TWI477043B - Power conversion circuit with high boost gain - Google Patents

Description

具高升壓增益之電力轉換電路

本發明是有關於一種升壓電路，特別是指一種具高升壓增益之電力轉換電路。

已知的高升壓電路設計，像是利用串接升壓轉換器的方式來達到高升壓轉換，或是利用耦合電感(Coupling Inductor)、電荷幫浦(Charge Pump)等方式來進行電壓疊加以提高升壓比，甚至有的結合以上兩種方法來達到更高的升壓轉換。不過以上所提出的架構皆各有其缺點，如電路架構過於複雜，使用大量電感、電容及開關等被動元件，導致整體電路效率不佳；或是只能應用於低功率場合；或是輸出端為浮接式，即使有好的高升壓比，卻反而限制其應用的場合；還有些電路，開關元件為浮動式而非置於接地端，因此需要額外的隔離驅動器，不僅增加成本也提高了整個系統設計的複雜度。此外，許多電路架構為了提高升壓比而使用高階的控制器，不易控制。

因此，本發明之目的，即在提供一種具高升壓增益之電力轉換電路。

於是，本發明具高升壓增益之電力轉換電路適用於將一輸入電壓進行升壓，該電力轉換電路包含一儲能電感、一儲能電容、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一耦合電感、一靴帶電容及一開關元件。

該儲能電感具有一接收該輸入電壓的第一端及一第二端；該儲能電容具有一與該儲能電感之第一端耦接的第一端及一第二端；該第一二極體具有一與該儲能電感之第二端耦接的陽極及一與該儲能電容之第二端耦接的陰極；該第二二極體具有一與該儲能電容之第二端耦接的陽極及一陰極；該耦合電感具有一一次側線圈及一二次側線圈，該二次側線圈及該一次側線圈的匝數比n，該一次側線圈具有一與該第二二極體的陰極耦接的第一端及一第二端，該二次側線圈具有一與該第二二極體的陰極及該一次側線圈的第一端耦接的第一端及一第二端；該第三二極體具有一與該一次側線圈之第二端耦接的陽極及一陰極；該第四二極體具有一與該第一二極體之陽極耦接的陽極及一與該一次側線圈之第二端耦接的陰極；該靴帶電容具有一與該二次側線圈之第二端耦接的第一端及一與該第四二極體之陽極耦接的第二端；該開關元件耦接該第三二極體之陽極及該第四二極體之陰極。

當該開關元件不導通時，該第一二極體和該第三二極體導通及該第二二極體和該第四二極體截止，該儲能電感之跨壓為該儲能電容之跨壓且該儲能電感進行去磁；當該開關元件導通時，該儲能電感之跨壓為該輸入電壓而進行激磁，該第一二極體和該第三二極體截止及該第二二極體和該第四二極體導通，且該輸入電壓加上該儲能電容之跨壓與該二次側線圈之跨壓對該靴帶電容充電，令該二次側線圈上跨壓為n倍該一次側線圈上之跨壓。

較佳的，該開關元件為一接地的非浮動式開關元件。

較佳的，該靴帶電容的電容值足以使得其跨壓於穩態時保持在(1+n)倍的該輸入電壓加上(1+n)倍的該儲能電容之跨壓。

本發明具高升壓增益之電力轉換電路之功效在於：設計者可以利用二次側線圈及一次側線圈的匝數比n來調整其升壓比以增加其設計彈性，且所使用之開關元件為非浮動式，整體驅動方式簡單以及實用。

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，一種具高升壓增益之電力轉換電路100適用於將一輸入電壓v_i 進行升壓，該電力轉換電路100包含一儲能電感L₁ 、一儲能電容C₁ 、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 、一耦合電感15、一靴帶電容C₂ 、一開關元件S₁ 、一輸出電容C_o 及一輸出電阻R_o 。

儲能電感L₁ 具有一接收輸入電壓v_i 的第一端111及一第二端112；儲能電容C₁ 具有一與儲能電感L₁ 之第一端111耦接的第一端121及一第二端122；第一二極體D₁ 具有一與儲能電感L₁ 之第二端耦接的陽極131及一與儲能電容C₁ 之第二端122耦接的陰極132；第二二極體D₂ 具有一與儲能電容C₁ 之第二端122耦接的陽極141及一陰極142。

耦合電感15具有一一次側線圈N₁ 及一二次側線圈 N₂ ，二次側線圈N₂ 及一次側線圈N₁ 的匝數比n，一次側線圈N₁ 具有一與第二二極體D₂ 的陰極142耦接的第一端(非打點端)151及一第二端(打點端)152，二次側線圈N₂ 具有一與第二二極體D₂ 的陰極142及一次側線圈N₁ 的第一端151耦接的第一端(打點端)161及一第二端(非打點端)162；第三二極體D₃ 具有一與一次側線圈N₁ 之第二端152耦接的陽極171及一與輸出電容C_o 之一端及輸出電阻R_o 之一端耦接的陰極172，輸出電容C_o 之另一端及輸出電阻R_o 之另一端則接地；第四二極體D₄ 具有一與第一二極體D₁ 之陽極131耦接的陽極181及一與一次側線圈N₁ 之第二端152耦接的陰極182。

