CN201733220U - 整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是有关于一种整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其包含整合电性连接的一升压转换电路、一顺向式转换电路及一返驰式转换电路，该升压转换电路接受一输入电压源及一控制信号源的信号输入，该升压转换电路、该顺向式转换电路及该返驰式转换电路之间由一变压转换器组合连接；本实用新型的电路架构简易且能达成高功率高电压增益转换，有效降低产品体积重量，使用时仅需配合一组PWM信号控制，对于电路系统设计上此方式可减轻产品成本、体积并有设计简易的优点。

Description

整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器

技术领域

本实用新型涉及一种电压转换电路，特别是涉及一种整合升压-顺向-返驰式高电压增益转换器。

背景技术

电压转换器是使用电子产品不可或缺的重要元素，更是决定电子产品的环境友善(绿能)与否的关键之一。电压转换器随着时代的演进，已经发展出许多利用不同的原理达成电压转换的电路，其主要可以分为非隔离式与隔离式两个群组，其中，非隔离式的电转换器大致上包含有降压式(buck converter)、升压式(boost converter)，而隔离式则有半桥式、全桥式、推挽式(push-pull)、顺向式等种类。虽然前述该些转换电路都能够达到一定的转换能力且各具优点，但其通常需要以更复杂的电路或适应调整，才可能够应用于某些具有高增益需求的用途。

随着对于环保意识提高，人们越来越重视对环境无害的再生能源的利用，例如太阳能、风力、燃料电池或不断电系统等，都在未来的替代能源中扮演重要的角色。前述这些绿能相关电路产品或应用，其本身的输出电压并不高，因此在使用时大部份皆需要高增益大功率高效转换器。然而，对于高电压增益转换器而言，现今高功率转换器大多转换效率较为低落，因此需配合使用较大散热片或散热手段排除损失的热能，非常容易造成产品体积重量变大。虽然转换效率可以通过适应的设计借以改善，然目前许多高功率高电压增益转换器的电路设计却十分复杂，并且控制模式繁多，可能造成实际电路系统于生产上困难度提升及制造成本的提升。

由此可见，上述现有的电压转换器在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。因此如何能创设一种新型结构的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，亦成为当前业界极需改进的目标。

发明内容

本实用新型的目的在于，克服现有的电压转换器存在的缺陷，而提供一种新型结构的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，所要解决的技术问题是使其既有转换电路无法同时满足高增益与设计简单且高效能的需求，致使衍生设计困难、体积庞大、效能不佳、设计成本高等等诸多的技术问题，并巧妙结合升压式(Boost)、顺向式(Forward)与返驰式(Flyback)三种的电路特性，改进高增益比并具有主动箝位效果，并且效率表现更为突出，此种高效率简单控制的方式可以有效降低成本及产品体积。

本实用新型的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。依据本实用新型提出的一种整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其包含整合电性连接的一升压转换电路、一顺向式转换电路及一返驰式转换电路，该升压转换电路接受一输入电压源及一控制信号源的信号输入，该升压转换电路、该顺向式转换电路及该返驰式转换电路之间由一变压转换器组合连接，该升压转换电路及该顺向式转换电路分别包含该变压转换器的输入、输出线圈，而该升压转换电路与该返驰式转换电路亦分别包含该变压转换器的输入、输出线圈，而该顺向式转换电路及该返驰式转换电路则共用该变压转换器的输出线圈，该升压转换电路及该返驰式转换电路的输出端共同形成一输出电压而连接至一负载。

本实用新型的目的以及解决其技术问题还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其中所述的该升压转换电路主要包含一变压输入线圈、一开关元件、一升压电路二极管以及一升压电路电容，该变压输入线圈的两端连接于该输入电压源的第一端及该开关元件的间，其中，该开关元件为一场效晶体管，该变压输入线圈连接于该开关元件的一漏极，该开关元件的一源极则连接于该输入电压源的第二端，该升压电路二极管的正极连接于该开关元件的漏极；该升压电路电容的两端分别连接该升压电路二极管的负极及该开关元件的源极。

