非对称半桥转换器的制作方法

1.本发明涉及一种电源转换器，尤其涉及一种非对称半桥转换器。


背景技术：

2.非对称半桥(asymmetrical half-bridge，ahb)转换器在现行ac-dc转换架构中提供了良好的电源转换效率。然而，在维持相同的操作下，ahb转换器在不同的负载条件下的转换效率会受到影响。因此，如何使ahb转换器在不同的负载条件下来提供适合的操作，是本领域技术人员的研究重点之一。


技术实现要素：

3.本发明提供一种非对称半桥转换器，能够在不同的负载条件下来提供适合的操作。
4.本发明的非对称半桥转换器包括开关电路、谐振槽、电流传感器以及控制器。开关电路包括上臂开关以及下臂开关。上臂开关与下臂开关连接于连接节点。谐振槽耦接于连接节点与接地端之间。电流传感器耦接于谐振槽。电流传感器感测流经谐振槽的谐振电流的波形以产生感测结果。谐振电流的波形反应于负载条件。控制器耦接于谐振槽以及开关电路。控制器判断感测结果。当感测结果表征出谐振电流的一次谐振波形的结束电流值大于预设值时，控制器对开关电路进行第一切换操作。当感测结果表征出一次谐振波形的结束电流值小于或等于预设值时，控制器对开关电路进行第二切换操作。
5.基于上述，电流传感器感测流经谐振槽的谐振电流的波形以产生感测结果。当感测结果表征出谐振电流的一次谐振波形的结束电流值大于预设值时，控制器对开关电路进行第一切换操作。当感测结果表征出一次谐振波形的结束电流值小于或等于预设值时，控制器对开关电路进行第二切换操作。因此，本发明的非对称半桥转换器能够依据谐振电流的波形来进行对应于波形的切换操作。如此一来，非对称半桥转换器能够自动地且实时地在不同的负载条件而采用对应的合适操作。
6.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
7.图1是依据本发明第一实施例所示出的非对称半桥(asymmetrical half-bridge，ahb)转换器的示意图；
8.图2a是依据本发明一实施例所示出的谐振电流的第一波形图；
9.图2b是依据本发明一实施例所示出的谐振电流的第二波形图；
10.图3是依据本发明第二实施例所示出的ahb转换器的示意图；
11.图4是依据本发明第三实施例所示出的ahb转换器的示意图；
12.图5是依据本发明第四实施例所示出的ahb转换器的示意图；
13.图6是依据本发明第五实施例所示出的ahb转换器的示意图。
14.附图标记说明
15.100、200、300、300’、400：非对称半桥转换器
16.110、210、310、310、410：开关电路
17.120、220、320、320、420：谐振槽
18.130、230、330、330、330’、430：电流传感器
19.140、240、340、340、440：控制器
20.150、250、350、350、450：输出电路
21.c1：电容器
22.co：输出电容器
23.cr：谐振电容器
24.do：输出二极管
25.dv：预设值
26.gnd1、gnd2：接地端
27.hg、lg：控制信号
28.i0：电流值
29.i1：结束电流值
30.ir：谐振电流
31.lm：激磁电感器
32.lr：谐振电感器
33.mh：上臂开关
34.ml：下臂开关
35.nd：连接节点
36.np：初级侧绕组
37.ns：次级侧绕组
38.sr：感测结果
39.t：时间
40.t0、t1、t2：时间点
41.td：预设时间长度
42.tr：变压器
43.vbus：电源传输线
44.vin：输入电源
45.vo：输出电源
46.wf、wf1、wf2：波形
47.wir1：一次谐振波形
48.wir2：二次谐振波形
具体实施方式
49.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只
