TWI455464B - 直流/直流升壓電路及其控制升壓方法 - Google Patents

直流/直流升壓電路及其控制升壓方法 Download PDF

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直流/直流升壓電路及其控制升壓方法
本發明係有關於一種直流/直流升壓電路及其控制升壓方法，尤其是指一種可減少關關元件應力並同時具有高升壓倍率之直流/直流升壓電路及其控制升壓方法。
高升壓轉換器近年來普遍使用於再生能源的前級架構上，尤其在太陽能發電系統與市電並聯時，直流對直流(DC/DC)的高升壓轉換器更是不可或缺的。
一般而言，一般傳統DC/DC電力轉換器可分為非隔離型架構與隔離型結構兩種，近年來，由於太陽能發電及燃料電池的蓬勃發展，升壓型轉換器也漸漸受到重視。目前，在隔離型的升壓轉換器中，常見有返馳式(Flyback)轉換器和順向式(Forward)轉換器，此兩類轉換器雖可利用變壓器的匝數比來提高電壓轉換，但漏感和開關寄生電容所引起的電壓突波，會造成開關的應力大幅增加，亦增加開關的導通損失，使得轉換效率降低。
而在非隔離型的升壓轉換器中，常見的有串級式升壓轉換器(Cascade)和耦合電感(Coupled-inductor)升壓型轉換器；串級式升壓轉換器相較於隔離型轉換器，因其不具變壓器，故具有體積較小、成本較低的優勢，但其開關跨壓過高，產生高導通損的問題，且輸出為高電壓時二極體會有嚴重的電 流逆向回復時間(reverse-recovery time problem)和電磁干擾(EMI,electromagnetic interference)等問題，使得轉換效率低；而耦合電感升壓型轉換器由於具有漏感，可抑制瞬間大電流，減少二極體的電流逆向回復時間(reverse-recovery time problem)問題；惟，需較高的升壓比時，必須增加線圈數或者是單方向的增加多組電容及二極體，以達到升壓的目的；如此，卻造成線圈數變多導致漏感變大，使得開關寄生電容和漏感共振產生更大的電壓突波，除了造成開關選取上較為困難，其導通損失也會較大，亦使得電路轉換效率降低；此外，若以增加電容以及二極體數量來達到高升壓效果，由於其電容充電方向僅為單方向，電路轉換效率也會變低。
今，發明人即是鑑於上述現有之直流/直流升壓電路及其控制升壓方法在實際實施上仍具有多處之缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種減少關關元件應力並同時具有高升壓倍率之直流/直流升壓電路及其控制升壓方法，係主要於直流輸入端之正極耦接一次側繞組，藉以儲存能量並透過感應耦合方式將能量釋放至直流輸出端；接著，與一次側繞組感應之二次側繞組並聯第一、二儲能電路形成一升壓電路，其中第一儲能電路包含與二次側繞組第一端耦接之第一儲能電容以及一與第一儲能電容串聯之第一輔助二極體，而第二儲能電路包含與二次側繞組第二端耦接之第二儲能電容以及與第二儲能電容串聯之第二輔助二極體；再於第二儲能電容串聯一濾波電路，用以提供負載電壓；藉由一端耦接一次側繞組，另一端耦接直流輸入端負極之開關元件的導通或截止轉換，使 得第一、二儲能電容透過耦合電感達到並聯充電以及對直流輸出負載串聯進行放電程序導致電壓輸出倍率大幅度提昇；且第一、二輔助二極體形成之電流路徑亦可回收二次側繞組之漏感，進而降低二極體的電流逆向回復時間問題。
再者，於一次側繞組並聯一箝位電路，藉由回收一次側繞組之漏感，避免能量消耗至開關元件上，使得開關元件可選擇較低耐壓規格之開關元件，減少開關元件的導通損。
又，本發明之直流/直流升壓電路可再升壓成使用者欲輸之較高倍率，其直流/直流升壓控制升壓方法係於第一、二輔助二極體分別與一具有電容串接二極體之電路並聯，若於此並聯電路上之電容再並聯一具電容串接二極體之電路，將可讓輸出倍率更高。
10‧‧‧升壓電路
101‧‧‧第一儲能電路
102‧‧‧第二儲能電路
