CN113765380A - 升压电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种升压电路，用于一直流电压源与一负载。此升压电路包括电感、四个开关元件、飞跨电容与钳位电路。钳位电路电性连接至飞跨电容的一端与直流电压源的电压负极。此钳位电路包括一钳位元件与放大器。当飞跨电容的该端上的电位大于临界值时钳位元件导通并致能放大器，使飞跨电容的充电电流流经放大器。

Description

升压电路

技术领域

本公开涉及一升压电路，改良了传统飞跨电容转换器(flying capacitorconverter，FCC)的拓扑结构。

背景技术

图1是根据现有技术示出飞跨电容转换器的电路图。请参照图1，现有的飞跨电容转换器包括了电感L、晶体管M1、晶体管M2，二极管D1、二极管D2，飞跨电容C1以及电容C2、C3，此飞跨电容转换器用以将直流电压源DC输出的直流电压升压并输出至直流交流转换器110。此电路的优点在于晶体管M1与晶体管M2串联，因此具有分压效果，借此可以采用耐压较低的晶体管M1与晶体管M2。然而，在初始状态下，飞跨电容C1上没有电压，因此二极管D2与晶体管M2会承受全部的输入电压，这有可能导致二极管D2与晶体管M2会在瞬间烧毁。如何解决此问题，为此领域技术人员所关心的议题。

发明内容

本发明的实施例提出一种升压电路，用于第一直流电压源与一负载。此升压电路包括电感、第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件、飞跨电容与钳位电路。电感的第一端电性连接至第一直流电压源的电压正极。第一开关元件的第一端电性连接至电感的第二端。第二开关元件电性连接在第一开关元件与第一直流电压源的电压负极之间。第三开关元件电性连接在电感的第二端与负载之间。第四开关元件电性连接在第三开关元件与负载之间。飞跨电容的第一端电性连接至第三开关元件与第四开关元件之间，飞跨电容的第二端电性连接至第一开关元件与第二开关元件之间。总线电容电性连接至第四开关元件与负载。钳位电路电性连接至飞跨电容的第二端与第一直流电压源的电压负极。此钳位电路包括第一钳位元件与放大器。当飞跨电容的第二端上的电位大于临界值时第一钳位元件导通并致能放大器，使飞跨电容的充电电流流经放大器。

在一些实施例中，上述的总线电容包括第一电容与第二电容。第一电容的第一端电性连接至第四开关元件。第二电容的第一端电性连接至第一电容的第二端，第二电容的第二端电性连接至第一直流电压源的电压负极。钳位电路还包括二极管，上述的放大器为PNP型双极性接面晶体管，第一钳位元件为钳位二极管。PNP型双极性接面晶体管的射极电性连接至飞跨电容的第二端，基极电性连接至钳位二极管的负极，集极电性连接至二极管的正极。钳位二极管的正极电性连接至第一直流电压源的电压负极，二极管的负极电性连接至第二电容的第一端。

在一些实施例中，上述的钳位电路还包括电阻，上述的放大器为绝缘闸双极晶体管或金属氧化物半导体场效晶体管，其具有栅极、第一端、第二端与一临界电压。上述的第一钳位元件为第一钳位二极管。第一钳位二极管的负极电性连接至飞跨电容的第二端，第一钳位二极管的正极电性连接至电阻的第一端。上述电阻的第二端电性连接至第一直流电压源的电压负极。上述放大器的栅极电性连接至第一钳位二极管的正极，第一端电性连接至飞跨电容的第二端，第二端电性连接至第一直流电压源的电压负极。

在一些实施例中，上述的钳位电路还包括第二钳位二极管，其正极电性连接至第一直流电压源的电压负极，负极电性连接至放大器的栅极。

在一些实施例中，第二钳位二极管的崩溃电压实质上相同于放大器的临界电压。

在一些实施例中，上述的钳位电路还包括第二直流电压源。上述的放大器为PNP型双极性接面晶体管，第一钳位元件为钳位二极管。PNP型双极性接面晶体管的射极电性连接至飞跨电容的第二端，基极电性连接至钳位二极管的负极，集极电性连接至第二直流电压源的电压正极。钳位二极管的正极与第二直流电压源的电压负极电性连接至第一直流电压源的电压负极。

