变换装置的制作方法

变换装置
1.本技术是中国专利申请号为zl201811126353.0、发明名称为“变换装置”的专利申请的分案申请，在此将其全文引用于此。
技术领域
2.本发明有关于一种电压转换装置，且特别是有关于一种变换装置。


背景技术：

3.为提高变换系统的效率，母线变换器常常使用54v转12v的不调整方案，例如使得开关工作在占空比固定的最大占空比状态，以此来获得最大占空比，电流有效值最小，滤波器最小的优势。其中，母线变换器常用的电路拓扑是一次侧全桥电路，二次侧中心抽头全波整流电路。
4.上述母线变换器属于传统的脉冲宽度调制(pulse width modulation,pwm)开关电路拓扑，此种开关电路的开关切换损耗大，同时全波整流开关管反向恢复损耗大，导致变换器开关频率低，不能采用更高的开关频率来减小变压器尺寸，同时存在输出电感体积大的问题。上述开关变换器的输出电压的软启动功能通常采用控制占空比的方式，使占空比从0开始慢慢增大，因而实现变换器的输出电压的软启动。然而，上述软启动方法仅适用于具有输出电感的变换器架构，对于没有输出电感的变换器，在输出电压为0时，开关管开通的瞬间，脉冲会使输出电压瞬间冲高。
5.其它实现软启动的方式，如针对传统谐振电路的软启动方式，是在输入电容与一次侧全桥电路间串联一个开关管，借由控制开关管的驱动信号的电压值，使得开关管工作在线性区，如此，即可通过开关管的通态阻抗来抑制一次侧和二次侧开关电路开通时刻的电流脉冲，实现变换器输出电压的软启动功能。然而上述软启动方法需要额外添加开关器件，增加变换器的成本。尚且，因为需要额外添加上述开关管，使得整体控制方案的实施更加复杂。
6.由此可见，上述现有的方式，显然仍存在不便与缺陷，而有待改进。为了解决上述问题，相关领域莫不费尽心思来谋求解决之道。


技术实现要素：

7.发明内容旨在提供本揭示内容的简化摘要，以使阅读者对本揭示内容具备基本的理解。此发明内容并非本揭示内容的完整概述，且其用意并非在指出本发明实施例的重要/关键元件或界定本发明的范围。
8.为达上述目的，本发明内容的一技术态样关于一种变换装置，其包含输入电容、一次侧开关电路、变压器、电感、二次侧开关电路及输出电容。一次侧开关电路包含第一桥臂及第二桥臂。第一桥臂与第二桥臂皆包含至少两开关。一次侧开关电路耦接于输入电容。第一桥臂的至少两开关串联耦接，且第二桥臂的至少两开关串联耦接。变压器耦接于一次侧开关电路。电感耦接于一次侧开关电路。电感为变压器的漏感或耦接于变压器与一次侧开
关电路间的外加电感。二次侧开关电路耦接于变压器。输出电容耦接于二次侧开关电路。输入电容用以接收输入电压。变换装置所输出的输出电压的软启动期间具有输出电压的上升期间。第一桥臂的至少两开关其中一者的导通时间小于个开关周期，第二桥臂的至少两开关其中一者的导通时间为0或接近于0个开关周期。电感与第二桥臂的至少两开关的寄生电容产生振荡，并将振荡的能量传递至二次侧开关电路。
9.为达上述目的，本发明内容的另一技术态样关于一种变换装置，其包含输入电容、一次侧开关电路、变压器、电感、二次侧开关电路及输出电容。一次侧开关电路包含第一桥臂及第二桥臂。第一桥臂与第二桥臂皆包含至少两开关。一次侧开关电路耦接于输入电容。第一桥臂的至少两开关串联耦接，且第二桥臂的至少两开关串联耦接。变压器耦接于一次侧开关电路。电感耦接于一次侧开关电路。电感为变压器的漏感或耦接于变压器与一次侧开关电路间的外加电感。二次侧开关电路耦接于变压器。输出电容耦接于二次侧开关电路。输入电容用以接收输入电压。变换装置所输出的输出电压的软启动期间具有输出电压的上升期间。第一桥臂的至少两开关其中一者的导通时间小于开关周期，第二桥臂的至少两开关其中一者的导通时间为0且小于开关周期，其中第一桥臂的至少两开关包含一上开关与一下开关，第二桥臂的至少两开关包含一上开关与一下开关，其中第二桥臂的下开关的导通时间小于第一桥臂的上开关的导通时间，第二桥臂的上开关的导通时间小于第一桥臂的下开关的导通时间。电感与第二桥臂的至少两开关的寄生电容或输入电容产生振荡，并将振荡的能量传递至二次侧开关电路。
10.因此，根据本发明的技术内容，本发明实施例借由提供一种变换装置，借以改善软启动应用于没有输出电感的变换装置时，当输出电压为0，开关管开通时的瞬间，脉冲会使输出电压瞬间冲高的问题。此外，本发明实施例的变换装置不需额外的开关器件，从而得以减少变换装置的成本，更能降低整体控制方案的实施的复杂度。
