TW201733256A

TW201733256A - 交錯式高升壓ｄｃ－ｄｃ轉換器

Info

Publication number: TW201733256A
Application number: TW105106121A
Authority: TW
Inventors: 陳信助; 楊松霈; 黃昭明; 林川凱
Original assignee: 崑山科技大學
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-09-16
Also published as: TWI581553B

Abstract

本發明係有關於一種交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器，其主要係令轉換器由並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器、電壓倍增模組及輸出負載ＲＯ所相連接組成；據此，能增加了電壓增益的設計自由度，令高電壓增益的達成不必操作在極大的導通比，且可降低導通損失，並能令反向恢復問題與功率損失得以改善，同時能避免造成電壓突波問題，及降低系統整體成本，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

Description

交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器

本發明係有關於一種交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器，尤其是指一種能增加了電壓增益的設計自由度，令高電壓增益的達成不必操作在極大的導通比，且可降低導通損失，並能令反向恢復問題與功率損失得以改善，同時能避免造成電壓突波問題，及降低系統整體成本，而在其整體施行使用上更增實用功效特性之交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器創新設計者。

按，再生能源的利用是各國產業發展的重點方向，包含太陽能、風力能、水力能、地熱能、潮汐能、生質能及燃料電池等。例如在歐洲、日本與美國裝設於屋頂的住宅型太陽能併網電力系統，最近成為成長快速的市場。在再生能源電力系統應用中，太陽能發電系統及燃料電池發電系統的技術發展越來越成熟，常常在分散式發電系統［ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ］扮演重要的角色。而由於住宅型應用［ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ］的安全性與可靠性的問題，太陽能電池模組與燃料電池所產生的輸出電壓是屬於低電壓，一般不超過４０Ｖ，為了達到併網發電系統或直流微電網的需求，必須先將此低電壓利用高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器，升壓至一個高直流排電壓。例如：對於一個單相２２０Ｖ_ａｃ的電網系統而言，此高直流排電壓常為３８０～４００Ｖ_ｄｃ，以利全橋換流器［ｉｎｖｅｒｔｅｒ］的ＤＣ－ＡＣ轉換。理論上，操作在極高導通比的傳統升壓型［ｂｏｏｓｔ］轉換器能夠得到高電壓增益，但是實務上受到寄生元件的影響，電壓轉換比受限在約５倍以下，因此當電壓增益超過５倍的需求時，研發嶄新的高升壓轉換器拓樸是必要的。因此最近幾年高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器是電力電子工程領域中常見的研究主題之一。

其中，就一般常見之轉換器而言，請參閱公告於１０３年１１月１日之第Ｉ４５９７０５號「單級式高升壓比直流－直流轉換器」，其係包括有一一次側電路、一二次側電路及一輸出負載端，其中該二次側電路係電性連接前述一次側電路，而該輸出負載端係電性連接前述一次側電路及二次側電路，且一次側電路包含有一一次側電感，而二次側電路包含有一二次側電感，該一次側電感與該二次側電感互為耦合電感，其主要目的在於可適當調整該一次側電感與該二次側電感之匝數比，藉以得到較高之電壓增益比。然而，上述結構並非為交錯式設計，且僅為單級式設計，造成其轉換效率不佳，容易產生很大的輸入電流漣波。

另，請再參閱公告於１０４年９月２１日之第Ｉ５０１５２７號「單輔助開關之交錯式高升壓比柔切式轉換器」，包含一第一升壓電路、一第二升壓電路、一第一阻絕二極體、一第二阻絕二極體、一共振電感、一輔助開關、一共振電容、一輔助開關二極體及一輔助二極體，其中第一升壓電路包含一第一主開關，第二升壓電路包含一第二主開關且與第一升壓電路電性連接，第一阻絕二極體與第一主開關電性連接，第二阻絕二極體與第二主開關電性連接，輔助開關透過共振電感而與第一阻絕二極體及第二阻絕二極體電性連接，輔助開關二極體、共振電容及輔助二極體分別與輔助開關電性連接以達成柔切。然而，上述轉換器於整體結構設計上較為繁雜，開關設計較多，造成不僅製作成本無法有效降低，且連帶亦會導致其故障損壞機率增加，致令其在整體結構設計上仍存在有改進之空間。

又，請再參閱第二十二圖現有之轉換器電路圖所示，其係為登錄於電機電子工程師學會第１４０５７３４３號之學術文獻W. Li, W. Li, X. Xiang, Y. Hu, and X. He, “High step-up interleaved converter with built-in transformer voltage multiplier cells for sustainable energy applications,”IEEE Trans. Power Electronics , Vol. 29, No. 6, pp. 2829–2836, 2014.中所揭露的轉換器電路，該轉換器（２）之功率二極體的電壓應力為，電壓應力值較高，且元件總數較高，並於耦合電感的設計上較為繁雜困難，造成其同樣在整體結構設計上存在有改進之空間。

緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構及缺失再予以研究改良，提供一種交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器，以期達到更佳實用價值性之目的者。

本發明之主要目的在於提供一種交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器，其主要係能增加了電壓增益的設計自由度，令高電壓增益的達成不必操作在極大的導通比，且可降低導通損失，並能令反向恢復問題與功率損失得以改善，同時能避免造成電壓突波問題，及降低系統整體成本，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

本發明交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：

其主要係令轉換器由並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器、電壓倍增模組及輸出負載Ｒ_Ｏ所相連接組成；其中：

該並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器，其係於電源端Ｖ_ｉｎ之正極並聯有第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１的第一端及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２的第一端，而該電源端Ｖ_ｉｎ之負極則並聯有第一功率開關Ｓ_１的第二端、第二功率開關Ｓ_２的第二端及第一輸出二極體Ｄ_１的第一端，該第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２的第二端與該第二功率開關Ｓ_２的第一端相連接、同時連接有第二輸出二極體Ｄ_２的第二端，該第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ１的第二端與該第一功率開關Ｓ_１的第一端相連接、同時連接有第一輸出電容Ｃ_１的第一端及第二輸出電容Ｃ_２第二端，該第一輸出電容Ｃ_１的第二端與該第一輸出二極體Ｄ_１的第二端連接後同時連接至該輸出負載Ｒ_Ｏ的第二端，該第二輸出二極體Ｄ_２的第一端則與該第二輸出電容Ｃ_２第一端相連接後同時連接至該電壓倍增模組；

該電壓倍增模組，其係令第一倍壓二極體Ｄ_３之第二端與第三輸出電容Ｃ_３之第二端相連接、同時亦與該並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器之該第二輸出二極體Ｄ_２的第一端及該第二輸出電容Ｃ_２第一端相連接，該第一倍壓二極體Ｄ_３之第一端與該第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２的第一端及第二倍壓二極體Ｄ_４之第二端相連接，該第三輸出電容Ｃ_３之第一端與該第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１的第一端及第四輸出電容Ｃ_４之第二端相連接，該第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１的第二端則與該第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２的第二端相連接，而該第二倍壓二極體Ｄ_４之第一端與該第四輸出電容Ｃ_４之第一端相連接後同時連接至該輸出負載Ｒ_Ｏ的第一端。

為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

首先，請參閱第一圖本發明之電路圖所示，本發明之轉換器（１）主要係由並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器（１１）、電壓倍增模組（１２）及輸出負載Ｒ_Ｏ所相連接組成；其中：

該並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器（１１），其係於電源端Ｖ_ｉｎ之正極並聯有第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１的第一端及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２的第一端，而該電源端Ｖ_ｉｎ之負極則並聯有第一功率開關Ｓ_１的第二端、第二功率開關Ｓ_２的第二端及第一輸出二極體Ｄ_１的第一端，該第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２的第二端與該第二功率開關Ｓ_２的第一端相連接、同時連接有第二輸出二極體Ｄ_２的第二端，該第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ１的第二端與該第一功率開關Ｓ_１的第一端相連接、同時連接有第一輸出電容Ｃ_１的第一端及第二輸出電容Ｃ_２第二端，該第一輸出電容Ｃ_１的第二端與該第一輸出二極體Ｄ_１的第二端連接後同時連接至該輸出負載Ｒ_Ｏ的第二端，該第二輸出二極體Ｄ_２的第一端則與該第二輸出電容Ｃ_２第一端相連接後同時連接至該電壓倍增模組（１２）。

該電壓倍增模組（１２），其係令第一倍壓二極體Ｄ_３之第二端與第三輸出電容Ｃ_３之第二端相連接、同時亦與該並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器（１１）之該第二輸出二極體Ｄ_２的第一端及該第二輸出電容Ｃ_２第一端相連接，該第一倍壓二極體Ｄ_３之第一端與該第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２的第一端及第二倍壓二極體Ｄ_４之第二端相連接，該第三輸出電容Ｃ_３之第一端與該第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１的第一端及第四輸出電容Ｃ_４之第二端相連接，該第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１的第二端則與該第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２的第二端相連接，而該第二倍壓二極體Ｄ_４之第一端與該第四輸出電容Ｃ_４之第一端相連接後同時連接至該輸出負載Ｒ_Ｏ的第一端。

如此一來，使得本發明於操作使用上，該轉換器（１）由於設有該並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器（１１），且利用該電壓倍增模組（１２）疊接在輸出端，以提升電壓增益；而該電壓倍增模組（１２）係令第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１與該第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２串聯連接及該第三輸出電容Ｃ_３與該第四輸出電容Ｃ_４組成，該第一功率開關Ｓ_１及該第二功率開關Ｓ_２係採用相差半切換週期的交錯式操作，使得第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１與該第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２的電流漣波能部份相消，降低輸入電流ｉ_ｉｎ漣波大小。

