱方形波輸入441。在飽和工作狀態下，Q1~Q4以如大電阻之型式被VGS 控制運作，而非如開關來運作。因此，飽和模式可限制流經Q1~Q4之電流，且如電阻般消耗諧振能量。該流程400便可避免先前討論開關上產生電流峰值問題。
於時間區間t1至t2間之飽和工作模式(步驟403)可於關閉時間點t0後以及重新啟動時間點t3前之間的任何時點發生。圖四F係揭示本案示範實施例中系統400於t0=t1時之操作示意圖450。在此實施例中，該諧振式轉換器200於時間點t0被關閉後隨即立刻開啟並進入飽和工作模式。圖四G則係揭示本案示範實施例中系統400於t2=t3時之操作示意圖460。在此實施例中，該諧振式轉換器200於時間區間t1至t2(t3)間工作於飽和模式以消耗電路中的能量並在時間點t3(t2)被重新開啟。在t3時刻之後，該諧振式轉換器200可於零初始條件下被重新啟動，而沒有容性切換的問題產生。
圖五係揭示本案示範實施例中該諧振式轉換器重置前限制或消除於諧振網絡內殘留能量之流程圖500。舉例來說，該流程500可由能量重置模組107來執行。例如，於步驟501中，該能量重置模組107關閉一諧振式轉換器。在步驟503中，該能量重置模組107藉由重置該諧振式轉換器諧振電路內之殘留能量而限制發生於該諧振式轉換器開關電路內之一峰值電流。該能量重置模組107可藉由控制於該諧振式轉換器內一個或多個電阻而消耗殘留能量。在一實施例中，於該諧振式轉換器內被控制之一個或多個電阻係包括於一飽和模式中操作之一個或多個開關(如Q1~Q4)。該一個或多個開關元件可藉由 提供一驅動信號而被驅動(由一驅動器)並通過控制該驅動信號之占空比去控制該開關工作於飽和模式，其中該開關元件之驅動信號之占空比在飽和模式下比在正常模式（如當轉換器工作在線性模式下）下小。該一個或多個開關元件亦可藉由 降低一驅動電壓而被驅動去操作控制工作於飽和模式，其中在飽和模式下該開關元件電路所屬之的驅動電壓係低於在一正常模式中運作者。在另一實施例中，該諧振電路內一個或多個電阻亦可被控制去消耗能量。可參見圖八A所揭示之實施例。該一個或多個電阻與一開關元件並聯後串聯入諧振網路，通過控制該開關元件關斷使電阻串聯入諧振網路以消耗諧振網路的殘餘能量。最後在步驟505，該能量重置模組107於重置已關閉諧振電路內殘留能量後開啟該諧振式轉換器。
而前述之流程致使Q1~Q4得以在時間區間t1至t2間以飽和模式運作，並將進一步詳述於後。圖六A係揭示本案示範實施例中具串聯諧振式轉換器及能量重置模組之諧振式轉換器重置系統600之電路圖。該串聯諧振式轉換器610具有如圖二A中所示諧振式轉換器200相同之元件，而該能量重置模組620則依如圖四A至圖四G中所揭示之相同流程運作。該能量重置模組620具有一驅動器621、一諧振式轉換器控制模組623、以及一輔助電源Vcc，其中該驅動器621用以提供一驅動信號S1去驅動Q1(Q4)以及一驅動信號S2去驅動Q2(Q3)。在重新啟動該串聯諧振式轉換器610之前，該能量重置模組620提供了一小占空比的驅動信號以控制Q1~Q4工作於飽和模式。尤其是，該控制模組623之一單次輸入端(one-shot pin) 625去控制一死區時間(dead time)，以及該控制模組623之一使能端627去控制Vcc的電壓值。舉例來說，由ON SEMICONDUCTOR®所製造之MC33607即可做為該諧振式轉換器控制模組623之用。
圖六B係揭示本案示範實施例中該能量重置模組620之波形示意圖630。在該串聯諧振式轉換器 610於時間點t0關閉後，一使能電壓Ven透過該使能端627而被提供至該控制模組623。該使能端627係透過一電阻Rd及一電容Cd而連接至一開關Qd之閘極。該輔助電源Vcc則係透過一電阻R1而連接至Qd及Qs。
該單次端625的作用為使輸出信號S1及S2同時處於低電平，以在提供S1及S2之間的一死區時間。該單次端625係透過一電阻Ro、一電容Co及一電容Cs (與Qs串連)而並聯連接至地線。 　
圖六B揭示本案實施例中一使能電壓、開關Qs閘極電壓及開關Qd閘極電壓之波形。在線性模式操作中，該單次端電壓被控制以提供一正常死區時間，並且啟動信號S1及S2之輸出開關，同時主要電流在改變極性前即開始被扭轉。針對零電壓諧振模式，該轉換器開關週期係被設定等同於或多於該單次週期。