11.在参阅下文实施方式后，本发明所属技术领域中具有通常知识者当可轻易了解本发明的基本精神及其他发明目的，以及本发明所采用的技术手段与实施态样。
附图说明
12.为让本发明的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附图式的说明如下：
13.图1为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的电路方块示意图。
14.图2为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的驱动波形示意图。
15.图3为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的操作示意图。
16.图4为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的操作示意图。
17.图5为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的操作示意图。
18.图6为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的操作示意图。
19.图7为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的输出与参考电压的波形示意图。
20.图8为依照本发明一实施例绘示一种比较电路示意图。
21.图9为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的驱动波形示意图。
22.图10为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的操作示意图。
23.图11为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的操作示意图。
24.图12为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的电路方块示意图。
25.根据惯常的作业方式，图中各种特征与元件并未依比例绘制，其绘制方式是为了以最佳的方式呈现与本发明相关的具体特征与元件。此外，在不同图式间，以相同或相似的元件符号来指称相似的元件/部件。
26.其中附图标记为：
27.100：变换装置
28.110：一次侧开关电路
29.111：第一桥臂
30.113：第二桥臂
31.120：变压器
32.130：二次侧开关电路
33.800：比较电路
34.810：比例积分调节器
35.820：比较器
具体实施方式
36.为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对了本发明的实施态样与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其他具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
37.除非本说明书另有定义，此处所用的科学与技术词汇的含义与本发明所属技术领域中具有通常知识者所理解与惯用的意义相同。此外，在不和上下文冲突的情形下，本说明书所用的单数名词涵盖该名词的复数型；而所用的复数名词时亦涵盖该名词的单数型。
38.另外，关于本文中所使用的「耦接」，可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，亦可指二或多个元件相互操作或动作。
39.图1为依照本发明一实施例绘示一种变换装置100的电路示意图。如图所示，变换装置100包含输入电容cin、一次侧开关电路110、变压器120、二次侧开关电路130及输出电容cout。于连接关系上，一次侧开关电路110耦接于输入电容cin，变压器120耦接于一次侧开关电路110，二次侧开关电路130耦接于变压器120，而输出电容cout耦接于二次侧开关电路130。
