本章提出柔性切換 SRC 全橋式直流/交流轉換器之控制晶片，整體電路架構係 以傳統全橋式變頻器為基礎，配合 LC 共振槽達成高效能之柔性切換特性。本計畫 之關鍵技術為如何產生一穩定之電壓控制振盪器(VCO)及邏輯控制電路[35]-[38]，以 實現控制法則。電壓控制振盪器是晶片之核心電路，其必須產一個穩定且極低頻的 振 盪 訊 號 ， 以 供 給 後 級 邏 輯 電 路 做 訊 號 處 理 ， 振 盪 頻 率 範 圍 要 求 約 為 20K~200KHz[39]。邏輯控制電路則以電壓控制振盪器的信號為核心，依控制法則，
分別將此訊號作邏輯運算，產生四個控制訊號，共給全橋電路之四個功率開關元 件，使所有功率開關元件均具有零電流且/或零電壓之柔性切換特性。
4.1 習知技術探討
此次晶片專為全橋串聯諧振轉換器而設計，提供高效能、省電的控制法則，以 控制全橋轉換電路之開關的充放電，達成高效能穩定的電壓輸出。串聯諧振轉換器 (Series Resonant Converter, SRC)本身係藉由切換頻率調變來達成穩壓輸出。當負載 變重時，切換頻率變低，當負載變輕時切換頻率便提高，此意味著當輸出為極輕載 甚至空載時，切換頻率必須要非常高才能使輸出穩壓，如此不僅控制器需提供非常 大範圍的切換頻率與強大的驅動能力，而且最重要的功率元件，如切換開關與磁性 元件…等，能否勝任於如此高頻操作是一大考驗，因為必須研製配套的控制策略，
來解決輕載切換頻率過高、效能低迷的問題。
目前在市場上，虹冠電子的產品CM6900 IC[40]，提出一種可以解決輕載切換 頻率過高的控制方法。但其控制器會限制開關的切換頻率範圍，當負載輕到必須超 過使用者所設定的最高頻率上限才能穩定輸出電壓時，控制器從原本的變頻固定責 任週(Duty)期模式轉換成固定頻縮減責任週期之調變控制模式，即切換頻率鎖定在 所設定的最高頻率，利用縮減責任週期來穩定輸出電壓。但此晶片卻無法達成柔性 切換特性之零電壓切換的功能，此晶片之控制訊號在上下橋開關驅動訊號之空白時 間(Dead Time)會增加，責任週期越小則增加越大，一旦增加到超過四分之一的共振 週期時，原本能量被諧振電感 Lr 抽走的開關寄生電容 Coss，反被諧振電感之釋能 而充電，如此便喪失了零電壓切換之優勢，反而增加切換損失，故造成整體轉換器 效率下降。在高功率的應用更加明顯。本計畫在提出一種全新的控制方式來解決此 晶片無法達零電壓切換的問題[41][42]。第一年，採用 TSMC 0.35μm 2P4M 製程實 現半橋式轉換器控制晶片，其調變頻率從30kHz~300kHz、雙端輸出週期誤差<3%。
調速之交流馬達驅動系統、低頻定電壓輸出之不斷電系統(UPS)及電源供應器(PS) 等。若將變流器依應用方式作區分，可細分如下:
一、低頻定電壓定頻率：不斷電系統。
二、高頻定電壓定頻率：電子式照明設備。
三、可變電壓定頻率：可變速之伺服馬達驅動系統。
四、可變電壓可變頻率：位置控制之伺服馬達系統及萬用型交流電源供應器。
變流器之電路架構可分為半橋式變流器與全橋式變流器，前者之電路架構簡 單，但直流鏈電壓利用率低，於功率開關額定相同之功率電路中，其輸出可達成之 功率僅為全橋式電路的一半，元件使用效用較低，而於全橋式之架構下，雖然使用 功率開關數目較半橋式多，但可使用與半橋電路相同額定值之功率開關，達成兩倍 功率輸出，因此於高功率之應用場合，一般採用全橋式變流器[43]。
