TW201519562A

TW201519562A - 具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置

Info

Publication number: TW201519562A
Application number: TW102139783A
Authority: TW
Inventors: Kuo-Ing Hwu; Wen-Zhuang Jiang
Original assignee: Univ Nat Taipei Technology
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-05-16
Also published as: TWI495239B

Abstract

一種高升壓轉換器，包含一電荷幫浦及一耦合電感繞組。本發明提出的轉換器具有一輸出電感，因此輸出電流非脈動式。其相較於現有的KY型結合升降壓型轉換器有更高的電壓增益。

Description

具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置

本發明是有關於一種升壓轉換器，特別是指一種可降低漏感並回收能量的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置。

升壓轉換裝置廣泛應用於例如：HID光驅動器、不斷電系統、太陽能電池系統及燃料電池系統等領域，以太陽能電池為例，需要升壓轉換裝置將低電壓轉換為高電壓，然後用直流交流轉換器轉換為交流電壓輸出。

傳統的升壓轉換裝置常用推動式(Boost)或返馳式(Flyback)，也有其他類型的升壓轉換裝置，但各自有其缺失，有的升壓轉換裝置具有高轉換效能，但是漏電感伴隨電壓突波且電路相當複雜，有的升壓轉換裝置是浮接輸出且伴隨複雜電路，使得電路分析不易。

發明人在先前所提出的的升壓轉換裝置具有良好的電壓轉換效能，為了能降低漏感並快速回收能量，擬提出一種不同於先前提出的電壓轉換效能且相較前述升壓轉換裝置更可降低漏感並快速回收能量的電路架構。

因此，本發明之目的，即在提供一種可降低漏感並回收能量的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置。

於是，本發明具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置包含一電荷幫浦、一升壓電路及一輸出電路。

該電荷幫浦用以接收一輸入電壓，具有一第一開關元件、一串接該第一開關元件之第一端的第二開關元件、一以陽極端連接該第一開關元件之第二端的幫浦二極體，及一靴帶電容，該靴帶電容具有一第一端及一第二端，該靴帶電容的第一端電性連接該幫浦二極體的陰極端，該靴帶電容的第二端電性連接該第一開關元件及該第二開關元件之間。

該升壓電路電性連接該電荷幫浦，具有一傳導電容一耦合電感，該耦合電感具有一初級側繞組及一次級側繞組，該傳導電容的一端耦接該輸入電壓及該傳導電容的另一端耦接該第一開關元件之第二端，該初級側繞組的打點端耦接該輸入電壓及該初級側繞組的非打點端耦接該第一開關元件之第一端，該次級側繞組的非打點端耦接該幫浦二極體的陽極端及該次級側繞組的打點端耦接該第一開關元件之第二端。

該輸出電路具有一輸出電感、一輸出電容及一輸出電阻，該輸出電感之一端耦接該幫浦二極體之陰極端，該輸出電感之另一端分別連接於該輸出電容及該輸出電阻，並藉由該第一開關元件的控制端及該第二開關元件的控制端分別接受波寬調整控制訊號驅動該升壓電路並經由該輸出電路產生該輸入電壓升壓後的輸出電壓。

本發明之功效在於：藉由初級側繞組及次級側繞組可降低漏感並回收能量，且配合輸出電感使得輸出電流非脈動式，其結果使得輸出電流鏈波及輸出電壓鏈波可顯著地降低。

100‧‧‧升壓轉換裝置

11‧‧‧電荷幫浦

12‧‧‧升壓電路

13‧‧‧輸出電路

21‧‧‧電壓分壓器

22‧‧‧類比數位轉換器

23‧‧‧FPGA控制器

24‧‧‧半橋閘極驅動器

C₁‧‧‧傳導電容

C₂‧‧‧靴帶電容

C_o‧‧‧輸出電容

L_o‧‧‧輸出電感

D₁‧‧‧幫浦二極體

N_p‧‧‧初級側繞組

N_S‧‧‧次級側繞組

R_o‧‧‧輸出電阻

S₁‧‧‧第一開關元件

S₂‧‧‧第二開關元件

V_i‧‧‧輸入電壓

V_o‧‧‧輸出電壓

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是說明本發明的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置之較佳實施例的電路圖；圖2是說明本發明的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置之較佳實施例於第一狀態的模擬電路圖；圖3是說明本發明的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置之較佳實施例於第二狀態的模擬電路圖；圖4及圖5是說明本發明各元件在額定負載及輕載的電壓/電流時序波形圖；圖6及圖7是說明次級側繞組的電流I_Ns及磁化電感的電流I_Lm的關係圖；圖8是說明磁化電感Lm的邊界條件的示意圖；圖9是說明輸出電感Lo的邊界條件的示意圖；圖10是說明本發明的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置之較佳實施例的控制系統的方塊圖；及圖11至圖13是說明在額定負載下，輸出電流Io=1.25安培的實驗波形。