為使該開關Q1~Q4工作於飽和模式下，Qs於時間區間t0-t1間開啟，Ro及並聯的Co, Cs確定了一死區時間T2，其大於一正常的死區時間T1。圖六C係揭示本案示範實施例中在不同死區時間操作下該串聯諧振式轉換器610開關Q1~Q4之閘極電壓波形示意圖640。在相同的工作頻率的狀況下，較大死區時間T2使輸出信號S1及S2的占空比小於在正常的死區時間T1狀況下的占空比，從而使在S1、S2的驅動電壓值在較大死區時間至低於一般正常工作下（即正常的死區時間T1）之電壓值水準(如12v)。因此，較低的驅動電壓(如~4v)使Q1~Q4進入該飽和模式。在時間點t1後，Qs關閉，Ro及Co給定正常狀態下的死區時間T1，該正常死區時間T1使信號S1及S2的電壓值處於一正常之電壓水平(如12v)。藉此，在重新開啟後，該串聯諧振式轉換器610之開關Q1之電流IQ1具有一小峰值電流，如一峰值電流值小於10A，其係由大停滯時間T2(即一小驅動負載)所致。換句話說，前述實施例藉由配置一較大的死區時間而使得該峰值電流IQ1由一較高值(如大於20A)減低至一較小值(如小於10A)。
圖七A揭示本案另一實施例中具一串聯諧振式轉換器及一能量重置模組之諧振式轉換器重置系統電路圖700。該串聯諧振式轉換器710具有如圖二A中所示諧振式轉換器200相同之元件。而該能量重置模組720則依如圖四A至圖四G中所揭示之相同流程運作。該能量重置模組720具有一驅動器721、一諧振式轉換器控制模組723、以及一輔助電源Vcc，其中該驅動器721用以提供一驅動信號S1去驅動Q1(Q4)以及一驅動信號S2去驅動Q2(Q3)。與圖六所揭示不同在於，圖七A中的能量重置模組720係藉控制Vcc電壓而直接降低Q1~Q4驅動信號的驅動電壓而使Q1~Q4工作於飽和模式。尤其是，在重新啟動該串聯諧振式轉換器710之前，該能量重置模組720控制電阻R1去控制Vcc電壓。
圖七B揭示本案另一示範實施例中該能量重置模組720之波形示意圖730。在該串聯諧振式轉換器 710於時間點t0關閉後，一使能電壓Ven透過一使能端727而被提供至該控制模組723。該使能端727係透過一電阻Rd及一電容Cd而連接至一開關Qd之閘極。一單次端725透過一電阻Ro及一電容Co而並聯連接至地。在時間區間t0至t1間，飽和模式操作中之死區時間維持與線性模式操作中正常死區時間T1相同。該輔助電源Vcc則係透過一電阻R3而連接至一放大器729之反相輸入端，且參考電壓Vcc_ref則連接至放大器729同相輸入端。圖七C係揭示本案示範實施例中在不同R1操作設定下該串聯諧振式轉換器710開關Q1~Q4之電壓波形示意圖740。在時間點t0前，Qd導通使R1被短路，據此，Vcc由R2及R3決定。而於時間區間t0至t1間，Qd關斷，Vcc由R1、R2及R3決定。舉例來說：
當Qd導通，
Vcc=Vcc_ref*(R2+R3)/R2=12v (1)
當Qd關斷，
Vcc=Vcc_ref*(R2+R3+R1)/(R2+R1)=4v (2)
由於S1及S2於時間區間t0至t1間電壓峰值僅為4v，開關Q1~Q4將如電阻般運作以消耗諧振槽能量。由於較低之驅動電壓作用，其中開關(如Q1)之峰值電流值被降低如減至低於10A。上述實施例亦可將開關Q1~Q4的峰值電流由一較大值(如大於20A)減至一較小值(如小於10A)。
圖八A係揭示本案示範實施例中具串聯諧振式轉換器之諧振式轉換器重置系統電路圖800。由於此實施例並不需要特別之轉換器控制方法，任何存在之控制系統(未圖示)皆可組配至串聯諧振式轉換器。一大電阻被加入該串聯諧振式轉換器以消耗諧振槽能量。舉例來說，一電阻R與該諧振槽203串聯連接，而一開關Qs則與該電阻R並聯。該電阻R可由一個或多個電阻所組成。圖八B係揭示本案示範實施例中圖八A之系統電路圖800之操作系統示意圖820。在該實施例中，該串聯諧振式轉換器電路系統800包含有一驅動器，該驅動器更包含有一控制模組耦合至該電阻R及開關Qs。在時間區間t1至t2間，(1)當Q1/Q4關閉時，Q3/Q2被開啟；或者(2) 當Q3/Q2關閉時，Q1/Q4被開啟。同時，該開關Qs係由該控制模組所關閉(即開路(open))，而該電阻R在Q1~Q4處於正常操作狀態下消耗諧振槽能量。在t3時刻重新啟動該諧振式轉換器後，Qs被控制模組所啟動(即閉路(close))以將該電阻R短路。
