TWI528696B - 單級高降壓比直流-直流轉換器 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種單級高降壓比直流-直流轉換器，尤指一種藉由直流-直流轉換電路之電壓轉換用以改變所述輸入單元與所述輸出單元之電壓
增益為，D為責任週期，以達到具有高降壓比功能之直流-直流轉換器。
一般傳統降壓型直流-直流轉換器如第十一圖所示，係包含有一輸入端(A1)一端電性連接一切換開關(A2)之一端，該切換開關(A2)另一端電性連接一二極體(A3)之陰極端與一電感器(A4)一端，該電感器(A4)另一端電性連接一輸出電容器(A5)一端與一負載(A6)一端，而該輸入端(A1)另一端係電性連接該二極體(A3)之陽極端、輸出電容器(A5)另一端與該負載(A6)另一端，而該輸入端之電壓與輸出端之電壓之比值，即電壓增益為D，其中，D為責任週期。
再者，請參閱第十二圖所示，為了改善前述傳統降壓型直流-直流轉換器其降壓比仍不高之缺失，進一步有二次式降壓型直流-直流轉換器，包含有一輸入端(B1)、一第一二極體(B2)、一第二二極體(B3)、一第三二極體(B4)、一第一電感器(B5)、一第二電感器(B6)、一切換開關(B7)、一第一電容器(B8)、一第二電容器(B9)及一輸出負載(B0)，其中，該輸入端(B1)一端電性連接該第一二極體(B2)之陰極端與該第一電感器(B5)一端，該第一電感器(B5)另一端電性連接該第一電容器(B8)一端與該切換開關(B7)一端，該第一二極體(B2)
之陽極端係電性連接該第二二極體(B3)之陰極端，該切換開關(B7)另一端電性連接該第三二極體(B4)之陰極端與該第二電感器(B6)一端，該第二電感器(B6)另一端電性連接該第二電容器(B9)一端與該輸出負載(B0)一端，該輸入端(B1)另一端電性連接該第二二極體(B3)之陽極端、第三二極體(B4)之陽極端、該第二電容器(B9)另一端與該輸出負載(B0)另一端，而該輸入端之電壓與輸出端之電壓之比值，即電壓增益為D2，其中，D為責任週期。雖然二次式降壓型直流-直流轉換器有效提高降壓比之功效，但因該二次式降壓型直流-直流轉換器係為兩個傳統降壓型直流-直流轉換器串級，並作為單級化設計，而其效率係為兩功率級之乘積，因此有轉換效率較差之缺點。
爰此，為了改善前述皆具有較低之降壓比，因此若應用在需高降壓比之電路上，皆有不實用之缺失。以及，為了改善該二次式降壓型轉換器係為兩個傳統降壓型轉換器串級而做單級化之設計，其效率為兩功率級的乘積，因此轉換效率較差之缺失，故本發明提供一種單級高降壓比直流-直流轉換器，包括有：一輸入單元，係輸入一直流電；一直流-直流轉換電路，該直流-直流轉換電路一端係電性連接所述輸入單元，其中，所述直流-直流轉換電路係為一降壓電路，並包含有一第一電容、一第二電容、一第一切換開關、一第二切換開關、一第三切換開關、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第一電感與一第二電感，所述第一電容一端係電性連接所述第一切換開關一端，所述第一電容另一端係電性連接所述第二電容一端，所述第二電容另一端係電性連接所述第二切換開關一端，所述第一切換開關另一端係電性連接所述第一二極體之陰極端與所述第三
切換開關一端，所述第一二極體之陽極端係電性連接所述第二二極體之陰極端、所述第一電容與所述第二電容之間，所述第二切換開關另一端係電性連接所述第二二極體之陽極端，所述第三切換開關另一端係電性連接所述第一電感一端與所述第三二極體之陰極端，所述第一電感另一端電性連接所述第四二極體之陰極端，所述第四二極體之陽極端電性連接所述第二電感一端、所述第二切換開關另一端與所述第二二極體之陽極端，所述第二電感另一端電性連接所述第三二極體之陽極端；一輸出單元，所述輸出單元係電性連接所述直流-直流轉換電路另一端；藉由所述輸入單元輸入直流電至所述直流-直流轉換電路，並經所述直流-直流轉換電路之電壓轉換後，由所述輸出單元輸出降壓後之直流電，所述直流-直流轉
換電路係用以改變所述輸入單元與所述輸出單元之電壓增益為，D為責任週期，以達到具有高降壓比之功能。
