TW201345121A - 單輸入多輸出直流／直流轉換器 - Google Patents

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Abstract

本發明實施例提供一種單輸入多輸出直流/直流轉換器，透過輔助電路與箝制電路之設置，以及運用耦合電感的漏感特性，使得單輸入多輸出直流/直流轉換器具有低昇壓比的輸出電壓源以及高昇壓比的輸出電壓源。此外，耦合電感的漏感特性更能使開關元件達到零電流切換的效果，進而減少了切換損失以及降低二極體之逆向恢復電流以降低電路中電磁干擾問題。另外，本發明實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器僅需使用一組開關元件，即可使單輸入多輸出直流/直流轉換器輸出多組不同電壓位準的電壓源，不僅降低了電路設計的成本，更增加了實際應用上的實用性。

Description

單輸入多輸出直流/直流轉換器
本發明是有關於一種直流/直流轉換電路，且特別是有關於一種單輸入多輸出直流/直流轉換電路。
近年來，由於能源危機與二氧化碳排放議題倍受全球所關切，使得許多國家不斷地尋找新的替代綠能，在面對現今越趨嚴格的廢氣排放管制、石油漸漸枯竭以及溫室氣體可能引發的全球暖化災變下，汽車業界與各國政府紛紛投入具潔淨效果的燃料電池動力技術之開發，期望能取代傳統的內燃機引擎。
因此，若欲使用燃料電池作為移動載具(例如電動車)之馬達的動力，則需另外搭配一套平衡控制系統(balance of plant，BOP)，藉由監控燃料電池電壓與溫度以判斷是否啟動或停止燃料電池系統。當燃料電池工作溫度過高時，則開啟燃料電池啟週邊設備的水冷系統與風扇，使燃料電池不會因溫度過高而強制關閉系統。
傳統上，為了維持平衡控制系統與燃料電池週邊設備的正常運作，會在燃料電池供電系統上使用輔助電池(例如為一般電池或蓄電池)，以提供平衡控制系統與燃料電池週邊設備的工作電壓位準。另外，燃料電池供電系統的初始啟動亦需要輔助電池來驅動，才可產生足以驅動移動載具的工作電壓位準。
然而，於傳統的燃料電池供電系統的設計上，並未考慮到輔助電池的再利用性，使得當輔助電池於電量耗盡時，平衡控制系統與燃料電池週邊設備在沒有輔助電池所提供的維持工作電壓的情況下，造成燃料電池供電系統的不穩定，進而導致強制關閉或損壞。因此，當輔助電池於電量耗盡時，需重新更換新的輔助電池或原輔助電池進行離線充電動作方可正常運作燃料電池供電系統，但是如此一來，反而會造成燃料電池供電系統在使用上的不方便。
除燃料電池應用外，其他再生能源(例如太陽能光電系統)也都有多組電壓位準輸出需求，因為一般電路控制板或周邊附屬系統需於能源穩定供應前就需要先作動以調制電力輸出，因此單輸入多輸出直流/直流轉換電路為其不可或缺裝置之一。
本發明實施例提供一種單輸入多輸出直流/直流轉換器，使得輔助電池可以為一種具有重複充放電能力的蓄電池，並且此單輸入多輸出直流/直流轉換器僅需一個切換開關，即能輸出多個不同電壓位準。如此一來，燃料電池供電系統可以在驅動移動載具的馬達時，亦同時對輔助電池進行充電，除了省去了需要經常更換輔助電池或離線充電的不方便外，更加延長了輔助電池的使用週期，進而降低了燃料電池供電系統在使用與製造時所需花費的成本。
本發明實施例提供一種單輸入多輸出直流/直流轉換器，且此單輸入多輸出直流/直流轉換器包括低壓電路、輔助電路、中壓電路以及高壓電路，低壓電路耦接輔助電路，另外，低壓電路透過中壓電路耦接高壓電路。低壓電路具有一次側繞組與開關元件。開關元件耦接於一次側繞組與接地端之間，且受控於控制信號而導通。於開關元件導通時，一次側繞組將能量儲存於第一磁場中。於開關元件截止時，一次側繞組釋放儲存於第一磁場中所儲存的能量。輔助電路中的輔助電感於開關元件截止時，用以儲存一次側繞組所釋放的能量，並依據一次側繞組和輔助電感釋放的能量輸出第一輸出電壓。中壓電路具有二次側繞組與中壓電容，且二次側繞組透過與一次側繞組互感產生電勢差。於開關元件導通時，二次側繞組儲存電勢差於中壓電容。於開關元件截止時，二次側繞組續流電勢差至中壓電容。高壓電路用以接收中壓電容中的能量，據以輸出第二輸出電壓。
