TWI441430B - 具漏感能量回收高升壓直流－直流轉換系統 - Google Patents

具漏感能量回收高升壓直流－直流轉換系統 Download PDF

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Shih Ming Chen
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Description

具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統
本發明係關於一種具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，尤指一種將一低壓直流電升壓為一高壓直流電、並可將漏感能量進一步回收以減少功率消耗之漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統。
昇壓轉換器是一種將一輸入直流電壓轉換成一輸出直流電壓的電源轉換器，其中，輸出直流電壓大於它的輸入直流電壓。它是一種切換模式電源供應器。昇壓轉換器主要利用一電感抗拒改變電流的趨勢。當對電感儲能時，該電感充當負荷和吸收能量，當釋能時，該電感所產生的電壓係與電流變化率相關，藉此產生與輸入直流電壓不同的輸出直流電壓。
昇壓轉換器工作在連續導通模式時，其具有一導通狀態及一截止狀態。其電壓增益Gv 可表示為：
當中，D為昇壓轉換器內一開關的工作週期。藉由調整工作週期，則可獲得不同的電壓增益。亦即當工作週期變大且接近1時，則可得到高的輸出直流電壓。
然而由於等效串連阻抗(equivalent series resistance,ESR)會將低電壓增益及轉換效率，在實際上很難設計具有高電壓增益的昇壓轉換器。
於是，返馳式轉換器(flyback converter)即被提出以解決上述之問題。返馳式轉換器可使用於交流/直流轉換與直流/直流轉換，其在輸入與輸出之間使用一電隔離(galvanic isolation)。然而，返馳式轉換器其切換裝置由於變壓器繞線組所產生的漏感，轉換器本身需承受漏感所造成的高電壓及高電流，容易導致轉換器的損毀，故需使用高壓製程的元件，如此一來，轉換器的製造成成本將大幅的增加。
因此，如何降低元件的製造成本、以及如何改善繞線組所產生的漏感問題便成為業界及學界所關注的議題。也因此，業界極需要一種可降低元件的製造成本、及可回收漏感能量以避免因漏感而導致轉換器的損毀的具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統。
本發明之目的係在提供一種具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，俾能使用一功率開關、二極體和輸出電容，即可達成高的直流輸出電壓，並可將漏感能量進一步回收以減少功率消耗，以提高電路之整體效率。
為達成上述目的，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，係用以將一低壓直流電升壓為一高壓直流電，係包括：一電壓輸入單元，係用以輸入此低壓直流電；一三繞組變壓器，係具有一一次側繞組、一第一二次側繞組、及一第二二次側繞組；一功率開關，係電性連接至此三繞組變壓器之此一次側繞組及此電壓輸入單元；一第一電容，此第一電容的一端係電性連接至此三繞組變壓器之此一次側繞組；一第一二極體，係具有一正極端及一負極端，且此正極端係電性連接至此三繞組變壓器之此一次側繞組，此負極端則電性連接至此第一電容之未與此一次側繞組電性連接的另一端；一第二電容，此第二電容的一端係電性連接至此第一二極體之此負極端，此第二電容的另一端則電性連接至此第一二次側繞組；一第二二極體，係具有一正極端及一負極端，且此第二二極體的一正極端係電性連接至此第一二極體之此負極端；一第三二極體，係具有一正極端及一負極端，且此正極端係電性連接至此三繞組變壓器之此第二二次側繞組；一第三電容，此第三電容的一端係電性連接至此第一二次側繞組，此第三電容的另一端則電性連接至此第三二極體之此負極端；一第四二極體，係具有一正極端及一負極端，且此正極端係電性連接至此第三二極體之此負極端；一第四電容，此第四電容的一端係電性連接至此第一二次側繞組，此第四電容的另一端則電性連接至此第二二次側繞組；一輸出電容，此輸出電容的一端係電性連接至此第四二極體之此負極端，此輸出電容的另一端則電性連接至此第一二極體之此正極端；以及一負載單元，係跨接於此輸出電容之兩端，用以輸出此高壓直流電。
其中，於本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統中，其所應用之功率開關並無限定為何種功率開關，任何具有開關功能之功率開關皆可適用於本發明中。然而，此處之功率開關較佳為一低耐壓之功率開關、或為一絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor)。而於本發明一更佳實例中，此功率開關更佳為一MOS電晶體。
再者，此第一二次側繞組與此一次側繞組之匝數比係與此第二二次側繞組與此一次側繞組之匝數比較佳為相同。如此一來，可簡化本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之電路架構，使得本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統在電路的分析上更為簡便。
