TWI854441B

TWI854441B - 兩級電壓轉換系統及其方法

Info

Publication number: TWI854441B
Application number: TW112101086A
Authority: TW
Inventors: 彭程偉; 古振玄; 江炫樟; 林珮伶
Original assignee: 士林電機廠股份有限公司
Priority date: 2023-01-10
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2024-09-01
Also published as: TW202429810A

Abstract

本發明為兩級電壓轉換系統及其方法，包括第一級電壓轉換器、第二級電壓轉換器及自適應控制單元，自適應控制單元連接第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器，並調整第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器的電壓增益比，符合變動輸入電源轉換成增益輸出電源的整體增益，而變動地產生一週期調整訊號及一頻率調整訊號，讓第一級電壓轉換器根據與該週期調整訊號相關的第一觸發命令，將變動輸入電源轉換成第一電壓轉換電源，以及讓第二級電壓轉換器根據與頻率調整訊號相關的第二觸發命令，將第一電壓轉換電源轉換成增益輸出電源。

Description

兩級電壓轉換系統及其方法

本發明有關於電壓轉換系統及其方法，尤指一種動態調整兩個電壓轉換器之間的增益比達到效率最佳化的兩級電壓轉換系統及其方法。

以電池供電之設備通常具有寬廣輸入電壓之特性，其所需要之電源供應器也就必須具備寬廣之電壓增益比，單一級非隔離電路通常難以達到此要求，更遑論可兼顧效率及性能。使用兩級式具隔離之升壓電路較易於達到寬廣之電壓增益比因此常被採用。

傳統的直流至直流轉換器的電路架構，以升壓式轉換器(Boost Converter)結合LLC諧振式轉換器(LLCresonant converter)的兩級式升壓電路最為常見。其中，LLC諧振式轉換器由於開關可零電壓切換，除提高效率外亦可使電路高頻操作，降低體積。在輸入電壓變動的使用情境下，LLC諧振式轉換器可藉由改變頻率達到穩定輸出電壓之目的。

如圖1所示，為兩級式升壓電路1，其中升壓式轉換器10及LLC諧振式轉換器12均有個別之控制電路調整其輸出電壓，在寬廣輸入電壓需求下，升壓式轉換器10提供大部分輸入電壓較高下之增益比，在較低輸入電壓下，再由LLC轉換器12提供二次升壓，達到寬廣輸入電壓之要求。

但是，升壓式轉換器10的第一控制電路14，包括第一電壓控制器140、第一電流控制器142及脈衝寬度調變器(Pulse-width modulation，簡稱：PWM)144，而LLC諧振式轉換器12的第二控制電路16，包括第二電壓控制器160、第二電流控制器162以及壓控振盪器(voltage-controlled oscillator，簡稱：VCO)164，第一控制電路14與第二控制電路16的設計複雜，進而導致第一控制電路14與第二控制電路16之間的工作整合亦較為困難。此外，目前兩級式升壓電路，都是由開發者事先對兩級式升壓電路的所有參數做最佳化以達到格規要求，此方式在電路生產過程亦或電路因環境變異使電路工作點偏離原設計點時，可能使電路效率及性能減損，甚至不穩定。

故如何整合第一控制電路14與第二控制電路16，使得兩級式升壓電路更為可靠穩定，確保兩級式升壓電路的電路性能及可靠度，乃是目前亟待解決的問題。

有鑑於先前技術的問題，本發明的目的為整合兩級式電壓轉換電路的第一級電壓轉換器的控制電路，以及第二級電壓轉換器的控制電路，做為相互關聯的控制電路組，使得控制電路組更為可靠穩定，且可以即時以適應性的調整方式，可作轉換電壓增益的效率最佳化，確保兩級式電壓轉換電路的性能及可靠度及控制兩級電路溫升之操作。

根據本發明之目的，提供一種兩級電壓轉換系統，包括第一級電壓轉換器、第二級電壓轉換器及自適應控制單元，第一級電壓轉換器接收一變動輸入電源，並根據第一觸發命令將變動輸入電源轉換成第一電壓轉換電源。第二級電壓轉換器連接第一級電壓轉換器，並接收第一電壓轉換電源，且依據第二觸發命令及第三觸發命令，將第一電壓轉換電源轉換成增益輸出電源。自適應控制單元連接第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器，自適應控制單元接收變動輸入電源回授的輸入電壓，以及接收增益輸出電源回授的輸出電壓及輸出電流，自適應控制單元根據輸出電壓調整得到的調整輸入電流命令，並根據輸入電壓、調整輸入電流命令、輸出電壓及輸出電流，用以調整第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器的電壓增益比，符合變動輸入電源轉換成增益輸出電源所需的整體增益，而變動地產生週期調整訊號及頻率調整訊號，其中週期調整訊號與變動輸入電源轉換成第一電壓轉換電源的增益有關，而頻率調整訊號與第一電壓轉換電源轉換成增益輸出電源的增益有關，以輸出與週期調整訊號有關的第一觸發命令到第一級電壓轉換器，以及輸出與頻率調整訊號有關的第二觸發命令及第三觸發命令到第二級電壓轉換器。

