TWI440290B

TWI440290B - Boost converter

Info

Publication number: TWI440290B
Application number: TW100125826A
Authority: TW
Original assignee: Univ Nat Taipei Technology
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2014-06-01
Also published as: TW201306461A

Description

升壓轉換裝置

本發明是有關於一種升壓轉換裝置，特別是指一種升壓轉換裝置。

升壓轉換裝置廣泛應用於例如：HID光驅動器、不斷電系統、太陽能電池系統及燃料電池系統等領域，以太陽能電池為例，需要升壓轉換裝置將低電壓轉換為高電壓，然後用直流交流轉換器轉換為交流電壓輸出。

傳統的升壓轉換裝置常用推動式(Boost)或返馳式(Flyback)，也有其他類型的升壓轉換裝置，但各自有其缺失，有的升壓轉換裝置具有高轉換效能，但是漏電感伴隨電壓突波且電路相當複雜，有的升壓轉換裝置是浮接輸出且伴隨複雜電路，使得電路分析不易。

因此，本發明之目的，即在提供一種電路較為簡易且具有高升壓比的升壓轉換裝置。

於是，本發明升壓轉換裝置包含一第一電荷幫浦、一第二電荷幫浦、一電感及一輸出電路。

該第一電荷幫浦用以接收一輸入電壓，具有一第一開關元件、一串接該第一開關元件的一端之第二開關元件、一以陽極端連接該第一開關元件之另一端的第一二極體，及一第一升壓電容，該第一升壓電容具有一第一端及一第二端，該第一升壓電容的第一端電性連接該第一二極體的陰極端，該第一升壓電容的第二端電性連接該第一開關元件及該第二開關元件之間；該第二電荷幫浦電性連接該第一電荷幫浦，具有一第三開關元件、一以陽極端與該第一二極體連接的第二二極體，及一具有一第三端及一第四端的第二升壓電容，該第二升壓電容的第三端電性連接該第二二極體的陰極端，該第二升壓電容的第四端電性連接該第三開關元件。

該電感的兩端分別電性連接該第一升壓電容之第一端及該第二升壓電容之第四端；該輸出電路具有一輸出二極體及一輸出電容，該輸出二極體之陽極端耦接該第二升壓電容之第三端，該輸出電容與該輸出二極體連接，並藉由該第一開關元件、該第二開關元件及該第三開關元件分別接受一波寬調整控制訊號驅動而呈導通或不導通並使該輸入電壓升壓後由該輸出電路輸出。

較佳的，該波寬調整控制訊號的責任週期區間分別為D及1-D，其中的區間D是該第一開關元件與該第三開關元件導通且該第二開關元件不導通，區間1-D是該第二開關元件導通且第一開關元件與該第三開關元件不導通。

本發明的升壓轉換裝置之功效在於：電路設計容易實現，並可達到高升壓比，並且容易進行電路分析，可應用於不斷電系統、太陽能電池系統及燃料電池系統等領域。

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，本發明之較佳實施例中，升壓轉換裝置100包含一第一電荷幫浦11、一第二電荷幫浦12、一電感L及一輸出電路14。

第一電荷幫浦11用以接收一輸入電壓V_i ，具有一第一開關元件S₁ (具有本體二極體D₁ )、一串接該第一開關元件S₁ 的一端之第二開關元件S₂ (具有本體二極體D₂ )、一以陽極端連接第一開關元件S₁ 之另一端的第一二極體D_b1 ，及一第一升壓電容C_b1 ，該第一升壓電容C_b1 具有一第一端21及一第二端22，該第一升壓電容C_b1 的第一端21電性連接該第一二極體D_b1 的陰極端，該第一升壓電容C_b1 的第二端22電性連接該第一開關元件S₁ 及該第二開關元件S₂ 之間。

第二電荷幫浦12電性連接該第一電荷幫浦11，具有一第三開關元件S₃ (具有本體二極體D₃ )、一以陽極端與該第一二極體D_b1 的陽極端電性連接的第二二極體D_b2 ，及一具有一第三端23及一第四端24的第二升壓電容C_b2 ，該第二升壓電容C_b2 的第三端23電性連接該第二二極體D_b2 的陰極端，該第二升壓電容C_b2 的第四端24電性連接該第三開關元件S₃ 。

電感L的兩端分別電性連接第一升壓電容C_b1 之第一端21及第二升壓電容C_b2 之第四端24；輸出電路14具有一輸出二極體D_o 及一輸出電容C_o ，輸出二極體D_o 之陽極端耦接第二升壓電容C_b2 之第三端23，且輸出電容C_o 與輸出二極體D_o 的陰極端電性連接及一輸出電阻R_o 電性連接。