要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
50.请参考图1，图1是依据本发明第一实施例所示出的非对称半桥转换器(asymmetrical half-bridge，ahb)的示意图。在本实施例中，ahb转换器100包括开关电路110、谐振槽120、电流传感器130以及控制器140。开关电路110包括上臂开关mh以及下臂开关ml。上臂开关mh与下臂开关ml连接于连接节点nd。以本实施例为例，上臂开关mh的第一端用以通过电源传输线vbus来接收输入电源vin。上臂开关mh的第二端耦接于连接节点nd。上臂开关mh的控制端耦接于控制器140以接收控制信号hg。上臂开关mh反应于控制信号hg而被导通或断开。下臂开关ml的第一端耦接于连接节点nd。下臂开关ml的第二端耦接于接地端gnd1。下臂开关ml的控制端耦接于控制器140以接收控制信号lg。下臂开关ml反应于控制信号lg而被导通或断开。
51.在本实施例中，谐振槽120耦接于连接节点nd与接地端gnd1之间。电流传感器130耦接于谐振槽120。电流传感器130感测流经谐振槽120的谐振电流ir的波形wf。电流传感器130基于谐振电流ir的波形wf来产生感测结果sr。谐振电流ir的波形wf会反应于当前的负载条件。
52.在本实施例中，控制器140耦接于谐振槽120以及开关电路110。控制器140会对感测结果sr进行判断。控制器140能够基于谐振电流ir的波形wf来对开关电路110进行对应于谐振电流ir的波形wf的切换操作。当感测结果sr表征出谐振电流ir的一次谐振波形wf的结束电流值大于预设值dv时，控制器140对开关电路110进行第一切换操作。当感测结果sr表征出一次谐振波形wf的结束电流值小于或等于预设值dv时，控制器140则对开关电路110进行第二切换操作。在本实施例中，第一切换操作以及第二切换操作分别对应于不同的负载模式。
53.在此值得一提的是，ahb转换器100能够依据谐振电流ir的波形wf来进行对应于波形wf的切换操作。如此一来，ahb转换器100能够自动地且实时地在不同的负载条件而采用对应的合适操作。
54.举例来说明关于第一切换操作的实施细节，请同时参考图1以及图2a。图2a是依据本发明一实施例所示出的谐振电流的第一波形图。在本实施例中，电流传感器130感测流经谐振槽120的谐振电流ir的波形wf1以产生感测结果sr。在时间点t0，上臂开关mh被断开，并且下臂开关ml被导通。时间点t0、t1之间的时间区间是下臂开关ml被导通的期间。在本实施例中，一次谐振波形wir1是在下臂开关ml被导通的期间的谐振电流ir的第一次谐振起伏。一次谐振波形wir1结束于结束电流值i1。控制器140会对波形wf1进行判断。当一次谐振波形wir1的结束电流值i1被判断出大于预设值dv时，表示ahb转换器100目前应用于较轻的负载条件。因此，控制器140对开关电路110进行第一切换操作以使ahb转换器100应用于轻载状态。
55.举例来说，预设值dv例如被设定为0.1安培。当一次谐振波形wir1的结束电流值i1被判断出大于0.1安培时，控制器140会对开关电路110进行第一切换操作以使ahb转换器100应用于轻载状态。
56.在第一切换操作中，控制器140会在下臂开关ml被断开的时间点t1将谐振电流ir的电流值控制为趋近于零(即，电流值i0)。控制器140在时间点t2导通上臂开关mh。时间点t2落后时间点t1于预设时间长度td。如此一来，预设时间长度td的期间，谐振电流ir的电流
值被控制为趋近于零。因此，使ahb转换器100进入间歇模式(burst mode)。在间歇模式，ahb转换器100的功率消耗可以被降低。