於本發明實施例中，單輸入多輸出直流/直流轉換器更包括箝制電路，且此箝制電路耦接於低壓電路與中壓電路之間。箝制電路具有箝制電容。此箝制電容用以儲存開關元件瞬間截止時的一次側繞組之漏感能量，並且於一次側繞組的漏感能量續流完畢後，釋放所儲存的能量至該中壓電路。
綜上所述，本發明實施例提供一種單輸入多輸出直流/直流轉換器，透過輔助電路與箝制電路之設置，以及運用耦合電感的漏感特性，使得單輸入多輸出直流/直流轉換器具有低昇壓比的輸出電壓源與高昇壓比的輸出電壓源。此外，耦合電感的漏感特性更能使開關元件達到零電流切換的效果，進而減少了切換損失以及降低二極體之逆向恢復電流以降低電路中電磁干擾問題。另外，本發明實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器僅需使用一組開關元件，即可使單輸入多輸出直流/直流轉換器輸出多組不同電壓位準的電壓源，不僅降低了電路設計的成本，更增加了實際應用上的實用性。一般文獻中所述及單輸入多輸出直流/直流轉換器大都應用於市電整流分別供應不同等級直流電壓，以利控制板晶片所使用，係屬於降壓型直流轉換器，本發明所研發直流轉換器係屬於升壓形式，特別適合應用於低電壓再生能源發電之中。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
 [單輸入多輸出直流/直流轉換器之實施例]
請參照圖1，圖1係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之功能方塊圖。如圖1所示，單輸入多輸出直流/直流轉換器10包括低壓電路100、控制電路101、輔助電路102、箝制電路104、中壓電路106以及高壓電路108。其中，低壓電路100分別耦接控制電路101、輔助電路102以及箝制電路104，箝制電路104則是與中壓電路106的一端形成耦接，而中壓電路106的另一端則是耦接高壓電路108。
因此，單輸入多輸出直流/直流轉換器10主要可分為兩區塊電路，分別為由低壓電路100、控制電路101以及輔助電路102所構成的第一電路11，以及由低壓電路100、控制電路101、箝制電路104、中壓電路106與高壓電路108所構成的第二電路12。以下分別就單輸入多輸出直流/直流轉換器10的各部元件作詳細的說明。
請參照圖2，圖2係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電路示意圖。低壓電路100包括直流輸入電源VFC、一次側繞組LP、開關元件S1。直流輸入電源VFC用以提供單輸入多輸出直流/直流轉換器10的輸入電壓源，因此低壓電路100為第一電路11與第二電路12的共用電路，以達到單輸入多輸出之目的。
一次側繞組(primary winding)LP為具高激磁電流之變壓器的導電體(亦稱耦合電感)，其一次側繞組LP的第一端耦接直流輸入電源VFC的陽極端，而一次側繞組LP的第二端則是耦接開關元件S1。一般來說，一次側繞組LP會因通過的電流改變而產生第一磁場，並因為電磁感應(electromagnetic induction)產生第一電動勢，同時將第一電動勢以能量的形式儲存在第一磁場中，據以抵抗電流的變化。
開關元件S1具有第一端、第二端以及控制端三個端點，其開關元件S1的第一端耦接一次側繞組LP的第二端，開關元件S1的第二端耦接在接地端，而開關元件S1的控制端耦接控制電路101。開關元件S1受控於控制電路101所產生的控制信號，並藉由控制信號而導通開關元件S1。換句話說，控制電路101透過所產生的控制信號，來控制開關元件S1的責任週期(duty cycle)。於實務上，開關元件S1係為一個反並接二極體之金氧半場效電晶體(MOSFET)，而控制信號為反並接二極體之金氧半場效電晶體的閘極信號。
