TW201415777A - 隔離型交錯式直流轉換器 - Google Patents
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Abstract
一種隔離型交錯式直流轉換器，其主要電路架構為整合變壓器、雙相交錯式升壓電路、電壓型自動電荷抽放電路（Auto Charge Pump Circuit）以及倍壓整流電路。本發明電路係整合一變壓器並於其一次側結合一可降低輸入電流漣波之雙相交錯式升壓電路與電壓型自動電荷抽放電路，而於其二次側結合倍壓整流電路，同時利用適當參數設計與LC共振電路作用，藉此提升轉換器之升壓比，並利用自動改變電路結構特性，可進一步整合雙相交錯式升壓電路之主動開關元件，以同時實現柔切技術以降低電磁干擾（Electric Magnetic Interruption, EMI）以及開關切換損失，進而提升電路轉換效率。
Description
本發明係有關於一種隔離型交錯式直流轉換器，尤指涉及一種同時整合柔切技術與具高升壓比之直流轉換器，特別係指整合一變壓器並於其一次側結合雙相交錯式升壓電路與電壓型自動電荷抽放電路（Auto Charge Pump Circuit），透過電路參數設計與LC共振電路作用，具有可變電路結構特性及主動開關柔切特性之轉換器電路。
一般來說，倍壓電路主要係由二極體與電容所構成，其作用為將整流後之電壓峰值以倍數增加後輸出，常應用於高電壓低電流之場合。第７圖所示之雙相交錯式二倍壓轉換器電路主要係由兩組相差180度交錯操作之雙相交錯式升壓轉換器電路４搭配二倍壓整流電路５所構成，由於兩組電感電流之高頻漣波成分互為交錯，因此可以相互抵消進而減少因開關切換所造成輸入電流之高頻漣波，並可使電路元件分擔電流，進而提升效率，亦可減少儲能電感體積與降低成本。透過交錯式切換技術而使漣波減少，通常稱之為漣波抵消（Ripple Cancellation），然而，嚴格來說只有當轉換器操作於50%責任週期時，峰對峰值之高頻漣波才能完全抵消，而當轉換器操作於50%以外之責任週期時，高頻漣波之減少係由個別電流漣波之重疊，而達局部抵消之效果。
近年來由於全球能源短缺與溫室效應之影響，世界各國積極推動分散式潔淨能源之開發，例如光伏系統與燃料電池。但光伏系統及燃料電池輸出電壓準位相當低，需要依靠高升壓比之電源轉換器，將其提升至較高電壓以便於後端應用。而目前雙相交錯式倍壓轉換器為了降低零件成本與減少轉換器體積，常利用提高切換頻率來減少電容器容值與磁性元件之體積大小，然而，在提升轉換電路之切換頻率之際，相對也增加開關元件之切換損失，同時亦增加電磁干擾（Electric Magnetic Interruption, EMI）問題。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
近年來由於全球能源短缺與溫室效應之影響，世界各國積極推動分散式潔淨能源之開發，例如光伏系統與燃料電池。但光伏系統及燃料電池輸出電壓準位相當低，需要依靠高升壓比之電源轉換器，將其提升至較高電壓以便於後端應用。而目前雙相交錯式倍壓轉換器為了降低零件成本與減少轉換器體積，常利用提高切換頻率來減少電容器容值與磁性元件之體積大小，然而，在提升轉換電路之切換頻率之際，相對也增加開關元件之切換損失，同時亦增加電磁干擾（Electric Magnetic Interruption, EMI）問題。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種同時整合柔切技術與具高升壓比之直流轉換器，係整合一變壓器並於其一次側結合雙相交錯式升壓電路與電壓型自動電荷抽放電路，透過電路參數設計與LC共振電路作用，具有可變電路結構特性及主動開關柔切特性之轉換器電路。
本發明之次要目的係在於，提供一種於變壓器二次側結合倍壓整流電路，以進一步提升輸出電壓，並利用自動改變電路結構特性，可進一步整合雙向交錯式升壓電路之開關元件，以同時實現柔切技術以降低EMI以及開關切換損失與提升電路轉換效率之轉換器電路。
具有低輸出電壓漣波，可避免使用大容值之電解電容而得以延長轉換器之使用壽命，以達到具有高功率密度、高電壓轉換比、低成本、低EMI干擾、低輸出電壓漣波、長壽命以及高轉換效率等目的
本發明之另一目的係在於，提供一種具高升壓比轉換器，達到更高升壓比、低成本、低EMI干擾、低輸入電流漣波、開關元件具柔切效果以及高轉換效率等目的之轉換器電路。
為達以上之目的，本發明係一種隔離型交錯式直流轉換器，其包括：
一前端轉換電路，係由一雙相交錯式升壓電路及一電壓型自動電荷抽放電路（Auto Charge Pump Circuit）所構成，其中，該雙相交錯式升壓電路設有分別自輸入側負電壓端並聯耦接第一主動開關元件及第二主動開關元件，與自輸入側正電壓端並聯耦接第一電感及第二電感，其中該第一主動開關元件與其串聯耦接至第一電感係串聯耦接至該電壓型自動電荷抽放電路之半共振電路，該半共振電路係耦接至該第一主動開關與該第一電感之間之一共同節點，該半共振電路包含第三電感以及與該第三電感並聯耦接之第一電容，該電壓型自動電荷抽放電路還包含第二電容串聯耦接至該半共振電路，該第二電容並耦接至該第二主動開關元件與該第二電感之間之一共同節點；以及