參閱圖1，本發明之較佳實施例中，一具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置100包含一電荷幫浦11、一升壓電路12及一輸出電路13。

該電荷幫浦11用以接收一輸入電壓V_i，具有一第一開關元件S₁、一串接該第一開關元件S₁之第一端的第二開關元件S₂、一以陽極端連接該第一開關元件S₁之第二端的幫浦二極體D₁，及一靴帶電容C₂，該靴帶電容C₂具有一第一端及一第二端，該靴帶電容C₂的第一端電性連接該幫浦二極體D₁的陰極端，該靴帶電容C₂的第二端電性連接該第一開關元件S₁及該第二開關元件S₂之間。

該升壓電路12電性連接該電荷幫浦11，具有一傳導電容C₁及一耦合電感，耦合電感具有一初級側繞組N_p及一次級側繞組N_S，該傳導電容C₁的一端耦接該輸入電壓V_i及該傳導電容C₁的另一端耦接該第一開關元件S₁之第二端，該初級側繞組N_p的打點端耦接該輸入電壓V_i及該初級側繞組N_p的非打點端耦接該第一開關元件S₁之第一端，該次級側繞組N_S的非打點端耦接該幫浦二極體D₁的陽極端及該次級側繞組N_S的打點端耦接該第一開關元件S₁之第二端。

該輸出電路13具有一輸出電感L_o、一輸出電容C_o及一輸出電阻R_o，該輸出電感L_o之一端耦接該幫浦二極體D₁之陰極端，該輸出電感L_o之另一端分別連接於該輸出電容C_o及該輸出電阻R_o，並藉由該第一開關元件S₁的控制端及該第二開關元件S₂的控制端分別接受波寬調整控制訊號驅動而該輸入電壓V_i升壓後的輸出電壓V_o由該輸出電路13輸出。

參閱圖2及圖3，為了便於分析，相關設定條件如下：(1)耦合電感為一理想變壓器並聯一磁化電感(inductor L_m)於初級側繞組；(2)本電路架構操作於正電流模式，因此，流經磁化電感L_m及輸出電感L_o之電流為正；(3)各開關元件之間的空白時間(blanking time)忽略；(4)所有開關元件及二極體為理想元件；(5)所有電容之容值大到足夠令其保持在固定電壓；(6)忽略切換漣波。

本較佳實施例為連續導通模式(Continuous Conduction Mode；CCM)下共有兩種狀態。以下分析包含介紹各狀態的功率流(power flow)方向，並列出對應直流輸入電壓Vi及直流輸出電壓Vo的關係式，第一開關元件S₁、第二開關元件S₂的導通週期分別是1-D及D，其中的D代表波寬調整控制訊號的直流靜止責任週期(DC quiescent duty cycle)。

I.第一狀態：

參閱圖2、圖4及圖5，在此狀態為第一開關元件S₁不導通及第二開關元件S₂導通；初級側繞組N_p施加輸入電壓V_i，如公式1，造成磁化電感L_m被激磁，感應次級側繞組N_S的電壓為輸入電壓V_i乘以匝數比(N_s/N_p)；同時，幫浦二極體D₁被逆偏(reverse-biased)，輸出電感L_o電壓為負值：V_C2-V_o，如公式2，使得輸出電感L_o去磁化，因此，電壓V_C2提供給負載。

v _Np=V _i 公式1

v _Lo=V _C2-V _o 公式2

II.第二狀態：

參閱圖3、圖4及圖5，在此狀態為第一開關元件S₁導通及第二開關元件S₂不導通；初級側繞組N_p施加輸入電壓-V_C1，如公式3，藉此造成磁化電感L_m被去磁化，感應次級側繞組N_S的電壓為V_C1xN_s/N_p；幫浦二極體D₁被順偏(forward-biased)，靴帶電容C₂的電壓充電為V_i+V_C1+V_ixN_s/N_p，，輸出電感L_o的電壓為正值：V_i+V_C1+V_C2-V_o，如公式4，使得輸出電感L_o被磁化，因此，電壓V_i+V_C1+V_C2一起提供給負載。

