CN100477459C - 升压型转换器 - Google Patents

Abstract

一升压型转换器包含有：一第一升压转换单元以及一第二升压转换单元。该第一、第二升压转换单元的线圈是互相耦合，在第一升压转换单元储能的期间，因为线圈耦合的关系，第二升压转换单元会在这段期间内释放能量；而当第二升压转换单元储能的期间，因为线圈耦合的关系，第一升压转换单元会在这段期间内释放能量，该两个升压转换电路是分时动作，所以可以调节开关切换损失以及平均组件的功率输出，而且因为切换频率提高，电路中所使用的线圈的电感值以及电容的电容值可以相对地减小，无形中亦提高整体升压转换电路的电路响应。

Description

升压型转换器

技术领域

本发明涉及一种升压型转换器，特别涉及一种利用线圈耦合的升压型转换器。

背景技术

升压型转换器(boost converter)，为一周期性切换式转换器，常运用于电路升压及功率因子调整用。图1为现有升压型转换器的电路图。升压型转换器100包含有一电压源110、一电感120、一功率开关组件130、一二极管140、一电容150以及一负载160。功率开关组件130的栅极G受到一脉宽调制信号(PWM signal)控制，藉由调节脉宽调制信号的工作周期(dutycycle)，可以控制功率开关组件130在一个周期中导通时间的长短。当功率开关组件130导通时，电压源110、电感120以及功率开关组件130呈现一封闭回路，此时回路中流过的电流I₁会使得电感120进行储能，电感120会持续储存能量，直到功率开关组件130截止为止。当功率开关组件130截止，电感120处于释放能量的状态，此时电感电流I₂，经由二极管至负载。意即当功率开关组件130处于截止状态时，电感120会持续释放能量，释放出的能量会藉由电流I₂对电容150充电而储存至电容150与负载160达到升压的目的。如业界所习知，输出电压Vo的平均值与输入电压Vi的关系如下所示：

Vo/Vin＝1/(1-D)             方程式(一)

然而功率开关组件130易受流经的电流过大或切换损失而产生大量的热损耗，因而造成效率降低或须额外增加散热机制等问题，同时更能突显须选择昂贵的高应力低损耗的功率开关组件，因此若能够分散功率开关组件130的功率损耗，则可减少或避免增加散热机制，使电路在有限空间内做更有效的利用。日本专利号2-269469揭露一升压型转换器200，如图2所示，升压型转换器200包含两个升压转换单元201以及202，交流电压源210分别经过升压转换单元201以及202各自的整流器220的整流后形成直流电压，升压转换单元201以及202接下来的部分与图1所示的升压型转换器100相同，各自包含有电感230、功率开关组件240、二极管250、电容260、用来控制功率开关组件240导通与否的控制电路270以及电阻280。两升压转换单元201以及202的输出皆连接至负载290的两端，也就是说升压转换单元201以及202呈现并联的状态。其中升压转换单元201以及202中的控制电路270是为同一套控制电路，亦即升压转换单元201以及202中的功率开关组件240是受到同一控制信号控制，因此两者的功率开关组件240是同时导通或同时截止，也就是说升压转换单元201以及202中的电感230是同时储能或同时释放能量。由于升压转换单元201以及202两者是为并联关系，整个电路的电流是平均分配在两者之间，因此个别升压转换单元201或202产生的热损耗相较于图1中所示的升压型转换器100的产生的热损耗平均分配在两功率开关组件中。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种升压型转换器(boost converter)。

根据本发明的实施例，其是揭露一种升压型转换器。该升压型转换器包含有：一第一升压转换单元，以及一第二升压转换单元。该第一升压转换单元包含有：一第一线圈，其一第一端点是耦接至一第一电压电平；一第一开关组件，耦接于该第一线圈的一第二端点与一第二电压电平之间，用来选择性地导通该第一线圈的该第二端点与该第二电压电平；一第二开关组件，其与该第一开关组件不会同时导通；以及一电容，其一第一端点是耦接至该第二开关组件，以及其一第二端点是耦接至该第二电压电平，其中该第二开关组件是耦接于该第一线圈的该第二端点与该电容的该第一端点之间，用来选择性地导通该第一线圈的该第二端点与该电容的该第一端点。该第二升压转换单元包含有：一第二线圈，其一第一端点是耦接至该第一电压电平；一第三开关组件，耦接于该第二线圈的一第二端点与该第二电压电平之间，用来选择性地导通该第二线圈的该第二端点与该第二电压电平；以及一第四开关组件，耦接于该第二线圈的该第二端点与该电容的该第一端点之间，用来选择性地导通该第二线圈的该第二端点与该电容的该第一端点，该第三、第四开关组件不会同时导通。其中，该第一线圈与该第二线圈是互相耦合，并且当该第一开关组件导通时，该第四开关组件同时导通，以及当该第三开关组件导通时，该第二开关组件同时导通。

