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TWI891176B - Ｌｌｃ轉換器以及相關之控制方法 - Google Patents

Ｌｌｃ轉換器以及相關之控制方法

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TWI891176B
TWI891176B TW112150100A TW112150100A TWI891176B TW I891176 B TWI891176 B TW I891176B TW 112150100 A TW112150100 A TW 112150100A TW 112150100 A TW112150100 A TW 112150100A TW I891176 B TWI891176 B TW I891176B
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周冠賢
陳耀宗
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通嘉科技股份有限公司
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Abstract

本發明實施例提供一種LLC轉換器。一上臂開關以及一下臂開關透過一第一端點，串聯於二輸入電源線之間。一諧振電路連接至該第一端點，包含有連接於一第二端點的一變壓器之一次側繞組以及一諧振電容。一分壓電路連接至該第二端點，具有一回饋輸出端，該回饋輸出端上具有一回饋訊號。依據該回饋訊號，一功率控制器提供上臂控制訊號以及下臂控制訊號分別控制該上臂開關與該下臂開關。依據該上臂開關之一上臂工作週期以及該下臂開關之一下臂工作週期之間的差，一工作週期比較器產生一累積訊號。依據該累積訊號，一可控電流源提供一調整電流，用以調整該回饋訊號之一訊號平均值。

