TW202002491A - 交錯式超高升壓轉換器 - Google Patents

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謝承道
陳信助
林資祐
凃尚成
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崑山科技大學
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Abstract

一種交錯式超高升壓轉換器，包含一第一、二電感、複數整流二極體、一第一、二功率開關、一第一、二變壓器、一第一、二升壓電容、一第一、二飛輪二極體、一第一、二輸出二極體、一第一、二倍壓二極體，及一輸出電路。透過該第一、二功率開關功率開關以180°的相位差交錯工作，可使輸入電流漣波降低，因此，可以使用感值較小之輸入濾波電感，降低電感的體積，再者，電路架構具有並聯連接特性，故可分擔輸入電流，能有效降低電路中儲能元件及開關元件之電流應力，適合應用於高功率的場合。

Description

交錯式超高升壓轉換器
本發明是有關一種升壓轉換器，特別是指一種交錯式超高升壓轉換器。
由於能源的短缺與環境汗染日益嚴重，各國紛紛大力推動綠色能源的發展。綠色能源包含了太陽能、風能、海洋能和燃料電池等等。其中，燃料電池發電系統應用於住宅區的太陽能光電並聯市電的發電系統。以燃料電池供電系統而言，透過所需的氫氣燃料與空氣中的氧氣產生化學反應，進而產生電流及水，不但無污染也避免了傳統電池充電耗時的問題。
然而，上述系統有低輸出電壓的限制條件且需要低電流漣波，以延長系統壽命。另一方面，住宅型的太陽能光電系統為了安全性與發電性能，太陽能電池陣列的輸出電壓相對較低，在220Vac的市電並聯系統中，為了配合大約400V的全橋式變頻器，或大約760V的半橋式變頻器，均需要一個高升壓比、高效率的轉換器。
以往的切換式轉換器，為了增加輸出電壓，須升高責任周期(Duty raito)或將變壓器匝數比提高，而將變壓器匝數比提高會導致變壓器寄生元件增大，使得電路波形產生突波，在元件選擇上就需要挑選耐壓較大的元件，如此將使整體的轉換器成本上升。
上述缺點都顯現習知升壓轉換器在使用上所衍生的種種問題，長久下來，常常導致轉換效率無法提升，特別是處於相當重視再生能源的時代，確實有必要發 展一種可有效率的轉換電能之技術，以發揮再生能源之產出效益。
有鑑於此，本發明之目的，是提供一種交錯式超高升壓轉換器，包含一第一、二電感、一第一輸入電容、一第一、二、三、四、五、六整流二極體、一第一、二功率開關、一第一、二變壓器、一第一、二升壓電容、一第一、二飛輪二極體、一第一、二輸出二極體，及一第一、二倍壓二極體。
該第一電感及一第二電感分別包括一電連接一輸入電壓之正極的第一端，及一第二端。該第一輸入電容包括一第一端，及一第二端，該第一端電連接該輸入電壓之正極、該第一、二電感之第一端。該第一整流二極體包括一電連接該第一輸入電容之第二端的第一端，及一第二端。該第二整流二極體包括一電連接該第一輸入電容之第二端的第一端，及一第二端。該第三整流二極體包括一電連接該第一整流二極體之第二端的第一端，及一第二端，且該第一電感之第二端與該第一整流二極體之第二端及該第三整流二極體之第一端電連接。該第四整流二極體包括一電連接該第二整流二極體之第二端的第一端，及一第二端，且該第二電感之第二端與該第二整流二極體之第二端及該第四整流二極體之第一端電連接。該第五整流二極體包括一電連接該第三整流二極體之第二端的第一端，及一第二端。該第六整流二極體包括一電連接該第四整流二極體之第二端的第一端，及一第二端。
該第一功率開關包括一第一端，及一電連接該輸入電壓之負極的第二端，該第一端電連接該第三整流二極體之第二端及該第五整流二極體之第一端。該第二功率開關包括一第一端，及一電連接該輸入電壓之負極的 第二端，該第一端電連接該第四整流二極體之第二端及該第六整流二極體之第一端。該第一、二變壓器分別包括一初級側繞組、一次級側繞組，及一三級側繞組，且該初級、次級、三級側繞組皆具有一第一端，及一第二端，該第一、二變壓器之初級側繞組的第一端分別與該第一輸入電容之第二端以及該第一、二整流二極體之第一端電連接，而該第一、二變壓器之初級側繞組的第二端分別與該第五、六整流二極體之第二端電連接。
該第一、二升壓電容分別包括一第一端，及一第二端，該第二升壓電容之第一端與該第六整流二極體之第二端及該第二變壓器之初級側繞組的第二端電連接，該第二升壓電容之第二端與該第二變壓器之次級側繞組的第一端電連接。該第一飛輪二極體包括一第一端，及一第二端，該第一端與該第六整流二極體之第二端、該第二變壓器之初級側繞組的第二端，及該第二升壓電容之第一端電連接，該第二端與該第一升壓電容之第一端及該第一變壓器之次級側繞組的第一端電連接。該第二飛輪二極體包括一第一端，及一第二端，該第一端與該第二升壓電容之第二端及該第二變壓器之次級側繞組的第一端電連接，該第二端與該第五整流二極體之第二端、該第一升壓電容之第二端及該第一變壓器之初級側繞組的第二端電連接。
