TW201946360A - 交錯式高升壓直流－直流轉換器 - Google Patents

Abstract

本發明係有關於一種交錯式高升壓直流－直流轉換器，其主要係符合高電壓增益、高效率及高功率應用之需求，可適用於再生能源電力系統中的電能轉換，轉換器利用三繞組耦合電感和電壓倍增單元，導入電壓舉升與電壓疊加的串接與疊接技術達到提高輸出電壓的目的，電壓倍增單元是由二極體，電容及耦合電感的第二繞組或第三繞組串聯組成，因此轉換器可以利用調整耦合電感匝數比，增加高電壓增益的設計自由度，高電壓增益的達成，轉換器不必操作在極大的導通比，功率開關電壓應力遠低於輸出電壓，降低導通損失，交錯式操作，降低輸入電流漣波，耦合電感的漏電感能量能夠回收再利用，不但能提升效率，也能避免開關的電壓突波問題。

Description

交錯式高升壓直流－直流轉換器

本發明係有關於一種交錯式高升壓直流－直流轉換器，尤其是指一種達成高電壓增益，不必操作在極大的導通比，且可降低導通損失，並可降低輸入電流漣波大小，具有分擔輸入電流的效果，適合高輸入電流應用，同時令二極體的反向恢復損失得以改善，更能改善效率，避免造成電壓突波問題，而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。

按，2015年12月於法國巴黎舉行「聯合國氣候變化綱要公約第21次締約方會議」［COP21］，與會的195國與歐盟代表通過了遏阻全球暖化的《巴黎協定》［Paris Agreement］。各國將致力於大幅減少溫室氣體［greenhouse gas］排放，力保在本世紀結束之前，全球均溫上升不超過攝氏2度，進而追求不超過攝氏1.5度的更艱難目標。希望各國透過再生能源，用更有效的方式達成減排目標，追求經濟的「綠色成長」。爰此，再生能源將成為最主要的電力型態，也是各國綠色低碳能源發展的重點方向，包含太陽能、風力能、燃料電池、水力能、地熱能、潮汐能及生質能等。

目前我國政府積極推動再生能源電力系統，例如能源局公告的「太陽光電2年推動計畫」、「風力發電4年推動計畫」，並以2025年再生能源發電量占比達20%為努力的方向，未來將以太陽光電及離岸風力發電作為推動再生能源設置的主力，其中的太陽光電目標是將於2025年達20 GW，預估年發電量達250億度電；風力發電總裝置容量達44.2 GW。

在日本、歐洲與美國裝設於屋頂的住宅型太陽能併網電力系統，最近也成為成長快速的市場。另外，由於燃料電池是經由利用氫及氧的化學反應，產生電流及水，不但完全無污染，也避免了傳統電池充電耗時的問題，是極具發展前景的新能源方式，應用在車輛及發電系統上，將能顯著改善空氣污染及溫室效應。因此，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及風力發電系統常在分散式發電系統［distributed generation system］，扮演重要的角色。

一般而言，應用太陽能電池或燃料電池模組的再生能源電力系統，由於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40 V，為了達到併網發電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，升壓至一個高電壓直流排。例如：對於一個單相220 Vac的電網系統而言，此高電壓直流排常為380-400 Vdc，以利全橋式換流器［full-bridge inverter］的DC-AC電源轉換。

對於直流升壓目的而言，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，因此當電壓增益高達10倍左右的實務需求時，研發嶄新的高升壓轉換器拓樸是必要的。因此，於近幾年來，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。

在電壓增益考量方面：請參閱第二十三圖傳統升壓型轉換器電路示意圖所示，其中電感的等效串聯電阻為，當考慮理想元件且操作在連續導通模式［CCM］模式時，理想上其輸出電壓增益，如(1)式，電壓增益完全決定於導通比［duty ratio］。

(1)

理論上要得到高電壓增益，轉換器必須操作在極大導通比；但是實務上，由於寄生元件的存在，例如，則電壓增益與轉換效率對導通比的表示式分別為(2)、(3)式。

(2)

(3)

