高转换效率的脉冲模式谐振式电源转换器

摘要

本发明涉及一种高转换效率的脉冲模式谐振式电源转换器，其包含有一整流电路、一功率因子校正电路、一谐振电路、一控制器及一脉冲模式触发单元；其中该控制器的该上限切换频率设定端连接一上限频率可变电路，当负载为中载或重载时，该上限频率可变电路会提升该控制器的上限切换频率，若负载为无载或轻载时，即降低该控制器的上限切换频率；如此，该控制器即可减少谐振电路切换桥式开关电路的次数，且输出至桥式开关电路的各50％脉冲信号的导通周期变长，可一次传送较大的能量予变压器的二次侧线圈，提升整体的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲模式LLC谐振式电源转换器，尤指一种高转换效率的脉冲模式谐振式电源转换器。

背景技术

请参阅图7所示，为一种脉冲模式LLC谐振式电源转换器，其包含有：

一整流电路70，其输入端连接一交流电源，将该交流电源转换为一弦波直流电源后输出；

一功率因子校正电路71，其输入端连接至该整流电路，检测该弦波直流电源的电压及电流，以调整该弦波直流电源功率因子，并输出一直流电源；其中该功率因子校正电路71包含有一储能电感L1、一功率开关S1及一储能电容C_bulk，该储能电感L1一端连接至该整流电路70的输出端，另一端则连接至该功率开关S1及储能电感L1；

一谐振电路72，包含有一变压器T1、一谐振单元L_r，C_r、一半桥开关电路721及一输出电容C_OUT，其中该变压器T1包含有一次侧线圈及一中间抽头二次侧线圈，该谐振单元L_r，C_r连接于该桥式开关电路721及一次侧线圈之间，而输出电容C_OUT则连接至该中间抽头二次侧线圈，该谐振单元L_r，C_r连接至该桥式开关电路721；其中该谐振电路的谐振单元L_r，C_r为一LC电路，由于该LC电路L_r，C_r与变压器T1一次侧线圈连接，故与一次侧线圈的激磁电感图中未示构成一谐振电路，而此一谐振电路72包含有二组谐振频率，第一组谐振频率是由一次侧线圈的激磁电感及LC电路的谐振电容C_r构成，第二组谐振频率则由激磁电感图中未示及漏感与谐振电容C_r构成；

一混合型控制器73，其包含有一参考电压输入端PFCSV、多输出端PFCG、GHS、GLS，一输出电压回馈端FB，一上限切换频率设定端RFMAX及一脉冲模式触发端SNOUT；其中该参考电压输入端PFCSV通过一分压电路R1，R2连接至该储能电容C_bulk，该多输出端PFCG、GHS、GLS分别连接至该功率因子校正电路71的功率开关S1及谐振电路的桥式开关电路721，该输出电压回馈端通过一光耦合器731连接至该谐振电路72的滤波电容C_OUT，即为电源转换器的输出端，该上限切换频率设定端连接一固定电阻R10，以决定上限切换频率；及

一脉冲模式触发单元74，连接至该混合型控制器73的该脉冲模式触发端SNOUT及该光耦合器731，通过检测电源转换器输出电压大小，判断负载是否为轻载或无载，并反应至该脉冲模式触发端SNOUT；该脉冲模式触发单元74包含有一比较器741及一电子开关Sb，该比较器741的反相输入端-连接至光耦合器731，而非反相输入端+连接一固定参考电压，而其输出端连接至该电子开关Sb，以决定该电子开关Sb的启闭，其中该电子开关Sb连接至该混合型控制器73的该脉冲模式触发端SNOUT。

上述该混合型控制器73输出责任周期为50％脉宽信号给桥式开关电路721，令桥式开关电路721上侧及下侧主动开关HSLS交替导通，此时电源转换电路输出端输出稳定的直流电压。当负载为轻载或无载时，电源转换器输出端的输出电压会升高，此时光耦合器731电流增大，令该输出电压回馈端FB电位拉低，因此该混合型控制器73即依据该上限切换频率设定端RFMAX连接的固定电阻R10决定的上限切换频率，对该半桥开关电路进行切换控制。请配合参阅如图9所示，当操作在上限切换频率时整体的增益会拉低，如此一来即能降低输出电压。倘若输出电压仍令无载或轻载造成过大电流，该输出电压回馈端FB的电位仍为低电位，此时该比较器即输出一高电位信号给电子开关Sb，此时该电子开关Sb导通将该脉冲模式触发端SNOUT电位拉低，故而触发混合型控制器73的脉冲模式。请配合参阅图8所示，为脉冲模式下，混合型控制器73输出至桥式开关电路721的二组50％脉宽信号波形，由图中可知，该混合型控制器73进入脉冲模式后，会对各50％脉宽信号强迫跳过几个周期，令输出电压再下降，以维持输出电压稳定。

