交流至直流电源转换器及其控制电路的制作方法

本发明涉及交流至直流电源转换器(ac-to-dcpowerconverter)，尤指一种可降低输入电容所需的电容值大小的交流至直流电源转换器及相关的控制电路。

背景技术：

交流至直流电源转换器中需要设置输入电容来稳定整流器整流后的电压，而且输入电容的额定电压(ratedvoltage)必须超过交流至直流电源转换器接收到的交流电压的峰值。因此，如果交流至直流电源转换器所需支持的交流电压范围越宽，就必须使用电容值很大的输入电容。

例如，假设交流至直流电源转换器所需支持的交流电压是从90伏特到380伏特的范围，则交流电压的峰值可能高达约537伏特左右。在此情况下，必须使用额定电压超过前述峰值大小的输入电容才能满足交流至直流电源转换器的设计需求。如此一来，不仅所需的电路面积、重量以及硬件成本会大幅增加，也会增加交流至直流电源转换器对内部组件的硬件需求，进而提升交流至直流电源转换器在电路设计上的困难度。

技术实现要素：

有鉴于此，如何使交流至直流电源转换器使用电容值较小的输入电容便能支持较宽的交流电压范围，成为迫切需要解决的问题。

本发明实施例提供一种交流至直流电源转换器，其包含：整流器，用于依据交流电压产生整流电压；输入电容，该输入电容的第一端耦接于该整流器的输出端，且该输入电容的第二端耦接于固定电位端；第一电感组件；第一辅助电容；第一开关，该第一开关的第一端用于耦接该输入电容的第一端，且该第一开关的第二端用于耦接该第一电感组件的第一端；第二开关，该第二开关的第一端用于耦接该第一电感组件的第二端，且该第二开关的第二端用于耦接该固定电位端；电路节点，用于提供节点电压；辅助开关，用于耦接在该电路节点与该第一辅助电容之间，或是耦接在该第一辅助电容与该固定电位端之间；第一二极管，用于耦接在该第二开关的第一端与该电路节点之间；第二二极管，用于耦接在该电路节点与该第一开关的第一端之间；控制信号产生电路，用于耦接该第一开关与该第二开关两者的控制端，并产生功率开关控制信号以控制该第一开关与该第二开关；以及辅助开关控制电路，耦接于该控制信号产生电路，用于依据该功率开关控制信号产生辅助开关控制信号以控制该辅助开关。

本发明实施例还提供一种用于交流至直流电源转换器中的控制电路。该交流至直流电源转换器包含有：整流器，用于依据交流电压产生整流电压；输入电容，其第一端耦接于该整流器的输出端，且其第二端耦接于固定电位端；第一电感组件；第一辅助电容；第一开关，其第一端用于耦接该输入电容的第一端，且其第二端用于耦接该第一电感组件的第一端；第二开关，其第一端用于耦接该第一电感组件的第二端，且其第二端用于耦接该固定电位端；电路节点，用于提供节点电压；第一二极管，用于耦接在该第二开关的第一端与该电路节点之间；第二二极管，用于耦接在该电路节点与该第一开关的第一端之间；以及辅助开关，用于耦接在该电路节点与该第一辅助电容之间，或是耦接在该第一辅助电容与该固定电位端之间。该控制电路包含有：控制信号产生电路，用于耦接该第一开关与该第二开关两者的控制端，并产生功率开关控制信号以控制该第一开关与该第二开关；以及辅助开关控制电路，耦接于该控制信号产生电路，用于依据该功率开关控制信号产生辅助开关控制信号以控制该辅助开关。

上述实施例的优点之一，是可降低输入电容的跨压变动程度，进而降低对输入电容的电容值大小的要求。

上述实施例的另一优点，是可有效提升交流至直流电源转换器产生的输出电压的稳定性。

本发明的其他优点将搭配以下的说明和附图进行更详细的解说。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明第一实施例的交流至直流电源转换器简化后的功能方框图。

图2为图1的交流至直流电源转换器的一运作实施例简化后的时序图。

图3为图1的交流至直流电源转换器在输入电容的跨压高于节点电压时的电流方向简化后的示意图。

图4为图1的交流至直流电源转换器在输入电容的跨压低于节点电压时的电流方向简化后的示意图。

图5为本发明第二实施例的交流至直流电源转换器简化后的功能方框图。

图6为本发明第三实施例的交流至直流电源转换器简化后的功能方框图。

图7为本发明第四实施例的交流至直流电源转换器简化后的功能方框图。

【符号说明】

100交流至直流电源转换器(ac-to-dcpowerconverter)101整流器(rectifier)102输入电容(inputcapacitor)

