TWI670919B - 具有諧振轉換器的電源暨其控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種具有諧振轉換器的電源及其控制方法，該電源包含交流對直流轉換器與一直流對直流諧振轉換器，該交流對直流轉換器將輸入的交流電源轉換為一直流電源，並送至直流對直流諧振轉換器轉換成輸出電壓的直流電源；該直流對直流諧振轉換器包含一諧振型轉換器，其偵測諧振電流並利用一零交越點偵測及一峰值檢測，得到該諧振轉換器的諧振頻率，並且藉由調整交流對直流轉換器的直流輸出電壓，以控制諧振型轉換器的切換頻率，使其趨近或等於諧振頻率，以提高效率，此控制方法為諧振頻率追蹤；藉此解決先前因諧振元件規格誤差，無法計算精確諧振頻率，以致於無法將切換頻率操作於諧振頻率的問題；此控制方法包含為穩態控制模式及暫態控制模式。在穩態控制模式下，執行上述的諧振頻率追蹤，以提高效率；另在暫態控制模式下，固定直流鏈電壓，諧振轉換器依據負載調整切換頻率，快速調整輸出電壓與改善暫態響應。

Description

具有諧振轉換器的電源暨其控制方法

本發明係關於一具有諧振轉換器的電源及其控制方法，尤指一種可以偵測到諧振轉換器的實際諧振頻率並加快其響應速度的相關技術。

已知的一架構為具有諧振轉換器的電源是如圖1所示，其包含一交流對直流轉換器10和一直流對直流諧振轉換器，而直流對直流諧振轉換器是由諧振轉換器21所構成，該交流對直流轉換器10輸入為交流電源轉換為一高壓的直流電源，在經由直流對直流轉換器的諧振轉換器21將高壓的直流電源轉換為低壓的直流電源。

該電源之直流對直流轉換器是由諧振轉換器21構成，如圖1所示是一種諧振轉換器21架構，主要具有一全橋電路11、一諧振槽12、一變壓器27、一輸出電路13。而全橋電路11輸入端是一高壓電源並連接著諧振槽12，而諧振槽包含一諧振電容C_r、一諧振電感L_r和一變壓器的激磁電感L_m；此諧振頻率又分兩諧振頻率，第一諧振頻率f_r為一諧振電容C_r、一諧振電感L_r所決定；第二諧振頻率f_m為一諧振電容C_r、一諧 振電感L_r與一變壓器的激磁電感L_m所決定。

該電源之諧振轉換器利用頻率調變的方式達到穩壓；當負載變重時，頻率由高頻往低頻移動以調節電壓達到穩壓的機制。

該電源之諧振轉換器依照特性不同可分為三個區域，其中操作於Region 3為電容性具有零電流切換之特性，較少操作於此區間。操作於Region 1(切換頻率大於第一諧振頻率f_r)為電感性具有零電壓切換之特性，優點為具有零電壓切換於功率開關開啟時，降低開啟時之切換損失，但功率開關關閉時的切換損失較大因關閉時的電流較大；工作在Region 2(切換頻率介於第一諧振頻率f_r與第二諧振頻率之間f_m)時，其電壓增益大於1，優點相同為具有零電壓切換於功率開關開啟，而缺點為具有較大的環流損失於諧振槽中增加導通損失。

該電源之諧振轉換器之切換頻率操作於第一諧振頻率上，減少上述將轉換器操作於Region 1具有較大的切換損失與操作於Region 2具有較大的導通損失，當切換頻率接近第一諧振頻率時，具有零電壓切換的特性，於功率開關關閉時降低額外的環流損失於諧振槽中，也會減少此時的切換損失，以提升諧振轉換器的效率。

針對電源之諧振轉換器操作於諧振頻率上的技術以一先前技術(參照專利文獻1)進行說明，係對於第一諧振 頻率偵測方法需先送一切換頻率可使諧振電流呈現正弦波，此切換頻率為第一諧振頻率，得知第一諧振頻率後將此設為參考頻率，以此調整交流對直流轉換器輸出電壓，使諧振轉換器的切換頻率維持在諧振頻率上且達到穩壓，提升整體電源轉換器的效率。

針對電源之諧振轉換器操作於第一諧振頻率上的技術以另一先前技術(參照專利文獻2)進行說明，係對於第一諧振頻率偵測方法以線上偵測電流的變化以調整切換頻率，使切換頻率操作於第一諧振頻率上，提升諧振轉換器的效率。

【參考文獻】

Zih-Jie Su and Yen-Shin Lai, “On-line DC-link voltage control of LLC resonant converter for server power applications,” IEEE Conference Publications, Publication Year:2014, pp.5422-5428.

