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TWI501525B - 基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器 - Google Patents

基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器 Download PDF

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TWI501525B
TWI501525B TW103114212A TW103114212A TWI501525B TW I501525 B TWI501525 B TW I501525B TW 103114212 A TW103114212 A TW 103114212A TW 103114212 A TW103114212 A TW 103114212A TW I501525 B TWI501525 B TW I501525B
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TW
Taiwan
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winding
diode
coupled
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pump capacitor
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TW103114212A
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English (en)
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TW201541828A (zh
Inventor
Kuo Ing Hwu
An Pang Tseng
Wen Zhung Jiang
Original Assignee
Univ Nat Taipei Technology
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Description

基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器
本發明是有關於一種升壓轉換器，特別是指一種基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器。
已知的高升壓電路設計，像是利用串接升壓轉換器的方式來達到高升壓轉換，或是利用耦合電感、電荷幫浦等方式來進行電壓疊加以提高升壓比，甚至有的結合以上兩種方法來達到更高的升壓轉換。不過以上所提出的架構皆各有其缺點，如電路架構過於複雜，使用大量電感、電容及開關等被動元件，導致整體電路效率不佳；或是只能應用於低功率場合；還有些電路，開關元件為浮動式而非置於接地端，因此需要額外的隔離驅動器，不僅增加成本也提高了整個系統設計的複雜度。另外，幫浦電容的使用雖然可達到更高的升壓轉換，但會產生湧浪電流(surge current)而降低電容的使用壽命，且耦合電感的漏電感能量造成開關元件上的電壓突波(spike)。
因此，本發明之目的，即在提供一種基於多繞 組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器。
於是，本發明基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器適用於將一輸入電壓進行升壓以產生一輸出電壓，該高升壓轉換器包含一第一二極體、一幫浦電容、一耦合電感、一輸出二極體、一第二二極體、一輸出電容及一開關元件。
該第一二極體具有一接收該輸入電壓的陽極及一陰極。該幫浦電容具有一與該第一二極體的陰極耦接的一端。該耦合電感具有一第一繞組、一第二繞組及一第三繞組，該第一繞組、該第二繞組及該第三繞組的匝數比為1：1：n，該第一繞組具有接收該輸入電壓的一打點端與一非打點端，該第二繞組具有一與該第一二極體的陰極耦接的打點端及一非打點端，該第三繞組具有一與該第一繞組的非打點端耦接的打點端及一與該幫浦電容的另一端耦接的非打點端。該輸出二極體具有一與該第二繞組之非打點端耦接的陽極及一陰極。該第二二極體具有一與該第一繞組的非打點端耦接的陽極及一與該第二繞組之非打點端耦接的陰極。該開關元件耦接該輸出二極體之陽極及該第二二極體之陰極。
當該開關元件導通時，該第一二極體順偏和該第二二極體順偏，該輸出二極體逆偏，該第三繞組的激磁電感激磁，該幫浦電容充電，令該輸出電容釋放能量以產生該輸出電壓；當該開關元件不導通時，該第一二極體逆偏和該第二二極體逆偏，該輸出二極體順偏，該第三繞組 的激磁電感去磁且該幫浦電容放電。
較佳的，該開關元件為一接地的非浮動式開關元件。
本發明基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器之功效在於：設計者可以利用第一繞組、第二繞組及第三繞組的匝數比為1：1：n來調整其升壓比以增加其設計彈性，且第三繞組與幫浦電容串聯而降低電容充電造成的湧浪電流，並可回收激磁電感的能量避免開關元件的突波。
100‧‧‧高升壓轉換器
N2 ‧‧‧第二繞組
1‧‧‧耦合電感
N3 ‧‧‧第三繞組
Ce‧‧‧幫浦電容
Ro ‧‧‧輸出電阻
Co‧‧‧輸出電容
Q‧‧‧開關元件
D1 ‧‧‧第一二極體
Vi ‧‧‧輸入電壓
D2 ‧‧‧第二二極體
Vo ‧‧‧輸出電壓
DO ‧‧‧輸出二極體
N1 ‧‧‧第一繞組