其中，自適應控制單元包括自適應控制器、第一級控制模組及第二級控制模組，自適應控制器接收並記錄調整輸入電流命令，並根據當前的調整輸入電流命令與當前的頻率調整訊號，分別與前一次的調整輸入電流命令與前一次的頻率調整訊號比較，而產生出一比較結果，根據比較結果調整第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器的電壓增益比，而變動地產生週期調整訊號及頻率調整訊號。第一級控制模組連接第一級電壓轉換器，並包括電壓控制器、電流控制器及脈衝寬度調變器，電壓控制器接收輸出電壓，並根據輸出電壓調整得到的調整輸入電流命令。電流控制器連接電壓控制器，電流控制器接收變動輸入電源的輸入電流以及調整輸入電流命令，並比較輸出電流以及調整輸入電流命令，而輸出控制電壓命令。脈衝寬度調變器連接電流控制器，且接收控制電壓命令以及週期調整訊號，並根據控制電壓命令與週期調整訊號，以輸出第一觸發命令到第一級電壓轉換器。第二級控制模組為一方塊波信號器，並連接第二級電壓轉換器，方塊波信號器的責任工作週期為50%，方塊波信號器根據頻率調整訊號，以輸出第二觸發命令及第三觸發命令到第二級電壓轉換器。

其中，第一級電壓轉換器為升壓轉換器，升壓轉換器包括第一電感、第一二極體及第一電晶體，第一電感的輸入端連接變動輸入電源的正極，第一二極體的輸入端連接第一電感的輸出端，第一二極體的輸出端輸出第一電壓轉換電源的正極電源，第一電晶體的汲極連接第一電感的輸出端與第一二極體的輸入端，第一電晶體的源極連接變動輸入電源的負極，第一電晶體的閘極連接脈衝寬度調變器，並接收第一觸發命令，以根據第一觸發命令控制第一電晶體維持相同的切換頻率下，改變第一電晶體的責任週期大小，以控制升壓轉換器對變動輸入電源的增益大小，而輸出第一電壓轉換電源。

其中，還包括第一電壓量測電路，第一電壓量測電路的一端連接在變動輸入電源的正極與第一電感的輸入端之間的線路，以及第一電壓量測電路的另端連接在變動輸入電源的負極與第一電晶體源極之間的線路上，以量測輸出電壓。

其中，還包括第一電流量測電路，第一電流量測電路連接到變動輸入電源的正極與第一電感的輸入端之間的線路，以量測輸入電流。

其中，還包括第二電壓量測電路連接在第一二極體的輸入端與第一電晶體的源極之間的線路上，以量測第一電壓轉換電源。

其中第二級電壓轉換器為LLC諧振轉換器，包括第二電晶體、第三電晶體、第二電感、第二電容及變壓器。第二電晶體的汲極連接第一電壓轉換電源的正極，第二電晶體的閘極連接方塊波信號器，並接收第二觸發命令，以根據頻率調整訊號控制第二電晶體的動作。第三電晶體的汲極連接第二電晶體的源極，第三電晶體的汲極連接第一電壓轉換電源的負極，第三電晶體的閘極連接方塊波信號器，並接收第三觸發命令，以根據第三切換頻率控制第三電晶體的動作。第二電感的輸入端連接在第一電晶體的源極與第二電晶體汲極之間線路。第二電容的輸入端連接及第三電晶體的汲極。變壓器的一次側的正極連接第二電感的輸出端，變壓器的一次側的負極連接第二電容的輸出端，以根據第二觸發命令及第三觸發命令控制第二電晶體與第三電晶體維持相同的責任週期下，改變第二電晶體及第三電晶體的開關切換頻率，而控制LLC諧振轉換器對第一電壓轉換電源的增益大小，使得變壓器的二次側輸出所需的增益輸出電源。其中，第二電晶體及第三電晶體的開關切換頻率為頻率調整訊號中的頻率值。

其中，還包括第二電流量測電路，第二電流量測電路連接到變壓器的二次側的正極，以量測輸出電流。

其中，還包括一橋式整流電路，橋式整流電路連接變壓器的二次側正極與負極之間，以穩定的輸出增益輸出電源的電流。

其中，還包括一第三電壓量測電路，第三電流量測電路連接到橋式整流電路的輸出端與負載之間，以量測輸出電壓。

其中，變動輸入電源為電池。

根據本發明之目的，提供一種兩級電壓轉換方法，應用在兩級電壓轉換系統，由自適應控制單元調整第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器的電壓增益比，讓變動輸入電源被轉換成增益輸出電源的過程達到整體增益的最大效率。

