具过流保护装置的谐振变换器及其控制方法

专利名称：具过流保护装置的谐振变换器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种谐振电路中的过流保护装置及方法，尤指一种直流/直流谐振变 换器(DC/DC resonant converter)中的过流保护装置及方法。
背景技术：
直流/直流变换器的发展趋势如同大部分的电源产品一样，朝着高效率(High efficiency)、高功率密度(High power density)、高可靠性(Highreliability)和低成本 (low cost)的方向发展。谐振型变换器如LLC变换器由于具有在全负载范围内可实现一次 侧的开关零电压导通和二次侧的整流二极管的零电流开关等优点，近年来越来越多的应用 于DC/DC变换器。然而，在实际应用中，过流保护(Over Current Protection :0CP)是一个比较关键 的问题。在超载或者是短路时，谐振电路的谐振电流很大，如果不限制和保护，变换器电路 会因为过大的电流而损坏失效。0CP电路可以对谐振变换器电路在超载或者是短路时实现 快速保护，同时也能限制启动时的冲击电流。为了对谐振电路进行0CP，第一种方法是提高变换器的开关频率。通过提高开关 频率，增加谐振槽电路的阻抗以实现限流。这种方法简单易行，但存在以下缺点0CP保护 时，电路的开关频率远远高于正常工作的频率，开关损耗将大为增加，磁性组件的损耗也将 随之增高，对散热要求将提高，磁性组件的应力增加，设计磁性组件时为了确保在很高频 (0CP)时也能运行，组件的尺寸亦将大大增加。第二种方法是变频加脉宽调制(PWM)方法。实现方法首先增加谐振电路的开关 频率，当频率增加到一定程度时，PWM电路开始工作，减小施加在谐振槽上电压，进而实现限 流。这种方法控制较为复杂，在限流模式下零电压开关(ZVS)会丢失，开关损耗也会增加， 对驱动电路要求很高，同时，需要快速保护。第三种方法是采用二极管箝位谐振电容电压到输入电压以实现限流。图1和图5 分别显示采用该方法的对称半桥型和对称全桥型谐振变换器。图1中，半桥型谐振变换器 接收一直流输入电压Vin，包括开关Qa与Qb，谐振电感Ls，激磁电感Lm，箝位二极管D1-D2、 谐振电容Crl与Cr2(Crl与Cr2可具有相同的电容值，例如，可为单一谐振电容Cr电容值的 一半，即Cr/2)、变压器T、输出整流二极管Dsl-Ds2、输出电容Cf，以及负载(LLC谐振电路 的负载在限流时表现为电流源特性，故此处用电流源Io表示)。图5中则包括开关Qa-Qd、 两个对称谐振电感Lsl与Ls2 (Lsl与Ls2可具有相同的电感值，例如，可为单一谐振电感Ls 电感值的一半，即Ls/2)、两个对称激磁电感Lml与Lm2 (Lml与Lm2可具有相同的电感值，例 如，可为单一谐振电感Lm电感值的一半，即Lm/2)、四个箝位二极管D1-D4，Cr分别耦合于 连接D1与D2及D3与D4的两个节点，其二次侧的组件则与图1中相同。该方法简单易行， 无需额外控制电路即可实现逐周期限流，属于无源控制。仅仅需要增加二极管，并且谐振电 路采用对称结构即可。但是该方法由于箝位电压为输入直流电压，因此谐振电容上的最大 电压也就只能是输入电压，谐振电容两端电压值会随着输入电压变化而改变，即箝位电压随着输入电压变化而改变。这使得谐振电路设计受到一定的限制，谐振电路工作范围也受 到影响。第四种方法是增加辅助变压器箝位谐振电容电压。如图2所示即为增加辅助变压 器T1和变压器T2共同箝位谐振电容Cr电压到二次侧输出电压Vo的对称型半桥谐振电路。 谐振电容Cr上的电压通过辅助变压器T1和箝位二极管D1-D2箝位到谐振变换器输出电压 值Vo (输出视作一个电压源)。通过设计增加辅助变压器T1，可以改变箝位电压值，实现箝 位电压的灵活设计。此方法可以使谐振变换器设计在很大程度上不受箝位电压限制，但是 需要增加额外的磁性组件变压器T1，引入额外损耗，效率降低，成本增加，还存在安规等问 题。第五种方法是通过在变压器或者是谐振电感上增加箝位绕阻及箝位二极管共同 作用箝位谐振电容电压的方法。图3为在变压器T1与T2上分别增加箝位绕阻Lml2及Lm22 和二极管D1-D2与D3-D4共同作用箝位谐振电容Crl_Cr2和Cr3_Cr4电压到输入电压Vin 的对称半桥型谐振电路，其一次侧包含开关Qa-Qd与谐振电感Lsl-Ls2 (同理，Lsl与Ls2可 具有相同的电感值，例如，Ls/2)，其二次侧则包含输出整流二极管Dsl-Ds4，输出电容Cf 与 电流源Io。图4为在谐振电感上增加箝位绕阻和二极管共同作用箝位谐振电容电压到输 入电压的对称半桥型谐振电路。其与图3之不同在于一次侧之谐振电感Ls 1-Ls2皆包含 箝位绕阻，且包含激磁电感Lml-Lm2，其二次侧则与图3相同。此方法使得磁性组件结构复 杂，损耗和成本增加，效率降低。综合以上现有技术之过流保护方法可以看出前述各项习知技术，若不是控制复 杂，就是要增加磁性组件，造成成本体积增加，效率降低。二极管箝位谐振电容的方法较为 简单，但是由于其箝位电压值只能为输入电压，所以谐振电容电压值和直流输入电压间存 在着直接的函数关系，由于直流输入电压的波动，使得箝位电压值发生变化，限制了电路的 工作范围，尤其是在变换器做动态负载切换时，由于变换器的直流输入电压值也是箝位电 压的降低，很容易发生箝位。使其电路参数设计受到限制。职是之故，发明人鉴于习知技术之缺失，乃思及改良发明之意念，终能发明出本案 之「具过流保护装置之谐振变换器及其控制方法」。