由上述说明可知，通过操作在上限切换频率下，虽可获得较低增益以抑制无轻或轻载时输出电压的上升，但却会提高切换损失，而切换损失将使得电源转换器在轻载或无载的效率降低，而可能无法满足国际对于轻载或无载损耗的规范，因此必须再提出有效的解决方法。

发明内容

有鉴于上述脉冲模式LLC谐振式电源转换器的缺点，本发明主要目的是提供一种于轻载时，具有高转换效率的脉冲模式谐振式电源转换器，以提高谐振式电源转换器的整体转换效率。

欲达上述目的，所使用的主要技术手段为令该谐振式电源转换器包含有一滤波电路、一功率因子校正电路、一功率因子控制器、一谐振电路、一谐振控制器及一脉冲模式触发单元；其中该谐振控制器的一上限切换频率设定端连接一上限频率可变电路，该上限频率可变电路其包含有一负载状态检测单元、一第一电阻、一第二电阻及一切换开关，其中第一电阻连接至该谐振控制器的上限切换频率设定端，该第二电阻与一切换开关串接后再与第一电阻并联，而该切换开关的控制端连接至该负载状态检测单元。

上述本发明在由该负载状态检测单元判断目前为无载或轻载时，即驱动该切换开关关闭，令第一电阻不再与第二电阻并联，仅由第一电阻与上限切换频率设定端连接，而将所述效电阻值拉高较于中载/重载时为高，以降低该控制器的上限切换频率，意即减少切换桥式开关电路的次数，减少切换损失，再配合该谐振控制器省略更多周期，减少输出电压，此外，再控制输出各50％脉冲信号的导通周期变长，故能一次传送较大的能量予变压器的二次侧线圈，维持输出端应有的电压，因此本发明的电源转换器于轻载时的转换效率可获得提升。

本发明又一目的是提供一种令输出端输出电压更稳定的谐振式电源转换器，即上述功率因子控制器的参考电压端连接至一可变参考电压电路，该可变参考电压电路包含有一分压电路、一电阻及一开关，该开关与电阻串接后连接至该分压电路及该脉冲模式触发单元，并与该脉冲模式触发单元的电子开关连动，意即，当脉冲模式触发单元判断目前负载为无载或轻载时，其电子开关会导通，此时该功率因子控制器的脉冲模式触发端电位会接地，此时该可变参考电压电路的开关会导通令该电阻与分压器其中一电阻并联，使得功率因子控制器的参考电压输入端的参考电压改变储能电容的电压。

由于该功率因子控制器的参考电压改变会控制功率开关的导通时间，使得储能电容的电压上升，配合上述谐振控制器控制桥式开关电路导通周期时间拉长，即能在导通期间送出更多能量至该变压器的二次侧，减少桥式开关电路切换次数，提升于无载或轻载时的转换效率，并稳定电源电路输出端电压。