以實際操作上的例子來說，低壓電路100的開關元件S1接收到來自控制電路101的控制信號而導通時，即代表開關元件S1的導通提供了一次側繞組LP連接到接地端的電流路徑，使得直流輸入電源VFC流經一次側繞組LP之電流會誘發電磁感應而產生第一電動勢，並將第一電動勢以能量的形式儲存在一次側繞組LP的第一磁場中。於開關元件S1截止時，一次側繞組LP的第一磁場即釋放所儲存的能量，以抵抗電流的變化。另外，低壓電路100的直流輸入電源VFC端更可並接一個濾波電容CFC，以濾除直流輸入電源VFC之雜訊，使得低壓電路100所輸出的直流電壓更加地穩定與平滑，但本發明在此不加以限制是否需要使用濾波電容CFC。
輔助電路102包括輔助電感Laux、二極體D1(第一二極體)、濾波電容CO1以及第一輸出負載RO1。輔助電感Laux的第一端耦接於一次側繞組LP的第二端與開關元件S1第一端的接點上，其輔助電感Laux的第二端耦接二極體D1的陽極端。而二極體D1的陰極端則是耦接並聯的濾波電容CO1以及第一輸出負載RO1。
輔助電感Laux用以暫時地儲存第一磁場所釋放的能量。當輔助電感Laux與第一輸出負載RO1之間的跨壓大於二極體D1的導通電壓時，則順向導通二極體D1，據以輸出第一輸出電流i O1至第一輸出負載RO1(例如為蓄電池)，使得第一輸出負載RO1承載第一輸出電壓VO1；當輔助電感Laux與第一輸出負載RO1之間的跨壓小於二極體D1的導通電壓時，則截止二極體D1，使得第一輸出電流i O1轉變為零。另外，濾波電容CO1用以提供第一輸出負載RO1較平穩的電壓源。
以實際操作上的例子來說，當開關元件S1截止時，低壓電路100以及輔助電路102會形成一個封閉迴路，使得一次側繞組LP開始釋放原先儲存於第一磁場中的能量，其中所釋放的部分能量會暫時地儲存於輔助電感Laux中，其餘的能量會藉由導通的二極體D1，據以輸出第一輸出電壓VO1，並使用此第一輸出電壓VO1對蓄電池進行充電。當開關元件S1導通時，使得一次側繞組LP開始儲存能量於第一磁場，而輔助電感Laux為了抵抗電流的變化，會開始釋放輔助電感Laux內所暫存的殘餘能量，並透過導通的二極體D1，輸出第一輸出電壓VO1以對蓄電池進行充電。另外，於輔助電感Laux釋放能量完畢後，輔助電路102會停止整個運作，直到開關元件S1下一次截止。
箝制電路104包括箝制電容C1與二極體D2(第二二極體)。箝制電容C1與二極體D2的陽極端分別耦接一次側繞組LP的第一端與第二端，而二極體D2的陰極端與箝制電容C1的另一端的接點耦接中壓電路106。箝制電容C1用以儲存開關元件S1截止瞬間的一次側繞組LP的漏感(leakage inductance)能量，以避免開關元件S1的損壞。
以實際操作上的例子來說，當開關元件S1截止的瞬間，一次側繞組LP的漏感能量需要續流，藉由二極體D2的順向導通，使得一次側繞組LP的漏感能量可以儲存至箝制電容C1。於一次側繞組LP的漏感能量續流完畢後，二極體D2會逆向截止，使得箝制電容C1釋放所儲存的能量至中壓電路106。
中壓電路106包括二次側繞組LS、中壓電容C2以及二極體D3(第三二極體)。二次側繞組LS為具高激磁電流之變壓器的另一導電體(亦稱耦合電感)，其二次側繞組LS的第一端耦接於二極體D2的陰極端與二極體D3的陽極端的接點，而二次側繞組LS的第二端則是耦接中壓電容C2的其中一端。中壓電容C2的另一端耦接於二極體D3的陰極端與高壓電路108的接點。
二次側繞組LS透過與一次側繞組LP互感，據以產生第二電動勢以及感應電流。另外，第二電動勢正比於二次側繞組LS與一次側繞組LP的繞組圈數比值，亦即當二次側繞組LS與一次側繞組LP的繞組圈數比值越大時，其透過互感所產生的第二電動勢會越大，二次側繞組LS兩端的電壓位準v LS也會越高。
以實際操作上的例子來說，當開關元件S1導通時，二次側繞組LS因為與一次側繞組LP互感而產生第二電動勢，透過順向導通的二極體D3，使得中壓電容C2可以儲存二次側繞組LS的能量；當開關元件S1截止時，二次側繞組LS因為需要釋放剩餘的漏感能量至中壓電容C2，故二極體D3仍會持續地導通，直到剩餘的二次側漏感能量續流完畢後，二極體D3才逆向截止。
高壓電路108包括二極體D4(第四二極體)、濾波電容CO2以及第二輸出負載RO2。其中，高壓電路108的二極體D4的陽極端耦接於二極體D3的陰極端與中壓電容C2的接點，而二極體D4的陰極端分別耦接並聯的濾波電容CO2以及第二輸出負載RO2。