一變壓器，該變壓器之一次側係耦接至該前端轉換電路，並與該第二電容並聯耦接，該變壓器之二次側係耦接至一後端轉換電路，該後端轉換電路與該前端轉換電路之間係透過該變壓器電性耦接。
於一較佳實施例中，上述變壓器之二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與一個電容構成之全橋整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器之二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由二個二極體與二個電容構成之二倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由二個二極體與一個電容構成之整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與三個電容構成之三倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與四個電容構成之四倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由六個二極體與五個電容構成之五倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由六個二極體與六個電容構成之六倍壓整流電路。
本發明之次要目的係在於，提供一種於變壓器二次側結合倍壓整流電路，以進一步提升輸出電壓，並利用自動改變電路結構特性，可進一步整合雙向交錯式升壓電路之開關元件，以同時實現柔切技術以降低EMI以及開關切換損失與提升電路轉換效率之轉換器電路。
具有低輸出電壓漣波，可避免使用大容值之電解電容而得以延長轉換器之使用壽命，以達到具有高功率密度、高電壓轉換比、低成本、低EMI干擾、低輸出電壓漣波、長壽命以及高轉換效率等目的
本發明之另一目的係在於，提供一種具高升壓比轉換器，達到更高升壓比、低成本、低EMI干擾、低輸入電流漣波、開關元件具柔切效果以及高轉換效率等目的之轉換器電路。
為達以上之目的，本發明係一種隔離型交錯式直流轉換器，其包括：
一前端轉換電路，係由一雙相交錯式升壓電路及一電壓型自動電荷抽放電路（Auto Charge Pump Circuit）所構成，其中，該雙相交錯式升壓電路設有分別自輸入側負電壓端並聯耦接第一主動開關元件及第二主動開關元件，與自輸入側正電壓端並聯耦接第一電感及第二電感，其中該第一主動開關元件與其串聯耦接至第一電感係串聯耦接至該電壓型自動電荷抽放電路之半共振電路，該半共振電路係耦接至該第一主動開關與該第一電感之間之一共同節點，該半共振電路包含第三電感以及與該第三電感並聯耦接之第一電容，該電壓型自動電荷抽放電路還包含第二電容串聯耦接至該半共振電路，該第二電容並耦接至該第二主動開關元件與該第二電感之間之一共同節點；以及
一變壓器，該變壓器之一次側係耦接至該前端轉換電路，並與該第二電容並聯耦接，該變壓器之二次側係耦接至一後端轉換電路，該後端轉換電路與該前端轉換電路之間係透過該變壓器電性耦接。
於一較佳實施例中，上述變壓器之二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與一個電容構成之全橋整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器之二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由二個二極體與二個電容構成之二倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由二個二極體與一個電容構成之整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與三個電容構成之三倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與四個電容構成之四倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由六個二極體與五個電容構成之五倍壓整流電路。
於一較佳實施例中，上述變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由六個二極體與六個電容構成之六倍壓整流電路。