而該轉換器（１）操作在連續導通模式［ＣＣＭ］，為了達到高升壓性能，導通比大於０．５，而且該第一功率開關Ｓ_１及該第二功率開關Ｓ_２以工作相位相差半切換週期的交錯式操作。穩態分析時，根據該第一功率開關Ｓ_１、該第二功率開關Ｓ_２及該第一輸出二極體Ｄ_１、該第二輸出二極體Ｄ_２、該第一倍壓二極體Ｄ_３、該第二倍壓二極體Ｄ_４的ＯＮ／ＯＦＦ狀態，該轉換器（１）在一個切換週期內可分成８個線性操作階段，假設：

1.所有功率半導體元件均為理想，即導通壓降為零。

2.該第一輸出電容Ｃ_１、該第二輸出電容Ｃ_２、該第三輸出電容Ｃ_３、該第四輸出電容Ｃ_４夠大，電容電壓Ｖ_Ｃ _１、Ｖ_Ｃ _２、Ｖ_Ｃ _３、Ｖ_Ｃ _４可視為定電壓，輸出電壓Ｖ_Ｏ可視為常數。

3.該第一耦合電感與該第二耦合電感之匝數比相等［ｎ＝Ｎ_Ｓ１／Ｎ_Ｐ１＝Ｎ_Ｓ２／Ｎ_Ｐ２］，且磁化電感值相等［Ｌ_ｍ１＝Ｌ_ｍ２＝Ｌ_ｍ］，漏電感值相等［Ｌ_ｋ１＝Ｌ_ｋ２＝Ｌ_ｋ］，磁化電感遠大於漏電感，耦合電感的耦合係數ｋ＝Ｌ_ｍ／（Ｌ_ｍ＋Ｌ_ｋ）。

4.該第一耦合電感與該第二耦合電感的磁化電感電流操作在連續導通模式［Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅ，ＣＣＭ］。

分析該轉換器（１）在一個切換週期內之８個線性操作階段如下，請再一併參閱第二圖本發明之主要元件時序波形圖所示：

第一階段［ｔ_０～ｔ_１］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＦＦ→ＯＮ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＮ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＦＦ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＦＦ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＦＦ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＮ］：請再一併參閱第三圖本發明之第一操作階段等效電路示意圖所示，第一階段開始於ｔ＝ｔ_０，第一功率開關Ｓ_１切換成ＯＮ，且第二功率開關Ｓ_２仍保持ＯＮ，由於漏電感Ｌ_ｋ _１的存在，第一功率開關Ｓ_１具有零電流切換［ＺＣＳ］的柔切性能，降低切換損失。漏電感電流ｉ_Ｌｋ _１上升，當ｉ_Ｌｋ _１＜ｉ_Ｌｍ _１時，磁化電感Ｌ_ｍ _１所儲存的能量仍藉由耦合電感傳送至次級側Ｎ_Ｓ _１，因此第二倍壓二極體Ｄ_４仍保持如前一階段的導通狀態。第一輸出二極體Ｄ_１、第二輸出二極體Ｄ_２、第一倍壓二極體Ｄ_３均為逆向偏壓而ＯＦＦ，僅有第二倍壓二極體Ｄ_４導通，電流ｉ_Ｄ _４下降，而且漏電感Ｌ_ｋ _１和Ｌ_ｋ _２控制了第二倍壓二極體Ｄ_４電流的下降速率，緩和了第二倍壓二極體Ｄ_４反向恢復問題。當ｔ＝ｔ_１，電流ｉ_Ｄ _４下降至０，第二倍壓二極體Ｄ_４轉態成ＯＦＦ時，本階段結束。

第二階段［ｔ_１～ｔ_２］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＮ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＮ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＦＦ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＦＦ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＦＦ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＮ→ＯＦＦ］：請再一併參閱第四圖本發明之第二操作階段等效電路示意圖所示，第二階段開始於ｔ＝ｔ_１，第二倍壓二極體Ｄ_４轉態成ＯＦＦ，且第一輸出二極體Ｄ_１、第二輸出二極體Ｄ_２、第一倍壓二極體Ｄ_３均為逆向偏壓而ＯＦＦ，第一功率開關Ｓ_１和第二功率開關Ｓ_２皆為ＯＮ，輸入電壓Ｖ_ｉｎ跨於第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ２，即跨於磁化電感Ｌ_ｍ１和Ｌ_ｍ２以及漏電感Ｌ_ｋ１和Ｌ_ｋ２，電流ｉ_Ｌｋ１和ｉ_Ｌｋ２呈線性上升，斜率均為Ｖ_ｉｎ／（Ｌ_ｍ＋Ｌ_ｋ），從能量觀點而言，第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ１及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ２在本階段作儲存能量的動作。當ｔ＝ｔ_２，第二功率開關Ｓ_２切換為ＯＦＦ時，本階段結束。

