TWI414139B - 高電壓增益電源轉換器 - Google Patents

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Ching Shan Leu
Jing Cheng Lin
Shun Yuan Wu
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Univ Nat Taiwan Science Tech
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Description

高電壓增益電源轉換器
本發明是與一種電源轉換器有關，且特別是與一種用以將輸入電壓轉換為具有較高電壓位準之輸出電壓的高電壓增益電源轉換器有關。
升壓式電源轉換器(boost power converter)已被廣泛地使用於各種應用設備上，例如是電池電源的前級電路、不斷電系統(uninterruptible power supply,UPS)之直流備用能源系統、及太陽能電源中。由於升壓電源轉換器被可用來提升電源電壓的位準，故升壓電源轉換器亦可稱為升壓式(step-up)轉換器。
在傳統中，升壓轉換器包括一電感器、一電源開關、一二極體以及一電容器。當電源開關操作在高工作週期時，升壓轉換器將能達到高電壓增益。然而，電路之寄生(parasitic)元件的損失，會使升壓轉換器的電壓增益限制於約5左右。
為了提高電壓增益，亦有使用一串接式(cascade)電感或一耦合電感(coupled inductor)之替代作法。前項作法係發表於電機電子工程師協會(institute of electrical and electronic engineers,IEEE)的多篇論文中，而後項作法則是由Wai等人揭露於兩篇美國專利中，其等之美國專利案號分別為8392124及83861096。但是，獲得高電壓增益會導致電路複雜度提高。
因此，如何以一簡單架構之電源轉換器來達到高電壓增壓，且能於較低的工作週期下操作，實為業界所需研究的一個課題。
本發明係與一種高電壓增益電源轉換器有關，其係用以將輸入電壓轉換為一具有較高電壓位準之輸出電壓。依據此電源轉換器之一些實施例，本發明所實現之電源轉換器具有簡單架構，且可於較低的工作週期下操作，並可達到高電壓增壓。
根據本發明之一方面，其提出一種高電壓增益電源轉換器，其包括一主要開關元件、一第一輸出電路單元、一第二輸出電路單元以及一輔助開關元件。第一輸出電路單元係依據主要開關元件來進行操作，以產生一第一升壓輸出電壓。第一輸出電路單元包括一第一電感元件、一第一開關元件以及一第一電容元件。第一開關元件係連接於輸入端以及第一開關元件之間。第一電容元件係連接於第一開關元件以及一接地端之間，以產生第一升壓輸出電壓。第二輸出電路單元係依據主要開關元件來進行操作，以產生一第二升壓輸出電壓。第二輸出電路單元包括一第二電感元件、一第二開關元件以及一第二電容元件。第二電感元件係連接於主要開關元件以及第一電容元件之間。第二開關元件係連接至第二電感元件與主要開關元件之一共同端。第二電容元件係將第二開關元件連接至一第一端，用以產生第二升壓輸出電壓。輔助開關元件係連接於第一電感元件以及第二電感元件與主要開關元件之上述共同端之間。
根據本發明之其他方面，如前所述之電源轉換器所包含的第一輸出電路單元及第二輸出電路單元，係可實現成為能額外地提供至少一升壓輸出電壓。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
請參照第1圖，其繪示依本發明第一實施例之電源轉換器之方塊圖。如第1圖所示，電源轉換器100包括三個開關元件(譬如第一開關元件10、第二開關元件20、及輔助開關元件50)、一主要開關元件60、一第一電感元件70、一第二電感元件80，以及兩電容器C1及C2。電源轉換器100可提供例如兩輸出電壓Vo1(+)-Vo1(-)及Vo2(+)-Vo2(-)，並以對應的兩電阻器RL1 及RL2 作為其負載。再者，於第1圖中，第一電感元件70、第一開關元件10、及電容器C1(或稱為電容裝置)可被視為一第一輸出電路單元，以接收一輸入電壓Vi，並產生一第一升壓輸出電壓，即Vo1(+)-Vo1(-)。而第二電感元件80、第二開關元件20、及電容器C2(或稱為電容裝置)可被視為一第二輸出電路單元，以產生一第二升壓輸出電壓，即Vo2(+)-Vo2(-)。電源轉換器100係可以最少的元件數目來以實現，並可於較低的工作週期下進行操作，以提供一高電壓增益。
