TWI475793B - 使用具整流切換開關之ｚ型轉換器將交流輸入電壓轉換為調整的直流輸出電壓的轉換器、電子裝置與方法 - Google Patents

Description

使用具整流切換開關之Z型轉換器將交流輸入電壓轉換為調整的直流輸出電壓的轉換器、電子裝置與方法

本申請案係有關於一種利用具備整流切換開關之Z型轉換器將一交流輸入電壓轉換成一調整的直流輸出電壓的系統與方法。

交流至直流之功率轉換可應用於各種使用交流電源驅動直流負載的應用。舉例而言，交流至直流之轉換適用於發光二極體(LED)對燈泡的取代，其中LED技術以可能取代白熾燈泡為目標。雖然白熾燈泡適合使用交流電源，但LED通常需要直流電源，故在沒有交流至直流的轉換之下，無法直接取代。交流至直流之轉換亦可用於電池充電器以及相關應用。然而，交流至直流之轉換可能是複雜、昂貴、並且麻煩的。傳統的交流至直流轉換器通常需要多重層級，包括一前端橋式整流器或類似電路，且通常需要特製的變壓器。

本發明之一特色係有關於一種用以將交流輸入電壓轉換成調整的直流輸出電壓的交流至直流轉換器，包含一Z型轉換器以及一控制網路。該Z型轉換器接收該交流輸入電壓，提供該直流輸出電壓，並且包含一第一電感、一第二電感、一第一整流切換開關、一第二整流切換開關、一電容以及一負載裝置。第一電感耦接於第一與第二節點之間。第二電感耦接於第三與第四節點之間。第一整流切換開關耦接於該第二與第四節點之間。第二整流切換開關耦接於該第一與第三節點之間。該電容耦接於該第二與第三節點之間。該負載裝置產生該直流輸出電壓，其中該負載裝置串聯該第一電感和該第一整流切換開關的其中之一。其透過該Z型轉換器的第一及第四節點施加該交流輸入電壓。該控制網路感測該交流輸入電壓及該直流輸出電壓，並產生一用於控制該第一及第二整流切換開關之控制信號以調整該直流輸出電壓。

本發明之另一特色係有關於一種利用Z型轉換器將交流輸入電壓轉換成直流輸出電壓的方法。該Z型轉換器包含一耦接於第一與第二節點之間的第一電感、一耦接於第三與第四節點之間的第二電感、以及一耦接於該第二與第三節點之間的電容。該方法包含提供一第一整流切換開關於該第二與第四節點之間、提供一第二整流切換開關於該第一與第三節點之間、以串聯之形式將一產生該直流輸出電壓之負載裝置耦接該第一電感和該第一整流切換開關的其中之一、透過該第一及第四節點接收該交流輸入電壓、以及感測該交流輸入電壓及該直流輸出電壓並產生一用於控制該第一及第二整流切換開關之控制信號以調整該直流輸出電壓。

本發明之另一特色係有關於一種電子裝置，包含一Z型轉換器和一直流負載。該Z型轉換器具有第一、第二、第三及第四節點，其被组構成用以透過該第一及第四節點接收一交流輸入電壓以及用以透過該第二及第三節點提供一直流輸出電壓，並且其包含一第一電感、一第二電感、一第一整流切換開關、一第二整流切換開關、一負載裝置以及一控制器。第一電感耦接於該第一與第二節點之間。第二電感耦接於該第三與第四節點之間。第一整流切換開關耦接於該第二與第四節點之間。第二整流切換開關耦接於該第一與第三節點之間。該負載裝置產生該直流輸出電壓，其中該負載裝置串聯該第一電感和該第一整流切換開關的其中之一。該控制器感測該交流輸入電壓及該直流輸出電壓，並產生一用於控制該第一及第二整流切換開關之控制信號以調整該直流輸出電壓。該直流負載耦接至用以接收該直流輸出電壓之該第二及第三節點。

經由以下配合所附圖式之說明，將對本發明之效益、特徵、及優點有更佳之理解。以下說明係用以使得相關領域之熟習者能夠製做及使用本發明，其具體提供於本申請案及其說明書的內容之中。較佳實施例的各種修改，無論以何種形式，對於相關領域之熟習者應係顯而易見的，且本文所界定的基本原理可以適用於其他實施例。因此，本發明並不受限於本文所顯示及說明的特定實施例，而是包含符合本文所揭示之原理及新穎特徵之最大範疇。