其中，自適應控制單元變動地產生週期調整訊號及頻率調整訊號，來調整第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器的電壓增益比，而自適應控制單元變動地產生週期調整訊號及頻率調整訊號的步驟，包括讀取上一次的調整輸入電流命令及頻率調整訊號，以及讀取當次的調整輸入電流命令及頻率調整訊號，並且藉由比較上一次的調整輸入電流命令及頻率調整訊號，以及當次的調整輸入電流命令及頻率調整訊號，用以調整第一級電壓轉換器與第二級電壓轉換器的電壓增益比。

其中，當次的調整輸入電流命令大於上一次的調整輸入電流命令，且當次的頻率調整訊號的頻率值大於上一次的頻率調整訊號的頻率值，則調降下一次的頻率調整訊號的頻率值，以減少第二級電壓轉換器的電壓增益，並提高下一次的週期調整訊號的責任週期，以增加第一級電壓轉換器的電壓增益，再據以進行更新週期調整訊號與頻率調整訊號。

其中，當次的調整輸入電流命令大於上一次的調整輸入電流命令，且當次的頻率調整訊號的頻率值小於上一次的頻率調整訊號的頻率值，則調升下一次的頻率調整訊號的頻率值，以增加第二級電壓轉換器的電壓增益，並降低下一次的週期調整訊號的責任週期，以減少第一級電壓轉換器的電壓增益，再據以進行更新週期調整訊號與頻率調整訊號的頻率值。

其中，當次的調整輸入電流命令小於上一次的調整輸入電流命令，且當次的頻率調整訊號的頻率值小於上一次的頻率調整訊號的頻率值，則調降下一次的頻率調整訊號的頻率值，以減少第二級電壓轉換器的電壓增益，並提高下一次的週期調整訊號的責任週期，以增加第一級電壓轉換器的電壓增益，再據以進行更新週期調整訊號的頻率值與頻率調整訊號責任週期。

其中，當次的調整輸入電流命令小於上一次的調整輸入電流命令，且當次的頻率調整訊號的頻率值大於上一次的頻率調整訊號，則調升下一次頻率調整訊號的頻率值，以增加第二級電壓轉換器的電壓增益，並降低下一次的週期調整訊號的責任週期，以減少第一級電壓轉換器的電壓增益，再據以進行更新週期調整訊號與頻率調整訊號。

其中，頻率調整訊號的頻率值介於第二級電壓轉換器的諧振頻率與第二級電壓轉換器的最低切換頻率。

其中，自適應控制單元接收第一級電壓轉換器的一第一工作溫度，以及第二級電壓轉換器的一第二工作溫度，當自適應控制單元調整週期調整訊號與頻率調整訊號時，以第一工作溫度及第二工作溫度不超過第一級電壓轉換器的一第一安全操作溫度與第二級電壓轉換器的一第二安全操作溫度。

綜上所述，本發明整合控制第一級控制模組及第二級控制模組，使得兩級電壓轉換系統維持在最佳的轉換效率進行升壓，讓兩級電壓轉換系統更為可靠穩定，確保兩級式升壓電路的電路性能及可靠度。

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

請參閱圖2，本發明為一種兩級電壓轉換系統，包括第一級電壓轉換器2、第二級電壓轉換器3及自適應控制單元4。第一級電壓轉換器2接收變動輸入電源v _in，並根據第一觸發命令GQ _m將變動輸入電源v _in轉換成第一電壓轉換電源v _d。第二級電壓轉換器3連接第一級電壓轉換器2，並接收第一電壓轉換電源v _d，且依據第二觸發命令GQ _a及第三觸發命令GQ _b，將第一電壓轉換電源v _d轉換成一增益輸出電源v _out。

再者，自適應控制單元4連接第一級電壓轉換器2與第二級電壓轉換器3。自適應控制單元4接收變動輸入電源v _in的輸入電壓v _i，以及接收增益輸出電源v _out回授的輸出電壓v _o及輸出電流i _o。自適應控制單元4根據輸出電壓v _o調整得到的調整輸入電流命令i _LC，並根據輸入電壓v _i、調整輸入電流命令i _LC、輸出電壓v _o及輸出電流i _o，根據輸入電壓v _i及調整輸入電流命令i _LC計算出輸入功率，以及根據輸出電壓v _o及輸出電流i _o計算出輸出功率，比較輸入功率與輸出功率的大小而產生出一比較結果，根據比較結果，以調整第一級電壓轉換器2與第二級電壓轉換器3的電壓增益比，符合變動輸入電源v _in轉換成增益輸出電源v _out的整體增益，讓自適應控制單元4變動地產生週期調整訊號f _s1及頻率調整訊號f _s，使得自適應控制單元4輸出與週期調整訊號f _s1相關的第一觸發命令GQ _m到第一級電壓轉換器2，以及輸出與頻率調整訊號f _s相關的第二觸發命令GQ _a及第三觸發命令GQ _b到第二級電壓轉換器3。

