电源供应装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种电源供应装置，特别是一种新型电源供应装置。


背景技术：

2.相关技术的多相交错式双向电力转换器(例如，相关技术的四相交错式双向电力转换器(four-phase interleaved bidirectional converter))有工作周期(duty cycle)的限制，兹详述如下：
3.在升压模式(boost mode)时，低侧晶体管开关的工作周期需要大于0.5；如果在升压模式且低侧晶体管开关的工作周期小于0.5，则电感能量会不够，使得电感电流不平衡，会造成电压增益变差(亦即，下降)。
4.在降压模式(buck mode)时，高侧晶体管开关的工作周期需要小于0.5；如果在降压模式且高侧晶体管开关的工作周期大于0.5，则电感能量会不够，使得电感电流不平衡，会造成电压增益变差(亦即，上升)。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种电源供应装置。
6.为达成本实用新型的上述目的，本实用新型的电源供应装置包含：一微控制器；及多个电压转换器，该些电压转换器彼此电性连接且电性连接至该微控制器，其中，如果该些电压转换器在一升压模式且该些电压转换器的多个工作周期被该微控制器计算为小于0.5，则该微控制器被配置为限制该些电压转换器的该些工作周期的至少一个为0.5；其中，如果该些电压转换器在一降压模式且该些电压转换器的该些工作周期被该微控制器计算为大于0.5，则该微控制器被配置为限制该些电压转换器的该些工作周期的至少一个为0.5。
7.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该微控制器包含：一周期限制器，该周期限制器电性连接至该些电压转换器的至少一个。
8.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该微控制器及该些电压转换器被配置为形成一个多相交错式双向电力转换器，该些电压转换器包含：一第一电压转换器，该第一电压转换器电性连接至该微控制器；及一第二电压转换器，该第二电压转换器电性连接至该周期限制器及该第一电压转换器。
9.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该微控制器及该些电压转换器被配置为形成一个四相交错式双向电力转换器，该些电压转换器更包含：一第三电压转换器，该第三电压转换器电性连接至该周期限制器、该第一电压转换器及该第二电压转换器；及一第四电压转换器，该第四电压转换器系电性连接至该微控制器、该第一电压转换器、该第二电压转换器及该第三电压转换器。
10.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该第一电压转换器包含：一低侧第一开关元件，该低侧第一开关元件电性连接至该微控制器且包含
一低侧第一寄生二极管；一高侧第一开关元件，该高侧第一开关元件电性连接至该微控制器及该低侧第一开关元件且包含一高侧第一寄生二极管；及一第一电感器，该第一电感器电性连接至该第二电压转换器、该第三电压转换器、该第四电压转换器、该低侧第一开关元件及该高侧第一开关元件。
11.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该第二电压转换器包含：一低侧第二开关元件，该低侧第二开关元件系电性连接至该周期限制器且包含一低侧第二寄生二极管；一高侧第二开关元件，该高侧第二开关元件电性连接至该周期限制器、该第一电压转换器及该第三电压转换器且包含一高侧第二寄生二极管；一第二电感器，该第二电感器电性连接至该第一电压转换器、该第三电压转换器、该第四电压转换器及该低侧第二开关元件；及一第一电容器，该第一电容器电性连接至该第一电压转换器、该低侧第二开关元件、该高侧第二开关元件及该第二电感器。
12.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该第三电压转换器包含：一低侧第三开关元件，该低侧第三开关元件电性连接至该周期限制器且包含一低侧第三寄生二极管；一高侧第三开关元件，该高侧第三开关元件电性连接至该周期限制器、该第二电压转换器及该第四电压转换器且包含一高侧第三寄生二极管；一第三电感器，该第三电感器电性连接至该第一电压转换器、该第二电压转换器、该第四电压转换器及该低侧第三开关元件；及一第二电容器，该第二电容器系电性连接至该第二电压转换器、该低侧第三开关元件、该高侧第三开关元件及该第三电感器。
