TWI436567B - Synchronization of coupled inductor having a non-inverting drop zero current of the auxiliary circuit, the boost converter - Google Patents

Synchronization of coupled inductor having a non-inverting drop zero current of the auxiliary circuit, the boost converter Download PDF

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Description

具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相降、升壓轉換器
本發明提出一種耦合電感零電流輔助電路電性連接至一同步非反相降、升壓轉換器，係一種可達成該轉換器兩主開關零電流切換，並且減少元件數的同步非反相降、升壓轉換器電路。
本發明係關於一同步非反相降、升壓轉換器加入耦合電感零電流輔助的電路，以下將就本發明所需之習知技術及專有名詞做簡單介紹。
壹、降、升壓轉換器(Buck-Boost converter)：降、升壓轉換器係一種能夠達到高轉換效率之降壓或升壓的直流/直流轉換器(DC/DC converter)。當想到降壓，很自然的想到利用電阻分壓方式降壓，此方法之電能轉換效率非常差。有鑑於此，即出現了利用開關、電感、電容與二極體組合之轉換電路，此種電路通稱為開關電源供應器(Switched-mode power supply)或交換式電源供應器。其中Buck-Boost converter為該類電源供應器中的一大類，能使直流電源降壓或升壓。貳、零電流/零電壓切換(Zero Current Switching,ZCS/Zero Voltage Switching,ZVS)：當一開關導通或截止時，有一段時間該開關兩側的電壓差值、電流值皆不為零，由電功率公式P=I△V得知，此結果將導致該開關的切換損失。若設計一開關而不採取任何手段防止該切換損失，則稱為硬切換(Hard Switching)，反之則稱為軟切換(Soft Switching)。零電流/零電壓切換(ZCS/ZVS)為交換式電源供應器軟切換技術，能使轉換器開關之切換時間在電流/電壓降為零的瞬間，如此可消除硬切換造成的能 量損失。參、同步非反相降、升壓轉換器(Synchronous Non-inverting Buck-Boost converter)：同步非反相降、升壓轉換器顧名思義即為「同步」且「非反相」之「降、升壓轉換器」。其中「降、升壓轉換器」之部份已在第壹項中略述，此不贅述。「同步」的意義為：兩主開關為同時導通與截止。「非反相」的意義為：輸出端電壓與電源電壓為同相位(共地)，而非反向位(不共地)。同步非反相轉換器因具有電路架構簡單、同相電壓輸出及可操作於升壓或降壓等優點，而被廣泛地應用在電子產品之充電裝置上。肆、耦合電感(Coupled Inductor)：在電力工程領域，「耦合」之意義為：兩個分開的電路或一個電路的兩個分開部分之間的交鏈，可使能量從一個電路傳送到另一個電路，或由電路的一個部分傳送到另一部分。耦合電感之意義為：兩個互相靠近的電感，其中一個電感產生之電流的改變會造成另一個電感之感應電動勢。
目前已有不少降、升壓電源轉換器，諸如：(一)美國專利公開第20100039080號專利，提供一種單一電感降、升壓轉換器。其具備五開關式之電橋設計使控制器可適當調整電感電流至輸出端，使輸出端電壓維持恆定，或控制電感電流接地。該專利宣稱其五開關式電橋設計使轉換器的正負輸出端電流輸出比之範圍擴大。惟此專利注重點為利用感應電流使輸出電壓維持恆定，並不考慮零電流/零電壓切換等更有效率的切換方法。倘若將來電源轉換器之操作頻率需求持續增大，其造成的切換損失將隨頻率增加。(二)美國專利公開第20070075689號專利，提供一種成對降、升壓電源轉換器，其利用單一電感達成高效能及自動輸出阻抗匹配。該專利利用兩個負回饋訊 號，其一當作參考電壓，另一負回饋輸出電壓值，以此控制反向輸出的開關。該負回饋訊號會通過一反相比較器而維持輸出電壓為定值。此專利注重點在於利用單一電感達成高效能及自動輸出阻抗匹配。同樣不考慮零電流/零電壓切換或其他電能損失較小的切換方法，其造成的切換效能損失將隨操作頻率提高而增加。(三)美國專利公開第20060055384號專利，提供一電壓調節器及方法。該專利具有一感應器與複數個開關之切換電路，可調節一電壓源產生一調節輸出電壓。同時具有一控制電路，用以回饋電壓調節器之輸入及輸出電壓，並依據該電壓調節器之輸入及輸出該電壓間的關係來操作，使電路處於降壓或昇壓模式。
