CN114362525A - 具有保护电路的升压转换模块 - Google Patents

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Abstract

一种具有保护电路的升压转换模块，包括第一升压电路、第二升压电路、第一单向导通元件及第二单向导通元件。第一升压电路包括第一电感与第一开关单元构成的第一输入回路，第二升压电路包括第二电感与第二开关单元构成的第二输入回路，且第一电感与第二电感构成共铁芯架构的耦合电感。第一单向导通元件用以阻挡耦合电感感应至第一输入回路的第一逆向电流，且第二单向导通元件用以阻挡耦合电感感应至第二输入回路的第二逆向电流。

Description

具有保护电路的升压转换模块
技术领域
本发明涉及一种具有保护电路的升压转换模块，尤指一种具有保护电路的共铁芯架构升压转换模块。
背景技术
图1为现有的应用于太阳能电池模块20的升压转换模块10-1电路架构。在此架构中，包括两组独立运行的升压电路10-2、10-3。此两组升压电路10-2、10-3是并联运行，且分别将第一电源V1与第二电源V2转换为输出电源Vo。但是，在太阳能电池模块20内包括多组太阳能电池的情况下，每一组太阳能电池必须要使用一组升压电路将其电能转换为输出电源Vo，因此在大面积铺设太阳能电池模块20的情况下，升压转换模块10-1势必包括了多组的升压电路，造成升压转换模块10-1电路体积过大，不利于升压转换模块10-1的装置架设。其中，通常升压电路中体积较大的元件为内部的电感L，其原因在于电感L包括了铁心及线圈，且铁心的尺寸通常是造成电感L电路体积过大的主因。由于每个升压电路内势必包括铁心，造成无法缩小升压转换模块10-1的主因。
其次，由于升压转换模块10-1由多组升压电路并联而成，因此在太阳能电池模块20发生问题的状况下(例如但不限于，反接或损坏无输出的情况)，往往不只会影响到对应耦接的升压电路，而是通过并联的结构影响到他组的升压电路，造成他组的升压电路运行发生问题，使得升压转换模块10-1的效率低落。
因此，如何设计出一种具有保护电路的升压转换模块，利用共铁芯架构的电路元件缩小升压转换模块的体积，且具有保护电路避免太阳能电池模块发生状况时，升压转换模块内的升压电路不相互影响，乃为本申请创作人所欲行研究的一大课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种具有保护电路的升压转换模块，以克服现有技术的问题。因此，本发明具有保护电路的升压转换模块包括，第一升压电路，耦接第一电源，且包括第一电感与第一开关单元构成的第一输入回路。第二升压电路，耦接第二电源，且包括第二电感与第二开关单元构成的第二输入回路，第一电感与第二电感构成共铁芯架构的耦合电感。第一单向导通元件，耦接于第一输入回路，且用以阻挡耦合电感感应至第一输入回路的第一逆向电流。及第二单向导通元件，耦接于第二输入回路，且用以阻挡耦合电感感应至第二输入回路的第二逆向电流。
本发明的主要目的及技术效果在于，利用共铁芯架构的耦合电感缩小升压转换模块的体积，且利用保护电路避免其中一个太阳能电池电压很低时，其对应耦接的升压电路不产生逆向电流，进而提高升压转换模块的工作效率。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为现有的应用于太阳能电池模块的升压转换模块电路架构；
图2为本发明具有保护电路的升压转换模块第一实施例的电路方框图；
图3为本发明具有保护电路的升压转换模块第二实施例的电路方框图；
图4为本发明具有保护电路的升压转换模块第三实施例的电路方框图；
图5为本发明具有保护电路的升压转换模块第四实施例的电路方框图；及
图6为本发明具有保护电路的升压转换模块第五实施例的电路方框图。
其中，附图标记说明如下：
10、10’、10-1…升压转换模块
