TW202408133A - 高電壓增益轉換器 - Google Patents

Abstract

一種高電壓增益轉換器包含：一耦合電感，具有一用於接收一直流輸入電壓的初級側繞組，及一次級側繞組，該等初級及次級側繞組各自具有一第一端及一第二端；一第一二極體，具有一電連接該初級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該次級側繞組的該第一端的陰極；一第二二極體，具有一電連接該初級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該次級側繞組的該第二端的陰極；一開關，具有一電連接該第二二極體的該陰極的第一端、一接地的第二端，及一接收一控制信號的控制端；及一輸出電路，電連接該開關的該等第一與第二端，並產生一直流輸出電壓。

Description

高電壓增益轉換器

本發明是有關於一種轉換器，特別是指一種高電壓增益轉換器。

現有高電壓增益轉換器需操作在較大的導通比才能達成高電壓增益，造成現有高電壓增益轉換器的應用範圍較受限。因此，現有高電壓增益轉換器仍有改進的空間。

因此，本發明的一目的，即在提供一種能夠克服先前技術缺點的高電壓增益轉換器。

於是，本發明高電壓增益轉換器，用於將一直流輸入電壓轉換成一直流輸出電壓，該高電壓增益轉換器包含一耦合電感、一第一二極體、一第二二極體、一開關，及一輸出電路。

該耦合電感具有一用於接收該直流輸入電壓的初級側繞組，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。

該第一二極體具有一電連接該耦合電感之該初級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該耦合電感之該次級側繞組的該第一端的陰極。

該第二二極體具有一電連接該耦合電感之該初級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該耦合電感之該次級側繞組的該第二端的陰極。

該開關具有一電連接該第二二極體的該陰極的第一端、一接地的第二端，及一接收一控制信號的控制端，該開關受該控制信號控制而導通或不導通。

該輸出電路電連接該開關的該等第一與第二端，並產生該直流輸出電壓。

本發明的功效在於：利用該耦合電感即可達到高升壓比，使得該高電壓增益轉換器不必操作在極大的導通比且無導通比的限制，從而該高電壓增益轉換器具有較大的工作應用範圍。

參閱圖1，本發明高電壓增益轉換器的實施例適用於從一電壓源10接收一直流輸入電壓V _in，並將該直流輸入電壓V _in轉換成一直流輸出電壓V _o，且適用於將該直流輸出電壓V _o輸出到一負載R _o。該直流輸入電壓V _in的極性與該直流輸出電壓Vo的極性相反。本實施例的高電壓增益轉換器適用於再生能源之電能轉換，尤其是太陽能面板或燃料電池的應用。該高電壓增益轉換器包含一耦合電感1、一第一二極體D ₁、一第二二極體D ₂、一開關S ₁，及一輸出電路2。

該耦合電感1具有一用於接收該直流輸入電壓V _in的初級側繞組N _p1，及一次級側繞組N _s1。該等初級及次級側繞組N _p1、N _s1中的每一者具有一第一端及一第二端。該耦合電感1的該初級側繞組N _p1的該等第一及第二端間形成有一磁化電感L _m。需說明的是，該耦合電感1的該等初級及次級側繞組N _p1、N _s1的該等第一端各自為一極性點端，該耦合電感1的該等初級及次級側繞組N _p1、N _s1的該等第二端各自為一非極性點端。

該第一二極體D ₁具有一電連接該耦合電感1之該初級側繞組N _p1的該第二端的陽極，及一電連接該耦合電感1之該次級側繞組N _s1的該第一端的陰極。

該第二二極體D ₂具有一電連接該耦合電感1之該初級側繞組N _p1的該第二端的陽極，及一電連接該耦合電感1之該次級側繞組N _s1的該第二端的陰極。

該開關S ₁具有一電連接該第二二極體D ₂的該陰極的第一端、一接地的第二端，及一接收一控制信號的控制端，該開關S ₁受該控制信號控制而導通或不導通。該開關S ₁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開關S ₁的該第一端、該第二端及該控制端。

該輸出電路2電連接該開關S ₁的該等第一與第二端，並產生該直流輸出電壓V _o。在本實施例中，該輸出電路2包括一第一輸出電容C ₁、一第三二極體D ₃、一輸出電感L ₁，及一第二輸出電容C ₂。

