直流转直流转换器及其能量分配方法与流程

本发明涉及一种电源转换器，尤其涉及一种具备能量分配机制的直流转直流转换器及其能量分配方法。
背景技术：
：于现行的直流转直流转换器中，当直流转直流转换器的输出端的负载发生剧烈变动或是直流转直流转换器的负载被卸除时，直流转直流转换器中所储存的能量通常无法被宣泄，导致直流转直流转换器的输出端的电压产生上冲现象。而上冲的输出电压极可能会对直流转直流转换器内部的元件或其输出端的其他负载造成损坏。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供一种直流转直流转换器及其能量分配方法，可在直流转直流转换器的负载发生变动或是被卸除时，抑制直流转直流转换器的直流输出电压的上冲现象。本发明的直流转直流转换器耦接于直流电源和负载之间。直流转直流转换器包括第一切换电路以及能量分配电路。第一切换电路耦接直流电源以接收直流输入电压，且受控于第一控制信号以产生脉动电压。能量分配电路耦接直流电源以及第一切换电路，以接收脉动电压并储存电能。能量分配电路受控于第二控制信号以将电能转换为直流输出电压以对负载供电，或受控于第二控制信号以将电能回收至直流电源。在本发明的一实施例中，上述的直流转直流转换器还包括控制电路。控制电路耦接第一切换电路及能量分配电路，且用以检测直流输出电压。当直流输出电压大于第一临界电压时，控制电路产生第一控制信号以关断第一切换电路，且产生第二控制信号以关断能量分配电路与负载之间的电力传输路径，以停止将电能转换为直流输出电压并将电能回收至直流电源，以抑制直流输出电压至小于或等于第一临界电压。在本发明的一实施例中，当直流输出电压小于或等于第一临界电压但大于第二临界电压时，控制电路产生第一控制信号以关断第一切换电路，且控制电路产生第二控制信号以控制能量分配电路与负载之间的电力传输路径的启闭，以将电能转换为直流输出电压或将电能回收至直流电源。当直流输出电压小于或等于第二临界电压时，控制电路产生该第一控制信号以控制第一切换电路的启闭，且控制电路产生第二控制信号以导通能量分配电路与负载之间的电力传输路径，以停止将电能回收至直流电源，并将电能转换为直流输出电压。在本发明的一实施例中，上述的第一切换电路为硬性切换电路或谐振柔性切换电路或准谐振柔性切换电路。在本发明的一实施例中，上述的直流转直流转换器还包括第二切换电路以及控制电路。第二切换电路耦接能量分配电路，且受控于第三控制信号以对直流输出电压进行升压，以使直流输出电压大于直流输入电压。控制电路耦接第一切换电路、能量分配电路及第二切换电路，且用以检测直流输出电压。当直流输出电压大于第一临界电压时，控制电路产生第一控制信号以关断第一切换电路，控制电路产生第三控制信号以关断第二切换电路，且控制电路产生第二控制信号以导通能量分配电路与直流电源之间的电力回收路径，以停止将电能转换为直流输出电压并将电能回收至直流电源，以抑制直流输出电压至小于或等于第一临界电压。在本发明的一实施例中，当直流输出电压小于或等于第一临界电压但大于第二临界电压时，控制电路产生第一控制信号以关断第一切换电路，控制电路产生第三控制信号以关断第二切换电路，且控制电路产生第二控制信号以控制该能量分配电路的启闭，以将电能转换为直流输出电压或将电能回收至直流电源。当直流输出电压小于或等于第二临界电压时，控制电路产生第一控制信号以导通第一切换电路，控制电路产生第二控制信号以关断能量分配电路与直流电源之间的电力回收路径，且控制电路产生第三控制信号以控制第二切换电路的启闭，以停止将电能回收至直流电源并将电能转换为直流输出电压，并且使直流输出电压维持在第二临界电压。本发明的能量分配方法可用于直流转直流转换器。上述的能量分配方法包括以下步骤。通过直流转直流转换器的第一切换电路接收直流电源的直流输入电压，且反应于第一控制信号以产生脉动电压。通过直流转直流转换器的能量分配电路接收脉动电压以储存电能。通过能量分配电路反应于第二控制信号以将所储存的电能转换为直流输出电压以对负载供电，或通过能量分配电路反应于第二控制信号以将所储存的电能回收至直流电源。