10-2、10-3…升压电路
L…电感
12、12’…第一升压电路
L1…第一电感
122、122’…第一开关单元
Q1…第一功率开关
Q2…第二功率开关
A…第一节点
124…第一二极管组
126…第一飞跨电容
14、14’…第二升压电路
L2…第二电感
142、142’…第二开关单元
Q3…第三功率开关
Q4…第四功率开关
B…第二节点
144…第二二极管组
146…第二飞跨电容
D1…第一功率二极管
D2…第二功率二极管
D3…第三功率二极管
D4…第四功率二极管
Lc…耦合电感
16…控制单元
Co…输出电容
C1…第一输入电容
C2…第二输入电容
18…保护电路
182…第一单向导通元件
184…第二单向导通元件
186…第三单向导通元件
188…第四单向导通元件
190…电流感测单元
192…比流单元
20…太阳能电池模块
30…负载
V1…第一电源
V2…第二电源
Vo…输出电源
I1…第一电流
I2…第二电流
If1…第一逆向电流
If2…第二逆向电流
It…总电流
Li1…第一输入回路
Li2…第二输入回路
Lr1…第一反接箝位路径
Lr2…第二反接箝位路径
Lv…电压叠加路径
Lg…共负端路径
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：
请参阅图2为本发明具有保护电路的升压转换模块第一实施例的电路方框图。升压转换模块10耦接太阳能电池模块20与负载30之间，且将太阳能电池模块20所提供的能量转换为输出电源Vo供负载30使用。升压转换模块10包括第一升压电路12、第二升压电路14、控制单元16、输出电容Co及保护电路18，且第一升压电路12与第二升压电路14为升压转换器(Boost Converter)。第一升压电路12包括第一电感L1、第一功率二极管D1及第一开关单元122，且第二升压电路14包括第二电感L2、第二功率二极管D2及第二开关单元142。第一电感L1的一端耦接太阳能电池模块20中的其中的一太阳能电池而获取第一电源V1，且另一端通过第一节点A耦接第一功率二极管D1的一端。第一开关单元122的一端耦接第一节点A，且另一端耦接负端。第二电感L2的一端耦接第二电源V2，且另一端通过第二节点B耦接第二功率二极管D2的一端。第二开关单元142的一端耦接第二节点B，且另一端耦接负端。控制单元16耦接第一开关单元122，且通过控制第一开关单元122的切换而控制第一升压电路12将第一电源V1转换为输出电源Vo(第二升压电路14亦是如此)。输出电容Co耦接第一功率二极管D1与第二功率二极管D2的另一端，稳定升压转换模块10所转换的输出电源Vo。
进一步而言，为了将第一电感L1与第二电感L2结合成同一颗，使得升压转换模块10的体积下降，且降低电路成本，因此第一电感L1与第二电感L2构成共铁芯架构的耦合(Coupled)电感Lc。其中，耦合电感Lc的同名端如图2所示，即，耦合电感Lc的同名端分别耦接第一电源V1的正端与第二电源V2的正端。利用耦合电感Lc方式可以两组或多组的升压电路共用一颗电感，控制单元16是控制第一开关单元122与第二开关单元142大致上同步地切换(即通过占空比大致相同的控制信号控制第一开关单元122与第二开关单元142同开同关)。占空比大致相同所指的是占空比的误差在误差范围内，其范围优选的但不限于占空比的差距10％以内，其误差范围可以包括容许控制第一开关单元122与第二开关单元142的信号有些许的位移，或两控制信号的占空比一大一小。如此第一电源V1与第二电源V2的电压差在第一预定范围内的条件下，流过第一电感L1的第一电流I1与流过第二电感L2的第二电流I2会保持大致均流。但是当第一电源V1与第二电源V2的电压差过大时，会导致输入电压较小的那组的电感因耦合效应而感应产生另外一个方向的逆向电流。此逆向电流会造成环流损耗，使得升压转换模块10的效率降低。