請參照第1圖，第2A圖繪示依本發明的第一實施例之電源轉換器100的電路圖。如第2A圖所示，第一電感元件70、第二電感元件80、以及三個開關元件10、20及50，能以第2B圖、第2C圖、及第3A圖所述之元件來分別地予以實現。第一電感元件70係由一第一電感器L1來實現，第一電感器L1具有匝數比為1:N的兩個抽頭式(tapped)線圈L1p-L1s，如第2B圖所示，其中N11、N12、及N13表示第一電感器L1的端點。而第二電感元件80係由一第二電感器L2來實現，第二電感器L2具有一單繞組線圈，如第2C圖所示，其中N21及N23代表第二電感器L2的端點。主要開關元件60則是以金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)Q1為例所實現，如第4A圖所示。至於輸出電容器C1及C2兩端的輸出電壓，如Vo1(+)-Vo1(-)及Vo2(+)-Vo2(-)，則可串聯在一端點，即N21。
請參照第2A圖，第5A及5B圖繪示為兩個等效電路圖，以分別表示當主要開關元件60導通或截止時，第2A圖之電源轉換器100的等效電路。請參照如第5C圖所示的主要波形，主要開關Q1是由一控制電路(未繪示)所提供的一訊號Vgs(或稱為一驅動訊號)所控制。如此，根據主要開關Q1的導通或截止，訊號Vgs的各切換週期會具有兩個時段T0及T1。
於時段T0中，訊號Vgs係被致能以導通主要開關Q1及二極體D5(即被順偏)，並截止二極體D1及D2(即被逆偏)。主要開關Q1及二極體D5兩端的跨壓VDS 及VD5 會處於低電壓位準，而二極體D1及二極體D2(此兩二極體係被截止)兩端的跨壓VD1 及VD2 會處於高電壓位準。電感器的線圈L1p係由輸入電壓Vi，經由二極體D5及主要開關Q1來進行充電，而電感器的線圈L2p係由升壓輸出電壓Vo1經由主要開關Q1來進行充電。對應地，如第5C圖所示，於時段T0中，分別流經電感線圈L1p及L2p的兩電流IL1 及IL2 、及主要開關元件Q1的電流IS 會增加，而流入電容器C1的電流IC1 會往正向減少。此外，二極體D5的導通及截止方式係與主要開關Q1相同，並可視為用來輔助主要開關Q1以達成適當的電路操作，故可稱為一輔助開關元件或裝置。主要開關Q1及輔助開關元件，係實質上用來切換電源轉換器100之第一及第二輸出電路單元的操作狀態。
於時段T1中，訊號Vgs係被除能以截止主要開關Q1，而電源轉換器100的操作將會進入第二階段。此時，二極體D5係被關閉，而主要開關Q1及二極體D5(此二開關元件係被截止)兩端的跨壓VDS 及VD5 會處於高電壓位準，而二極體D1及二極體D2(此兩開關元件係被導通)兩端的跨壓VD1 及VD2 會處於低電壓位準。電容器C1會被充電，且其電壓位準會被鉗位在輸入電壓及抽頭式線圈L1p-L1s之跨壓的總合。而電容器C2則是由第一輸出電壓Vo1(+)-Vo1(-)及電感線圈L2p之跨壓的總合所充電。對應地，如第5C圖所示，於時段T1中，分別流經電容器C1及C2的電流IC1 及IC2 將會往負向增加。
因此，對於電源轉換器100而言，提供電源給電阻器RL 的輸出電流Io，可於時段T0中由電容器C1及C2所提供，而於時段T1中則由第一輸出電壓Vol(+)-Vol(-)及電感器L2p所提供。輸出電壓Vo2(+)-Gnd係實質上等於電容器C1及C2的跨壓之和。
根據電感器L1p及L2p的伏秒平衡(voltage-second balance)，吾人可推導其式如下：
Vo 1.D +(Vo 2-Vo 1)(1-D )=0　(2)其中，D代表控制主要開關Q1之訊號Vgs的工作週期，而工作週期可定義為D=T0/(T0+T1)。
電壓增益Vo1/Vi及Vo2/Vo1的推導如下：
因此，電源轉換器100的總電壓增益(以Vo2/Vi表示)可推導為如式(5)所示者：
根據式(5)，第5D繪示第2A圖之電源轉換器100之電壓增益與工作週期之關係，其係對應於抽頭式線圈的匝數比N。如圖所示，在某一給定的工作週期D下，具有高匝數比N的電源轉換器100會有較高的電壓增益。舉例來說，如圖所示，匝數比N及工作週期D可設計為N=4而D=0.6，此時電源轉換器100可提供的電壓增益約有21倍之高。由此可知，相較於傳統之升壓轉換器，本實施例不需於高工作週期下操作，還能提供較高的電壓增益。