可知實務上操作在極大導通比的傳統升壓型轉換器其電壓增益是有所限制，而且轉換效率不佳。另一方面，操作在極大導通比的升壓型轉換器衍生了以下問題：容易產生很大的輸入電流漣波，使得太陽能電池模組輸出端的電解電容數量必須增加，減少燃料電池的使用壽命；另一方面，輸出二極體的反向恢復問題造成嚴重的反向恢復損失及EMI雜訊問題。

使得為了符合高功率、高輸入電流應用及降低輸入電流漣波的特性，發展出交錯式［interleaved］升壓型轉換器，請參閱第二十四圖交錯式升壓型轉換器電路示意圖所示，然而電壓增益有所限制及輸出二極體的反向恢復問題依然存在。

在轉換效率考量方面：由於環保意識高漲，節能減碳是各國的重要政策，轉換器的效率要求日益嚴苛，功率電子開關造成的功率損失必須善加考量。典型交錯式升壓型轉換器之功率開關與輸出二極體之電壓應力均為高壓的輸出電壓，由於高耐壓的MOSFET，一般都具有高導通電阻R_DS(ON) 的特性，導致較高的導通損失。

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直流－直流轉換器，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直流－直流轉換器，主要係達成高電壓增益，不必操作在極大的導通比，且可降低導通損失，並可降低輸入電流漣波大小，具有分擔輸入電流的效果，適合高輸入電流應用，同時令二極體的反向恢復損失得以改善，更能改善效率，避免造成電壓突波問題，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直流－直流轉換器之主要目的與功效，係由以下具體技術手段所達成：

其主要係令轉換器於輸入電壓之正極分別連接有第一耦合電感第一繞組之第一端及第二耦合電感第一繞組之第一端，該輸入電壓之負極進行接地，於該第一耦合電感第一繞組之第二端分別連接有第一功率開關之第一端及第一箝位二極體之正極，於該第二耦合電感第一繞組之第二端分別連接有第二功率開關之第一端及第二箝位二極體之正極，該第一功率開關之第二端及該第二功率開關之第二端皆進行接地，該第一箝位二極體之負極與該第二箝位二極體之負極分別連接箝位電容之第一端及電壓舉升單元［voltage lift cell］，該箝位電容之第二端進行接地，該電壓舉升單元係分別由第二舉升二極體、第二舉升電容、第一耦合電感第二繞組、第一舉升二極體、第二耦合電感第二繞組及第一舉升電容所組成，該第二舉升二極體之正極及該第二舉升電容之第一端皆與該第一箝位二極體之負極、該第二箝位二極體之負極及該箝位電容之第一端連接，該第二舉升電容之第二端分別連接該第一耦合電感第二繞組之第一端與該第一舉升二極體之正極，該第一耦合電感第二繞組之第二端連接該第二耦合電感第二繞組之第一端，該第二耦合電感第二繞組之第二端連接該第二舉升二極體之負極及該第一舉升電容之第一端，該第一舉升電容之第二端連接該第一舉升二極體之負極，令該電壓舉升單元之該第一舉升電容的第二端與該第一舉升二極體的負極皆與一輸出二極體之正極連接，該輸出二極體之負極分別連接有輸出電容之第一端及電壓疊加單元［voltage stack cell］，該輸出電容之第二端進行接地，該電壓疊加單元係分別由第一切換電容、第二切換電容、第一耦合電感第三繞組、第二耦合電感第三繞組、第一切換二極體及第二切換二極體所組成，該第一切換電容之第一端及該第二切換二極體之正極皆與該輸出二極體之負極及該輸出電容之第一端連接，該第一切換電容之第二端連接該第一耦合電感第三繞組之第一端及該第二切換電容之第一端，該第一耦合電感第三繞組之第二端連接該第二耦合電感第三繞組之第一端，該第二切換二極體之負極連接該第二耦合電感第三繞組之第二端及該第一切換二極體之正極，該第一切換二極體之負極及該第二切換電容之第二端連接負載之正極，該負載之負極則進行接地。