在本發明之一實施例中，變動輸入電源v _in為電池，更進一步而言為充電電池。第一級電壓轉換器2為升壓轉換器，升壓轉換器包括第一電感L、第一二極體D ₁及第一電晶體Q _m，第一電感L的輸入端連接變動輸入電源v _in的正極，第一二極體D ₁的輸入端連接第一電感L的輸出端，第一二極體D ₁的輸出端輸出第一電壓轉換電源v _d的正極電源，第一電晶體Q _m的汲極連接第一電感L的輸出端與第一二極體D ₁的輸入端，第一電晶體Q _m的源極連接變動輸入電源v _in的負極，第一電晶體Q _m的閘極連接脈衝寬度調變器，並接收第一觸發命令GQ _m，以根據第一觸發命令控制第一電晶體Q _m維持相同的切換頻率下，改變第一電晶體的責任週期大小，控制升壓轉換器對變動輸入電源v _in的增益大小，而輸出第一電壓轉換電源v _d。詳言之，週期調整訊號f _s1為第一觸發命令GQ _m改變第一電晶體的責任週期大小的依據。

在本實施例中，還包括第一電壓量測電路50、第二電壓量測電路51及第一電流量測電路52。第一電壓量測電路50的一端連接在變動輸入電源v _in的正極與第一電感L的輸入端之間的線路，以及第一電壓量測電路50的另端連接在變動輸入電源v _in的負極與第一電晶體Q _m的源極之間的線路上，以量測輸出電壓v _i。第二電壓量測電路51連接在第一二極體D ₁的輸入端與第一電晶體Q _m的源極之間的線路上，以量測第一電壓轉換電源v _d。第一電流量測電路52連接到變動輸入電源v _in的正極與第一電感L的輸入端之間的線路，以量測輸入電流i _L。

在本實施例中，第二級電壓轉換器3為LLC諧振轉換器，包括第二電晶體Q _a、第三電晶體Q _b、第二電感L _r、第二電容C _r及變壓器30。第二電晶體Q _a的汲極連接第一電壓轉換電源v _d的正極，第二電晶體Q _a的閘極連接方塊波信號器，並接收第二觸發命令GQ _a，以根據頻率調整訊號f _s控制第二電晶體Q _a的動作。第三電晶體Q _b的汲極連接第二電晶體Q _a的源極，第三電晶體Q _b的汲極連接第一電壓轉換電源v _d的負極，第三電晶體Q _b的閘極連接方塊波信號器，並接收第三觸發命令GQ _b，以根據第三切換頻率控制第三電晶體Q _b的動作。第二電感L _r的輸入端連接在第一電晶體Q _m的源極與第二電晶體Q _a的汲極之間線路。第二電容C _r的輸入端連接及第三電晶體Q _b的汲極。變壓器30的一次側的正極連接第二電感L _r的輸出端，變壓器30的一次側的負極連接第二電容C _r的輸出端，此外變壓器30的一次側的正負極之間具有電感性L _m，並且在增益輸出電源v _out的正負極之間連接負載R _load。以藉由以根據第二觸發命令及第三觸發命令控制第二電晶體Q _a與第三電晶體Q _b維持相同的責任週期下，改變第二電晶體Q _a與第三電晶體Q _b的開關切換頻率，用以控制第二電晶體Q _a及第三電晶體Q _b的動作，進而調整LLC諧振轉換器對第一電壓轉換電源v _d的增益大小，使得變壓器的二次側輸出所需的增益輸出電源v _out。在進一步而言，第二觸發命令及第三觸發命令控制的第二電晶體Q _a與第三電晶體Q _b的動作通常為一開(on)一關(off)。第二電晶體Q _a與第三電晶體Q _b的責任週期各為50%，且第二觸發命令及第三觸發命令以頻率調整訊號fs作為改變第二電晶體Q _a與第三電晶體Q _b的開關切換頻率的依據。換言之，第二電晶體Q _a及第三電晶體Q _b的開關切換頻率為頻率調整訊號f _s中的頻率值。

在本實施例中，還包括第二電流量測電路54、第三電壓量測電路56及橋式整流電路58，第二電流量測電路54連接到變壓器30的二次側的正極，以量測輸出電流i _o。橋式整流電路58連接變壓器30的二次側正極與負極之間，使得穩定的輸出增益輸出電源v _out為直流電的形式輸出到負載R _load。第三電壓量測電路56連接到橋式整流電路58的輸出端與負載R _load之間，以量測輸出電壓v _o。

由上述可知，本發明的升壓轉換器與LLC諧振轉換器與傳統的升壓轉換器與LLC諧振轉換器所結合而成的兩級升壓電路上相似。但是本發明的升壓轉換器與LLC諧振轉換器，利用以自適應控制單元4可以同時動態地調整第一電晶體Q _m、第二電晶體Q _a與第三電晶體Q _b的切換頻率，進而改變升壓轉換器與LLC諧振轉換器的增益比，使得兩級電壓轉換系統維持最佳的效率升壓到所需的整體增益。

