TWI580167B - 單級降壓轉換器 - Google Patents

Description

單級降壓轉換器

本發明是有關於一種電源轉換技術，特別是指一種單級降壓轉換器。

習知降壓轉換器可以採用單級架構或多級架構來將一直流輸入電壓轉換成一直流輸出電壓。與多級降壓轉換器相比，單級降壓轉換器具有較高的轉換效率、較簡單的控制邏輯、較少的元件及較低的成本。對於單級降壓轉換器而言，為了降低輸出電壓，需降低單級降壓轉換器中之開關的導通責任比或將單級降壓轉換器中之變壓器的匝數比(即，變壓器的初級側繞組的匝數比上次級側繞組的匝數)提高。

然而，降低開關的導通責任比會使單級降壓轉換器不易做閉迴路穩壓控制，使得輸出電壓無法穩壓，且開關利用率低，影響轉換器整體的轉換效率。此外，將變壓器的匝數比提高會導致變壓器的寄生元件增大，使得單級降壓轉換器的信號波形產生突波，且元件選擇上需要耐壓較大的元件，造成單級降壓轉換器的成本上升。因此，習知降壓轉換器仍有改進的空間。

因此，本發明的目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的單級降壓轉換器。

於是，本發明單級降壓轉換器包含一疊接輸入電路、一第一變壓器、一第二變壓器、一第一整流二極體、一第一降壓電感、一第二整流二極體、一第二降壓電感及一並聯輸出電路。

該疊接輸入電路適用於接收一直流輸入電壓，且根據該直流輸入電壓產生一第一輸出電壓及一第二輸出電壓，該等第一及第二輸出電壓小於該直流輸入電壓。

該第一變壓器具有一電連接該疊接輸入電路以接收該第一輸出電壓的初級側繞組，及一次級側繞組，該等初級及次級側繞組中的每一者具有一第一端及一第二端。

該第二變壓器具有一電連接該疊接輸入電路以接收該第二輸出電壓的初級側繞組，及一次級側繞組，該第二變壓器之該等初級及次級側繞組中的每一者具有一第一端及一第二端，該第二變壓器之該初級側繞組的該第一端電連接該第一變壓器之該初級側繞組的該第二端。

該第一整流二極體具有一電連接該第一變壓器之該次級側繞組的該第一端的陽極，及一陰極。

該第一降壓電感具有一電連接該第一整流二極體的該陰極的第一端，及一輸出一第一降壓電感電流的第二端，該第一降壓電感電流正相關於該第一變壓器之該次級側繞組的跨壓，且反相關於該第一降壓電感的電感值。

該第二整流二極體具有一電連接該第二變壓器之該次級側繞組的該第一端的陽極，及一陰極。

該第二降壓電感具有一電連接該第二整流二極體的該陰極的第一端，及一輸出一第二降壓電感電流的第二端，該第二降壓電感電流正相關於該第二變壓器之該次級側繞組的跨壓，且反相關於該第二降壓電感的電感值。

該並聯輸出電路電連接該等第一及第二降壓電感的該等第二端以接收該等第一及第二降壓電感電流，及電連接該等第一及第二變壓器之該等次級側繞組的該等第二端，且根據該等第一及第二降壓電感電流產生一直流輸出電壓。

本發明之功效在於：藉由該等第一及第二降壓電感達到高降壓，而無需提高該等第一及第二變壓器的匝數比。

參閱圖1，本發明單級降壓轉換器的實施例適用於從一電壓源1接收一直流輸入電壓Vin，並將該直流輸入電壓Vin轉換成一直流輸出電壓Vo，且適用於將該直流輸出電壓Vo輸出到一電阻R。本實施例的單級降壓轉換器包含一疊接輸入電路2、一第一變壓器3、一第二變壓器4、一第一整流二極體D11、一第一降壓電感Lb1、一第二整流二極體D21、一第二降壓電感Lb2、一並聯輸出電路5及一控制電路6。

該疊接輸入電路2適用於電連接該電壓源1以接收該直流輸入電壓Vin，還接收一第一控制信號Vgs1及一第二控制信號Vgs2，且根據該直流輸入電壓Vin、該等第一及第二控制信號Vgs1、Vgs2，產生一第一輸出電壓V _P1及一第二輸出電壓V _P2，該等第一及第二輸出電壓V _P1、V _P2小於該直流輸入電壓Vin。在本實施例中，該疊接輸入電路2具有一第一輸入端21、一第二輸入端22、一第一輸出端23、一第二輸出端24及一第三輸出端25，且包括一第一開關S1、一第二開關S2、一第一輸入電容C1、一第二輸入電容C2及一共振電感Lr。

該等第一及第二輸入端21、22接收該直流輸入電壓Vin。該等第一及第二輸出端23、24輸出該第一輸出電壓V _P1。該等第二及第三輸出端24、25輸出該第二輸出電壓V _P2。該第一開關S1具有一第一端、一電連接該第二輸入端22的第二端，及一接收該第一控制信號Vgs1的控制端，以致該第一開關S1根據該第一控制信號Vgs1而導通或不導通。該第二開關S2具有一電連接該第一輸入端21的第一端、一電連接該第一開關S1之該第一端的第二端，及一接收該第二控制信號Vgs2的控制端，以致該第二開關S2根據該第二控制信號Vgs2而導通或不導通。該第一輸入電容C1電連接在該第二開關S2之該第一端與該第一輸出端23之間。該第二輸入電容C2電連接在該第一開關S1之該第二端與該第三輸出端25之間。該共振電感Lr電連接在該第一開關S1之該第一端與該第二輸出端24之間。在本實施例中，該等第一及第二開關S1、S2各自為一N型金氧半場效電晶體，且該N型金氧半場效電晶體的汲極、源極及閘極分別為該等第一及第二開關S1、S2中的每一者的該第一端、該第二端及該控制端。