該第一輸出二極體包括一與該第一變壓器之次級側繞組的第二端電連接的第一端，及一第二端。該第二輸出二極體包括一與該第二變壓器之次級側繞組的第二端電連接的第一端，及一電連接一輸出電路之第二端。該第一倍壓二極體包括一電連接該輸出電路的第一端，及一第二端。該第二倍壓二極體包括一與該第一輸出二極體之第二端電連接的第一端，及一第二端，且該第一變壓器 之三級側繞組的第一端分別與該第一、二倍壓二極體之第二端電連接，而該第一變壓器之三級側繞組的第二端與該第二變壓器之三級側繞組的第一端電連接，而該第二變壓器之三級側繞組的第二端電連接該輸出電路。
本發明的另一技術手段，是在於上述之輸出電路包括一輸出電壓、一第一、二、三輸出電容，該第一、二、三輸出電容分別包括一第一端，及一第二端，該輸出電壓之正極與該第三輸出電容之第一端電連接，該第三輸出電容之第二端與該第二變壓器之三級側繞組的第二端及該第二輸出電容的第一端電連接，而該第二輸出電容之第二端與該第二輸出二極體之第二端、該第二倍壓二極體之第二端、該第一輸出二極體之第二端，及該第一輸出電容之第一端電連接，該第一輸出電容之第二端與該輸出電壓之負極，及該第二功率開關之第二端電連接。
本發明的又一技術手段，是在於上述之第一變壓器之初級側繞組形成有一第一磁化電感，該第二變壓器之初級側繞組形成有一第二磁化電感。
本發明的再一技術手段，是在於上述之第一變壓器之三級側繞組及該第二變壓器之三級側繞組形成有一漏電感。
本發明的另一技術手段，是在於上述之第一、二功率開關可為N通道之金氧場效應電晶體(MOSFET)。
本發明的又一技術手段，是在於上述之第一、二功率開關之第一端為汲極(Drian)，第二端為源極(Sourse)。
本發明的再一技術手段，是在於上述之交錯式超高升壓轉換器的電壓增益為2+2n+n(1-D)/(1-D)2，其中，n為該第一變壓器或該第二變壓器的匝數比，D為 該第一功率開關或該第二功率開關的導通比。
本發明之有益功效在於，藉由該第一、二功率開關以180°的相位差交錯工作，可使降低輸入電流漣波，因此，可使用感值較小之輸入濾波電感，以降低電感的體積，高電壓增益的達成不必操作在極大的導通比，該第一、二功率開關具有低於輸出電壓的低電壓應力，故可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET，所以可降低導通損失，進而提升整體效率，此外，亦可減緩二極體反向恢復問題，使電路導通損失可有效降低，進而提升轉換器之轉換效率，以發揮再生能源之產出效益。
1‧‧‧轉換器
11‧‧‧輸出電路
圖1是一電路圖，說明本發明交錯式超高升壓轉換器之較佳實施例；圖2是一時序波形圖，說明本較佳實施例的操作；圖3是一等效電路圖，說明本較佳實施例操作在預備階段的情況；圖4~13是等效電路圖，說明本較佳實施例操作在第一階段至第十階段的情況；圖14是一示意圖，說明本較佳實施例之模擬電路；圖15是一模擬波形圖，說明本較佳實施例之第一功率開關驅動信號、輸入電壓及輸出電壓的模擬波形；圖16是一模擬波形圖，說明本較佳實施例輸入端之電流的模擬波形；圖17是一模擬波形圖，說明本較佳實施例之第一功率開關的模擬相關波形；圖18是一模擬波形圖，說明本較佳實施例之第二功率開關的模擬相關波形；圖19是一模擬波形圖，說明本較佳實施例之第一、二 飛輪二極體的電壓和電流模擬波形；圖20是一模擬波形圖，說明本較佳實施例之第一、二倍壓二極體的電壓和電流模擬波形；及圖21是一示意圖，說明本較佳實施例之電壓轉換增益對導通比的變化。
有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，為本發明交錯式超高升壓轉換器的較佳實施例，該轉換器1包含一輸入電壓V in 、一第一電感L 1 、一第二電感L 2 、一第一輸入電容C b 、一第一整流二極體D b1 、一第二整流二極體D b2 、一第三整流二極體D a11 、一第四整流二極體D a21 、一第五整流二極體D a12 、一第六整流二極體D a22 、一第一功率開關S 1 、一第二功率開關S 2 、一第一變壓器、一第二變壓器、一第一升壓電容C c1 、一第二升壓電容C c2 、一第一飛輪二極體D c1 、一第二飛輪二極體D c2 、一第一輸出二極體D e1 、一第二輸出二極體D e2 、一第一倍壓二極體D f1 、一第二倍壓二極體D f2 ，及一輸出電路11。
該第一、二電感L 1 、L 2 分別包括一電連接該輸入電壓V in 之正極的第一端，及一第二端。該第一輸入電容C b 包括一第一端，及一第二端，該第一端電連接該輸入電壓V in 之正極、該第一、二電感L 1 、L 2 之第一端。
該第一整流二極體D b1 包括一電連接該第一輸入電容C b 之第二端的第一端，及一第二端。該第二整流二極體D b2 包括一電連接該第一輸入電容C b 之第二端的第一端，及一第二端。