13.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该第四电压转换器包含：一低侧第四开关元件，该低侧第四开关元件电性连接至该微控制器且包含一低侧第四寄生二极管；一高侧第四开关元件，该高侧第四开关元件电性连接至该微控制器、该第一电压转换器及该第三电压转换器且包含一高侧第四寄生二极管；一第四电感器，该第四电感器电性连接至该第一电压转换器、该第二电压转换器、该第三电压转换器及该低侧第四开关元件；及一第三电容器，该第三电容器电性连接至该第三电压转换器、该低侧第四开关元件、该高侧第四开关元件及该第四电感器。
14.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该第一电压转换器更包含：一低侧电容器，该低侧电容器电性连接至该微控制器、该第二电压转换器、该第三电压转换器及该第四电压转换器；及一低侧输入输出端点，该低侧输入输出端点电性连接至该微控制器、该第二电压转换器、该第三电压转换器、该第四电压转换器及该低侧电容器。
15.再者，在如上所述的本实用新型的电源供应装置的一具体实施例当中，该第一电压转换器更包含：一高侧电容器，该高侧电容器电性连接至该微控制器及该第四电压转换器；及一高侧输入输出端点，该高侧输入输出端点电性连接至该微控制器、该第四电压转换器及该高侧电容器。
16.本实用新型的功效在于：电压增益在升压模式不受工作周期小于0.5的影响；电压增益在降压模式不受工作周期大于0.5的影响。本实用新型所提出的开关元件操作机制可使电感能量充足而电感电流平衡，所以能达成上述电压增益不受工作周期的影响。
17.为了能更进一步了解本实用新型为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，相信本实用新型的目的、特征与特点，当可由
此得到深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。
附图说明
18.图1为本实用新型的电源供应装置的一具体实施例的方块图。
19.图2为本实用新型的电源供应装置的一具体实施例的电路方块图。
20.图3为相关技术的四相交错式双向电力转换器在升压模式的一例子的电压及该些低侧开关元件的工作周期波形图。
21.图4为本实用新型的电源供应装置在升压模式的一具体实施例的电压及该些低侧开关元件的工作周期波形图。
22.图5为本实用新型的电源供应装置与相关技术的四相交错式双向电力转换器在升压模式的该些低侧开关元件的工作周期及电压增益的比较图。
23.图6为相关技术的四相交错式双向电力转换器在降压模式的一例子的电压及该些高侧开关元件的工作周期波形图。
24.图7为本实用新型的电源供应装置在降压模式的一具体实施例的电压及该些高侧开关元件的工作周期波形图。
25.图8为本实用新型的电源供应装置与相关技术的四相交错式双向电力转换器在降压模式的该些高侧开关元件的工作周期及电压增益的比较图。
26.其中，附图标记：
27.10:电源供应装置
28.102:微控制器
29.104:电压转换器
30.106:周期限制器
31.108:第一电压转换器
32.110:第二电压转换器
33.112:第三电压转换器
34.114:第四电压转换器
35.116:低侧输入输出端点
36.118:高侧输入输出端点
37.120:第一曲线
38.122:第二曲线
39.c1:第一电容器
40.c2:第二电容器
41.c3:第三电容器
42.ch:高侧电容器
43.cl:低侧电容器
44.dh1:高侧第一寄生二极管
45.dh2:高侧第二寄生二极管
46.dh3:高侧第三寄生二极管
47.dh4:高侧第四寄生二极管
48.dl1:低侧第一寄生二极管
49.dl2:低侧第二寄生二极管
50.dl3:低侧第三寄生二极管
51.dl4:低侧第四寄生二极管
52.l1:第一电感器
53.l2:第二电感器
54.l3:第三电感器
55.l4:第四电感器
56.qh1:高侧第一开关元件
57.qh2:高侧第二开关元件
58.qh3:高侧第三开关元件
59.qh4:高侧第四开关元件
60.ql1:低侧第一开关元件
61.ql2:低侧第二开关元件