高壓電路108用以接收二次側繞組LS續流完畢後中壓電容C2所釋放的電能，使得高壓電路108輸出第二輸出電流i O2，使得第二輸出負載RO2(例如為移動載具的馬達)承載第二輸出電壓VO2。濾波電容CO2用以提供第二輸出負載RO2較平穩的電壓源。
以實際操作上的例子來說，當開關元件S1截止且二次側繞組LS續流完殘餘的漏感能量時，二極體D3會截止，而二極體D4會順向導通，使得高壓電路108輸出第二輸出電壓VO2以驅動馬達。另外，由於高激磁電流之變壓器(亦稱耦合電感)具有昇壓的功用，且中壓電容C2具有儲存二次側繞組LS能量的功用，使得第二電路12的第二輸出電壓VO2高於第一電路11的第一輸出電壓VO1。
[單輸入多輸出直流/直流轉換器之操作模式實施例]
為更加清楚地說明，單輸入多輸出直流/直流轉換器10於各操作模式之動作，請參照圖3，圖3係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之等效電路圖。如圖3所示，為簡化單輸入多輸出直流/直流轉換器10之分析，在此假設箝制電容C1與中壓電容C2的電容值極大，並分別等效為定壓電源VC1與VC2。耦合電感Tr可等效為一次側繞組LP、一次側激磁電感Lmp、一次側漏電感Lkp以及二次側繞組LS。其中，二次側繞組LS亦具有漏電感，但為了簡化電路分析與說明，將二次側繞組LS的漏電感視為耦合至一次側漏電感Lkp上，故未繪示於圖3中。另外，控制電路101亦未繪示於圖3，但不代表不需設置控制電路101。
接著，請一併參照圖4-1、圖4-2與圖5，圖4-1係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電流時序波形圖。圖4-2係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電壓時序波形圖。圖5A至5F係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電路操作模式示意圖。在依據開關元件S1與二極體D1、D2、D3與D4導通狀態的情況下，單輸入多輸出直流/直流轉換器10的電路操作可細分為六個操作模式。另外，在此定義開關元件S1的切換週期為TS、責任週期為d1。因此，依據圖4-1與圖4-2的電流電壓時序波形圖與圖5的電路操作模式示意圖，以下分別就本發明實施例於各個操作模式下的實際運作做詳細的說明。
如圖5A所示，在第一操作模式中(t 0≦t＜t 1)，開關元件S1已導通，使得直流輸入電源VFC對一次側漏電感Lkp、一次側繞組LP以及一次側激磁電感Lmp作激磁充電，並依繞組圈數比值(亦稱為匝數比)產生感應電壓v Ls至二次側繞組LS。此時，由於第二輸出負載RO2承載的第二輸出電壓VO2大於直流輸入電源VFC、箝制電容C1、二次側繞組LS與中壓電容C2的跨壓，故二極體D4不導通，而使得一次側繞組LP與二次側繞組LS的極性點為正極性，並同時順向導通二極體D3。
承接上述，藉由二極體D3的順向導通，使得二次側繞組Ls的感應電壓v Ls可經由二極體D3對中壓電容C2進行充電。同時，輔助電感Laux正在釋放所儲存的殘餘能量至第一輸出負載RO1，換句話說，即為產生第一輸出電壓VO1以對蓄電池進行充電。
如圖5B所示，在第二操作模式中(t 1≦t＜t 2)，開關元件S1已經導通了一段時間，當輔助電感Laux釋放能量完畢後，二極體D1逆向截止，使得輔助電路102之運作整個停止。此時，直流輸入電源VFC仍持續對一次側漏電感Lkp、一次側繞組LP以及一次側激磁電感Lmp作激磁充電，並依繞組圈數比值產生感應電壓v Ls至二次側繞組Ls，使得感應電壓v Ls可透過導通的二極體D3對中壓電容C2進行持續的充電動作。
接著，如圖5C所示，在第三操作模式中(t 2≦t＜t 3)，開關元件S1轉為截止的瞬間，由於一次側漏電感Lkp需要進行續流，使得一次側漏電感Lkp先對開關元件S1內部設置的的寄生電容(與開關元件S1內部設置的反並接二極體並聯，在此未繪示於圖上)進行充電。當開關元件S1的跨壓v S1大於直流輸入電源VFC與箝制電容C1的跨壓時，切斷開關元件S1的整個導通路徑並順向導通二極體D2。