前述的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其中所述的该顺向式转换电路主要包含一变压输出线圈、一顺向电路二极管及一顺向电路电容，其中，该变压输出线圈与该变压输入线圈组成该变压转换器，该顺向电路电容的两端分别连接于该变压输出线圈的第一端与该顺向电路二极管的负极，该顺向电路二极管的正极则与该变压输出线圈的第二端连接；及该返驰式转换电路主要包含一返驰电路二极管及一返驰电路电容，并与该顺向式转换电路共用该变压输出线圈；其中，该返驰电路二极管的正、负极分别连接该顺向电路二极管的负极及该返驰电路电容的第一端，该返驰电路电容的第二端则连接于该顺向电路二极管的正极，并同时与该升压电路电容形成串接，而串接的该升压电路电容及该返驰电路电容的两端形成该输出电压。

前述的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其中所述的该控制信号源是一脉冲宽度调压信号。

本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术内容可知，为达到上述目的，本实用新型提供了一种整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其包含整合电性连接的一升压转换电路、一顺向式转换电路及一返驰式转换电路，该升压转换电路接受一输入电压源及一控制信号源的信号输入，该升压转换电路、该顺向式转换电路及该返驰式转换电路之间由一变压转换器组合连接，该升压转换电路及该顺向式转换电路分别包含该变压转换器的输入、输出线圈，而该升压转换电路与该返驰式转换电路亦分别包含该变压转换器的输入、输出线圈，而该顺向式转换电路及该返驰式转换电路则共用该变压转换器的输出线圈，该升压转换电路及该返驰式转换电路的输出端共同形成一输出电压而连接至一负载。

借由上述技术方案，本实用新型整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器至少具有下列优点及有益效果：

1.本实用新型设计电路的架构能达成高功率高电压增益转换，有效降低产品体积重量。

2.本实用新型的电路架构简易，使用时公需配合一组PWM信号控制，PWM信号若操作于50％以内，即不会因PWM的次谐波震荡，造成系统不稳定，如此一来可减少使用斜率补偿电路进行补偿，对于电路系统设计上此方式可减轻产品成本、体积并有设计简易的优点。

3.本实用新型经实验证实，确切能有效降低高功率高电压增益产品体积，可进行高效率转换，整体电路系统设计容易。并具备能量回送机制直接送至输出端，达到主动箝位效果，可降低功率元件电压应力。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例的电路方框示意图。

图2为本实用新型较佳实施例的电路实施范例示意图。

图3为一升压式转换电路及增益模拟示意图。

图4为一顺向式转换电路及增益模拟示意图。

图5为一返驰式转换电路及增益模拟示意图。

图6A为本实用新型较佳实施例的增益模拟示意图。

图6B为各种电压转换电路的增益模拟比较示意图。

图7为本实用新型较佳实施例的电路效益实测图。

图8为本实用新型较佳实施例的工作状态电流示意图。

图9为本实用新型较佳实施例的突波吸收效果示意图。

10：升压转换电路              D1：升压电路二极管

20：顺向式转换电路            C1：升压电路电容

30：返驰式转换电路            N2：变压输出线圈

50：控制信号源                D2：顺向电路二极管

Vi：输入电压源                C2：顺向电路电容

N：变压转换器                 RL：负载

N1：变压输入线圈              D3：返驰电路二极管

S：开关元件                   C3：返驰电路电容

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1所示，其为本实用新型的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益(Boost-Forward-Flyback)转换器的较佳实施例，其包含整合电性连接的一升压转换电路10、一顺向式转换电路20及一返驰式转换电路30，该升压转换电路10与一输入电压源Vi及一控制信号源50连接，该升压转换电路10、该顺向式转换电路20及该返驰式转换电路30的间系由一变压转换器N组合连接，亦即，该升压转换电路10及该顺向式转换电路20系分别包含该变压转换器N的输入、输出线圈，而该升压转换电路10与该返驰式转换电路30亦别包含该变压转换器N的输入、输出线圈，而该顺向式转换电路20及该返驰式转换电路30则共用该变压转换器N的输出线圈。该升压转换电路10及该返驰式转换电路30的输出端共同形成一输出电压而连接至一负载R_L。

更进一步描述的，图2为本实施例的电路布局实施范例，其中，该升压转换电路10主要包含一变压输入线圈N1、一开关元件S、一升压电路二极管D1以及一升压电路电容C1，该变压输入线圈N1的两端连接于该输入电压源Vi的第一端及该开关元件S的间，其中，本实施例的该开关元件S为一场效晶体管，该变压输入线圈N1连接于该开关元件S的一漏极(Drain)，该开关元件S的一源极(Source)则连接于该输入电压源Vi的第二端。该升压电路二极管D1的正极连接于该开关元件S的漏极；该升压电路电容C1的两端分别连接该升压电路二极管D1的负极及该开关元件的源极。

