TW202112044A - 高電壓增益直流轉換器 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種高電壓增益直流轉換器,其主要係不僅無導通比的使用限制,可得高電壓輸出,且由於不操作在極端寬大的導通責任比下,亦能具有高電壓轉換比,並因功率開關具有低於輸出電壓的低電壓應力,可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET,可降低導通損失,提升整體效率,同時能解決二極體的逆向恢復問題,從而降低雜訊對電路動作上的影響,而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
Description
本發明係有關於一種高電壓增益直流轉換器,尤其是指一種不僅無導通比的使用限制,可得高電壓輸出,且由於不操作在極端寬大的導通責任比下,亦能具有高電壓轉換比,並因功率開關具有低於輸出電壓的低電壓應力,可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET,可降低導通損失,提升整體效率,同時能解決二極體的逆向恢復問題,從而降低雜訊對電路動作上的影響,而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
按,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。
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。
另,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RDS(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,提供一種高電壓增益直流轉換器,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高電壓增益直流轉換器,主要係不僅無導通比的使用限制,可得高電壓輸出,且由於不操作在極端寬大的導通責任比下,亦能具有高電壓轉換比,並因功率開關具有低於輸出電壓的低電壓應力,可使用導通電阻較小的低額定耐壓MOSFET,可降低導通損失,提升整體效率,同時能解決二極體的逆向恢復問題,從而降低雜訊對電路動作上的影響,而在其整體施行使用上更增實用功效特性者。
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電感之第一端與電容之負極,而該輸入電壓之負極則分別連接有開關之第二端及電容之正極,該電感之第二端分別連接有二極體之正極及二極體之正極,該電容之正極分別連接有電容之負極、該二極體之負極及耦合電感一次側之第一端,該電容之正極分別連接有開關之第一端及電容之負極,該開關之第二端分別連接有該耦合電感一次側之第二端、該二極體之負極、該開關之第一端及耦合電感二次側之第一端,該電容之正極分別連接有二極體之負極及二極體之正極,該二極體之正極分別連接有該耦合電感二次側之第二端、二極體之負極、電容之負極及電容之正極,該二極體之正極分別連接有該電容之負極及二極體之負極,該二極體之負極分別連接有該電容之正極及輸出阻抗之正極,該二極體之正極分別連接有電容之負極及該輸出阻抗之負極。
預備階段[]:[開關:ON、開關:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON]:請再一併參閱第三圖本發明之預備階段等效線性電路圖所示,本階段該開關已導通[ON]一段時間,該二極體、該二極體、該二極體皆因逆向偏壓而OFF。此時該電感因跨輸入電壓,則電感電流以斜率線性上升,而該耦合電感一次側之磁化電感因跨輸入電壓,則磁化電感電流以斜率線性上升。當該開關由ON切換至OFF時,則該轉換器(1)進入下一階段。
第一階段[]:[開關:OFF、開關:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON]:請再一併參閱第四圖本發明之第一階段等效線性電路圖所示,本階段該開關由ON切換至OFF,該耦合電感一次側之漏電感的漏電感電流對該開關的寄生電容充電,同時對該開關的寄生電容放電,當該開關的跨壓由零電壓開始上升至,則該二極體由ON切換至OFF,而該二極體由OFF切換至ON,該轉換器(1)進入下一階段。
第二階段[]:[開關:OFF、開關:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:OFF]:請再一併參閱第五圖本發明之第二階段等效線性電路圖所示,本階段該漏電感電流持續對該開關的寄生電容充電,同時對該開關的寄生電容放電,當該寄生電容的電壓下降至零,則該開關的本體二極體由OFF切換至ON,該開關可在此時切換至ON達成ZVS[Zero Voltage Switching],該轉換器(1)進入下一階段。