承接上述，藉由導通的二極體D2，將一次側漏電感Lkp與一次側繞組LP的能量續流至箝制電容C1，亦即是對箝制電容C1進行充電。如此一來，藉由箝制電路104之設置，可以解決開關元件S1在切換時所產生的突波(surge)問題。另外，一次側繞組LP所釋放的部分能量會對輔助電感Laux進行充磁，同時亦透過二極體D1的導通，輸出第一輸出電壓VO1，以對蓄電池進行充電。同一時間，二次側繞組Ls需要續流所殘餘的二次側漏感能量，藉由導通的二極體D3，使得電流i Ls仍可以持續地對中壓電容C2進行充電。
當二次側繞組Ls的二次側漏感能量續流完畢後，如圖5D所示，在第四操作模式中(t 3≦t＜t 4)，開關元件S1仍持續截止，但是因為二次側漏感能量已經續流完畢，使得二極體D3逆向截止而二極體D4順向導通，如此一來，使得一次側繞組LP與二次側繞組Ls的極性點改變為負極性。此時，一次側激磁電感Lmp會經由一次側繞組LP傳送能量至二次側繞組LS。因此，藉由二極體D4的順向導通，建構出箝制電容C1、二次側繞組LS以及中壓電容C2之電流路徑，使得高壓電路108得以輸出能夠驅動馬達的第二輸出電壓VO2。值得注意的是，此時一次側漏電感Lkp的電流i Lkp仍持續地對輔助電感Laux進行充磁的儲能動作，並同時將其餘未儲存的能量輸出為第一輸出電壓VO1，使得第一輸出電壓VO1可以對蓄電池進行充電。
接著，如圖5E所示，在第五操作模式中(t 4≦t＜t 5)，開關元件S1仍持續截止，此時，由於一次側漏電感Lkp的漏感能量續流至箝制電容C1已經結束，使得二極體D2逆向截止。因此，此時單輸入多輸出直流/直流轉換器10可視為兩個供電迴路，分別為由直流輸入電源VFC串聯一次側繞組LP(包括一次側漏電感Lkp、一次側繞組LP以及一次側激磁電感Lmp)與輔助電感Laux，並透過順向導通的二極體D1，對蓄電池進行充電之第一電路11的供電迴路，以及由直流輸入電源VFC串聯箝制電容C1、二次側繞組LS與中壓電容C2，並透過順向導通的二極體D4，輸出能夠驅動馬達的第二輸出電壓VO2之第二電路12的供電迴路。
值得注意的是，在第五操作模式中(t 4≦t＜t 5)中，輔助電感Laux雖然已開始進行能量的釋放，但是輔助電感Laux同時又因為直流輸入電源VFC仍持續對輔助電感Laux進行充磁，使得流經輔助電感Laux的電流i Laux曲線並無明顯的變化。如圖4-1所示，在時間區間[t 4≦t＜t 5]中，輔助電感Laux之電流i Laux大約為持平狀態。此時，輔助電感Laux之電流i Laux強度約等於一次側漏電感Lkp之電流i Lkp強度。
最後，如圖5F所示，在第六操作模式中(t 5≦t＜t 6)，開關元件S1接收到控制信號而導通的瞬間，使得一次側漏電感Lkp之電流i Lkp大部分流向了接地端，此時一次側漏電感Lkp之電流i Lkp強度不等於輔助電感Laux之電流i Laux強度。如此一來，輔助電感Laux會持續釋放所儲存的殘餘能量以輸出第一輸出電壓VO1，使得蓄電池得以進行充電。另外，因為一次側漏電感Lkp之電流i Lkp大部分流向了接地端，使得圖4-4所示的時間區間[t 5≦t＜t 6]中，輔助電感Laux之電流i Laux曲線開始呈現線性下滑趨勢。
承接上述，此時，由於二次側繞組LS的二次側漏感能量需要續流，可透過仍導通的二極體D4，對第二輸出負載RO2(例如為馬達)供應第二輸出電壓VO2，直到二次側漏感續流完畢，使得第二輸出電壓VO2大於直流輸入電源VFC、箝制電容C1、二次側繞組LS與中壓電容C2的跨壓，而截止二極體D4，其單輸入多輸出直流/直流轉換器10的操作狀態再度回到第一操作模式，如此即完成一次切換週期(switching cycle)。