103第一电感组件(firstinductiveelement)

104第二电感组件(secondinductiveelement)

105输出二极管(outputdiode)

106输出电容(outputcapacitor)

107负载(load)

108第一辅助电容(firstauxiliarycapacitor)

109第二辅助电容(secondauxiliarycapacitor)

110控制电路(controlcircuit)

111第一开关(firstswitch)

112第二开关(secondswitch)

113电路节点(circuitrynode)

114辅助开关(auxiliaryswitch)

115第一二极管(firstdiode)

116第二二极管(seconddiode)

117第三二极管(thirddiode)

118控制信号产生电路(controlsignalgeneratingcircuit)

119辅助开关控制电路(auxiliaryswitchcontrolcircuit)

517第三开关(thirdswitch)

600交流至直流电源转换器(ac-to-dcpowerconverter)

603第一电感组件(firstinductiveelement)

605输出二极管(outputdiode)

606输出电容(outputcapacitor)

700交流至直流电源转换器(ac-to-dcpowerconverter)

703第一电感组件(firstinductiveelement)

704第二电感组件(secondinductiveelement)

705输出二极管(outputdiode)

706输出电容(outputcapacitor)

707耦合电容(couplingcapacitor)

vac交流电压(acvoltage)

vin整流电压(rectifiedvoltage)

vc跨压(crossvoltage)

vk节点电压(nodevoltage)

vout输出电压(outputvoltage)

s1功率开关控制信号(powerswitchcontrolsignal)

s2辅助开关控制信号(auxiliaryswitchcontrolsignal)

t1第一时段(firsttimeperiod)

t2第二时段(secondtimeperiod)

具体实施方式

以下将配合相关附图来说明本发明之实施例。在这些附图中，相同的标号表示相同或类似的组件或方法流程。

图1为本发明第一实施例的交流至直流电源转换器100简化后的功能方框图。交流至直流电源转换器100用于将交流电压vac转换成直流输出电压vout。如图1所示，交流至直流电源转换器100包含有整流器101、输入电容102、第一电感组件103、第二电感组件104、输出二极管105、输出电容106、第一辅助电容108、第二辅助电容109以及控制电路110。在本实施例中，控制电路110包含有第一开关111、第二开关112、电路节点113、辅助开关114、第一二极管115、第二二极管116、第三二极管117、控制信号产生电路118以及辅助开关控制电路119。

在交流至直流电源转换器100中，整流器101用于依据交流电压vac产生整流电压vin。输入电容102的第一端耦接于整流器101的输出端以接收整流电压vin，且输入电容102的第二端耦接于固定电位端(例如，接地端)，使得输入电容102的跨压vc能够比整流电压vin平稳。第一电感组件103是一次侧线圈，而第二电感组件104是二次侧线圈。输出二极管105耦接于第二电感组件104的第一端。输出电容106耦接于输出二极管105的输出端与第二电感组件104的第二端之间，用于接收输出二极管105传来的电流以提供输出电压vout给负载107。

由前述的组件连接关系可知，图1中的交流至直流电源转换器100的主结构是反激式电源转换器。

在控制电路110中，第一开关111的第一端用于耦接输入电容102的第一端，且第一开关111的第二端用于耦接第一电感组件103的第一端。第二开关112的第一端用于耦接第一电感组件103的第二端，且第二开关112的第二端用于耦接固定电位端。辅助开关114的第一端用于耦接电路节点113，且辅助开关114的第二端用于耦接第一辅助电容108。第一二极管115用于耦接在第二开关112的第一端与电路节点113之间。第二二极管116用于耦接在电路节点113与第一开关111的第一端之间。第三二极管117用于耦接在固定电位端与第一开关111的第二端之间。控制信号产生电路118用于耦接第一开关111与第二开关112两者的控制端，并产生功率开关控制信号s1以控制第一开关111与第二开关112。辅助开关控制电路119耦接于控制信号产生电路118，用于依据功率开关控制信号s1产生辅助开关控制信号s2以控制辅助开关114。

换言之，控制信号产生电路118会同时导通(turnon)第一开关111与第二开关112，或是同时关断(turnoff)第一开关111与第二开关112。

在图1的实施例中，第一辅助电容108是耦接于辅助开关114的第二端与固定电位端之间，而第二辅助电容109则是耦接于电路节点113与固定电位端之间，并与第一辅助电容108形成并联结构。

