TW201249084A - High step-up DC-DC converter with leakage inductance energy recycled - Google Patents

Description

201249084 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具漏感能量回收高升壓直流-直流 轉換系統，尤指一種將一低壓直流電升壓為一高壓直流 電、並可將漏感能量進一步回收以減少功率消耗之漏感能 量回收高升壓直流-直流轉換系統。 【先前技術】 昇壓轉換器是一種將一輸入直流電壓轉換成一輸出直 流電壓的電源轉換器，其中’輸出直流電壓大於它的輸入 直流電壓。它是一種切換模式電源供應器。昇壓轉換器主 要利用電感抗拒改變電流的趨勢。當對電感儲能時，該 電感充當負荷和吸收能量，當釋能時，該電感所產生的電 壓係與電流變化率相關，藉此產生與輸入直流電壓不同的 輸出直流電壓。 △ *壓轉換器卫作在連續導通模式時，其具有—導通狀 態及-截止狀態。其電壓增益〜可表示為：

Gv =^QUT =J_

Vin ~T^D , 整工二 壓轉換器内一開關的工作週期。箱 -作週期’則可獲得不同. 變大且接近!時，則可得^ 〜亦即备工作 、付到兩的輪出直流電壓。 4 201249084 resistance, 然而由於等效串連阻抗（equivalent series ESR)會將低電壓增益及轉換效率，在實際上很難設計具有 南電麼增益的昇壓轉換器。 方、疋返馳式轉換器（flyback converter)即被提出以解 决上述之問題。返驰式轉#奐器可使用於交流/直流轉換與直 μ/直流轉換，其在輸入與輸出之間使用一電隔離丨πη丨c isolation)。然而，返驰式轉換器其切換裝置由於變壓器繞 線組所產生的漏感，轉換器本身需承受漏感所造成的高電 壓及问電流，容易導致轉換器的損毀，故需使用高壓製程 的凡件，如此一來，轉換器的製造成成本將大幅的增加。 因此，如何降低元件的製造成本、以及如何改善繞線 組所產生的漏感問題便成為業界及學界所關注的議題。也 因此，業界極需要一種可降低元件的製造成本、及可回收 漏感能量以避免因漏感而導致轉換器的損％的具漏感能量 回收高升壓直流-直流轉換系統。 【發明内容】 本發明之目的係在提供一種具漏感能量回收高升壓直 ^直流轉換以，俾能使用-功率開關、二極體和輸出電 谷’即可達成高的直流輸出電壓，並可將漏感能量進一步 回收以減少功率消耗，以提高電路之整體效率。 &為達成上述目的，本發明之具漏感能量回收高升壓直 "IL直/,IL轉換糸統，係用以將一低壓直流電升壓為一高壓直 ί丁'匕括.包壓輸入單元，係用以輸入此低壓直流 201249084 電’一二繞組變壓器，係具有—次側繞組、一第一二次 側繞組、及一第二二次側繞組；一功率開關，係電性連接 至此二繞組變壓器之此一次側繞組及此電壓輸入單元；一 第一電容，此第一冑容的一端係、電性連接至此三繞組變壓 器之此一次側繞組；一第一二極體，係具有一正極端及一 負極端，且此正極端係電性連接至此三繞組變壓器之此一 次側繞組，此負極端則電性連接至此第一電容之未與此一 次側繞組電性連接的另一端；一第二電容，此第二電容的 一端係電性連接至此第一二極體之此負極端，此第二電容 的另一端則電性連接至此第一二次側繞組；一第二二極 體’係具有一正極端及一負極端’且此第二二極體的—正 極端係電性連接至此第一二極體之此負極端；—第三二極 體，係具有-正極端及-負極端，且此正極端係電性連接 至此三繞組變壓器之此第二二次側繞組；一第三電容此 第三電容的-端係電性連接至此第一二次側繞組，此第三 電容的另-端則電性連接至此第三二極體之此負極端；: 第四二極趙’係具有—正極端及-負極端，且此正極端係 電性連接至此第三二極體之此負極端；一第四電容，此第 四電容的-端係電性連接至此第—二次側繞組此第四電 ，的另-端則電性連接至此第二二次側繞組；—輸出電 谷，此輸出電容的-端係電性連接至此第四二極體之此負 極端，此輸出電容的另-端則電性連接至此第一二極體之 此正極端；以及一負載單元’係跨接於此輸出電容之兩端， 用以輸出此高壓直流電。 201249084 ’、中夂本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉 換系統中，兑所庙田七t “所^用之功率開關並無限定為何種功率開 m開關功能之功率開關皆可適用於本發明中。 然而，此處之功率開關較佳為-低耐壓之功率開關、或為 t Baa It (Insulated Gate Bipolar Transistor) 〇 ;本i s更佳K例中，此功率開關更佳為一 電晶體。 匕第一-人側繞組與此一次側繞組之阻數比係 與此第二二次側繞組與此—次側繞組之隨比較佳為相 5 此來Ί間化本發明之具漏感能量回收高升壓直 流·直流轉換系統之電路架構，使得本發明之具漏感能量回 收高㈣直流·直流轉換系統在電路的分析上更為簡便。 此夕I ’本發明之具漏感能量回收高升壓直流·直流轉換 系統之操作模式i無限㈣，例#為不ϋ續導通模式 (D1Scontinuous conducti〇n M〇de)、邊界導通模式仙如ry Conduction Mode)、或連續導通模式（c〇ntinu〇us c⑽加州〇n

