TW201338383A - 電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器 - Google Patents

Abstract

本發明係在提供一種電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器，主要係設有輸入電源連接扼流電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及一組共振槽，共振槽係由共振電感串聯共振電容所組成，該共振槽連接全波整流倍壓電路，最後並聯濾波電容及負載；如此，利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。

Description

電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器

本發明係有關於一種電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器，特別係設有輸入電源連接扼流電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及一組共振槽，共振槽係由共振電感串聯共振電容所組成，該共振槽連接全波整流倍壓電路，最後並聯濾波電容及負載；如此，利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。

長久以來人類對於地球上的自然資源過度開發，導致地球上的自然資源日漸匱乏，近年來人類開始意識到這個問題的嚴重性，且因科技與經濟迅速的發展，使人們的日常生活與電子產品有著密不可分的關係，但由於人類大量的使用石油、天然氣和煤炭，更造成全球的溫室效應與暖化，為了減緩全球溫室效應，並且管制二氧化碳的排放量，於是在1997年日本京都通過京都議定書，用以規定工業國家之二氧化碳減量責任。基於法令以及環保意識的抬頭，在發展電子科技的同時必須要解決日益嚴重的環保問題，然而造成環保問題的原因之一為電子產品的轉換效率低落而造成能源不必要的浪費。因此，如何提升能源的轉換技術，藉此提高電源的利用率，已成為現在與未來的科技發展重點，故在電力電子領域中，提高電路轉換效率變成當今重要的主題。

電子產品所使用的轉換器，通常是以硬式切換的方式為主，且功率開關操作於高頻切換下，會造成電子產品的轉換效率低落，若使用具有柔性切換特性之轉換器，就能改善上述之問題，而共振式轉換器即為具有柔性切換特性之轉換器，此電路利用電感與電容所組成之共振電路，使功率開關上的電壓或電流降至零時進行切換，且當電路上之電容、電感以及切換頻率參數選擇適當，就可使功率開關操作在零電壓或零電流切換下，使功率開關切換損失降低，提高轉換器整體之效率；緣此，本發明人有鑑於習知存在有如上述之缺失，乃潛心研究、改良，遂得以首先發明本發明。

本發明之主要目的，係在提供一種利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率之電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器。

本發明之特徵係在：輸入電源連接扼流電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及一組共振槽，共振槽係由共振電感串聯共振電容所組成，該共振槽連接全波整流倍壓電路，最後並聯濾波電容及負載。

有關本發明為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：本發明之實施例，請參閱第一圖所示，主要係設有輸入電源V_DC連接扼流電感L_m串聯功率開關S，再於功率開關S上並聯分流電容C及一組共振槽1，共振槽1係由共振電感L_s串聯共振電容C_s所組成，該共振槽1連接全波整流倍壓電路2，全波整流倍壓電路2係由二極體D₁、D₂連接電容C₁、C₂所組成，該二極體D₁、D₂係為快速恢復(Fast Recovery)二極體或蕭特基(Schittky)二極體，最後並聯濾波電容C_o及負載R。

使用時，請參閱第一、二圖所示，在輸入電源V_DC(電源側)輸入一直流電壓，經過扼流電感Lm後將直流電壓轉換成直流電流源(扼流電感電流i_Lm)，其電流漣波很小，再驅動功率開關S切換導通，功率開關S係選擇MOSFET電晶體開關，其內寄生之反向二極體可配合電路動作時流經功率開關S之逆向電流，再經分流電容C，而共振槽1係由共振電感L_S串聯共振電容C_S所組成，其輸入端由功率開關S作高頻切換得到弦波，負載R側的直流電壓是利用全波整流倍壓電路2串聯於共振槽1，將高頻交流電壓轉換成直流電壓而得，負載R端電壓是經由濾波電容C₀濾波穩壓後提供給負載R，其輸出端是經高頻整流過後，所得的漣波率會比在低頻整流過後小的很多，因此可以得到更趨近於直流的電壓給負載R，而濾波電容C₀的電容值大小，可經由電路設計計算出來，通常濾波電容C₀的電容值越大，電路特性會越更加明顯。

本發明相關元件之波形，如第三圖所示，依其工作模式一～六可得第四～九圖，而此六個工作模式分別為：

一、工作模式一(ωt ₀ ωt<ωt ₁ )，如第四圖所示：在ωt₀時，驅動電壓V_gs由低電位變為高電位，此時功率開關S切換導通，因共振電感電流i_Ls大於扼流電感電流i_Lm，i_Lm-i_Ls小於零，所以電流反向流經功率開關S，功率開關電流i_S由小於零漸漸上升，而分流電容C無電流通過，共振電感電流i_Ls為正值，流經共振電容C_S並對共振電容C_S充電，共振電容電壓V_Cs上升，當i_Lm-i_Ls等於零的同時，功率開關電流i_S也上升至等於零，此時共振電感電流i_Ls大於零，二極體D₁導通，當功率開關S升至等於零時，進入工作模式二。