控制电路110中的控制信号产生电路118会控制第一开关111和第二开关112的切换操作，以控制第一电感组件103与第二电感组件104之间的能量感应及转换，由此将交流电压vac转换为输出电压vout。辅助开关控制电路119则会控制辅助开关114的切换操作，以控制第一辅助电容108的充电与放电动作。

当控制信号产生电路118导通第一开关111和第二开关112时，能量可经由第一开关111流向第一电感组件103并储存在第一电感组件103内。之后，当控制信号产生电路118关断第一开关111和第二开关112时，第一电感组件103中所储存的能量可通过第二电感组件104的感应传递到二次侧电路，并可经由第一二极管115传递至电路节点113，以对第二辅助电容109进行充电。此时，若辅助开关控制电路119导通辅助开关114，则由第一电感组件103传递至电路节点113的能量也可对第一辅助电容108进行充电。因此，在电路节点113上会形成节点电压vk。

以下将配合图2至图4来进一步说明交流至直流电源转换器100的运作方式。

图2为交流至直流电源转换器100的一运作实施例简化后的时序图。图3为交流至直流电源转换器100在输入电容102的跨压vc高于节点电压vk时的电流方向简化后的示意图。图4为交流至直流电源转换器100在整流电压vin低于节点电压vk时的电流方向简化后的示意图。

如图2所示，整流器101产生的整流电压vin是具有m波形的电压信号，输入电容102的跨压vc是相对平稳一些的电压信号，而电路节点113上的节点电压vk则是更为平稳许多的电压信号。此外，节点电压vk高于输入电容102的跨压vc的谷值，但低于输入电容102的跨压vc的峰值。

因此，输入电容102的跨压vc有时会高于节点电压vk，有时则会低于节点电压vk。

图2中特别绘示出在输入电容102的跨压vc与节点电压vk两者的相对大小改变的时间点附近，功率开关控制信号s1和辅助开关控制信号s2两者简化后的波形示意图。

在图2的实施例中，功率开关控制信号s1和辅助开关控制信号s2两者都假设为高电平有效(activehigh)信号。亦即，当控制信号产生电路118将功率开关控制信号s1设置为高电位态时，第一开关111与第二开关112会被导通；而当控制信号产生电路118将功率开关控制信号s1设置为低电位态时，第一开关111与第二开关112则会被关断。相似地，当辅助开关控制电路119将辅助开关控制信号s2设置为高电位态时，辅助开关114会被导通；而当辅助开关控制电路119将辅助开关控制信号s2设置为低电位态时，辅助开关114会被关断。

为了方便说明，以下将输入电容102的跨压vc高于节点电压vk的时段称为第一时段t1，并将输入电容102的跨压vc低于节点电压vk的时段称为第二时段t2。

如图3所示，在输入电容102的跨压vc高于节点电压vk的第一时段t1中，电流会从输入电容102流向第一开关111。此时，第一电感组件103所获得的能量是由输入电容102所供应。

在第一时段t1中，当控制信号产生电路118设置功率开关控制信号s1维持在有效态时，第一开关111与第二开关112会维持在导通状态。此时，辅助开关控制电路119将辅助开关控制信号s2设置为有效态或是无效态都不会影响第一电感组件103的能量来源。

另一方面，当控制信号产生电路118设置功率开关控制信号s1从有效态切换至无效态时，辅助开关控制电路119则会先设置辅助开关控制信号s2在有效态持续一段时间，然后再切换至无效态。因此，当控制信号产生电路118利用功率开关控制信号s1将第一开关111与第二开关112从导通状态切换至关断状态时，辅助开关控制电路119会利用辅助开关控制信号s2先将辅助开关114持续导通一段时间，然后再关断辅助开关114。在辅助开关控制电路119导通辅助开关114的这一段时间中，第一电感组件103会对第一辅助电容108进行充电，以维持节点电压vk的平稳。

实际操作上，在第一时段t1中，辅助开关114每次的导通时间(ontime)可以是固定的，也可以逐次增加。

例如，当控制信号产生电路118利用功率开关控制信号s1将第一开关111与第二开关112从导通状态切换至关断状态时，辅助开关控制电路119可利用辅助开关控制信号s2先将辅助开关114持续导通第一时间长度，然后再关断辅助开关114。之后，当下一次控制信号产生电路118利用功率开关控制信号s1将第一开关111与第二开关112从导通状态切换至关断状态时，辅助开关控制电路119可利用辅助开关控制信号s2将辅助开关114持续导通第二时间长度，然后再关断辅助开关114，并将前述的第二时间长度设置成大于第一时间长度。

