TWI418130B - Step-up conversion circuit - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種電壓轉換電路，特別是指一種升壓轉換電路。
升壓轉換器廣泛應用於產業，例如：不斷電(UPS)系統，或太陽能電能產生系統，將低直流(DC)電壓昇壓為高直流電壓的直流型高升壓轉換器是必要的組件。
在早期技術，升壓轉換器是利用充電幫浦(charge pump)的概念，實現高升壓轉換器就將多個充電幫浦串接起來，但是，使用越多充電幫浦就需要越多開關元件，並會降低此類高升壓轉換器的轉換效率；除此以外，電容值越大，浪湧電流(surge current)也越高。
近年來，例如返馳式轉換器或耦合電感式的高升壓轉換器是採用磁能元件的圈數比來得到高升壓比，然而，上述高升壓轉換器的缺失例如：輸出端浮動，或是電路複雜，或是只能用於低功率應用，或是開關元件設置於浮動電壓端而非接地端而需要額外的隔離驅動電路，徒增系統複雜度。
本發明之目的，即在提供一種架構簡單但具有高升壓比率之升壓轉換電路。
本發明升壓轉換電路適用於將一輸入電壓進行升壓轉換以輸出一輸出電壓，該升壓轉換電路包含一電感器、一第一儲能電容、一第二儲能電容、一第一二極體、一第二二極體、一第一開關、一第二開關及一輸出電容。
該電感器由一初級繞組及一次級繞組組成，該初級繞組具有一接收該輸入電壓的第一端及一第二端，該次級繞組具有一第一端及一第二端。
該第一儲能電容具有一與該初級繞組之第二端耦接的第一端及一第二端。
該第二儲能電容具有一與該次級繞組之第一端耦接的第一端及一第二端，且第二儲能電容的第二端接地。
該第一二極體具有一與該次級繞組之第二端耦接的陽極端及一與該第一儲能電容之第二端耦接的陰極端。
該第二二極體具有一與該第一儲能電容之第二端耦接的陽極端及一陰極端。
該第一開關具有一接地的第一端及一與該初級繞組之第二端耦接的第二端。
該第二開關具有一與該初級繞組之第二端耦接的第一端及一與該次級繞組之第一端耦接的第二端。
該輸出電容具有一與該第二二極體之陰極端及電壓輸出端耦接的第一端及一接地的第二端。
當該第一開關導通且該第二開關不導通時，該次級繞組由初級繞組獲取感應電壓，令該第一二極體被順偏導通，該第二二極體被反向偏壓，該第二儲能電容及該輸出電容被放電，該第一儲能電容被充電；當該第一開關不導通且該第二開關導通時，沿著該次級繞組的電壓被自該初級繞組的電壓導通，令該初級繞組被消除能量，該第一二極體被反向偏壓，該第二二極體被正向偏壓，該第二儲能電容及該輸出電容被充電，該第一儲能電容被放電。
較佳的，該第一開關具有一第一電晶體與第二開關具有一第二電晶體，且該第一電晶體與該第二電晶體的第一端與第二端之間分別連接一個未導通時作為放電用途的二極體；該第一電晶體與該第二電晶體均為N型金氧半場效電晶體，該第一電晶體與該第二電晶體兩者的第一端為源極，而第一電晶體與該第二電晶體兩者的第二端為汲極，該第一電晶體與該第二電晶體還分別具有一為閘極的第三端，此第三端係受控端以決定導通與否。
本發明升壓轉換電路之功效在於，藉由一個電感器、兩個二極體、兩個儲能電容及兩個開關就可達成高升壓轉換的目的，不但元件組成簡單容易實施，且本發明升壓轉換電路之轉換效能相較於以往的電路架構也有較佳的表現。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖1，為本發明之較佳實施例中，升壓轉換電路100具有一輸入端201及一輸出端202，升壓轉換電路100主要是於輸入端201加載一輸入電壓V in
，進行升壓轉換後，於輸出端202輸出一輸出電壓V out
。
升壓轉換電路100還包含一電感器(由一初級繞組L N1
及一次級繞組L N2
組成)、一第一儲能電容C 1
、一第二儲能電容C 2
、一第一二極體D1
、一第二二極體D2
、一第一開關14、一第二開關13及一輸出電容C o
。
初級繞組L N1
具有一連接輸入端201以接收輸入電壓V in
的第一端111及一第二端112，次級繞組L N2
具有一第一端151及一第二端152，次級匝數N2除以初級匝數N1等於一匝數比。
第一儲能電容C 1
具有一與初級繞組L N1
之第二端112耦接的第一端121及一第二端122。
第二儲能電容C 2
具有一與次級繞組L N2
之第一端151耦接的第一端161及一第二端162，且第二儲能電容C 2
的第二端162接地。
第一二極體D1
具有一與次級繞組L N2
之第二端152耦接的陽極端171及一與第一儲能電容C 1
之第二端122耦接的陰極端172。
第二二極體D2
具有一與第一儲能電容C 1
之第二端122耦接的陽極端191及一陰極端192。
第一開關14具有一接地的第一端141及一與初級繞組L N1
之第二端112耦接的第二端142。
第二開關13具有一與初級繞組L N1
之第二端112耦接的第一端131及一與次級繞組L N2
之第一端151耦接的第二端132。
輸出電容C o
具有一與第二二極體D2
之陰極端192及輸出端202耦接的第一端181及一接地的第二端182。