本發明之其他的特徵及功效，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，說明本發明基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器之較佳實施例；圖2是一波形時序圖，說明如圖2各元件的電流波形及電壓波形；圖3是一電路示意圖，說明本發明基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器於第一模式的導通路徑；圖4是一電路示意圖，說明本發明基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器於第二模式的導通路徑；圖5至圖10是波形圖，說明本發明基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器的模擬結果。
參閱圖1，本發明之較佳實施例中，一種基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器100適用於將一輸入電壓Vi 進行升壓以產生一輸出電壓Vo ，該高升壓轉換器100包含一第一二極體D1 、一第二二極體D2 、一幫浦電容Ce 、一耦合電感1、一開關元件Q、一輸出二極體DO 、一輸出電容Co 及一輸出電阻Ro 。
第一二極體D1 具有一接收輸入電壓Vi 的陽極及一陰極。幫浦電容Ce 具有一與第一二極體D1 的陰極耦接的一端。
耦合電感1具有一第一繞組N1 、一第二繞組N2 及一第三繞組N3 ，第一繞組N1 、第二繞組N2 及第三繞組N3 的匝數比為1：1：n，第一繞組N1 具有接收輸入電壓的一打點端與一非打點端，該第二繞組N2 具有一與第一二極體D1 的陰極耦接的打點端及一非打點端，第三繞組N3 具有一與第一繞組N1 的非打點端耦接的打點端及一與幫浦電容Ce 的另一端耦接的非打點端。
輸出二極體DO 具有一與第二繞組N2 之非打點端耦接的陽極及一陰極。第二二極體D2 具有一與第一繞組N1 的非打點端耦接的陽極及一與第二繞組N2 之非打點端耦接的陰極。開關元件Q耦接輸出二極體Do 之陽極及第二二極體D2 之陰極；較佳的，開關元件Q為一接地的非浮動式開關元件，如：一n通道金氧半場效電晶體具有一閘極(G)、一源極(S)及一汲極(D)，閘極(G)做為控制端，用來控制開 關元件導通與否，汲極(D)則耦接第二二極體D2 之陰極及輸出二極體Do 之陽極，源極(S)為接地。
參閱圖2，是如圖1基於上述各元件的電流波形及電壓波形的時序圖，其中，vgs 為開關元件Q之閘極驅動訊號、vds 為開關元件Q之跨壓、Vi 為輸入電壓、Vo 為輸出電壓、ii 為第一繞組N1 之電流、i2 為第二繞組N2 之電流、i3 為第三繞組N3 之電流、ie 為流經幫浦電容Ce 上之電流、iLm 為激磁電感Lm 上之電流、iD1 為第一二極體D1 上之電流、iD2 為第二二極體D2 上之電流、iDo 為輸出二極體Do 之電流，及ii 為輸入電流。
為了方便分析，設定條件如下：開關元件Q、第一二極體D1 、輸出二極體Do 及第二二極體D2 視為理想元件，即開關切換時間、導通電阻、二極體反向恢復時間與順向導通壓降均忽略不計。耦合電感1、與幫浦電容Ce 均不考慮寄生電阻，且幫浦電容Ce 可保持在(n+1)倍的輸入電壓vi 。整體電路操作於連續導通模式下。第一繞組N1 之電流i1 第二繞組N2 之電流i2 皆為電流i。
以下將配合圖3及圖4介紹本發明的兩種控制模式。
參閱圖3，第一模式為時間區間t 0 t t 1 ，此時的開關元件Q導通，第一二極體D1 順偏和第二二極體D2 順偏，輸出二極體Do 逆偏，第三繞組N3 激磁電壓n ×v i 且幫浦電容Ce 充電，令該輸出電容Co 釋放能量以產生輸出電壓。其相關之方程式如公式1。
參閱圖4，第二模式為時間區間t 1 t t 0 +T s ，此時的開關元件Q不導通，第一二極體D1 逆偏和第二二極體D2 逆偏，輸出二極體Do 順偏，第三繞組N3 去磁，且幫浦電容Ce 放電，其相關的方程式如公式2。根據公式1及公式2，可得電壓轉換比如公式3，其中，D為占空比。
高升壓轉換器100的規格包括：輸入電壓(Vi )為12伏；輸出電壓(Vo )為120伏；額定輸出功率(Po,rated )為60瓦；輸出最小功率(Po,min )為6瓦；系統切換頻率(fs )為100k赫茲；輸出電容Co 之容值選用330μF；第一二極體D1 、第二二極體D2 、輸出二極體DO 型號為STPS20170CT；開關元件Q型號為AP70T15GP-HF。
為了保持穩定電壓，假設幫浦電容Ce 在放電週期的輸入電壓的峰對峰(peak-to-peak)的電壓漣波設定為0.1%，關於幫浦電容Ce 之容值設計方式主要是依據公式4來進行設計，依據公式4代入相關參數計算幫浦電容Ce 容 值可到55.56μF，本實施例則選用容值68μF。
激磁電感Lm 的電感值設計可參考公式5，依據公式5代入相關參數計算激磁電感Lm 的電感值最小可到288μH，本實施例則選用電感值291μH。
參閱圖5至圖7，分別為10%、50%及100%額定負載，開關元件Q之閘極驅動訊號vgs 、流經第一繞組N1 之電流i1 流經第二繞組N2 之電流i2 ，及流經幫浦電容Ce 之電流ie 。
參閱圖8至圖10，分別為10%、50%及100%額定負載，開關元件Q之閘極驅動訊號vgs 、開關元件Q之跨壓vds 、流經幫浦電容Ce 之電流ie ，及流經輸出二極體Do 之電流iDo 。
綜上所述，本發明之功效在於：設計者可以利用第一繞組N1 、第二繞組N2 及第三繞組N3 的匝數比來調整其升壓比以增加其設計彈性，第三繞組N3 與幫浦電容Ce 串聯而降低電容充電造成的湧浪電流，並回收激磁電感能量避免開關元件Q的突波，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧高升壓轉換器
N1 ‧‧‧第一繞組
1‧‧‧耦合電感
N2 ‧‧‧第二繞組
Ce ‧‧‧幫浦電容
N3 ‧‧‧第三繞組
Co ‧‧‧輸出電容
Ro ‧‧‧輸出電阻
D1 ‧‧‧第一二極體
Q‧‧‧開關元件
D2 ‧‧‧第二二極體
vi ‧‧‧輸入電壓
DO ‧‧‧輸出二極體
vo ‧‧‧輸出電壓