具体而言，第一升压电路12包括由第一电源V1、第一电感L1及第一开关单元122构成的第一输入回路Li1。在第一电源V1的电压远小于第二电源V2而导致第二电流I2流过第二电感L2时，第一电感L1因耦合效应而感应到第一逆向电流If1(因打点端而感应到反方向的电流)。由于升压转换模块10不具有保护电路18的情况下，第一输入回路Li1上并未有防止第一逆向电流If1构成封闭回路的单向导通元件，导致第一电感L1所感应到的第一逆向电流If1通过第一电感L1、第一电源V1(或第一输入电容C1)、第一开关单元122及第一电感L1的电流路径构成封闭回路，使得升压转换模块10的效率因此降低。第二升压电路14的第二输入回路Li2产生第二逆向电流If2的状况亦是如此，在此不再加以赘述。
举例而言，假设未设有保护电路18的情况下，第一电源V1为200V，且第二电源V2接近0V时(即第二升压电路14可能未耦接太阳能电池或对应的太阳能电池被遮阴)，因第二电源V2的电压值远低于第一电源V1，所以第二电感L2因耦合电感Lc的耦合效应而产生感应电压，进而产生第二逆向电流If2的电流路径。为了避免此状况发生，本发明的保护电路18是包括第一单向导通元件182与第二单向导通元件184。第一单向导通元件182耦接第一输入回路Li1，且用以阻挡耦合电感Lc感应至第一电感L1的第一逆向电流If1。第二单向导通元件184耦接第二输入回路Li2，且用以阻挡耦合电感Lc感应至第二电感L2的第二逆向电流If2。
进一步而言，第一单向导通元件182可设置于第一输入回路Li1中的至少三个位置。其中之一的耦接位置为，第一单向导通元件182耦接第一电感L1与第一节点A之间，另外一个的耦接位置为，第一单向导通元件182耦接第一节点A与第一开关单元122之间。上述两个耦接位置皆可逆偏阻挡耦合电感Lc耦合至第一电感L1的第一逆向电流If1，以防止第一逆向电流If1的产生而构成封闭回路的电流路径。最后一个的耦接位置为，第一单向导通元件182耦接第一电源V1与第一电感L1之间。然而，并不限定仅前述三个位置，只要位于第一输入回路Li1中能达到阻挡逆向电流都是可选的位置。第二单向导通元件184的具体耦接位置亦是如此，在此不再加以赘述。
其中，上述三者耦接位置又以第一单向导通元件182耦接第一节点A与第一开关单元122之间的位置为最佳。其原因在于，升压电路的控制方式使第一电流I1交替的操作于经过第一开关单元122和提供至输出电容Co的状态，因此单向导通元件182耦接第一节点A与第一开关单元122之间的位置时，相比设置于其余两个位置，所通过的平均电流较小，损耗也较低。第二单向导通元件184的耦接位置亦是如此，在此不再加以赘述。值得一提的是，第一单向导通元件182与第二单向导通元件184可以为二极管、闸流体或硅控整流器等元件，或是由单向导通电路(例如但不限于逻辑开关电路)构成。其中，由于二极管无须控制，且线路简单，因此又以第一单向导通元件182与第二单向导通元件184使用二极管为最佳。
请参阅图3为本发明具有保护电路的升压转换模块第二实施例的电路方框图，复配合参阅图2。图3实施例的升压转换模块10’与图2实施例的升压转换模块10差异在于，第一升压电路12’与第二升压电路14’为飞跨电容升压转换器(Flying-capacitor boostconverter)。第一升压电路12’包括第一电感L1、第一开关单元122’、第一二极管组124及第一飞跨电容126，且第二升压电路14’包括第二电感L2、第二开关单元142’、第二二极管组144及第二飞跨电容146。第一电感L1的一端耦接第一电源V1，且另一端通过第一节点A耦接第一二极管组124的一端。第一开关单元122’的一端耦接第一节点A，且另一端耦接负端。第一二极管组124包括串联的第一功率二极管D1与第二功率二极管D2，且第一功率二极管D1耦接第一节点A。第一开关单元122’包括串联的第一功率开关Q1与第二功率开关Q2，且第一功率开关Q1耦接第一节点A，第二功率开关Q2耦接负端。第一飞跨电容126的一端耦接第一功率开关Q1与第二功率开关Q2之间，且第一飞跨电容126的另一端耦接第一功率二极管D1与第二功率二极管D2之间。