本實施例中，第一開關元件S₁ 、第二開關元件S₂ 及第三開關元件S₃ 皆為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，且第一開關元件S₁ 、第二開關元件S₂ 及第三開關元件S₃ 的閘源極皆分別接受一波寬調整控制訊號驅動而呈導通或不導通，藉由該波寬調整控制訊號驅動而呈導通或不導通驅使該輸入電壓V_i 升壓為輸出電壓V_o 後再由輸出電路14輸出。

參閱圖2及圖3，以下介紹各狀態的電流方向，並列出對應直流輸入電壓V_i 及直流輸出電壓V_o 的關係式，以下說明是依據下述狀況所設計：(i)忽略在各開關元件S₁ 、S₂ 、S₃ 之間的死域時間(dead time)；(ii)忽略開關元件S₁ 、S₂ 、S₃ 及導通時的各二極體D_b1 、D_b2 的壓降；(iii)第一升壓電容C_b1 及第二升壓電容C_b2 基於電荷幫浦原則(charge pump principle)運作，且在遠低於開關週期的短時間內可充電至輸入電壓，第一升壓電容C_b1 及第二升壓電容C_b2 之容值大到足夠令第一升壓電容C_b1 及第二升壓電容C_b2 保持在輸入電壓v_i ；(iv)輸出電壓為v_i ，輸出電流為i_i ，輸出電壓為v_o ，流經電感L、第一升壓電容C_b1 及第二升壓電容C_b2 的電流分別為i_L ,i_b1 及i_b2 ；(v)操作模式為連續導通模式(CCM)。

I. 第一狀態：

參閱圖2，在此狀態為第一開關元件S₁ 及第三開關元件S₃ 導通及第二開關元件S₂ 不導通；當第三開關元件S₃ 導通時，第二二極體D_b2 順偏，使第二升壓電容C_b2 充電，第一開關元件S₁ 導通，第一二極體D_b1 反偏，造成第一升壓電容C_b1 放電，同時，電感L為兩倍輸入電壓2v_i ，電感 L被磁化，輸出電容C_o 釋放能量至輸出側，相關電壓及電流計算方式如下述公式1。

II. 第二狀態：

參閱圖3，在此狀態為第二開關元件S₂ 導通，第一開關元件S₁ 及第三開關元件S₃ 不導通；第二開關元件S₂ 導通時，第一二極體D_b1 順偏，造成第一升壓電容C_b1 被充電，第三開關元件S₃ 不導通時，第二二極體D_b2 反偏，第二升壓電容C_b2 被放電，同時，電感L電壓為兩倍輸入電壓2v_i 扣除輸出電壓v_o ，電感L被去磁化，輸出電容C_o 被激化，相關電壓及電流計算方式如下述公式2。

根據公式1及公式2及伏秒定律，電壓轉換效能如公式 3。

本較佳實施例中的各元件的實際規格如下：(i)輸入電壓V_i 設定為12V；(ii)輸出電壓V_o 設定為60V；(iii)輸出額定功率P_o-rated 設定為40W；(iv)任何負載輸入功率等於輸出功率；(v)最小輸出功率P_o-min 為4W，其額定負載(rated load)為輸出功率P_o-rated 的10%；(vi)開關頻率f_s 為195kHz；(vii)輸出電容C_o 選用容值680μF；(viii)第一二極體D_b1 、第二二極體D_b2 及輸出二極體D_o 分別為MBR3045PT,MBR40100PT及MBR40100PT；(ix)第一開關元件S₁ 、第二開關元件S₂ 及第三開關元件S₃ 的型號分別為FDMC7672S、FDMC7672S及FDP120N10；(x)FPGA控制晶片的型號為EP1C3T100C8。

參閱圖4至圖6，分別是依據前述規格的第一開關元件S₁ 及第二開關元件S₂ 的波寬調整控制訊號(以下簡稱閘極驅動訊號)及第一升壓電容C_b1 及第二升壓電容C_b2 的電壓在額定負載(rated load)為10%,50%及100%所量測的波形，圖4至圖6的(a)代表第一開關元件S₁ 的閘極驅動訊號M₁ ；(b)代表第二開關元件S₂ 的閘極驅動訊號M₂ ；(c)代表第一升壓電容C_b1 的電壓訊號V_cb1 ；(d)代表第二升壓電容C_b2 的電壓訊號V_cb2 ；值得注意的是，隨著額定負載增加，第一升壓電容C_b1 及第二升壓電容C_b2 的電壓越低，這是因為前置電壓(forward voltage)降低且寄生元件(parasitic components) 的電壓隨著負載電流增加而增加。