103‧‧‧二次側繞組第一端
104‧‧‧二次側繞組第二端
11‧‧‧濾波電路
12‧‧‧箝位電路
13‧‧‧一次側打點
14‧‧‧二次側打點
S‧‧‧開關元件
Vin‧‧‧直流輸入端
Vo‧‧‧直流輸出端
Np‧‧‧一次側繞組
Ns‧‧‧二次側繞組
C2‧‧‧第一儲能電容
C3‧‧‧第二儲能電容
D2‧‧‧第一輔助二極體
D3‧‧‧第二輔助二極體
D0‧‧‧整流二極體
C0‧‧‧濾波電容
D1‧‧‧箝位二極體
C1‧‧‧箝位電容
C4、C5‧‧‧電容
R‧‧‧負載
D4、D5‧‧‧二極體
S2、S3、S4、S5‧‧‧寄生二極體開關
第一圖：本發明直流/直流升壓電路之方塊圖
第二圖：本發明之非隔離型且一、二次側打點同向之開關元件導通電路工作圖
第三圖：本發明之非隔離型且一、二次側打點同向之開關元件截止電路工作圖
第四圖：本發明之非隔離型且一、二次側打點反向之開關元件導通電路工作圖
第五圖：本發明之非隔離型且一、二次側打點反向之開關元件截止電路工作圖
第六圖(a)：本發明升壓電路一、二次側打點同向且第一、二輔助二極體具寄生二極體開關之方塊圖
第六圖(b)：本發明升壓電路係一、二次側打點反向且第一、二輔助二極體具寄生二極體開關之方塊圖
第七圖(a)：本發明升壓電路一、二次側打點同向且第一、二輔助二極體分別與具電容串接二極體之電路並聯之方塊圖
第七圖(b)：本發明升壓電路一、二次側打點反向且第一、二輔助二極體分別與具電容串接二極體之電路並聯之方塊圖
第七圖(c)：本發明升壓電路一、二次側打點同向且第一、二輔助二極體與並聯電路上之二極體具寄生二極體開關之方塊圖
第七圖(d)：本發明升壓電路一、二次側打點反向且第一、二輔助二極體與並聯電路上之二極體具寄生二極體開關之方塊圖
第八圖：本發明之隔離型且一、二次側打點同向之開關元件導通電路工作圖
第九圖：本發明之隔離型且一、二次側打點同向之開關元件截止電路工作圖
第十圖：本發明之隔離型且一、二次側打點反向之開關元件導通電路工作圖
第十一圖：本發明之隔離型且一、二次側打點反向之開關元件截止電路工作圖
第十二圖(a)：本發明之隔離型且一、二次側打點同向於升壓電路之第一、二輔助二極體分別與具電容串接二極體之電路並聯之開關元件導通電路工作圖
第十二圖(b)：如本發明第十二圖(a)之開關元件截止之電路工作圖
第十二圖(c)：如本發明第十二圖(a)之一、二次側打點反向之電路工作圖
第十二圖(d)：如本發明第十二圖(c)之開關元件截止之電路工作圖
本發明之目的及其電路設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之電路圖，配合具體實施例予以說明，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。
首先，請參閱第一圖所示，為本發明直流/直流升壓電路之較佳實施例，係包含：至少一個一次側繞組Np，係具有一次側打點13，一次側繞組Np耦接直流輸入端Vin之正極，藉以儲存能量並透過感應耦合方式將能量釋放至直流輸出端Vo；一升壓電路10，係包含有一與一次側繞組Np感應之至少一個二次側繞組Ns，以及至少一個與二次側繞組Ns並聯之第一、二儲能電路101、102；其中，二次側繞組Ns具有二次側打點14，且第一儲能電路101係包含與二次側 繞組Ns第一端103耦接之第一儲能電容C2以及一與第一儲能電容C2串聯之第一輔助二極體D2，第二儲能電路102係包含與二次側繞組Ns第二端104耦接之第二儲能電容C3以及與該第二儲能電容C3串聯之第二輔助二極體D3；其中，請參閱第六圖(a)及(b)所示，二次側打點14與一次側打點13可互為同向或反向之設計，且第一、二輔助二極體D2、D3係為允許電流由單一方向通過之二極體或係具寄生二極體之開關；此外，一次側繞組Np與二次側繞組Ns係可為隔離型式或非隔離型式轉換器；一開關元件S，係一端耦接一次側繞組Np，另一端耦接直流輸入端Vin之負極，以藉開關元件S的導通或截止對第一、二儲能電容C2、C3進行充電或放電程序；其中開關元件S可選自金氧半場效電晶體(MOSFET)、雙載子接面電晶體(BJT)、矽控整流器(SCR)、絕緣柵雙極電晶體(GTO)以及關斷開關(IGBT)其中之一，並藉由脈衝寬度調變(PWM)或脈衝頻率調變(PFM)控制開關元件S的導通或截止；以及一濾波電路11，係具有至少一個與第二儲能電容C3串聯之整流二極體D0，以及一個與整流二極體D0串聯並與直流輸出端Vo並聯之濾波電容C0，用以提供負載R電壓。