此外，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之操作模式並無限制，例如為不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode)、邊界導通模式(Boundary Conduction Mode)、或連續導通模式(Continuous Conduction Mode)。然而，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之操作模式較佳為操作於連續導通模式。
其中，當本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統操作於上述之連續導通模式時，其係具有一第一操作狀態及一第二操作狀態。再者，當本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於此第一操作狀態時，此功率開關、及此第二二極體係為導通狀態，而此第一二極體、及此第三二極體係為截止狀態。於此同時，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之電路動作即如下所述：此三繞組變壓器之此第一二次側繞組及此第二二次側繞組接收並儲存一由此輸入低壓直流電所提供之能量，此三繞組變壓器之此第一二次側繞組及此第二二次側繞組並對此第二電容進行充電，而此第一電容、此第二電容、及此第三電容則對此負載單元進行放電。
另一方面，當本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於此第二操作狀態時，此功率開關、及此第二二極體係處於一截止狀態，而此第一二極體、及此第三二極體則處於一導通狀態。於此同時，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之電路動作即如下所述：此三繞組變壓器之此一次側繞組對此第一電容充電，此三繞組變壓器之此第一二次側繞組及此第二二次側繞組則對此第三電容進行充電。
此外，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統的電壓增益則由下列公式所描述：
其中，Gv 為電壓增益，n為此第一二次側繞組與此一次側繞組之匝數比或此第二二次側繞組與此一次側繞組之匝數比，D則為此功率開關的工作週期。
有關本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，請參閱圖1，圖1係本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之電路架構示意圖。如圖1所示，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統係用以將一低壓直流電升壓為一高壓直流電，包括：一電壓輸入單元Vin 、一三繞組變壓器、一功率開關S1 、一第一電容C1 、一第二電容C2 、一第三電容C3 、一第四電容C4 、一輸出電容C5 、一第一二極體D1 、一第二二極體D2 、一第三二極體D3 、一第四二極體D4 、以及一負載單元R。其中，前述之三繞組變壓器具有一一次側繞組Np 、一第一二次側繞組Ns1 、及一第二二次側繞組Ns2 。
此外，每一二極體皆具有一正極端及一負極端，電壓輸入單元Vin 係用以輸入上述之低壓直流電，功率開關S1 則連接前述之三繞組變壓器之一次側繞組Np 及電壓輸入單元Vin ，而第一電容C1 的一端係電性連接至前述之三繞組變壓器之一次側繞組Np 。再者，第一二極體D1 之正極端係電性連接至前述之三繞組變壓器之一次側繞組Np ，而第一二極體D1 之負極端則電性連接至此第一電容C1 之未與此一次側繞組Np 電性連接的另一端。
另一方面，第二電容C2 的一端係電性連接至此第一二極體D1 之此負極端，而第二電容C2 的另一端則電性連接至此第一二次側繞組Ns1 ，而第二二極體D2 的一正極端係電性連接至此第一二極體D1 之此負極端。再者，第三二極體D3 的正極端係電性連接至前述之三繞組變壓器之此第二二次側繞組Ns2 ，第三電容C3 的一端係電性連接至此第一二次側 繞組Ns1 ，而第三電容C3 的另一端則電性連接至此第三二極體D3 之此負極端。
再者，第四二極體D4 的正極端係電性連接至此第三二極體D3 之此負極端，第四電容C4 的一端係電性連接至此第一二次側繞組Ns1 ，而第四電容C4 的另一端則電性連接至此第二二次側繞組Ns2 。最後，輸出電容C5 的一端係電性連接至此第四二極體D4 之此負極端，而輸出電容C5 的另一端則電性連接至此第一二極體D1 之此正極端，負載單元R係跨接於此輸出電容C5 之兩端，用以輸出上述之高壓直流電。
