TWI849539B - 交錯式高升壓直流轉換器 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種交錯式高升壓直流轉換器，其主要係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，利用耦合電感升壓技術來達到高電壓轉換比，且經由提高耦合電感匝數比提高電壓增益，使轉換器不必操作在極大的責任周期［Duty ratio］，於整體電路架構較為簡單，所使用元件較少可以使電路成本降低，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

Description

交錯式高升壓直流轉換器

本發明係有關於一種交錯式高升壓直流轉換器，尤其是指一種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，利用耦合電感升壓技術來達到高電壓轉換比，且經由提高耦合電感匝數比提高電壓增益，使轉換器不必操作在極大的責任周期［Duty ratio］，於整體電路架構較為簡單，所使用元件較少可以使電路成本降低，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

按，地球升溫情況加劇使地球氣候異常變化嚴重，世界各國均開始積極審視眼前這嚴重的問題，因此，從1997年12月有38個國家及歐盟在日本簽署「京都議定書」開始，中間經2015年法國巴黎舉行的第21屆聯合國氣候變化會議［COP 21］，通過歷史性的「巴黎協定」，195個與會國家一致同意控制溫室氣體的排放及至工業化至2100年前全球升溫不超過攝氏2度且努力控制於1.5度內，再到2018年於波蘭舉辦的第24屆聯合國氣候變化會議［COP 24］，均不斷確保各國碳減排的國際標準與減碳目標。隨著太陽能與風力發電技術提升與成本漸降，再生能源的發電技術開發與電源轉換的高效率技術是未來科技發展必然的趨勢，如此，可避免石化能源過度使用，以減少二氧化碳排放量。

再生能源或綠色能源方面，常見有太陽能、潮汐能、風力能、水力能、生質能、地熱能與燃料電池等，在這些再生能源中以太陽能及燃料電池發電系統的技術在分散式之直流發電系統中，最常被應用與討論。再生能源分散式發電電力系統係包含太陽能組件、燃料電池組件、高升壓直流轉換器［high step-up dc-dc converter］、逆變器［inverter，dc-dc power converter］及負載或電網。以太陽能發電系統而言，太陽能陣列將光能轉換為電能，而每個太陽能陣列可透過數個太陽能模組串聯或並聯所組成，但是太陽能陣列串聯過多會造成晶格不匹配［lattice mismatch］，或因無法避免遮蔽效應影響，因此限制了太陽能陣列的輸出電壓，通常低於50V，所以該系統需要具有交錯式高升壓直流轉換器以匯入高直流排電壓400V，以作為後級DC-AC變頻器的高直流輸入電壓，再由變頻器輸出功率給AC負載［如馬達］或與市電並聯，因此，交錯式高升壓直流轉換器在分散式發電系統中扮演著很重要的角色。

在分散式發電系統中，太陽能發電及燃料電池是最重要的再生能源之一，但是在居家應用中，為了使用環境的安全以及可靠度，再生能源的輸出側一般都是低直流電壓，通常低於40V _dc，為了後續併網發電或連接至直流微電網的需求，先透過升壓型轉換器提升低電壓至高電壓直流匯流排，通常提升電壓約10倍左右，以產生變頻器［DC-AC Inverter］所需要的高直流電壓。應用再生能源之電力系統，例如：對一個單相交流220V的電網系統而言，此高電壓直流匯流排通常為380V~400V，以利DC-AC後端變頻器的負載應用或併聯市電使用。

今，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種交錯式高升壓直流轉換器，以期達到更佳實用價值性之目的者。

本發明之主要目的在於提供一種交錯式高升壓直流轉換器，主要係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，利用耦合電感升壓技術來達到高電壓轉換比，且經由提高耦合電感匝數比提高電壓增益，使轉換器不必操作在極大的責任周期［Duty ratio］，於整體電路架構較為簡單，所使用元件較少可以使電路成本降低，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

