專利名稱：具有零電壓切換的壓電驅動電路的制作方法
技術領域：
本發明是有關一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，特別是指一種能實現寬頻和寬負載范圍的零電壓切換半橋電路的壓電驅動電路。
背景技術：
由于壓電變壓器具有薄型和無福射型電磁干擾(EMI; ElectromagneticInterference)的優勢，因此，以慢慢普及被應用于電源驅動電路上。然而，壓電變壓器仍存在一些無法克服的難題，舉例來說，壓電變壓器應用于橋式開關電路上，通常都需要連接一電感于橋式開關電路及壓電電壓器之間，才能達到零電壓切換的條件，但是，電感本身比壓電變壓器還要厚(亦即結構較大)，如此就犧牲了壓電變壓器原有的薄型封裝優勢，且電感在主電路上也會造成額外的損耗及產生電磁輻射干擾問題。再者，若于壓電變壓器驅動電路中，使用無電感的設計，雖可在特定負載范圍內達到零電壓切換條件，但是可用頻率范圍太窄，使得壓電變壓器無法在變頻反饋控制及大范圍負載變動下，仍可維持零電壓切換動作。實際上，無論壓電變壓器有沒有搭配電感設計，整體驅動電路能夠達到的零電壓切換的頻寬范圍都相當狹窄。再者，于實際操作上，壓電變壓器在輕載(light load)的條件下以及遠離主共振頻率時，實難以達到零電壓切換，因此，局限了壓電變壓器于電源供應器的應用及發展。有鑒于此，本發明遂針對上述先前技術的缺失，提出一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，以有效克服上述等問題。

發明內容
本發明的主要目的在提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，其利用分流電路在半橋開關的死區時間(dead times)下協助諧振，使得在負載變動及操作頻率變動下，仍可保持零電壓切換的功效。本發明的另一目的在提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，其利用分流電路來取代一般電感于主電流路徑所占的體積及所造成的損耗，不僅能讓整體電路薄型化，又可提高整體電路效能，有助于整體技術發展、應用及產品的競爭。為達上述的目的，本發明提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，包括一半橋驅動電路、一壓電元件及至少一分流電路。半橋驅動電路是接收一輸入直流電壓，半橋驅動電路包含串聯的一上臂開關組及一下臂開關組，并根據上臂開關組及下臂開關組的切換以轉換為一交流電壓。壓電元件電性連接半橋驅動電路，并接受交流電壓，以驅動一負載動作。分流電路電性連接于半橋驅動電路與壓電元件之間，分流電路系與半橋驅動電路進行諧振，使上臂開關組及下臂開關組進行零電壓切換。其中，所述上臂開關組與所述下臂開關組皆為關閉狀態的死區時間時，則所述分流電路導通，并與所述上臂開關組與所述下臂開關組開始諧振充電或放電，且于所述分流電路的導通時間內，充電電荷須等于所述輸入直流電壓或放電電荷須為零電壓，使所述上臂開關組與所述下臂開關組進行所述零電壓切換。其中，所述上臂開關組包含一第一寄生電容，所述下臂開關組包含一第二寄生電容，在所述上臂開關組與所述下臂開關組關閉時，所述分流電路導通，所述壓電元件的一輸入電容與所述第二寄生電容經由所述分流電路放電，同時所述第一寄生電容被充電。其中，所述分流電路包含串聯的一分流電感、一雙向開關及一分流電源，于所述分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振時，所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上的跨壓遞增至所述直流電壓準位。其中，所述分流電感為所述分流電路中導線上的寄生電感或為所述分流電路的印刷電路板上的線徑。其中，所述分流電源是提供一驅動電壓予所述雙向開關，且所述分流電源的直流電壓值為所述輸入直流電壓的一半。其中，所述分流電路為二時，其為一第一分流電路及一第二分流電路，所述第一分流電路包含串聯的一第一分流電感及一第一單向開關；所述第二分流電路連接所述第一分流電路，所述第二分流電路包含串聯的一第二分流電感及一第二單向開關。