該第一變壓器3具有一電連接該疊接輸入電路2之該等第一及第二輸出端23、24以接收該第一輸出電壓V _P1的初級側繞組31，及一次級側繞組32。該等初級及次級側繞組31、32中的每一者具有一第一端及一第二端，該初級側繞組31的該第一端及該第二端分別電連接該疊接輸入電路2之該等第一及第二輸出端23、24。該第二變壓器4具有一電連接該疊接輸入電路2之該等第二及第三輸出端24、25以接收該第二輸出電壓V_P2的初級側繞組41，及一次級側繞組42。該等初級及次級側繞組41、42中的每一者具有一第一端及一第二端，該初級側繞組41的該第一端及該第二端分別電連接該疊接輸入電路2之該等第二及第三輸出端24、25，且該初級側繞組41的該第一端還電連接該第一變壓器3之該初級側繞組31的該第二端。在本實施例中，該等初級及次級側繞組31、41、32、42的該等第一端為極性點端，該等初級及次級側繞組31、41、32、42的該等第二端為非極性點端。於該等第一及第二變壓器3、4的每一者中，該初級側繞組31的一匝數N31等於該次級側繞組32的一匝數N32，該初級側繞組41的一匝數N41等於該次級側繞組42的一匝數N42。該第一變壓器3的匝數比n₁(即，n₁=N31/N32)與該第二變壓器4的匝數比n₂(即，n₂=N41/N42)相等且等於一(即n₁=n₂=1)。

該第一整流二極體D11具有一電連接該第一變壓器3之該次級側繞組32的該第一端的陽極，及一陰極。該第二整流二極體D21具有一電連接該第二變壓器4之該次級側繞組42的該第一端的陽極，及一陰極。該第一降壓電感Lb1具有一電連接該第一整流二極體D11的該陰極的第一端，及一輸出一第一降壓電感電流i₁的第二端，該第一降壓電感電流i₁正相關於該第一變壓器3之該次級側繞組32的跨壓，且反相關於該第一降壓電感Lb1的電感值。該第二 降壓電感Lb2具有一電連接該第二整流二極體D21的該陰極的第一端，及一輸出一第二降壓電感電流i₂的第二端，該第二降壓電感電流i₂正相關於該第二變壓器4之該次級側繞組42的跨壓，且反相關於該第二降壓電感Lb2的電感值。

該並聯輸出電路5電連接該等第一及第二降壓電感Lb1、Lb2的該等第二端以接收該等第一及第二降壓電感電流i₁、i₂，及電連接該等第一及第二變壓器3、4之該等次級側繞組32、42的該等第二端，且適用於電連接該電阻R。該並聯輸出電路5根據該等第一及第二降壓電感電流i₁、i₂產生給該電阻R的該直流輸出電壓Vo。在本實施例中，該並聯輸出電路5包括一第一飛輪二極體D12、一第二飛輪二極體D22、一第一輸出電感L1、一第二輸出電感L2及一輸出電容Co。

該第一飛輪二極體D12具有一電連接該第一變壓器3之該次級側繞組32的該第二端的陽極，及一電連接該第一降壓電感Lb1之該第二端的陰極。該第二飛輪二極體D22具有一電連接該第二變壓器4之該次級側繞組42的該第二端的陽極，及一電連接該第二降壓電感Lb2之該第二端的陰極。該第一輸出電感L1具有一電連接該第一降壓電感Lb1之該第二端的第一端，及一第二端。該第二輸出電感L2具有一電連接該第二降壓電感Lb2之該第二端的第一端，及一電連接該第一輸出電感L1之該第二端的第二端。該輸出電容Co具有一電連接該第一輸出電感L1之該第二端的第一端，及一電連接該等第一及第二飛輪二極體D12、D22之該等陽極的第二端，且該輸出電容Co的跨壓作為該直流輸出電壓Vo。