接著，針對如前述之直流/直流升壓電路之控制升壓方法作說明；首先，令直流/直流升壓電路為非隔離型且一次側打點13與二次側打點14同向，當開關元件S導通時，整流 二極體D0與箝位二極體D1截止，而第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時導通，電流路徑請參閱第二圖所示，圖中電路上之箭頭方向表示電流流向，此時，直流輸入端Vin透過耦合電感感應至二次側繞組Ns進而使第一儲能電容C2和第二儲能電容C3達到並聯充電；當開關元件S截止時，整流二極體D0與箝位二極體D1導通，而第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時截止，電流路徑請參閱第三圖所示，此時，直流輸入端Vin及一次側繞組Np內磁化能量透過耦合方式將能量釋放給濾波電容C0以及輸出負載R，同時第一儲能電容C2和第二儲能電容C3亦串連並將儲存之能量提供給濾波電容C0以及輸出負載R；另外，請參閱第七圖(a)所示，可將第一輔助二極體D2依據使用者所欲之升壓倍率與一個具有電容C4串接二極體D4之電路並聯，或將第二輔助二極體D3與一個具有電容C5串接二極體D5之電路並聯，其中此二電容C4、C5亦可依據升壓倍率再分別再並聯一具有電容串接二極體之電路；於電容上並聯具有電容串接二極體之電路越多，其所提供之升壓倍率越大；其中第一、二輔助二極體D2、D3及二極體D4、D5可為寄生二極體開關S2~S5，如第七圖(c)所示。
此外，可進一步於一次側繞組Np並聯一箝位電路12，以吸收瞬間電壓突波並保護該開關元件S；其中箝位電路12係包含一設置於一次側繞組Np與升壓電路10間之箝位 二極體D1，以及一與箝位二極體D1串聯之箝位電容C1；利用箝位電路12可回收一次側繞組Np之漏感，避免能量消耗至開關元件S上，使得開關元件S可選擇較低耐壓規格之開關元件S，減少開關元件S的導通損。
再者，令直流/直流升壓電路為非隔離型且一次側打點13與二次側打點14反向，當開關元件S導通時，箝位二極體D1、第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時截止，而整流二極體D0導通，電流路徑請參閱第四圖所示，此時，直流輸入端Vin及一次側繞組Np內磁化能量透過耦合方式將能量釋放給濾波電容C0以及輸出負載R，同時第一儲能電容C2和第二儲能電容C3亦串連對濾波電容C0以及輸出負載R進行放電；當開關元件S截止時，整流二極體D0截止，而箝位二極體D1、第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時導通，電流路徑請參閱第五圖所示，此時，直流輸入端Vin透過耦合電感感應至二次側繞組Ns進而使第一儲能電容C2和第二儲能電容C3達到並聯充電；另外，請參閱第七圖(b)所示，亦可將第一輔助二極體D2依據使用者所欲之升壓倍率與一個具有電容C4串接二極體D4之電路並聯，或將第二輔助二極體D3與一個具有電容C5串接二極體D5之電路並聯，其中此二電容C4、C5亦可依據升壓倍率再分別再並聯一具有電容串接二極體之電路；其中第一、二輔助二極體D2、D3及二極體D4、D5可為寄生二極體開關S2~S5，如第七圖(d) 所示。