在一些实施例中，上述的钳位电路还包括电阻与瞬态电压抑制二极管，放大器为PNP型双极性接面晶体管，第一钳位元件为钳位二极管。PNP型双极性接面晶体管的射极电性连接至飞跨电容的第二端，基极电性连接至钳位二极管的负极，集极电性连接至电阻的第一端。钳位二极管的正极电性连接至第一直流电压源的电压负极。瞬态电压抑制二极管电性连接在PNP型双极性接面晶体管的集极与第一直流电压源的电压负极之间。电阻的第二端电性连接至第二电容的第一端。

在一些实施例中，升压电路还包括第二钳位元件与二极管，其中第二钳位元件的第一端电性连接至第三开关元件与第四开关元件之间，第二钳位元件的第二端电性连接至二极管的负极，二极管的正极电性连接至第一电容的第二端。

在一些实施例中，上述的负载为直流交流转换器。

在一些实施例中，第三开关元件与第四开关元件分别为二极管。

在上述的升压电路中，通过钳位电路的设计可以让第二开关单元避免在初始阶段烧毁。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。

附图说明

图1是根据现有技术示出飞跨电容转换器的电路图。

图2是根据实施例示出升压电路的电路示意图。

图3至图7是根据一些实施例示出升压电路的电路图。

附图标记说明：

DC：直流电压源

L：电感

M1,M2：晶体管

D1,D2：二极管

C1：飞跨电容

C2,C3：电容

110：直流交流转换器

200：升压电路

DC1：第一直流电压源

N1,N2,N3,N4,N5：节点

S1：第一开关元件

S2：第二开关元件

S3：第三开关元件

S4：第四开关元件

C_b：总线电容

210：负载

220：钳位电路

221：第一钳位元件

222：放大器

223：充电电流

C_b1：第一电容

C_b2：第二电容

Z1：钳位元件

D3,301：二极管

401：电阻

Z2：齐纳二极管

T1：第一端

T2：第二端

DC2：第二直流电压源

701：电阻

702：瞬态电压抑制二极管

具体实施方式

关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指次序或顺位的意思，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。另外，关于本文中所使用的“电性连接”，可指两个元件直接地或间接地作连接。也就是说，当描述“第一元件电性连接至第二元件”时，第一元件与第二元件之间还可设置其他电子元件。

图2是根据一实施例示出升压电路的电路示意图。请参照图，此升压电路200是用于第一直流电压源DC1与负载210，此负载210可以是直流交流转换器或其他任意合适的负载，第一直流电压源DC1可为电池、电容或太阳能发电装置等任何可提供电压的装置，亦不限定是否为固定电压。升压电路200包括了电感L、第一开关元件S1、第二开关元件S2、第三开关元件S3、第四开关元件S4、飞跨电容C1、至少一个总线电容C_b以及钳位电路220。上述的开关元件可以是绝缘栅双极晶体管、金属氧化物半导体场效晶体管、二极管或其他合适的开关元件。举例来说，当升压电路200为双向时，这些开关元件可为金属氧化物半导体场效晶体管或绝缘栅双极晶体管。在一些实施例中，第三开关元件S3与第四开关元件S4可以是二极管。

电感L的第一端电性连接至第一直流电压源DC1的电压正极，第一开关元件S1的第一端电性连接至电感L的第二端(节点N1)。第二开关元件S2电性连接在第一开关元件S1与第一直流电压源DC1的电压负极之间。第三开关元件S3电性连接在电感L的第二端(节点N1)与负载210之间。第四开关元件S4电性连接在第三开关元件S3与负载210之间。飞跨电容C1的第一端电性连接至第三开关元件S3与第四开关元件S4之间(节点N2)，飞跨电容C1的第二端电性连接至第一开关元件S1与第二开关元件S2之间(节点N3)。总线电容Cb电性连接至第四开关元件S4与负载210，在一些实施例中当设置多个总线电容Cb时，这些总线电容Cb是彼此串联。