請參閱圖3，圖3為兩級電壓轉換系統的變動輸入電源v _in轉換成增益輸出電源v _out的效率與頻率調整訊號f _s的變化關係曲線，以圖3中的最高效率點而言，當還沒有超過最高效率點所對應的頻率調整訊號f _s時，效率變化量(△η)與頻率調整訊號f _s的頻率變化量(△f _s)的比值大於零(

>0)表示效率逐漸增加。當超過最高效率點所對應的頻率調整訊號f _s時，效率變化量(△η)與頻率調整訊號f _s的頻率變化量(△f _s)的比值小於零(

>0)表示效率逐漸增加。

請參閱圖4，當在增益輸出電源v _out的相同輸出功率與輸入電壓v _i下，輸入電流i _L越低即代表效率越高，而以調整輸入電流命令i _LC代替實際效率計算時，最低的調整輸入電流命令i _LC對應到最高效率的頻率調整訊號f _s，而且當還沒有超過最高效率點所對應的頻率調整訊號f _s時，調整輸入電流命令i _LC的電流變化量(△i _LC)與頻率調整訊號f _s的頻率變化量(△f _s)的比值大於零(

>0)表示效率逐漸增加。當超過最高效率點所對應的頻率調整訊號f _s時，調整輸入電流命令i _LC的電流變化量(△i _LC)與頻率調整訊號f _s的頻率變化量(△f _s)的比值小於零(

>0)表示效率逐漸增加。

根據上述的變動輸入電源v _in轉換成增益輸出電源v _out的效率、頻率調整訊號f _s及調整輸入電流命令i _LC等三者的關係，對本實施例設計了自適應控制單元4來整合第一級控制模組42及第二級控制模組44，使得第一級控制模組42及第二級控制模組44可以即時的調整第一級電壓轉換器2的電壓增益與第二級電壓轉換器3的電壓增益。

在本實施例中，自適應控制單元4包括自適應控制器40、第一級控制模組42及第二級控制模組44。自適應控制器40接收並比較前一次的調整輸入電流命令i _LC與下一次的調整輸入電流命令i _LC，以及接收並比較前一次的調整輸入電流命令i _LC與下一次的調整輸入電流命令，以產生一比較結果，且根據比較結果以調整第一級電壓轉換器2與第二級電壓轉換器3的電壓增益比需求，符合變動輸入電源v _in轉換成增益輸出電源v _out所需的整體增益，而變動地產生週期調整訊號f _s1及頻率調整訊號f _s。另外，自適應控制單元4也接收輸入電壓v _i、輸出電壓v _o及輸出電流i _o，並根據輸入電壓v _i、調整輸入電流命令i _LC、輸出電壓v _o及輸出電流i _o計算計算出輸入功率與輸入功率，用以確認功率調整狀況。

在本實施例中，第一級控制模組42連接第一級電壓轉換器2，並包括電壓控制器420、電流控制器422及脈衝寬度調變器424，電壓控制器420接收輸出電壓v _o，並根據輸出電壓v _o調整得到的調整輸入電流命令i _LC。電流控制器422連接電壓控制器420，電流控制器422接收變動輸入電源v _in的輸入電流i _L以及調整輸入電流命令i _LC，並比較輸出電流i _o以及調整輸入電流命令i _LC，而輸出控制電壓命令v _con。脈衝寬度調變器424連接電流控制器422，且接收控制電壓命令v _con以及週期調整訊號f _s1，並根據控制電壓命令v _con與週期調整訊號f _s1，以輸出第一觸發命令GQ _m到第一級電壓轉換器2。

在本實施例中，第二級控制模組44為一方塊波信號器，並連接第二級電壓轉換器3，方塊波信號器的責任工作週期為50%，方塊波信號器根據頻率調整訊號f _s，以輸出第二觸發命令GQ _a及第三觸發命令GQ _b到第二級電壓轉換器3，藉由改變調整輸入電流命令i _LC，來調整週期調整訊號f _s1與頻率調整訊號f _s，讓第一電晶體Q _m即時地以被調整的週期調整訊號f _s1，而調整第一級電壓轉換器2的增益，以及讓第二電晶體Q _a與第三電晶體Q _b，來調整第二級電壓轉換器3的增益，此時已被調整的第一級電壓轉換器2的增益與第二級電壓轉換器3的增益之比值，即為前述的調整第一級電壓轉換器2與第二級電壓轉換器3的電壓增益比。

本發明的實施例中，請參閱圖5，由於頻率調整訊號為開迴路給定，因此，本發明無須如一般閉迴路控制之LLC諧振式轉換器需作之零電流切換(Zero Current Switch)保護，電路更加可靠。本發明在一般操作下給定之切換頻率為L _r-C _r之諧振頻率f _r，如圖5所示，一般工作點(Normal operating point)，因此在輕負載(Light load)或正負載(Max load，Q_max=0.4)下，均能維持相同增益，且開關之環流為最低，獲致較佳之效率。