发明内容
本案之主要目的在于提供一种具过流保护装置之谐振变换器及其控制方法，在谐 振变换器二次侧短路时，提供过流保护，并且解决谐振变换器一次侧开关电流应力过大的 问题，同时也解决了谐振电容电压只能箝位在输入电压，一次侧开关电流应力完全由输入 电压决定，谐振变换器电路设计参数和工作范围受到限制等问题。本案之又一主要目的在于提供一种直流/直流谐振变换器，包含一方波发生装 置，用于产生一具有方波波形的电压，包括一第一输入端，用于接收一直流输入电压，一谐 振槽，耦合于该方波发生装置，包括一第一谐振电容，以及一谐振电感耦合于该第一谐振电 容，以及一过流保护装置，耦合于该第一谐振电容与该第一输入端之间，包括一第一开关组 件，具一第一端与一第二端，以及一第一电压组件，具一负极端与一正极端，其中该负极端 耦合于该第一输入端，且该正极端耦合于该第一开关组件之该第二端。根据上述之构想，该方波发生装置为一桥式电路，且更包括一第二输入端，用于接
7收一直流输入电压和一第一桥臂耦接于该第一输入端与该第二输入端之间，而该第一桥臂 包括一第一切换开关与一第二切换开关耦接于该第一切换开关。根据上述之构想，其中该第一谐振电容具一第一与一第二端，该过流保护装置更 包括具一第一端与一第二端之一第二开关组件与具一负极端与一正极端之一第二电压组 件，该第一谐振电容之该第一端耦合于该第一电压组件之该负极端，该第一谐振电容之该 第二端耦合于该第二开关组件之该第二端，该第二电压组件之该负极端耦合于该第二开关 组件之该第一端，且该第二电压组件之该正极端耦合于该第二输入端。根据上述之构想，该第一与该第二开关组件分别为各具一阳极与一阴极之一第一 与一第二箝位二极管，且各该二极管之该阳极与该阴极即为各该开关组件之该第一端与该
第二端。根据上述之构想，各该第一与该第二电压组件系选自一压敏电阻(Varistor)、一 气体放电管(Gas tube)、一单向瞬态电压抑制器(TVS)、一双向TVS、一 RC并联组成电路与 一将闸极和源极短路的M0SFET其中之任一。根据上述之构想，该变换器更包括具一第一端与一第二端之一第二谐振电容，其 中该第二开关组件之该第二端耦合于该第一开关组件之该第一端，该第二谐振电容之该第 二端耦合于该第二电压组件之该正极端，且该第二谐振电容之该第一端耦合于该第一谐振 电容之该第二端。根据上述之构想，该变换器更包括一切换开关电路、一激磁电感、一变压器、一输 出整流电路、一输出电容与一电流源，且为一 LLC谐振变换器，其中该激磁电感、该谐振电 感与该输出电容各具一第一与一第二端，该切换开关电路包括各具一第一与一第二端之一 第一与一第二切换开关，该输出整流电路包括各具一阳极与一阴极之一第一与一第二整流 二极管，该变压器包括一一次侧绕阻与一具一第一与一第二端和一中央抽头之二次侧绕 阻，该第一切换开关之该第一端耦合于该第一电压组件之该负极端，该第一切换开关之该 第二端耦合于该第二切换开关之该第一端，该第二切换开关之该第二端耦合于该第二电压 组件之该正极端，该谐振电感之该第一端耦合于该第一切换开关之该第二端，该激磁电感 之该第一端耦合于该谐振电感之该第二端，该激磁电感之该第二端耦合于该第二开关组件 之该第二端，该一次侧绕阻并联电连接于该激磁电感，该二次侧绕阻之该第一端耦合于该 第一整流二极管之该阳极，该二次侧绕阻之该第二端耦合于该第二整流二极管之该阳极， 该第一整流二极管之该阴极耦合于该第二整流二极管之该阴极，该输出电容之该第一端耦 合于该第二整流二极管之该阴极，该输出电容之该第二端耦合于该中央抽头，且该电流源 并联电连接于该输出电容。根据上述之构想，该变换器更包括各具一第一端与一第二端之一第二、一第三与 一第四谐振电容，其中该第一谐振电容之该第一端耦合于该第一电压组件之该负极端，该 第一谐振电容之该第二端耦合于该第二开关组件之该第二端，该第二谐振电容之该第二端 耦合于该第二电压组件之该正极端，该第二谐振电容之该第一端耦合于该第一谐振电容之 该第二端，该第三谐振电容之该第一端耦合于该第二谐振电容之该第二端与该第二开关组 件之该第二端，该第一开关组件之该第一端耦合于该第三谐振电容之该第二端与该第四谐 振电容之该第一端，且该第四谐振电容之该第二端耦合于该第二输入端。