參閱圖7至圖9，分別是依據前述規格的第一開關元件S₁ 及第二開關元件S₂ 的波寬調整控制訊號(以下簡稱閘極驅動訊號)及電感L的電流對應10%，50%及100%的額定負載的波形，圖7至圖9的(a)代表第一開關元件S₁ 的閘極驅動訊號M₁ ；(b)代表第二開關元件S₂ 的閘極驅動訊號M₂ ；(c)代表電感L的電流訊號i_L ：值得注意的是，10%的額定負載操作於連續導通模式。

參閱圖10，在額定負載對應轉換效能的曲線中，可知本發明的升壓轉換裝置100之轉換效率皆能在86%以上，在額定負載的轉換效率更高達94%。

綜上所述，本發明的升壓轉換裝置100之功效在於：電路設計容易實現，並可達到高升壓比，並且容易進行電路分析，可應用於不斷電系統、太陽能電池系統及燃料電池系統等領域，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‧‧‧升壓轉換裝置

11‧‧‧第一電荷幫浦

12‧‧‧第二電荷幫浦

14‧‧‧輸出電路

21‧‧‧第一端

22‧‧‧第二端

23‧‧‧第三端

24‧‧‧第四端

C_b1 ‧‧‧第一升壓電容

C_b2 ‧‧‧第二升壓電容

C_o ‧‧‧輸出電容

D₁ 、D₂ 、D₃ ‧‧‧本體二極體

D_b1 ‧‧‧第一二極體

D_b2 ‧‧‧第二二極體

D_o ‧‧‧輸出二極體

L‧‧‧電感

R_o ‧‧‧輸出電阻

S₁ ‧‧‧第一開關元件

S₂ ‧‧‧第二開關元件

S₃ ‧‧‧第三開關元件

V_i ‧‧‧輸入電壓

V_o ‧‧‧輸出電壓

圖1是本發明的升壓轉換裝置之較佳實施例的電路圖；圖2是本發明的升壓轉換裝置於第一狀態之電路圖；圖3是本發明的升壓轉換裝置於第二狀態之電路圖；圖4至圖6是第一開關元件及第二開關元件的閘極驅動訊號及第一升壓電容及第二升壓電容的電壓在額定負載分別為10%,50%及100%所量測的波形圖；圖7至圖9是第一開關元件及第二開關元件的閘極驅動訊號及電感的電流對應10%，50%及100%的額定負載的波形圖；及圖10是負載對應轉換效能的曲線圖。

100．．．升壓轉換裝置

11．．．第一電荷幫浦

12．．．第二電荷幫浦

14．．．輸出電路

21．．．第一端

22．．．第二端

23．．．第三端

24．．．第四端

C_b1 ．．．第一升壓電容

C_b2 ．．．第二升壓電容

C_o ．．．輸出電容

D₁ 、D₂ 、D₃ ．．．本體二極體

D_b1 ．．．第一二極體

D_b2 ．．．第二二極體

D_o ．．．輸出二極體

L．．．電感

R_o ．．．輸出電阻

S₁ ．．．第一開關元件

S₂ ．．．第二開關元件

S₃ ．．．第三開關元件

V_i ．．．輸入電壓

V_o ．．．輸出電壓

Claims

一種升壓轉換裝置，包含：一第一電荷幫浦，用以接收一輸入電壓，具有一第一開關元件、一串接該第一開關元件的一端之第二開關元件、一以陽極端連接該第一開關元件之另一端的第一二極體，及一第一升壓電容，該第一升壓電容具有一第一端及一第二端，該第一升壓電容的第一端電性連接該第一二極體的陰極端，該第一升壓電容的第二端電性連接該第一開關元件及該第二開關元件之間；一第二電荷幫浦，電性連接該第一電荷幫浦，具有一第三開關元件、一以陽極端與該第一二極體的陽極端電性連接的第二二極體，及一具有一第三端及一第四端的第二升壓電容，該第二升壓電容的第三端電性連接該第二二極體的陰極端，該第二升壓電容的第四端電性連接該第三開關元件；一電感，兩端分別電性連接該第一升壓電容之第一端及該第二升壓電容之第四端；及一輸出電路，具有一輸出二極體及一輸出電容，該輸出二極體之陽極端耦接該第二升壓電容之第三端，該輸出電容與該輸出二極體的陰極端電性連接，並藉由該第一開關元件、該第二開關元件及該第三開關元件分別接受一波寬調整控制訊號驅動而呈導通或不導通並使該輸入電壓升壓後由該輸出電路輸出。
依據申請專利範圍第1項所述之升壓轉換裝置，其中，該波寬調整控制訊號的責任週期區間分別為D及1-D，其中的區間D是該第一開關元件與該第三開關元件導通且該第二開關元件不導通，區間1-D是該第二開關元件導通且第一開關元件與該第三開關元件不導通。