基于上述，本发明实施例的直流转直流转换器及其能量分配方法可在负载发生变动或是被卸除时启动电能回收机制，以将所储存的电能回收至直流电源。如此一来，可有效抑制直流输出电压的电压值，以避免过高的直流输出电压对直流转直流转换器内部的元件或负载造成损坏。除此一外，本发明实施例的直流转直流转换器还具有零电流切换或零电压切换的优点，可有效降低切换损失以提高整体转换效率，并可降低电磁干扰。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。附图说明附图是本发明的说明书的一部分，示出了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起说明本发明的原理。图1是依照本发明一实施例所示的直流转直流转换器的电路方块示意图。图2是依照本发明一实施例所示的图1的直流转直流转换器的电路架构示意图。图3是依照本发明另一实施例所示的图1的直流转直流转换器的电路架构示意图。图4是依照本发明一实施例所示的图3的谐振槽的电路架构示意图。图5是依照本发明一实施例所示的直流转直流转换器的电路方块示意图。图6是依照本发明一实施例所示的图5的直流转直流转换器的电路架构示意图。图7是依照本发明一实施例所示的直流转直流转换器的能量分配方法的步骤流程示意图。符号说明：100、100’、200：直流转直流转换器；120、120’：第一切换电路；140、240：能量分配电路；142、242：旁通电路；160、260：控制电路；280：第二切换电路；322：谐振槽；910：直流电源；920：负载；co：输出电容；cr：谐振电容；cs1：第一控制信号；cs2：第二控制信号；cs3：第三控制信号；d1：飞轮二极管；d2、d13：功率二极管；d12：第一二极管；dr：二极管；ee：电能；gnd：接地端；lf：电感；lr：谐振电感；q1、q2、q12：功率开关；q13：旁通开关；s500、s510、s520：步骤；vin：直流输入电压；vout：直流输出电压；vp：脉动电压；vt2：第二临界电压；vt1：第一临界电压。具体实施方式为了使本发明创造的内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明创作确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中使用相同标号的元件/构件，代表相同或类似部件。以下请参照图1，图1是依照本发明一实施例所示的直流转直流转换器的电路方块示意图。直流转直流转换器100可为升压式或降压式直流转直流转换器，端视实际应用或设计需求而定。直流转直流转换器100耦接于直流电源910与负载920之间。直流转直流转换器100可包括第一切换电路120、能量分配电路140以及控制电路160，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，控制电路160也可不包含在直流转直流转换器100的内部而为独立于直流转直流转换器100之外的一控制芯片。如图1所示，第一切换电路120耦接直流电源910以接收直流输入电压vin，且受控于第一控制信号cs1以进行切换，从而产生脉动电压vp。能量分配电路140耦接直流电源910及第一切换电路120，以接收脉动电压vp并储存电能ee。能量分配电路140受控于第二控制信号cs2以将电能ee转换为直流输出电压vout以对负载920供电，或受控于第二控制信号cs2以将电能ee回收至直流电源910。另外，控制电路160耦接第一切换电路120以及能量分配电路140。在本发明的一实施例中，控制电路160可用以检测直流输出电压vout。当直流输出电压vout大于第一临界电压vt1时，控制电路160可产生第一控制信号cs1以关断第一切换电路120，且可产生第二控制信号cs2以关断能量分配电路140与负载920之间的电力传输路径，以停止将电能ee转换为直流输出电压vout并将电能ee回收至直流电源910，以抑制直流输出电压vout至小于或等于第一临界电压vt1。在能量分配电路140停止将电能ee转换为直流输出电压vout的情况下，基于直流输出电压vout仍持续对负载920供电，因此直流输出电压vout将会降低。