62.ql3:低侧第三开关元件
63.ql4:低侧第四开关元件
64.vl:低侧电压
65.vh:高侧电压
具体实施方式
66.在本揭露当中，提供了许多特定的细节，以提供对本实用新型的具体实施例的彻底了解；然而，本领域技术人员应当知晓，在没有一个或更多个该些特定的细节的情况下，依然能实践本实用新型；在其他情况下，则未显示或描述众所周知的细节以避免模糊了本实用新型的主要技术特征。兹有关本实用新型的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：
67.请参考图1，其为本实用新型的新型电源供应装置10的一具体实施例的方块图；本实用新型的一种新型电源供应装置10包含一微控制器102及多个电压转换器104，该些电压转换器104彼此电性连接且电性连接至该微控制器102。如果该些电压转换器104在一升压模式(boost mode)且该些电压转换器104的多个工作周期(duty cycle)被该微控制器102计算为小于0.5，则该微控制器102被配置为限制该些电压转换器104的该些工作周期的至少一个为0.5(容后详述)；如果该些电压转换器104在一降压模式(buck mode)且该些电压转换器104的该些工作周期被该微控制器102计算为大于0.5，则该微控制器102被配置为限制该些电压转换器104的该些工作周期的至少一个为0.5(容后详述)。
68.更详细言之，如果该些电压转换器104在该升压模式且该些电压转换器104的多个低侧开关元件的该些工作周期被该微控制器102计算为小于0.5，则该微控制器102被配置为限制该些电压转换器104的该些低侧开关元件的该些工作周期的至少一个为0.5；如果该些电压转换器104在该降压模式且该些电压转换器104的多个高侧开关元件的该些工作周期被该微控制器102计算为大于0.5，则该微控制器102被配置为限制该些电压转换器104的该些高侧开关元件的该些工作周期的至少一个为0.5；其中，该些低侧开关元件可为例如图
2所示的一低侧第一开关元件ql1、一低侧第二开关元件ql2、一低侧第三开关元件ql3及一低侧第四开关元件ql4，而该些高侧开关元件可为例如图2所示的一高侧第一开关元件qh1、一高侧第二开关元件qh2、一高侧第三开关元件qh3及一高侧第四开关元件qh4。
69.请参考图2，其为本实用新型的新型电源供应装置10的一具体实施例的电路方块图；图2所示的元件与图1所示的元件相同者，为简洁因素，故于此不再重复其叙述。该微控制器102包含一周期限制器(duty limiter)106，该些电压转换器104包含一第一电压转换器108、一第二电压转换器110、一第三电压转换器112及一第四电压转换器114，该第一电压转换器108包含一低侧第一开关元件ql1、一高侧第一开关元件qh1、一第一电感器l1、一低侧电容器cl、一低侧输入输出端点116、一高侧电容器ch及一高侧输入输出端点118，该第二电压转换器110包含一低侧第二开关元件ql2、一高侧第二开关元件qh2、一第二电感器l2及一第一电容器c1，该第三电压转换器112包含一低侧第三开关元件ql3、一高侧第三开关元件qh3、一第三电感器l3及一第二电容器c2，该第四电压转换器114包含一低侧第四开关元件ql4、一高侧第四开关元件qh4、一第四电感器l4及一第三电容器c3，上述该些元件彼此电性连接。
70.该低侧第一开关元件ql1包含一低侧第一寄生二极管dl1，该高侧第一开关元件qh1包含一高侧第一寄生二极管dh1，该低侧第二开关元件ql2包含一低侧第二寄生二极管dl2，该高侧第二开关元件qh2包含一高侧第二寄生二极管dh2，该低侧第三开关元件ql3包含一低侧第三寄生二极管dl3，该高侧第三开关元件qh3包含一高侧第三寄生二极管dh3，该低侧第四开关元件ql4包含一低侧第四寄生二极管dl4，该高侧第四开关元件qh4包含一高侧第四寄生二极管dh4，该低侧输入输出端点116具有一低侧电压vl，该高侧输入输出端点118具有一高侧电压vh。该低侧第一开关元件ql1、该高侧第一开关元件qh1、该低侧第二开关元件ql2、该高侧第二开关元件qh2、该低侧第三开关元件ql3、该高侧第三开关元件qh3、该低侧第四开关元件ql4及该高侧第四开关元件qh4可以以任何开关元件实现，例如金氧半场效应晶体管(mosfet)、绝缘闸极双极性晶体管(igbt)或高速电子迁移率晶体管(hemt)，而图2显示该些开关元件系为n型金氧半场效应晶体管(n-mosfet)。