值得注意的是，由於在開關元件S1導通的瞬間，二極體D2並無反向恢復電流且一次側繞組LP之漏電感Lkp限制住電流i Lkp的上升率，使得開關元件S1無法從任何路徑中獲得電流，而形成零電流切換(zero current switching，ZCS)，進而減少了切換損失，如圖4-1與圖4-2所示的時間區間[t 5≦t＜t 6]中，v S1以及i S1曲線可觀察出此結果。另外，由於箝制電路104之設置，使得開關元件S1可選擇低電壓位準的場效電晶體，並因為場效電晶體的低內阻特性，亦同時減少了導通損失的問題。
於實際的應用上，直流輸入電源VFC為燃料電池所能輸出之電壓位準，第一輸出電壓VO1為提供輔助電池浮充的電壓位準，而第二輸出電壓VO2為提供移動載具之馬達驅動的工作電壓位準。如此一來，在燃料電池驅動移動載具時，亦同時對輔助電池進行充電，使得平衡控制系統與燃料電池週邊設備可以正常運作。
一般來說，直流輸入電源VFC為12伏特，透過預先設定的繞組圈數比值與輔助電感Laux的電感值，使得第一輸出電壓VO1與第二輸出電壓VO2分別為24~28伏特與200伏特，但本發明不以此為限。其中，輔助電池之浮充電壓範圍為24~28伏特，在此電壓範圍，可保持輔助電池的最大使用壽命。此外，由於低壓電路100至輔助電路102的昇壓比值約為2.33，而低壓電路100至高壓電路108的昇壓比值約為16.67，使得單輸入多輸出直流/直流轉換器10具有高昇壓比的特性。經實驗證明，其單輸入多輸出直流/直流轉換器10的平均轉換效率(conversion efficiency)可達到91%，且最高轉換效率高於95%。
[單輸入多輸出直流/直流轉換器之另一實施例]
請參照圖6，圖6係繪示依據本發明之另一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電路示意圖。如圖6所示，單輸入多輸出直流/直流轉換器10’包括低壓電路100、控制電路101、輔助電路102、輔助子電路102’、箝制電路104、中壓電路106以及高壓電路108，其低壓電路100、控制電路101、輔助電路102、箝制電路104、中壓電路106以及高壓電路108之各部元件的耦接關係與實際操作相同於前一實施例所述，故不再贅述。
唯一不同的是，單輸入多輸出直流/直流轉換器10’更設計有輔助子電路102’，此輔助子電路102’包括輔助子電感L’ aux、二極體D’ 1(第五二極體)、濾波電容C’O1以及第三輸出負載R’ O1。其中，輔助子電路102’的輔助子電感L’ aux的第一端耦接於一次側繞組LP的第二端、開關元件S1第一端以及輔助電感Laux第一端的接點上。除此之外，輔助子電路102’中的其餘各個電子元件之耦接關係相同於輔助電路102，故不再贅述。換句話說，輔助子電路102’除了耦接低壓電路100外，更與輔助電路102並聯。
值得注意的是，輔助子電感L’ aux亦是用以暫時地儲存第一磁場所釋放的能量。因此，當輔助子電感L’ aux與第三輸出負載R’ O1之間的跨壓大於二極體D’ 1的導通電壓時，則輸出輔助子電流i ’ O1至第三輸出負載R’ O1，使得第三輸出負載R’ O1承載輔助子電壓V’ O1。當輔助子電感L’ aux與第三輸出負載R’ O1之間的跨壓小於二極體D’ 1的導通電壓時，則輔助子電流i ’ O1將會因為二極體D’ 1的截止而轉變為零。另外，由於此輔助子電路102’其電路詳細的運作模式相同於先前輔助電路102所述，故此單輸入多輸出直流/直流轉換器10’於各階段的操作模式在此便不再贅述。
由於，輔助子電路102’可以對另一個輔助電源充電。因此，於實務上，第三輸出負載R’ O1可以為另一個蓄電池，若此蓄電池的浮充電壓範圍為12~14伏特，透過設計輔助子電感L’ aux的電感值，使得第三輸出負載R’ O1所承載的輔助子電壓V’ O1為12~14伏特，進而對此蓄電池進行充電，但本發明不以此為限。
如此一來，在直流輸入電源VFC對第一輸出負載RO1(例如為蓄電池)充電的當下，亦同時對第三輸出負載RO1(例如為另一個蓄電池)進行充電，並且此單輸入多輸出直流/直流轉換器10’可藉由繞組圈數比值，據以輸出較高的電壓位準的第二輸出電壓VO2至第二輸出負載RO2(例如為移動載具的馬達)。