在本實施例中，功率開關S1 並無限定為何種功率開關，故任何具有開關功能之功率開關皆可適用於本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統中。然而，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統所選用之功率開關係為一低耐壓之功率開關，如一MOS電晶體。再者，於本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統中，第一二次側繞組Ns1 與一次側繞組Np 之匝數比係與第二二次側繞組Ns2 與此一次側繞組Np 之匝數比相同。
除此之外，第四電容C4 的設置係為防止第一二次側繞組Ns1 、第二二次側繞組Ns2 之間電壓不平衡問題，並進一步防止因第一二次側繞組Ns1 及第二二次側繞組Ns2 之間電壓不平衡所產生電流逆流。
而當本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統係操作於一連續導通模式時，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統即具有兩種操作狀態，即一第一操作狀態與一第二操作狀態。以下，將分別詳述本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於此兩種操作狀態下，各組成元件的作動：首先，由於在連續導通模式下，因第一二次側繞組Ns1 及第二二次側繞組Ns2 的特性與結構係為完全相等。所以，第四電容C4 可被忽略並視為短路。如此一來，本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統的電路分析可進一步被簡化。
請先參閱圖2，圖2係本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下之第一操作狀態示意圖。於第一操作狀態時，功率開關S1 、及第二二極體D2 係為導通狀態，而此第一二極體D1 、及此第三二極體D3 係為截止狀態。如此，電壓輸入單元Vin 的電流流經功率開關S1 及三繞組變壓器的一次側繞組Np ，而形成一迴路L1 。於此同時，三繞組變壓器的一次側繞組Np 由電壓輸入單元Vin 接收並儲存能量。
再者，另一迴路L2 的電流則流經前述之三繞組變壓器的第一二次側繞組Ns1 、第二二次側繞組Ns2 、第二電容C2 、及第二二極體D2 。其中，三繞組變壓器的第一二次側繞組Ns1 係對第二電容C2 進行充電。此外，電流則流經第一電容C1 、第二電容C2 、及第三電容C3 ，且第一電容C1 、第二電容C2 、及第三電容C3 所形成之迴路L3 則對負載R進行放電。
接著，請再參閱圖3，圖3係本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下之第二操作狀態示意圖。於此第二操作狀態時，功率開關S1 、及第二二極體D2 係處於一截止狀態，而第一二極體D1 、及第三二極體D3 則處於一導通狀態。
此時，儲存於前述之三繞組變壓器之一次側繞組Np 的能量會對第一電容C1 進行充電，即如圖3中所示由三繞組變壓器之一次側繞組Np 、第一二極體D1 、及第一電容C1 所構成之迴路L4 。同時，此一能量會傳送至三繞組變壓器之第一二次側繞組Ns1 及第二二次側繞組Ns2 ，並對第三電容C3 進行充電即如圖3中所示由第一二次側繞組Ns1 、第四電容C4 、第二二次側繞組Ns2 、第三二極體D3 、及第三電容C3 所形成之迴路L5 。
而從上述之說明，且再配合本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下之第一操作狀態及第二操作狀態的電路分析，可推導出本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統的電壓增益Gv 為係由下列公式所描述：
其中，Gv 為電壓增益，n為此第一二次側繞組與此一次側繞組之匝數比或此第二二次側繞組與此一次側繞組之匝數比，D則為此功率開關的工作週期。
本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下，係週期性地操作於第一操作狀態與第二操作狀態之間。並與由上述說明可知，當本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下，從第一操作狀態切換至第二操作狀態時，儲存於三繞組變壓器之一次側繞組Np 的能量會對第一電容C1 進行充電(即圖3所示之迴路L4 )，如此一來，電容C1 即可達到將能量回收的作用。而儲存電容C1 之能量並再於當本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統從第二操作狀態切換至第一操作狀態時對負載R進行放電(即圖2所示之迴路L3 )。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
Vin ．．．電壓輸入單元
Np ．．．一次側繞組
Ns1 ．．．第一二次側繞組
Ns2 ．．．第二二次側繞組
S1 ．．．功率開關
C1 ．．．第一電容
C2 ．．．第二電容
C3 ．．．第三電容
C4 ．．．第四電容
C5 ．．．輸出電容
D1 ．．．第一二極體
D2 ．．．第二二極體
D3 ．．．第三二極體
D4 ．．．第四二極體
R．．．負載單元
L1 -L5 ．．．迴路