本發明交錯式高升壓直流－直流轉換器的較佳實施例，其中，該第一耦合電感第一繞組、第二繞組、第三繞組構成匝數：：之理想變壓器。

本發明交錯式高升壓直流－直流轉換器的較佳實施例，其中，該第二耦合電感第一繞組、第二繞組、第三繞組構成匝數：：之理想變壓器。

本發明交錯式高升壓直流－直流轉換器的較佳實施例，其中，該第一耦合電感第一繞組包含有第一磁化電感及第一漏電感。

本發明交錯式高升壓直流－直流轉換器的較佳實施例，其中，該第二耦合電感第一繞組包含有第二磁化電感及第二漏電感。

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）主要係於輸入電壓之正極分別連接有第一耦合電感第一繞組之第一端及第二耦合電感第一繞組之第一端，該輸入電壓之負極進行接地，於該第一耦合電感第一繞組之第二端分別連接有第一功率開關之第一端及第一箝位二極體之正極，於該第二耦合電感第一繞組之第二端分別連接有第二功率開關之第一端及第二箝位二極體之正極，該第一功率開關之第二端及該第二功率開關之第二端皆進行接地，該第一箝位二極體之負極與該第二箝位二極體之負極分別連接箝位電容之第一端及電壓舉升單元［voltage lift cell］（１１），該箝位電容之第二端進行接地，該電壓舉升單元（１１）係分別由第二舉升二極體、第二舉升電容、第一耦合電感第二繞組、第一舉升二極體、第二耦合電感第二繞組及第一舉升電容所組成，該第二舉升二極體之正極及該第二舉升電容之第一端皆與該第一箝位二極體之負極、該第二箝位二極體之負極及該箝位電容之第一端連接，該第二舉升電容之第二端分別連接該第一耦合電感第二繞組之第一端與該第一舉升二極體之正極，該第一耦合電感第二繞組之第二端連接該第二耦合電感第二繞組之第一端，該第二耦合電感第二繞組之第二端連接該第二舉升二極體之負極及該第一舉升電容之第一端，該第一舉升電容之第二端連接該第一舉升二極體之負極，令該電壓舉升單元（１１）之該第一舉升電容的第二端與該第一舉升二極體的負極皆與一輸出二極體之正極連接，該輸出二極體之負極分別連接有輸出電容之第一端及電壓疊加單元［voltage stack cell］（１２），該輸出電容之第二端進行接地，該電壓疊加單元（１２）係分別由第一切換電容、第二切換電容、第一耦合電感第三繞組、第二耦合電感第三繞組、第一切換二極體及第二切換二極體所組成，該第一切換電容之第一端及該第二切換二極體之正極皆與該輸出二極體之負極及該輸出電容之第一端連接，該第一切換電容之第二端連接該第一耦合電感第三繞組之第一端及該第二切換電容之第一端，該第一耦合電感第三繞組之第二端連接該第二耦合電感第三繞組之第一端，該第二切換二極體之負極連接該第二耦合電感第三繞組之第二端及該第一切換二極體之正極，該第一切換二極體之負極及該第二切換電容之第二端連接負載之正極，該負載之負極則進行接地。

請再一併參閱第二圖本發明之等效電路圖所示，令該第一耦合電感第一繞組、第二繞組、第三繞組構成匝數：：之理想變壓器，令該第二耦合電感第一繞組、第二繞組、第三繞組構成匝數：：之理想變壓器，且於該第一耦合電感第一繞組包含有第一磁化電感及第一漏電感，並於該第二耦合電感第一繞組包含有第二磁化電感及第二漏電感。

而該轉換器（１）在使用過程中，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和該第二功率開關以相差半切換週期的交錯式操作，穩態時，該轉換器（１）根據各功率開關及各二極體的ON/OFF狀態，在一個切換週期內該轉換器（１）可分成8個操作階段，假設：