因此，辅助开关控制电路119在第一时段t1中可将辅助开关控制信号s2的有效脉波宽度设置为固定值，也可以逐次增加所产生的辅助开关控制信号s2的有效脉波宽度。

在第一时段t1中逐次增加辅助开关114的导通时间的优点是可有效减少输出电压vout中的链波(ripple)，使得输出电压vout更加平稳。

如图4所示，在输入电容102的跨压vc低于节点电压vk的第二时段t2中，电流会从第一辅助电容108和/或第二辅助电容109经由电路节点113及第二二极管116流向第一开关111。此时，第一电感组件103所获得的能量是由第一辅助电容108和/或第二辅助电容109所供应。

在第二时段t2中，当控制信号产生电路118设置功率开关控制信号s1维持在有效态时，第一开关111与第二开关112会维持在导通状态。此时，辅助开关控制电路119可将辅助开关控制信号s2设置为有效态以导通辅助开关114，使得第一辅助电容108和第二辅助电容109一起通过电路节点113及第二二极管116供应电流至第一开关111。或者，辅助开关控制电路119也可以将辅助开关控制信号s2设置为无效态，使得第二辅助电容109单独通过电路节点113及第二二极管116供应电流至第一开关111。在辅助开关114用具有内接二极管(bodydiode)的晶体管来实现的某些实施例中，当辅助开关控制电路119在第二时段t2中将辅助开关控制信号s2设置为无效态时，第一辅助电容108和第二辅助电容109仍然可以一起通过电路节点113及第二二极管116供应电流至第一开关111。

另一方面，当控制信号产生电路118设置功率开关控制信号s1处于无效态时，辅助开关控制电路119也会设置辅助开关控制信号s2处于无效态。因此，当控制信号产生电路118利用功率开关控制信号s1关断第一开关111与第二开关112时，辅助开关控制电路119也会同时利用辅助开关控制信号s2关断辅助开关114。

因此，辅助开关控制电路119在第二时段t2中可将辅助开关控制信号s2设置成追随功率开关控制信号s1同步变化，也可以将辅助开关控制信号s2维持在无效态。

实际操作上，第一开关111、第二开关112以及辅助开关114都可用各种适合的晶体管组件来实现。控制信号产生电路118则可使用各种适合的现有pwm信号产生电路或pfm信号产生电路的结构来实现。辅助开关控制电路119则可用各种比较器搭配适当的模拟或数字模式的脉波产生电路来实现。

由前述说明可知，当输入电容102的跨压vc低于节点电压vk时，第一辅助电容108和/或第二辅助电容109可经由电路节点113及第二二极管116供应电流给第一电感组件103，使得输入电容102在这段期间无须供应电流给第一电感组件103。因此，第一辅助电容108和/或第二辅助电容109的存在，在搭配上辅助开关控制电路119和辅助开关114的操作，可有效减少输入电容102的跨压vc降低的程度。

换言之，前述交流至直流电源转换器100的结构可有效降低输入电容102的跨压vc的变动程度，进而降低对输入电容102的电容值大小的要求。如此一来，交流至直流电源转换器100使用电容值较小的输入电容102便能支持较宽的交流电压范围。

另外，由于输入电容102的跨压vc的变动程度减少，所以能有效提升交流至直流电源转换器100产生的输出电压vout的稳定性。

图5为本发明第二实施例的交流至直流电源转换器100简化后的功能方框图。

图5的实施例与前述图1的实施例很类似，但图5的实施例改用第三开关517来取代前述图1中的第三二极管117。

如图5所示，第三开关517的第一端耦接于第一开关111的第二端，且第三开关517的第二端耦接于固定电位端。在图5的实施例中，控制信号产生电路118还可耦接于第三开关517的控制端，且控制信号产生电路118在导通第一开关111与第二开关112时关断第三开关517，并在关断第一开关111与第二开关112时导通第三开关517。

实际操作上，第三开关517可用各种适合的晶体管组件来实现。有关前述图1实施例中的其他对应组件的连接关系、运作方式、实施方式、以及相关优点的说明，也适用于图5的实施例中。为简明起见，在此不重复叙述。

有前述说明可知，前述控制电路110的结构适用于同步型的交流至直流电源转换器100，也适用于异步型的交流至直流电源转换器100。

另外，前述交流至直流电源转换器100中的不同功能模块可分别用不同的电路来实现，也可整合在一单一电路芯片中。例如，控制电路110中的所有功能模块可以整合在一单一控制电路芯片中，也可以将第一开关111、第二开关112、辅助开关114、第一二极管115、第二二极管116以及第三二极管117(或第三开关517)中的至少一个，改成设置在与控制电路110耦接的外部电路板上。