本案所揭示討論之示範系統及應用技術可提供於 重新啟動 諧振式轉換器前消耗諧振式轉換器電路內諧振槽能量的簡便方法。藉由組配該諧振電路101與一能量重置模組107，該諧振式轉換器可於 重新啟動 前，限制或消除殘留在諧振網絡內之能量。因此，本案示範實施例在符合變化頻率範圍與設計考量下，可在重新啟動時避免電路開關的峰值電流的問題，且達到低消耗之效果。
前述之優點均可套用於諧振式轉換器之組配中，包含如LLC、LCC、並聯、串聯、串並聯諧振及其組合者，但並不受限於此。再者，在此描述於重置諧振式轉換器前控制諧振式轉換器之直流增益以消耗諧振式轉換器之諧振槽能量之程序，更可進一步透過軟體、硬體、韌體或結合軟體及/或韌體及/或硬體來執行。藉由此程序，於諧振網絡內之殘留能量在重置諧振式轉換器前即被有效的限制及消除。而於此所述之程序亦可應用專用積體電路 (Application Specific Integrated Circuit, ASIC)及場域可程式化閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA) 等達成。
本案技術具有實用性、新穎性與進步性，爰依法提出申請。縱使本發明已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
100：諧振式轉換器結構方塊圖
101：諧振式轉換器
103：開關元件
105：諧振網絡
107：能量重置模組
200：串聯諧振式轉換器
201：開關電路
203：諧振網絡
205：變壓器
207：整流電路
220：波形示意圖
240：波形示意圖
300：諧振網絡等效電路圖
301：方形波輸入
310：諧振網絡等效電路圖
311：方形波輸入
320：諧振網絡等效電路圖
330：電容式切換示意圖
400：驅動流程
401：起動階段
403：飽和操作
405：線性操作
407：驅動信號產生
410：操作圖示
420：操作模式示意圖
430 ： 操作模式示意圖
431 ： 線性(開關)模式
433 ： 飽和模式
440 ： 等效電路
441 ： 對稱方形波輸入
450 ： 操作示意圖
460 ： 操作示意圖
500 ： 流程圖
501~507 ： 步驟
600 ： 重置系統電路圖
610 ： 串聯諧振式轉換器
620 ： 能量重置模組
621 ： 驅動器
623 ： 控制模組
625 ： 單次端
627 ： 使能端
630 ： 波形示意圖
640 ： 閘極電壓波形示意圖
700 ： 重置系統電路圖
710 ： 串聯諧振式轉換器
720：能量重置模組
721：驅動器
723：控制模組
725：單次端
727：使能端
729：放大器
730：波形示意圖
740：電壓波形示意圖
800：重置系統電路圖
820：操作系統示意圖
Cin：輸入電容
Cd：電容
Co：輸出電容
Cr：諧振電容
Cs：電容
IQ3：電流
ID ：汲極電流
Ir：電流
Im：電流
Lm：激磁電感
Lr：諧振電感
MOSFET：金氧半場效電晶體
Q1~Q4：電源開關
Q5~Q6：同步整流開關
Qd：開關
Qs：開關
R：電阻
R1~R3：電阻
RL：負載
Rd：電阻
Ro：電阻
VD ：源極電壓
VIN ： 輸入電壓
VDS ：電壓
VGS ：電壓
VT ：電壓
VOUT ： 輸出電壓
Vc：電壓
Vcc：輔助電源供應電壓
Vcc_ref：參考電壓
Vcr：初始電壓
Vo：輸出電壓
Vth ：電壓
S1：驅動信號
S2：驅動信號
T：變壓器
T1：死區時間
T2：死區時間
ZVS：零電壓切換
n2 RL：負載
t0~t3：時間點
t0’~t2’：時間點
圖一：其係揭示本案示範實施例組配有能量重置模組之諧振式轉換器的結構方塊圖；
圖二A：其係揭示本案示範實施例中以能量重置模組控制之LLC串聯諧振式轉換器的電路圖；
圖二B：其係揭示本案示範實施例之諧振式轉換器於一正常模式中運作之波形示意圖；