再者，本實施例所實現之電源轉換器100更具有高效率的優點。對第2A圖之電源轉換器100所測得之效率係被統整於第5E圖中，其係對應於36-75伏特(V)的輸入電壓、400伏特的輸出電壓、額定輸出功率240瓦(W)、以及切換頻率100k赫茲(Hz)的情況。如圖所示，於此例中，最高效率可達91.2%。
依據本發明之第一實施例，另有更多種電路變化的實施態樣。例如，電路變化的實施態樣可以例如為可將第二輸出電壓端點Vo2(-)，連接至接地端或至第一輸出電壓端點Vo1(+)、及/或從第3A圖及第3B圖所示之兩種可供選擇的架構，來選擇開關元件10、20及50、及/或從第4A圖、第4B圖、及第4C圖所示之三種架構，來選擇主要開關元件60。如此，本實施例將具有128種可能的實施態樣。
其中，第6A圖為依據本發明的第一實施例之電源轉換器100的電路圖。第6A圖的電源轉換器100與第2A圖的電源轉換器100之不同之處在於：輸出電壓的第二端點Vo2(-)係連接至接地端，而非連接至第2A圖的端點N21。
第6B圖為依據本發明的第一實施例之電源轉換器100的另一例之電路圖。第6B圖的電源轉換器100與第2A圖的電源轉換器100之不同之處在於：分別由SW1、SW2要及SW5所代表的開關元件10、20及50，係由MOSFET所實現。於其他例子中，開關元件10及/或開關元件20及/或開關元件50，可由MOSFET來實現。於第3B圖中，上述之開關元件亦可以下列元件來實現：與雙極性電晶體並聯之一二極體、一絕緣柵雙極性電晶體(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、一機電開關(electromechanical switch)、一微機電開關(micro-machined switch)、及一主動半導體開關。藉由提供適當的驅動訊號至開關元件，例如是第6E圖之Vgs1及Vgs2，電源轉換器100便能具有相同於第2A圖所示者的效能。詳言之，驅動訊號Vgs1及Vgs2為具有對應高位準及低位準的切換訊號。驅動訊號Vgs1係用以驅動開關元件Q1及SW5，而驅動訊號Vgs2則係用以驅動開關元件SW1及SW2。此外，如第6E圖所示，驅動訊號Vgs2可以例如在驅動訊號Vgs1位於其低位準時的次週期(sub-period)中被致能，並相隔有延遲時間dt及dt’，以穩定電路的操作。由於MOSFET之導通電阻RDSon的電壓降係低於二極體的順向電壓降，故可降低導電損失並能提高效率。
第6C圖及第6D圖為依據本發明的第一實施例之電源轉換器100的另兩例之電路圖。對於第6C圖之電源轉換器100與第6D圖之電源轉換器100而言，此兩者與第2A圖之電源轉換器100的不同之處在於：主要開關元件60係由第4B圖及第4C圖分別所示之兩個串聯連接的開關Q1、Q2及一二極體Dc所實現。如第6C圖所示，二極體Dc係連接至輸入電壓，而使開關Q2的耐壓得以鉗位至Vi。反之，如第6D圖所示，二極體Dc係連接至第一電容器C1，而使開關Q2的耐壓得以鉗位至Vo1。相較於第2A圖中使用一個高額定電壓之MOSFET的作法，使用兩低額定電壓的MOSFET及其低導通電阻RDSon的優點在於其可以提高效率。
有關如第6A至6D圖所示的電源轉換器，其等之操作係與第2A圖之電路相仿，而可從相關敘述得知，故不於此重述。
請參照第1圖，第7A圖繪示為依據本發明的第二實施例之電源轉換器200的方塊圖，其中，電源轉換器200的電感元件70係以如第7B圖所示者來實現。第7A圖之電源轉換器200與第1圖之電源轉換器100的不同之處在於：第7B圖中，具有兩線圈L1s-L1p之第一電感器L1的端點N14及N15，係串聯連接至一第四開關元件40及一電容器C4。電容器C4可以連接至一作為負載的電阻器RL4 ，以產生Vo1(+)-Vo1(-)與Vo2(+)-Vo2(-)以外的一輸出電壓Vo4(+)-Vo4(-)。
請參照第1圖，第8A圖繪示為依據本發明的第三實施例之電源轉換器300的方塊圖，其中，電源轉換器300的電感元件80係由第8B圖所示者來實現。第8A圖之電源轉換器300與第1圖之電源轉換器100的不同之處在於：第8B圖中，具有兩線圈L2s-L2p之第二電感器L2的端點N24及N25係串聯連接至一第三開關元件30及一電容器C3。電容器C3可以例如是連接至一作為負載的電阻器RL3 ，以產生Vo1(+)-Vo1(-)與Vo2(+)-Vo2(-)以外的一輸出電壓Vo3(+)-Vo3(-)。