Mode)…;' 而，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流 轉換系統之操作模式較佳為操作於連續導通模式。 其中，§本發明之具漏感能量回收高升壓直流直流轉 換系統操作於上述之連續導通模式時，其係具有一第一操 作狀態及-第二操作狀態。再者，當本發明之具漏感能量 回收高升壓直流-直流轉換系統於此第一操作狀態時，此功 率開關、及此第二二極體係為導通狀態，而此第一二極體、 及此第三二極體係為截止狀態。於此同時本發明之具漏 感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之電路動作即如下 201249084 所述：此三繞組變壓器之此第一二次側繞組及此第二二次 側繞組接收並儲存一由此輸入低壓直流電所提供之能量， 此二繞組變壓器之此第一二次惻繞組及此第二二次側繞組 並對此第二電容進行充電，而此第一電容、此第二電容、 及此第二電容則對此負載單元進行放電。 另一方面’當本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直 流轉換系統於此第二操作狀態時，此功率開關、及此第二 二極體係處於一載止狀態，而此第一二極體、及此第三二 極體則處於一導通狀態。於此同時，本發明之具漏感能量 回收咼升壓直流-直流轉換系統之電路動作即如下所述：此 二繞組變壓器之此一次側繞組對此第一電容充電，此三繞 組變壓Is之此第一二次側繞組及此第二二次側繞組則對此 第三電容進行充電。 此外，本發明之具漏感能量回收高升壓直流直流轉換 系統的電壓增益則由下列公式所描述： ^ 1 + 2n 其申，Gv為電壓增益，n為此第一二次側繞組與此一次 側凌組之IS數比或此第二二次側繞組與此一次側繞組之匝 數比，D則為此功率開關的工作週期。 【實施方式】 有關本發明之具漏感能量回收高升壓直流直流轉換 系統，請參閱_1，_1係本發明之具漏感能量回收高升壓 201249084 直流-直流轉換系統之電路架構示意圖。如圖1所示，本發 明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統係用以將 一低壓直流電升壓為一高璧直流電，包括：—電壓輸入單 元Vin、一三繞組變壓器、一功率開關S|、一第—電容、 一第二電容C2、一第三電容c：3、一第四電容C4、一輸出電 容C5、一第一二極體D丨、一第二二極體〇2、—第三二極體 D；}、一第四—極體〇4、以及一負載單元r。其中，前述之三 繞組變壓器具有一一次側繞組!^、一第一二次側繞組Μ」、 及’^第一 欠側繞組N s 2。 電壓 此外，每一二極體皆具有一正極端及一負極端 輸入單元vin係用以輸入上述之低壓直流電，功率開關S|則 連接前述之三繞組變壓器之一次側繞組Np及電壓輸入單元 vin ’而第一電容Cl的一端係電性連接至前述之三繞組變壓 器之-次側繞組Nsl。再者，第—二極體Di之正極端係電性 連接至刖述之三繞組變壓器之一次側繞組Np，而第一二極 體D,之負極端則電性連接至此第—電容q之未與此一次側 繞組Np電性連接的另一端。 力 -电谷C2的一端係電性連接至此第 乃囬 極體D〗之此負極端，而第_雷交r认口 叫弟一冤合（：2的另一端則電性連接至 匕第人側·、堯組队，，而第二二極體D2的一正極端係電性 連接至此第-二極體Di之此負極端。再者，第三二極體^ 的正極端係電性連接5命— 埂接至則述之二繞組變壓器之此第二二次 側繞組，第二雷交r χ山〆 電合C3的一端係電性連接至此第一二次側 201249084 ’’堯·.且Ns丨而第二電容C：3的另一端則電性連接至此第三二極 體D3之此負極端。 