1.功率半導體元件［各功率開關及各二極體］均為理想，即導通壓降為零。

2.各電容值夠大，電容電壓可視為定電壓，因此輸出電壓可視為常數。

3.該第一耦合電感與該第二耦合電感的匝數比相等()，且該第一磁化電感與該第二磁化電感之電感值相等()，該第一漏電感與該第二漏電感之電感值相等()，，耦合係數。

4.該第一耦合電感之該第一磁化電感與該第二耦合電感之該第二磁化電感的電流操作在連續導通模式［Continuous Conduction Mode,CCM］。

其各線性階段線性等效電路以及主要元件波形如下所示，請再一併參閱第三圖本發明之主要元件穩態波形圖所示：

第一階段［］：［第一功率開關：OFF→ON、第二功率開關：ON、輸出二極體：ON、第一切換二極體：ON、第一箝位二極體：OFF、第二箝位二極體：OFF、第一舉升二極體：OFF、第二舉升二極體：OFF、第二切換二極體：OFF］：請再一併參閱第四圖本發明之第一操作階段等效電路圖所示，在，該第一功率開關由OFF切換成ON，且該第二功率開關仍保持ON。該第一漏電感之電流上升，當該第一漏電感之電流小於該第一磁化電感之電流時［］，該第一磁化電感所儲存的能量持續傳送至該第一耦合電感第二繞組及該第一耦合電感第三繞組。該輸出二極體及該第一切換二極體保持導通。該第一箝位二極體、該第二箝位二極體、該第一舉升二極體、該第二舉升二極體、該第二切換二極體均為逆向偏壓，該輸出二極體及該第一切換二極體的電流下降速率受到該第一漏電感與該第二漏電感的控制，這緩和了該輸出二極體及該第一切換二極體反向恢復問題。當，該第一漏電感之電流上升至等於該第一磁化電感之電流時［］，該輸出二極體之電流及該第一切換二極體之電流下降至0，該輸出二極體及該第一切換二極體自然轉態為OFF，本階段結束。

第二階段［］：［第一功率開關：ON、第二功率開關：ON、輸出二極體：ON→OFF、第一切換二極體：ON→OFF、第一箝位二極體：OFF、第二箝位二極體：OFF、第一舉升二極體：OFF、第二舉升二極體：OFF、第二切換二極體：OFF］：請再一併參閱第五圖本發明之第二操作階段等效電路圖所示，在，該輸出二極體及該第一切換二極體轉態為OFF，所有二極體均為逆向偏壓而OFF，該第一功率開關及該第二功率開關皆保持為ON。該輸入電壓跨於兩個耦合電感的初級側，該第一磁化電感、該第一漏電感、該第二磁化電感、該第二漏電感皆跨該輸入電壓，該第一漏電感之電流和該第二漏電感之電流線性上升，斜率均為，從能量觀點而言，耦合電感在本階段作儲存能量。當，該第二功率開關切換成OFF時，本階段結束。

第三階段［］：［第一功率開關：ON、第二功率開關：ON→OFF、輸出二極體：OFF、第一切換二極體：OFF、第一箝位二極體：OFF→ON、第二箝位二極體：OFF、第一舉升二極體：OFF→ON、第二舉升二極體：OFF→ON、第二切換二極體：OFF→ON］：請再一併參閱第六圖本發明之第三操作階段等效電路圖所示，在，該第二功率開關切換成OFF時，該第二漏電感之電流的連續性使得該第二箝位二極體轉態為ON，該第二漏電感之電流線性下降，該第二漏電感之電流流經該第二箝位二極體對該箝位電容充電。該第二磁化電感所儲存的能量以返馳式模式傳送能量至該第二耦合電感第二繞組及該第二耦合電感第三繞組，使得該第一舉升二極體、該第二舉升二極體及該第二切換二極體轉態為ON，該第一舉升二極體之電流、該第二舉升二極體之電流及該第二切換二極體之電流分別對該第一舉升電容、該第二舉升電容及該第一切換電容充電。當，該第二漏電感儲存的能量釋放完畢，即該第二漏電感之電流為0［］，該第二箝位二極體自然轉態成OFF時，本階段結束。