請參閱第八~九圖所示，令直流/直流升壓電路為隔離型且一次側打點13與二次側打點14同向，當開關元件S導通時(如第八圖所示)，整流二極體D0導通，而第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時截止，電流路徑請參閱第八圖所示，此時，直流輸入端Vin及一次側繞組Np內磁化能量透過耦合方式將能量釋放給濾波電容C0以及輸出負載R，同時第一儲能電容C2和第二儲能電容C3亦串連並將儲存之能量提供給濾波電容C0以及輸出負載R；當開關元件S截止時(如第九圖所示)，整流二極體D0截止，而第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時導通，電流路徑請參閱第九圖所示，圖中電路上之箭頭方向表示電流流向，此時，直流輸入端Vin透過耦合電感感應至二次側繞組Ns進而使第一儲能電容C2和第二儲能電容C3達到並聯充電；而當一次側打點13與二次側打點14反向時，請參閱第十~十一圖所示，當開關元件S導通時(如第十圖所示)，整流二極體D0截止，而第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時導通，第一儲能電容C2和第二儲能電容C3同時並聯充電；當開關元件S截止時(如第十一圖所示)，整流二極體D0導通，而第一輔助二極體D2和第二輔助二極體D3同時截止，第一儲能電容C2和第二儲能電容C3同時串連放電予濾波電容C0以及輸出負載R。
請參閱第十二圖(a)~(d)所示，令直流/直流升 壓電路為隔離型且第一、二輔助二極體D2、D3如非隔離型升壓電路一樣，可依據使用者所欲升壓之倍率分別於升壓電路10之第一、二輔助二極體D2、D3與一個具有電容C4、C5串接二極體D4、D5之電路並聯；令一次側打點13與二次側打點14同向，當開關元件S導通時，請參閱第十二圖(a)所示，直流輸入端Vin透過耦合電感感應至二次側繞組Ns進而使得第一儲能電容C2加上並聯之電容C4，以及第二儲能電容C3加上並聯之電容C5同時充電；當開關元件S截止時，請參閱第十二圖(b)所示，第一儲能電容C2加上並聯之電容C4，以及第二儲能電容C3加上並聯之電容C5同時對濾波電容C0以及輸出負載R進行放電；令一次側打點13與二次側打點14反向時，當開關元件S導通時，請參閱第十二圖(c)所示，第一儲能電容C2加上並聯之電容C4，以及第二儲能電容C3加上並聯之電容C5同時對濾波電容C0以及輸出負載R進行放電；當開關元件S截止時，請參閱第十二圖(d)所示，第一儲能電容C2加上並聯之電容C4，以及第二儲能電容C3加上並聯之電容C5同時達到充電程序。
由上述之直流/直流升壓電路及其控制升壓方法與實施說明可知，本發明具有以下優點：本發明之直流/直流升壓電路，利用開關元件的轉換，造成第一、二儲能電容同時透過耦合電感達到並聯充電以及對直流輸出負載進行串聯放電程序，使得電壓輸出倍率大幅度提 昇。
本發明藉由第一、二輔助二極體形成之電流路徑回收二次側繞組之漏感，進而降低二極體的電流逆向回復時間問題。
本發明之直流/直流升壓電路，可依據使用者欲升壓之輸出倍率，於第一、二輔助二極體上並聯一具電容串接二極體之電路或再以具電容串接二極體之電路並聯其上之電容，其電路設計結構簡單，具成本優勢。
本發明之直流/直流升壓電路，藉由箝位電路回收一次側繞組之漏感，避免能量消耗至開關元件上，使得開關元件可選擇較低耐壓規格之開關元件，減少開關元件的導通損。
綜上所述，本發明之直流/直流升壓電路及其控制升壓方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
10‧‧‧升壓電路
101‧‧‧第一儲能電路
102‧‧‧第二儲能電路
103‧‧‧二次側繞組第一端
104‧‧‧二次側繞組第二端
11‧‧‧濾波電路
12‧‧‧箝位電路
13‧‧‧一次側打點
14‧‧‧二次側打點
S‧‧‧開關元件
Vin‧‧‧直流輸入端
Vo‧‧‧直流輸出端
Np‧‧‧一次側繞組
Ns‧‧‧二次側繞組
C2‧‧‧第一儲能電容