再者，第四一極體的正極端係電性連接至此第三二 極體口3之此負極端’第四電容^的―端係電性連接至此第 一二次側繞組Nsl ’而第四電容c；4的另一端則電性連接至此 第 次側繞組队2。最後，輸出電容C5的一端係電性連接 至此第四一極體A之此負極端，而輸出電容Q的另—端則 電性連接至此第-二極體D|之此正極端，負載單元r係跨接 於此輸出電容之兩端C：5,用以輸出上述之高壓直流電。 在本實施例中，功率開關Sl並無限定為何種功率開 關，故任何具有開關功能之功率開關皆可適用於本發明之 具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統中。然而，本發 明之具漏感能量回收高升壓直流_直流轉換系統所選用之 功率開關係為一低耐壓之功率開關，如— M〇s電晶體。再 者，於本發明之具漏感能量回收高升壓直流·直流轉換系統 中，第一二次側繞組Nsl與一次側繞組Np之匝數比係與第二 二次側繞組Ns；2與此一次側繞組Np之匝數比相同。 除此之外，第四電容Cil的設置係為防止第一二次側繞 組NS1、第二二次側繞組Να之間電壓不平衡問題，並進一步 防止因第一二次側繞組Ns|及第二二次側繞組队2之間電^ 不平衡所產生電流逆流。 而當本發明之具漏感能t回收高升壓直流直流轉換 系統係操作於一連續導通模式時，本發明之具漏感能量回 收高升壓直流-直流轉換系統即具有兩種操作狀態，即一第 201249084 ^作㈣態Q以下’將分別詳述本發明 之具漏感能量回收高升壓直流·直流轉換系統於此兩種操 作狀態下，各組成元件的作動： 首先，由於在連續導通模式下，因第一二次側繞組心 及第一一次側繞組Ns2的特性與結構料完全相等。所以， 第四電容（：4可被忽略並視為短路。如此—來，本發明之且 漏感能量回收高升壓錢·直流轉㈣_電路分析可進 一步被簡化。 請先參閱圖2，圖2係本發明之1、-巨味、^ θ ^ 贯巧义具馮感能量回收高升壓 直流-直流轉換系統於連續莫通槿式τ +他 史只守通犋式下之第一操作狀態示 意圖。於第一操作狀態時，功率間關 ^ 刀午開關si、及第二二極體D2 係為導通狀態，而此第一二極體da 蚀菔U丨及此第三二極體D3係 為截止狀態。如此，電壓輪入认 !荆八早兀Vin的電流流經功率開關 S,及三繞組變壓器的一次側繞組〜，而形成一迴路L|。於 此同時，三繞組變壓器的一次側繞組〜由電壓輸入單元、 接收並儲存能量。 再者’另一迴路L2的電流則流經前述之三繞組變壓器 的第一二次側繞組Ns，、第二二次側繞組队2、第二電容c2、 及第二二極體E>2。其中，三繞組變壓器的第一二次側繞組 Ns,係對第二電容C2進行充電。此外，電流則流經第一電容 c,、第二電容<：2、及第三電容C3,且第一電容C|、第二電 容C2、及第三電容(：3所形成之迴路L3則對負載民進行放電。 接著，請再參閱圖3，圖3係本發明之具漏感能量回收 南升壓直/;IL -直流轉換糸統於連續導通模式下之第二操作 201249084 狀態示意圖。於此第二操作狀態時，功率開關s,、及第二 二極體D2係處於一裁止狀態’而第一二極體'及第三二 極體D3則處於一導通狀態。 此時，儲存於前述之三繞組變壓器之一次側繞組^的 能量會對第一電容(^進行充電，即如圖3中所示由三繞組變 壓器之一次側繞組Np、第一二極體D,、及第一電容C|所構 成之迴路L4。同時，此一能量會傳送至三繞組變壓器之第 一二次側繞組Nsl及第二二次側繞組My，並對第三電容C3 進行充電即如圖3中所示由第一二次側繞組Ns|、第四電容3 C4、第二二次側繞組^^2、第三二極體、及第三電容匸3所 形成之迴路l5。 而從上述之說明，且再配合本發明之具漏感能量回收 高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下之第一操作