圖二C：其揭示本實示範實施例諧振式轉換器中諧振電容電壓與諧振電感電流之放大波形示意圖；
圖三A：其係揭示本案示範實施例中諧振網絡之等效電路圖；
圖三B：其係揭示電容式切換所得結果示意圖；
圖四A：其係揭示本案示範實施例之操作流程圖；
圖四B：其係揭示本案示範實施例中相對於於圖四A驅動流程之操作圖示；
圖四C：係揭示各實施例中電源開關在不同汲極電流(ID )對汲極至源極電壓(VD )模式中之操作模式示意圖；
圖四D：其係揭示本案示範實施例中任一開關Q1~Q4之操作模式示意圖；
圖四E：其係揭示本案示範實施例中開關電路及諧振網絡之等效電路圖；
圖四F：其係揭示本案示範實施例中重置系統於t0=t1時之操作示意圖；
圖四G：其係揭示本案 示範實施例中重置系統於t2=t3時之操作示意圖；
圖五：其係揭示本案示範實施例中該諧振式轉換器重置前限制或消除於諧振網絡內殘留能量之流程圖；
圖六A：其係揭示本案示範實施例中具串聯諧振式轉換器及能量重置模組之諧振式轉換器重置系統電路圖；
圖六B：其係揭示本案示範實施例中該能量重置模組之元件波形示意圖；
圖六C：其係揭示本案示範實施例中在不同死區時間操作下該串聯諧振式轉換器開關之閘極電壓波形示意圖；
圖七A：其係揭示本案另一示範實施例中具一串聯諧振式轉換器及一能量重置模組之諧振式轉換器重置系統電路圖；
圖七B：其係揭示本案另一示範實施例中該能量重置模組之元件波形示意圖；
圖七C：其係揭示本案另一示範實施例中在不同R1操作下該串聯諧振式轉換器開關之電壓波形示意圖；
圖八A：其係揭示本案示範實施例中具串聯諧振式轉換器之諧振式轉換器重置系統電路圖；
圖八B：其係揭示本案示範實施例中圖八A之系統電路圖之操作系統示意圖；以及
100：諧振式轉換器結構方塊圖
101：諧振式轉換器
103：開關元件
105：諧振網絡
107：能量重置模組

Claims (19)

  1. 一種應用於諧振式轉換器之重置方法，其包含步驟：
         關閉一諧振式轉換器；以及
         藉由重置於已關閉諧振式轉換器之一諧振電路內的殘留能量，以限制該諧振式轉換器之一開關電路內所生成之一峰值電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之重置方法，其中重置該能量更包含步驟：控制該諧振式轉換器內一個或多個電阻，以消耗該殘留能量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之重置方法，其中控制該諧振式轉換器內一個或多個電阻更包含下列步驟：使該開關電路之一個或多個開關元件工作於一飽和模式中。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之重置方法，其中使該開關電路之一個或多個開關元件於一飽和模式中運作更包含下列步驟之至少其中之一：
         提供該開關電路之一驅動信號，使其在一飽和模式中運作時該驅動信號的占空比小於在一正常模式中運作時該驅動信號的占空比；以及
         降低送至該開關電路之一驅動電壓，以使該開關電路在一飽和模式中運作時該驅動電壓小於其在一正常模式中運作時的驅動電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之重置方法，更包含步驟：於重置於已關閉諧振電路內的殘留能量後，重置該諧振式轉換器。
  6. 一種應用於一諧振式轉換器之重置裝置，該諧振式轉換器包含一開關電路以及一諧振電路，該重置裝置包含: 一控制模組，耦合至該開關電路，並於該諧振式轉換器被關閉後控制該開關電路，以藉由重置於已關閉之諧振式轉換器內殘留能量，而限制該諧振式轉換器內所生成之一峰值電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之重置裝置，其中該控制模組係藉由控制該諧振式轉換器內一個或多個電阻以消耗該殘留能量。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之重置裝置，其中該諧振式轉換器內一個或多個電阻更包含下列至少其中之一： 該開關電路內的一個或多個開關元件，該控制模組控制該開關元件運作於一飽和模式中。