根据上述之构想，该桥式电路为一全桥结构，且包括一第二桥臂耦接于该第一输入端与该第二输入端之间，该桥臂包括一第三切换开关与一第四切换开关耦接于该第三切 换开关。根据上述之构想，该第一谐振电容具一第一与一第二端，该过流保护装置更包括 各具一第一端与一第二端之一第二至一第四开关组件，该第一谐振电容之该第一端耦合于 该第二开关组件之该第二端，该第一谐振电容之该第二端耦合于该第四开关组件之该第一 端，该第二开关组件之该第二端耦合于该第一开关组件之该第一端，该第三开关组件之该 第一端耦合于该第二开关组件之该第一端，该第四开关组件之该第二端耦合于该第一开关 组件之该第二端，该第四开关组件之该第一端耦合于该第三开关组件之该第二端，该第二 输入端耦合于该第三开关组件之该第一端，该第一电压组件之该负极端耦合于该第一输入 端，且该第一电压组件之该正极端耦合于该第一开关组件之该第二端。根据上述之构想，该第一至该第四开关组件分别为各具一阳极与一阴极之一第一 至一第四箝位二极管，且各该二极管之该阳极与该阴极即为各该开关组件之该第一端与该
第二端。根据上述之构想，该变换器为一 LLC电路，且更包括一切换开关电路、一第一与一 第二谐振电感、一第一与一第二激磁电感、一第一变压器、一第二变压器、一同步整流电路、 一第一与一第二输出电容、一输出电感与一电流源，其中该切换开关电路耦合于该第一与 该第二输入端以及该第一与该第二激磁电感，该第一激磁电感耦合于该第二谐振电感，该 第二谐振电感耦合于该谐振电容之该第二端，该第二激磁电感耦合于该第一谐振电感，该 第一谐振电感耦合于该第一谐振电容之该第一端，该第一变压器耦合于该第一激磁电感与 该同步整流电路，该第二变压器耦合于该第二激磁电感与该同步整流电路，该第一与该第 二输出电容及该输出电感均耦合于该同步整流电路，且该电流源并联电连接于该第二输出 电容。根据上述之构想，该第一谐振电容具一第一与一第二端，该过流保护装置更包括 各具一第一端与一第二端之一第二至一第四开关组件，该第一谐振电容之该第一端耦合于 该第二开关组件之该第二端，该第一谐振电容之该第二端耦合于该第四开关组件之该第一 端，该第二开关组件之该第二端耦合于该第一开关组件之该第一端，该第三开关组件之该 第一端耦合于该第二开关组件之该第一端，该第四开关组件之该第二端耦合于该第一开关 组件之该第二端，该第四开关组件之该第一端耦合于该第三开关组件之该第二端，该第一 电压组件之该负极端耦合于该第一输入端，该第一电压组件之该正极端耦合于该第一开关 组件之该第二端，该第二电压组件之该负极端耦合于该第二开关组件之该第一端，且该第 二电压组件之该正极端耦合于该第二输入端。根据上述之构想，该变换器为一 LLC电路，且更包括一切换开关电路、一第一与一 第二谐振电感、一第一与一第二激磁电感、一变压器、一同步整流电路、一第一与一第二输 出电容、一输出电感与一电流源，其中该切换开关电路耦合于该第一与该第二输入端以及 该第一与该第二谐振电感，该第一谐振电感耦合于该第二激磁电感，该第二激磁电感耦合 于该第一谐振电容之该第一端，该第二谐振电感耦合于该第一激磁电感，该第一激磁电感 耦合于该第一谐振电容之该第二端，该变压器耦合于该第一与该第二激磁电感与该同步整 流电路，该第一与该第二输出电容及该输出电感均耦合于该同步整流电路，且该电流源并 联电连接于该第二输出电容。
根据上述之构想，该变换器更包括一第二与一第三谐振电容，其中该第二与该第 三谐振电容各具一第一与一第二端，该第二谐振电容之该第二端耦合于该第一谐振电容之 该第一端，且该第三谐振电容之该第一端耦合于该第一谐振电容之该第二端。根据上述之构想，该变换器为一 LLC电路，且更包括一切换开关电路、一第一与一 第二谐振电感、一第一与一第二激磁电感、一变压器、一同步整流电路、一第一与一第二输 出电容、一输出电感与一电流源，其中该切换开关电路耦合于该第一与该第二输入端以及 该第一与该第二谐振电感，该第一谐振电感耦合于该第二激磁电感，该第二激磁电感耦合 于该第二谐振电容之该第一端，该第二谐振电感耦合于该第一激磁电感，该第一激磁电感 耦合于该第三谐振电容之该第二端，该变压器耦合于该第一与该第二激磁电感与该同步整 流电路，该第一与该第二输出电容及该输出电感均耦合于该同步整流电路，且该电流源并 联电连接于该第二输出电容。本案之另一主要目的在于提供一种直流/直流谐振变换器，包含一过流保护装 置，包括一第一开关组件，具一第一端与一第二端，以及一第一电压组件，具一负极端与一 正极端，其中该负极端耦合于一外加之直流输入电压源之一正极端，该第一电压组件之该 正极端耦合于该第一开关组件之该第二端。根据上述之构想，该变换器更包括一方波发生装置，用于产生具有方波波形的电 压，包括一第一输入端，用于接收一直流输入电压，以及一谐振槽，耦合于该方波发生装置， 包括一第一谐振电容，以及一谐振电感，耦合于该第一谐振电容。