本說明書揭示一種給定一交流輸入電壓以調整一直流輸出電壓的方法。一依據本發明一實施例之系統提供利用一具有高切換頻率及調整能力之單一轉換級的交流至直流之直接功率轉換。依據本發明一實施例之一個系統致能發光二極體(LED)燈泡取代。一個依據本發明一實施例之系統可以運用氮化鎵(GaN)特性做為功率切換開關。依據本發明一實施例之一個系統排除在典型交流至調整的直流轉換器中常見之橋式整流器。依據本發明一實施例之一個系統使用工作週期控制以同時達成負載調整以及交流整流。依據本發明一實施例之一個系統使用一Z型整流器網路，諸如一Z源整流器網路或者一類Z源整流器網路。其利用一'整流切換開關'控制或切換該Z型整流器網路。在一實施例之中，其使用一具有短路閘極之雙閘極GaN裝置做為整流切換開關以切換該Z型整流器網路。在另一實施例之中，一串聯式耦接之二極體和電子切換開關被共同使用做為整流切換開關以切換該Z型整流器網路。在本說明書所述的實施例之中，每一整流切換開關之電子切換開關均被例示為一N型通道的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。然而，其應理解，其可以採用替代形式之電子切換開關，諸如，舉例而言，其他類型之FET元件(例如，P型通道MOSFET、NFET、PFET、等等)，以及其他類型之電晶體，諸如雙載子電晶體(例如，雙載子接面電晶體、絕緣閘雙載子電晶體、等等)。依據本發明一實施例之一個系統採用普通的電感器並避免使用特製的變壓器。

一直流輸出電壓利用諸如一Z源轉換器或一類Z源轉換器之Z型轉換器被轉換自一交流輸入電壓。對於二者中之任一轉換器，其控制工作週期(D)以在交流輸入VAC掃過正值及負值時調整直流輸出。在一實施例之中，其調整輸出電壓VO。在一選替性實施例之中，其調整輸出電流。在本說明書之中，VAC代表任何適當頻率及/或強度之任何類型交流輸入電壓，諸如交流線路輸入電壓、半橋式整流交流電壓、全橋式整流交流電壓、等等。本發明之實施例之例示係針對單相位系統，但可以容易地擴大至多相位組態。例如，其可以取一Y型連接多相位系統之中心做為一負載之連接以節省加入之構件。說明書中提及之Z源或類Z源轉換器可以是做為一交流同步馬達或發電機或類似裝置之轉子場域控制。

圖1A係一傳統型Z源整流器網路100之示意圖。一交流電壓源101具有一正接頭，其耦接至一電感器L1之一端以及一單極單投式(SPST)開關S2之一接頭。開關S2之另一接頭耦接至一第二電感器L2之一端以及一電容器CAC之一端。電容器CAC的另一端耦接至電感器L1的另一端以及另一SPST開關S1之一接頭。開關S1的另一接頭耦接至一負載電阻器RL之一端以及一電容器CDC之一端，其中RL及CDC彼此並聯。RL及CDC的另一端耦接至L2的另一端以及交流電壓源101的負接頭。交流電壓源101產生一交流電壓VAC。此Z源整流器網路100中的開關S1及S2分別受信號C1及C2之控制而進行切換。交流輸入係VAC而直流輸出電壓VO係跨負載之電壓，該負載包含負載電阻RL並聯電容器CDC。開關S1與S2各自之切換頻率基本上高於VAC之頻率。

開關S1及S2交替導通，使得當開關S1處於'導通'時，開關S2係處於'斷開'(C1係邏輯位準1而C2係邏輯位準0)。情況類似地，當開關S2處於'導通'時，開關S1係處於'斷開'(C1係邏輯位準0而C2係邏輯位準1)。工作週期(D)係C1處於高位準(邏輯位準1)的時間相對於總切換時間長度之比例。因此，C1之切換係以工作週期D為基準，而C2之切換則是以1-D為基準。

圖1B係將Z源整流器網路100之對應直流電壓增益描繪成一工作週期D之函數的關係圖。電壓增益係直流輸出電壓VO除以交流輸入電壓，或者VO/VAC，其中VO/VAC=(1-2D)/(1-D)。其可以使用一控制迴路將一正或負輸入電壓調整成一正輸出電壓。因此，其可以藉由控制工作週期以在交流正弦波形掃過正值及負值時調整直流輸出。

圖2A係一傳統型類Z源整流器網路200之示意圖。類Z源整流器網路200類似Z源整流器網路100，其中類似之組件採用相同之參考編號。交流電壓源101具有一正接頭，其耦接至L1之一端以及開關S2之一接頭。開關S2之另一接頭耦接至L2之一端以及一電容器CAC之一端。電容器CAC之另一端耦接至S1之一接頭以及並聯的RL及CDC各自之一端。RL及CDC的另一端耦接至L1的另一端。開關S1之另一接頭耦接至L2的另一端以及交流電壓源101的負接頭。交流電壓源101產生VAC。

類Z源整流器網路200中的開關S1及S2分別受信號C1及C2之控制而進行切換。同樣地，交流輸入係電壓源VAC，而直流輸出電壓係跨負載RL並聯CDC處。開關S2及S1交替導通，使得當開關S1處於'導通'時，開關S1係處於'斷開'(例如，C1係邏輯位準1而C2係邏輯位準0)。同樣地，當開關S2處於'導通'時，開關S1係處於'斷開'(例如，C1係邏輯位準0而C2係邏輯位準1)。同樣地，工作週期(D)係C1處於高位準(例如，邏輯位準1)的時間相對於總切換時間長度之比例，而C1係以工作週期D為基準切換且C2係以1-D為基準切換。