该顺向式转换电路20主要包含一变压输出线圈N2、一顺向电路二极管D2及一顺向电路电容C2，其中，该变压输出线圈N2与该变压输入线圈N1组成前述的该变压转换器N，该顺向电路电容C2的两端分别连接于该变压输出线圈N2的第一端与该顺向电路二极管D2的负极的间，该顺向电路二极管D2的正极则与该变压输出线圈N2的第二端连接。

该返驰式转换电路30主要包含一返驰电路二极管D3及一返驰电路电容C3，并与该顺向式转换电路20共用该变压输出线圈N2；其中，该返驰电路二极管D3的正、负极分别连接该顺向电路二极管D2的负极及该返驰电路电容C3的第一端，该返驰电路电容C3的第二端则连接于该顺向电路二极管D2的正极，并同时与该升压电路电容C1形成串接，而串接的该升压电路电容C1及该返驰电路电容C3的两端形成前述的该输出电压。

在增益运算与表现方面，请参阅图3至图6所示。

请参阅图3A所示，该升压转换电路10的电压增益可为公式(1)，其增益曲线的模拟结果为图3B所示。

$G\left(D\right)=\frac{V_O}{V_I}=\frac{1}{1-D}...\left(1\right)$

请参阅图4A所示，该顺向转换电路20的电压增益可为下列公式(2)，其中，由于一般顺向式转换电路属于降压转换器，其增益小于1，模拟结果为图4B所示。

$G(D,\frac{N_2}{N_1})=\frac{V_O}{V_I}=\frac{N_2}{N_1}D...\left(2\right)$

请参阅图5A所示，该返驰转换电路30的电压增益可为下列公式(3)，其增益模拟结果为图5B所示。

$G(D,\frac{N_2}{N_1})=\frac{V_O}{V_I}=\frac{N_2}{N_1}\frac{D}{1-D}...\left(3\right)$

综合前述公式(1)～公式(3)，本实施例的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益(Boost-Forward-Flyback)转换器的电压增益公式可如公式(4)，其增益模拟如图6A所示。

$G(D,\frac{N_2}{N_1})=\frac{V_O}{V_I}=\frac{1+\frac{N_2}{N_1}}{1-D}...\left(4\right)$

本实施例的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益(Boost-Forward-Flyback)转换器与升压式、顺向式及返驰式的转换电路比较，以前述变压转换器N2/N1＝10的条件进行模拟，其确实能够获得更高的电压增益，如图6B所示。

补充前述公式(4)的推导，本实施例的电路在一稳态分析输出增益时，于TON(DTs)状态下该开关元件S打开，如图8A所示，可下列公式：

VLm＝VI

$\mathrm{VC}3=\frac{N2}{N1}\mathrm{VI}$

在一TON[(1-D)Ts]状态时，开关元件S关闭，如图8B所示，可得知下列公式(5)：

VLm＝Vc1-VI

VI·D＝(Vc1-VI)(1-D)

$V_{C1}=\frac{V_1}{1-D}---\left(5\right)$

又

$V_{C3}=V_{N2}+V_{C2}$

$=\frac{N2}{N1}(V_{C1}-V_I)+\frac{N2}{N1}\mathrm{VI}---\left(6\right)$

$=\frac{N2}{N1}\frac{V_1}{1-D}$

则

$V_o=V_{C1}+V_{C3}$

$=\frac{V_1}{1-D}+\frac{N2}{N1}\frac{V_1}{1-D}---\left(7\right)$

依据上述公式(5)～公式(7)故输出增益如公式：

$\frac{V_O}{V_I}=\frac{1+\frac{N_2}{N_1}}{1-D}$

在实际电路布局方面，本实施例仅需要使用一个控制信号源50控制该开关元件S的动作，该控制信号源50可以是脉冲宽度调压(Pulse widthmodulation，PWM)或类似的控制方式，使本实施例在实际电路布局与控制电路的配置非常的简洁。而所采用的升压转换电路10的架构在此本实施例内可以减低功率开关元件S(MOSFET)的电压应力，因此，本实施例在实体电路布局时可使用电压较小的元件，借以达到降低成本的功效，并且同时具有能量回送机制。本实施例的顺向转换电路20主要对C₂充电则C₂产生