71.再者，如果该些电压转换器104在该升压模式且该些电压转换器104的该些低侧开关元件的该些工作周期被该微控制器102计算为小于0.5，则该微控制器102被配置为利用该周期限制器106以限制该些电压转换器104的该些低侧开关元件的该些工作周期的至少一个为0.5(容后详述)；如果该些电压转换器104在该降压模式且该些电压转换器104的该些高侧开关元件的该些工作周期被该微控制器102计算为大于0.5，则该微控制器102被配置为利用该周期限制器106以限制该些电压转换器104的该些高侧开关元件的该些工作周期的至少一个为0.5(容后详述)。该周期限制器106可以以硬件或软件实现；如果该周期限制器106以软件实现，则本实用新型不需增加硬件的成本。
72.该微控制器102及该些电压转换器104被配置为形成一个多相(两相、三相、四相...)交错式双向电力转换器，例如图2所示的一个四相交错式双向电力转换器。如果该些电压转换器104在该升压模式，则该低侧电压vl为输入电压(由未示于图2的电压供应器所提供)而该高侧电压vh为输出电压(提供给未示于图2的负载)；如果该些电压转换器104在该降压模式，则该高侧电压vh为输入电压(由未示于图2的电压供应器所提供)而该低侧电压vl为输出电压(提供给未示于图2的负载)。
73.再者，以图2所示的该四相交错式双向电力转换器且以该升压模式为例，该微控制器102被配置为计算：电压增益＝输出电压/输入电压＝4/(1-工作周期)。假设该微控制器102借由该低侧输入输出端点116侦知输入电压(vl)为40伏特，且借由该高侧输入输出端点118侦知输出电压(vh；亦即，由负载所要求)为213伏特，则213/40＝5.325＝4/(1-工作周期)，于是可算出工作周期大约为0.25，而此处的工作周期0.25是指该些低侧开关元件(亦即，该低侧第一开关元件ql1、该低侧第二开关元件ql2、该低侧第三开关元件ql3及该低侧第四开关元件ql4)理论上的工作周期，而该些高侧开关元件(亦即，该高侧第一开关元件qh1、该高侧第二开关元件qh2、该高侧第三开关元件qh3及该高侧第四开关元件qh4)的切换操作与对应的低侧开关元件相反；亦即，当该低侧第一开关元件ql1为on时，该高侧第一开关元件qh1为off；当该低侧第一开关元件ql1为off时，该高侧第一开关元件qh1为on，以此类推。
74.接续上述内容，在该升压模式算出理论上的该些低侧开关元件的该些工作周期小于0.5是有问题的(电感能量会不够，使得电感电流不平衡)，在该升压模式小于0.5的该些低侧开关元件的该些工作周期的电压增益的公式将不再适用于＝4/(1-工作周期)，而经过电路仿真软件的实验，如果输入电压为40伏特，且该些低侧开关元件的该些工作周期为0.25，则输出电压仅能得到79伏特，而非需求的213伏特。然而，本实用新型巧妙地将该些电压转换器104的该些低侧开关元件的该些工作周期的至少一个限制为0.5，其余的该些低侧开关元件的该些工作周期维持为0.25(亦即，维持其余的该些低侧开关元件的该些工作周期为被该微控制器102计算电压增益＝输出电压/输入电压＝4/(1-工作周期)所得的)，而经过电路仿真软件的实验，输出电压能得到需求的213伏特。
75.请参考图3，其为相关技术的四相交错式双向电力转换器在升压模式的一例子的电压及该些低侧开关元件的工作周期波形图；如上所述，输入电压(vl)为40伏特，且该些低侧开关元件的该些工作周期的每一个都为0.25，则输出电压(vh)仅能得到79伏特，而非需求的213伏特。
76.请参考图4，其为本实用新型的新型电源供应装置在升压模式的一具体实施例的电压及该些低侧开关元件的工作周期波形图；如上所述，输入电压(vl)为40伏特，且该些低侧开关元件的该些工作周期的至少一个(例如一半以上或两个)限制为0.5(亦即，该低侧第二开关元件ql2及该低侧第三开关元件ql3的该些工作周期限制为0.5)，其余的该些低侧开关元件的该些工作周期维持为0.25(亦即，该低侧第一开关元件ql1及该低侧第四开关元件ql4的该些工作周期维持为0.25)，则输出电压(vh)能得到需求的213伏特。
