谐振式电源转换装置的制作方法

本申请关于一种谐振式电源转换装置，尤其是指一种具有频率检测电路的谐振式电源转换装置。

背景技术：

参阅图1，典型llc串联谐振转换器(llcseriesresonantconvertor,llc-src)的电路方块示意图。llc串联谐振转换器包含变压器tr、串联的第一功率开关q1与第二功率开关q2、并联于变压器tr的初级侧绕组的激励电感lm、串联激励电感lm的谐振电感lr、及串联激励电感lm的谐振电容cr，其中谐振电感lr、激励电感lm及谐振电容cr组成第一谐振频率ωp，谐振电感lr及谐振电容cr组成第二谐振频率ωr，谐振电感lr、谐振电容cr与寄生电容组成第三谐振频率ωs。功率开关q1,q2透过谐振电感lr、激励电感lm及谐振电容cr实现零电压导通(zerovoltageswitching,zvs)以提升电能转换效率。

前述llc串联谐振转换器运作时，转换器会检测输出电压vo，当输出电压vo大于预设值时，即判断转换器目前的负载为轻载状态，此时，转换器为防止轻载时，电压增益增高失真的问题(电压增益为输出电压vo与输入电压vi的比值)，转换器将停止控制功率开关q1,q2，意即停止电压的输出。

请同时参阅图1及图2，图2是图1的llc谐振转换器操作于轻载时的工作频率与增益曲线示意图。图2的轻载指的是llc谐振转换器操作在额定负载的20％以下。图2的横轴为频率，纵轴为增益，图2的点链线绘示图1的llc谐振转换器操作于20％额定负载时的工作频率与电压增益间的关系；图2的虚线绘示图1的llc谐振转换器操作于10％额定负载时的工作频率与电压增益间的关系；图2的实线绘示图1的llc谐振转换器操作于无负载时的工作频率与电压增益间的关系。图2可以看出，当llc谐振转换器操作于轻载且其工作频率在第一谐振频率ωp及第二谐振频率ωr之间时，随着负载降低，输出电压vo会升高，为维持稳定的输出电压vo，llc谐振转换器藉由提高工作频率而降低电压增益。然而，随着llc串联谐振转换器的工作频率逐渐提高至介于第二谐振频率ωr及第三谐振频率ωs时，因分布在高频变压器上的杂散电容干扰，电压增益不再经由提高工作频率而降低，反而是工作频率越提高，电压增益亦随着增加。在增益不减反增的情况下，llc串联谐振转换器的输出电压vo容易在轻载时输出不稳定的输出电压vo。因此，llc串联谐振转换器在其工作频率高于第二谐振频率ωr时，无法输出稳定的输出电压vo，无法满足在轻载时所需的输出电压vo。

基于上述图2，在轻负载情形下，典型llc串联谐振转换器在输出电压vo大于预设值时，即关闭功率开关q1,q2的运作，当输出电压vo降低至合理电压值时，再次启动功率开关q1,q2的运作，此时，功率开关q1,q2会在关闭与启动间循环运作。若典型llc串联谐振转换器仅依据输出电压vo的检测结果来控制功率开关q1,q2的运作，将产生误判致使功率开关q1,q2的切换次数徒增，降低了节能的效果。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本申请提供一种谐振式电源转换装置包括初级侧电路、频率检测电路、谐振转换电路、次级侧电路、次级检测电路、及控制电路。初级侧电路适于依据一控制信号，接收一输入电源而输出一初级侧电力，控制信号具有一初级频率，初级侧电力的频率对应初级频率。频率检测电路适于检测并转换初级频率为对应电位。谐振转换电路适于电性耦合初级侧电力而输出谐振电力。次级侧电路适于转换谐振电力为次级侧电力。次级检测电路适于检测次级侧电力并产生对应次级侧电力的一电压信号。控制电路适于依据电压信号输出对应的控制信号，并于对应电位高于一预定位准时，不输出控制信号。