其中，所述下臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第二分流電感、所述第二二極管及所述第二單向開關放電，同時所述第一寄生電容被充電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上的跨壓遞增至所述直流電壓準位；以及所述上臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第一分流電感、所述第一二極管及所述第一單向開關充電，同時所述第一寄生電容被放電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞增至所述直流電壓準位，所述上臂開關組上的跨壓遞減為零電壓。其中，所述壓電元件為一壓電變壓器或一壓電諧振器。其中，所述上臂開關組并聯一第一電容，所述壓電元件并聯一第二電容，且所述第一電容與所述分流電路之間串聯一分流電容，所述第二電容用以改變所述分流電路中的分流電流值以及所述第一電容與所述分流電路的諧振頻率。本發明不僅能讓整體電路薄型化，又可提高整體電路效能，有助于整體技術發展、應用及產品的競爭。底下通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發明的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。


圖1為本發明的第一實施例架構圖。圖2為本發明的第一實施例波形圖。圖3為本發明的第二實施例架構圖。圖4為本發明的第二實施例波形圖。圖5為本發明的第三實施例架構圖。
圖6為本發明的第四實施例架構圖。附圖標記說明:10壓電驅動電路；12半橋驅動電路；14壓電元件；16分流電路；162分流電感；164雙向開關；166分流電源；18上臂開關組；182第一寄生電容；184第一寄生二極管；20下臂開關組；202第二寄生電容；204第二寄生二極管；22負載；24第一分流電路；242第一分流電感；244第一單向開關；26第二分流電路；262第二分流電感；264第二單向開關；28第一電容；30第二電容；32分流電容；34壓電諧振器；36第三電容。
具體實施例方式如圖1所示，為本發明的第一實施例架構圖。壓電驅動電路10包括一半橋驅動電路12、一壓電元件14及至少一分流電路16。半橋驅動電路12包含串聯的一上臂開關組18及一下臂開關組20，半橋驅動電路12是接收一輸入直流電壓(VD。)，并根據上臂開關組18及下臂開關組20的切換以轉換為方波的一交流電壓。壓電元件14系電性連接半橋驅動電路16，并接受交流電壓，經諧振后以驅動一負載22動作。其中，負載22可為冷陰極燈管(CCFL)、熱陰極燈管(HCFL)、高亮度放電燈(HID Lamp)、發光二極管(LED)、整流器電路、壓電致動器和開關電路等。分流電路16電性連接于半橋驅動電路12與壓電元件14之間，分流電路16是與半橋驅動電路12進行諧振，使上臂開關組18及下臂開關組20進行零電壓切換，容后介紹。在此，先說明上述元件的細部電路，以便于了解后續電路上的操作方式。上臂開關組18包含一第一寄生電容(CK1)182及一第一寄生二極管184。下臂開關組20包含一第二寄生電容(CK2)202及一第二寄生二極管204。壓電元件14為壓電變壓器或壓電諧振器，在此以壓電變壓器為例說明,其包含一輸入電容(Cp) 142。在此第一實施例中,本發明使用一組分流電路16為例說明，其包含串聯的一分流電感(Ls) 162、一雙向開關(Ks) 164及一分流電源(Vdc；/2) 166。其中，分流電源166是提供一驅動電壓予雙向開關164,且分流電源166的直流電壓值為輸入直流電壓(Vdc)的一半。接續，請同時配合圖2，為本發明的第一實施例波形圖。在此，是說明壓電驅動電路10的操作過程中，如何達到零電壓切換的功效。首先，操作在[tftj期間，上臂開關組(K1)IS呈導通狀態，而下臂開關組(K2)20呈截止狀態，此時分流電路16是關閉的，因此，輸入電流iP流至壓電元件14，而其輸入電容142上的跨壓Vp會等于輸入直流電壓(VDC)，且跨壓為正值。此操作期間于結束時，分流電路16的雙向開關164仍呈現關閉狀態。接續，操作在[ti_t2]期間，上臂開關組18與下臂開關組20同時呈現截止狀態時，此期間即為傳統半橋電路的死區時間(dead time);此時，分流電路16即導通，輸入電容142、第二寄生電容202、第一寄生電容182與分流電感162開始諧振，輸入電容142與第二寄生電容202會經由分流電路16開始諧振放電，同時第一寄生電容182開始被諧振充電。值得注意的是，輸入電容142上的跨壓Vp是以正弦斜率遞減至零電壓，而上臂開關組18上的跨壓會遞增至輸入直流電源(Vdc)的電壓準位；如此一來，即可作為下臂開關組20的零電壓切換的關鍵條件。當然，若在[t「t2]期間，諧振放電電流不夠大時，則輸入電容142與第二寄生電容202就不能完全放電到零，且下臂開關組20亦不能在下一操作期間進行零電壓導通。其中，分流電感162與全部電容于[t1-t2]諧振期間的計算如下列公式I。