为了避免直流输出电压vout突然过低而导致负载920被断电，能量分配电路140将在直流输出电压vout小于或等于第一临界电压vt1时开始将电能ee转换为直流输出电压vout。详细来说，当直流输出电压vout小于或等于第一临界电压vt1但大于第二临界电压vt2时，控制电路160可产生第一控制信号cs1以控制第一切换电路120维持在关断状态，且控制电路160可产生第二控制信号cs2以控制能量分配电路140与负载920之间的电力传输路径的启闭，以将电能ee转换为直流输出电压vout或将电能ee回收至直流电源910，其中第一临界电压vt1大于第二临界电压vt2。当直流输出电压vout小于或等于第二临界电压vt2时，控制电路160可产生第一控制信号cs1以控制第一切换电路120的启闭，且控制电路160产生第二控制信号cs2以导通能量分配电路140与负载920之间的电力传输路径。此时，能量分配电路140停止将电能ee回收至直流电源910，能量分配电路140根据来自第一切换电路120的脉动电压vp储存电能ee并转换为直流输出电压vout，并将直流输出电压vout维持在第二临界电压vt2。在本发明的一实施例中，第一切换电路120可为硬性切换电路或谐振柔性切换电路(resonantsoftswitchingcircuit)或准谐振柔性切换电路(quasiresonantsoftswitchingcircuit)，但本发明不限于此。在本发明的一实施例中，控制电路160可以是硬件、固件或是储存在存储器而由微处理器或是微控制器所载入执行的软件或机器可执行程序码。若是采用硬件来实现，则控制电路160可以是由单一整合电路芯片所达成，也可以由多个电路芯片所完成，但本发明并不以此为限制。上述多个电路芯片或单一整合电路芯片可采用特殊功能集成电路(asic)或可程序化逻辑闸阵列(fpga)来实现。而上述存储器可以是例如随机存取存储器、只读存储器或是快闪存储器等等。以下请参照图2，图2是依照本发明一实施例所示的图1的直流转直流转换器的电路架构示意图。如图2所示，第一切换电路120为硬性切换电路，其中第一切换电路120包括功率开关q1。功率开关q1的第一端耦接直流电源910以接收直流输入电压vin，功率开关q1的控制端接收第一控制信号cs1，且功率开关q1的第二端可输出脉动电压vp。能量分配电路140包括电感lf、飞轮二极管d1、旁通电路142、功率开关q2以及输出电容co。电感lf的第一端耦接第一切换电路120以接收脉动电压vp并储存电能ee。飞轮二极管d1的阴极端耦接电感lf的第一端，且飞轮二极管d1的阳极端耦接接地端gnd。旁通电路142耦接在直流电源910与电感lf的第二端之间。旁通电路142可在直流输出电压vout大于或等于第一临界电压vt1时被导通，以将电能ee回收至直流电源910。功率开关q2的第一端耦接电感lf的第二端，且功率开关q2的控制端接收第二控制信号cs2。输出电容co的第一端耦接功率开关q2的第二端以产生直流输出电压vout，且输出电容co的第二端耦接接地端gnd。在本发明的一实施例中，旁通电路142可包括功率二极管d2，其中功率二极管d2的阴极端耦接直流电源910，且功率二极管d2的阳极端耦接电感lf的第二端，但本发明不限于此。在本发明的另一实施例中，设计者也可采用功率电晶体来取代功率二极管d2。于正常的运作下，功率开关q2为导通状态，功率二极管d2为截止状态，且控制电路160可根据直流输出电压vout的电压值或负载920的用电需求而产生第一控制信号cs1，以控制功率开关q1的启闭运作，从而决定电感lf为储能状态或释能状态。当功率开关q1为导通状态时，电感lf的两端连接直流电源910与负载920，此时电感lf储存电能ee及传送能量至输出电容co及负载920。当功率开关q1为关断状态时，电感lf通过飞轮二极管d1进行飞轮运作，以将所储存的电能ee释放至输出电容co及负载920。可以理解的是，于正常的运作下，能量分配电路140形同一低通滤波器，可滤除脉动电压vp的高频成份以输出稳定的直流输出电压vout至负载920。