該控制電路6產生該等第一及第二控制信號Vgs1、Vgs2，並將該等第一及第二控制信號Vgs1、Vgs2分別輸出至該等第一及第二開關S1、S2的該等控制端。

參閱圖2，為本實施例的一等效電路圖，用以說明該等第一及第二開關S1、S2中的每一者的一本體二極體(body diode)D _S1、D _S2及一寄生電容C _r1、C _r2被畫出，用於模擬該第一變壓器3的非理想特性的一假想的第一激磁電感L _m1及一假想的第一漏電感L _lk1被畫出，用於模擬該第二變壓器4的非理想特性的一假想的第二激磁電感L _m2及一假想的第二漏電感L _lk2被畫出，該控制電路6(見圖1)沒被畫出。其中，參數V _Cr1、V _Cr2分別為該等寄生電容C _r1、C _r2二端的跨壓，參數V _C1、V _C2分別為該等第一及第二輸入電容C1、C2二端的跨壓，參數V _S1為該次級側繞組32二端的跨壓，參數V _S2為該次級側繞組42二端的跨壓，參數i _S1、i _S2分別為流經該等第一及第二開關S1、S2的電流，參數i _Lr為流經該共振電感Lr的電流，參數i _Lm1、i _Lm2分別為流經該等第一及第二激磁電感L _m1、L _m2的電流，參數i _D11、i _D21分別為流經該等第一及第二整流二極體D11、D21的電流，參數i _Lb1、i _Lb2分別為流經該等第一及第二降壓電感Lb1、Lb2的電流，參數i _D12、i _D22分別為流經該等第一及第二飛輪二極體D12、D22的電流，參數i _L1、i _L2分別為流經該等第一及第二輸出電感L1、L2的電流，參數i _Lo為流經該等第一及第二輸出電感L1、L2的電流的加總，參數i _O為總輸出電流。電流i _S1、i _S2、i _Lr、i _Lm1、i _Lm2、i _D11、i _D21、i _Lb1、i _Lb2、i _D12、i _D22、i _L1、i _L2、i _Lo、i _O中的每一個的方向由一個相對應的箭頭表示，且代表相對應之元件的預設電流流向。

參閱圖3，為本實施例的操作時序圖，參數Vgs1、Vgs2分別為該等第一及第二控制信號，參數Ts為該第一控制信號Vgs1的一切換週期的長度，參數V _Cr1、V _Cr2、i _Lm1、i _Lm2、i _Lr、i _Lb1、i _Lb2、i _L1、i _L2、i _Lo各自的定義與圖2中相對應的參數相同，故於此不贅述。需說明的是，在本實施例中，該等第一及第二控制信號Vgs1、Vgs2中的每一者在一有效狀態(例如邏輯高準位，且對應到圖1之該等第一及第二開關S1、S2中的相對應者導通)及一非有效狀態(例如邏輯低準位，且對應到圖1之該等第一及第二開關S1、S2中的相對應者不導通)之間切換。該等第一及第二控制信號Vgs1、Vgs2具有相同的切換週期(其長度為Ts)，且交替地在該有效狀態。當該等第一及第二控制信號Vgs1、Vgs2中的一者在該有效狀態時，該等第一及第二控制信號Vgs1、Vgs2中的另一者在該非有效狀態。在從該第一控制信號Vgs1及該第二控制信號Vgs2中的一者切換到該非有效狀態的每一個時間點起算的一預設的死區時段(其長度為Td)之後，該第一控制信號Vgs1及該第二控制信號Vgs2中的另一者才切換到該有效狀態。

參閱圖3至圖15，本實施例的單級降壓轉換器循環地操作在第一階段至第十二階段。圖4至圖15的電路圖與圖2相似，差異在於圖4至圖15中，導通的元件以實線畫出，而不導通的元件以虛線畫出，且更以較粗且帶有箭頭的實線說明電路中實際電流流向。以下分別針對每一階段進行說明。

第一階段(時間點：t0~t1)：

參閱圖3與圖4，該等第一及第二開關S1、S2不導通，該等本體二極體D_S1、D_S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12不導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

該第二降壓電感Lb2反射至該初級側繞組41，且該第二降壓電感Lb2、該等第一及第二漏電感L_lk1、L_lk2及該共振電感Lr與該等寄生電容C_r1、C_r2共振，並將流經該等第一及第二激磁電感L_m1、L_m2的電流i_Lm1、i_Lm2、流經該第一降壓電感Lb1的電流i_Lb1與流經該第一輸出電感L1的電流i_L1視為定電流。此時，流經該共振電感Lr並流入該寄生電容C_r1的一電流(即，電流i_Lr的一分流，該分流之電流方向與電流i_S1同向)對該寄生電容C_r1進行充電，且流經 該共振電感Lr並流入該寄生電容C_r2的一電流(即，電流i_Lr的另一分流，該另一分流的電流方向與電流i_S2反向)對該寄生電容C_r2進行放電，使得該寄生電容C_r1二端的跨壓V_Cr1上升，而該寄生電容C_r2二端的跨壓V_Cr2下降。當t=t1時，該寄生電容C_r2二端的跨壓V_Cr2下降至V_Cr2=V_C1-(L_b1n₁Vo)/L₁，參數L_b1、L₁分別為該第一降壓電感Lb1及該第一輸出電感L1的電感值，則該第一飛輪二極體D12變為導通。接著，進入第二階段。

第二階段(時間點：t1~t2)：

參閱圖3與圖5，該等第一及第二開關S1、S2不導通，該等本體二極體D_S1、D_S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

該第一降壓電感Lb1反射至該初級側繞組31，且該第一降壓電感Lb1、該等第一及第二漏電感L_lk1、L_lk2及該共振電感Lr與該等寄生電容C_r1、C_r2共振。此時，流經該共振電感Lr並流入該寄生電容C_r1的該電流持續對該寄生電容C_r1進行充電，且流經該共振電感Lr並流入該寄生電容C_r2的該電流持續對該寄生電容C_r2進行放電。當t=t2時，該寄生電容C_r2二端的跨壓V_Cr2下降至零，該本體二極體D_S2變為導通，且將該寄生電容C_r2二端的跨壓V_Cr2箝制在零。接著，進入第三階段。

第三階段(時間點：t2~t3)：

參閱圖3與圖6，該第一開關S1不導通，該第二開關S2導通，該本體二極體D _S1不導通，該本體二極體D _S2導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