U-11^ π Ls (Cp+ Ck \+C Κ2)...(1)由于[tl_t2]的時間通常很小，在諧振期間，可直接在分流電路16上使用小電感值(分流電感162)去配合壓電驅動電路10上的全部電容。為了讓整體電路更薄型化，更可利用分流電路16中導線上的寄生電感、或分流電路16的印刷電路板(PCB)上的線徑漏感所產生的微小電感值，來搭配輸入電容142、第一寄生電容182與第二寄生電容202進行諧振。當輸入電容142上的跨壓Vp放電至零時，此操作期間即結束。接續，操作在[t2_t3]期間，上臂開關組18、下臂開關組20及分流電路16同時呈現截止狀態時。這期間，下臂開關組20的第二寄生二極管204會導通，以提供電流im流過壓電元件14。當下臂開關組20開始導通時，此操作期間即結束。接續，操作在[t3_t4]期間，上臂開關組18呈截止狀態，而下臂開關組20呈導通狀態，此時分流電路16仍然為關閉的。在上臂開關組18由截止切換到導通時刻，壓電元件14的輸入電壓為0，也就是輸入電容142上跨壓Vp為0，直到切換后，Vp仍維持0，故可達到零電壓切換。當下臂開關組20切換為截止狀態時，此操作期間即結束。接續，操作在[t4_t5]期間，上臂開關組18及下臂開關組20兩者呈截止狀態，此時分流電路16開始導通，如同操作在[ti_t2]期間，輸入電容142、第二寄生電容202、第一寄生電容182與分流電感162開始諧振，輸入電容142與第二寄生電容202會經由分流電路16開始諧振放電，同時第一寄生電容182開始被諧振充電。其中，分流電感162與全部電容于[t4_t5]諧振期間的計算如下列公式2。% ~t4 =^yjLs(Cp+CKi+CK2) ….(2)在諧振期間，輸入電答丄42上的跨壓Vp是以正弦斜車遞增至輸入直流電源(Vdc)的電壓準位，且上臂開關組18上的跨壓是以正弦斜率遞減至零電壓；如此一來，即可作為上臂開關組18的零電壓切換的關鍵條件。當`然，若在[t4_t5]期間，諧振放電電流不夠大時，則輸入電容142就不能完全放電到零，且上臂開關組18亦不能在下一操作期間進行零電壓導通。當輸入電容142上的跨壓Vp充電至輸入直流電源(Vdc)的電壓準位時，此操作期間即結束。接續，操作在[t5_tj期間，上臂開關組18、下臂開關組20及分流電路16同時呈現截止狀態時，此時，輸入電容142上的跨壓Vp開始被充電至輸入直流電源(Vdc)的電壓準位。同時上臂開關組18的第一寄生二極管184會導通，以提供電流im流過壓電元件14。當上臂開關組18開始導通時，此操作期間即結束。由于上臂開關組18由截止切換為導通時亥IJ，因壓電元件14的輸入電壓(Vp)充電至輸入直流電源(Vdc)的電壓準位，直到切換后，Vp仍維持VD。，故可達到零電壓切換。由上述的操作期間可得知，上臂開關組18及下臂開關組20分別于操作在[t^tj期間及[t3_t4]期間會導通，其他操作期間，上臂開關組18及下臂開關組20兩者為截止，此為半橋驅動電路12的死區時間。操作在[t1-t2]期間及[t4-t5]期間，輸入電容142、第二寄生電容202、第一寄生電容182與分流電感162諧振充電，或通過分流電路16放電，來達到零電壓切換的功效。另一達到零電壓切換的功效，為下臂開關組20的第二寄生二極管204及上臂開關組18的第一寄生二極管184分別對應操作在[t2-t3]期間及[t5-tj期間，提供電流im流過壓電元件14,而負載22則接收壓電元件14上電流1所傳遞的能量而動作。值得注意的是，壓電元件14與分流電路16兩者操作上是沒有直接關系，壓電元件14是受上臂開關組18及下臂開關組20產生的方波所驅動，而分流電路16僅為零電壓切換之用。其中，本發明使用分流電路16使半橋驅動電路12達到零電壓切換，仍需滿足下列兩個條件，如下公式(3)至(6)示:
權利要求
1.一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，包括: 一半橋驅動電路，是接收一輸入直流電壓，所述半橋驅動電路包含串聯的一上臂開關組及一下臂開關組，并根據所述上臂開關組及所述下臂開關組的切換以轉換為一交流電壓； 一壓電元件，電性連接所述半橋驅動電路，并接受所述交流電壓，以驅動一負載動作；及 至少一分流電路，電性連接于所述半橋驅動電路與所述壓電元件之間，所述分流電路是與所述半橋驅動電路進行諧振，使所述上臂開關組及所述下臂開關組進行零電壓切換。