該第三整流二極體D a11 包括一電連接該第 一整流二極體D b1 之第二端的第一端，及一第二端，且該第一電感L 1 之第二端與該第一整流二極體D b1 之第二端及該第三整流二極體D a11 之第一端電連接。
該第四整流二極體D a21 包括一電連接該第二整流二極體D b2 之第二端的第一端，及一第二端，且該第二電感L 2 之第二端與該第二整流二極體D b2 之第二端及該第四整流二極體D a21 之第一端電連接。
該第五整流二極體D a12 包括一電連接該第三整流二極體D a11 之第二端的第一端，及一第二端。該第六整流二極體D a22 包括一電連接該第四整流二極體D a21 之第二端的第一端，及一第二端。
該第一功率開關S 1 包括一第一端，及一電連接該輸入電壓V in 之負極的第二端，該第一端電連接該第三整流二極體D a11 之第二端及該第五整流二極體D a12 之第一端。
該第二功率開關S 2 包括一第一端，及一電連接該輸入電壓V in 之負極的第二端，該第一端電連接該第四整流二極體D a21 之第二端及該第六整流二極體D a22 之第一端。
其中，該第一、二功率開關S 1 、S 2 可為N通道之金氧場效應電晶體(MOSFET)，且該第一、二功率開關S 1 、S 2 之第一端為汲極(Drian)，第二端為源極(Sourse)。
該第一變壓器包括一初級側繞組N p1 、一次級側繞組N p2 ，及一三級側繞組N p3 ，而該初級、次級、三級側繞組N p1 、N p2 、N p3 皆具有一第一端，及一第二端，且該第一變壓器之初級側繞組N p1 形成有一第一磁化電感L m1 。
該第二變壓器N s1 包括一初級側繞組N s1 、一次級側繞組N s2 ，及一三級側繞組N s3 ，而該初級、次級、 三級側繞組N s1 、N s2 、N s3 皆具有一第一端，及一第二端，且該第二變壓器之初級側繞組N s1 形成有一第二磁化電感L m2 。再者，該第一變壓器之三級側繞組N p3 及該第二變壓器之三級側繞組N s3 形成有一漏電感L s 。
再者，該第一、二變壓器之初級側繞組N p1 、N s1 的第一端分別與該第一輸入電容C b 之第二端，以及該第一、二整流二極體D b1 、D b2 之第一端電連接，而該第一、二變壓器之初級側繞組N p1 、N s1 的第二端分別與該第五、六整流二極體D a12 、D a22 之第二端電連接。
該第一、二升壓電容C c1 、C c2 分別包括一第一端，及一第二端，該第二升壓電容C c2 之第一端與該第六整流二極體D a22 之第二端及該第二變壓器之初級側繞組N s1 的第二端電連接，該第二升壓電容C c2 之第二端與該第二變壓器之次級側繞組N s2 的第一端電連接。
該第一飛輪二極體D c1 包括一第一端，及一第二端，該第一端與該第六整流二極體D a22 之第二端、該第二變壓器之初級側繞組N s1 的第二端，及該第二升壓電容C c2 之第一端電連接，該第二端與該第一升壓電容C c1 之第一端，以及該第一變壓器之次級側繞組N p2 的第一端電連接。
該第二飛輪二極體D c2 包括一第一端，及一第二端，該第一端與該第二升壓電容C c2 之第二端及該第二變壓器之次級側繞組N s2 的第一端電連接，該第二端與該第五整流二極體D a12 之第二端、該第一升壓電容C c1 之第二端及該第一變壓器之初級側繞組N p1 的第二端電連接。
該第一輸出二極體D e1 包括一與該第一變壓器之次級側繞組N p2 的第二端電連接的第一端，及一第二端。該第二輸出二極體D e2 包括一與該第二變壓器之次 級側繞組N s2 的第二端電連接的第一端，及一電連接該輸出電路11之第二端。
該第一倍壓二極體D f1 包括一電連接該輸出電路11的第一端，及一第二端。該第二倍壓二極體D f2 包括一與該第一輸出二極體D e1 之第二端電連接的第一端，及一第二端，且該第一變壓器之三級側繞組N p3 的第一端分別與該第一、二倍壓二極體D f1 、D f2 之第二端電連接，而該第一變壓器之三級側繞組N p3 的第二端與該第二變壓器之三級側繞組N s3 的第一端電連接，而該第二變壓器之三級側繞組N s3 的第二端電連接該輸出電路11。
該輸出電路11包括一輸出電壓V o 、一第一輸出電容C 1 、一第二輸出電容C 2 、一第三輸出電容C 3 ，該第一、二、三輸出電容C 1 、C 2 、C 3 分別包括一第一端，及一第二端，該輸出電壓V o 之正極與該第三輸出電容C 3 之第一端電連接，且該第三輸出電容C 3 之第一端電連接該第一倍壓二極體D f1 之第一端，而該第三輸出電容C 3 之第二端與該第二變壓器之三級側繞組N s3 的第二端之漏電感L s ，及該第二輸出電容C 2 的第一端電連接，而該第二輸出電容C 2 之第二端與該第二輸出二極體D e2 之第二端、該第二倍壓二極體D f2 之第二端、該第一輸出二極體D e1 之第二端，及該第一輸出電容C 1 之第一端電連接，該第一輸出電容C 1 之第二端與該輸出電壓V o 之負極，及該第二功率開關S 2 之第二端電連接。