根据本发明的另一实施例，其亦揭露一种升压转换方法，包含有：在一第一时段内，对一第一升压转换单元的一第一线圈进行储能，该第一线圈的电压是耦合至一第二升压转换单元的一第二线圈，该第二线圈的电压更耦合至一电容；在一第二时段内，停止对该第一升压转换单元的该第一线圈进行储能，该第一线圈的电压是耦合至该电容，并且该第二线圈的电压是停止耦合至该电容；在一第三时段内，对该第二升压转换单元的一第二线圈进行储能，该第二线圈的电压耦合至该第一升压转换单元的该第一线圈，该第一线圈的电压还耦合至该电容；以及在一第四时段内，停止对该第二升压转换单元的该第二线圈进行储能，该第二线圈的电压耦合至该电容，并且该第一线圈的电压停止耦合至该电容。

附图说明

图1为现有升压型转换器的电路图。

图2为现有两升压型转换器并联的电路图。

图3为本发明的升压型转换器的电路图。

图4为图3所示的升压型转换器的时序图。

图5a为当第一升压转换单元处于储能状态的电路图。

图5b为第二升压转换单元处于释放能量状态的电路图。

图6a为当第一升压转换单元处于释放能量状态的电路图。

图6b为第二升压转换单元处于截止状态的电路图。

图7a为第一升压转换单元处于释放能量状态的电路图。

图7b为当第二升压转换单元处于储能状态的电路图。

图8a为第一升压转换单元处于截止状态的电路图。

图8b为当第二升压转换单元处于释放能量状态的电路图。

附图符号说明

100、200、300升压型转换器

110、310直流电压源

120、230电感

320、330线圈

130、240、340、350功率开关组件

140、250、360、370二极管

150、260、380电容

160、290、390负载

201、202升压转换单元

210交流电压源

220整流器

270控制电路

280电阻

具体实施方式

请参阅图3，图3为本发明升压型转换器(boost converter)的电路图。升压型转换器在一实施例中可包含电压源310，电压源310具有第一电压电平点及第二电压电平点，在实施例中可为正电压输出点与负电压输出点，然负电压输出点也可为接地点；两共轭线圈是指缠绕在同一轴心的线圈，而轴心物质，例如：可为空气或铁心物质，其中铁心物质为增加两共轭线圈的互感，两共轭线圈在一实施例中，例如可为线圈320及线圈330，线圈320及线圈330的第一线圈端连接至电压源310的第一电压电平点，而第二线圈端则分别连接至功率开关组件340及功率开关组件350；在一实施例中，功率开关组件340或350可为一N型金属氧化物半导体(NMOS)或JFET，然在此并不限制，以P型金属氧化物半导体作为功率开关组件也是可行，在此实施例中，功率开关组件340为一N型金属氧化物半导体，第一端连接至线圈320，第二端连接至电压源310的第二电压电平点，同样的功率开关组件350，第一端连接至线圈330，第二端连接至电压源310的第二电压电平点，另外功率开关组件340或功率开关组件350的栅极分别连接至控制信号V_G1及V_G2以控制功率开关组件340或功率开关组件350的导通与否；开关组件，在实施例中可为二极管360及370，二极管360第一端连接至线圈320的第二线圈端，同样的二极管370第一端连接至线圈330的第二线圈端，最后二极管360的第二端与二极管370的第二端相接，然在此开关组件并不限于二极管360或370，其也可以主动开关组件或被动开关组件替代，如金属氧化物半导体所组成的开关组件；滤波器在一实施例中可为一电容380，其第一端与开关组件相接，第二端则与电压源310的第二电压电平点相接，滤波器在其它实施例也可为一电感电容组成的滤波器。

再次参阅图3，升压型转换器300包含有直流电压源310及二个升压转转换单元，第一个升压转换单元包含有线圈320、功率开关组件340、二极管360以及电容380；第二个升压转换单元包含有线圈330、功率开关组件350、二极管370以及电容380。其中线圈320与线圈330为互相耦合的共扼线圈，是利用变压器的内部激磁感形成电感性储能组件，同时利用变压器形式达成互相耦合感应的效用。

