TWI239134B - High-efficiency voltage-clamped DC/DC converter - Google Patents

Description

1239134 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 許多電源應用場合，例如氣體放電式頭燈、不斷電系 統中反流器之高壓直流匯流排、寬頻行波管放大器…等， 均需要高壓直流電源供應，然而一般使用傳統蓄電池作為 電力來源，因此需要直流/直流換流器作為電源轉換機制。 本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器，可以將傳統 蓄電池、燃料電池、太陽能發電以及風力發電之低輸出電 壓，轉換為高電壓直流電源供電系統，大幅提昇能源利用 率及增加供電穩定度。本發明所涉及之技術領域包含電力 電子、直流/直流換流技術及能源科技之範疇，雖然本發 明所牽涉之技術領域廣泛，但其主要在於利用電壓箝制技 術，大幅降低開關截止時跨壓，解決低壓侧昇壓至高壓侧 所需之高耐壓規格問題，以改善習用換流器之缺失。 【先前技術】 傳統昇壓式換流器，可藉由調整開關之責任週期（Duty Cycle)，提高輸入電壓之位準，然而當應用於高電壓輸出 之情況下，習用昇壓式換流器之功率半導體開關於截止 時，兩端跨壓同為輸出側電壓值，此高於輸入電壓數倍之 跨壓，迫使功率半導體開關需選擇高耐壓之MOSFET，然 而其具有較大導通阻抗值(Rds^w：))，形成較高之導通損失。 除此之外，傳統昇壓式換流器中輸出端二極體存在逆向恢 復(Reverse-Recovery)之問題，當功率半導體開關導通之暫 態期間，輸出端二極體必須以瞬間大電流建立逆偏電壓， 1239134 此電流流經功率半導體開關，引起嚴重之切換損失與低轉 換效率。基於以上所述，傳統昇壓式換流器應用於高電壓 埸合上，無法達成高效率電源轉換機制之目的。 因此許多專家學者提出昇壓換流技術，改善上述傳統 昇壓式換流器缺點。以下將目前世界上領先之昇壓換流技 術彙整比較，以更進一步凸顯本發明之高效率電壓箝制直 流/直流換流器技術突破之優點。 1. C. W. Roh，S· H. Han，M. J. Youn，“Dual coupled inductor fed isolated boost converter for low input voltage applications，” Electronics Letters, yo\. 355 pp. 1791-1792, 1999. 2. E. S. da Silva, L. dos Reis Barbosa，J· B. Vieira，Jr·，L· C de Freitas, and V. J. Farias5 aAn improved boost PWM soft-single-switched converter with low voltage and current stresses/5 IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 48? pp. 1174-11795 2001. 3. Q· Zhao, and F· C· Lee，“High-efficiency，high step-up DC-DC converters,” IEEE Transactions on Power Electronics，ύο\. IS, pp· 65-73,2003. 4· D. C· Lu，D· K. W· Cheng，and Y· S. Lee, “A single-switch continuous-conduction-mode boost converter with reduced reverse-recovery and switching losses/9 IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50? pp. 767-776, 2003. 5. K. Hirachi，and M. Nakaoka，“UPS circuit configuration incorporating buck-boost chopper circuit with two magnetically 1239134 coupled coils/5 Electronics Letters, vol. 39? pp. 1345-1346, 2003. 6. C. M. C· Duarte，and I· Barbi，“An improved family of ZVS-PWM active-clamping DC-to-DC converters/9 IEEE Transactions on