在一些实施例中，其中初级侧电路包括一第一开关及一第二开关，该第一开关及该第二开关串联后再与输入电源并联，该第一开关及该第二开关依据控制信号而导通或不导通，且该第一开关及该第二开关不同时导通。

在一些实施例中，其中初级侧电路更包括初级侧转换器，初级侧转换器包括减极性绕组及加极性绕组，其中减极性绕组响应控制信号产生一第一栅极控制信号，加极性绕组响应控制信号产生一第二栅极控制信号。

在一些实施例中，其中频率检测电路包括隔离元件、储能元件、及耗能元件。隔离元件用以接收第一栅极控制信号及第二栅极控制信号二者之一，并仅让接收的第一栅极控制信号或第二栅极控制信号单方向通过。储能元件用以接收通过隔离元件的第一栅极控制信号或第二栅极控制信号，以产生一对应电位，该对应电位正比于该初级频率。耗能元件并联于储能元件，及耗能元件释放该对应电位，其中，初级频率、储能元件及耗能元件决定对应电位。

在一些实施例中，其中该次级检测电路包括电压检测电路、电流检测电路、及振荡控制电路。电压检测电路用以检测次级侧电力的电压并产生第四电阻。电流检测电路用以检测次级侧电力的电流并产生第六电阻。振荡控制电路用以接收第四阻值及第六阻值，并转换为该电压信号。

在一些实施例中，其中电压检测电路包含分压电路、第一比较电路、及第一隔离电路。分压电路用以将该次级侧电力的电压分压而产生分压值。第一比较电路具有一参考位准，第一比较电路用以比较分压值及参考位准，该第一比较电路于该分压值小于该参考位准时，该第一比较电路产生一第一阻值，第一比较电路于该分压值大于该参考位准时，该第一比较电路产生一第二阻值。当该第一比较电路具有该第二阻值时，该第一隔离电路产生一流向该第一比较电路的第一电流信号，且该第一隔离电路产生一第四阻值；当该第一比较电路具有该第一阻值时，该第一隔离电路未产生该第一电流信号，该第一隔离电路产生一第三阻值，该第四阻值小于该第三阻值。

在一些实施例中，其中电流检测电路包含检测单元、及回授电路。检测单元用以检测次级侧电力的电流，并将该次级侧电力的电流转换为检测电压。回授电路具有参考位准。回授电路比较检测电压及参考位准，于检测电压小于一参考位准时，回授电路产生一第五阻值，于检测电压大于参考位准时，回授电路产生第六阻值，第六阻值小于第五阻值。

在一些实施例中，其中该振荡控制电路包含运算单元、及电阻电路。运算单元用以经由运算第四阻值及第六阻值，产生调整阻值。电阻电路用以接收调整阻值，并依据调整阻值的大小产生相对应的电压信号，电压信号正比于调整阻值。

在一些实施例中，该次级检测电路包括一电压检测电路，用以检测该次级侧电力的电压并产生一电压信号。

在一些实施例中，该电压检测电路包含分压电路、第一比较电路、第一隔离电路、及电阻电路。分压电路用以将该次级侧电力的电压分压而产生一分压值。第一比较电路具有一参考位准，该第一比较电路用以比较该分压值及该参考位准，于该分压值大于该参考位准时，产生一第二阻值。当该第一比较电路具有一第一阻值时，该第一隔离电路无法产生一第一电流信号，该第一隔离电路并产生该第三阻值。当该第一比较电路具有该第二阻值时，该第一隔离电路产生该第一电流信号，该第一隔离电路并产生该第四阻值，该第四阻值小于该第三阻值。电阻电路用以接收该第一隔离电路的阻值，并依据该第一隔离电路的阻值大小产生相对应的该电压信号，该电压信号正比于该第一隔离电路的阻值。

在一些实施例中，其中该频率检测电路包括隔离元件、储能元件、及耗能元件。隔离元件用以接收控制信号，并仅让控制信号单方向通过。储能元件用以接收通过的控制信号，以产生对应电位。耗能元件并联于储能元件，且该耗能元件释放对应电位，对应电位正比于初级频率，初级频率、储能元件及耗能元件决定对应电位。