第三階段［ｔ_２～ｔ_３］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＮ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＮ→ＯＦＦ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＦＦ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＮ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＮ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＦＦ］：請再一併參閱第五圖本發明之第三操作階段等效電路示意圖所示，第三階段開始於ｔ＝ｔ_２，第二功率開關Ｓ_２切換為ＯＦＦ，漏電感電流ｉ_Ｌｋ _２的連續性使得第二輸出二極體Ｄ_２轉態為ＯＮ，漏電感電流ｉ_Ｌｋ _２流經第二輸出二極體Ｄ_２、第二輸出電容Ｃ_２和第一功率開關Ｓ_１，對第二輸出電容Ｃ_２充電。第二耦合電感之磁化電感Ｌ_ｍ _２以返馳式模式傳送能量至第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２使得第一倍壓二極體Ｄ_３轉態為ＯＮ，第一倍壓二極體電流ｉ_Ｄ _３對第三輸出電容Ｃ_３充電，第一功率開關Ｓ_１保持為ＯＮ，此時漏電感電流ｉ_Ｌｋ _２呈線性下降。當ｔ＝ｔ_３，漏電感Ｌ_ｋ _２儲存的能量完全釋放完畢，即ｉ_Ｌｋ _２＝０，第二輸出二極體Ｄ_２轉態成ＯＦＦ時，本階段結束。由於流經第二輸出二極體Ｄ_２的電流先降至０，第二輸出二極體Ｄ_２才轉態成ＯＦＦ，因此第二輸出二極體Ｄ_２沒有反向恢復損失的問題。

第四階段［ｔ_３～ｔ_４］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＮ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＦＦ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＦＦ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＮ→ＯＦＦ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＮ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＦＦ］：請再一併參閱第六圖本發明之第四操作階段等效電路示意圖所示，第四階段開始於ｔ＝ｔ_３，此時漏電感Ｌ_ｋ _２的能量完全釋放到第二輸出電容Ｃ_２，第二輸出二極體Ｄ_２轉態成ＯＦＦ。磁化電感電流ｉ_Ｌｍ _２完全由第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２反射到次級側Ｎ_Ｓ _２，因此ｉ_Ｄ _３＝（１／ｎ）ｉ_Ｌｍ _２＝（Ｎ_Ｐ _２／Ｎ_Ｓ _２）ｉ_Ｌｍ _２，ｉ_Ｄ３對第三輸出電容Ｃ_３充電，此時第一功率開關Ｓ_１的電流等於磁化電感Ｌ_ｍ１和Ｌ_ｍ２的電流總和，即ｉ_Ｓ１＝ｉ_Ｌｋ１＝ｉ_Ｌｍ１＋ｉ_ＮＰ１＝ｉ_Ｌｍ１＋ｉ_Ｌｍ２。當ｔ＝ｔ_４，第二功率開關Ｓ_２切換為ＯＮ時，本階段結束。

第五階段［ｔ_４～ｔ_５］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＮ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＦＦ→ＯＮ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＦＦ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＦＦ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＮ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＦＦ］：請再一併參閱第七圖本發明之第五操作階段等效電路示意圖所示，第五階段開始於ｔ＝ｔ_４，第二功率開關Ｓ_２切換成ＯＮ，且第一功率開關Ｓ_１保持ＯＮ，由於漏電感Ｌ_ｋ _２的存在，第二功率開關Ｓ_２具有零電流切換（ＺＣＳ）的柔切性能，降低切換損失。漏電感電流ｉ_Ｌｋ _２上升，當ｉ_Ｌｋ _２＜ｉ_Ｌｍ _２時，磁化電感Ｌ_ｍ _２的儲能仍然藉由耦合電感傳送至次級側Ｎ_Ｓ _２，因此第一倍壓二極體Ｄ_３仍保持如前一階段的導通狀態。電流ｉ_Ｄ _３下降，第一輸出二極體Ｄ_１、第二輸出二極體Ｄ_２、第二倍壓二極體Ｄ_４逆向偏壓而ＯＦＦ。漏電感Ｌ_ｋ _１和Ｌ_ｋ _２控制了第一倍壓二極體Ｄ_３電流下降速率，因此可緩和第一倍壓二極體Ｄ_３反向恢復問題。當ｔ＝ｔ_５，電流ｉ_Ｄ _３下降至０，第一倍壓二極體Ｄ_３轉態成ＯＦＦ時，本階段結束。