其中，該交錯式超高升壓轉換器的電壓增益為2+2n+n(1-D)/(1-D)2，其中，n為該第一變壓器或該第二變壓器的匝數比，D為該第一功率開關S 1 或該第二功率開關S 2 的導通比。本專利所提出之轉換器1具有最高之電壓增益，且當耦合電感匝數比n越大時，則差距會更加明顯。
根據該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第三整流二極體D a11 、該第四整流二極體D a21 、該第五整流二極體D a12 、該第六整流二極體D a22 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 ，及該第二倍壓二極體D f2 之導通與否，可將該轉換器1在一個切換週期Ts的動作分成十個線性階段，其各線性階段之線性等效電路以及主要元件波形如圖中所示，其中，導通的元件以粗實線畫出，而不導通的元件以較淡的細實線畫出，更以箭頭說明電路中實際的電流流向，以下分別針對每一階段進行說明。
首先，進行預備階段(t~t0)：配合參閱圖2、3，該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 導通，該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 、該第二倍壓二極體D f2 不導通。
在預備階段時，該第一、二功率開關S 1 、S 2 、導通(on)持續一段時間，該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 、該第二倍壓二極體D f2 皆因逆向偏壓而off，此時該第一、二電感L 1 、L 2 與該第一、二磁化電感L m1 、L m2 皆因跨該輸入電壓V in 電流則以斜率V in /L 1 、V in /L m1 線性上升。
當該第一功率開關S 1 由on切換至off時， 該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 由on切換至off，該第一整流二極體D b1 由off切換至on，則該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第一階段電路動作。
第一階段(t0~t1)：配合參閱圖2、4，該第一功率開關S 1 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 不導通，該第二功率開關S 2 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第一整流二極體D b1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二倍壓二極體D f2 導通。
該第一功率開關S 1 由on切換至off，該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 由on切換至off，該第一整流二極體D b1 由off切換至on，該第二功率開關S 2 保持為on，此時該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 因輸入電流i Lk1 保持連續而導通，且該第一功率開關S 1 之跨壓v DS1被該第二飛輪二極體D c2 箝位在該第二升壓電容C c2 之電壓V Cc2，再者，該第一輸出二極體D e1 之電流i De1流經該第一變壓器之次級側繞組N p2 ，而使電流能量反饋至該第一變壓器之初級側繞組N p1 ，可降低輸入端電流的提供。另外，該第一磁化電感L m1 之電流i Lm1以斜率(V in -V Cc2)/L m1線性下降，當該漏電感L s 之電流i Ls 上升至I o ，會使該第二輸出電容C 2 之電流i C2換向，而該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第二階段電路動作。
第二階段(t1~t2)：配合參閱圖2、5，該第一功率開關S 1 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 不導通，該第二功率開關S 2 、 該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第一整流二極體D b1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二倍壓二極體D f2 導通。
該第一功率開關S 1 保持為off，該第二功率開關S 2 保持為on，當該第二輸出電容C 2 之電流i C2換向後，則開始對該第二輸出電容C 2 做充電。當該第一功率開關S 1 由off切換至on時，則該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第三階段電路動作。