該第一輸出電容C ₁具有一電連接該開關S ₁的該第一端的第一端，及一第二端。該第三二極體D ₃具有一電連接該第一輸出電容C ₁的該第二端的陽極，及一電連接該開關S ₁的該第二端的陰極。該輸出電感L ₁具有一電連接該第三二極體D ₃的該陽極的第一端，及一第二端。該第二輸出電容C ₂電連接在該輸出電感L ₁的該第二端與該第三二極體D ₃的該陰極間，該第二輸出電容C ₂的兩端提供該直流輸出電壓V _o。

參閱圖2，為本實施例的操作時序圖，參數V _gs為該控制信號，參數V _Lm為該磁化電感L _m的跨壓，參數i _Lm為流經該磁化電感L _m的電流，參數V _L1為該輸出電感L ₁的跨壓，參數i _L1為流經該輸出電感L ₁的電流，參數i _D1、i _D2、i _D3分別為流經該等第一至第三二極體D ₁~D ₃的電流，參數T _s為該控制信號V _gs的一切換週期的長度，參數t為時間。

參閱圖2至圖4，穩態時，根據功率開關及二極體的導通與不導通狀態，本實施例的高電壓增益轉換器在該切換週期T _s內操作在第一階段與第二階段。圖3及圖4的電路圖與圖1相似，差異在於圖3及圖4中，導通的元件以實線畫出，而不導通的元件以灰階虛線畫出，且更以帶有箭頭的虛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，且參數ON表示元件導通、參數OFF表示元件不導通。在開始分析之前，先作以下假設：該開關S ₁與該等第一至第三二極體D1~D3視為理想，即導通壓降為零；該耦合電感1與該輸出電感L ₁的電感值皆相當大，而且其中的電流為固定值；該等第一與第二輸出電容C ₁、C ₂的電容值皆相當大，而且跨於其上的電壓為固定值；該磁化電感L _m及該輸出電感L ₁，電流操作在連續導通模式（Continuous Conduction Mode, CCM）。

第一階段(時間點：t ₀~t ₁)：

參閱圖2與圖3，該開關S ₁：ON、該第一二極體D ₁：OFF、該第二二極體D ₂：ON、該第三二極體D ₃：OFF。

該開關S ₁由不導通切換成導通，該等第一與第三二極體D ₁、D ₃由導通切換成不導通，該第二二極體D ₂由不導通切換成導通，此時該磁化電感L _m因跨該直流輸入電壓V _in，使得該電流i _Lm以斜率V _in/L _m線性上升。當該開關S ₁由導通切換成不導通時，進入第二階段。

第二階段(時間點：t ₁~t ₀＋T _s)：

參閱圖2與圖4，該開關S ₁：OFF、該第一二極體D ₁：ON、該第二二極體D ₂：OFF、該第三二極體D ₃：ON。

該開關S ₁由導通切換成不導通，該等第一與第三二極體D ₁、D ₃由不導通切換成導通，該第二二極體D ₂由導通切換成不導通，此時該高電壓增益轉換器為一預備階段。當該開關S ₁由不導通切換成導通時，則該高電壓增益轉換器完成該切換週期T _s下之電路動作，並進入下一個切換週期。

在本實施例中，該高電壓增益轉換器的電壓增益分析如下：

由於在第一階段該第一輸出電容C ₁的電壓V _c可視為傳統升壓型轉換器的輸出電壓，根據該磁化電感L _m滿足伏秒平衡定理（principle of volt-second balance），因此可推導得到該高電壓增益轉換器的輸出電壓對輸入電壓之比為V _c/V _in。在第二階段該第一輸出電容C ₁的電壓V _c可視為傳統降壓型轉換器的輸入電壓，根據該磁化電感L _m滿足伏秒平衡定理，因此可推導得到該高電壓增益轉換器的輸出電壓對輸入電壓之比為V _o/V _c。

在第一階段時，該磁化電感L _m的跨壓V _Lm及該輸出電感L ₁的跨壓V _L1如下式(1)。 V _Lm=V _in，V _L1=V _o-V _c式(1)

在第二階段時，該磁化電感L _m的跨壓V _Lm及該輸出電感L ₁的跨壓V _L1如下式(2)。 V _Lm=(V _in-V _c)/(1+n)，V _L1=V _o式(2)