二、工作模式二(ωt ₁ ωt<ωt ₂ )，如第五圖所示：

在ωt₁時，功率開關S仍為導通，此時i_Lm-i_Ls大於零，電流流經功率開關S，功率開關電流i_S為大於零，分流電容C仍無電流通過，共振電感電流i_Ls仍為正值且持續下降，在流經共振電容C_S並對共振電容C_S充電，共振電容電壓V_Cs上升，當共振電容電壓V_Cs上升達到峰值時，共振電感電流i_Ls降至零點，因此共振電感電流i_Ls大於零，此時二極體D₁仍維持繼續導通，當共振電感電流i_Ls降至零時，進入工作模式三。

三、工作模式三(ωt ₂ ωt<ωt ₃ )，如第六圖所示：

在ωt₂時，功率開關S仍為導通，此時共振電感電流i_Ls由零開始下降，共振電容電壓V_Cs由峰值開始下降，因共振電感電流i_Ls小於扼流電感電流i_Lm，i_Lm-i_Ls仍維持大於零，所以電流流經功率開關S，功率開關電流i_S為正值且漸漸上升，分流電容C上仍無電流流過，由於共振電感電流i_Ls小於零，共振電流換向流經二極體D₂，當驅動電壓V_gs由高電位變為低電位時，進入工作模式四。

四、工作模式四(ωt ₃ ωt<ωt ₄ )，如第七圖所示：

在ωt₃時，驅動電壓V_gs由高電位變為低電位，共振電感電流i_Ls仍小於扼流電感電流i_Lm，i_Lm-i_Ls仍大於零，因此功率開關S截止，所以電流流經分流電容C，所以分流電容電流i_C為正值，共振電容電壓V_Cs由正值降為負值，共振電感電流i_Ls由負值開始上升，由於共振電感電流i_Ls小於零，此時二極體D₂為導通，當共振電感電流i_Ls升至零點時，進入工作模式五。

五、工作模式五(ωt ₄ ωt<ωt ₅ )，如第八圖所示：

在ωt₄時，功率開關S仍為截止，共振電感電流i_Ls仍小於扼流電感電流i_Lm，i_Lm-i_Ls大於零，電流流經分流電容C，所以分流電容電流i_C仍為正值，共振電容電壓V_Cs由負值上升至正值，共振電感電流i_Ls由零開始上升，由於共振電感電流i_Ls大於零，此時二極體D₂仍維持繼續導通，當共振電感電i_Ls上升至等於扼流電感i_Lm電流，也就是i_Lm-i_Ls等於零時，進入工作模式六。

六、工作模式六(ωt ₅ ωt<ωt ₆ )，如第九圖所示：

在ωt₅時，功率開關S仍為截止，共振電感電流i_Ls大於扼流電感電流i_Lm，i_Lm-i_Ls小於零，電流反向流經分流電容C，所以分流電容電流i_C為負值，共振電感電流i_Ls為正值，對共振電容C_s充電，共振電容電壓V_Cs上升，由負值轉為正值，此時二極體D₁導通，當功率開關電壓V_ds跨壓降至為零時，功率開關S切換至導通，電路動作重新進入工作模式一。

而驅動電壓V_gs與功率開關電壓V_ds實測波形圖，如第十圖所示，在驅動電壓V_gs於高電位時，功率開關S為導通，功率開關電壓V_ds為零，驅動電壓V_gs為低電位時，功率開關電壓V_ds由零開始上升，在驅動電壓V_gs由低電位轉為高電位時，功率開關電壓V_ds降至為零，由此可知功率開關S操作於零電壓切換，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：10V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div。

而驅動電壓V_gs與功率開關電流i_S實測波形圖，如第十一圖所示，當功率開關S導通瞬間，因共振電感電流i_Ls大於扼流電感電流i_Lm，電流反向流經功率開關S，故功率開關電流i_S為負值時切換導通，另當功率開關S截止時，功率開關電流i_S為零，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：500mA/div。

而分流電容電壓V_c與分流電容電流i_C實測波形圖，如第十二圖所示，當功率開關S截止時，分流電容電壓V_C上升，上升至最高點時，共振電感電流i_Ls大於扼流電感電流i_Lm，電流反向流經分流電容C，另當功率開關S導通時，i_Lm-i_Ls流經功率開關S，分流電容C上並無電流，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。

而共振電容電壓V_CS與共振電感電流i_LS實測波形圖，如第十三圖所示，由圖中可看出共振電容電壓V_CS與共振電感電流i_LS所呈現的交流弦波，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。

而共振電感電壓V_LS與共振電感電流i_LS實測波形圖，如第十四圖所示，當共振電感電壓V_Ls大於零時，共振電感L_s開始儲存能量，共振電感電流i_Ls上升，當共振電感電壓V_Ls小於零時，共振電感L_s釋放能量，共振電感電流i_Ls下降，而共振電感電壓V_Ls上的突波，是因為輸出端整流二極體(D₁、D₂)在切換時所造成的現象，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。

而共振電容電壓V_CS與共振電容電流i_CS實測波形圖，如第十五圖所示，當共振電容電流i_Cs大於零時，共振電容C_S開始儲存能量，共振電容電壓V_Cs上升，反之共振電容電流i_Cs小於零時，共振電容C_S釋放能量，共振電容電壓V_Cs下降，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。