其中，所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關分別為一金氧半場效應電晶體(MOSFET)。
其中，所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關係一具N通道與增益型之金氧半場效應電晶體(MOSFET)。
其中，係採用一脈波寬度調變控制所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關依序循環操作在下列四個模式：所述第一切換開關與所述第三切換開關導通，所述第二切換開關截止；所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關截止；所述第二切換開關與所述第三切換開關導通，所述第一切換開關截止；所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關截止。
其中，所述第一二極體之電壓、所述第二二極體之電壓、所述第一切換開關之電壓與所述第二切換開關之電壓分別為倍之輸入單元之直流電電壓。
其中，所述第三二極體之電壓、所述第四二極體之電壓與所述第三切換開關之電壓分別為倍之輸入單元直流電電壓與倍之輸出單元直流電電壓之和。
本發明之功效在於：
1.本發明揭示之直流-直流轉換電路使其輸入單元與所述輸出單元之電壓增益為，D為責任週期，因此實具有高降壓比之優點。
2.本發明進行電能轉換僅需單一功率級電路，因此本發明直流-直流轉換器之轉換效率較佳。
3.本發明揭示之直流-直流轉換電路中之功率切換元件，如第一切換開關、第二切換開關與第三切換開關，其電壓應力低。
4.在相同輸出電壓及輸出功率下，本發明揭示之直流-直流轉換電路中流經第一電感、第二電感之電流為習知傳統型轉換器與二次式降壓型轉換器的倍。
5.本發明不須使用變壓器即可達到具有高降壓比之功效。
(1)‧‧‧直流-直流轉換器
(10)‧‧‧輸入單元
(101)‧‧‧輸入端
(11)‧‧‧直流-直流轉換電路
(110)‧‧‧第一電容
(111)‧‧‧第二電容
(112)‧‧‧第一切換開關
(113)‧‧‧第二切換開關
(114)‧‧‧第三切換開關
(115)‧‧‧第一二極體
(116)‧‧‧第二二極體
(117)‧‧‧第三二極體
(118)‧‧‧第四二極體
(1191)‧‧‧第一電感
(1192)‧‧‧第二電感
(12)‧‧‧輸出單元
(121)‧‧‧輸出電容
(122)‧‧‧負載
(A1)‧‧‧輸入端
(A2)‧‧‧切換開關
(A3)‧‧‧二極體
(A4)‧‧‧電感器
(A5)‧‧‧輸出電容器
(A6)‧‧‧負載
(B1)‧‧‧輸入端
(B2)‧‧‧第一二極體
(B3)‧‧‧第二二極體
(B4)‧‧‧第三二極體
(B5)‧‧‧第一電感器
(B6)‧‧‧第二電感器
(B7)‧‧‧切換開關
(B8)‧‧‧第一電容器
(B9)‧‧‧第二電容器
(B0)‧‧‧輸出負載
[第一圖]係為本發明之電路圖。
[第二圖]係為本發明直流-直流轉換器於單一切換週期之波形圖。
[第三圖]係為本發明直流-直流轉換器操作於模式一之電流路徑圖。
[第四圖]係為本發明直流-直流轉換器操作於模式二、模式四之電流路徑圖。
[第五圖]係為本發明直流-直流轉換器操作於模式三之電流路徑圖。
[第六圖]係為本發明操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之輸入電壓與輸出電壓之模擬波形圖。
[第七圖]係為本發明操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之第一切換開關的跨壓、第二切換開關的跨壓與第三切換開關的跨壓之模擬波形圖。
[第八圖]係為本發明操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之第一二極體的跨壓與第二二極體的跨壓之模擬波形圖。
[第九圖]係為本發明操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之第三二極體的跨壓與第四二極體的跨壓之模擬波形圖。
