TWI343696B - - Google Patents

Description

1343696 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 - 本發明是有關於一種升壓轉換器，特別是指一種直流 電壓轉直流電壓的升壓轉換器。 【先前技術】 在a午多的應用場合中常常需要將現有的低電壓升壓至 ' 較高電壓以提供設備之需求，如汽車用之電力電子、具能 里回收之主動式燒機負載，其中以升壓型轉換器⑺〇〇st • Converter)及升降壓型轉換器（Buck_B〇〇st c〇nverter)在市面 上使用較為普遍。但不論為升壓型轉換器或升降壓型轉換 器均存在一個無法達到高升壓比的缺點，參閱圖t，（a)曲線 為理想的升壓比曲線（工作於連續導通模式（CCM， Continuous Current M〇de)時）’但因受限於元件寄生效應以 及控制器之能力，因此不可能無限制的提高升壓比，實際 上的升壓比曲線如圖中曲線所示。 以實際的應用而言，通常將升壓比設定於5倍左右， ® 若需要更高的升壓比，通常會採用兩級的升壓轉換器或是 採用返驰式轉換器（Flyback C〇nverter)、前向式轉換器 (Fonvanl Converter)之隔離式升壓轉換器。然而兩級的升壓 轉換器需要較多的元件，成本較高；返馳式轉換器（nyback Converter)刖向式轉換器（Forward Converter)之隔離式升壓 轉換器則需利用到變壓器，此亦為可能的成本增加。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供一種設計結構簡單且

5 S 丄 效率高的升壓轉換器。 . ⑨是，本發明升壓轉換器是包含一第-順向導通元件 第-電感、一第二順向導通元件、一第一開關元件、 1二開關元件、-第-電容、一第二電感、一第三開關 元件及一第二電容。 帛—順向導通元件具有-與該電源電連接的第-端， 及一第二端。 第電感具有一與該第一順向導通元件的第二端電連 _ 接的第一端及一第二端。 第二順向導通元件具有一與該第一電感的第二端電連 接的第一端及一與該負載電連接的第二端。 第一開關元件具有一與該第一順向導通元件的第—端 電連接的第一端及一第二端 第二開關元件具有一與該第一開關元件的第二端電連 接的第一端及一接地的第二端。 第一電容是電連接於該第一順向導通元件的第二端與 籲 ㉟第-開關元件的第二端之間。 第二電感具有一與該第一電感的第一端電連接的第一 端及一第二端。 第二開關元件具有一與該第二電感的第二端電連接的 第一端及一接地的第二端。 第二電容具有一與該第二順向導通元件的第二端電連 接的第一端及一接地的第二端。 當該第一開關元件及第三開關元件同時導通且該第二 6 1343696

開關元件不導通時，該第-、第二順向導通元件不導通， 此時形成㈣電流迴路，其中之—電流迴路的電流由該電 源依序流經該第一開關元件、該第一電容、該第二電感及 該第三開關s件，另-電流迴路的電流由該第二電容流經 該負載；當言玄第二開關元件導通且該第—㈤關元件及第三 開關元件同時不導通時，該第―、第二嘴向導通元件被導 通，電流由該電源流經該第一順向導通元件後分成兩路， 其中一路依序流經該第一電容及該第二開關元件，另一路 依序流經該第二電感及第二順向導通元件後，再分兩路分 別流經該第二電容及該負載，對該第二電容充電。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中將可 清楚的呈現。