综上所述，依据本申请一些实施例，谐振式电源转换装置可判断初级频率在轻载时是否介于第二谐振频率及第三谐振频率之间。若是，暂时停止输出该控制信号。

附图说明

图1是典型llc串联谐振转换器的电路方块示意图。

图2是图1的llc谐振转换器操作于轻载时的工作频率与增益曲线示意图。

图3绘示本申请谐振式电源转换装置的第一实施例的电路方块示意图。

图4绘示本申请谐振式电源转换装置的第二实施例的电路方块示意图。

图5绘示本申请谐振式电源转换装置的第三实施例的电路方块示意图。

图6绘示本申请谐振式电源转换装置的第四实施例的电路方块示意图。

其中附图标记为：

1谐振式电源转换装置10初级侧电路

11第一开关12第二开关

13初级侧转换器131减极性绕组

133加极性绕组20频率检测电路

21隔离元件23储能元件

25耗能元件30谐振转换电路

40次级侧电路50次级检测电路

51电压检测电路511分压电路

513第一比较电路515第一隔离电路

517电阻电路53电流检测电路

531检测单元532回授电路

533第二比较电路535第二隔离电路

55振荡控制电路551运算单元

60控制电路tr变压器

lr谐振电感lm激励电感

cr谐振电容vi输入电压/输入电源

vp初级侧电力vo输出电压/次级侧电力

vc对应电位sc控制信号

sf栅极控制信号sf1第一栅极控制信号

sf2第二栅极控制信号ωp第一谐振频率

ωr第二谐振频率ωs第三谐振频率

q1第一功率开关q2第二功率开关

具体实施方式

参阅图3，图3绘示本申请谐振式电源转换装置的第一实施例的电路方块示意图。谐振式电源转换装置1包括一初级侧电路10、一频率检测电路20、一谐振转换电路30、一次级侧电路40、一次级检测电路50、及一控制电路60。

该初级侧电路10适于依据一控制信号sc，接收一输入电源vi而输出一初级侧电力vp，该控制信号sc具有一初级频率，该初级侧电力vp的频率对应该初级频率。在一些实施例中，该初级侧电力vp的频率为该初级频率。该初级侧电路10例如但不限于方波产生电路。该方波产生电路自该控制电路60接收该控制信号sc时，输出由高电位及低电位组成的连续方波，且该连续方波含有初级频率，以供该谐振转换电路30电性耦合该初级侧电力vp而输出该谐振电力。此外，该初级侧电路10产生另一含有初级频率的栅极控制信号sf，以供该频率检测电路20检测。

该频率检测电路20适于检测该初级频率，并将该初级频率转换为一对应电位vc。在初级侧电路10将输入电源vi转换为初级侧电力vp的过程中，该频率检测电路20自初级侧电路10接受含有初级频率的栅极控制信号sf，并随着初级频率改变初级侧电力vp，产生该对应电位vc，以供该控制电路60判断初级频率是否介于第二谐振频率ωr及第三谐振频率ωs之间(见图2)。若是，该次级侧电路40输出的次级侧电力vo无法经由提高初级频率而降低，意即次级侧电力vo无法提供轻载所需的稳定电力。于此，该控制电路60可暂时停止输出该控制信号sc。若否，该次级侧电路40输出的次级侧电力vo尚可经由提高初级频率而降低。于此，该控制电路60可输出该控制信号sc。