[第十圖]係為本發明操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之流經第一電感的電流與第二電感的電流之模擬波形圖。
[第十一圖]係為習知傳統降壓型直流-直流轉換器之電路圖。
[第十二圖]係為習知二次式降壓型直流-直流轉換器之電路圖。
[第十三圖]係為本發明直流-直流轉換器與習知傳統降壓型直流-直流轉換器、二次式降壓型直流-直流轉換器之電壓增益圖。
本發明係為一種單級高降壓比直流-直流轉換器，其主要技術特徵、目的及功效將可於下述實施例清楚呈現。
首先，請先參閱第一圖所示，本發明之直流-直流轉換器(1)包含有一輸入單元(10)、一直流-直流轉換電路(11)及一輸出單元(12)。其中，所述輸入單元(10)包含有一輸入端(101)，係輸入一直流電。而該直流-直流轉換電路(11)係為一降壓電路，並電性連接前述輸入單元(10)，且包含有一第一電容(110)、一第二電容(111)、一第一切換開關(112)、一第二切換開關(113)、一第三切換開關(114)、
一第一二極體(115)、一第二二極體(116)、一第三二極體(117)、一第四二極體(118)、一第一電感(1191)與一第二電感(1192)。其中，在本實施例中，所述第一切換開關(112)、所述第二切換開關(113)與所述第三切換開關(114)分別為一具N通道與增益型之金氧半場效應電晶體(MOSFET)。
而電路之連接方式說明如下：所述第一電容(110)一端係電性連接所述第一切換開關(112)一端。所述第一電容(110)另一端係電性連接所述第二電容(111)一端。所述第二電容(111)另一端係電性連接所述第二切換開關(113)一端。所述第一切換開關(112)另一端係電性連接所述第一二極體(115)之陰極端與所述第三切換開關(114)一端。所述第一二極體(115)之陽極端係電性連接所述第二二極體(116)之陰極端、所述第一電容(110)與所述第二電容(111)之間。所述第二切換開關(113)另一端係電性連接所述第二二極體(116)之陽極端。所述第三切換開關(114)另一端係電性連接所述第一電感(1191)一端與所述第三二極體(117)之陰極端。所述第一電感(1191)另一端電性連接所述第四二極體(118)之陰極端。所述第四二極體(118)之陽極端電性連接所述第二電感(1192)一端、所述第二切換開關(113)另一端與所述第二二極體(116)之陽極端，所述第二電感(1192)另一端電性連接所述第三二極體(117)之陽極端。而該輸出單元(12)包含有一輸出電容(121)及一負載(122)。
再者，請參閱第二圖至第五圖所示，該直流-直流轉換器(1)之直流-直流轉換電路(11)係採用一脈波寬度調變控制所述第一切換開關(112)、所述第二切換開關(113)與所述第三切換開關(114)。而主要單一切換週期之波形圖如第二圖所示，並依序循環操作在下列四個模式：
(a)模式一：在區間[t0,t1]，所述第一切換開關(112)與所述第三切換開關(114)導通，所述第二切換開關(113)截止，而電流路徑如第三圖所示。在此區間，所述輸入端(101)輸入之直流電壓及第一電容(110)將能量傳送至第一電感(1191)及第二電感(1192)、輸出電容(121)及負載(122)。此時，第一電感(1191)及第二電感(1192)係作串聯儲存能量。而此操作模式在t=t1結束，此時第一切換開關(112)、第二切換開關(113)及第三切換開關(114)係為截止。
(b)模式二：在區間[t1,t2]，所述第一切換開關(112)、所述第二切換開關(113)與所述第三切換開關(114)截止，電流路徑如第四圖所示。在此區間，第一電感(1191)及第二電感(1192)作並聯釋放能量，且將能量傳送至輸出電容(121)及負載(122)。此操作模式在t=t2結束，第二切換開關(113)及第三切換開關(114)導通、第一切換開關(112)截止。