此时的直流输出电压vout可例如被维持在第二临界电压vt2。当负载920发生剧烈变动时，例如负载920的状态由重载变为轻载或空载时，直流输出电压vout将会向上拉升。当直流输出电压vout上升至大于第二临界电压vt2但仍小于或等于第一临界电压vt1时，控制电路160将关断功率开关q1，并控制功率开关q2的启闭，以在功率开关q2被导通时将所储存的电能ee释放至输出电容co及负载920，或在功率开关q2被关断时通过功率二极管d2将电能ee回收至直流电源910。一旦直流输出电压vout持续上升并上升至大于第一临界电压vt1时，功率开关q1及q2皆维持在关断状态，致使电感lf所储存的电能ee通过功率二极管d2被回收至直流电源910，以抑制直流输出电压vout至小于或等于第一临界电压vt1。以下列示了直流输出电压vout的大小与功率开关q1及q2的状态如表1所示。直流输出电压vout功率开关q1功率开关q2vo>vt1关断关断vt1≧vo>vt2关断受控启闭vt2≧vo受控启闭导通表1可以理解的是，通过能量分配电路140的电能回收机制，可有效抑制直流输出电压vout的电压值(例如导因于负载920的剧烈变动)，以避免过高的直流输出电压vout对直流转直流转换器200内部的元件或轻载状态下的负载920造成损坏。以下请参照图3，图3是依照本发明另一实施例所示的图1的直流转直流转换器的电路架构示意图。图3的能量分配电路140以及控制电路160分别类似于图2的能量分配电路140以及控制电路160，故其实施方式及详细运作可参酌上述图2的相关说明，在此不再赘述。相较于图2的第一切换电路120为硬性切换电路，图3的第一切换电路120’可为谐振柔性切换电路或准谐振柔性切换电路。第一切换电路120’具有零电流切换(zero-currentswitching，zcs)或零电压切换(zero-voltageswitching，zvs)的优点，可降低切换损失以提高整体转换效率，并可降低电磁干扰(electromagneticinterference，emi)。如图3所示，第一切换电路120’可包括功率开关q1以及谐振槽(resonanttank)322。功率开关q1的第一端耦接直流电源910以接收直流输入电压vin，且功率开关q1的控制端接收第一控制信号cs1。谐振槽322耦接在功率开关q1的第二端与能量分配电路140之间以产生谐振，并输出脉动电压vp。以下请合并参照图3及图4，图4是依照本发明一实施例所示的图3的谐振槽的电路架构示意图。谐振槽322可包括二极管dr、谐振电感lr及谐振电容cr，但本发明不限于此。二极管dr的阳极端耦接功率开关q1的第二端，且二极管dr的阴极端耦接谐振电感lr的第一端。谐振电感lr的第二端与谐振电容cr的第一端相耦接并产生脉动电压vp。谐振电容cr的第二端耦接接地端gnd。由于谐振槽322的运作为本领域技术人员所熟悉，故在此不再赘述。在本发明的另一实施例中，也可省略图4的谐振槽322的二极管dr，并将谐振电感lr的第一端耦接功率开关q1的第二端。在本发明的其他实施例中，图3的谐振槽322也可采用其他已知的谐振槽电路来实现。以下请参照图5，图5是依照本发明一实施例所示的直流转直流转换器的电路方块示意图。直流转直流转换器200为升压式与降压式通用型直流转直流转换器。直流转直流转换器200耦接于直流电源910与负载920之间。直流转直流转换器200可包括第一切换电路120、能量分配电路240、第二切换电路280以及控制电路260，但本发明并不以此为限。在本发明的其他实施例中，控制电路260也可不包含在直流转直流转换器200的内部而为独立于直流转直流转换器200之外的一控制芯片。如图5所示，第一切换电路120耦接直流电源910以接收直流输入电压vin，且受控于第一控制信号cs1以进行切换，从而产生脉动电压vp。能量分配电路240耦接直流电源910及第一切换电路120，以接收脉动电压vp并储存电能ee。能量分配电路240受控于第二控制信号cs2以将电能ee转换为直流输出电压vout以对负载920供电，或受控于第二控制信号cs2以将电能ee回收至直流电源910。