TWI387184B - Step-up conversion device - Google Patents

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Description

昇壓型轉換裝置
本發明係有關一種轉換裝置，特別是關於一種昇壓型轉換裝置。
隨著時代的進步，人們對能源的需求與日俱增，再生能源也隨之受到相當高的重視。其中，太陽光伏電池是眾多再生能源中最受歡迎的，乃是因為它有取之不盡、用之不竭及乾淨的優點。為了從太陽能電池模組得到最大功率，因此需要最大功率追踨器，一般均以昇壓型(boost)轉換器來實現。
如第1圖所示，一般昇壓型轉換器包含一主電感10、一主開關12與一主二極體14，並連接一負載電容16與一負載電阻，其中v ds 與i ds 分別為主開關12之跨電壓與電流。然而，針對大功率應用，元件之應力、切換損失及EMI干擾實均來自主開關12導通時二極體14之逆向回復電流，以及主開關12截止時雜散電感和二極體14順向恢復時間所造成之開關跨壓，結果造成整個系統不穩定的現象。請同時參閱第2圖及第3圖，v ds 與i ds 分別出現電壓尖波與電流尖波，且v ds 與i ds 交越面積大，因此功率損失也大，此為相當嚴重之硬切換，亦是上述各種損失及不穩定的原因。因此，有被動式及主動式緩衝電路被應用於昇壓型轉換器中。
如第4圖至第6圖所示，第4圖之昇壓型轉換器係將被動式緩衝器20與第1圖之昇壓型轉換器整合在一起，可以做到零電壓及零電流轉態切換的功能，但因主二極體14逆向回復電流及被被動式緩衝器20循環電流所形成的諧振效應，造成主開關12在轉態導通期間產生大電流應力。
解決主開關大電流應力的問題，可以用主動式緩衝器來取代被動式緩衝器，主動式緩衝器可以為降壓型(buck)、昇壓型(boost)或返馳式(flyback)三種。如第7圖至第9圖所示，第7圖係將降壓型主動緩衝器22與第1圖之昇壓型轉換器整合在一起，其中，降壓型緩衝器22可以箝制主開關電位，但箝位電容在主開關12導通期間，能量仍不能完全釋放，會導致主開關12截止時的硬切換。因此，藉由昇壓型緩衝器，可以解決上述硬切換的缺點。
如第10圖至第12圖所示，第10圖係將昇壓型主動緩衝器24與第1圖之昇壓型轉換器整合在一起。昇壓型緩衝器24在主開關12導通期間，可以有效地把箝位電容能量傳送至輸出端，製造出下一週期零電壓轉態(ZVT)切換的機會。雖然，有零電壓轉態切換的優點，但若系統操作於大電流條件下，主電感10大電流對容值較低的箝位電容充電，相繼衍生出主開關12上高電壓應力的問題。
因此，本發明係在針對上述之困擾，提出一種昇壓型轉換裝置，以解決上述所產生的問題。
本發明之主要目的，在於提供一種昇壓型轉換裝置，其係與一抑制逆向回復電流之電感和一返馳式主動緩衝電路整合，此電感可使主開關之電流緩慢上升，以達到零電流轉態切換，緩衝電路則可將箝位電容能量抽至負載端及降低主開關兩端之電壓應力，以達到零電壓轉態切換，如此便能提昇整體裝置之轉換效率。
為達上述目的，本發明提供一種昇壓型轉換裝置，係包含一連接一輸入電壓之主開關，主開關係接收一外部訊號以控制開關狀態，主開關係連接一箝位電路，其可根據主開關之截止轉態，利用箝位電容來儲存主電感電流之能量，以控制主開關操作在零電壓轉態(ZVT)，並在輔助開關截止時，將箝位電容之能量，透過返馳式主動緩衝電路傳送至緩衝電容中。在箝位電路儲存能量時，相對提供一箝位電壓，使電感電流能迅速追至主電感電流，進而達到一般昇壓型轉換器導通狀態。另更有一電感，其一端連接主開關、箝位電路與輸入電壓，另一端連接主二極體與返馳式主動緩衝電路，並在返馳式主動緩衝電路接收能量時，限制主二極體之逆向回復電流，以控制主開關操作在零電流轉態(ZCT)。
茲為使　貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效更有進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例圖及配合詳細之說明，說明如後：
以下請參閱第13圖，本發明之轉換裝置包含一主開關26，第一N型金氧半場效電晶體(以下亦以標號26代表此元件)、一第一電感28及其第一漏感30、一第二電感32及其第二漏感34、一主二極體36、一箝位電路38、一返馳式主動緩衝電路40與一二極體42，其中第一28、第二電感32為共鐵心之耦合電感。