v _Np=-V _C1 公式3

v _Lo=V _i+V _C1+V _C2-V _o 公式4

磁化電感L_m在開關週期應用伏秒平衡定律(voltage-second balance principle)可得到公式5，公式5可改寫為公式6。

V _i×D+(-V _C1)×(1-D)=0 公式5

相同的，輸出電感L_o在開關週期應用伏秒平衡定律可得到公式7，公式8為C₂的跨壓。

(V _C2-V _o)×D+(V _i+V _C1+V _C2-V _o)×(1-D)=0 公式7

最後，依據公式6、7及8，電壓轉換效能(增益)之計算公式如公式9所示。

以下介紹磁化電感L_m操作在如公式10的電流區間的邊界條件，其中的電流I _Lm是表示對應於電流i _Lm的直流成分及△i _Lm是表示對應於電流i _Lm的交流成分。磁化電感L_m的電流I _Lm的表示式如公式11至13。

為了方便分析，假設輸入功率等於輸出功率，依據電感的伏秒平衡(voltage-second balance)定理及電容的安秒平衡(ampere-second balance)定理，電感電壓的直流成分及電容電流的直流成分均為0。

參閱圖6及圖7，電流i _Ns,I _Ns的直流成分等於輸出電流I _o的直流成分；同樣的，電流i _Lm,I _Lm的直流成分等於輸入電流I _i進入耦合電感的初級側，加上電流i _Np,I _Np的直流成分。輸出電流I _o可表示為V _o/R _o，將公式13的輸出電流I _o以V _o/R _o取代，如公式14。△i _Lm可表示為公式15。

當邊界條件為2I _Lm △i _Lm，磁化電感L _m操作於正電流區，因此，改寫公式如公式16，其中的n為該次級側繞組及該初級側繞組的匝數比N_s/N_p。

其中，且。

參閱圖8，為責任週期D及自訂參數K _crit1(D)在公式16中的n設定為3的關係圖，可知K ₁大於自訂參數K _crit1(D)，磁化電感L _m操作於正電流區；否則，部分電流i _Lm進入負電流區。

以下介紹輸出電感L_o操作在如公式17的電流區間的邊界條件，其中的電流I _Lo是表示對應於電流i _Lo的直流成分及△i _Lo是表示對應於電流i _Lo的交流成分。電流I _Lo等於輸出電流I _o，可表示為V _o/R _o，如公式18。電流△i _Lo可表示為公式19及20。

當邊界條件為2I _Lo △i _Lo，輸出電感L _o操作於正電流區，因此，改寫公式如公式21。

其中，且。

參閱圖9，為責任週期D及自訂參數K _crit2(D)在公式16中的n設定為3的關係圖，可知K ₂大於自訂參數K _crit2(D)，輸出電感L _o操作於正電流區；否則，部分電流i _Lm進入負電流區。

參閱圖10，本較佳實施例的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置100所配合的一控制系統包括一電壓分壓器21、一類比數位轉換器22、一FPGA控制器23及一半橋閘極驅動器24，詳細技術原理，FPGA控制器23負責整個系統的時序控制與開關控制時序，處理回授補償並算出控制力再去執行比例積分微分(Proportional Integral；簡稱PI)的控制包含在額定負載(rated load)可調整的比例增益參數(proportional gain)k_p及整數增益(integral gain)k_i，由於電壓分壓器21、類比數位轉換器22、FPGA控制器23及半橋閘極驅動器24為現有技術且非本發明重點，在此不詳述其原理。

本較佳實施例中的各元件的規格如下：(i)輸入電壓V_i為12伏特；(ii)額定輸出電壓V_o為48伏特；(iii)輸出額定電流(I_o,rated)/功率(P_o,rated)為1.25A/60W；(iv)最小輸出額定電流(I_o,min)/功率(P_o,min)為0.1A/7.2W；(v)開關頻率f_s為100kHz；(vi)輸出電容C_o選用二個470μF/100V的並聯電容；(vii)第一開關元件S₁及第二開關元件S₂的型號皆為STP120NF；(viii)幫浦二極體D₁的型號為V20120C及靴帶電容C₂選用二個100μF/100V的並聯電容；(ix)FPGA控制器23的型號為EP1C3T100；(x)類比數位轉換器22的型號為ADC7476；(xi)半橋閘極驅動器24採用的型號為IR2011；(xii)傳導電容C₁為兩個680μF/50V的串聯電容；(xiii)耦合電感L_m為Core：PC40EER40-Z；N _p：N _s=1：3；L _m=44.8μH；L _l1=0.498μH；k≒0.989；及(xiv)輸出電感為Core：PC40EER35-Z；L_o=136μH。