第四階段［］：［第一功率開關：ON、第二功率開關：OFF、輸出二極體：OFF、第一切換二極體：OFF、第一箝位二極體：OFF、第二箝位二極體：ON→OFF、第一舉升二極體：ON、第二舉升二極體：ON、第二切換二極體：ON］：請再一併參閱第七圖本發明之第四操作階段等效電路圖所示，在，該第二漏電感能量完全釋放到箝位電容，該第二漏電感之電流為0［］，該第二箝位二極體自然轉態成OFF。該第二磁化電感之電流由該第二耦合電感第一繞組反射到該第二耦合電感第二繞組及該第二耦合電感第三繞組，該第一舉升二極體之電流、該第二舉升二極體之電流及該第二切換二極體之電流分別對該第一舉升電容、該第二舉升電容及該第一切換電容充電。此階段流過該第一功率開關的電流。當，該第二功率開關切換成ON時，本階段結束。

第五階段［］：［第一功率開關：ON、第二功率開關：OFF→ON、輸出二極體：OFF、第一切換二極體：OFF、第一箝位二極體：OFF、第二箝位二極體：OFF、第一舉升二極體：ON、第二舉升二極體：ON、第二切換二極體：ON］：請再一併參閱第八圖本發明之第五操作階段等效電路圖所示，在，該第二功率開關切換成ON，該第二漏電感之電流上升，當該第二漏電感之電流小於該第二磁化電感之電流時［］，該第二磁化電感所儲存的能量持續傳送至該第二耦合電感第二繞組及該第二耦合電感第三繞組。該第一舉升二極體、該第二舉升二極體及該第二切換二極體仍保持導通狀態。該第一箝位二極體、該第二箝位二極體、該第一切換二極體、該輸出二極體均為逆向偏壓，該第一舉升二極體、該第二舉升二極體及該第二切換二極體電流的下降速率受到該第一漏電感與該第二漏電感的控制，因此緩和該第一舉升二極體、該第二舉升二極體及該第二切換二極體的反向恢復問題。當，該第二漏電感之電流上升至等於該第二磁化電感之電流時［］，該第一舉升二極體之電流、該第二舉升二極體之電流及該第二切換二極體之電流下降至0，該第一舉升二極體、該第二舉升二極體及該第二切換二極體自然轉態成OFF，本階段結束。

第六階段［］：［第一功率開關：ON、第二功率開關：ON、輸出二極體：OFF、第一切換二極體：OFF、第一箝位二極體：OFF、第二箝位二極體：OFF、第一舉升二極體：ON→OFF、第二舉升二極體：ON→OFF、第二切換二極體：ON→OFF］：請再一併參閱第九圖本發明之第六操作階段等效電路圖所示，在，該第一舉升二極體、該第二舉升二極體、該第二切換二極體轉態為OFF，所有二極體均為逆向偏壓而OFF，該第一功率開關及該第二功率開關皆為ON。該輸入電壓跨於兩個耦合電感的初級側，該第一磁化電感、該第一漏電感、該第二磁化電感、該第二漏電感皆跨該輸入電壓，該第一漏電感之電流和該第二漏電感之電流線性上升，斜率均為，從能量觀點而言，耦合電感在本階段作儲存能量。當，該第一功率開關切換成OFF時，本階段結束。

第七階段［］：［第一功率開關：ON→OFF、第二功率開關：ON、輸出二極體：OFF→ON、第一切換二極體：OFF→ON、第一箝位二極體：OFF→ON、第二箝位二極體：OFF、第一舉升二極體：OFF、第二舉升二極體：OFF、第二切換二極體：OFF］：請再一併參閱第十圖本發明之第七操作階段等效電路圖所示，在，該第一功率開關切換成OFF時，該第一漏電感之電流的連續性使得該第一箝位二極體轉態為ON，第一漏電感之電流流經該第一箝位二極體對該箝位電容充電，該第一漏電感之電流呈線性下降，該第一磁化電感的儲能以返馳式模式傳送至該第一耦合電感第二繞組及該第一耦合電感第三繞組，使得該輸出二極體及該第一切換二極體轉態為ON，該第一切換二極體之電流對該第二切換電容充電，該輸出二極體之電流對該第一舉升電容及該第二舉升電容放電。當，該第一漏電感之電流下降至0，該第一箝位二極體自然轉態成OFF時，本階段結束。