57.在本实施例中，谐振电流ir的波形wf1会被微分以获知谐振电流ir的斜率变化。基于时间的推移，当感测结果sr表征出谐振电流ir发生第一次的递减负斜率并随后发生正斜率时，谐振电流ir会被判断出发生一次谐振波形wir1。因此，控制器140会基于谐振电流ir的斜率变化来判断谐振电流ir发生一次谐振波形wir1的时机。此外，当上述的正斜率转变为负斜率时的电流值则是结束电流值i1。也就是说，控制器140还能够基于谐振电流ir的斜率变化来判断一次谐振波形wir1的结束时间点，并基于一次谐振波形wir1的结束时间点的电流值来获知结束电流值i1。
58.在本实施例中，控制器140还会依据在一次谐振波形wir1后的二次谐振波形wir2来进行辅助判断。当感测结果sr表征出谐振电流ir的一次谐振波形wir1结束后发生二次谐振波形wir2时，控制器140对开关电路110进行第一切换操作。在本实施例中，控制器140可利用第二次的递减负斜率并随后发生正斜率的斜率变化来判断谐振电流ir的波形wf1是否发生二次谐振波形wir2。
59.举例来说明关于第一切换操作的实施细节，请同时参考图1以及图2b。图2b是依据本发明一实施例所示出的谐振电流的第二波形图。在本实施例中，电流传感器130感测流经谐振槽120的谐振电流ir的波形wf2以产生感测结果sr。一次谐振波形wir1是在下臂开关ml被导通的期间的谐振电流ir的第一次谐振起伏。一次谐振波形wir1结束于结束电流值。控制器140会对波形wf2进行判断。当一次谐振波形wir1的结束电流值被判断出小于或等于预设值dv时，表示ahb转换器100目前应用于较重的负载条件。因此，控制器140对开关电路110进行第二切换操作以使ahb转换器100应用于重载状态。
60.举例来说，预设值dv例如被设定为0.1安培。当一次谐振波形wir1的结束电流值被判断出小于或等于预设值dv时，控制器140会对开关电路110进行第二切换操作以使ahb转换器100应用于重载状态。
61.在第二切换操作中，控制器在下臂开关ml被断开的时间点t1将谐振电流ir的电流值控制为负电流值，并且在下臂开关被断开的时间点t1随即导通上臂开关mh。因此，使ahb转换器100进入连续模式(continuous mode或boundary mode)。相较于间歇模式，连续模式能够提高输出功率。
62.应注意的是，在第二切换操作中，在时间点t1将谐振电流ir的电流值控制为负电流值。这样的负电流值有助于使ahb转换器100执行零电压切换(zero voltage switching，zvs)，从而提高连续模式的转换效率。
63.在本实施例中，控制器140还会依据在一次谐振波形wir1后的二次谐振波形来进行辅助判断。当感测结果sr表征出谐振电流ir没有发生二次谐振波形时，控制器140对开关电路110进行第二切换操作。
64.请回到图1的实施例，在本实施例中，谐振槽120包括谐振电感器lr、激磁电感器lm以及谐振电容器cr。谐振电感器lr、激磁电感器lm以及谐振电容器cr彼此串联耦接。以本实施例为例，谐振电感器lr的第一端耦接于连接节点nd。激磁电感器lm的第一端耦接于谐振电感器lr的第二端。谐振电容器cr的第一端耦接至激磁电感器lm的第二端。谐振电容器cr的第二端耦接至接地端gnd1。ahb转换器100还包括变压器tr以及输出电路150。变压器tr包
括初级侧绕组np以及次级侧绕组ns。初级侧绕组np并联耦接于激磁电感器lm。次级侧绕组ns耦接于输出电路150。输出电路150包括输出二极管do以及输出电容器co(本发明并不以此为限)。次级侧绕组ns的第一端耦接于输出二极管do的阳极。次级侧绕组ns的第二端耦接于接地端gnd2。输出二极管do的阴极作为用以提供输出电源vo的输出端。输出电容器co耦接于输出二极管do的阴极与接地端gnd2之间。