本較佳實施例中，第一開關14具有一第一電晶體Q 1
與第二開關13具有一第二電晶體Q 2
，且第一電晶體Q 1
與第二電晶體Q 2
均為N型金氧半場效電晶體，第一電晶體Q 1
與第二電晶體Q 2
兩者的第一端為源極，而第二端為汲極，第一電晶體Q 1
與第二電晶體Q 2
還分別具有一為閘極的第三端，此第三端係受控端以決定導通與否，且第一電晶體Q 1
的第一端141與第二端142之間連接一個未導通時作為放電用途的二極體D3
，第二電晶體Q 2
的第一端131與第二端132之間連接一個未導通時作為放電用途的二極體D4
。
此外，藉由一控制器(圖未示)產生的閘極驅動訊號M1可用來驅動第一電晶體Q 1
以及配合同步整流的閘極驅動訊號M2用來驅動第二電晶體Q 2
。值得注意的是，第一電晶體Q 1
與第二電晶體Q 2
可接續半橋驅動器後被驅動。
本較佳實施例中，升壓轉換電路100在連續導通模式(Continuous Conduction Mode；簡稱CCM)有兩種操作模式，分述如下。
參閱圖2，第一操作模式是第一開關14導通且第二開關13不導通時，次級繞組L N2
由初級繞組L N1
獲取感應電壓，因此第一二極體D1
被順偏導通，第二二極體D2
被反向偏壓，第二儲能電容C 2
及輸出電容C o
被放電，第一儲能電容C 1
被充電。
第一操作模式有三條功率(power flow)路徑，其中一路徑是通過初級繞組L N1
至第一二極體D1
；其中一路徑是通過次級繞組L N2
、第一二極體D1
、第一儲能電容C 1
後至第一開關14的第一電晶體Q 1
；另一路徑是通過輸出電容C o
至輸出端202提供輸出電壓V out
；此模式下，第一儲能電容C 1
之第一儲能電壓V C1
=V C2
+V in
*。
參閱圖3，第二操作模式是第一開關14不導通且第二開關13導通時，沿著次級繞組L N2
的電壓被自初級繞組L N1
的電壓導通，致使初級繞組L N1
被消除能量，第一二極體D1
被反向偏壓，第二二極體D2
被正向偏壓，第二儲能電容C 2
及輸出電容C o
被充電，第一儲能電容C 1
被放電；在此模式有兩條功率路徑，其中一路徑是經過第二開關13對第二儲能電容C 2
充電，另一路徑是輸入電壓V in
經由初級繞組L N1
、第一儲能電容C 1
，使第二二極體D2
順偏導通而通過輸出電容C o
至輸出端202提供輸出電壓V out
。
依據伏特-秒平衡(volt-second balance)原理，第二儲能電壓V C2
=V in
*；又，第一儲能電壓V C1
=V in
*+V in
*；且輸出電壓；因此，輸出電壓V out
=V in
*()。
本較佳實施例於模擬的電路規格為(i)輸入電壓V in
為24伏特；(ii)輸出電壓V out
為170伏特；(iii)輸出電流範圍為0.1安培至to 1.4安培；以及(iv)開關頻率為200k赫茲。
參閱圖4，第一電晶體Q 1
的驅動電壓Vgs1
，以及沿著第一電晶體Q 1
的電壓Vds1
及第一電晶體Q 2
的電壓Vds2
皆處於滿載(full load)的狀態；由圖4可知，兩個電壓峰值幾乎相同約為48伏特。
參閱圖5，呈現初級繞組L N1
之初級電壓VP
、初級電流IP
、次級繞組L N2
之次級電壓VS
、次級電流IS
，均處於滿載的狀態；由圖5可知，因為漏電感(leakage inductance)隨著第二儲能電容C 2
的電壓VCB
使得次級電壓VS
的波形有高頻振盪(high-frequency oscillation)發生。
參閱圖6，描繪沿著第一儲能電容C1
的電壓，及第二儲能電容C 2
的電壓；及交流電壓(AC voltage)加載第一儲能電容C 1
的電壓，及第二儲能電容C 2
的電壓，均處於滿載的狀態；由圖6可知，沿著第一儲能電容C 1
的電壓，及第二儲能電容C 2
的電壓幾乎保持固定值，分別為120伏特及對應的48伏特。
參閱圖7，呈現轉換效能(efficiency)及輸出負載(output load)的折線圖，本發明的升壓轉換電路100在全部的負載範圍都維持在87%以上，在輕載(light load)狀態甚至可高達約95%，與發明人所提出的先前架構一、先前架構二及先前架構三相比較，本發明的升壓轉換電路100有較佳的轉換效能；其中，先前架構一是「基於升壓型轉換器及電荷幫浦的高升壓行轉換器(High step-up converter based on charge pump and boost converter)」，先前架構二是「基於電荷幫浦及負向電壓箝制的耦合電感的電壓-升壓型轉換器(Voltage-boosting converter based on charge pump and coupling inductor with passive voltage clamping)」，及先前架構三是「KY升壓型轉換器(KY boost converter)」。
綜上所述，本發明升壓轉換電路100之功效在於，藉由電感器(由一初級繞組L N1
及一次級繞組L N2
組成)、第一儲能電容C 1
、第二儲能電容C 2
、第一二極體D1
、第二二極體D2