第八階段［］：［第一功率開關：OFF、第二功率開關：ON、輸出二極體：OFF、第一切換二極體：OFF、第一箝位二極體：ON→OFF、第二箝位二極體：OFF、第一舉升二極體：OFF、第二舉升二極體：OFF、第二切換二極體：OFF］：請再一併參閱第十一圖本發明之第八操作階段等效電路圖所示，在，該第一箝位二極體自然轉態成OFF。該第一磁化電感之電流由該第一耦合電感第一繞組反射到該第一耦合電感第二繞組及該第一耦合電感第三繞組，該輸出二極體之電流對該輸出電容充電，該第一切換二極體之電流對該第二切換電容充電。此階段流過該第二功率開關的電流。當，該第一功率開關切換成ON時，本階段結束，進入下一個切換週期。

由以上的電路分析可知，當第一功率開關和第二功率開關切換為ON時，因為有耦合電感的漏電感存在，而且漏電感電流為零，所以開關電流不會瞬間跳躍式的驟升，達到開關零電流切換(ZCS) turn ON的性能。另一方面，所有二極體由ON轉態為OFF時，都能在二極體電流先下降至零之後，二極體才自然轉態為OFF，達到二極體零電流切換(ZCS) turn OFF的性能，改善反向恢復損失及EMI問題。

以下進行該轉換器（１）穩態特性分析：而為為了簡化分析，忽略各開關及各二極體導通壓降為零及；電容值夠大，電容電壓在一個切換週期內視為常數。從第一階段到第六階段，第一功率開關為ON，此六階段的總時間為，第一磁化電感電壓

(4)

在第七階段與第八階段，第一功率開關為OFF，此兩階段的總時間，第一磁化電感電壓

(5)

穩態時，電感器滿足伏秒平衡定理，即電感器在一個切換週期的平均電壓為零，因此

(6)

整理可得箝位電容電壓

(7)

在第三階段中，可知

，(8)

(9)

(10)

將(7)式的結果代入(9)式和(10)式，可得第一舉升電容、第二舉升電容電壓及第一切換電容電壓

，(11)

在第七階段中，可知

，(12)

(13)

(14)

整理可得第二切換電容電壓及輸出電容電壓

，(15)

因為輸出電壓是輸出電容、第一切換電容、第二切換電容電壓的總和，所以

(16)

因此該轉換器（１）的電壓增益可表示為

(17)

當耦合電感匝數比時，電壓增益與不同耦合係數k (k =1、0.95、0.9)的關係曲線，即如第十二圖本發明之不同耦合係數和電壓增益的關係曲線圖所示，可知：耦合係數k 對電壓增益的影響非常小。當耦合係數k =1，理想的電壓增益為

(18)

從上式可知該轉換器（１）的電壓增益具有耦合電感匝數比和導通比兩個設計自由度。該轉換器（１）可藉由適當設計耦合電感的匝數比，達到高電壓增益，而不必操作在極大的導通比。對應於耦合電感匝數比和導通比的電壓增益曲線，請參閱第十三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，可知當導通比、匝數比時，電壓增益為15倍。

由轉換器電路動作的第三階段與第七階段可求得第一功率開關與第二功率開關的電壓應力為

(19)

同時也可求得第一箝位二極體、第二箝位二極體、第一舉升二極體、第二舉升二極體、第一切換二極體、第二切換二極體、輸出二極體的電壓應力為

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

該轉換器（１）的功率開關電壓應力僅為輸出電壓的倍，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，因為典型蕭特基二極體的順向壓降［約0.3V］低於一般功率二極體的順向壓降，可降低二極體導通損失。另一方面，蕭特基二極體中的金屬-矽障壁不受逆向暫態特性影響，而且相較於P-N接面二極體，蕭特基二極體導通與截止較為快速。