靴帶電容C₂ 具有一與二次側線圈N₂ 之第二端162耦接的第一端191及一與第四二極體D₄ 之陽極181耦接的第二端192。靴帶電容C₂ 的電容值足以使得其跨壓於穩態時保持在(1+n)倍的輸入電壓加上(1+n)倍的儲能電容C₁ 之跨壓。

開關元件S₁ 耦接第三二極體D₃ 之陽極171及第四二極體D₄ 之陰極182；較佳的，開關元件S₁ 為一接地的非浮動式開關元件，如：一n通道金氧半場效電晶體具有一閘極(G)、一源極(S)及一汲極(D)，閘極(G)做為控制端，用來控制開關元件導通與否，源極(S)則耦接第三二極體D₃ 之陽極171及第四二極體D₄ 之陰極182，汲極(D)為接地。

參閱圖2，v_i 為輸入電壓、v_o 為輸出電壓、i_i 為輸入電流，i_DS1 為開關元件S₁ 上之電流、i_D1 為第一二極體D₁ 上之電流、i_D2 為第二二極體D₂ 上之電流、i_D3 為第三二極體D₃ 上之電流、i_D4 為第四二極體D₄ 上之電流、i_C1 為儲能電容C₁ 上之電流、i_L1 為儲能電感L₁ 上之電流、i₁ 為一次側線圈N₁ 之電流、i₂ 為二次側線圈N₂ 之電流及流經靴帶電容C₂ 上之電流、i_Lm 為激磁電感L_m 上之電流、i₃ 為一次側線圈N₁ 之電流。v_gs1 為開關元件S₁ 之閘極驅動訊號、v_DS1 為開關元件S₁ 之跨壓、v_L1 為儲能電感L₁ 之跨壓、v_N1 為一次側線圈N₁ 或激磁電感L_m 之跨壓、v_N2 為二次側線圈N₂ 之跨壓、v_C1 為儲能電容C₁ 之跨壓、v_C2 為靴帶電容C₂ 之跨壓。

為了方便分析，設定條件如下：當切換週期為T _s 時，則開關元件S₁ 之導通時間為DT _s ，而開關元件S₁ 之截止時間為(1-D )T _s 。開關元件S₁ 、第一二極體D₁ 、第二二極體D₂ 、第三二極體D₃ 及第四二極體D₄ 均視為理想元件，即開關切換時間、導通電阻、二極體反向恢復時間與順向導通壓降均忽略不計。儲能電感L₁ 、耦合電感15、儲能電容C₁ 與靴帶電容C₂ 均不考慮寄生電阻，且靴帶電容C₂ 足夠大，使其跨壓於穩態時會保持在(1+n)倍的輸入電壓v_i 加上(1+n)倍的儲能電容C₁ 上之跨壓v_C1 。耦合電感15之耦合係數為一，整體電路操作於連續導通模式下。

參閱圖3，是如圖2基於上述各元件的電流波形及電壓波形的時序圖，以下將配合圖4及圖5介紹本發明的兩種控制模式。

參閱圖4，第一模式為時間區間t ₀ t t ₁ ，此時的開關元件S₁ 導通，儲能電感L₁ 兩端之跨壓為v_i ，故儲能電感L₁ 進行激磁。同時，第一二極體D₁ 和第三二極體D₃ 截止，第 二二極體D₂ 和第四二極體D₄ 導通，激磁電感L_m 上跨壓為輸入電壓v_i 加上儲能電容C₁ 上之跨壓v_C1 ，令激磁電感L_m 進行激磁。

另外，輸入電壓v_i 加上儲能電容C₁ 上之跨壓v_C1 與二次側線圈N₂ 之跨壓v_N2 對靴帶電容C₂ 充電，此時二次側線圈N₂ 上跨壓為n倍的一次側線圈N₁ 上之跨壓v_N1 。其相關之微分方程式如公式1。