第三階段(t2~t3)：配合參閱圖2、6，該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第二倍壓二極體D f2 導通，該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 不導通。
該第一功率開關S 1 已由off轉變為on，該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 由off切換至on，該第一整流二極體D b1 因逆向偏壓由on切換至off，該第二功率開關S 2 保持為on，此階段該第二飛輪二極體D c2 與該第一輸出二極體D e1 因跨逆向偏壓而由on轉變為off，而該漏電感L s 之電流i Ls 保持連續，故該第二倍壓二極體D f2 持續on。
本階段該第一磁化電感L m1 之電流i Lm1以斜率(V in +nV C2)/L m1線性上升，該第二磁化電感L m2 之電流i Lm2以斜率(V in -nV C2)/L m2線性上升，而該漏電感L s 之電流i Ls 則以斜率-V C2/L s 線性下降。當該漏電感L s 之電流i Ls 下降至I o ，該第二輸出電容C 2 之電流i C2換向，則轉換器進入在一個切換週期T s 下之第四階段電路動作。
第四階段(t3~t4)：配合參閱圖2、7，該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第二倍壓二極體D f2 導通，該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 不導通。
該第一、二功率開關S 1 、S 2 保持為on，此階段在該第二輸出電容C 2 之電流i C2換向後，該第二輸出電容C 2 開始對負載釋放能量。當該漏電感L s 之電流i Ls 下降至0，會使該第二倍壓二極體D f2 由on轉變為off，而該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第五階段電路動作。
第五階段(t4~t5)：配合參閱圖2、8，該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 導通，該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 、該第二倍壓二極體D f2 不導通。
該第一磁化電感L m1 之電流i Lm1及該第二磁化電感L m21 之電流i Lm2分別以斜率V in /L m1及V in /L m2線性上升。當該第二功率開關S 2 由on切換至off時，則該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第六階段電路動作。
第六階段(t5~t6)：配合參閱圖2、9，該第一功率開關S 1 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第二整 流二極體 D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 導通，該第二功率開關S 2 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第一整流二極體D b1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二倍壓二極體D f2 不導通。
本階段該第一功率開關S 1 保持為on，該第二功率開關S 2 由on轉變為off，該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 由on切換至off，該第二整流二極體D b2 由off切換至on，此時該第一飛輪二極體D c1 、該第二輸出二極體D e2 因輸入電流i Lk2 保持連續而導通，且該第二功率開關S 2 之跨壓v DS2被該第一飛輪二極體D c1 箝位在該第一升壓電容C c1 之電壓V Cc1。此時該第二輸出二極體D e2 之電流i De2流經該第二變壓器之次級側繞組N s2 而使電流能量反饋至該第二變壓器之初級側繞組N s1 ，可降低輸入端電流的提供。另外，該第一倍壓二極體D f1 為了導通則nV Cc1-V C3必須大於0，因此，該漏電感L s 之電流i Ls 以斜率(-nV Cc1+V C3)/L s 線性下降，下降至-I o 時，會使該第三輸出電容C 3 之電流i C3換向，而該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第七階段電路動作。
第七階段(t6~t7)：配合參閱圖2、10，該第一功率開關S 1 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 導通，該第二功率開關S 2 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第一整流二極體D b1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二倍壓二極體D f2 不導通。