Power Electronics, vol. 175 pp. l-7? 2002. 參 考 文 獻 輸入 電壓 輸出 電壓 輸出 容量 轉換 效率 電路架構 優缺點比較 [1] 12V 150V 90W 87% 雙耦合電感 優點：高昇壓比 缺點：架構複雜 [2] 80V 200V 400W 97.5% 變壓器 優點：具柔性切換 缺點：昇壓比最多四倍 [3] 60V 380V lkW 91.8% 搞合箝制 優點：架構簡單及使用 較低導通損零件 (250V開關） 缺點：二極體需加裝緩 展電路、電壓低 時效率不彰及無 法克服線路電感 突波 [4] 100V 150V 200W 95% 耦合諧振 優點··具柔性切換 缺點：昇壓比低及電感 容量大 [5] 48V 340V 700W 86% 不斷電系統 優點：單級直流昇壓轉 交流 缺點：無法用於電壓變 化大之燃料電池 及開關耐壓高 [6] 300V 400V 1.6kW 98% 主動箝制 優點：具柔性切換 缺點··昇壓比低及箝制 電壓高 【發明内容】 1239134 圖1表示本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直流 換流益方塊圖，其中包含一直流輸入電路1〇1 :直流輸入 電c K及個濾波電谷q所構成；直流輸入電麼γ與遽波 電容ς·並聯相接，可降低直流輸入電壓漣波；一」次側電 路102. —個電感£、變壓器一次側電感~及一個功率半 導體開關S所構成；電感丄與變麗器一次側電感〜並聯相 接再k同串接功率半導體開關夕，藉由功率半導體開關 S ‘通/截止控制该電感/^與變壓器一次側電感~之能量 儲存及釋放’· -二次側電路1〇3 :變壓器二次側電感上、 -個=衡電容、四個二極體AA^及^及二個箝 制電容所構成；利用四個二極體A、A、&及^組合 為全橋整流架構’變壓器二次側電感4之一端連接於全橋 整流架，其一輸入端’變麼器二次側電感4之另一端連接 端’平衡電容Q之另一端再與全橋整流架 tr相接’最後，全橋整流架構之輸出端再與箝 ㈣=並聯相接’變壓器二次側電感々經由全橋整流架 ==於箝制電容Cc ’該電容電壓k可降低一次側 I中+ V體開關之耐壓；一直流輸出電路104 :一個二

Sir個濾波電容c。及負料所構成；二極體乃〇連 相Γ. ::c〇之正端，同時濾波電容〇°亦與負載 < 並聯 流輪出控制機制105:由電壓命令訊號與直 於中2 之迴授電壓，經由pwm控制及驅動電路， 週期之驅動訊號觸發及截止功率半 、_汗〗。本發明乃利用直流輸入電壓源，經所揭示之 1239134 高效率電壓箝制直流/直流換流器轉換後，大幅提昇直流 輸入電壓G之位準，可應用於高電壓需求時之場合。當一 次側電路102之功率半導體開關S導通時，電感Z開始充 電儲能，同時，二次侧電路103之電容(^透過變壓器之能 量傳遞，亦充電儲能。當開關S截止時，串聯直流輸入電 壓R、電感電壓々及電容電壓1^&三者能量，於直流輸出電 路104之二極體仏導通時，皆對負載供電，並提昇輸出電 壓位準。利用電感Z提供變壓器一次侧電感&反向電流， 此促進變壓器採四象限切換模式，增加鐵芯利用率，充分 表現出變壓器之特點。換言之，此時電感Z可視為變壓器 一次側電感&之激磁電感’該激磁電感產生而激磁電流供 應變壓器一次側電感&，因此電感Z及變壓器一次側電感 &可等效為一組具高激磁電流變壓器之一次侧。另外，使 用電壓箝制技術，降低開關之額定電壓規格，減少開關導 通損失，更進一步使得直流輸出電路104之二極體A可選 擇較低額定電壓規格之蕭基二極體，此元件具極低的切換 損失與導通損失，致使本發明所揭示之高效率電壓箝制直 流/直流換流器轉換效率高。 本發明改善先前技術之原理及對照功效如下： 1.功率半導體開關S具低耐壓規格：利用電壓箝制技術， 大幅降低開關截止時跨壓，解決低壓側昇壓至高壓侧所 需之高耐壓規格問題。開關兩端跨壓低，不僅可選用低 耐壓規格，因其導通阻抗低而大幅降低導通損失，亦可 減少切換損失，進而提昇轉換效率。 12 1239134 2. 電路架構所使用之二極體，皆為蕭基二極體：蕭基二極 體無一般二極體之空乏區，截止時無逆向恢復電流，此 元件具極低的切換損失與導通損失，故轉換效率高。 3. 變壓器鐵芯利用率高：當功率半導體開關5導通時，直 流輸入電壓透過變壓器對二次侧電路103之電容C,充電 儲能。當功率半導體開關S截止時，電感Z提供反向電 流於變壓器一次側電感&，將能量傳遞至負載供電。此 變壓器採用四象限切換模式，提昇變壓器鐵芯利用率， 充分運用變壓器之特點。 4. 二極體無需使用緩震電路：由於變壓器單側線圈在單向 整流於電流中止時，二極體逆偏電壓易與漏感發生諧振 現象，造成高電壓突波，因此，一般連接於變壓器之二 極體，常需緩震電路吸收電壓突波，以降低二極體耐壓 規格。本發明運用全橋式整流進行雙向整流於單側線 圈，無需加裝緩震電路於二極體兩端，使二極體逆偏電 壓箝制於整流後之電容電壓。 5. 無環流問題，轉換效率高：本發明所揭示之高效率電壓 箝制直流/直流換流器，沒有無效電流流經開關或LC元 件，克服一般換流器輕載時效率不彰之問題。 6. 閉迴路控制機制105 : —般直流輸入電路101之直流輸 入電壓G易隨負載變化而改變，藉由閉迴路控制機制105 穩定直流輸出電路104之直流輸出電壓匕。 【實施方式】 圖2表示本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直流 13 1239134 η^Ν2/Νχ /^，乂分別為變屋器—次侧與二次側租數”卜加電 =朗於變壓器一次側端；二 =鲁作為全橋整流之功用。假設二次側電路;〇3