第三階段[]:[開關:OFF、開關:ON、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:OFF]:請再一併參閱第六圖本發明之第三階段等效線性電路圖所示,本階段該開關保持為OFF,該開關由OFF切換至ON,該漏電感跨負電壓,則漏電感電流持續下降,當漏電感電流下降至該磁化電感電流,該二極體、該二極體由OFF切換至ON,而該二極體、該二極體由ON切換至OFF,該轉換器(1)進入下一階段。
第四階段[]:[開關:OFF、開關:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF]:請再一併參閱第七圖本發明之第四階段等效線性電路圖所示,本階段該開關保持為OFF,該開關保持為ON,因該磁化電感電流大於該漏電感電流,使該耦合電感二次側之電流流向相反,而該漏電感電流因跨負電壓而持續下降,當該漏電感電流由正值變成負值,即換向後,則該轉換器(1)進入下一階段。
第五階段[]:[開關:OFF、開關:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF]:請再一併參閱第八圖本發明之第五階段等效線性電路圖所示,本階段該漏電感電流因跨負電壓而持續下降,當該開關由ON切換至OFF時,則該轉換器(1)進入下一階段。
第六階段[]:[開關:OFF、開關:OFF、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF]:請再一併參閱第九圖本發明之第六階段等效線性電路圖所示,本階段該開關由ON切換至OFF,該漏電感電流對該開關的寄生電容充電,同時對該開關的寄生電容放電,當該開關的跨壓由零電壓開始下降至時,則該二極體由OFF切換至ON,而該二極體由ON切換至OFF,該轉換器(1)進入下一階段。
第七階段[]:[開關:OFF、開關:OFF、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:ON]:請再一併參閱第十圖本發明之第七階段等效線性電路圖所示,本階段該漏電感電流持續對該開關的寄生電容放電,同時對該開關的寄生電容充電,當該開關的跨壓下降至零,則該開關的本體二極體由OFF切換至ON,則該轉換器(1)進入下一階段。
第八階段[]:[開關:ON、開關:OFF、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:ON]:請再一併參閱第十一圖本發明之第八階段等效線性電路圖所示,本階段該開關保持為OFF,該開關由OFF切換至ON,該漏電感跨正電壓則該漏電感電流持續上升,當該漏電感電流上升至該磁化電感電流,該二極體、該二極體由ON切換至OFF,而該二極體、該二極體由OFF切換至ON,則該轉換器(1)進入下一階段。
第九階段[]:[開關:ON、開關:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON]:請再一併參閱第十二圖本發明之第九階段等效線性電路圖所示,本階段該開關保持為OFF,該開關保持為ON,因該磁化電感電流持續小於該漏電感電流,使該耦合電感二次側之電流流向相反,而該漏電感電流因跨正電壓而持續上升,當該漏電感電流由負值變成正值,即換向後,則該轉換器進(1)入下一階段。
第十階段[]:[開關:ON、開關:OFF、二極體:OFF、二極體:ON、二極體:ON、二極體:OFF、二極體:OFF、二極體:ON]:請再一併參閱第十三圖本發明之第十階段等效線性電路圖所示,本階段此即為預備階段,當該開關由ON切換至OFF時,則該轉換器(1)進入下一週期的開始。
據上述電路動作分析,使用IsSpice模擬軟體驗證其電路理論分析、電氣規格以及上述所及之優點,而該轉換器(1)之模擬電氣規格與元件參數設定如下表1所示:
表1電氣規格與元件參數
輸入電壓 | 磁化電感 | ||
輸出電壓 | 輸入電感 | ||
負載 | 漏電感 | ||
輸出功率 | 升壓電容、 | ||
切換頻率 | 升壓電容 | ||
耦合電感匝數比 | 升壓電容 |
經電路動作分析,該開關、該開關於OFF時,其跨壓及相等,在滿載時,請參閱第十六圖本發明之開關驅動信號、及其跨壓、的模擬波形圖所示,開關在OFF時的跨壓之模擬結果為,且驗證該開關及該開關確實具有遠小於輸出電壓之低電壓應力的性能。
請再一併參閱第十七圖本發明之二極體、二極體電壓與電流的模擬波形圖、第十八圖本發明之二極體、二極體電壓與電流的模擬波形圖所示,該二極體、該二極體、該二極體、該二極體之電流只有一段微小的逆向恢復電流,本發明確實能夠減緩反向恢復問題及EMI雜訊干擾。
而本發明之轉換器(1)與文獻中之高升壓比轉換器,在電壓轉換比與寬域輸入進行比較,請參閱下表2所示,本發明之轉換器(1)具有較高的電壓轉換比且導通比沒有限制:
表2參考文獻與本發明之比較表
高升壓轉換器 | 文獻[1] | 文獻[2] | 文獻[3] | 本發明 |
電壓轉換比 | ||||
導通比限制 | D>0.5 | D>0.5 | D>0.5 | 無 |
請再一併參閱第十九圖本發明於匝數比時與文獻[1]之電壓轉換比比較曲線圖及第二十圖本發明於匝數比時與文獻[1]之電壓轉換比比較曲線圖所示,由於文獻[1]、文獻[2]、文獻[3]之電壓增益皆相同,取文獻[1]為代表與本發明之轉換器(1)進行比較可知,本發明之轉換器(1)具有最高之電壓增益,且當耦合電感匝數比越大時,則差距會更加明顯[請再一併參閱第二十一圖本發明於改變匝數比時之電壓轉換比曲線圖所示]。
參考文獻:
[1]L. He, and J. Lei, ”High Step-Up Converter with Passive Lossless Clamp Circuit and Switched-Capacitor: Analysis, Design, and Experimentation” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), March 2013
[2]W. Li, Y. Zhao, J. Wu, and X. He, ” Interleaved High Step-Up Converter with Winding-Cross-Coupled Inductors and Voltage Multiplier Cells”IEEE Transactions on Power Electronics
, Vol.27, No.1, January 2012
[3]K. C. Tseng, and C. C. Huang, ”High Step-Up High-Efficiency Interleaved Converter with Voltage Multiplier Module for Renewable Energy System”IEEE Transactions on Power Electronics
, Vol. 61, No. 3, March 2014
藉由以上所述,本發明電路之組成與使用實施說明可知,本發明主要係具有下列特點:
1.寬輸入應用:由於本發明轉換器無導通比D>0.5的使用限制,因此輸入電壓由20V~40V,均可得輸出電壓達400V之高電壓。
2.高升壓增益:本發明轉換器不操作在極端寬大的導通責任比下,亦能具有高電壓轉換比,於輸入電壓20V時輸出電壓可達400V。
3.低電壓應力:本發明轉換器之高電壓增益的達成,不必操作在極大的導通比,則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,提升整體效率。
4.無逆向恢復:本發明轉換器將耦合電感次級側的能量回饋至輸入端,解決二極體的逆向恢復問題,從而降低雜訊對電路動作上的影響。
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
第一圖:本發明之電路圖
第二圖:本發明之主要元件時序及波形圖
第三圖:本發明之預備階段等效線性電路圖
第四圖:本發明之第一階段等效線性電路圖
第五圖:本發明之第二階段等效線性電路圖
第六圖:本發明之第三階段等效線性電路圖圖
第七圖:本發明之第四階段等效線性電路圖
第八圖:本發明之第五階段等效線性電路圖
第九圖:本發明之第六階段等效線性電路圖
第十圖:本發明之第七階段等效線性電路圖
第十一圖:本發明之第八階段等效線性電路圖
第十二圖:本發明之第九階段等效線性電路圖
第十三圖:本發明之第十階段等效線性電路圖
第十四圖:本發明之模擬電路示意圖
第二十一圖:本發明於改變匝數比時之電壓轉換比曲線圖
(1):轉換器
Claims (1)
- 一種高電壓增益直流轉換器,其主要係令轉換器於輸入電壓之正極分別連接電感之第一端與電容之負極,而該輸入電壓之負極則分別連接有開關之第二端及電容之正極,該電感之第二端分別連接有二極體之正極及二極體之正極,該電容之正極分別連接有電容之負極、該二極體之負極及耦合電感一次側之第一端,該電容之正極分別連接有開關之第一端及電容之負極,該開關之第二端分別連接有該耦合電感一次側之第二端、該二極體之負極、該開關之第一端及耦合電感二次側之第一端,該電容之正極分別連接有二極體之負極及二極體之正極,該二極體之正極分別連接有該耦合電感二次側之第二端、二極體之負極、電容之負極及電容之正極,該二極體之正極分別連接有該電容之負極及二極體之負極,該二極體之負極分別連接有該電容之正極及輸出阻抗之正極,該二極體之正極分別連接有電容之負極及該輸出阻抗之負極。
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