TWI384735B - 倍壓電路結構 - Google Patents

Description

倍壓電路結構

本發明係為一種倍壓電路結構，特別為一種耦合於一變壓器二次側之倍壓電路結構。

電源轉換器之功能係為將一輸入電源轉換為一特定規格之輸出電源，例如交流電與直流電間之轉換或升降電壓輸出等。一般傳統電源轉換器係包括一變壓器，其係使用纏繞於同一鐵心上之二組繞線，透過電磁感應將電力由一電路轉遞至另一電路。

理想之電源轉換器係不考慮雜散元件的影響，因此其操作上效率非常高，能量也可做完全之傳遞。然而無論採用何種變壓線圈之繞製方法，實際之電源轉換器都會含有雜散元件，例如線圈含有漏感、一次側及二次側間含有耦合電容，以及二次側線圈間含有寄生電容等。而此漏感會產生無法預期之電壓突波，並且延緩升壓時間，進而增加交換損失與緩振損失，並降低電源轉換器之可靠度與效率。

在電源轉換器中，輸出電壓係正比於其中變壓器之二次側繞線圈數與一次側繞線圈數之比值。因此，若欲將電源做高壓轉換，通常會使得電源轉換器具有一較高之繞線圈數比。然而漏感與寄生電容亦會隨繞線圈數比加大而提高，而使電源轉換器受雜散元件共振之影響更為加劇，增加了切換開關之電壓應力，導致電源轉換器易於燒毀。

為了解決此一問題，習知之一般電源轉換器之電路設計都藉由電阻、電容、電感與二極體元件所組成之緩振電路(Sunber)或稱箝制電路，來抑制由升壓型變壓器中雜散效應所產生之振盪電壓。然而由於吸受了雜散效應所產生之振盪電壓，緩振電路將產生了大量之熱效應，並且會造成壓降，進而使整體電源轉換器之轉換效率大大下降。為了因應上述壓降，在變壓器上尚需進一步提高變壓器二次側之繞線圈數，方能達到原有之輸出電壓。因此，緩振電路架構雖能抑制雜散效應所產生之振盪電壓，但應用上尚有不少缺點。

而倍壓電路係為將輸入電壓峰值以倍數增加後輸出之電路，主要包括二極體與電容器兩種主要元件。其係利用二極體的開關特性產生整流功能，以控制電流方向對電容進行充電，並利電容器之儲存電荷的充電特性產生濾波功能，以獲取一倍或數位峰值電壓大小的直流電壓。

第1圖係為習知之一種倍壓電路示意圖。第2圖係為第1圖之倍壓電路之輸出電壓波型示意圖。其中，於二次側線圈N2之兩端之感應電壓峰值係為Vn2，於是在倍壓電路之二輸出端之間具有一電壓差V₀ 等於2Vn2。此一架構之倍壓電路雖然簡單，然而由於只有使用二電容C1及C2來儲能，因此在電壓輸出上雖能達到2Vn2之峰值，但仍具有一較大之漣波，並且其輸出電流也容易受到負載影響而不穩定。

本發明係為一種倍壓電路結構，藉由在倍壓電路結構中提供儲能電感，以在儲能電容之放電週期中以維持供應負載之穩定電流，進而改善輸出電路之漣波效應。

本發明係為一種倍壓電路結構，藉由在電源轉換器之二次側耦接一倍壓電路，以降低電源轉換器中變壓器之繞線圈數比，以達到縮小變壓器體積及降低寄生電容對電源轉換器之影響。

為達上述功效，本發明提供一種倍壓電路結構，其係耦接於一變壓器之二次側，其包括：一第一二極體，其陽極係電性連接於變壓器之二次側之一第一接點；一第二二極體，其陰極係電性連接於第一接點；一第三二極體，其陰極係電性連接於第一二極體之陰極，並且其陽極係電性連接於變壓器之二次側之一第二接點；一第四二極體，其陽極係電性連接於第二二極體之陽極，並且其陰極係電性連接於第二接點；一第一儲能單元，其係串聯於第一二極體之陰極及一第一輸出端之間；一第二儲能單元，其係串聯於第二二極體之陽極及一第二輸出端之間；一第三儲能單元，其係電性連接於第一輸出端及第二接點；以及一第四儲能單元，其係電性連接於第二輸出端及第二接點。

藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：

一、本發明具有較傳統倍壓電路中數量更多之儲能單元，藉由一簡單電路結構之安排，可以儲存更多負載所需之能量，進而降低輸出電路之漣波效應，藉此提供負載更穩定之能量輸出。