77.请参考图5，其为本实用新型的新型电源供应装置与相关技术的四相交错式双向电力转换器在升压模式的该些低侧开关元件的工作周期及电压增益的比较图；第一曲线120为本实用新型的曲线，而第二曲线122为相关技术的曲线，可以看出在升压模式且该些低侧开关元件的该些工作周期大于0.5时，本实用新型与相关技术的电压增益都属正常，但一旦该些低侧开关元件的该些工作周期小于0.5时，相关技术的电压增益(第二曲线122)会大幅地下降，而本实用新型(第一曲线120)尚能维持较高的电压增益。
78.上述图3、图4及图5是针对该升压模式，而以下的图6、图7及图8则是针对该降压模式。
79.再者，以图2所示的该四相交错式双向电力转换器且以该降压模式为例，该微控制
器102被配置为计算：电压增益＝输出电压/输入电压＝工作周期/4。假设该微控制器102借由该高侧输入输出端点118侦知输入电压(vh)为400伏特，且借由该低侧输入输出端点116侦知输出电压(vl；亦即，由负载所要求)为75伏特，则75/400＝0.1875＝工作周期/4，于是可算出工作周期为0.75，而此处的工作周期0.75是指该些高侧开关元件(亦即，该高侧第一开关元件qh1、该高侧第二开关元件qh2、该高侧第三开关元件qh3及该高侧第四开关元件qh4)理论上的工作周期，而该些低侧开关元件(亦即，该低侧第一开关元件ql1、该低侧第二开关元件ql2、该低侧第三开关元件ql3及该低侧第四开关元件ql4)的切换操作与对应的高侧开关元件相反；亦即，当该高侧第一开关元件qh1为on时，该低侧第一开关元件ql1为off；当该高侧第一开关元件qh1为off时，该低侧第一开关元件ql1为on，以此类推。
80.接续上述内容，在该降压模式算出理论上的该些高侧开关元件的该些工作周期大于0.5是有问题的(电感能量会不够，使得电感电流不平衡)，在该降压模式大于0.5的该些高侧开关元件的该些工作周期的电压增益的公式将不再适用于＝工作周期/4，而经过电路仿真软件的实验，如果输入电压为400伏特，且该些高侧开关元件的该些工作周期为0.75，则输出电压仅能得到200伏特，而非需求的75伏特。然而，本实用新型巧妙地将该些电压转换器104的该些高侧开关元件的该些工作周期的至少一个限制为0.5，其余的该些高侧开关元件的该些工作周期维持为0.75(亦即，维持其余的该些高侧开关元件的该些工作周期为被该微控制器102计算电压增益＝输出电压/输入电压＝工作周期/4所得的)，而经过电路仿真软件的实验，输出电压能得到需求的75伏特。
81.请参考图6，其为相关技术的四相交错式双向电力转换器在降压模式的一例子的电压及该些高侧开关元件的工作周期波形图；如上所述，输入电压(vh)为400伏特，且该些高侧开关元件的该些工作周期的每一个都为0.75，则输出电压(vl)仅能得到200伏特，而非需求的75伏特。
82.请参考图7，其为本实用新型的新型电源供应装置在降压模式的一具体实施例的电压及该些高侧开关元件的工作周期波形图；如上所述，输入电压(vh)为400伏特，且该些高侧开关元件的该些工作周期的至少一个(例如一半以上或两个)限制为0.5(亦即，该高侧第二开关元件qh2及该高侧第三开关元件qh3的该些工作周期限制为0.5)，其余的该些高侧开关元件的该些工作周期维持为0.75(亦即，该高侧第一开关元件qh1及该高侧第四开关元件qh4的该些工作周期维持为0.75)，则输出电压(vl)能得到需求的75伏特。
83.请参考图8，其为本实用新型的新型电源供应装置与相关技术的四相交错式双向电力转换器在降压模式的该些高侧开关元件的工作周期及电压增益的比较图；第一曲线120为本实用新型的曲线，而第二曲线122为相关技术的曲线，可以看出在降压模式且该些高侧开关元件的该些工作周期小于0.5时，本实用新型与相关技术的电压增益都属正常，但一旦该些高侧开关元件的该些工作周期大于0.5时，相关技术的电压增益(第二曲线122)会大幅地上升，而本实用新型(第一曲线120)尚能维持较低的电压增益。
84.本实用新型的功效在于：电压增益在升压模式不受工作周期小于0.5的影响；电压增益在降压模式不受工作周期大于0.5的影响。本实用新型所提出的开关元件操作机制可使电感能量充足而电感电流平衡，所以能达成上述电压增益不受工作周期的影响。
85.然以上所述者，仅为本实用新型的较佳实施例，当不能限定本实用新型实施的范围，即凡依本实用新型权利要求所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本实用新型的专利涵
盖范围意图保护的范畴。本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。