特别的是，钳位电路220电性连接至飞跨电容C1的第二端(节点N3)与第一直流电压源DC1的电压负极。钳位电路220包括第一钳位元件221与放大器222。当飞跨电容C1的第二端(节点N3)上的电位大于一临界值时第一钳位元件221导通并致能放大器222，使飞跨电容C1的充电电流223流经放大器220。举例来说，放大器222可以实现一个电流控制电流源，受控于流经第一钳位元件221的电流以形成充电电流223。在一些实施例中，放大器222也可以实现压控电流源，流经第一钳位元件221的电流可以形成一分压来控制此压控电流源以形成充电电流223。如此一来，节点N3上的电压会被钳位，避免第二开关元件S2上的跨压过大，在初始阶段可以避免第二开关元件S2烧毁。以下将举多个实施例来说明钳位电路220。

图3是根据一实施例示出升压电路的电路图。在图3的实施例中，总线电容共有两个，分别为第一电容C_b1与第二电容C_b2，第一电容C_b1的第一端电性连接至第四开关元件S4，第二电容C_b2的第一端电性连接至第一电容C_b1的第二端(节点N4)，第二电容C_b2的第二端电性连接至第一直流电压源DC1的电压负极。上述的放大器222为PNP型双极性接面晶体管，第一钳位元件221为钳位二极管，钳位二极管可例如齐纳二极管或瞬态电压抑制二极管(transient-voltage-suppression iode)等具电压崩溃而钳位于大致固定电压特性的元件，图3以齐纳二极管示意。以下将以“PNP型双极性接面晶体管222”以及“齐纳二极管221”为例继续说明。钳位电路220还包括二极管301。PNP型双极性接面晶体管222的射极电性连接至飞跨电容C1的第二端(节点N3)。PNP型双极性接面晶体管222的基极电性连接至齐纳二极管221的负极，齐纳二极管221的正极电性连接至第一直流电压源DC1的电压负极。PNP型双极性接面晶体管222的集极电性连接至二极管301的正极，二极管301的负极电性连接至第二电容C_b2的第一端(节点N4)。如此一来，当节点N3的电压大于临界值时，PNP型双极性接面晶体管222会导通，而齐纳二极管221会崩溃，充电电流223会流经二极管301至节点N4，二极管301是为了避免电流从节点N4回流。

在一些实施例中，升压电路还包括钳位元件Z1与二极管D3，用来保护第四开关元件S4。此钳位元件Z1亦可为齐纳二极管或是瞬态电压抑制二极管。钳位元件Z1的第一端电性连接至第三开关元件S3与第四开关元件S4之间(节点N2)，钳位元件Z1的第二端电性连接至二极管D3的负极，二极管D3的正极电性连接至第一电容C_b1的第二端(节点N4)。

图4是根据一实施例示出升压电路的电路图。在图4的实施例中，放大器222为绝缘闸双极晶体管或金属氧化物半导体场效晶体管，其具有栅极、第一端T1与第二端T2。类似前述，第一钳位元件221为钳位二极管，此处以齐纳二极管示意。钳位电路220还包括电阻401。在此将以“晶体管222”与“齐纳二极管221”为例继续说明。齐纳二极管221的负极电性连接至飞跨电容C1的第二端(节点N3)，齐纳二极管221的正极电性连接至401电阻的第一端(节点N5)，电阻401的第二端电性连接至第一直流电压源DC1的电压负极。晶体管222的栅极电性连接至齐纳二极管221的正极，第一端T1电性连接至飞跨电容C1的第二端(节点N3)，第二端T2电性连接至第一直流电压源DC1的电压负极。当节点N3的电压超过临界值时，齐纳二极管221崩溃产生电流通过电阻401并在节点N5产生分压，此分压导通晶体管222，使得充电电流223流经过晶体管222。在一些实施例中，电阻401的电阻值是设定为节点N5的电压实质上相同于晶体管222的临界电压。在此，“实质上”可包括5％的误差。通过元件设计，晶体管222可操作在饱和模式。值得注意的是，电阻401的电阻值必须避免节点N5的电压太大使得晶体管222完全导通，那会使得节点N3的电压为0。