首先，請參閱第一圖本發明之電路圖及第二圖本發明之等效電路圖所示，本發明之轉換器(1)主要係於輸入電壓 之正極連接有第一耦合電感一次側 之第一端及第二耦合電感一次側 之第一端，該第一耦合電感一次側 形成有第一磁化電感 ，該第二耦合電感一次側 形成有第二磁化電感 ，於該第一耦合電感一次側 之第二端連接有第一二極體 之負極及第二二極體 之負極，於該第二耦合電感一次側 之第二端連接有第四二極體 之負極及第五二極體 之負極，該第一二極體 之正極連接第一耦合電感二次側 之第一端，該第一耦合電感二次側 之第二端連接該第二二極體 之正極、第一開關 之第一端、第二輸出電容 之第二端及第一輸出電容 之第一端，該第四二極體 之正極連接該第二耦合電感二次側 之第一端，該第二耦合電感二次側 之第二端連接該第五二極體 之正極、第二開關 之第一端及第六二極體 之負極，該第一開關 之第二端與該第二開關 之第二端及第三二極體 之正極一併連接該輸入電壓 之負極，該第六二極體 之正極連接有該第二輸出電容 之第一端及負載 之第一端，該第一輸出電容 之第二端連接有該第三二極體 之負極及該負載 之第二端。

而對該轉換器(1)於穩態時，根據各開關及二極體的ON/OFF狀態，可以將該轉換器(1)在一個切換週期內分成4個線性操作階段，為了簡化分析，先作以下假設：

1.該轉換器(1)操作於連續導通模式［CCM］。

2.該轉換器(1)已達穩態。

3.所有電容夠大，電容電壓在一個切換週期內可視為定電壓。

4.電路中所有電感以及電容皆為理想元件，不具有寄生阻抗。

5.電路中所有開關及二極體皆為理想元件。

在一個切換週期 的電力轉換器之時序及波形，請再一併參閱第三圖本發明之時序圖所示：

第一階段［ ］：［第一開關 ：ON、第二開關 ：ON、第一二極體 ：OFF、第二二極體 ：ON、第三二極體 ：OFF、第四二極體 ：OFF、第五二極體 ：ON、第六二極體 ：OFF］

請再一併參閱第四圖本發明之第一階段等效線性電路圖所示，該第一開關 已由OFF切換至ON，第一二極體 、第三二極體 、第四二極體 、第六二極體 因逆向偏壓由ON切換至OFF，第二二極體 、第五二極體 由OFF切換至ON，此時該第一磁化電感 、該第二磁化電感 因跨該輸入電壓 ，則電感電流 、 分別以斜率 和 線性上升。當第二開關 由ON切換至OFF，而第五二極體 由ON切換至OFF，第四二極體 、第六二極體 由OFF切換至ON時，則該轉換器(1)進入在一個切換週期 下之第二階段電路動作。

第二階段［ ］：［第一開關 ：ON、第二開關 ：OFF、第一二極體 ：OFF、第二二極體 ：ON、第三二極體 ：OFF、第四二極體 ：ON、第五二極體 ：OFF、第六二極體 ：ON］

請再一併參閱第五圖本發明之第二階段等效線性電路圖所示，該第二開關 由ON轉變為OFF，此時第四二極體 、第六二極體 因電流 保持連續由OFF切換至ON，第五二極體 由ON切換至OFF。磁化電感電流 以斜率 線性下降，流經過該第一開關 ，當第二開關 由OFF切換至ON時，則該轉換器(1)進入下一階段之第三階段電路動作。

第三階段［ ］：［第一開關 ：ON、第二開關 ：ON、第一二極體 ：OFF、第二二極體 ：ON、第三二極體 ：OFF、第四二極體 ：OFF、第五二極體 ：ON、第六二極體 ：OFF］

請再一併參閱第六圖本發明之第三階段等效線性電路圖所示，本階段該第二開關 由OFF切換至ON，該第一開關 保持為ON，此階段電路動作與第一階段相同。當第一開關 由OFF切換至ON時，則該轉換器(1)進入在一個切換週期 之第四階段電路動作。

第四階段［ ］：［第一開關 ：OFF、第二開關 ：ON、第一二極體 ：ON、第二二極體 ：OFF、第三二極體 ：ON、第四二極體 ：OFF、第五二極體 ：ON、第六二極體 ：OFF］