圖2B係將類Z源整流器網路200之對應直流電壓增益描繪成一工作週期D之函數的關係圖。電壓增益係直流輸出電壓VO除以輸入電壓VAC，其中VO/VAC=(1-2D)/(D)。其可以使用一控制迴路將一正或負輸入電壓調整成一正輸出電壓。因此，其可以藉由控制工作週期以在交流正弦波形掃過正值及負值時調整直流輸出。

以下系統及方法對於二種Z型整流器網路同樣適用，包括Z源整流器網路或類Z源整流器網路。在許多實施例之中，開關S1及S2各自均被一整流切換開關取代。在一實施例之中，開關S1與S2各自均被一與MOSFET(金屬氧化物半導體場效電晶體)或類似元件串聯的二極體取代。在另一實施例之中，開關S1與S2各自均被一具有短路閘極之雙閘極GaN元件取代。利用整流切換開關的二種方式均具有單級交流至直流功率轉換之特色，並避免掉二級交流至直流轉換方法特有之橋式整流器。

圖3係依據本發明一實施例實施而成之一Z源轉換器300之示意圖。此Z源轉換器300包含交流電壓源101、電感器L1和L2、電容器CAC以及負載RL和CDC，以類似Z源整流器網路100之方式連接。電感器L1耦接於節點301與303之間，而電感器L2耦接於節點305與307之間。交流電壓源101之正接頭耦接至節點301且其負接頭耦接至節點307。電容器CAC耦接於節點303與305之間。開關S1與S2分別被整流切換開關RS1和RS2取代，其中每一整流切換開關均包含一串聯之二極體及電子切換開關，圖中顯示為一N通道MOSFET。如前所述，其可以採用其他類型之電子切換開關(例如，其他類型之MOS或FET元件、諸如BJT之其他類型電晶體以及類似元件，等等)。就整流切換開關RS1而言，一二極體D1之陽極耦接至節點303，而其陰極耦接至一N通道MOSFET Q1之汲極。Q1之源極耦接至一節點309。RL和CDC並聯於節點307與309之間。二極體D1和MOSFET Q1從而彼此串聯而構成第一整流切換開關RS1。就整流切換開關RS2而言，一二極體D2之陽極耦接至節點305，而其陰極耦接至一N通道MOSFET Q2之汲極。Q2之源極耦接至節點301。二極體D2和MOSFET Q2從而彼此串聯而構成第二整流切換開關RS2。MOSFET Q1和Q2分別受閘極信號G1和G2控制。交流輸入係交流電壓源101所產生的施加於節點301與307之電壓VAC，而直流輸出電壓係跨RL而介於節點309與307間之VO。

在一實施例之中，G1和G2控制信號相對於彼此被雙態切換(toggled)成相反的極性，但進一步以VAC之極性為基準。一控制網路感測VAC之極性以及輸出電壓VO或是通過電感器L1和L2之電流以產生控制信號G1和G2。在一實施例之中，舉例而言，其可以利用一控制網路801(圖8)以執行一控制機制。如以下進一步之說明，當VAC係正值時，G2被雙態切換成與PWM信號一致，而G1被雙態切換成與PWM信號的反相形式一致。當VAC係負值時，G1被雙態切換成與PWM信號一致，而G2被雙態切換成與PWM信號的反相形式一致。運作期間以此方式持續進行。開關G1與G2(以及整流切換開關RS1和RS2)之切換頻率基本上高於VAC之頻率。

圖4係一時序圖，其例示用以產生G1和G2的另一種控制方法以控制Z源轉換器300之切換。VAC係以G1和G2相對於時間來描繪。在輸入線路電壓VAC的正半周期期間，G2被保持於高位準，而G1被調變(例如，基於PWM信號或者類似地基於VO或負載電流之監測)以控制(跨RL的)負載電壓或(通過RL或者通過電感器二者或其中之一的)負載電流。在輸入電壓VAC的負半周期期間，G1被保持於高位準，而G2被調變以控制負載電壓或電流。該調變被顯示為簡化之形式，其中其應理解其係依據控制函數(輸出電壓或負載電流或類似之值)控制調變信號之工作週期。一控制網路601依據例示於圖4中的控制機制運作，進一步說明於後。

圖5A係例示依據本發明另一實施例之一Z源轉換器500之一示意圖。此Z源轉換器500類似Z源轉換器300，其中類似之組件採用相同之參考編號，包含交流電壓源101、電感器L1和L2、電容器CAC以及負載裝置RL及CDC以大致相同的方式相對於節點301、303、305、307和309耦接在一起。在整流切換開關RS1與RS2係雙閘極GaN元件之情形，其各自之閘極短路至其之一電流接頭，而在本說明書之中將此種組態稱為'短路閘極'。特別是，二極體D1與MOSFET Q1被一GaN元件M1取代，其電流接頭耦接於節點303與309之間且具有一個亦耦接至節點303的短路閘極。並且，二極體D2與MOSFET Q2被一GaN元件M2取代，其電流接頭耦接於節點301與305之間且具有一個亦耦接至節點305的短路閘極。M1的另一個閘極接收控制信號G1且M2的另一個閘極接收控制信號G2。