請參閱圖5，本發明為一種兩級電壓轉換方法，應用在前述的兩級電壓轉換系統，由自適應控制單元4變動地產生週期調整訊號f _s1及頻率調整訊號f _s來調整電壓增益比，達到整體增益的最大效率(η)，自適應控制單元4變動地產生週期調整訊號f _s1及頻率調整訊號f _s的步驟，包括： (S101)讀取上一次的調整輸入電流命令i _LC及頻率調整訊號f _s；(S102)讀取當次的調整輸入電流命令i _LC及頻率調整訊號f _s；(S103)判斷當次的調整輸入電流命令i _LC是否大於上一次的調整輸入電流命令i _LC，若是進行步驟(S104)，否則進行步驟(S107)；(S104)判斷當次的頻率調整訊號f _s的頻率值是否大於上一次的頻率調整訊號f _s的頻率值，若是進行步驟(S105)，否則進行步驟(S106)；(S105)調降下一次的頻率調整訊號f _s的頻率值降低，以增加第二級電壓轉換器3的電壓增益，及提高下一次的週期調整訊號f _s1的責任週期，以減少第一級電壓轉換器2的電壓增益，再進行步驟(S108)；(S106)調升下一次的頻率調整訊號f _s的頻率值提高，以減少第二級電壓轉換器3的電壓增益，及調降下一次的週期調整訊號f _s1的責任週期，以增加第一級電壓轉換器2的電壓增益；(S107)判斷當次的頻率調整訊號f _s的頻率值是否小於上一次的頻率調整訊號f _s的頻率值，若是進行步驟(S105)，否則進行步驟(S106)；(S108)當週期調整訊號f _s1的責任週期及頻率調整訊號f _s的頻率值被調整後，更新週期調整訊號f _s1的責任週期及頻率調整訊號f _s的頻率值，再分別傳送到第一級電壓轉換器2及第二級電壓轉換器3，用以改變第一級電壓轉換器2及第二級電壓轉換器3的電壓增益比，再依照步驟(S101)及其後續步驟循環處理。

在本發明中，頻率調整訊號f _s的頻率值介於第二級電壓轉換器3的諧振頻率與第二級電壓轉換器3的最低切換頻率。又，自適應控制單元4接收第一級電壓轉換器2的一第一工作溫度T₁，以及第二級電壓轉換器3的一第二工作溫度T₂，當自適應控制單元4調整週期調整訊號f _s1與頻率調整訊號f _s的頻率值時，以第一工作溫度T₁及第二工作溫度T₂不超過第一級電壓轉換器2的一第一安全操作溫度與第二級電壓轉換器3的一第二安全操作溫度。

綜上所述，本發明整合第一級控制模組42及第二級控制模組44，即時地調整第一級電壓轉換器2的週期調整訊號f _s1，用來控制的第一級電壓轉換器2將變動輸入電源v _in轉換成第一電壓轉換電源v _d的增益大小，調整第二級電壓轉換器3的頻率調整訊號f _s，用來控制的第二級電壓轉換器3將變動輸入電源v _in轉換成第二電壓轉換電源的增益大小，使得兩級電壓轉換系統維持在最佳的轉換效率進行升壓，使得兩級電壓轉換系統更為可靠穩定，確保兩級式升壓電路的電路性能及可靠度。

以上所述，僅為舉例說明本發明的較佳實施方式，並非以此限定實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單置換及等效變化，皆屬本發明的專利申請範疇。