請參閱『第１Ａ圖～第１Ｇ圖』所示，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配全橋整流電路示意圖、本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配二倍壓整流電路示意圖、本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配整流電路示意圖、本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配三倍壓整流電路示意圖、本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配四倍壓整流電路示意圖、本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配五倍壓整流電路示意圖、及本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配六倍壓整流電路示意圖。如圖所示：本發明係一種隔離型交錯式直流轉換器，係至少包括一前端轉換電路１以及一變壓器２或２ａ所構成。
該前端轉換電路１係由一雙相交錯式升壓電路１１及一電壓型自動電荷抽放電路（Auto Charge Pump Circuit）１２所構成，其中，該雙相交錯式升壓電路１１設有分別自輸入側負電壓端並聯耦接第一主動開關元件S1及第二主動開關元件S2，與自輸入側正電壓端並聯耦接第一電感L1及第二電感L2，其中該第一主動開關元件S1與其串聯耦接至第一電感L1係串聯耦接至該電壓型自動電荷抽放電路１２之半共振電路，該半共振電路係耦接至該第一主動開關S1與該第一電感L1之間之一共同節點，該半共振電路包含第三電感L3以及與該第三電感L3並聯耦接之第一電容C1，該電壓型自動電荷抽放電路１２還包含第二電容C2串聯耦接至該半共振電路，該第二電容C2並耦接至該第二主動開關元件S2與該第二電感L2之間之一共同節點。
該變壓器２或２ａ之一次側係耦接至該前端轉換電路１，並與該第二電容C2並聯耦接，該變壓器２或２ａ之二次側係耦接至一後端轉換電路，該後端轉換電路與該前端轉換電路１之間係透過該變壓器２或２ａ電性耦接。藉此，構成一全新之隔離型交錯式直流轉換器。
上述所提之變壓器２，其二次側耦接之後端轉換電路，係由四個二極體D1、D2、D3及D4與一個電容CO構成之全橋整流電路３ａ，如第１Ａ圖所示。
上述所提之變壓器２，其二次側耦接之後端轉換電路，係由二個二極體D1及D2與二個電容C3及C4構成之二倍壓整流電路３ｂ，如第１Ｂ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由二個二極體D1及D2與一個電容CO構成之整流電路３ｃ，如第１Ｃ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由四個二極體D1、D2、D3及D4與三個電容CO1、CO2及CO3構成之三倍壓整流電路３ｄ，如第１Ｄ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由四個二極體D1、D2、D3及D4與四個電容CO1、CO2、CO3及CO4構成之四倍壓整流電路３ｅ，如第１Ｅ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由六個二極體D1、D2、D3、D4、D5及D6與五個電容CA、CO1、CO2、CO3及CB構成之五倍壓整流電路３ｆ，如第１Ｆ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由六個二極體D1、D2、D3、D4、D5及D6與六個電容CA、CO1、CO2、CO3、CO4及CB構成之六倍壓整流電路３ｇ，如第１Ｇ圖所示。
當運用時，以第１Ｂ圖所示之隔離型交錯式直流轉換器電路為例。本發明電路係以二個主動開關元件、四個電容、三個電感、二個二極體以及一個變壓器所構成，其動作原理為：利用第三電感L3並聯第一電容C1透過參數設計成一半共振電路，再以半共振電路串聯第二電容C2達到分壓之效果。當第二電容C2之容值與第一電容C1之容值相近時，電源輸入之能量會分別儲存於第一電容C1與第三電感L3構成之半共振電路以及第二電容C2，隨著第一電容器C1跨壓快速上升，經由第三電感L3與第一電容C1共振，而將第一電容C1之儲能，轉換成電感電流iL3，同時將第一電容C1跨壓極性反轉，配合輸入電源與儲能電感L1或第二電感L2構成之升壓電路，將輸入能量傳送至第二電容C2，構成串聯諧振並聯負載電路，進一步提升第二電容C2之跨壓後，透過變壓器將能量傳送至二次側之倍壓電路，並使得開路主動開關元件之本質二極體導通後改變電路結構，實現柔切技術。第１Ｂ圖電路中之變壓器二次側電路，雖以二倍壓整流電路為例，惟本發明電路並不侷限搭配此二倍壓整流電路，亦可搭配分別如第１Ａ圖、第１Ｃ圖～第１Ｇ圖所示之其它倍壓整流電路。