本案之次一主要目的在于提供一种用于一具一过流保护装置、一谐振回路与一具 一第一组与一第二组开关之切换开关电路的直流/直流谐振变换器的控制方法，该方法包 含下列之步骤(a)提供一输入电压、一谐振电容电压与一谐振电流；(b)当该变换器在一 正常的谐振工作阶段，使该切换开关电路之该第一组开关导通；(c)当该谐振电容电压超 过该输入电压达到一第一预定值后，使该过流保护装置导通；以及(d)当该谐振电流从一 正向的最大谐振电流值开始减少时，使该第一组开关关断。根据上述之构想，该步骤(b)更包括下列之步骤(bl)使该输入电压加载在一谐 振回路上；(b2)使该谐振电流从零增加到该正向的最大谐振电流值；以及(b3)使该谐振电 容电压从一负向之最大箝位电压值增加到一正向之最大箝位电压值，其中该正向之最大箝 位电压值大于该输入电压值。根据上述之构想，该该步骤(c)更包括下列之步骤(cl)使该谐振电容电压被箝 位在一正向之最大箝位电压值；以及(c2)使该谐振电流被限制为该正向的最大谐振电流值。根据上述之构想，该步骤(d)更包括下列之步骤(dl)经过一死区时间，而后使该 第二组开关以一零电压切换的方式导通；(d2)施加该输入电压之一负值于一谐振回路上， 使该谐振电流从该正向的最大谐振电流值开始下降；(d3)使该谐振电容电压维持在一正 向之最大箝位电压值一段时间；以及(d4)当该谐振电流下降到一第二预定值后，使该谐振 电容电压亦逐渐下降，直至该谐振电流与该谐振电容电压均下降到零。根据上述之构想，该第一组开关为该第二与该第四切换开关，该第二组开关为该 第一与该第三切换开关，且该谐振回路为该第一与该第二谐振电感、该第一与该第二激磁 电感以及该第一谐振电容。
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为了让本发明之上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并 配合所附图式，作详细说明如下


图1 是现有技术的二极管箝位谐振电容电压到直流输入电压的对称半桥型谐振 电路之电路图；图2 是现有技术的采用辅助变压器箝位谐振电容电压到变换器输出二次侧的对 称半桥型谐振电路之电路图；图3 是现有技术的在变压器上增加箝位绕阻和箝位二极管共同作用以箝位谐振 电容电压到直流输入电压的对称半桥型谐振电路之电路图；图4 是现有技术的在谐振电感上增加箝位绕阻和箝位二极管共同作用以箝位谐 振电容电压到直流输入电压的对称半桥型谐振电路之电路图；图5 是现有技术的以二极管箝位谐振电容电压到直流总线输入电压的对称全桥 型谐振电路之电路图；图6 是本发明构想之第一较佳实施例以二极管箝位谐振电容电压的对称半桥型 谐振电路之电路图；图7 是本发明构想之第二较佳实施例以二极管箝位谐振电容电压的对称全桥型 谐振电路之电路图；图8 是本发明构想之第三较佳实施例以二极管箝位部分谐振电容电压的对称半 桥型谐振电路之电路图；图9 是本发明构想之第四较佳实施例以二极管箝位部分谐振电容电压的对称全 桥型谐振电路之电路图；图10A-F 是本发明构想之第一至第四较佳实施例中Vxl/Vx2的各种具体电路的 基本结构；图11 是本发明构想之第三较佳实施例的采用增加TVS之二极管箝位谐振电容电 压到输入直流电压的对称全桥型谐振电路之电路图；图12 是如第图11所示之采用增加TVS的二极管箝位谐振电容电压到输入直流 电压之对称全桥型谐振电路的相关波形之波形图；以及图13 是本发明构想之第五较佳实施例以二极管箝位谐振电容电压的对称全桥 型谐振电路之电路图。
具体实施例方式本发明是提供一种谐振变换器的过流保护电路，在谐振变换器二次侧短路时，提 供过流保护，并且解决谐振变换器一次侧开关电流应力过大的问题，同时也解决了谐振电 容电压只能箝位在输入电压，一次侧开关电流应力完全由输入电压决定，谐振变换器电路 设计参数和工作范围受到限制等问题。当谐振变换器二次侧短路时，通过半导体开关(例如箝位二极管)和辅助电路的 共同作用，将谐振电容上的电压的箝位在高于输入直流电压一定值。从而达到抑制一次侧 开关电流应力，设计参数和工作范围基本不受箝位电路限制的目的。图6为本发明在半桥谐振电路上的应用，其与图1的不同之处在于增加了第一与第二电压组件Vxl与Vx2，其中 Vxl耦合于D1的阴极与外加的直流电压源(其电压值为Vin)之正极端，Vx2耦合于D2的阳 极与外加的直流电压源(其电压值为Vin)之负极端。图7为本发明在全桥谐振电路上的应 用。图7与图5的不同处主要亦在于增加了该第一与该第二电压组件Vxl与Vx2，其中Vxl 耦合于D1与D4的阴极及外加的直流电压源(其电压值为Vin)之正极端，Vx2耦合于D2与 D3的阳极与外加的直流电压源(其电压值为Vin)之负极端，另外其二次侧则为一全桥式同 步整流电路，包含四个同步整流器SR-SR4、输出电容Cfl-Cf2、输出电感Lfl与负载(此处 用电流源Io表示)。上述图6与图7中之第一与第二较佳实施例，是采用对全部谐振电容 的箝位，当然也可以对部分谐振电容进行箝位，如图8与图9所示。