1:兩級式升壓電路

10:升壓式轉換器

12:LLC諧振式轉換器

14:第一控制電路

140:第一電壓控制器

142:第一電流控制器

144:脈衝寬度調變器

16:第二控制電路

160:第二電壓控制器

162:第二電流控制器

164:壓控振盪器

2:第一級電壓轉換器

3:第二級電壓轉換器

30:變壓器

4:自適應控制單元

40:自適應控制器

42:第一級控制模組

420:電壓控制器

422:電流控制器

424:脈衝寬度調變器

44:第二級控制模組

v _in:變動輸入電源

50:第一電壓量測電路

51:第二電壓量測電路

52:第一電流量測電路

54:第二電流量測電路

56:第三電壓量測電路

58:橋式整流電路

GQ _m:第一觸發命令

GQ _a:第二觸發命令

GQ _b:第三觸發命令

v _d:第一電壓轉換電源

v _out:增益輸出電源

v _o:輸出電壓

v _i:輸入電壓

i _LC:調整輸入電流命令

i _o:輸出電流

f _s1:週期調整訊號

f _s:頻率調整訊號

L:第一電感

D ₁:第一二極體

Q _m:第一電晶體

Q _a:第二電晶體

Q _b:第三電晶體

L _r:第二電感

C _r:第二電容

R _load:負載

L _m:變壓器的一次側的電感性

S101~S108:流程步驟

圖1為先前技術的兩級式升壓電路的示意圖。

圖2為本發明的兩級電壓轉換系統之一實施例的示意圖。

圖3為本發明頻率調整訊號與效率的關係示意圖。

圖4為本發明的調整輸入電流命令與頻率調整訊號的關係示意圖。

圖5為本發明電壓增益與頻率調整訊號在不同負載下的關係示意圖。

圖6為本發明兩級電壓轉換方法的流程示意圖。

2：第一級電壓轉換器 3：第二級電壓轉換器 30：變壓器 4：自適應控制單元 40：自適應控制器 42：第一級控制模組 420：電壓控制器 422：電流控制器 424：脈衝寬度調變器 44：第二級控制模組：變動輸入電源 50：第一電壓量測電路 51：第二電壓量測電路 52：第一電流量測電路 54：第二電流量測電路 56：第三電壓量測電路 58：橋式整流電路：第一觸發命令：第二觸發命令：第三觸發命令：第一電壓轉換電源：增益輸出電源：輸出電壓：輸入電壓：調整輸入電流命令：輸出電流：週期調整訊號：頻率調整訊號：第一電感：第一二極體：第一電晶體：第二電晶體：第三電晶體：第二電感：第二電容：負載：變壓器的一次側的電感性