請參照第1圖，第9圖繪示為依據本發明第四實施例之電源轉換器400之方塊圖，其中，電源轉換器400的第一電感元件70及第二電感元件80，係分別由第7B及8B圖所示者所實現。除了使用第7B及8B圖的電感性電路之外，若電容器C1-C4可以例如分別連接至作為負載的四個電阻器RL1 -RL4 ，則相較於電源轉換器100、200及300，第8A圖的電源轉換器400可具有四個輸出電壓。
於上述之說明中，電源轉換器100、200、300、及400的四個範例性實施例，係分別提供於第1A、7A、8A及9圖中。然而，上述之電源轉換器的開關元件10、20、30、40及50、主要開關元件60、第一電感元件70、第二電感元件80，其等之實施作法亦可依據如第3A-3B、4A-4C、2B及7B、2C及8B圖所示者以及其等效元件，而以合理的方式而予以組合。有關如第7A、8A及9圖所示的電源轉換器200、300及400，其等之操作應可從相關敘述得知，故不於此重述。
此外，如上所揭露之實施例並非用以限制本發明之實施態樣。上述之諸如電感元件、開關元件、或電容元件應可藉由具有一個或多個電路元件且能達成相同的操作的電路或裝置來實現。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400．．．電源轉換器
10、20、30、40、50．．．開關元件
60．．．主要開關元件
70．．．第一電感元件
80．．．第二電感元件
C1、C2．．．電容器
dt、dt．．．延遲時間
D．．．工作週期
D1、D2、D5、Dc．．．二極體
IL1 、IL2 、IS ．．．電流
Io．．．輸出電流
L1、L2．．．電感器
L1p、L1s、L2p、L2s．．．線圈
N．．．高匝數比
N11、N12、N13、N14、N15、N21、N23、N24、N25．．．端點
Q1．．．MOSFET
RL1 、RL2 ．．．電阻器
SW1、SW2、SW5．．．開關元件
T0、T1．．．時段
Vo1(+)-Vo1(-)、Vo2(+)-Vo2(-)、Vo3(+)-Vo3(-)、Vo4(+)-Vo4(-)．．．升壓輸出電壓
VD1 、VD2 、VDS 、VD5 ．．．跨壓
Vi．．．輸入電壓
Vgs、Vgs1、Vgs2．．．訊號
第1圖繪示依本發明第一實施例之電源轉換器之方塊圖。
第2A圖繪示依本發明第一實施例之電源轉換器之一例之電路圖。
第2B圖繪示乃第一電感器L1之一例之示意圖，其係作為第1圖之電源轉換器100之第一電感元件70。
第2C圖繪示乃第二電感器L2之一例之示意圖，其係作為第1圖之電源轉換器100之第二電感元件80。
第3A及3B圖繪示為第1圖之電源轉換器100之開關元件10、20及50之兩種可供選擇的架構之示意圖。
第4A、4B、及4C圖繪示為第1圖之電源轉換器100之主要開關元件60之三種可能架構之示意圖。
第5A及5B圖繪示為當主要開關元件60導通或截止時第2A圖之電源轉換器100之兩個等效電路。
第5C圖繪示為從第2A圖之電源轉換器100所測得之多個波形。
第5D圖繪示為第2A圖之電源轉換器100之電壓增益與工作週期之關係，其係對應於第一電感器L1之匝數比。
第5E圖繪示為對應不同輸入電壓及不同輸出電流所測得之第2A圖之電源轉換器100之效率。
第6A~6D圖為依據本發明第一實施例之128種可能實現架構之其中四個例子。
第6E圖繪示為依據本發明實施例之兩個訊號的波形，其係用以來控制主要開關元件60及控制藉由第3B圖之電路架構所實現的開關元件10、20、及50。
第7A圖繪示為依據本發明第二實施例之電源轉換器200之方塊圖。
第7B圖繪示乃具有兩線圈L1p-L1s之第一電感器L1之一例之示意圖，其係作為第7A圖之電源轉換器200之第一電感元件70。
第8A圖繪示為依據本發明第三實施例之電源轉換器300之方塊圖。
第8B圖繪示乃具有兩線圈L2p-L2s之第二電感器L2之一例之示意圖，其係作為第8A圖之電源轉換器300之第二電感元件80。
第9圖繪示為依據本發明第四實施例之電源轉換器400之方塊圖。
100．．．電源轉換器
10、20、50．．．開關元件
60．．．主要開關元件
70．．．第一電感元件
80．．．第二電感元件
C1、C2．．．電容器
N11、N12、N13、N21、N23．．．端點
RL1 、RL2 ．．．電阻器