同樣地，交流輸入係電壓源VAC，而直流輸出電壓VO係跨負載電阻器RL處。在一實施例之中，G1和G2可以與控制信號C1和C2具有同一形式。在另一實施例之中，例示於圖4中的控制方法可用以產生G1及G2以控制Z源轉換器500之切換。因此，類似之運作以雙閘極GaN元件M1及M2實現，如同分別利用MOSFET Q1及Q2搭配串聯二極體D1及D2做為整流切換開關RS1及RS2。

圖5B係一關係圖，其例示具有短路閘極之雙閘極GaN裝置M1及M2之靜態特性。特別是，其針對ON(VGS=ON)及OFF(VGS=OFF)二種狀態，繪出相對於跨電流接頭之電壓VDS的通過電流接頭的電流ID。第二閘極控制正向導通及封閉，而該裝置封閉逆向電流。此等特性類似串聯二極體及MOSFET之特性。因此，利用具有短路閘極的雙閘極GaN元件之轉換器運作亦類似圖4之中所顯示者。

雖然圖3及5A均例示包含一Z源整流器之Z源轉換器組態，但其亦可以包含一類Z源整流器以實施一類似的類Z源轉換器組態。因此，串聯二極體與MOSFET或者具有短路閘極的雙閘極GaN元件取代類Z源整流網路200中之開關S1及S2以達成類似的結果。閘極控制信號G1及G2可以如圖4所示之方式加以控制。

圖6係依據本發明另一實施例之一類Z源轉換器600之示意圖，其包含一個類Z源整流器網路，除了針對切換功能以整流切換開關取代開關S1及S2加以修改之外，餘均類似圖2A所示者。類Z源轉換器600類似Z源轉換器300，其中類似之組件採用相同之參考編號，包含交流電壓源101、電感器L1和L2、電容器CAC以大致相同的方式相對於節點301、303、305和307耦接在一起。然而，此例中，負載裝置RL及CDC係彼此並聯，並且在節點301與303之間共同串聯L1。如圖所示，L1係耦接於節點301與一居間節點602之間，而RL和CDC則是並聯於節點602與303之間。整流切換開關RS1耦接於節點307與303之間，包含一二極體D1和一MOSFET Q1。二極體D1之陽極耦接至節點307，且其陰極耦接至Q1之汲極。Q1之源極耦接至節點303。整流切換開關RS2耦接於節點301與305之間，包含一二極體D2和一MOSFET Q2。二極體D2之陽極耦接至節點301，且其陰極耦接至Q2之汲極。Q2之源極耦接至節點305。交流輸入係跨節點301與307提供VAC之交流電壓源101，而直流輸出電壓VO係跨RL而介於節點303與602之間。

此外，其提供一控制網路601，用於產生控制信號G1和G2以類似圖4所示之方式控制該等開關。控制網路601執行工作週期控制，使迴路反相以針對正值與負值輸入電壓線性化其迴路增益。此例中，跨RL之輸出電壓VO被監測並透過一組構成積分器之誤差放大器603與一參考電壓REF進行比較。如圖所示，RL的一端耦接至一電阻器617之一端，而電阻器617之另一端耦接至一電容器621之一端以及誤差放大器603之一反相輸入端。RL的另一端被提供至一電壓源615之一負接頭，電壓源615產生參考電壓REF，其中電壓源615之正接頭耦接至誤差放大器603之非反相輸入端。電容器621之另一端耦接至誤差放大器603之輸出端，其用以產生一誤差電壓ER。ER被提供至一比較器605之非反相輸入端，而比較器605之反相輸入端接收一輸出自鋸齒波產生器607相對於接地端(GND)之鋸齒波SW。

比較器605之輸出端產生一PWM信號，其被提供至一二輸入或閘(OR gate)609之一輸入端以及另一二輸入或閘613之一輸入端。一交流感測信號AS被提供至或閘609之另一輸入端。一比較器611之非反相輸入端耦接至電壓源101之正接頭，且其反相輸入端耦接至電壓源101之負接頭。因此，比較器611感測VAC並在其輸出端產生該AS信號。AS被一反相器612反相，而反相器612之輸出端耦接至或閘613之另一輸入端。或閘609之輸出端被用以產生控制信號G2以控制整流切換開關RS2，而或閘613之輸出端被用以產生控制信號G1以控制整流切換開關RS1。