Claims

一種兩級電壓轉換系統，包括：一第一級電壓轉換器，接收一變動輸入電源，並根據一第一觸發命令，將該變動輸入電源轉換成一第一電壓轉換電源；一第二級電壓轉換器，連接該第一級電壓轉換器，並接收該第一電壓轉換電源，且依據一第二觸發命令及一第三觸發命令，將該第一電壓轉換電源轉換成一增益輸出電源；以及一自適應控制單元，連接該第一級電壓轉換器與該第二級電壓轉換器，該自適應控制單元接收該變動輸入電源的一輸入電壓，以及接收該增益輸出電源回授的一輸出電壓及一輸出電流，該自適應控制單元根據該輸出電壓調整得到的一調整輸入電流命令，並根據該輸入電壓、該調整輸入電流命令、該輸出電壓及該輸出電流，以調整該第一級電壓轉換器與該第二級電壓轉換器的電壓增益比，符合該變動輸入電源轉換成該增益輸出電源的整體增益，而變動地產生一週期調整訊號及一頻率調整訊號，以根據該週期調整訊號輸出該第一觸發命令到該第一級電壓轉換器，以及根據該頻率調整訊號輸出該第二觸發命令及該第三觸發命令到該第二級電壓轉換器。
如請求項1所述的兩級電壓轉換系統，其中該自適應控制單元包括：一自適應控制器，接收及記錄該調整輸入電流命令、該頻率調整訊號及該週期調整訊號，根據當前的該調整輸入電流命令與前一次的該調整輸入電流命令，以及當前的該頻率調整訊號與前一次的該頻率調整訊號進行比較而產生出一比較結果，且根據比較結果調整該第一級電壓轉換器與該第二級電壓轉換器的電壓增益比需求，而變動地產生下次的該週期調整訊號及下次的該頻率調整訊號；一第一級控制模組，連接該第一級電壓轉換器，包括：一電壓控制器，該電壓控制器接收該輸出電壓，並根據該輸出電壓調整得到的該調整輸入電流命令；一電流控制器，連接該電壓控制器，該電流控制器接收該變動輸入電源的一輸入電流以及該調整輸入電流命令，並比較該輸出電流以及該調整輸入電流命令，而輸出一控制電壓命令；及一脈衝寬度調變器，連接該電流控制器，且接收該控制電壓命令以及該週期調整訊號，並根據該控制電壓命令與該週期調整訊號，以輸出該第一觸發命令到該第一級電壓轉換器；一第二級控制模組，連接該第二級電壓轉換器，該第二級控制模組為一方塊波信號器，該方塊波信號器的責任工作週期為50%，該方塊波信號器根據該頻率調整訊號，以輸出該第二觸發命令及該第三觸發命令到該第二級電壓轉換器。
如請求項2所述的兩級電壓轉換系統，其中該第一級電壓轉換器為一升壓轉換器，該升壓轉換器包括：一第一電感，該第一電感的輸入端連接該變動輸入電源的正極；一第一二極體，該第一二極體的輸入端連接該第一電感的輸出端，該第一二極體的輸出端輸出該第一電壓轉換電源的正極電源；以及一第一電晶體，該第一電晶體的汲極連接該第一電感的輸出端與該第一二極體的輸入端，該第一電晶體的源極連接該變動輸入電源的負極，該第一電晶體的閘極連接該脈衝寬度調變器，並接收該第一觸發命令，以根據該第一觸發命令維持相同的切換頻率下，改變第一電晶體的責任週期大小，以控制該升壓轉換器對變動輸入電源增益大小，而輸出該第一電壓轉換電源。
如請求項3所述的兩級電壓轉換系統，包括一第一電壓量測電路，該第一電壓量測電路的一端連接在該變動輸入電源的正極與該第一電感的輸入端之間的線路，以及該第一電壓量測電路的另端連接在該變動輸入電源的負極與該第一電晶體源極之間的線路上，以量測該輸出電壓。
如請求項3所述的兩級電壓轉換系統，包括一第一電流量測電路，該第一電流量測電路連接到該變動輸入電源的正極與該第一電感的輸入端之間的線路，以量測該輸入電流。
如請求項3所述的兩級電壓轉換系統，還包括一第二電壓量測電路連接在該第一二極體的輸入端與該第一電晶體的源極之間的線路上，以量測該第一電壓轉換電源。
如請求項3所述的兩級電壓轉換系統，其中該第二級電壓轉換器為LLC諧振轉換器，包括：一第二電晶體，該第二電晶體的汲極連接該第一電壓轉換電源的正極，該第二電晶體的閘極連接該方塊波信號器，並接收該第二觸發命令，以根據該第二觸發命令控制該第二電晶體維持相同的責任週期下，改變第二電晶體的開關切換頻率；一第三電晶體，該第三電晶體的汲極連接該第二電晶體的源極，該第三電晶體的汲極連接該第一電壓轉換電源的負極，該第三電晶體的閘極連接該方塊波信號器，並接收該第三觸發命令，以根據該第三觸發命令控制該第三電晶體維持相同的責任週期下，改變該第三電晶體的開關切換頻率；一第二電感，該第二電感的輸入端連接在該第一電晶體的源極與第二電晶體汲極之間線路；一第二電容，該第二電容的輸入端連接及該第三電晶體的汲極；以及一變壓器，該變壓器的一次側的正極連接該第二電感的輸出端，該變壓器的一次側的負極連接該第二電容的輸出端，該變壓器的二次側輸出該增益輸出電源；其中，該第二電晶體及該第三電晶體的該開關切換頻率為該頻率調整訊號中的頻率值。
如請求項7所述的兩級電壓轉換系統，包括一第二電流量測電路，該第二電流量測電路連接到該變壓器的二次側的正極，以量測該輸出電流。
如請求項7所述的兩級電壓轉換系統，包括一橋式整流電路，該橋式整流電路連接該變壓器的二次側正極與負極之間，以穩定該增益輸出電源的電流。
如請求項9所述的兩級電壓轉換系統，包括一第三電壓量測電路，該第三電壓量測電路連接到該橋式整流電路的輸出端與一負載之間，以量測該輸出電壓。
如請求項1所述的兩級電壓轉換系統，其中該變動輸入電源為電池。
一種兩級電壓轉換方法，應用在如請求項1~10任一項的兩級電壓轉換系統，由該自適應控制單元變動地產生該週期調整訊號及該頻率調整訊號來調整該電壓增益比，達到該兩級電壓轉換系統在最佳效率下提高整體增益，該自適應控制單元變動地產生該週期調整訊號及該頻率調整訊號的步驟，包括：讀取上一次的該調整輸入電流命令及該頻率調整訊號；讀取當次的該調整輸入電流命令及該頻率調整訊號；當當次的該調整輸入電流命令大於上一次的該調整輸入電流命令，且當次的該頻率調整訊號的頻率值大於該上一次的該頻率調整訊號的頻率值，則調降下一次的該頻率調整訊號的頻率值，以減少該第二級電壓轉換器的電壓增益，並提高下一次的該週期調整訊號的責任週期，以增加該第一級電壓轉換器的電壓增益；當當次的該調整輸入電流命令大於上一次的該調整輸入電流命令，且當次的該頻率調整訊號的頻率值小於該上一次的該頻率調整訊號的頻率值，則調升下一次該頻率調整訊號的頻率值，以增加該第二級電壓轉換器的電壓增益，並降低下一次的該週期調整訊號的責任週期，以減少該第一級電壓轉換器的電壓增益；當當次的該調整輸入電流命令小於上一次的該調整輸入電流命令，且當次的該頻率調整訊號的頻率值小於該上一次的該頻率調整訊號的頻率值，則調降下一次的該頻率調整訊號的頻率值，以減少該第二級電壓轉換器的電壓增益，並提高下一次的該週期調整訊號的責任週期，以增加該第一級電壓轉換器的電壓增益；以及當當次的該調整輸入電流命令小於上一次的該調整輸入電流命令，且當次的該頻率調整訊號的頻率值大於該上一次的該頻率調整訊號的頻率值，則調升下一次的該頻率調整訊號的頻率值，以增加該第二級電壓轉換器的電壓增益，並降低下一次的該週期調整訊號的責任週期，以減少該第一級電壓轉換器的電壓增益。
如請求項12所述的兩級電壓轉換方法，其中該頻率調整訊號的頻率值介於該第二級電壓轉換器的諧振頻率與該第二級電壓轉換器的最低切換頻率。
如請求項12所述的兩級電壓轉換方法，其中該自適應控制單元接收該第一級電壓轉換器的一第一工作溫度，以及該第二級電壓轉換器的一第二工作溫度，當該自適應控制單元調整該週期調整訊號的頻率值與該頻率調整訊號的責任週期時，讓該第一工作溫度及該第二工作溫度不超過該第一級電壓轉換器的一第一安全操作溫度與該第二級電壓轉換器的一第二安全操作溫度。