..... _，爪付俠示汍的m壓增益gv為係 由下列公式所描述： n 1 + 2n (式 1);

Cj ---

1-D 其中’ Gv為電壓增益 側繞組之匝數比或此第二 數比，D則為itk 本U Hfl J. 201249084 感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式 下，從第一操作狀態切換至第二操作狀態時，儲存於三繞 組變壓器之一次側繞組Np的能量會對第一電容C|進行充電 (即圖3所示之迴路L4) ’如此一來，電容C|即可達到將能量 回收的作用。而儲存電容C|i能量並再於當本發明之具漏 感能量回收高升壓直流-直流轉換系統從第二操作狀態切 換至第一操作狀態時對負載R進行放電（即圖2所示之迴路 L3)。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已’本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準而非僅限 於上述實施例。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統 之電路架構示意圖。 圖2係本發明之具漏感能量回收高升壓直流直流轉換系統 於連續導通模式下之第-操作狀態示意圖。 圖3ίτ、本發明之具漏感能量回收高升壓直流直流轉換系統 於連續導通模式下之第二操作狀態示意圖。 【主要元件符號說明】 Vin電壓輸入單元 Nsl第一二次惻繞組 S'功率開關

Np 一次側繞組 Ns2第二二次側繞組 C, 第一電容 13 201249084 c2 第二電容 c3 第三電容 c4 第四電容 C5 輸出電容 D, 第一二極體 d2 第二二極體 d3 第二二極體 d4 第四二極體 R 負載單元 L,- •L5迴路

Claims (1)