運作時，介於輸出電壓VO與參考電壓REF之間的任何差異均被誤差放大器603積分以提供ER，其透過比較器605與鋸齒波SW進行比較而產生PWM。當VAC係正值時，AS係高位準，使G2維持高位準而PWM對G1進行雙態切換。當VAC係負值時，AS係低位準，使G1維持高位準而PWM以大致類似如圖4所示之形式對G2進行雙態切換。

控制網路601可被用以控制使用具有短路閘極之雙閘極GaN元件做為整流切換開關RS1及RS2之類Z源轉換器600。並且，控制網路601可被用以控制Z源轉換器300或Z源轉換器500。鋸齒波SW係由任何類型之斜波產生器所提供之斜波之一示範性實施例。

圖7係一類Z源轉換器700之示意圖，其包含一類似圖6所示之類Z源整流器網路。其以與類Z源轉換器600相仿的方式將交流電壓源101、電感器L1和L2、負載裝置RL和CDC以及電容器CAC相對於節點301、303、305、307及602耦接在一起。其同時亦提供包含以類似形式串聯於節點307與303間之二極體D1和MOSFET Q1的整流切換開關RS1。此外，其提供包含以類似形式串聯於節點301與305間之二極體D2和MOSFET Q2的整流切換開關RS2。

控制網路601被一控制網路701取代。控制網路701包含電壓源615、電阻器617以及電容器621，以與控制網路601類似之形式耦接至RL，用以產生誤差電壓ER。然而，此例中，控制網路701執行電流模式控制，此對於控制迴路提供一可供替代之方法。同樣地，交流輸入係提供VAC之電壓源101，而直流輸出電壓係跨RL之VO。如同類Z源轉換器600一般，被组構成一積分器之誤差放大器603係用以積分介於跨RL之輸出電壓與參考電壓REF之間的差異。此例中，誤差放大器603之ER輸出被使用做為一電流指令信號，被提供至獨立電流調整器703及705而產生控制信號G1和G2，以分別控制整流切換開關RS1和RS2。

控制網路701另外包含交流極性比較器707和709，各自均耦接至交流電壓源101以提供交流極性信號。比較器707之反相和非反相輸入端分別耦接至交流電壓源101之正端和負端接頭，並且具有一輸出端提供一第一交流極性信號ACN通往電流調整器703之一輸入端。比較器709之反相和非反相輸入端分別耦接至交流電壓源101之負端和正端接頭，並且具有一輸出端提供一第二交流極性信號ACP通往電流調整器705之一輸入端。一電流感測器711監測通過電感器L1之電流，並提供一對應之電流感測信號IL1至電流調整器703，而另一電流感測器713監測通過電感器L2之電流，並提供一對應之電流感測信號IL2至電流調整器705。

運作時，當VAC係正值時，ACP係高位準而G2在此半周期之中維持高位準(諸如圖4所示)。並且，當VAC係正值之時，電流調整器703透過IL1監測電感器L1之電流，並且在G1上產生一工作週期DA以控制電流。此例中，當VAC係正值之時，二極體D2處於一具有工作週期(1-DA)之導通狀態。當VAC係負值之時，ACN係高位準而G1在此半周期之中係高位準(如圖4所示)。並且，當VAC係負值之時，整流切換開關RS2之電流調整器705透過IL2監測電感器L2之電流，並且在G2上產生一工作週期DB以控制電流。此例中，當VAC係負值之時，二極體D1處於一具有工作週期(1-DB)之導通狀態。其可以構想出各種不同類型之電流模式控制機制，諸如平均電流模式控制、峰值電流模式控制、等等。

控制網路701可被用以控制使用具有短路閘極之雙閘極GaN元件做為整流切換開關RS1及RS2之類Z源轉換器600。並且，控制網路701可被用以控制Z源轉換器300或Z源轉換器500。

圖8係依據本發明另一實施例之一類Z源轉換器800之示意圖，除了控制網路601被置換成控制網路801之外，均類似類Z源轉換器600。其以與類Z源轉換器600相仿的方式提供交流電壓源101、電感器L1和L2、負載裝置RL和CDC、整流切換開關RS1和RS2、以及電容器CAC相對於節點301、303、305、307及602耦接在一起。控制網路801大致類似控制網路601，且包含誤差放大器603(具有支援組件615、617及621)、提供SW之鋸齒波產生器607、以及比較器605及611，被組構成大致與如前所述相同之方式運作。此例中，或閘609和613以及反相器612被一二輸入互斥或閘803及反相器805取代。位於比較器611輸出端處之AS信號被提供至互斥或閘803之一輸入端，而PWM被提供至互斥或閘803之另一輸入端，而互斥或閘803之輸出端被緩衝以產生用於控制整流切換開關RS1之G1。互斥或閘803之輸出被反相器805反相並緩衝以產生用於控制整流切換開關RS2之G2。此例中，當VAC係正值之時，PWM信號等同於繞接至G2，且PWM信號之一反相形式被繞接至G1。當VAC係負值之時，PWM信號等同於繞接至G1，而PWM信號之反相形式被繞接至G1。結果其迴路增益對於VAC的二個半周期而言大致相同。