由於該寄生電容C _r2二端的跨壓V _Cr2箝制在零，因此該寄生電容C _r1二端的跨壓V _Cr1等於該直流輸入電壓Vin(即，V _Cr1=Vin)。此時，將該第二開關S2導通即可達到零電壓切換(Zero Voltage Switching，ZVS)。此外，該共振電感Lr開始線性釋放能量，即流經該共振電感Lr的電流i _Lr以斜率-V _Lr/L _r開始線性下降，其中，參數V _Lr為該共振電感Lr的跨壓V _Lr=-(Vin-V _C1+ V _C2/2)/[L _r+(L _b2+L _lk2’)/2]＜0，參數L _r、L _b2、L _lk2’分別為該共振電感Lr、該第二降壓電感Lb2及該第二漏電感L _lk2的電感值。同時，流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1以斜率-V _C1/L _b1線性下降，流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2以斜率(Vin-V _C2)/L _b2線性上升，流經該第一輸出電感L1的電流i _L1以斜率-Vo/L ₁線性下降，且流經該第二輸出電感L2的電流i _L2以斜率-Vo/L ₂線性下降，參數L ₂為該第二輸出電感L2的電感值。當t=t3時，流經該共振電感Lr的電流i _Lr線性下降至零，該本體二極體D _S2變為不導通。接著，進入第四階段。

第四階段(時間點：t3~t4)：

參閱圖3與圖7，該第一開關S1不導通，該第二開關S2導通，該等本體二極體D _S1、D _S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

第四階段與第三階段的操作相似，流經該共振電感Lr的電流i _Lr持續線性下降至負值，流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1、流經該第一輸出電感L1的電流i _L1及流經該第二輸出電感L2的電流i _L2持續線性下降。流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2持續線性上升。當t=t4時，該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2與該第二輸出電感L2的電流i _L2相同，此時，該第二飛輪二極體D22變為不導通。接著，進入第五階段。

第五階段(時間點：t4~t5)：

參閱圖3與圖8，該第一開關S1不導通，該第二開關S2導通，該等本體二極體D _S1、D _S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22不導通。

此時，流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1及流經該第一輸出電感L1的電流i _L1持續線性下降。流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2與流經該第二輸出電感L2的電流i _L2以斜率(Vin-V_C2-Vo)/(L_b2+L₂)一同線性上升(即該第二降壓電感Lb2與該第二輸出電感L2處於儲存能量的狀態)。當t=t5時，流經該第一降壓電感Lb1的電流i_Lb1下降至零，且該第一整流二極體D11變為不導通。接著，進入第六階段。

第六階段(時間點：t5~t6)：

參閱圖3與圖9，該第一開關S1不導通，該第二開關S2導通，該等本體二極體D_S1、D_S2不導通，該第一整流二極體D11不導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22不導通。

該第一降壓電感Lb1停止釋放能量。流經該第一輸出電感L1的電流i_L1持續線性下降。流經該第二降壓電感Lb2的電流i_Lb2與流經該第二輸出電感L2的電流i_L2持續線性上升。當t=t6時，該第二開關S2由導通切換為不導通。接著，進入第七階段。

第七階段(時間點：t6~t7)：

參閱圖3與圖10，該等第一及第二開關S1、S2不導通，該等本體二極體D_S1、D_S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22不導通。

該第一降壓電感Lb1反射至該初級側繞組31，且該第一降壓電感Lb1、該等第一及第二漏電感L_lk1、L_lk2及該共振電感Lr 與該等寄生電容C_r1、C_r2共振，並將流經該等第一及第二激磁電感L_m1、L_m2的電流i_Lm1、i_Lm2、流經該第二降壓電感Lb2的電流i_Lb2與流經該第一輸出電感L1的電流i_L1視為定電流。此時，流經該寄生電容C_r1並流入該共振電感Lr的一電流(其電流方向與電流i_S1反向)對該寄生電容C_r1進行放電，且流經該寄生電容C_r2並流入該共振電感Lr的一電流(其電流方向與電流i_S2同向)對該寄生電容C_r2進行充電，使得該寄生電容C_r1二端的跨壓V_Cr1下降，而該寄生電容C_r2二端的跨壓V_Cr2上升。當t=t7時，該寄生電容C_r1二端的跨壓V_Cr1下降至V_Cr1=V_C2-(L_b2n₂Vo)/L₂，則該第二飛輪二極體D22變為導通。接著，進入第八階段。

第八階段(時間點：t7~t8)：

參閱圖3與圖11，該等第一及第二開關S1、S2不導通，該等本體二極體D_S1、D_S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

該第二降壓電感Lb2反射至該初級側繞組41，且該第二降壓電感Lb2、該等第一及第二漏電感L_lk1、L_lk2及該共振電感Lr與該等寄生電容C_r1、C_r2共振。此時，流經該寄生電容C_r1的電流持續對該寄生電容C_r1進行放電，且流經該寄生電容C_r2的電流持續對該寄生電容C_r2進行充電。當t=t8時，該寄生電容C_r1二端的跨壓V _Cr1下降至零，該本體二極體D _S1變為導通，且將該寄生電容C _r1二端的跨壓V _Cr1箝制在零。接著，進入第九階段。