透過上述第１Ａ圖～第１Ｇ圖所示雙相交錯式電路之作用可降低輸入連波，而二次側二倍壓整流電路則為習知之升壓電路，爰此，本發明電路利用變壓器一次側加入之電壓型自動電荷抽放電路，係可進一步有效地增加升壓比及獲得柔切效果。
本發明以前述第１Ｂ圖所示之隔離型交錯式直流轉換器電路為例，且為使本發明電路能工作於最佳操作模式，以下僅就第一、二與三電感L1、L2與L3均操作於電流連續導通模式為例。為方便清楚說明本發明所提出之隔離型交錯式直流轉換器電路之工作原理，以下假設所有電路元件均為理想，同時假設其負載為純電阻R。隔離型交錯式直流轉換器電路之工作模式敘述如下：
[工作模式一]
請參閱『第２圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式一之等效電路示意圖。如圖所示：當第一主動開關元件S1導通而第二主動開關元件S2截止時，輸入電源Vin經由第一主動開關元件S1對儲能電感L1充電，同時經過第二電感L2將能量傳送至L3C1共振電路後，接下來透過變壓器與第一二極體D1對第三電容C3充電，而第四電容C4持續提供能量至負載，其等效電路如第２圖所示。當第二主動開關元件S2之本質二極體導通時，此時本發明電路即進入工作模式二。
[工作模式二]
請參閱『第３圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式二之等效電路示意圖。如圖所示：輸入電源Vin經由第一主動開關元件S1對儲能電感L1充電，並經過第二電感L2將能量傳送至L3C1共振電路後，透過第三電感L3與第一電容C1共振，將第一電容C1之儲能轉換成電感電流iL3，並將第一電容C1跨壓極性反轉，此時第二主動開關元件S2之本質二極體導通，改變電路結構。電路中第一電容C1與第三電感L3、第一主動開關元件S1、第二電容C2與第二主動開關元件S2之本質二極體構成迴路，配合變壓器將儲存能量傳送至二次側，並經過第一二極體D1對第三電容C3充電，而第四電容C4則持續提供能量至負載，其等效電路如第３圖所示，當第二主動開關元件S2導通而第一主動開關S1截止時，本發明電路即進入工作模式三。
[工作模式三]
請參閱『第４圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式三之等效電路示意圖。如圖所示：當第二主動開關元件S2導通而第一主動開關元件S1截止時，輸入電源Vin經由第二主動開關元件S2對儲能電感L2充電，同時經過第一電感L1將能量傳送至L3C1共振電路後，接下來透過變壓器與第三電容C3經過第二二極體D2對第四電容C4充電同時提供能量至負載，其等效電路如第４圖所示。當第一主動開關元件S1之本質二極體導通時，此時本發明電路即進入工作模式四。
[工作模式四]
請參閱『第５圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式四之等效電路示意圖。如圖所示：輸入電源Vin經由第二主動開關元件S2對儲能電感L2充電，並經過第一電感L1將能量傳送至L3C1共振電路後，透過第三電感L3與第一電容C1共振，將第一電容C1之儲能轉換成電感電流iL3，並將第一電容C1跨壓極性反轉，此時第一主動開關元件S1之本質二極體導通，改變電路結構。電路中第一電容C1與第三電感L3、第二主動開關元件S2、第二電容C2與第一主動開關元件S1之本質二極體構成迴路，配合變壓器將儲存能量傳送至二次側，同時與第三電容C3經過第二二極體D2對第四電容C4充電，提供能量至負載，其等效電路如第５圖所示，當第一主動開關元件S1導通而第二主動開關元件S2截止時，此時本發明電路即進入工作模式一，電路即完成一週期動作。
請參閱『第６圖』所示，係本發明隔離型交錯式直流轉換器之vC1、iL1、iL2、iinA、vOA、iM1、iM2、PWM1A與PWM2A信號之模擬波形示意圖。如圖所示：為驗證本發明所提出之隔離型交錯式直流轉換器之可行性與進步性，以上述第１Ｂ圖所示之隔離型交錯式直流轉換器電路為例，其電路參數如表一所示，在轉換器操作於責任週期0.5之狀況下，使用電路模擬軟體進行模擬轉換器之電路動作情形。本發明所提出之隔離型交錯式直流轉換器，控制器依照需要產生兩組交錯式相位相差180調變信號PWM1A與PWM2A，其模擬結果如第６圖所示，其中vC1為本發明電路中第一電容C1之電容電壓，iL1為本發明電路中第一電感L1之電感電流，iL2為本發明電路中第二電感L2之電感電流，IinA為本發明電路之輸入電流，vOA為本發明電路之輸出電壓，iM1A～iM2A為本發明電路中第一與第二主動開關元件S1與S2之電流，PWM1A為本發明電路中第一主動開關元件S1之控制信號，以及PWM2A為本發明電路中第二主動開關元件S2之控制信號。
表一