請再一併參閱第七圖本發明之第四階段等效線性電路圖所示，本階段該第一開關 由ON切換至OFF，該第一二極體 、該第三二極體 因電流 保持連續由OFF切換至ON，該第二二極體 由ON切換至OFF。磁化電感電流 以斜率 線性下降，當該第一開關 由OFF切換至ON時，則該轉換器(1)進入下一階段，完成一週期 下之電路動作。

而根據該轉換器(1)操作原理，推導該轉換器(1)的穩態特性；為了簡化分析，電路中所有電感以及電容皆為理想元件，不具有寄生阻抗，所有電容值夠大，忽略漏電感，使得一個切換週期內，電容電壓可視為常數。

以下將推導電容電壓 、 ，並求出電壓轉換比：

從第一階段、第三階段可以求出耦合電感的磁化電感電壓分別為：

(1)

在第二階段時，耦合電感的磁化電感電壓分別為：

， ，其中 (2)

在第四階段時，耦合電感的磁化電感電壓分別為：

， (3)

根據磁化電感電壓 滿足伏秒平衡定理［principle of volt-second balance］，因此可推導得到該轉換器(1)的電壓增益為：

(4)

整理可得：

(5)

求出該轉換器(1)電壓轉換比M：

(6)

從上式可知該轉換器(1)的電壓增益具有兩個設計自由度：耦合電感匝數比 和導通比 ；該轉換器(1)可藉由適當設計耦合電感的匝數比，達到高升壓比，且不必操作在極大的導通比。對應於不同耦合電感匝數比 及導通比 的電壓增益曲線［請再一併參閱第八圖本發明之電壓增益與導通比及耦合電感匝數比的曲線圖所示］。

根據該轉換器(1)操作原理的第二階段和第四階段，可分別求得該第一開關 和該第二開關 的電壓應力：

， (7)

另一方面，根據第一階段或第三階段求出二極體電壓應力：

， ， (8)

同理，根據第二階段和第四階段求出二極體電壓應力：

， (9)

另，根據電路動作分析結果，利用Is-Spice軟體作先期的模擬［請再一併參閱第九圖本發明之模擬電路示意圖所示］，驗證該轉換器(1)分析結果，元件波形的正確性，電氣規格請參下表1所示。

輸入電壓	40 V	導通比	0.66
輸出電壓	400 V	磁化電感 、	604μH
輸出功率	1000 W	輸出電容	100μF
切換頻率	50 kHz	匝數比	1

表1  電氣規格與元件參數

1.電氣規格驗證：

請再一併參閱第十圖本發明之開關驅動訊號 、 、輸入電壓 與輸出電壓 的模擬波形圖所示，首先驗證該轉換器(1)高電壓增益穩態特性，在1000W時， 、 ，模擬結果顯示：當D為0.695時，滿足電氣之需求規格與分析相同，該轉換器(1)確實不必操作在極大導通比下。

2.驗證功率開關電壓應力：

請再一併參閱第十一圖本發明之開關驅動訊號 、 和開關跨壓訊號 、 的模擬波形圖所示，當開關OFF時，其開關跨壓大約為輸出電容電壓 和 ，符合分析的結果。

3.驗證二極體電壓應力：

請再一併參閱第十二圖本發明之開關驅動訊號 與二極體電壓應力 、 、 的模擬波形圖及第十三圖本發明之開關驅動訊號 與二極體電壓應力 、 、 的模擬波形圖所示，若忽略尖波只看穩態時，二極體 和 的電壓應力為40V，由模擬結果得知，模擬與實際推導結果符合；剩下二極體為同理，忽略尖波只看穩態，此時二極體 和 的電壓應力推導出來為90V，模擬出來數值與實際推導結果相符；二極體 的電壓應力推導出來為200V，二極體 的電壓應力推導出來為400V，模擬出來數值都與實際推導結果相符。