參閱圖2，是本發明升壓轉換器1〇〇的一較佳實施例， 它是一種高升壓比的直流轉直流的升壓轉換器1〇〇，可應用 於能量回送之燒機架構’其設計概念是將電荷幫浦與耦合 電感結合以達到高升壓比的目的。電荷幫浦包含一第一開 關兀件2、-第二開關元件3、一第一順向導通元件4及一 第-電容99。轉合電感包含一第一電感5及—第二電感6 。除了上述元件，本實施例的升壓轉換器1〇〇還包含一第 二開關元件7、一第二順向導通元件8及—第二電容9。另 外，上述的元件皆具有一第一端21、31、41、Μ、Η、Μ 、81、91 及一第二端 22、32、42、52、62、72、82、92。（ 1343696 但第一電容99之兩端未編號) ^ -開關元件2 * Ν型金氧半場效電晶體(ν_μ〇〜 其第為沒極，且同時與第_順向導通元件*的第一 端41及一電源98電連接，其第二端42為源極，且與第二 開關兀件3的第—端3】（汲極）電連接。第二開㈣件3也和 第一開關7°件2 —樣是Ν型金氧半場效電晶體（N-M0S)， 兩者的第-端21、31與第二端22、32之間皆反向連接一 Φ Φ 個二極體97，以利兩者未導通時放電之用，另外，第二開 關兀件3的第二端32(源極）接地。 第一順向導通元件4的第一她 使楚☆ 1干的第舄41是與電源98電連接 ’其第…2則電連接於第-電容的，而第一電容99的 另一端電連接於第一開關元件2的第二端22。 第-電感5的第-端51與第—順向導通元件*的第二 端42電連接’其第二端52則與第二順向導通元件8的第 一端Μ電連接。第二電感6的第—端61與第—電感5的 第一端51電連接，其第二端62則與第三_元件7的第 一端71電連接。 $ 第三開關元件7與前述的另兩個開關元件2、3相同也 是Ν型金氧半場效電晶體(N_M〇s)’且其第一端η *第二 端72之間也反向連接一個二極體97，以利未導通時放電之 用。另外’第三開關元件7的第二端72是源極且接地，第 一端71則為汲極。 第二順向導通元件8的第二端82與第二電容9的第一 端91及一負載96電連接，在本較佳實施例中，第一、第 —順向導通元件4、8皆為二極體，如飛輪二極體，且其第 端41、81皆為p極，第二端42、82皆為η極。此外， 第二電容9是與負載96並聯，且其第二端92接地。 要再說明的是，第一、第二及第三開關元件2、3、7 的閘極是受控於一控制電路95，此控制電路95用以決定第 、第一及第三開關元件2、3、7的導通與否。 參閱圖3所示，為升壓轉換器1〇〇工作在第一模式， 圖中的箭頭方向為電流的流動方向，假設此升壓轉換器1 〇〇 是工作於連續導通模式（CCM)，當第-開關元件2及第三開 關元件7同時導通且第二開關元件3不導通時第一、第 二順向導通元# 4、8不導通，此時形成兩個電流迴路其 中之一電流迴路的電流由電源98依序流經第一開關元件2 第電谷99、第二電感6及第三開關元件7，另一電流 迴路的電流由第二電容9流經負冑96，由第二電容9向負 栽96提供輸出能量。此時第二電感6被激磁，且激磁電壓 為電源98電壓V98的兩倍，即第二電感6的第一端6ι電壓 此時為2V98。 參閱圖4所示，為升壓轉換器1〇〇工作在第二模式， ，中的箭頭方向為電流的流動方向’同樣假設此升壓轉換 器1〇0是卫作於連續導通模式（CCM)，當第二„元件3導 通且第開關το件2及第三開關元件7同時不導通時，第 一、第二順向導通元件4、8被導通，電流由電源98流經 第：順向導通元件4後分成兩路，其中一路依序流經第一 電谷99及第二開關元件3 ’另一路依序流經第二電感6及 ’再分兩路分別流經第二電容及負 由於第一順向導通元件4是導通的 的第二端62電壓直接等於電源98 第二順向導通元件8後 載，對第二電容充電8。 ，所以此時第二電感6 電壓V98;而先前儲存於第- 么弟一電感6的能量則被轉移至第 電感5並釋出能量對第二電容9充電。