該前端轉換電路１係由一雙相交錯式升壓電路１１及一電壓型自動電荷抽放電路（Auto Charge Pump Circuit）１２所構成，其中，該雙相交錯式升壓電路１１設有分別自輸入側負電壓端並聯耦接第一主動開關元件S1及第二主動開關元件S2，與自輸入側正電壓端並聯耦接第一電感L1及第二電感L2，其中該第一主動開關元件S1與其串聯耦接至第一電感L1係串聯耦接至該電壓型自動電荷抽放電路１２之半共振電路，該半共振電路係耦接至該第一主動開關S1與該第一電感L1之間之一共同節點，該半共振電路包含第三電感L3以及與該第三電感L3並聯耦接之第一電容C1，該電壓型自動電荷抽放電路１２還包含第二電容C2串聯耦接至該半共振電路，該第二電容C2並耦接至該第二主動開關元件S2與該第二電感L2之間之一共同節點。
該變壓器２或２ａ之一次側係耦接至該前端轉換電路１，並與該第二電容C2並聯耦接，該變壓器２或２ａ之二次側係耦接至一後端轉換電路，該後端轉換電路與該前端轉換電路１之間係透過該變壓器２或２ａ電性耦接。藉此，構成一全新之隔離型交錯式直流轉換器。
上述所提之變壓器２，其二次側耦接之後端轉換電路，係由四個二極體D1、D2、D3及D4與一個電容CO構成之全橋整流電路３ａ，如第１Ａ圖所示。
上述所提之變壓器２，其二次側耦接之後端轉換電路，係由二個二極體D1及D2與二個電容C3及C4構成之二倍壓整流電路３ｂ，如第１Ｂ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由二個二極體D1及D2與一個電容CO構成之整流電路３ｃ，如第１Ｃ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由四個二極體D1、D2、D3及D4與三個電容CO1、CO2及CO3構成之三倍壓整流電路３ｄ，如第１Ｄ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由四個二極體D1、D2、D3及D4與四個電容CO1、CO2、CO3及CO4構成之四倍壓整流電路３ｅ，如第１Ｅ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由六個二極體D1、D2、D3、D4、D5及D6與五個電容CA、CO1、CO2、CO3及CB構成之五倍壓整流電路３ｆ，如第１Ｆ圖所示。
上述所提之變壓器２ａ，係為多繞組變壓器２ａ，其二次側耦接之後端轉換電路，係由六個二極體D1、D2、D3、D4、D5及D6與六個電容CA、CO1、CO2、CO3、CO4及CB構成之六倍壓整流電路３ｇ，如第１Ｇ圖所示。
當運用時，以第１Ｂ圖所示之隔離型交錯式直流轉換器電路為例。本發明電路係以二個主動開關元件、四個電容、三個電感、二個二極體以及一個變壓器所構成，其動作原理為：利用第三電感L3並聯第一電容C1透過參數設計成一半共振電路，再以半共振電路串聯第二電容C2達到分壓之效果。當第二電容C2之容值與第一電容C1之容值相近時，電源輸入之能量會分別儲存於第一電容C1與第三電感L3構成之半共振電路以及第二電容C2，隨著第一電容器C1跨壓快速上升，經由第三電感L3與第一電容C1共振，而將第一電容C1之儲能，轉換成電感電流iL3，同時將第一電容C1跨壓極性反轉，配合輸入電源與儲能電感L1或第二電感L2構成之升壓電路，將輸入能量傳送至第二電容C2，構成串聯諧振並聯負載電路，進一步提升第二電容C2之跨壓後，透過變壓器將能量傳送至二次側之倍壓電路，並使得開路主動開關元件之本質二極體導通後改變電路結構，實現柔切技術。第１Ｂ圖電路中之變壓器二次側電路，雖以二倍壓整流電路為例，惟本發明電路並不侷限搭配此二倍壓整流電路，亦可搭配分別如第１Ａ圖、第１Ｃ圖～第１Ｇ圖所示之其它倍壓整流電路。
透過上述第１Ａ圖～第１Ｇ圖所示雙相交錯式電路之作用可降低輸入連波，而二次側二倍壓整流電路則為習知之升壓電路，爰此，本發明電路利用變壓器一次側加入之電壓型自動電荷抽放電路，係可進一步有效地增加升壓比及獲得柔切效果。
本發明以前述第１Ｂ圖所示之隔離型交錯式直流轉換器電路為例，且為使本發明電路能工作於最佳操作模式，以下僅就第一、二與三電感L1、L2與L3均操作於電流連續導通模式為例。為方便清楚說明本發明所提出之隔離型交錯式直流轉換器電路之工作原理，以下假設所有電路元件均為理想，同時假設其負載為純電阻R。隔離型交錯式直流轉換器電路之工作模式敘述如下：
[工作模式一]
請參閱『第２圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式一之等效電路示意圖。如圖所示：當第一主動開關元件S1導通而第二主動開關元件S2截止時，輸入電源Vin經由第一主動開關元件S1對儲能電感L1充電，同時經過第二電感L2將能量傳送至L3C1共振電路後，接下來透過變壓器與第一二極體D1對第三電容C3充電，而第四電容C4持續提供能量至負載，其等效電路如第２圖所示。當第二主動開關元件S2之本質二極體導通時，此時本發明電路即進入工作模式二。