根據伏秒平衡定理，可推得本實施例該高電壓增益轉換器的電壓增益G如下式(3)。 G=(V _c/V _in)×(V _o/V _c)=D(1+nD)/(1-D)      式(3)其中，n為該耦合電感1的一匝數比（即，該耦合電感1之該次級側繞組N _s1的匝數除以該耦合電感1之該初級側繞組N _p1的匝數），D為該開關S1的一導通比。從式(3)可知該高電壓增益轉換器的電壓增益具有該耦合電感1的該匝數比n與該開關S ₁的該導通比D兩個設計自由度，如此一來，可藉由適當設計該耦合電感1的該匝數比n，即可達到高升壓比，且不必操作在極大的導通比。

參閱圖5，為對應於不同耦合電感的該匝數比n及該導通比D的電壓增益曲線圖。由圖5可知：當D=0.74，n=1時，電壓增益為5倍；當D=0.74，n=5時，電壓增益為13.3倍。

在本實施例中，由第二階段可知該開關S ₁的電壓應力V _sw如下式(4)。 V _sw=V _c=V _in×(1+nD)/(1-D)=V _o/D           式(4) 根據式(4)可知，該開關S ₁的電壓應力V _sw僅為該直流輸出電壓V _o的1/D倍，因此可使用低額定耐壓具有較低導通電阻的金氧半場效電晶體來實現該開關S ₁，進而可降低開關導通損失。

根據上述電路動作分析，使用IsSpice模擬軟體模擬驗證其電路理論分析、電氣規格及本實施例之優點。本實施例高電壓增益轉換器之模擬電氣規格與元件參數設定如下表1所示。

表1：

直流輸入電壓V in	40V	導通比D	0.746
直流輸出電壓V o	200V	磁化電感L m
輸出功率	500W	輸出電感L 1
開關切換頻率	100 kHz	第二輸出電容C 2

A.電氣規格驗證：該控制信號V _gs、該直流輸入電壓V _in、該直流輸出電壓V _o。

請一併參閱圖6，其為輸出功率為500W時，本發明之該控制信號V _gs、該直流輸入電壓V _in、該直流輸出電壓V _o的波形圖。由模擬結果可知，該直流輸入電壓V _in為40V，該直流輸出電壓V _o為200V，滿足電氣之需求規格，此外，根據模擬結果可知本實施例高電壓增益轉換器之高電壓增益的達成確實不必操作在極大導通比。

B.電氣規格驗證：該控制信號V _gs、該開關S ₁的汲源極間的一跨壓V _ds、該開關S ₁的汲源極間的一電流i _ds。

請一併參閱圖7，其為輸出功率為500W時，本發明之該控制信號V _gs、該開關S ₁的該跨壓V _ds、該開關S ₁的該電流i _ds的波形圖。由模擬結果可知，該開關S ₁的該跨壓V _ds約為270V，可由上述式(4)得出，與結果相符。該開關S ₁的該電流i _ds最大值約為25A，此時為來自該磁化電感L _m及該輸出電感L ₁的電流同時流入該開關S ₁。

C.電氣規格驗證：該控制信號V _gs、該磁化電感L _m的跨壓V _Lm、流經該磁化電感L _m的電流i _Lm。

請一併參閱圖8，其為本發明之該控制信號V _gs、該磁化電感L _m的跨壓V _Lm、流經該磁化電感L _m的電流i _Lm的波形圖。由圖8可知，該磁化電感L _m的跨壓V _Lm及電流i _Lm皆呈週期性，平均該磁化電感L _m的跨壓V _Lm為零，符合伏秒平衡的觀點，另外，該電流i _Lm最小值大於零，由此可知本實施例高電壓增益轉換器操作在連續導通模式下。

綜上所述，本發明該高電壓增益轉換器在電壓增益固定下，該耦合電感1的該匝數比n與該開關S ₁的該導通比D呈負相關，因此利用設計該耦合電感1的該匝數比n，即可使該高電壓增益轉換器具有高電壓增益，進而不必操作在極大的導通比且無導通比的大小限制，使得該高電壓增益轉換器之該直流輸入電壓V _in由20V~40V，均可得高電壓輸出，具有較大的工作應用範圍。此外，由於不必操作在極大的導通比，因此該開關S ₁具有低於該直流輸出電壓V _o的低電壓應力，故可使用導通電阻較小的低額定耐壓金氧半場效電晶體來實現該開關S ₁，進而可降低導通損失，提升該高電壓增益轉換器之整體轉換效率。