第二电感L2的一端耦接第二电源V2，且另一端通过第二节点B耦接第二二极管组144的一端。第二开关单元142’的一端耦接第二节点B，且另一端耦接负端。第二二极管组144包括串联的第三功率二极管D3与第四功率二极管D4，且第三功率二极管D3耦接第二节点B。第二开关单元142’包括串联的第三功率开关Q3与第四功率开关Q4，且第三功率开关Q3耦接第二节点B，第四功率开关Q4耦接负端。第二飞跨电容146的一端耦接第三功率开关Q3与第四功率开关Q4之间，且第二飞跨电容146的另一端耦接第三功率二极管D3与第四功率二极管D4之间。
控制单元16耦接第一功率开关Q1与第二功率开关Q2，且通过控制第一功率开关Q1与第二功率开关Q2的切换而控制第一升压电路12’将第一电源V1转换为输出电源Vo(第二升压电路14’亦是如此)。输出电容Co耦接第二功率二极管D2与第四功率二极管D4的另一端，以稳定升压转换模块10’所转换的输出电源Vo。第一电感L1与第二电感L2构成共铁芯架构的耦合电感Lc，且控制方式相似于图2，控制单元16是控制第一开关单元122’与第二开关单元142’大致上同步地切换(第一功率开关Q1与第三功率开关Q3大致同步，第二功率开关Q2与第四功率开关Q4大致同步)。
第一升压电路12包括由第一电源V1、第一电感L1及第一开关单元122’构成的第一输入回路Li1。在第一电源V1的电压远小于第二电源V2而导致第二电流I2流过第二电感L2时，第一电感L1因耦合效应而感应到第一逆向电流If1(第二升压电路14’的第二输入回路Li2的状况亦是如此，在此不再加以赘述)。因此保护电路18同样通过第一单向导通元件182耦接第一输入回路Li1而阻挡耦合电感Lc感应至第一电感L1的第一逆向电流If1，且通过第二单向导通元件184耦接第二输入回路Li2而阻挡耦合电感Lc感应至第二电感L2的第二逆向电流If2。
相似于图2，第一单向导通元件182可设置于第一输入回路Li1中的至少三个位置。其中之一的耦接位置为，第一单向导通元件182耦接第一电感L1与第一节点A之间，另外一个的耦接位置为，第一单向导通元件182耦接第一节点A与第一开关单元122’之间(即耦接第一开关单元122’的第一功率开关Q1)。最后一个的耦接位置为，第一单向导通元件182耦接第一电源V1与第一电感L1之间。上述三者耦接位置皆可阻挡耦合电感Lc感应至第一电感L1的第一逆向电流If1，以防止第一逆向电流If1的产生而构成封闭回路的电流路径。第二单向导通元件184的具体耦接位置亦是如此，在此不再加以赘述。值得一提的是，于本发明的一实施例中，虽然图2～图3仅出示两组升压电路构成的升压转换模块10架构，但不以此为限。换言之，升压转换模块10可以由两组以上的升压电路构成，且耦合电感Lc可以由对应升压电路数量的电感共铁心构成。
请参阅图4为本发明具有保护电路的升压转换模块第三实施例的电路方框图，复配合参阅图2～图3。在图4中是以图2的升压转换模块10架构为例，保护电路18进一步包括第三单向导通元件186与第四单向导通元件188。第三单向导通元件186跨接于第一升压电路12的输入端(即并联第一电源V1)。且用以提供第一反接箝位路径Lr1，第四单向导通元件188跨接于第二升压电路14的输入端(即并联第二电源V2)，且用以提供第二反接箝位路径Lr2。