二、應用本發明倍壓電路結構之電源轉換器，可因倍壓電路結構提升電壓之功能，而減少在設計上所需之變壓器繞線圈數比，從而縮小了變壓器及電源轉換器之體積。

三、由於在變壓器二次側可耦合本發明之倍壓電路結構，因此可減少電源轉換器中變壓器的繞線圈數比，進而降低變壓線圈中之寄生電容及雜散元件對電源轉換器之整體電路所造成之振盪電壓，使得電源轉換器可以採用耐電壓較低之開關元件而節省成本。

為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

第3圖係為本發明之一種倍壓電路結構示意圖。第4圖係為本發明之一種倍壓電路結構於正半週導通之電路示意圖。第5圖係為本發明之一種倍壓電路結構於正半週導通截止時之電路示意圖。第6圖係為本發明之一種倍壓電路於負半週導通之電路示意圖。第7圖係為本發明之一種倍壓電路於負半週導通截止時之電路示意圖。第8圖係為本發明之一種倍壓電路之輸出電壓波型示意圖。第9圖係為應用本發明倍壓電路結構之電源轉換器電路示意圖。

如第3圖所示，本實施例為一種倍壓電路結構1，其係耦接於一變壓器之二次側。變壓器之一次側具有一第一變壓線圈N1以及在變壓器之二次側具有一第二變壓線圈N2，其中輸入第一變壓線圈N1之交流電壓峰值係為Vn1，而第二變壓線圈N2感應得到之交流電壓峰值係為Vn2。此外，第二變壓線圈N2之兩端係分別連接至第一接點10及第二接點12。

倍壓電路結構1係包括一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第三二極體D3、一第四二極體D4、一第一儲能單元、一第二儲能單元、一第三儲能單元及一第四儲能單元，並且倍壓電路結構1具有一第一輸出端14及一第二輸出端16，可用以與一負載電路連接。第一二極體D1，其陽極係電性連接於變壓器二次側之第一接點10。第二二極體D2，其陰極係電性連接於第一接點10。第三二極體D3，其陰極係電性連接於第一二極體D1之陰極，並且其陽極係電性連接於變壓器之二次側之第二接點12。第四二極體D4，其陽極係電性連接於第二二極體D2之陽極，並且其陰極係電性連接於第二接點12。

第一儲能單元可以是一第一電感L1，其係串聯於第一二極體D1之陰極及第一輸出端14之間。第二儲能單元可以是一第二電感L2，其係串聯於第二二極體D2之陽極及第二輸出端16之間。第三儲能單元可以是一第一電容C1，其係電性連接於第一輸出端14及第二接點12。第四儲能單元可以是一第二電容C2，其係電性連接於第二輸出端16及第二接點12。

第4圖係為第二變壓線圈N2於正半週輸出時之倍壓電路結構1之等效電路圖。此時第一二極體D1導通，於等效電路中以係短路取代，而第二二極體D2、第三二極體D3及第四二極體D4截止，於等效電路中係以開路取代。因此電流流經由第一二極體D1、第一電感L1及第一電容C1所構成之迴路後，可使第一電感L1及第一電容C1充電，並且使第一電容C1之電壓充電至第二變壓線圈N2之交流電壓峰值Vn2。

第5圖係為第二變壓線圈N2於正半週截止時之倍壓電路結構1之等效電路圖。此時第一二極體D1、第二二極體D2及第四二極體D4處於截止狀態，於等效電路中係以開路取代，第三二極體D3則處於導通狀態，其在等效電路中係以短路取代。因此在第二變壓線圈N2之輸入電壓於正半週截止時，電流流經由第一電感L1、第一電容C1及第三二極體D3所構成之迴路，以提供第一電感L1釋放電能之路徑，進一步穩定了倍壓電路結構1所提供之電源輸出。

第6圖係為第二變壓線圈N2於負半週輸出時之倍壓電路結構1之等效電路圖。此時第一二極體D1、第三二極體D3及第四二極體D4截止，於等效電路中係以開路取代。第二二極體D2導通，於等效電路中係以短路取代。因此電流可流由經第二二極體D2、第二電容C2及第二電感L2所構成之迴路，而向第二電感L2及第二電容C2充電，並使第二電容C2之電壓充電至第二變壓線圈N2之交流電壓之峰值Vn2。