2.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述上臂開關組與所述下臂開關組皆為關閉狀態的死區時間時，則所述分流電路導通，并與所述上臂開關組與所述下臂開關組開始諧振充電或放電，且于所述分流電路的導通時間內，充電電荷須等于所述輸入直流電壓或放電電荷須為零電壓，使所述上臂開關組與所述下臂開關組進行所述零電壓切換。
3.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述上臂開關組包含一第一寄生電容，所述下臂開關組包含一第二寄生電容，在所述上臂開關組與所述下臂開關組關閉時，所述分流電路導通，所述壓電元件的一輸入電容與所述第二寄生電容經由所述分流電路放電，同時所述第一寄生電容被充電。
4.根據權利要求3所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述分流電路包含串聯的一分流電感、一雙向開關及一分流電源，于所述分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振時，所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上 的跨壓遞增至所述直流電壓準位。
5.根據權利要求4所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述分流電感為所述分流電路中導線上的寄生電感或為所述分流電路的印刷電路板上的線徑。
6.根據權利要求4所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述分流電源是提供一驅動電壓予所述雙向開關，且所述分流電源的直流電壓值為所述輸入直流電壓的一半。
7.根據權利要求3所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述分流電路為二時，其為一第一分流電路及一第二分流電路，所述第一分流電路包含串聯的一第一分流電感及一第一單向開關；所述第二分流電路連接所述第一分流電路，所述第二分流電路包含串聯的一第二分流電感及一第二單向開關。
8.根據權利要求7所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述下臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第二分流電感、所述第二二極管及所述第二單向開關放電，同時所述第一寄生電容被充電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞減為零電壓，所述上臂開關組上的跨壓遞增至所述直流電壓準位；以及 所述上臂開關組導通時，則所述第一分流電感、所述第二分流電感與所述第一寄生電容、所述第二寄生電容、所述輸入電容開始諧振，所述輸入電容與所述第二寄生電容經由所述第一分流電感、所述第一二極管及所述第一單向開關充電，同時所述第一寄生電容被放電，此時所述壓電元件的所述輸入交流電壓遞增至所述直流電壓準位，所述上臂開關組上的跨壓遞減為零電壓。
9.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述壓電元件為一壓電變壓器或一壓電諧振器。
10.根據權利要求1所述的具有零電壓切換的壓電驅動電路，其特征在于，所述上臂開關組并聯一第一電容，所述壓電元件并聯一第二電容，且所述第一電容與所述分流電路之間串聯一分流電容，所述第二電容用以改變所述分流電路中的分流電流值以及所述第一電容與所述分流電路 的諧振頻率。
全文摘要
本發明提供一種具有零電壓切換的壓電驅動電路，適用于切換式功率轉換器，其由半橋驅動電路接收一輸入直流電壓，經半橋驅動的上臂開關組及下臂開關組的切換，以轉換為一交流電壓予壓電元件，使交流電壓經壓電元件以驅動一負載動作。其中，于半橋驅動電路與壓電元件之間電性連接一分流電路，作為零電壓切換之用，也就是分流電路在上臂開關組及下臂開關組皆關閉時，與其寄生電容進行諧振，使上臂開關組及下臂開關組進行零電壓切換，故能在非常寬的頻率范圍內及大范圍負載變動下，實現零電壓切換的功效。
文檔編號H02M7/521GK103187897SQ20121040761
公開日2013年7月3日 申請日期2012年10月23日 優先權日2011年12月30日
發明者魏道金, 劉元平 申請人:金威貿易有限公司, 威遠科技股份有限公司