附图说明

图1：本发明第一优选实施例电路图。

图2A：图1上限频率可变电路一种优选实施例的详细电路图。

图2B：图1上限频率可变电路另一种优选实施例的详细电路图。

图3：图2控制器二50％脉宽信号及储存电容的波形图。

图4：本发明第二优选实施例电路图。

图5：图4控制器二50％脉宽信号及储存电容的波形图。

图6：谐振控制器切换频率与增益特性曲线图。

图7：现有的谐振电路电路图。

图8：图4控制器二50％脉宽信号及储存电容的波形图。

图9：混合型控制器切换频率与增益特性曲线图。

【主要组件符号说明】

10整流电路  20功率因子校正电路

30谐振电路  31桥式开关电路

40混合型控制器  40a功率校正控制器

40b谐振控制器  41光耦合器

50上限频率可变电路  51、51a负载状态检测单元

60脉冲模式触发单元  61比较器

70整流电路  71功率因子校正电路

72谐振电路  721桥式开关电路

73控制器  731光耦合器

74脉冲模式触发单元  741比较器

具体实施方式

请参阅图1，为本发明一高转换效率的脉冲模式谐振式电源转换器的第一优选实施例，其包含有：

一整流电路10，其输入端连接一交流电源，将该交流电源转换为一弦波直流电源后输出；

一功率因子校正电路20，其输入端连接至该整流电路10，检测该弦波直流电源的电压及电流，以调整该弦波直流电源功率因子，并输出一直流电源；其中该功率因子校正电路20包含有一储能电感L1、一功率开关S1及一储能电容C_bulk，该储能电感L一端连接至该整流电路10的输出端，另一端则连接至该功率开关S1及储能电容C_bulk；

一谐振电路30，包含有一变压器T1、一谐振单元C_r，L_r、一桥式开关电路31及一输出电容C_OUT，其中该变压器T1包含有一次侧线圈及一二次侧线圈，该谐振单元C_r，L_r连接于该桥式开关电路31及一次侧线圈之间，而输出电容C_OUT则连接至该二次侧线圈，该谐振单元C_r，L_r连接至该桥式开关电路31，又于本实施例中，二次侧为中间抽头线圈，而该桥式开关电路31为一半桥开关电路，其包含有一上侧开关HS及一下侧开关LS串联而成；其中该谐振电路30则为一LLC谐振电路，即该谐振单元C_r，L_r为一LC电路，由于该LC电路与变压器T1一次侧线圈连接，故与一次侧线圈的激磁电感L_m构成LLC电路，其中该LC电路的电感L_r为变压器一次侧线圈的漏感，此外，该漏感L_r及激磁电感L_m亦可采用独立电感取代，而该谐振电路30包含有二组谐振频率，第一组谐振频率是由一次侧线圈的漏感L_m及LC电路的谐振电容C_r构成，第二组谐振频率则由激磁电感及漏感与谐振电容C_r构成；此外，该谐振电路亦可为LC谐振电路、LCC谐振电路或SRC谐振电路；

一混合型控制器40，包含有一功率因子控制器40a及一谐振控制器40b，其中该功率因子控制器40a包含有一参考电压输入端PFCSV及一输出端PFCG，而谐振控制器40b则包含有多输出端GHS、GLS，一输出电压回馈端FB，一上限切换频率设定端RFMAX及一脉冲模式触发端SNOUT；其中该参考电压输入端PFCSV通过一分压器R1，R2连接至该储能电容C_bulk，该分压器R1，R2是由上电阻R1及一下电阻R2串接而成，其串接节点连接至功率因子控制器40a的参考电压端PFCSV，又该上电阻R1连接至功率因子校正单元20的储能电容C_bulk，以连接至直流电源；又该功率因子控制器40a的多输出端PFCG连接至该功率因子校正电路20的功率开关S1，而该谐振控制器40b的输出端GHS，GLS则分别连接至谐振电路30的的桥式开关电路31，该输出电压回馈端FB通过一光耦合器41连接至该谐振电路30的输出电容C_OUT，即为电源转换器的输出端，该上限切换频率设定端RFMAX连接一上限频率可变电路50；此外，该功率因子控制器40a及谐振控制器40b亦可为独立的控制器；及

一脉冲模式触发单元60，连接至该控制器40的该脉冲模式触发端SNOUT及该光耦合器41，通过检测电源转换器输出电压大小，判断是否进入轻载模式，并反应至该脉冲模式触发端SNOUT；该脉冲模式触发单元60包含有一比较器61及一电子开关，该比较器61的反相输入端-连接至光耦合器41，而非反相输入端+连接一固定参考电压，而其输出端连接至该电子开关Sb，以决定该电子开关Sb的启闭，其中该电子开关Sb连接至该控制器40的该脉冲模式触发端SNOUT。