第六階段［ｔ_５～ｔ_６］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＮ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＮ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＦＦ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＦＦ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＮ→ＯＦＦ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＦＦ］：請再一併參閱第八圖本發明之第六操作階段等效電路示意圖所示，第六階段開始於ｔ＝ｔ_５，第一倍壓二極體Ｄ_３轉態成ＯＦＦ，第一輸出二極體Ｄ_１、第二輸出二極體Ｄ_２、第二倍壓二極體Ｄ_４均為逆向偏壓而ＯＦＦ，第一功率開關Ｓ_１和第二功率開關Ｓ_２皆為ＯＮ。輸入電壓Ｖ_ｉｎ跨於第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２，即跨於磁化電感Ｌ_ｍ _１和Ｌ_ｍ _２以及漏電感Ｌ_ｋ _１和Ｌ_ｋ _２，電流ｉ_Ｌｋ _１和ｉ_Ｌｋ２呈線性上升，斜率均為Ｖ_ｉｎ／（Ｌ_ｍ＋Ｌ_ｋ），從能量觀點而言，第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ１及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ２在本階段作儲存能量。當ｔ＝ｔ_６，第一功率開關Ｓ_１切換為ＯＦＦ時，本階段結束。

第七階段［ｔ_６～ｔ_７］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＮ→ＯＦＦ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＮ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＮ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＦＦ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＦＦ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＮ］：請再一併參閱第九圖本發明之第七操作階段等效電路示意圖所示，第七階段開始於ｔ＝ｔ_６，第一功率開關Ｓ_１切換為ＯＦＦ，漏電感電流ｉ_Ｌｋ _１的連續性使得第一輸出二極體Ｄ_１轉態為ＯＮ，漏電感電流ｉ_Ｌｋ _１流經第一輸出電容Ｃ_１和第一輸出二極體Ｄ_１，對第一輸出電容Ｃ_１充電。第一耦合電感之磁化電感Ｌ_ｍ _１以返馳式模式傳送至第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１使得第二倍壓二極體Ｄ_４轉態為ＯＮ，第二倍壓二極體ｉ_Ｄ _４對第四輸出電容Ｃ_４充電，第二功率開關Ｓ_２保持為ＯＮ，此時漏電感電流ｉ_Ｌｋ _１呈線性下降。當ｔ＝ｔ_７，漏電感Ｌ_ｋ _１儲存的能量完全釋放完畢，即ｉ_Ｌｋ _１＝０，第一輸出二極體Ｄ_１轉態成ＯＦＦ時，本階段結束。由於流經第一輸出二極體Ｄ_１的電流先降至０，第一輸出二極體Ｄ_１才轉態成ＯＦＦ，因此第一輸出二極體Ｄ_１沒有反向恢復損失的問題。

第八階段［ｔ_７～ｔ_８］［第一功率開關Ｓ_１：ＯＦＦ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＮ、第一輸出二極體Ｄ_１：ＯＮ→ＯＦＦ、第二輸出二極體Ｄ_２：ＯＦＦ、第一倍壓二極體Ｄ_３：ＯＦＦ、第二倍壓二極體Ｄ_４：ＯＮ］：請再一併參閱第十圖本發明之第八操作階段等效電路示意圖所示，第八階段開始於ｔ＝ｔ_７，此時漏電感Ｌ_ｋ _１的能量完全釋放到第一輸出電容Ｃ_１，第一輸出二極體Ｄ_１轉態成ＯＦＦ。磁化電感電流ｉ_Ｌｍ _１完全由第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１反射到次級側Ｎ_Ｓ _１，ｉ_Ｄ _４＝（１／ｎ）ｉ_Ｌｍ _１＝（Ｎ_Ｐ _１／Ｎ_Ｓ _１）ｉ_Ｌｍ _１，因此ｉ_Ｄ４對第四輸出電容Ｃ_４充電，此時第二功率開關Ｓ_２的電流等於磁化電感Ｌ_ｍ１和Ｌ_ｍ２的電流總和，即ｉ_Ｓ２＝ｉ_Ｌｋ２＝ｉ_Ｌｍ２＋ｉ_ＮＰ２＝ｉ_Ｌｍ１＋ｉ_Ｌｍ２。當ｔ＝ｔ_８＝Ｔ_Ｓ＋ｔ_０第一功率開關Ｓ_１切換為ＯＮ時，本階段結束，進入下一個切換週期。