圖1係本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統之電路架構示意圖。
圖2係本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下之第一操作狀態示意圖。
圖3係本發明之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統於連續導通模式下之第二操作狀態示意圖。
Vin ．．．電壓輸入單元
Np ．．．一次側繞組
Ns1 ．．．第一二次側繞組
Ns2 ．．．第二二次側繞組
S1 ．．．功率開關
C1 ．．．第一電容
C2 ．．．第二電容
C3 ．．．第三電容
C4 ．．．第四電容
C5 ．．．輸出電容
D1 ．．．第一二極體
D2 ．．．第二二極體
D3 ．．．第三二極體
D4 ．．．第四二極體
R．．．負載單元

Claims (10)

  1. 一種具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，係用以將一低壓直流電升壓為一高壓直流電，係包括：一電壓輸入單元，係用以輸入該低壓直流電；一三繞組變壓器，係具有一一次側繞組、一第一二次側繞組、及一第二二次側繞組；一功率開關，係電性連接至該三繞組變壓器之該一次側繞組及該電壓輸入單元；一第一電容，該第一電容的一端係電性連接至該三繞組變壓器之該一次側繞組；一第一二極體，係具有一正極端及一負極端，且該正極端係電性連接至該三繞組變壓器之該一次側繞組，該負極端則電性連接至該第一電容之未與該一次側繞組電性連接的另一端；一第二電容，該第二電容的一端係電性連接至該第一二極體之該負極端，該第二電容的另一端則電性連接至該第一二次側繞組；一第二二極體，係具有一正極端及一負極端，且該第二二極體的一正極端係電性連接至該第一二極體之該負極端；一第三二極體，係具有一正極端及一負極端，且該正極端係電性連接至該三繞組變壓器之該第二二次側繞組；一第三電容，該第三電容的一端係電性連接至該第一二次側繞組，該第三電容的另一端則電性連接至該第三二極體之該負極端；一第四二極體，係具有一正極端及一負極端，且該正極端係電性連接至該第三二極體之該負極端；一第四電容，該第四電容的一端係電性連接至該第一二次側繞組，該第四電容的另一端則電性連接至該第二二次側繞組；一輸出電容，該輸出電容的一端係電性連接至該第四二極體之該負極端，該輸出電容的另一端則電性連接至該第一二極體之該正極端；以及一負載單元，係跨接於該輸出電容之兩端，用以輸出該高壓直流電。
  2. 如申請範圍第1項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，該功率開關係為一低耐壓之功率開關。
  3. 如申請範圍第2項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，該低耐壓之功率開關係為一MOS電晶體。
  4. 如申請範圍第1項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，該第一二次側繞組與該一次側繞組之匝數比係與該第二二次側繞組與該一次側繞組之匝數比相同。
  5. 如申請範圍第4項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，該轉換系統係操作於一連續導通模式，且該轉換系統操作於該連續導通模式時，具有一第一操作狀態及一第二操作狀態。
  6. 如申請範圍第5項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換器，其中，當該轉換器於該第一操作狀態時，該功率開關、及該第二二極體係為導通狀態，而該第一二極體、及該第三二極體係為截止狀態。
  7. 如申請範圍第6項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，該三繞組變壓器之該第一二次側繞組及該第二二次側繞組接收並儲存一由該輸入低壓直流電所提供之能量，該三繞組變壓器之該第一二次側繞組及該第二二次側繞組並對該第二電容進行充電，而該第一電容、該第二電容、及該第三電容則對該負載單元進行放電。
  8. 如申請範圍第5項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，當該轉換系統操作於該第二操作狀態時，該功率開關、及該第二二極體係處於一截止狀態，而該第一二極體、及該第三二極體則處於一導通狀態。
  9. 如申請範圍第8項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，該三繞組變壓器之該一次側繞組對該第一電容充電，該三繞組變壓器之該第一二次側繞組及該第二二次側繞組則對該第三電容進行充電。
  10. 如申請範圍第1項所述之具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統，其中，該具漏感能量回收高升壓直流-直流轉換系統的電壓增益為： 其中，Gv 為電壓增益，n為該第一二次側繞組與該一次側繞組之匝數比或該第二二次側繞組與該一次側繞組之匝數比，D則為該功率開關的工作週期。
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