之夕可視為定電麵、，其電敎義科，；除此 ，、'、便公式推導’令功率半導體開關从二極體A、 2」，、A及A導通壓降為零。圖3表示本發明所揭示 士=效率電壓箝制直流/直流換流器電壓及電流重要波形 4表示本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直 机換 态工作模式，其說明如下： 模式一 [ί。〜〇】：

當時間叫時，功率半導體開關㈣始導通，二極體 ，及乃4順偏導通，d2、化及仏逆偏截止，此時電感上充 電儲能，且直流輸入電壓π透過變壓器使二次側電路i⑽ 之電容C,充電儲能。依據克希荷夫電壓電流定律，可推導 出電感電壓vr變壓器-次侧電感電壓％、變壓器二次 侧電感電壓vLs及二次側漏感電壓Vi/t如下所示· (2) (3)

vl(0 = ^lp(0 = K

VLs(0 = nK VLk (0 = VCc^nVi- VCs (t) ⑷ 且電感電流L、變壓器一次側電感電流k及變壓器二次側 14 1239134 電感電流L之變化率為 dh _ Λ dt L (5) d^Lp ΐΞΣιζίοΜ』 dt 4 LP (6) diLs = Ycc_zIlYiZlcs(t) dt h ⑺ 模式二【6〜】·· =間叫時，功率半導體開關磉止，開關兩端電 截止^二順偏導通，w逆偏 x 與一次側電路丨〇3之電』 的能量於此時對負載釋能，i所儲存 釋月匕並獒咼輸出側電壓至厂。同眭 电感z亦經由變壓器傳遞能量於 0 $ 操作，增加'、载使變壓器可全域 電容cΛ 用率’並維持二次側電路⑻之 件+二=Ce用克希荷夫電壓電流定律，求得各元 件電壓電流_式，如下所示： ^合7〇 (8) (9) (10) (11) y^=%(〇 = yf + vCc^vo vLs(t)^n(Vi + VCc^V〇) vLk(t) = 一 VcM — +v&—v。) y)LZzp(〇 = /cc(〇^(〇 ==)可觀察出功率半導體開關狀截止時之跨 少開壓，有助於選擇低耐壓之功率半導體開關，減 及（10)，H ’進而提昇轉換效率。利时程式⑻、（9) 導出電感電流/z、變壓器一次側電感電流k vDS(t) ^ V^VL(t) ^ V0-^VCc < v0 (12) 壓 15 1239134 及變壓器二次侧電感電流L之變化率如下·· 一 K + U dt — L (13) dir • -厂Cc - vCs (’) - + - F〇 ) Vi +VCc-V dt 4 4 --- Lp (14) - L -1 (Κ· + L 〇 dt ~ 4 (15) 模式三[r2〜r3 ]:

當時間時，二次侧電路103之電容Cc放電 減至零值，iCcfc) = 0，電感z的能量透過變壓器，二對 =次側電路1〇3之電容Cc充電，其充電電流變化率如^所

^^Vcc-V〇 . Vj + Vec-K dt τ τ + 2 Γ Vc〇 -vcs(0-n(Yi+ VCr. -KVL h _ 除此之外’電感Z的能量亦經由變壓器持續對刍 其電流變Μ如下解： ^ ^^VCc-V〇 Vi + VCc-Va dt L +—Ί^— + ^vCc-^Cs(0~+ VCc - K) h (16) 載放電， (17)

模式四U3〜f。】： 時間卜丨3時，二次側電路i〇3之電容Q充電電流等 於變壓器二次侧電感電流，二極體仏電流為零值，即 = 〇。此時，電感電流屹之大小等於變壓器一次側電 16 (18)1239134 感電b之大小’其電流變化率如下所一 不 dt dt ι i —一 —/7 dt L ~ γ—'~ (19) 由於二次侧漏感4很小以及變壓哭 化率小，戶斤以二次侧漏感電壓％可才㈣職變 半導體開關責任週_uty Cyele如，彻方== 力率 ⑷、⑻、0〇)及電感電壓在一週期 二㈠推 導及（如下所示： ^ %[為零’推 次側電感電流變

vCs(t)=^lzR

Vec 2(1-d) nVt (20) 2(1-d) (21) κ 2 + n

Vt 2(1-d) 由於開關責任週期j不等 厭；生λ、m a $ —工加—— 入训电妫电 i w成正負黾壓之大小不同，因卜— + 个丨」口此一次侧電路103之電容 式(2G)所示，其主要作用是平衡n 3及A截止電壓；除此之外，亦可平衡由Α ϋ及 橋式？流之電流，避免單-二極體電流過大。由 άτ - 1上可知知’其昇壓比例高於傳統昇麼式換流器， σ猎凋正匝數比彌補傳統昇壓式換流器昇壓比例之 足。她、、^ -5表林發明所揭^之高效率電祕制直流/直流 、仙 m貝軛例之一，採用之低壓電源為美國H_p〇wer公 (22) 於0.5時，變壓器二次侧電感電 17 1239134 司所生產之燃料電池P〇werPEMTM-PS250，此燃料電池之額 定輸出功率為250瓦特。本實施例配合燃料電池輸出之電壓 電流規格以及直流輸出電路104輸出200伏特直流電壓， 適當選取本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直流換流 器元件，功率半導體開關夕選用FQI90N08 (80V， RDs(〇Nrl6mQ)，具有較低之導通阻抗，有利於減低導通 損失，大幅提昇換流器之轉換效率；二極體A選用蕭基二 極體 SR20100 (100V，20A)，A、Z)2、Z)3及 D4為蕭基二極 體SR20200 (200V，20A)，亦可減少其導通壓降而提升效 率。閉迴路控制機制105使用TL494脈波寬度調變控制 晶片’功率半導體開關元件頻率操作於100kHz，輸出功 率巧最大為330瓦特，本實施例詳細之規格如下： ·· 27〜37.5V V0 ： 200V 戽··最大至330W 5 ： FQI90N08 A、A、乃3及乃4 ·· SR20200 D0 ： SR20100 L ： 5.9//H Lp ： 213.6//H Lk ： 0.6//H n · 6