由以上該轉換器（１）電路動作分析可知，該轉換器（１）之該第一功率開關Ｓ_１和該第二功率開關Ｓ_２具有零電流切換性能，可減少切換損失及ＥＭＩ雜訊；該第一輸出二極體Ｄ_１和該第二輸出二極體Ｄ_２沒有反向恢復的問題；因漏電感的存在，能夠緩和該第一倍壓二極體Ｄ_３及該第二倍壓二極體Ｄ_４的反向恢復問題。該第一功率開關Ｓ_１和該第二功率開關Ｓ_２由ＯＮ切換成ＯＦＦ時，漏電感電流ｉ_Ｌｋ _１和ｉ_Ｌｋ _２可分別對該第一輸出電容Ｃ_１和該第二輸出電容Ｃ_２充電，不但可改善效率，也可避免造成突波電壓。

以下分析該轉換器（１）的穩態特性，為了簡化分析，假設第一功率開關Ｓ_１、第二功率開關Ｓ_２、第一輸出二極體Ｄ_１、第二輸出二極體Ｄ_２、第一倍壓二極體Ｄ_３、第二倍壓二極體Ｄ_４導通壓降為零，以及忽略時間極短的暫態階段，包括第一、四、五及八階段，只考慮第二、三、六及七階段。該第一輸出電容Ｃ_１、該第二輸出電容Ｃ_２、該第三輸出電容Ｃ_３、該第四輸出電容Ｃ_４夠大，忽略電壓漣波，使得電容電壓在一個切換週期內視為常數。

電壓增益分析：由於第一輸出電容Ｃ_１和第二輸出電容Ｃ_２的電壓可視為傳統升壓型轉換器的輸出電壓，因此根據磁化電感Ｌ_ｍ _１和Ｌ_ｍ _２滿足伏秒平衡定理，可推導得到電壓Ｖ_Ｃ _１和Ｖ_Ｃ _２為

［１］

第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１與第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２連接的第三輸出電容Ｃ_３和第四輸出電容Ｃ_４的電壓Ｖ_Ｃ _３和Ｖ_Ｃ _４，可藉由第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２電壓反射至次級側電壓推導而得到。在第三階段，第一功率開關Ｓ_１：ＯＮ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＦＦ，而且第一倍壓二極體Ｄ_３導通，電壓Ｖ_Ｃ _３為

［２］

在第七階段，第一功率開關Ｓ_１：ＯＦＦ、第二功率開關Ｓ_２：ＯＮ，而且第二倍壓二極體Ｄ_４導通，電壓Ｖ_Ｃ _４為

［３］

總輸出電壓Ｖ_Ｏ為

［４］

因此該轉換器（１）的電壓增益Ｇ為

［５］

當ｎ＝１時，電壓增益Ｇ與不同耦合電感的耦合係數ｋ（ｋ＝１、０﹒９５、０﹒９）的關係曲線，請再一併參閱第十一圖本發明之不同耦合係數和電壓增益的關係曲線圖所示，由該第十一圖可知耦合係數ｋ對電壓增益的影響非常小。若耦合係數ｋ＝１，則理想的電壓增益為

［６］

從上式可知該轉換器（１）的電壓增益具有耦合電感匝數比ｎ和導通比Ｄ兩個設計自由度。該轉換器（１）可藉由適當設計耦合電感的匝數比，達到高升壓比，且不必操作在極大的導通比。對應於耦合電感匝數比ｎ及導通比Ｄ的電壓增益曲線，請再一併參閱第十二圖本發明之電壓增益與導通比及耦合電感匝數比的曲線圖所示，由該第十二圖可知，當導通比Ｄ＝０﹒６、ｎ＝１時，電壓增益為１０倍；當導通比Ｄ＝０﹒６、ｎ＝３時，電壓增益為２０倍。

由該轉換器（１）之操作階段的第七階段可知第一功率開關Ｓ_１的電壓應力

［７］

由第三階段可知第二功率開關Ｓ_２的電壓應力

［８］

另一方面，由第三和七階段也可知二極體的電壓應力

［９］

［１０］

［１１］

由於傳統交錯式升壓型轉換器的功率開關電壓應力為輸出電壓Ｖ_Ｏ，而本發明之該轉換器（１）之第一功率開關Ｓ_１的電壓應力與第二功率開關Ｓ_２的電壓應力僅為輸出電壓Ｖ_Ｏ的１／（２ｎ＋２）倍，因此可使用低額定耐壓具有較低導通電阻的ＭＯＳＦＥＴ，可降低開關導通損失。另一方面，較低電壓應力的二極體可採用蕭特基二極體，因為蕭特基二極體典型的順向壓降為０﹒３Ｖ，比一般的功率二極體導通壓降低，可降低導通損失。