首先，定义线圈320或线圈330耦接至直流电压源310端为线圈320或线圈330电压的正端，另耦接于功率开关组件340或350端为线圈320及线圈330电压的负端，也就是说，当流经线圈320或线圈330的电流方向由直流电压源310端至功率开关组件340或350端时，线圈320或线圈330电压为正，反之则为负。V_G1为功率开关组件340的控制信号，V_G2为功率开关组件350的控制信号，其中在实施例中，功率开关组件340与功率开关组件350可不同时开启，再者，控制信号V_G1与控制信号V_G2的频率为可调，亦即功率开关组件340与功率开关组件350为可变频控制，值得注意的是，在实施例中功率开关组件340与功率开关组件350可为N型金属氧化物半导体(NMOS)，然在此并不限制，在实施例中也可应用JFET，另应用P型功率开关组件也是可行的。请参阅图4，图4为对应图3以N型为功率开关组件的实施例的时序图，在时间t₀到t₁之间，功率开关组件340导通，功率开关组件350截止，二极管360逆偏，第一升压转换单元的电路图如图5a所示，线圈320两端的电压V_LN1此时为正电压，其电压相当于直流电压源310，而流过线圈320的电流I_LN1则线性增加。在此同时，线圈330受到线圈320耦合的影响，其上会感应出一感应电压V_LN2，迫使第二升压转换单元中的二极管370顺偏，其电路图如图5b所示，此时线圈330上的能量释放出至负载390。当时间t₁到t₂之间，功率开关组件340、350皆处于截止状态，第一升压转换单元中的线圈320由储能转为释放能量，迫使二极管360导通，将能量释放至负载，此时线圈320两端的电压V_LN1由正转负，而电流I_LN1则线性减少，其电路图如图6a所示。另一方面，在第二升压转换单元中，受到电感耦合的影响，线圈330上的电压V_LN2由负转正，二极管370呈现逆偏状态，因此流过线圈330的电流也瞬间降至0，其电路图如图6b所示。

当时间t₂到t₃之间，功率开关组件350导通，功率开关组件340截止，二极管370逆偏，第二升压转换单元的电路图如图7b所示，此时线圈330处于储能状态，线圈330两端的电压V_LN2为正，而流过线圈330的电流I_LN2则重新导通且呈线性增加。在此同时，线圈320受到线圈330耦合的影响，其上会感应出一感应电压V_LN1，迫使第一升压转换单元中的二极管360顺偏，其电路图如图7a所示，此时线圈320上的能量释放出至负载390，流过线圈320的电流则渐渐减少。之后，在时间t₃到t₄之间，功率开关组件340、350皆处于截止状态，第二升压转换单元中的线圈330由储能转为释放能量，迫使二极管370导通，负载390取得线圈330所释放的能量，此时线圈330两端的电压V_LN2由正转负，而电流I_LN2则线性减少，其电路图如图8b所示。另一方面，在第一升压转换单元中，受到电感耦合的影响，线圈320上的电压V_LN1由负转正，二极管360呈现逆偏状态，因此流过线圈320的电流也瞬间降至0，其电路图如图8a所示。

之后第一升压转换单元与第二升压转换单元便重复上述的程序，在第一升压转换单元储能的期间，因为线圈耦合的关系，第二升压转换单元会在这段期间内释放能量，使负载390能在这段期间内得到能量。接下来当第一升压转换单元完成储能，由储能的状态转为释放能量的状态时，负载390从第一升压转换单元获得能量，第一升压转换单元中所储存的能量渐渐传递给负载，在这段期间，第二升压转换单元暂时不动作。同理，之后轮到第二升压转换单元储能的期间，因为线圈耦合的关系，第一升压转换单元会在这段期间内释放能量，使负载390能在这段期间内得到能量。接下来当第二升压转换单元完成储能，由储能的状态转为释放能量的状态时，负载390从第二升压转换单元获得能量，第二升压转换单元中所储存的能量渐渐传递给负载，在这段期间，第一升压转换单元暂时不动作。

综上所述，本案将两个升压转换电路并联，并且利用线圈耦合的原理，使其中一个升压转换电路在储能时，另一个升压转换电路也可以提供负载能量。而且两个升压转换电路是受到不同的时钟周期控制，各自的时钟周期为可调，也就是可以变频控制各个升压转换电路，所以藉由将两个升压转换电路并联，可以提高整体升压转换电路的切换频率，假设控制两个升压转换电路的控制信号的频率分别为f₁以及f₂，则整体的切换频率可以提高为f₁+f₂。此外，因为有两个升压转换电路分时动作，所以可以调节开关切换损失以及平均组件的功率输出。而且因为切换频率提高，电路中所使用的线圈的电感值以及电容的电容值可以相对地减小，无形中亦提高整体升压转换电路的电路响应。除了上述的实施例之外，本案更有多重并联的形式，也就是说不只两个升压转换电路，三个以上的升压转换电路的并联也是属于本发明的范筹。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种升压型转换器，包含有：