此專利注重點在於利用控制電路監控電壓調節器之輸入其輸出電壓，使電路操作在降壓或昇壓模式，同樣不考慮零電流/零電壓切換或其他電能損失較小的切換方法，其造成的切換效能損失將隨操作頻率提高而增加。
因此，考慮到電子產品之操作頻率需求日益增高的情況，要如何提高操作頻率的同時，又能顧及交換式電源供應器所消耗的切換損失，就成為相關研究人員及開發廠商共同努力的目標。
本發明人有鑑於傳統降、升壓轉換器無故及交換式電源供應器所消耗之切換損失，且無法因應未來電子產品操作頻率需求日益增高的情形，進而設計出一種具有耦合電感零電流輔助電路之同步非反向降、升壓轉換器。
本發明藉由設計一耦合電感零電流輔助電路，並電性連接至一具有二雙向性主開關之同步非反相降、升壓轉換器，以同時達成該同步非反相降、 升壓轉換器之二雙向性主開關零電流切換之功能。此外，本發明為一類比電路，具有電路元件少、成本低廉的優點。再者，由於本發明具有零電流切換功能，有利於將電路開關操作於高頻，可有效縮小電路中儲能元件體積，並能因應未來科技高頻化趨勢。
為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的，兹配合圖式將本發明之較佳實施例詳細說明如下。
請參考第一圖，為本發明一較佳實施例之簡略方塊圖，本圖及第二、六、七圖中之Ro係為後級電路之等效阻抗。本發明係一種具耦合電感零電流輔助電路之同步非反向降、升壓轉換器，包含：一降、升壓轉換器(1)，用以輸出一穩定電壓於後級電路；及一耦合電感零電流輔助電路(2)，用以達成該降、升壓轉換器(1)零電流切換之功能。
以下將針對該降、升壓轉換器(1)之所有元件及其連接方式做說明。請參考第二圖，為該降、升壓轉換器(1)之電路方塊圖，其具有：一輸入端(11)；一輸出端(12)；二二極體，係為第一、二二極體(151、152)；一主電容(16)；及二雙向性主開關電路，係為第一、二雙向性主開關電路(131、132)，請同時參考第二、三圖，第三圖係為該二雙向性主開關電路一可能之實施方式，其具有：一正極端(1311、1321)；一負極端(1312、1322)；一單向開關(1313、1323)，具有一輸入端、一輸出端及一控制端，該輸入端係連接於該雙向性主開關電路之正極端(1311、1321)，該輸出端係連接於該雙向性主開關電路 之負極端(1312、1322)；及一二極體(1314、1324)，其陰極端係連接於該雙向性主開關電路之正極端(1311、1321)，其陽極端係連接於該雙向性主開關電路之負極端(1312、1322)。
一主電感耦合諧振電感電路(14)，請同時參考第二、四圖，第四圖係為該主電感耦合諧振電感電路之一實施方式，其具有：三端，係為第一、二、三端(141、142、143)；一主電感(144)，係連接於該第一、二端(141、142)；及一耦合電感(145)，與該主電感(144)纏繞於同一鐵心上，其纏繞處係為該第二端(142)，該耦合電感(145)之另一端係為該第三端(143)；至此將第二圖該降、升壓轉換器(1)之所有元件介紹完畢，以下將針對該降、升壓轉換器(1)元件連接方式做說明。
請參考第二圖，該降、升壓轉換器(1)其各元件之連接方式為：該第一雙向性主開關(131)之正極端(1311)係連接於該降、升壓轉換器(1)之輸入端(11)，其負極端(1312)係連接於該主電感耦合諧振電感電路(14)之第二端(142)；該第二雙向性主開關(132)之正極端(1321)係連接至該主電感耦合諧振電感電路(14)之第一端(141)，其負極端(1322)接地；該第一二極體(151)之陽極端接地，其陰極端係連接於該主電感耦合諧振電感電路(14)之第二端(142)；該第二二極體(152)之陽極端係連接於該主電感耦合諧振電感電路(14)之第一端(141)，其陰極端係連接於該降、升壓轉換器之輸出端(12)；該主電容(16)係連接於該降、升壓轉換器(1)之輸出端(12)及接地。
請參考第三圖，其中該單向開關(1313、1323)之實施方式為：利用一絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)，該IGBT之閘極 (Gate)係為該單向開關(1313、1323)之控制端，該IGBT之集極(Collector)係為該單向開關(1313、1323)之輸入端，該IGBT之射極(Emitter)係為該單向開關(1313、1323)之輸出端。