參閱圖11至圖13，是在額定負載(rated load)下，輸出電流I _o=1.25安培的實驗波形，從各波形可知本發明可穩定的運作；其中，圖11是本發明的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置100之第一開關元件S ₁的閘極驅動訊號v _gs1、第二開關元件S ₂的閘極驅動訊號v _gs2、初級側繞組N_p及漏感的電流i _Np+i _Lm及次級側繞組N_S的電流i _Ns的波形圖；圖12是第一開關元件S ₁的閘極驅動訊號v _gs1、第二開關元件S ₂的閘極驅動訊號v _gs2、輸出電感L_o電壓v _Lo及輸出電感L_o電流i _Lo的波形圖；及圖13是第一開關元件S ₁的閘極驅動訊號v _gs1、第二開關元件S ₂的閘極驅動訊號v _gs2、傳導電容C₁電壓V _C1及靴帶電容C₂電壓V _C2的波形圖。

傳導電容C₁及靴帶電容C₂被串接的初級側繞組N_p及次級側繞組N_S所充電，對應地使得傳導電容C₁電壓V _C1及靴帶電容C₂電壓V _C2的雜訊變小，此外，磁化電感L _m是設計為操作在正電流區，但在真實可以量測到電流為i _Lm+i _Np在某些時間點具有負電流值。

綜上所述，本發明之具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置100藉由耦合電感的初級側繞組N_p及次級側繞組N_S可降低漏感並回收能量，且配合輸出電感_Lo使得輸出電流非脈動式，其結果使得輸出電流鏈波及輸出電壓鏈波可顯著地降低，相較以往的升壓轉換裝置更可降低漏感並快速回收能量，故確實能達成本發明之目的。

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，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧升壓轉換裝置

11‧‧‧電荷幫浦

12‧‧‧升壓電路

13‧‧‧輸出電路

C₁‧‧‧傳導電容

C₂‧‧‧靴帶電容

C_o‧‧‧輸出電容

L_o‧‧‧輸出電感

D₁‧‧‧幫浦二極體

N_p‧‧‧初級側繞組

N_S‧‧‧次級側繞組

R_o‧‧‧輸出電阻

S₁‧‧‧第一開關元件

S₂‧‧‧第二開關元件

V_i‧‧‧輸入電壓

V_o‧‧‧輸出電壓

Claims

一種具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置，包含：一電荷幫浦，用以接收一輸入電壓，具有一第一開關元件、一串接該第一開關元件之第一端的第二開關元件、一以陽極端連接該第一開關元件之第二端的幫浦二極體，及一靴帶電容，該靴帶電容具有一第一端及一第二端，該靴帶電容的第一端電性連接該幫浦二極體的陰極端，該靴帶電容的第二端電性連接該第一開關元件及該第二開關元件之間；一升壓電路，電性連接該電荷幫浦，具有一傳導電容一耦合電感，該耦合電感具有一初級側繞組及一次級側繞組，該傳導電容的一端耦接該輸入電壓及該傳導電容的另一端耦接該第一開關元件之第二端，該初級側繞組的打點端耦接該輸入電壓及該初級側繞組的非打點端耦接該第一開關元件之第一端，該次級側繞組的非打點端耦接該幫浦二極體的陽極端及該次級側繞組的打點端耦接該第一開關元件之第二端；及一輸出電路，具有一輸出電感、一輸出電容及一輸出電阻，該輸出電感之一端耦接該幫浦二極體之陰極端，該輸出電感之另一端分別連接於該輸出電容及該輸出電阻；藉此，該第一開關元件的控制端及該第二開關元件的控制端分別接受一波寬調整控制訊號驅動該升壓電路並經由該輸出電路產生該輸入電壓升壓後的輸出電壓。
如請求項1所述的具靴帶電容及耦合電感之升壓轉換裝置，其電壓轉換效能之公式為其中，V_o為輸出電壓，V_i為輸入電壓，D為該波寬調整控制訊號的直流靜止責任週期，N_s/N_p為該次級側繞組及該初級側繞組的匝數比。