Description

LLC轉換器以及相關之控制方法
本發明大致係關於電流控制模式的LLC轉換器以及相關的控制方法，尤指可以使上下臂之工作週期平衡的LLC轉換器與控制方法。
LLC轉換器是諧振轉換器(resonant converters)之一，而諧振轉換器通常提供有平穩的輸出波形、高轉換效率、以及高輸出功率。一般而言，諧振轉換器是將一DC電壓，轉換成正弦波電壓(sinusoidal voltage)。這轉換可以透過一開關網路架構(switch network)，提供一方波電壓(square-wave voltage)給一諧振電路(resonant tank)，經過諧振電路濾波後，大致留下方波電壓的基頻(fundamental component)，來大略地產生正弦波電壓。
因為具有軟開關(soft switching)以及高轉換效率，LLC轉換器已經廣泛的使用於各式各樣的應用中了，一般是採用電壓控制模式(voltage mode)來操作。在電壓控制模式中，一次側可以產生對應二次側負載的一補償訊號，這補償訊號直接跟一預先設定的三角波比較，來決定上臂開關或下臂開關的開啟時間。只是，這樣的電壓控制模式有廣為人知的暫態反應(transient response)不佳的問題。
本發明實施例提供一種LLC轉換器。一上臂開關以及一下臂開關透過一第一端點，串聯於二輸入電源線之間。一諧振電路連接至該第一端點，包含有連接於一第二端點的一變壓器之一次側繞組以及一諧振電容。一分壓電路連接至該第二端點，具有一回饋輸出端，該回饋輸出端上具有一回饋訊號。依據該回饋輸出端，一功率控制器提供上臂控制訊號以及下臂控制訊號分別控制該上臂開關與該下臂開關。依據該上臂開關之一上臂工作週期以及該下臂開關之一下臂工作週期之間的差，一工作週期比較器產生一累積訊號。依據該累積訊號，一可控電流源提供一調整電流，用以調整該回饋訊號之一訊號平均值。
本發明實施例提供一種用於一LLC轉換器的控制方法。一上臂開關與一下臂開關受控於數個控制訊號。透過一第一端點，該上臂開關與該下臂開關串聯於二輸入電源線之間。一諧振電路連接至該第一端點，包含有連接於一第二端點的一變壓器之一次側繞組以及一諧振電容。一分壓電路連接至該第二端點，具有一回饋輸出端。該回饋輸出端上具有一回饋訊號。該等控制訊號係依據該回饋訊號以及一補償訊號產生。該補償訊號受控於該LLC轉換器之一輸出電壓。一累積訊號係依據該上臂開關之一上臂工作週期以及該下臂開關之一下臂工作週期之間的差而產生。一調整電流係依據該累積訊號而提供，用以調整該回饋訊號之訊號平均值。
100:LLC轉換器
102:負載
104:分壓電路
106:補償電路
108:功率控制器
110:偏移與放大器
112、114:加法器
116、118:SR正反器
120、122:比較器
130:平均值調整電路
132:工作週期比較器
134:可控電流源
136、142:定電流源
138、140:開關
C1、C2:電容
CI:輸入電容
CINT:電容
CO:輸出電容
CR:諧振電容
D1、D2:二極體
FBC:回饋輸出端
GNDI:輸入接地線
GNDO:輸出接地線
HI:上臂控制訊號
HIS:上臂起始訊號
HS:上臂開關
IN:輸入電源線
IADJ:調整電流
ICHG、IDIS:電流
IR:交流電流
K:常數
LO:下臂控制訊號
LOS:下臂起始訊號
LP:一次側繞組
LR:諧振電感
LS:下臂開關
LS1、LS2:二次側繞組
N1、N2:端點
OUT:輸出電源線
R1、R2:電阻
t1~t5、t11~t15:時間點
TF:變壓器
TONHS、TONLS:開啟時間
VCMR:平均值
VCOMP:補償訊號
VCR:電壓訊號
VDD:操作電源電壓
VFBC:回饋訊號
VIN:輸入電壓
VOFFSET:偏移電壓
VOUT:輸出電壓
VSUM:累積訊號
VTAR:目標電壓
VTHH、VTHL:臨界電壓
△V:間隙電壓
圖1為依據本發明所實施的LLC轉換器100。
圖2A與圖2B顯示回饋訊號VFBC、上臂控制訊號HI、與下臂控制訊 號LO的訊號波形。
圖3顯示了圖1中的平均值調整電路130。
在本說明書中，有一些相同的符號，其表示具有相同或是類似之結構、功能、原理的元件，且為業界具有一般知識能力者可以依據本說明書之教導而推知。為說明書之簡潔度考量，相同之符號的元件將不再重述。
圖1為依據本發明所實施的LLC轉換器100，用來將位於一次側的輸入電壓VIN轉換為位於二次側的輸出電壓VOUT。LLC轉換器100採用的是電流控制模式(current mode)，能夠具有較佳的暫態反應。
在一次側，上臂開關HS與下臂開關LS透過端點N1，串接於輸入電源線(input power line)IN與輸入接地線GNDI之間。輸入電容CI當作濾波電容，連接於輸入電源線IN與輸入接地線GNDI，可以穩定輸入電壓VIN。上臂開關HS與下臂開關LS分別受上臂控制訊號HI與下臂控制訊號LO所控制。
諧振電感LR、一次側繞組LP與諧振電容CR串接於端點N1與輸入接地線GNDI之間，構成一諧振電路(resonant tank)。在一實施例中，諧振電感LR不是一獨立元件，而是一次側繞組LP中，沒有與二次側繞組LS1、LS2相電感耦合的漏感。如同圖1所示，諧振電容CR以端點N2連接至一次側繞組LP。
分壓電路104連接於端點N2與輸入接地線GNDI之間，具有回饋輸出端FBC。端點N2上的電壓訊號VCR可以被分壓電路104中串接的電容C1與C2所分壓，在回饋輸出端FBC上產生回饋訊號VFBC。電阻R1與R2可以用來決定回饋訊號VFBC的平均值VCMR。