1. 201249084 七、申請專利範圍： 1. 一種具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統， 係用以將一低壓直流電升壓為一高壓直流電，係包括： 一電壓輸入單元’係用以輸入該低壓直流電： 一二繞組變壓器’係具有—次側繞組、一第一二次 側繞組、及一第二二次側繞組； 一功率開關，係電性連接至該三繞組變壓器之該一次 側繞組及該電壓輸入單元； —第一電容’該第一電容的一端係電性連接至該三繞 組變壓器之該一次側繞組； 第一極體’係具有一正極端及一負、極端，且該正 極端係電性連接至該三繞組變壓器之該一次側繞組，該負 極端則電性連接至該第一電容之未與該一次側繞組電性連 接的另一端； —第二電容，該第二電容的一端係電性連接至該第一 第 極體之忒負極端’該第二電容的另一端則電性連接至該 —一次側繞組； 端 第一極體，係具有一正極端及一負極端，且該第 極體的一正極端係電性連接至該第一二極體之該負極 ~第三二極體， 極蠕係電性連接至該 ίτ'具有一正極端及一負極端，且該正 三繞組變壓器之該第二二次惻繞組； 201249084 第二電容’該第三一 二次側繞組，該第三電^的Ή性連接至該第一 4 電令的另一端則電性連接至該第=_ 極體之該負極端； 中— 一第四二極體’係 極端係電性連接至該第：、 及—負極端，且該正 牙一一極體之該負極端； 第四電谷，該第四 一 二次側繞組，該第四電容二的％係電性連接至該第-次側繞組； -的另-知則電性連接至該第二二 一輸出電容’該輪出電容的-端係電性連接至該第四 二極體之該負極端，访认丨 。第 ^ . "輸出電容的另-端則電性連接至謂 第一極體之該正極端；以及 負載單it係跨接於該輸出電容之兩端 該高壓直流電。 ® 2.如f請範圍第丨項所述之具漏感能量回收高升壓直 流-直流轉換系統，其中，該功率開關係為一低耐壓之功率 開關。 3. 如申印範圍第2項所述之具漏感能量回收高升壓直 流-直流轉換系統，其中，該低耐壓之功率開關係為— M〇s 電晶體。 4. 如申請範圍第1項所述之具漏感能量回收高升壓直 流-直流轉換系統，其中，該第一二次側繞组與該一次側繞 組之匝數比係與該第二二次側繞組與該一次側繞組之沮數 比相同。 16 201249084 5.如申印範圍第4項所述之具漏感能量回收高升壓直 流-直流轉換系統，其中，該轉換系統係操作於—連續導通 杈式，且該轉換系統操作於該連續導通模式時，具有—第 一插作狀態及一第二操作狀態。 6·如申請範圍第5項所述之具漏感能量回收高升壓直 流-直流轉換器’其中’當該轉換器於該第一操作狀態時， 該功率開關、及該第二二極體係為導通狀態，而該第一二 極體、及該第三二極體係為裁止狀態。 7·如申請範圍第6項所述 漏软H&夏回收高升壓直 流-直流轉換系統’其中，該三繞組變壓器之該第—二次側 繞組及該第二二次側繞組接收並儲存—由該輸入低壓直流 電所提供之能量’該三繞組變壓器之該第_二次側繞組及 忒第 次側繞組並對該第二電容進行充電，.而該第一電 容、該第二電容、及該第三電容則對該負載單元進：放電。 土 8_如申請範圍第5項所述之具漏感能量回收高升壓直 机-直流轉換系統，其中，當該轉換系統操作於該 狀態時，該功率開關、及該第二二極體係處於—戴止：離， 而該第-二極體、及該第三二極體則處於一導通狀能厂 9.如巾請範圍第8項所述之具漏感能量回收/ =轉：系統’其中，該三繞組變壓器之該—次側繞組 物-遣容充電’該三燒組變壓器之該第—二次側繞組 及炫第一二次側繞組則對該第三電容進行充電。 201249084 丨〇·如申請範圍第1項所述之具漏 古泣姑β 4月t*里回收尚升壓直 抓-直"_L轉換乐統，其中，該具 ^ ,A ^ „ 物&叱$回收高升壓直流_ 直μ轉換/η統的電壓增益為： η 1 + 2η °ν =-7—-, 1-D 其中’ Gv為電壓增益’ η為該第—_ /Ι/Α 乐一次側繞組與該一次 側，，堯組之匝數比或該第二二次側飨 ^ 人叫現組與該一次側繞組之匝 數比，D則為該功率開關的工作週期。 八、圖式（請見下頁）：