4.驗證CCM操作：

請再一併參閱第十四圖本發明之磁化電感電壓 和磁化電感電流 的模擬波形圖及第十五圖本發明之磁化電感電壓 和磁化電感電流 的模擬波形圖所示，根據連續導通模式［Continuous Conduction Mode，CCM］下，其磁化電感電流 ，符合分析的結果。

藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有技術手段相較之下，本發明主要係具有下列優點：

1.轉換器導入耦合電感匝數比和開關導通比，設計自由度較高，所以高電壓增益的達成，不必操作在極大的導通比。

2.電路架構簡單，所使用元件較少使電路成本降低。

然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

1:轉換器

:輸入電壓

:第一耦合電感一次側

:第一耦合電感二次側

:第一磁化電感

:第二耦合電感一次側

:第二耦合電感二次側

:第二磁化電感

:第一二極體

:第二二極體

:第三二極體

:第四二極體

:第五二極體

:第六二極體

:第一開關

:第二開關

:第一輸出電容

:第二輸出電容

:負載

第一圖：本發明之電路圖

第二圖：本發明之等效電路圖

第三圖：本發明之時序圖

第四圖：本發明之第一階段等效線性電路圖

第五圖：本發明之第二階段等效線性電路圖

第六圖：本發明之第三階段等效線性電路圖

第七圖：本發明之第四階段等效線性電路圖

第八圖：本發明之電壓增益與導通比及耦合電感匝數比的曲線圖

第九圖：本發明之模擬電路示意圖

第十圖：本發明之開關驅動訊號 、 、輸入電壓 與輸出電壓 的模擬波形圖

第十一圖：本發明之開關驅動訊號 、 和開關跨壓訊號 、 的模擬波形圖

第十二圖：本發明之開關驅動訊號 與二極體電壓應力 、 、 的模擬波形圖

第十三圖：本發明之開關驅動訊號 與二極體電壓應力 、 、 的模擬波形圖

第十四圖：本發明之磁化電感電壓 和磁化電感電流 的模擬波形圖

第十五圖：本發明之磁化電感電壓 和磁化電感電流 的模擬波形圖

1:轉換器

V _in:輸入電壓

N _p1:第一耦合電感一次側

N _s1:第一耦合電感二次側

L _m1:第一磁化電感

N _p2:第二耦合電感一次側

N _s2:第二耦合電感二次側

L _m2:第二磁化電感

D ₁:第一二極體

D ₂:第二二極體

D ₃:第三二極體

D ₄:第四二極體

D ₅:第五二極體

D ₆:第六二極體

S ₁:第一開關

S ₂:第二開關

C _o1:第一輸出電容

C _o2:第二輸出電容

R _o :負載

Claims (4)

1. 一種交錯式高升壓直流轉換器，其主要係令轉換器於輸入電壓之正極連接有第一耦合電感一次側之第一端及第二耦合電感一次側之第一端，於該第一耦合電感一次側之第二端連接有第一二極體之負極及第二二極體之負極，於該第二耦合電感一次側之第二端連接有第四二極體之負極及第五二極體之負極，該第一二極體之正極連接第一耦合電感二次側之第一端，該第一耦合電感二次側之第二端連接該第二二極體之正極、第一開關之第一端、第二輸出電容之第二端及第一輸出電容之第一端，該第四二極體之正極連接該第二耦合電感二次側之第一端，該第二耦合電感二次側之第二端連接該第五二極體之正極、第二開關之第一端及第六二極體之負極，該第一開關之第二端與該第二開關之第二端及第三二極體之正極一併連接該輸入電壓之負極，該第六二極體之正極連接有該第二輸出電容之第一端及負載之第一端，該第一輸出電容之第二端連接有該第三二極體之負極及該負載之第二端。
2. 如請求項1所述交錯式高升壓直流轉換器，其中，該轉換器於該第一耦合電感一次側形成有第一磁化電感。
3. 如請求項1所述交錯式高升壓直流轉換器，其中，該轉換器於該第二耦合電感一次側形成有第二磁化電感。
4. 如請求項1所述交錯式高升壓直流轉換器，其中，該轉換器之電壓增益為

   

   ，其中D為導通比、n耦合電感匝數比。

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