圖6、圖7、及圖8例示各種適用於一類Z源轉換器組態之控制機制。圖9係一Z源轉換器900之示意及方塊圖，例示可套用於Z源轉換器組態之相同或類似的控制機制。此Z源轉換器900具有大致相同於Z源轉換器300之組態，包含交流電壓源101、電感器L1及L2、電容器CAC、整流切換開關RS1及RS2以及負載裝置RL及CDC，以大致相同之方式耦接至節點301、303、305、307及309。整流切換開關RS1和RS2以類似轉換器300和500中的方式顯示於Z源整流器組態之中。整流切換開關RS1和RS2各自均可以被组構成一如圖3所示之串聯二極體和電子切換開關(例如，MOSFET或類似元件)或者是如圖5A所示之具備短路閘極之雙閘極GaN元件。輸入電壓係VAC，而輸出電壓係VO，其跨越節點309與307之間的RL。

其顯示一交流感測區塊901，感測跨交流電壓源101之VAC，並提供交流感測資訊ACS。ACS可以是單一信號(例如，圖6及圖8中所示之AS)或者多重信號(例如，圖7中所示之ACP和ACN)。其顯示一控制區塊903，接收ACS、感測跨負載電阻器RL之輸出電壓VO、並且分別提供G1及G2控制信號給整流切換開關RS1及RS2。控制區塊903係依據本文所述之任一控制機制組構而成，諸如控制網路601、701或801中的任一個。PWM控制機制可以是依據任何類型之控制機制，諸如，舉例而言，固定頻率PWM、可變頻率PWM、遲滯控制、固定導通時間、固定關閉時間、等等。當依據控制網路701實施成電流模式控制之時，電流感測裝置905和907可以是提供以分別感測通過電感器L1和L2之電流，並提供對應的電流感測信號IL1和IL2給控制區塊903。

圖10至13例示採用一依據上述任一組態實施而成之Z型轉換器1000之各種電子裝置。Z型轉換器1000可以實施成如本文所述之一Z源轉換器或者一類Z源轉換器。如圖10所示，轉換器1000接收VAC並驅動任何類型之直流負載1003。如圖11所示，轉換器1000接收VAC並對一電池或者包含一或多個可充電電池之電池組1101進行充電。如圖12所示，轉換器1000接收VAC並提供電流給一或多個發光二極體(LED)1201。如圖13所示，轉換器1000接收VAC並提供電流至一線圈1301或類似裝置以產生一磁場給一電動馬達1303或類似裝置。

雖然本發明已參照其特定較佳形式說明如上，但其有可能設想出其他變形及變異。熟習相關技術者應能理解，其可以輕易地使用所揭示之概念以及特定之實施例做為基礎，而在未脫離以下申請專利範圍所界定之本發明之精神和範疇下，設計或修改其他結構以達成本發明之相同用途。

100．．．傳統型Z源整流器網路

101．．．交流電壓源

200．．．傳統型類Z源整流器網路

300．．．Z源轉換器

301．．．節點

303．．．節點

305．．．節點

307．．．節點

309．．．節點

500．．．Z源轉換器

600．．．類Z源轉換器

601．．．控制網路

602．．．節點

603．．．誤差放大器

605．．．比較器

607．．．鋸齒波產生器

609．．．二輸入或閘

611．．．比較器

612．．．反相器

613．．．二輸入或閘

615．．．電壓源

617．．．電阻器

621．．．電容器

700．．．類Z源轉換器

701．．．控制網路

703．．．電流調整器

705．．．電流調整器

707．．．交流極性比較器

709．．．交流極性比較器

711．．．電流感測器

713．．．電流感測器

800．．．類Z源轉換器

801．．．控制網路

803．．．二輸入互斥或閘

805．．．反相器

900．．．Z源轉換器

901．．．交流感測區塊

903．．．控制區塊

905．．．電流感測裝置

907．．．電流感測裝置

1000．．．Z型轉換器

1003．．．直流負載

1101．．．電池或電池組

1201．．．發光二極體(LED)