而根據電路動作分析結果，利用Ｉｓ－Ｓｐｉｃｅ軟體作先期的模擬，該轉換器（１）之規格輸入電壓４０Ｖ、輸出電壓４００Ｖ、最大輸出功率１０００Ｗ、切換頻率４０ｋＨｚ，耦合電感匝數比ｎ＝１，驗證本發明該轉換器（１）的特點，請再一併參閱第十三圖本發明之模擬電路示意圖所示；以下以模擬波形驗證與說明轉換器的特點：

Ａ.驗證穩態特性：驗證該轉換器（１）之穩態特性，滿載１０００Ｗ時，請再一併參閱第十四圖本發明之開關驅動信號、輸入電壓與輸出電壓波形圖所示，當Ｖ_ｉｎ＝４０Ｖ、Ｖ_Ｏ＝４００Ｖ，ｎ＝１，則理論值導通比大約Ｄ＝０﹒６，模擬結果符合［６］式電壓增益的公式。

Ｂ.驗證開關電壓應力：請再一併參閱第十五圖本發明之開關應力驗證波形圖所示，由該第十五圖可知，當第一功率開關Ｓ_１或第二功率開關Ｓ_２ＯＦＦ時，其跨壓ｖ_ｄｓ _１或ｖ_ｄｓ _２都約為１００Ｖ，僅為輸出電壓４００Ｖ的四分之一，符合［７］和［８］式的分析結果，比較傳統的升壓型轉換器，開關電壓應力為輸出電壓值，該轉換器（１）的開關具有低電壓應力的優點。

Ｃ.驗證具有低輸入漣波電流性能與ＣＣＭ操作：請再一併參閱第十六圖本發明降低漣波電流之驗證波形圖所示，於滿載１０００Ｗ時，耦合電感的漏電感電流ｉ_ＬＫ _１、ｉ_ＬＫ _２的漣波電流大小約為２５Ａ，而輸入電流ｉ_ｉｎ的漣波電流大小僅約為２Ａ，使得本發明之交錯式操作具有降低輸入漣波電流之效用；而請再一併參閱第十七圖本發明之連續電流模式［ＣＣＭ］驗證波形圖所示，由該耦合電感之磁化電感電流波形可知，該轉換器（１）操作在連續導通模式［ＣＣＭ］。

Ｄ.驗證二極體反向恢復電流問題：請再一併參閱第十八圖本發明之各輸出二極體的電流及電壓波形圖所示，由該第十八圖可知，該第一輸出二極體電流ｉ_Ｄ _１和該第二輸出二極體電流ｉ_Ｄ _２都沒有反向恢復問題，因此沒有反向恢復損失，另一方面可得知，該第一輸出二極體Ｄ_１電壓應力為１００Ｖ，只有輸出電壓的四分之一，該第二輸出二極體Ｄ_２電壓應力大約為２００Ｖ，只有輸出電壓的二分之一，符合［９］和［１０］式的分析結果。請再一併參閱第十九圖本發明之各倍壓二極體的電流及電壓波形圖所示，由該第十九圖可知，該第一倍壓二極體Ｄ_３及該第二倍壓二極體Ｄ_４的電壓應力均為２００Ｖ，符合［１１］式的分析結果，該第一倍壓二極體Ｄ_３及該第二倍壓二極體Ｄ_４的電流之反向恢復電流極小，因為第一耦合電感和第二耦合電感中的漏電感Ｌ_Ｋ _１和Ｌ_Ｋ _２的存在緩和了反向恢復問題。

Ｅ.驗證輸出電容電壓：請再一併參閱第二十圖本發明之各輸出電容電壓波形圖所示，由第二十圖可知，該第一輸出電容電壓Ｖ_Ｃ _１、該第二輸出電容電壓Ｖ_Ｃ _２、該第三輸出電容電壓Ｖ_Ｃ _３、該第四輸出電容電壓Ｖ_Ｃ _４大約都等於１００Ｖ，符合［１］、［２］、［３］式的推導結果。

Ｆ.驗證功率開關零電流切換［ＺＣＳ］性能：請再一併參閱第二十一圖本發明之各功率開關零電流切換性能波形圖所示，由該第一功率開關Ｓ_１及該第二功率開關Ｓ_２的電流波形ｉ_ｄＳ _１和ｉ_ｄＳ _２與跨壓波形ｖ_ｄＳ _１和ｖ_ｄＳ _２可知，該第一功率開關Ｓ_１及該第二功率開關Ｓ_２的跨壓ｖ_ｄＳ _１和ｖ_ｄＳ _２先降至０才有開關電流，因此達到零電流切換［ＺＣＳ］的柔切性能，可降低切換損失。