目前常用變流器之主要控制方式為方波切換技術(Square-wave switching scheme) 與脈波寬度調變技術(Pulse-width modulation scheme, PWM)兩大類，前者之切換速度 較慢，可降低切換損失，但變流器之前級須為可變之直流電源才可改變輸出電壓振 幅，且其輸出含有大量的低次諧波，因此適用於無法高速切換之高功率系統。至於 PWM 控制技術有許多優點，如可有效地抑制輸出電壓之低次諧波、縮小被動式濾 波器之體積及重量，另外可將功率開關切換頻率提高至20kHz 以上，以消除人類聽 覺之噪音，並可改善系統之暫態響應[44]。
傳統硬式切換變流器，為了獲得上述提高開關切換頻率之優點，一般將開關切 換頻率操作於20kHz 以上，但此舉也將產生以下之問題：
一、增加切換損失：
開關之導通與截止時，開關兩端之電壓與電流波形，因各種非理想特性產生交 疊，如圖 83 所示，因此元件之切換損失將隨著切換頻率上升而增加，造成整體效 率下降。
二、產生電磁干擾(Electromagnetic interference, EMI)：
過高的電壓變化率(dv dt)與電流變化率(di dt)將產生嚴重的電磁干擾，不僅自 身開關元件被干擾，亦會散發出高頻雜訊干擾其他設備。另外二極體反向恢復特性 不佳亦會加重此問題。
三、超越安全操作區域(Safe operating area, SOA)：
高頻硬式切換開關所產生的高電壓與大電流之超越量，可能使元件操作軌跡超 越安全操作區域而危及元件安全，因此為使開關能承受其切換應力，必須額外使用 緩衝電路以降低元件所承受之應力。
為了改善上述高頻硬切變流器的缺點，近年來有許多學者投入柔性切換技術
(Soft switching techniques) 之 研 究 ， 柔 性 切 換 技 術 主 要 可 分 為 零 電 壓 切 換 (Zero-voltage switching, ZVS)與零電流切換(Zero-current switching, ZCS)兩大類 [45]，如圖 84 所示。
一、零電壓切換：
於主開關將導通之際，藉由輔助諧振電路，使主開關兩端電壓諧振至零，即先 使主開關之反向並聯二極體順向導通，此刻再將主開關觸發導通，即可達到零電壓 切換之目的。
二、零電流切換：
於主開關將截止之際，藉由輔助諧振電路，使流經主開關電流諧振至零後，使 串聯路徑上之功率二極體逆向截止，此刻再將主開關予以截止，即可達到零電流切 換之目的。藉由柔切技術之導入，可大幅改善硬式切換時所造成的切換損失、減少 電磁干擾並降低開關應力，如圖 85 所示，於硬式切換中，雖然功率開關仍操作於 安全操作區域內，但在切換過程中，開關電壓與電流波形之交疊，將會產生相當大 的切換損失與開關應力，反之，在柔性切換中，功率開關操作於 ZVS 與 ZCS 下，
可改善一般硬式切換之缺點，並降低開關應力之需求[46]。
v
si
st
loss switching
P
圖83 硬式切換時，功率開關之電壓波形、電流波形與切換損失
v
si
si
swv
swswitching Hard
switching Soft
圖85 硬式切換與柔性切換時，功率開關之電壓與電流操作軌跡
傳統硬式切換之變流器，當開關切換頻率提高會導致開關切換損失增加，使開 關元件溫度上升，降低整體效率，且其高電壓變化率與高電流變化率將導致嚴重之 電磁干擾，因此近年來積極發展柔性切換技術，以求改善傳統硬式切換變流器之缺 點；傳統單相全橋式變流器中，通常輔助諧振單元，使開關切換時避免其電壓及電 流波形之交疊，以降低開關之切換損失，並運用 LC 串聯諧振，降低開關電壓及電 流之變化率，以抑制電磁干擾。本晶片希望透過此次機會設計出一個新的控制電 路，也就是單相全橋式變流器不需輔助諧振單元。