第九階段(時間點：t8~t9)：

參閱圖3與圖12，該第一開關S1導通，該第二開關S2不導通，該本體二極體D _S1導通，該本體二極體D _S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

由於該寄生電容C _r1二端的跨壓V _Cr1箝制在零，因此該寄生電容C _r2二端的跨壓V _Cr2等於該直流輸入電壓Vin(即，V _Cr2=Vin)。此時，將該第一開關S1導通即可達到零電壓切換ZVS。此外，該共振電感Lr開始線性儲存能量，即流經該共振電感Lr的電流i _Lr以斜率V _Lr/L _r開始線性上升，且該共振電感Lr的跨壓V _Lr=(Vin-V _C2+ V _C1/2)L _r/[L _r+(L _b1+L _lk1’)/2]＞0，參數L _lk1’為該第一漏電感L _lk1的電感值。同時，流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1以斜率(Vin-V _C1)/L _b1線性上升，流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2以斜率-V _C2/L _b2線性下降，流經該第一輸出電感L1的電流i _L1以斜率-Vo/L ₁線性下降，且流經該第二輸出電感L2的電流i _L2以斜率-Vo/L ₂線性下降。當t=t9時，流經該共振電感Lr的電流i _Lr線性上升至零，此時，該本體二極體D _S1變為不導通。接著，進入第十階段。

第十階段(時間點：t9~t10)：

參閱圖3與圖13，該第一開關S1導通，該第二開關S2不導通，該等本體二極體D _S1、D _S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

第十階段與第九階段的操作相似，流經該共振電感Lr的電流i _Lr持續線性上升至正值，流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1持續線性上升。流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2、流經該第一輸出電感L1的電流i _L1及流經該第二輸出電感L2的電流i _L2持續線性下降。當t=t10時，該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1與該第一輸出電感L1的電流i _L1相同，此時，該第一飛輪二極體D12變為不導通。接著，進入第十一階段。

第十一階段(時間點：t10~t11)：

參閱圖3與圖14，該第一開關S1導通，該第二開關S2不導通，該等本體二極體D _S1、D _S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12不導通，該第二整流二極體D21導通，該第二飛輪二極體D22導通。

此時，流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2、流經該第二輸出電感L2的電流i _L2持續線性下降。流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1與流經該第一輸出電感L1的電流i _L1以斜率(Vin- V _C1-Vo)/(L _b1+L ₁)一同線性上升(即該第一降壓電感Lb1與該第一輸出電感L1處於儲存能量的狀態)。當t=t11時，流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2下降至零，且該第二整流二極體D21變為不導通。接著，進入第十二階段。

第十二階段(時間點：t11~t12)：

參閱圖3與圖15，該第一開關S1導通，該第二開關S2不導通，該等本體二極體D _S1、D _S2不導通，該第一整流二極體D11導通，該第一飛輪二極體D12不導通，該第二整流二極體D21不導通，該第二飛輪二極體D22導通。

該第二降壓電感Lb2停止釋放能量。流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1與流經該第一輸出電感L1的電流i _L1持續線性上升，而流經該第二輸出電感L2的電流i _L2持續線性下降。當t=t12，該第一開關S1由導通切換為不導通時，回到第一階段。

本實施例單級降壓轉換器的電路電氣規格與元件參數如表1所示，其中元件設計係利用電路動作分析推導公式且輔以IsSpice模擬試誤法。 表1 ： <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0020"><TBODY><tr><td> 直流輸入電壓 Vin </td><td> 400V </td><td> 第一及第二變壓器匝數比n₁、n₂</td><td> 1 </td></tr><tr><td> 直流輸出電壓Vo </td><td> 48V </td><td> 第一及第二激磁電感L_m1、L_m2</td><td><img wi="125" he="24" file="02_image001.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td> 輸出功率 </td><td> 150~750 W </td><td> 第一及第二漏電感L_lk1、L_lk2</td><td><img wi="52" he="24" file="02_image003.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td> 第一及第二輸入電容C1、C2 </td><td><img wi="45" he="24" file="02_image005.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 共振電感Lr </td><td><img wi="63" he="24" file="02_image007.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td> 第一及第二輸出電感L1、L2 </td><td><img wi="59" he="24" file="02_image009.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 切換頻率 </td><td> 100kHz </td></tr><tr><td> 第一及第二降壓電感Lb1、Lb2 </td><td><img wi="63" he="24" file="02_image011.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 輸出電容Co </td><td><img wi="56" he="24" file="02_image013.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>

實驗模擬 ：

參閱圖16，為該第一控制信號Vgs1、該直流輸入電壓Vin與該直流輸出電壓Vo之波形圖。該第一開關S1的責任導通比 ，該直流輸出電壓Vo為48V。由模擬結果可知本實施例的單級降壓轉換器所輸出的該直流輸出電壓Vo可降至訂定的電氣規格。

參閱圖17及圖18，圖17為該第一控制信號Vgs1及該第一開關S1的汲源極間的一跨壓Vds1之波形圖，圖18為該第二控制信號Vgs2及該第二開關S2的汲源極間的一跨壓Vds2之波形圖。由圖17可知，該第一開關S1之跨壓Vds1下降至零後，該第一控制信號Vgs1才切換為邏輯高準位，進而使該第一開關S1達到零電壓切換ZVS的柔切性能。由圖18可知，該第二開關S2之跨壓Vds2下降至零後，該第二控制信號Vgs2才切換為邏輯高準位，進而使該第二開關S2達到零電壓切換ZVS的柔切性能。此外，由圖17及圖18也可知該等第一及第二開關S1、S2之電壓應力皆等於該直流輸入電壓Vin(等於400V) ，適用於高電壓輸入應用。