至此將該降、升壓轉換器(1)之所有元件及其連接方式說明完畢，以下將針對該耦合電感零電流輔助電路(2)之所有元件及其連接方式做說明。
請參考第五圖，為該耦合電感零電流輔助電路(2)一可能之實施方式，其具有：三端，係為第一、二、三端(21、22、23)；一輔助開關(24)，具有一輸入端、一輸出端及一控制端，用以控制該輸入端至輸出端之電流；一諧振電容(25)；及一二極體(26)；其中，該耦合電感零電流輔助電路(2)其元件之連接方式為：該輔助開關(24)之輸入端係為該第一端(21)，其輸出端係連接該二極體(26)之陰極端，該二極體(26)之陽極端係為該第三端(23)；該諧振電容(25)係連接於該第二端(22)，該諧振電容(25)之另一端係連接於該輔助開關(24)之負極端；如第五圖所示，其所示之該輔助開關(24)之實施方式為：利用一加強式N型金氧半場效電晶體(enhancement N type MOSFET,NMOS)，該NMOS之閘極(Gate)係為該輔助開關(24)之控制端，該NMOS汲極(Drain)係為該輔助開關(24)之正極端，該NMOS之源極(Source)係為該輔助開關(24)之負極端。
至此將該耦合電感零電流輔助電路(2)之所有元件及其連接方式說明完畢，以下將針對本發明所有元件之連接方式做說明。請參考第二、五、六圖，第六圖為本發明一較佳實施例之方塊圖，其所示於第二圖中之該降、升壓轉換器(1)及於第五圖中所示該耦合電感零電流輔助電路(2)之連接方式 為：該耦合電感零電流輔助電路(2)之第一端(21)係連接至該降、升壓轉換器(1)之輸入端(11)，其第二端(22)係連接至該主電感耦合諧振電感電路(14)之第三端(143)，其第三端(23)接地。
請參考第七圖，為本發明之最佳實施例之電路圖，如圖所示本發明之運作原理為：該二雙向性主開關電路(131、132)截止(turned-off)之前，該耦合電感零電流輔助電路(2)中之輔助開關(24)將會提前一段時間導通，使該耦合電感Lr(145)產生一感應電流iLr抵銷流經該主電感L(144)之電流iL及流經該第一雙向性主開關電路(131)之電流ic1，此時該主電感(144)將產生一感應電流抵銷流經該第二雙向性主開關電路(132)之電流ic2；當ic1及ic2都因為iLr的產生而被抵銷至零的瞬間，該二雙向性主開關電路(131、132)才截止，因而達到零電流切換之目的。
本發明之關鍵優勢在於：具備二雙向性主開關(131、132)之降、升壓轉換器(1)只需加入一耦合電感零電流輔助電路(2)即可同時達成零電流切換之目的(通常二個開關需搭配二個耦合電感零電流輔助電路以同時達成零電流切換)，因此其電路元件數、所需體積及成本亦減少；再者，因應未來電源轉換器走向高頻化的趨勢，具零電流切換的優勢可將本發明之開關操作頻率提高，進而，使本發明中之所有儲能元件的體積進一步縮小；最後，本發明係為一類比電路，由於不需要加裝一般數位電路所需之數位控制器、類比數位與數位類比轉換器(ADC、DAC)等，因此具有成本低廉、體積小優勢。
此三關鍵優勢充分反映了本發明之進步性及產業利用性，因此爰 依法提出申請。謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
1‧‧‧降、升壓轉換器
11‧‧‧降、升壓轉換器之輸入端
12‧‧‧降、升壓轉換器之輸出端
131、132‧‧‧第一、二雙向性主開關
1311、1321‧‧‧第一、二雙向性主開關之輸入端
1312、1322‧‧‧第一、二雙向性主開關之輸出端
1313、1323‧‧‧第一、二雙向性主開關之單向開關
1314、1324‧‧‧第一、二雙向性主開關之二極體
14‧‧‧主電感耦合諧振電感電路
141、142、143‧‧‧主電感耦合諧振電感電路之第一、二、三端
144‧‧‧主電感耦合諧振電感電路之主電感
145‧‧‧主電感耦合諧振電感電路之耦合電感
151、152‧‧‧第一、二二極體
16‧‧‧主電容
2‧‧‧耦合電感零電流輔助電路
21、22、23‧‧‧耦合電感零電流輔助電路之第一、二、三端
24‧‧‧耦合電感零電流輔助電路之輔助開關
25‧‧‧耦合電感零電流輔助電路之諧振電容
26‧‧‧耦合電感零電流輔助電路之二極體
第一圖係本發明之較佳實施例之簡略方塊圖。
第二圖係本發明之該降、升壓轉換器電路方塊圖。
第三圖係本發明之雙向性主開關電路可能之實施方式。