上臂開關HS與下臂開關LS交錯地開啟，提供一方波電壓給諧振電路的端點N1，使得諧振電路諧振。諧振電感LR上產生交流電流IR。透過變壓器TF的電感耦合，二次側繞組LS1與LS2也會產生相對應的電壓與電流。二次側的二極體D1與D2可以提供全波整流，透過輸出電容CO低通濾波，據以產生跨於輸出電源線OUT與輸出接地線GNDO上的輸出電壓VOUT，用來對負載102供電。
補償電路106比較輸出電壓VOUT與目標電壓VTAR，透過光耦合器OPT，可以在一次側的補償端COMP產生補償訊號VCOMP。
在一次側的功率控制器108依據補償訊號VCOMP以及回饋訊號VFBC，來產生上臂控制訊號HI與下臂控制訊號LO。偏移與放大器(level-shifting and scaling apparatus)110以一加法器調整補償訊號VCOMP的參考點，並以一乘法器比例地改變其值，產生間隙電壓△V，等於K*(VCOMP-VOFFSET)，其中，常數K為一預設值，偏移電壓VOFFSET為一預設電壓。加法器112與114分別產生臨界電壓VTHH與VTHL，而臨界電壓VTHH為基礎電壓(common voltage)VCM與間隙電壓△V的和，臨界電壓VTHL為基礎電壓VCM與間隙電壓△V的差。
請參閱圖2A與圖1，圖2A顯示回饋訊號VFBC、上臂控制訊號HI、與下臂控制訊號LO的訊號波形。圖2A中，也顯示了基礎電壓VCM、間隙電壓△V、以及臨界電壓VTHH與VTHL。
在圖2A中，時間點t1到時間點t2為一死區時間(dead time)，其中，上臂開關HS與下臂開關LS都關閉。死區時間可以是一段固定的時間，或是透過偵測在端點N1上的電壓是否高到足以讓上臂開關HS實現軟開關(soft switching)來結束。因此，圖1中上臂起始訊號HIS在時間點t2設置SR正反器116，透過上臂控制訊號HI，開始開啟上臂開關HS。
圖1中，比較器120與SR正反器116架構來在回饋訊號VFBC超過臨界電壓VTHH時，透過上臂控制訊號HI，關閉上臂開關HS，結束上臂開關HS的開啟時間TONHS(從時間點t2到t3)，如同圖2A的時間點t3所示。
圖2A的時間點t3到時間點t4為另一個死區時間。類似的，這死區時間可以是一段固定的時間，或是透過偵測在端點N1上的電壓是否低到足以讓下臂開關LS實現軟開關(soft switching)來結束。在圖2A的時間點t4，圖1中下臂起始訊號LOS設置SR正反器118，透過控制訊號LO，開始開啟下臂開關LS。
圖1中，比較器122與SR正反器118架構來在回饋訊號VFBC低於臨界電壓VTHL時，透過控制訊號LO，關閉下臂開關LS，結束下臂開關LS的開啟時間TONLS(從時間點t4到t5)，如同圖2A的時間點t5所示。
在圖2A中，從長度來看，下臂開關LS的開啟時間TONLS大約等於上臂開關HS的開啟時間TONHS，這樣上下臂開關的工作週期(duty cycle)大約平衡(balanced)，如此可以讓上下臂開關HS與LS的工作時間與效率都最大化。
圖1中，平均值調整電路130可以依據控制訊號HI與LO，來調整回饋訊號VFBC的訊號平均值VCMR。當上下臂開關的工作週期不平衡(unbalanced)時，平均值調整電路130可以改變訊號平均值VCMR，也就是 平移回饋訊號VFBC，來讓上下臂開關的工作週期接近平衡。
圖3顯示了圖1中的平均值調整電路130。工作週期比較器132有定電流源136與142、開關138與140、以及電容CINT。定電流源136與142可以提供相同大小的電流ICHG與IDIS，可以分別對電容CINT充放電。由於開關138與140分別受控於控制訊號HI與LO。定電流源136依據上臂工作週期，從操作電源電壓VDD取電，對電容CINT充電；定電流源142依據下臂工作週期，對電容CINT放電。因此，上臂開關HS的上臂工作週期與下臂開關LS的下臂工作週期，兩者之間的差，將會累積在電容CINT上，產生累積訊號VSUM。累積訊號VSUM控制可控電流源134來提供調整電流IADJ。調整電流IADJ等同流過由電阻R1與R2並聯的電路，平移回饋訊號VFBC的訊號平均值VCMR。
圖2B顯示回饋訊號VFBC、控制訊號HI、與控制訊號LO的訊號波形。圖2A與2B類似，相同之處可參考先前圖2A之說明而得知，不在累述。
相較於圖2A，圖2B中的回饋訊號VFBC因為某些原因，具有比較低的訊號平均值VCMR，明顯地低於基礎電壓VCM。在圖2B中，從時間點t12到t13的上臂開啟時間TONHS明顯的大於時間點t14到t15的下臂開啟時間TONLS，也就是上臂工作週期大於下臂工作週期。從圖3的平均值調整電路130可知，經過圖2B的開關循環後，累積訊號VSUM將會增加，調整電流IADJ也會增加，拉高了之後的訊號平均值VCMR。如此，之後的上臂工作週期與下臂工作週期會越來越逼近於平衡。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利 範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
200a:高壓元件
130:平均值調整電路
132:工作週期比較器
134:可控電流源
136、142:定電流源
138、140:開關
CINT:電容
FBC:回饋輸出端
HI:上臂控制訊號
IADJ:調整電流
ICHG、IDIS:電流
LO:下臂控制訊號
R1、R2:電阻
VFBC:回饋訊號
VSUM:累積訊號