而共振槽輸入電壓V_a與共振槽輸出電壓V_b實測波形圖，如第十六圖所示，共振槽輸入電壓V_a就是等於並聯分流電容C上的電壓，共振槽輸出電壓V_b為經由共振槽1共振後所得的交流方波電壓，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：100V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div。

而共振槽輸出電壓V_b與共振電容電流i_CS實測波形圖，如第十七圖所示，由圖中可看出共振槽輸入電壓V_a經由共振槽1共振，所得到的交流輸出電壓與輸出電流，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：1A/div。

而輸出電壓V_out與輸出電流i_out實測波形圖，如第十八圖所示，其CH1：X軸：5μs/div、Y軸：50V/div；CH2：X軸：5μs/div、Y軸：500mA/div。

本發明利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。

綜上所述，本發明實施例確實已能達到所預期之目的及使用功效，且未見有相同結構特徵公知、公用在先者，故本發明當能符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，懇請早日審結，並核賜專利，實深任感荷。

1．．．共振槽

2．．．全波整流倍壓電路

V_DC、V_in．．．輸入電源

i_in．．．輸入電流

L_m．．．扼流電感

i_Lm．．．扼流電感電流

V_Lm．．．扼流電感電壓

S．．．功率開關

i_S．．．功率開關電流

V_ds．．．功率開關電壓

V_gs．．．驅動電壓

C．．．分流電容

i_C．．．分流電容電流

V_c．．．分流電容電壓

V_a．．．共振槽輸入電壓

L_s．．．共振電感

i_LS．．．共振電感電流

V_LS．．．共振電感電壓

C_s．．．共振電容

i_CS．．．共振電容電流

V_CS．．．共振電容電壓

V_b．．．共振槽輸出電壓

D₁、D₂．．．二極體

i_D1、i_D2．．．二極體電流

V_D1、V_D2．．．二極體電壓

C₁、C₂．．．電容

i_c1、i_c2．．．電容電流

V_c1、V_c2．．．電容電壓

C_o．．．濾波電容

i_co．．．濾波電容電流

V_co．．．濾波電容電壓

R．．．負載

i_out．．．輸出電流

V_out．．．輸出電壓

第一圖所示係為本發明實施例之電路圖。

第二圖所示係為本發明實施例之方塊圖。

第三圖所示係為本發明實施例之波形圖。

第四圖所示係為本發明實施例工作模式一之等效電路圖。

第五圖所示係為本發明實施例工作模式二之等效電路圖。

第六圖所示係為本發明實施例工作模式三之等效電路圖。

第七圖所示係為本發明實施例工作模式四之等效電路圖。

第八圖所示係為本發明實施例工作模式五之等效電路圖。

第九圖所示係為本發明實施例工作模式六之等效電路圖。

第十圖所示係為本發明實施例驅動電壓V_gs與功率開關電壓V_ds實測波形圖。

第十一圖所示係為本發明實施例驅動電壓V_gs與功率開關電流i_S實測波形圖。

第十二圖所示係為本發明實施例分流電容電壓V_c與分流電容電流i_C實測波形圖。

第十三圖所示係為本發明實施例共振電容電壓V_CS與共振電感電流i_LS實測波形圖。

第十四圖所示係為本發明實施例共振電感電壓V_LS與共振電感電流i_LS實測波形圖。

第十五圖所示係為本發明實施例共振電容電壓V_CS與共振電容電流i_CS實測波形圖。

第十六圖所示係為本發明實施例共振槽輸入電壓V_a與共振槽輸出電壓V_b實測波形圖。

第十七圖所示係為本發明實施例共振槽輸出電壓V_b與共振電容電流i_cS實測波形圖。

第十八圖所示係為本發明實施例輸出電壓V_out與輸出電流i_out實測波形圖。

1．．．共振槽

2．．．全波整流倍壓電路

V_DC．．．輸入電源

L_m．．．扼流電感

i_Lm．．．扼流電感電流

S．．．功率開關

i_S．．．功率開關電流

V_gs．．．驅動電壓

C．．．分流電容

i_C．．．分流電容電流

L_s．．．共振電感

C_s．．．共振電容

V_b．．．共振槽輸出電壓

D₁、D₂．．．二極體

C₁、C₂．．．電容

C_o．．．濾波電容

R．．．負載

i_out．．．輸出電流

Claims (3)

1. 一種電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器，主要係設有輸入電源連接扼流電感串聯功率開關，再於功率開關上並聯分流電容及一組共振槽，共振槽係由共振電感串聯共振電容所組成，該共振槽連接全波整流倍壓電路，最後並聯濾波電容及負載；如此，利用單一個功率開關在零電壓或零電流切換下，可降低其切換損失，並具有柔性切換的特性，同時提高轉換器的操作效率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器，其中全波整流倍壓電路係由二極體連接電容所組成。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電流饋給單開關串聯負載共振式倍壓型轉換器，其中二極體係為快速恢復二極體或蕭特基二極體。