Ct ： 3300//F Cs ： 27.2//F 1239134

Cc ： 28.2 μ F C0 ： 14.1 //F 本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直流換流器，輪出 功率操作於31G瓦特日f ’量測之效率為％ 6%，並記錄每 測波形響應如下所述。 圖6表示本發明所揭示之高效率電壓籍制直流/直产 換流器實施例之-’功率半導體開關以電壓及電流實^ 波形。由圖中可觀察出’開關開始截止時，因線路電感造 成些許振魏象，但因電壓箝制技術，使功率半導體 · S兩端跨壓穩定值約為50伏特。 圖7表示本發明所揭示之高效率㈣箝制直流/直流 '奐流器實施例之一 ’電感z、變壓器一次側電感、及變壓 為一-人側電感矣之電流實測波形。觀察變壓器一次側電感 电抓、及變壓器二次側電感電流心，可清楚知道變壓界採 用全域操作模式，因此鐵芯利用率高，充分展現變壓器: 性。 、 、?一8表示本發明所揭示之高效率電壓籍制直流/直流 · 換流器實施例之一，二極體電壓及電流實測波形。⑷為直 流輸出電路104之二極體仏電壓及電流實測波形；⑼為 一人側兒路103之二極體化電壓及電流實測波形，·⑷為 一=侧私路103之二極體乃4電壓及電流實測波形。由上述 之二測波形，可發現二極體之逆向恢復電流很小，因所採 ，，基二極體無一般二極體之空乏區，具極低的切換損失 與導通損失，故轉換效率高。除此之外，觀察圖8(b)及(c)， 19 1239134 亦可證明二次側電路103之電容C；於開關責任週期d不等 於0.5時，平衡化和之電流及截止電壓。 圖9表示本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直流 換流器實施例之一，電壓箝制特性之實測波形。由此圖可 驗證電壓箝制效果佳，當直流輸出電壓匕為200伏特，二 次側電路103之電容Ce電壓為150伏特，功率半導體 開關5及直流輸出電路104之二極體仏之截止電壓為50 伏特。 圖10表示本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直 流換流器實施例之一，輸出功率由無載至滿載及滿載至無 載之暫態反應實測波形。無載輸出為0瓦特，滿載輸出為 310瓦特，由此圖可發現直流輸出電壓匕於負載及直流輸 入電壓變動情況下，依然可穩定維持輸出電壓200伏特且 漣波很小，可藉此證明閉迴路控制機制105的有效性。 圖11表示本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直流 換流器實施例之一，操作於不同輸出功率對應之直流輸入 電壓及不同輸出功率對應之轉換效率。由圖中可暸解燃料 電池之直流電壓易隨負載變化而變動。此外，配合電壓箝 制技術，充分使用低電壓及高電流元件，大幅降低導通損 失及切換損失，轉換效率高，最高效率大於96%。 圖12表示本發明所揭示之高效率電壓箝制直流/直流 換流器另一較佳實施例之方塊圖，其中包含一直流輸入電 路101 :直流輸入電壓G及一個濾波電容6所構成；直流 輸入電壓G與濾波電容•並聯相接，可降低直流輸入電壓 1239134 二又惻電路102 : 一 ,r 一 丨凹电颂l、燹壓器一次侧雷 個功率半導體開射所構成；電感！與變壓哭- 二再偕_功率半導體_ 由力车h體開關^導通/截止控制該 能量儲存及釋放；—二次側電路:=壓 二一個平衡電容c，一個第—二極體从 弟一一極體乃2、一個第一箝制電容ςκ 成;變壓器二次側卿一物妾第第=