具体而言，在保护电路18不具有第三单向导通元件186与第四单向导通元件188的状况下，且第一升压电路12或第二升压电路14其中一组的输入电源被反接时，由于输入电源耦接正确的升压电路会正常运行，因此输出电容Co上有输出电源Vo。此时输入电源反接的该组升压电路的功率二极管会承受输入电源叠加输出电源Vo的跨压(即电压叠加路径Lv)，若该功率二极管并未针对此状况特别地选用高耐压规格，则该功率二极管会发生跨压超规格而损毁的状况。值得一提的是，第三单向导通元件186与第四单向导通元件188可以为二极管、闸流体或硅控整流器等元件，或是由单向导通电路(例如但不限于逻辑开关电路)构成。其中，由于二极管无须控制，且线路简单，因此又以第三单向导通元件186与第四单向导通元件188使用二极管为最佳。
以图4为例，假设第一电源V1为1000V且被反接，第二升压电路14将1000V的第二电源V2输出至输出电容Co使其电压为1000V。在此状况下，电压叠加路径Lv所叠加的电压高达2000V，因此第一功率二极管D1必须要承受2000V的跨压。同样的状况也会发生于图3中的第一功率二极管D1，但其仅承受输出电容Co的电压的一半加上反接的输入电源，但依然会损坏。为了避免此状况发生，本发明的保护电路18是利用第三单向导通元件186提供第一反接箝位路径Lr1，以在第一电源V1恰巧反接时，反接的第一电源V1能够通过第一反接箝位路径Lr1箝位于低电压而不将其电压值叠加于第一功率二极管D1上。如此，在第一功率二极管D1不损坏的情况下，升压转换模块10继续运行，且第一单向导通元件182用以防止第一逆向电流If1的产生而构成封闭回路的电流路径。第四单向导通元件188亦是提供此功能，在此不在加以赘述。此外，图3的升压转换模块10’同样适用第三单向导通元件186与第四单向导通元件188进行第一功率二极管D1与第三功率二极管D3的保护，在此不再加以赘述。
请参阅图5为本发明具有保护电路的升压转换模块第四实施例的电路方框图，复配合参阅图2～图4。在图5中是以图2的升压转换模块10架构为例，保护电路18进一步包括电流感测单元190耦接于第一输入回路Li1与该第二输入回路Li2的共负端路径Lg，且用以侦测流过第一升压电路12与该第二升压电路14的总电流It。具体而言，现有的两组升压转换器在测量电流时，必须要分别使用一组电流感测单元测量各别的电流大小。即便此两组升压转换器被控制在均流，其仍然需要分别使用一组电流感测单元测量各别的电流大小。本申请由于第一升压电路12与该第二升压电路14整合为单一升压转换模块10，第一开关单元122的第二端与第二开关单元142的第二端共同耦接，使第一输入回路Li1与该第二输入回路Li2形成一共负端路径Lg，因此可仅使用单一个电流感测单元190测量第一升压电路12与该第二升压电路14的总电流It。其中，控制单元16在第一电源V1与第二电源V2的电压差在第一预定范围的条件下维持流过第一电感L1的第一电流I1与流过第二电感L2的第二电流I2大致均流，因此电流感测单元190所测量到的总电流It即大致上等于第一电流I1与第二电流I2的平均。
请参阅图6为本发明具有保护电路的升压转换模块第五实施例的电路方框图，复配合参阅图1～图5。在图6中是以图2的升压转换模块10架构为例，升压转换模块10进一步包括比流单元192，比流单元192耦接耦合电感Lc，其具体的位置可以在耦合电感Lc、第一电源V1及第二电源V2之间，或者耦合电感Lc、第一节点A及第二节点B之间。比流单元192虽然类似于耦合电感Lc，也是利用线圈绕制，但其打点端与第一电源V1及第二电源V2连接关系与耦合电感Lc相异，且线圈数也较少。如图6所示，比流单元192的异名端耦接耦合电感Lc的同名端，比流单元192用以在第一电源V1与第二电源V2的电压差在第二预定范围内，维持流过第一电感L1的第一电流I1与流过第二电感L2的第二电流I2为均流。
其原因在于，比流单元192中的两绕组打点端为相反端。因此当第一电流I1较大时，比流单元192会通过耦合效应而感应到第二升压电路14，以拉近第一电流I1与第二电流I2的差距而保持两升压电路为均流(第二电流I2较大亦是如此)。因此，第二预定范围会大于第一预定范围。即使用比流单元192的升压转换模块10可以在第一电源V1与第二电源V2的电压差更大的情况下，仍可保持第一电流I1与第二电流I2为均流。