其中图8与图6的不同 之处在于其增加了两个谐振电容Cr3与Cr4，彼此串联电连接，且Cr3的第一端与Cr4的第 二端分别耦合于D2的阴极与外加的直流电压源之该负极端，且D1的阳极分别耦合于Cr3 的第二端与Cr4的第一端，而Crl-Cr4中只有Cr2，Cr3被箝位。图9与图7的不同之处在 于除箝位电容Crl (相当于图7中之Cr)夕卜，图9中另行增加了两个谐振电容Cr2_Cr3 (Cr2 耦合于Crl与Lm2，Cr3耦合于Crl与Lml)，且Crl_Cr3中只有Crl被箝位。在本实施例中 如果Cr2、Cr3与Crl上所承受的电压成一定的比例，接近于Vxl、Vx2与Crl上所承受的电 压的比例，则Vxl与Vx2上的电压可为零。本发明通过增加额外的电压组件Vxl/Vx2，可以使箝位电压高于直流输入电压一 定值。其中电压组件Vxl/Vx2可以是图10A、B、C、D、E、F所列举的部分电路，也可以通过其 组合或者其它形式电路实现。其中，图10A为压敏电阻(Varistor)，当其两端承受电压小于 其额定值时，表现为很大的电阻，当其两端承受的电压大于其额定值时，Varistor导通，其 电压降为额定电压，表现为一个电压源。图10B为气体放电管(Gas tube)，当其两端承受 电压小于额定值时，表现为开路，当其两端承受电压高于额定值时，Gas tube导通短路，压 降基本为零，从开路到短路过程相差一定电压差，可以看作是一个可控电压源。图10C-D为 单向和双向瞬态电压抑制器(TVS)，当其两端承受电压小于其额定电压时，表现为很大的电 阻，当其承受电压大于其额定电压时，TVS雪崩击穿，两端电压为雪崩电压即额定电压值，表 现为一个电压源。图10E是RC并联组成网络，当其流过一定电流时，两端会产生一定的电压 差，可以看作一个可变的电压源。图10F是将闸极和源极短路的M0SFET，利用其雪崩击穿效 应，雪崩电压可以视为电压源。这些组件或者是组合网络都是自身可以承受一定电压差，在 电路中可以视为一个电压源。这使得箝位电压值和直流输入电压间不是直接的函数关系， 可以使箝位电压值高于直流输入电压值，这样可以避免动态过程中因直流输入电压波动导 致的箝位，使得电路设计更加灵活，参数设计及电路工作范围等几乎可以不受箝位电压的 限制。在超载或短路时又能迅速有效的实现电流的限制。具有成本低，正常工作不影响效 率，结构简单等优点。并且可以应用于对称型半桥和全桥谐振变换器电路，也可用于三电位 及多电位谐振变换器电路等箝位电路中。图11所示具二极管和瞬态电压抑制器(TVS)的对称型全桥谐振DC/DC变换器，为 本发明的第三最佳实施例，此时Qa、Qb、Qc与Qd为谐振变换器的四个一次侧开关，组成全桥 式切换电路，为了保持对称结构，实现对谐振电容Cr的电压箝位，谐振电感Ls和一次侧绕 阻分成两部分(Lsl与Ls2及Lml与Lm2)，谐振电容Cr在中间，整个电路结构是关于谐振电 容对称的，Dl，D2，D3，D4为四个箝位半导体开关(例如，二极管)，TVS1与TVS2为瞬态电压抑制器，是本发明中Vxl/Vx2的一种具体形式，二次侧为全桥同步整流电路与图7的二次 侧相同，变压器为两个变压器(T1+T2) —次侧串联二次侧并联的结构。图12是如图11所示该最佳实施例工作的波形图。整个周期分成6个模式，Model、 Mode2、Mode3、Mode4、Mode5 与 Mode6,具体分析如下Model (t0 tl)电路在正常的谐振工作阶段，不发生箝位。开关Qb&Qd导通，输 入电压Vin加载在谐振电路回路上，电路发生谐振，谐振电流ip从大约为零开始增加到ip 限定值，谐振电容电压从负向最大箝位电压-V箝位增加到正向最大箝位电压V箝位，该值 高于直流输入电压V总线的值(即Vin)。二次侧同步整流管SR1与SR3导通。Mode2(tl t2)当谐振电容电压Vcr超过V总线一定值(AV)后，D2、D4、TVS1 与TVS2导通(id2&Id4与iTVS)，箝位电路开始起作用，谐振电容电压Vcr被箝位在V箝位， 箝位电压V箝位比直流总线输入电压V总线高A V，这个电压降在TVS上面(VTVS)，箝位时 流过D2与D4的电流(id2&Id4)也同时流过TVS1和TVS2 (iTVS)，一次侧谐振电流被限制为 ip限定值，且二次侧同步整流管SR1与SR3继续导通。Mode3 (t2_t3)在t2时刻开关Qb&Qd关断，经过一段Qa&Qc，Qb&Qd都不导通的死 区时间，一次侧电流由Qa&Qc体二极管续流后，开关Qa&Qc以ZVS方式开始导通，施加在谐 振回路上的电压为-Vin使Q2导通，一次侧电流ip从ip限定值下降，谐振电容Cr上的电 压Vcr被箝位于，箝位电压值V箝位，但是流过箝位二极管D2、D4及TVS的电流(id2&Id4 与iTVS)在逐渐下降，在电流下降到一定值后，TVS两端的压降也开始下降，到t3时流过箝 位二极管D2、D4和TVS的电流下降到零，而TVS两端的压降也降到近似为零。