端，第一 正端連接第二二極體A之輸出 出:二f A之輪人端再回到與第—二極體A之輸 容：之一：日”鉍壓器二次侧電感、之另-端與平衡電 電容ί:=ί，而平衡電容C，另一端跨接於第-箝制 】之螭點，一直流輸出電路104 ·· —個二極體乃

:广電容c。及負載凡所構成；二極體狐慮波電 二、：之正鳊’同時濾波電容Q亦與負載怂並聯相接，·一

制機制105 ·由電壓命令訊號「_與直流輸出電 』之迴授電壓，經由PWM控制及驅動電路，輸 =整責任週期之_訊心，觸發及截止功率半導體開 :。圖1與圖12最大的不同點在於二次側電路1〇3， 所原本由四個二極體組成之全橋整流架構，改為如圖U 二串!=’？更有效利用變壓器二次 之電[比原本二次側電路之電容電壓多出 21 1239134 一倍，因此更大幅提高昇壓比例。 I?定發:月已以前述較佳實施例揭示’然其並非用以 m任何熟習此技藝者，再不脫離本發明之精神 各種之變動與修改，因此本發明之保護 辄圍虽視後附之中請專利範_界定者為準。 【圖式簡單說明】 =本i明之面效率電壓箝制直流/直流換流器方塊圖。 本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器等效電路

圖〇 圖3本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器，電壓及 電流重要波形時序。 圖4本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器，電路工 作模式圖。 圖5本發明之南效率電壓箝制直流/直流換流器實施例之 ’使用燃料電池為電源供應之電路圖。

圖6本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器實施例之 ，功率半導體開關s之電壓及電流實測波形。 圖本龟明之咼效率電壓箝制直流/直流換流器實施例之 —，電感ζ、變壓器一次側電感j^及變壓器二次側 電感勾之電流實測波形。 圖本务明之咼效率電壓箝制直流/直流換流器實施例之 ，二極體電壓及電流實測波形。（a)為直流輸出電 路之二極體仏電壓及電流實測波形；（b)為二次側 電路之二極體A電壓及電流實測波形；（C)為二次側 22 1239134 電路之二極體d4電壓及電流實測波形。 圖9 本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器實施例之 一，電壓箝制特性之實測波形。 圖10本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器實施例之 一，輸出功率由無載至滿載及滿載至無載之暫態反 應實測波形。 圖11本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器實施例之 一，操作於不同輸出功率對應之直流輸入電壓及不 同輸出功率對應之轉換效率。 圖12本發明之高效率電壓箝制直流/直流換流器另一較佳 實施例之方塊圖。 圖式主要部分之編號代表意義如下： 101 :直流輸入電路 102 ·· —次側電路 103 :二次侧電路 104 :直流輸出電路 105:閉迴路控制機制 F；·:直流輸入電壓 /ζ·:直流輸入電流 ς·:直流輸入電路之濾波電容 L :電感 &:變壓器一次侧電感 S:功率半導體開關 心··功率半導體開關之驅動訊號 23 1239134 A:變壓器二次側電感 c,:二次侧電路之平衡電容 ce :二次側電路之箝制電容 1¾、_D2、D3及乃4 :二次侧電路之二極體 A:直流輸出電路之二極體 Q:直流輸出電路之濾波電容 &:負載 匕：直流輸出電壓 忍：直流輸出電流 :電壓命令訊號

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Claims (1)