以上所述仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与示图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本申请的专利范围。

Claims (14)

1.一种具有保护电路的升压转换模块，包括：
一第一升压电路，耦接一第一电源，且包括一第一电感与一第一开关单元构成的一第一输入回路；
一第二升压电路，耦接一第二电源，且包括一第二电感与一第二开关单元构成的一第二输入回路，该第一电感与该第二电感构成共铁芯架构的一耦合电感；
一第一单向导通元件，耦接于该第一输入回路，且用以阻挡该耦合电感感应至该第一输入回路的一第一逆向电流；及
一第二单向导通元件，耦接于该第二输入回路，且用以阻挡该耦合电感感应至该第二输入回路的一第二逆向电流。
2.如权利要求1所述的升压转换模块，其中还包括：
一第三单向导通元件，跨接于该第一升压电路的一输入端，且用以提供该第一电源反接时的一第一反接箝位路径；
一第四单向导通元件，跨接于该第一升压电路的一输入端，且用以提供该第二电源反接时的一第二反接箝位路径。
3.如权利要求2所述的升压转换模块，其中，该第一单向导通元件、该第二单向导通元件、该第三单向导通元件及该第四单向导通元件为一二极管。
4.如权利要求1所述的升压转换模块，其中，该第一开关单元的一第一端耦接该第一电感，该第二开关单元的一第一端耦接该第二电感，且该第一开关单元的一第二端与该第二开关单元的一第二端共同耦接，使该第一输入回路与该第二输入回路形成一共负端路径。
5.如权利要求4所述的升压转换模块，其中还包括：
一电流感测单元，耦接于该共负端路径，且用以侦测流过该第一升压电路与该第二升压电路的一总电流。
6.如权利要求1所述的升压转换模块，其中该，耦合电感的同名端分别耦接该第一电源的一正端与该第二电源的一正端。
7.如权利要求6所述的升压转换模块，其中还包括：
一比流单元，耦接该耦合电感；
其中，该比流单元的异名端耦接该耦合电感的同名端。
8.如权利要求1所述的升压转换模块，其中，该第一升压电路与该第二升压电路为一升压转换器，且该第一电感与该第一开关单元之间包括耦接一第一功率二极管的一第一节点，该第二电感与该第二开关单元之间包括耦接一第二功率二极管的一第二节点。
9.如权利要求8所述的升压转换模块，其中，该第一单向导通元件耦接该第一电感与该第一节点之间，或该第一单向导通元件耦接该第一节点与该第一开关单元之间，或该第一单向导通元件耦接该第一电源与该第一电感之间。
10.如权利要求8所述的升压转换模块，其中，该第二单向导通元件耦接该第二电感与该第二节点之间，或该第二单向导通元件耦接该第二节点与该第二开关单元之间，或该第二单向导通元件耦接该第二电源与该第二电感之间。
11.如权利要求1所述的升压转换模块，其中，该第一升压电路与该第二升压电路为一飞跨电容升压转换器，且该第一电感与该第一开关单元之间包括耦接一第一功率二极管组的一第一节点，该第二电感与该第二开关单元之间包括耦接一第二功率二极管组的一第二节点。
12.如权利要求11所述的升压转换模块，其中，该第一单向导通元件耦接该第一电感与该第一节点之间，或该第一单向导通元件耦接该第一节点与该第一开关单元之间，或该第一单向导通元件耦接该第一电源与该第一电感之间。
13.如权利要求11所述的升压转换模块，其中，该第二单向导通元件耦接该第二电感与该第二节点之间，或该第二单向导通元件耦接该第二节点与该第二开关单元之间，或该第二单向导通元件耦接该第二电源与该第二电感之间。
14.如权利要求1所述的升压转换模块，其中，该第一开关单元与该第二开关单元被控制在一误差范围内同步切换。
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