Mode4 (t3_t4)、Mode5 (t4_t5)与 Mode6 (t5_t6)三个模式与前述 Model (t0 tl)、 Mode2 (tl t2)与Mode3 (t2_t3)三个模式类似，箝位二极管为D1与D3导通起作用。一次 侧谐振电流被限制在_ip限定值。谐振电容电压Vcr被箝位在-V箝位。Model (t0 tl)，Mode2 (tl t2)，Mode3 (t2_t3)，Mode4 (t3_t4)，Mode5 (t4_t5) 与Mode6(t5-t6)构成了一个完整的周期。图8及图9将谐振电容分开，箝位部分谐振电容电压的方法，可以进一步提高箝位 电压值。本发明除了运用于图6及图8所示之半桥谐振电路，图7及图9所示之全桥谐振电 路0CP箝位外，还包括在三电位及多电位谐振等变换器的0CP箝位以拓展保护电路。本发明 可利用单个箝位半导体(例如，二极管)和电压组件在直流母线的一边进行箝位，例如，图 13显示一依据本发明构想之第五较佳实施例，其即为以一电压组件Vxl在直流母线的一边 进行箝位，并以二极管箝位谐振电容电压的对称全桥型谐振电路之电路图。其与图7之主 要不同处在于，其使用一个电压组件Vxl进行箝位，而图7中使用两个电压组件Vxl与Vx2 进行箝位。另，图7中之变压器T在图13中被两个电压器T1与T2所取代，且谐振电感Lsl 与激磁电感Lm2互换位置，以及谐振电感Ls2与激磁电感Lml互换位置。而图6到图9、图 11与图13中，该桥式电路Qa-Qb或者Qa-Qd为一方波发生装置。除图13以外，本发明之 其它较佳实施例中，为了使电路对称得到更好的效果而在直流母线两边对称箝位。这种方 法简单易实现，无需额外控制电路，属于无源可控制，可靠性很高。可以使电路设计更加灵 活，使得参数选择基本上不受箝位电路的限制，具有电路工作范围大的优点，并且可以根据 需要灵活的改变箝位电压值，使之和直流输入电压在一定范围内实现解耦。因仅需要增加
13部分电路，故其成本较低。综上所述，本发明揭露了一种具过流保护装置之谐振变换器及其控制方法，在谐 振变换器二次侧短路时，提供过流保护，并且解决谐振变换器一次侧开关电流应力过大的 问题，同时也解决了谐振电容电压只能箝位在输入电压，一次侧开关电流应力完全由输入 电压决定，谐振变换器电路设计参数和工作范围受到限制等问题；因而确实有其进步性与 新颖性。是以，纵使本案已由上述之实施例所详细叙述而可由熟悉本技艺之人士任施匠思 而为诸般修饰，然皆不脱如附申请专利范围所欲保护者。
权利要求
1.一种直流/直流谐振变换器，其特征在于，包含一方波发生装置，用于产生一具有方波波形的电压，包括一第一输入端，用于接收一直流输入电压；一谐振槽，耦合于该方波发生装置，包括一第一谐振电容；以及一谐振电感，耦合于该第一谐振电容；以及一过流保护装置，耦合于该第一谐振电容与该第一输入端之间，包括一第一开关组件，具一第一与一第二端；以及一第一电压组件，具一负极端与一正极端，其中该负极端耦合于该第一输入端，且该正 极端耦合于该第一开关组件之该第二端。
2.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，该方波发生装置为一桥式电路，且更包括 一第二输入端，用于接收一直流输入电压和一第一桥臂耦接于该第一输入端与该第二输入 端之间，而该第一桥臂包括一第一切换开关与一第二切换开关耦接于该第一切换开关(改 为切换开关以与开关组件区隔并符合此地不用「开关管」名称之习惯)。
3.如权利要求2所述的变换器，其特征在于，该第一谐振电容具一第一与一第二端，该 过流保护装置更包括具一第一端与一第二端之一第二开关组件与具一负极端与一正极端 之一第二电压组件，该第一谐振电容之该第一端耦合于该第一电压组件之该负极端，该第 一谐振电容之该第二端耦合于该第二开关组件之该第二端，该第二电压组件之该负极端耦 合于该第二开关组件之该第一端，且该第二电压组件之该正极端耦合于该第二输入端。
4.如权利要求3所述的变换器，其特征在于，该第一与该第二开关组件分别为各具一 阳极与一阴极之一第一与一第二箝位二极管，且各该二极管之该阳极与该阴极即为各该开 关组件之该第一端与该第二端。
5.如权利要求3所述的变换器，其特征在于，各该第一与该第二电压组件系选自一压 敏电阻(Varistor)、一气体放电管(Gas tube)、一单向瞬态电压抑制器(TVS)、一双向TVS、 一 RC并联组成电路与一将闸极和源极短路的MOSFET其中之任一。
6.如权利要求3所述的变换器，更包括具一第一端与一第二端之一第二谐振电容，其 特征在于，该第二开关组件之该第二端耦合于该第一开关组件之该第一端，该第二谐振电 容之该第二端耦合于该第二电压组件之该正极端，且该第二谐振电容之该第一端耦合于该 第一谐振电容之该第二端。