依據上述電路動作分析結果，使用IsSpice模擬軟體及實作結果驗證。設定該轉換器（１）之相關參數為：輸入電壓28V、輸出電壓380V、最大輸出功率1000W、切換頻率50kHz，耦合電感匝數比；以下以模擬波形與實作結果檢驗該轉換器（１）的特點［請再一併參閱第十四圖本發明之模擬電路示意圖所示］：

Ａ.驗證穩態特性：請再一併參閱第十五圖本發明之開關驅動信號、輸入電壓及輸出電壓的模擬波形圖所示，滿載1000W時，開關導通比大約，高電壓增益的達成，確實不必操作在極大的導通比。

Ｂ.驗證開關低電壓應力：請再一併參閱第十六圖本發明之開關電壓應力的模擬波形圖所示，當第一功率開關或第二功率開關OFF時，其跨壓都僅為輸出電壓的六分之一，符合(19)式的分析結果，與交錯式升壓型轉換器比較，該轉換器（１）具有開關低電壓應力的優點。可以使用R_DS(ON) 較小的功率開關，降低導通損失。

C.驗證具有低輸入漣波電流性能：請再一併參閱第十七圖本發明之交錯式操作降低輸入電流漣波的模擬波形圖所示，滿載1000W時，第一漏電感之電流、第二漏電感之電流的漣波電流約43A，而總輸入電流的漣波電流僅為約1.2A，明顯地，交錯式操作具有降低輸入漣波電流效用。

D.驗證電容電壓：請再一併參閱第十八圖本發明之各電容的電壓波形模擬圖所示，輸出電容之電壓大約等於253V，第一切換電容之電壓及第二切換電容之電壓大約等於63V，符合(11)和(15)式的分析結果。

E.驗證二極體反向恢復問題：請再一併參閱第十九圖本發明之箝位二極體的電流及電壓波形模擬圖、第二十圖本發明之舉升二極體的電流及電壓波形模擬圖、第二十一圖本發明之切換二極體的電流及電壓波形模擬圖、第二十二圖本發明之輸出二極體的電流及電壓波形模擬圖所示，第一箝位二極體和第二箝位二極體的電壓應力約為輸出電壓的六分之一；第一舉升二極體和第二舉升二極體、第一切換二極體和第二切換二極體及輸出二極體的電壓應力均約為輸出電壓的三分之一，符合(20)~(24)式的分析結果。另外，可知二極體電流已經先下降至0準位，二極體才自然轉態為OFF，因此可改善二極體反向恢復損失及EMI問題。

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.本案由於在交錯式升壓型轉換器導入電壓舉升的串接技術與電壓疊加的疊接技術，所以高電壓增益的達成，不必操作在極大的導通比。