TW 1617126

本發明主要目的在提供一種包含諧振轉換器的電源及其控制方法，其根據電源的工作狀態以偵測實際的第一諧振頻率，再使諧振轉換器的切換頻率趨近或等於實際的第一諧振頻率，藉此達到效率的提升。

為達成本發明之技術係上述需具有諧振轉換器 的電源包含：一交流對直流轉換器，具有一交流電源輸入端、一直流電源輸出端和一控制端；一直流對直流諧振轉換器，具有一諧振轉換器、一直流電源輸入端、一直流電源輸出端、一諧振轉換器控制器、一諧振電流零交越點偵測、一諧振電流峰值檢測。該電源之諧振電流零交越點偵測與峰值檢測分別與諧振轉換器、諧振轉換器控制器做連接，以分別取得一零交越點偵測和峰值檢測的方波電壓訊號，偵測兩方波電壓的上升緣以計算此段時間，得知此段時間為實際第一諧振週期的四分之一，再由諧振轉換器控制器換算成實際的第一諧振頻率與當下的切換頻率做運算，並將此補償量傳送至交流對直流轉換器的控制端，以改變該電源之交流對直流轉換器的輸出電壓，進而控制該電源之諧振轉換器的切換頻率。

前述諧振轉換器控制器偵測的方波電壓訊號是由諧振轉換器的諧振電流，經過零交越點偵測、峰值檢測所產生兩方波電壓訊號，並擷取此兩方波電壓訊號之上升緣之間的時間，以線上計算的方式得知實際的第一諧振週期，得知實際的第一諧振週期與當下的切換週期做運算並經過一可調電壓控制單元產生一調整交流對直流轉換器輸出電壓的參考值，而經由調整交流對直流轉換器的輸出電壓控制諧振轉換器的切換頻率接近第一諧振頻率，以提升效率。

本發明之另一目的在於提供一種加快諧振轉換器切換頻率固定操作於第一諧振頻率時的響應速度，以克服 諧振頻率追蹤的問題，當諧振轉換器控制器將諧振轉換器的切換頻率固定於第一諧振頻率，此時已不是傳統式諧振轉換器以頻率調變達到穩壓，而是利用調整交流對直流轉換器的輸出電壓以達到直流對直流轉換器輸出端穩定的電壓。

前述發明主要根據該電源之諧振轉換器輸出端電壓回授至控制器所產的誤差值做模式控制，在穩態時誤差值較低，模式控制模組使諧振轉換器切換頻率趨近或等於第一諧振頻率為線上諧振頻率追蹤模組；在負載變動時誤差值較大，模式判斷模組會判斷為需要利用諧振轉換器控制器達到快速的穩壓，進以提升輸出端的響應速度。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，以佐證本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