1301．．．線圈

1303．．．電動馬達

經由配合所附圖式之說明，將對本發明之效益、特徵、及優點有更佳之理解。

圖1A係一傳統型Z源整流器網路之示意圖，而圖1B係將圖1A之Z源整流器網路之對應直流電壓增益描繪成工作週期之函數之一關係圖；

圖2A係一傳統型類Z源整流器網路之示意圖，而圖2B係將圖2A之類Z源整流器網路之對應直流電壓增益描繪成工作週期之函數之一關係圖；

圖3係依據本發明一實施例實施而成之一Z源轉換器之一示意圖；

圖4係一時序圖，例示用以產生G1和G2的另一種控制方法以控制圖3之Z源轉換器之切換；

圖5A係例示依據本發明另一實施例之一Z源轉換器之一示意圖；

圖5B係一關係圖，例示圖5A之具有短路閘極之雙閘極GaN裝置M1及M2之靜態特性；

圖6係依據本發明另一實施例之一類Z源轉換器之一示意圖；

圖7係依據本發明另一實施例之一類Z源轉換器之一示意圖；

圖8係依據本發明另一實施例之一類Z源轉換器之一示意圖；

圖9係一Z源轉換器之示意及方塊圖，例示可套用於Z源轉換器組態及類Z源轉換器組態二者之相同或類似之控制機制；而

圖10至13例示採用一依據上述任一組態實施而成之Z型轉換器之各種電子裝置。

101．．．交流電壓源

301．．．節點

303．．．節點

305．．．節點

307．．．節點

600．．．類Z源轉換器

601．．．控制網路

603．．．誤差放大器

605．．．比較器

607．．．鋸齒波產生器

609．．．二輸入或閘

611．．．比較器

612．．．反相器

613．．．二輸入或閘

615．．．電壓源

617．．．電阻器

621．．．電容器

Claims (22)