7.如权利要求3所述的变换器，更包括一切换开关电路、一激磁电感、一变压器、一输 出整流电路、一输出电容与一电流源，且为一 LLC谐振变换器，其特征在于，该激磁电感、该 谐振电感与该输出电容各具一第一与一第二端，该切换开关电路包括各具一第一与一第二 端之一第一与一第二切换开关，该输出整流电路包括各具一阳极与一阴极之一第一与一第 二整流二极管，该变压器包括一一次侧绕阻与一具一第一与一第二端和一中央抽头之二次 侧绕阻，该第一切换开关之该第一端耦合于该第一电压组件之该负极端，该第一切换开关 之该第二端耦合于该第二切换开关之该第一端，该第二切换开关之该第二端耦合于该第二 电压组件之该正极端，该谐振电感之该第一端耦合于该第一切换开关之该第二端，该激磁 电感之该第一端耦合于该谐振电感之该第二端，该激磁电感之该第二端耦合于该第二开关 之该第二端，该一次侧绕阻并联电连接于该激磁电感，该二次侧绕阻之该第一端耦合于该第一整流二极管之该阳极，该二次侧绕阻之该第二端耦合于该第二整流二极管之该阳极， 该第一整流二极管之该阴极耦合于该第二整流二极管之该阴极，该输出电容之该第一端耦 合于该第二整流二极管之该阴极，该输出电容之该第二端耦合于该中央抽头，且该电流源 并联电连接于该输出电容。
8.如权利要求3所述的变换器，更包括各具一第一端与一第二端之一第二、一第三与 一第四谐振电容，其特征在于，该第一谐振电容之该第一端耦合于该第一电压组件之该负 极端该第二谐振电容之该第一端耦合于该第一谐振电容之该第二端，该第三谐振电容之该 第一端耦合于该第二谐振电容之该第二端与该第二开关组件之该第二端，该第一开关组件 之该第一端耦合于该第三谐振电容之该第二端与该第四谐振电容之该第一端，且该第四谐 振电容之该第二端耦合于该第二输入端。
9.如权利要求2所述的变换器，其特征在于，该桥式电路为一全桥结构，且包括一第二 桥臂耦接于该第一输入端与该第二输入端之间，该桥臂包括一第三切换开关与一第四切换 开关耦接于该第三切换开关。
10.如权利要求9所述的变换器，其特征在于，该第一谐振电容具一第一与一第二端， 该过流保护装置更包括各具一第一端与一第二端之一第二至一第四开关组件，该第一谐振 电容之该第一端耦合于该第二开关组件之该第二端，该第一谐振电容之该第二端耦合于该 第四开关组件之该第一端，该第二开关组件之该第二端耦合于该第一开关组件之该第一 端，该第三开关组件之该第一端耦合于该第二开关组件之该第一端，该第四开关组件之该 第二端耦合于该第一开关组件之该第二端，该第四开关组件之该第一端耦合于该第三开关 组件之该第二端，该第二输入端耦合于该第三开关组件之该第一端，该第一电压组件之该 负极端耦合于该第一输入端，且该第一电压组件之该正极端耦合于该第一开关组件之该第二端。
11.如权利要求10所述的变换器，其特征在于，该第一至该第四开关组件分别为各具 一阳极与一阴极之一第一至一第四箝位二极管，且各该二极管之该阳极与该阴极即为各该 开关组件之该第一端与该第二端。
12.如权利要求10所述之变换器为一LLC电路，且更包括一切换开关电路、一第一与一 第二谐振电感、一第一与一第二激磁电感、一第一变压器、一第二变压器、一同步整流电路、 一第一与一第二输出电容、一输出电感与一电流源，其特征在于，该切换开关电路耦合于该 第一与该第二输入端以及该第一与该第二激磁电感，该第一激磁电感耦合于该第二谐振电 感，该第二谐振电感耦合于该谐振电容之该第二端，该第二激磁电感耦合于该第一谐振电 感，该第一谐振电感耦合于该第一谐振电容之该第一端，该第一变压器耦合于该第一激磁 电感与该同步整流电路，该第二变压器耦合于该第二激磁电感与该同步整流电路，该第一 与该第二输出电容及该输出电感均耦合于该同步整流电路，且该电流源并联电连接于该第 二输出电容。
13.如权利要求9所述的变换器，其特征在于，该第一谐振电容具一第一与一第二端， 该过流保护装置更包括各具一第一端与一第二端之一第二至一第四开关组件，该第一谐振 电容之该第一端耦合于该第二开关组件之该第二端，该第一谐振电容之该第二端耦合于该 第四开关组件之该第一端，该第二开关组件之该第二端耦合于该第一开关组件之该第一 端，该第三开关组件之该第一端耦合于该第二开关组件之该第一端，该第四开关组件之该第二端耦合于该第一开关组件之该第二端，该第四开关组件之该第一端耦合于该第三开关 组件之该第二端，该第一电压组件之该负极端耦合于该第一输入端，该第一电压组件之该 正极端耦合于该第一开关组件之该第二端，该第二电压组件之该负极端耦合于该第二开关 组件之该第一端，且该第二电压组件之该正极端耦合于该第二输入端。
14.如权利要求13所述的变换器为一LLC电路，且更包括一切换开关电路、一第一与一 第二谐振电感、一第一与一第二激磁电感、一变压器、一同步整流电路、一第一与一第二输 出电容、一输出电感与一电流源，其特征在于，该切换开关电路耦合于该第一与该第二输入 端以及该第一与该第二谐振电感，该第一谐振电感耦合于该第二激磁电感，该第二激磁电 感耦合于该第一谐振电容之该第一端，该第二谐振电感耦合于该第一激磁电感，该第一激 磁电感耦合于该第一谐振电容之该第二端，该变压器耦合于该第一与该第二激磁电感与该 同步整流电路，该第一与该第二输出电容及该输出电感均耦合于该同步整流电路，且该电 流源并联电连接于该第二输出电容。