上述上限频率可变电路50包含有：

一负载状态检测单元51，耦接至变压器T1，以检测变压器T1谐振电流，判断负载用电状态；于本实施例中如图2A所示，该负载状检测单元51包含有一辅助绕组Laux及一滤波电容C_f，该辅助绕组Laux耦接于变压器T1一次侧线圈，并通过一二极管D1连接至该滤波电容C_f，以感应其谐振电流大小并转换为对应电压值。当负载为无载或轻载时，该滤波电容的电压值较小；反之，则较高；此外，请参阅图2B所示，该负载状态检测器51a则包含有一分压器Ra，Rb及一滤波电容C_f，该分压器Ra，Rb直接连接至该变压器T一次侧线圈，该滤波电容C_f则与其中一电阻Rb并联，依据一次侧线圈电流变化，改变其电压大小；

一第一电阻R10，连接至该控制器40的上限切换频率设定端RFMAX；

一第二电阻R20，与一切换开关Sa串接后再与第一电阻R10并联，而该切换开关Sa的控制端连接至该负载状态检测单元51；于本实施例中该切换开关Sa的控制端连接至该滤波电容Cf，而切换开关Sa为一MOSFET晶体管。

当目前负载为中载或重载时，滤波电容Cf的电压较高，令切换开关Sa导通，由于切换开关Sa导通，第一及第二电阻R10R20会并联连接，对谐振控制器40b的上限切换频率设定端RFMAX来说，其连接一较低的等效电阻，因此谐振控制器40b的上限切换频率F_MAX2因此而提高。

当目前负载为无载或轻载时，滤波电容C_f电压会变低，而不再导通切换开关Sa，因此仅由第一电阻R10与该谐振控制器40b的上限切换频率设定端连接，因此对上限切换频率设定端RFMAX来说，即连接一高电阻，因此谐振控制器40b的上限切换频率F_MAX1会因此而提降低，请配合参阅图6所示，当无载或轻载时，该谐振控制器40b的切换频率F_MAX1会降低，因此谐振控制器会以目前上切换频率输出二50％脉冲信号给桥式开关电路31对应的上侧及下侧开关HS、LS的二50％脉冲信号；请配合参阅图3所示，由于谐振控制器40b在进入无轻或轻载时，谐振控制器40b会进入脉冲模式，即将原本各50％脉冲信号的部份周期省略掉，较现有脉冲模式省略更多周期，以抑制电源转换器在无载或轻载所输出电压上升的幅度，又为维持负载于无载或轻载应有的电流，故本发明谐振控制器40b配合该上限频率可变电路50，能进一步于将脉冲模式中50％脉冲信号的导通周期时间拉长。

诚如上述，当无载或轻载时，该谐振控制器40b的切换频率F_MAX1会降低，减少桥式开关电路31切换次数，有效减少切换损失；又基于省略更多周期而将导通周期拉长，可一次传送较大能量至变压器的二次侧，不因省略更多周期而无法维持负载应有的电流。此外，当负载又自无载或轻载恢复至中载或重载时，负载所需电流提高，故必须供应更多能量至变压器二次侧，故谐振控制器40b的上限频率可变电路50即恢复最高的上限切换频率F_MAX2，减少因无法脱离脉冲模式而令电源转换器的输出端产生的电压或电流涟波，并且能提升整体的效率。

请进一步参阅图4所示，为本发明第二优选实施例，即上述控制器40的参考电压输入端PFCSV连接的分压器T1进一步包含有一电阻R3及一开关Ds，该电阻R3通过该开关Ds连接至该脉冲模式触发单元60的电子开关Sb，其中该开关Ds与电阻R3串接后连接至该分压电路R1R2及该轻载检测电路60，并与该轻载检测电路60的电子开关Sb连动。本实施例的开关Ds为一二极管，其阳极连接至该电阻R3，而阴极则连接至该轻载检测电路60的电子开关Sb。

当轻载检测电路60判断目前负载为轻载时，其电子开关Sb会导通，此时该谐振控制器40b的脉冲模式触发端电位会接地，此时该开关Ds会导通令该电阻R3与分压器R1，R2其中一电阻R2并联，使得等效电阻值下降，改变谐振控制器40b的参考电压输入端PFCSV的参考电压。由于该谐振控制器40b的参考电压改变会控制功率开关S1的导通时间，使得储能电容C_bulk的电压Vbulk上升，请配合参阅第五图所示，配合上述谐振控制器40b控制桥式开关电路31导通周期时间拉长，即能在导通期间送出更多能量至该变压器的二次侧V_A，以稳定电源电路输出端电压。