由於匝數比n如公式2。

根據公式2可得知一次側線圈N₁ 之電流i₁ 和二次側線圈N₂ 之電流i₂ 之關係及一次側線圈N₁ 之跨壓v_N1 和二次側線圈N₂ 之跨壓v_N2 之關係如下述公式3及公式4。

i ₁ =n ×i ₂ 公式3

v _{N 2} =n ×v _{N 1} 公式4

將公式3帶入公式1，經整理後，可得公式5。

另外，靴帶電容C₂ 之跨壓v_C2 可表示為公式6。

v _{C 2} =v _{N 1} +v _{N 2} =(1+n )×(v _i +v _{C 1} ) 公式6

參閱圖5，第二模式為時間區間t ₁ t t ₀ +T _s ，此時的開關元件S₁ 截止，第二二極體D₂ 和第四二極體D₄ 截止，第一二極體D₁ 和第三二極體D₃ 導通，儲能電感L₁ 兩端之跨壓為-v_C1 ，故儲能電感L₁ 進行去磁，並對輸出電容C_o 進行充電，而激磁電感L_m 兩端之跨壓為v_i +v_C1 +v_C2 -v_N2 -v_o ，故激磁電感L_m 進行去磁，其相關的微分方程式如公式7。

第二模式中，一次側線圈N₁ 之電流i₁ 、二次側線圈N₂ 之電流i₂ 和激磁電感L_m 上之電流i_Lm 關係如公式8。

i ₂ =-i ₁ -i _Lm 公式8

將公式3帶入公式8，可將二次側線圈N₂ 之電流i₂ 改寫為公式9。

另外，由公式7可得一次側線圈N₁ 之跨壓v_N1 如公式10。

v _{N 1} =-v _{N 2} +v _{C 2} +v _{C 1} +v _i -v _o 公式10

將公式4帶入公式10，可將一次側線圈N₁ 之跨壓v_N1 改寫成

將公式3、公式6、公式9和公式11帶入公式7，可得 公式12。

若〈x〉代表變數x的平均值，其中，x可為電壓或電流，則如公式13。

故可由公式5與公式12得知其平均方程式如公式14。

其中，d為用以驅動開關元件S₁ 之閘極控制訊號的責任週期。

由於先前以假設靴帶電容C₂ 夠大，大到可以維持一個穩定的電壓，因此可以根據安培-秒平衡，使得〈i₂ 〉可用〈i_Lm 〉 來表示，如公式15。

因此，將公式15代入公式14，整理後可得公式16。

為了得到此轉換器之小訊號模型，對公式16進行擾動和線性化。首先將〈x〉以直流穩態值X加上一交流擾動量來表示，這個交流擾動量是遠小於穩態直流值，如公式17。

將公式17代入公式16，可得公式18。

將公式18捨去直流項與小擾動之高階項，則可得公式19。

根據公式19可得其小訊號模型，如圖6所示。同理，將公式18捨去交流項與小擾動之高階項，則可得公式20。

參閱圖7，將電感視為短路及電容視為開路，則可得到大訊號模型，根據此大訊號模型可得公式21。

故可得此轉換器之電壓轉換比如公式22。

參閱圖8，電力轉換電路100採用一回授控制系統3，回授控制系統3的規格如表1所示。

回授控制系統3用以驅動開關元件S₁ 的導通與否，回授控制系統3包括一分壓電路(Voltage Divider)30、一比較器31、一誤差放大器(Error Amplifier)32、一脈波寬度調變器(Pulse-Width Modulator)33和閘極驅動器(Gate Drivers)34組合而成，除此之外，v_ref 為參考電壓。

參閱圖9，為100%額定負載且輸入電壓v_i =24伏時，開關元件S₁ 之閘極驅動訊號v_gs1 的波形、流經儲能電感L₁ 之電流i _{L 1} 的波形。

圖10為100%額定負載且輸入電壓v_i =24伏時，開關元件S₁ 之閘極驅動訊號v_gs1 的波形、流經耦合電感15的一次側線圈N₁ 之電流i₃ 的波形、流經耦合電感15的二次側線圈N₂ 之電流i₂ 的波形。

圖11為100%額定負載且輸入電壓v_i =24伏時，開關元件S₁ 之閘極驅動訊號v_gs1 的波形、流經第四二極體D₄ 上之電流i_D4 、流經第三二極體D₃ 上之電流i_D3 的波形。

圖12為100%額定負載且輸入電壓v_i =24伏時，開關元件S₁ 之閘極驅動訊號v_gs1 的波形、儲能電容C₁ 之跨壓v_C1 的波形、靴帶電容C₂ 之跨壓v_C2 的波形。

綜上所述，本發明具高升壓增益之電力轉換電路100之功效在於：設計者可以利用二次側線圈N₂ 及一次側線圈N₁ 的匝數比n來調整其升壓比以增加其設計彈性，且所使用之開關元件S₁ 為非浮動式，整體驅動方式簡單以及實用，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‧‧‧電力轉換電路