图5是根据一实施例示出升压电路的电路图。图5与图4的不同的处在于图5还设置了另一钳位二极管，此处以齐纳二极管Z2为例说明，此齐纳二极管Z2的正极电性连接至第一直流电压源DC1的电压负极，负极电性连接至晶体管222的栅极(节点N5)。此外，齐纳二极管Z2的崩溃电压实质上相同于晶体管222的临界电压。如此一来，避免节点N5的电压太大使得晶体管222完全导通，换言之，设置齐纳二极管Z2是为了避免节点N5上的电压超过了晶体管222的临界电压。

图6是根据一实施例示出升压电路的电路图。在图6的实施例中，放大器222是PNP型双极性接面晶体管，第一钳位元件221为钳位二极管，此处以齐纳二极管示意。在此将以“PNP型双极性接面晶体管222”与“齐纳二极管221”为例继续说明。钳位电路220还包括第二直流电压源DC2。PNP型双极性接面晶体管222的射极电性连接至飞跨电容C1的第二端(节点N3)，基极电性连接至齐纳二极管221的负极，集极电性连接至第二直流电压源DC2的电压正极。齐纳二极管221的正极与第二直流电压源DC2的电压负极都电性连接至第一直流电压源DC1的该电压负极。第二直流电压源DC2的用途在于降低PNP型双极性接面晶体管222的射极与集极之间的跨压，第二直流电压源DC2可使用一电容来实现。

图7是根据一实施例示出升压电路的电路图。在图7的实施例中，钳位电路220还包括了电阻701与瞬态电压抑制二极管702，放大器222为PNP型双极性接面晶体管，第一钳位元件221为钳位二极管，此处以齐纳二极管示意。在此，将以“晶体管222”与“齐纳二极管221”为例继续说明。晶体管222的射极电性连接至飞跨电容C1的第二端(节点N3)。晶体管222的基极电性连接至齐纳二极管221的负极，齐纳二极管221的正极电性连接至第一直流电压源DC1的电压负极。晶体管222的集极电性连接至电阻701的第一端，电阻701的第二端电性连接至第二电容C_b2的第一端(节点N4)。瞬态电压抑制二极管702则电性连接在晶体管222的集极与第一直流电压源DC1的电压负极之间。当节点N3的电压大于临界值时，通过晶体管222的PN接口使得齐纳二极管221崩溃产生电流，飞跨电容C1上较大的电流会流经瞬态电压抑制二极管702。电阻701的作用是要让瞬态电压抑制二极管702一直持续在偏压状态，借此降低晶体管222的跨压。

在上述的升压电路中，通过钳位电路的设计可以让第二开关单元S2避免在初始阶段烧毁。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作些许的变动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种升压电路，用于一第一直流电压源与一负载，该升压电路包括：

一电感，其第一端电性连接至该第一直流电压源的一电压正极；

一第一开关元件，其第一端电性连接至该电感的第二端；

一第二开关元件，电性连接在该第一开关元件与该第一直流电压源的一电压负极之间；

一第三开关元件，电性连接在该电感的该第二端与该负载之间；

一第四开关元件，电性连接在该第三开关元件与该负载之间；

一飞跨电容，其第一端电性连接至该第三开关元件与该第四开关元件之间，该飞跨电容的第二端电性连接至该第一开关元件与该第二开关元件之间；

至少一总线电容，电性连接至该第四开关元件与该负载；以及

一钳位电路，电性连接至该飞跨电容的该第二端与该第一直流电压源的该电压负极，其中该钳位电路包括一第一钳位元件与一放大器，其中当该飞跨电容的该第二端上的电位大于一临界值时该第一钳位元件导通并致能该放大器，使该飞跨电容的一充电电流流经该放大器。