1239134 拾、申請專利範圍： L —種高效率電壓箝制直流/直流換流器，其中包含 :直流輸入電路：直流輸入電壓及—個濾波電容所構 成，直流輸入電壓與濾波電容並聯相接，可降低直流 輸入電壓漣波； ；，L 個電感、變壓器一次側電感及 二又惻冤路：一 、、 八叫屯久一 1因 功率半導體開關所構成；電感與變壓器 聯相接，再偕同串接功率半導體開關，藉由功 體開關導通/截止控制該電感與變壓器 量儲存及釋放； —二次側電路：變壓器二次側電感、-個平衡電容、 四個二極體及一個箝制電容所構成；利用四個二極體 組合為全橋整流架構’變壓器二次側電感之一端連接 於=橋整流架構其一輸入端，變壓器二次側電感之另 ，連接平衡電容之—端，平衡電容之另—端再與全 ^流架構另—輸人端相接，最後，全橋整流架構之 出端再與箝制電容並聯相接，變壓器二次側電感經 王橋整流架構傳遞能量於箝制電容， ㈣-次側電路中半導體_之_; ^£可 戶:^輸出電路：一個二極體、一個滤波電容及負载 成，—極體連接濾波電容之正端，同時 亦與負载並聯相接； 冤奋 -閉迴路控制機制··由電壓命令訊號與直流輪出電路 之t授電壓’經由PWM控制及驅動電路，輸出為可調 25 1239134 整責任週期之驅動訊號，觸發及截止功率半導體開關； ^專利乃利用直流輸入電壓源’經所揭示之高效率電 [知制直流/直流換流器轉換後，大幅提昇直流輪入電 壓之位準，供應高電壓之負載；當一次側電路之功率 半導體開關導通時，電感開始充電儲能，同時，二次 侧電路之箝制電容透過變壓器儲存能量；當開關截止 時，串聯直流輸人電壓、-次側電路之電感電麗及二 次側電路之箝制電容電星，三者能量於直流輸出電路 ，二極體導通期間’同時對負載供電，並提昇輸出電# 壓位準； 其特徵為運用電感及變壓器之組合，大幅提高直流輸 出電壓位準；利用電感提供變壓器反向電流，促進變 f器採四象限切換模式，增加鐵芯利用率，·使用電壓 箝，技術’可降低開關之額定電壓規格，減少開關導 通知失丄進-步於直流輸出電路中選用較低額定電壓 規格之蕭基二極體’且無需加裂緩震電路；此電路具 低壓侧大電流，高壓侧低電流特性，可充分使用元件_ 之規格與容量，因此其轉換效率高於習用電路。 I ^申請ί利範圍帛1項所述之高效率電壓箝制直流/直 IL換々IL 其中直流輸入電路之濾波電容，其材質為 ^包解電谷或超電容，可吸收高頻譜波能量之成份， 穩定直流輸入電壓。 26 1 t申凊t利乾圍帛1項所述之高效率電壓箝制直流/直 *換飢為’其中二次側電路之籍制電容，承受大部分 1239134 直流輸出電路之跨壓，直流輸出電壓與該跨壓之差值， =為次側電路之功率半導體開關兩端之電壓，該電 壓小於直流輸出電壓，故一次側電路之功率半導體開 關/、低耐壓之效此，可減少導通損失及切換損失。 $申明專利|&圍帛1項所述之高效率電壓箝制直流/直 :換流态，其中一次側電路之電感及變壓器一次側電 感可等效為一組具高激磁電流變壓器之一次側,·因此， 具高激磁電流變壓器可取代電感及變壓哭。 5. Ϊϋΐ㈣㈣1韻収高效率電㈣制直流/直 2、,、、*杰，其中直流輪人電路之電壓源，係蓄電池、 發電機敕、n t 風力發電機及交流風力 "枝“為直流電源，作為電源供應。 •如申請專利範圍第1 g > 流換流器，其中電㈣制直流/直 或兩者以上不同二電:=，可以使用兩者 例，以蔣古敕舰 應，控制該電源輸入功率之比 以棱回整體直流電源輪出功率。 =3效率電壓箝制直流/直流換流器，其中包含 成；：f二·直流輸入電壓及-個濾波電容所構 輪入電>1漣波；…慮谷並聯相接，可降低直流 一一次侧電路：@ a 功率半導體电感、變壓器一次側電感及一個 27 1239134 量儲存及釋放； 一個：：電路變壓器二次側電感、一個平衡電容、 個弟一二極體及一個第二二極體、一個第一箝制電 二箝制電容所構成；變塵器二次側電感之 端一二極體之輸出端，而第-二極體之輸入 =連^-箝制電容之負H箝制電容正端連 弟—柑制電容H第二箝制電容正端連接第二 =極體之輸出端’第二二極體之輸人端再回到與第一 -極體之輸出端相接；同時’變壓器二次侧電感之另 端與平衡電容之-端串接，而平衡電容之另一端跨 接於第一箝制電容之正端點； 一直流輸出電路··一個二極體、一個滤波電容及負载 所構成；二極體連接濾波電容之正端，同時濾波電容 亦與負載並聯相接； -閉迴路控制機制：由電壓命令訊號與直流輸出電路 之迴授電壓，經由PWM控制及驅動電路，輸出為可調 整責任週期之驅動訊號，觸發及截止功率半導體開關； 本專利乃利用直流輸入電壓源，經所揭示之高效率電 壓箝制直流/直流換流器轉換後，大幅提昇直流輸入電 壓之位準，供應高電壓之負載；當一次侧電路之功率 半導體開關導通時，電感開始充電儲能，同時，二次 側電路之第一箝制電容透過變壓器儲存能量；當開^ 戴止時，變壓器二次側電感及二次侧電路之平衡電容 建立第二箝制電容電壓，此時串聯直流輸入電壓、一 28 1239134 3電路之電感電壓、二次側電路之第—箝制電容電 i及一次侧電路之第二箝制電容電壓，四 流輸出電路之二極體導诵期 匕里；直 提昇輸出電壓位i通期間叫對負載供電，並