第四圖係本發明之主電感耦合諧振電感電路可能之實施方式。
第五圖係本發明之耦合電感零電流輔助電路可能之實施方式。
第六圖係本發明之最佳實施例之方塊圖。
第七圖係本發明之最佳實施例電路圖。
1‧‧‧降、升壓轉換器
2‧‧‧耦合電感零電流輔助電路

Claims (7)

  1. 一種具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相降、升壓轉換器，係電性連接至一輸入電壓源，包含：一降、升壓電路，包含：一主電感耦合諧振電感電路；至少二雙向性主開關電路，其中一雙向性主開關電路兩端係分別電性連接至該輸入電壓源以及該主電感耦合諧振電感電路一端，另一雙向性主開關電路兩端係分別電性連接該主電感耦合諧振電感電路另一端及一接地；至少一主電容，其一端接地；以及至少二二極體，其中一二極體兩端係分別電性連接於該主電感耦合諧振電感電路一端以及接地，另一二極體兩端係分別電性連接於該主電感耦合諧振電感電路另一端以及該主電容；以及至少一耦合電感零電流輔助電路，係電性連接於該輸入電壓源、該主電感耦合諧振電感電路及接地。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相降、升壓轉換器，其中該雙向性主開關電路更包含：至少一正極端；至少一負極端；至少一單向開關，具有一輸入端、一輸出端，該輸入端及輸出端係分別電性連接於該雙向性主開關電路之正極端及負極端；至少一二極體，其陽極係電性連接於該單向開關之輸出端，其陰極係電性連接於該單向開關之輸入端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相 降、升壓轉換器，其中該單向開關更包含：至少一絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)，該絕緣柵雙極電晶體之集極(Collector)係為該單向開關之輸入端，該電晶體之射極(Emitter)係為該單向開關之輸出端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相降、升壓轉換器，其中該主電感耦合諧振電感電路更包含：三端，係為第一、二及三端；一主電感，係電性連接於該主電感耦合諧振電感電路之第一、二端；一耦合電感，係與該主電感耦合，係電性連接於該主電感耦合諧振電感電路之第二、三端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相降、升壓轉換器，其中該耦合電感零電流輔助電路更包含：三端，係為第一、二及三端；一輔助開關，包含至少一正極端及一負極端，該正極端係電性連接於該耦合電感零電流輔助電路之第一端；至少一電容，其兩端係分別電性連接於該輔助開關之負極端及該耦合電感零電流輔助電路之第二端；至少一二極體，其陽極端及陰極端係分別電性連接於該耦合電感零電流輔助電路之第三端及該輔助開關之負極端。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相降、升壓轉換器，其輔助開關更包含：至少一加強式N型金氧半場效電晶體(enhancement N type MOSFET,NMOS)，該加強式N型金氧半場效電晶體之汲極(Drain)係為該輔助開關之正極端，該加強式N型金氧半場效電晶體之源極(Source)係為該輔助開關之負極端。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具耦合電感零電流輔助電路之同步非反相 降、升壓轉換器，其中：該主電感耦合諧振電感電路，至少包含三端，係為第一、二及三端；該二雙向性主開關電路，係為第一、二雙向性主開關，每一雙向性主開關電路至少包含一正極端及一負極端，該第一雙向性主開關之負極端係電性連接於該主電感耦合諧振電感電路之第二端，該第二雙向性主開關之正極端及負極端係分別電性連接於該主電感耦合諧振電感電路之第一端及接地；該二二極體，係為第一、二二極體，該第一二極體之陰極端及陽極端係分別電性連接於該主電感耦合諧振電感電路之第二端及接地，該第二二極體之陽極端係電性連接於該主電感耦合諧振電感電路之第一端；該主電容兩端係分別電性連接於該第二二極體之陰極端及接地；該耦合電感零電流輔助電路，至少包含三端，係為第一、二及三端，係分別電性連接於該輸入電壓源、該主電感耦合諧振電感電路之第三端及接地。
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