第二切换电路280耦接能量分配电路240，且受控于第三控制信号cs3以对直流输出电压vout进行升压，致使直流输出电压vout大于直流输入电压vin。详细来说，当第一切换电路120为导通状态且第二切换电路280受控于第三控制信号cs3而进行启闭切换时，则直流转直流转换器200运作于升压模式，致使直流输出电压vout大于直流输入电压vin。相对地，当第二切换电路280为关断状态且第一切换电路120受控于第一控制信号cs1而进行启闭切换时，直流转直流转换器200运作于降压模式，致使直流输出电压vout小于直流输入电压vin。另外，控制电路260耦接第一切换电路120、第二切换电路280以及能量分配电路240。在本发明的一实施例中，控制电路260可用以检测直流输出电压vout。当直流输出电压vout大于第一临界电压vt1时，控制电路260可产生第一控制信号cs1及第三控制信号cs3以分别关断第一切换电路120及第二切换电路280，且可产生第二控制信号cs2以导通能量分配电路240与直流电源910之间的电力回收路径，以停止将电能ee转换为直流输出电压vout并将电能ee回收至直流电源910，以抑制直流输出电压vout至小于或等于第一临界电压vt1。在能量分配电路240停止将电能ee转换为直流输出电压vout的情况下，基于直流输出电压vout仍持续对负载920供电，因此直流输出电压vout将会降低。为了避免直流输出电压vout突然过低而导致负载920被断电，能量分配电路240将在直流输出电压vout小于或等于第一临界电压vt1时开始将电能ee转换为直流输出电压vout。详细来说，当直流输出电压vout小于或等于第一临界电压vt1但大于第二临界电压vt2时，控制电路260可产生第一控制信号cs1以控制第一切换电路120维持在关断状态，控制电路260可产生第三控制信号cs3以控制第二切换电路280维持在关断状态，且控制电路260可产生第二控制信号cs2以控制能量分配电路240的启闭，以将电能ee转换为直流输出电压vout或将电能ee回收至直流电源910，其中第一临界电压vt1大于第二临界电压vt2。当直流输出电压vout小于或等于第二临界电压vt2时，控制电路260可产生第一控制信号cs1以导通第一切换电路120，控制电路260可产生第二控制信号cs2以关断能量分配电路240与直流电源910之间的电力回收路径，且控制电路260可产生第三控制信号cs3以控制第二切换电路280的启闭，以使直流转直流转换器200操作于升压模式并将直流输出电压vout维持在第二临界电压vt2。此时，能量分配电路240停止将电能ee回收至直流电源910。另外，图5的第一切换电路120及控制电路260的实施方式类似于上述图1的第一切换电路120及控制电路160，故可参酌上述图1的相关说明，在此不再赘述。以下请参照图6，图6是依照本发明一实施例所示的图5的直流转直流转换器的电路架构示意图。如图6所示，第一切换电路120包括功率开关q1。功率开关q1的第一端耦接直流电源910以接收直流输入电压vin，功率开关q1的控制端接收第一控制信号cs1，且功率开关q1的第二端可输出脉动电压vp。能量分配电路240可包括电感lf、飞轮二极管d1、旁通电路242、第一二极管d2以及输出电容co。电感lf的第一端耦接第一切换电路120以接收脉动电压vp并储存电能ee。飞轮二极管d1的阴极端耦接电感lf的第一端，且飞轮二极管d1的阳极端耦接接地端gnd。旁通电路242耦接在直流电源910与电感lf的第二端之间。旁通电路242可在直流输出电压vout大于或等于第一临界电压vt1时被导通，以将电能ee回收至直流电源910。第一二极管d12的阳极端耦接电感lf的第二端。输出电容co的第一端耦接第一二极管d12的阴极端以产生直流输出电压vout，且输出电容co的第二端耦接接地端gnd。在本发明的一实施例中，旁通电路242包括功率二极管d13以及旁通开关q13。功率二极管d13的阴极端耦接直流电源910。旁通开关q13的第一端耦接电感lf的第二端，旁通开关q13的控制端接收第二控制信号cs2，且旁通开关q13的第二端耦接功率二极管d13的阳极端。