该谐振转换电路30适于电性耦合该初级侧电力vp而输出一谐振电力。该谐振转换电路30例如但不限于中心抽头变压器、二绕组变压器、或三绕组电压器。

该次级侧电路40适于转换该谐振电力为一次级侧电力vo。此处转换电力指将该谐振电力整流及滤波而成为该次级侧电力vo。

该次级检测电路50适于检测该次级侧电力vo并产生对应该次级侧电力vo的一电压信号。

该控制电路60适于依据该电压信号输出相对应的该控制信号sc，并于该对应电位vc高于一预定位准时，不输出该控制信号sc。

运作时，该控制电路60以该控制信号sc控制该初级侧电路10在脉波频率调变的模式下输出该初级侧电力vp，意即该控制电路60调变该初级频率。更进一步地，该初级侧电力vp在脉波频率调变的模式下，该初级侧电力vp的导通时间与工作周期的比值为一定值，该比值例如但不限于50％。该控制电路60接收该次级检测电路50反馈的该电压信号，以判断该次级侧电路40为轻载。接着，该控制电路60在轻载时比较该对应电位vc及预定位准，以此判断该初级频率是否介于第二谐振频率ωr及第三谐振频率ωs之间。若是，该控制电路60暂时停止输出该控制信号sc。若否，该控制电路60输出该控制信号sc。该控制电路60例如但不限于具有此运作功能的集成电路(ic)。

请参阅图4，图4绘示本申请谐振式电源转换装置的第二实施例的电路方块示意图。该初级侧电路10包含第一开关11及第二开关12。第一开关11及第二开关12依序串联，并由该控制信号sc驱动。该第一开关11及该第二开关12可各别接收该控制信号sc(容后详述)，以选择性地导通及不导通，于该第一开关11导通时，该第二开关12不导通；反之亦然。在一些实施例中，该第一开关11依据与该控制信号sc同相位的一第一栅极控制信号sf1，而导通或不导通。该第二开关12依据与该控制信号sc相位相反的一第二栅极控制信号sf2，而导通或不导通，且该第一开关11及该第二开关12不会同时导通。也就是说，该第一开关11及该第二开关12可依据含有初级频率的该控制信号sc，交替地输出由高电位及低电位组成的连续方波。第一开关11及第二开关12例如但不限于双极性晶体管(bjt)、场效晶体管(mosfet)或绝缘栅极晶体管(igbt)。

在一些实施例中，该初级侧电路10更包含一初级侧转换器13。该初级侧转换器13包括一减极性绕组131及一加极性绕组133。该减极性绕组131响应该控制信号sc，以产生一第一栅极控制信号sf1，该第一栅极控制信号sf1与该控制信号sc的相位相同。另一方面，该加极性绕组133响应该控制信号sc，以产生一第二栅极控制信号sf2，该第二栅极控制信号sf2与该控制信号sc的相位相反。于此，该初级侧转换器13可实现该第一开关11及该第二开关12交替地输出由高电位及低电位组成的连续方波。

复参图4，该频率检测电路20包括一隔离元件21、一储能元件23、及一耗能元件25。该隔离元件21用以接收一第一栅极控制信号sf1及一第二栅极控制信号sf2二者之一，并仅让接收的该第一栅极控制信号sf1或该第二栅极控制信号sf2单方向通过。该储能元件23用以接收通过该隔离元件21的该第一栅极控制信号sf1或该第二栅极控制信号sf2，以产生该对应电位vc。该对应电位vc正比于该初级频率，意即该对应电位vc随着该初级频率增加而增加。该耗能元件25并联于该储能元件23，及该耗能元件25释放该对应电位vc，其中，初级频率、储能元件23及耗能元件25决定该对应电位vc。

复参图4，该隔离元件21例如但不限于一二极管，该二极管仅让该第二栅极控制信号sf2单方向通过。该隔离元件21电性连接该第二开关12，以检测该第二栅极控制信号sf2。于该第二栅极控制信号sf2大于该二极管的切入电压时，该二极管导通。该隔离元件21亦可电性连接该第一开关11，以检测该第一栅极控制信号sf1，其运作方式与电性连接该第二开关12相同，在此不重复赘述。

该储能元件23例如但不限于一电容，该电容产生一对应电位。于该二极管导通时，该第二栅极控制信号sf2流经该电容，而使该电容产生该对应电位vc。于该初级频率提高时，该对应电位vc随着该初级频率提高而增加。

该耗能元件25例如但不限于一电阻，该电阻释放该对应电位vc。于该二极管不导通时，该对应电位vc流经该电阻，而使该电阻释放该对应电位vc。于该初级频率降低时，该对应电位vc随着该初级频率降低而减少。