[工作模式二]
請參閱『第３圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式二之等效電路示意圖。如圖所示：輸入電源Vin經由第一主動開關元件S1對儲能電感L1充電，並經過第二電感L2將能量傳送至L3C1共振電路後，透過第三電感L3與第一電容C1共振，將第一電容C1之儲能轉換成電感電流iL3，並將第一電容C1跨壓極性反轉，此時第二主動開關元件S2之本質二極體導通，改變電路結構。電路中第一電容C1與第三電感L3、第一主動開關元件S1、第二電容C2與第二主動開關元件S2之本質二極體構成迴路，配合變壓器將儲存能量傳送至二次側，並經過第一二極體D1對第三電容C3充電，而第四電容C4則持續提供能量至負載，其等效電路如第３圖所示，當第二主動開關元件S2導通而第一主動開關S1截止時，本發明電路即進入工作模式三。
[工作模式三]
請參閱『第４圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式三之等效電路示意圖。如圖所示：當第二主動開關元件S2導通而第一主動開關元件S1截止時，輸入電源Vin經由第二主動開關元件S2對儲能電感L2充電，同時經過第一電感L1將能量傳送至L3C1共振電路後，接下來透過變壓器與第三電容C3經過第二二極體D2對第四電容C4充電同時提供能量至負載，其等效電路如第４圖所示。當第一主動開關元件S1之本質二極體導通時，此時本發明電路即進入工作模式四。
[工作模式四]
請參閱『第５圖』所示，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式四之等效電路示意圖。如圖所示：輸入電源Vin經由第二主動開關元件S2對儲能電感L2充電，並經過第一電感L1將能量傳送至L3C1共振電路後，透過第三電感L3與第一電容C1共振，將第一電容C1之儲能轉換成電感電流iL3，並將第一電容C1跨壓極性反轉，此時第一主動開關元件S1之本質二極體導通，改變電路結構。電路中第一電容C1與第三電感L3、第二主動開關元件S2、第二電容C2與第一主動開關元件S1之本質二極體構成迴路，配合變壓器將儲存能量傳送至二次側，同時與第三電容C3經過第二二極體D2對第四電容C4充電，提供能量至負載，其等效電路如第５圖所示，當第一主動開關元件S1導通而第二主動開關元件S2截止時，此時本發明電路即進入工作模式一，電路即完成一週期動作。
請參閱『第６圖』所示，係本發明隔離型交錯式直流轉換器之vC1、iL1、iL2、iinA、vOA、iM1、iM2、PWM1A與PWM2A信號之模擬波形示意圖。如圖所示：為驗證本發明所提出之隔離型交錯式直流轉換器之可行性與進步性，以上述第１Ｂ圖所示之隔離型交錯式直流轉換器電路為例，其電路參數如表一所示，在轉換器操作於責任週期0.5之狀況下，使用電路模擬軟體進行模擬轉換器之電路動作情形。本發明所提出之隔離型交錯式直流轉換器，控制器依照需要產生兩組交錯式相位相差180調變信號PWM1A與PWM2A，其模擬結果如第６圖所示，其中vC1為本發明電路中第一電容C1之電容電壓，iL1為本發明電路中第一電感L1之電感電流，iL2為本發明電路中第二電感L2之電感電流，IinA為本發明電路之輸入電流，vOA為本發明電路之輸出電壓，iM1A～iM2A為本發明電路中第一與第二主動開關元件S1與S2之電流，PWM1A為本發明電路中第一主動開關元件S1之控制信號，以及PWM2A為本發明電路中第二主動開關元件S2之控制信號。
表一
由第６圖模擬結果可觀察到，本發明提出之隔離型交錯式直流轉換器其輸出電壓為158V，其升壓比為13.1，即可獲得更高之升壓比。此外，由第６圖模擬結果也可見到，本發明提出之隔離型交錯式直流轉換器，其開關元件均有柔性切換效果。
藉此，本發明電路提出之隔離型交錯式直流轉換器，其主要電路架構為整合變壓器、雙相交錯式升壓電路、電壓型自動電荷抽放電路以及倍壓整流電路，將電路中儲能元件之第一電感L1與第二電感L2之感值分離部份以作為共振電感L3，並將第三電感L3並聯第一電容C1構成L3C1共振電路，其電路架構如第１Ａ圖～第１Ｇ圖所示，另外透過參數設計以及LC共振電路作用，使得電路具有可變電路結構特性，配合第二電容C2構成串聯諧振並聯負載電路，以實現高升壓比之效果，此外透過變壓器二次側之倍壓整流電路，可進一步提升輸出電壓。再者，透過參數設計、LC共振電路與整合電路之主動開關元件，可實現柔切技術以降低切換損失與電磁干擾（Electric Magnetic Interruption, EMI）干擾。比較既有電路之功能、手段與效果，可見本發明電路係經過變壓器進一步整合電壓型自動電荷抽放電路與雙相交錯式升壓電路、利用電壓型自動電荷抽放電路之自動改變電路結構特性，可實現柔切技術與具高升壓比轉換器，達到更高升壓比、低成本、低EMI干擾、低輸入電流漣波、開關元件具柔切效果以及高轉換效率之目的。