旁通开关q13的第一端与第二端之间存在一寄生二极管，其中此寄生二极管的阴极端为旁通开关q13的第一端，且此寄生二极管的阳极端为旁通开关q13的第二端。在本发明的一实施例中，第二切换电路280包括功率开关q12。功率开关q12的第一端耦接电感lf的第二端，功率开关q12的控制端接收第三控制信号cs3，且功率开关q12的第二端耦接接地端gnd。于正常的运作下，旁通开关q13为关断状态，功率二极管d2为截止状态。另外，于正常运作下，若直流转直流转换器200设定为降压模式，则功率开关q12设定为关断状态，且控制电路260根据直流输出电压vout的电压值或负载920的用电需求而产生第一控制信号cs1，以控制功率开关q1的启闭运作。相对地，于正常运作下，若直流转直流转换器200设定为升压模式，则功率开关q1设定为导通状态，且控制电路260根据直流输出电压vout的电压值或负载920的用电需求而产生第三控制信号cs3，以控制功率开关q12的启闭运作。由于直流转直流转换器200的降压运作以及升压运作为本领域技术人员所熟知，故在此不再赘述。可以理解的是，于正常的运作下，能量分配电路240形同一低通滤波器，其可输出稳定的直流输出电压vout至负载920。此时的直流输出电压vout可例如被维持在第二临界电压vt2。当负载920发生剧烈变动时，例如负载920的状态由重载变为轻载或空载时，直流输出电压vout将会向上拉升。当直流输出电压vout上升至大于第二临界电压vt2但仍小于或等于第一临界电压vt1时，控制电路260将关断功率开关q1及功率开关q12，且控制电路260控制旁通开关q13的启闭，以在旁通开关q13被关断时将所储存的电能ee通过飞轮二极管d1及第一二极管d12释放至输出电容co及负载920，或在旁通开关q13被导通时将电能ee回收至直流电源910。一旦直流输出电压vout上升至大于第一临界电压vt1时，功率开关q1及q12皆维持在关断状态，且旁通开关q13会被维持在导通状态，致使电感lf所储存的电能ee可通过飞轮二极管d1、旁通开关q13以及功率二极管d13而被回收至直流电源910。此时第一二极管d12为截止状态，以抑制直流输出电压vout至小于或等于第一临界电压vt1。以下列示了当直流转直流转换器200运作于升压模式时，直流输出电压vout的大小与功率开关q1、q12及旁通开关q13的状态如表2所示。直流输出电压vout功率开关q1功率开关q12旁通开关q13vo>vt1关断关断导通vt1≧vo>vt2关断关断受控启闭vt2≧vo导通受控启闭关断表2以下请合并参照图1及图7，图7是依照本发明一实施例所示的直流转直流转换器的能量分配方法的步骤流程示意图，其包括如下步骤。首先，于步骤s500中，可通过第一切换电路120接收直流电源910的直流输入电压vin，且反应于第一控制信号cs1以产生脉动电压vp。接着，于步骤s510中，可通过能量分配电路140接收脉动电压vp以储存电能ee。然后，于步骤s520中，可通过能量分配电路140反应于第二控制信号cs2以将所储存的电能ee转换为直流输出电压vout以对负载920供电，或通过能量分配电路140反应于第二控制信号cs2以将所储存的电能ee回收至直流电源910。另外，本发明的实施例的直流转直流转换器的能量分配方法的实施细节，可由图1至图6实施例的叙述中获致足够的教示、建议与实施说明，故不再赘述。综上所述，本发明实施例的直流转直流转换器及其能量分配方法可在负载发生变动或是被卸除时启动电能回收机制，以将所储存的电能回收至直流电源。如此一来，可有效抑制直流输出电压的电压值，以避免过高的直流输出电压对直流转直流转换器内部的元件或负载造成损坏。除此以外，本发明实施例的直流转直流转换器还可在配置谐振槽的实施例下具有零电流切换或零电压切换的优点，可有效降低切换损失以提高整体转换效率，并可降低电磁干扰。虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属
技术领域：
中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。当前第1页12