40.在本实施例中，一次侧开关电路110包含第一桥臂111及第二桥臂113。第一桥臂111与第二桥臂113皆包含至少两开关。举例而言，第一桥臂111包含上开关m1、下开关m4，而第二桥臂113包含上开关m2及下开关m3。再者，第一桥臂111的至少两开关串联耦接，且第二桥臂113的至少两开关串联耦接。如图所示，在一实施例中，第一桥臂111的开关m1、m4串联耦接，且第二桥臂113的开关m2及m3串联耦接。
41.在另一实施例中，电感可为变压器120的漏感或耦接于变压器120与一次侧开关电
路110间的外加电感。在此以电感为变压器120的漏感为例，如图所示，变压器120包含上述电感lk。
42.于操作上，输入电容cin用以接收输入电压vin。变换装置100的输出电容cout所输出的输出电压vout的软启动期间为输出电压vout的上升期间。为详细说明图1的变换装置100的操作方式，请一并参阅图2，其依照本发明一实施例绘示一种变换装置100的驱动波形示意图。
43.请一并参阅图1与图2，一个开关周期tsw为t1～t9，驱动信号drim1为驱动开关m1的信号、驱动信号drim2为驱动开关m2的信号
…
其余驱动信号以此类推。在一实施例中，第一桥臂111的开关m1、m4接收到高位准的驱动信号drim1、drim4而导通，其导通时间小于个开关周期tsw，且上开关m1的导通时间可以等于也可以不等于下开关m4的导通时间。第二桥臂113的开关m2、m3的导通时间为0或接近于0个开关周期tsw。在一实施例中，第二桥臂113的开关m2、m3的导通时间小于个开关周期tsw，且第二桥臂113之下开关m3的导通时间小于第一桥臂111之上开关m1的导通时间，第二桥臂113之上开关m2的导通时间小于第一桥臂111之下开关m4的导通时间。为便于理解，以图2所示的驱动方式(如电压软启动方法)为例进行说明，上述驱动方式将在后续描述。第一桥臂111中的开关m1的驱动信号drim1和开关m4的驱动信号drim4的开通时间为变换装置100的开关周期tsw的一半，且两驱动信号错相180度，此外，第二桥臂113中开关m2的驱动信号drim2和开关m3的驱动信号drim3为0。另外，驱动信号drim1和drim4两者互补，且两个驱动信号之间存在死区期间(如期间t4
‑
t5)。
44.当输出电压vo为0时，在t1时刻，开关m1接收高位准的驱动信号drim1而开通，开关m2两端电压v2为vin，开关m3两端电压v3为0，变压器120的漏感lk两端电压vlk为vin
‑
nvs，其中n为变压器120的一次侧绕组和二次侧绕组的匝比，vs为二次侧输出电压vo和二极管ds1、ds2导通压降之和。此时，变压器120的漏感lk和开关m2、m3的寄生电容c2、c3振荡，上述操作可参阅图3所示的电路操作图以利于理解。流经变压器120的漏感lk的漏感电流ilk从0开始上升，开关m2两端电压v2开始下降，开关m3两端电压v3开始上升。在t2时刻，开关m2两端电压v2下降到0，开关m3两端电压v3上升到输入电压vin时，电流ilk的上升结束。
45.请一并参阅图1与图2，在t2
‑
t3期间，变压器120的漏感lk的两端电压vlk承受反压nvs，此时，漏感电流ilk通过开关m2的体二极管d2续流，上述操作可参阅图4所示的电路操作图以利于理解。此时，漏感电流ilk直线下降。在t3时刻，漏感电流ilk降至0，续流结束。在t1
‑
t3期间，能量经由变压器120传递到二次侧开关电路130，使得输出电压vo升高，借由上述驱动方式，传递到二次侧的能量较小，以完成电压软启动。
46.此外，t4
‑
t5期间为死区期间。在t5时刻，开关m4接收高位准的驱动信号drim4而开通，开关m2的两端电压v2为0，开关管m3的两端电压v3为输入电压vin。变压器120的漏感lk两端电压vlk为
‑
vin nvs，变压器120的漏感lk和开关m2、m3的寄生电容c2、c3开始振荡，上述操作可参阅图5所示的电路操作图以利于理解。此时，流经变压器120的漏感lk的漏感电流ilk从0开始反向上升，开关m2两端电压v2开始上升，开关m3两端电压v3开始下降。在t6时刻，开关m3两端电压v3下降到0时，漏感电流ilk的反向上升结束。
47.请参阅图1与图2，在t6
‑
t7期间，变压器120的漏感lk两端电压vlk为nvs，此时，变压器120的漏感lk和开关m3的体二极管d3续流，上述操作可参阅图6所示的电路操作图以利于理解。漏感电流ilk开始反向减小。在t7时刻，漏感电流ilk降至0，续流结束。在t5
‑