15.如权利要求13所述的变换器更包括一第二与一第三谐振电容，其特征在于，该第 二与该第三谐振电容各具一第一与一第二端，该第二谐振电容之该第二端耦合于该第一谐 振电容之该第一端，且该第三谐振电容之该第一端耦合于该第一谐振电容之该第二端。
16.如权利要求15所述的变换器为一LLC电路，且更包括一切换开关电路、一第一与一 第二谐振电感、一第一与一第二激磁电感、一变压器、一同步整流电路、一第一与一第二输 出电容、一输出电感与一电流源，其特征在于，该切换开关电路耦合于该第一与该第二输入 端以及该第一与该第二谐振电感，该第一谐振电感耦合于该第二激磁电感，该第二激磁电 感耦合于该第二谐振电容之该第一端，该第二谐振电感耦合于该第一激磁电感，该第一激 磁电感耦合于该第三谐振电容之该第二端，该变压器耦合于该第一与该第二激磁电感与该 同步整流电路，该第一与该第二输出电容及该输出电感均耦合于该同步整流电路，且该电 流源并联电连接于该第二输出电容。
17.一种直流/直流谐振变换器，其特征在于，包含一过流保护装置，包括一第一开关组件，具一第一端与一第二端；以及一第一电压组件，具一负极端与一正极端，其中该负极端耦合于一外加之直流输入电 压源之一正极端，该第一电压组件之该正极端耦合于该第一开关组件之该第二端。
18.如权利要求17所述的变换器，其特征在于，包括一方波发生装置，用于产生具有方波波形的电压，包括一第一输入端，用于接收一直流 输入电压；以及一谐振槽，耦合于该方波发生装置，包括一第一谐振电容；以及一谐振电感，耦合于该第一谐振电容。
19.一种用于一具一过流保护装置、一谐振回路与一具一第一组与一第二组开关之切 换开关电路的直流/直流谐振变换器的控制方法，其特征在于，方法包含下列之步骤(a)提供一输入电压、一谐振电容电压与一谐振电流；(b)当该变换器在一正常的谐振工作阶段，使该切换开关电路之该第一组开关导通；(c)当该谐振电容电压超过该输入电压达到一第一预定值后，使该过流保护装置导通；以及(d)当该谐振电流从一正向的最大谐振电流值开始减少时，使该第一组开关关断。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该步骤(b)更包括下列之步骤 (bl)使该输入电压加载在一谐振回路上；(b2)使该谐振电流从零增加到该正向的最大谐振电流值；以及 (b3)使该谐振电容电压从一负向之最大箝位电压值增加到一正向之最大箝位电压值， 其中该正向之最大箝位电压值大于该输入电压值。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该步骤(c)更包括下列之步骤 (cl)使该谐振电容电压被箝位在一正向之最大箝位电压值；以及(c2)使该谐振电流被限制为该正向的最大谐振电流值。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该步骤(d)更包括下列之步骤 (dl)经过一死区时间，而后使该第二组开关以一零电压切换的方式导通；(d2)施加该输入电压之一负值于一谐振回路上，使该谐振电流从该正向的最大谐振电 流值开始下降；(d3)使该谐振电容电压维持在一正向之最大箝位电压值一段时间；以及 (d4)当该谐振电流下降到一第二预定值后，使该谐振电容电压亦逐渐下降，直至该谐 振电流与该谐振电容电压均下降到零。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，该直流/直流谐振变换器为一如申请专 利范围第14项所述之直流/直流谐振变换器，其中该第一组开关为该第二与该第四切换开 关，该第二组开关为该第一与该第三切换开关，且该谐振回路为该第一与该第二谐振电感、 该第一与该第二激磁电感以及该第一谐振电容。
全文摘要
本发明系揭露一种谐振变换器，包含一第一与一第二输入端，用于接收一输入电压，一过流保护装置，包括一第一二极管，具一阴极，一第二二极管，具一阳极与一阴极，其中该阳极耦合于该第二输入端，以及一第一电压组件，具一负极端与一正极端，其中该负极端耦合于该第一输入端，且该正极端耦合于该第一二极管之该阴极，一第一谐振电容，具一第一端与一第二端，其中该第一端耦合于该第一电压组件之该负极端，且该第二端耦合于该第二二极管之该阴极，以及一第二谐振电容，具一第一端耦合于该第一谐振电容之该第二端。
文档编号H02M1/32GK101997421SQ20091016821
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年8月14日
发明者叶益青, 应建平, 张文新, 彼得·巴博沙, 曾剑鸿, 李文章, 言超 申请人:台达电子工业股份有限公司