(c)模式三：在區間[t2,t3]，所述第二切換開關(113)與所述第三切換開關(114)導通，所述第一切換開關(112)截止，電流路徑如第五圖所示。在此區間，該輸入端(101)之電壓及第二電容(111)將能量傳送至第一電感(1191)及第二電感(1192)、輸出電容(121)及負載(122)。此時，第一電感(1191)及第二電感(1192)係作串聯儲存能量。此操作模式在t=t3結束，此時第一切換開關(112)、第二切換開關(113)及第三切換開關(114)截止。
(d)模式四：在區間[t3,t4]，所述第一切換開關(112)、所述第二切換開關(113)與所述第三切換開關(114)截止，電流路徑如第四圖所示。在此區間，第一電感(1191)及第二電感(1192)作並聯
釋放能量，並將能量傳送至輸出電容(121)及負載(122)。此操作模式結束在下一切換週期開始，即第一切換開關(112)及第三切換開關(114)導通、第二切換開關(113)截止。
進一步要說明的是，本發明直流-直流轉換器(1)之第一切換開關(112)之跨壓、所述第二切換開關(113)之跨壓、所述第一二極體(115)之跨壓、所述第二二極體(116)之跨壓係分別為倍之輸入單元(10)之直流電電壓，即。而所述第三二極體(117)之跨壓、所述第四二極體(118)之跨壓與所述第三切換開關(114)之跨壓分別為倍之輸入單元(10)直流電電壓與倍之輸出單元(12)直流電電壓之和，即。
再者，請參閱第六圖至第十圖所示，第六圖係操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之輸入電壓與輸出電壓之模擬波形圖。而波形圖之數值為Vin：30V/div，Vo：3V/div，Time：200μs/div。第七圖係操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之第一切換開關的跨壓、第二切換開關的跨壓與第三切換開關的跨壓之模擬波形圖。而波形圖之數值為Vs1，Vs2，Vs3：10V/div，Time：40μs/div。第八圖係操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之第一二極體的跨壓與第二二極體的跨壓之模擬波形圖。而波形圖之數值為VD1，VD2：20V/div，Time：40μs/div。第九圖係操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之第三二極體的跨壓與第四二極體的跨壓之模擬波形圖。而波形圖之數值為VD3，VD4：10V/div，Time：40μs/div。第十圖係操作在輸入電壓120V、輸出電壓12V、輸出功率100W之流經第一電感的電流與第二電感的電流之模擬波形圖。而波形圖之數值為IL1，IL2：1A/div，Time：40μs/div。
進一步，請參閱第十三圖所示，係為本發明之直流-直流轉換器(1)[線條A]與二次式降壓型直流-直流轉換器[線條B]、習知傳統降壓型直流-直流轉換器[線條C]之電壓增益圖。由圖可知，本發明揭示之直流-直流轉換器(1)較傳統降壓型直流-直流轉換器具有較高的降壓比。而本發明揭示之直流-直流轉換器(1)與二次式降壓型直流-直流轉換器比較得知，當責任週期大於0.3時，本發明係具有較高的降壓比；而當責任週期小於0.3時，二次式降壓型直流-直流轉換器較本發明揭示之直流-直流轉換器(1)具有較高的降壓比，但是二次式降壓型直流-直流轉換器係為兩個傳統降壓型直流-直流轉換器串級作單級化設計，因此，二次式降壓型直流-直流轉換器之效率係為兩功率級之乘積，故效率較差。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效。惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍。即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)‧‧‧直流-直流轉換器
(10)‧‧‧輸入單元
(101)‧‧‧輸入端
(11)‧‧‧直流-直流轉換電路
(110)‧‧‧第一電容
(111)‧‧‧第二電容
(112)‧‧‧第一切換開關
(113)‧‧‧第二切換開關
(114)‧‧‧第三切換開關
(115)‧‧‧第一二極體
(116)‧‧‧第二二極體
(117)‧‧‧第三二極體