65.请参考图3，图3是依据本发明第二实施例所示出的ahb转换器的示意图。在本实施例中，ahb转换器200包括开关电路210、谐振槽220、电流传感器230、控制器240、变压器tr以及输出电路250。电流传感器230耦接于激磁电感器lm的第二端与谐振电容器cr的第一端之间。在本实施例中，电流传感器230可利用本领域技术人员所熟知的电流感侧方式来获得谐振电流ir的波形。举例来说，电流传感器230包括感测电阻器。感测电阻器耦接于激磁电感器lm的第二端与谐振电容器cr的第一端之间。感测电阻器基于谐振电流ir来提供感测电压值。电流传感器230则依据感测电压值的变动以及感测电阻器的电阻值来获得谐振电流ir的波形。另举例来说，电流传感器230包括耦合电感器。耦合电感器的第一电感器耦接于激磁电感器lm的第二端与谐振电容器cr的第一端之间。第一电感器接收谐振电流ir的谐振能量，并以电感耦合方式将谐振能量耦合到耦合电感器的第二电感器。电流传感器230则依据第二电感器上的能量变动来获得谐振电流ir的波形。
66.本实施例的开关电路210、谐振槽220、控制器240、变压器tr以及输出电路250的实施方式可参考图1、图2a、图2b的多个实施例，故不在此重述。
67.请参考图4，图4是依据本发明第三实施例所示出的ahb转换器的示意图。在本实施例中，在本实施例中，ahb转换器300包括开关电路310、谐振槽320、电流传感器330、控制器340、变压器tr以及输出电路350。电流传感器330耦接于谐振电容器cr的第二端与接地端gnd1之间。在本实施例中，电流传感器330可利用本领域技术人员所熟知的电流感侧方式来获得谐振电流ir的波形。进一步来说，电流传感器330耦接于谐振电容器cr的第二端与下臂开关ml的第二端之间。
68.本实施例的开关电路310、谐振槽320、控制器340、变压器tr以及输出电路350的实施方式可参考图1、图2a、图2b的多个实施例，故不在此重述。电流传感器330的操作方式在第二实施例中的电流传感器230的多个范例中获得足够的教示，故不在此重述。
69.请参考图5，图5是依据本发明第四实施例所示出的ahb转换器的示意图。在本实施例中，ahb转换器300’包括开关电路310、谐振槽320、电流传感器330’、控制器340、变压器tr以及输出电路350。与图4的实施例不同的是，电流传感器430耦接于下臂开关ml的第二端与接地端gnd1之间。
70.请参考图6，图6是依据本发明第五实施例所示出的ahb转换器的示意图。在本实施例中，ahb转换器400包括开关电路410、谐振槽420、电流传感器430、控制器440、变压器tr以及输出电路450。在本实施例中，电流传感器430与谐振电容器cr并联耦接。举例来说，电流传感器430可包括电容器c1。电容器c1与谐振电容器cr并联耦接。谐振电流ir中的第一谐振电流会流经谐振电容器cr。谐振电流ir中的第二谐振电流会流经电容器c1。第一谐振电流的电流值与第二谐振电流的电流值之间具有电流值比例。上述的电流值比例关联于谐振电容器cr与电容器c1的电容值关系。因此，电流传感器430第二谐振电流的电流值的变动以及谐振电容器cr与电容器c1的电容值关系来获得谐振电流ir的波形。
71.本实施例的开关电路410、谐振槽420、控制器440、变压器tr以及输出电路450的实施方式可参考图1、图2a、图2b的多个实施例，故不在此重述。
72.综上所述，本发明的ahb转换器包括开关电路、谐振槽、电流传感器以及控制器。电流传感器感测流经谐振槽的谐振电流的波形以产生感测结果。当感测结果表征出谐振电流的一次谐振波形结束时的结束电流值大于预设值时，控制器对开关电路进行第一切换操作。当感测结果表征出一次谐振波形的结束电流值小于或等于预设值时，控制器对开关电路进行第二切换操作。因此，ahb转换器能够依据谐振电流的波形来进行对应于波形的切换操作。如此一来，ahb转换器能够自动地且实时地在不同的负载条件而采用对应的合适操作。