2.本案由於轉換器兩個功率開關的電壓應力遠低於輸出電壓，可以使用導通電阻R_{DS (ON)} 較小的低額定耐壓MOSFET，所以可降低導通損失。

3.本案由於交錯式操作，耦合電感初級側的電流漣波能相消，降低輸入電流漣波大小。轉換器輸入並聯架構，具有分擔輸入電流的效果，適合高輸入電流應用。

4.本案之耦合電感的漏電感緩和了二極體的反向恢復問題，所以二極體的反向恢復損失得以改善。

5.本案之耦合電感的漏電感能量能夠回收利用，不但能改善效率，也能避免造成電壓突波問題。

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）‧‧‧電壓舉升單元

（１２）‧‧‧電壓疊加單元

第一圖：本發明之電路圖

第二圖：本發明之等效電路圖

第三圖：本發明之主要元件穩態波形圖

第四圖：本發明之第一操作階段等效電路圖

第五圖：本發明之第二操作階段等效電路圖

第六圖：本發明之第三操作階段等效電路圖

第七圖：本發明之第四操作階段等效電路圖

第八圖：本發明之第五操作階段等效電路圖

第九圖：本發明之第六操作階段等效電路圖

第十圖：本發明之第七操作階段等效電路圖

第十一圖：本發明之第八操作階段等效電路圖

第十二圖：本發明之不同耦合係數和電壓增益的關係曲線圖

第十三圖：本發明之電壓增益與導通比及耦合電感匝數比的曲線圖

第十四圖：本發明之模擬電路示意圖

第十五圖：本發明之開關驅動信號、輸入電壓及輸出電壓的模擬波形圖

第十六圖：本發明之開關電壓應力的模擬波形圖

第十七圖：本發明之交錯式操作降低輸入電流漣波的模擬波形圖

第十八圖：本發明之各電容的電壓波形模擬圖

第十九圖：本發明之箝位二極體的電流及電壓波形模擬圖

第二十圖：本發明之舉升二極體的電流及電壓波形模擬圖

第二十一圖：本發明之切換二極體的電流及電壓波形模擬圖

第二十二圖：本發明之輸出二極體的電流及電壓波形模擬圖

第二十三圖：傳統升壓型轉換器電路示意圖

第二十四圖：交錯式升壓型轉換器電路示意圖

Claims (5)

1. 一種交錯式高升壓直流－直流轉換器，其主要係令轉換器於輸入電壓之正極分別連接有第一耦合電感第一繞組之第一端及第二耦合電感第一繞組之第一端，該輸入電壓之負極進行接地，於該第一耦合電感第一繞組之第二端分別連接有第一功率開關之第一端及第一箝位二極體之正極，於該第二耦合電感第一繞組之第二端分別連接有第二功率開關之第一端及第二箝位二極體之正極，該第一功率開關之第二端及該第二功率開關之第二端皆進行接地，該第一箝位二極體之負極與該第二箝位二極體之負極分別連接箝位電容之第一端及電壓舉升單元［voltage lift cell］，該箝位電容之第二端進行接地，該電壓舉升單元係分別由第二舉升二極體、第二舉升電容、第一耦合電感第二繞組、第一舉升二極體、第二耦合電感第二繞組及第一舉升電容所組成，該第二舉升二極體之正極及該第二舉升電容之第一端皆與該第一箝位二極體之負極、該第二箝位二極體之負極及該箝位電容之第一端連接，該第二舉升電容之第二端分別連接該第一耦合電感第二繞組之第一端與該第一舉升二極體之正極，該第一耦合電感第二繞組之第二端連接該第二耦合電感第二繞組之第一端，該第二耦合電感第二繞組之第二端連接該第二舉升二極體之負極及該第一舉升電容之第一端，該第一舉升電容之第二端連接該第一舉升二極體之負極，令該電壓舉升單元之該第一舉升電容的第二端與該第一舉升二極體的負極皆與一輸出二極體之正極連接，該輸出二極體之負極分別連接有輸出電容之第一端及電壓疊加單元［voltage stack cell］，該輸出電容之第二端進行接地，該電壓疊加單元係分別由第一切換電容、第二切換電容、第一耦合電感第三繞組、第二耦合電感第三繞組、第一切換二極體及第二切換二極體所組成，該第一切換電容之第一端及該第二切換二極體之正極皆與該輸出二極體之負極及該輸出電容之第一端連接，該第一切換電容之第二端連接該第一耦合電感第三繞組之第一端及該第二切換電容之第一端，該第一耦合電感第三繞組之第二端連接該第二耦合電感第三繞組之第一端，該第二切換二極體之負極連接該第二耦合電感第三繞組之第二端及該第一切換二極體之正極，該第一切換二極體之負極及該第二切換電容之第二端連接負載之正極，該負載之負極則進行接地。
2. 如申請專利範圍第１項所述交錯式高升壓直流－直流轉換器，其中，該第一耦合電感第一繞組、第二繞組、第三繞組構成匝數：：之理想變壓器。
3. 如申請專利範圍第１項所述交錯式高升壓直流－直流轉換器，其中，該第二耦合電感第一繞組、第二繞組、第三繞組構成匝數：：之理想變壓器。
4. 如申請專利範圍第１項所述交錯式高升壓直流－直流轉換器，其中，該第一耦合電感第一繞組包含有第一磁化電感及第一漏電感。
5. 如申請專利範圍第１項所述交錯式高升壓直流－直流轉換器，其中，該第二耦合電感第一繞組包含有第二磁化電感及第二漏電感。