2.如权利要求1所述的升压电路，其中该至少一总线电容包括：

一第一电容，其第一端电性连接至该第四开关元件；以及

一第二电容，其第一端电性连接至该第一电容的第二端，该第二电容的第二端电性连接至该第一直流电压源的该电压负极，

其中该钳位电路还包括一二极管，该放大器为一PNP型双极性接面晶体管，该第一钳位元件为一钳位二极管，

其中该PNP型双极性接面晶体管的射极电性连接至该飞跨电容的该第二端，基极电性连接至该钳位二极管的负极，集极电性连接至该二极管的正极，该钳位二极管的正极电性连接至该第一直流电压源的该电压负极，该二极管的负极电性连接至该第二电容的该第一端。

3.如权利要求1所述的升压电路，其中该钳位电路还包括一电阻，该放大器为一绝缘闸双极晶体管或一金属氧化物半导体场效晶体管，该放大器具有栅极、第一端、第二端与一临界电压，并且该第一钳位元件为一第一钳位二极管，

其中该第一钳位二极管的负极电性连接至该飞跨电容的该第二端，该第一钳位二极管的正极电性连接至该电阻的第一端，该电阻的第二端电性连接至该第一直流电压源的该电压负极，

该放大器的该栅极电性连接至该第一钳位二极管的正极，该第一端电性连接至该飞跨电容的该第二端，该第二端电性连接至该第一直流电压源的该电压负极。

4.如权利要求3所述的升压电路，其中该钳位电路还包括一第二钳位二极管，其正极电性连接至该第一直流电压源的该电压负极，负极电性连接至该放大器的该栅极。

5.如权利要求4所述的升压电路，其中该第二钳位二极管的一崩溃电压实质上相同于该放大器的该临界电压。

6.如权利要求1所述的升压电路，其中该钳位电路还包括一第二直流电压源，该放大器为一PNP型双极性接面晶体管，该第一钳位元件为一钳位二极管，

其中该PNP型双极性接面晶体管的射极电性连接至该飞跨电容的该第二端，基极电性连接至该钳位二极管的负极，集极电性连接至该第二直流电压源的电压正极，该钳位二极管的正极与该第二直流电压源的电压负极电性连接至该第一直流电压源的该电压负极。

7.如权利要求1所述的升压电路，其中该至少一总线电容包括：

一第一电容，其第一端电性连接至该第四开关元件；以及

一第二电容，其第一端电性连接至该第一电容的第二端，该第二电容的第二端电性连接至该第一直流电压源的该电压负极，

其中该钳位电路还包括一电阻与一瞬态电压抑制二极管，该放大器为一PNP型双极性接面晶体管，该第一钳位元件为一钳位二极管，

其中该PNP型双极性接面晶体管的射极电性连接至该飞跨电容的该第二端，基极电性连接至该钳位二极管的负极，集极电性连接至该电阻的第一端，该钳位二极管的正极电性连接至该第一直流电压源的该电压负极，该瞬态电压抑制二极管电性连接在该PNP型双极性接面晶体管的该集极与该第一直流电压源的该电压负极之间，该电阻的第二端电性连接至该第二电容的该第一端。

8.如权利要求1所述的升压电路，其中该至少一总线电容包括：

一第一电容，其第一端电性连接至该第四开关元件；以及

一第二电容，其第一端电性连接至该第一电容的第二端，该第二电容的第二端电性连接至该第一直流电压源的该电压负极，

该升压电路还包括一第二钳位元件与一二极管，其中该第二钳位元件的第一端电性连接至该第三开关元件与该第四开关元件之间，该第二钳位元件的第二端电性连接至该二极管的负极，该二极管的正极电性连接至该第一电容的该第二端。

9.如权利要求1所述的升压电路，其中该负载为一直流交流转换器。

10.如权利要求1所述的升压电路，其中该第三开关元件与该第四开关元件分别为一二极管。

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