定義第一模式的週期為D 第二模式相對的就是1-D， 而根據伏秒平衡（即第二番忒> 電感6的充電莖等於其放電量）可得

到 2νι_ V。-% Ν6 Ν5 ) ’ 再將此式化簡可得 ^ νΛι-dJ -可IJT5J+1，其中，V。是指輸出電壓，Vin是 指輸入電壓(即電源電壓V98)，N5是指第一電感5的線圈阻 數N6疋心第一電感6的線圈阻數。由公式中可知道，藉 由調正第一電《5及第二電感6的圈數就可以得到較高的 升壓比。

再參見表1所示，是本較佳實施例的元件的規格表， 由表中可得知輸入電壓為5V時，輸出電壓為48V，升壓比 在9〜1〇之間。 參閱圖5、圖6與圖7,各圖中的（a)為第一及第三開關 疋件2、7的閘極的驅動訊號圖形（由控制電路95所輸出）， (b)為第二開關元件3的閘極的驅動訊號圖形（由控制電路95 所輸出），（c)為流經第二電感6的電流圖形，為流經第一 感5的電流圖形，而圖$是於電流輕載的情況，圖6是 於電流半栽的情況，圖7是於電流滿載的情況。 10 f£) 輸入電壓匕 5V 輸出電壓滿載） 48V 輸出電流 1A 切換頻率 195kHz 耦合電感 第二電感 ΙΟμΗ，T106-18 鐵心繞 8 圈 第一電感 250μΗ，Τ106-18 鐵心繞 40 圈 第二電容 ΙΟΟΟμΡ 第一電容 330μΡ*3+22μΡ MLCC 第一順向導通元件 STPS20L25 第二順向導通元件 3CTQ100 第一開關元件 PHD96NQ03LT 第二開關元件 PHD96NQ03LT 第三開關元件 IRL3705ZS 控制電路(1C) Altera FPGA Cyclone 系列 EP1C3T100 1343696 表1 參閱圖8、圖9與圖10,各圖中的（a)為第一及第三開 關元件2、7的閘極的驅動訊號圖形，（b)為第二開關元件3 的閘極的驅動訊號圖形，（c)為第三開關元件7的第一端71 與第二端72之間的跨壓圖形，（d)為輸出電壓的圖形，而圖 8是於電流10%載的情況，圖6是於電流50%載的情況，圖 7是於電流100%載的情況，其中，輸出電壓是用衰減10倍 之探棒量測得來，所以圖中的輸出電壓看起來只有5V，實 際上則需再乘上10倍，即50V。 由圖5〜圖10的實驗結果可知，本發明升壓轉換器100 可穩定地操作於所設定的規格。另外，圖11為負載電流對 效率之關係圖，在滿載時效率接近82%，效率最高點則是 11 1343696 5於半載，此時效率可達84·3%，而在輕載時，則不像其 匕父換式電源架構有效率降低的困擾。 值得-提的是’在本較佳實施例中，第_、第二及第 -開關兀件2、3 ' 7為Ν型金氧半場效電晶體（N_M〇s)， 然熟知此技藝之人士 ’當可用P型金氧半場效電晶體(P_ MOS)來加韓代’此變化則本創作所涵蓋的範圍。

综上所述，本發明將電荷幫浦與轉合電感結合，在輸 入5V之低壓大電流條件下’可以達到接近ι〇倍的升壓比 ’於輕載時仍具有80%轉換效率’整個負載操作範圍下的 效率曲線較為平緩，可在全負載範圍達到高效率之能量轉 移’故確實能達成本發明之目的。 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 範圍及發明說明内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内。 【圖式簡單說明】

圖1是一示意圖，說明理想的升壓比曲線與實際的升 壓比曲線的差異； 圖2是一示意圖，說明本發明升壓轉換器的較佳實施 例； 圖3是一示意圖，說明該較佳實施例於第—模式時的 電流流向； 圖4是一示意圖，說明該較佳實施例於第二模式時的 電流流向； 12 S ) 1343696 圖5是一示意圖’說明該較佳實施例於電流輕載時部 分元件的電壓、電流訊號； 圖6是一示意圖，說明該較佳實施例於電流半載時部 分元件的電壓、電流訊號； 圖7是一示意圖，說明該較佳實施例於電流全載時部 分元件的電壓、電流訊號； 圖8是一示意圖，說明該較佳實施例於1 〇%載時部分 元件的電壓訊號； 圖9是一示意圖’說明該較佳實施例於50%載時部分 元件的電壓訊號； 圖10是一示意圖，說明該較佳實施例於100%載時部 分元件的電壓訊號；及 圖11是負載電流對效率的關係圖。 13 < £ 1343696