1. 一種交流至直流轉換器，其用於將一交流輸入電壓轉換成一調整的直流輸出電壓，包含：一Z型轉換器，其接收該交流輸入電壓並提供該直流輸出電壓，該Z型轉換器包含：一耦接於第一與第二節點之間的第一電感以及一耦接於第三與第四節點之間的第二電感；一耦接於該第二與第四節點之間的第一整流切換開關以及一耦接於該第一與第三節點之間的第二整流切換開關；一電容，其耦接於該第二與第三節點之間；以及一負載裝置，其產生該直流輸出電壓，其中該負載裝置串聯該第一電感和該第一整流切換開關的其中之一；其中該交流輸入電壓係透過該Z型轉換器之該第一及第四節點施加；以及一控制網路，其感測該交流輸入電壓及該直流輸出電壓，並產生一用於控制該第一及第二整流切換開關之控制信號以調整該直流輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該控制信號包含一脈衝控制信號，其中該控制網路在利用該脈衝控制信號雙態切換該第二整流切換開關時，針對該交流輸入電壓每一周期之一第一部分啟動該第一整流切換開關，且在利用該脈衝控制信號雙態切換該第一整流切換開關時，針對該交流輸入電壓每一周期之一第二部分啟動該第二整流切換開關。
3. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該控制信號包含一脈衝控制信號，其中該控制網路在該交流輸入電壓每一周期之一第一部分期間，利用該脈衝控制信號雙態切換該第一整流切換開關並且利用該脈衝控制信號之一反相形式雙態切換該第二整流切換開關，且其中該控制網路在該交流輸入電壓每一周期之一第二部分期間，利用該脈衝控制信號之該反相形式雙態切換該第一整流切換開關並且利用該脈衝控制信號雙態切換該第二整流切換開關。
4. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該Z型轉換器包含一Z源轉換器，其中該負載裝置在該第二與第四節點之間串聯該第一整流切換開關。
5. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該Z型轉換器包含一類Z源轉換器，其中該負載裝置在該第一與第二節點之間串聯該第一電感。
6. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該第一及第二整流切換開關各自均包含一串聯二極體及MOSFET元件。
7. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該第一及第二整流切換開關各自均包含一具有一短路閘極之雙閘極GaN元件。
8. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該控制網路包含：一誤差放大器網路，其根據該直流輸出電壓相對於一參考電壓位準之電壓位準而產生一誤差信號；一斜波產生器，其提供一斜波信號；一比較器，其接收該誤差信號和該斜波信號並提供一代表該等信號之脈衝控制信號；一交流感測網路，其提供一代表該交流輸入電壓之極性的交流感測信號；以及一邏輯網路，其在該交流輸入電壓係一第一極性時依據該脈衝控制信號啟動該第一整流切換開關並雙態切換該第二整流切換開關之開關狀態，且其在該交流輸入電壓係一第二極性時依據該脈衝控制信號啟動該第二整流切換開關並雙態切換該第一整流切換開關之開關狀態。
9. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該控制網路包含：一誤差放大器網路，其根據該直流輸出電壓相對於一參考電壓位準之電壓位準而產生一誤差信號；一斜波產生器，其提供一斜波信號；一比較器，其接收該誤差信號和該斜波信號並提供一代表該等信號之脈衝控制信號；一交流感測網路，其提供一代表該交流輸入電壓之極性的交流感測信號；以及一邏輯網路，其在該交流輸入電壓係一第一極性時依據該脈衝控制信號雙態切換該第一整流切換開關之開關狀態並依據該脈衝控制信號之一反相形式雙態切換該第二整流切換開關之開關狀態，且其在該交流輸入電壓係一第二極性時依據該脈衝控制信號雙態切換該第二整流切換開關之開關狀態並依據該脈衝控制信號之一反相形式雙態切換該第一整流切換開關之開關狀態。
10. 如申請專利範圍第1項之交流至直流轉換器，其中該控制網路包含：一誤差放大器網路，其根據該直流輸出電壓相對於一參考電壓位準之電壓位準而產生一誤差信號；一交流感測網路，其提供一代表該交流輸入電壓之極性的交流感測信號；一第一電流感測器，其感測通過該第一電感之電流並提供一第一電流感測信號；一第二電流感測器，其感測通過該第二電感之電流並提供一第二電流感測信號；一第一電流調整器，其根據該誤差信號、該交流感測信號及該第一電流感測信號來控制該第一整流切換開關；以及一第二電流調整器，其根據該誤差信號、該交流感測信號及該第二電流感測信號來控制該第二整流切換開關。
11. 一種利用Z型轉換器將交流輸入電壓轉換成直流輸出電壓之方法，該Z型轉換器包含一耦接於第一與第二節點之間的第一電感、一耦接於第三與第四節點之間的第二電感、及一耦接於該第二與第三節點之間的電容，該方法包含：提供一第一整流切換開關於該第二與第四節點之間；提供一第二整流切換開關於該第一與第三節點之間；以串聯形式將一負載裝置耦接至該第一電感和該第一整流切換開關的其中之一，該負載裝置產生該直流輸電壓；透過該第一及第四節點接收該交流輸入電壓；以及感測該交流輸入電壓及該直流輸出電壓，並產生一用於控制該第一及第二整流切換開關的控制信號以調整該直流輸出電壓。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中：該產生一控制信號之動作包含產生一脈衝控制信號；且其中該控制該第一及第二整流切換開關之動作包含：當利用該脈衝控制信號雙態切換該第二整流切換開關時，在該交流輸入電壓每一周期之一第一部分啟動該第一整流切換開關，並且當利用該脈衝控制信號雙態切換該第一整流切換開關時，在該交流輸入電壓每一周期之一第二部分啟動該第二整流切換開關。
13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中：該產生一控制信號之動作包含產生一脈衝控制信號；且其中該控制該第一及第二整流切換開關之動作包含：在該交流輸入電壓每一周期之一第一部分期間，利用該脈衝控制信號雙態切換該第一整流切換開關並且利用該脈衝控制信號之一反相形式雙態切換該第二整流切換開關，而在該交流輸入電壓每一周期之一第二部分期間，利用該脈衝控制信號雙態切換該第二整流切換開關並且利用該脈衝控制信號之該反相形式雙態切換該第一整流切換開關。
14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該Z型轉換器包含一Z源轉換器，且其中該耦接一負載裝置之動作包含以串聯之形式將該負載裝置耦接至介於該第二與第四節點之間的該第一整流切換開關。
15. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該Z型轉換器包含一類Z源轉換器，且其中該耦接一負載裝置之動作包含以串聯之形式將該負載裝置耦接至介於該第一與第二節點之間的該第一電感。
16. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該提供一第一整流切換開關及該提供一第二整流切換開關之動作各自均包含將一二極體串聯一MOSFET元件。
17. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該提供一第一整流切換開關及該提供一第二整流切換開關之動作各自均包含提供一具有一短路閘極之雙閘極GaN元件。
18. 如申請專利範圍第11項之方法，其中感測該交流輸入電壓及該直流輸出電壓，並產生一用於控制該第一及第二整流切換開關的控制信號以調整該直流輸出電壓之動作包含：根據該直流輸出電壓相對於一參考電壓位準之電壓位準而產生一誤差信號；提供一代表該交流輸入電壓之極性的交流感測信號；感測通過該第一電感之電流並提供一第一電流感測信號；感測通過該第二電感之電流並提供一第二電流感測信號；根據該誤差信號、該交流感測信號以及該第一電流感測信號來控制該第一整流切換開關；以及根據該誤差信號、該交流感測信號以及該第二電流感測信號來控制該第二整流切換開關。
19. 一種電子裝置，包含：一Z型轉換器，其具有第一、第二、第三及第四節點，該Z型轉換器被组構成用以透過該第一及第四節點接收一交流輸入電壓且透過該第二及第三節點提供一直流輸出電壓，該Z型轉換器包含：一耦接於該第一與第二節點之間的第一電感以及一耦接於該第三與第四節點之間的第二電感；一耦接於該第二與第四節點之間的第一整流切換開關以及一耦接於該第一與第三節點之間的第二整流切換開關；一負載裝置，其產生該直流輸出電壓，其中該負載裝置串聯該第一電感和該第一整流切換開關的其中之一；以及一控制器，其感測該交流輸入電壓及該直流輸出電壓，並產生一用於控制該第一及第二整流切換開關之控制信號以調整該直流輸出電壓；以及一直流負載，其耦接至該第二及第三節點以接收該直流輸出電壓。
20. 如申請專利範圍第19項之電子裝置，其中該直流負載包含至少一可充電電池。
21. 如申請專利範圍第19項之電子裝置，其中該直流負載包含至少一發光二極體。
22. 如申請專利範圍第19項之電子裝置，其中該直流負載包含一線圈以產生一磁場給一電動馬達。