73.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种非对称半桥转换器，其特征在于，所述非对称半桥转换器包括：开关电路，包括上臂开关以及下臂开关，其中所述上臂开关与所述下臂开关连接于连接节点；谐振槽，耦接于所述连接节点与接地端之间；电流传感器，耦接于所述谐振槽，经配置以感测流经所述谐振槽的谐振电流的波形以产生感测结果，其中所述谐振电流的波形反应于负载条件；以及控制器，耦接于所述谐振槽以及所述开关电路，经配置以：判断所述感测结果，当所述感测结果表征出所述谐振电流的一次谐振波形的结束电流值大于预设值时，对所述开关电路进行第一切换操作，并且当所述感测结果表征出所述一次谐振波形的所述结束电流值小于或等于预设值时，对所述开关电路进行第二切换操作。2.根据权利要求1所述的非对称半桥转换器，其特征在于：所述控制器对所述开关电路进行所述第一切换操作以使所述非对称半桥转换器应用于轻载状态，并且所述控制器对所述开关电路进行所述第二切换操作以使所述非对称半桥转换器应用于重载状态。3.根据权利要求1所述的非对称半桥转换器，其特征在于：所述一次谐振波形是在所述下臂开关被导通的期间的第一次谐振起伏，并且所述一次谐振波形结束于所述结束电流值。4.根据权利要求1所述的非对称半桥转换器，其特征在于，当所述感测结果表征出所述谐振电流发生第一次的递减负斜率并随后发生正斜率时，所述谐振电流被判断出发生所述一次谐振波形。5.根据权利要求4所述的非对称半桥转换器，其特征在于，当所述正斜率转变为负斜率时的电流值是所述结束电流值。6.根据权利要求1所述的非对称半桥转换器，其特征在于：在所述第一切换操作中，所述控制器在所述下臂开关被断开的第一时间点将所述谐振电流的电流值控制为趋近于零，并且在第二时间点导通所述上臂开关，并且所述第二时间点落后所述第一时间点于预设时间长度。7.根据权利要求1所述的非对称半桥转换器，其特征在于，当所述感测结果表征出所述谐振电流的所述一次谐振波形结束后发生二次谐振波形时，所述控制器对所述开关电路进行第一切换操作。8.根据权利要求1所述的非对称半桥转换器，其特征在于，在所述第二切换操作中，所述控制器在所述下臂开关被断开的时间点将所述谐振电流的电流值控制为负电流值，并且在所述下臂开关被断开的时间点随即导通所述上臂开关。9.根据权利要求1所述的非对称半桥转换器，其特征在于，所述谐振槽包括：谐振电感器，所述谐振电感器的第一端耦接于所述连接节点；激磁电感器，所述激磁电感器的第一端耦接于所述谐振电感器的第二端；以及谐振电容器，所述谐振电容器的第一端耦接至所述激磁电感器的第二端，所述谐振电
容器的第二端耦接至所述接地端。10.根据权利要求9所述的非对称半桥转换器，其特征在于，所述电流传感器耦接于所述激磁电感器的第二端与所述谐振电容器的第一端之间。11.根据权利要求9所述的非对称半桥转换器，其特征在于，所述电流传感器耦接于所述谐振电容器的第二端与所述接地端之间。12.根据权利要求9所述的非对称半桥转换器，其特征在于，所述电流传感器与所述谐振电容器并联耦接。

技术总结
本发明提供一种非对称半桥转换器。非对称半桥转换器包括开关电路、谐振槽、电流传感器以及控制器。电流传感器感测流经谐振槽的谐振电流的波形以产生感测结果。控制器判断感测结果。当感测结果表征出谐振电流的一次谐振波形的结束电流值大于预设值时，控制器对开关电路进行第一切换操作。当感测结果表征出一次谐振波形的结束电流值小于或等于预设值时，控制器对开关电路进行第二切换操作。对开关电路进行第二切换操作。对开关电路进行第二切换操作。


技术研发人员：邱昭彰 方冠钧 陈岳彰 黄梓期 孟哲浩
受保护的技术使用者：力林科技股份有限公司
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2023/8/28