藉由以上所述，本發明之使用實施說明可知，本發明與現有技術手段相較之下，本發明主要係具有下列優點：

1.本發明之轉換器係為輸入並聯輸出串聯的交錯式升壓型，於其輸出端疊接電壓倍增模組，增加了電壓增益的設計自由度，所以高電壓增益的達成，不必操作在極大的導通比。

2.本發明之第一功率開關和第二功率開關的電壓應力遠低於輸出電壓，使得能使用Ｒ_ＤＳ _（ＯＮ）較小的低額定耐壓ＭＯＳＦＥＴ，所以可降低導通損失。

3.本發明之第一輸出二極體和第二輸出二極體在轉態成ＯＦＦ之前，其流經的電流先降為零，所以第一輸出二極體和第二輸出二極體的反向恢復問題與功率損失得以改善。

4.本發明之第一耦合電感和第二耦合電感初級側的漏電感能量能夠傳送至輸出側，不但能改善效率，也能避免造成電壓突波問題。

5.本發明由於係以交錯式操作，第一耦合電感和第二耦合電感初級側繞組的電流漣波能部份相消，降低輸入電流漣波大小，可減少太陽能電池模組輸出端的電解電容數量與延長燃料電池的使用壽命，可降低系統整體成本。

然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

（１）　‧‧‧轉換器

（１１）‧‧‧並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器

（１２）‧‧‧電壓倍增模組

第一圖：本發明之電路圖

第二圖：本發明之主要元件時序波形圖

第三圖：本發明之第一操作階段等效電路示意圖

第四圖：本發明之第二操作階段等效電路示意圖

第五圖：本發明之第三操作階段等效電路示意圖

第六圖：本發明之第四操作階段等效電路示意圖

第七圖：本發明之第五操作階段等效電路示意圖

第八圖：本發明之第六操作階段等效電路示意圖

第九圖：本發明之第七操作階段等效電路示意圖

第十圖：本發明之第八操作階段等效電路示意圖

第十一圖：本發明之不同耦合係數和電壓增益的關係曲線圖

第十二圖：本發明之電壓增益與導通比及耦合電感匝數比的曲線圖

第十三圖：本發明之模擬電路示意圖

第十四圖：本發明之開關驅動信號、輸入電壓與輸出電壓波形圖

第十五圖：本發明之開關應力驗證波形圖

第十六圖：本發明降低漣波電流之驗證波形圖

第十七圖：本發明之連續電流模式［ＣＣＭ］驗證波形圖

第十八圖：本發明之各輸出二極體的電流及電壓波形圖

第十九圖：本發明之各倍壓二極體的電流及電壓波形圖

第二十圖：本發明之各輸出電容電壓波形圖

第二十一圖：本發明之各功率開關零電流切換性能波形圖

第二十二圖：現有之轉換器電路圖

(1)‧‧‧轉換器

(11)‧‧‧並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器

(12)‧‧‧電壓倍增模組

Claims

一種交錯式高升壓ＤＣ－ＤＣ轉換器，其主要係令轉換器由並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器、電壓倍增模組及輸出負載Ｒ_Ｏ所相連接組成；其中：該並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器，其係於電源端Ｖ_ｉｎ之正極並聯有第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _１的第一端及第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２的第一端，而該電源端Ｖ_ｉｎ之負極則並聯有第一功率開關Ｓ_１的第二端、第二功率開關Ｓ_２的第二端及第一輸出二極體Ｄ_１的第一端，該第二耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ _２的第二端與該第二功率開關Ｓ_２的第一端相連接、同時連接有第二輸出二極體Ｄ_２的第二端，該第一耦合電感之初級側Ｎ_Ｐ１的第二端與該第一功率開關Ｓ_１的第一端相連接、同時連接有第一輸出電容Ｃ_１的第一端及第二輸出電容Ｃ_２第二端，該第一輸出電容Ｃ_１的第二端與該第一輸出二極體Ｄ_１的第二端連接後同時連接至該輸出負載Ｒ_Ｏ的第二端，該第二輸出二極體Ｄ_２的第一端則與該第二輸出電容Ｃ_２第一端相連接後同時連接至該電壓倍增模組；該電壓倍增模組，其係令第一倍壓二極體Ｄ_３之第二端與第三輸出電容Ｃ_３之第二端相連接、同時亦與該並聯輸入串聯輸出升壓型轉換器之該第二輸出二極體Ｄ_２的第一端及該第二輸出電容Ｃ_２第一端相連接，該第一倍壓二極體Ｄ_３之第一端與該第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２的第一端及第二倍壓二極體Ｄ_４之第二端相連接，該第三輸出電容Ｃ_３之第一端與該第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１的第一端及第四輸出電容Ｃ_４之第二端相連接，該第一耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _１的第二端則與該第二耦合電感之次級側Ｎ_Ｓ _２的第二端相連接，而該第二倍壓二極體Ｄ_４之第一端與該第四輸出電容Ｃ_４之第一端相連接後同時連接至該輸出負載Ｒ_Ｏ的第一端。