复参图4及图2，该谐振转换电路30包含该变压器tr、该谐振电感lr、该激励电感lm、及该谐振电容cr。该谐振电感lr、该激励电感lm、及该谐振电容cr依序串联。该谐振电感lr的一端可自串联的该第一开关11及该第二开关12之间接收含有该初级频率的该初级侧电力vp。当该初级频率高于第二谐振频率ωr后，由于变压器初级侧绕组等效寄生电容的存在，增益曲线在高于第二谐振频率ωr后，出现另一个由激励电感lm并联寄生电容的谐振点，导致增益曲线在轻载情况下随频率升高而增益变高，且负载越轻该现象越明显。这将导致轻载情况下输出电压无法稳定。

复参图4，该次级侧电路40例如但不限于全波整流滤波电路。此全波整流滤波电路电性连接上述变压器tr的次级侧绕组，将该谐振电力整流及滤波后，输出该次级侧电力vo。于该初级频率高于第二谐振频率ωr，此全波整流滤波电路会产生寄生电容。随着寄生电容值的增加，该次级侧电路40输出的该次级侧电力vo也跟着增加。

复参图4，该次级检测电路50包含一电压检测电路51。该电压检测电路51用以检测该次级侧电力vo的电压并产生一电压信号。该电压检测电路51包含一分压电路511、一第一比较电路513、一第一隔离电路515、及一电阻电路517。该分压电路511分压该次级侧电力vo以产生一分压值。该第一比较电路513具有一参考位准。第一比较电路513用以比较该分压值及该参考位准，该第一比较电路513于该分压值小于该参考位准时，该第一比较电路513产生一第一阻值，第一比较电路513于该分压值大于该参考位准时，该第一比较电路513产生一第二阻值。具体而言，该第一比较电路513为该第一阻值时，该第一隔离电路515一次侧的发光二极管不发光。当该分压值大于该参考位准时，第一比较电路513从第一阻值转变为第二阻值，该第一隔离电路515一次侧的发光二极管发光，并使第一隔离电路515的二次侧的光敏晶体管导通。该电阻电路517的总阻值可经由该第一比较电路513转变为该第二阻值而变小。于该电阻电路517的总阻值变小时，该控制电路60可判断该次级侧电路40为轻载。在此实施例中，第一阻值大于第二阻值。该分压电路511例如但不限于依序串联的二个电阻。

该第一比较电路513例如但不限于包含三端并联稳压器的比较电路。该三端并联稳压器具有的参考位准为2.5伏特。于该分压值大于2.5伏特时，该第一隔离电路515产生一第一电流信号流向该第一比较电路513。

当该第一比较电路513具有一第一阻值时，该第一隔离电路515无法产生该第一电流信号，及当该第一比较电路513转变为该第二阻值时，该第一隔离电路515产生该第一电流信号，该第二阻值小于该第一阻值。第一隔离电路515例如但不限于包含光耦合器的隔离电路。光耦合器具有发光二极管、光敏晶体管。该发光二极管串联该三端并联稳压器。该第一隔离电路515的二次侧的光敏晶体管串联该电阻电路517。该发光二极管未接收该第一电流信号时，使该光敏晶体管转变为一第三阻值。于该发光二极管接收该第一电流信号时，使该光敏晶体管转变为一第四阻值。意即，第一隔离电路515的光敏晶体管导通时，该光敏晶体管具有第四阻值；该光敏晶体管未导通时，该光敏晶体管具有第四阻值。其中该第四阻值小于该第三阻值。

该电阻电路517的一端电性连接光敏晶体管，且另一端电性连接该控制电路60。该电阻电路517的总阻值大小可经由该第一比较电路513的该第一阻值及该第二阻值变化而改变。于该电阻电路517的总阻值为一第七阻值时，该控制电路60判断该次级侧电路40非为轻载，并产生相对应的该电压信号。于该电阻电路517的总阻值为该第八阻值时，该控制电路60可判断该次级侧电路40为轻载，并产生相对应的该电压信号。