本階段該第一功率開關S 1 保持為on，該第二功率開關S 2 保持為off，在該第三輸出電容C 3 之電流i C3 換向後，則開始對該第三輸出電容C 3 做充電。當該第二功率開關S 2 由off轉變為on，則該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第八階段電路動作。
第八階段(t7~t8)：配合參閱圖2、11，該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第一倍壓二極體D f1 導通，該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第二倍壓二極體D f2 不導通。
本階段該第一功率開關S 1 保持為on，該第二功率開關S 2 由off轉變為on，則該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 由off轉變成on，該第二整流二極體D b2 因該第二電感L 2 之逆向偏壓V L2由on轉變至off，此階段該第一飛輪二極體D c1 與該第二輸出二極體D e2 因跨逆向偏壓而由on轉變為off，而因該漏電感L s 之電流i Ls 保持連續，故該第一倍壓二極體D f1 持續on。
該第一磁化電感L m1 之電流i Lm1以斜率(V in -nV C3)/L m1線性下降，該第二磁化電感L m2 之電流i Lm2以斜率(V in +nV C3)/L m2線性上升，而該漏電感L s 之電流i Ls 則以斜率V C3/L s 線性上升。當該漏電感L s 之電流i Ls 上升至-I o ，該第三輸出電容C 3 之電流i C3換向，則該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第九階段電路動作。
第九階段(t8~t9)：配合參閱圖2、12，該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 、該第一倍壓二極體D f1 導通，該第一整流二極體D b1 、 該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第二倍壓二極體D f2 不導通。
本階段該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 保持為on，在該第三輸出電容C 3 之電流i C3換向後，該第三輸出電容C 3 對負載釋放能量。當該漏電感L s 之電流i Ls 上升至0，會使該第一倍壓二極體D f1 由on轉變為off，則該轉換器1進入在一個切換週期T s 下之第十階段電路動作。
第十階段(t9~t10)：配合參閱圖2、13，該第一功率開關S 1 、該第二功率開關S 2 、該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 、該第四整流二極體D a21 、該第六整流二極體D a22 導通，該第一整流二極體D b1 、該第二整流二極體D b2 、該第一飛輪二極體D c1 、該第二飛輪二極體D c2 、該第一輸出二極體D e1 、該第二輸出二極體D e2 、該第一倍壓二極體D f1 、該第二倍壓二極體D f2 不導通。
本階段該第一磁化電感L m1 之電流i Lm1及該第二磁化電感L m21 之電流i Lm2分別以斜率V in /L m1及V in /L m2線性上升。當該第一功率開關S 1 由on轉變為off時該第三整流二極體D a11 、該第五整流二極體D a12 由on切換至off，該第一整流二極體D b1 由off切換至on，則該轉換器1進入下一階段，完成一週期T s 下之電路動作。
配合參閱圖14，依據上述電路動作分析，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：輸入電源(V in )20V、輸出電壓(V o )400V、輸出功率(P 0 )500W、切換頻率(f s )40kHz，導通比(D)0.62，該第一、二磁化電感(L m1 、L m2 )133μH、該第一輸出電容(C 1 )220μF、該第二、二輸出電容(C 2 、C 3 )及該第一、二升壓電 容(C c1 、C c2 )100μF、該第一、二變壓器匝數比1：1：1、該第一、二電感(L 1 、L 2 )220μH，模擬與實作波形驗正項目如下。
(1)電氣規格驗證：輸入電壓V in 、輸出電壓V o 、導通比D
配合參閱圖15，為第一功率開關S 1 驅動信號、輸入電壓V in 及輸出電壓V o 的模擬波形，其中，v gs(S1)為該第一功率開關S 1 之驅動信號。由模擬結果可知輸入電壓V in =20V、輸出電壓V o =400V，滿足電氣之需求規格。該第一、二功率開關S 1 、S 2 以180°的相位差交錯工作，可使輸入電流漣波降低，因此，可以使用感值較小之輸入濾波電感，進而降低電感的體積。