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。

10:電壓源 1:耦合電感 2:輸出電路 C ₁、C ₂:第一與第二輸出電容 D ₁~ D ₃:第一至第三二極體 i _ds:開關汲源極間的電流 i _D1、i _D2、i _D3:流經第一至第三二極體的電流 i _L1:流經輸出電感的電流 i _Lm:流經磁化電感的電流 L ₁:輸出電感 L _m:磁化電感 n:匝數比 N _p1:初級側繞組 N _s1:次級側繞組 R _o:負載 S ₁:開關 t:時間 t ₀、t ₁:時間點 T _s:切換週期的長度 V _ds:跨壓 V _gs:控制信號 V _in:直流輸入電壓 V _L1:輸出電感的跨壓 V _Lm:磁化電感的跨壓 V _o:直流輸出電壓

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，說明本發明高電壓增益轉換器之一實施例； 圖2是一時序圖，說明該實施例的操作； 圖3與圖4是等效電路圖，分別說明該實施例操作在第一階段與第二階段的情況； 圖5是一曲線圖，說明該實施例於不同耦合電感匝數比及導通比時的電壓增益變化； 圖6是一波形圖，說明該實施例的一控制信號、一直流輸入電壓及一直流輸出電壓； 圖7是一波形圖，說明該實施例的該控制信號及一開關的汲源極間的跨壓與電流；及 圖8是一波形圖，說明該實施例的該控制信號、一磁化電感的跨壓及流經該磁化電感的電流。

10:電壓源

1:耦合電感

2:輸出電路

C₁、C₂:第一與第二輸出電容

D₁~D₃:第一至第三二極體

L₁:輸出電感

L_m:磁化電感

N_p1:初級側繞組

N_s1:次級側繞組

R_o:負載

S₁:開關

V_gs:控制信號

V_in:直流輸入電壓

V_o:直流輸出電壓

Claims (7)

1. 一種高電壓增益轉換器，用於將一直流輸入電壓轉換成一直流輸出電壓，該高電壓增益轉換器包含： 一耦合電感，具有一用於接收該直流輸入電壓的初級側繞組，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； 一第一二極體，具有一電連接該耦合電感之該初級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該耦合電感之該次級側繞組的該第一端的陰極； 一第二二極體，具有一電連接該耦合電感之該初級側繞組的該第二端的陽極，及一電連接該耦合電感之該次級側繞組的該第二端的陰極； 一開關，具有一電連接該第二二極體的該陰極的第一端、一接地的第二端，及一接收一控制信號的控制端，該開關受該控制信號控制而導通或不導通；及 一輸出電路，電連接該開關的該等第一與第二端，並產生該直流輸出電壓。
2. 如請求項1所述的高電壓增益轉換器，其中，該輸出電路包括 一第一輸出電容，具有一電連接該開關的該第一端的第一端，及一第二端， 一第三二極體，具有一電連接該第一輸出電容的該第二端的陽極，及一電連接該開關的該第二端的陰極； 一輸出電感，具有一電連接該第三二極體的該陽極的第一端，及一第二端，及 一第二輸出電容，電連接在該輸出電感的該第二端與該第三二極體的該陰極間，該第二輸出電容的兩端提供該直流輸出電壓。
3. 如請求項1所述的高電壓增益轉換器，其中，該直流輸入電壓的極性與該直流輸出電壓的極性相反。
4. 如請求項1所述的高電壓增益轉換器，其中，該高電壓增益轉換器的一電壓增益為D(1+nD)/(1-D)，n為該耦合電感的一匝數比，D為該開關的一導通比。
5. 如請求項1所述的高電壓增益轉換器，其中，該耦合電感的該初級側繞組的該等第一及第二端間形成有一磁化電感。
6. 如請求項1所述的高電壓增益轉換器，其中，該開關為一N型金氧半場效電晶體。
7. 如請求項1所述的高電壓增益轉換器，其中，該耦合電感的該等初級及次級側繞組的該等第一端各自為一極性點端，該耦合電感的該等初級及次級側繞組的該等第二端各自為一非極性點端。

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