一般為了提高傳統變流器穩定度，柔切 式 變 流 器 加 入 了 輔 助 諧 振 緩 衝 器 (Auxiliary resonant snubber)。如圖 86 所示是加入了輔助諧振緩衝器的柔切式變流器 系統架構，主要由功率電路、脈波寬度調變單元、輔助諧振模式控制單元與功率開 關驅動電路所組成，其中功率電路主要可分為兩個部份。第一部份為傳統全橋式變 流器，由主開關S1、S2、
S 及
3 S4，主開關之反向並聯二極體D1、D2、D 及
3 D4， 輸出濾波器L 及
fC 所組成，此部份主要功能為降壓式變流器。第二部份為輔助諧
f 振單元，主要由輔助開關S 及
a1S
a2，輔助開關之反向並聯二極體D 及
5D ，諧振電
6 感Lr與諧振電容C 、
r1C 、
r2C 及
r3C ，其中諧振電容是利用主開關之寄生電容不
r4 需外加，而輔助開關S 、
a1S
a2與反向並聯二極體D 、
5D 形成一雙向開關，其功能
6 為提供諧振路徑以及控制諧振之時機，可讓主開關於定頻控制下零電壓時導通，而 輔助開關則於零電流時截止[47]-[49]。主電路藉由輔助諧振單元，於開關切換時避免其電壓及電流波形之交疊，可降 低開關切換損失，且運用輔助電路之 LC 串聯諧振，降低電壓、電流變化率，以抑 制電磁干擾，但如此便提高了控制電路的複雜度。
Isolated Gate Drive Circuit S2
S1 S3 S4 Sa1 Sa2
Pulse-Width Modulator
Auxiliary Resonant i Mode Control
vtri
XILINX XC2V250
command
v
圖86 柔切式變流器之系統架構
此次控制晶片的主要電路為柔性切換 SRC 全橋直流/交流轉換器架構內的電壓 控制振盪器(Voltage Control Oscillator,VCO)與邏輯控制電路(Control Logic Circuit)，
在下面將會陸續介紹：
(1) 電壓控制振盪器(Voltage Control Oscillator,VCO)：
在此晶片之設計電路中，電壓控制振盪器是為核心電路，其必須產一個穩定且 極低頻的振盪訊號供給後續邏輯電路做處理，進而控制功率元件 S1、S2、S3、S4 的開關動作。其振盪頻率範圍的要求在0 ~ 200KHz，而這個振盪頻率在一般晶片設
圖87 傳統電壓控制斜波產生電路
圖88 電壓控制斜波產生電路
(2) 邏輯控制電路(Control Logic Circuit)：
邏輯控制電路是以壓控振盪器的信號為核心，分別將此訊號作邏輯運算，而對 四個功率元件S1、S2、S3、S4 做控制，其控制的方塊圖如圖 89，柔性切換 SRC 全 橋直流/交流轉換器輸出回授信號經過全波整流電路後，送入振盪器產生每半週期 (60Hz)0 Hz Æ200KHzÆ0 Hz 的頻率變化，爾後經週期控制單元(Duty Control Unit)，
使得輸出週期隨振盪頻率在改變時為ON 或為 OFF 的週期寬度固定，最後與參考訊 號
Clk
ref做 And 產生 S1 的控制訊號；S2 則是與Clk
ref，結果如圖 90。而 S3 與 S4 的控制訊號則是利用柔性切換SRC 全橋直流/交流轉換器的電壓回授信號 Vsb 與電 流回授信號 Isb 為依據，利用四對一多工器做判斷並對電壓回授訊號領先電流回授 訊號或是電流信號領先電壓訊號的情況做控制選擇，結果如圖91。VCO Duty Control Unit
Duty Control Unit
Q
Q
可透過透過週期控制單元電路調整
可透過透過週期控制單元電路調整