111‧‧‧儲能電感的第一端

112‧‧‧儲能電感的第二端

121‧‧‧儲能電容的第一端

122‧‧‧儲能電容的第二端

131‧‧‧第一二極體的陽極

132‧‧‧第一二極體的陰極

141‧‧‧第二二極體的陽極

142‧‧‧第二二極體的陰極

15‧‧‧耦合電感

151‧‧‧一次側線圈的第一端

152‧‧‧一次側線圈的第二端

161‧‧‧二次側線圈的第一端

162‧‧‧二次側線圈的第二端

171‧‧‧第三二極體的陽極

172‧‧‧第三二極體的陰極

181‧‧‧第四二極體的陽極

182‧‧‧第四二極體的陰極

191‧‧‧靴帶電容的第一端

192‧‧‧靴帶電容的第二端

C₁ ‧‧‧儲能電容

C₂ ‧‧‧靴帶電容

C_o ‧‧‧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

L₁ ‧‧‧儲能電感

R_o ‧‧‧輸出電阻

S₁ ‧‧‧開關元件

v_i ‧‧‧輸入電壓

v_o ‧‧‧輸出電壓

圖1是一電路圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路之較佳實施例；圖2是一電路圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路標示各元件對應的電流及電壓；圖3是一波形時序圖，說明如圖2各元件的電流波形及電壓波形；圖4是一電路示意圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路於第一模式的導通路徑；圖5是一電路示意圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路於第二模式的導通路徑；圖6是一電路示意圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路的小訊號模型；圖7是一電路示意圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路的大訊號模型；圖8是一電路方塊圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路之較佳實施例採用的回授控制系統；及圖9至圖12是波形圖，說明本發明具高升壓增益之電力轉換電路的模擬結果。

100‧‧‧電力轉換電路

111‧‧‧儲能電感的第一端

112‧‧‧儲能電感的第二端

121‧‧‧儲能電容的第一端

122‧‧‧儲能電容的第二端

131‧‧‧第一二極體的陽極

132‧‧‧第一二極體的陰極

141‧‧‧第二二極體的陽極

142‧‧‧第二二極體的陰極

15‧‧‧耦合電感

151‧‧‧一次側線圈的第一端

152‧‧‧一次側線圈的第二端

161‧‧‧二次側線圈的第一端

162‧‧‧二次側線圈的第二端

171‧‧‧第三二極體的陽極

172‧‧‧第三二極體的陰極

181‧‧‧第四二極體的陽極

182‧‧‧第四二極體的陰極

191‧‧‧靴帶電容的第一端

192‧‧‧靴帶電容的第二端

C₁ ‧‧‧儲能電容

C₂ ‧‧‧靴帶電容

C_o ‧‧‧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

L₁ ‧‧‧儲能電感

R_o ‧‧‧輸出電阻

S₁ ‧‧‧開關元件

v_i ‧‧‧輸入電壓

v_o ‧‧‧輸出電壓

Claims (3)

1. 一種具高升壓增益之電力轉換電路，適用於將一輸入電壓進行升壓，該電力轉換電路包含：一儲能電感，具有一接收該輸入電壓的第一端及一第二端；一儲能電容，具有一與該儲能電感之第一端耦接的第一端及一第二端；一第一二極體，具有一與該儲能電感之第二端耦接的陽極及一與該儲能電容之第二端耦接的陰極；一第二二極體，具有一與該儲能電容之第二端耦接的陽極及一陰極；一耦合電感，具有一一次側線圈及一二次側線圈，該二次側線圈及該一次側線圈的匝數比n，該一次側線圈具有一與該第二二極體的陰極耦接的第一端及一第二端，該二次側線圈具有一與該第二二極體的陰極及該一次側線圈的第一端耦接的第一端及一第二端；一第三二極體，具有一與該一次側線圈之第二端耦接的陽極及一陰極；一第四二極體，具有一與該第一二極體之陽極耦接的陽極及一與該一次側線圈之第二端耦接的陰極；一靴帶電容，具有一與該二次側線圈之第二端耦接的第一端及一與該第四二極體之陽極耦接的第二端；及一開關元件，耦接該第三二極體之陽極及該第四二極體之陰極； 當該開關元件不導通時，該第一二極體和該第三二極體導通及該第二二極體和該第四二極體截止，該儲能電感之跨壓為該儲能電容之跨壓且該儲能電感進行去磁；當該開關元件導通時，該儲能電感之跨壓為該輸入電壓而進行激磁，該第一二極體和該第三二極體截止及該第二二極體和該第四二極體導通，且該輸入電壓加上該儲能電容之跨壓與該二次側線圈之跨壓對該靴帶電容充電，令該二次側線圈上跨壓為n倍該一次側線圈上之跨壓。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之具高升壓增益之電力轉換電路，其中，該開關元件為一接地的非浮動式開關元件。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之具高升壓增益之電力轉換電路，其中，該靴帶電容的電容值足以使得其跨壓於穩態時保持在(1+n)倍的該輸入電壓加上(1+n)倍的該儲能電容之跨壓。