C3‧‧‧第二儲能電容
D2‧‧‧第一輔助二極體
D3‧‧‧第二輔助二極體
D0‧‧‧整流二極體
C0‧‧‧濾波電容
D1‧‧‧箝位二極體
C1‧‧‧箝位電容
R‧‧‧負載

Claims (6)

  1. 一種直流/直流升壓電路，其包括：至少一個一次側繞組，該一次側繞組係具有一一次側打點，該一次側繞組耦接直流輸入端之正極，藉以儲存能量並透過感應耦合方式將能量釋放至直流輸出端；一升壓電路，係包含有一與該一次側繞組感應之至少一個二次側繞組，以及與該二次側繞組並聯之第一、二儲能電路，其中該二次側繞組係具有一與該一次側打點反向之二次側打點，該第一儲能電路係包含一與該二次側繞組第一端耦接之第一儲能電容以及一與該第一儲能電容串聯之第一輔助二極體，該第二儲能電路係包含一與該二次側繞組第二端耦接之第二儲能電容以及一與該第二儲能電容串聯之第二輔助二極體，其中該第一、二輔助二極體係為具寄生二極體之開關；一開關元件，係一端耦接該一次側繞組，且另一端耦接該直流輸入端之負極，以藉該開關元件的導通或截止對該第一、二儲能電容進行充電或放電程序；以及一濾波電路，係具有一該第二儲能電容串聯之整流二極 體，以及一串聯該整流二極體並與該直流輸出端並聯之濾波電容，用以提供負載電壓。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之直流/直流升壓電路，其中該直流/直流升壓電路進一步於該一次側繞組並聯一箝位電路，以吸收瞬間電壓突波並保護該開關元件，其中該箝位電路係包含一設置於該一次側繞組與該升壓電路間之箝位二極體，以及一與該箝位二極體串聯之箝位電容。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之直流/直流升壓電路，其中該開關元件係選自金氧半場效電晶體、雙載子接面電晶體、矽控整流器、絕緣柵雙極電晶體以及關斷開關其中之一。
  4. 依據申請專利範圍第3項中任意一項所述之直流/直流升壓電路，其中該一次側繞組與該二次側繞組係為隔離型式或非隔離型式其中之一。
  5. 一種直流/直流控制升壓方法，係使用於如申請專利範圍第1項之直流/直流升壓電路，該直流/直流控制升壓方法包含：將該一次側打點與該二次側打點反向；將該第一、二輔助二極體依據升壓倍率分別與一個具有電容串接二極體之電路並聯，其中該電容係依據升壓倍率再並聯一具有電容串接二極體之電路，於電容上並聯具有電容 串接二極體之電路越多，其所提供之升壓倍率越大；導通該開關元件，使得該第一、二儲能電路上的該第一、二輔助二極體截止，進而使該第一、二儲能電容同時進行串聯放電程序；以及截止該開關元件，使得該第一、二儲能電路上的該第一、二輔助二極體導通，進而使該第一、二儲能電容同時進行並聯充電程序，以達到升壓作用。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之直流/直流控制升壓方法，其中係利用脈衝寬度調變或脈衝頻率調變控制切換該開關元件的導通或截止。
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Yi-Ping Hsieh, Jiann-Fuh Chen, Tsorng-Juu Liang, Lung-Sheng Yang, "A Novel High Step-Up DC-DC Converter for a Microgrid System", IEEE Power Electronics Society, Vol. 26, NO. 4, April 2011, pp. 1127-1136. *

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TW201246766A (en) 2012-11-16

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