第一N型金氧半場效電晶體26之源極連接至一輸入電壓V i 之負端，汲極則依序透過第一電感28、第一漏感30連接至輸入電壓V i 之正端，閘極則接收一做為外部訊號之數位訊號，以控制主開關26之開關狀態。第一N型金氧半場效電晶體26的汲極與源極，係連接箝位電路38，箝位電路38連接返馳式主動緩衝電路40，返馳式主動緩衝電路40則分別連接主二極體36及二極體42之正極，以透過主二極體36及二極體42連接輸出負載，此輸出負載包含互相並聯之一負載電容44與一負載電阻46。另互相串聯之第二電感32及其第二漏感34，第二電感32之一端同時連接返馳式主動緩衝電路40與主二極體36之正極，第二漏感34則同時連接第一N型金氧半場效電晶體26的汲極與箝位電路38。
箝位電路38包含一箝位二極體48與一箝位電容50，箝位二極體48之正極連接第一N型場效電晶體26之汲極、第一電感28、第二漏感34，箝位電容50之一端連接箝位二極體48之負極，另一端連接第一N型場效電晶體26之源極，箝位電容50更與返馳式主動緩衝電路40並聯。
在外部訊號為低準位之數位訊號時，主開關26會呈現截止狀態，此時箝位電路38中的箝位電容50，會依序透過第一電感28及箝位二極體48儲存輸入電壓V i 提供之能量，來控制主開關26操作在零電壓轉態(ZVT)；另一方面，返馳式主動緩衝電路40也藉著主開關26截止期間，箝制一電位，將能量透過主二極體36傳送給輸出負載，順利完成昇壓型轉換器截止轉態。
在外部訊號為高準位之數位訊號時，主開關26會呈現導通狀態，在導通瞬間，第二電感32及第二漏感34係限制主二極體36之逆向回復電流，以控制主開關26操作在零電流轉態(ZCT)。在導通期間，輔助開關56也同步啟動，以抽取從箝位電容50的能量，並儲存至激磁電感52，進而製造出下一週期零電壓轉態切換的機會。
本發明之返馳式主動緩衝電路40，是操作在不連續導通模式(DCM)，主要目的是避免其開關上的高電壓及大電流應力的產生。返馳式主動緩衝電路40更包含一輔助開關56，第二N型金氧半場效電晶體(以下亦以標號56代表此元件)，其源極連接第一N型金氧半場效電晶體26之源極、箝位電容50、負載電容44與負載電阻46，閘極則接收一數位訊號，以控制輔助開關56之開關狀態，其汲極連接一變壓器54之一次側，且此一次側係與一激磁電感52並聯，激磁電感52之一端係同時連接箝位二極體48之負極與箝位電容50，並在輔助開關56導通時，從箝位電容50接收能量，並儲存至激磁電感52。
變壓器54更具有二次側，此二次側係依序透過返馳式輸出二極體60、二極體42連接負載電容44，並與一緩衝電容58連接。緩衝電容58之一端係連接第二電感32與主二極體36之正極，另一端連接二極體42。在輔助開關56關閉時，激磁電感52將能量傳送至緩衝電容58中，當主開關截止時，第一、第二電感28、32之電流相等，經二極體42路徑，使緩衝電容58的能量傳送至負載端。
上述之緩衝電容58之電容值需大於箝位電容50，主要目的是可降低主開關26在截止時的高電壓應力。為了使電路圖與下面將介紹的波形圖加以對應，先介紹電路圖中各元件之電壓及通過各元件之電流的代表符號。i ds 與v ds 係分別為通過主開關26之電流，與主開關26之跨電壓；i cs 與v cs 係分別為通過箝位電容50之電流，與箝位電容50之跨電壓；i ds ( f ) 與v ds ( f ) 係分別為通過輔助開關56之電流，與輔助開關56之跨電壓；i Lmf 與V Lmf 係分別為通過激磁電感52之電流，與激磁電感52之跨電壓；i Df 為通過返馳式輸出二極體60之電流；i D 2 為通過二極體42之電流；i cb 與v cb 係分別為通過緩衝電容58之電流，與緩衝電容58之跨電壓；i Lm 為通過第一電感28之電流；i LS 為通過第二電感32之電流；i Dm 為通過主二極體36之電流；V gs 為控制主開關26之開關狀態之電壓訊號；V gs ( f ) 為控制輔助開關56之開關狀態之電壓訊號；I O 與V O 係分別為通過負載電阻46之電流，與負載電阻46之跨電壓。
以下請同時參閱第14圖，電路之時序可分成十個模式，每個模式動作分析如下：
模式一，即t0 ≦t<t1 ：在時間t0 之前，V gs 為高準位之數位訊號，主開關26是維持導通的狀態。當時間等於t0 之後，V gs 為低準位之數位訊號，主開關26開始截止，i Lm 向箝位電容50充電，一直充到箝位電容50與已有初始電壓之緩衝電容58的加總電壓等於V O 為止，i Lm 才會以部分電流對箝位電容50繼續充電，而其餘部分則流經第二電感32。其中，箝位電容50與緩衝電容58兩者關係是為串聯。