Vo1(+)-Vo1(-)、Vo2(+)-Vo2(-)．．．升壓輸出電壓
Vi．．．輸入電壓
Vgs．．．訊號

Claims (10)

  1. 一種電源轉換器，其包括：一主要開關元件：一第一輸出電路單元，其係依據該主要開關元件來操作，以產生一第一升壓輸出電壓，該第一輸出電路單元包括：一第一電感元件，其係連接至一輸入端；一第一開關元件，其中該第一電感元件係連接於該輸入端及該第一開關元件之間；及一第一電容元件，其係連接於該第一開關元件及一接地端之間，以產生該第一升壓輸出電壓；一第二輸出電路單元，其係依據該主要開關元件來操作，以產生一第二升壓輸出電壓，該第二輸出電路單元包括：一第二電感元件，其係連接於該主要開關元件及該第一電容元件之間；一第二開關元件，其係連接至該第二電感元件與該主要開關元件之一共同端；及一第二電容元件，其係將該第二開關元件連接至一第一端，以產生該第二升壓輸出電壓；以及一輔助開關元件，其係連接於該第一電感元件以及該第二電感元件與該主要開關元件的該共同端之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中：該第一電感元件包括相互串聯之一第一線圈及一第二線圈，其中，該第一線圈係連接於該輸入端以及該第二線圈與該輔助開關元件的一共同端之間，該第二線圈係連接於該第一線圈及該第一開關元件之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中：該第一電感元件包括一第一線圈及一第二線圈，其中，該第一線圈係連接於該輸入端以及該輔助開關元件與該第一開關元件的一共同端之間，其中該第一輸出電路單元更包括：一第四開關元件；以及一第四電容元件，其係連接至該第四開關元件，以產生一第四升壓輸出電壓，其中該第二線圈係連接於該第四開關元件及該第四電容元件之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中該第二電感元件包括一單繞組線圈，該單繞組線圈係將該主要開關元件與該第一電容元件加以連接。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中：第二電感元件包括一第一線圈及一第二線圈，其中該第二電感元件之該第一線圈係連接於該主要開關元件及該第一電容元件之間；其中該第二輸出電路單元更包括：一第三開關元件，連接至該第二電感元件之該第二線圈；以及一第三電容元件，連接至該第三開關元件，用以產生一第三升壓輸出電壓，其中該第二電感元件之該第二線圈係連接於該第三開關元件及該第三電容元件之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電源轉換器，其中：該第一電感元件包括一第一線圈及一第二線圈，其中，該第一電感元件之該第一線圈係連接於該輸入端以及該輔助開關元件與該第一開關元件之一共同端之間；其中，該第一輸出電路單元更包括：一第四開關元件；以及一第四電容元件，其係連接至該第四開關元件，以產生一第四升壓輸出電壓，其中，該第一電感元件之該第二線圈係連接於該第四開關元件及該第四電容元件之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中，該第一開關元件、該第二開關元件、該輔助開關元件，以及該主要開關元件中之一者，包括一金屬氧化物半導體場效電晶體或與一雙極性電晶體並聯之一二極體、一絕緣柵雙極性電晶體、一機電開關、一微機電開關、或一主動半導體開關。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中，該第一端係連接至該第一電容元件或該接地端。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電源轉換器，其中，該主要開關元件包括兩個串聯連接之主動開關及一二極體，其中各該主要開關係由一金屬氧化物半導體場效電晶體或與一雙極性電晶體並聯之一二極體、一絕緣柵雙極性電晶體、一機電開關、一微機電開關、或一主動半導體開關所實現。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電源轉換器，其中，該二極體係連接至該第一電容元件或該輸入端。
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