綜上所述，本發明係一種同時整合柔切技術與具高升壓比之隔離型交錯式直流轉換器，可有效改善習用之種種缺點，本電路經由一變壓器於其一次側結合雙相交錯式升壓電路與電壓型自動電荷抽放電路，以降低輸入電流漣波，並於其二次側結合倍壓整流電路，並透過電路參數設計與LC共振電路作用，使得電路具有可變電路結構特性，同時實現柔切技術，以達到同時具有高升壓比、低成本、低電磁干擾（Electric Magnetic Interruption, EMI）干擾、低輸入電流漣波、主動開關元件具柔切效果以及高轉換效率之目的，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
藉此，本發明電路提出之隔離型交錯式直流轉換器，其主要電路架構為整合變壓器、雙相交錯式升壓電路、電壓型自動電荷抽放電路以及倍壓整流電路，將電路中儲能元件之第一電感L1與第二電感L2之感值分離部份以作為共振電感L3，並將第三電感L3並聯第一電容C1構成L3C1共振電路，其電路架構如第１Ａ圖～第１Ｇ圖所示，另外透過參數設計以及LC共振電路作用，使得電路具有可變電路結構特性，配合第二電容C2構成串聯諧振並聯負載電路，以實現高升壓比之效果，此外透過變壓器二次側之倍壓整流電路，可進一步提升輸出電壓。再者，透過參數設計、LC共振電路與整合電路之主動開關元件，可實現柔切技術以降低切換損失與電磁干擾（Electric Magnetic Interruption, EMI）干擾。比較既有電路之功能、手段與效果，可見本發明電路係經過變壓器進一步整合電壓型自動電荷抽放電路與雙相交錯式升壓電路、利用電壓型自動電荷抽放電路之自動改變電路結構特性，可實現柔切技術與具高升壓比轉換器，達到更高升壓比、低成本、低EMI干擾、低輸入電流漣波、開關元件具柔切效果以及高轉換效率之目的。
綜上所述，本發明係一種同時整合柔切技術與具高升壓比之隔離型交錯式直流轉換器，可有效改善習用之種種缺點，本電路經由一變壓器於其一次側結合雙相交錯式升壓電路與電壓型自動電荷抽放電路，以降低輸入電流漣波，並於其二次側結合倍壓整流電路，並透過電路參數設計與LC共振電路作用，使得電路具有可變電路結構特性，同時實現柔切技術，以達到同時具有高升壓比、低成本、低電磁干擾（Electric Magnetic Interruption, EMI）干擾、低輸入電流漣波、主動開關元件具柔切效果以及高轉換效率之目的，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1．．．前端轉換電路
11．．．雙相交錯式升壓電路
12．．．電壓型自動電荷抽放電路
2或2a．．．變壓器
3b．．．二倍壓整流電路
3c．．．整流電路
3d．．．三倍壓整流電路
3e．．．四倍壓整流電路
3f．．．五倍壓整流電路
3g．．．六倍壓整流電路
4．．．雙相交錯式升壓轉換器電路
5．．．二倍壓整流電路
第１Ａ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配全橋整流電路示意圖。
第１Ｂ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配二倍壓整流電路示意圖。
第１Ｃ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配整流電路示意圖。
第１Ｄ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配三倍壓整流電路示意圖。
第１Ｅ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配四倍壓整流電路示意圖。
第１Ｆ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配五倍壓整流電路示意圖。
第１Ｇ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配六倍壓整流電路示意圖。
第２圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式一之等效電路示意圖。
第３圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式二之等效電路示意圖。
第４圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式三之等效電路示意圖。
第５圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式四之等效電路示意圖。
第６圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器之vC1、iL1、iL2、iinA、vOA、iM1、iM2、PWM1A與PWM2A信號之模擬波形示意圖。