模式二，即t1 ≦t<t2 ：當時間等於t1 時，部份i Lm 改依序走第二漏感34、第二電感32、緩衝電容58、二極體42、負載電容44、第一漏感30、第一電感28之路徑，且第二電感32、緩衝電容58及箝位電容50發生諧振，緩衝電容58開始釋放能量至輸出負載(在模式二期間，緩衝電容58能量未完全釋放完)；在t2 時，i Ls =i Lm ，v ds 與v cs 達到最大值。另在時間t0 至t2 間，v ds 緩慢上升，主開關26已經發生零電壓轉態(ZVT)切換。
模式三，即t2 ≦t<t3 ：在這個模式中，緩衝電容58繼續釋放能量至輸出負載，主開關26之跨電壓v ds 會降至與輸出負載V O 同電位。
模式四，即t3 ≦t<t4 ：緩衝電容58能量已經釋放完，i Lm 改走主二極體36的路徑，主開關26之跨電壓與輸出負載同電位，此動作如同一般的昇壓轉換器的截止狀態模式。
模式五，即t4 ≦t<t5 ：當時間等於t4 時，V gs 與V gs ( f ) 皆為高準位之數位訊號，以啟動主開關26與輔助開關56。在這個模式中，i ds 緩慢上升，以達到零電流轉態(ZCT)的切換，i LS 會慢慢降至零；此時，激磁電感52係從箝位電容50接收能量，並儲存之，接收過程中，箝位電容50與激磁電感52產生諧振現象。
模式六，即t5 ≦t<t6 ：在這個模式中，主二極體36發生逆向回復電流I rr ，且此電流被第二電感32與第二漏感34有效地限制著。
模式七，即t6 ≦t<t7 ：由於箝位電容50內的能量未完全被傳至激磁電感52中，所以此模式仍繼續把箝位電容50內的能量傳至激磁電感52。
模式八，即t7 ≦t<t8 ：當時間點等於t7 時，箝位電容50內的能量被抽完。為了確保箝位電容50是零電位，在控制策略中，故意將驅動信號V gs ( f ) 的時間稍稍略大於箝位電容50放電的時間，其目的是製造出下一週期零電壓轉態的機會給主開關26。
模式九，即t8 ≦t<t9 ：當時間等於t8 時，V gs ( f ) 為低準位之數位訊號，使輔助開關56截止。此時，變壓器54會將儲存在激磁電感52中的能量傳至緩衝電容58中。其間，激磁電感52與緩衝電容58發生諧振現象。
模式十，即t9 ≦t≦t0 ：當時間等於t9 時，儲存於激磁電感52中的能量已完全被傳送至緩衝電容58中，緩衝電容58的電位也將被一直箝制到下一週期的時間t1 。至此，一週期的切換動作結束。
請同時參閱第13圖與第15圖，由波形圖可知，在主開關26轉態導通時，第二電感32可以限制主二極體36之逆向回復電流，使i ds 緩慢上升，且沒有電流尖波、震盪等屬硬切換不正常雜訊波形的出現，以達到零電流轉態柔性切換，進而降低功率損失，並提高轉換效率。
請同時參閱第13圖與第16圖，由波形圖可知，在主開關26轉態截止時，箝位電路38可箝制並儲存輸入電壓所提供的能量，返馳式主動緩衝電路40可降低v ds 應力，使v ds 緩慢上升，且沒有電壓尖波等屬硬切換不正常雜訊波形的出現，以達到零電壓轉態柔性切換，進而降低功率損失，並提高轉換效率。
綜上所述，本發明係與一耦合電感和一返馳式主動緩衝電路整合，以達到降低成本及零電流之轉態柔性切換。
以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．主電感
12．．．主開關
14．．．主二極體
16．．．負載電容
18．．．負載電阻
20．．．被動式緩衝器
22．．．降壓型主動緩衝器
24．．．昇壓型主動緩衝器
26．．．主開關
28．．．第一電感
30．．．第一漏感
32．．．第二電感
34．．．第二漏感
36．．．主二極體
38．．．箝位電路
40．．．返馳式主動緩衝電路
42．．．二極體
44．．．負載電容
46．．．負載電阻
48．．．箝位二極體
50．．．箝位電容
52．．．激磁電感
54．．．變壓器
56．．．輔助開關
58．．．緩衝電容
60．．．返馳式輸出二極體
第1圖為先前技術之昇壓型轉換器的電路示意圖。
第2圖為第1圖之電路於主開關轉態導通時之波形圖。
第3圖為第1圖之電路於主開關轉態截止時之波形圖。
第4圖為先前技術之整合被動式緩衝器之昇壓型轉換器的電路示意圖。
第5圖為第4圖之電路於主開關轉態導通時之波形圖。
第6圖為第4圖之電路於主開關轉態截止時之波形圖。