、第一開關14、第二開關13及輸出電容C o
就可達成高升壓轉換的目的，不但元件組成簡單容易實施，且本發明升壓轉換電路100之轉換效能相較於以往的電路架構也有較佳的表現，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內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內。
100．．．升壓轉換電路
111．．．初級繞組的第一端
112．．．初級繞組的第二端
121．．．第一儲能電容的第一端
122．．．第一儲能電容的第二端
13．．．第二開關
131．．．第二開關的第一端
132．．．第二開關的第二端
14．．．第一開關
141．．．第一開關的第一端
142．．．第一開關的第二端
151．．．次級繞組的第一端
152．．．次級繞組的第二端
171．．．第一二極體的陽極
172．．．第一二極體的陰極
161．．．第二儲能電容的第一端
162．．．第二儲能電容的第二端
181．．．輸出電容的第一端
182．．．輸出電容的第二端
191．．．第二二極體的陽極
192．．．第二二極體的陰極
201．．．輸入端
202．．．輸出端
L N1
．．．初級繞組
L N2
．．．次級繞組
C 1
．．．第一儲能電容
C 2
．．．第二儲能電容
C o
．．．輸出電容
D1
．．．第一二極體
D2
．．．第二二極體
D3
、D4
．．．二極體
Q 1
．．．第一電晶體
Q 2
．．．第二電晶體
圖1是一電路圖，說明本發明升壓轉換電路之較佳實施例；
圖2是一電路示意圖，說明本發明升壓轉換電路之第一開關導通且第二開關不導通的狀態；
圖3是一電路示意圖，說明本發明升壓轉換電路之第一開關不導通且第二開關導通的狀態；
圖4至6是波形圖，說明本發明升壓轉換電路的實際模擬結果；及
圖7是折線圖，說明本發明升壓轉換電路的轉換效能相較於三種先前架構為佳。
100．．．升壓轉換電路
111．．．初級繞組的第一端
112．．．初級繞組的第二端
121．．．第一儲能電容的第一端
122．．．第一儲能電容的第二端
13．．．第二開關
131．．．第二開關的第一端
132．．．第二開關的第二端
14．．．第一開關
141．．．第一開關的第一端
142．．．第一開關的第二端
151．．．次級繞組的第一端
152．．．次級繞組的第二端
171．．．第一二極體的陽極
172．．．第一二極體的陰極
161．．．第二儲能電容的第一端
162．．．第二儲能電容的第二端
181．．．輸出電容的第一端
182．．．輸出電容的第二端
191．．．第二二極體的陽極
192．．．第二二極體的陰極
201．．．輸入端
202．．．輸出端
L N1
．．．初級繞組
L N2
．．．次級繞組
C 1
．．．第一儲能電容
C 2
．．．第二儲能電容
C o
．．．輸出電容
D1
．．．第一二極體
D2
．．．第二二極體
D3
、D4
．．．二極體
Q 1
．．．第一電晶體
Q 2
．．．第二電晶體
Claims (2)
- 一種升壓轉換電路，適用於將一輸入電壓進行升壓轉換以輸出一輸出電壓，該升壓轉換電路包含：一電感器，由一初級繞組及一次級繞組組成，該初級繞組具有一接收該輸入電壓的第一端及一第二端，該次級繞組具有一第一端及一第二端；一第一儲能電容，具有一與該初級繞組之第二端耦接的第一端及一第二端；一第二儲能電容，具有一與該次級繞組之第一端耦接的第一端及一第二端，且第二儲能電容的第二端接地；一第一二極體，具有一與該次級繞組之第二端耦接的陽極端及一與該第一儲能電容之第二端耦接的陰極端；一第二二極體，具有一與該第一儲能電容之第二端耦接的陽極端及一陰極端；一第一開關，具有一接地的第一端及一與該初級繞組之第二端耦接的第二端；一第二開關，具有一與該初級繞組之第二端耦接的第一端及一與該次級繞組之第一端耦接的第二端；及一輸出電容，具有一與該第二二極體之陰極端及輸出電壓端耦接的第一端及一接地的第二端；當該第一開關導通且該第二開關不導通時，該次級繞組由初級繞組獲取感應電壓，令該第一二極體被順偏導通，該第二二極體被反向偏壓，該第二儲能電容及該輸出電容被放電，該第一儲能電容被充電；當該第一開關不導通且該第二開關導通時，沿著該次級繞組的電壓被自該初級繞組的電壓導通，令該初級繞組被消除能量，該第一二極體被反向偏壓，該第二二極體被正向偏壓，該第二儲能電容及該輸出電容被充電，該第一儲能電容被放電。
- 依據申請專利範圍第1項所述之升壓轉換電路，其中，該第一開關具有一第一電晶體與第二開關具有一第二電晶體，且該第一電晶體與該第二電晶體的第一端與第二端之間分別連接一個未導通時作為放電用途的二極體；該第一電晶體與該第二電晶體均為N型金氧半場效電晶體，該第一電晶體與該第二電晶體兩者的第一端為源極，而第一電晶體與該第二電晶體兩者的第二端為汲極，該第一電晶體與該第二電晶體還分別具有一為閘極的第三端，此第三端係受控端以決定導通與否。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW100117568A TWI418130B (zh) | 2011-05-19 | 2011-05-19 | Step-up conversion circuit |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI463773B (zh) * | 2012-12-05 | 2014-12-01 | Hep Tech Co Ltd | Isolated power conversion device and its automatic charge and discharge circuit and power conversion method |