Claims (3)

  1. 一種基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器，適用於將一輸入電壓進行升壓以產生一輸出電壓，該高升壓轉換器包含：一第一二極體，具有一接收該輸入電壓的陽極及一陰極；一幫浦電容，具有一與該第一二極體的陰極耦接的一端；一耦合電感，具有一第一繞組、一第二繞組及一第三繞組，該第一繞組、該第二繞組及該第三繞組的匝數比為1：1：n，該第一繞組具有接收該輸入電壓的一打點端與一非打點端，該第二繞組具有一與該第一二極體的陰極耦接的打點端及一非打點端，該第三繞組具有一與該第一繞組的非打點端耦接的打點端及一與該幫浦電容的另一端耦接的非打點端；一輸出二極體，具有一與該第二繞組之非打點端耦接的陽極及一陰極；一第二二極體，具有一與該第一繞組的非打點端耦接的陽極及一與該第二繞組之非打點端耦接的陰極；及一開關元件，耦接該輸出二極體之陽極及該第二二極體之陰極；一輸出電容，當該開關元件導通時，該第一二極體順偏和該第二二極體順偏，該輸出二極體逆偏，該第三繞組的激磁電感激磁，該幫浦電容充電，令該輸出電容 釋放能量以產生該輸出電壓；當該開關元件不導通時，該第一二極體逆偏和該第二二極體逆偏，該輸出二極體順偏，該第三繞組的激磁電感去磁且該幫浦電容放電。
  2. 如請求項1所述的基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器，其中，該開關元件為一接地的非浮動式開關元件。
  3. 如請求項2所述的基於多繞組耦合電感及電荷幫浦電容之高升壓轉換器，其中，該輸出電壓V o 及該輸入電壓V i 之轉換比為：，其中，D為占空比。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105406751A (zh) * 2015-12-30 2016-03-16 哈尔滨工业大学 具有高升压比能力的三绕组耦合电感型z源逆变器电路

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060226816A1 (en) * 2005-04-11 2006-10-12 Yuan Ze University Boost converter utilizing bi-directional magnetic energy transfer of coupling inductor
US20070216390A1 (en) * 2006-03-17 2007-09-20 Yuan Ze University High-efficiency high-voltage difference ratio bi-directional converter
CN100414824C (zh) * 2004-06-19 2008-08-27 燕山大学 磁集成dc/dc变换升压型传输比扩展电路
TWI305076B (en) * 2005-06-17 2009-01-01 Univ Yuan Ze High-efficiency signle-stage bidirectional converter with multi-input power sources
TW201143267A (en) * 2010-05-31 2011-12-01 Univ Nat Cheng Kung Multi-winding high step-up DC-DC converter
TWI412221B (zh) * 2010-10-18 2013-10-11 Univ Nat Taipei Technology High boost ratio converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100414824C (zh) * 2004-06-19 2008-08-27 燕山大学 磁集成dc/dc变换升压型传输比扩展电路
US20060226816A1 (en) * 2005-04-11 2006-10-12 Yuan Ze University Boost converter utilizing bi-directional magnetic energy transfer of coupling inductor
TWI305076B (en) * 2005-06-17 2009-01-01 Univ Yuan Ze High-efficiency signle-stage bidirectional converter with multi-input power sources
US20070216390A1 (en) * 2006-03-17 2007-09-20 Yuan Ze University High-efficiency high-voltage difference ratio bi-directional converter
TW201143267A (en) * 2010-05-31 2011-12-01 Univ Nat Cheng Kung Multi-winding high step-up DC-DC converter
TWI412221B (zh) * 2010-10-18 2013-10-11 Univ Nat Taipei Technology High boost ratio converter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105406751A (zh) * 2015-12-30 2016-03-16 哈尔滨工业大学 具有高升压比能力的三绕组耦合电感型z源逆变器电路

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