t7时刻，能量经由变压器120传递到二次侧开关电路130，使得输出电压vo升高，借由上述驱动方式，传递到二次侧的能量较小，以完成电压软启动。另外，t8
‑
t9区间为死区期间。整体t1
‑
t9期间为一个控制周期，亦即变换装置100的一个开关周期tsw。
48.综上所述，在一个开关周期tsw内，只有在t1
‑
t3期间和t5
‑
t7期间内传递能量给二次侧，且每次传递的能量小，输出电压vo得以缓慢上升，借以实现软启动。t3
‑
t4期间和t7
‑
t8期间里，如图所示，电压电流都维持不变，而且此状态一直延续到t4
‑
t5期间和t8
‑
t9期间这两个死区期间。因此，在上述工作状态下，第一桥臂111的两个开关m1、m4的导通时间在0到内任一点都可以实现软启动，诸如，当导通时间为也可以实现以上所述的软启动功能。在一实施例中，第一桥臂111的上下两个开关m1、m4的导通时间可以相等也可以不相等，可依实际需求加以设定。在一实施例中，第一桥臂111的两个开关m1、m4各自的导通时间在最小导通时间tmin到内任一点都可以实现软启动功能，且最小导通时间tmin可以根据控制器的导通时间的下限值来设定。在另一实施例中，上述最小导通时间大于0且至少大于第二桥臂113的两个开关m2、m3各自的导通时间。
49.在一实施例中，请参阅图1，变压器120包含磁芯、一次侧绕组及二次侧绕组。一次侧绕组耦接于一次侧开关电路110，二次侧绕组耦接于二次侧开关电路130。举例而言，一次侧绕组包含至少一个绕组t1，其耦接于一次侧开关电路110。二次侧绕组包含至少两个绕组t2、t3，其耦接于二次侧开关电路130。一次侧绕组t1与二次侧绕组t2、t3通过磁芯耦合。两个绕组t2、t3串联连接，且具有中心抽头，变压器120的二次侧绕组与二次侧开关电路130形成中心抽头全波整流电路，并与输出电容cout并联而形成变压装置100的输出端。然本发明不以图1所示的结构为限，其仅用以例示性地说明本发明的实现方式之一。诸如在其它实施例中，二次侧绕组亦可包含单一绕组，从而变压器120的二次侧绕组的单一绕组与二次侧开关电路130形成全桥整流电路。另外，二次侧绕组包含单一绕组的实施态样，亦可配置以使变压器120的二次侧绕组的单一绕组与二次侧开关电路130形成半波整流电路，可视实际需求而定。
50.图7为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的输出电压与参考电压的波形示意图。请一并参阅图1与图7，如图所示，vo(t)为变换装置100的输出电压，vref(t)为参考电压，此参考电压是根据输出电压和启动时间的规格需求来加以设定的。一般而言，参考电压的曲线为在启动时间tss内输出电压vo(t)线性上升到目标输出电压voset的曲线。当输出电压vo(t)大于参考电压vref(t)时，借由控制器(图中未示)控制使得变换装置100的一次侧开关电路110的开关m1、m4开通。若输出电压vo(t)小于参考电压vref(t)，将会导致输出电压vo(t)的上升速度变缓，此时，可通过控制器在开通一次侧开关电路110的开关m1、m4的同时，一并开通一次侧开关电路110的开关m2、m3，以增大传递给二次侧的能量。随后，若输出电压vo(t)大于参考电压vref(t)，此时，需要关断一次侧开关电路110的开关m2、m3，使得输出电压vo(t)跟踪参考电压vref(t)而持续上升，直到达到目标输出电压voset。
51.举例而言，在tss1期间内，由于输出电压vo(t)大于参考电压vref(t)，因此，借由控制器(图中未示)的控制，以使变换装置100只有一次侧开关电路110的开关m1、m4开通。如图所示，输出电压vo(t)于p点时将要小于参考电压vref(t)，因此，在tss2期间内，同时开通一次侧开关电路110的开关m1、m4与一次侧开关电路110的开关m2、m3，以增大传递给二次侧的能量，进而实现输出电压软启动功能。
52.图8为依照本发明一实施例绘示一种比较电路800示意图。请参阅图8，图中的比较电路800可用以实现图7所示的控制方式。举例而言，输出电压vo(t)与参考信号vref(t)经过比例积分调节器810后，输出一电压信号s1，此电压信号s1借由比较器820与一个三角波信号(ramp)比较而产生一个脉冲信号pwm去控制一次侧开关电路110的开关m2、m3的开通和关断。但本实施例可以采用的控制方法并不限于图8所示的比较电路800，其余能实现相同功能的仿真控制方法亦可用以实现本发明，或者本发明亦可采用数字信号处理器(digital signal processing,dsp)、微控制器(microcontroller unit,mcu)的数字实现方法来加以实现，可根据实际需求而定。