第7圖係為第二變壓線圈N2於負半週截止時之倍壓電路結構1之等效電路圖。此時第一二極體D1、第二二極體D2及第三二極體D3處於截止狀態，於等效電路中係以開路取代。第四二極體D4則處於導通狀態，在等效電路中以短路取代。因此在第二變壓線圈N2之輸入電壓於負半週截止時，電流流經由第二電容C2、第二電感L2及第四二極體D4所構成之迴路，以提供第二電感L2釋放電能之路徑，進一步穩定了倍壓電路結構1所提供之電源輸出。

第8圖係為倍壓電路結構1之輸出電壓示意圖。由於第一電容C1及第二電容C2係串聯於第一輸出端14及第二輸出端16之間，且第一電容C1及第二電容C2係分別於第二變壓線圈N2之正半週及負半週輸出中充電至一電位Vn2，因此倍壓電路結構1具有一直流輸出電壓V₀ 等於2Vn2。此外，倍壓電路結構1較傳統倍壓電路結構多了儲能電感，而且儲能電感(即第一電感L1及第二電感L2)可在其自身處於非充能階段時釋放能量，以使得倍壓電路結構1能有穩定之電流輸出與較低之漣波電壓。

第9圖所示係為應用本實施例中倍壓電路結構1之電源轉換器2之電路示意圖。電源轉換器2係為一直流對直流電源轉換器，其係在變壓器之一次側耦接了全橋式轉換器3，以將直流電源轉變為一交流電，並且在其二次側耦接本實施例之倍壓電路結構1，以將感應得到之交流電源倍壓後轉換為直流電源輸出。

相較於傳統之電源轉換器，電源轉換器2整合了倍壓電路結構1以提升輸出電壓，因此在變壓器之設計上，可使用具有較低的繞線圈數比之電壓器，即能達到額定之升壓輸出。而較低的繞線圈數比除了可縮小變壓器體積並進一步縮小裝置尺寸外，亦降低了寄生電容對電源轉換器2之影響。此外，雜散元件透過變壓線圈對系統造成電路共振之影響變小，並且降低了振盪電壓之強度，因此在電源轉換器2中可以使用耐壓較低之開關元件，進而降低了電源轉換器2的成本。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

1．．．倍壓電路

10．．．第一接點

12．．．第二接點

14．．．第一輸出端

16．．．第二輸出端

2．．．電源轉換器

3．．．全橋式轉換器

第1圖係為習知之倍壓電路示意圖。

第2圖係為習知之倍壓電路輸出電壓波型示意圖。

第3圖係為本發明之一種倍壓電路結構示意圖。

第4圖係為本發明之一種倍壓電路結構於正半週導通之等效電路示意圖。

第5圖係為本發明之一種倍壓電路結構於正半週截止後之等效電路示意圖。

第6圖係為本發明之一種倍壓電路結構於負半週導通之等效電路示意圖。

第7圖係為本發明之一種倍壓電路結構於負半週截止後之等效電路示意圖。

第8圖係為本發明之一種倍壓電路結構之輸出電壓波型示意圖。

第9圖係為應用本發明倍壓電路結構之電源轉換器電路示意圖。

1．．．倍壓電路

10．．．第一接點

12．．．第二接點

14．．．第一輸出端

16．．．第二輸出端

Claims (5)

1. 一種倍壓電路結構，其係耦接於一變壓器之二次側，其包括：一第一二極體，其陽極係電性連接於該變壓器之二次側之一第一接點；一第二二極體，其陰極係電性連接於該第一接點；一第三二極體，其陰極係電性連接於該第一二極體之陰極，並且其陽極係電性連接於該變壓器之二次側之一第二接點；一第四二極體，其陽極係電性連接於該第二二極體之陽極，並且其陰極係電性連接於該第二接點；一第一儲能單元，其係串聯於該第一二極體之陰極及一第一輸出端之間；一第二儲能單元，其係串聯於該第二二極體之陽極及一第二輸出端之間；一第三儲能單元，其係電性連接於該第一輸出端及該第二接點；以及一第四儲能單元，其係電性連接於該第二輸出端及該第二接點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之倍壓電路結構，其中該第一儲能單元係為一第一電感。
3. 如申請專利範圍第1項所述之倍壓電路結構，其中該第二儲能單元係為一第二電感。
4. 如申請專利範圍第1項所述之倍壓電路結構，其中該第三儲能單元係為一第一電容。
5. 如申請專利範圍第1項所述之倍壓電路結構，其中該第四儲能單元係為一第二電容。