參閱圖19，為該第一控制信號Vgs1、流經該等第一及第二輸出電感L1、L2的電流的加總i _Lo、及流經該等第一及第二輸出電感L1、L2的電流i _L1、i _L2之波形圖。由於本實施例的單級降壓轉換器採輸出並聯架構，該總輸出電流i _O等於電流i _Lo，而電流i _Lo= i _L1+i _L2，也就是說，該等第一及第二輸出電感L1、L2可分攤輸出電流(即電流i _Lo)，使輸出電流具漣波相消性能且可降低輸出電流之漣波。

參閱圖20及圖21，圖20為該第一控制信號Vgs1、流經該第一降壓電感Lb1及該第一輸出電感L1的電流i _Lb1、i _L1之波形圖，圖21為該第二控制信號Vgs2、流經該第二降壓電感Lb2及該第二輸出電感L2的電流i _Lb2、i _L2之波形圖。本實施例的單級降壓轉換器藉由該等第一及第二降壓電感Lb1、Lb2能達到高降壓。由於當該第一開關S1切換為導通時，該第一飛輪二極體D12持續導通，流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1開始上升，且須等到流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1等於流經該第一輸出電感L1的電流i _L1(即i _Lb1=i _L1)，及該第一飛輪二極體D12變為不導通時，能量才能傳至負載(即電阻R)，同理，當該第二開關S2切換為導通時，也須等到流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2等於流經該第二輸出電感L2的電流i _L2(即i _Lb2=i _L2)，及該第二飛輪二極體D22變為不導通時，能量才能傳至負載。因此，本實施例的單級降壓轉換器實際操作的導通比D1、D2(即，D1=t _s1/Ts，參數t _s1為該切換週期Ts中流經該第一降壓電感Lb1的電流i _Lb1等於流經該第一輸出電感L1的電流i _L1的時間，D2=t _s2/Ts，參數t _s2為該切換週期Ts中流經該第二降壓電感Lb2的電流i _Lb2等於流經該第二輸出電感L2的電流i _L2的時間)分別小於該等第一及第二開關S1、S2的責任導通比Ds1、Ds2(即，Ds1=t _s3/Ts，參數t _s3為該切換週期Ts中該第一開關S1導通的時間，Ds2=t _s4/Ts，參數t _s4為該切換週期Ts中該第二開關S2導通的時間)，使本實施例的單級降壓轉換器達到高降壓性能。

綜上所述，上述本實施例實施例具有以下優點：

1. 藉由該等第一及第二降壓電感Lb1、Lb2，使本實施例的單級降壓轉換器實際操作的導通比D1、D2分別小於該等第一及第二開關S1、S2的責任導通比Ds1、Ds2，藉此即可達到高降壓特性。因此，本實施例的單級降壓轉換器不需如習知技術需降低習知單級降壓轉換器中之開關的導通責任比或將變壓器的匝數比(即，變壓器的初級側繞組的匝數比上次級側繞組的匝數)提高。

2. 藉由該等第一及第二降壓電感Lb1、Lb2達到高降壓，使得該等第一及第二變壓器3、4匝數比各自為一(n ₁=n ₂=1)，因而降低該等第一及第二變壓器3、4各自的寄生元件，可有效抑制該等第一及第二開關S1、S2切換時所產生的突波，且本實施例的單級降壓轉換器在元件選擇上可選用耐壓較低的元件，進而降低本實施例單級降壓轉換器的成本。

3. 藉由該等第一及第二降壓電感Lb1、Lb2、該等第一及第二漏電感L _lk1、L _lk2及該共振電感Lr與該等寄生電容C _r1、C _r2共振之共振電路設計，使該等第一及第二開關S1、S2均能達到零電壓切換ZVS的柔切性能。因此，可降低開關切換損失，並提高本實施例單級降壓轉換器的轉換效率。

4. 由於該等第一及第二開關S1、S2採疊接輸入架構，可維持該等第一及第二開關S1、S2各自的電壓應力等於該直流輸入電壓Vin，適用於高電壓輸入應用。

5. 由於本實施例單級降壓轉換器採輸出並聯架構，使得輸出電流i _Lo等於流經該等第一及第二輸出電感L1、L2的電流i _L1、i _L2的加總，以致該等第一及第二輸出電感L1、L2可分攤輸出電流，且該等第一及第二輸出電感L1、L2的電流i _L1、i _L2加總後使輸出電流具漣波相消性能，可降低輸出電流的漣波。因此，可降低該輸出電容Co的電容值與其尺寸，故可選用較小的該輸出電容Co，進而達到減小整體電路體積，提高功率密度。此外，藉由該等第一及第二輸出電感L1、L2分攤輸出電流，更可降低磁性元件與半導體元件的導通損失，適用於高功率及輸出低壓大電流應用。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