另外，雖然本發明實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器10’僅設置一個輔助子電路102’，然而此輔助子電路102’並不限定為一個，於所屬技術領域具通常知識者可以視情況需求，將複數個輔助子電路耦接於低壓電路100、輔助電路102以及輔助子電路102’的接點上，如此一來，即可對複數個不同負載提供複數個輔助子電壓。因此由上述可知，此單輸入多輸出直流/直流轉換器10’具有可擴充性。
[實施例的可能功效]
綜上所述，本發明實施例提供一種單輸入多輸出直流/直流轉換器，透過輔助電路與箝制電路之設置，以及運用耦合電感的漏感特性，使得單輸入多輸出直流/直流轉換器具有低昇壓比的輸出電壓源與高昇壓比的輸出電壓源。此外，耦合電感的漏感特性更能使開關元件達到零電流切換的效果，進而減少了切換損失以及降低二極體之逆向恢復電流以降低電路中電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)問題。另外，本發明實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器僅需使用一組開關元件，即可使單輸入多輸出直流/直流轉換器輸出多組不同電壓位準的電壓源，不僅降低了電路設計的成本，更增加了實際應用上的實用性。
以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。
10、10’．．．單輸入多輸出直流/直流轉換器
11．．．第一電路
12．．．第二電路
100．．．低壓電路
101．．．控制電路
102．．．輔助電路
102’．．．輔助子電路
104．．．箝制電路
106．．．中壓電路
108．．．高壓電路
VFC．．．直流輸入電源
S1．．．開關元件
LP．．．一次側繞組
Lmp．．．一次側激磁電感
Lkp．．．一次側漏電感
LS．．．二次側繞組
Laux．．．輔助電感
L’ aux．．．輔助子電感
D1~D4、D’ 1．．．二極體
CFC、CO1、CO2、C’ O1．．．濾波電容
C1．．．箝制電容
C2．．．中壓電容
i O1、i O2、i FC、i C1、i Lp、i Lmp、i Lkp、i Ls、i S1、i D1、i D2、i D3、i D4、i Laux、i ’ O1．．．電流
VO1、VO2、VFC、VC1、VC2、v Lp、v Lmp、v Lkp、v Ls、v S1、v D1、v D2、v D3、v D4、v Laux、V’ O1．．．電壓
RO1、RO2、R’ O1．．．負載
TS．．．切換週期
d1．．．責任週期
t 0~t 6．．．時間區間
圖1係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之功能方塊圖。
圖2係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電路示意圖。
圖3係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之等效電路圖。
圖4-1係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電流時序波形圖。
圖4-2係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電壓時序波形圖。
圖5A至5F係繪示依據本發明之一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電路操作模式示意圖。
圖6係繪示依據本發明之另一實施例之單輸入多輸出直流/直流轉換器之電路示意圖。
10．．．單輸入多輸出直流/直流轉換器
100．．．低壓電路
101．．．控制電路
102．．．輔助電路
104．．．箝制電路
106．．．中壓電路
108．．．高壓電路
VFC．．．直流輸入電源
S1．．．開關元件
LP．．．一次側繞組
LS．．．二次側繞組
Laux．．．輔助電感
D1~D4．．．二極體
CFC、CO1、CO2．．．濾波電容
C1．．．箝制電容
C2．．．中壓電容
i O1、i O2、i FC．．．電流
VO1、VO2．．．電壓