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之重置裝置，其中該諧振電路更包含一個或多個電阻、一電容、一電感以及一開關元件，其中該電阻與該電容以及該電感串聯，該開關元件與該電阻並聯，該控制模組於該諧振式轉換器被關閉後控制該開關元件，以重置已關閉之諧振式轉換器內殘留能量。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之重置裝置，其中該控制模組係組配使該開關電路之一個或多個開關元件於一飽和模式中運作，其係藉由下列步驟之至少其中之一：
         提供該開關電路之一驅動信號，使其在一飽和模式中運作時該驅動信號的占空比小於在一正常模式中運作時該驅動信號的占空比；以及
         降低送至該開關電路之一驅動電壓，以使其在一飽和模式中運作時該驅動電壓小於在一正常模式中運作時的驅動電壓。
  11. 如申請專利範圍第6項所述之重置裝置，該諧振式轉換器更包含：
      　 一變壓器，耦合至該諧振電路並接收該諧振電路的輸出；以及
      　 一整流電路，耦合至該變壓器，接收並整流該變壓器的輸出以產生該諧振式轉換器的輸出。
  12. 如申請專利範圍第6項所述之重置裝置，其中該諧振式轉換器係為一LLC諧振式轉換器、一LCC諧振式轉換器、一並聯諧振式轉換器、一串聯諧振式轉換器之一或其組合。
  13. 一諧振式轉換器，包含:
    　 一開關電路，接收一輸入電壓；
    　 一諧振電路，耦合至該開關電路，接收該開關電路產生的一方波信號；
        一變壓器，耦合至該諧振電路並接收該諧振電路的輸出；
        一整流電路，耦合至該變壓器，接收並整流該變壓器的輸出以產生該諧振式轉換器的輸出；以及
        一驅動器，耦合至該開關電路及該諧振電路並控制該開關電路或該諧振電路，以於該諧振式轉換器被關閉後，藉由重置於已關閉之諧振式轉換器內殘留能量，而限制該開關電路內所生成之一峰值電流。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之諧振式轉換器，其中該驅動器包含一控制模組，控制該開關電路，並於該諧振式轉換器被關閉後驅動該開關電路，使其運作於一飽和模式中。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之諧振式轉換器，其中該控制模組控制該開關電路之一驅動信號，藉由控制該開關電路之驅動信號之一死區時間，而使該諧振式轉換器在一飽和模式中運作時該驅動信號之占空比比該轉換器工作於一正常模式時短。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之諧振式轉換器，其中該控制模組控制至該開關電路之一驅動電壓，以使其在一飽和模式時該驅動電壓比該轉換器工作於在一正常模式時小。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之諧振式轉換器，其中該諧振電路更包含有：
         一諧振電感；
         一諧振電容；
      　 至少一電阻，與該諧振電感串聯連接；
      　 至少一開關，與該至少一電阻並聯連接；以及
          其中該驅動器包含一控制模組，耦合至該至少一電阻及該至少一開關。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之諧振式轉換器，其中該控制模組於該諧振式轉換器關閉後，關閉該至少一開關，使該至少一電阻消耗該諧振電路內之能量；以及該控制模組開啟該至少一開關，以於一零起始條件下，重新啟動一正常操作。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之諧振式轉換器，其中該諧振式轉換器係為一LLC諧振式轉換器、一LCC諧振式轉換器、一並聯諧振式轉換器、一串聯諧振式轉換器之一或其組合。
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