在该次级侧电路40为轻载下，该控制电路60提高初级频率以降低该次级侧电力vo。当该频率检测电路20产生大于预定位准的该对应电位vc时，该控制电路60依据该对应电位vc的大小，判断该初级频率介于第二谐振频率ωr及第三谐振频率ωs。接着，该控制电路60暂时停止输出该控制信号sc，直到该对应电位vc小于该预定位准为止。

参阅图5，本申请谐振式电源转换装置的第三实施例的电路方块示意图。依据本实施例，电源转换装置的次级检测电路50包含一电压检测电路51、一电流检测电路53、及一振荡控制电路55。

该电压检测电路51用以检测该次级侧电力的电压并产生一第四阻值。该电流检测电路53用以检测该次级侧电力vo的电流并产生一第六阻值。该振荡控制电路55用以将该第四阻值及该第六阻值转换为该电压信号。

请参阅图6，图6是本申请谐振式电源转换装置的第四实施例的电路方块示意图。该电压检测电路51包含分压电路511、第一比较电路513、及第一隔离电路515。分压电路511、第一比较电路513、及第一隔离电路515的作动方式已见于上述相关段落，不再赘述。

该电流检测电路53包含检测单元531及回授电路532。该检测单元531用以检测该次级侧电力vo的电流，并将该次级侧电力vo的电流转换为一检测电压。回授电路532具有一参考位准。该回授电路532比较该检测电压及该参考位准，于该检测电压小于该参考位准时，该回授电路532产生一第五阻值，于该检测电压大于该参考位准时，该回授电路532产生该第六阻值(容后详述)，该第六阻值小于该第五阻值。

该检测单元531例如但不限于差分放大器。

该回授电路532包含第二比较电路533、及第二隔离电路535。第二比较电路533例如但不限于包含三端并联稳压器的比较电路，其中三端并联稳压器具有一2.5伏特的参考位准。该第二隔离电路535例如但不限于包含光耦合器的隔离电路。第二隔离电路535的光敏晶体管不导通时，该回授电路532产生该第五阻值；第二隔离电路535的光敏晶体管导通时，该回授电路532产生该第六阻值。

运作时，该差分放大器检测该次级侧电力vo的电流，并将该次级侧电力vo的电流转换为该检测电压。接着，该三端并联稳压器比较该检测电压及一2.5伏特。于该检测电压小于2.5伏特时，该发光二极管使该光敏晶体管转变为该第五阻值。于该检测电压大于2.5伏特时，该三端并联稳压器驱动该发光二极管使该光敏晶体管转变为该第六阻值。

振荡控制电路55包含一运算单元551、及该电阻电路517。该运算单元551运算该第四阻值及该第六阻值，以此取得该次级侧电路40在轻载下输出该次级侧电力vo的电流与电压的乘积(即该次级侧电力vo的功率)，并将该乘积依奥姆定律转换为一调整阻值。该电阻电路517接收该调整阻值，并依据该调整阻值的大小产生相对应的该电压信号，该电压信号正比于该调整阻值。

该运算单元551例如但不限于具有运算功能的集成电路(ic)。

该电阻电路517的一端电性连接运算单元551，且另一端电性连接该控制电路60。该电阻电路517的阻值可经由调整阻值的大小改变。当该电阻电路517未接收该调整阻值时，转变为该第七阻值，该控制电路60判断该次级侧电路40非为轻载。当该电阻电路517接收该调整阻值时，转变为该第八阻值，该控制电路60判断该次级侧电路40为轻载。

当该次级侧电路40为轻载时，该控制电路60判断该对应电位vc是否大于预定位准，若是，该初级频率介于第二谐振频率ωr及第三谐振频率ωs之间，则该控制电路60可暂时停止输出该控制信号sc。若否，该初级频率小于第二谐振频率ωr，则该控制电路60输出该控制信号sc。

综上所述，本申请一些实施例所述的谐振式电源转换装置1可判断初级频率在轻载时是否介于第二谐振频率ωr及第三谐振频率ωs之间。若是，暂时停止输出该控制信号sc。