一第一升压转换单元，包含有：

一第一线圈，其一第一端点耦接至一第一电压电平；

一第一开关组件，耦接于该第一线圈的一第二端点与一第二电压电平之间，用来选择性地导通该第一线圈的该第二端点与该第二电压电平；

一第二开关组件，其与该第一开关组件不会同时导通；以及

一电容，其一第一端点耦接至该第二开关组件，以及其一第二端点耦接至该第二电压电平，其中该第二开关组件耦接于该第一线圈的该第二端点与该电容的该第一端点之间，用来选择性地导通该第一线圈的该第二端点与该电容的该第一端点；以及

一第二升压转换单元，包含有：

一第二线圈，其一第一端点耦接至该第一电压电平；

一第三开关组件，耦接于该第二线圈的一第二端点与该第二电压电平之间，用来选择性地导通该第二线圈的该第二端点与该第二电压电平；以及

一第四开关组件，耦接于该第二线圈的该第二端点与该电容的该第一端点之间，用来选择性地导通该第二线圈的该第二端点与该电容的该第一端点，该第三、第四开关组件不会同时导通；

其中，该第一线圈与该第二线圈互相耦合，并且当该第一开关组件导通时，该第四开关组件同时导通，以及当该第三开关组件导通时，该第二开关组件同时导通。

2.如权利要求1所述的升压型转换器，其中，该第一开关组件与该第三开关组件为金属氧化物半导体场效应晶体管。

3.如权利要求1所述的升压型转换器，其中，该第二开关组件与该第四开关组件为二极管。

4.如权利要求1所述的升压型转换器，其中，该第一、第二线圈位于一变压器中，且为该变压器的线圈。

5.如权利要求1所述的升压型转换器，其中，该第一开关组件由一第一控制时钟来决定其是否导通，该第三开关组件由一第二控制时钟来决定其是否导通，以及该第一、第二控制时钟的频率为可调。

6.一种升压转换方法，包含有：

在一第一时段内，对一第一升压转换单元的一第一线圈进行储能，该第一线圈的电压耦合至一第二升压转换单元的一第二线圈，该第二线圈的电压还耦合至一电容；

在一第二时段内，停止对该第一升压转换单元的该第一线圈进行储能，该第一线圈的电压耦合至该电容，并且该第二线圈的电压停止耦合至该电容；

在一第三时段内，对该第二升压转换单元的一第二线圈进行储能，该第二线圈的电压耦合至该第一升压转换单元的该第一线圈，该第一线圈的电压还耦合至该电容；以及

在一第四时段内，停止对该第二升压转换单元的该第二线圈进行储能，该第二线圈的电压耦合至该电容，并且该第一线圈的电压停止耦合至该电容。

7.如权利要求6所述的方法，其中，该第一线圈的储能周期由一第一控制时钟控制，该第二线圈的储能周期由一第二控制时钟控制，以及该第一、第二控制时钟的频率为可调。

8.如权利要求6所述的方法，其中，该第一、第二线圈位于一变压器中，且为该变压器的线圈。

9.一种升压型转换器，包含：

一电压源，具有一第一电压电平点及一第二电压电平点；

至少两共轭线圈，缠绕于同一轴心，该至少两共轭线圈的一第一线圈具有一第一线圈端及一第二线圈端，该至少两共轭线圈的一第二线圈具有一第三线圈端及一第四线圈端，其中，该第一线圈端及该第三线圈端耦接于该第一电压电平点；

一第一功率开关组件，包含一第一端点及一第二端点，该第一端点耦接于该第二线圈端，该第二端点耦接于该第二电压电平点；

一第一开关组件，包含一第四端点及一第五端点，该第四端点耦接于该第二线圈端；

一第二功率开关组件，包含一第六端点及一第七端点，该第六端点耦接于该第四线圈端，该第七端点耦接于该第二电压电平点；

一第二开关组件，包含一第九端点及一第十端点，该第九端点耦接于该第四线圈端，该第十端点耦接于该第五端点；以及

一滤波器，具有一第一滤波端与一第二滤波端，该第一滤波端耦接于该第十端点，该第二滤波端耦接于该第二电压电平点。

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