(118)‧‧‧第四二極體
(1191)‧‧‧第一電感
(1192)‧‧‧第二電感
(12)‧‧‧輸出單元
(121)‧‧‧輸出電容
(122)‧‧‧負載
Claims (5)
- 一種單級高降壓比直流-直流轉換器，包含有：一輸入單元，係輸入一直流電；一直流-直流轉換電路，該直流-直流轉換電路一端係電性連接所述輸入單元，其中，所述直流-直流轉換電路係為一降壓電路，並包含有一第一電容、一第二電容、一第一切換開關、一第二切換開關、一第三切換開關、一第一二極體、一第二二極體、一第三二極體、一第四二極體、一第一電感與一第二電感，所述第一電容一端係電性連接所述第一切換開關一端，所述第一電容另一端係電性連接所述第二電容一端，所述第二電容另一端係電性連接所述第二切換開關一端，所述第一切換開關另一端係電性連接所述第一二極體之陰極端與所述第三切換開關一端，所述第一二極體之陽極端係電性連接所述第二二極體之陰極端、所述第一電容與所述第二電容之間，所述第二切換開關另一端係電性連接所述第二二極體之陽極端，所述第三切換開關另一端係電性連接所述第一電感一端與所述第三二極體之陰極端，所述第一電感另一端電性連接所述第四二極體之陰極端，所述第四二極體之陽極端電性連接所述第二電感一端、所述第二切換開關另一端與所述第二二極體之陽極端，所述第二電感另一端電性連接所述第三二極體之陽極端；一輸出單元，所述輸出單元係電性連接所述直流-直流轉換電路另一端；藉由所述輸入單元輸入直流電至所述直流-直流轉換電路，並經所述直流-直流轉換電路之電壓轉換後，由所述輸出單元輸出降壓後之直流電，所述直流-直流轉換電路係用以改變所述輸入單元與所述輸出單元之電壓增益為，D為責任週期，所述第三二極體之跨壓、所述第四二極體之跨壓與所述第三切換開關之 跨壓分別為倍之輸入單元直流電電壓與倍之輸出單元直流電電壓之和，以達到具有高降壓比之功能。
- 如申請專利範圍第1所述之單級高降壓比直流-直流轉換器，其中，所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關分別為一金氧半場效應電晶體(MOSFET)。
- 如申請專利範圍第2項所述之單級高降壓比直流-直流轉換器，其中，所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關係一具N通道與增益型之金氧半場效應電晶體(MOSFET)。
- 如申請專利範圍第1項所述之單級高降壓比直流-直流轉換器，其中，係採用一脈波寬度調變控制所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關依序循環操作在下列四個模式：所述第一切換開關與所述第三切換開關導通，所述第二切換開關截止；所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關截止；所述第二切換開關與所述第三切換開關導通，所述第一切換開關截止；所述第一切換開關、所述第二切換開關與所述第三切換開關截止。
- 如申請專利範圍第1項所述之單級高降壓比直流-直流轉換器，其中，所述第一二極體之跨壓、所述第二二極體之跨壓、所述第一切換開關之跨壓與所述第二切換開關之跨壓分別為倍之輸入單元之直流電電壓。
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| TW103129114A TWI528696B (zh) | 2014-08-22 | 2014-08-22 | 單級高降壓比直流-直流轉換器 |
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| TWI800389B (zh) * | 2022-05-27 | 2023-04-21 | 遠東科技大學 | 具降壓功能之電源轉換器 |
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| TW201608807A (zh) | 2016-03-01 |
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