1‧‧‧電壓源

2‧‧‧疊接輸入電路

21‧‧‧第一輸入端

22‧‧‧第二輸入端

23‧‧‧第一輸出端

24‧‧‧第二輸出端

25‧‧‧第三輸出端

3‧‧‧第一變壓器

31‧‧‧初級側繞組

32‧‧‧次級側繞組

4‧‧‧第二變壓器

41‧‧‧初級側繞組

42‧‧‧次級側繞組

5‧‧‧並聯輸出電路

6‧‧‧控制電路

C1‧‧‧第一輸入電容

C2‧‧‧第二輸入電容

Co‧‧‧輸出電容

C_r1‧‧‧寄生電容

C_r2‧‧‧寄生電容

D_S1‧‧‧本體二極體

D_S2‧‧‧本體二極體

D11‧‧‧第一整流二極體

D12‧‧‧第一飛輪二極體

D21‧‧‧第二整流二極體

D22‧‧‧第二飛輪二極體

i_S1‧‧‧流經第一開關的電流

i_S2‧‧‧流經第二開關的電流

i_Lr‧‧‧流經共振電感的電流

i_Lm1‧‧‧流經第一激磁電感的電流

i_Lm2‧‧‧流經第二激磁電感的電流

i_D11‧‧‧流經第一整流二極體的電流

i_D21‧‧‧流經第二整流二極體的電流

i_Lb1‧‧‧流經第一降壓電感的電流

i_Lb2‧‧‧流經第二降壓電感的電流

i_D12‧‧‧流經第一飛輪二極體的電流

i_D22‧‧‧第二飛輪二極體的電流

i_L1‧‧‧流經第一輸出電感的電流

i_L2‧‧‧流經第二輸出電感的電流

i_Lo‧‧‧流經第一及第二輸出電感的電流的加總

i_o‧‧‧總輸出電流

i₁‧‧‧第一降壓電感電流

Lb1‧‧‧第一降壓電感

Lb2‧‧‧第二降壓電感

Lr‧‧‧共振電感

L_m1‧‧‧第一激磁電感

L_1k1‧‧‧第一漏電感

L_m2‧‧‧第二激磁電感

L_1k2‧‧‧第二漏電感

R‧‧‧電阻

S1‧‧‧第一開關

S2‧‧‧第二開關

t‧‧‧時間

t0~t12‧‧‧時間點

Ts‧‧‧切換週期的長度

Td‧‧‧預設的死區時段的長度

Vin‧‧‧直流輸入電壓

i₂‧‧‧第二降壓電感電流

L1‧‧‧第一輸出電感

L2‧‧‧第二輸出電感

Vo‧‧‧直流輸出電壓

Vgs1‧‧‧第一控制信號

Vgs2‧‧‧第二控制信號

V_Cr1‧‧‧寄生電容的跨壓

V_Cr2‧‧‧寄生電容的跨壓

V_C1‧‧‧第一輸入電容的跨壓

V_C2‧‧‧第二輸入電容的跨壓

V_P1‧‧‧第一輸出電壓

V_S1‧‧‧第一變壓器的次級側繞組的跨壓

V_P2‧‧‧第二輸出電壓

V_S2‧‧‧第二變壓器的次級側繞組的跨壓

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一電路圖，說明本發明單級降壓轉換器之一實施例； 圖2是一等效電路圖，說明該實施例； 圖3是一時序圖，說明該實施例的操作； 圖4至15是等效電路圖，分別說明該實施例操作在第一階段至第十二階段的情況； 圖16是一波形圖，說明該實施例的一第一控制信號、一直流輸入電壓及一直流輸出電壓； 圖17是一波形圖，說明該實施例的該第一控制信號及一第一開關的汲源極間的一跨壓； 圖18是一波形圖，說明該實施例的一第二控制信號及一第二開關的汲源極間的一跨壓； 圖19是一波形圖，說明該實施例的該第一控制信號、流經第一及第二輸出電感的電流的加總，及流經該等第一及第二輸出電感的電流； 圖20是一波形圖，說明該實施例的該第一控制信號、流經一第一降壓電感的電流，及流經該第一輸出電感的電流；及 圖21是一波形圖，說明該實施例的該第二控制信號、流經一第二降壓電感的電流，及流經該第二輸出電感的電流。

1‧‧‧電壓源

2‧‧‧疊接輸入電路

21‧‧‧第一輸入端

22‧‧‧第二輸入端

23‧‧‧第一輸出端

24‧‧‧第二輸出端

25‧‧‧第三輸出端

3‧‧‧第一變壓器

31‧‧‧初級側繞組

32‧‧‧次級側繞組

4‧‧‧第二變壓器

41‧‧‧初級側繞組

42‧‧‧次級側繞組

5‧‧‧並聯輸出電路

6‧‧‧控制電路

C1‧‧‧第一輸入電容

C2‧‧‧第二輸入電容

Co‧‧‧輸出電容

D11‧‧‧第一整流二極體

D12‧‧‧第一飛輪二極體

D21‧‧‧第二整流二極體

D22‧‧‧第二飛輪二極體

i₁‧‧‧第一降壓電感電流

i₂‧‧‧第二降壓電感電流

L1‧‧‧第一輸出電感

L2‧‧‧第二輸出電感

Lb1‧‧‧第一降壓電感

Lb2‧‧‧第二降壓電感

Lr‧‧‧共振電感

R‧‧‧電阻

S1‧‧‧第一開關

S2‧‧‧第二開關

Vin‧‧‧直流輸入電壓

Vo‧‧‧直流輸出電壓

Vgs1‧‧‧第一控制信號

Vgs2‧‧‧第二控制信號

V_P1‧‧‧第一輸出電壓

V_P2‧‧‧第二輸出電壓

Claims (10)