Claims (10)

  1. 一種LLC轉換器，包含有：一上臂開關以及一下臂開關，透過一第一端點，串聯於二輸入電源線之間；一諧振電路，連接至該第一端點，包含有連接於一第二端點的一變壓器之一次側繞組以及一諧振電容；一分壓電路，連接至該第二端點，具有一回饋輸出端，該回饋輸出端上具有一回饋訊號；一功率控制器，依據該回饋訊號，提供上臂控制訊號以及下臂控制訊號分別控制該上臂開關與該下臂開關，該功率控制器包含有：一工作週期比較器，依據該上臂開關之一上臂工作週期以及該下臂開關之一下臂工作週期之間的差，產生一累積訊號；以及一可控電流源，依據該累積訊號，提供一調整電流，至該回饋輸出端，用以調整該回饋訊號之一訊號平均值。
  2. 如申請專利範圍第1項之LLC轉換器，其中，該功率控制器比較該回饋訊號與一第一臨界電壓，來關閉該上臂開關，該功率控制器比較該回饋訊號與一第二臨界電壓，來關閉該下臂開關。
  3. 如申請專利範圍第2項之LLC轉換器，其中，該第一臨界電壓與該第二臨界電壓係依據一補償訊號以及一基礎電壓而產生，且該補償訊號受控於該LLC轉換器之一輸出電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項之LLC轉換器，其中，該工作週期比較器包含有： 一電容，用以提供該累積訊號；一第一定電流源，依據該上臂工作週期，對該電容充電；以及一第二定電流源，依據該下臂工作週期，對該電容放電；其中，該第一與第二定電流源提供相同大小的電流。
  5. 如申請專利範圍第1項之LLC轉換器，其中，該分壓電路包含有一第一電阻、一第二電阻、一第一電容以及一第二電容，於該第二端點與該二輸入電源線其中之一之間，該第一與第二電阻透過該回饋輸出端串接，且該第一與該第二電容透過該回饋輸出端串接。
  6. 一種用於一LLC轉換器的控制方法，包含有；提供數個控制訊號，控制一上臂開關以及一下臂開關，其中，該上臂開關與該下臂開關，透過一第一端點，串聯於二輸入電源線之間，一諧振電路，連接至該第一端點，包含有連接於一第二端點的一變壓器之一次側繞組以及一諧振電容，以及一分壓電路，連接至該第二端點，具有一回饋輸出端，該回饋輸出端上具有一回饋訊號；依據該回饋訊號以及一補償訊號，產生該等控制訊號，其中，該補償訊號受控於該LLC轉換器之一輸出電壓；依據該上臂開關之一上臂工作週期以及該下臂開關之一下臂工作週期之間的差，產生一累積訊號；以及依據該累積訊號，提供一調整電流，至該回饋輸出端，用以調整該回饋訊號之訊號平均值。
  7. 如申請專利範圍第6項之控制方法，包含有：比較該回饋訊號以及一第一臨界電壓，來關閉該上臂開關；以及
    比較該回饋訊號以及一第二臨界電壓，來關閉該下臂開關；
    其中，該第一臨界電壓與該第二臨界電壓係依據該補償訊號以及一基礎電壓而產生。
  8. 如申請專利範圍第7項之控制方法，其中，該第一臨界電壓與該第二臨界電壓的平均，大約等於該基礎電壓。
  9. 如申請專利範圍第6項之控制方法，包含有：
    依據該上臂工作週期，提供一第一定電流，對一電容充電；以及
    依據該下臂工作週期，提供一第二定電流，對該電容放電；
    其中，該第一與第二定電流源可提供相同大小的電流，且該電容提供該累積訊號。
  10. 如申請專利範圍第6項之控制方法，其中，該分壓電路包含有一第一電阻、一第二電阻、一第一電容以及一第二電容，於該第二端點與該二輸入電源線其中之一之間，該第一與第二電阻透過該回饋輸出端串接，且該第一與該第二電容透過該回饋輸出端串接。
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