| CN102983745B (zh) | 2012-12-12 | 2015-04-08 | 华为技术有限公司 | 一种电压调节方法、预稳压电源电路及系统 |
| TWI477049B (zh) * | 2013-01-21 | 2015-03-11 | Univ Nat Taipei Technology | A power conversion device with a high conversion ratio |
| TWI489753B (zh) * | 2013-10-09 | 2015-06-21 | Univ Nat Taipei Technology | 混合式高升壓轉換器 |
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| CN108631584A (zh) * | 2018-04-25 | 2018-10-09 | 中山大学 | 一种dc-dc电力变换器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0712546B1 (en) * | 1994-06-08 | 2001-08-16 | Emerson Energy Systems AB | Pulse width modulated dc-to-dc boost converter |
| US7098633B1 (en) * | 2005-07-15 | 2006-08-29 | Analog Devices, Inc. | Boost converter with series switch |
| TW200929819A (en) * | 2007-12-19 | 2009-07-01 | Univ Nat Taipei Technology | A boost voltage converter |
| CN100524505C (zh) * | 2000-06-30 | 2009-08-05 | 英特尔公司 | 升压电路，包括该升压电路的存储器电路及提供电压的方法 |
| TW200941911A (en) * | 2008-02-11 | 2009-10-01 | Osram Gmbh | Boost-converter and method for operating an electrical load with DC-voltage |
| TW201015837A (en) * | 2008-10-07 | 2010-04-16 | Univ Hungkuang | Voltage-boosting device |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0712546B1 (en) * | 1994-06-08 | 2001-08-16 | Emerson Energy Systems AB | Pulse width modulated dc-to-dc boost converter |
| CN100524505C (zh) * | 2000-06-30 | 2009-08-05 | 英特尔公司 | 升压电路，包括该升压电路的存储器电路及提供电压的方法 |
| US7098633B1 (en) * | 2005-07-15 | 2006-08-29 | Analog Devices, Inc. | Boost converter with series switch |
| TW200929819A (en) * | 2007-12-19 | 2009-07-01 | Univ Nat Taipei Technology | A boost voltage converter |
| TW200941911A (en) * | 2008-02-11 | 2009-10-01 | Osram Gmbh | Boost-converter and method for operating an electrical load with DC-voltage |
| TW201015837A (en) * | 2008-10-07 | 2010-04-16 | Univ Hungkuang | Voltage-boosting device |
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