=㈣運用電感及變壓器之組合，並且充分利用變 二：二側所建立之電壓值’大幅提高直流輸出電壓 準，利用電感提供變壓器反向電流，促進變壓哭 :象限切換模式，增加鐵芯利用率；使用電壓箝：技 =可降低開關之額定電壓規格，減少開關導通損失， —步於直流輸出電路中選用較低額定電壓規格之蕭 ς了極體，且無需加i緩震電路；此電路具低壓側大 南壓侧低電流特性，可充分使用元件之規格與 谷里，因此轉換效率高於習用電路。 • t申凊ί利範圍帛7項所述之高效率電壓箝制直流/直 級換流為，其中直流輸入電路之濾波電容，其材質為

:般電解電容或超電容，可吸收高㈣波能量之成份: 穩定直流輸入電壓。 :申明專利範圍第7項所述之高效率電壓箝制直流/直 /;,L換飢為，其中二次側電路，以二組半波整流串聯架 構，有效地利用變壓器二次側電感所建立之電壓，因 此進一步大幅提高昇壓比例。 1〇:申請，範圍《 7項所述之高效率電壓箝制直流/直 々丨L換版為，其中二次側電路之第一箝制電容及第二箝 制包谷，承叉大部分直流輸出電路之跨壓，直流輸出 29 1239134 電壓與该跨壓之差值，即為一次側電路之功率半導體 開關兩端之電壓，該電壓遠小於直流輸出電壓，故一 、人側笔路之功率半導體開關具低耐壓之效能，可減少 導通損失及切換損失。 1·=申明專利範圍第7項所述之高效率電壓箝制直流/直 流換流器，其中一次側電路之電感及變壓器一次側電 感y等效為一組具高激磁電流變壓器之一次侧；因此， 具高激磁電流變壓器可取代電感及變壓哭。 =申請專利範圍帛7項所述之高效率電屢籍制直流/直 •机換流态’其中直流輸入電路之電壓源，係蓄電池、 太陽光電池、直流風力發電機及交流風力 X包機正流為直流電源，作為電源供應。 流第7項所述之高效率電壓箝制直流/直 :/、中直流輸入電路之電壓，可以使用兩者 =兩者=不同電源供應’控制該電源輸入功率之比 例，以如回整體直流電源輸出功率。

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