53.图9为依照本发明一实施例绘示一种变换装置的驱动波形示意图。需说明的是，为实现图7所示的控制方式，驱动图1所示的变化装置100的驱动波形将与图2的实施例的驱动波形有所差异，详细说明如后。
54.如图9所示，与图2的不同之处在于t1
‑
t2期间和t6
‑
t7期间。详细而言，在图9的t1
‑
t2期间内，第一桥臂111之上开关m1与第二桥臂113之下开关m3同时开通，变压器120的漏感lk和输入电容cin产生振荡电流ilk，同时能量传递给变压器120的二次侧，上述操作可参阅图10所示的电路操作图以利于理解。在t6
‑
t7期间内，第一桥臂111之下开关m4与第二桥臂113之上开关m2同时开通，变压器120的漏感lk和输入电容cin产生反向振荡电流ilk，同时传递能量给变压器120的二次侧，上述操作可参阅图11所示的电路操作图以利于理解。需说明的是，其余期间的工作状态相同于图2描述的工作状态，为使本发明的说明书简洁，于此不作赘述。
55.需注意的是，上述图9所示的控制方法可借由额外控制开关m2、m3的导通时间，以控制传递到变压器120的二次侧能量的大小，进而达到如图7所示的输出电压vo(t)跟踪参考电压vref(t)的控制状态，而得以实现软启动的功能。在一实施例中，如图9所示，第二桥臂113的开关m2、m3的导通时间大于0且小于个开关周期tsw，且第二桥臂113之下开关m3的导通时间小于第一桥臂111之上开关m1的导通时间，第二桥臂113之上开关m2的导通时间小于第一桥臂111之下开关m4的导通时间。
56.当变换装置100的软启动结束后，即进入稳定工作状态，此时，变换装置100的开关m1～m4工作在不调整的50％占空比状态下，例如第一桥臂111的上开关m1与下开关m4的每一者的导通时间约为个开关周期tsw，第二桥臂113的上开关m2与下开关m3中的每一者的导通时间约为个开关周期tsw。此外，驱动第一桥臂111的上开关m1与第二桥臂113的下开关m3的驱动信号相同，驱动第一桥臂111的下开关m4与第二桥臂113的上开关m2的驱动信号相同，且驱动第一桥臂111的上开关m1的驱动信号与驱动第一桥臂111的下开关m4的驱动信
号互补。
57.图12为依照本发明一实施例绘示一种变换装置100的电路方块示意图。需说明的是，图12的变换装置100与图1的变换装置100的差异在于，图12的变换装置100于其第一桥臂111和第二桥臂113的两个中点之间又串联一个电容cr，亦可视为电容cr耦接于一次侧开关电路110与变压器120之间，电容cr与电感lr串联耦接。另外，图12的电感lr可以是变压器120的漏感，亦可为外加电感。在第一桥臂111开通，第二桥臂113不开通的情况下，电容cr、第二桥臂113的开关m2、m3的寄生电容和电感lr发生振荡，同时传递能量给变压器120的二次侧，此处的操作类似于图2至图6所示的操作。再者，在第一桥臂111和第二桥臂113都开通的情况下，电容cr、输入电容cin和电感lr发生振荡。此时，若输入电容cin的容值远远大于电容cr，则电感lr仅与电容cr发生振荡，同时传递能量给变压器120的二次侧。
58.在另一实施例中，本发明的二次侧开关电路130的架构可采用全桥整流电路。二次侧开关电路130的二极管可采用金氧半场效应晶体管(mosfet)来替代。在其余实施例中，本发明的二次侧开关电路130的架构尚可采用半波整流电路。
59.由上述本发明实施方式可知，应用本发明具有下列优点。本发明实施例借由提供一种变换装置，借以改善软启动应用于没有输出电感的变换装置时，当输出电压为0，开关管开通时的瞬间，脉冲会使输出电压瞬间冲高的问题。此外，本发明实施例的变换装置不需额外的开关器件，从而得以减少变换装置的成本，更能降低整体控制方案的实施的复杂度。
60.虽然上文实施方式中揭露了本发明的具体实施例，然其并非用以限定本发明，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不悖离本发明的原理与精神的情形下，当可对其进行各种更动与修饰，因此本发明的保护范围当以附随申请专利范围所界定者为准。