(2)輸入電流漣波相消：i Lk1、i Lk2、i in
配合參閱圖16，為輸入端之電流i Lk1、i Lk2、i in 的模擬波形，其中，i Lk1、i Lk2為該第一、二變壓器之電流，i in 為輸入電流，由於該轉換器1以交錯180°依序導通的驅動方式操作，因此，該第一、二變壓器之電流i Lk1、i Lk2漣波相差180°，又，因i Lk1、i Lk2之漣波可以相消以降低輸入電流i in 之漣波。由模擬結果可知，當電感電流漣波和約為10A，輸入電流漣波約為2.34A，輸入電流i in 確實因交錯式操作，而有漣波相消的性能。
(3)該第一、二功率開關S 1 、S 2 的低電壓應力：(v gs(S1)，v ds(S1)，V Cc2)及(v gs(S2)，v ds(S2)，V Cc1)
配合參閱圖17、18，分別為該第一功率開關S 1 與該第二功率開關S 2 的模擬相關波形，其中，v gs(S1)為該第一功率開關S 1 之驅動信號，v gs(S2)為該第二功率開關S 2 之驅動信號，v ds(S1)為該第一功率開關S 1 之跨壓，v ds(S2)為該第二功率開關S 2 之跨壓，V Cc1為該第一升壓電容C c1 之電壓，V Cc2為該第二升壓電容C c2 之電壓。
由於該轉換器1加入該第一升壓電容C c1 、該第二升壓電容C c2 ，因此，該第一、二功率開關S 1 、S 2 的跨壓將會被該第一升壓電容C c1 、該第二升壓電容C c2 限制住：v ds(S1,max)=120V、v ds(S2,max)=120V，因此，而該第一、二功率開關S 1 、S 2 的跨壓也約為120V，可知該第一、二功率開關S 1 、S 2 確實擁有遠低於輸出電壓的低電壓應力。
進一步地，由於該第一、二功率開關S 1 、S 2 具有低於輸出電壓的低電壓應力，故可使用導通電阻較小的低額定耐壓之金氧場效應電晶體(MOSFET)，以降低導通損失，提升整體效率。
(4)減緩二極體反向恢復問題：(v Dc1，i Dc1，v Dc2，i Dc2)、(v Df1，i Df1，v Df2，i Df2)
配合參閱圖19、20，分別為該第一、二飛輪二極體D c1 、D c2 ，及該第一、二倍壓二極體D f1 、D f2 的電壓和電流模擬波形，其中，v Dc1、i Dc1為該第一飛輪二極體D c1 的電壓和電流，v Dc2、i Dc2為該第二飛輪二極體D c2 的電壓和電流，v Df1、i Df1為該第一倍壓二極體D f1 的電壓和電流，v Df2、i Df2為該第二倍壓二極體D f2 的電壓和電流。
由模擬結果可知，該第一、二飛輪二極體D c1 、D c2 電流先降至零才轉態為off，所以無反向恢復問題，而該第一、二倍壓二極體D f1 、D f2 之電流只有一段微小的逆向恢復電流，因此本發明所提出之架構，能夠減緩反向恢復問題及EMI雜訊干擾。
配合參閱圖21，為本發明之轉換器的電壓轉換增益Voltage Gain對導通比Duty Ratio變化的模擬示意圖。當該導通比D的值為0.6，該匝數比n的值為1時，該電壓轉換增益的值為30，當該導通比D的值為0.6，該匝數比n的值為3時，該電壓轉換增益CG的值為62，當 該導通比D的值為0.6，該匝數比n的值為5時，該電壓轉換增益CG的值為95。
綜上所述，本發明交錯式超高升壓轉換器確實具有以下功效增進之處：
一、高功率應用：本發明提出交錯式的升壓轉換器，其電路架構仍具有並聯連接特性，故可分擔輸入電流，能有效降低電路中儲能元件及開關元件之電流應力，以適合應用於高功率的場合。
二、高電力密度：該第一、二功率開關S 1 、S 2 以180°的相位差交錯工作，可使降低輸入電流漣波，因此，可使用感值較小之輸入濾波電感，以降低電感的體積。
三、低電壓應力：高電壓增益的達成，不必操作在極大的導通比，則該第一、二功率開關S 1 、S 2 具有低於輸出電壓的低電壓應力，故可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET，所以可降低導通損失，進而提升整體效率。
四、高升壓增益且高轉換效率：本專利提出交錯式超高升壓轉換器，可得到極高的升壓增益，具有電流分流且可選用低導通電阻MOSFET，此外，亦可減緩二極體反向恢復問題，以有效降低電路導通損失，進而提升轉換器之整體效率，故確實可以達成本發明之目的。
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發明說明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。
1‧‧‧轉換器
11‧‧‧輸出電路

Claims (7)