第7圖為先前技術之整合降壓型主動緩衝器之昇壓型轉換器的電路示意圖。
第8圖為第7圖之電路於主開關轉態導通時之波形圖。
第9圖為第7圖之電路於主開關轉態截止時之波形圖。
第10圖為先前技術之整合昇壓型主動緩衝器之昇壓型轉換器的電路示意圖。
第11圖為第10圖之電路於主開關轉態導通時之波形圖。
第12圖為第10圖之電路於主開關轉態截止時之波形圖。
第13圖為本發明之裝置電路示意圖。
第14圖為本發明之裝置各元件波形圖。
第15圖為本發明之於主開關轉態導通時之波形圖。
第16圖為本發明之於主開關轉態截止時之波形圖。
26‧‧‧主開關
28‧‧‧第一電感
30‧‧‧第一漏感
32‧‧‧第二電感
34‧‧‧第二漏感
36‧‧‧主二極體
38‧‧‧箝位電路
40‧‧‧返馳式主動緩衝電路
42‧‧‧二極體
44‧‧‧負載電容
46‧‧‧負載電阻
48‧‧‧箝位二極體
50‧‧‧箝位電容
52‧‧‧激磁電感
54‧‧‧變壓器
56‧‧‧輔助開關
58‧‧‧緩衝電容
60‧‧‧返馳式輸出二極體

Claims (9)

  1. 一種昇壓型轉換裝置，其係連接一輸出負載，該昇壓型轉換裝置包含：一主開關，其係連接一輸入電壓，並接收一外部訊號以控制該主開關之開關狀態；一箝位電路，其係連接該主開關，並在該主開關之截止轉態時，儲存該輸入電壓提供之能量來控制該主開關操作在零電壓轉態(ZVT)；一返馳式主動緩衝電路，係連接該箝位電路與該輸出負載，並將箝位電路儲存之該能量抽取至該輸出負載；一主二極體，其係連接該輸出負載與該返馳式主動緩衝電路；以及一第二電感，其一端連接該主開關與該箝位電路，另一端連接該主二極體與該返馳式主動緩衝電路，並在該主開關導通轉態時，限制該主二極體之逆向回復電流，以控制該主開關操作在零電流轉態(ZCT)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之昇壓型轉換裝置，更包含一第一電感，其一端連接該第二電感、該主開關與該箝位電路，另一端連接該輸入電壓，該箝位電路係透過一箝位電容接收該輸入電壓提供之該能量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之昇壓型轉換裝置，其中該第一、第二電感為共鐵心之耦合電感。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之昇壓型轉換裝置，其中該箝位電路更包含：一箝位二極體，其係連接該主開關、該第二電感與該輸入電壓；以及一箝位電容，其一端連接該箝位二極體，另一端連接該主開關，該箝位電容係與該返馳式主動緩衝電路並聯，且透過該箝位二極體儲存該主開關截止轉態時之該輸入電壓提供之該能量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之昇壓型轉換裝置，其中該返馳式主動緩衝電路更包含：一輔助開關；一激磁電感，其一端連接該箝位電路，並在該輔助開關導通時，接收該能量；一變壓器，其係連接該輔助開關，並具有一次側與二次側，該一次側與該激磁電感並聯；以及一緩衝電容，其一端連接該第二電感與該主二極體，另一端連接該輸出負載，該緩衝電容係與該二次側連接，在該輔助開關關閉時，該變壓器係從該激磁電感將該能量傳送至該緩衝電容中，並在該主開關呈截止狀態時，將該緩衝電容中的該能量傳送至該輸出負載。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之昇壓型轉換裝置，其中該輔助開關為N型金氧半場效電晶體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之昇壓型轉換裝置，其中該外部訊號為低準位數位訊號，且其關閉主開關時，該箝位電路係儲存該主開關截止轉態時之該輸入電壓提供之該能量，以控制該主開關操作在零電壓轉態。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之昇壓型轉換裝置，其中該外部訊號為高準位數位訊號，該主開關與輔助開關同步導通，該激磁電感儲存來自於一箝位電容之該能量，並在該輔助開關截止時，將該激磁電感能量傳送至該緩衝電容中。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之昇壓型轉換裝置，其中該主開關為N型金氧半場效電晶體。
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