V_ac‧‧‧交流輸入電壓

V_bus‧‧‧交流對直流的輸出電壓

S1‧‧‧第一功率開關

S2‧‧‧第二功率開關

S3‧‧‧第三功率開關

S4‧‧‧第四功率開關

S5‧‧‧第五功率開關

S6‧‧‧第六功率開關

C_r‧‧‧諧振電容

L_r‧‧‧諧振電感

L_m‧‧‧激磁電感

T‧‧‧變壓器

CT‧‧‧電流檢測器

V_out‧‧‧諧振轉換器輸出電壓

N_P‧‧‧變壓器一次側繞組

N_s1‧‧‧變壓器二次側第一繞組

N_s2‧‧‧變壓器二次側第二繞組

C_o‧‧‧輸出電容

V_{out_FB}‧‧‧輸出電壓回授

V_{out_ref}‧‧‧輸出電壓回授參考值

V_gs1~V_gs6‧‧‧S1~S6閘極訊號

t1‧‧‧零交越點偵測方波電壓訊號上升緣時間

t2‧‧‧峰值檢測方波電壓訊號上升緣時間

T_r‧‧‧諧振週期

T_s‧‧‧切換週期

10‧‧‧交流對直流轉換器

11‧‧‧全橋電路

12‧‧‧諧振槽

13‧‧‧輸出電路

14‧‧‧零交越點偵測

15‧‧‧峰值檢測

16‧‧‧線上諧振頻率計算單元

17‧‧‧閘極訊號產生器

18‧‧‧諧振轉換器控制器

19‧‧‧控制器

20‧‧‧交流對直流轉換器控制器

21‧‧‧諧振轉換器

22‧‧‧半橋電路

23‧‧‧可調電壓控制單元

24‧‧‧線上諧振頻率追蹤模組

26‧‧‧模式控制模組

27‧‧‧變壓器

第1圖係為本發明具有諧振轉換器的電源一較佳實施例的電路圖；第2圖係為本發明具有諧振轉換器的電源又一較佳實施例的電路圖；第3圖係為本發明可調電壓控制單元方塊圖； 第4圖係為另一發明的操作方塊圖；

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參閱第1圖係為本發明具有諧振轉換器的電源第一較佳實施例之電路圖。包括一交流對直流轉換器10、一直流對直流諧振轉換器；其中，該交流對直流轉換器具有一交流輸入電源V_ac、一直流輸出電源V_bus與一交流對直流控制器20。其架構主要由交流輸入電源端輸入市電交流電壓轉換為高壓的直流電壓，再經由直流電源輸出端輸出至V_bus上。

在本實施例中，該電源之直流對直流諧振轉換器為諧振轉換器21，而此諧振轉換器由諧振轉換器所組成，其具有一全橋電路11、一諧振槽12、一變壓器27、一輸出電路13、一諧振轉換器控制器18、一零交越點偵測14、一峰值檢測15、一線上諧振頻率計算單元16和一閘極訊號產生器17。該全橋電路中S1~S4的功率開關的開關訊號由閘極訊號產生器17所產生並控制，而全橋電路連接著諧振槽12，其諧振槽之中包含一諧振電感L_r、一諧振電容C_r與一激磁電感L_m，激磁電感而是使用變壓器27的激磁電感L_m；而諧振槽12連接著直流對直流轉換器的輸出電路13。

在本實施例中，利用電流檢測器CT擷取諧振槽中的諧振電流並連接零交越點偵測14與峰值檢測15；而此兩偵 測將會產生兩方波電壓訊號，此時零交越點偵測14所產生的方波電壓訊號上升緣為t1，峰值檢測15所產生的方波電壓訊號上升緣為t2，再經由線上諧振頻率計算單元16擷取t1、t2此段時間並做計算，而此段時間為實際的第一諧振週期的四分之一。

第3圖控制方塊圖表示在經由線上諧振頻率計算單元16所得知實際諧振週期T_r後，並與當時的切換週期做計算，所得到的誤差值進入一可調電壓控制單元23，出來的補償量將與原本交流對直流轉換器輸出電壓參考值運算，並傳至交流對直流轉換器控制器20，以改變交流對直流轉換器的輸出電壓，利用調整輸出電壓使諧振轉換器的切換頻率做調變至接進第一諧振頻率，以達到效率提升的效果。

請參閱第2圖係為本發明具有諧振轉換器的電源第二較佳實施例之電路圖。在本實施例中，該直流對直流轉換器21具有諧振轉換器，而此諧振轉換器由諧振轉換器所組成，其具有一半橋電路22、一諧振槽12、一變壓器27、一輸出電路13、一諧振轉換器控制器18、一零交越點偵測14、一峰值檢測15、一線上諧振頻率計算單元16和一閘極訊號產生器17。該半橋電路中S1、S2的功率開關的開關訊號由閘極訊號產生器17所產生並控制，而半橋電路連接著諧振槽12，其諧振槽之中包含一諧振電感L_r、一諧振電容C_r與一激磁電感L_m，激磁電感而是使用變壓器27的激磁電感L_m；而諧振槽12 連接著直流對直流諧振轉換器的輸出電路13。其餘動作狀態皆與實施例一相同。

前述的發明技術諧振頻率追蹤主要用於轉換器操作於穩態時，控制諧振型轉換器的切換頻率，使其趨近或等於諧振頻率，以提高效率；當輸出負載變動時，因諧振轉換器的切換頻率已固定無法以頻率調變達到穩壓的動作，導致需以調整交流對直流轉換器的輸出電壓才可達到穩壓，而此響應速度相對是較慢的。本專利提出另一發明以解決上述之問題，主要目的在於加速在負載快速變動的暫態響應。