【主要元件符號說明】 100 升壓轉換器 62 2 第一開關元件 7 21 第一端 71 22 第二端 72 3 第二開關元件 8 31 第一端 81 32 第二端 82 4 第一順向導通元件 9 41 第一端 91 42 第二端 92 5 第一電感 95 51 第一端 96 52 第二端 97 6 第二電感 98 61 第一端 99 第二端 第三開關元件 第一端 第二端 第二順向導通元件 第一端 第二端 第二電容 第一端 第二端 控制電路 負載 二極體 電源 第一電容

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Claims (1)

1343696 十、申請專利範圍： 1.種升壓轉換器，電連接於一電源及一負載之間，該升 壓轉換器包含： 一第一順向導通元件，具有一與該電源電連接的第 一端及一第二端； 一第一電感，具有一與該第一順向導通元件的第二 端電連接的第一端及一第二端； 一第二順向導通元件，具有一與該第一電感的苐二 • 端電連接的第一端及一與該負載電連接的第二端； 第開關元件，具有一與該第一順向導通元件的 第一端電連接的第一端及一第二端； 第一開關兀件，具有一與該第一開關元件的第二 端電連接的第一端及一接地的第二端； 一第一電容，電連接於該第一順向導通元件的第二 端與該第一開關元件的第二端之間； . 一第二電感，具有-與該第一電感的第-端電連接 零的第一端及一第二端；

連接的第一端及一接地的 有一與該第二電感的第二端 $二端；及 電 一第二電容，具有一與該第 端電連接的第一端及一接地的第 第二 當該第一開關元件及第 二開關元件不導通時，該第 通’此時形成兩個電流迴路 二順向導通元件的 二端； 二開關元件同時導通且該第 、第二順向導通元件不導 ’其中之一電流迴路的電流 15 ^ £ ) 1343696 由該電源依序流經該第一開關元件、該第一電容、該第 二電感及該第三開關元件’另一電流迴路的電流由該第 二電容流經該負載；當該第二開關元件導通且該第/開 關元件及第三開關元件同時不導通時，該第—、第二順 向導通元件被導通，電流由該電源流經該第—順向導通 元件後分成兩路，其中一路依序流經該第一電容及續第 二開關元件，另一路依序流經該第二電感及第二順向導 通元件後，再分兩路分別流經該第二電容及該負載，對 該第二電容充電。 2 ·依據申凊專利範圍第1項所述之升壓轉換器，其中，該 第一、第二順向導通元件為二極體，且其第一端皆為p 極，第二端皆為η極。 3. 依據申請專利範圍第2項所述之升壓轉換器，其中，該 第一、第二及第三開關元件的第一端與第二端之間皆反 向連接"""'一·極雜。 4. 依據申請專利範圍第3項所述之升壓轉換器，其中，該 第一、第二及第三開關元件皆為Ν型金 ，其問極則受控制以決定該第一、第二及第三開= 導通與否，其第一端皆為汲極，第二端皆為源極。 5. 依據申請專利範圍帛4 $所述之升壓轉換器其係工作 於連續導通模式（CCM)。 6. 依據申請專利範圍第5項所述之升壓轉換器其輸出電 壓與輸入電壓的比=(N5/N6)*(2D/(1-D))+I，其中D是工 作週期’ Ns疋指該第一電感的線圈&數，N6是指該第二 16 (.B 1343696 電感的線圈匝數。 ，其輸出電 7.依據申請專利範圍第6項所述之升壓轉換器 壓與輸入電壓的比大於5。

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