1. 一種單級降壓轉換器，包含： 一疊接輸入電路，適用於接收一直流輸入電壓，且根據該直流輸入電壓產生一第一輸出電壓及一第二輸出電壓，該等第一及第二輸出電壓小於該直流輸入電壓； 一第一變壓器，具有一電連接該疊接輸入電路以接收該第一輸出電壓的初級側繞組，及一次級側繞組，該等初級及次級側繞組中的每一者具有一第一端及一第二端； 一第二變壓器，具有一電連接該疊接輸入電路以接收該第二輸出電壓的初級側繞組，及一次級側繞組，該第二變壓器之該等初級及次級側繞組中的每一者具有一第一端及一第二端，該第二變壓器之該初級側繞組的該第一端電連接該第一變壓器之該初級側繞組的該第二端； 一第一整流二極體，具有一電連接該第一變壓器之該次級側繞組的該第一端的陽極，及一陰極； 一第一降壓電感，具有一電連接該第一整流二極體的該陰極的第一端，及一輸出一第一降壓電感電流的第二端，該第一降壓電感電流正相關於該第一變壓器之該次級側繞組的跨壓，且反相關於該第一降壓電感的電感值； 一第二整流二極體，具有一電連接該第二變壓器之該次級側繞組的該第一端的陽極，及一陰極； 一第二降壓電感，具有一電連接該第二整流二極體的該陰極的第一端，及一輸出一第二降壓電感電流的第二端，該第二降壓電感電流正相關於該第二變壓器之該次級側繞組的跨壓，且反相關於該第二降壓電感的電感值；及 一並聯輸出電路，電連接該等第一及第二降壓電感的該等第二端以接收該等第一及第二降壓電感電流，及電連接該等第一及第二變壓器之該等次級側繞組的該等第二端，且根據該等第一及第二降壓電感電流產生一直流輸出電壓。
2. 如請求項1所述的單級降壓轉換器，其中，該並聯輸出電路包括： 一第一飛輪二極體，具有一電連接該第一變壓器之該次級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該第一降壓電感之該第二端的陰極； 一第二飛輪二極體，具有一電連接該第二變壓器之該次級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該第二降壓電感之該第二端的陰極； 一第一輸出電感，具有一電連接該第一降壓電感之該第二端的第一端，及一第二端； 一第二輸出電感，具有一電連接該第二降壓電感之該第二端的第一端，及一電連接該第一輸出電感之該第二端的第二端；及 一輸出電容，具有一電連接該第一輸出電感之該第二端的第一端，及一電連接該等第一及第二飛輪二極體之該等陽極的第二端，該輸出電容的跨壓作為該直流輸出電壓。
3. 如請求項2所述的單級降壓轉換器，其中，該疊接輸入電路還接收一第一控制信號及一第二控制信號，且還根據該等第一及第二控制信號，產生該等第一及第二輸出電壓，該等第一及第二控制信號中的每一者在一有效狀態及一非有效狀態之間切換，且該疊接輸入電路具有： 一第一輸入端及一第二輸入端，該等第一及第二輸入端接收該直流輸入電壓；及 一第一輸出端、一第二輸出端及一第三輸出端，該等第一及第二輸出端輸出該第一輸出電壓，該等第二及第三輸出端輸出該第二輸出電壓。
4. 如請求項3所述的單級降壓轉換器，其中，該疊接輸入電路包括： 一第一開關，具有一第一端、一電連接該第二輸入端的第二端，及一接收該第一控制信號的控制端，以致該第一開關根據該第一控制信號而導通或不導通； 一第二開關，具有一電連接該第一輸入端的第一端、一電連接該第一開關之該第一端的第二端，及一接收該第二控制信號的控制端，以致該第二開關根據該第二控制信號而導通或不導通； 一第一輸入電容，電連接在該第二開關之該第一端與該第一輸出端之間； 一第二輸入電容，電連接在該第一開關之該第二端與該第三輸出端之間；及 一共振電感，電連接在該第一開關之該第一端與該第二輸出端之間。
5. 如請求項4所述的單級降壓轉換器，其中，該第一開關及該第二開關各自為一N型金氧半場效電晶體。
6. 如請求項3所述的單級降壓轉換器，還包含一控制電路，該控制電路產生該等第一及第二控制信號。
7. 如請求項3所述的單級降壓轉換器，其中，該等第一及第二控制信號具有相同的切換週期，且交替地在該有效狀態，當該等第一及第二控制信號中的一者在該有效狀態時，該等第一及第二控制信號中的另一者在該非有效狀態。
8. 如請求項7所述的單級降壓轉換器，其中，在從該第一控制信號及該第二控制信號中的一者切換到該非有效狀態的每一個時間點起算的一預設的死區時段之後，該第一控制信號及該第二控制信號中的另一者才切換到該有效狀態。
9. 如請求項1所述的單級降壓轉換器，其中，於該等第一及第二變壓器的每一者中，該初級側繞組的匝數等於該次級側繞組的匝數。
10. 如請求項1所述的單級降壓轉換器，其中，於該等第一及第二變壓器的每一者中，該等初級及次級側繞組的該等第一端為極性點端，該等初級及次級側繞組的該等第二端為非極性點端。