請參閱第4圖係為結合諧振頻率追蹤與加快暫態響應速度的方塊圖，其包含一線上諧振頻率追蹤模組24、一諧振轉換器控制器18和一模式控制模組26，而線上諧振頻率追蹤模組24為以上所述的諧振頻率追蹤發明技術。

在判斷切換不同模組主要是由模式控制模組26所決定。模式控制模組是由回授諧振轉換器21的輸出電壓回授與輸出電壓參考值做相減，並得到輸出電壓誤差值。在一般穩態時，模式控制模組中的S切換變數為0，表示此時為執行諧振頻率追蹤模組，當輸出電壓誤差值大於誤差值上限值，表示負載正在大幅度的變動，S切換變數將為1並將模式切換至諧振轉換器控制器，以諧振轉換器21的諧振轉換器控制器18利用切換頻率的變動以達到輸出電壓穩壓的動作；而當負載停止變動時，輸出電壓的誤差值漸漸的變小與原訂的 誤差值下限值做比較，如小於S切換變數將變為0，回到執行線上諧振頻率追蹤模組。

由以上兩發明可知，諧振頻率追蹤對於電源轉換器穩態時，因實際上諧振轉換器的元件的誤差與電路上所產生的寄生效應皆會影響實際的諧振頻率，並操作於實際的諧振頻率以提升效率；在負載變動暫態響應模式控制模組以模式切換的方式，加快諧振頻率追蹤所造成較慢的響應速度。

Claims (8)

1. 一種具有諧振轉換器的電源，包含：一交流對直流轉換器、具有一交流電源輸入端、一直流電源輸出端和一控制端；一直流對直流諧振轉換器、一諧振轉換器控制器、一零交越點偵測、一峰值檢測、一線上諧振頻率計算單元、可調電壓控制單元；該零交越點偵測和峰值檢測分別與直流對直流諧振轉換器連接，分別取得方波電壓訊號進入線上諧振頻率計算單元中運算實際第一諧振週期；取得實際第一諧振週期與實際的切換週期經過運算後的誤差進入該可調電壓控制單元，其中可調電壓控制單元之控制器的輸出補償量為交流對直流轉換器輸出電壓參考值送至交流對直流轉換器的控制端，以調整交流對直流轉換器的輸出電壓，進而控制諧振轉換器的切換頻率以接近諧振轉換器的第一諧振頻率。
2. 如請求第1項所述具有諧振轉換器的電源，該電源之諧振轉換器包含一諧振槽，而諧振槽包含一諧振電容、一諧振電感和激磁電感；而在諧振槽中串聯一電流檢測器，擷取諧振電流至零交越點偵測和峰值檢測。
3. 如請求第2項所述具有諧振轉換器的電源，該電源之線上諧振頻率計算單元將擷取到零交越點偵測方波電壓訊號上升緣時間與峰值檢測方波電壓訊號上升緣時間，將這兩時間點經過計算後此段時間為四分之一的第一諧振週期，再反推即可得到第一諧振週期。
4. 如請求第3項所述具有諧振轉換器的電源，該電源之諧振轉換器具有電壓回授連接於諧振轉換器的輸出端與諧振轉換器控制器之間。
5. 如請求第4項所述具有諧振轉換器的電源，該電源之諧振轉換器控制器主要接收輸出電壓回授並運算當下的切換頻率送出至可調電壓控制器。
6. 如請求第5項所述具有諧振轉換器的電源，該電源諧振轉換器控制器所送出的切換週期與線上諧振頻率計算單元所送出的第一諧振週期做運算，運算後的誤差值進入可調電壓控制單元，輸出補償量可做交流對直流轉換器的輸出電壓調整。
7. 如請求第6項所述具有諧振轉換器的電源，該電源之諧振轉換器的切換頻率，在暫態下將會切換至諧振轉換器控制器輸出並停止交流對直流轉換器的電壓改變；在穩態下則切換至線上諧振頻率計算輸出並改變交流對直流轉換器的電壓參考。
8. 如請求第7項所述具有諧振轉換器的電源，該電源之諧振轉換器的暫態或穩態控制判斷係以輸出電壓誤差、輸出電流誤差或輸出入電流變化量為基準，誤差量或變化量大則為暫態，反之，則為穩態。