  1. 一種交錯式超高升壓轉換器，包含：一第一電感及一第二電感，分別包括一電連接一輸入電壓之正極的第一端，及一第二端；一第一輸入電容，包括一第一端，及一第二端，該第一端電連接該輸入電壓之正極、該第一、二電感之第一端；一第一整流二極體，包括一電連接該第一輸入電容之第二端的第一端，及一第二端；一第二整流二極體，包括一電連接該第一輸入電容之第二端的第一端，及一第二端；一第三整流二極體，包括一電連接該第一整流二極體之第二端的第一端，及一第二端，且該第一電感之第二端與該第一整流二極體之第二端及該第三整流二極體之第一端電連接；一第四整流二極體，包括一電連接該第二整流二極體之第二端的第一端，及一第二端，且該第二電感之第二端與該第二整流二極體之第二端及該第四整流二極體之第一端電連接；一第五整流二極體，包括一電連接該第三整流二極體之第二端的第一端，及一第二端；一第六整流二極體，包括一電連接該第四整流二極體之第二端的第一端，及一第二端；一第一功率開關，包括一第一端，及一電連接該輸 入電壓之負極的第二端，該第一端電連接該第三整流二極體之第二端及該第五整流二極體之第一端；一第二功率開關，包括一第一端，及一電連接該輸入電壓之負極的第二端，該第一端電連接該第四整流二極體之第二端及該第六整流二極體之第一端；一第一變壓器及一第二變壓器，該第一、二變壓器分別包括一初級側繞組、一次級側繞組，及一三級側繞組，且該初級、次級、三級側繞組皆具有一第一端，及一第二端，該第一、二變壓器之初級側繞組的第一端分別與該第一輸入電容之第二端以及該第一、二整流二極體之第一端電連接，而該第一、二變壓器之初級側繞組的第二端分別與該第五、六整流二極體之第二端電連接；一第一、二升壓電容，分別包括一第一端，及一第二端，該第二升壓電容之第一端與該第六整流二極體之第二端及該第二變壓器之初級側繞組的第二端電連接，該第二升壓電容之第二端與該第二變壓器之次級側繞組的第一端電連接；一第一飛輪二極體，包括一第一端，及一第二端，該第一端與該第六整流二極體之第二端、該第二變壓器之初級側繞組的第二端，及該第二升壓電容之第一端電連接，該第二端與該第一升壓電容之第一端及該第一變壓器之次級側繞組的第一端電連接；一第二飛輪二極體，包括一第一端，及一第二端，該第一端與該第二升壓電容之第二端及該第二變壓器 之次級側繞組的第一端電連接，該第二端與該第五整流二極體之第二端、該第一升壓電容之第二端及該第一變壓器之初級側繞組的第二端電連接；一第一輸出二極體，包括一與該第一變壓器之次級側繞組的第二端電連接的第一端，及一第二端；一第二輸出二極體，包括一與該第二變壓器之次級側繞組的第二端電連接的第一端，及一電連接一輸出電路之第二端；一第一倍壓二極體，包括一電連接該輸出電路的第一端，及一第二端；及一第二倍壓二極體，包括一與該第一輸出二極體之第二端電連接的第一端，及一第二端，且該第一變壓器之三級側繞組的第一端分別與該第一、二倍壓二極體之第二端電連接，而該第一變壓器之三級側繞組的第二端與該第二變壓器之三級側繞組的第一端電連接，而該第二變壓器之三級側繞組的第二端電連接該輸出電路。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之交錯式超高升壓轉換器，其中，該輸出電路包括一輸出電壓、一第一、二、三輸出電容，該第一、二、三輸出電容分別包括一第一端，及一第二端，該輸出電壓之正極與該第三輸出電容之第一端電連接，該第三輸出電容之第二端與該第二變壓器之三級側繞組的第二端及該第二輸出電容的第一端電連接，而該第二輸出電容之第二端與該第二輸出二極體之第二端、該第二倍壓二極體之第二端、該第一輸出二極體之第二端，及該第一輸出電容之第一端電連 接，該第一輸出電容之第二端與該輸出電壓之負極，及該第二功率開關之第二端電連接。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之交錯式超高升壓轉換器，其中，該第一變壓器之初級側繞組形成有一第一磁化電感，該第二變壓器之初級側繞組形成有一第二磁化電感。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之交錯式超高升壓轉換器，其中，該第一變壓器之三級側繞組及該第二變壓器之三級側繞組形成有一漏電感。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之交錯式超高升壓轉換器，其中，該第一、二功率開關可為N通道之金氧場效應電晶體(MOSFET)。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之交錯式超高升壓轉換器，其中，該第一、二功率開關之第一端為汲極(Drian)，第二端為源極(Sourse)。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之交錯式超高升壓轉換器，其中，該交錯式超高升壓轉換器的電壓增益為2+2n+n(1-D)/(1-D) 2，其中，n為該第一變壓器或該第二變壓器的匝數比，D為該第一功率開關或該第二功率開關的導通比。
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