图6为本发明第三实施例的交流至直流电源转换器600简化后的功能方框图。

交流至直流电源转换器600用于将交流电压vac转换成直流输出电压vout。如图6所示，交流至直流电源转换器600包含有前述的整流器101、输入电容102、第一辅助电容108、第二辅助电容109、以及控制电路110。此外，交流至直流电源转换器600还包含有第一电感组件603、输出二极管605、以及输出电容606。

在交流至直流电源转换器600中，第一开关111的第二端用于耦接第一电感组件603的第一端。第二开关的第一端用于耦接第一电感组件603的第二端。输出二极管605耦接于第一电感组件603的第二端。输出电容606耦接于输出二极管605的输出端与固定电位端之间，用于接收输出二极管605传来的电压以提供输出电压vout给负载107。

由前述的组件连接关系可知，图6中的交流至直流电源转换器600的主结构是升降压电源转换器。

有关前述图1实施例中的其他对应组件的连接关系、运作方式、实施方式、以及相关优点的说明，也适用于图6的实施例中。为简明起见，在此不重复叙述。

与前述图5的实施例相同，可改用第三开关517来取代前述图6中的第三二极管117。换言之，控制电路110的结构适用于同步型的交流至直流电源转换器600，也适用于异步型的交流至直流电源转换器600。

图7为本发明第四实施例的交流至直流电源转换器700简化后的功能方框图。

交流至直流电源转换器700用于将交流电压vac转换成直流输出电压vout。如图7所示，交流至直流电源转换器700包含有前述的整流器101、输入电容102、第一辅助电容108、第二辅助电容109、以及控制电路110。此外，交流至直流电源转换器700还包含有第一电感组件703、第二电感组件704、输出二极管705、输出电容706、以及耦合电容707。

在交流至直流电源转换器700中，第一开关111的第二端用于耦接第一电感组件703的第一端。第二开关的第一端用于耦接第一电感组件703的第二端。输出二极管705耦接于第一电感组件703的第二端与第二电感组件704的第一端之间。输出电容706耦接于第二电感组件704的第二端与第一电感组件703的第二端之间，用于接收第二电感组件704传来的电流以提供输出电压vout。耦合电容707耦接于第一电感组件703的第一端与第二电感组件704的第一端之间。

由前述的组件连接关系可知，图7中的交流至直流电源转换器700的主结构是集塔压电源转换器。

有关前述图1实施例中的其他对应组件的连接关系、运作方式、实施方式、以及相关优点的说明，也适用于图7的实施例中。为简明起见，在此不重复叙述。

与前述图5的实施例相同，可改用第三开关517来取代前述图7中的第三二极管117。换言之，控制电路110的结构适用于同步型的交流至直流电源转换器700，也适用于异步型的交流至直流电源转换器700。

在前述各实例的说明中，第一辅助电容108是耦接于辅助开关114的第二端与固定电位端之间，但这只是一示范实施例，而非局限本发明的实际实施方式。例如，在其他实施例中，也可将第一辅助电容108与辅助开关114两者的位置互换。亦即，可将第一辅助电容108的第一端耦接于电路节点113，将辅助开关114的第一端改成耦接于第一辅助电容108的第二端，并将辅助开关114的第二端改成耦接于固定电位端。换言之，辅助开关114可耦接在电路节点113与第一辅助电容108之间，也可耦接在第一辅助电容108与固定电位端之间。

另外，在前述图2的说明中将功率开关控制信号s1和辅助开关控制信号s2两者都假设为高电平有效的信号，只是为了方便说明，而非限制本发明的具体实施方式。实际操作上，也可将功率开关控制信号s1和辅助开关控制信号s2中的至少一个改为低电平有效(activelow)的信号。此时，第一开关111、第二开关112、和/或辅助开关114的实施方式可以做适应性调整。

在某些实施例中，也可将第二辅助电容109省略，以减少所需的电路面积。

在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的组件，而本领域内的技术人员可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在说明书及权利要求书中所提及的「包含」为开放式的用语，应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一组件耦接于第二组件，则代表第一组件可通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式而直接地连接于第二组件，或通过其它组件或连接手段间接地电性或信号连接至第二组件。

在说明书中所使用的「和/或」的描述方式，包含所列举的其中一个项目或多个项目的任意组合。另外，除非说明书中特别指明，否则任何单数格的用语都同时包含复数格的含义。

说明书及权利要求书中的「电压信号」，在实际操作上可采用电压形式或电流形式来实现。说明书及权利要求书中的「电流信号」，在实际操作上也可用电压形式或电流形式来实现。

以上仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的等效变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。