第７圖，係習用之雙相交錯式二倍壓轉換器電路示意圖。
第１Ｂ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配二倍壓整流電路示意圖。
第１Ｃ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配整流電路示意圖。
第１Ｄ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配三倍壓整流電路示意圖。
第１Ｅ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配四倍壓整流電路示意圖。
第１Ｆ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配五倍壓整流電路示意圖。
第１Ｇ圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器電路之變壓器二次側搭配六倍壓整流電路示意圖。
第２圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式一之等效電路示意圖。
第３圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式二之等效電路示意圖。
第４圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式三之等效電路示意圖。
第５圖，係本發明之隔離型交錯式直流轉換器於工作模式四之等效電路示意圖。
第６圖，係本發明隔離型交錯式直流轉換器之vC1、iL1、iL2、iinA、vOA、iM1、iM2、PWM1A與PWM2A信號之模擬波形示意圖。
第７圖，係習用之雙相交錯式二倍壓轉換器電路示意圖。
1．．．前端轉換電路
11．．．雙相交錯式升壓電路
12．．．電壓型自動電荷抽放電路
2．．．變壓器
3a．．．全橋整流電路
3b．．．二倍壓整流電路
Claims (8)
- 一種隔離型交錯式直流轉換器，係包括：
一前端轉換電路，係由一雙相交錯式升壓電路及一電壓型自動電荷抽放電路（Auto Charge Pump）所構成，其中，該雙相交錯式升壓電路設有分別自輸入側負電壓端並聯耦接第一主動開關元件及第二主動開關元件，與自輸入側正電壓端並聯耦接第一電感及第二電感，其中該第一主動開關元件與其串聯耦接至第一電感係串聯耦接至該電壓型自動電荷抽放電路之半共振電路，該半共振電路係耦接至該第一主動開關與該第一電感之間之一共同節點，該半共振電路包含第三電感以及與該第三電感並聯耦接之第一電容，該電壓型自動電荷抽放電路還包含第二電容串聯耦接至該半共振電路，該第二電容並耦接至該第二主動開關元件與該第二電感之間之一共同節點；以及
一變壓器，該變壓器之一次側係耦接至該前端轉換電路，並與該第二電容並聯耦接，該變壓器之二次側係耦接至一後端轉換電路，該後端轉換電路與該前端轉換電路之間係透過該變壓器電性耦接。 - 依申請專利範圍第１項所述之隔離型交錯式直流轉換器，其中，該變壓器之二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與一個電容構成之全橋整流電路。
- 依申請專利範圍第１項所述之隔離型交錯式直流轉換器，其中，該變壓器之二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由二個二極體與二個電容構成之二倍壓整流電路。
- 依申請專利範圍第１項所述之隔離型交錯式直流轉換器，其中，該變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由二個二極體與一個電容構成之整流電路。
- 依申請專利範圍第１項所述之隔離型交錯式直流轉換器，其中，該變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與三個電容構成之三倍壓整流電路。
- 依申請專利範圍第１項所述之隔離型交錯式直流轉換器，其中，該變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由四個二極體與四個電容構成之四倍壓整流電路。
- 依申請專利範圍第１項所述之隔離型交錯式直流轉換器，其中，該變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由六個二極體與五個電容構成之五倍壓整流電路。
- 依申請專利範圍第１項所述之隔離型交錯式直流轉換器，其中，該變壓器係為多繞組變壓器，於其二次側係耦接至該後端轉換電路，且該後端轉換電路係由六個二極體與六個電容構成之六倍壓整流電路。
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