$V_{C2}=V_{N2}=\frac{N_2}{N_1}\·V_i$

本实施例的返驰转换电路30则是对C₃充电则让V_C3＝V_N2+V_C2。

另外，一般使用返驰式(Flyback)的转换电路中，当功效开关元件截止时，因漏感、次级侧线阻、二极管顺向电压与反向回复时间等诸多因素，常容易产生开关元件(场效晶体管)的VDS电压的突波(spike)，如图9A所示。此突波电压不仅会致使效率下降，而且经常迫使电路设计者必须使用电压较高的功率开关元件，而造成成本上升。然而，本实施例，因为所采用的该升压式转换电路10具备能量回送机制，使得此本实施例架构的VDS波形完整几乎无突波(如图9B)，所以不需额外设计突波抑制电路(Snubber电路)借以抑制V_DS上的突波，不仅可以借此简化电路降低成本，并使整体电路的效率能够上升许多。

基于前述分析，本实用新型的架构整合了升压式(Boost)、顺向式(Forward)与返驰式(Flyback)的电路特点，利用升压式(Boost)达到主动箝位效果及降低功率元件电压应力，利用顺向式(Forward)做为倍压回路应用提高增益比以及减少高增益所需的次级测绕线比，利用返驰式(Flyback)搭配升压式(Boost)在功率元件截止时输出能量给负载，使本实用新型同时且具备整体电路设计简易、能量回送机制、能达到主动式箝位功能得以提升电路整体效率、并降低功率元件电压应力等等诸多优点。

经实验证实，本实用新型的整合式Boost-Forward-Flyback转换器具有高电压增益、高转换效率、低电压应力等特性，并且成本较低，确实可适用于许多大功率低电压输出产品。因此，本实用新型完全解决目前市面上许多高增益比转换器的体积过于庞大、价格偏高及效率不佳的特点加以改善。而且本实用新型使用时仅需一组PWM脉宽调压信号，更可更进一步降低成本，利于未来对于太阳能、燃料电池、UPS等大型储能系统使用，能更快速的推广绿色产业。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其特征在于包含整合电性连接的一升压转换电路、一顺向式转换电路及一返驰式转换电路，该升压转换电路接受一输入电压源及一控制信号源的信号输入，该升压转换电路、该顺向式转换电路及该返驰式转换电路之间由一变压转换器组合连接，该升压转换电路及该顺向式转换电路分别包含该变压转换器的输入、输出线圈，而该升压转换电路与该返驰式转换电路亦分别包含该变压转换器的输入、输出线圈，而该顺向式转换电路及该返驰式转换电路则共用该变压转换器的输出线圈，该升压转换电路及该返驰式转换电路的输出端共同形成一输出电压而连接至一负载。

2.如权利要求1所述的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其特征在于所述的该升压转换电路主要包含一变压输入线圈、一开关元件、一升压电路二极管以及一升压电路电容，该变压输入线圈的两端连接于该输入电压源的第一端及该开关元件之间，其中，该开关元件为一场效晶体管，该变压输入线圈连接于该开关元件的一漏极，该开关元件的一源极则连接于该输入电压源的第二端，该升压电路二极管的正极连接于该开关元件的漏极；该升压电路电容的两端分别连接该升压电路二极管的负极及该开关元件的源极。

3.如权利要求2所述的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其特征在于所述的顺向式转换电路主要包含一变压输出线圈、一顺向电路二极管及一顺向电路电容，其中，该变压输出线圈与该变压输入线圈组成该变压转换器，该顺向电路电容的两端分别连接于该变压输出线圈的第一端与该顺向电路二极管的负极，该顺向电路二极管的正极则与该变压输出线圈的第二端连接；及

该返驰式转换电路主要包含一返驰电路二极管及一返驰电路电容，并与该顺向式转换电路共用该变压输出线圈；其中，该返驰电路二极管的正、负极分别连接该顺向电路二极管的负极及该返驰电路电容的第一端，该返驰电路电容的第二端则连接于该顺向电路二极管的正极，并同时与该升压电路电容形成串接，而串接的该升压电路电容及该返驰电路电容的两端形成该输出电压。

4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的整合式升压-顺向-返驰式高电压增益转换器，其特征在于所述的控制信号源是一脉冲宽度调压信号。

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