RO1、RO2．．．負載

Claims (9)

  1. 一種單輸入多輸出直流/直流轉換器，包括：一低壓電路，具有一一次側繞組與一開關元件，該開關元件耦接於該一次側繞組與一接地端之間，且受控於一控制信號而導通，於該開關元件導通時，該一次側繞組將能量儲存於一第一磁場中，於該開關元件截止時，該一次側繞組釋放儲存於該第一磁場中所儲存的能量；一控制電路，耦接該開關元件，該控制電路透過輸出該控制信號，據以控制該開關元件的責任週期；一輔助電路，耦接該低壓電路，該輔助電路具有一輔助電感，於該開關元件截止時儲存該一次側繞組所釋放的能量，並依據該一次側繞組和該輔助電感釋放的能量輸出一第一輸出電壓；一中壓電路，耦接該低壓電路，具有一二次側繞組與一中壓電容，該二次側繞組透過與該一次側繞組互感產生一電勢差，於該開關元件導通時，該二次側繞組儲存該電勢差於該中壓電容，於該開關元件截止時，該二次側繞組續流該電勢差至該中壓電容；以及一高壓電路，耦接該中壓電路，用以接收該中壓電容中的能量，據以輸出一第二輸出電壓；其中，該第二輸出電壓大於該第一輸出電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中該輔助電路更包括一第一二極體，該第一二極體的陽極端耦接該輔助電感，藉由該第一二極體的順向導通使該該輔助電路輸出該第一輸出電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器更包括：一箝制電路，耦接於該低壓電路與該中壓電路之間，具有一箝制電容，該箝制電容儲存該開關元件瞬間截止時的該一次側繞組之漏感能量，並於該一次側繞組之漏感能量續流完畢後，該箝制電容釋放所儲存的能量至該中壓電路。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中該箝制電路更包括一第二二極體，該箝制電容與該第二二極體的陽極端分別耦接於該一次側繞組的第一端與第二端，而該第二二極體的陰極端耦接該箝制電容，於該開關元件截止的瞬間順向導通該第二二極體，使該一次側繞組之漏感能量儲存至該箝制電容，於該一次側繞組之漏感能量續流完畢時，截止該第二二極體。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中該二次側繞組的第一端耦接該第二二極體與該箝制電容的接點，該二次側繞組的第二端耦接該中壓電容，且該中壓電路的一第三二極體的陽極端耦接該二次側繞組的第一端，該第三二極體的陰極端耦接該中壓電容與該高壓電路的接點，藉由該二次側繞組所產生的該電勢差，順向導通該第三二極體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中高壓電路包括一第四二極體，該第四二極體的陽極端耦接該第三二極體的陰極端與該中壓電容的接點，於該二次側繞組續流完畢時，截止該第三二極體並順向導通該第四二極體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中該低壓電路耦接該輔助電路的交接處具有一接點，至少一輔助子電路耦接該接點，且每一該輔助子電路具有一輔助子電感，於該開關元件截止時，該至少一輔助子電感儲存該一次側繞組所釋放的能量，並依據該一次側繞組和該至少一輔助子電感釋放的能量輸出至少一輔助子電壓。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中每一該輔助子電路更包括一第五二極體，每一該第五二極體的陽極端耦接每一該輔助子電感，藉由每一該第五二極體的順向導通使該至少一輔助子電路輸出該至少一輔助子電壓。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之單輸入多輸出直流/直流轉換器，其中該開關元件係為一反並接二極體之金氧半場效電晶體(MOSFET)，該開關元件的汲極耦接該一次側繞組，該開關元件的源極耦接該接地端，該開關元件的閘極耦接該控制電路。
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